СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ ДЛЯ НАГРЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных установок с концентраторами солнечного излучения и средствами их ориентации за положением Солнца на небосводе.

Известна система ориентации солнечного модуля с концентратором (аналог), в котором имеется неподвижная ось, вертикально расположенная, вокруг которой несущая рама имеет возможность поворота, несущая рама имеет перпендикулярно расположенную вторую ось, на которой установлены с возможностью поворота модули с концентраторами (Сб. «Использование солнечной энергии», сб. 1, издат. АН СССР, М., 1957, стр.68, рис.8).

Недостатком известного решения является то, что установки с подобной системой ориентации неудобно объединять для нагрева общего теплоносителя для создания мощных солнечных станций, в которых необходимо по ходу теплоносителя устанавливать большое количество концентраторов, подводящих, например, с помощью световодов концентрированную энергию к теплоносителю. Это неудобство вызвано в первую очередь тем, что неподвижные оси, по которым целесообразно было бы пропускать теплоноситель, расположены вертикально, что создает большие трудности для объединения их в общую тепломагистраль. Поэтому солнечные установки с подобными системами ориентации находят применение в виде автономных установок, которые нецелесообразно объединять в единую систему по признаку суммирования энергоносителя.

Известна система ориентации (прототип) солнечной установки для нагрева теплоносителя, состоящая из несущей рамы, имеющей возможность поворачиваться вокруг неподвижной оси, и имеющая вторую ось, установленную перпендикулярно первой оси, вокруг которой солнечные модули с концентраторами имеют возможность поворачиваться (патент США №2716108, опубликован 8.03.1979 г. Fig. 1, Кл. F24J 3/02).

Система имеет неподвижную горизонтально расположенную ось, направленную по сторонам Света Запад - Восток, вокруг которой имеет возможность поворота несущая рама с установленным на ней солнечным модулем с концентратором, который в свою очередь может поворачиваться вокруг оси, установленной на несущей раме. Сезонные изменения отслеживаются поворотом несущей рамы вокруг горизонтальной оси, часовое слежение за Солнцем осуществляется поворотом вокруг оси, укрепленной на несущей раме.

Недостатком известного технического решения является то, что модули в течение дня в процессе часового слежения совершают вокруг оси, установленной на несущей раме, поворот на углы 120 и более угловых градусов (в идеале 180°), что вызывает трудности с передачей энергии от модуля на неподвижную ось, например, с помощью световодов, которые должны поворачиваться на те же 120° (180°). Солнечные установки с подобными системами ориентации используются для автономных установок, не объединенных в единую систему энергоносителем.

Предложенное изобретение решает следующую техническую задачу: позволяет объединить отдельные солнечные установки в общую систему путем последовательного нагрева общего теплоносителя. Такое объединение позволяет увеличить мощность солнечной системы за счет суммирования мощностей отдельных установок.

Для достижения указанного технического результата в системе ориентации солнечных модулей с концентраторами для нагрева теплоносителя, состоящей из несущей рамы с возможностью поворота вокруг неподвижной оси и имеющей вторую ось, установленную на раме перпендикулярно первой оси, вокруг которой солнечные модули с концентраторами имеют возможность поворачиваться с ориентацией по сторонам Света Север - Юг, неподвижная ось расположена горизонтально на стойках опоры, установленной на грунте, несущая рама выполнена в виде жесткой крестовины с взаимно перпендикулярными перекладинами, одна из которых имеет возможность вращаться вокруг неподвижной горизонтальной оси, при этом солнечные модули с концентраторами установлены на крестовине с возможностью поворота вокруг перекладины крестовины, перпендикулярной неподвижной оси.

Для повышения мощности солнечной системы в системе ориентации солнечных модулей с концентраторами для нагрева теплоносителя горизонтальные неподвижные оси солнечных модулей, выполненные в виде труб с протекающим общим теплоносителем, объединены последовательно в общую систему.

