КОНЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 1995 года по МПК F24J2/10 

Изобретение относится к устройствам концентрации потока эл. магнитного излучения и может быть использовано, например, в космической технике для концентрации солнечной энергии.

Цель изобретения уменьшение габаритов концентрирующего устройства и улучшение его технологичности, а также повышение коэффициента полезного действия.

На фиг.1, 2 представлено концентрирующее устройство, общий вид; на фиг. 3, 4 расчетная схема, используемая при выводе уравнений отражающей поверхности полос концентрирующего устройства; на фиг.5, 6 концентрирующее устройство, линия концентрации которого располагается в стороне от отражающей поверхности.

Предлагаемое концентрирующее устройство, используемое в качестве концентратора солнечной энергии, содержит отражающую поверхность, выполненную в виде параллельных между собой полос 1 параболического сечения, размещенных на основании 2. Причем фокусы сечений лежат на одной прямой, образующей линию концентрации 3. При этом линия 3 параллельна полосам 1. В окрестности линии концентрации 3 располагается приемник энергии 4, ось которого 5 проходит вдоль линии 3.

При работе устройства отражающая поверхность КУ ориентируется на Солнце. Причем таким образом, чтобы плоскость, проходящая через верхние кромки полос 1, была перпендикулярна направлению солнечного излучения. При этом энергия солнечного излучения, падающего на устройство, концентрируется на прямой 3 (и, следовательно, на оси 5), воздействуя на приемник энергии 4.

Найдем зависимость, связывающую форму отражающей поверхности полосы 1 с параметрами ее положения на основании 2.

Проведем через верхние кромки полос 1 плоскость Q.

Из произвольной точки "А" на прямой 3 опустим перпендикуляр на плоскость Q, а точку пересечения полагаем началом системы координат OXYZ. Ось OZ проведем в плоскости Q вдоль направления полос 1. Ось OY проходит через точку "А". Ось ОХ образует с осями OY, OZ правую систему осей.

Рассечем отражающую поверхность плоскостью XOY. Тогда в сечении полосы 1, получим отрезок параболы ( CF), уравнение которой
Y a^. x² + b (1)
Выведем зависимости для расчета коэффициентов "а" и "b". Определим положение точки "С" параболы (1) как С(I,o). Тогда в точке "С" равенство (1) примет вид
О a^. I² + b. (2) Далее имеем
dy/dx y^' 2 a ^. x. И в точке "С"
y^'= 2 ^.a ^.I tg α. (3) С другой стороны, из закона отражения имеем:
tg( π/2 2 α) H₀/α I, (4) где Н₀ ОА (фиг.4).

Сопоставляя равенства (2), (3), (4), после преобразований получим
a ,
b .

(5) Тогда уравнение отражающей поверхности полосы 1 запишется как
Y X² + (6) при z₂ ≅ z ≅ z₁, I₂ I x I≅ I₁ (7) где z₁, z₂ координаты границ (точки А₁, А₂) фиг.3, отражающей поверхности;
I₁, I₂ расстояния от верхней и нижней кромок рассматриваемой полосы 1 до плоскости YOZ (I I₁).

Пусть по конструктивным соображениям (например, из соображений прочности концентрирующего устройства) заглубление полос 1 в основание 2 должно ограничиваться величиной h₀. Найдем зависимость I₂ I₂ (I₁, h₀, H₀). Имеем: для точки F, в соответствии с уравнением (6) можем записать
-h_ol22

+ . (8) Откуда, после преобразований,
l₂=l₁
(9) В качестве примера рассмотрим расчет уравнений полос 1 для отражающей поверхности, представленной на фиг.4, с габаритами: в направлении оси ОХ 10 м, в направлении оси OZ 3 м, Н₀ 1 м, h₀ 3 мм. Отсчет полос (i 1, 2, n) ведется от края отражающей поверхности в направлении "ОХ". Имеем
i 1, I₁ 5, h₀ 3 мм, Н₀ 1 м.

