УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F24J2/16 F24J2/42 

Изобретение относится к области использования солнечной энергии и может быть использовано в различных областях техники.

Известен аэростат с подогретым воздухом, содержащий гондолу, наружную оболочку с верхней прозрачной частью и внутреннюю, выполненную теплопоглощающей энергию солнечного света. С целью увеличения безопасности полета аэростат снабжен малой оболочкой с природным газом, причем внутренняя оболочка по объему в 5-10 раз меньше наружной и заполнена гелием, а малая – в 5-10 раз меньше внутренней (RU 20056647 C1, 15.01.1994, B 64 B 1/40).

Известна гелиосушилка, включающая воздухонагреватель и установленную на основании сушильную камеру с сетчатым поддоном для высушиваемого материала, а воздухонагреватель выполнен в виде каркаса, обтянутого прозрачной лицевой отражающими тыльной и боковыми пленками (RU 2105942 С1, 27.02.1998, F 26 B 3/28).

Известны солнечный коллектор и солнечный двигатель с таким коллектором, содержащий систему линз с выпуклой светоприемной поверхностью. Движение поршня двигателя происходит за счет расширения газа в камере, за счет роста давления происходит открытие клапана, в свою очередь обеспечивающего движение штока и поршня (US 4682582 A, 28.07.1987, F 24 J 2/08).

Технической задачей изобретения является расширение области применения устройства для преобразования солнечной энергии - парника сходной конструкции.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу по первому варианту для нагрева воды от солнца при помощи парникового эффекта имеет прямоугольные плоскости 2, 3 с отражающей поверхностью, боковые стороны АЕ, КС и МВ которых расположены параллельно друг другу, плоскости 2, 3 расположены под углом 90° друг к другу и к плоскости 1, на которой расположена металлическая емкость черного цвета с водой толщиной 1-2 см, шириной 1 м 50 см под многослойным прозрачным теплоизоляционным материалом для нагрева воды и образования пара, при этом парник снабжен устройством слежения за солнцем и обеспечивающим поддержание угла падения солнечных лучей к плоскости 1, на которой расположена емкость с водой под углом 45°, при этом сторона АС плоскости 1 равна сторонам АЕ, КС. Емкость устройства, например, в точке В может быть присоединена к пародвигателю с помощью гибкого шланга.

Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу по второму варианту выполнения, набирающее температуру внутри при помощи парникового эффекта и обеспечивающее перепад температур и давления внутри устройства при изохорическом процессе, повышение которых обеспечивает движение поршня, выполнено герметичным и содержит четыре одинаковых отражателя, плоскость каждого из которых имеет углы 70, 55 и 55°, угол ИОР равен 70°, углы ОРИ и ОИР равны 55°, при этом отражатели 5 к 6 и 7 к 8 расположены под углом 90° и закрыты снаружи входным "стеклом" для прохода лучей под углом 90° к "стеклу" с помощью устройства слежения, причем поршень 12 выполнен в виде гармошки и расположен около точки О на отражателе 8. Устройство может содержать жалюзи или шторы, обеспечивающие проникновение солнечного луча в устройство, а также в устройстве поршень 12 может быть соединен с колесом.

Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу по третьему варианту выполнения, набирающее температуру внутри от солнца при помощи парникового эффекта, выполнено из теплоизоляционного, легкого прочного и тонкого материала и содержит четыре одинаковых отражателя, плоскость одного из которых имеет углы 70, 55 и 55°, угол РОИ равен 70°, углы ОРИ и ОИР равны 55°, при этом отражатели 5 к 6, 7 к 8 расположены под углом 90° друг к другу и закрыты снаружи входным “стеклом” для прохода лучей под углом 90° к "стеклу" с помощью устройства слежения, обеспечивающие рост температуры и постоянство давления внутри устройства за счет выполнения его негерметичным с помощью отверстия. Внутри устройства может быть расположено аналогичное ему устройство под входным “стеклом”.

Перечень фигур чертежей

К п.1 формулы

На Фиг.1 приведено устройство с двумя плоскостями с отражающей поверхностью, вид спереди, на которых 2, 3 – плоскости с отражающими поверхностями, 1 – плоскость, на которой расположена емкость с водой; на Фиг.2 - устройство, вид сбоку; на Фиг.3 - плоскость 1 с емкостью для воды, 4 - многослойный прозрачный теплоизоляционный материал (парник), 13 - стенка плоскости с отражающей поверхностью, вид в разрезе, стрелкой указана циркуляция воздуха при солнце выше 45° к горизонту; на Фиг.4 – падение лучей при солнце ниже 45°.

К п.3 формулы

На Фиг.5 приведено устройство в статике, вид сбоку; на Фиг.6 - устройство в динамике - жалюзи 9 открыты; на Фиг.7 - технологический чертеж устройства (парника) с 4-мя отражателями 5, 6, 7, 8; на Фиг.8 - устройство, вид спереди, где 10 - входное "стекло", 11 - колесо, 12 - поршень.

К п.6 формулы

На Фиг.9 приведено устройство – воздушный "шар" в виде парника с 4-мя отражателями 5, 6, 7, 8, где 10 - входное "стекло", вид сбоку; на Фиг.10 - устройство, вид спереди.

Устройства для преобразования солнечной энергии в механическую работу выполнены следующим образом.

К п.1 формулы

Устройство-парник (Фиг.1-4) для нагрева воды, в котором можно получать пар (температура до 200°С) и использовать его в пародвигателях. Устройство работает от солнца, набирает температуру внутри от солнца (от парникового эффекта), емкость имеет плоский вид и толщину около 2 см, ширина 1 м·50 см, парник выполнен из твердого материала типа оргстекла, прозрачного со стороны солнца. В полую емкость заливают воду. Температура нагрева до 10°С выше окружающего воздуха, то есть если вода на солнце нагреется до 40-50°С, то в парнике - до 50-60°С.

Устройство имеет три плоскости 1-3. Плоскости 2 и 3 имеют внутри устройства отражающую поверхность, стороны боковых плоскостей 2 и 3 равны - АЕ, КС, МВ - и расположены параллельно друг к другу (Фиг.1 и 2).

Углы ВАЕ, МКС, ЕМК равны 90°. То есть плоскости 2 и 3 имеют вид прямоугольников, расположенных под углом 90° друг к другу. Прямоугольники также могут быть расположены к плоскости 1 под углом только 90°. То есть все плоскости 1-3 расположены под углом 90° друг к другу.

Сторона плоскости 1 АС равна сторонам АЕ, КС. На плоскости 1 может быть расположена емкость с водой (Фиг.3 и 4) из металла черного цвета под многослойным теплоизоляционным материалом 4 - парником. Толщина емкости 1 - 2 см. Многослойный материал 4 – парник - расположен непосредственно на поверхности емкости (или близко). На поверхности плоскости 1 можно дополнительно поместить его аналог – устройство-парник для нагрева воды, но с плоскостями 1 треугольной формы. На плоскости также можно расположить и солнечные батареи (плоские), работающие от света (преобразуя свет в электричество).

Многослойный парник - это устройство, содержащее до 5 и более аналогичных устройств, расположенных один внутри другого, стенки которых расположены близко друг к другу и выполнены из прозрачного материала с прозрачностью не менее 95%. Технический результат зависит от количества парников (проверено практически), а именно одно устройство (Фиг.1-4) способно нагреть плоскость 1 до температуры 100-110°С при +20°С наружного воздуха, два устройства - до 130°-140°С, три устройства - до 170°С и т.д. Потери возможны только от непрозрачности плоскостей. Толщина материала не имеет значения. Такую температуру, естественно, невозможно было бы создать без двух плоскостей с отражающей поверхностью в устройстве. Очевидно, можно достичь температуру 200°С, то есть получить пар. При этом возникает механическое движение пара, которое может перейти в работу пара. Пародвигатель можно присоединить при помощи гибкого шланга (к примеру, в точке В) к емкости устройства, расположив сзади устройства. Материал для изготовления плоскостей 2, 3 и плоскости 1 - это твердый теплоизоляционный материал, многослойный парник выполнен тоже из теплоизоляционного материала (прозрачного). Обычное стекло малоэффективно, эффективнее полиэтилен, фторопласт. В идеале устройство должно быть сделано из цельного твердого материала.

