ГЕЛИОУСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЯ И ОСНАСТКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОТРАЖАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК F24J2/14 

Предлагаемое техническое решение относится к солнечной энергетике и может найти применение в малогабаритных гелиоустановках индивидуального пользования для нагрева воды или другого теплоносителя.

Известны гелиоустановки, содержащие концентраторы, представляющие собой параболоиды, в фокусе которых установлены приемники солнечного излучения, см., например, пат. 5592938, США, МКП F24J 2/02 1994 г.; а.с. 1456715, СССР, МКП F24J 2/08, 1986 г.; пат. 2258183, РФ, МКП F24J 2/14, 2/18 2004 г.

Недостатком гелиоустановок с использованием указанных концентраторов является сложность их эксплуатации, так как для подачи концентрированного излучения на приемник необходима постоянная ориентация этих концентраторов на Солнце (постоянное слежение за Солнцем по двум координатам).

Известны гелиоэнергетические установки для преобразования солнечной энергии, содержащие цилиндрические отражатели и преобразующие элементы, установленные по линейной фокальной оси отражателей, ориентируемые на Солнце по одной координате, см. например, заявка 19539115, Германия, 1997 г.; пат. 5655515, США, МКП F24J 2/38, 1996 г.; пат. 2222755, РФ, МКП F24J 2/14, 2/42, 2002 г.

Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемому решению (прототипом) является гелиоустановка для преобразования солнечной энергии, содержащая удлиненный вогнутый отражатель с параболическим поперечным сечением и трубопровод для прохода теплоносителя, расположенный в области фокальной линии отражателя, см. пат. 2107232, РФ, МКП F24J 2/44, 2/34, 2/14, 1993 г.

Недостатком указанного технического решения является относительно невысокая среднесуточная эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую, так как основное светлое время суток поток солнечной энергии падает на отражатель наклонно (точное направление нормали отражателя на Солнце наблюдается только в полуденные часы).

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении среднесуточной эффективности преобразования солнечной энергии.

В соответствии с предлагаемым изобретением указанный технический результат достигается тем, что гелиоустановка для преобразования солнечной энергии, содержащая вогнутый отражатель с параболическим поперечным сечением и трубопровод для прохода теплоносителя, расположенный в области фокальной линии отражателя, снабжена поворотной осью, отражатель выполнен в виде обода, а трубопровод - в форме полукольца, при этом поворотная ось диаметрально пропущена через основание боковой поверхности обода, а на трубопроводе предусмотрены участки с образованием петель для охвата концов поворотной оси.

Кроме того, трубопровод со стороны приема солнечной энергии отражателем выполнен спиралеобразным.

В варианте исполнения гелиоустановка для преобразования солнечной энергии, содержащая отражатель с параболическим поперечным сечением и трубопровод для прохода теплоносителя, расположенный в области фокальной линии отражателя, снабжена двумя полуосями, отражатель выполнен в виде коаксиально расположенных двух вогнутых полуколец, скрепленных своими боковыми поверхностями, а трубопровод - в форме удлиненной полупетли с боковыми сторонами дугообразной формы, поштучно расположенными напротив вогнутых полуколец, при этом полуоси диаметрально закреплены на внутренних поверхностях концов полуколец.

В способе изготовления отражателя для гелиоустановки из заготовки в виде отрезка тонкостенной трубы формируют вогнутый обод параболического сечения, разделяют полученный обод диаметральной боковой прорезью на две части с образованием двух зеркально-симметричных половин и перемычки со стороны основания прорези, пластически деформируют перемычку со стороны основания прорези до момента прилегания близлежащих боковых поверхностей зеркально-симметричных половин обода и осуществляют крепление прилегающих поверхностей зеркально-симметричных половин обода относительно друг друга.

Кроме того, крепление прилегающих поверхностей зеркально-симметричных половин обода относительно друг друга осуществляют путем их точечной сварки в области, равноудаленной от концов зеркально-симметричных половин обода.

Оснастка для формирования отражателя выполнена в виде цилиндрической оправки с параболической проточкой на боковой поверхности, причем оправка изготовлена разъемной с плоскостью разъема ортогональной ее оси и проходящей через основание параболической проточки.

