Способ изготовления гелиоустановки (варианты)
Владельцы патента RU 2338127:
Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика" (RU)
Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение при производстве малогабаритных гелиоустановок индивидуального или промышленного пользования для преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую энергию. В способе изготовления гелиоустановки, основанном на формировании концентратора солнечной энергии, включающем изготовление основного отражателя желобообразной формы параболического поперечного сечения, и изготовлении преобразователя солнечного излучения с последующим его монтажом в области концентрации солнечной энергии отражателя, изготавливают дополнительный отражатель, идентичный имеющемуся, расчленяют основной и дополнительный отражатели на два фрагмента секущими плоскостями, проходящими через их фокальные линии и под острым углом к их плоскости симметрии, и формируют концентратор солнечной энергии путем сопряжения двух больших фрагментов, полученных из расчлененных отражателей, по линии их расчленения при одновременном совмещением их фокальных линий, при этом преобразователь солнечного излучения изготавливают вытянутой формы в поперечном сечении с последующим его монтажом вдоль совмещенных фокальных линий сопряженных больших фрагментов расчлененных отражателей. По второму варианту изготовления гелиоустановки изготавливают дополнительный отражатель, идентичный имеющемуся, и вкладыш таврового сечения, расчленяют основной и дополнительный отражатели на два фрагмента секущими плоскостями, проходящими через их фокальные линии и под острым углом к их плоскости симметрии, и формируют концентратор солнечной энергии путем крепления двух меньших фрагментов, полученных из расчлененных отражателей, их линиями расчленения вдоль боковых сторон основания вкладыша таврового сечения с последующим монтажом преобразователя солнечного излучения вдоль ребра жесткости упомянутого вкладыша, ширину А основания которого выбирают из соотношения: Δ=2h(1-n/k), где h - расстояние от линии расчленения до оси образующей параболы (м), n - отношение полуширины параболы к фокусному расстоянию, k - коэффициент концентрации солнечного излучения. Технический результат от использования изобретений заключается в обеспечении равномерной засветки преобразователей солнечной энергии с обеих сторон, что является необходимым условием при использовании в качестве преобразователя солнечной энергии фотоэлектрических элементов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 13 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к солнечной энергетике и может найти применение при производстве малогабаритных гелиоустановок индивидуального или промышленного использования для преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую энергию.
Известны способы изготовления гелиоустановок, основанные на формировании параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии, выполненного из набора плоских зеркальных фацет, и изготовлении протяженного приемника концентрированного излучения с последующим его монтажом в области фокусной линии концентратора, см., например, пат. №659123, Швейцария, МКП F24J 2/10, 1986 г.; пат. РФ №2222755, МКП F24J 2/14, 2/42, 2004 г.
Недостатком указанных технических решений является относительно сложная процедура союстировки отдельных элементов концентраторов, изготовленных вышеуказанными способами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу изготовления гелиоустановки является способ, основанный на формировании концентратора солнечной энергии, включающий изготовление основного отражателя желобообразной формы параболического поперечного сечения и изготовление преобразователя солнечного излучения с последующим его монтажом в области концентрации солнечной энергии отражателя, см., например, заявку №19539115, Германия, МКП F24J 2/14, 1997 г.
Недостатком гелиоустановок, изготавливаемых по данному способу, является неравномерное распределение сконцентрированного солнечного излучения на рабочей поверхности преобразователя, что является особенно критичным, если в качестве преобразователя солнечного излучения используется фотоэлектрический преобразователь.
С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в изготовлении гелиоустановки с повышенной равномерностью распределения солнечной энергии по обеим рабочим поверхностям преобразователя солнечного излучения.
В соответствии с предлагаемым техническим решением вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления гелиоустановки, основанном на формировании концентратора солнечной энергии, включающем изготовление основного отражателя желобообразной формы параболического поперечного сечения и изготовлении преобразователя солнечного излучения с последующим его монтажом в области концентрации солнечной энергии отражателя, изготавливают дополнительный отражатель, идентичный имеющемуся, расчленяют основной и дополнительный отражатели на два фрагмента секущими плоскостями, проходящими через их фокальные линии и под острым углом к их плоскости симметрии, и формируют концентратор солнечной энергии путем сопряжения двух больших фрагментов, полученных из расчлененных отражателей, по линии их расчленения при одновременном совмещении их фокальных линий, при этом преобразователь солнечного излучения изготавливают вытянутой формы в поперечном сечении с последующим его монтажом вдоль совмещенных фокальных линий сопряженных больших фрагментов расчлененных отражателей.
