КОЛЛЕКТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F24J2/12 

Область техники

Настоящее изобретение относится к коллекторам солнечной энергии или аналогичным устройствам и касается их перемещения для следования за солнцем, а также их охлаждения и защиты.

Уровень техники

Существует потребность в экономически эффективном сборе солнечной энергии в концентрированном виде до ее непосредственного использования или преобразования в электричество или другие пригодные к использованию виды энергии. На поверхности земли интенсивность солнечной энергии невелика и составляет приблизительно 1000 ватт на квадратный метр.

Поэтому весьма желательно перед использованием сконцентрировать энергию с достижением более высокой ее интенсивности (которая обычно выражается в ваттах на квадратный метр, или Вт/м²), особенно тогда, когда солнечные элементы служат для преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотогальванические элементы, которые используются для преобразования солнечной энергии в электрическую, сравнительно дорогие. Концентрация падающей солнечной энергии на меньшей площади позволяет уменьшить площадь под элементы для преобразования энергии и снизить их стоимость. Ключевым требованием к концентрирующему коллектору является как можно более высокая концентрация энергии системой, имеющей очень малую стоимость на единицу площади и способной осуществлять слежение за солнцем путем поворота вокруг одной или двух осей.

Ранее использовались различные типы концентраторов. Известны рефракторные концентраторы (линзы) и рефлекторы (зеркала) с криволинейной поверхностью, которые получили большее распространение. Обычно концентраторы устанавливают на конструкциях, которые делают возможным перемещение с точным слежением за дневным перемещением солнца по небу. С точки зрения экономичности система, используемая для слежения за солнцем, должна быть как можно проще и надежнее. В современных способах слежения используются либо двигатели и механические передачи, либо скользящие гидравлические приводы, причем и те и другие значительно повышают стоимость системы в целом. Необходимость слежения усложняет конструкцию концентратора и увеличивает его вес по сравнению со статическими, неконцентрирующими коллекторами солнечной энергии, поскольку для обеспечивающего слежение перемещения обычно нужно, чтобы вся опора была снабжена шарнирами, испытывающими при сильном ветре значительные нагрузки.

Любые конструкции, используемые для концентрации энергии, должны быть хорошо защищены от сильного ветра, града и других неблагоприятных погодных условий. Кроме того, часто бывает желательно обеспечить охлаждение устройств, преобразующих сконцентрированную солнечную энергию в электричество.

Кремниевые фотогальванические элементы, выбор которых с точки зрения экономичности в настоящее время наиболее широк, при повышении температуры работают хуже. Если не предусмотреть механизма для охлаждения элементов, то они будут работать при более высокой температуре и эффективность преобразования энергии снижается.

В большинстве разработанных к настоящему времени концентраторов для того, чтобы не допустить вызванных ветром перемещений и повреждений, используются очень прочные механические конструкции. Кроме того, в них обычно используются тяжелые и прочные материалы, например стекло с металлической подложкой для отражающего элемента, с целью защиты устройства от повреждения ветром, льдом и градом. В настоящее время такие конструкции являются либо очень дорогими, либо слишком хрупкими для непрерывной работы на открытом воздухе.

В одном из известных способов защиты отражающей поверхности концентратора в качестве концентрирующего рефлектора используют надувную алюминированную гибкую пластмассовую мембрану. Форма мембраны сохраняется постоянной за счет разности давления воздуха с обеих ее сторон. При неблагоприятной погоде из такого рефлектора может выйти воздух. Они относительно дешевы, но все же могут выйти из строя под действием сильного ветра и ультрафиолетового излучения. Кроме того, требуются прочные конструкции для удерживания подвижных элементов от перемещения под действием сильного ветра.

В другом известном способе защиты концентраторов используется прозрачный купол или строение, закрывающее и защищающее весь солнечный концентратор. Этот способ позволяет несколько упростить конструкцию подвижного концентратора, но дает лишь небольшой выигрыш в стоимости или вообще не дает выигрыша из-за дополнительной стоимости защитного строения.

В WO 93/09390 и US 6220241 В1 для защиты рефлекторного концентратора его временно погружают в воду. Устройство состоит из рефлекторного концентратора, плавающего в воде, и находящегося в воздухе коллектора тепла, расположенного в фокусе. Во избежание повреждения зеркал концентратора при плохой погоде его можно на некоторое время погрузить в воду с помощью насосов. Это достигается путем наполнения водой его резервуаров плавучести, что изменяет плавучесть устройства. В погруженном положении устройство уже не может действовать как концентратор или коллектор энергии. Концентратор все же может выйти из строя при плохой погоде, если в критический момент произойдет отказ механизма или на него не будет поступать энергия (устройство не является пассивно надежным). Эта система обеспечивает слежение в азимутальном направлении (поворот только вокруг вертикальной оси), перемещаясь в воде. Слежение путем поворота вокруг горизонтальной оси достигается с помощью двигателей, механических передач и рычагов.

Фактически для всех известных концентрирующих коллекторов требуется механизм для перемещения в специальное защищенное положение с целью защиты от плохой погоды и поэтому они особенно подвержены выходу из строя при отказе механических или электрических элементов.

В SU 1430-927-А описана общая концепция устройства в виде плавающего в воде гибкого прозрачного мешка, образующего линзу, но отсутствуют сведения о материале, заполняющем этот мешок, об устройстве для сбора и преобразования энергии и способе слежения.

Цели изобретения

Целью изобретения является создание защиты солнечных концентраторов и коллекторов от сильного ветра и ультрафиолетового излучения.

Дополнительными целями изобретения являются создание простого средства, позволяющего солнечным коллекторам осуществлять слежение за солнцем, обеспечение охлаждения солнечных коллекторов и создание более легких конструкций, чем было возможно ранее. Эти цели достигаются в изобретении, по меньшей мере частично, путем использования защитных, охлаждающих и обеспечивающих плавучесть свойств некоторой массы жидкости, например воды в лагуне, водоеме, резервуаре, озере, запруде.

