ГЕЛИОУСТАНОВКА Российский патент 2008 года по МПК F24J2/12 

Предлагаемое изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в гелиоустановках специального назначения, например в установках для обеззараживания воды, использующих для уничтожения патогенной микрофлоры ультрафиолетовую (УФ) часть солнечного излучения.

Известны гелиоустановки, содержащие концентраторы с криволинейными образующими, оптически сопряженными с принимающей поверхностью поглотителей солнечной энергии, см. например, а.с. 1545040, Россия, МПК F24J 2/12; пат. США 5.655.515 МКП F24J 2/38, заявка 19546913, Германия, МПК F24J 2/14, F24J 2/1′2.

Недостатком таких устройств является неравномерное распределение сконцентрированного солнечного излучения по принимающей поверхности приемника, что является особенно критичным в гелиоустановках для обеззараживания воды, в которых для дезактивации различных форм микроорганизмов, находящихся в воде, необходимо с помощью ультрафиолетового излучения большой интенсивности образовать мощные окислители, однородно распределенные по всему обрабатываемому объему воды.

Наиболее близкой по техническому решению к предлагаемому изобретению, выбранному авторами за прототип, является гелиоустановка, содержащая несущую конструкцию с закрепленным на ней концентратором, образованным набором плоских фацет, отражающее покрытие которых выполнено многослойным интерференционным, отражающим в ультрафиолетовой области спектра, на тыльной стороне каждой из фацет установлены прямоугольные призмы, см. пат. РФ № 2258183 Россия, МКП F24J 2/14, 2/18, публ. 10.08.2005г. Бюл. № 22.

В этой гелиоустановке на несущей конструкции в фокальной области концентратора установлен приемник концентрированного излучения, входящий в состав циркуляционного водяного контура. Поглощающая поверхность приемника концентрированного излучения выполнена из совокупности параллельных трубок из кварцевого стекла, общая конфигурация поглощающей поверхности приемника соответствует форме каждой из фацет.

Контрольный элемент, выход которого соединен со входом блока слежения за Солнцем, установлен на несущей конструкции за концентратором по оси параболы, образующей этот концентратор, на расстоянии Δ от директрисы этой параболы. Плоские отражатели установлены на несущей конструкции за концентратором в ходе лучей, отраженных от зеркальных 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.

Недостатком указанного технического решения гелиоустановки являются относительно большие габариты конструкции, обусловленные размещением контрольного элемента по оси параболы за концентратором на расстоянии, превышающем половину фокального параметра параболы, а также пониженная точность определения интенсивности УФ-излучения, поскольку она определяется косвенным путем по интенсивности видимого и ИК-излучения на входе контрольного элемента при отсутствии на последнем компоненты УФ-излучения.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в уменьшении габаритов конструкции и повышении точности измерения интенсивности УФ-излучения. В соответствии с предполагаемым изобретением вышеуказанный технический результат достигается тем, что гелиоустановка, содержащая несущую конструкцию в виде параболоида вращения с концентратором УФ-излучения в виде набора плоских фацет, смонтированных на несущей конструкции по кольцевым коаксиально расположенным зонам, приемник УФ-излучения, расположенный в фокальной области концентратора, контрольный элемент, подключенный к блоку управления, и плоские отражающие элементы, оптически сопряженные с контрольным элементом и установленные с тыльной стороны несущей конструкции напротив плоских фацет, снабжена равнодлинными стержневыми вкладышами, несущая конструкция выполнена с направляющими параллельными оси параболоида вращения под вышеуказанные вкладыши и с окнами напротив центральных областей плоских фацет, при этом вкладыши размещены в направляющих несущей конструкции с возможностью упругого взаимодействия своими концами с обращенными друг к другу сторонами плоских фацет и плоских отражающих элементов, а контрольный элемент размещен перед приемником УФ-излучения на расстоянии от последнего, равном длине стержневых вкладышей, и оптически сопряжен с плоскими отражающими элементами через каналы, предусмотренные в плоских фацетах.

Кроме того, концы стержневых вкладышей выполнены сферическими.

Кроме того, плоские отражающие элементы смонтированы на упругих элементах кольцеобразной формы, связанных своей периферией с несущей конструкцией.

Кроме того, упругие элементы кольцеобразной формы выполнены в виде мембран с концентрично расположенными гофрами.

Кроме того, плоские отражающие элементы оптически сопряжены с контрольным элементом через фильтр, селективный к УФ-диапазону волн.

На фиг. 1 схематически изображен общий вид гелиоустановки

На фиг. 2 показана в увеличенном масштабе конструкция узлов крепления плоского отражателя и плоской фацеты на несущей конструкции.

На фиг. 3 приведена оптическая схема, показывающая ход лучей через оптические элементы при наведении гелиоустановки на Солнце.

Гелиоустановка содержит несущую конструкцию 1 в виде параболоида вращения с концентратором УФ-излучения 2 в виде набора плоских фацет 3, смонтированных на несущей конструкции 1 по кольцевым коаксиально расположенным зонам, приемник УФ-излучения 4, расположенный в фокальной области концентратора 2.