Кроме того, преобразователь солнечного излучения изготавливают прямоугольной формы в поперечном сечении.
Кроме того, монтаж преобразователя солнечной энергии осуществляют с помощью пластины прямоугольной формы, которую крепят первой из ее больших сторон вдоль линии сопряжения больших фрагментов расчлененных отражателей, второй - вдоль меньшей грани преобразователя солнечной энергии.
В способе изготовления гелиоустановки по варианту исполнения, основанном на формировании концентратора солнечной энергии, включающем изготовление основного отражателя желобообразной формы параболического поперечного сечения и изготовлении преобразователя солнечного излучения с последующим его монтажом в области концентрации солнечной энергии отражателя, изготавливают дополнительный отражатель, идентичный имеющемуся, и вкладыш таврового сечения, расчленяют основной и дополнительный отражатели на два фрагмента секущими плоскостями, проходящими через их фокальные линии и под острым углом к их плоскости симметрии, и формируют концентратор солнечной энергии путем крепления двух меньших фрагментов, полученных из расчлененных отражателей, их линиями расчленения вдоль боковых сторон основания вкладыша таврового сечения с последующим монтажом преобразователя солнечного излучения вдоль ребра жесткости упомянутого вкладыша, ширину Δ основания которого выбирают из соотношения:
Δ=2h(1-n/k),
где h - расстояние от линии расчленения до оси образующей параболы,
n - отношение полуширины параболы к фокусному расстоянию,
k - коэффициент концентрации солнечного излучения.
На Фиг.1 - 8 изображены характерные операции при изготовлении гелиоустановки; на Фиг.9 - ход солнечных лучей при ориентации концентратора на Солнце; на Фиг.10 - ход наклонных солнечных лучей.
На Фиг.11, Фиг.12 изображена последовательность операций по изготовлению гелиоустановки по варианту исполнения, на Фиг.13 - ход солнечных лучей в этой гелиоустановке.
Рассмотрим способ изготовления гелиоустановки по основному варианту.
Сначала формируют, например, на оправке (в графических материалах условно не показана) два отражателя - 1 и 2 желобообразной формы с параболическим поперечным сечением (см. Фиг.1). Затем каждый из отражателей - 1 и 2 расчленяют на два фрагмента - большие - 3 и меньшие - 4 секущими плоскостями - А, проходящими через фокальные линии - F1, F2 отражателей и под острым углом - α к плоскости - В симметрии отражателей - 1 и 2 (см. Фиг.2).
Далее формируют концентратор солнечной энергии путем сочленения полученных больших фрагментов - 3 по линии их расчленения при одновременном совмещении их фокальных линий - F1, F2 (см. Фиг.3). После чего изготавливают преобразователь солнечной энергии - 5 прямоугольного сечения и вытянутой формы (см. Фиг.4) и прямоугольную пластину - 6 (см. Фиг.5) для монтажа преобразователя - 5.
Монтаж преобразователя - 5 осуществляют путем крепления (например, аргонодуговой сваркой) вдоль средней части одной из его меньших боковых граней большей стороны пластины - 6, закрепляемой второй большой стороной вдоль линии сочленения (сопряжения) фрагментов - 3 со стороны отражающей поверхности (см. Фиг.6, Фиг.7). После проделанных операций готовое изделие устанавливается на основание - 7 и может эксплуатироваться как бытовая или промышленная установка.
С помощью Фиг.9 и 10 рассмотрим ход лучей в изготовленной установке.
При ориентации гелиоустановки на Солнце входные лучи (на Фиг.9 показаны сплошными линиями) параллельны оси симметрии ОО концентратора, а поскольку фрагменты отражателей - 3 повернуты навстречу друг другу на угол 2α, на каждый фрагмент - 3 солнечные лучи падают наклонно. Направление таких лучей образует с осями парабол O1O1 и О2О2 каждого фрагмента - 3 угол α.
При нулевом угле наклоне входных лучей к осям парабол O1O1 и О2О2 (на Фиг.9 такие лучи показаны пунктирными линиями) отраженные лучи собираются в фокусе F1 или F2.
