СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02S10/00 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным электростанциям с раздельным использованием различным спектров солнечного излучения, и предназначено для производства тепловой и электрической энергии за счет создания высокотемпературной зоны с высокой концентрацией энергии в ограниченном пространстве.

Известны различные конфигурации солнечных электростанций с использованием зеркальных и линзовых конструкций концентраторов.

Например, существуют солнечный фотоэлектрический модуль с фокусировкой солнечного излучения на полупроводниках с системой их охлаждения и получения электроэнергии (см. SU авт. свид. 868109 МПК⁵ F03G 7/02 H01L 31/00 - опубликовано 30.09.1981 г.) и солнечная энергетическая установка (см. RU 2476783, МПК F24J 2/42, F24J 2/10 - опубликовано 27.02.2013 г.).

Известные модели обладают рядом существенных недостатков:

- Эффективная производительность энергетических установок достигается при ограниченных температурных пределах.

- Высокая возможность перегрева солнечных батарей в силу невозможности охлаждения установки или ее неэффективного охлаждения.

- Снижение коэффициента полезного действия (КПД) из-за подверженности энергетических установок и их элементов резким перепадам температур.

- Необходимость дополнительных затрат на установку, монтаж систем охлаждения.

Предлагаемая модель солнечной электростанции является эффективнее существующих аналогов в силу того, что отсеивание инфракрасного излучения от солнечных батарей исключает перегрев, в связи с чем отпадает необходимость моделирования системы охлаждения, а концентрирование солнечного излучения позволяет в десятки раз уменьшить площади солнечных батарей.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение мощности солнечных электростанций; указанная задача достигается за счет создания высокотемпературной зоны с высокой концентрацией энергии в ограниченном пространстве.

Техническим результатом данного изобретения является принципиально новая конфигурация солнечной электростанции с использованием зеркальных и линзовых конструкций в части приема концентрации и передачи солнечной энергии непосредственно к потребителю, позволяющая создать высокотемпературную зону с большой энергией в ограниченном пространстве, что является новым решением в области преобразования солнечной энергии, количества выходной мощности и энергии солнечной электростанции, в связи с чем конструкция является новой, имеет изобретательский уровень и может быть широко использована в электроэнергетике и промышленности.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом (Рис. №1) - технологической схемой солнечной электростанции с раздельным использованием спектра солнечного излучения, где:

1. собирающие линзы;

2. каркас крепления собирающих линз и приемников световодов;

3. каркас крепления линзовых конструкций с системой поворота их вслед за солнцем по небосводу;

4. первичные световоды линз;

5. пучок линзовых световодов, собранный в поворотно-выдвижном узле;

6. узел центровки светового луча;

7. магистральный световод;

8. поворотный узел магистрального световода;

9. рикошетная зеркальная пластина для центровки луча после изменения направления;

10. узел трансформации сплошного излучения в узкий горизонтальный луч;

11. дисперсионная оптическая призменная конструкция;

12. солнечная батарея;

13. приемник-световод инфракрасного излучения.

Первым элементом предлагаемой конструкции солнечной электростанции является система приемников солнечного излучения. Основным элементом этих конструкций являются собирающие оптические линзы. Для максимальной эффективности конструкции необходимо использовать плоско-выпуклые линзы, поскольку линзы такой конфигурации обладают большей концентрацией как прямого, так и рассеянного солнечного излучения. Кроме того, такие линзы имеют малое фокусное расстояние. Линзы закрепляются на поворотном каркасе с автоматической стабилизации направления на солнце. Размеры и количество линз на одном каркасе линзовой конструкции рассчитывается в зависимости от мощности солнечного излучения для каждого региона отдельно.

Стабилизация направления на солнце осуществляется поворотом линзовой конструкции в вертикальной и горизонтальной плоскости с помощью электропривода по команде оптического полупроводникового фотодатчика. Линзовая конструкция поверх линз оборудуется раздвижной защитной светонепроницаемой шторкой для «включения» и «выключения». В фокусе каждой линзы на каркасе линзовых конструкций жестко закрепляются приемники солнечного сконцентрированного излучения. Приемники представляют собой трубки из термостойкого материала с зеркальным покрытием внутренней поверхности небольшого конуса. Приемники стыкуются со световодными трубками и сводятся в единый пучок. Световоды, как и приемники, имеют зеркальное покрытие внутренних поверхностей. Пучок световодов от линзовой конструкции соединяется с магистральным световодом через поворотно-выдвижной узел. Для этого магистральный световод имеет диаметр больше светового пучка. Сам пучок в точке сбора световодов от линз крепится к каркасу линзовой конструкции.

