АБСОРБЕР ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ С СИСТЕМОЙ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ Российский патент 2011 года по МПК F24J2/14 F24J2/18 F24J2/46 

Предлагаемое изобретение относится к солнечной энергетике и может найти свое применение в широком диапазоне использования при преобразовании солнечной энергии в тепловую энергию пара или горячей воды, необходимых для бытовых нужд, систем отопления жилых домов и производственных помещений.

Известны устройства, которые абсорбируют солнечное электромагнитное излучение и передают тепловую энергию теплоносителю, который циркулирует по трубам в прямом и обратном направлении (см. например патент №2197687 «Солнечный абсорбер»).

Основным недостатком любых абсорберов солнечных батарей, особенно плоских, - теплопотери трех видов: 1) передача тепла от сильно нагретого тела в окружающую среду и телам с меньшей температурой, 2) теплопотери от конвенции воздуха, 3) инфракрасное, длинноволновое электромагнитное излучение абсорбера с теплоносителем, которое составляет 70% всехтеплопотерь. Для локализации теплопотерь от теплопередачи и конвенции используется эффективная теплоизоляция, двойное вакуумное остекление. Потери теплоизлучением устраняются «тепловым зеркалом»

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является абсорбер солнечного концентратора по патенту RU 2300058 С2 «Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за солнцем», который состоит из малого параболоцилиндрического концентратора с малым фокусным расстоянием, в котором размещена вытянутая емкость, равная длине параболоцилиндрического концентратора первой ступени.

Основным недостатком такого устройства является сплошная ограниченная плоскими поверхностями площадь абсорбции с большим объемом теплоносителя. Подающий трубопровод находится в тепловой изоляции малого параболоцилиндрического концентратора и не имеет контакта с солнечным излучением и не получает предварительного подогрева.

Сущность предлагаемого изобретения - получение максимальной абсорбции энергии светового потока, идущего от концентратора первой ступени, и снижение теплопотерь, особенно в зимнее время, а также упрощение системы слежения за солнцем с помощью конструктивных решений устройства абсорбера.

Технический результат достигается тем что, абсорбер параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, содержащий устройство поглощения и преобразования в тепловую энергию концентрированного солнечного излучения от параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, размещенное в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием, фокус которого совмещен с фокусом параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, согласно изобретению абсорбер выполнен V-образной формы из труб с селективным или черным покрытием, установлен в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием, вершина V-образного абсорбера с подающим трубопроводом большого диаметра с теплоносителем размещена у фокуса параболоцилиндрического концентратора с малым фокусным расстоянием, а обратный трубопровод в виде набора труб меньшего диаметра, расположен по боковым сторонам абсорбера V-образной формы, в которых циркулирует теплоноситель, фронтальная сторона абсорбера по всей длине закрыта выпуклым стеклом, обеспечивающим повышенную концентрацию светового потока у фокальной полосы, общая длина абсорбера увеличена по отношению к длине параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем на равные отрезки от его концов, длина которых определяется предельным углом полного внутреннего отражения в среде стекло-воздух и географического места нахождения параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем.

Вся пространственная трубчатая конструкция абсорбера собрана на отдельных распорных планках.

При таком расположении подающего и обратного трубопровода с теплоносителем в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием концентрированная солнечная энергия вся не поглощается абсорбером, а частично отражается в виде фотонов вторичного отражения, которые также несут и передают энергию абсорберу и от самого разогретого абсорбера и зеркала концентратора. Зеркало концентратора с малым фокусным расстоянием тоже греется, так как коэффициент отражения всегда меньше единицы. Поэтому тыльная сторона концентратора, в котором расположен абсорбер, закрыта тепловой изоляцией с «тепловым зеркалом» Для упрощения системы слежения за солнцем длина абсорбера увеличена по отношению к длине параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем стороны на одинаковое расстояние. Удлинение абсорбера ограничивается углом падения концентрированного света на стекло 42° к нормали, оптимально 30°.

На Фиг.1 представлен параболоцилиндрический концентратор с малым фокусным расстоянием с размещенным в нем абсорбером.

На Фиг.2 представлено конструктивное решение упрощения системы слежения за солнцем в течение дня путем увеличения длины абсорбера.

На Фиг.1 представлена конструкция концентратора 1 с малым фокусным расстоянием, в котором размещен абсорбер. Фокус концентратора 1 совмещается с фокусом параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем. Абсорбер V-образной формы выполнен из набора труб 3 и 4 с селективным или другим черным покрытием. Вершина V-образного абсорбера размещена у фокуса концентратора 1 с малым фокусным расстоянием. В вершине абсорбера V-образной формы находится подающий трубопровод 3 большого диаметра, а обратный трубопровод (боковые поверхности буквы V) в виде набора мелких труб 4. Вся пространственная трубчатая конструкция собрана на отдельных распорных планках (на чертеже не показано). Тыльная сторона концентратора 1 облицована эффективной тепловой изоляцией 5, покрыта светоотражающим материалом 6 и защищена кожухом 7. Фронтальная часть концентратора 1, в котором расположен абсорбер, по всей длине закрыта выпуклым стеклом 8.

От параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем (см. Фиг.2) показан пучок света 9, идущий от него, который попадает на фокальную полосу 10, перпендикулярную главной оптической оси 11, где образует световую фокальную полосу в концентраторе 1. Из-за дифракции и интерференции света, идущего от солнца, в фокусе свет не собирается в виде тонкой линии по длине абсорбера, а собирается в виде фокальной полосы 12, ширина которой зависит еще и от качества сборки и изготовления параболообразующих ветвей параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем. Соответственно, чем уже фокальная полоса 10, тем больше будет концентрация светового пучка света 9 у фокуса. Уменьшить фокальную полосу 12 позволяет выпуклое стекло 8, оптические свойства которого собирательные, так как свет от параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем на выпуклую сторону стекла 8.