Сущность изобретения

Согласно изобретению предложен коллектор для сбора солнечного излучения, содержащий:

следящий механизм для удерживания коллектора направленным на солнце,

по меньшей мере одно устройство для преобразования энергии, служащее для преобразования электромагнитной энергии в электрическую или химическую энергию,

по меньшей мере одно концентрирующее устройство для приема электромагнитной энергии и ее концентрации на устройстве для преобразования энергии,

причем устройство для преобразования энергии во время его работы по существу погружено в жидкость, концентрирующее устройство погружено в жидкость, по меньшей мере, частично в течение части дневного рабочего цикла сбора солнечной энергии, и оба устройства находятся в одной и той же массе жидкости.

Жидкость предпочтительно представляет собой воду. В качестве жидкости может использоваться и другая жидкость, например углеводород.

В одном предпочтительном варианте выполнения коллектора устройство для преобразования энергии содержит фотогальванический элемент, заключенный в герметичную оболочку.

В альтернативном предпочтительном варианте устройство для преобразования энергии содержит элемент, преобразующий падающую электромагнитную энергию в хранимую химическую энергию с помощью фотохимического реактора с использованием диоксида титана или другого фотокатализатора, который может разлагать воду на водород и кислород или ускорять другие полезные химические процессы.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения концентрирующее устройство содержит зеркало. В альтернативном предпочтительном варианте концентрирующее устройство содержит линзу.

Предпочтительно, чтобы концентрирующее устройство было изготовлено, по меньшей мере, частично из пластмассы.

Предпочтительно, чтобы коллектор был снабжен с противоположных сторон, по меньшей мере, двумя соединенными между собой и проходящими вертикально боковыми резервуарами плавучести. Общая плавучесть является постоянной и достаточной для удерживания всего блока по существу ниже поверхности воды, но при этом она положительна, так что блок плавает под самой поверхностью. Предпочтительно, чтобы относительная плавучесть этих двух резервуаров регулировалась путем взаимного замещения жидкости и воздуха так, чтобы вызвать поворот коллектора вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной линии между двумя резервуарами; этим достигается простой способ слежения за направлением поступающего солнечного излучения. Эти два соединенные между собой резервуара плавучести могут быть выполнены в виде криволинейной трубы, закупоренные концы которой расположены ниже поверхности воды и искривленная часть которой выступает над поверхностью. В этом случае общая плавучесть устройства не изменяется. Общая плавучесть сохраняется постоянной, поскольку резервуары закрыты от наружного воздуха и воды, но относительную плавучесть этой пары резервуаров можно регулировать. В этом варианте концентратор подвешен под водой на поплавках, находящихся на поверхности, поэтому нет необходимости в массивной опорной конструкции на дне водоема, а также в точной регулировке уровня воды и в каких-либо подшипниках или шарнирах.

Предпочтительно, чтобы коллектор содержал средство предотвращения образования волн на поверхности раздела между массой жидкости и воздухом. Особенно предпочтительно, чтобы средство предотвращения образования волн было по существу прозрачным для солнечного излучения.

Предпочтительно, чтобы жидкость содержала компонент или добавку для подавления роста водорослей и бактериальной слизи.

Изобретение решает поставленные задачи, по меньшей мере частично, путем использования свойств массы жидкости обеспечивать защиту и создавать плавучесть. Жидкость может представлять собой воду, например в море, водоеме, резервуаре, запруде, озере, или другую жидкость.

Изобретение имеет две основные версии. Согласно первой из них концентратор и преобразователь энергии постоянно погружены в жидкость, как показано на фиг.1, 3 и 4, а согласно второй версии, представленной на фиг.5 и 6, преобразователь энергии во время работы по существу погружен в жидкость, а концентратор погружен лишь частично в течение части рабочего дня и может погружаться полностью путем поворота коллектора следящей системой.

Преимущества первой версии состоят в том, что при постоянном нахождении в жидкости концентратор всегда пассивно защищен от погодных условий; в том, что для обеспечения слежения можно использовать простой поперечный баланс плавучести; в том, что погруженные в жидкость фотогальванические элементы охлаждаются естественным образом.

Преимущества второй версии состоят в том, что при необходимости можно обеспечить защиту концентратора путем его погружения, поворачивая следящую систему; в том, что полное или частичное погружение позволяет использовать простой поперечный баланс плавучести для обеспечения слежения короткофокусной системой (которая является самой легкой и наиболее стабильной системой); в том, что при погружении в массу воды фотогальванические элементы охлаждаются естественным образом. Кроме того, во второй версии оптический путь проходит через очень малый слой воды или совсем не проходит в воде, что обеспечивает получение большей энергии на единичную площадь.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана в перспективе часть устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.2 - график, иллюстрирующий эффективность использования света в одном из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.3 - вертикальный разрез части устройства согласно другому варианту осуществления изобретения, аналогичного изображенному на фиг.1;

на фиг.4 показан в перспективе еще один вариант осуществления изобретения, в котором используется концентратор с точечным фокусом;

на фиг.5 и 6 показан вертикальный разрез других вариантов осуществления изобретения, в которых ежедневно во время части рабочего цикла концентратор находится по существу над поверхностью воды, но преобразователь энергии при работе всегда по существу погружен в воду.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Согласно фиг.1 в водоем или другую массу прозрачной жидкости 2, предпочтительно воды, погружено множество устройств, одно из которых в целом обозначено позицией 1.

Полное погружение устройства 1 в жидкость служит одновременно для его защиты и охлаждения, допуская при этом легкий поворот вокруг любой оси, проходящей через центр тяжести коллектора. Устройству придана небольшая положительная плавучесть, чтобы оно находилось по существу ниже поверхности жидкости, но касалось поверхности.

Солнечное коллекторное устройство содержит рефлектор, обозначенный в целом позицией 3 (на чертеже заштрихован). В предпочтительном варианте выполнения рефлектор 3 имеет отражающую поверхность, по существу параболическую в сечении коллектора, которая проходит в продольном направлении и представляет собой корытообразную отражающую поверхность.

