Концентратор солнечного излучения (варианты)



Концентратор солнечного излучения (варианты)
Концентратор солнечного излучения (варианты)
Концентратор солнечного излучения (варианты)
Концентратор солнечного излучения (варианты)

 


Владельцы патента RU 2519530:

Ефлов Петр Александрович (RU)

Изобретение применяется для производства электроэнергии путем концентрации солнечной радиации для последующего ее преобразования в электроэнергию. Концентратор солнечного излучения содержит полый корпус, по меньшей мере, часть которого выполнена прозрачной, фокусирующий элемент, например светоотражающую пленку 2, преобразователь 3 энергии, а также систему позиционирования фокусирующего элемента в зависимости от положения солнца. Светоотражающая пленка 2 по своему периметру закреплена внутри оболочки в виде надувного шара 1. Шар 1 размещен с возможностью свободного поворота внутри полого корпуса 9 с зазором относительно его внутренней поверхности с возможностью заполнения указанного зазора в его нижней части жидкостью, а система позиционирования выполнена с возможностью поворота оболочки. Во втором варианте изобретения корпус отсутствует, шар 1 размещается на поверхности водоема. Предложенная конструкция отличается мобильностью, компактностью, простотой монтажа, легкостью в обслуживании, низкими усилиями, требуемыми для позиционирования оболочки, низкой ценой за счет использования простых и доступных материалов, возможностью создания электростанций любой мощности. 26 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение применяется для производства электроэнергии путем концентрации солнечной радиации для последующего ее преобразования в электроэнергию.

Основные тенденции разработок в области солнечной энергетики направлены на решение следующих задач: модульность, автономность, занимаемые площади, простота монтажа, упрощение системы позиционирования и продление срока службы.

Для использования солнечного излучения применяют различные устройства, наиболее распространенными устройствами являются параболические зеркала, которые концентрируют солнечное излучение в фокусе.

Электростанций, основанных на концентрации солнечного света, падающего на большую площадь, в маленькое пятнышко, в котором интенсивность солнечного излучения достигает 10, 100 и даже 1000 раз от обычной интенсивности солнечного света, есть несколько типов (см., например, www.aenergy.ru/37).

Электростанции башенного типа.

Эти электростанции устроены следующим образом. В центре ровного поля возводится башня, на верхней части которой закрепляется паровой котел, покрытый энергопоглощающим материалом. Вокруг этой башни расположена масса плоских больших зеркал (гелиостатов), каждое такое зеркало закреплено на шарнире, каждый из которых имеет две степени свободы. Поворот каждого такого зеркала осуществляется при помощи электромоторов, управляемых компьютером. Во время движений солнца по небу каждое такое зеркало поворачивается таким образом, что отраженный им свет падает точно на котел на башне. Так как таких зеркал достаточно много, то интенсивность солнечного света, падающего на котел, достигает нескольких сотен солнц. Такое интенсивное излучение кипятит воду в котле. Вырабатываемый котлом пар вращает паровую турбину, которая вырабатывает электроэнергию.

Недостатками таких электростанций является:

- невозможность создания маленьких портативных электростанций;

- нет возможности наращивать мощность - она ограничена мощностью паровой турбины;

- потребность в чистой воде, что достаточно затруднительно в пустынных районах, где разумно размещать солнечные электростанции;

- достаточно сложная система управления, контроля состояния и позиционирования зеркалами;

- в запыленных пустынных районах возникает проблема замутнения зеркал, являющихся основными (дорогостоящими) элементами конструкции.

Электростанции по типу солнечного желоба.

Эти электростанции состоят из большого числа зеркальных параболических желобов, закрепленных на шарнире и имеющих одну степень свободы. В фокусной точке параболы этих желобов располагается специальная труба, по которой циркулирует теплоноситель - чаще всего это расплав солей. В течение светового дня поворот этих желобов осуществляется электромоторами, управляемыми компьютером таким образом, что пятно сконцентрированного солнечного света всегда попадает на трубу с теплоносителем. Этот теплоноситель впоследствии отдает свое тепло воде, которая кипит. Пар, образующийся в процессе кипячения воды, вращает паровую турбину, которая, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию.

Недостатками таких электростанций является:

- невозможность создания маленьких портативных электростанций;

- нет возможности наращивать мощность - ограничена мощностью паровой турбины;

- потребность в чистой воде, что достаточно затруднительно в пустынных районах, где разумно размещать солнечные электростанции.

- потребность в выравнивании поверхности земли, на которой она располагается;

- необходимость в создании сложных параболических зеркал;

- сложная система контроля состояния, требующая постоянного мониторинга;

- в запыленных пустынных районах возникает проблема замутнения параболических зеркал, являющихся основными (дорогостоящими) элементами конструкции.

Параболические концентраторы с двигателями Стирлинга.

Эти электростанции представляют собой скопления или одиночные крупные круговые параболические зеркала, каждое из которых концентрирует солнечный свет в небольшое пятно, интенсивность солнечного излучения в котором в тысячи раз превышает обычное. В центр этого пятна помещается двигатель Стирлинга, преобразующий тепловую энергию в электрическую. Вся эта конструкция закреплена на шарнире и имеет две степени свободы. Поворот каждой такой тарелки осуществляется посредством электромоторов, управляемых контроллером таким образом, чтобы в течение всего светового дня пятно сконцентрированного солнечного света попадало точно на теплоприемник двигателя Стирлинга.