Кроме того, на цилиндрической поверхности оправки в областях ее сопряжения с параболической проточкой предусмотрены кольцевые обнижения для размещения торцевых участков заготовки в виде отрезка тонкостенной трубы.

Кроме того, первая из частей разъемной оправки выполнена с осевым торцевым цилиндрическим хвостовикам, а вторая с осевым отверстием по диаметру хвостовика, при этом вторая часть оправки установлена на хвостовик первой части и поджата к последней резьбовым элементом.

Кроме того, первая и вторая части разъемной оправки зафиксированы от относительного проворота шпонкой.

На фиг.1 схематически изображен общий вид гелиоустановки для преобразования солнечной энергии; на фиг.2 показан ход солнечных лучей, падающих на отражатель. На фиг.3 изображена гелиоустановка - вариант исполнения, на фиг.4 - вид А на фиг.3.

На фиг.фиг.5-8 показана последовательность операций по способу изготовления отражателя, на фиг.фиг.9-10 - оснастка для формирования отражателя.

Гелиоустановка для преобразования солнечной энергии (см. фиг.1) включает в себя вогнутый отражатель 1 с параболическим поперечным сечением и трубопровод 2 для прохода теплоносителя, который расположен в области фокальной линии 3 (см. фиг.2) отражателя 1 и поворотную ось 4. Отражатель 1 выполнен в виде обода, через основание боковой поверхности которого диаметрально пропущена поворотная ось 4.

Трубопровод 2 имеет форму полукольца и выполнен спиралеобразным, при этом на трубопроводе 2 предусмотрены участки с образованием петель 5 для охвата концов поворотной оси.

Функционирование гелиоустановки для преобразования солнечной энергии осуществляется следующим образом.

Предварительно с помощью поворотной оси 4 отражатель 1 устанавливается таким образом, чтобы плоскость расположения фокальной линии 3 отражателя 1 совпадала с плоскостью суточного движения (вращения) Солнца в полуденное время, положение которой зависит от двух параметров - широты места и от текущего календарного дня и известна заранее.

В результате совмещения плоскости фокальной линии 3 отражателя 1 с плоскостью суточного движения Солнца солнечные лучи АА, поступающие на отражатель 1 в течение всего светового дня, обходят обод отражателя 1 по азимуту (на фиг.2 направление перемещения лучей показано пунктирной линией).

Отражатель 1 выполнен в виде обода, а нормали к отражающей поверхности являются продолжениями его радиусов, за счет чего обеспечивается ортогональное (или близкое к нему) падение солнечных лучей АА на часть отражателя 1 при любом азимутальном угле их прихода (см. фиг.2).

Поперечное сечение отражателя 1 является параболой, которая фокусирует входные лучи АА на трубопроводе 2, расположенном в области фокальной линии 3, нагревая проходящий через него теплоноситель (лучи АВ на фиг.2).

По варианту исполнения (см. фиг.3, фиг.4), обеспечивающему повышение эффективности нагревания теплоносителя, гелиоустановка содержит отражатель 1, выполненный в виде коаксиально расположенных двух вогнутых полуколец 6 и 7. Полукольца 6 и 7 скреплены своими боковыми поверхностями и имеют параболическое сечение.

Трубопровод выполнен в виде удлиненной полупетли с боковыми сторонами 8 и 9 дугообразной формы, поштучно расположенными напротив вогнутых полуколец 6 и 7 в областях их фокальных линий 3.

Гелиоустановка также снабжена двумя полуосями 10, указанные полуоси 10 диаметрально закреплены на внутренних поверхностях концов полуколец 6 и 7.

Функционирование гелиоустановки по варианту исполнения происходит следующим образом.

Ориентация гелиоустановки на Солнце осуществляется аналогично установке, описанной выше (фиг.1, фиг.2).

Отражатель 1 выполнен в виде коаксиально расположенных двух вогнутых полуколец 6 и 7, нормали к отражающим поверхностям которых распределены равномерно по азимуту в диапазоне 180°, что обеспечивает ортогональное (или близкое к нему) падение солнечных лучей на оба вогнутых полукольца 6 и 7 при любом направлении падения солнечных лучей АА (см. фиг.2).