Каждое рефлекторное устройство 3 выполнено на основе тонкой жесткой пластмассы (предпочтительно акрила или поликарбоната), на которую нанесен металлический отражающий слой. Отражающий слой изолирован от жидкости прозрачным пластмассовым покровным слоем, например из полипропилена, акрила, Милара или другого подходящего материала. Предпочтительные материалы для рефлектора включают алюминий, серебро и родий. Параболическая форма сохраняется за счет прикрепления множества одномерных параболических шаблонов 4 и прямых соединительных продольных балок 5, расположенных перпендикулярно к задней части отражающей поверхности.

В одной конструкции устройства, показанного на фиг.1, длинная ось каждого корытообразного рефлектора 3 расположена в направлении Север-Юг, если в системе используется слежение с Востока на Запад (слежение путем поворота вокруг горизонтальной оси). Расположенный по прямой линии массив фотогальванических элементов 6 находится в фокусе рефлекторного устройства 3 и, соответственно, тоже проходит в направлении Север-Юг. Ориентация Север-Юг лучше всего подходит для тропических регионов, где солнце круглый год стоит под большими углами. Альтернативная конструкция, которая лучше подходит для более высоких широт, предусматривает слежение корытообразными рефлекторами с Севера на Юг при ориентации их длинных осей в направлении Восток-Запад. Для слежения за солнцем путем поворота вокруг горизонтальной оси (по азимуту) рефлекторное устройство 3 снабжено герметичным резервуаром плавучести в виде криволинейной трубы 7, которая поднимается на высоту, превышающую высоту, на которой находятся фотогальванические элементы 6. Резервуар плавучести может быть размещен на одном конце устройства, чтобы не создавать тени, а на другом конце устройства расположен другой резервуар плавучести для создания уравновешенной опоры. Общую плавучесть устройства можно регулировать, добавляя соответствующее количество воды или другой жидкости, например этиленгликоля, в каждый из резервуаров, чтобы обеспечить небольшую положительную плавучесть устройства в целом, достаточную для того, чтобы верхний край криволинейной трубы плавучести находился над водой, а фотогальванические элементы 6 были лишь чуть ниже поверхности воды 2. Остальная часть каждого резервуара плавучести и соединительной трубы наполнена воздухом. При этих условиях устройство может поворачиваться в воде вокруг своего центра тяжести путем изменении относительной поперечной плавучести, но без изменения общей плавучести. Этот поворот достигается перекачкой небольшого количества жидкости из правого резервуара в левый и наоборот с помощью очень малых герметичных электрических насосов, установленных внутри каждого резервуара плавучести в местах 8 и 9. Нагнетательная сторона каждого насоса соединена небольшой трубой (не показана) с противоположным концом криволинейной трубы 7, что позволяет при необходимости перемещать воду к противоположному концу. Альтернативно можно использовать один реверсивный объемный насос, как показано на фиг.3. Насосы переключаются простой схемой автоматического слежения за солнцем, которой управляет пара фоточувствительных элементов, установленных на каждой стороне защищенной от света лопасти на проходящей в направлении Север-Юг фокальной оси системы, выравнивая тем самым все устройство относительно солнечных лучей. Такие электронные сервомеханизмы известны и на чертежах не показаны. Это поворотное перемещение рефлекторного устройства 3 вокруг его центра тяжести позволяет осуществить слежение за солнцем в направлении с Востока на Запад в течение дня. Поскольку требуемая скорость перемещения невелика (менее 15° в час) и устройство не подвергается действию ветра, на устройство, изображенное на фиг.1, не действуют какие-либо значительные силы за исключением сил, вызванных небольшим волнением воды. Скорость движения солнца составляет 15° в час, но увеличение показателя преломления при входе света в воду несколько уменьшает фактическую угловую скорость движения, которая требуется для полностью погруженного коллектора. При необходимости слежение можно осуществлять вокруг двух осей при помощи второй пары резервуаров плавучести, расположенных под прямым углом к первой паре. В этом варианте осуществления изобретения концентратор подвешен под водой на находящейся на поверхности заполненной воздухом части следящих труб 7 плавучести, так что нет необходимости в прочной опорной конструкции, установленной на дне водоема, и в точной регулировке глубины воды.

Более дорогой альтернативный вариант (не показан), имеющий наилучшие рабочие характеристики на любой широте, представляет собой систему, которая позволяет производить двухосевое слежение путем поворота вокруг вертикальной оси в сочетании с азимутальным наклоном (слежением путем поворота вокруг горизонтальной оси). Поворот вокруг вертикальной оси может достигаться с помощью работающих от двигателя гребных винтов, расположенных по касательной к окружности в плоскости поворота, или с помощью работающего от двигателя лопастного колеса с вертикальной осью поворота, которая создает горизонтальную тягу в направлении по касательной. В таких двухосевых следящих системах могут использоваться двухмерные (тарельчатые) концентраторы.

Когда система концентратора полностью погружена в воду, больше нет необходимости использовать прочные или тяжелые материалы для рефлектора, поскольку перемещение и давление, обусловленные ветром и погодными условиями, быстро уменьшаются с увеличением глубины. Это позволяет использовать почти для всех элементов коллектора относительно легкие материалы, например пластмассу. Кроме того, прогиб конструкции, возникающий под действием силы тяжести, значительно уменьшается, так как плотность используемой в ней типичной пластмассы примерно лишь на 20% больше плотности окружающей воды. При погружении в воду элементы оказываются защищены от большинства видов повреждений, обусловленных влиянием окружающей среды, включая защиту от сильного ветра, града, поднятой ветром пыли и коротковолнового ультрафиолетового света. Ультрафиолетовый свет разрушает многие виды пластмассы. Однако при прохождении в воде солнечного света его составляющие с длиной волны ниже примерно 250 нм подавляются, если длина пути в воде превышает примерно 50 см. Это делает возможным продолжительное использование более дешевых видов пластмасс, которые не годятся для работы на солнечном свете.

