СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F24J2/42 F24J2/14 

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения для выработки электроэнергии и высокопотенциального тепла на основе фотоэлектричества или динамических циклов преобразования.

Известен солнечный модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридиальной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины параболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения параллельно ее основанию и совпадает с краем полосы приемника излучения (патент РФ №2172903 от 27.08.2001 г.).

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является то, что при стационарной установке модуль не работает при высоких азимутальных углах в утренние и вечерние часы. Для использования излучения Солнца в утренние и вечерние часы необходимо использовать систему слежения. При установке системы слежения концентратор начинает работать, когда Солнце отклоняется на 30° от оси Восток-Запад, что соответствует 8 часам работы в сутки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор энергии в виде призмы полного внутреннего отражения, имеющей рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, тыльную зеркальную поверхность и боковую меньшую грань с установленными на последней скоммутированными фотопреобразователями, на рабочей поверхности призмы установлены в несколько рядов миниатюрные зеркальные экраны с двусторонней зеркальной поверхностью, плоскости которых ориентированы в направлении к грани призмы, содержащей фотопреобразователи (патент РФ №2133415 от 29.04.98).

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является неполный годовой режим работы стационарного фотоэлектрического модуля, а также высокая стоимость и точность изготовления зеркальных фоклинов в виде параболоцилиндра.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение времени работы стационарного концентратора как в суточном, так и в годовом режиме работы, повышение суммарной выработки электроэнергии в год и упрощение конструкции солнечных энергосистем (СЭС) за счет исключения из конструкции систем слежения.

В результате использования предлагаемого изобретения будет увеличена среднегодовая выработка энергии на 30-45%, что позволит снизить стоимость выработки энергии.

Предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность использования солнечной энергии и снизить стоимость получаемой электроэнергии и теплоты, а также создать эффективные гелиотехнические устройства, встроенные в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией, теплом, горячей водой, энергией для приготовления пищи и естественным солнечным освещением.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечной энергетической установке, содержащей стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с приемником, установленным в фокальной области, на входной поверхности миделя концентратора на общей раме по оси Восток-Запад размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, плоскости которых находятся под углом 120° друг к другу и установлены под углом μ=114-ϕ+δ к плоскости миделя, где ϕ - географическая широта местоположения концентратора, δ - склонение солнечных лучей.

Приемник излучения состоит из n секций, параллельно соединенных из скоммутированных солнечных элементов, длина каждой секции соизмерима с длиной пластины углового гелиостата.

В варианте солнечной энергетической установки, содержащей стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, в фокальной области которого установлен приемник излучения в виде полосы, на входной поверхности миделя концентратора на общей раме по оси Восток-Запад размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из параллельных, одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов, оптические оси которых наклонены под углом 120° друг к другу и установлены под углом μ=114°-ϕ+δ к плоскости миделя, где ϕ - географическая широта местоположения концентратора, δ - склонение солнечных лучей, при этом вогнутая поверхность половинок фоклинов обращена к фотоприемнику. Фокус каждой половинки фоклина расположен под выпуклой поверхностью соседнего фоклина в непосредственной близости от края его выходного отверстия.

Приемник излучения состоит из n секций, параллельно соединенных из скоммутированных солнечных элементов, длина каждой секции соизмерима с длиной половинки фоклина углового гелиостата.

Конструкция солнечной установки и ее характеристики показаны на фиг.1, 2, 3, 4.

На фиг.1 представлен общий вид стационарной энергетической установки с концентратором и приемником излучения в виде полосы и системой угловых жалюзийных гелиостатов.

На фиг.2 - стационарная энергетическая установка с концентратором и приемником излучения в виде полосы и системой угловых жалюзийных гелиостатов, выполненных в виде жалюзи из параллельных, одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов.

На фиг.3 показано соотношение высоты гелиостата и расстояний между ними от минимальной высоты Солнца в определенный день.

На фиг.4 показана экспериментальная зависимость выходной мощности солнечных модулей от азимутного угла отклонения Солнца.

