Патент на изобретение №2338128

(54) СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА С КОНЦЕНТРАТОРОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных установок с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла. В солнечной установке с концентратором последний выполнен в виде осесимметричного кольцеобразного тороидального зеркального отражателя, у которого поперечное сечение образовано из двух сопряженных разновеликих четвертей окружностей радиуса R и r (R>r>0), оси ОО₂ и O₁O₃ поперечного сечения тороидального отражателя удалены от оси симметрии на расстояние а=r, диаметр D концентратора равен D=2(r+R), цилиндрический приемник с радиусом основания b=r и высотой hR-r установлен осесимметрично в плоскости центров окружностей радиуса r, а геометрический коэффициент концентрации установки равен

где k – геометрический коэффициент концентрации;

R – больший радиус отражателя, равный радиусу большей четверти окружности, образующей профиль установки;

r – меньший радиус отражателя, равный радиусу меньшей четверти окружности, образующей профиль установки. В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается концентрация излучения на приемнике излучения, увеличивается апертурный угол концентратора, отсутствует необходимость слежения за солнцем. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных установок с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла.

Известна солнечная установка с концентратором, состоящая из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью, поперечное сечение концентратора выполнено по окружности радиуса r, и приемника излучения с двусторонней рабочей поверхностью, расположенного в плоскости радиуса r (патент Франции 2342558, опубл. 23.09.77, МКИ H01L 31/08 G02B 5/08). Солнечное излучение приходит на воспринимающую плоскость, на которой установлена часть приемника излучения, выполненная в виде солнечных элементов с двусторонней фоточувствительностью, часть солнечного излучения попадает непосредственно на лицевую сторону приемника излучения, расположенного на воспринимающей плоскости в пределах радиуса r. Через вторую часть воспринимающей плоскости, имеющей также размер r, излучение проходит на концентратор, отражается и попадает на тыльную сторону приемника излучения. Концентрация (геометрическая) излучения на солнечных элементах, равная площади воспринимающей плоскости (2r) к площади солнечных элементов (r), составляет в этом случае 2.

Недостатком известного решения является низкая концентрация излучения на солнечных элементах, которая в идеальном случае равна 2, а в реальных условиях с учетом отражения от цилиндрического концентратора составит 1,5-1,6, что приводит к незначительному изменению как стоимостных характеристик модуля (для фотоэлектрических модулей), так и теплотехнических параметров (для комбинированных модулей) для выработки электричества и тепла.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечная установка с концентратором, состоящая из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью и приемника излучения с двусторонней рабочей поверхностью, у которого поперечное сечение цилиндрического концентратора выполнено двумя радиусами, причем окружность радиуса r сопрягается с окружностью большого радиуса R в плоскости, на которой расположены центры обоих радиусов, перпендикулярной плоскости, воспринимающей излучение. Приемник излучения может быть расположен в плоскости радиуса r, совмещенной с плоскостью сопряжения окружностей с радиусами r и R (Пат. РФ №2191329, класс 7 F24J 2/14, 20.02.2001).

Недостатком известной солнечной установки является низкое значение апертурного угла, в пределах которого солнечный модуль концентрирует прямое и рассеянное солнечное излучение.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение концентрации излучения на приемнике излучения и увеличение апертурного угла.

В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается концентрация излучения на приемнике излучения, увеличивается апертурный угол концентратора, отсутствует необходимость слежения за солнцем.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечной установке с концентратором, содержащим зеркальные отражатели и приемник излучения в фокальной области, концентратор выполнен в виде осесимметричного кольцеобразного тороидального зеркального отражателя, у которого поперечное сечение образовано из двух сопряженных разновеликих четвертей окружностей радиуса R и r (R>r>0), оси ОО₂ и O₁O₃ поперечного сечения тороидального отражателя удалены от оси симметрии на расстояние a=r, диаметр D концентратора равен D=2(r+R), цилиндрический приемник с радиусом основания b=r и высотой hR-r установлен осесимметрично в плоскости центров окружностей радиуса r, а геометрический коэффициент концентрации установки равен

где k – геометрический коэффициент концентрации;

R – больший радиус отражателя, равный радиусу большей четверти окружности, образующей профиль установки;

r – меньший радиус отражателя, равный радиусу меньшей четверти окружности, образующей профиль установки.

Радиус r одной из разновеликих окружностей равен радиусу b основания приемника и равен расстоянию а оси поперечного сечения отражателя от оси симметрии.

Для повышения эффективности солнечной установки с концентратором цилиндрический приемник имеет просветляющее покрытие на нижнем основании и боковых стенках и помещен в прозрачный теплоизолированный корпус.

В солнечной установке с концентратором приемник выполнен в виде котла для приготовления пищи и горячей воды.