К п.3 формулы

Устройство (фиг.5-8), работающее на основе закона о расширении и сжатии газа, может применяться как двигатель в солнечной энергетике, работает от солнца на основе герметичного устройства-парника и способно набирать температуру внутри от солнца при помощи "парникового эффекта". Общеизвестно, что оно способно набрать ее на 10°С выше окружающего воздуха. В данном случае устройство для преобразования солнечной энергии – это герметичный парник с четырьмя отражателями внутри (четыре плоскости), расположенные под углом 90° друг к другу, т.е. 5 к 6 и 7 к 8 равны углу 90°.

Углы каждой из плоскостей отражателей равны 70, 55 и 55°, т.е. отражатели 5-8 одинаковые, угол ИОР равен 70°, углы ОРИ и ОИР равны 55°. Снаружи имеется входное "стекло" - 10 для входа луча.

Работа устройства-двигателя происходит за счет перепада температуры и давления внутри устройства, то есть на основе закона о газах (изохорического процесса), когда при постоянном объеме устройства давление растет при повышении температуры газа (воздуха) и поршень 12 выходит наружу. Температура внутри устройства зависит от расположения жалюзей 9, то есть от того, проникает луч солнца в устройство или нет. На чертеже видно, что поршень 12 выполнен небольших размеров по сравнению с общим видом устройства.

Устройство может работать при наведении непосредственно на солнце, при этом поршень в виде "гармошки" может разворачиваться. Но устройство может находиться и в стационарном положении, например, строго на юг при положении входного "стекла" 10 под углом 45°, например, строго на юг (Фиг.5). Поршень 12 лучше расположить около точки 0, обеспечивая линейное расположение двигателя. Устройство с четырьмя отражателями гораздо эффективнее обычного устройства, но наибольшую температуру оно наберет при угле солнца 90° к входному "стеклу" 10, а именно - до 100°С при +20°С наружного воздуха. Материал для выполнения устройства выбирается следующим образом: стенки устройства должны быть выполнены из теплоизоляционного материала, как и входное "стекло" 10, но тонкого для быстрого теплообмена и прочного (твердого) материала.

К п.6 формулы

Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу по третьему варианту – это воздушный "шар" (Фиг.9-10), в котором осуществляется набор температуры внутри от солнца от “парникового эффекта”, обеспечивая подъемную силу. Оно может быть применено в области воздухоплавания как воздушный "шар" на горячем воздухе, обеспечивающем подъемную силу устройству. В данном случае используется изобарический процесс, то есть при постоянном давлении объем газа (воздуха) растет при нагревании и он в устройстве становится легче окружающего воздуха.

К такому устройству (Фиг.9-10) - "шару" может прикрепляться гондола, но описание ее не входит в рамки заявки.

Устройство содержит четыре отражателя (Фиг.9, 10), которое может стать легче воздуха. Устройство может быть выполнено разных размеров. Оно - аналог устройства, описанного в п.3 формулы. То есть оно имеет четыре одинаковых отражателя 5-8, расположенных внутри под углом 90° друг к другу, то есть отражатель 5 к 6, 7 к 8 расположены под углом 90°. Углы одной из плоскостей отражателя равны 70, 55 и 55° (Фиг.7), угол РОИ равен 70°, углы ОРИ и ОИР равны 55°. Также имеется входное "стекло" 10. Устройство должно быть негерметичным, то есть оно имеет небольшое отверстие, при этом оно будет подчиняться газовому закону, а именно изобарическому процессу. Температура внутри устройства может достичь 100°С на 100% кубической площади устройства за несколько минут от солнца при +20°С наружного воздуха. Поместив внутрь устройства аналогичное устройство такой же формы из прозрачного материала с прозрачностью не менее 95%, расположив его близко к отражателям и входному "стеклу"10, можно увеличить технический эффект до температуры 140°С.

Материал

Конструкция должна быть выполнена из теплоизоляционного, легкого, прочного и тонкого материала, отражатели - из нейлона или подобного материала. Нанести отражающую поверхность можно на полиэтилен внутри устройства. Входное "стекло" 10 может быть выполнено из прочного полиэтилена с прозрачностью 95%. Слово "шар" не случайно взято в кавычки - при современных технологиях форма устройства может быть не только шаром, но и любой.