В другом варианте в системе ориентации солнечных модулей с концентраторами для нагрева теплоносителя, состоящей из несущей рамы с возможностью поворота вокруг неподвижной оси и имеющей вторую ось, установленную на раме перпендикулярно первой оси, вокруг которой солнечные модули с концентраторами имеют возможность поворачиваться с ориентацией по сторонам Света Север - Юг, горизонтальная неподвижная ось выполнена в виде трубы с протекающим теплоносителем, и несущая рама также выполнена в виде жесткой крестовины из труб, одна из перекладин которой соединена с приводом вращения вокруг неподвижной оси, редуктор которого установлен на стойке опоры, а другая перекладина крестовины тоже выполнена полой и в ней размещены, например, волоконные световоды, передающие энергию от модулей с концентраторами на горизонтальную неподвижную трубу с теплоносителем.

Для повышения мощности солнечной системы в системе ориентации солнечных модулей с концентраторами для нагрева теплоносителя горизонтальные неподвижные оси солнечных модулей, выполненные в виде труб с протекающим общим теплоносителем, объединены последовательно в общую систему.

Признаки, отличающие предложенное техническое решение от наиболее близкого решения по патенту США №2716108, заключаются в следующем.

В предложенном решении неподвижная ось, вокруг которой вращается несущая рама, расположена горизонтально с ориентацией Север - Юг, что позволяет объединить солнечные установки на основе горизонтально расположенных тепломагистралей, вокруг которых вращаются несущие рамы в виде жестких крестовин, на перпендикулярных осях которых расположены модули с концентраторами, направляющими концентрированное солнечное излучение на общую тепломагистраль. При этом модули с концентраторами в течение светового дня совершают вокруг перекладины крестовины повороты не более чем 90°. В зависимости от географической широты расположения эти углы будут разными, так для экватора они будут равны ±24°. Уменьшение углов поворота модулей по отношению к осям крестовины облегчает работу световодов, которые в данном случае должны поворачиваться на угол не более 90°.

На фиг.1 представлена схема установки с предложенной системой ориентации.

На фиг.2 показан принцип объединения отдельных установок в общую систему.

Система ориентации солнечных модулей 1 с концентраторами для нагрева теплоносителя, состоящая из несущей рамы 3, имеющей возможность поворачиваться вокруг неподвижной оси 12, и имеющая вторую ось 2, установленную перпендикулярно несущей паме 3 в виде первой оси 3, вокруг которой солнечные модули 1 с концентраторами имеют возможность поворачиваться по стрелке δ. Неподвижная ось 12 ориентирована по сторонам Света Север - Юг (А-Б), расположена горизонтально на стойках опоры 6, установленной на грунте, несущая рама 3 выполнена в виде жесткой крестовины с взаимно перпендикулярными перекладинами, одна из которых расположена горизонтально и имеет возможность вращаться вокруг неподвижной горизонтальной оси 12, солнечные модули 1 с концентраторами установлены с возможностью поворота вокруг перекладины крестовины. Горизонтальная неподвижная ось 12 выполнена в виде трубы с протекающим теплоносителем 13, несущая рама 3 также выполнена в виде жесткой крестовины из труб, горизонтальная несущая рама 3 в виде перекладины соединена с приводом вращения вокруг неподвижной оси 12 по стрелке ω, редуктор 4 которого установлен на стойке опоры 6, перекладина крестовины, перпендикулярная горизонтальной, тоже выполнена полой, в ней размещены, например, волоконные световоды, передающие энергию от модулей 1 с концентраторами на горизонтальную неподвижную трубу в виде неподвижной оси 12 с теплоносителем 13.

Кроме того, на фиг.1 показано следующее: световоды 7, собирающие концентрированное солнечное излучение от модулей 1 и доставляющие его на неподвижную ось 12 в виде трубы с теплоносителем 13; защитное стекло модулей 9 с линзой Френеля 8, концентрирующей излучение на призму 10, установленную на конце световода 7.

