Гелиоэнергетическая установка

 

Изобретение относится к технике использования солнечной энергии и может найти применение в солнечных энергетических установках с концентраторами солнечного излучения для параллельной работы с источниками тепла для бытовых и технологических целей, а также для самостоятельной работы. Сущность изобретения заключается в том, что в гелиоэнергетической установке, содержащей первичные сферические концентраторы солнечного излучения, вторичные отражатели, имеющие общие фокусы с концентраторами, выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии и направляющие излучение на общий приемник тепла, опоры, монорельсы, устройства качения, программные приводы, согласно изобретению концентраторы обрезаны по периметру в виде квадратов и размещены по площади нагрева по поверхности земли в направлениях взаимно перпендикулярных столбцов и строк, монорельсы установлены на верху опор и ориентированы в направлении строк, опоры установлены на площади нагрева в несколько рядов и высота их выбрана примерно равной радиусу сфер концентраторов, устройства качения размещены на верху монорельсов и содержат две степени перемещения вторичных отражателей и приемника тепла, вторичные отражатели и приемник тепла расположены в устройствах качения по столбцам концентраторов, вторичные отражатели размещены на стержнях в фокальной плоскости концентраторов с расстояниями между собой, равными ширине концентраторов, стержни объединены с торцов штангами с расстояниями между стержнями, также равными ширине концентраторов, приемник тепла размещен на центральной оси блока стержней за пределами фокальной плоскости концентраторов, жестко соединен со штангами, содержит котел и трубы горячей и холодной воды, а вся жесткая система вторичных отражателей и приемник тепла с помощью рабочих и обратных тросов соединена с программными приводами движения в направлениях столбцов и строк. Изобретение должно обеспечить максимально возможное использование солнечного тепла. 1 ил.

Изобретение относится к области солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения. Установка является двухзеркальной и может быть использована в отраслях, где требуется тепловая энергия, в том числе и высокотемпературная. Она может работать параллельно с источниками тепла для бытовых и технологических целей, обеспечивая уменьшение расходования энергоносителей. Такими источниками являются котельные, бойлерные, бани, прачечные, источники химических и консервных комбинатов, установки для опреснения воды, установки для подогрева воздуха, газа и т.д. Днем в теплое время года при солнечной погоде часть тепловой нагрузки или всю нагрузку берет на себя предлагаемая установка, в остальное время - основной производитель тепла.

В связи с повышенной концентрацией солнечной энергии на приемнике тепла предлагаемая установка может производить также пар с техническими параметрами, поэтому может использоваться как резервный источник в электроэнергетике.

Известны двухзеркальные гелиоэнергетические установки с концентрирующими системами (см. Бюллетень изобретений 26 от 20.09.95, заявка 9302611 3/06, Тверьянович Э.В., "Солнечная установка", F 24 J 2/18. Бюллетень изобретений 47 от 23.12.81, а. с. 892397, Исламов М.С., "Солнечная установка", F 24 J 2/18).

Из известных установок наиболее близкой по технической сущности является солнечная установка по заявке 9302611 3/06, принятая за прототип. Установка содержит ориентируемую на солнце концентрирующую солнечное излучение систему, имеющую первичные концентраторы, фокусирующие излучение в точечные фокусы, и вторичные отражатели, имеющие общие фокусы с первичными концентраторами, выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии и направляющие излучение на общий приемник. Первичные концентраторы выполнены с возможностью синхронного поворота вокруг своих фокусов, а вторичные отражатели установлены неподвижно, выполнены в виде параболоидов и гиперболоидов, оси симметрии которых направлены на приемник. Общий приемник может быть расположен между первичными концентраторами и вторичными отражателями, а также над фокальной плоскостью первичных концентраторов.

Недостатком данной установки является необходимость поворота первичных концентраторов. Эти устройства являются наиболее громоздкой и тяжелой частью установки, желательно, чтобы они всегда оставались неподвижными, иначе возрастают требования к их прочности, что ведет к перерасходу материала и средств. Главный же их недостаток - высокая парусность, что также предъявляет дополнительные требования к прочности конструкции.

Известная установка по а. с. 892397 содержит ориентируемую на солнце концентрирующую солнечное излучение систему, имеющую первичные концентраторы, форсирующие излучение в точечные фокусы, и вторичные отражатели, имеющие общие фокусы с первичными концентраторами, выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии (эллипсоиды с отверстиями) и направляющие излучение на общий приемник.

