ФОКУСИРУЮЩИЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР Российский патент 2007 года по МПК F24J2/14 F24J2/42 

Предлагаемое изобретение относится к области гелиотехники, а более конкретно к конструкции фокусирующего солнечного коллектора, использующего энергию солнца для производства электрической энергии, необходимой, например, для космического летательного аппарата.

Известен фокусирующий солнечный коллектор, содержащий зеркало, центральная часть которого имеет параболоидную форму, а осесимметричная с ней периферийная - вид усеченного конуса, и торовидную линзу. Линза установлена внутри конуса по его оси и высота ее не меньше высоты конуса. Для крупных гелиоустановок с целью уменьшения веса линза может быть выполнена ступенчатой по типу линзы Френеля. Центральная и периферийная части примыкают одна к другой, благодаря чему уменьшаются габариты концентратора (см. авторское свидетельство СССР №189252, кл. F02J /08, 1966).

В данном устройстве солнечный поток, попадая на центральную часть зеркала, отражается от него, собираясь в фокусе. Лучистый поток, отраженный от конической поверхности, собирается в том же фокусе при помощи торовидной линзы, установленной внутри конуса с углом конусности 45°, что необходимо для обеспечения оптимального направления лучей к линзе.

Недостатком данного устройства является то, что фокусирующий коллектор является телом вращения, в результате чего при использовании его, например, на космическом летательном аппарате затруднена его интеграция с радиационным теплообменником, а также возможность крепления к космическому аппарату с созданием складной компактной конструкции.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому предлагаемому изобретению по достигаемому результату и числу совпадающих признаков является фокусирующий солнечный коллектор, содержащий составной параболоцилиндрический концентратор, имеющий центральную часть, выполненную в виде параболы, и примыкающую к ней осесимметричную периферическую часть в виде отрезков прямых, отклоненных на 45° относительно оптической оси концентратора, и приемник, расположенный в фокусе параболы. Коллектор также содержит дополнительный приемник в виде двух плоских трубных досок с селективным покрытием, шарнирно закрепленных на оптической оси в точке пересечения ее с плоскостью, разделяющей центральную и периферическую части концентратора, выполненные в виде параболоида и плоских панелей соответственно. Трубные доски дополнительного приемника устанавливаются либо горизонтально, перекрывая центральную часть концентратора, либо вертикально вдоль оптической оси концентратора вплоть до его входного отверстия, ограниченного фокальной плоскостью параболоцилиндра (см. авторское свидетельство СССР №1553800, кл. F24J 2/12, 1990).

Фокусирующий солнечный коллектор содержит зеркальный составной концентратор с меридиональным сечением, имеющим центральную часть в виде параболы и примыкающую к ней осесимметричную периферическую в виде отрезков прямых, отклоненных на 45° относительно оптической оси концентратора, и приемник, расположенный в фокусе параболы. Коллектор содержит также дополнительный приемник в виде двух плоских трубных досок с селективным покрытием.

Теплоноситель поступает через трубопровод в плоские трубные доски дополнительного приемника солнечной энергии, которые последовательно соединены общим трубопроводом, из которого теплоноситель заходит в трубчатый приемник солнечной энергии, а дальше поступает в трубопровод горячей воды.

Часть воспринимаемого солнечного излучения после отражения на плоских панелях концентратора (периферическая часть) падает нормально на плоские трубные доски и поглощается за счет селективного покрытия. Остальная часть воспринимаемого солнечного излучения перераспределяется параболоцилиндрической поверхностью (центральная часть) концентратора на трубчатый селективный приемник и поглощается им.

Недостатком данного устройства является то, что оно обладает малой эффективностью при использовании в составе энергетической установки космического аппарата из-за недостаточной жесткости концентратора, отсутствия радиационного теплообменника, используемого в качестве холодильника тепловой машины, преобразующей внутреннюю энергию нагретого теплоносителя в механическую, и из-за невозможности вторичного использования в концентраторе излучения от теплоносителя, поступающего в холодильник.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков и создание компактной энергетической установки для космических летательных аппаратов на базе параболоцилиндрического солнечного концентратора, обладающей высоким КПД, высокой надежностью, долговечностью, а также возможностью наращивания мощности путем применения модульной конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в фокусирующем солнечном коллекторе, содержащем составной параболоцилиндрический концентратор, имеющий центральную часть, выполненную в поперечном сечении в виде параболы, и примыкающие к этой части осесимметричные относительно вертикальной плоскости концентратора и соединенные между собой периферийные части, и приемник излучения, средняя часть которого параллельна поверхности концентратора и расположена в фокусе периферийных частей и центральной части на определенном расстоянии от последней, при этом подводящие и отводящие части приемника расположены в вертикальной плоскости концентратора, дополнительно введены размещенные с обратной от приемника стороны концентратора радиационный теплообменник и энергоузел, при этом радиационный теплообменник имеет главную панель, расположенную в вертикальной плоскости концентратора, и две средние панели, отходящие от главной панели под определенным углом, соединенные другими концами с центральной частью концентратора и осесимметричными периферийными частями, и две боковые панели, расположенные осесимметрично относительно вертикальной плоскости концентратора, параллельно периферийным частям концентратора и соединенные одним концом со средними панелями теплообменника, соединенные другим концом с периферийными частями концентратора, а энергоузел соединен с отводящей частью приемника и входом теплообменника и выход радиационного теплообменника связан с подводящей частью приемника излучения.

