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 містить опорну конструкцію, в фіксуючих посадочних місцях якої розташовані відбиваючі світло фасети, що утворюють циліндричну поверхню і концентрують сонячну енергію на продовгуватий приймач випромінювання, розташований вздовж осі циліндричної поверхні. Циліндрична поверхня концентратора виконана в формі замкнутої циліндричної поверхні, при цьому відбиваючі фасети розташовані по замкнутій кривій циліндричної поверхні під змінним кутом до неї, забезпечуючи максимальну концентрацію сонячної енергії на продовгуватий приймач випромінювання, і з проміжками між відбиваючими фасетами, сумарна площа яких дорівнює або перевищує апертуру концентратора. 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 108571 C2 (12) UA 108571 C2 UA 108571 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 тощо. Відоме використання для концентрації сонячної енергії суцільних параболо-циліндричних дзеркал (Патент РФ № 2300058, F24J2/14, 27.05.2007, "Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за солнцем"). Такі системи дозволяють сконцентрувати в фокальній смузі 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 також концентратор сонячної енергії (Авторське свідоцтво СРСР № 1633238, F24J2/10, 1991) з пласкими відбиваючими елементами, які опираються на напрямні у вигляді параболо-циліндричної поверхні. Недоліком відомого пристрою, як і попереднього, 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 також виникає необхідність використання потужних опорних конструкцій як самого концентратора, так і системи стеження за положенням Сонця. Найближчим по технічній суті є концентратор сонячної енергії (патент РФ № 2188364, F24J2/14, 27.08.2002), який включає опорну конструкцію, в фіксуючих посадочних місцях якої розташовані відбиваючі світло фасети, що утворюють циліндричну поверхню і концентрують сонячну енергію на продовгуватий приймач випромінювання, розташований вздовж осі циліндричної поверхні. Вказаний концентратор також має високу парусність, тому що площа щільових проміжків між фасетами, як і в наведеному вище аналога, становить незначну частину в порівнянні з площею концентратора. Це також призводить до необхідності використовувати важкі та матеріалоємні 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, тому що потужний потік енергії в цьому випадку неконтрольовано виходить за межі приймача випромінювання. В основу винаходу поставлена задача зменшення вітрового навантаження на елементи концентратора, зменшення ваги та матеріалоємності 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 конструкцію, в фіксуючих посадочних місцях якої розташовані відбиваючі світло фасети, що утворюють циліндричну поверхню і концентрують сонячну енергію на продовгуватий приймач випромінювання, розташований вздовж осі циліндричної поверхні, згідно з винаходом, циліндрична поверхня концентратора виконана в формі замкнутої циліндричної поверхні, при цьому відбиваючі фасети розташовані по замкнутій кривій циліндричної поверхні під змінним кутом до неї, забезпечуючи максимальну концентрацію сонячної енергії на продовгуватий приймач випромінювання, і з проміжками між відбиваючими фасетами, сумарна площа яких дорівнює або перевищує апертуру концентратора. Виконання поверхні концентратора в вигляді замкненої циліндричної поверхні призводить до того, що при збереженні тієї ж самої апертури концентратора, що і у найближчого аналога, між відбиваючими фасетами можна утворити великі проміжки, майже на ширину фасети. Це різко зменшує парусність концентратора, бо потік вітру має можливість майже безперешкодно пройти крізь концентратор. Оскільки між фасетами виникли проміжки, то для забезпечення максимальної концентрації сонячної енергії (не меншої, ніж у аналога) їх треба розташувати вздовж замкнутої циліндричної поверхні під змінними кутами до неї. Розташування фасет із змінним кутом до фокальної смуги, дозволяє змінювати розподіл потужності сонячної енергії в фокальній