Контрольный элемент 5 подключен к блоку управления 6. Плоские отражающие элементы 7 оптически сопряжены с контрольным элементом 5 и установлены с тыльной стороны несущей конструкции 1 напротив центральных областей плоских фацет 3 (см. фиг.1). Установка снабжена равнодлинными стержневыми вкладышами 10 (см. фиг.2). Эти вкладыши обеспечивают строго плоскопараллельное смещение каждого плоского отражающего элемента 7 относительно соответствующей плоской фацеты 3 вдоль оси параболоида (ось ОО на фиг. 3).

Несущая конструкция 1 выполнена с окнами 8 напротив центральных областей плоских фацет 3. Вдоль периметра каждого окна 8 в несущей конструкции 1 выполнены три сквозных отверстия параллельные оси параболоида вращения, являющиеся направляющими 9 для равнодлинных стержневых вкладышей 10.

Вкладыши 10 установлены в направляющих 9 несущей конструкции 1 со свободой осевого перемещения и с возможностью упругого взаимодействия своими концами с обращенными друг к другу сторонами плоских фацет 3 и плоских отражающих элементов 7.

Поверхность тела вращения, касающегося всей совокупности отражающих элементов 7, расположенных вышеуказанным способом, образует собой параболоид, идентичный основному параболоиду 2, сформированному плоскими фацетами 3, но смещенный по оси вращения указанного параболоида 2 на величину, равную длине r стержневых вкладышей 10 (см. фиг.3).

Контрольный элемент 5 размещен перед приемником УФ-излучения 4 на расстоянии от последнего, равном длине г стержневых вкладышей 10, и оптически сопряжен с плоскими отражающими элементами 7 через каналы 11, предусмотренные в плоских фацетах 3.

Для минимизации сил трения и обеспечения надежного упругого взаимодействия между собой плоских фацет 3, стержневых вкладышей 10 и плоских отражающих элементов 7 концы стержневых вкладышей 10 выполнены сферическими. Плоские отражающие элементы 7 смонтированы на упругих элементах кольцеобразной формы 12, выполненных в виде мембран с концентрично расположенными гофрами, связанных своей периферией с несущей конструкцией 1.

Плоские отражающие элементы 7 оптически сопряжены с контрольным элементом 5 через фильтр 13, селективный к УФ-диапазону волн.

Предложенная гелиоустановка работает следующим образом.

Блок слежения (в графических материалах условно не показан) осуществляет предварительную ориентацию несущей конструкции 1 с установленным на ней концентратором 2 на Солнце.

Отражающее покрытие плоских зеркальных фацет 3 концентратора 2 выполнено многослойным интерференционным, отражающим УФ-излучение на приемник 4, установленный в фокальной области концентратора 2.

Солнечные лучи видимого и инфракрасного диапазона в гелиоустановке не используются, лучи этого диапазона проходят через отражающее покрытие плоских зеркальных фацет 3 и рассеиваются.

На фиг.3 показан ход лучей, поступающих на одну из плоских фацет 3, находящуюся на периферии концентратора 2, когда ось визирования указанного концентратора 2 совпадает с направлением на Солнце.

Лучи АВ, поступившие на фацету 3, содержат весь спектр солнечного диапазона; лучи ВС, отразившиеся от интерференционного покрытия этой фацеты 3, содержат только ультрафиолетовую часть солнечного излучения и поступают на приемник УФ-излучения 4.

Концентратор 2 должен обеспечить равномерную засветку УФ-излучением требуемой интенсивности всего поглощающего элемента приемника 4.

Исходя из требуемой суммарной интенсивности ультрафиолетового излучения на поглощающем элементе приемника 4, выбирается число плоских фацет 3 в концентраторе 2.

Кроме того, плоские фацеты 3 должны быть установлены так, чтобы центральная ось E₁G₁ пучка УФ-излучения, отразившегося от каждой из указанных фацет 3, попала в центр поглощающего элемента приемника 4 (см. фиг.3).

В предлагаемой гелиоустановке контроль выполнения взаимной юстировки плоских фацет 3 производится по положению контрольных лучей EG, отразившихся от элементов 7 и поступивших на контрольный элемент 5.

Каждый плоский отражающий элемент 7 смещен плоскопараллельно относительно соответствующей плоской фацеты 3 вдоль оси ОО параболоида 2 на длину r стержневых вкладышей, и совокупность элементов 7 образует собой дополнительный параболоид, идентичный основному параболоиду 2. Фокус F₂ дополнительного параболоида отстоит от фокуса F₁ основного параболоида 2 на расстояние r вдоль оси ОО (см. фиг.3).

Луч EG, который отражается от элемента 7, попадает в фокус F₂, только в том случае, когда центральная ось E₁G₁ ультрафиолетового пучка ВС, отраженного от соответствующей плоской фацеты 3, попадает в фокус F₁ основного параболоида 2.

В фокусе F₂ находится контрольный элемент 5, выполненный, например, в виде координатно-чувствительного фотоэлектрического датчика, который измеряет смещение контрольного луча EG от центральной точки контрольного элемента 5.

