Фокусирующий коллектор солнечной энергии Советский патент 1986 года по МПК F24J2/18 

2. Коллектор по п.1, о т л и- чающийся тем, что уравнения образующих поверхностей концентраторов и отражателей выполнены в соответствии со следующими уравнениями i для конического отражателя

f йИ-ЯЙ, - i

2 COS&

. „ sin 2 (Э-) . У - R sine д.„ 2 (

(3 ))

Ф(0)--аеод0-Ь(еод 0)-(cfog0-d) x(/f{eo90 gfog0- fe)- кео (е- n/f (60

где -а - 2,97376; b - 0,255737; с - 0,205587; d - 0,0904155; f - 1,8280Г, g - 1,60789; h - 1,97494-, k 0, t « 3,65602; m - 1,60789; n - 2,70408; p 1,22642; Гх„ - 0,830384 ( 0,385P. /Xg - 0,585203 ly - 0,029696,

для отражательного ка концентратора параболоид у -0,570392 (х+ х„ -0,46 у„ - 0,3851; fXg -0,2086026 ty 0,07005, гиперболоид

(;

у2 - 0,327036 (x+- 0,022112 ;

гх -0,363956

1У« Г X,

0,07005;

. -0,321265

у - 0,0111511,- для рефракционного ко плосковыпуклая лииза

(,481613)z + У

Гх„ -0.7

1у - 0,07005;

{;

i

fx -0,710959 1У О,; плосковогнутая линза

(х-Ю,2731)2 + у2 0,002131, х„ -0,317971 У 0,0108; Xj -0,319265 УВ - 0.

для кольцевого выпуклого сферичкого отражателя

(х+1,33238)2 +(у - 0,926749) i-QVnOA .

4,97094; |Х 0,0830384 1У 0,3851;

0,793318 Уц - 0,254182,

{

для зеркального конуса у 1,7882Х - 0,980432; гх 0,869114 1Уи 0,044 0965;

{

х 0,835488

1уд - Оj004458, де X, у - текуоще значения образующих поверхностей концентраторов и отражателей коллектора в декартовой системе координат;

х, у - значения координат нижней границы образующих поверхностей концентраторов и отражателей коллектора по отношению к его сф р ическому зеркалу единичного радиу- cai

X , Уд - значения координат верхней границы образующих поверхностей концентраторов и отражателей коллектора по отношению к его сферическому зеркалу единичного радиуса Q - центральный угол, охватываемый сферическим зеркалом коллектора в текущей точке криволинейной внешней зеркальной поверхности конического отражателя, оптически взаимодействующей со сферическим зеркалом;

R - радиус кривизны сферического зерка,да коллектора.

3. Коллектор по пп. 1 и 2, отичающийся тем, что сферическое зеркало выполнено в виде полусферы из двух частей, состыкованных между собой по горизонтальной плоскости с помощью обода, причем нижняя часть закреплена на фундаменте.

1

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к фокусирующим коллекторам солнечной энергии.

Целью изобретения является повышение КПД коллектора путем концентрации всего потока излучения, падающего в пределах его апертуры.

На фиг.1 показана конструктивная схема коллектора солнечной энергии, на фиг.2 - оптическая схема коллектора солнечной энергии; на фиг.З - неподвижный приемник излучения (бойлер) коллектора коллектора солнечно частичный разрез; на фиг.4 - энергетическая станция с полем коллекторов солнечной энергии, вариант выпонения на фиг.З - подвеска и привод поворотной фермы коллектора солнечной энергии, вариант выполнения на фиг.6 - графический расчет минимального диаметра приемника излучения (бойлера) с учетом углового размера Солнца.

Фокусирующий коллектор солнечной энергки содержит сферическое зеркало 1 (фиг.1), срез 2 которого ориентирован на Юг и наклонен к горизонтальной плоскости под углом широты местоположения, расположенный в отраженном потоке излучения конический отражатель 3, имеющий центральное отверстие 4 и криволинейную внешнюю зеркальную поверхность 5, фокус которой совпадает с центром 6 кривизны сферического зеркала 1, и установленный на приводной поворотной ферме 7 с возможностью ориентации своей оси в направлении, совпадающем с продолжением линии, соединяющей центр солнечного диска и центр 6 сферического зеркала 1 , и неподвижный приемник 8 излучения, расположенный р фокусе конического отражателя 3.