На фиг.1 стационарная солнечная энергетическая установка с параболоцилиндрическим концентратором 1, имеющим апертурный угол α, устанавливается под углом ϕ к горизонту по линии Восток-Запад и ориентирована на юг. Линейно-фокусирующий концентратор выполнен в виде несимметричного цилиндрического отражателя 2 и кругового цилиндрического отражателя 3, разделенных плоскостью симметрии 4, проходящих через вершину 5 и фокальную ось F параболоцилиндрического отражателя 2. Радиус R кругового цилиндрического отражателя 3 равен расстоянию f от фокальной оси F до вершины 5 параболоцилиндрического отражателя 2. Фокальная ось F совпадает с краем приемника 6, выполненного в виде полосы. На входной поверхности 7 миделя концентратора 1 на общей раме 8 размещается система гелиостатов 9 угловой формы, выполненных в виде жалюзи 10, пластины которых 11 находятся под углом 120° друг к другу. Угол наклона μ пластин угловых жалюзийных гелиостатов к входной поверхности 7 миделя параболоцилиндрического концентратора 1 составляет μ=114-ϕ+δ к плоскости миделя, где ϕ - географическая широта местоположения концентратора, δ - склонение солнечных лучей. Угол наклона ϕ к горизонтальной поверхности 12 является широтой местности в месте установки.

На фиг.2 угловые жалюзийные гелиостаты (УЖГ) выполнены в виде жалюзи 10 из параллельных, одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов 13, оптические оси которых находятся под углом 120° друг к другу, вогнутая поверхность половинок фоклинов обращена к приемнику, а фокус каждой половинки фоклина расположен под выпуклой поверхностью соседнего фоклина в непосредственной близости от края его выходного отверстия.

На фиг.3 показано отношение высоты h гелиостата и расстояний l между ними от минимальной высоты Солнца γ_min в определенный день l=h(sin45-γ_min), где h - высота крыла пластины УЖГ, γ_min - минимальная высота Солнца в определенный день.

Экспериментальные данные и теоретические расчеты показали, что в результате использования предлагаемого солнечного модуля с системой угловых жалюзийных гелиостатов увеличивается продолжительность работы концентратора в суточном режиме (линия 2 на фиг.4) и выработка энергии будет увеличена в утренние и вечерние часы.

На фиг.4 показана зависимость выходной мощности солнечных модулей от азимутного угла отклонения Солнца. Линия 1 - режим работы солнечного модуля без системы жалюзийных гелиостатов. Линия 2 - с системой угловых жалюзийных гелиостатов.

Положительный эффект, т.е. увеличение работы стационарного концентратора, достигается за счет угловой формы жалюзийных гелиостатов. Крылья пластин жалюзи 1 друг к другу находятся под углом β=120° и ориентированы на большие азимутные и малые высотные углы.

Для того чтобы стационарный параболоцилиндрический концентратор, установленный по линии Восток-Запад и ориентированный на юг, эффективно работал, необходимо, чтобы отраженные солнечные лучи попадали в апертурный угол α≤45°.

Солнечные лучи при минимальном высотном угле и при максимальном азимутальном угле не затеняют пластинами жалюзи, так как лучи проходят с востока (утром) или с запада (вечером), а при уменьшении азимутального угла увеличивается высотный угол. Высота и расстояние между пластинами УЖГ находятся в соотношении l=h(sin45-γ_min), где h - высота крыла пластины УЖГ, γ_min - минимальная высота Солнца в определенный день.

Таким образом, солнечное излучение при минимальном зенитном и максимальном азимутальном угле попадает на приемник параболоцилиндрического стационарного концентратора.

Предлагаемый солнечный модуль со стационарным концентратором работает следующим образом.

При отклонении Солнца от оси Восток-Запад на 30°, что соответствует 8-9 часам утра или 15-16 часам дня летом, осенью 7-8 или 16-17 часам, а зимой с момента восхода Солнца поток солнечных лучей проходит параллельно одной пластине и падает на вторую пластину УЖГ, где она за счет наклона и из-за углового эффекта УГЖ направляет солнечные лучи в область апертурного угла, т.е. на плоскость поверхности приемника. Угол наклона жалюзи μ определяем для конкретного дня, а сам концентратор установлен под углом равным широте местности. При уменьшении азимутного угла увеличивается высотный угол, но поток солнечных лучей проходит не затеняясь жалюзийными гелиостатами из-за того, что концентратор стоит под определенным углом к горизонту. Таким образом, солнечный модуль эффективно работает весь световой день от 8 до 16 часов, т.е. 8 часов в суточном режиме.