Расположенный по прямой линии массив устройств 6 для поглощения энергии, предпочтительно фотогальванических элементов, установлен в фокусе рефлекторного устройства 3 с возможностью двигаться синхронно с рефлекторным устройством 3. Предпочтительно, чтобы массив устройств 6 для поглощения энергии был установлен в фокусе с помощью опорного устройства 11 (например, из прозрачной пластмассы), которое установлено непосредственно на рефлекторном устройстве 3. Когда в качестве устройств для поглощения энергии используются фотогальванические элементы, они заключены в тонкую герметичную оболочку (предпочтительно из прозрачной пластмассы, например Тедлара, или из стекла) для предотвращения повреждения полупроводника водой. Материал оболочки должен иметь хорошую теплопроводность, чтобы элементы могли охлаждаться окружающей водой. Пространство между материалом оболочки и фотогальваническими элементами должно быть заполнено прозрачной некорродирующей жидкостью, например силиконовым маслом, или прозрачным гибким твердотельным материалом, например силиконовым каучуком. Окружающая вода осуществляет конвективное жидкостное охлаждение устройства для преобразования энергии, установленного в фокусе концентратора. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления изобретения (которые показаны на фиг.6) фотогальванические элементы или аналогичные устройства установлены на теплопроводной подложке. Предпочтительные материалы для этой монтажной подложки включают медь, алюминий и корундовую керамику. Если окружающая жидкость является корродирующей в отношении подложки, то особенно предпочтительно, чтобы подложка также была заключена в тонкий слой из подходящей пластмассы (например, Тедлара), образующий герметичную оболочку. Части монтажной подложки, удаленные от фотогальванических элементов, находятся в контакте с жидкостью, что улучшает охлаждение элементов. При необходимости могут быть предусмотрены дополнительные средства улучшения теплопередачи от подложки к жидкости. Предпочтительные средства улучшения теплопередачи включают теплоотводящие ребра, прикрепленные к подложке или составляющие с ней одно целое, и каналы в подложке, сообщающиеся с окружающей жидкостью.

Если солнечная энергия должна поглощаться с целью получения тепла или для проведения химической реакции, а не для преобразования в электричество с помощью фотогальванических элементов, предпочтительно, чтобы в фокусе рефлектора находилась прозрачная цилиндрическая вакуумная камера, окружающая преобразователь 6 энергии и предотвращающая охлаждение поглотителя водой.

Необходимая глубина жидкости 2 на фиг.1 зависит от выбранной ширины фокальной поглощающей полосы (из фотогальванических элементов), которая обычно равна 10-50 мм. Типичный коэффициент концентрации рефлектора составляет 20-50, при этом требуется ширина "корыта" примерно 1-5 м для полосы 50 мм, или 200-500 мм для фокальной полосы шириной 10 мм.

Для концентратора параболического рефлектора с плоским поглотителем обычно требуется фокусное расстояние, примерно равное половине апертуры или немного больше; так что фокусное расстояние лежит в пределах 150 мм - 2,5 м. Минимальная глубина воды должна составлять от 200 мм до 3 м, обычно 1 м. Таким образом для глубины около 1 м обычно используется рефлектор шириной 1 м с шириной фокальной полосы 20 мм.

Под водой солнечный свет с большими длинами волн сильно ослабляется. Эксперименты показали, что на оптическом пути длиной один метр в чистой воде выходной сигнал современных кремниевых фотогальванических элементов уменьшается приблизительно до 45%-50% сигнала при их полном освещении. Для компенсации этого ослабления нужно использовать рефлекторы большей площади, однако это лишь ненамного повышает общую стоимость установки, так как рефлектор может быть сделан из легких, дешевых материалов. Если фотогальванические элементы выполнены так, что их спектральная чувствительность будет оптимальной при использовании под водой, эти потери можно уменьшить. Подходящими фотогальваническими элементами являются элементы из фосфидов галлия и индия, которые очень эффективны в видимом диапазоне света с длиной волны от 400 до 700 нм. Кроме того, потери будут меньше при более коротком оптическом пути в воде, т.е. если устройство расположить как можно ближе к поверхности воды.

Стоимость водоема, необходимого для погружения коллекторных устройств 1, не является критичным фактором, поскольку такой водоем аналогичен по структуре дешевой запруде или даже может представлять собой естественный водоем, соленое озеро, морскую бухту или лагуну, сообщающуюся с морем. Большие массивы коллекторных устройств можно использовать в одном водоеме с площадью несколько тысяч квадратных метров.

Предпочтительно, чтобы водоем имел размещенные на одинаковом расстоянии закрепленные и/или плавающие барьеры 10 (которые выполнены предпочтительно прозрачными, если находятся на пути света, идущего к концентраторам). Для уменьшения потерь до минимума предпочтительно, чтобы показатель преломления барьеров был близок к показателю преломления воды. Эти барьеры расположены на поверхности или вблизи поверхности и служат для уменьшения возникающих от ветра волн, которые могут мешать прохождению солнечного света по прямой линии. По меньшей мере один такой барьер 10 расположен между соседними параллельными рядами концентрирующих устройств 1 с типичным расстоянием 1,5 м. Также предпочтительно иметь поперечные ряды барьеров (на чертежах не показаны), расположенные на равных интервалах под прямым углом к рядам концентраторов 1. Предпочтительно, чтобы расстояние между этими поперечными рядами было равно примерно 3-6 м.

Альтернативно или дополнительно на поверхности нижней жидкости может находиться тонкий слой прозрачного минерального масла или другой подходящей прозрачной жидкости с высокой вязкостью, чтобы уменьшить образование волн на поверхности.

Альтернативно или дополнительно на поверхности может плавать тонкая прозрачная мембрана или мелкоячеистая структура, чтобы уменьшить образование волн на поверхности.