Если смещение контрольного луча EG, отразившегося от элемента 7, превышает допустимую величину, изменяют наклон соответствующей плоской фацеты 3 на несущей конструкции 1 путем поворота винтов 14. Так производится взаимная юстировка всех плоских фацет 3, формирующих основной параболоид 2.

При движении Солнца по небосклону происходит рассогласование оси визирования гелиоустановки (оси вращения параболоида 2) с направлением падения солнечных лучей, что приводит к смещению пучка УФ-излучения E₁G₁ на поглощающем элементе приемника 4 и к смещению контрольного пучка EG на контрольном элементе 5.

Контрольный элемент 5 формирует сигнал рассогласования, пропорциональный величине этого смещения, который через блок управления 6 поступает на блок слежения за Солнцем (в графических материалах условно не показан), и осуществляет разворот несущей конструкции 1 до совмещения оси визирования ОО концентратора 2 с направлением на Солнце.

После выполнения ориентации производится измерение амплитуды входного сигнала на контрольном элементе 5, по которой можно судить об интенсивности УФ-излучения на приемнике 4, т.к. перед контрольным элементом 5 установлен фильтр 13, селективный к УФ-диапазону волн.

Этот сигнал поступает в блок управления 6, который формирует управляющий сигнал на изменение скорости прокачки обеззараживаемой жидкости в циркуляционном контуре приемника 4 (в графических материалах условно не показан) в зависимости от измеренной интенсивности УФ-излучения.

В предлагаемой гелиоустановке контрольный элемент расположен внутри конструкции гелиоустановки, тогда как в известной гелиоустановке контрольный элемент расположен за несущей конструкцией на расстоянии, соизмеримом с длиной всей конструкцией.

Кроме того, измерение интенсивности УФ-излучения производится на контрольном элементе в рабочем диапазоне длин волн, что исключает ошибку косвенных измерений, при которых контрольное и рабочее излучения находятся в разных диапазонах длин волн.

Следовательно, предлагаемое техническое решение при его использовании дает положительный технический результат, заключающийся в уменьшении габаритов гелиоустановки и увеличении точности измерения интенсивности УФ-излучения.

В настоящее время по материалам заявки на предприятии изготовлен макетный образец гелиоустановки и проведены его натурные испытания, которые подтвердили достижение вышеуказанного технического результата.

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в гелиоустановках специального назначения, например в установках для обеззараживания воды, использующих для уничтожения патогенной микрофлоры ультрафиолетовую часть солнечного излучения. Гелиоустановка содержит несущую конструкцию в виде параболоида вращения, с концентратором УФ-излучения в виде набора плоских фацет, смонтированных на несущей конструкции по кольцевым коаксиально расположенным зонам, приемник УФ-излучения, расположенный в фокальной области концентратора, контрольный элемент, подключенный к блоку управления, и плоские отражающие элементы, оптически сопряженные с контрольным элементом и установленные с тыльной стороны несущей конструкции напротив плоских фацет. Гелиоустановка дополнительно снабжена равнодлинными стержневыми вкладышами, несущая конструкция выполнена с направляющими, параллельными оси параболоида вращения под вышеуказанные вкладыши, и с окнами напротив центральных областей плоских фацет, при этом вкладыши размещены в направляющих с возможностью упругого взаимодействия своими концами с сторонами плоских фацет и плоских отражающих элементов, а контрольный элемент размещен перед приемником УФ-излучения на расстоянии, равном длине вкладышей, и оптически сопряжен с плоскими отражающими элементами через каналы в плоских фацетах. Изобретение должно обеспечить уменьшение габаритов и повысить точность измерения интенсивности УФ-излучения. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гелиоустановка, содержащая несущую конструкцию в виде параболоида вращения с концентратором УФ-излучения в виде набора плоских фацет, смонтированных на несущей конструкции по кольцевым коаксиально расположенным зонам, приемник УФ-излучения, расположенный в фокальной области концентратора, контрольный элемент, подключенный к блоку управления, и плоские отражающие элементы, оптически сопряженные с контрольным элементом и установленные с тыльной стороны несущей конструкции напротив плоских фацет, отличающаяся тем, что она снабжена равнодлинными стержневыми вкладышами, несущая конструкция выполнена с направляющими, параллельными оси параболоида вращения под вышеуказанные вкладыши, и с окнами напротив центральных областей плоских фацет, при этом вкладыши размещены в направляющих несущей конструкции с возможностью упругого взаимодействия своими концами с обращенными друг к другу сторонами плоских фацет и плоских отражающих элементов, а контрольный элемент размещен перед приемником УФ-излучения на расстоянии от последнего, равном длине стержневых вкладышей, и оптически сопряжен с плоскими отражающими элементами через каналы, предусмотренные в плоских фацетах.2. Гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что концы стержневых вкладышей выполнены сферическими.3. Гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что плоские отражающие элементы смонтированы на упругих элементах кольцеобразной формы, связанных своей периферией с несущей конструкцией.4. Гелиоустановка по п.3, отличающаяся тем, что упругие элементы кольцеобразной формы выполнены в виде мембран с концентрично расположенными гофрами.5. Гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что плоские отражающие элементы оптически сопряжены с контрольным элементом через фильтр, селективный к УФ-диапазону волн.