Высокотемпературная солнечная печь Советский патент 1992 года по МПК F24J2/00 

Изобретение относится к гелиотехнике, более конкретно - к высокотемпературным солнечным печам и может быть использовано в металлургии, в полупроводниковой промышленности - для получения сверхчи стых металлов и полупроводников.

Известны солнечные высокотемпературные печи, содержащие концентратор солнечного излучения, высокотемпературную камеру с теплоизоляцией и системой охлаждения, и систему слежения гелиокон- центратора за солнцэм.

Эти устройства имеют следующие недостатки:

необходимость слежения гелиоконцен- тратора за солнцем, усложняющая конструкцию и условия эксплуатации печи и

понижающая ее общий КПД из-за необходимости дополнительного энергетического обеспечения этой системы;

наличие большого теплоизолирующего слоя высокотемпературной камеры печи, су- щественно ухудшающего весогабаритные характеристики печи;

снижение температуры нагреваемых образцов и общего КПД использования солнечного потока, собираемого гелиоконцент- ратором, из-за больших тепловых потерь, обусловленных лучистой теплопроводностью нагреваемого образца.

Действительно, фокусировка солнечного излучения в известных солнечных печах осуществляется вогнутыми сферическими симметричными зеркалами или сферически

VI 00

СП

симметричными линзами, расположение фокального пятна которых зависит от положения солнца. Поэтому для постоянной фокусировки света на нагреваемый образец такая высокотемпературная печь должна иметь систему слежения за солнцем, которая усложняет конструкцию и эксплуатацию печи и, кроме того, требует дополнительного энергоснабжения, что уменьшает общий КПД печи. Кроме , Снижение общего КПД печ#гГрШБхЩйТ§тгавестных системах и из-за радиационных потерь через оптическое окно высокотемпературной камеры, сквозь которое солнечное излучение заводится внутрь камеры.

В процессе нагревания образца в высокотемпературной камере печи, внутренняя поверхность стенки камеры также существенно нагревается за счет лучистой теплопроводности образца. Это приводит с одной стороны к уменьшению КПД печи, а с другой- к необходимости введения в конструкцию высокотемпературной камеры толстого слоя теплоизоляции (для обеспечения эксплуатации печи), что ухудшает весогаба- ритные характеристики печи.

Все эти недостатки снижают КПД использования солнечного потока, собираемого гелиоконцентратором печи, снижают температуру нагрева образца и общий КПД всей системы, ухудшают весогабаритные характеристики печи и усложняют ее эксплуатацию.

Наиболее близкой из известных к заявляемой является солнечная высокотемпературная печь, выбранная за прототип, которая содержит гелиоконцентратор, выполненный в виде зеркального параболоида с системой слежения за солнцем, светопроводный элемент для подвода солнечного потока к нагреваемому образцу, выполненное в виде цилиндрической трубки с внутренним зеркальным покрытием, высокотемпературную камеру с теплоизоляцией и системой охлаждения. Известная солнечная печь благодаря многократному отражению света в светопроводном устройстве Тюзйоляет канализировать солнечный свет из области фокуса параболоида к нагреваемому образцу по светопроводу, формирующему практически однородное распределение мощности светового потока по радиусу светового пятна на образце.

Недостатками известного устройства являются:

необходимость слежения гелиоконцен- тратора за солнцем, усложняющая конструкцию и условия эксплуатации печи, и снижающая его общий КПД;

большие потери солнечного потока, собранного гелиоконцентратором печи, приводящие к снижению температуры нагреваемого образца и уменьшению КПД

использования гелиоконцентратора;

необходимость использования толстого слоя теплоизоляции высокотемпературной камеры печи, приводящая к ухудшению ее весогабаритных характеристик.

Расположение фокального пятна пара- болоидного зеркала гелиоконцентратора известной печи меняется в зависимости от угла падения на него солнечных лучей. Поэтому система фокусировки солнечного излучения на нагреваемый образец включает в себя систему слежения гелиоконцентратора за солнцем. Использование такой системы усложняет конструкцию и эксплуатацию печи.

