КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F24J2/24 F24J2/05 F24J2/10 F24J2/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Предлагаемое изобретение направлено на концентратор солнечной энергии и системе для концентрации солнечной энергии с его использованием.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Солнечную энергию относят к возобновляемым энергетическим ресурсам. В настоящее время постоянно предпринимаются попытки сделать солнечную энергию рыночным товаром, повышая эффективность ее превращения в потребляемые виды энергии.

Солнечная энергия является лучистой энергией (тепло и свет), производимой Солнцем и принимаемой, например, на Земле. Величину солнечной энергии, поглощаемой Землей в течение года, оценивают в 3,8×10⁶ эДж (эксаджоулей). Если бы удалось обуздать некоторую долю этой энергии для полезного применения, то это оказало бы значительное воздействие на спрос и предложение на рынке энергии.

Технологии улавливания солнечной энергии разделяют на пассивные и активные. К активным относят, например, технологии, связанные с использованием фотоэлементных панелей или солнечных тепловых коллекторов. Пассивные технологии улавливания солнечной энергии с целью максимизации использования солнечной энергии предусматривают, например, надлежащую ориентацию зданий, выбор материалов, и(или) обеспечение достаточного пространства.

Уловленная термальная солнечная энергия может находить различные применения, в частности (но не только) она может быть использована для нагревания воды, для обогрева помещений, для охлаждения помещений, для генерирования тепла для технических нужд. При улавливании термальной солнечной энергии важно, чтобы концентратор был как можно более эффективным, так чтобы была обеспечена максимизация отдачи от капитальных вложений.

Таким образом, существует потребность в концентраторе солнечной энергии, который был бы эффективен в улавливании солнечной энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложен концентратор солнечной энергии, содержащий первый компонент, в котором выполнена полость, и который имеет продольную ось. Упомянутый первый компонент имеет продольное окно, которое является его частью, и корпус, который тоже является его частью. Упомянутое продольное окно первого компонента выполнено из материала, пропускающего солнечное излучение. Упомянутый корпус первого компонента имеет поглощающую наружную поверхность и отражающую внутреннюю поверхность. В составе концентратора солнечной энергии предусмотрен также второй компонент, который расположен в упомянутой полости первого компонента и ориентирован по существу параллельно продольной оси первого компонента. Упомянутый второй компонент выполнен с возможностью пропускать через себя текучую среду, поглощающую энергию. Пространство полости между первым компонентом и вторым компонентом заполнено изолирующим материалом. Система концентрации солнечной энергии содержит вышеописанный концентратор солнечной энергии и устройство передачи солнечной энергии для направления солнечной энергии через упомянутое продольное окно концентратора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИЛАГАЕМЫХ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На прилагаемых чертежах с целью иллюстрации предлагаемого изобретения показан вариант его осуществления, считающийся сейчас предпочтительным. Должно быть понятно, однако, что предлагаемое изобретение не ограничено элементами и их пространственными связями, в точности повторяющими изображенные на чертежах.

На фиг. 1 схематично изображен общий вид предлагаемого концентратора солнечной энергии.

На фиг. 2 схематично показана, в одном из вариантов ее осуществления, система для использования предлагаемого концентратора солнечной энергии.

На фиг. 3 система для использования предлагаемого концентратора солнечной энергии схематично изображена в другом варианте ее осуществления.

На разных чертежах идентичным элементам присвоены идентичные ссылочные обозначения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показан концентратор 10 солнечной энергии. В целом концентратор 10 содержит первый компонент 12 и второй компонент 26, пространство между которыми заполнено изолирующим материалом.

Упомянутый первый компонент 12 является в целом удлиненным телом, имеющим продольную ось 16. Форма поперечного сечения первого компонента 12 может быть любой, в одном из вариантов осуществления это поперечное сечение является круговым (то есть первый компонент 12 по форме является трубкой). Первый компонент 12 имеет полость 14. Первый компонент 12 включает продольное окно 18, являющееся частью первого компонента 12, и корпус 20, тоже являющийся частью первого компонента 12.

Продольное окно 18 ориентировано по существу параллельно продольной оси 16 первого компонента 12. Продольное окно 18 представляет собой часть стенки первого компонента 12. Продольное окно 18 выполнено с возможностью пропускать солнечную энергию внутрь полости 14. Должна быть исключена возможность пропускания продольным окном 18 солнечной энергии из полости 14 вовне. Для этого продольное окно 18 может быть выполнено в виде одностороннего зеркала, которое пропускает излучение внутрь полости 14, но не допускает его выхода вовне, как это может быть обеспечено с помощью поляризованной пленки. Продольное окно 18 может быть выполнено из стекла или из пластика.