смузі в відповідності з геометричними розмірами та формою приймача випромінювання, забезпечуючи максимальний ступінь збору енергії. Крім того, змінюючи кути дзеркальних фасет відносно фокальної смуги, можна змінювати положення фокальної смуги, розташовуючи її або по центру циліндричної опорної конструкції, або зміщуючи в ту чи іншу сторону. Це розширяє функціональні можливості концентратора, так як практично для будь 1 UA 108571 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 якого приймача можна створити оптимальний розподіл потужності, що забезпечить максимальний коефіцієнт перетворення сонячної енергії. Якщо відбиваючі фасети, що знаходяться з однієї сторони концентратора, розташувати напроти проміжків між відбиваючими фасетами, що знаходяться з іншої сторони концентратора, то в цьому випадку концентратор буде збирати найбільшу кількість сонячної енергії, оскільки фасети не будуть затіняти одна одну. Тобто, жоден квант сонячної енергії, що потрапив в апертуру, не пройде повз дзеркальних фасет концентратора і обов'язково досягне приймача випромінювання. При цьому навіть з'являється можливість майже вдвічі зменшити загальну товщину концентратора при збереженні попередньої апертури. В результаті форма концентратора із чашоподібної, яку має аналог, перетворюється в симетричну і добре обтічну вітром форму сплющеного циліндра. А сумарна площа проміжків між дзеркальними фасетами може дорівнювати або навіть перевищувати площу вхідної апертури концентратора. Якщо фасети виготовлені плоскими і однакової ширини, то поперечний розмір продовгуватого приймача випромінювання не може бути меншим, ніж ширина фасети. Бо в інакшому випадку приймач не зможе поглинути всю зібрану фасетом енергію, що призведе до зниження ефективності концентратора. Якщо фасети виготовити в вигляді циліндричних поверхонь, то в цьому випадку вони будуть фокусувати сонячну енергію на приймач, і його поперечний розмір, а також і вагу можна буде зменшити в декілька разів. Найбільший ефект буде досягнуто тоді, коли радіус кривизни циліндричної поверхні фасета буде в двічі більший ніж відстань між цим фасетом і приймачем випромінювання. Якщо відбиваючі фасети виконані у вигляді дифракційних решіток, то в цьому випадку з'являється можливість впливати на спектральний склад сконцентрованої енергії і можливість роздільного використання різних частин спектра сонячного випромінювання. Наприклад, інфрачервоний відрізок спектра використовувати для нагріву теплоносія, ділянку видимого світла для генерації електричного струму за допомогою фотовольтаїчних панелей, а ультрафіолетове випромінювання для дезінфекції та обеззараження води. І все це в одному пристрої. Якщо відбиваючі фасети виконані в вигляді голограм, то в цьому випадку з'являється можливість не лише впливати на спектральний склад сконцентрованої енергії, але і довільним чином змінювати місце і форму її локалізації. Це значно розширює функціональні можливості концентратора та сфери його застосування. Відмітні ознаки винаходу забезпечують можливість формування фокальної смуги в геометричному центрі симетрії концентратора і в центрі його тяжіння одночасно. Це суттєво полегшує 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 складні перетворювачі з системами водяного охолодження, при полегшеній конструкції концентратора, наприклад, в вигляді ажурної симетричної збалансованої вітростійкої конструкції, на управління якою затрачується незначна енергія. Той факт, що фокальна смуга, в якій зосереджена потужна теплова енергія, знаходиться всередині концентратора, повністю виключає будь-яку можливість навіть випадкового попадання в неї сторонніх предметів, птахів, тварин та людей. Крім того, при виході з ладу системи стеження, і зміщення Сонця від оптичної осі, сконцентрована енергія не виходить за межі концентратора, а розпадається на окремі потоки від кожної відбиваючої фасети. Енергія цих потоків невелика і не зможе нанести шкоду ані елементам концентратора, ані навколишнім предметам, птахам, тваринам та людям. 