Недостатком этой установки является многократное отражение на эллипсоидном вторичном отражателе и дополнительном зеркале, что ведет к снижению КПД, и необходимость дополнительного слежения плоским зеркалом.

Требование уменьшения материалоемкости в первичных концентраторах вытекает из характеристики, имеющейся в специальной литературе (Бринкворт Б. Солнечная энергия для человека. М.: Мир, 1976, автор из Кардиффского университета, Англия). Здесь на примере днищ солнечных коллекторов показано, что если гелиоэнергетика когда-нибудь выйдет на уровень производства энергии, соизмеримый с современным уровнем от сжигания органических энергоносителей, то на изготовление днищ коллекторов нужно будет израсходовать столько железа, сколько его производит вся металлургическая промышленность земли. Конечно, установки с концентраторами, которые обеспечивают более высокую температуру в приемнике, имеют по формуле Карно более высокий КПД, чем коллекторные, и будут занимать соответственно меньшую площадь, но необходимость сокращения каждого миллиметра толщины концентраторов очевидна и здесь. Именно они должны быть неподвижными. В то же время вторичные отражатели и приемники тепла по площади - это единицы процентов от площадей первичных концентраторов, их можно и нужно делать подвижными, раз уж какие-то устройства в установке должны быть такими. Задача должна решаться "с точностью до наоборот" по сравнению с прототипом. Если, конечно, такое решение у задачи есть, а оно есть, и если это решение экономически оправдано.

Предложена гелиоэнергетическая установка, содержащая первичные сферические концентраторы солнечного излучения, вторичные отражатели, имеющие общие фокусы с первичными концентраторами, выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии и направляющие излучение на общий приемник тепла, опоры, монорельсы, устройства качения, программные приводы, отличающаяся тем, что концентраторы обрезаны по периметру в виде квадратов и размещены по площади нагрева на поверхности земли в направлениях взаимно перпендикулярных столбцов и строк, монорельсы установлены на верху опор и ориентированы в направлении строк концентраторов, опоры установлены на площади нагрева в несколько рядов и высота их выбрана примерно равной радиусу сфер концентраторов, устройства качения размещены на верху монорельсов и содержат две степени перемещения вторичных отражателей и приемника тепла, вторичные отражатели и приемник тепла расположены в устройствах качения по столбцам концентраторов, вторичные отражатели размещены на стержнях в фокальной плоскости концентраторов с расстояниями между собой, равными ширине концентраторов, стержни объединены с торцов штангами с расстояниями между стержнями, также равными ширине концентраторов, приемник тепла размещен на центральной оси блока стержней за пределами фокальной плоскости концентраторов, жестко соединен со штангами, содержит котел и трубы горячей и холодной воды, а вся жесткая система вторичных отражателей и приемник тепла с помощью рабочих и обратных тросов соединена с программными приводами движения в направлениях столбцов и строк.

Предлагаемая установка позволяет получать горячую воду и пар с техническими параметрами при более низких затратах на ее строительство и эксплуатацию. Концентраторы, в отличие от прототипа и аналога, лежат горизонтально и неподвижно на земле, чем обеспечивается их минимальный вес и парусность. Это снижает требования к прочности концентраторов и расходы на материал для их изготовления, которым, как правило, является пластмасса. Поднятые же на высоту опор вторичные отражатели и приемник тепла имеют значительно меньшую парусность. Вторичные отражатели также пластмассовые, но они закреплены на стальных стержнях. И материал приемника тепла - сталь, т.е. прочность вторичных отражателей и приемника тепла достаточная.