Устройства для преобразования солнечной энергии работают следующим образом.

Устройства к п.3 и 6 формулы работают на основе закона о газах - Клайперона – Менделеева, то есть закона о расширении и сжатии газа в зависимости от температуры.

Описание средств наведения, обнаружения, слежения за солнцем не входит в рамки данной заявки. Это вполне можно осуществить вручную (при необходимости).

К п.1 формулы

Для работы устройства (Фиг.1-4) луч солнца должен всегда попадать под углом 45° к плоскости 1. Наведение можно осуществить вручную, присоединив устройство к шкиву или стойке, способной разворачиваться по горизонтали и вертикали. Также под углом 45° произойдет отражение луча на плоскость 1 от плоскостей 2 и 3. Третий отражающийся луч образуется от взаимоотражения вверху плоскостей 2 и 3, то есть от плоскости 2 на плоскость 3 под углом 45°, далее от плоскости 3 на плоскость 1 под углом 45°. Всего три отражения плюс прямой луч от солнца, всего четыре луча на плоскости 1 на 100% площади. Плюс парниковый эффект многослойного парника – это приведет к подъему температуры на черной поверхности емкости с водой до 200°С, что позволит использовать устройство в пародвигателях при хорошей циркуляции воды (Фиг.3 и 4). При высоте солнца, равной 45° над горизонтом, циркуляция может прекратиться, тогда можно изменить на ±2° угол плоскости 1. Например, циркуляция указана стрелкой под углом солнца выше 45° на Фиг.3 и 4. Многослойный материал 4, желательно, не должен затенять плоскости 2, 3 от солнца.

К п.3 формулы

Устройство на основе герметичного парника (Фиг.5-8) может работать как в стационарном положении, так при помощи наведения. Наибольшую мощность (температуру) оно способно набрать при луче солнца под углом 90° к входному "стеклу" 10. Луч, попадая внутрь устройства, отразится от отражателей 5-8, то есть четыре раза так, что каждый из четырех лучей пройдет через 100 кубов площади под углом 90° к основному лучу. Всего получится пять лучей. Из-за этого температура внутри может достичь 100°С при +20°С окружающего воздуха.

В статике (Фиг.5) жалюзи 9 закрыты, то есть солнечный луч не проникает внутрь устройства, температура и давление в устройстве такое же, как и в окружающем воздухе. Поршень 12 находится в состоянии покоя.

В динамике (Фиг.6 и 8), открыв жалюзи 9, солнечный луч проникает внутрь устройства через входное "стекло" 10 и начинается подъем температуры в герметичном парнике устройства, газ (воздух) при нагревании расширится и начнет давить на поршень 12. Он под давлением выйдет наружу, вращая колесо 11. Обратное движение поршня произойдет после закрытия жалюзей 9 - температура внутри устройства начнет падать (тепло уйдет через стенки устройства) без солнечных лучей газ - воздух начнет сжиматься, втягивая поршень 12 внутрь устройства в исходное прежнее положение. Поршень 12 может складываться в виде "гармони", что позволяет сохранить герметичность устройства. Вместо колеса 11 можно поставить любой механизм. В будущем жалюзи 9 должны открываться автоматически. В открытом виде (Фиг.6) жалюзи 9 должны пропускать максимум света, лучше если они будут собраны к краям входного "стекла" 10, то есть не затеняя его совсем. Так же при их закрытии: чем меньше попадает света в устройство (вплоть до полной темноты), тем естественно активнее работа поршня 12. В принципе вместо жалюзей можно использовать разное затенение: плотные шторы или подобный материал, например тонкий, непрозначный.