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, де зображені циліндричні опорні конструкції 1, відбиваючі фасети 2, що знаходяться перед фокальною смугою, відбиваючі фасети 3, що знаходяться за фокальною смугою, приймач 4 сонячної енергії, потік 5 сонячної енергії і проекція площини 6, в якій лежить фокальна смуга. Працює концентратор сонячної енергії наступним чином. Орієнтують сонячний концентратор так, щоб площина 6, в якій лежить фокальна смуга, була перпендикулярна потоку 5 сонячної енергії. При цьому потік 5 сонячної енергії, який досягнув відбиваючих фасет 2, відбивається від них і направляється на приймач 4 сонячної енергії. Потік 5 сонячної енергії, який пройшов через проміжки між відбиваючими фасетами 2, потрапляє на відбиваючі фасети 3, відбивається від 2 UA 108571 C2 5 10 15 20 25 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 відносно до потоку сонячної енергії, відбувається, з одного боку, затінення відбиваючих фасет 3 відбиваючими фасетами 2, а з другого боку, на приймач 4 сонячної енергії попадає менший потік і від відбиваючих фасет 2. В результаті фокальна смуга 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, циліндричні опорні конструкції 1 виготовлені в кількості 4-х штук із листового прозорого акрилу товщиною 3 мм, в яких для фіксації відбиваючих фасет 2 і 3 виконані пропили Відбиваючі фасети 2 і 3 виготовлені із дзеркального листового полістиролу товщиною 3 мм, який має коефіцієнт відбивання в видимому спектральному діапазоні 0,75-0,85. Як приймач 4 сонячної енергії використана вакуумна трубка довжиною 85см. Розмір концентратора 0,77×0,75 метра, вага 4,4 кг і теплова потужність 500 Вт. В іншому варіанті виконання концентратора сонячної енергії циліндричні опорні конструкції 1 виготовлені із композиційного матеріалу (полістирол з обох боків ламінований алюмінієвою фольгою) товщиною 3 мм в кількості 8 штук. Відбиваючі фасети 2 і 3 виготовлені із дзеркального алюмінію товщиною 0,4 мм, і коефіцієнт відбивання якого становить 0,92-0,95. Як приймач 4 сонячної енергії використана вакуумна трубка довжиною 180см. Розмір концентратора 0,8×1,75 метра, вага 10,5 кг і теплова потужність 1 кВт. Таким чином, запропоноване нами технічне рішення відповідає всім критеріям охоронно здатності винаходу, так як має світову новизну, високий винахідницький рівень, не є очевидним для середнього спеціаліста в даній області і має промислове застосування. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 1. Концентратор сонячної енергії, що містить опорну конструкцію, в фіксуючих посадочних місцях якої розташовані відбиваючі світло фасети, що утворюють циліндричну поверхню і концентрують сонячну енергію на продовгуватий приймач випромінювання, розташований вздовж осі циліндричної поверхні, який відрізняється тим, що циліндрична поверхня концентратора виконана в формі замкнутої циліндричної поверхні, при цьому відбиваючі фасети розташовані по замкнутій кривій циліндричної поверхні під змінним кутом до неї, забезпечуючи максимальну концентрацію сонячної енергії на продовгуватий приймач випромінювання, і з проміжками між відбиваючими фасетами, сумарна площа яких дорівнює або перевищує апертуру концентратора. 2. Концентратор сонячної енергії за п. 1, який відрізняється тим, що відбиваючі фасети що знаходяться з однієї сторони концентратора розташовані напроти проміжків між відбиваючими фасетами, що знаходяться з іншої сторони концентратора. 3. Концентратор сонячної енергії за п. 1, який відрізняється тим, що відбиваючі фасети виконані в вигляді циліндричних поверхонь, радіус кривизни яких вдвічі більший, ніж відстань фасети до приймача випромінювання. 4. Концентратор сонячної енергії за п. 1, який відрізняється тим, що відбиваючі фасети виконані в вигляді дифракційних решіток. 5. Концентратор сонячної енергії за п. 1, який відрізняється тим, що відбиваючі фасети виконані в вигляді голограм. 3 UA 108571 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4