При установлении теплового равновесия в высокотемпературной камере известной печи температура внутренней поверхности стенки камеры будет достаточ- но высокой. Поэтому такая камера для обеспечения ее эксплуатации требует толстого слоя теплоизолирующего материала, использование которого приводит к ухудшению весогабаритных характеристик.

Кроме того, из-за поглощения стенкой

камеры большой части теплового потока, излучаемого нагретым образцом, и нагревания толстостенной стенки камеры значительная часть используемой в печи энергии солнечного излучения теряется, что

приводит к снижению общего КПД печи. К уменьшению КПД в известной печи приводит и использование светопроводного устройства в виде трубки с отражающей внутренней поверхностью, так как при многократном отражении света от стенок свето- провода, имеющего коэффициент отражения 1, значительная часть световой энергии теряется из-за поглощения ее в стенках.

Целью изобретения является повышение температуры нагрева (а, следовательно, и солнечной печи), снижение ее весогабаритных характеристик и упрощение ее конструкции и эксплуатации.

Указанная цель достигается тем, что в высокотемпературной солнечной печи, содержащей гелиоконцентратор. оптически сопряженный с ним светопроводный элемент и камеру нагрева, камера нагрева вы- полнена в виде сферы с зеркальной внутренней поверхностью, в центре которой размещена высокотемпературная герметичная и оптически прозрачная

сферическая оболочка, с нагреваемым образцом внутри, а светопроводный элемент выполнен в виде жгута вопоконных световодов, выходные концы которых введены внутрь камеры нагрева.

В предлагаемой конструкции солнечной печи в результате использования составного гелиоконцентратора и конструкции высокотемпературной камеры нового типа, а также благодаря новой конструкции связи между ними, общий КПД печи по использованию солнечного света, собираемого гелиоконцентратором для нагрева образца существенно возрастает. Предлагаемая солнечная печь может работать без слежения ее гелиоконцентратора за Солнцем в течение нескольких часов в день, что значительно упрощает ее конструкцию и эксплуатацию и дополнительно повышает ее КПД. Значительно улучшаются весогабаритные характеристики печи.

Действительно, в известной солнечной печи - прототипе радиационные потери Qn составляют

Qn ,

, где а- постоянная Стефана-Больцмана;

Т - температура нагреваемого в печи образца;

Е- его интегральный коэффициент черноты;

S - площадь поверхности.

При использовании зеркального покрытия внутренней стенки камеры, а также сферической формы камеры, образца, его оболочки и их гомоконцентричности, как это имеет место в солнечной печи предлагаемой конструкции, радиационные потери образца Qn можно оценивать следующей формулой

Qn aT/ieS 5

(2)

где коэффициент 5 1 и определяется отражательной способностью зеркала камеры и поверхности образца

А-Г 1 - ГЗ ( 1 - Гобр ) °-1 П1-ГЗТобр

(3)

Здесь гз и Гобр - соответственно коэффициенты отражения зеркальной поверхности камеры и нагреваемого образца. Легко видеть, что, например, при г3 - 0,95 и г0бр 0,4 $ 0,08, то есть теплопотери образца уменьшаются в 12,5 раз. что приводит к существенному росту общего КПД использования

солнечного света, собираемого гелиоконцентратором. ,

Для получения высокого коэффициента отражения внутреннюю зеркальную повер- 5 хность печи необходимо охлаждать, отводя от нее поток тепТГа Qn1 « Qn. Поэтому, традиционная теплоизолирующая оболочка, используемая в известных солнечных печах в предлагаемой конструкции не нужна, что

10 существенно улучшает весогабаритные характеристики печи.