К п.6 формулы

Устройство - воздушный "шар" на основе негерметичного парника с четырьмя отражателями 5-8 внутри (Фиг.9 и 10), в статике без солнца имеет температуру и давление, равные окружающему воздуху. После наведения (например, вручную, размер "шара" может быть любой) устройства под углом 90° к солнечному лучу (к входному "стеклу" 10), внутри устройства начнется резкий подъем температуры: лучевой поток, пройдя через "стекло" 10, отразится от отражателей 5-8 под углом 90° от основного луча так, что каждый из четырех отраженных лучей пройдет через 100% кубов площади устройства. Четыре отраженных лучевых потока плюс сам луч (основной входящий), всего 5 лучевых потоков способны нагреть воздух до 100°С на 100% кубов площади устройства при +20°С окружающего воздуха за несколько минут.

Вступает в силу изобарический процесс - объем воздуха, нагретого внутри устройства, растет, выходя наружу через небольшое отверстие в стенке устройства. То есть вес воздуха в "шаре" станет легче, чем у наружного воздуха. Зная плотность наружного воздуха по формуле изобарического процесса можно вычислить, насколько легче стало устройство, чем наружный воздух.

Изобретение относится к области использования солнечной энергии и может быть использовано в различных областях техники. Устройство по первому варианту содержит три прямоугольные плоскости, расположенные под углом 90° друг к другу, на горизонтальной плоскости находится металлическая емкость черного цвета для нагрева воды и образования пара с многослойным прозрачным теплоизоляционным материалом над ней, причем емкость может быть присоединена к пародвигателю посредством гибкого шланга. Устройство по второму варианту содержит четыре отражателя, расположенные под углом друг к другу, образуя герметичную полость с расположенным снаружи входным для солнечных лучей стеклом, и работающее по изохорическому процессу, при этом поршень подключен к полости, выполнен в виде гармошки и может быть соединен с колесом. Устройство по третьему варианту выполнено аналогично второму варианту, но из легкого материала и с негерметичной полостью, и работает при постоянном давлении и росте температуры. Изобретение должно обеспечить получение механической работы с использованием солнечной энергии. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу для нагрева воды от солнца при помощи парникового эффекта, отличающееся тем, что оно имеет прямоугольные плоскости 2, 3 с отражающей поверхностью, боковые стороны АЕ, КС и МВ которых расположены параллельно друг другу, плоскости 2, 3 расположены под углом 90° друг к другу и к плоскости 1, на которой расположена металлическая емкость черного цвета с водой толщиной 1-2 см, шириной 1м - 50см под многослойным прозрачным теплоизоляционным материалом для нагрева воды и образования пара, при этом парник снабжен устройством слежения за солнцем и обеспечивающим поддержание угла падения солнечных лучей к плоскости 1, на которой расположена емкость с водой под углом 45°, при этом сторона АС плоскости 1 равна сторонам АЕ, КС.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость, например, в точке В присоединена к пародвигателю с помощью гибкого шланга.3. Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу, набирающее температуру внутри при помощи парникового эффекта и обеспечивающее перепад температур и давления внутри устройства при изохорическом процессе, повышение которых обеспечивает движение поршня, отличающееся тем, что оно выполнено герметичным и содержит четыре одинаковых отражателя, плоскость каждого из которых имеет углы 70°-55°-55°, угол ИОР равен 70°, угол ОРИ и ОИР равны 55°, при этом отражатели 5 к 6 и 7 к 8 расположены под углом 90° и закрыты снаружи входным стеклом для прохода лучей под углом 90° к стеклу с помощью устройства слежения, причем поршень 12 выполнен в виде гармошки и расположен около точки О на отражателе 8.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит жалюзи или шторы, обеспечивающие проникновение солнечного луча в устройство.5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поршень 12 соединен с колесом.6. Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу, набирающее температуру внутри от солнца при помощи парникового эффекта, отличающееся тем, что оно выполнено из теплоизоляционного, легкого, прочного и тонкого материала и содержит четыре одинаковых отражателя, плоскость одного из которых имеет углы 70°-55°-55°, угол РОИ равен 70°, углы ОРИ и ОИР равны 55°, при этом отражатели 5 к 6, 7 к 8 расположены под углом 90° друг к другу и закрыты снаружи входным “стеклом” для прохода лучей под углом 90° к “стеклу” с помощью устройства слежения, обеспечивающими рост температуры и постоянство давления внутри устройства за счет выполнения его негерметичным с помощью отверстия.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутри устройства расположено аналогичное ему устройство под входным “стеклом”.