Остальная часть первого компонента 12 целиком приходится на корпус 20. Корпус 20 имеет наружную поверхность 22 и внутреннюю поверхность 24. Выбор материала для корпуса 20 может зависеть от нескольких факторов, в числе которых (перечень не исчерпывающий) прочность при предположительно максимальной рабочей температуре, изоляционные свойства, стойкость по отношению к коррозии, а также стоимость.

Упомянутая наружная поверхность 22 корпуса выполнена с возможностью поглощения солнечного излучения. Наружная поверхность 22 на корпусе 20 может быть образована покрытием или отдельным слоем, но может быть образована и самим цельным материалом корпуса 20. Согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, для имитации абсолютно черного тела наружная поверхность 22 может быть сделана черной. Абсолютно черное тело характеризуется в физике как тело, которое поглощает все попадающее на него электромагнитное излучение (в том числе солнечное излучение) независимо от частоты этого излучения и угла падения.

Упомянутая внутренняя поверхность 24 корпуса выполнена с возможностью отражать солнечное излучение. Внутренняя поверхность 22 корпуса 20 может быть образована покрытием или отдельным слоем, но может быть образована и самим цельным материалом корпуса 20. Согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, внутренняя поверхность 24 является зеркальной, чем обеспечено отражение всего падающего на нее излучения без какого-либо поглощения этого излучения.

Второй компонент 26 в целом является удлиненным и имеет продольную ось. Второй компонент 26 может быть расположен в любом месте внутри полости 14 первого компонента 12. Поперечное сечение второго компонента 26 может иметь любую форму, в одном из вариантов осуществления это поперечное сечение является круговым (то есть второй компонент 26 по форме является трубкой). Согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, второй компонент 26 расположен соосно, то есть имеет продольную ось 16, общую с первым компонентом 12. С одной стороны, второй компонент 26 выполнен с возможностью проведения через него текучей среды, поглощающей энергию. С другой стороны, второй компонент 26 выполнен с возможностью улавливать солнечную энергию или эффективно пропускать солнечную энергию к упомянутой текучей среде, поглощающей энергию. С целью обеспечения этой второй возможности второму компоненту 26 для имитации абсолютно черного тела (о котором говорилось выше) может быть придан черный цвет. Второй компонент 26 может быть выполнен из стекла (например, из пирексного стекла), кварца, керамики, пластика, металла, или из комбинаций этих материалов. Выбор материала для второго компонента 26 может зависеть от нескольких факторов, в числе которых (перечень не исчерпывающий) прочность при предположительно максимальной рабочей температуре, изоляционные свойства, стойкость по отношению к коррозии, а также стоимость.

Зазор между корпусом 20 и вторым компонентом 26 может быть любой величины. При подборе величины этого зазора следует принимать в расчет несколько соображений. А именно, следует учитывать фокальное расстояние и размеры устройства, придающего солнечной энергии направление, что будет обсуждено далее. Чем больше диаметр корпуса 20, тем лучше для концентрации солнечного излучения, но тем хуже для термического изолирования.

В качестве текучей среды, поглощающей солнечную энергию, может быть использована любая текучая среда. Например, эта текучая среда может представлять собой жидкость или же газ. Выбор жидкости не является ограничивающим и может быть продиктован тем, как поглощенная энергия будет использована в дальнейшем. Согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения в качестве текучей среды, поглощающей энергию, использована смесь воды и этиленгликоля. Согласно другому варианту осуществления предлагаемого изобретения в качестве текучей среды, поглощающей энергию, использована вода.

Пространство между первым компонентом 12 и вторым компонентом 26 заполнено изолирующим материалом 28. В качестве этого изолирующего материала 28 может быть использован любой материал, способный с как можно большей эффективностью пропускать (то есть как можно меньше поглощать) входящую через продольное окно 18 солнечную энергию. В качестве изолирующего материала 28 может быть использована текучая среда, или же его функцию может выполнять вакуум. Упомянутая текучая среда может быть газом.

На фиг. 2 и фиг. 3 схематично показана система 30 для использования концентратора 10 солнечной энергии. В общем случае система 30 содержит концентратор 10 солнечной энергии, направляющее устройство 32 для солнечной энергии, циркуляционное устройство 34 для текучей среды и потребитель 36 тепловой энергии.