Кроме того, использование волоконных световодов вместо отражательной трубки (как в прототипе) также значительно умень15 шает энергетические потери устройства. Действительно,- если в известном устройстве - прототипе из-за многократного отраже- ния света от внутренней зеркальной поверхности светопроводной трубки теря20 ется от 50 до 90% падающего излучения, то в современных кваТ5цё въПГсТеТо §Ьдахпотери настолько малы, что практически ими можно пренебречь. Следует отметить, что нарушение целостности зеркальной повер25 хности камеры из-за сквозных отверстий в стенке камеры используемых для ввода в нее световодов, практически не снижает эффективности отражения зеркальной поверхности, так как суммарная площадь

30 световодных торцов существенно меньше площади зеркальной поверхности камеры, Кроме того, в предлагаемой конструкции печи может быть использован гелиокон- центратор специального типа,

35 позволяющий отказаться от системы слежения гелиоконцентратора за солнцем. Для этого, в качестве примера, може т быть использован составной гелиоконцентратор, состоящий из большого параболоидного

40 зеркала, обращенного к нему малого параболоидного зеркала и параболоторического фокона, причем все эти зеркальные элементы расположены на одной оптической оси и находятся в оптическом напряжении, а в

45 выходном окне фокона расположен входной торец светового жгута, на поверхность которого фоконом - как конечным элементом гелиоконцентратора, фокусируется падающий поток солнечного излучения. Известно,

50 что параболоторический фокон за одно от- ргжение фокусирует падающий на его входное окно параллельный пучок лучей в плоскость его выходного окна, если угол Между направлением пучка и осью фокона

55 ас не превышает параметрический угол фокона On .

В предлагаемой конструкции гелиоконцентратора два оптически сопряженных па- раболоидных зеркала формируют

практически параллельный пучок лучей, который направляется через отверстие в большем зеркале на входное окно фокона. По мере движения Солнца, угол падения лучей к оси фокона меняется, однако, при а п- 5-10° и ориентации оси гелиоконцентрато- ра на дневной зенит, в течение нескольких часов в день изменение угла а не будет превышать ±«п , что обеспечивает на это время постоянство фокусировки света в печи и, соответственно, ее непрерывную работу без слежения гелио кон центратора печи за Солнцем.

Отметим, что конструкция гелиоконцен- тратора предлагаемой солнечной печи позволяет получать одновременно высокую степень концентрации солнечного излучения (104), обеспечивающую высокотемпературный нагрев образцов, и автономность системы фокусировки солнечного излучения, обусловленную стабильностью указанного уровня фокусировки, без слежения гелиоконцентратора печи за Солнцем.

Действительно, хотя фокусировка солнечного излучения на образце одним фоко- ном также позволяет, в принципе, получать на протяжении нескольких часов в день стабильную концентрацию солнечного света без слежения за Солнцем, однако, уровень концентрации такой фокусирующей системы, состоящей только из одного фокона (Јфак) существенно ниже, чем в солнечной печи предлагаемой конструкции. Так как для фокона

Јфак ,

то при углах On 5-10°, обеспечивающих непрерывную работу фокона в течение нескольких часов в день без слежения за солнцем, Јфок 130-33. Но, для получения высокотемпературного нагрева до (2-3) . хЮЗ К нужна существенно более высокая концентрация солнечного излучения ( 5:103). Кроме того, еще одним существенным недостатком фоконов является их большая глубина Н,равная

H/d 0,5(1 + 1/slna)ctg an (4)

где d - диаметр выходного (малого) окна фокона. Поскольку при Оп 5-10°; H/d-71- 19, то для фоконов с диаметром входного (большего) окна равным D - 2 м, что обеспечивает приемлемую для небольшой солнечной печи мощность солнечного потока на уровне 2-3 кВ, d D sin On 18-35 см и глубина фокона достигает чрезвычайно большей величины Н - 13-6,6 м. Даже при