Для пояснения предлагаемой гелиоэнергетической установки приведен чертеж, цифрами на котором обозначены: 1 - первичные сферические концентраторы, обрезанные по периметру по квадратам и расположенные на поверхности земли по столбцам и строкам; 2 - вторичные параболоидные, гиперболоидные и эллипсоидные отражатели; 3 - стержни, объединяющие отражатели между собой в группы по столбцам; 4 - штанга, объединяющая между собой группы отражателей по строкам с "холодной" стороны; 5 - штанга, объединяющая между собой группы отражателей по строкам с "горячей" стороны; 6 - гайки регулирования положения столбцов отражателей по осям концентраторов; 7 - гайки соединения стержней строк и устройств регулирования углового положения осей отражателей и положения отражателей на оси; 8 - устройства качения "по строкам"; 9 - конечные участки стержней столбцов, перемещающиеся в устройствах качения "по столбцам";
10 - опоры;
11 - монорельсы с ограничителями движения на концах;
12 - гибкая труба соединения с потребителем тепла;
13 - потребитель тепла;
14а - трос рабочего перемещения отражателей и приемника тепла по строкам;
14б - трос обратного перемещения по строкам;
15 - редуктор этого перемещения;
16 - исполнительный электродвигатель;
17 - программное устройство перемещения по строкам;
18a - трос рабочего перемещения отражателей и приемника по столбцам;
18б - трос обратного перемещения по столбцам;
19 - редуктор этого перемещения;
20 - исполнительный электродвигатель;
21 - программное устройство перемещения по столбцам;
22 - приемник тепла (котел);
23 - теплоизолированная труба отвода воды ("горячая" труба) от приемника;
24 - теплоизолированная труба подвода воды ("холодная" труба) к приемнику;
25 - устройство крепления приемника и "холодной" трубы на стержнях столбцов и подъема их над фокальной плоскостью;
26 - такое же устройство крепления "горячей" трубы.

Предложенная гелиоэнергетическая установка осуществляется следующим образом.

На горизонтальной поверхности расположены сферические концентраторы солнечной энергии 1, обрезанные по периметру в виде квадратов. Квадратные концентраторы, в отличие от круглых, можно сгруппировать в столбцы и строки без потери площади в углах. Число концентраторов в одном блоке будет уточняться, исходя из практических обстоятельств. Ширина квадрата одного концентратора, видимо, будет 200-250 см, радиусы сфер 150-200 см, высота концентраторов 30-50 см. Длины столбцов концентраторов с использованием дополнительных рядов опор и монорельсов желательны 50-100 м.

Предлагаемая установка способна доводить пар в приемнике тепла до температуры в несколько сотен градусов (пар с техническими параметрами), поэтому здесь оправданы дополнительные расходы. В частности, должен быть проработан вариант с радиусом сфер не 200 см, а 300 и более. Это увеличивает коэффициент концентрации системы, а также приближает первичные сферы по форме к плоскости, что снижает расход материала.

Поле концентраторов располагается на поверхности земли горизонтально с использованием по необходимости подставок и заглубления, между несколькими столбцами оставляются тропинки для обслуживающего персонала.

Опоры 10 устанавливаются в ряды ближе к краям блоков, но могут быть и дополнительные ряды опор при больших длинах столбцов.

На опорах сверху расположены монорельсы 11. Длина монорельсов равна общей ширине блока концентраторов плюс несколько метров (2,5-3,0 м), на которые монорельсы выходят за пределы ширины блока концентраторов. На краях монорельсов установлены ограничители движения для предупреждения схода устройств качения 8.

Устройства качения 8 создают возможность для двухстепенного перемещения вторичных отражателей и приемника тепла: сами катятся по монорельсам в направлении строк и имеют возможность для качения вторичных отражателей и приемника тепла в направлении столбцов.

Следующие элементы установки - вторичные отражатели 2. В качестве отражателей могут использоваться и параболоиды, и гиперболоиды, и эллипсоиды, указанные в прототипе и аналоге. Они, как и концентраторы, изготовлены из пластмассы, и в качестве отражающего слоя в них используется алюминиевая фольга или алюминированная пленка. Но размеры их значительно меньше по сравнению с размерами концентраторов.

Наиболее перспективно использование в установке параболоидов. Они имеют один фокус, совмещаемый с фокусом первичного концентратора, в нашем случае перемещающийся, формируют параллельный луч (внешней стороной параболоида), и приемник тепла может быть установлен на любом расстоянии от отражателя. Таким образом, параболоиды будут все одинаковые, возможна стандартизация производства, что удешевляет установку. У гиперболоида два фокуса, один совмещается с фокусом концентратора, второй находится в центре приемника. А поскольку расстояния от отражателей до приемника все практически разные, и гиперболоиды должны быть разными, а это дороже. Но они формируют сходящийся луч, и не исключено использование этого их свойства для увеличения коэффициента концентрации. У эллипсоидов с отверстием недостаток - многократное отражение на внутренней поверхности, но они могут использоваться в случае появления в установке таких углов отражения, которые недоступны двум предыдущим отражателям.

На чертеже изображены отражатели 2, направленные на приемник тепла 22 большой осью рисунка отражателя. Это характерно для эллипсоидов, но не означает, что все отражатели здесь эллипсоиды, так удобнее вычерчивать. Параболоиды будут направлены на приемник малой осью рисунка (а также и осью параболоида, ось у него одна).