Для предотвращения образования водорослей и других органических загрязнений на критичных поверхностях вода в водоеме предпочтительно содержит подходящий компонент или добавку, подавляющую рост водорослей. Этот компонент или добавка предпочтительно представляют собой обычный хлористый натрий (в концентрации как в Мертвом море) или другую соль или другую прозрачную химическую добавку, которая убивает водоросли сама или в сочетании с другими компонентами. Некоторые такие добавки, в том числе хлористый натрий, дополнительно могут противодействовать замерзанию воды. Другие предпочтительные средства для подавления роста водорослей включают альгициды на основе меди, хлорирование и обработку воды озоном или ультрафиолетовым излучением. Альтернативно или дополнительно можно использовать подвижные механические очистители, которые удаляют водоросли и бактерии с помощью высокоскоростных струй воды или с помощью ультразвуковой энергии; можно также использовать подходящих водных улиток, рыб или другие организмы, поедающие загрязняющие вещества.

Альтернативное подавление водорослей и бактерий можно обеспечить путем периодического повышения температуры воды в водоеме до значений, при которых эти организмы погибают. Этого можно добиться за счет одного поступающего солнечного света, если используется плавающая на поверхности прозрачная мембрана, которая закрывает почти весь водоем.

На фиг.2 показана относительная мощность, получаемая от кремниевого фотогальванического элемента после отражения на верхней поверхности воды и прохождения солнечного света в воде на глубину 2 м к элементу. Всего на кремниевый фотогальванический элемент попадает около 50% энергии солнечного света, падающего на верхнюю поверхность воды.

Путем увеличения размера рефлекторного устройства 3 концентратора можно легко компенсировать потерю эффективности из-за прохождения света под водой. Так как стоимость рефлектора на единицу площади (если он сделан из легкой пластмассы) очень мала по сравнению со стоимостью фотогальванических элементов, она не вносит существенного вклада в общую стоимость устройства. Потери, вызванные прохождением света сквозь воду, не изменяют площадь фотогальванических элементов, необходимую для получения заданной выходной мощности, но площадь рефлектора должна быть увеличена в сравнении с площадью, которую должен иметь обычный концентрирующий коллектор, работающий на воздухе.

Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, представленному на фиг.3, устройство, аналогичное изображенному на фиг.1, показано в вертикальной проекции или на виде с торца по существу погруженным в массу воды 2. Позиции на фиг.3 и на последующих чертежах относятся к тем же элементам, которые обозначены этими позициями на фиг.1. Согласно фиг.3 фотогальванические элементы 6 находятся близко к центру 17 поворота, а резервуары 15 и 16 используются для предотвращения подъема рефлектора 3 над поверхностью воды при поворотах в крайние положения. Используется один насос 8.

В этом варианте осуществления имеется герметичная полая следящая труба 7 плавучести, наполненная примерно наполовину жидкостью 18, и реверсивный двунаправленный объемный насос 8, предназначенный для поворота устройства как единого блока вокруг центра 17 поворота замкнутой следящей трубы 7. Предпочтительной жидкостью в трубе 7 является этиленгликоль или вода, а оставшееся пространство в трубе заполнено воздухом. Поворот производится благодаря перемещению жидкости в трубе 7 насосом 8 слева направо или наоборот для изменения поперечного равновесия системы путем смещения жидкости в зонах 12 и 13 плавучести. Насос 8 работает от электродвигателя, скорость и направление вращения которого управляются электронным сервомеханизмом, работающим по сигналам левого и правого оптических датчиков, выровненных относительно вертикальной оси системы. Такие сервомеханизмы хорошо известны и на чертеже не показаны.

Резервуары 15 и 16 представляют собой тонкостенные герметичные трубы, расположенные по всей длине краев рефлектора и наполненные водой так, чтобы при погружении иметь почти нулевую плавучесть. При максимальном наклоне влево (против часовой стрелки) резервуар 16 поднимается до поверхности. Как только резервуар 16 покажется над поверхностью, находящаяся в нем масса воды будет препятствовать выходу соответствующего края рефлектора из воды. Вместо этого по мере дальнейшего поворота системы против часовой стрелки остальная часть устройства будет погружаться в воду глубже, обеспечивая слежение за солнцем при крайних значениях углов с сохранением энергии, собранной со всей поверхности рефлектора 3. Аналогичная ситуация имеет место при повороте по часовой стрелке, когда на поверхность поднимается резервуар 15. Этот вариант, в котором используются резервуары 15 и 16, позволяет держать рефлектор в среднем ближе к поверхности воды, чем в других вариантах, что снижает потери, вызванные прохождением света через водную среду.

Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, показанному в перспективе на фиг.4, в устройстве используется концентратор с точечным фокусом или двухмерный параболический концентратор 3 с двумя почти круглыми замкнутыми следящими трубами 7 и 17 плавучести, установленными вертикально под прямым углом друг к другу для обеспечения полного слежения за солнцем в двух измерениях. Массив фотогальванических элементов 6 установлен вблизи фокуса по существу параболического рефлекторного концентратора 3. Элементы установлены так, что они перемещаются как единый блок. Устройство удерживается по существу под водой за счет добавления достаточного количества жидкости 17 в герметичные трубы 7 и 17, а оставшееся пространство в верхней части каждой трубы заполнено воздухом или инертным газом. Предпочтительной жидкостью 18 является этиленгликоль или вода. В самой нижней точке каждой из труб 7 и 17 имеется объемный насос 8 или 9, управляющий перемещением жидкости в нижней части каждой из труб 7 и 17. Трубы 7 и 17 не сообщаются друг с другом и каждая из них герметична. С помощью соответствующего насоса 8 или 9 можно регулировать относительную поперечную плавучесть каждой трубы для ее поворота относительно поверхности воды вокруг оси, перпендикулярной к плоскости этой трубы. Насосы управляются двумя фотоэлементами и сервомеханизмом для каждой оси, как описано при рассмотрении предыдущих вариантов осуществления изобретения. Так как следящая система должна все время направлять устройство на самую яркую точку в небе, нет необходимости ориентировать систему в направлении Север-Юг. Для удерживания устройства на месте и подвода электрических проводов желательно иметь гибкий якорный трос и якорь 22, установленный на дне водоема. Диаметр типичного круглого параболического рефлектора 3 в такой системе равен примерно 1 м.

