ГЕЛИОУСТАНОВКА С ФУНКЦИЕЙ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2005 года по МПК F24J2/14 F24J2/18 

Предлагаемое изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в гелиоустановках специального назначения, в которых используется только ультрафиолетовая часть солнечного излучения, в установках для обеззараживания воды и в других установках аналогичного назначения.

Известны устройства, содержащие различные концентраторы с криволинейными образующими, оптически сопряженными с принимающей поверхностью приемников солнечной энергии [1], [2] и [3].

Недостатком таких устройств является неравномерное распределение сконцентрированного солнечного излучения на принимающей поверхности приемников.

Известны также гелиоустановки, в которых концентратор представляет собой параболоид или параболический цилиндр, состоящий из набора плоских фацет с отражающим покрытием, которые дают равномерную засветку принимающей поверхности приемника [4] и [5].

Недостатком этих устройств является сложность взаимной юстировки большого количества плоских зеркальных фацет.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению, выбранному авторами за прототип, является гелиоустановка, содержащая несущую конструкцию, закрепленные на ней концентратор и рычаг с установленным на нем приемником концентрированного излучения, расположенным в фокальной области концентратора, образованного набором плоских фацет, с установленными на тыльной стороне каждой плоской фацеты прямоугольными призмами, ребра при прямом угле которых совпадают с центральной осью плоской фацеты, причем одна из двух граней каждой призмы, прилегающих к этому ребру, совмещена с плоскостью фацеты, а на вторую грань прямоугольной призмы нанесено отражающее покрытие [6].

В этой гелиоустановке для юстировки плоских зеркальных фацет используется дополнительный автономный источник излучения, который направляет световой пучок, параллельный оси параболы, образующей концентратор, на отражающие грани прямоугольных призм, после чего производится взаимная юстировка граней этих призм, а следовательно и зеркальных фацет, путем совмещения контрольных пучков, отраженных от призм, с контрольной отметкой, находящейся в центре приемника излучения.

Недостатком такой гелиоустановки является относительно низкая оперативность контроля юстировки и относительная сложность визуальной настройки системы, при которой необходимо использовать дополнительный источник излучения, а процесс выполнения юстировки надо контролировать непосредственно на рабочей принимающей поверхности приемника излучения.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении оперативности контроля наведения и в упрощении визуальной настройки гелиоустановки.

В соответствии с предлагаемым изобретением указанный технический результат достигается тем, что на несущей конструкции за концентратором установлены контрольный элемент и плоские отражатели, причем контрольный элемент установлен по оси параболы, образующей концентратор, за ее директрисой на расстоянии Δ от нее, а плоские отражатели установлены в ходе лучей, отраженных от отражающих граней прямоугольных призм, таким образом, что нормали к центрам всех отражателей лежат на одной прямой, перпендикулярной оси параболы и отстоящей от ее вершины на величину ^Δ/₂, при этом отражающее покрытие плоских фацет концентратора выполнено многослойным интерференционным, отражающим в ультрафиолетовой области спектра, а приемник концентрированного излучения составлен из совокупности параллельных трубок из кварцевого стекла, причем общая конфигурация приемника соответствует форме каждой из фацет.

На фиг.1 схематически изображен общий вид гелиоустановки.

На фиг.2 показаны фрагмент параболы, образующей концентратор 4, ее директриса 9, плоская фацета 5, прямоугольная призма 6, плоский отражатель 7, установленный за концентратором 4, на расстоянии ^Δ/₂ от вершины параболы, контрольный элемент 8, установленный за директрисой на расстоянии Δ, а также ход солнечных лучей через все эти элементы.

Гелиоустановка содержит несущую конструкцию 1, закрепленные на ней концентратор 4 и рычаг 2 с установленным на нем приемником концентрированного излучения 3, расположенным в фокальной области концентратора 4, состоящего из набора плоских фацет 5, расположенных по дуге параболы, образующей концентратор 4. Отражающее покрытие плоских фацет 5 концентратора 4 выполнено многослойным интерференционным, отражающим в ультрафиолетовой области спектра.

Приемник концентрированного излучения 3 составлен из совокупности параллельных трубок из кварцевого стекла, причем общая конфигурация приемника 3 соответствует форме каждой из фацет 5, с тем чтобы ультрафиолетовое излучение, отраженное от каждой фацеты 5 (лучи АВ), обеспечивало равномерную засветку всей поглощающей площадки приемника 3.

Очевидно, что увеличение общей интенсивности облучения поглощающей площадки приемника 3 от всех фацет равно общему числу фацет 5 в концентраторе 4. Их число выбрано таким образом, чтобы обеспечить суммарную интенсивность ультрафиолетового излучения на приемнике 3, необходимую для уничтожения микроорганизмов и бактерий, находящихся в воде, протекающей по кварцевым трубкам приемника 3.