Указанная цель достигается тем, что в фокусирующем солнечном коллекторе энергоузел выполнен в виде турбины, механически связанной с электрогенератором и гидравлически с отводящей частью приемника излучения, с тепловым аккумулятором и через обратный клапан с радиационным излучателем, который соединен через циркуляционный насос с подводящей частью приемника излучения, при этом электрогенератор, тепловой аккумулятор и циркуляционный насос электрически присоединены к блоку управления.

Указанная цель достигается тем, что в фокусирующем солнечном коллекторе энергоузел размещен внутри треугольной призмы, образованной центральной частью концентратора и двумя расходящимися средними панелями радиационного теплообменника, при этом треугольная призма одним из своих концов прикреплена к космическому летательному аппарату.

Указанная цель достигается тем, что в фокусирующем солнечном коллекторе энергоузел размещен внутри космического летательного аппарата.

Указанная цель достигается тем, что в фокусирующем солнечном коллекторе приемник излучения выполнен трубчатым.

Указанная цель достигается тем, что в фокусирующем солнечном коллекторе конструкции концентратора и радиационного теплообменника выполнены составными и складными.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна".

Сущность решения не следует явным образом из известных, а следовательно, заявленное решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Считаем, что сведений, изложенных в материале заявки, достаточно для практического осуществления предлагаемого изобретения.

На фиг.1 представлен космический летательный аппарат с установленным на нем предлагаемым фокусирующим солнечным коллектором, на фиг.2 - схема данного фокусирующего коллектора, на фиг.3 - вид по стрелке «А», на фиг.4 - схема работы фокусирующего солнечного коллектора, на фиг.5 - схема работы энергоузла.

Фокусирующий солнечный коллектор содержит составной параболоцилиндрический концентратор 1, имеющий центральную часть 2, выполненную в поперечном сечении в виде параболы, и примыкающие к этой части осесимметричные относительно вертикальной плоскости 3 концентратора и соединенные между собой периферийные части 4 и 5, и приемник 6 излучения, средняя часть 7 которого параллельна поверхности концентратора и расположена в фокусе периферийных частей 4 и 5 и центральной части 2 на определенном расстоянии от поверхности концентратора, при этом подводящая часть 8 и отводящая часть 9 приемника расположены в вертикальной плоскости 3 концентратора 1.

В данный коллектор, кроме того, входят радиационный теплообменник 10 и энергоузел 11, причем первый имеет главную панель 12, расположенную в вертикальной плоскости концентратора, и две средние панели 13 и 14, отходящие от главной панели под определенным углом, соединенные другими концами с центральной частью 2 концентратора и осесимметричными периферийными частями 4 и 5, и две боковые панели 15 и 16, расположенные осесимметрично относительно вертикальной плоскости 3 концентратора, параллельно периферийным частям 4 и 5 концентратора, и соединенные одним концом со средними панелями 13 и 14 теплообменника, соединенные другим концом с периферийными частями 4 и 5 концентратора, а второй соединен с отводящей частью 9 приемника и входом теплообменника 10. В данном коллекторе выход радиационного теплообменника 10 связан с подводящей частью 8 приемника излучения.

Энергоузел 11 выполнен в виде турбины 17, механически связанной с электрогенератором 18 и гидравлически с отводящей частью 9 приемника 6 излучения, с тепловым аккумулятором 19 и через обратный клапан 20 с радиационным теплообменником 10, который соединен через циркуляционный насос 21 с подводящей частью 8 приемника 6 излучения. При этом электрогенератор 18, тепловой аккумулятор 19 и циркуляционный насос 21 электрически присоединены к блоку управления 22.