Преимущество варианта осуществления изобретения согласно фиг.4 по сравнению с вариантом, показанным на фиг.1, заключается в том, что используется концентрация энергии в двух измерениях. Это снижает требования к точности фокусировки по каждой оси при данном уровне концентрации. Поэтому этот вариант менее чувствителен к волнам и ряби на воде и допускает меньшую точность изготовления рефлектора 3.

На фиг.5 и 6 показаны предпочтительные варианты осуществления второй принципиальной версии изобретения, где концентратор не погружен в воду постоянно, а погружается частично в процессе поворота при слежении и полностью при повороте на 180° относительно зенита.

Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, показанному в плане на фиг.5, устройство содержит преломляющую линзу 3 Френеля предпочтительно из прозрачной пластмассы, прикрепленную, как показано на чертеже, к замкнутой следящей трубе 7 плавучести (или двум таким трубам, расположенным под прямым углом друг к другу, в случае двухмерных следящих концентраторов, подобных изображенному на фиг.4) и фотогальванические преобразователи 6 энергии, аналогичные описанным в предыдущих вариантах осуществления изобретения. Элементы, аналогичные элементам на предыдущих чертежах, обозначены теми же цифровыми позициями. В этом варианте устройство погружено лишь частично, т.е. фотогальванические элементы 6 погружены всегда, а линза 3 Френеля находится над поверхностью 2 воды в течение примерно половины поворота следящей трубы 7. На фиг.5 показано устройство, ориентированное на точку, расположенную над горизонтом под углом примерно 30°. Как описано выше, в следящей трубе 7 находится объемный насос 8, который перемещает жидкость 18 в нижней части трубы 7 для установки зон 12 и 13 плавучести в положение, обеспечивающее поворот коллекторной системы для слежения за углом падения солнечных лучей (которые направлены по оси, показанной стрелкой). Для экстремальных погодных условий может быть предусмотрена дополнительная защита с помощью дополнительного объемного насоса 9, расположенного в подходящем месте внутри трубы 7, как показано на чертеже, что позволяет следящей системе почти полностью перевернуть коллектор с погружением концентратора в воду; при этом значительно уменьшаются площадь находящейся над водой части устройства и нагрузка от ветра. Насосы 8 и 9 разнесены приблизительно на 120°. Если элементы расположены так, как показано на фиг.5, коллектор может следить за солнцем в пределах угла по меньшей мере 120°, что соответствует восьмичасовому перемещению солнца. При необходимости может использоваться третий насос, отстоящий на 120° от насосов 8 и 9 и обеспечивающий возможность полного оборота. Элемент 19 представляет собой трубу с небольшой конусностью, внутренняя поверхность которой имеет очень большую отражательную способность (алюминирована) и которая направляет свет от линзы 3 к фотогапьваническим элементам 6, действуя как вторичный концентратор, дополнительно фокусирующий свет. Труба 19 также может за счет многократного отражения сглаживать вариации сфокусированного света, чтобы повысить эффективность работы фотогальванических элементов 6. Стенки трубы 19 вместе с прозрачным окном 20 и оболочкой фотогальванических элементов 6 образуют герметичную оболочку, которая предотвращает попадание на фотогальванические элементы грязи и воды. Стенки трубы 19 могут быть выполнены из теплопроводного металла, например меди, и улучшать теплоотвод от фотогальванических элементов 6 в окружающую воду, а к задней стороне фотогальванических элементов может быть прикреплен металлический элемент 25, рассеивающий тепло. Эта оболочка по желанию может быть наполнена прозрачной жидкостью, например гидрокарбонатным маслом, для лучшего охлаждения. Чтобы свести к минимуму скопление грязи, поверхность линзы 3 Френеля, снабженная канавками, должна быть обращена к фотогальваническим элементам или покрыта плоским листом из прозрачной пластмассы. Задняя поверхность оболочки фотогальванических элементов 6 находится в контакте с водой и обеспечивает охлаждение. Труба 19 прикреплена к следящей трубе 7 и линзе 3 распорками 21 так, что все устройство перемещается как единый блок. Устройство предпочтительно удерживается скользящим кольцом, охватывающим трубу 7, которая в свою очередь соединена с креплением или грузом на дне водоема канатом или эластичным тросом, который может также включать провода для передачи выходной энергии. Вблизи насоса 8 от трубы 7 могут отходить наружу в радиальном направлении одна или несколько лопастей для уменьшения колебаний системы под действием ветра или волн. Могут использоваться барьеры 10, уменьшающие волны на поверхности, как описано при рассмотрении фиг.1. Воду водоема или резервуара не обязательно очищать или фильтровать, так как она не находится в длительном контакте с оптическими поверхностями 3 и 20 и не попадает на оптический путь при работе устройства за исключением случаев очень сильного наклона. В этом варианте система меньше защищена от ветра, чем в варианте согласно фиг.1 и 3, но потери энергии намного меньше, так как свет не проходит в воде и поэтому мощность на единицу площади коллектора будет больше. Кроме того, эта система генерирует более равномерную энергию в течение каждого дня, чем система на фиг.1, поскольку отсутствует снижение или рассеяние энергии за счет преломления в воде и отражения от ее поверхности. Имеются некоторые потери полезной площади сбора энергии, когда края концентратора заходят в воду, но эти потери составляют лишь небольшой процент от всей энергии, полученной за день. При использовании двухмерного концентратора этот вариант осуществления изобретения менее чувствителен к волнам и ряби на воде и позволяет изготавливать линзы 3 с меньшей точностью, чем при использовании одномерной концентрирующей линзы.

Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.6, в устройстве используется рефлекторный вогнутый параболический концентратор 3 в сочетании с вторичным выпуклым рефлектором 23 меньшего размера, расположенным на оси в фокусе рефлектора 3. Вторичный рефлектор 23 имеет такое фокусное расстояние, что солнечные лучи отклоняются достаточно для их прохождения через окно 20 в центре рефлектора 3 и фокусировки вблизи фотогальванического преобразователя энергии 6. Фотогальванические элементы 6 установлены в таком положении, что они всегда по существу погружены в воду, когда система находится в угловом диапазоне приблизительно 60° относительно вертикали. Устройство погружено в воду лишь частично, и концентратор 3 остается над поверхностью воды при большинстве рабочих углов. Коническая труба 19 проходит от фотогальванических элементов 6 к окну 20, образуя герметичный кожух, предотвращающий загрязнение фотогальванических элементов водой. При желании кожух может быть наполнен некорродирующей прозрачной жидкостью для улучшения теплоотвода от элементов 6. Для лучшего теплоотвода в окружающую воду к задней стороне фотогальванических элементов 6 может быть прикреплен металлический элемент 25, рассеивающий тепло. Внутренние стенки трубы 19 предпочтительно обладают очень хорошим отражением и обеспечивают дополнительную концентрацию лучей. Что касается фиг.5, то система может представлять собой линейный одномерный концентратор или может представлять собой двухмерный концентратор и следящую систему, аналогичные показанным на фиг.4, с добавлением второй следящей трубы, расположенной под прямым углом к трубе 7. В случае одномерного концентратора труба 19 превращается в корыто, выходящее из плоскости чертежа. Устройство плавает в водоеме, содержащем гасители волн, как описано для варианта на фиг.5. Следящие трубы и насосы 8 и 9 работают так же, как в варианте на фиг.5, осуществляя слежение за солнцем и полностью переворачивая устройство для погружения большого рефлектора 3 в воду с целью его защиты при сильном ветре. В концентраторе 3 вблизи окна 20 имеется несколько небольших отверстий для выпуска воды. Для каждой оси предусмотрена лопасть 24 для уменьшения колебаний от ветра и волн. Лопасть 24 имеет форму веерообразной гармошки, установленной на скользящих шарнирах на конце и складывающейся на ветру, когда находится на воздухе (перевернутое положение). Все элементы жестко соединены между собой и поворачиваются как единый блок. Все большие элементы выполнены предпочтительно из тонкой пластмассы. Устройство прикреплено ко дну водоема так же, как на фиг.4. Преимущества этой системы над изображенной на фиг.5 состоят в том, что в концентраторе требуются только гладкие поверхности, которые легче очистить струей воды, и в том, что рефлектор при меньших затратах может быть сделан более прочным благодаря его параболической форме. В других отношениях система, изображенная на фиг.6, по рабочим характеристикам аналогична системе согласно фиг.5. Воду в водоеме или резервуаре не обязательно очищать или фильтровать, так как она не находится длительное время в контакте с оптическими поверхностями рефлекторов 3 и 23 и не попадает на оптический путь при работе устройства за исключением небольших периодов времени, когда имеет место сильный наклон, и поэтому наличие в воде грязи не приводит к серьезным последствиям. В обоих вариантах, показанных на фиг.5 и 6, требуется, чтобы масса устройства была уравновешена примерно относительно центра 17 поворота. Для обеспечения простого уравновешивания и малой парусности необходимо, чтобы линза на фиг.5 и рефлектор на фиг.6 находились как можно ближе к поверхности воды. Благодаря этому условию края концентрирующих устройств 3 на фиг.5 и 6 будут частично погружены в воду в концах дневного цикла слежения, когда устройство ориентировано почти на горизонт. Для уменьшения колебаний этих систем над поверхностью воды могут быть установлены ветроломы.

Двунаправленные объемные насосы 8 и 9, показанные на фиг.3, 4, 5 и 6, включают привод в виде электродвигателя и механическую передачу, или лопасть, или перистальтический насос, или же они могут быть выполнены в виде импульсных насосов с соленоидами для сжатия гибких камер. Такие насосы хорошо известны и здесь не описаны. Эти насосы должны иметь очень малые размеры, мощность и производительность; они обычно перемещают один кубический сантиметр в секунду. В альтернативных предпочтительных вариантах осуществления изобретения, которые на чертежах не показаны, в устройстве используются простые механические приводы с электродвигателями, тросами, механическими передачами и блоками для обеспечивающего слежение перемещения коллектора, наполовину погруженного в воду и прикрепленного к плавающему плоту.

Согласно альтернативным предпочтительным вариантам осуществления изобретения, которые на чертежах не показаны, в устройстве используются подводные концентраторы в виде преломляющих линз, по желанию, в виде линз Френеля или в виде сегментов. В них предпочтительно используются прозрачные пластмассы, которые расположены вблизи поверхности воды для образования под водой одной или нескольких наполненных воздухом пустот для фокусировки света и устройство для преобразования энергии, такое как полоса из фотогальванических элементов, расположенная ниже линзы в фокусе. Преимущество этих вариантов в том, что металлического отражающего слоя не требуется, что увеличивает потенциальный срок службы устройства. В таких вариантах осуществления изобретения концентратор может быть подвешен под водой путем крепления к плавающей следящей системе плавучести, как описано при рассмотрении фиг.3, и поэтому нет необходимости в прочной опорной конструкции, установленной на дне водоема, и не требуется точная регулировка глубины погружения в воду.

В других предпочтительных вариантах осуществления изобретения, не показанных на чертежах, используются голографические концентраторы.

В любом из описанных предпочтительных вариантах осуществления изобретения преобразователь 6 энергии на фотогальванических элементах может быть заменен камерой для химических реакций, содержащей по желанию катализатор, или термозлектическмм преобразователем энергии.

