Солнечная энергетическая установка

 

Использование изобретение может быть использовано для концентрации солнечного излучения на приемниках Сущность изобретения солнечная энергетическая установка содержит гелиостаты (г) 1. параболический концентратор 3. в фокусе которого расположен приемник 4 излучения и преломляющий концентратор, выполненный в виде параллельных друг другу оптических структур 6. расположенных под Г 1 КЗ расположен в световом потоке, сформированном преломляющим концентратором Оптические структуры 6 выполнены по высоте в виде призматических участков. Солнечное излучение, отраженное от Г 1. сначала попадает на оптические структуры 6. а затем на К 3 1 зпф-лы. 2ил

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

ЬЭ

CO

CO (М

Ch

С0

Комитет Российской Федерации по патентам sa товарным знакам (21) 4867710/06 (22) 20.09.90 (46) 15.1093 Бюп. Йа 37 — 38 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (72) Стребков ДС.. Тверьянович Э В. (73) Тверьянович Эдуард Владимирович (54) СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (57) Использование: изобретение може быть использовано для концентрации солнечного излучения на приемниках Сущность изобретения; сопнеч(в) RU (и) 20013бО С1 (51) 3 F2432 ная энергетическая установка содержит гелиостаты (г) 1, параболический концентратор 3. в фокусе которого расположен приемник 4 излучения и преломляющий концентратор, выполненный в виде параллельных друг другу оптических структур 6. расположенных под Г !. К 3 расположен в световом потоке, сформированном препомпяющим концентратором. Оптические структуры 6 выполнены по высоте в виде призматических участкоа Солнечное излучение, отраженное от Г 1, сначала попадает на оптические структуры 6. а затем на К 3. 1 злф-пы, 2 ил.

2001360

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным энергетическим установкам для выработки высокопотенциального тепла и электроэнергии на основе динамических циклов преобразования ипи фотозлектричества.

Известна солнечная энергетическая установка, содержащая множество гелиостатОВ, направляющих солнечное излучение на приемник, установленный на башне.

Недостатком известного решения является большая площадь, занимаемая установкой.

Известна солнечная энергетическая устаиОвка содержащая гелиостаты. установленные с воэможностью поворота вокруг их шарнирных осей, и параболический концентратор, в фокусе которого расположен приемник излучения.

Недостаток известного решения — большие земельные участки, отторгаемые под установку вследствие необходимости располагать гелиостаты на большом расстоянии друг от друга из-за взаимного затенения. Другой недостаток — ограничение степени концентрации возможности параболического концентратора. иа который поступает однократное излучение, отраженное от гепиостатов.

Целью изобретения является увеличение концентрации излучения и компактности установки.

С этой целью в известнои солнечной э ергетической установке, содержащей ren oc a v, установленные с воэможностью поворота вокруг их шарнирных осей, и параболический концентратор, в фокусе которого расположен приемник излучения, дополнительно расположен преломляющий концентратор, выполненный в аиде параллельных друг другу оптических структур, расположенных под гелиостатами, параболический концентратор расположен в световом потоке. сформированном преломляющими концентраторами, при этом оптические структуры выполнены по высоте в виде призматических участков с препомляющими углами, направленными вниз и сторону, противоположную поверхности выхода преломляющего концентратора. Параболический концентратор может быть выполнен в виде цилиндра.

Положительный эффект, т.е. увеличение концентрации излучения и компактности установки (умеиьшеиие отчуждаемых под нее земельных площадей) достигается за счет наличия дополнительного преломляющего концентратора в виде параллельных друг другу оптических структур, которые предварительно концентрируют световой поток.

Таким образом параболический концентратор собирает в фокусе уже предварительно сконцентрированный световой поток, что увеличивает степень концентрации. За счет расположения гелиостатов над преломляющим концентратором, что не требует дополнительных земельных площадей.

Параболический концентратор также находится под преломляющим концентратором в световом потоке, который формируется благодаря тому, что оптические структуры выполнены в виде призматических участков с преломляющими углами, направленными в сторону, противоположную поверхности выхода преломляющего концентратора.

При использовании параболического концентратора, выполненного в виде цилиндра, может быть увеличена мощность установки при минимальных занимаемых площадях.

На фиг.1 приведено продольное сечение солнечной энергетической установки с параболическим отражателем, имеющим апертурный угол 45О «U «90О, и схема прохождения световых лучей по нему; на фиг.2 — продольное сечение и схема прохождения солнечного излучения по солнечной энергетической установке с параболоцилиндрическим отражателем, имеющим параметрический угол 0 < а<45О.