l₂=5 4,9963 м Ширина полосы 1 равна
I₁ I₂ 5000 4996,3 3,7 мм Уравнение поверхности полосы 1 имеет вид
Y X² + 0,08198 x²-2,04951 [м] (10) -1,5 м≅ z ≅ 1,5 м 4,9963м ≅ l x l ≅ 5 м. i2 l₁= 4,9963 м, h₀=3 мм, H_o=1 c l₂=4,9963 4,9926 м Ширина полосы 1 равна
l₁-l₂= 4996,3-4992,6= 3,7 мм Уравнение поверхности полосы 1 имеет вид Y X² + 0,08203 x²-2,04769 [м] (11) -1,5 м ≅ z ≅ 1,5 м 4,9926м ≅l x l ≅ 4,9963м. И так далее, до значения I₂I_2min, задаваемого из конструктивных соображений (в том числе I_2min 0).

Так как в действующих формулах переменная х присутствует только в виде х² или IxI, то формулы (10), (11), и т.д. действительны для полос (с той же нумерацией), отсчитываемых от противоположного края отражающей поверхности в направлении "+ОХ".

Как известно, парабола при практикуемом конечном угле 30^о-40^о, в 1,15-1,20 раза длиннее хорды, соединяющей ее концы. Это означает, что предлагаемое концентрирующее устройство в такое же число раз имеет меньшую площадь по сравнению с КУ-прототипом.

В случае небольших и средних (порядка нескольких метров) размеров устройство может быть выполнено как неразборное изделие. В случае создания КУ значительных размеров (порядка десятков метров) плоская форма концентрирующего устройства позволяет собирать его из ячеек одинаковой конфигурации и размеров, что существенно упрощает задачу как изготовления ячеек, так и их транспортировку и технологию сборки на орбите.

Возможность сборки концентрирующего устройства из ячеек одинакового типоразмера значительно упрощает технологию автоматизации этой операции.

Возможность размещения приемника энергии (вместе с опорными конструкциями, коммуникациями и т.д.) вне пределов отражающей поверхности КУ позволяет заметно увеличить степень использования падающей на КУ энергии, а следовательно, увеличить КПД установки в целом.

Предлагаемое техническое решение обладает следующими преимуществами:
возможность располагать, в отличие от прототипа, приемник отраженной солнечной энергии вблизи от отражающей поверхности позволяет упростить его монтаж и обслуживание, а также свести к минимуму размеры его коммуникаций и опорных конструкций;
если размеры отражающей поверхности КУ-прототипа заранее заданы и не могут быть увеличены, то предлагаемое техническое решение позволяет наращивать площадь отражающей поверхности неограниченно. Это позволяет последовательно наращивать мощность энергетики орбитальных объектов, существенно расширяя, таким образом, их технологические и исследовательские возможности.

Использование: в устройствах концентрации потока электромагнитного излучения. Сущность изобретения: устройство содержит отражаущую поверхность и приемник энергии, причем отражающая поверхность выполнена в виде параллельных полос, причем верхние кромки размещенных на основании полос выполнены в одной плоскости. 6 ил.

КОНЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее приемник энергии и концентратор, выполненный по меньшей мере из двух пар симметрично размещенных под углом на основании отражающих полос, причем рабочие поверхности пар ориентированы навстречу друг к другу, отличающееся тем, что, с целью повышения степени концентрации энергии и КПД устройства, меридиональное сечение концентратора имеет форму фрепелевской поверхности, причем, верхние кромки полос размещены в одной плоскости, а отражающая поверхность каждой полосы задается уравнением:

при Z₂ ≅ Z ≅ Z₁, l₂ ≅ l · l ≅ l₁,
где X, Y, Z координаты поверхности полосы относительно прямоугольной системы осей OXYZ, причем начало координат, точка 0, размещено в точке пересечения перпендикуляра, опущенного из точки на линии концентрации, и плоскости, проходящей через вершины верхних кромок полос, ось OY направлена вдоль перпендикуляра в сторону линии концентрации, ось OZ располагается по направлению полос, ось ОХ образует с осями OY OZ правую систему осей;
Z₁, Z₂ значения границ полосы по оси OZ;
l₁, l₂ расстояния от верхней и нижней кромок полосы до плоскости YOZ;
H₀ расстояние от точки 0 до линии концентрации;
при этом

где h₀ допустимое заглубление полосы в основание,
причем ось приемника энергии КУ располагается вдоль его линии концентрации.