Изобретение позволяет использовать очень дешевые материалы для рефлекторных устройств 3, показанных на фиг.1, 3, 4, 5 и 6. Любые потери общей эффективности, вызванные прохождением света в воде или другой жидкости, компенсируются за счет большего размера рефлекторных устройств 3 по сравнению с рефлекторными устройствами в наземных коллекторах с такими же фотогальваническими элементами. Это увеличение размера рефлекторного устройства (или линзового устройства) обеспечивает более высокую плотность падающей световой энергии на фотогальванических элементах. Увеличение интенсивности падающей энергии на фотогальванических элементах обычно приводит к увеличению их нагрева, что нежелательно по ряду причин. Одна из них заключается в том, что эффективность преобразования энергии фотогальваническими элементами снижается при повышении их температуры. Однако при нахождении фотогальванических элементов в воде происходит их естественное конвекционное охлаждение и они могут работать при интенсивности света, превышающей в 50 и более раз интенсивность нормального солнечного света, и при этом их температура повышается ненамного. Кроме того, охлаждение за счет испарения, присущее любой массе воды на воздухе, позволяет фотогальваническим элементам работать при температуре, которая равна или ниже температуры окружающего воздуха в очень жаркие дни.

Размещение устройства под водой дает также некоторую защиту от ультрафиолетового света, так как вода не пропускает свет с длиной волны ниже 250 нм (если длина пути превышает примерно 500 мм). Эта защита от ультрафиолетового света делает возможным сравнительно длительное использование более дешевых пластмасс, которые не пригодны для работы на солнечном свете.

Таким образом, размещение устройства под водой или частично под водой обеспечивает достижение следующих пяти главных целей:

1. Размещение под водой ослабляет возмущающие воздействия ветра на фокусирующий коллектор. Эти воздействия включают деформацию конструкции силой ветра, снижающую степень возможной концентрации энергии. Ветер также мешает перемещению в процессе сложения.

2. Размещение под водой или частично под водой значительно упрощает требования к следящему механизму по поддержанию направленности концентратора и коллектора на падающее излучение, поскольку для достижения точного и стабильного поворотного перемещения нужно изменять только относительную угловую (или поперечную) плавучесть. Слежение вокруг любой горизонтальной оси может достигаться просто перемещением массы воды из частично наполненного, расположенного вертикально резервуара плавучести на одной стороне в аналогичный резервуар на противоположной стороне (изменение относительной плавучести в замкнутой системе). Слежение вокруг вертикальной оси, если это необходимо, может быть достигнуто с помощью небольших работающих от гребного винта двигателей, расположенных по касательной на краях концентратора.

3. Размещение преобразователя энергии под водой обеспечивает также эффективное конвекционное охлаждение коллектора, когда это необходимо, особенно когда коллектор представляет собой группу фотогальванических элементов или термоэлектрических преобразователей (у которых нужно охлаждать холодный спай на задней стороне). Эти коллекторы/преобразователи энергии работают при охлаждении более эффективно, особенно при охлаждении ниже дневной температуры окружающей среды, что, как правило, имеет место, когда элементы находятся в большой массе воды, открытой воздуху.

4. При размещении под водой опора конструктивных элементов создается за счет их плавучести, что уменьшает их отклонение под действием ветра, и поэтому можно использовать элементы, имеющие намного меньшую массу, прочность и стоимость по сравнению с таким же концентратором, работающим на воздухе.

5. Постоянное нахождение под водой во время работы значительно уменьшает обусловленный погодными условиями риск повреждения, включая повреждения от града и ветра без необходимости в активном управлении или расходе энергии. Такая система является пассивно надежной.

Можно ожидать, что использование легких материалов снизит затраты на транспортировку материалов к месту установки и стоимость связанных с установкой погрузочно-разгрузочных работ.

Изобретение может успешно использоваться в системе гидроаккумулирующей электростанции, состоящей из двух водоемов, расположенных на разной высоте, с электродвигателем-генератором, связанным с турбиной, установленной в трубе между двумя водоемами. При наличии солнечного света плавающие солнечные электрические генераторы могут давать энергию для подъема воды из нижнего водоема в верхний, обеспечивая тем самым хранение энергии. Плавающие солнечные коллекторы могут занимать почти всю поверхность водоема и могут быть установлены так, что не имеют контакта с дном водоема за счет использования, при необходимости, надводных фалов и тросов для приспособления к изменению уровня воды в широких пределах. Использование существующих водоемов и резервуаров для сбора солнечной энергии согласно изобретению позволяет исключить большую часть затрат на строительство, пуск и наладку солнечной электростанции.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к коллекторам солнечной энергии или аналогичным устройствам, и касается их перемещения для следования за солнцем, а также их охлаждения и защиты. Коллектор для сбора солнечного излучения содержит следящий механизм для удерживания коллектора направленным на солнце; по меньшей мере, одно устройство для преобразования энергии, служащее для преобразования электромагнитной энергии в электрическую или в химическую энергию; по меньшей мере, одно концентрирующее устройство для приема электромагнитной энергии и ее концентрации на устройстве для преобразования энергии, причем устройство для преобразования энергии во время его работы по существу погружено в жидкость, концентрирующее устройство во время части дневного рабочего цикла сбора солнечной энергии находится по существу над поверхностью жидкости, а в течение другой части дневного рабочего цикла погружено в жидкость, по меньшей мере, частично и оба устройства находятся в одной и той же массе жидкости. Техническим результатом изобретения является создание защиты солнечных коллекторов, в частности концентраторов от сильного ветра и ультрафиолетового излучения, создание простого средства слежения за солнцем, и обеспечение охлаждения солнечных коллекторов, и создание более легких конструкций. 21 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Коллектор для сбора солнечного излучения, содержащий

следящий механизм для удерживания коллектора направленным на солнце; по меньшей мере, одно устройство для преобразования энергии, служащее для преобразования электромагнитной энергии в электрическую или в химическую энергию; и, по меньшей мере, одно концентрирующее устройство для приема электромагнитной энергии и ее концентрации на устройстве для преобразования энергии, причем устройство для преобразования энергии во время его работы, по существу, погружено в жидкость, концентрирующее устройство во время части дневного рабочего цикла сбора солнечной энергии находится, по существу, над поверхностью жидкости, а в течение другой части дневного рабочего цикла погружено в жидкость, по меньшей мере, частично и оба устройства находятся в одной и той же массе жидкости.