Пучок световодов имеет свободу движения в вертикальной плоскости и поворачивание относительно магистрального световода в горизонтальной плоскости. Такая конструкция позволяет обеспечивать надежное соединение световодов от линз с магистральным световодом при повороте линзовой конструкции вслед за движением солнца по небосклону.

Магистральный световод предназначен для передачи сконцентрированного солнечного излучения от линзовой конструкции до машинного зала. Длина магистрали может достигать десятков метров. Для уменьшения потерь энергии магистральные световоды имеют не только зеркальное покрытие внутренних поверхностей, но и центровку светового луча по центру световода, исключающего непосредственный контакт со стенками световода.

Центровка луча производится после поворотно-выдвижного узла с помощью центровочного узла на выходе из пучка световодов. Центровочный узел представляет собой конусную световодную трубку с прямым участком после конуса для предания световому потоку прямолинейно-параллельного луча. Магистральный световод выполняется прямыми участками. Изменение направления при необходимости производится угловыми секциями с различными углами поворота в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Внутри поворотно-угловых секций устанавливаются зеркальные рикошетные пластины для дальнейшей центровки светового луча.

В машинном зале производится дисперсионное разложение в пространстве сконцентрированного солнечного излучения с помощью оптической дисперсионной призмы. Для более равномерного и контрастного разложения светового потока луч этого потока на выходе из магистрального световода трансформируется с помощью наконечника в тонкий горизонтальный луч. Призму может заменить любая из существующих оптических дисперсионных конструкций с более масштабным разложением светового спектра излучений. В плоскости инфракрасного излучения вновь устанавливается приемник и световод для доставки инфракрасного излучения непосредственно в теплообменник парогенератора.

Учитывая, что максимально сфокусированная горизонтальная полоска светового излучения будет на порядок шире длины волны видимого света, нижняя граница инфракрасного излучения будет накладываться на зону красного спектра. Приемник инфракрасного излучения должен захватывать почти весь красный спектр. Учитывая, что инфракрасное излучение не участвует, а красный спектр близок к нулевому порогу фотоэффекта, такое расположение приемника инфракрасного излучения оптимально. Учитывая близость от узла дисперсии светового излучения до теплообменника парогенератора, такие световоды от различных групп линзовых конструкций возможно пропустить через водяные контуры (бойлеры) для предварительного прогрева теплоносителя.

В плоскости остального диапазона излучения устанавливаются солнечные полупроводниковые батареи. Отсеивание инфракрасного излучения от солнечных батарей исключает их перегрев и увеличивает их КПД.

Концентрация солнечного излучения значительно сокращает размеры дорогостоящих полупроводниковых солнечных батарей.

Энергетическая установка, описанная в патенте 2476783, содержит один из элементов предлагаемого изобретения - концентрацию солнечного излучения с помощью собирающих линз. Но установка в фокусе излучения фотоэлектрического модуля рациональна только при малой интенсивности солнечного излучения. Это обуславливается влиянием факторов внешней среды на процесс фотоэффекта [1]. В частности, максимальный КПД фотоэлементов при температуре 25-30 градусов. При повышении температуры до 60-70 градусов КПД падает на 30 процентов. При дальнейшем повышении температуры (свыше 120 градусов) происходит резкое падение КПД и выход из строя фотоэлементов. Исходя из этого можно предполагать, что даже в заполярных широтах в летний солнечный день такая энергетическая установка может перейти в критический температурный режим.

В предлагаемом изобретении тепловая составляющая солнечного излучения (а именно - инфракрасное излучение) не попадает на фотоэлементы солнечных батарей, тем самым обеспечивается благоприятный температурный режим.

Проект солнечного фотоэлектрического модуля, описанного в патенте 868109, ставит задачей концентрацию светового излучения для уменьшения площадей дорогостоящих фотоэлементов. Эта задача решается с помощью системы линз и отражающих зеркал. Сконцентрированное солнечное излучение направляется на фотоэлектрический модуль. Сам фотоэлектрический модуль расположен в стеклянной оболочке между двух линз, заполненной охлаждающей жидкостью типа фрион.

Предлагаемая конструкция солнечной электростанции отличается гораздо большей концентрацией солнечного излучения, поскольку позволяет исключить попадание инфракрасного излучения на фотоэлектрические модули, что позволяет исключить монтаж системы охлаждения.

В плоскости остального диапазона излучения устанавливаются солнечные полупроводниковые батареи. Отсеивание инфракрасного излучения от солнечных батарей исключает их перегрев и увеличивает их КПД.