Упомянутое направляющее устройство 32 выполнено с возможностью придавать направление солнечному излучению. В качестве такого направляющего устройства может быть использована линза (см. фиг. 2) или отражатель (см. фиг. 3). Направляющее устройство 32 может быть выполнено удлиненным и иметь продольную ось, по существу параллельную продольной оси 16 первого компонента 12. Фокус направляющего устройства 32 может быть расположен таким образом, чтобы направлять сфокусированное излучение на второй компонент 26 концентратора 10. В качестве линзы как направляющего устройства 32 может быть использована линза любого типа, согласно одному из вариантов осуществления использована выпуклая линза. Может быть использована также линза Френеля. В качестве отражателя как направляющего устройства 32 может быть использован отражатель или зеркало любого типа. Согласно одному из вариантов осуществления в качестве отражателя использован параболический отражатель.

В качестве упомянутого циркуляционного устройства 34 для текучей среды может быть использовано устройство, выполненное с возможностью приводить текучую среду в контуре системы 30. Согласно одному из вариантов осуществления в качестве циркуляционного устройства 34 для текучей среды использован насос (в этом варианте текучая среда является жидкостью). Согласно другому варианту осуществления в качестве циркуляционного устройства 34 для текучей среды использован компрессор (в этом варианте текучая среда является газом).

Потребителем 36 тепловой энергии может быть любое устройство, выполненное с возможностью потреблять энергию, поглощенную текучей средой, проходящей через концентратор 10 солнечной энергии. Потребитель 36 тепловой энергии может быть использован, например, для нагревания воды, для обогревания помещений, для охлаждения помещений и для генерирования тепла для технических нужд, или же для предварительного нагревания текучих сред, используемых в любом из этих применений.

ПРИМЕРЫ

В рассматриваемом ниже примере концентратор солнечной энергии согласно предлагаемому изобретению сравнивается с известным концентратором солнечной энергии, чтобы продемонстрировать эффективность концентратора солнечной энергии. Испытания проводили в солнечный день при температуре окружающей среды приблизительно 32,2°С (90°F); и все испытуемые устройства выставляли под действие солнечного излучения на 5 минут (одновременно). В каждый испытуемый концентратор солнечной энергии помещали 5 см³ водопроводной воды в пробирке (имитация второго компонента) с термометром для измерения температуры воды. Испытуемые устройства №1-№3 представляли собой концентраторы солнечной энергии известных типов, а в качестве испытуемого устройства №4 был взят концентратор солнечной энергии согласно предлагаемому изобретению. В испытуемом устройстве №1 воду в пробирке подвергали нагреванию без направляющего устройства для солнечной энергии и первого компонента, при этом температура воды достигла величины приблизительно 43,3°С (в оригинале 110°F). В испытуемом устройстве №2 воду в пробирке подвергали нагреванию с использованием параболического зеркала с размерами 5,08 см × 10,16 см (2×4 дюйма), фокальная линия которого была направлена на пробирку с водой, при этом температура воды достигла величины приблизительно 48,9°С (120°F). В испытуемом устройстве №3 воду в пробирке подвергали нагреванию с использованием линзы, фокальная линия которой была направлена на пробирку с водой, при этом температура воды достигла величины приблизительно 48,9°С (120°F). В испытуемом устройстве №4, имеющем первый компонент, воду в пробирке подвергали нагреванию с использованием цилиндрической выпуклой линзы с размерами 5,08 см × 10,16 см (2×4 дюйма), фокальная линия которой через продольное окно в первом компоненте была направлена на пробирку с водой, при этом температура воды достигла величины приблизительно 59,4°С (139°F).

Предлагаемое изобретение может быть осуществлено без отступления от его духа и существенных признаков, и, соответственно, объем предлагаемого изобретения определяется в большей степени прилагаемой формулой изобретения, чем приведенным выше описанием.

Изобретение направлено на использование солнечной энергии. Концентратор солнечной энергии, который содержит первый компонент с круглым поперечным сечением, имеющий первый конец, второй конец, полость и продольную ось, в котором выполнена полость, и который имеет продольную ось. Первый компонент имеет продольное окно, которое является его частью, и корпус, который тоже является его частью. Продольное окно первого компонента выполнено из материала, пропускающего солнечное излучение. Корпус первого компонента имеет поглощающую наружную поверхность и отражающую внутреннюю поверхность. Концентратор солнечной энергии содержит также второй компонент, который расположен в полости первого компонента и ориентирован по существу параллельно продольной оси первого компонента. Второй компонент выполнен с возможностью пропускать через себя текучую среду, поглощающую энергию. Пространство полости между первым компонентом и вторым компонентом заполнено изолирующим материалом. Система концентрации солнечной энергии содержит вышеописанный концентратор солнечной энергии и устройство передачи солнечной энергии для ее направления через продольное окно концентратора. Изобретение направлено на повышение эффективности улавливания солнечной энергии. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Концентратор солнечной энергии, содержащий