Недостатками таких электростанций является:

- необходимость в точной и прочной установке, требующей квалифицированных кадров и значительных временных затрат;

- вся конструкция должна быть жестко закреплена и иметь жесткую и мощную систему позиционирования, так как тарелки больших размеров имеют большую парусность;

- в данный момент коммерческие образцы таких тарелок имеют минимальную мощность 25 кВт и диаметр 12 метров, что делает их достаточно большими для индивидуального использования.

Параболические концентраторы с CPV клетками.

Эти электростанции представляют собой скопления или одиночные круговые параболические зеркала, каждое из которых концентрирует солнечный свет в небольшое пятно, интенсивность солнечного излучения в котором в сотни раз превышает обычное. В центр этого пятна помещаются CPV клетки, непосредственно преобразующие солнечную радиацию в электроэнергию. Вся эта конструкция закреплена на шарнире и имеет две степени свободы. Поворот каждой такой тарелки осуществляется посредством электромоторов, управляемых контроллером таким образом, чтобы в течение всего светового дня пятно сконцентрированного солнечного света попадало точно на клетки CPV.

Недостатками таких электростанций являются:

- необходимость в точной и прочной установке, требующей квалифицированных кадров и значительных временных затрат;

- вся конструкция должна быть жестко закреплена и иметь жесткую и мощную систему позиционирования, так как тарелки таких размеров имеют большую парусность.

Параболические концентраторы, использующие светоотражающую пленку.

Электростанции на базе этой технологии представляют из себя скопления или одиночные металлические кольца, на каждое из которых натянуто два вида пленки: светоотражающая с одной стороны и прозрачная с другой. Давление внутри этого кольца поддерживается динамически и централизованно (в случае скоплений). Внутри этого кольца расположены клетки CPV. Солнечный свет, проходя через прозрачную пленку, попадает на светоотражающую пленку, которая в надутом состоянии имеет параболическую форму. Отражаясь от параболической светоотражающей пленки, солнечный свет концентрируется в маленькое пятнышко, интенсивность солнечного излучения в котором в сотни раз превышает нормальное. Каждый такой солнечный концентратор закреплен на шарнире, имеющем две степени свободы. Каждый такой концентратор управляется двумя электромоторами таким образом, чтобы в течение всего светового дня пятно сконцентрированного солнечного света попадало точно на клетки CPV.

Недостатками таких электростанций являются:

- потребность в постоянном контроле давления внутри надутых частей;

- необходимость в точной и прочной установке, требующей квалифицированных кадров и значительных временных затрат;

- вся конструкция должна быть жестко закреплена и иметь жесткую и мощную систему позиционирования, так как тарелки больших размеров имеют большую парусность.

Известен неподвижный зеркальный сферический концентратор, наклоненный под углом, равным широте места (RU 2034204 C1, опуб. 30.04.1995).

Недостаток данного концентратора заключается в том, что в нем не предусмотрено слежение за положением солнца в течение дня, что снижает эффективность устройства.

Известен солнечный концентратор, содержащий параболоцилиндрический отражатель, и фотоприемник в фокальной области, расположенные в прозрачной цилиндрической оболочке, а также систему слежения и устройство прокачки охлаждающей жидкости через оболочку (RU 2431787 C1, опуб. 20.10.2011).

Недостатком данного устройства является использование дорогостоящих параболоцилиндрических зеркал. Нет возможности быстрого монтажа и демонтажа. Нет защиты от негативных погодных явлений, например град может разбить трубку с теплоносителем, если она выполнена из стекла, а зеркальная поверхность концентратора может изнашиваться из-за пыли.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является концентратор солнечного излучения, содержащий прозрачный герметичный цилиндрический корпус в форме башни, в котором расположены параболические отражатели, закрепленные на вертикальном валу с возможностью их поворота относительно корпуса в зависимости от положения солнца (FR 2568991 A1, опуб. 14.02.1986).

Недостатком данного решения является необходимость приложения достаточно большого усилия к валу с параболическими отражателями, невозможность создания портативных маломощных установок. Нет возможности быстрого монтажа и демонтажа. Компоненты установки достаточно сложны в исполнении, что вызывает большую стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание концентраторов солнечного излучения, которые:

- способны работать в местности с любым рельефом (крыши домов, солнечные стороны холмов и любые другие неподготовленные поверхности, которые достаточно сложно или невозможно выравнивать для использования на них традиционных солнечных электростанций);

- не требуют особых навыков для их монтажа и обслуживания;

- не требуют большого времени для их монтажа и демонтажа;

- не требуют приложения больших усилий для позиционирования отражателей;

- занимают достаточно мало места и имеют малый вес для упрощения их транспортировки, например, в населенные пункты, доставка в которые затруднена (легко перевозить на самолете);

- способны работать достаточно большой период времени, не требуя замены дорогостоящих компонентов;

- способны работать практически при любых погодных условиях, таких как высокая запыленность, вызывающая коррозию и повреждение дорогостоящих зеркал обычных электростанций, град, способный разбить эти зеркала, сильный ветер, вызывающий раскачивание и износ солнечных тарелок.

По сравнению с ближайшим аналогом предложенная конструкция отличается мобильностью, компактностью, простотой монтажа, легкостью в обслуживании, низкой ценой за счет использования простых и доступных материалов, возможностью создания электростанций любой мощности.

Технический результат, достигаемый предложенным изобретением, заключается в упрощении конструкции, снижении ее веса, снижении усилия, требуемого для позиционирования фокусирующего элемента.

Технический результат достигается тем, что концентратор солнечного излучения по первому варианту выполнения содержит полый корпус, по меньшей мере, часть которого выполнена прозрачной, фокусирующий элемент и преобразователь энергии, а также систему позиционирования фокусирующего элемента в зависимости от положения солнца, причем фокусирующий элемент закреплен внутри оболочки, по крайней мере, часть которой выполнена прозрачной, при этом оболочка размещена внутри полого корпуса с возможностью свободного поворота оболочки относительно корпуса в плавающем состоянии при заполнении корпуса в нижней части жидкостью, а система позиционирования выполнена с возможностью поворота оболочки.

Первый вариант концентратора имеет следующие частные случаи выполнения.

Оболочка предпочтительно выполнена надувной.

Оболочка выполнена преимущественно шарообразной формы.

Преобразователь энергии может быть расположен внутри или снаружи оболочки.

Фокусирующий элемент предпочтительно выполнен в виде светоотражающей пленки, которая имеет форму поверхности вращения с параболическим сечением и которая закреплена своим периметром по сечению оболочки.

Возможен вариант выполнения фокусирующего элемента в виде линзы Френеля.

Полый корпус предпочтительно выполнен надувным.

В нижней части корпуса, заполняемой жидкостью, может быть помещено кольцо, при этом оболочка расположена над указанным кольцом, а уровень жидкости, на поверхности которой плавает оболочка, и размеры кольца подобраны из условия исключения касания оболочкой стенок корпуса.

В первом варианте выполнения системы позиционирования она расположена внутри оболочки и содержит рамку, закрепленную неподвижно относительно оболочки, подвижную платформу, установленную на оси, находящейся в экваториальной плоскости оболочки с возможностью вращения относительно рамки, и грузик, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси вращения подвижной платформы, при этом на подвижной платформе расположены электродвигатели, обеспечивающие ее поворот и поворот грузика, система управления электродвигателями, связанная с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии, а также постоянные магниты.

Во втором варианте выполнения системы позиционирования она содержит расположенную внутри оболочки платформу, на которой расположены два электродвигателя с катушками, на которых закреплены тросики, каждый из которых соединен своими концами с симметрично расположенными точками оболочки в месте ее соединения со светоотражающим элементом, размещенную на платформе систему управления электродвигателями, связанную с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии.

В третьем варианте выполнения системы позиционирования она содержит расположенную в зазоре между оболочкой и корпусом платформу, на которой расположены два электродвигателя с катушками, на которых закреплены тросики, каждый из которых соединен своими концами с симметрично расположенными точками оболочки в месте ее соединения со светоотражающим элементом, размещенную на платформе систему управления электродвигателями, связанную с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии.

В случае первого варианта выполнения системы позиционирования корпус снабжен постоянными магнитами или электромагнитами для создания постоянного повышающего магнитного поля для взаимодействия с постоянными магнитами системы позиционирования.

В частном случае концентратор может быть снабжен системой охлаждения преобразователя энергии, выполненной в виде трубок, отходящих от преобразователя энергии и размещенных на внутренней поверхности верхней части и затем нижней части оболочки с образованием радиатора.

В другом частном случае концентратор может быть снабжен системой охлаждения преобразователя энергии, выполненной в виде трубок, отходящих от преобразователя энергии и размещенных частично на внутренней поверхности верхней части оболочки и частично в зазоре между корпусом и оболочкой и погруженных концами в жидкость, в которой плавает оболочка.

Кроме того, преобразователь энергии может представлять собой полупроводниковый преобразователь или двигатель Стирлинга.

Технический результат достигается также тем, что концентратор солнечного излучения по второму варианту выполнения содержит фокусирующий элемент, преобразователь энергии и систему позиционирования фокусирующего элемента, причем фокусирующий элемент закреплен внутри оболочки, по крайней мере, часть которой выполнена прозрачной, при этом оболочка выполнена с возможностью свободного поворота при плавании на поверхности жидкости, а система позиционирования выполнена с возможностью поворота оболочки.

Второй вариант концентратора имеет частные случаи выполнения.

Оболочка предпочтительно выполнена надувной.

Оболочка выполнена преимущественно шарообразной формы.

Преобразователь энергии может быть расположен внутри или снаружи оболочки.

Фокусирующий элемент предпочтительно выполнен в виде светоотражающей пленки, которая имеет форму поверхности вращения с параболическим сечением и которая закреплена своим периметром по сечению оболочки.

Возможен также вариант выполнения фокусирующего элемента в виде линзы Френеля.

В первом варианте выполнения системы позиционирования она расположена внутри оболочки и содержит рамку, закрепленную неподвижно относительно оболочки, подвижную платформу, установленную на оси, находящейся в экваториальной плоскости оболочки с возможностью вращения относительно рамки, и грузик, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси вращения подвижной платформы, при этом на подвижной платформе расположены электродвигатели, обеспечивающие ее поворот и поворот грузика, система управления электродвигателями, связанная с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии, а также постоянные магниты.

Во втором варианте выполнения системы позиционирования она содержит расположенную внутри оболочки платформу, на которой расположены два электродвигателя с катушками, на которых закреплены тросики, каждый из которых соединен своими концами с симметрично расположенными в одной плоскости точками оболочки, размещенную на платформе систему управления электродвигателями, связанную с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии.

В третьем варианте выполнения системы позиционирования она содержит расположенную с наружной стороны оболочки платформу, на которой расположены два электродвигателя с катушками, на которых закреплены тросики, каждый из которых соединен своими концами с симметрично расположенными в одной плоскости точками оболочки, размещенную на платформе систему управления электродвигателями, связанную с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии.

В частном случае концентратор может быть снабжен системой охлаждения преобразователя энергии, выполненной в виде трубок, отходящих от преобразователя энергии и размещенных на внутренней поверхности верхней части и затем нижней части оболочки с образованием радиатора.

В другом частном случае концентратор может быть снабжен системой охлаждения преобразователя энергии, выполненной в виде трубок, отходящих от преобразователя энергии, размещенных частично на внутренней поверхности верхней части оболочки и частично снаружи оболочки с возможностью погружения их концов в жидкость, в которой плавает оболочка.

Преобразователь энергии может представлять собой полупроводниковый преобразователь или двигатель Стирлинга.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется с помощью графических материалов, иллюстрирующих пример реализации заявленного изобретения.

На фиг.1 представлен общий вид предложенного концентратора (по второму варианту без корпуса); на фиг.2 изображена система позиционирования по первому варианту выполнения (вид сверху); на фиг.3 представлен концентратор с системой позиционирования по второму варианту выполнения; на фиг.4 представлен концентратор с системой позиционирования по третьему варианту выполнения.

Концентратор солнечного излучения (оба его варианта) содержит оболочку, прозрачную целиком или в верхней части, выполненную в виде надувного шара 1, форма которого максимально приближена к форме сферы, изготовленного из прозрачной пленки. Внутри шара 1 расположен фокусирующий элемент - светоотражающая пленка 2, закрепленная по своему периметру, например по экватору надувного шара 1 с образованием двух герметичных отсеков - верхнего 4 и нижнего 5. Пленка 2 выполнена с возможностью фокусировки солнечного излучения, поступающего на нее от солнца, на преобразователь 3 энергии и предпочтительно является поверхностью вращения и имеет в сечении параболическую форму. Фокусная точка расположена внутри верхнего отсека 4 шара 1 на некотором удалении от его границы, в которой и расположен преобразователь 3 энергии, представляющий собой полупроводниковый преобразователь, например, CPV клетки (солнечная батарея, предназначенная для вырабатывания электроэнергии из сконцентрированного солнечного света), или двигатель Стирлинга. Возможно размещение преобразователя 3 энергии снаружи надувного шара 1. Возможен вариант, когда нижний отсек 5 шара 1 сделан из любого другого материала, необязательно прозрачного. Оба этих отсека 4, 5 имеют клапана 6 для наполнения их газом, например воздухом.

Оболочка может иметь отклонения от сферической формы, например, она может быть срезана в верхней части. Оболочка может также иметь форму эллипсоида.

Фокусирующий элемент может быть выполнен преломляющим, например, в виде линзы Френеля. В этом случае преобразователь 3 энергии располагается в нижнем отсеке шара 1.

В первом варианте выполнения концентратора шар 1 размещен с возможностью свободного вращения внутри герметичного корпуса 9, выполненного из прозрачного материала, с зазором относительно его внутренней поверхности. Нижняя часть 9 корпуса может быть непрозрачной. Корпус 9 предпочтительно выполнен в виде сферы, в частности в виде надувного шара, и его размеры должны быть достаточными для того, чтобы обеспечивать свободное вращение шара 1 с пленкой 2 вокруг своего центра. Корпус 9 выполнен с клапаном 10, обеспечивающим доступ к клапанам 6 шара 1 и возможность залива жидкости в корпус 9. Корпус 9 с помощью крепежных элементов 11, например канатов, фиксируется на местности к любой поверхности с любым рельефом. Корпус 9 может быть снабжен постоянными магнитами или электромагнитами для создания постоянного повышающего магнитного поля (на чертежах не показаны).

Корпус 9 может быть выполнен различным образом. Например, корпус 9 может иметь коническую верхнюю часть для стекания дождя и снега. Корпус 9 может быть декорирован.

Внутри корпуса 9 залита жидкость 13, например вода, уровень которой обеспечивает плавучесть шара 1 без его касания дна и верхней части корпуса 9. Также внутри корпуса 9 расположено кольцо 14 из материала, тонущего в используемой жидкости. Кольцо 14 должно быть полностью покрыто жидкостью и иметь такой размер и форму, чтобы шар 1 не касался корпуса 9, и при этом не лежал на нем, а мог свободно плавать на поверхности жидкости. Таким образом, шар 1, плавающий в жидкости, ни чем не стеснен для осуществления любых поворотов вокруг своего центра. Единственные усилия, необходимые для поворота шара 1 в любом направлении, связаны с вязким трением о воду и газ, которым наполнен корпус 9, а также с преодолением силы упругости проводов 12. Расположение центра масс шара 1 в его геометрическом центре обеспечивает шару 1 плавучесть, безразличную к любым поворотам, то есть в независимости от того, в каком положении он плавает, при этом на шаре 1 не возникает никаких вращающих моментов.

Концентратор по второму варианту выполнения может не иметь защитного корпуса, тогда его оболочка (надувной шар 1) может размещаться на поверхности водоема (фиг.1). Возможен также вариант размещения нескольких оболочек в одном корпусе, заполненном в нижней части жидкостью (на чертежах не показано).

Термические расширения газов в обоих отсеках 3 и 4 и термические расширения материалов устройства должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечивать минимальное искажение параболической светоотражающей пленки 2 и обеспечивать попадание максимального количества сконцентрированного света на преобразователь 3 энергии. Расчеты формы пленки 2 и физических параметров материалов и газов можно проводить с достаточно большой точностью и с учетом очень большого числа параметров.

Шар 1 снабжен системой позиционирования, обеспечивающей поворот шара 1 в зависимости от положения солнца. Система позиционирования по первому варианту выполнения (фиг.1, 2) располагается внутри шара 1 и содержит рамку 15, закрепленную, например, нитями неподвижно относительно шара 1, подвижную платформу 16, установленную на оси, находящейся в экваториальной плоскости шара 1, с возможностью вращения относительно рамки 15, груз 18, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси вращения платформы 16. На платформе 16 также расположены электродвигатели 19, обеспечивающие ее поворот и поворот грузика 18, система управления и контроля (на чертежах не показана), механические приводы и постоянные магниты 17. Ось вращения платформы 16 и ось вращения грузика 18 пересекаются в одной точке, совпадающей с геометрическим центром сферы.

От преобразователя 3 энергии до внутренней поверхности шара 1 и далее до корпуса 9 и наружу, проведены провода 12, передающие ток к источнику потребления. Провода 12 должны иметь такую форму, характеристики и такое расположение, чтобы создавать минимальное сопротивление повороту шара 1, особенно в горизонтальном положении.

Во втором варианте выполнения системы позиционирования (фиг.3) к четырем попарно симметричным точкам, расположенным на стыке светоотражающей пленки 2 и шара 1, прикреплены крест-накрест два тросика 15, так что они находятся внутри нижнего отсека 5 шара 1. На тросиках 15 висит платформа (грузик) 16, на которой расположены два электродвигателя с катушками (не показаны), на которых закреплены тросики 15 таким образом, что при работе двигателей платформа 16 может по ним перемещаться, вызывая тем самым поворот оболочки - шара 1.

В третьем варианте выполнения системы позиционирования (фиг.4) к четырем попарно симметричным точкам, расположенным на внешней стороне стыка светоотражающей пленки 2 и шара 1, прикреплены крест-накрест два тросика 15, так что они находятся за пределами шара 1. На тросиках 15 висит платформа (грузик) 16, на которой расположены два электродвигателя с катушками (не показаны), на которых закреплены тросики 15 таким образом, что при работе двигателей платформа 16 может по ним перемещаться, при этом наклоняется шар 1 со светоотражающей пленкой 2.

В обоих последних вариантах на платформе 16 размещена система управления электродвигателями, в состав которой может входить электронный компас. Электропитание и информация о состоянии всех контролируемых систем для системы позиционирования могут подводиться при помощи проводов или любым другим способом. Провода 12, передающие электроэнергию от шара 1 к корпусу 9, разнесены на противоположные стороны шара 1 и должны наименьшим образом препятствовать любым наклонам шара 1 и максимально препятствовать вращению шара 1 вокруг вертикальной оси. В этом случае наличие кольца 14 необязательно. В третьем варианте система позиционирования должна обладать возможностью работать в жидкости.

В частном случае вокруг преобразователя 3 энергии располагаются четыре фотоэлемента (на чертежах не показаны), отслеживающих смещение солнечного пятна относительно его центра. Эти данные по информационным проводам, расположенным во внутренней части шара 1, передаются в систему управления для динамической корректировки положения шара 1 со светоотражающей пленкой 2. Скорее всего, в качестве преобразователя 3 энергии будут использоваться наборы из четырех, или девяти, или шестнадцати и т.д. маленьких CPV клеток размером 1 см на 1 см, при этом есть возможность определять, какое количество энергии падает на каждую из них, и эта информации и будет использоваться для динамической корректировки положения концентратора.

Электропитание для системы управления поступает по проводам, расположенным во внутренней части шара 1 от элемента преобразования энергии 3. В темное время суток, когда элемент преобразования энергии 3 не вырабатывает электроэнергию, система позиционирования питается энергией из центрального накопителя всей группы концентраторов по тем же проводам, по которым элемент преобразования энергии 3 отдает энергию в дневное время или возможен вариант с внутренним источником накопления энергии, расположенным на платформе 16.

Преобразователь 3 энергии снабжен системой охлаждения. Она может быть выполнена в виде трубок 7 (шланги), отходящих от преобразователя 3 энергии и размещенных на поверхности оболочки нижнего отсека 5 шара с образованием радиатора 8. Система охлаждения может иметь клапан для наполнения ее рабочей жидкостью. Центр масс этой системы должен быть расположен в центре шара 1.

В случае использования системы позиционирования по второму или третьему варианту система охлаждения может быть выполнена в виде трубок 7, идущих от преобразователя 3 энергии, расположенных сначала на внутренней поверхности верхнего отсека 4 шара 1, выведенных за пределы шара 1, далее расположенных в пространстве между шаром 1 и корпусом 9 (в первом варианте) или с наружной стороны шара 1 (во втором варианте) и погруженных в жидкость 13, в которой плавает шар 1.

Трубки 7 системы охлаждения, расположенные за пределами шара 1, разнесены на противоположные стороны шара 1 и должны наименьшим образом препятствовать любым наклонам шара 1 и максимально препятствовать его вращению вокруг вертикальной оси.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Монтаж.

В свернутом, сдутом состоянии концентратор занимает достаточно мало места и имеет малый вес. Ни один из отсеков 4 и 5 шара 1, ни корпус 9 не накачаны воздухом или газом, а также в корпус 9 не залита жидкость (в концентраторе по первому варианту). Монтаж начинается с заполнения системы охлаждения рабочей жидкостью. Далее закачивают через клапаны 6 в оба отсека 4 и 5 шара 1 газ, например воздух. Следующим этапом необходимо залить в корпус 9 через клапан 10 необходимое количество жидкости. Затем корпус 9 накачивается до требуемого давления. После чего при помощи монтажных канатов 11 корпус 9 закрепляется к любой неподвижной поверхности, не обязательно ровной или горизонтальной, поверхность может быть практически любой (склоны гор, холмов, крыши домов и т.д.). Корпус 9 желательно закрепить так, чтобы его клапан 10 находился с северной стороны и как можно меньше загораживал падение солнечного света на пленку 2. Если используется вариант корпуса 9 с магнитами, локально создающими более мощное магнитное поле чем магнитное поле земли, то возникает потребность в ориентировании корпуса солнечного концентратора по сторонам света: так, чтобы повышающее магнитное поле корпуса 9 совпадало с магнитным полем земли в точке расположения. После чего необходимо подключить провода 12 от преобразователя энергии 3 к системе энергоснабжения.

При монтаже концентратора по второму варианту выполняются те же операции, за исключением монтажа корпуса. Шар 1 размещается на поверхности водоема, после чего провода 12 подключаются к источнику потребления энергии.

Работа устройства.

На рассвете шар 1 с параболическим концентратором - светоотражающей пленкой 2 направлены, таким образом, что при восходе солнца солнечное пятно сфокусированного солнечного излучения попадает на преобразователь 3 энергии, которым начинается вырабатываться электроэнергия. Дальше, по мере продвижения солнца по небу, электродвигатели 19, установленные на подвижной платформе 16, начинают постепенно поворачивать платформу 16 относительно неподвижной рамки 15 и поворачивать грузик 18 относительно самой платформы 16 (фиг.1, 2). Так как шар 1 обладает нейтральной плавучестью к любому повороту, то относительно неподвижной земли поворачивается сам шар 1, сохраняя ориентацию подвижной платформы 16 по сторонам света. То есть подвижная платформа 16 остается сориентированной по сторонам света за счет расположенной на ней постоянных магнитов, ориентирующихся в пространстве магнитного поля Земли или повышающем магнитном поле корпуса 9 по типу стрелки компаса. За счет плавучести шара 1, нейтральной к любому повороту, при повороте грузика 18 относительно подвижной платформы 16 поворачивается не сам грузик 18 относительно земли, а шар 1, при этом грузик 18 всегда висит вниз. В результате получается, что шар 1 может быть повернут в любом направлении, которое можно задать поворотом электродвигателей 19. Это позволяет использовать солнечный концентратор практически в любых широтах. Программа, установленная в системе управления, управляет электродвигателями 19 таким образом, чтобы в течение всего светового дня параболическая светоотражающая пленка 2 позиционировалась таким образом, чтобы пятно сконцентрированного солнечного света всегда попадало на преобразователь 3 энергии. Программы, установленные в систему позиционирования, должны поворачивать солнечный концентратор соответственно той географической точке, в которой они будут работать. Для часто перемещаемых надувных солнечных концентраторов возможна интеграция в систему позиционирования устройства спутниковой навигации для непосредственного определения координат, на которых в данный момент установлен солнечный концентратор. Помимо этого система позиционирования динамически отслеживает непредусмотренные смещения солнечного пятна посредством фотоэлементов, расположенных по краям преобразователя 3 энергии, внося необходимые коррективы в работу системы позиционирования. После заката солнца система управления переводит концентратор в стартовое положение и остается в таком положении до восхода солнца.

Свертывание.

Для свертывания концентратора необходимо отключить провода 12 от системы электроснабжения. Открыть клапан 10 на корпусе 9, слить через него жидкость и выпустить воздух (для первого варианта). Затем открыть клапана 6 обоих отсеков 4 и 5 шара 1 и выпустить из них газ. После чего при необходимости слить рабочую жидкость из системы охлаждения. Далее, солнечный концентратор можно свернуть для удобства его транспортировки.