Входные лучи, наклонные к фрагментам - 3 отражателя, но параллельные оси симметрии концентратора ОО поступают на отражающую поверхность концентратора под большим углом к нормали N в каждой точке параболы каждого фрагмента - 3 отражателя - 1 или - 2, поэтому они отражаются за фокальные точки F1, F2, равномерно засвечивая обе рабочие поверхности преобразователя солнечного излучения - 5 (на Фиг.9 лучи, отраженные от верхнего фрагмента - 3, поступают на верхнюю поверхность преобразователя - 5, лучи, отраженные от нижнего фрагмента - 3, поступают на нижнюю поверхность преобразователя - 5).
Следует отметить, что конструкция, изготовленная по вышеприведенной технологии, сохраняет эффективность работы при наличии некоторого углового рассогласования между направлением входных солнечных лучей и осью симметрии ОО концентратора.
Ход солнечных лучей через концентратор при максимальной ошибке наведения, равной α, показан на Фиг.10. В этом случае входные солнечные лучи падают на отражающую поверхность нижнего фрагмента - 3 отражателя - 2 под большим углом, чем лучи, показанные на Фиг.10 пунктирными линиями (лучи, параллельные оси О2О2 образующей параболы нижнего фрагмента - 3), которые после отражения от нижнего фрагмента - 3 концентратора поступали бы в фокус F2, поэтому наклонные входные лучи при отражении от нижнего фрагмента - 3 отклоняются за фокальную точку F2, находящуюся на краю преобразователя - 5 и попадают на его рабочую поверхность.
Входные лучи с тем же наклоном α к оси симметрии OO поступают на верхний фрагмент - 3 параллельно оси O1O1 образующей параболы и после отражения от концентратора попадают в фокальную точку F1, находящуюся на крайней кромке преобразователя - 5.
При дальнейшем увеличении угла рассогласования прихода солнечных лучей (и соответствующего уменьшения угла их падения в каждой точке отражающей поверхности верхнего фрагмента -3 концентратора) эти лучи после отражения будут проходить мимо преобразователя - 5, следовательно, будет засвечиваться только нижняя сторона преобразователя - 5.
При ошибке слежения за Солнцем меньшей угловой величины ±α фрагмента - 3 в изготовленной гелиоустановке засвечиваются обе стороны преобразователя - 5.
Для гелиоустановок с наклонно-вертикальным расположением продольной оси трудно обеспечить постоянное точное слежение за Солнцем при его движении по азимуту, поэтому гелиоустановку, изготовленную по основному варианту, сохраняющую работоспособность при некоторой ошибке слежения за Солнцем, целесообразно использовать в конструкциях такого типа (см. Фиг.8).
По варианту исполнения гелиоустановка изготавливается аналогично рассмотренной ранее, но с использованием меньших фрагментов - 4, полученных после расчленения отражателей - 1 и 2 (см. Фиг.1 - 5), и дополнительно изготовленного вкладыша -8 таврового сечения, показанного на Фиг.11 (вместо прямоугольной пластины - 6, изображенной на Фиг.5), с шириной основания равной - Δ и ребром жесткости с высотой - Δ1 (здесь и далее размерность всех линейных величин Δ, h, Н и f представлены в системе СИ (м)).
Ширину Δ основания вкладыша - 8 выбирают исходя из условия:
Δ=2h(1-n/k), где
h - расстояние от линии расчленения до оси образующей параболы,
n - отношение полуширины параболы к фокусному расстоянию,
k - коэффициент концентрации солнечного излучения (n, k безразмерные величины).
При формировании концентратора солнечной энергии осуществляют крепление меньших фрагментов - 4 по линиям их расчленений вдоль боковых сторон основания вкладыша - 8 с последующим монтажом преобразователя - 5 вдоль ребра жесткости вкладыша - 8 (см. Фиг.12).
Сформированный концентратор устанавливают на основание и получают гелиоустановку, аналогичную изображенной на Фиг.8 (в графических материалах условно не показано).
Рассмотрим ход солнечных лучей в гелиоустановке, изготовленной по варианту исполнения (см. Фиг.13) и определим ширину - Δ вкладыша (оптимальный зазор между линиями расчленения отражателей - 1 и 2), исходя из требуемого коэффициента концентрации k солнечного излучения на поверхности преобразователя - 5 с учетом геометрических параметров концентратора, а именно фокусного расстояния f и полуширины параболы Н.
Как видно из Фиг.13, поперечное сечение светового пучка на входе верхнего фрагмента - 4 равно (H-h), после концентратора пучок сжимается, на уровне линии расчленения и на уровне оси симметрии его поперечные сечения обозначены отрезками CD и EG соответственно. Очевидно, что меняя расстояния Δ между линиями расчленения, можно изменять размеры поперечного сечения светового пучка на линии симметрии OO, а именно, при увеличении расстояния Δ поперечное сечение EG светового пучка на уровне оси симметрии OO уменьшается и наоборот.
