Концентратор сонячної енергії

Реферат: Винахід належить до галузі використання сонячного тепла і може бути застосований для перетворення сонячної енергії в механічну, теплову та електричну енергію в різних галузях техніки, а також в побуті, зокрема, для підігріву води, опалення приміщень, приготування їжі. Концентратор сонячної енергії включає опорну поверхню у вигляді направляючих панелей в формі радіальних пелюсток з відбиваючими елементами. Відбиваючі конічні елементи знаходяться на направляючих панелях з двох сторін фокальної площини із змінним кутом до неї. Між відбиваючими елементами утворені проміжки, сумарна площа яких дорівнює або перевищує апертуру концентратора. Причому відбиваючі елементи з однієї сторони фокальної площини знаходяться напроти проміжків між відбиваючими елементами, що знаходяться з другої сторони фокальної площини. Винахід забезпечує зменшення вітрового навантаження на елементи концентратора, полегшення опорних конструкцій як самого концентратора, так і системи стеження за положенням Сонця, а також усунення небезпеки нанесення шкоди оточуючим предметам, птахам, тваринам та людині. UA 107277 C2 (12) UA 107277 C2 UA 107277 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі використання сонячного тепла і може бути застосований для перетворення сонячної енергії в механічну, теплову та електричну енергію в різних галузях техніки, а також в побуті, зокрема, для підігріву води, опалення приміщень, приготування їжі. Відоме використання для концентрації сонячної енергії суцільних сферичних та параболічних дзеркал (http://www.virtualracers.org/galery2/page/Dish_Stirling_Systems_of_SBP_in_Spain_JPG.htm) Такі системи дозволяють сконцентрувати в фокальній області сонячну енергію високої потужності, але при цьому мають велику парусність, що призводить до використання потужних опорних конструкцій, і, як наслідок, значних затрат енергії на забезпечення слідкування концентратора за положенням Сонця. Крім того, при поривах вітру система стеження може не витримати навантаження, і потужний потік енергії виходить за межі приймача випромінювання, і може нанести шкоду навколишнім предметам, птахам, тваринам і людині. Відомий концентратор сонячної енергії, в якому основне дзеркало виготовлене із великої кількості невеликих дзеркал: http://www.himincsp.ru/big_img.html?etw_path=http://www.himincsp.ru/1-5-dish-thermal-powergeneration.html&big_etw_img=products/1-5-3b.jpg Така конструкція дещо зменшує парусність за рахунок утворення проміжків між дзеркалами. Але це не вирішує проблему вітростійкості повністю, і їй притаманні недоліки наведеного вище аналога. Відомий також концентратор сонячної енергії (Авторське свідоцтво СРСР №1633238, F 24 J 2/10, 1991) з пласкими відбиваючими елементами, які опираються на направляючі у вигляді параболо-циліндричної поверхні. Недоліком відомого пристрою, як і попередніх, є доволі висока парусність, тому що щілиноподібні проміжки між відбиваючими елементами мають незначну площу в порівнянні з площею всього концентратора і не можуть бути достатньо збільшені із-за розфокусування сонячної енергії. При цьому виникає необхідність використання потужних опорних конструкцій як самого концентратора, так і системи стеження за положенням Сонця. Найближчим за технічною суттю є концентратор сонячної енергії (патент РФ №2135907 F24J2/15 1999), який має опорну поверхню в вигляді направляючих панелей в формі радіальних пелюсток з відбиваючими елементами, розташованими під кутом до фокальної площини виконаних у вигляді відбиваючих конічних кілець, що концентрують енергію на приймач випромінювання. Вказаний концентратор має вісь симетрії, що дещо знижує вітрове навантаження, але не усуває недоліки аналогів, тому що площа щілинних проміжків між відбиваючими елементами, як і в наведених вище аналогах, становить незначну частину в порівнянні з площею концентратора. Це також призводить до того, що необхідно використовувати потужні опорні конструкції як самого концентратора, так і системи стеження за положенням Сонця. Крім того, конструктивні особливості відомого концентратора не усувають небезпеку нанесення шкоди оточуючим предметам, птахам, тваринам та людині у випадку сильних поривів вітру або виходу з ладу системи стеження. В основу винаходу поставлена задача зменшення вітрового навантаження на елементи концентратора, полегшення опорних конструкцій