Фокусирующий солнечный коллектор работает следующим образом (фиг.4). Концентратор 1 сориентирован на солнце. При этом радиационный теплообменник 10 находится в тени концентратора. По приемнику излучения 6 в направлении от подводящей части 8 через среднюю часть 7 к отводящей части 9 движется жидкий теплоноситель, нагреваясь по мере движения излучением, сфокусированным концентратором. По мере движения теплоноситель изменяет свою фазу, переходя в газообразное состояние в отводящей части 9 приемника. Из отводящей части приемника теплоноситель подается в энергоузел 11, где энергия газа превращается в механическую энергию, которая преобразуется в электрическую электрогенератором. Отработанный теплоноситель поступает на вход радиационного теплообменника 10, работающего как холодильник. По каналам теплообменника теплоноситель, постепенно охлаждаясь и конденсируясь в жидкость, движется в сторону подводящей части 8 приемника 6 излучения, при этом панелями 12-16 энергия излучается в космос. Часть энергии боковыми панелями 15 и 16 теплообменника излучается в сторону приемника 6, что увеличивает КПД установки. Выход радиационного теплообменника 10 связан подводящей частью 8 приемника излучения. Таким образом, жидкий теплоноситель циркулирует по замкнутому кругу.

Изобретение относится к области гелиотехники. В фокусирующем солнечном коллекторе дополнительно введены размещенные с обратной от приемника стороны концентратора радиационный теплообменник и энергоузел, при этом радиационный теплообменник имеет главную панель, расположенную в вертикальной плоскости концентратора, две средние панели, отходящие от главной панели под определенным углом, соединенные другими концами с центральной частью концентратора и осесимметричными периферийными частями, и две боковые панели, расположенные осесимметрично относительно вертикальной плоскости концентратора параллельно периферийным частям концентратора и соединенные одним концом со средними панелями теплообменника, другим концом - с периферийными частями концентратора, а энергоузел подключен к отводящей и подводящей частям приемника и содержит турбину, механически связанную с электрогенератором и гидравлически с отводящей частью приемника, с тепловым аккумулятором и через обратный клапан, радиационный излучатель и циркуляционный насос с подводящей частью приемника. Изобретение должно обеспечить создание компактной энергетической установки для космических летательных аппаратов на базе параболоцилиндрического солнечного концентратора. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Фокусирующий солнечный коллектор, например, для космического летательного аппарата, содержащий составной параболоцилиндрический концентратор, имеющий центральную часть, выполненную в поперечном сечении в виде параболы, и примыкающие к этой части осесимметричные относительно вертикальной плоскости концентратора и соединенные между собой периферийные части, и приемник излучения, средняя часть которого параллельна поверхности концентратора и расположена в фокусе периферийных частей и центральной части на определенном расстоянии от последней, при этом подводящие и отводящие части приемника расположены в вертикальной плоскости концентратора, отличающийся тем, что в нем дополнительно введены размещенные с обратной от приемника стороны концентратора радиационный теплообменник и энергоузел, при этом радиационный теплообменник имеет главную панель, расположенную в вертикальной плоскости концентратора, и две средние панели, отходящие от главной панели под определенным углом, соединенные другими концами с центральной частью концентратора и осесимметричными периферийными частями, и две боковые панели, расположенные осесимметрично относительно вертикальной плоскости концентратора, параллельно периферийным частям концентратора и соединенные одним концом со средними панелями теплообменника, соединенные другим концом с периферийными частями концентратора, а энергоузел соединен с отводящей частью приемника и входом теплообменника, и выход радиационного теплообменника связан с подводящей частью приемника излучения.2. Фокусирующий солнечный коллектор по п.1, отличающийся тем, что энергоузел выполнен в виде турбины, механически связанной с электрогенератором и гидравлически с отводящей частью приемника излучения, с тепловым аккумулятором и через обратный клапан с радиационным излучателем, который соединен через циркуляционный насос с подводящей частью приемника излучения, при этом электрогенератор, тепловой аккумулятор и циркуляционный насос электрически присоединены к блоку управления.3. Фокусирующий солнечный коллектор по п.1, отличающийся тем, что энергоузел размещен внутри треугольной призмы, образованной центральной частью концентратора и двумя расходящимися средними панелями радиационного теплообменника, при этом треугольная призма одним из своих концов прикреплена к космическому летательному аппарату.4. Фокусирующий солнечный коллектор по п.1, отличающийся тем, что энергоузел размещен внутри космического летательного аппарата.5. Фокусирующий солнечный коллектор по п.1, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен трубчатым.6. Фокусирующий солнечный коллектор по п.1, отличающийся тем, что конструкции концентратора и радиационного теплообменника выполнены составными и складными.