Чтобы получить требуемый коэффициент концентрации k, должно выполняться соотношение между сечением светового пучка на входе (H-h) и сечением EG на уровне оси симметрии концентратора ОО, где установлен преобразователь солнечной энергии - 5:
Из подобия затемненных треугольников следует равенство:
Учитывая уравнения (1) и (2), получаем равенство:
С некоторой погрешностью можно принять, что
(Н-h)=Н, a CD=f,
поэтому уравнение (3) преобразуется к виду:
Поскольку отношение полуширины параболы к фокусному расстоянию H/f для конкретной параболы, образующей концентратор, есть величина постоянная, это отношение можно заменить постоянным коэффициентом - n, тогда, преобразуя уравнение (4), получим искомое значение требуемого расстояния Δ между линиями расчленения отражателей - 1 и 2, а именно:
Δ=2h(1-n/k).
Полученное расстояние между фрагментами - 4 отражателей обеспечивает требуемое уменьшение поперечного сечения светового потока в плоскости симметрии OO концентратора, где установлен преобразователь солнечного излучения - 5, а следовательно, соответствующее увеличение плотности концентрированного излучения на верхней поверхности преобразователя - 5 (см. Фиг.13).
Солнечные лучи, отраженные от нижнего фрагмента - 4, соответственно концентрируются на нижней поверхности преобразователя - 5.
Из вышеприведенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущества по сравнению с известными, а именно, позволяют получать конструкции, обеспечивающие равномерную засветку обеих рабочих поверхностей преобразователей солнечной энергии, что является необходимым условием при использовании в качестве преобразователя солнечной энергии фотоэлектрических элементов.
По материалам заявки на предприятии в настоящее время изготовлены макетные образцы гелиоустановки, которые при испытаниях подтвердили достижение вышеуказанного технического результата.
1. Способ изготовления гелиоустановки, основанный на формировании концентратора солнечной энергии, включающий изготовление основного отражателя желобообразной формы параболического поперечного сечения, и изготовлении преобразователя солнечного излучения с последующим его монтажом в области концентрации солнечной энергии отражателя, отличающийся тем, что изготавливают дополнительный отражатель, идентичный имеющемуся, расчленяют основной и дополнительный отражатели на два фрагмента секущими плоскостями, проходящими через их фокальные линии и под острым углом к их плоскости симметрии, и формируют концентратор солнечной энергии путем сопряжения двух больших фрагментов, полученных из расчлененных отражателей, по линии их расчленения при одновременном совмещении их фокальных линий, при этом преобразователь солнечного излучения изготавливают вытянутой формы в поперечном сечении с последующим его монтажом вдоль совмещенных фокальных линий сопряженных больших фрагментов расчлененных отражателей.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразователь солнечного излучения изготавливают прямоугольной формы в поперечном сечении.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что монтаж преобразователя солнечной энергии осуществляют с помощью пластины прямоугольной формы, которую крепят первой из ее больших сторон вдоль линии сопряжения больших фрагментов расчлененных отражателей, второй - вдоль меньшей грани преобразователя солнечной энергии.
4. Способ изготовления гелиоустановки, основанный на формировании концентратора солнечной энергии, включающий изготовление основного отражателя желобообразной формы параболического поперечного сечения, и изготовлении преобразователя солнечного излучения с последующим его монтажом в области концентрации солнечной энергии отражателя, отличающийся тем, что изготавливают дополнительный отражатель, идентичный имеющемуся, и вкладыш таврового сечения, расчленяют основной и дополнительный отражатели на два фрагмента секущими плоскостями, проходящими через их фокальные линии и под острым углом к их плоскости симметрии, и формируют концентратор солнечной энергии путем крепления двух меньших фрагментов, полученных из расчлененных отражателей, их линиями расчленения вдоль боковых сторон основания вкладыша таврового сечения с последующим монтажом преобразователя солнечного излучения вдоль ребра жесткости упомянутого вкладыша, ширину Δ (в метрах) основания которого выбирают из соотношения:
Δ=2h(1-n/k),
где h - расстояние от линии расчленения до оси образующей параболы, м;
n - отношение полуширины параболы к фокусному расстоянию;
k - коэффициент концентрации солнечного излучения.