а верхняя выполнена приводной и установлена на .ободе с возможностью вращения относительно вертикальной эси, проходящей через центр кри- зизны сферического зеркала.

Фокусирующий коллектор солнечной энергии снабжен отражательным кассе греновским и рефракционным концентраторами 9 и 10 соответственно,

софокусными коническому отражателю 3 и закреплёнными на поворотной ферме 7 по разные с последним стороны относительно приемника 8 излучения, и кольцевым выпуклым сферическим

отражателем 11 (фиг.2) с опти- чески с ним связанным зеркальньм конусом 12, расположёнными коаксиапь- но коническому отразателю 3,софокусными с ним и закрепленными на поворотной ферме 7 с внутренней стороны конического отражателя 3, причем рефракцирнный концентратор 10 выполнен в виде оптически соосных плоско- выпуклой 13 и плосковогнутой линз

14, а в гиперболоиде 15 отражательного кассегреновского концентратора 9 выполнено центральное отверстие 16 и плосковогнутая линза 14 распо- ,ложена в этом отверстии 16.

Целесообразно, чтобы образующие поверхностей концентраторов 9 и 10, отражателей 3 и 11 и конуса 12 бьши выполнены в соответствии со следующими уравнениями:

для конического отражателя 3

X

R г. . sin 2 (p-Q)

ТТГГо I 01 п 7 Г7О-Р

2 cose

у R 51П0

sin 2 (20-р.)

sin 2 (fi-Q) . sin 2 (

cos

р (0),

° Ф(0) аеоа0-Ь(еоа6) -(сео99 с) а 3 °

. (у{(Eogб f- gPog0+ь)45

-кц((ео 9Л|ЗРо 0+и)-р,

где а 2,97376;

b 0,255737;

с 0,205587;

d 0,0904155;

f 1,82801;

g 1,60789;

h 1,97494;

k 0,246541;

t 3,65602;

m 1,60789;

n 2,70408;

p 1.22642; j-x 0,830384,

y 0,3851,

rxj 0,585203 y 0,029696.

для отражательного ка концентратора 9

параболоид 17

у2 -0,570392 (х-

/х -0,46 .

1у 0,3851rxg -0,2086026 iy 0,07005, гиперболоид 15

у2 0,327036 Ux+ - 0,022112 ;

гх„ -0.363956

у 0,07005,

,-Xg -0,321265

у 0,0111511,

для рефракционного ко плосковыпуклая линза

(х+0,481613)2 + у2

Г. -0,7 1у 0,07005;

|х -0,710959

° плосковргнутая линза

(х+0,2731)2 + у2 jx -0,317971 ty 0,0108;

rxg -0,319265

°

для кольцевого выпуклкого отражателя 11

(х-И,33238)2 + (у 4,97094;

гх 0,830384

у О,3851;

гх 0,793318

1у - 0,254182, для зеркального конус

у 1,7882х - 0,98

{

х 0,869114

0,0440965; х 0,835488 у 0,004458,

232137

где X, у

10

Г5

20

25

-4

- текущие значения обра- зую1цих поверхностей концентраторов 9 и 10, отражателей 3 и 11 н конуса 12 коллектора в декартовой системе координат;X , у - значения координат ниж n

ней границы образующих поверхностей концентраторов 9 и 10, отражателей 3 и 11 и конуса 12 коллектора по отношению к его сферическому зеркалу 1 единичного радиуса;

X , Уц - значения координат верхней границы образующих поверхностей концентраторов 9 и 10, отражателей 3 и 11 и конуса 12 коллектора по отношению к его сферическому зеркалу единичного радиуса;

Q- центральный угол ох- ватываемь1й сферическим зеркалом 1 коллектора в текущей точке криволинейной внешней зеркальной поверхности 5 конического отражателя 3, оптически взаимодействующей со сферическим зеркален 1J

R - радиус кривизны сферического зеркала 1 коллектора.

Сферическое зеркало 1 (фиг.1) дд выполнено в виде полусферы из двух частей 18 и 19, состьпсованных между собой по горизонтальной плоскости с помощью обода 20, причем нижняя часть 18 закреплена на фундаменте 21, ., а верхняя часть 19 выполнена приводной и установлена на ободе 20 с возможностью вращения относительно вертикальной оси, проходящей через центр 6 кривизны сферического зер- g кала 1.

