Солнечная установка с концентратором

Авторы патента:

F24J2/14 - полуцилиндрическими или цилиндро-параболическими

Владельцы патента RU 2338128:

Российская Академия Сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) (RU)

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 h≥R-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.

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 h≥R-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=πdh=2πr(R-r);

При r→0 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=η_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.

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 h≥R-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.

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.

Гелиоустановка для преобразования солнечной энергии (варианты), способ изготовления отражателя и оснастка для формирования отражателя // 2325598

Солнечная установка с концентратором (варианты) // 2311701

Солнечный дом // 2303753

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты.

Солнечная энергетическая установка (варианты) // 2303205

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения для выработки электроэнергии и высокопотенциального тепла.

Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за солнцем // 2300058

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти свое применение в широком диапазоне использования в зависимости от рабочей площади концентратора, а именно: от получения горячей воды для бытовых нужд до получения высокопотенциальной энергии перегретого пара.

Фокусирующий солнечный коллектор // 2298738

Изобретение относится к области гелиотехники. .

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором // 2280216

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентратором для получения электрической энергии. .

Способ и солнечная установка для получения вяжущих веществ из кубового отхода масложировой промышленности // 2277581

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к переработке отходов масложировой промышленности с применением параболоцилиндрических концентратов солнечного излучения.

Способ переработки отходов масложировой промышленности и солнечная установка для его осуществления (варианты) // 2271505

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к конструкции параболоцилиндрических концентраторов солнечной энергии для переработки отходов масложировой промышленности и получения низкозамерзающих охлаждающих жидкостей.

Солнечный дом (варианты) // 2338129

Способ концентрации солнечной энергии и устройство для его осуществления // 2342606

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным концентраторам с высокой степенью концентрации

Солнечный модуль со стационарным концентратором // 2366867

Изобретение относится к области гелиотехники и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими или тепловыми приемниками излучения и стационарными концентраторами, допускающими эксплуатацию модуля в неподвижном режиме круглый год

Фокусирующий солнечный агрегат // 2396494

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для обеспечения энергией домостроений жилых и производственных зданий

Абсорбер параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем // 2430311

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти свое применение в широком диапазоне использования при преобразовании солнечной энергии в тепловую энергию пара или горячей воды, необходимых для бытовых нужд, систем отопления жилых домов и производственных помещений

Солнечный модуль с концентратом (варианты) // 2456515

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электричества и/или тепла

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором // 2466490

Изобретение относится к гелиоэнергетике, к солнечным энергетическим модулям с концентратором, для получения электрической энергии

Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения // 2554674

Изобретение относится к гелиотехнике. Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения состоит из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника (ФЭП), расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, при этом солнечный фотоэлектрический модуль содержит асимметричный концентратор параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством протока теплоносителя; форма отражающей поверхности концентратора Х(Y) определяется предложенной системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки шириной do из скоммутированных ФЭП и длиной h и расположенного под углом к миделю концентратора. Изобретение обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерное освещение ФЭП, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения (12 В и выше), нагрев проточного теплоносителя, повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии. 4 ил.

Солнечный нагреватель с защитой от атмосферных осадков // 2569423

Изобретение относится к энергетике, в частности к использованию энергии солнечного излучения в системах теплоснабжения таких объектов, как индивидуальное жилье, мелкие сельскохозяйственные производства, промыслы, отдаленные оздоровительные учреждения или объекты экологического назначения и туризма. Данный солнечный нагреватель имеет коллектор в прозрачной теплоизолирующей оболочке с параболическим рефлектором, оснащенным устройством самоориентации на Солнце. Отличительные особенности данного устройства заключаются в том, что его коллектор выполнен в виде коаксиальной трубной конструкции с длиной ее абсорбера, превышающей продольный размер параболического рефлектора, что позволяет ограничиться его ориентацией в одной плоскости, а его привод обеспечивает наряду с автоматическим поддержанием ориентации на Солнце в рабочем режиме также автоматический поворот параболического рефлектора на время отсутствия солнечного облучения в верхнее положение. Изобретение обеспечивает защиту всех рабочих поверхностей нагревателя от атмосферных осадков. 3 ил.

Солнечный модуль с концентратором (варианты) // 2572167

Солнечный модуль содержит на рабочей поверхности защитное покрытие, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с параметрическим углом δ с поверхностью входа и выхода лучей и приемник излучения в виде полосы. Защитное покрытие выполнено в виде отклоняющей оптической системы из набора призм с острым углом Ψ между поверхностями входа и выхода лучей. Фотоприемник установлен в фокальной плоскости между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя. Поверхность входа лучей отклоняющей оптической системы параллельна поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя или наклонена к ней под углом Ψ. Угол входа лучей β0 или угол между направлением входа лучей и поверхностью входа зеркального отражателя β 0 / , а также острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ отражателя соответствующими соотношениями, приведенными в формуле изобретения. Технический результат - повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получения электроэнергии и теплоты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.