В солнечной установке с концентратором приемник выполнен в виде воскотопки.

В солнечной установке с концентратором приемник выполнен в виде снеготопки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на которой представлена общая схема солнечной установки с концентратором.

Солнечная установка с концентратором содержит тороидальный зеркальный кольцеобразный отражатель 1 и цилиндрический приемник 2, поперечное сечение 3 тороидального зеркального отражателя 1 выполнено из двух сопряженных разновеликих четвертей окружностей 4 и 5 радиусов R и r (R>r>0). Оси поперечного сечения OO₂ и O₁O₃ тороидального зеркального отражателя совмещают с центрами 0 и 0₁ окружностей 4 радиуса R и центрами 0₂ и 0₃ окружностей 5 радиуса r. Оси симметрии OO₂ и O₁O₃ поперечного сечения тороидального отражателя удалены от оси симметрии 6 зеркального тороидального отражателя 1 на расстояние a=r. Нижнее основание 7 цилиндрического приемника 2 расположено в плоскости центров 0₂ и 0₃ окружности 5 радиуса r, перпендикулярной к оси симметрии 6.

Верхнее основание 8 цилиндрического приемника 2 расположено в плоскости центров 0 и 0₁ окружности 4 радиуса R, перпендикулярной оси симметрии 6. Приемник излучения 2 имеет просветляющее покрытие 9 на нижнем основании 7 и боковой цилиндрической поверхности 10 приемника.

Приемник излучения 2 помещен в прозрачный теплоизолированный корпус 11.

Приемник 2 имеет диаметр 7 основания d=2b=2r и высоту h=R-r.

Диаметр D тороидального отражателя 1 D=2(r+R), а высота Н отражателя равна R.

Геометрический коэффициент солнечной установки с концентратором равен

где S_k – площадь концентратора,

S_осн – площадь основания приемника,

S_бок – боковая площадь цилиндрического приемника, S_бок=dh=2r(R-r);

При r0 k

Функция имеет минимум при R=2r, k=3.

Зависимость концентрации k от имеет вид

	1	1.86	2	4	5	7	7,5	8	10
k	4	3,06	3		4		5,16

R=0,309D, r=0,191D

При R=2r, k=3,

При R=7,5r, k=5,16,

Пример выполнения солнечной установки с концентратором (чертеж)

Тороидальный зеркальный отражатель имеет диаметр D=1,2 м.

При коэффициент концентрации k=4, r=0,1 м, R=0,5 м, h=0,4 м, Н=0,5 м. Площадь солнечной установки с концентратором:

Пиковая тепловая мощность солнечной установки при стандартных условиях: мощности Е_c солнечного излучения 1 кВт/м и температуре 25°К составляет:

при оптическом КПД=_опт=0,7

Е_с=0,79128 кВт

Площадь приемника 2:

S_пр=S_осн+S_бок=0,0314+0,2512=0,2826 м²

Плотность теплового потока на приемнике:

Равновесная температура приемника при геометрической концентрации k=4 составляет 200°С.

Преимуществом солнечной установки с концентратором является более высокая концентрация солнечного излучения по сравнению с известными установками, отсутствие необходимости слежения за солнцем и большой апертурный угол, равный 180°С.

Формула изобретения

1. Солнечная установка с концентратором, содержащая концентратор солнечной энергии и приемник в фокальной области, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в виде осесимметричного кольцеобразного тороидального зеркального отражателя, у которого поперечное сечение образовано из двух сопряженных разновеликих четвертей окружностей радиуса R и r (R>r>0), оси ОО₂ и O₁О₃ поперечного сечения тороидального отражателя удалены от оси симметрии на расстояние а=r, диаметр D концентратора равен D=2(r+R), цилиндрический приемник с радиусом основания b=r и высотой hR-r установлен осесимметрично в плоскости центров окружностей радиуса r, а геометрический коэффициент концентрации установки равен

где k – геометрический коэффициент концентрации;

R – больший радиус отражателя, равный радиусу большей четверти окружности, образующей профиль установки;

r – меньший радиус отражателя, равный радиусу меньшей четверти окружности, образующей профиль установки.

2. Солнечная установка с концентратором по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрический приемник имеет просветляющее покрытие на нижнем основании и боковых стенках и помещен в прозрачный теплоизолированный корпус.

3. Солнечная установка с концентратором по п.1 или 2, отличающаяся тем, что приемник выполнен в виде котла для приготовления пищи и горячей воды.

4. Солнечная установка с концентратором по п.1 или 2, отличающаяся тем, что приемник выполнен в виде снеготопки.

5. Солнечная установка с концентратором по п.1 или 2, отличающаяся тем, что приемник выполнен в виде воскотопки.

РИСУНКИ