Предлагаемые концентраторы могут применяться как скоплениями, так и по отдельности. Скопления могут быть небольшими, так что суммарная мощность вырабатываемой ими энергии достигнет нескольких киловатт, так и большими группами, вырабатывающими мегаватты. Мелкие скопления могут применяться для частного индивидуального применения, где требуется снабжение электричеством одного или нескольких домов. Крупные скопления могут применяться для обеспечения электропитания больших населенных пунктов. Концентраторы могут быть использованы как совместно с существующими электросетями, так и автономно.

Предлагаемые концентраторы особенно эффективны в труднодоступных районах, доставка громоздких установок в которые затруднена. Также такие устройства могут применяться для снабжения электропитанием передвижных лагерей и населенных пунктов, где требуется быстрое развертывание и свертывание инвентаря, а также возможность простой установки на местности с практически любым рельефом. Предлагаемые устройства можно устанавливать и укреплять практически в любых местах: на полях, на солнечных сторонах холмов, на крышах домов, в горах, на вертикальных стенах, запускать в небо внутри аэростатов.

1. Концентратор солнечного излучения, содержащий полый корпус, по меньшей мере, часть которого выполнена прозрачной, фокусирующий элемент и преобразователь энергии, а также систему позиционирования фокусирующего элемента в зависимости от положения солнца, отличающийся тем, что фокусирующий элемент закреплен внутри оболочки, по крайней мере, часть которой выполнена прозрачной, при этом оболочка размещена внутри полого корпуса с возможностью свободного поворота оболочки относительно корпуса в плавающем состоянии при заполнении корпуса в нижней части жидкостью, а система позиционирования выполнена с возможностью поворота оболочки.

2. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена надувной.

3. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена шарообразной формы.

4. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что преобразователь энергии расположен внутри или снаружи оболочки.

5. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что фокусирующий элемент выполнен в виде светоотражающей пленки, которая имеет форму поверхности вращения с параболическим сечением и которая закреплена своим периметром по сечению оболочки.

6. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что фокусирующий элемент выполнен в виде линзы Френеля.

7. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что полый корпус выполнен надувным.

8. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что в нижней части корпуса, заполняемой жидкостью, помещено кольцо, при этом оболочка расположена над указанным кольцом, а уровень жидкости, на поверхности которой плавает оболочка, и размеры кольца подобраны из условия исключения касания оболочкой стенок корпуса.

9. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что система позиционирования расположена внутри оболочки и содержит рамку, закрепленную неподвижно относительно оболочки, подвижную платформу, установленную на оси, находящейся в экваториальной плоскости оболочки с возможностью вращения относительно рамки, и грузик, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси вращения подвижной платформы, при этом на подвижной платформе расположены электродвигатели, обеспечивающие ее поворот и поворот грузика, система управления электродвигателями, связанная с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии, а также постоянные магниты.

10. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что система позиционирования содержит расположенную внутри оболочки платформу, на которой расположены два электродвигателя с катушками, на которых закреплены тросики, каждый из которых соединен своими концами с симметрично расположенными в одной плоскости точками оболочки, размещенную на платформе систему управления электродвигателями, связанную с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии.

11. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что система позиционирования содержит расположенную в зазоре между оболочкой и корпусом платформу, на которой расположены два электродвигателя с катушками, на которых закреплены тросики, каждый из которых соединен своими концами с симметрично расположенными в одной плоскости точками оболочки, размещенную на платформе систему управления электродвигателями, связанную с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии.

12. Концентратор по п.9, отличающийся тем, что полый корпус снабжен постоянными магнитами или электромагнитами для создания постоянного повышающего магнитного поля для взаимодействия с постоянными магнитами системы позиционирования.

13. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что снабжен системой охлаждения преобразователя энергии, выполненной в виде трубок, отходящих от преобразователя энергии и размещенных на внутренней поверхности верхней части и затем нижней части оболочки с образованием радиатора.

14. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что снабжен системой охлаждения преобразователя энергии, выполненной в виде трубок, отходящих от преобразователя энергии и размещенных частично на внутренней поверхности верхней части оболочки и частично в зазоре между корпусом и оболочкой и погруженных концами в жидкость, в которой плавает оболочка.

15. Концентратор по п.1 формулы, отличающийся тем, что преобразователь энергии представляет собой полупроводниковый преобразователь или двигатель Стирлинга.

16. Концентратор солнечного излучения, содержащий фокусирующий элемент, преобразователь энергии и систему позиционирования фокусирующего элемента, отличающийся тем, что фокусирующий элемент закреплен внутри оболочки, по крайней мере, часть которой выполнена прозрачной, при этом оболочка выполнена с возможностью свободного поворота при плавании на поверхности жидкости, а система позиционирования выполнена с возможностью поворота оболочки.

17. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что оболочка выполнена надувной.

18. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что оболочка выполнена шарообразной формы.

19. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что преобразователь энергии расположен внутри или снаружи оболочки.

20. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что фокусирующий элемент выполнен в виде светоотражающей пленки, которая имеет форму поверхности вращения с параболическим сечением и которая закреплена своим периметром по сечению оболочки.

21. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что фокусирующий элемент выполнен в виде линзы Френеля.

22. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что система позиционирования расположена внутри оболочки и содержит рамку, закрепленную неподвижно относительно оболочки, подвижную платформу, установленную на оси, находящейся в экваториальной плоскости оболочки с возможностью вращения относительно рамки, и грузик, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси вращения подвижной платформы, при этом на подвижной платформе расположены электродвигатели, обеспечивающие ее поворот и поворот грузика, система управления электродвигателями, связанная с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии, а также постоянные магниты.

23. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что система позиционирования содержит расположенную внутри оболочки платформу, на которой расположены два электродвигателя с катушками, на которых закреплены тросики, каждый из которых соединен своими концами с симметрично расположенными в одной плоскости точками оболочки, размещенную на платформе систему управления электродвигателями, связанную с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии.

24. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что система позиционирования содержит расположенную с наружной стороны оболочки платформу, на которой расположены два электродвигателя с катушками, на которых закреплены тросики, каждый из которых соединен своими концами с симметрично расположенными в одной плоскости точками оболочки, размещенную на платформе систему управления электродвигателями, связанную с фотоэлементами, расположенными вокруг преобразователя энергии.

25. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что снабжен системой охлаждения преобразователя энергии, выполненной в виде отходящих от преобразователя энергии и размещенных на внутренней поверхности верхней части и затем нижней части оболочки с образованием радиатора.

26. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что снабжен системой охлаждения преобразователя энергии, выполненной в виде трубок, отходящих от преобразователя энергии, размещенных частично на внутренней поверхности верхней части оболочки и частично снаружи оболочки с возможностью погружения их концов в жидкость, в которой плавает оболочка.

27. Концентратор по п.16, отличающийся тем, что преобразователь энергии представляет собой полупроводниковый преобразователь или двигатель Стирлинга.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вопросам энергосбережения посредством использования солнечной энергии для нагрева теплоносителя в действующих и проектируемых системах горячего водоснабжения и отопления с принудительной циркуляцией жидкости, газа и других теплоносителей, обеспечивающих интенсивный тепломассоперенос.

Изобретение относится к концентраторам солнечной энергии, в частности к надувным пленочным рефлекторам медицинского и бытового назначения. .

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для подогрева воздуха с целью сушки сельскохозяйственных продуктов методом активного вентилирования.

Изобретение относится к гелиотехнике. .

Изобретение относится к солнечным коллекторам для сушки сельскохозяйственных продуктов, преимущественно сена, и может быть использовано в сельском хозяйстве . .

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для нагрева воздуха , например, для сушки травы или зерна. .

Изобретение относится к способу преобразования солнечной энергии в химическую и аккумулирования ее в продуктах парогазовой конверсии углеводорода, в котором с использованием концентратора солнечной энергии проводят реакцию паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа с получением продуктов реакции, содержащих водород и диоксид углерода.

Изобретение относится к области гелиотехники к устройствам, предназначенным для приема и концентрации солнечного излучения. .

Изобретение относится к солнечным установкам с функциями подогрева и выработки электроэнергии, включающим в себя, по меньшей мере, солнечный концентратор, приспособленный к приведению в действие механизмов, способных ориентировать себя к солнцу в течение дня таким образом, чтобы получать максимальное количество солнечной энергии для нагревания и аккумулирования жидкостей для различных применений и для выработки электрической энергии с высокими энергетическими КПД.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к концентраторам солнечной энергии с высокой степенью концентрации, и может найти свое применение в получении высоких температур и передаче энергии на расстояние без преобразования ее в другие виды энергии.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь, к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.

Изобретение относится к области использования природных источников энергии и может быть применено при изготовлении приемников солнечной энергии. .

Изобретение относится к области оптики, в частности к способам и средствам преобразования волнового поля с обеспечением возможности его фокусировки. .

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным тепловым коллекторам, и может быть использовано в теплоснабжении зданий и сооружений. .

Изобретение относится к области гелиоэнергетики, в частности касается создания армированных отражателей солнечного излучения для выработки электричества и тепла.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным коллекторам для преобразования солнечной энергии в тепловую в системах отопления и горячего водоснабжения как для бытовых потребителей, так и для сельскохозяйственных объектов. Солнечный коллектор содержит корпус, имеющий прозрачное покрытие, поглощающие каналы для прохода теплоносителя, отражающую солнечное излучение поверхность, каналы имеют прямоугольное поперечное сечение. Корпус выполнен из теплоизоляционного материала, прозрачное покрытие выполнено с двух сторон солнечного коллектора в виде двухкамерного стеклопакета с нанесенным селективным покрытием, поглощающие каналы выполнены внутри жестко соединенных между собой радиатор-конвекторных секций, имеющих прямоугольное, а также круглое поперечное сечение для прохода теплоносителя, отражающая солнечное излучение поверхность выполнена многофункциональной в виде теплопоглощающих и теплоотводящих радиатор-конвекционных элементов, которые в совокупности образуют ряды концентраторов -образной, или -образной, или U-образной, или W-образной формы, образованных на поверхности радиатор-конвекторной секции, активная часть поверхности которых покрыта селективным покрытием, между ребрами радиатор-конвекторных секций расположены емкости с фазопереходным веществом. Реализация данного солнечного коллектора с концентратором для гелиоводоподогрева позволяет максимально эффективно использовать солнечную энергию. 4 ил.
Наверх