як самого концентратора, так і системи стеження за положенням Сонця, а також усунення небезпеки нанесення шкоди оточуючим предметам, птахам, тваринам та людині. Поставлена задача вирішується тим, що в концентраторі сонячної енергії, який включає опорну поверхню у вигляді направляючих панелей в формі радіальних пелюсток з відбиваючими елементами, розташованими під кутом до фокальної площини виконаних у вигляді відбиваючих конічних кілець, що концентрують енергію на приймач, згідно з винаходом, радіальні пелюстки направляючих панелей розташовані напроти один одного з різних сторін фокальної площини, при цьому відбиваючі елементи знаходяться на направляючих панелях з двох сторін фокальної площини із змінним кутом до неї, що забезпечує можливість варіювання розмірів та форми фокальної плями при максимальній концентрації енергії на приймачі, і з проміжками між ними, сумарна площа яких дорівнює або перевищує апертуру концентратора, причому відбиваючі елементи з однієї сторони фокальної площини знаходяться напроти проміжків між відбиваючими елементами, що знаходяться з другої сторони фокальної площини. Розташування направляючих панелей з двох сторін фокальної площини дозволяє збільшити відстань між відбиваючими елементами, бо кількість елементів стала вдвічі меншою, а відстань до фокальної площини залишилась незмінною. Тобто, якщо в прототипі всі відбиваючі елементи знаходяться лише з однієї сторони фокальної площини один над одним, то в пропонованому винаході один елемент залишається з однієї сторони фокальної площини, а 1 UA 107277 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 його сусіди, верхній і нижній елементи розташовуються з іншої сторони фокальної площини. В результаті між відбиваючими елементами утворюються великі проміжки (на ширину елемента) в вертикальному і в горизонтальному напрямках, що значно зменшує вітрове навантаження. При цьому навіть з'являється можливість майже вдвічі зменшити загальну товщину концентратора при збереженні попередньої апертури. В результаті форма концентратора із чашоподібної перетворюється в добре обтічну вітром форму чечевиці. При цьому сумарна площа проміжків між відбиваючими елементами може дорівнювати або перевищувати в необхідних межах площу вхідної апертури концентратора. Розташування відбиваючих елементів з однієї сторони фокальної площини напроти проміжків між відбиваючими елементами, розташованими з іншої сторони фокальної площини, забезпечує максимальний ступінь збору сонячної енергії. Тобто, жоден квант сонячної енергії, що попав в апертуру, не пройде повз відбиваючих елементів концентратора і обов'язково досягне приймача випромінювання. Розташування відбиваючих елементів із змінним кутом до фокальної площини дозволяє змінювати розподіл потужності сонячної енергії в фокальній області в відповідності з геометричними розмірами та формою приймача випромінювання, забезпечуючи максимальний ступінь збору енергії і, крім того, змінювати положення фокальної області, розташовуючи її або посередині радіальних пелюсток, або зміщуючи в ту чи іншу сторону. Це розширяє функціональні можливості концентратора, так як практично для будь-якого приймача можна створити оптимальний розподіл потужності, що забезпечить максимальний коефіцієнт перетворення сонячної енергії. Відмітні ознаки винаходу забезпечують можливість формування фокальної області в геометричному центрі симетрії концентратора і в центрі його тяжіння. Це суттєво облегшує конструкцію системи стеження та зменшує затрати енергії на управління положенням концентратора відносно Сонця. Крім того, приймач, що знаходиться в центрі симетрії концентратора, не потребує механічного зв'язку з концентратором, що дозволяє використовувати важкі й громіздкі приймачі, наприклад паровий котел або двигун Стірлінга, при облегшеній конструкції концентратора, наприклад в вигляді ажурної симетричної збалансованої вітростійкої конструкції, на управління якою затрачується незначна енергія. Той факт, що фокальна область, в якій зосереджена потужна теплова енергія, знаходиться всередині концентратора, повністю виключає всяку можливість навіть випадкового попадання в неї сторонніх предметів, птахів, тварин та людей. Таким чином, наведений вище причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак винаходу і технічним результатом не є очевидним для середнього спеціаліста, не є відомим із рівня техніки, що свідчить про те, що запропонований нами винахід відповідає критеріям "новизна" та "винахідницький рівень". Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому зображені направляючі панелі 1, відбиваючі елементи 2, що знаходяться перед фокальною площиною, відбиваючі елементи 3, що знаходяться за фокальною площиною, приймач 4 сонячної енергії, потік 5 сонячної енергії і проекція фокальної площини 6. Працює концентратор сонячної енергії наступним чином. Орієнтують сонячний концентратор так, щоб його фокальна площина 6 була перпендикулярна потоку 5 сонячної енергії. При цьому потік 5 сонячної енергії, який досягнув відбиваючих елементів 2, відбивається від них і направляється на приймач 4 сонячної енергії. Потік 5 сонячної енергії, який пройшов через проміжки між відбиваючими елементами 2, потрапляє на відбиваючі елементи 3, відбивається від них і також направляється на приймач 4 сонячної енергії. Таким чином, весь потік сонячної енергії, що потрапив в апертуру концентратора, направляється на приймач 4 сонячної енергії. При зміні кута сонячного концентратора по відношенню до потоку сонячної енергії, відбувається, з одного боку, затінення відбиваючих елементів 3 відбиваючими елементами 2, а з другого боку, на приймач 4 сонячної енергії попадає менший потік від відбиваючих елементів 2. В результаті фокальна пляма плавно розмивається. Це дуже важлива властивість для систем, в яких необхідно протягом тривалого часу підтримувати постійну температуру, наприклад в сонячному опріснювачі. І, крім того, сонячне випромінювання виходить за межі концентратора ослабленим і не може нанести шкоду оточуючим предметам, птахам, тваринам та людині. В одному із варіантів виготовлення концентратора сонячної енергії, направляючі панелі 1 виготовлені в кількості 6-ти штук із листового прозорого акрилу товщиною 3 мм, в яких для фіксації відбиваючих елементів 2 і 3 зроблені пропили. В центрі симетрії вони з'єднані так, що утворюють радіальні пелюстки, кут між якими становить 60 градусів. Відбиваючі елементи 2 і 3 виготовлені із дзеркального листового полістиролу товщиною 1 мм, який має коефіцієнт 2 UA 107277 C2 5 10 відбивання в видимому спектральному діапазоні 0,75-0,85. Вирізаються вони як розвертка зрізаного конуса і після установки в пропили в направляючих панелях 1 їх кінці з'єднуються і фіксуються клеєм. Діаметр концентратора 0,77 метра, вага 1,4 кг і теплова потужність 330 Вт. В іншому варіанті виконання концентратора сонячної енергії направляючі панелі 1 виготовлені із композиційного матеріалу (полістирол з двох боків ламінований алюмінієвою фольгою) товщиною 3 мм в кількості 15 штук. В центрі симетрії вони з'єднані так, що утворюють радіальні пелюстки, кут між якими становить 24 градуси. Пропили для відбиваючих елементів 2 і 3 виконані так, що відбиваючі елементи повністю пересікають площину направляючих панелей. Відбиваючі елементи 2 і 3 виготовлені із дзеркального алюмінію товщиною 0,4 мм, і коефіцієнт відбивання якого становить 0,92-0,95. Діаметр концентратора 1,7 метра, вага 12 кг і теплова потужність 2 кВт. Таким чином, запропоноване нами технічне рішення відповідає всім критеріям охороноздатності винаходу, так як має світову новизну, високий винахідницький рівень, не є очевидним для середнього спеціаліста в даній області і має промислове застосування. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Концентратор сонячної енергії, який включає опорну поверхню у вигляді направляючих панелей в формі радіальних пелюсток з відбиваючими елементами, розташованими під кутом до фокальної площини та виконаними у вигляді відбиваючих конічних кілець, що концентрують енергію на приймач, який відрізняється тим, що радіальні пелюстки направляючих панелей розташовані напроти один одного з різних сторін фокальної площини, при цьому відбиваючі елементи знаходяться на направляючих панелях з двох сторін фокальної площини із змінним кутом до неї, що забезпечує можливість варіювання розмірів та форми фокальної плями при максимальній концентрації енергії на приймачі, і з проміжками між ними, сумарна площа яких дорівнює або перевищує апертуру концентратора, причому відбиваючі елементи з однієї сторони фокальної площини знаходяться напроти проміжків між відбиваючими елементами, що знаходяться з другої сторони фокальної площини. 3 UA 107277 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4