Приемник 8 излучения (бойлер) состоит из наружной сферической оболочки 22 (фиг.З) и концентричной внутренней сферической оболочки 23 55 Прямой водяной впускной трубопровод 24 проходит через наружную оболочку 22 и входит во внутреннюю оболочку 23. Пар выходит из внутренней обо30

35

лочки 23 в пространство между внутренней 23 и наружной 22 оболочками в точке, противоположной впуску воды, через короткий внутренний трубо- провод 25 и ограничивается ребрами между внутренней 23 и внешней 22 оболочками поступая по спиральному пути к точке, смежной с водяным впускным трубопроводом 24, где он входит в выпускной паропровод 26, вставленный в наружную оболочку 22. Выпускной паропровод 26 проложен параллельно водяному впускному трубопроводу 24 и в контакте с ним. Тру- бопроводы 24 и 26 изолированы, и изоляция покрыта кожухом 27, который своим нижним концом установлен в фундаменте 21 в виде бетонного кольца. Полностью изолированные паро- провод 26 и водяной трубопровод 24 проходят через фундамент 21 к точке снаружи насыпи 28, где они соединяются с трубопроводной системой коллекторного поля 29 (фиг.4), ведущей к центральному аккумулятору 30 пара. Центральная линия кожуха 27 (фиг.З) совпадает с диаметром плоскости, определяемой срезом 2 (фиг.1), а сам кожух 27 поддерживается ножками 31 и распорками, идущими с обеих сторон назад к краю полусферы (не показаны) Вода накачивается в бойлер цирку- ляционным насосом 32 (фиг.4), прикрепленным к центральному аккумулятору 30 пара, а пар из бойлера выходит в аккумулятор 30 пара. Первая группа 33 фокусирующих коллекторов обслуживается аккумулятором 30 пара. Пар из аккумулятора 30 вьтускается и проходит при постоянном давлении через вторую группу 34 фокусирующих коллекторов, где он перегревается перед использованием в системе 35 турбины 36. После частичного расширения в турбине 36 некоторая часть пара может быть выпущена и повторно нагрета в третьей группе 37 фокусирующих коллекторов. Три группы 33, 34 и 37 фокусирующих коллекторов образуют коллекторное поле 29, которое действует как дополнительный источни тепла для паротурбинной энергетической установки на ископаемом топливе.

Поворотная ферма 7 может качать.ся под прямым углом к центральной линии кожуха 27 (фиг.З), а также может поворачиваться вокруг основной оси.

, 5 0 5 Q

5

5

0

5

0

соответствующей центральной линии кожуха 27. Эти перемещения достигаются за счет обода 38, который окружает приемник 8 излучения и поддерживается диаметрально противолежащими полыми валами 39 и 40. Нижний полый вал 39 может поворачиваться на подщипниках вокруг кожуха 27, а другой полый вал 40 может поворачиваться вокруг изолированного щтыря 41, выступающего из приемника 8 с другого конца. В ободе 38 перпендикулярно кожуху 27 расположены штыри 42 (фиг.5), и ферма 7 качается на этих штырях 42 на подщипниках 43.(Крепление экваториального типа, обеспечивает поддержание направления фермы 7 на солнце).

Единый блок привода (не показан) на бетонном кольце у края полусферы приводит ферму 7 во вращение и качание и содержит небольшой электрический двигатель, который снабжен тормозом динамометрического типа на вихревых токах и приводит в действие солнечную шестерню планетарной передачи практически без нагрузки, и идентичный двигатель, оборудованньй аналогично, который приводит в действие кольцевую шестерню передачи. В зависимости от относительных скоростей двух двигателей (изменяемых степенью торможения вплоть до полной нагрузки) ведущий вал передачи можно заставить вращаться с приемлемой медленной скоростью либо вперед, либо назад. Ведущий вал приводит через Червячную коробку передач с двойным понижением и группу кони- ческих шестерен приводной вал 44 иг.5), вращающийся в подшипниках, установленных в кожухе 27. Зубчатое колесо 45 на конце приводного вала 44 приводит в движение 180-градусное внутреннее зубчатое колесо 46, прикрепленное к пустотелому валу 39, вызывая, таким образом, поворот фермы 7 вокруг основной оси. Вращение вокруг основной оси в течение дня должно быть непрерывным со средней скоростью 15° в час, а поворот вокруг оси качания, согласованный с положением солнца в течение года, необходимо производить периодически - одна регулировка.каждые 15 мин ограничивает отклонение оси конуса максимум до 15 дуги, что создает незаметное для глаза смещение круга (изображения солнца) на приемнике 8