Солнечная энергетическая установка, содержащая гелиостаты 1 (обведены штрихпунктирной линией), установленные с возможностью поворота вокруг их шарнирных осей 2, и параболический концентратор 3, в фокусе F которого расположен приемник излучения 4. дополнительно содержит преломляющий концентратор 5. (обведен штрихпунктирной линией) выполненный в виде параллельных друг другу оптических структур 6, расположенных под гелиостатэми 1. Параболический концентратор 3 расположен в световом потоке (лучи с углами

)max, Imin), сформированном преломляющим концентратором 5, при этом оптические структуры 6 выполнены по высоте Н в виде призматических участков 7 с преломляющими углами а, направленными вниз в сторону поверхности 8 выхода излучения иэ преломпяющего концентратора 5. На фиг.1 представлена установка, содержащая параболический концентратор с апертурным углом U в пределах значений 45О 0

Б 90 . Параболический концентратор 3 может быть выполнен в виде параболоидэ вращения или в виде парабопоцилиндрэ, при этом продольное сечение установки на фиг.1 не изменится.

2001360

Параболический концентратор может иметь параметрический угол à в пределах

P <а<45 (фиг.2), в этом случае целесообразно выполнить его в виде цилиндра (фоклина).

Кроме того, на фигурах показано:

9 -- поверхность входа излучения в параболический концентратор 5:

U — апертурный угол параболического концентратора 5:

F — точка оптического фокуса параболы, образующей параболический концентратор 5:

0 — размер поверхности входа излучения в параболический концентратор 5; d— размер приемника излучения 4; L — длина концентратора; FQ — фокальная хорда параболы (фиг.2); а — параметрический угол;

FO — ось симметрии параболы (фиг.2);

I — длина фоклина.

Солнечная энергетическая установка работает следующим образом.

Продольные сечения, изображенные на фиг,1 и 2, ориентированы на юг.

Солнечное излучение (указано стрелками) попадает на гелиостаты 1 (фиг.1), выполненные с возможностью поворота вокруг шарнирных осей 2, расположенных над преломляющим концентраторам 5. Гелиостаты, отслеживая положение солнца на небосводе, направляют солнечные лучи в определенном стабилизированном направлении на концентратор 5, Излучение входит в слой последовательных преломляющих структур

7. претерпевает ряд последовательных преломлений и выходит из поверхности 8 выхода излучения из преломляющего концентратора 5 под углами imax, Imin Излу чениа выходит из преломляющего концентРатОРа ПОД УГЛаМИ 1п,,. lmln ВСЛЕДСТВИЕ ТОГО, что каждая оптическая структура б по высоте Н выполнена в виде призматических участков 7 с преломляющими углами а, направленными вниз в сторону поверхности 8 выхода преломляющего концентратора 5. Затем солнечное излучение направляется на поверхность 9 входа излучения параболоцилиндрическога концентратора 3. Отразившись от него, излучение собирается на приемнике излучения 4, находящемся в плоскости. проходящей через точку оптического фокуса F параболы, образующей концентратор 3. Параболический концентратор в этом случае имеет апертурный угол О, значения которого находятся в пределах 45 U 90О. Уменьшение угла

U менее 45 не применяют в гелиоэнергетике из-за больших фокусных расстояний. При

50 значениях V<90 целесообразно испольэовать скему на фиг.2.

В случае, когда параболоцилиндрический концентратор 3 имеет параметрический угол 0 <а<45". излучение после оптических преломляющих структур 7 попадает под большими углами падения на поверхность концентратора 3 и собирается на поверхности выхода излучения, проходящей через фокальную хорду FQ параболы, образующей концентратор 3, Таким образом, солнечное излучение, отраженное по определенному направлению от гелиостатов 1. сначала попадает в преломляющий концентратор 5, выходит из него в виде светового предварительно сконцентрированного потока с углом раскрытия

Imax ImIn Ь и попадает на параболический концентратор 3. где световой поток дополнительно концентрируется на приемнике 4 излучения. Параболический концентратор 3 может иметь апертурный угол U в пределах

45 < U < 90 (фиг,1) и в этом случае может быть выполнен как в виде параболоида вращения, так и параболоцилиндра. В том случае, когда концентратор 3 имеет параметрический угол а в пределах

0"<а<45" (фиг.2). концентратор 3 целесообразно выполнять в виде цилиндра (параболацилиндра или факлина), что позволит значительно снизить требования к точности слежения гелиостатами 1 эа видимым перемещением Солнца.

Пример конкретного выполнения установки по фиг.t на тепловую мощность 1

МВт. Тепловую MQllIHDGTb установки на приемнике излучения 4 определяем как

N=- ЕоЯ т sin p, (1) где Š— прямая солнечная радиация. Вт/м; г, S — поверхность, концентрирующая солнечное излучение (поверхнасть, определяемая размером 1 фиг.1); т- коэффициент светопропускания концентрирующей системы;

p — зенитальный угол падающего излучения на гелиостаты.