0

5

0

использовании усеченных на 50% по глубине фоконов степень концентрации при этом падает, но не слишком резко, составляет от 7,5 до 3,3 м. Столь большие размеры необходимых даже для таких маломощных печей фоконов приведут к очень большой их массе и стоимости, и чрезвычайной сложности эксплуатации таких печей, и, таким образом, к практической непригодности фоконов в качестве единственного фокусирующего зеркала высокотемпературной солнечной печи. В то же время, использование предлагаемой конструкции солнечной печи, в которой фокон является лишь одним из 3-х зеркал гелиоконцентратора, позволяет при этом же внешнем диаметре 2 м, собирающего зеркала 3-х зеркального гелиоконцентратора, т.е. большего параболоида, получить концентрацию солнечного излучения в выходном окне фокона Ј, 104. При этом диаметр d его выходного окна будет 2м „,

равен d:

см, а глубина полноразмер5

0

5

0

5

0

5

ного фокона при тех же уровнях ан 5-10° составит уже-, 4-0,4 м, а для усеченного на 50% по глубине фокона от 70 до 20 см, соответственно. Реализация таких зеркал уже вполне реальна.

Таким образом, конструкция гелиоконцентратора предлагаемой солнечной печи, позволяет использовать эффективную автономную систему фокусировки солнечного излучения, не требующую энергозатрат для слежения за солнцем, и, следовательно, увеличивающую общий КПД печи и упрощающую его конструкцию и эксплуатацию.

Важным существенным признаком предлагаемой солнечной печи является наличие герметичной, высокотемпературной и прозрачной для солнечного излучения оболочки нагреваемого образца, обеспечивающей защиту зеркальной поверхности камеры нагрева и выходных торцов световодов от осаждения на них паров нагреваемого образца и, таким образом, обеспечивающей работоспособность печи.

Действительно, используемая в конструкции предлагаемой солнечной печи прозрачная цилиндрическая оболочка, в которую заключен нагреваемый образец, имеет принципиальное значение для работы печи, обеспечивая возможность ее работы. Столь важная роль оболочки образца обусловлена следующими физическими эффектами.

При высокотемпературном нагревании образца в отсутствии его герметичной оболочки будет происходить возгонка материала образца в пространство зеркальной

камеры нагрева. При этом пары образца, заполняя камеру нагрева будут осаждаться на холодной зеркальной стенке камеры, значительно уменьшая ее коэффициент отражения, что приведет к качественному снижению величины КПД печи и ее рабочей температуры. Однако принципиально важным при этом будет осаждение паров образца на выходных торцах световодов, по которым в камеру нагрева подводится солнечное излучение. Затемнение торцов световодов приведет к их значительному разогреву, так как практически вся энергия сфокусированного солнечного излучения будет чри этом поглощаться в веществе образца, осажденном на торцах световодов.

Действительно, пусть площадь выходного торца световодов равна S. Тогда мощность Р солнечного потока, проходящего через него равна

Р тЈ-5,

(5)

,2

где т 0,1 Вт/см - солнечная постоянная, Ј- концентрация солнечного излучения в ге- лиоконцентраторе (для печей | 103-10 ). Поскольку охлаждение торца световодов наиболее эффективно будет идти за счет теплового излучения (теплопроводность стекла мала) внутрь камеры и внутрь световодов, температуру торца (равновесную) можно оценить из уравнения

Р a T4-2S,

(6)

где а 5,7, Вт/см2.град, а коэффициент черноты материала образца считается равным 1. Подставляя в (6) соотношение (5) и использовав указанные значения т,Ји олегко получить, что равновесное значение температуры торца световодов Тр будет равно

,2- 103 К уже при Ј- 103

Отметим, что если материал образца имеет коэффициент черноты е 1, то Тр будет еще больше. Легко видеть, что до таких температур торец световодов не разогреется, так как он разрушится даже значительно раньше плавления (Т2теклан - 800 К) из-за очень сильных тепловых напряжений в световоде, возникающих при сильном его разогреве малой теплопроводности стекла. В результате это го процесса поступление солнечного излучения в камеру нагрева прекратится и печь работать перестанет.

Указанная оценка процесса разогрева световода оказывается справедливой и при

неполном (локальном) зачернении торца световодов, так как пропорционально площади зачернения торца меняется и поглощающийся на этой площади световой поток. 5 В результате оценка величины Тр не изменится.