Концентрация солнечного излучения значительно сокращает размеры дорогостоящих полуроводниковых солнечных батарей.

Предлагаемая схема приема концентрации и передачи сконцентрированной солнечной энергии непосредственно к потребителю позволяет создать высокотемпературную зону с большой энергией в ограниченном пространстве.

Среднемесячная мощность солнечного излучения в зависимости от регионов России колеблется [1]: (это огромный энергетический поток даже в пасмурную погоду).

Архангельск 4 МДж/м² 1.1 кВт/м² Москва 42.1 МДж/м² 11.7 кВт/м² Сочи 124.9 МДж/м² 41.7 кВт/м²

Предлагаемая конструкция является эффективнее имеющихся аналогов по следующим признакам:

- наибольшая концентрация солнечного излучения в ограниченном пространстве;

- раздельное использование всего волнового спектра солнечного излучения по их физическим свойствам;

- инфракрасное излучение используется по прямому назначению, т.е. нагреву теплоносителя парогенератора;

- отсеивание инфракрасного излучения от солнечных батарей исключает их перегрев - нет необходимости моделировать систему охлаждения. Концентрирование солнечного излучения позволяет в десятки раз уменьшить площади дорогостоящих солнечных батарей и создать высокотемпературную зону в теплообменнике парогенератора;

- тепловая составляющая солнечного излучения составляет более 50% от общего светового потока; учитывая суточные колебания мощности солнечного излучения в часы пиковой мощности, переизбыток энергии может быть использован для разогрева солей в подземных емкостях с последующим использованием для работы электростанции в ночное время (применение концентрации солнечного излучения с помощью направленных зеркал - гелиостатов);

- верхний предел температуры в зоне концентрации ограничивается только площадью сбора излучения и температурными ограничениями по материалам теплообменника, световодов и дисперсионных оптических систем. Полученная таким образом высокотемпературная зона может быть использована не только в электроэнергетике, но и в других отраслях науки и техники вплоть до разработки плазменно-ракетных двигателей для полетов в космосе и создания плазмы в термоядерном синтезе.

Источники информации

[1] http://khd2.narod.ru/gratis/solar.htm

Изобретение относится к энергетике, может использоваться в солнечной электростанции с использованием концентрированного солнечного излучения и может найти применение в других отраслях науки и техники вплоть до разработки плазменно-ракетных двигателей для полетов в космосе и создания плазмы в термоядерном синтезе благодаря полученной высокотемпературной зоне с большой энергией в ограниченном пространстве. Технический результат состоит в обеспечении благоприятного температурного режима, отсеивание инфракрасного излучения от солнечных батарей исключает перегрев, в связи с чем исключается необходимость моделирования системы охлаждения, а концентрирование солнечного излучения позволяет в десятки раз уменьшить площади солнечных батарей и обеспечить выработку максимального коэффициента полезного действия при преобразовании солнечной энергии в тепловую и электрическую. Для этого базовыми составляющими конструкции солнечной электростанции являются собирающие линзы; магистральный световод; рикошетная зеркальная пластина для центровки луча после изменения направления; дисперсионная оптическая призменная конструкция; солнечная батарея и приемник-световод инфракрасного излучения, действующие в качестве единой конструкции солнечной электростанции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Солнечная электростанция с использованием концентрированного солнечного излучения, характеризующаяся концентрацией солнечного излучения, осуществляемой с помощью собирающих плоско-выпуклых оптических линз, закрепленных на поворотном каркасе с автоматической стабилизацией направления на Солнце, в фокусах жестко закрепляется пучок трубчатых световодов, передачей солнечного излучения от фокусов линз в магистральный световод, пространственным разложением солнечного излучения по волновому спектру и отсеиванием инфракрасного излучения.

2. Солнечная электростанция с использованием концентрированного солнечного излучения по п. 1, отличающаяся тем, что передача солнечного излучения в магистральный световод осуществляется с центровкой луча в плоскость дисперсионных оптических призм.;

3. Солнечная электростанция с использованием концентрированного солнечного излучения по п. 1, отличающаяся тем, что отсеивание инфракрасного излучения осуществляется через приемники и трубчатые световоды в теплообменник парогенератора.

4. Солнечная электростанция с использованием концентрированного солнечного излучения по п. 1, отличающаяся тем, что на солнечные полупроводниковые батареи попадает сконцентрированное солнечное излучение после отсеивания от него инфракрасного излучения с помощью дисперсионных оптических призм.