На фиг.2 показана схема объединения отдельных установок в общую систему на основе общих горизонтальных неподвижных труб - осей 12 с общим теплоносителем 13.

Работает система ориентации следующем образом.

Система ориентации по фиг.1 модулей с концентраторами изображена в полдень с направлением на Юг. В этом положении обе перекладины, на которых установлены панели с модулями, расположены горизонтально, а панель выставлена перпендикулярно солнечному излучению. По прошествии n часов Солнце перейдет в другое положение, при этом крестовина с концентраторами повернется на определенный угол вокруг оси 12 (ось тепломагистрали) и модули 1 развернутся вокруг осей 2 в виде, перекладин по стрелке δ, чтобы солнечное излучение снова приходило перпендикулярно на панели модулей 1. Такая система слежения может обеспечить работу по часовому углу в пределах 180° (поворот по стрелке ω) и по зенитальному углу (стрелка δ) до 90°.

Солнечное излучение улавливается в модулях с концентраторами, в качестве последних могут быть использованы линзы Френеля 8 с точечным фокусом F, расположенные за защитным стеклом 9. Линзы Френеля концентрируют солнечное излучение на призмы полного внутреннего отражения 10, установленные на концах 11 каждого световода 7. Световоды 7 собраны в жгуты 7 и уложены в перекладинах оси 2 жесткой несущей рамы - крестовины 3. Жгуты световодов подводят концентрированное излучение к неподвижной оси 2 тепломагистрали (сечение В-В), облучая ее, при этом торцы световодов при изменении часового угла поворачиваются совместно с перекладиной осью 2.

Преимущества предлагаемой системы ориентации для нагрева состоят в том, что теплоноситель локально облучается мощным световым потоком от отдельных солнечных установок, расположенных непосредственно на тепломагистрали (фиг.2). В качестве световодов должны использоваться кварцевые световоды с пропусканием не менее 98,8% излучения на 1 м длины (12.4. J.M.Cariou, J.Dugas and L. Martin. Transport of solar energy with optical fibres. // Solar Energy, Vol.29, No. 5, 1982, pp.397-406).

Такие световоды для их средней длины 6 м (при размерах панелей 5х6 м, модулей 1×1 м) обеспечат светопропускание на уровне 93%, с учетом френелевских потерь на входе и выходе их светопропускание составит 0,93×0,96²=0,86.

Суммарное светопропускание системы может быть записано в виде выражения:

τ_Σ=τ₁×τ² ₂×τ₃×τ₄=0,73,

где τ₁ - светопропускание защитного стекла и линзы Френеля (0,9);

τ² ₂ - светопропускание торцов световодов на входе и на выходе (0,96²=0,92);

τ₃ - светопропускание световодов при средней длине волокна 6 м (0,988⁶=0,93);

τ₄ - светопоглощение облучаемого участка тепломагистрали (0,95).

Расчетные параметры одного блока модулей:

- Количество панелей с модулями 2 шт.

- Размеры панели 5×6 м.

- Количество модулей в панели при размере воспринимающей поверхности 1×1 м составляет 30 шт.

- Количество линз Френеля в одном модуле 100 шт (100×100 мм, фокусное расстояние 400 мм, максимальный угол раскрытия на сторону 7,125°).

- Толщина световода (без оболочки) 0,6 мм, с оболочкой 0,8 мм.

- Диаметр жгута световодов от одного модуля 10 мм.

- Диаметр жгута от 30 модулей (3000 жил, коэффициент заполнения 0,8) 50 мм.

Таким образом, жгут от одной панели имеет диаметр 50 мм и облучает участок длины тепломагистрали 200 мм, диаметр которой 200 мм.