первый трубчатый компонент с круглым поперечным сечением, имеющий первый конец, второй конец, полость и продольную ось, при этом упомянутый первый трубчатый компонент состоит из выполненного в виде одностороннего зеркала продольного окна, простирающегося по всей длине этого первого трубчатого компонента от его первого конца до его второго конца и являющегося частью этого первого компонента, и корпуса, составляющего остальную часть этого первого компонента, при этом упомянутое выполненное в виде одностороннего зеркала продольное окно выполнено из материала, пропускающего солнечное излучение, а упомянутый корпус имеет поглощающую наружную поверхность и отражающую внутреннюю поверхность, покрывающую всю внутреннюю поверхность корпуса,

второй трубчатый компонент с круглым поперечным сечением, расположенный в упомянутой полости первого компонента, ориентированный по существу параллельно упомянутой продольной оси и окруженный отражающей внутренней поверхностью первого трубчатого компонента, при этом упомянутый второй трубчатый компонент выполнен с возможностью пропускать через себя текучую среду, поглощающую энергию, и

изолирующий материал, заполняющий полость между первым компонентом и вторым компонентом, при этом упомянутый изолирующий материал является текучей средой или вакуумом.

2. Концентратор солнечной энергии по п. 1, в котором упомянутый материал, пропускающий солнечное излучение, выбран из группы, состоящей из стекла, пластика или их комбинаций.

3. Концентратор солнечной энергии по п. 1, в котором упомянутая поглощающая наружная поверхность выполнена черной.

4. Концентратор солнечной энергии по п. 1, в котором упомянутая отражающая внутренняя поверхность выполнена зеркальной.

5. Концентратор солнечной энергии по п. 1, в котором упомянутой текучей средой является газ.

6. Система для концентрации солнечной энергии, включающая концентратор солнечной энергии, содержащий первый трубчатый

компонент с круглым поперечным сечением, имеющий первый конец, второй конец, полость и продольную ось, при этом упомянутый первый трубчатый компонент состоит из выполненного в виде одностороннего зеркала продольного окна, простирающегося по всей длине этого первого трубчатого компонента от его первого конца до его второго конца и являющегося частью этого первого компонента, и корпуса, составляющего остальную часть этого первого компонента, при этом упомянутое выполненное в виде одностороннего зеркала продольное окно выполнено из материала, пропускающего солнечное излучение, а упомянутый корпус имеет поглощающую наружную поверхность и отражающую внутреннюю поверхность, покрывающую всю внутреннюю поверхность корпуса,

второй трубчатый компонент с круглым поперечным сечением, расположенный в упомянутой полости первого компонента, ориентированный по существу параллельно упомянутой продольной оси и окруженный отражающей внутренней поверхностью первого трубчатого компонента, при этом упомянутый второй трубчатый компонент выполнен с возможностью пропускать через себя текучую среду, поглощающую энергию, и

изолирующий материал, заполняющий полость между первым компонентом и вторым компонентом, при этом упомянутый изолирующий материал является текучей средой или вакуумом, и

устройство для передачи солнечной энергии, выполненное с возможностью направлять солнечную энергию через упомянутое продольное окно.

7. Система концентрации солнечной энергии по п. 6, в которой упомянутое устройство для передачи солнечной энергии - это линза или зеркало.

8. Система концентрации солнечной энергии по п. 6, в которой упомянутый материал, пропускающий солнечное излучение, выбран из группы, состоящей из стекла, пластика или их комбинаций.

9. Система концентрации солнечной энергии по п. 6, в которой упомянутая поглощающая наружная поверхность выполнена черной.

10. Система концентрации солнечной энергии по п. 6, в которой упомянутая отражающая внутренняя поверхность выполнена зеркальной.

11. Система концентрации солнечной энергии по п. 6, в которой упомянутой текучей средой является газ.

12. Концентратор солнечной энергии по п. 1, в котором упомянутый второй трубчатый компонент по существу коаксиален упомянутой продольной оси.

13. Система концентрации солнечной энергии по п. 6, в которой упомянутый второй трубчатый компонент по существу коаксиален с упомянутой продольной осью.