Поскольку поперечное сечение вогнутых полуколец 6 и 7 является параболой, каждое из них фокусирует солнечные лучи на расположенную напротив него боковую сторону 8 или 9 петли трубопровода 2, нагревая проходящей через него теплоноситель (см. фиг.3).

Рассмотрим способ изготовления отражателя для вышерассмотренной гелиоустановки (по варианту исполнения) с помощью фиг.фиг.5-8, где изображены основные операции по реализации предлагаемого технологического процесса и оснастку для его формирования по фиг.фиг.9 и 10.

Первоначально формируют вогнутый обод 11 параболического поперечного сечения, например, с помощью роликовой обкатки отрезка тонкостенной трубы, см. фиг.5 (подробно описано ниже).

Затем разделяют полученный обод 11 диаметральной боковой прорезью 12 (полученной, например, с помощью дисковой фрезы) на две части в виде зеркально-симметричных половин 13 и 14 с образованием перемычки 15 со стороны основания прорези (см. фиг.6).

Далее пластически деформируют перемычку 15 до момента прилегания близлежащих боковых поверхностей (сторон) половин 13 и 14 (см. фиг.7, фиг.8).

После чего осуществляют крепление прилегающих поверхностей половин 13 и 14 относительно друг друга с помощью точечной сварки в области 16, равноудаленной от концов 17 и 18 половин 13 и 14 обода (см. фиг.8).

После проделанных операций производят полировку (а при необходимости и покрытие) рабочих поверхностей отражателя с выполнением технологических отверстий и выборок для дальнейшего монтажа гелиоустановки (в графических материалах условно не показано).

Оснастка для формирования отражателя выполнена в виде цилиндрической оправки (см. фиг.фиг.9 и 10) с параболической проточкой 19 на боковой поверхности. Для обеспечения съема сформированного отражателя оправка выполнена разъемной с плоскостью разъема 20, ортогональной ее оси и проходящей через основание проточки 19. Плоскость разъема 20 разделяет оправку на две части 21 и 22.

В первой части 21 оправки предусмотрен цилиндрический осевой хвостовик 23, а во второй части 22 выполнено осевое отверстие 24 с диаметром, равным диаметру хвостовика 23 (для обеспечения беззазорного сочленения частей оправки).

При сочленении частей 21 и 22 оправки осуществляют их поджатие друг к другу с помощью резьбового элемента 25 (например, болта, вкручиваемого в осевое отверстие 26 хвостовика 23). Для исключения проворота частей 21 и 22 относительно друг друга на хвостовике 23 предусмотрена шпонка 27, размещенная в шпоночном пазу 28 второй части 22 оправки.

Для надежности фиксации заготовки 29 в виде отрезка тонкостенной трубы при обкатке, на цилиндрической поверхности оправки в областях ее сопряжения с проточкой 19 выполнены кольцевые обнижения 30 и 31 для размещения торцевых участков заготовки 29.

Формирование отражателя осуществляется следующим образом.

Заготовка 29 зажимается между частями 21 и 22 оправки с размещением ее торцевых участков в кольцевых обнижениях 30 и 31. Затем оправке с заготовкой 29 придают вращение ω (например, с помощью лобового (до диаметра 3 м) или карусельного станка) и с помощью ролика 32, путем его радиального перемещения, пластически деформируют заготовку до заданной формы (см. фиг. 9 и 10). После чего часть 22 оправки снимается для извлечения готового изделия.

Из вышеприведенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущество по сравнению с известными, а именно увеличение среднесуточной эффективности преобразования солнечной энергии за счет увеличения продолжительности инсоляции отражателя в течение светового дня.

По материалам заявки на предприятии в настоящее время изготовлены макетные образцы гелиоустановки для преобразования солнечной энергии, которые при испытаниях подтвердили достижение вышеуказанного технического результата.

Предлагаемое техническое решение относится к солнечной энергетике и может найти применение в малогабаритных гелиоустановках индивидуального пользования для нагрева воды или другого теплоносителя. Гелиоустановка для преобразования солнечной энергии по первому варианту содержит вогнутый, выполненный в виде обода отражатель с параболическим поперечным сечением, трубопровод в форме полукольца для прохода теплоносителя, расположенный в области фокальной линии отражателя, и снабжена поворотной осью. Ось диаметрально пропущена через основание боковой поверхности обода, а на трубопроводе, для охвата концов поворотной оси, предусмотрены участки с образованием петель. Во втором варианте исполнения гелиоустановка снабжена двумя полуосями, отражатель выполнен в виде коаксиально расположенных двух вогнутых полуколец, скрепленных своими боковыми поверхностями, а трубопровод - в форме удлиненной полупетли с боковыми сторонами дугообразной формы, поштучно расположенными напротив вогнутых полуколец, при этом полуоси диаметрально закреплены на внутренних поверхностях концов полуколец. Отражатель для гелиоустановки изготавливают из заготовки в виде отрезка тонкостенной трубы, формируют вогнутый обод параболического сечения, разделяют полученный обод диаметральной боковой прорезью на две части с образованием двух зеркально-симметричных половин и перемычки со стороны основания прорези, пластически деформируют перемычку со стороны основания прорези до момента прилегания боковых поверхностей половин обода и осуществляют их крепление относительно друг друга. Оснастка для формирования отражателя выполнена в виде разъемной цилиндрической оправки с параболической проточкой на боковой поверхности. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразованной солнечной энергии. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Гелиоустановка для преобразования солнечной энергии, содержащая вогнутый отражатель с параболическим поперечным сечением и трубопровод для прохода теплоносителя, расположенный в области фокальной линии отражателя, отличающаяся тем, что она снабжена поворотной осью, отражатель выполнен в виде обода, а трубопровод - в форме полукольца, при этом поворотная ось диаметрально пропущена через основание боковой поверхности обода, а на трубопроводе предусмотрены участки с образованием петель для охвата концов поворотной оси.2. Гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что трубопровод со стороны приема солнечной энергии отражателем выполнен спиралеобразным.3. Гелиоустановка для преобразования солнечной энергии, содержащая отражатель с параболическим поперечным сечением и трубопровод для прохода теплоносителя, расположенный в области фокальной линии отражателя, отличающаяся тем, что она снабжена двумя полуосями, отражатель выполнен в виде коаксиально расположенных двух вогнутых полуколец, скрепленных своими боковыми поверхностями, а трубопровод - в форме удлиненной полупетли с боковыми сторонами дугообразной формы, поштучно расположенными напротив вогнутых полуколец, при этом полуоси диаметрально закреплены на внутренних поверхностях концов полуколец.4. Способ изготовления отражателя для гелиоустановки, выполненной по п.3, отличающийся тем, что из заготовки в виде отрезка тонкостенной трубы формируют вогнутый обод параболического сечения, разделяют полученный обод диаметральной боковой прорезью на две части с образованием двух зеркально-симметричных половин и перемычки со стороны основания прорези, пластически деформируют перемычку со стороны основания прорези до момента прилегания близлежащих боковых поверхностей зеркально-симметричных половин обода и осуществляют крепление прилегающих поверхностей зеркально-симметричных половин обода относительно друг друга.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что крепление прилегающих поверхностей зеркально-симметричных половин обода относительно друг друга осуществляют путем их точечной сварки в области, равноудаленной от концов зеркально-симметричных половин обода.6. Оснастка для формирования отражателя, изготавливаемого по п.4, отличающаяся тем, что она выполнена в виде цилиндрической оправки с параболической проточкой на боковой поверхности, причем оправка изготовлена разъемной с плоскостью разъема, ортогональной ее оси и проходящей через основание параболической проточки.7. Оснастка по п.6, отличающаяся тем, что на цилиндрической поверхности оправки в областях ее сопряжения с параболической проточкой предусмотрены кольцевые обнижения для размещения торцевых участков заготовки в виде отрезка тонкостенной трубы.8. Оснастка по п.6 или 7, отличающаяся тем, что первая из частей разъемной оправки выполнена с осевым торцевым цилиндрическим хвостовиком, а вторая с осевым отверстием по диаметру хвостовика, при этом вторая часть оправки установлена на хвостовик первой части и поджата к последней резьбовым элементом.9. Оснастка по п.8, отличающаяся тем, что первая и вторая части разъемной оправки зафиксированы от относительного проворота шпонкой.