Отражатели 2 соединены в столбцы с помощью стержней 3 и гаек 7. На чертеже не изображен как не имеющий принципиального значения двухстепенной механизм поворота нужной оси отражателя на приемник. Но в установке он есть, и с его помощью производится необходимая ориентация отражателя при регулировке. После чего отражатель закрепляется и перемещается при работе установки вместе с приемником, будучи всегда сориентированным на него нужной осью.

Концы 9 стержней 3, на чертеже они большего диаметра, проходят через устройства качения 8 и обеспечивают перемещение подвижной части установки по столбцам. Сами устройства качения 8 перемещаются по строкам. Так осуществляется двухкоординатное перемещение вторичных отражателей 2 и приемника тепла 22. Все торцы стержней строк (т.е. концы стержней 9) объединены с одной стороны с помощью штанги 4, с другой стороны с помощью штанги 5. Обе штанги состоят из отдельных отрезков, которые соединены между собой с помощью гаек 6. На каждый столбец отражателей приходится по 4 гайки, по 2 с каждой стороны. Одновременный поворот четырех регулировочных гаек (2 человека) перемещает стержень столбца параллельно оси концентратора, меняя его расстояние до соседних столбцов, медленный поворот двух гаек несколько регулирует направление стержня. Так согласуются при регулировке столбцы (стержни с отражателями) и оси концентраторов между собой по положению и направлению.

Общая высота, на которую подняты вторичные отражатели (высота опор плюс высота монорельсов плюс высота устройств качения), равна радиусу сферических концентраторов R. Фокальная плоскость, в которой движутся вторичные отражатели, является горизонтальной и проходит через центры кривизны всех концентраторов 1.

Концентраторы изготовлены из пластмассы, в них предусмотрены отверстия для стока дождевой воды. Сверху на пластмассу наклеена алюминиевая фольга.

Все вторичные отражатели 2 направляют уже сконцентрированную энергию на приемник тепла (котел) 22, к которому подводится холодная вода по теплоизолированной трубе 24 и отводится горячая вода и пар по теплоизолированной трубе 23. Трубы проходят над центральной осью, разделяющей столбцы концентраторов пополам, а приемник тепла находится над центральной точкой фокальной плоскости концентраторов. Трубы закреплены на концах двух центральных стержней 9 с помощью горизонтальных полок 25 и 26 (один конец полки 25 виден на чертеже, все остальные концы полок закрыты). В центре этих полок находятся скобы, обеспечивающие подъем труб 23 и 24 и приемника тепла 22 над фокальной плоскостью. Конструкция устройства подъема условная. На чертеже этот подъем небольшой ввиду стесненности рисунка, на самом деле он может быть величиной, например, с опору 10. Так обеспечиваются необходимые углы вторичного отражения с минимальным затенением.

Подъем труб 23 и 24 и приемника 22 над фокальной плоскостью ухудшает компактность установки. У установки достаточный габарит вниз от фокальной плоскости, а если окажется привлекательным вариант с высокими опорами 10 (3 м и более), то приемник тепла уйдет вниз обязательно. В этом случае компактность установки будет лучше, установка будет не только изящней, но и прочнее, ветроустойчивей.

Отбор тепловой энергии у гелиоустановки осуществляется с выхода трубы горячей воды 23 с помощью гибкой грубы 12. Возможны другие варианты такого отбора.

Отработанная вода с помощью насоса вновь закачивается на вход холодной трубы 24 установки, которая также теплоизолирована, так как поступающая вода может быть достаточно теплой.

Перемещение жесткой системы вторичных отражателей 2, стержней 3, штанг 4 и 5, труб 23 и 24, приемника тепла 22 осуществляется с помощью тросов: 14а - рабочий трос перемещения по строкам; 14б - обратный трос перемещения по строкам; 18a - рабочий трос перемещения по столбцам; 18б - обратный трос перемещения по столбцам. На чертеже крепление тросов к трубам показано условно как не имеющее принципиального значения.

Программа перемещения в каждом направлении записана в запоминающих устройствах 17 и 21. От программных устройств работают исполнительные электродвигатели 16 и 20. В связи с тем что скорость движения подвижной части установки очень маленькая (меньше 1 м/час по каждой координате), установлены редукторы 15 и 19, которые одновременно наматывают рабочие тросы 14а н 18а и сматывают обратные тросы 14б и 18б, и наоборот при обратном ходе. Тросы имеют резьбовые регуляторы длины для настройки системы.