Концентрация излучения на кольцевом поясе тепломагистрали составит величину, равную отношению площади всех ЛФ к площади облучаемого пояса:

Проведем сравнение полученных параметров с достигнутыми на известной станции Solar Two башенного исполнения (США, Калифорния) /J.Е.Pacheco, Н.Е.Reilly, G.J.Kolb, С.Е.Tyner. Summary of the Solar Two Test and Evaluation Program, 10^th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Sydney, Australia, March 8, 2000/:

ПараметрДостигнутые
на Solar TwoКоммерчески
приемлемыеПредполагаемые
на СЭСЭффективность
концентрирующей
системы0,430,570,65

Таким образом, предлагаемый вариант выполнения мощных солнечных станций для нагрева теплоносителей оказывается более эффективным, чем достигнутые показатели на лучшей солнечной станции в настоящее время.

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности к установкам с концентраторами солнечного излучения и средствам их ориентации. Система ориентации состоит из несущей рамы с возможностью поворота вокруг неподвижной оси и имеет вторую ось, установленную на раме перпендикулярно первой оси, вокруг которой солнечные модули с концентраторами имеют возможность поворачиваться с ориентацией по сторонам Света Север - Юг, причем неподвижная ось расположена горизонтально на стойках опоры, установленной на грунте, несущая рама выполнена в виде жесткой крестовины с взаимно перпендикулярными перекладинами, одна из которых имеет возможность вращаться вокруг неподвижной горизонтальной оси, а солнечные модули с концентраторами установлены на крестовине с возможностью поворота вокруг перекладины крестовины, перпендикулярной неподвижной оси. Горизонтальная неподвижная ось выполнена в виде трубы с протекающим теплоносителем, несущая рама выполнена в виде жесткой крестовины из труб, горизонтальные лучи которой соединены с приводом вращения, установленным на стойках неподвижной оси, лучи крестовины, перпендикулярные горизонтальным, тоже выполнены полыми и в них размещены, например, волоконные световоды. Изобретение должно обеспечить объединение отдельных солнечных установок в общую систему, что увеличит ее мощность. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система ориентации солнечных модулей с концентраторами для нагрева теплоносителя, состоящая из несущей рамы с возможностью поворота вокруг неподвижной оси, и имеющая вторую ось, установленную на раме перпендикулярно первой оси, вокруг которой солнечные модули с концентраторами имеют возможность поворачиваться с ориентацией по сторонам Света Север-Юг, отличающаяся тем, что неподвижная ось расположена горизонтально на стойках опоры, установленной на грунте, несущая рама выполнена в виде жесткой крестовины с взаимно перпендикулярными перекладинами, одна из которых имеет возможность вращаться вокруг неподвижной горизонтальной оси, при этом солнечные модули с концентраторами установлены на крестовине с возможностью поворота вокруг перекладины крестовины, перпендикулярной неподвижной оси.2. Система ориентации солнечных модулей с концентраторами для нагрева теплоносителя по п.1, отличающаяся тем, что горизонтальные неподвижные оси солнечных модулей, выполненные в виде труб с протекающим общим теплоносителем, объединены последовательно в общую систему.3. Система ориентации солнечных модулей с концентраторами для нагрева теплоносителя, состоящая из несущей рамы с возможностью поворота вокруг неподвижной оси, и имеющая вторую ось, установленную на раме перпендикулярно первой оси, вокруг которой солнечные модули с концентраторами имеют возможность поворачиваться с ориентацией по сторонам Света Север-Юг, отличающаяся тем, что горизонтальная неподвижная ось выполнена в виде трубы с протекающим теплоносителем, и несущая рама также выполнена в виде жесткой крестовины из труб, одна из перекладин которой соединена с приводом вращения вокруг неподвижной оси, редуктор которого установлен на стойке опоры, а другая перекладина крестовины тоже выполнена полой, в которой размещены, например, волоконные световоды, передающие энергию от модулей с концентраторами на горизонтальную неподвижную трубу с теплоносителем.4. Система ориентации солнечных модулей с концентраторами для нагрева теплоносителя по п.3, отличающаяся тем, что горизонтальные неподвижные оси солнечных модулей, выполненные в виде труб с протекающим общим теплоносителем, объединены последовательно в общую систему.