Для увеличения годового режима устанавливаем УЖГ под двумя фиксированными углами к плоскости миделя μ_{1, 2}=γ_max+23.4, где γ_max - высота Солнца в день летнего солнцестояния, или день равноденствия.

Таким образом, стационарный солнечный концентратор работает круглогодично и полный световой день. Система угловых жалюзийных гелиостатов будет квазистационарной.

Применение системы угловых жалюзи позволяет увеличить время работы концентратора в суточном и годовом циклах. Стационарно установленный концентратор, даже с большим апертурным углом, не может работать весь световой день и обычно настраивается на полуденные высоты Солнца. Полуденная высота меняется вслед за склонением очень медленно, и концентратор может эффективно работать в околополуденные часы в течение нескольких месяцев подряд, затем прекращает свою работу из-за выхода падающих солнечных лучей за пределы апертурного угла α.

Для получения электроэнергии в качестве приемника солнечного модуля с концентратором с системой жалюзийных гелиостатов установлен модуль из скоммутированных солнечных элементов.

Для получения горячей воды приемник солнечного модуля с концентратором с системой жалюзийных гелиостатов выполнен в виде теплоизолированного бака-аккумулятора.

Для комбинированного получения электроэнергии и теплоты в качестве покрытия бака-аккумулятора, поглощающего солнечное излучение, установлена полоса из скоммутированных солнечных элементов.

Солнечная энергетическая установка, содержащая УЖГ, позволяет избавиться от громоздких и дорогостоящих систем слежения за солнцем или от шарнирных осей, установленных для поворота линейных жалюзийных гелиостатов для изменения азимутных и зенитных углов, что позволит упростить конструкцию и уменьшить затраты на изготовление СЭС; увеличить годовую выработку электроэнергии и тепла.

Предлагаемое устройство может быть реализовано как в системах комбинированного тепло- и электроснабжения, так и в качестве самостоятельного автономного устройства для выработки тепловой или электроэнергии.

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения для выработки электроэнергии и высокопотенциального тепла. В результате использования предлагаемого изобретения будет увеличена среднегодовая выработка энергии на 30-45%, что позволит снизить стоимость выработки энергии. В солнечной энергетической установке, содержащей стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с приемником, установленным в фокальной области, на входной поверхности миделя концентратора на общей раме по оси Восток-Запад размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, плоскости которых находятся под углом 120° друг к другу и установлены под углом μ=114-ϕ+δ к плоскости миделя, где ϕ - географическая широта местоположения концентратора, δ - склонение солнечных лучей. В другом варианте установки на входной поверхности миделя концентратора на общей раме размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из параллельных, одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов, оптические оси которых наклонены под углом 120° друг к другу. Изобретение должно увеличить продолжительность работы стационарного концентратора как в суточном, так и в годовом режиме работы, повысить суммарную выработку электроэнергии в год и упростить конструкцию. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Солнечная энергетическая установка, содержащая стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, приемник, установленный в фокальной области, отличающаяся тем, что на входной поверхности миделя концентратора на общей раме по оси Восток-Запад размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, плоскости которых находятся под углом 120° друг к другу и установлены под углом μ=114°-ϕ+δ к плоскости миделя, где ϕ - географическая широта местоположения концентратора, δ - склонение солнечных лучей.2. Солнечная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что приемник излучения состоит из n секций, параллельно соединенных из скоммутированных солнечных элементов, длина каждой секции соизмерима с длиной пластины углового гелиостата.3. Солнечная энергетическая установка, содержащая стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, в фокальной области которого установлен приемник излучения в виде полосы, отличающаяся тем, что на входной поверхности миделя концентратора на общей раме размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из параллельных одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов, оптические оси которых находятся под углом 120° друг к другу и установлены под углом μ=114°-ϕ+δ к плоскости миделя, где ϕ - географическая широта местоположения концентратора, δ - склонение солнечных лучей, при этом вогнутая поверхность половинок фоклинов обращена к фотоприемнику.4. Солнечная энергетическая установка по п.3, отличающаяся тем, что приемник излучения состоит из n секций, параллельно соединенных из скоммутированных солнечных элементов, длина каждой секции соизмерима с длиной половинки фоклина углового гелиостата.