Следует отметить, что даже создание в стенке камеры нагрева специального кана0 ла для ввода световодов с окном из самого тугоплавкого из известных оптических прозрачных материалов - сапфира ТПлавл. 2050°С) не позволит работать предлагаемой солнечной печи без прозрачной герме5 тической оболочки нагреваемого образца. Действительно при этом материал образца (пары) будет осаждаться на самом сапфировом окне, вызывая его нагревание благодаря описанному выше эффекту. При этом, уже

0 при достижении сапфиром локальной температуры 800-900°С, он по оптическим свойствам становится, как известно, близок к абсолютно черному телу - то есть сапфировое окно само начнет поглощать падаю5 щее на него солнечное излучение, что приведет к его дальнейшему нагреву и разрушению благодаря тепловым напряжениям.

0 На фиг. 1 изображена схема конструкции световодной солнечной печи; на фиг. 2 - схема хода лучей в поперечном сечении гелиоконцентратора печи, рассмотренного в качестве примера.

5 Световодная солнечная печь содержит (фиг. 1) гелиоконцентратор, состоящий из трех оптически сопряженных зеркал: 1 (большее параболоидное), 2 (меньшее пара- болоидное)и 3(параболоторический фокон

0 с внутренней зеркальной стенкой), фокусирующих падающий на зеркало 1 поток 4 солнечного излучения на плоскость выходного окна фокона 3, светопроводный элемент, выполненный в виде жгута

5 волоконных световодов 5, входные торцы которых расположены в фокусе фокона 3, а выходные - введены в сферическую высокотемпературную камеру 6 через сквозные отверстия 7 в стенки камеры 6, внутренняя

0 поверхность которой имеет зеркальное покрытие 8, нагреваемого сферического образца 9 и его прозрачной сферической герметичной оболочки 10, расположенных так, что камера 6, образец 9 и его оболочка

5 10 гомоцентричны. Большее параболоидное зеркало 1 имеет круговое отверстие при вершине, размеры которого обеспечивают оптическое сопряжение зеркал 1, 2, 3.

Световодная солнечная печь работает следующим образом.

Параболоидное зеркало 1 направляет (фиг. 2) поток падающего на него солнечного излучения 4 на зеркальную поверхность сопряженного с ним параболоидного зеркала 2. Благодаря софокусности зеркал 1 и 2 зеркало 2 формирует практически параллельный пучок солнечных лучей, направленный на входное окно фокона 3. Фокон фокусирует падающее на его входное окно солнечное излучение в плоскость его выходного окна - на входные торцы жгута волоконных световодов 5, проходя которые, солнечное излучение направляется через выходные торцы световодов на прозрачную оболочку 10 и через нее - на нагреваемый образец 9. Нагреваясь, образец излучает часть тепловой энергии за счет лучистой теплопроводности, однако, благодаря сферической камеры 6, оболочки 10 и образца 9, их гомоцентрич- ности и зеркальному покрытию 8 внутренней поверхности камеры печи, это излучение отражается назад к образцу 9 и вновь поглощается в нем, так что величина радиационных потерь при этом незначительна.

Из-за суточного движения Солнца угол а между параллельным потоком лучей от зеркала 2 к фокону 3 и оптической осью фокона меняется (см. фиг. 2, где 4,4 и 411 - потоки солнечных лучей падающих под разными углами к оси), однако изменение а. в пределах параметрического угла фокона (± ап) благодаря его оптическим свойствам не приводит к расфокусировке гелиокон- центратора в течение 4-5 ч 6 день и позволяет работать предлагаемой солнечной печи непрерывно, без слежения ее гелио- концентратора за Солнцем.