7 . 1

излучения. Вращение вокруг оси качания на подшипниках 43 достигается за счет зубчатого зацепления между червячным колесом 47 и червяком 48 и половины цилиндрической прямозубой шестерни 49 на кожухе 27. Зубчатая передача, .которая поддерживается кронштейнами на ободе 38, состоит из цилиндрического колеса 50, бегущего по шестерне 49 и группы 51 конических колес, передающих движение под прямьм углом к реверсирующей коробке передач 52 с соленоидным включением другой группе 53 конических шестерен, которая, в свою очередь, через реверсирующую коробку передач передает движение снова под углом 90 к солнечной шестерне (не показана) планетарной передачи 54 с основным отношением -1. Кольцевая шестерня планетарной передачи 54 не сцеплена с колесами на ведущем валу, но, когда требуется регулировка,она может быть заблокирована защелкой с соленоидным приводом (не показаны). Это заставляет ведущий вал планетарной передачи 54 вращаться, что приводит в движение червяк 48,сцепленный с червячным колесом 47, вызывая, таким образом, качание фермы 7. Поскольку ферма 7 полностью сбалансирована, то для перемещения требуется очень малая мощнос ть.

Приемник 8 излучения окружен экраном 55 (фиг.З), уменьшающим поте-, ри тепла, и представляет собой сферическую металлическую оболочку,окружающую приемник 8 и поддерживающую пустотелые валы 39 и 40. Поверхность экрана 55 (фиг.6) совпадает с окружностью наименьших помех, полученной в точке пересечения поверхности 56 огибающей периферийных лучей, отраженных от основания конического отражателя 3, с аналогичной поверхностью 57 огибающей периферийных лучей, отраженных от вершины конического отражателя 3. Внутренняя поверхность экрана посеребрена, кроме двух диаметрально противоположных удлиненных щелей 58, которые пропускают излучение от конического отражателя 3, концентраторов 9 и 10 и отражателя 11 с зеркальным конусом 12. Щели 58 закрыты окнами из плавленого кварца с многослойной диэлектрической пленкой для уменьшения потерь на отражение. Наружный край пустотелого вала 39 снабжен уплотнитель32137-8

ным устройством 59 типа сальниковой коробки напротив кожуха 27 для обеспечения воздухонепроницаемого уплотнения.

5 Диаметр изображения Солнца на приемнике 8 излучения составляет 86 см для сферического зеркала 1 диаметром 20 м. Кроме того, круг наименьшей помехи возникает на расстоя10 НИИ 80 см по оси X (фиг.2) от центра 6 сферического зеркала 1.

Окружность круга наименьшей помехи совпадает с поверхностью сферы диаметром 1,76м (для полусферы

15 диаметром 20 м) и это определяет диаметр теплового экрана 55.

Подложка конического отражателя 3 выполнена из жесткого самозатвердевающего полиуретанового пенопласта

20 толщиной 10 мм. Плотность пенопласта 185 кг/м ,общий вес подложки 98,4 кг. Подложка может быть отлита за один прием. На внешнюю поверхность

5отражателя 3 осаждается в вакууме 25 серебряная отражающая поверхность,

защищенная чистой акриловой пленкой, полимеризующейся на месте.

Кольцевой выпуклый сферический отражатель 11 выполнен с коническим 30 отражателем 3 за одну операцию литья.

Подложка зеркального конуса 12 представляет собой стекло толщиной

6мм, внутренняя поверхность которого посеребрена. Серебряная пленка защищена покрытием из алифатической полиуретановой краски.

Параболоид 17 кассегреновского концентратора 9 выполняется аналогично из того же материала, что и конический отражатель 3. Гиперболоид 15 этого концентратора 9 выполняется одинаково с зеркальным конусом 12.

Плоековыпуклая линза 13 имеет по краю толщину 6,96 см (для полусферы диаметром 20м), а плоская задняя часть ступенями идет внутрь, образуя серию концентрических зон, для уменьшения веса. Линза 13 отливается из метилметакрилата с коэффициентом преломления 1,49, дающим фокусное расстояние для параксиальных лучей 4,6805 м.