Система слежения за солнцем параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем (концентратор 2) может быть упрощена путем увеличения длины абсорбера, что связано с изменением высоты солнца в течение дневного времени. При этом вращение параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем вокруг полярной оси сохраняется.

Рассмотрим суточное движение солнца. В средних широтах солнце восходит всегда в восточной стороне неба, постепенно поднимается над горизонтом, в полдень достигает наивысшего положения на небе, затем начинает опускаться к горизонту и заходит в западной части неба. В северном полушарии это движение происходит слева направо, а в южном - справа налево. Суточные пути солнца в разные времена года по высоте постепенно меняются в зависимости от времени года. Летом солнце в средних широтах поднимается высоко над горизонтом, поэтому зеркало концентратора занимает почти горизонтальное положение, а зимой зеркало концентратора становится почти вертикально. Дневной путь солнца на небе симметричен относительно направления север-юг, это упрощает его слежение по азимуту, а изменение высоты солнца в течение суток требует сложного механизма.

Достигается технический результат упрощения слежения за солнцем следующим образом. Длина концентратора 1, с находящимся в нем абсорбером, увеличивается по отношению к длине зеркала параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем в ту и другую сторону на равные по длине отрезки в зависимости от географического места нахождения концентратора 2. Увеличение длины абсорбера ограничивается углом падения сконцентрированной солнечной энергии на абсорбер предельным углом 42 градуса в среде стекло-воздух. Оптимальный угол падения концентрированного солнечного пучка света 9 от концентратора 2 утром и вечером будет около 30 градусов. Определяется этот угол по формуле Френеля. Угол падения луча, угол отражения и угол преломления связаны уравнением nlSina=n2Sinb.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Концентратор 1 с малым фокусным расстоянием, в котором расположен V-образный абсорбер, вершина которого совмещена фокусом или находится близко от него, принимает концентрированную солнечную энергию, исходящую из концентратора 2 и поглощает ее абсорбером. Поглощение происходит в результате интенсивного излучения света при прохождении его в веществе, вследствие чего происходит превращение световой энергии в тепло. Поглощающим телом служат трубки 3 и 4 с черным покрытием, хорошо передающие энергию циркулирующему по ним жидкому теплоносителю. Пучок света 9, в виде усеченного конуса, идущий от концентратора 2, попадает на плоскость, перпендикулярную главной оптической оси 11, и образует фокальную полосу 10 у фокуса концентратора 1, в котором расположен абсорбер. Чем уже фокальная полоса 10, тем больше будет концентрация светового потока в фокусе концентратора 1. Уменьшает фокальную полосу 10 в концентраторе 1 с малым фокусным расстоянием стекло 8, обращенное выпуклой стороной в сторону концентратора 2 и выполняющее роль собирательной линзы.

Для упрощения системы слежения за солнцем абсорбер, размещенный в концентраторе 1, выполнен длиннее концентратора 2, и один раз в сутки выполняется оптическая наладка по фокальной полосе 12, чтобы в утренние и вечерние часы она не выходила за концы абсорбера. Механизм коррекции предусмотрен в концентраторе 2.

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти свое применение в широком диапазоне использования при преобразовании солнечной энергии в тепловую энергию пара или горячей воды, необходимых для бытовых нужд, систем отопления жилых домов и производственных помещений. Абсорбер параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем размещен в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием, фокус которого совмещается с фокусом параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем. Абсорбер выполнен V-образной формы из трубок с селективным или другим черным покрытием. Тыльная сторона концентратора с малым фокусным расстоянием, в котором расположен абсорбер, закрыта эффективной теплоизоляцией с тепловым зеркалом, а с фронтальной стороны по всей длине закрыта выпуклым стеклом, выполняющим роль собирательной линзы. Для упрощения слежения за высотой солнца длина абсорбера увеличена по отношению к длине параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, при этом удлинение абсорбера ограничивается углом падения концентрированного света на стекло 42 градуса, оптимально 30 градусов. Изобретение должно обеспечить получение максимальной абсорбции энергии концентрированного солнечного излучения, идущего от параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, снижение теплопотерь, особенно в зимнее время, а также упрощение системы слежения за солнцем в части изменения высоты солнца в дневное время. 2 ил.

Абсорбер параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, содержащий устройство поглощения и преобразования в тепловую энергию концентрированного солнечного излучения от параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, размещенное в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием, фокус которого совмещен с фокусом параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, отличающийся тем, что абсорбер выполнен V-образной формы из труб с селективным или черным покрытием, установлен в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием, вершина V-образного абсорбера с подающим трубопроводом большого диаметра с теплоносителем размещена у фокуса параболоцилиндрического концентратора с малым фокусным расстоянием, а обратный трубопровод в виде набора труб меньшего диаметра расположен по боковым сторонам абсорбера V-образной формы, в которых циркулирует теплоноситель, фронтальная сторона абсорбера по всей длине закрыта выпуклым стеклом, обеспечивающим повышенную концентрацию светового потока у фокальной полосы, общая длина абсорбера увеличена по отношению к длине параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем на равные отрезки от его концов, длина которых определяется предельным углом полного внутреннего отражения в среде стекло-воздух и географического места нахождения параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем.