Фокусирующий коллектор солнечной энергии
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (51)4F 24 J 2 18 г
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "
К IlATEHTY ф р
1 ф /
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3597297/24-06 (22) 17.05.83 (46) 15.05.86. Бюл. В 18 (71) и (72) Гарретт Майкл Сейнсбери (AU) (53) 6&2.997 (088.8) (56) Energy Res. Conserv. Re.tat.
Built Environ: Proc. Int..Conf.
Miami BRach. F.da. Dee 7-12, 1980, . Чоб. 2, New Jork, N.Y., с.а., !980, 1175-1187. (54) (57) 1 . ФОКУСИРУЮЩИЙ КОЛЛЕКТОР
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ, содержащий сферическое зеркало, срез которого ориентирован на Юг и наклонен к горизонтальной плоскости под углом широты местоположения, расположенный в отраженном потоке излучения конический отражатель, имеющий центральное отверстие и криволинейную внешнюю зеркальную поверхность, фокус котоЪ рой совпадает с центром кривизны сферического зеркала, и установленный на приводной поворотной ферме с воэможностью ориентации своей оси в направлении, совпадающем с продол.Л0 „ 3232137 A 3 жением линии, соединяющей центры солнечного диска и сферического зеркала, и неподвижный приемник излучения, расположенный в фокусе конического отражателя, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыше ния КПД коллектора, он снабжен отражательным кассегреновским и рефракционным концентраторами, софокусными коническому отражателю и закрепленными на поворотной ферме по разные с последним стороны относительно приемника излучения, и кольцевым выпуклым сферическим отражателем с оптически с пим связанным зеркальным ко" нусом, расположенными коаксиально коническому отражателю, софокусными с ним и закрепленными на поворотной ферме с внутренней стороны конического отражателя, причем рефракционный концентратор выполнен в виде оптически соосных плосковыпуклой и плосковогнутой линз, а в гиперболоиде отражательного кассегреновского концентратора выполнено центральное отверстие и плосковогнутая линза расположена в этом отверстии..
1232137
sin 2 (P )
Т& & О.Р д g+s Р(Ю»
Ъ (e>=аe
Ь 0,255737; с 0»205587 ° и О, 0904155;
f 1,82801;
g - 1,60789;
h 1,97494;
1с * 0»246541;
Ф 3,65602; ш 1,60789; и 2,70408; р " 1,22642»
Е x„ O 830384
y„ 0,3851, с хв 0»585203 уа 0,029696, для отражательного кассегреновского концентратора параболоид у -0,570392 (x+0,2); х„ -0,46 у„ 0,3851; хв 0»2086026 у 0,07005, гиперболоид у 0,327036 ((х+0»1713)
0,022112)
x„ 0 ° 363956
0»07005» ( хв 0 ° 321265 у 0,0111511, для рефракционного концентратора плосковыпуклая лцнза (х+0,481613) + у 0,0526, х -07 и у О, 07005;
2. Коллектор по п.1, о т л ич а ю шийся тем, что уравнения образующих поверхностей концентраторов и отражателей выполнены в соответствии со следующими уравнениями: для конического отражателя
R к. sin 2 (P-6}
* -.: "т-&-тГГ&& - " х„ -О, 710959 у = O,i плосковогнутая линза (x+0,2731) + У = 0»002131;
h h ü 1 ò » 1 х„= -0 317971 у„ 0,0108; хь 0 ° 319265
Уь 0» для кольцевого выпуклого сферического отражателя (х+1,33238) +(у — 0,926749)2
4,97094 ; (х„ 0,0830384 у„ 0,3851; х = 0,793318 у 0,254182, для зеркального конуса у 1,7882Х вЂ” 0,980432; х„ 0,869114 у„ 0,044 0965; х 0,835488 у - 0,004458, где х, у — текущие .значения образующих поверхностей концентраторов и отражателей коллектора в декартовой системе координат; х„, у - значения координат нижней границы образующих поверхностей концентраторов и отражателей коллектора по отношению к его сферическому зеркалу единичного радиуса, х, у — значения координат верхней границы образующих поверхностей концентраторов и отражателей коллектора по отношению к его сферическому зеркалу единичного радиуса, 9 - центральный угол, охватываемый сферическим зеркалом коллектора в текущей точке криволинейной внешней зеркальной поверхности конического отражателя, оптически взаимодействующей со сферическим зеркалом;
R — - радиус кривизны сферического зеркала коллектора.
3. Коллектор по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что сфери12321 ческое зеркало выполнено в ниде полусферы из двух частей, состыкованных между собой по горизонтальной плоскости с помощью обода, причем нижняя часть закреплена на фундаменте, 37 а верхняя выполнена приводной и установлена на ободе с возможностью зращения относительно вертикальной эси, проходящей через центр кризизны сферического зеркала.
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к фокусирующим коллекторам солнечной энергии.
Целью изобретения является повышение КПД коллектора путем концентрации всего потока излучения, падающего в пределах его апертуры.
На фиг.1 показана конструктивная схема коллектора солнечной энергии, на фиг ° 2 — оптическая схема коллектора солнечной энергии; на фиг.3— неподвижный приемник излучения (бойлер) коллектора коллектора солнечной частичный разрез; на фиг.4 — энергетическая станция с полем коллекторов солнечной энергии, вариант выполнения, на фиг.5 — подвеска и привод поворотной фермы коллектора солнечной энергии, вариант выполнения, на фиг.6 — графический расчет минимального диаметра приемника излучения (бойлера) с учетом углового размера
Солнца.
Фокусирующий коллектор солнечной энергии содержит сферическое зеркало 1 (фиг.1), срез 2 которого ориентирован на Юг и наклонен к горизонтальной плоскости под углом широты местоположения, расположенный в отраженном потоке излучения конический отражатель 3, имеющий центральное отверстие 4 и криволинейную внешнюю зеркальную поверхность 5, фокус которой совпадает с центром 6 кривизны сферического зеркала 1, и установленный на приводной поворотной ферме 7 с возможностью ориентации своей оси в направлении, совпадающем с продолжением линии, соединяющей центр солнечного диска и центр 6 сферического зеркала 1, и неподвижный приемник 8 излучения, расположенный в фокусе конического отражателя 3.
Фокусирующий коллектор солнечной энергии снабжен отражательным кассегреновским и рефракционным концентРаторами 9 и 10 соответственно, софокусными коническому отражателю 3 и закрепленными на поворотной ферме
7 по разные с последним стороны относительна приемника 8 излучения, и кольцевым выпуклым сферическим
10 отражателем 11 (фиг.2) с оптически с ним связанным зеркальным конусом 12, расположенными коаксиально коническому отразателю З,софокусными с ним и закрепленными на пово15 ротной ферме 7 с внутренней ceороны конического отражателя 3, причем рефракцирнный концентратор 10 выпол-, нен в виде оптически соосных плосковыпуклой 13 и плосковогнутой линз
20 14, а в гиперболоиде 15 отражательного кассегреновского концентратора 9 выполнено центральное отверстие
16 и плосковогнутая линза 14 распо,ложена в этом отверстии 16.
25 Целесообразно, чтобы образующие поверхностей концентраторов 9 и 10, отражателей 3 и 11 и конуса 12 были выполнены в соответствии со следующими уравнениями:
30 для конического отражателя 3
R $1П 2 (p-9)
" — ттн=в - ""
sin 2 (P-О)
Б УТ Р
40 W(g) = О Ро Д Ь((о ф) -(P 8+g) °
oro а 10 ес4,97094, (х„ = 0,830384
y = 0,3851, Е хв = 0,793318
Ув =- 0,254182, для зеркального конуса 12 у = 1,7882x — 0,980432, х 0,869114 у = О, 0440965; с х = Oi835488
У„ = 0,004458, где а = 2,97376, Ь = 0,255737; с = 0,205587; и = О, 0904155;
1, 82801;
g = 1,60789;
Ь 1,974941
k = О, 246541;
Е = 3,65602;
m = 1,60789; п = 2,70408; р = 1.22642;
x„ = 0,830384, у„ = 0,3851 х в = 0,585203 у = О, 029696. для отражательного кассегреновск концентратора 9 паваболоид 17 уа = О 570392 (х+0,2); (х„ = -0,46 у„= 0,3851 ; х в = -О, 2086026 у = О, 07005, гиперболоид 15 у = 0,327036 ((x+0, 1713) г
- 0,0221123;
x, = -0.363956
У = О ° 07005, L хв О 321265
У = 0,0111511, для рефракционного концентратор плосковыпуклая линза 13 (x+0,4/1613) + у = 0,0526, с х„ = -0,7 у„ = 0,07005; х = -0,710959
y,=0, плосковогнутая линза 14 (x+0,2731) + у = 0,002131, ( х„= -0,317971 у„= 0,0108
< хв = -0,3! 9265
Ув = О, для кольцевого выпуклого сферич кого отражателя 11 (х+1,33238) + (у-0,926749)
1232137
Приемник 8 излучения (бойлер) состоит из наружной сферической оболочки 22 (фиг.3) и концентричной внутренней сферической оболочки 23
Прямой водяной впускной трубопровод
24 проходит через наружную оболочку
22 и входит во внутреннюю оболочку
23. Пар выходит из внутренней обогде х, у " текущие значения образующих поверхностей концентраторов 9 и 10, отражателей 3 и 11
5 и конуса 12 коллектора в декартовой системе координат; х„, у — значения координат нижней границы образующих
10 поверхностей концентраторов 9 и 10, отражателей 3 и 11 и конуса 12 коллектора по отношению к его сферическому зер15 калу 1 единичного радиуса;
x, у„ — значения координат верхней границы образующих поверхностей концент20 раторов 9 и 10, отражателей 3 и 11 и конуса
12 коллектора по отношению к его сферическому зеркалу единичного радиуса, 9 — центральный угол охватываемый сферическим зеркалом 1 коллектора в текущей точке криволи30 нейной внешней зеркальной поверхности 5 конического отражателя 3, оптически взаимодействующей со сферическим зеркалсм 1, R — радиус кривизны сферического зеркала 1 коллектора.
Сферическое зеркало 1 (фиг.1)
40 выполнено в виде полусферы из двух частей 18 и 19, состыкованных между собой по горизонтальной плоскости с помощью обода 20, причем нижняя часть 18 закреплена на фундаменте 21, а верхняя часть 19 выполнена приводной и установлена на ободе 20 с воэможностью вращения относительно, вертикальной оси, проходящей через центр 6 кривизны сферического эер50
1232137 лочки 23 в пространство между внутренней 23 и наружной 22 оболочками в точке, противоположной впуску воды, через короткий внутренний трубопровод 25 и ограничивается ребрами между внутренней 23 и внешней 22 оболочками поступая по спиральному пути к точке, смежной с водяным впускным трубопроводом 24, где он входит в выпускной паропровод 26, вставленный в наружную оболочку 22.
Выпускной паропровод 26 проложен параллельно водяному впускному трубопроводу 24 и в контакте с ним. Трубопроводы 24 и 26 изолированы, и изо ляция покрыта кожухом 27, который своим нижним концом установлен в фундаменте 21 в виде бетонного кольца. Полностью изолированные паропровод 26 и водяной трубопровод 24 проходят через фундамент 21 к точке снаружи насыпи 28, где они соединяются с трубопроводной системой коллекторного поля 29 (фиг.4), ведущей к центральному аккумулятору 30 пара.
Центральная линия кожуха 27 (фиг.3) совпадает с диаметром плоскости, определяемой срезом 2 (фиг.1), а сам кожух 27 поддерживается ножками 31 и распорками, идущими с обеих сторон назад к краю полусферы (не показаны)
Вода накачивается в бойлер циркуляционным насосом 32 (фиг.4), прикрепленным к центральному аккумулятору 30 пара, а пар иэ бойлера выходит в аккумулятор 30 пара. Первая группа 33 фокусирующих коллекторов обслуживается аккумулятором 30 пара.
Пар иэ аккумулятора 30 выпускается и проходит при постоянном давлении через вторую группу 34 фокусирующих коллекторов, где он перегревается перед использованием в системе 35 турбины 36. После частичного расширения в турбине 36 некоторая часть пара может быть выпущена и повторно нагрета в третьей группе 37 фокусирующих коллекторов. Три группы 33, 34 и 37 фокусирующих коллекторов образуют коллекторное поле 29, которое действует как дополнительный источник тепла для паротурбинной энергетической установки на ископаемом топливе.
Поворотная ферма 7 может качаться под прямым углом к центральной линии кожуха 27 (фиг.3), а также может поворачиваться вокруг основной оси, 5
1О соответствующей центральной линии кожуха 27. Эти перемещения достигаются за счет обода 38, который окружает приемник 8 излучения и поддерживается диаметрально противолежащими полыми валами 39 и 40. Нижний полый вал 39 может поворачиваться на подшипниках вокруг кожуха 27, а другой полый вал
40 может поворачиваться вокруг иэолированного штыря 41, выступающего из приемника 8 с другого конца. В ободе 38 перпендикулярно кожуху 27 расположены штыри 42 (фиг.5), и ферма 7 качается на этих штырях 42 на подшипниках 43.(Крепление экваториального типа, обеспечивает поддержание направления фермы 7 на солнце).
Единый блок привода (не показан) на бетонном кольце у края полусферы приводит ферму 7 во вращение и качание и содержит небольшой электрический двигатель, который снабжен тормозом динамометрического типа на вих" ревых токах и приводит в действие солнечную шестерню планетарной передачи практически без нагрузки, и идентичный двигатель, оборудованный аналогично, который приводит в действие кольцевую шестерню передачи.
В зависимости от относительных скоростей двух двигателей (изменяемых степенью торможения вплоть до полной нагрузки) ведущий вал передачи можно заставить вращаться с приемле35 мой медленной скоростью либо вперед, либо назад. Ведущий вал приводит через червячную коробку передач с двойным понижением и группу кони.ческих шестерен приводной вал 44 фиг.5), вращающийся в подшипниках, установленных в кожухе 27. Зубчатое колесо 45 на конце приводного вала
44 приводит в движение 180-градусное внутреннее зубчатое колесо 46, прикрепленное к пустотелому валу 39, вызывая, таким образом, поворот фермы 7 вокруг основной оси. Вращение вокруг основной оси в течение дня должно быть непрерывным со средней о скоростью 15 в час, а поворот вокруг оси качания, согласованный с положением солнца в течение года, необходимо производить периодичес55 ки — одна регулировка:каждые 15 мин ограничивает отклонение оси конуса и. максимум до 15 дуги, что создает незаметное для глаза смещение круга (изображения солнца) на приемнике 8
7 12321 излучения. Вращение вокруг оси качания на подшипниках 43 достигается за счет зубчатого зацепления между червячным колесом 47 и червяком 48 и половины цилиндрической прямозубой шестерни 49 на кожухе 27. Зубчатая передача, .которая поддерживается кронштейнами на ободе 38, состоит из цилиндрического колеса 50, бегущего по шестерне 49 и группы 51 коничес- 10 ких колес, передающих движение под прямым углом к реверсирующей коробке передач 52 с соленоидным включением другой группе 53 конических шестерен, которая, в свою очередь, через реверсирующую коробку передач передает движение снова под углом
90 к солнечной шестерне (не показана) планетарной передачи 54 с основным отношением -1. Кольцевая шестерня планетарной .передачи 54 не сцеплена с колесами на ведущем валу, но, когда требуется регулировка,она может быть заблокирована защелкой с соленоидным приводом (не показаны).
Это заставляет ведущий вал планетарной передачи 54 вращаться, что . приводит в движение червяк 48,сцепленный с червячным колесом 47, вызывая, таким образом, качание фермы 7.
Поскольку ферма 7 полностью сбалансирована, то для перемещения требуется очень малая мощность.
Приемник 8 излучения окружен экраном 55 (фиг.3), уменьшающим поте- . ри тепла, и представляет собой сферическую металлическую оболочку,окружающую приемник 8 и поддерживающую пустотелые валы 39 и 40. Поверхность экрана 55 (фиг.6) совпадает с окруж40 ностью наименьших помех, полученной в точке пересечения поверхности 56 огибающей периферийных лучей, отраженных от основания конического отражателя 3, с аналогичной поверхностью 57 огибающей периферийных лучей, отраженных от вершины конического отражателя 3, Внутренняя поверхность экрана посеребрена, кроме двух . диаметрально противоположных удлиненных щелей 58, которые пропускают
50 излучение от конического отражателя 3, концентраторов 9 и 10 и отражателя 11 с зеркальный конусом 12.
Щели 58 закрыты окнами из плавленого кварца с многослойной диэлектрической пленкой для уменьшения потерь на отражение. Наружный край пустотелого вала 39 снабжен уплотнитель37 .8 ным устройством 59 типа сальниковой коробки напротив кожуха 27 для обеспечения воздухонепроницаемого уплотнения.
Диаметр изображения Солнца на приемнике 8 излучения составляет
86 см для сферического зеркала 1 диаметром 20 м. Кроме того, круг наименьшей помехи возникает на расстоянии 80 см по оси Х (фиг.2) от центра
6 сферического зеркала 1.
Окружность круга наименьшей помехи совпадает с поверхностью сферы диаметром 1,76 м (для полусферы диаметром 20 м) и это определяет диаметр теплового экрана 55.
Подложка конического отражателя 3 выполнена из жесткого самозатвердевающего полиуретанового пенопласта толщиной 10 мм. Плотность пенопласта 185 кг/м,общий вес подложки
98,4 кг. Подложка может быть отлита за один прием. На внешнюю поверхность
5 отражателя 3 осаждается в вакууме серебряная отражающая поверхность, защищенная чистой акриловой пленкой, полимериэующейся на месте.
Кольцевой выпуклый сферический отражатель 11 выполнен с коническим отражателем 3 за одну операцию литья °
Подложка зеркального конуса 12 представляет собой стекло толщиной
6 мм, внутренняя поверхность которого посеребрена. Серебряная пленка защищена покрытием из алифатической полиуретановой краски.
Параболоид 17 кассегреновского концентратора 9 выполняется аналогично из того же материала, что и конический отражатель 3. Гиперболоид
15 этого концентратора 9 выполняется одинаково с зеркальным конусом 12.
Плосковыпуклая линза 13 имеет по краю толщину 6,96 см (для полусферы диаметром 20 м), а плоская задняя часть ступенями идет внутрь, образуя серию концентрических зон, для уменьшения веса. Линза 13 отливается из метилметакрилата с коэффициентом преломления 1,49, дающим фокусное расстояние для параксиальных лучей
4,6805 м.
Плосковогнутая линза 14 выполнена из стекла с коэффициентом преломления 1,46 и для полусферы диаметром 20 м и имеет по краю толщину
3,29 см, в середине 2,0 см. Ее фокусное расстояние 1,0036 м.
9 12l
Фокусирующий коллектор солнечной энергии работает следующим образом.
На рассвете любого дня года ось фермы 7 совмещается с точкой горизонта, где ожидается центр солнечного диска. При восходе солнца включается вращение фермы 7 со скоростью, равной скорости вращения Земли относительно солнца в данное время года.