В качестве конкретного примера выполнения предлагаемой конструкции высокотемпературной солнечной печи в табл. 1, 2 приведены некоторые параметры такого устройства и сделанного по ним расчета переплава кремниевой сферической заготовки. Для сравнения, в табл. 2 приведены некоторые параметры для аналогичной солнечной печи, но без зеркального внутреннего покрытия высокотемпературной камеры. Как видно из приведенного расчета, КПД ( г) солнечной печи, равный

Is

энергия на (нагрев+расплав) образца

энергия на (нагрев +расплав) образца + радиационные потери)

для предлагаемой зеркальной солнечной печи составляет (ц3)

2,5 10

,6

(2,5 +0,3).106

;90%

вто время как для печи той же конструкции. -|Q но без зеркального покрытия камеры §нъ

э

2.5 10е

(2,5+3,7).106

40%

Таким образом за счет снижения радиационных потерь раз общий КПД печи с зеркальным покрытием внутренней поверхности высокотемпературной камеры оказывается больше, вдвое выше по сравнению с аналогичной печью, но без зеркального покрытия. Кроме того, дополнительный рост КПД печи предлагаемой конструкции будет иметь место за счет малых радиационных потерь через световод- ные окна связи, относительная площадь которых по сравнению с площадью зеркального покрытия камеры составляет всего Ю 3 (см. табл. 1). При солнечном разогреве образца через сравнительно большое оптическое окно камеры (как это имеет место в известных солнечных печах) такие потери существенно выше.

ц, наконец, общий КПД печи дополнительно возрастает из-за ненужности использования специальной системы слежения за Солнцем, требующей дополнительного энергообеспечения.

Следует отметить также, что использование специальной герметичной прозрачной оболочки образца позволяет проводить его переплав в вакууме и в газовой среде специального состава, что расширяет возможности использования предлагаемой солнечной печи.

Формула изобретения Высокотемпературная солнечная печь, содержащая гелиоконцентратор, оптически сопряженное с ним светопроводное устройство и камеру нагрева, отличающаяся тем, что, с целью повышения температуры нагрева, камера нагрева выполнена в виде сферы с зеркальной внутренней поверхностью, в центре которой размещена высокотемпературная герметичная и прозрачная для солнечного излучения сферическая оболочка с размещенным внутри нее нагревавмым образцом, а светопроводное устройство выполнено в виде жгута волоконных световодов, выходные концы которых введены внутрь камеры нагрева.

Использование: гелиотехника, солнечная металлургия. Сущность изрбретения- солнечная печь содержит гелиоконцентра- тор, состоящий из трех оптически сопряженных зеркал 1-3, фокусирующих солнечное излучение 4 на плоскость выходного окна фокона 3, в котором размещен светопроводный элемент, выполненный в виде жгута волоконные световодо в 5, выходные торцы которых введены в сферическую высокотемпературную камеру 6 через сквозные отверстия 7. Камера 6 имеет зеркальное покрытие 8. Гомоцентрично ей размещены сферическая герметическая оболочка 10 и нагреваемый элемент 9. Параболическое зеркало 1 имеет круговое отверстие при вершине, размеры которого определены размерами параболического зеркала 2, сопряженного с зеркалом 1 и фоконом 3. 2 ил., 2 табл. сл с

Переплав кремниевой заготовки в предлагаемой высокотемпературной солнечной печи

Параметры сферической заготовки

Параметры 3-х зеркального концентратора

Диаметр раскрыва большего пара- болоидного зеркала 1,6 м

Площадь раскрыва большого пара- болоидного зеркала 2 м2

Концентрация в 3-х зеркальном

гелиоконцентраторе Ј

ОО4

Коэффициент отражения зеркал концентратора

1 - 0,8; К2 0,9; К - 0,8; ( 0,585)

Мощность светового потока поступающего в световодный жгут 1,6 кВт

Количество световодов (с диаметром 150 мкм) в выходном окне фокона 1,2-10 шт.)

Таблица 1

Параметры зеркальной сферической печи

Радиус 6,5 см

Коэффициент отражения зеркального покрытия 0,95

Площадь зеркальной поверхности камер S, 0,5 103см2

Суммарная площадь отверстий в стенке камеры для световод- ной связи Sz 2 см2

Si

4-10

-j

Таблица 2