Селективное отражающее покрытие плоских фацет 5 концентратора 4 пропускает видимую и инфракрасную часть солнечного излучения, чтобы исключить нагрев воды в трубках приемника 3, образования в них пара и воздушных пузырьков, оказывающих отрицательное воздействие на процесс обеззараживания воды.

На тыльной стороне каждой фацеты 5 установлена прямоугольная призма 6, ребро при прямом угле которой совпадает с центральной осью фацеты 5, одна из двух граней, прилегающих к этому ребру, совмещена с плоскостью фацеты 5, а на вторую грань прямоугольной призмы нанесено отражающее покрытие.

На несущей конструкции 1 за концентратором 4 установлены контрольный элемент 8 и плоские отражатели 7. Контрольный элемент 8 установлен на оси параболы, образующей концентратор 4, за ее директрисой 9 на расстоянии Δ от нее.

Плоские отражатели 7 установлены в ходе лучей АС, отраженных от отражающих граней прямоугольных призм 6, таким образом, что нормали к центрам всех отражателей 7 лежат на одной прямой, перпендикулярной оси параболы и отстоящей от ее вершины на величину ^Δ/₂.

Предложенная гелиоустановка работает следующим образом.

Система наведения (не показана) производит ориентацию оси концентратора 4 на Солнце по углу места.

Правильное ориентирование оси концентратора 4 на Солнце еще не достаточно для попадания ультрафиолетового излучения, отраженного от каждой фацеты 5 на поглощающую поверхность приемника 3, кроме этого необходимо, чтобы каждая фацета 5 концентратора 4 была правильно отъюстирована.

Правильная юстировка всех фацет 5 состоит в том, что все фацеты 5 должны касаться параболы, образующей концентратор 4 своей центральной точкой. Только в этом случае центральная ось ультрафиолетового пучка, отраженного от каждой фацеты 5, проходит через центр поглощающей площадки приемника 3, который совмещен с фокусом образующей параболы, а весь пучок равномерно засвечивает всю поглощающую поверхность приемника 3, поскольку площадь поглощающей поверхности приемника 3 соответствует площади фацеты 5.

В предлагаемой гелиоустановке контрольный элемент, по которому оценивается правильность юстировки фацет 5, расположен не на поглощающей площадке приемника, как в известной установке, а вынесен из рабочей области концентратора 4 и установлен с его тыльной стороны за директрисой 9, что существенно упрощает проведение контроля юстировки в процессе работы гелиоустановки.

Кроме того, в предлагаемой гелиоустановке не требуется дополнительный источник контрольного излучения: для юстировки используется видимая часть спектрального диапазона входного солнечного излучения, которая проходит через фацеты 5.

На иллюстрации (фиг.2) лучи АА - это входное солнечное излучение, лучи АВ - ультрафиолетовое излучение, отразившееся от плоских фацет 5. Лучи видимого диапазона AC - это лучи, прошедшие через фацету 5, попавшие на отражающую грань призмы 6 и отраженные этой гранью, углы α - углы падения и отражения ультрафиолетовых лучей от плоской фацеты 5, углы β - углы падения и отражения лучей видимого диапазона от отражающей грани прямоугольной призмы 6.

Если фацеты 5 отъюстированы правильно, то есть касаются параболы своей центральной точкой, то центр пучка ультрафиолетовых лучей АВ должен попасть в фокус параболы, лучи видимого диапазона АС, отраженные от поверхности, нормальной к касательной, должны лежать на одной прямой с ультрафиолетовыми лучами АВ, отраженными от фацет 5, и казаться выходящими из одной точки - фокуса параболы. Поэтому если убедиться в том, что видимые лучи АС выходят из одной точки - фокуса параболы, то можно утверждать, что наведение концентратора 4 на Солнце и взаимная юстировка фацет 5 выполнены правильно.

Для этого надо построить изображение фокуса параболы в расходящихся лучах АС. Изображение фокуса параболы можно, например, построить с помощью совокупности плоских отражателей 7, при этом каждый отражатель 7 должен лежать в ходе лучей, отраженных от отражательной грани призмы 6, то есть центр каждого отражателя 7 должен лежать на линии, проходящей через центр принимающей площадки приемника 3 и центр отражающей грани призмы 6. Кроме того, нормали к центрам всех отражателей 7 должны лежать на одной прямой, перпендикулярной оси параболы, образующей концентратор 4.

Отражатели 7 устанавливаются за концентратором 4 на расстоянии ^Δ/₂ от вершины параболы, выбираемом только исходя из конструктивных соображений. Положение построенного отражателями изображения фокуса - точки D - при этом определяется однозначно. По определению параболы фокус и директриса 9 параболы находятся на одинаковом расстоянии от вершины параболы, равном половине фокального расстояния Р. Если положение плоских отражателей смещено на величину ^Δ/₂ от вершины параболы, то изображение фокуса (точка D) смещено от директрисы на двойное расстояние - Δ.