Плосковогнутая линза 14 выполнена из стекла с коэффициентом прелом- 55 ления 1,46 и для полусферы диаметром 20 м и имеет по краю толщину 3,29 см, в середине 2,0 см. Ее фокусное расстояние 1,0036 м.

35

40

45

50

9

Фокусирующий коллектор солнечной энергии работает следующим образом. На рассвете любого дня года ось фермы 7 совмещается с точкой горизонта, где ожидается центр солнечно- го диска. При восходе солнца включается вращение фермы 7 со скоростью равной скорости вращения Земли относительно солнца в данное время

года.

Так как ось вращения наклонена к горизонтали на угол, равный широте местоположения, вращение поддерживает ось коническогр отражателя 3 (фиг.1) направленной в центр солнеч- ного диска, когда последний перемещается по небу, при условии, что угол между осью отражателя 3 и осью вращения изменяется в течение дня через каждые 15 мин (или около это- го) так, чтобы он в любое время сохранялся, по существу, равным склонению солнца. Коррекции скорости вращения и угла оси выполняются в течение дня автоматически в ответ на сигналы с датчика на ферме 7 (не показан), состоящего из ряда термопар, установленных по кольцу вокруг огибающей отраженных лучей в некоторой точке между коническим отражателем 3 и тепловым экраном 55. Когда ось отражателя 3 ориентирована правильно огибающая лучей в любой точке имеет круглое сечение и проходит через кольцо термопар, не задевая ни одной из них. Если возникает отклонение, огибающая искажается, и некоторые из термопар будут нагреваться, вызывая протекание токов в связанных цепях. Эти токи подаются на микропроцессор (не показан), который определяет, из какого сегмента кольца они возникают и какое корректирующее действие требуется для восстановления окружности, а затем подает соответст- вующие сигналы на схемы, управляющие током двигателей, тормозов на вихревых токах и соленоидов (не показаны) Как только окружность восстанавливается, сигналы с датчиков исчезают и корректирующее действие прекращается. Вращение с постоянной скоростью продолжается до тех пор, пока кольцо датчиков не вызовет следующей коррекции.

Когда работает коллекторное поле 29 (фиг.4), то датчиками, микро

j

10

5 20 25 зо .,

5

0

0

5

137,0

процессором и схемами управления оборудуют только одни фокусирующий коллектор, а цепи управления обеспечивают работу других коллекторов в поле 29 аналогично основному.

Когда ось конического отражателя 3 (фиг.1) довольно точным образом отслеживает солнце, верхняя часть 19 сферического зеркала 1 также независимо перемещается вокруг своей оси т.е. в любое время дня направлена на солнце. В результате этого практически непрерывно на протяжении дня ось закрепленных на ферме 7 концентраторов 9 и 10, отражателей 3, 11 и конуса 12 направлена в центр солнечного диска и для большей части дня они поддерживаются верхней частью 19 полусферы, которая представляет зону, охватывающую дугу 127 в центре 6 полусферы. Таким образом, для большей части дня все прямое излучение солнца концентрируется в круговой области величиной ТГ (R sin 63,5) ед., нормальной к солнечным лучам, в центре 6 полусферы за вычетом потерь на отражение и другие потери в центральном подвижном приемнике 8 излучения. Это излучение поглощается приемником 8 и преобразуется в тепло, которое в виде насыщенного пара .при 40,8 атк передается к центральному аккумулятору 30 пара (фиг.4). Циркуляционный насос 32 подает воду к приемникам 8 в поле 29 концентраторов. Насыщенный пар выходит из аккумулятора 30 и проходит при постоянном давлении через другие фокусирующие коллекторы, где он перегревается до 455 С. При этих условиях пар пригоден для использования в турбине 36 тепловой энергостанции мощностью до 30 МВт.

Предложенный фокусирующий коллектор солнечной энергии целесообразио использовать в качестве единичного модуля коллекторного поля для обслуживания котлов энергостанции на ископаемом топливе. При этом, солнечное излучение наиболее полно преобразуется фокусирующим коллектором в тепло вследствие устранения затенения его концентрирующих излучение элементов. Предложенный коллектор применим также и для получения промышленного тепла.

7 фие.2

(ffl/9.5

a

fuf.S

0.05.

56

0,Tff

Редактор Л. Веселовская

Составитель П. Шендерович

Техред В.Кадар Корректор М. Максимишинец

Заказ 2664/60

Тираж 649Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4