Коэффициент светопропускания концентрирующей системы может быть определен по формуле т= R1 т1 Я2т2, (2) где Rl — коэффициент отражения гелиостатов 1; т1 — коэффициент светопропускания с учетом френелевских потерь преломляющего концентратора 5 (и — количество переходов "воздух-стекло". "стекло-воздух");

Р— коэффициент отражения параболического концентратора 3;

2001360

t2 — коэффициент светопропускания структур с учетом поглощения.

Принимаем Ri=Rz-0,95. Принимаем, что оптические структуры 6 преломляющего концентратора 5 имеют трехслойное просветляющее покрытие, обеспечивающее на одном переходе границы "воздух-стекло", и

"стекло-воздух" коэффициент светопропускания 0,995. Поскольку лучи света проходят пять структур, то это означает, что и-10 в выражении (2). Принимаем, что оптические структуры 6 выполнены в виде линз Френеля со средней толщиной рабочего профиля

2 мм, тогда общий путь света в материале структур составит 2х5 10 мм, что означает для оптического стекла коэффициент светопропускания а-0,99.

Таким образом, общий коэффициент светопропускания равен по (2)

t 0,95х0,99 х 0,95 х 0,99 - 0,79.

Для пикового значения мощности в 1

МВт по (1) имеем

Ео 1000 Вт/м; г0,79; у-90О;

sin p-1; 5 - 1265м2.

Принимаем установку в плане квадратной, тогда сторона квадрата с площадью S будет равная =35,5 м.

Принимаем углы выхода излучения из преломляющего концентратора 5 lmax=40;

1ып -1О. тогда Al=imax-1mü-3 и размер 0 поверхности 9 входа излучения в параболический концентратор 3 имеет величину

О 1,9м.

В случае выполнения параболического концентратора 3 в виде параболоида вращения при 0=45 концентрации (Knap) излучения пропорциональна з1п ц

Кпар - — = 182. (3) д,,Z где Ьl 3 (0,05236 рад).

Общая концентрация в этом случае определяется как

KKnap Knpen г, (4) Формула изобретения

1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая гелиостаты, установленные с воэможностью поворота вокруг их шарнирных осей, и параболический концентратор, в фокусе которого расположен приемник излучения, отличающаяся тем, что. с целью повышения степени концентрации и компактности, установка дополнительно соддржит преломляющий концентратор, выполненный в виде параллельных одна другой оптических структур, расположенгде Kïðåï коэффициент концентрации излучения после преломляющего концентратора 5.

Кпреп б 19.7

L (5)

Подставляя значения иэ (2). (3). (5) в (4) получим

К 182 19,7 0,79-2832.

Пример конкретного выполнения уста10 новки по фиг.2 (пиковая тепловая мощность

1 мВт).

Общее светопропускание 0279 (см.выше); площадь установки 1265 м, размеры

35,5х35,5 м. Углы выхода излучения из слоя

15 преломляющих структур i®ax = 4 : 11п =1О, Расчет параболоцилиндрического отражателя в этом случае ведется по значению углов imax, параллельно которым проходит ось симметрии FO параболы. Размер повер20 хности выхода излучения F0=0.2 м. Концентрация излучения (геометрическая)

Кг= — = = 177,5, 35,5

F О 0,2

25 с учетом светопропускания т= 0,79, К=

--гК =130.

Длина параболоцилиндра 1=13.7 м (фоклина), Ширина поверхности входа 0-1,4 м.

Габариты установки (без учета высоты

30 гелиостатов), 35х35х1,4 м.

Предлагаемое изображение позволяет уменьшить площади, отчуждаемые под станцию; в рассматриваемом случае для производства тепловой энергии мощностью

35 1 МВт требуется площадь 1265 м2, что меньше требуемых земельных площадей для башенных вариантов солнечных станций не менее чем в 3-4 раза.

40 (56) Г1атент США М 3906927, кл. F 24 J 3/02.

1975.

Солнечные высокотемпературные печи./Под ред. В,А.Баума, М.: Изд. ин. лит., 1960. с,47-49, 45 ных под гелиостатами, параболический концентратор расположен в световом потоке, сформированном преломляющим концентратором, при этом оптические

50 структуры выполнены по высоте в виде призматических участков с преломляющими углами, направленными вниз в сторону поверхности выхода преломляющего концентратора.

2. Установка по п,1, отличающаяся тем, что параболический концентратор выполнен в виде цилиндра.

2001360

Составитель Э, Тверьянович

Техред М.Мор гентал Корректор М. Куль

Редактор Л. Волкова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская нвб„4/5

Заказ 3124

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, Ул,Гагарина, 101