Чтобы процесс наведения и юстировки можно было контролировать визуально, в точке D установлен контрольный элемент 8, например матовый экран, на котором процесс совмещения центров ультрафиолетовых пучков с центром поглощающей площадки приемника 3 можно контролировать, наблюдая за положением контрольных лучей CD.

Если разброс положения лучей CD на контрольном элементе 8, отраженных от разных призм 6, превышает допустимую заданную величину, то, последовательно изменяя наклон каждой фацеты 5, добиваются попадания контрольных лучей CD в одну точку D, сопряженную с фокусом параболы, и, соответственно, попадания центров ультрафиолетовых пучков АВ в центр поглощающей площадки приемника 3.

В отличие от известной гелиоустановки, в которой процесс выполнения юстировки необходимо контролировать непосредственно на принимающей поверхности приемника излучения, в предлагаемую установку введены плоские отражатели, установленные за концентратором 4, которые позволяют направить контрольные лучи видимого диапазона, отраженные от граней призм 6, на контрольный элемент 8, установленный в точке, сопряженной с фокусом параболы.

Такая схема проведения юстировки позволяет вывести процесс контроля юстировки из рабочей зоны приемника, что позволяет проводить контроль юстировки непосредственно в процессе работы гелиоустановки. Кроме того, она не требует дополнительного источника контрольного излучения. В результате в предлагаемой гелиоустановке повышается оперативность контроля юстировки и упрощается визуальная настройка элементов установки.

В настоящее время по материалам заявки изготовлен опытный образец гелиоустановки и проведены ее натурные испытания на полигоне в поселке Грибанове Московской области.

Источники информации, принятые во внимание

1. А.с.1451475 Россия, МПК F 24 J 2/10.

2. Пат. 404753 Австрия, МПК F 24 J 2/14.

3. Заявка 19546913 Германия, МПК F 24 J 2/14, F 24 J 2/12.

4. Пат. 2111422 Россия, МПК F 24 J 2/38.

5. Пат. 2188364 Россия, МПК F 24 J 2/14, 2/42.

6. Пат. 2210038 Россия, МПК F 24 J 2/14, 2/42 - прототип.

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в гелиоустановках специального назначения, в которых используется только ультрафиолетовая часть солнечного излучения, в установках для обеззараживания воды и в других установках аналогичного назначения. На несущей конструкции за концентратором установлены контрольный элемент и плоские отражатели, причем контрольный элемент установлен по оси параболы, образующей концентратор, за ее директрисой на расстоянии Δ от нее, а плоские отражатели установлены в ходе лучей, отраженных от отражающих граней прямоугольных призм, таким образом, что нормали к центрам всех отражателей лежат на одной прямой, перпендикулярной оси параболы и отстоящей от ее вершины на величину ^Δ/₂, при этом отражающее покрытие плоских фацет концентратора выполнено многослойным интерференционным, отражающим в ультрафиолетовой области спектра, а приемник концентрированного излучения составлен из совокупности параллельных трубок из кварцевого стекла, причем общая конфигурация приемника соответствует форме каждой из фацет. Изобретение должно обеспечить повышение оперативности контроля наведения и упрощение визуальной настройки гелиоустановки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гелиоустановка, содержащая несущую конструкцию, закрепленные на ней концентратор и рычаг с приемником концентрированного излучения, расположенным в фокальной области концентратора, образованного набором плоских фацет с установленными по тыльной стороне каждой из них прямоугольными призмами, ребра при прямом угле которых совпадают с центральной осью плоской фацеты, причем одна из двух граней каждой призмы, прилегающих к этому ребру, совмещена с плоскостью фацеты, а на вторую грань призмы нанесено отражающее покрытие, отличающаяся тем, что на несущей конструкции за концентратором установлены контрольный элемент и плоские отражатели, причем контрольный элемент установлен по оси параболы, образующей концентратор, за ее директрисой на расстоянии Δ от нее, а плоские отражатели установлены в ходе лучей, отраженных от отражающих граней прямоугольных призм, таким образом, что нормали к центрам всех отражателей лежат на одной прямой, перпендикулярной оси параболы и отстоящей от ее вершины на величину ^Δ/₂, при этом отражающее покрытие плоских фацет концентратора выполнено многослойным интерференционным, отражающим в ультрафиолетовой области спектра, что позволяет обеспечить функцию обеззараживания воды.2. Гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что приемник концентрированного излучения составлен из совокупности параллельных трубок из кварцевого стекла, причем общая конфигурация приемника соответствует форме каждой из фацет.