Так как ось вращения наклонена к горизонтали на угол, равный широте местоположения, вращение поддерживает ось конического отражателя 3 (фиг.1) направленной в центр солнечного диска, когда последний перемещается по небу, при условии, что угол между осью отражателя 3 и осью вращения изменяется в течение дня через каждые 15 мин (или около этого) так, чтобы он в любое время сохранялся, по существу, равным склонению солнца. Коррекции скорости вращения и угла оси выполняются в течение дня автоматически в ответ на 2S сигналы с датчика на ферме 7 (не показан), состоящего из ряда термопар, установленных по кольцу вокруг огибающей отраженных лучей в некоторой точке между коническим отражателем
3 и тепловым экраном 55. Когда ось отражателя 3 ориентирована правильно, огибающая лучей в любой точке имеет круглое сечение и проходит через кольцо термопар, не задевая ни одной
35 из них. Если возникает отклонение, огибающая искажается, и некоторые из термопар будут нагреваться, вызывая протекание токов в связанных цепях.
Эти токи подаются на микропроцессор 40 (не показан), который определяет, из какого сегмента кольца они возникают и какое корректирующее действие требуется для восстановления окружности а затем подает соответст 45 вующие сигналы на схемы, управляющие током двигателей, тормозов на вихревых токах и соленоидов (не показаны). Как только окружность восстанавливается, сигналы с датчиков исчезают и корректирующее действие прекращается. Вращение с постоянной скоростью продолжается до тех лор, пока кольцо датчиков не вызовет следующей коррекции.
Когда работает коллекторное поле 29 (фиг.4), то датчиками, микро2137 1О процессором и схемами управления оборудуют только один факусирующлй коллектор, а цепи управления обесле. чивают работу других коллекторов в поле 29 аналогично основному .
Когда ось конического отражателя
3 (фиг.1) довольно точным образом отслеживает солнце, верхняя часть 19 сферического зеркала 1 также независимо перемещается вокруг своей оси т .е. в любое время дня направлена на солнце. В результате этого практически непрерывно на протяжении дня ось закрепленных на ферме 7 концентраторов 9 и 10, отражателей 3, 11 и конуса 12 направлена в центр солнечного диска и для большей части дня они поддерживаются верхней частью 19 полусферы, которая представляет зону, охватывающую дугу о
127 в центре 6 полусферы. Таким образом, для большей части дня все прямое излучение солнца концентрируется в круговой области величиной
T1 (R sin 63,5) ед., нормальной к солнечным лучам, в центре 6 полусферы за вычетом потерь на отражение и другие потери в центральном не.— подвижном приемнике 8 излучения.
Это излучение поглощается приемником
8 и преобразуется в тепло, которое в виде насыщенного пара,при 40,8 ат1 передается к центральному аккумулятору 30 пара (фиг.4). Циркуляпионный насос 32 подает воду к приемникам
8 в поле 29 концентраторов. Насыщенный пар выходит из аккумулятора 30 и проходит при постоянном давлении через другие фокусирующие коллекторы, где он перегревается до 455 С.
При этих условиях пар пригоден для использования в турбине 36 тепловой энергостанции мощностью до 30 ИВт.
Предложенный фокусирующий коллектор солнечной энергии целесообразно использовать в качестве единичного модуля коллекторного поля для обслуживания котлов энергостанции на ископаемом топливе. При этом, солнечное излучение наиболее полно преобразуется фокусирующим коллектором в тепло вследствие устранения затенения его концентрирующих излучение элементов. Предложенный коллектор применим также и для получения промышленного тепла.
I 232137
13 r0
Фиа1
12 за зг
1232137
Составитель П. Шендерович
Техред В.Кадар Корректор М. Максимишинец
Редактор Л. Веселовская
Тирах 649 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Заказ 2664/60
Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ушгород, ул. Проектная,4