Работает предлагаемая гелиоэнергетическая установка следующим образом.

Оператор устанавливает на программном устройстве истинное время, а программные приводы перемещают в двух направлениях жесткую подвижную систему установки в нужную точку, соответствующую этому времени. Оператор должен убедиться, что все пятна сконцентрированной солнечной энергии первичными концентраторами попадают на соответствующие вторичные отражатели, а от них на приемник тепла, после чего он нажимает кнопку "Пуск". Пошли часы, пришла в движение подвижная система, работа началась.

Если погода в этот момент пасмурная, все равно нажимается кнопка "Пуск", а уточнения производятся при появлении солнца. В случае несовпадений производится необходимая регулировка. Задачу регулирования количества воды, подаваемой в систему в соответствии с поступающей на приемник тепла энергией, может взять на себя автоматика, на чертеже это не отображено.

В качестве примера конкретного исполнения гелиоэнергетической установки можно рассмотреть гектар площади, занятый такой установкой в условиях России (Московская область) с экономической точки зрения.

Для такой установки требуются: пластмасса для концентраторов (10 т) - 5000 $, алюминиевая фольга (1 т) - 1500 $, опоры (100 шт.) - 1000 $, монорельсы (2 т) - 1000 $, стержни и штанги (1 т) - 500 $, вторичные отражатели с устройствами ориентации - 1000 $, приемник тепла и трубы - 500 $, устройства качения - 1500 $, программные устройства, исполнительные двигатели, редукторы, трос - 6000 $, насос - 1000 $.

Всего - 19000 $.

Комплектация для предлагаемой двухзеркальной установки на площади 1 гектар оказалась на 3000 $ дешевле, чем для аналогичной однозеркальной установки по заявке 2000130143 с приоритетом от 04.12.00. Главным образом за счет сокращения количества труб, теплоизоляции и стали для котлов. Появившиеся вторичные отражатели и механика для них стоит дешевле.

Но сохранится ли хотя бы на том же уровне стоимость монтажа, настройки и эксплуатации установки? Как будет вести себя КПД?
На эти вопросы можно будет ответить после макетирования хотя бы одного узла двух установок.

Комплектация двухзеркальной установки проигрывает 1000 $ однозеркальной однокоординатной установке по заявке 2000130142 с приоритетом от 04.12.00, но там ниже температура на выходе.

Что же касается установки с подвижными первичными концентраторами (Заявка 2000109491 с приоритетом от 19.04.00), двухзеркальная установка выигрывает у нее 22000 $ по комплектации.

Следует обратить внимание еще на один экономический факт: если срок службы установок с неподвижными концентраторами будет 1 год, тогда себестоимость их тепловой энергии приблизится к себестоимости энергии самых дешевых, однако труднореализуемых гелиоустановок - солнечных бассейнов (0,02 долл/кВт•ч). Но уж один-то год обеспечить несложно, и можно надеяться даже гарантировать несколько лет.

Формула изобретения

Гелиоэнергетическая установка, содержащая первичные сферические концентраторы солнечного излучения, вторичные отражатели, имеющие общие фокусы с концентраторами, выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии и направляющие излучение на общий приемник тепла, опоры, монорельсы, устройства качения, программные приводы, отличающаяся тем, что концентраторы обрезаны по периметру в виде квадратов и размещены по площади нагрева на поверхности земли в направлениях взаимно перпендикулярных столбцов и строк, монорельсы установлены на верху опор и ориентированы в направлении строк, опоры установлены на площади нагрева в несколько рядов и высота их выбрана примерно равной радиусу сфер концентраторов, устройства качения размещены на верху монорельсов и содержат две степени перемещения вторичных отражателей и приемника тепла, вторичные отражатели и приемник тепла расположены в устройствах качения по столбцам концентраторов, вторичные отражатели размещены на стержнях в фокальной плоскости концентраторов с расстояниями между собой, равными ширине концентраторов, стержни объединены с торцов штангами с расстояниями между стержнями, также равными ширине концентраторов, приемник тепла размещен на центральной оси блока стержней за пределами фокальной плоскости концентраторов, жестко соединен со штангами, содержит котел и трубы горячей и холодной воды, а вся жесткая система вторичных отражателей и приемник тепла с помощью рабочих и обратных тросов соединена с программными приводами движения в направлениях столбцов и строк.

РИСУНКИ

Рисунок 1