Фокусирующий солнечный коллектор

 

Использование: в гелиотехнике, для жилищного и производственного теплоснабжения. Сущность изобретения: фокусирующий солнечный коллектор состоит из составного параболического концентратора и приемника солнечной радиации, профиль концентратора выполнен из участков К₁+1 для левой ветви и участка К₂+1 для правой ветви, каждый из которых в сечении имеет форму параболы и описывается в плоскости (x,y) составным параболическим сплайном. 3 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к коллекторам со средствами концентрации солнечной энергии, и может быть использовано в жилищном и производственном теплоснабжении.

Известен фокусирующий солнечный коллектор с концентратором, выполненным в виде цилиндрической поверхности, образующая которой две составленные в одной точке параболы, одинаковые по форме. Приемник коллектора представляет собой цилиндр, расположенный в плоскости симметрии вдоль оси концентратора [1] Такая конструкция коллектора имеет больший КПД по сравнению с коллекторами, имеющими концентратор в форме обычной параболы [2] если они не снабжены системой регулирования. Однако, при подобном выборе формы концентратора, профиля приемника и места его расположения ставилась цель: достичь одинаково хороший КПД в заданном диапазоне углов и не учитывалось распределение энергии солнечных лучей в зависимости от их угла падения на плоскость коллектора, связанное с суточным и сезонным перемещением Солнца и изменением интенсивности солнечной радиации в зависимости от положения Солнца, характерное для конкретной местности. Это не позволяет приблизить к возможному максимуму интегральный за сезон эксплуатации КПД коллектора.

Известна солнечная установка, содержащая концентратор, стенки которого выполнена в форме парабол и могут быть повернуты в зависимости от положения Солнца [3] Это устройство позволяет существенно повысить по сравнению с предыдущими аналогами интегральный за сезон эксплуатации КПД, однако, использование этой идеи требует системы автоматического регулирования, либо непрерывного обслуживания, что существенно удорожает конструкцию и усложняет эксплуатацию такого коллектора.

Известен также фокусирующий солнечный коллектор, позволяющий повысить КПД путем снижения потерь тепла от теплового излучения приемника. Это изобретение основано на том, что профиль концентратора выполнен из дуг окружностей и софокусных парабол [4] Для изготовления такого негладкого профиля требуется сложная технология. Однако и этот профиль не позволяет приблизить к максимуму интегральный КПД коллектора по причинам, характерным для предыдущих аналогов.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является солнечный коллектор, имеющий концентратор, форма которого состоит из нескольких соединенных дуг парабол. Однако дуги парабол соединены негладко, в результате каждая дает свой центр концентрации солнечной энергии [5] Подобная форма концентратора требует размещения нескольких приемников, что усложняет конструкцию солнечного коллектора.

Целью изобретения является максимизация среднего за период эксплуатации (интегрального) КПД солнечного коллектора в условиях фиксированной географической широты и местных климатических условий, упрощение его конструкции и эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в фокусирующем солнечном коллекторе, состоящем из составного параболического концентратора и приемника солнечной радиации, профиль концентратора выполнен из k₁+1 участков для левой ветви и k₂+1 участков для правой ветви, на каждом из которых форма сечения является параболой и в целом описывается в плоскости (x,y) составным параболическим сплайном, характеризующимся выражением при а≅x<0;x≅b (1) где где (x_j-x)²_⊕ обозначает {max[0,(x_j-x)]}²;; (x_j-x)²_⊕ обозначает {max[0,(x-x_j)]}²,; x_j координата х точки гладкой состыковки дуг парабол; а и b соответствует координатам х границы апертуры; Z₁, Z_k1+_k2+₄, параметры формы концентратора, определяемые из решения системы
(2)
где есть средний за сезон эксплуатации интегральный КПД;
η_opt средний оптический КПД за сезон эксплуатации с момента τ 0 до t=t_э, определяемый из выражения:
(3)
η_h1 средний коэффициент тепловых потерь за сезон эксплуатации определяемый из выражения
(4)
где E_r(τ) энергия, поступившая на поверхность приемника непосредственно и после переотражения от концентратора в момент t;
E_s(τ) среднестатистическая энергия солнечной радиации, принятая апертурой рефлектора в момент t;
E_h1(τ) энергия тепловых потерь с поверхности приемника в момент t;
при этом центр приемника расположен в точке с координатами Х_c, Y_c, совпадает центром эллипса рассеивания энергии и определяется по формулам:
(5)
(6)
где Е(х, у) суммарная за сезон эксплуатации энергия в точке с координатами х, у, возникающая при прохождении прямых и переотраженных концентратором лучей через эту точку;

профиль приемника выполнен в виде эллипса рассеивания энергии, переотраженной концентратором, с большим диаметром d₁, и меньшим диаметром d₂, определяемыми по формулам:
(7)
(8)
а полуось с диаметром d₁ наклонена к апертуре под углом ϕ,вычисляемым из уравнения:
tg(ϕ/2)= σ₁₂/(σ₁-σ₂); (9)
где промежуточные величины: ρ, λ₁, λ₂ рассчитываются по характеристикам рассеивания σ₁, σ₂, σ₁₂ энергии концентратором:
,
,
,
здесь σ₀=(1/σ₁+1/σ₂)^2/4-(1-ρ)/σ₁·σ₂
характеристики рассеивания энергии определены из выражений



Новизна предложенного фокусирующего солнечного коллектора заключается в выполнении профиля концентратора в виде составной сплайн-параболической кривой, состоящей из k₁+1 участков для левой ветви и k₂+1 участков для правой, на каждом из которых ее форма является параболой, а в целом этот профиль описывается составным параболическим сплайном согласно уравнению (1). Отличием такого профиля от известных можно считать то, что он не имеет точек перелома (разрыва производных) и может быть оптимально рассчитан для условий любой фиксированной географической широты и местных климатических условий в смысле максимального среднего за сезон эксплуатации КПД. При оптимизации формы концентратора выбрано соответствующее положение центра приемника в точке X_c, Y_c и профиль приемника, выполненный в форме эллипса рассеивания энергии с диаметрами d₁, ₂ и углом ϕ наклона большего диаметра d₁ к апертуре, определяемые из выражения (5) (9).

Изобретательный уровень данного фокусирующего солнечного коллектора подтверждается отсутствием среди общедоступных сведений в области гелиотехники отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. Патентный поиск проведен на глубину до 50 лет по основным странам: Россия, США, Англия, Франция, ФРГ, Япония, Рубрики поиска: МКИ^3-5 F24J2/00 2/42 и G02B 1/00 5/136.

На фиг. 1 изображен профиль составного сплайн-параболического концентратора, и расположение приемника, где показаны сплайн-параболические ветви 1 концентратора, состоящие из k₁+1 участков для левой и k₂+1 участков для правой ветвей. В целом профиль концентратора описывается составным параболическим сплайном согласно выражению (1). Во внутренней области концентратора показан профиль приемника солнечной радиации, выполненный в виде эллипса рассеивания энергии, переотраженной ветвями 1 концентратора, имеющего диаметры d₁ и d₂. Больший диаметр d₁ приемника наклонен к апертуре АВ под углом v. Параметры d₁, d₂ и угол v определены из выражений (7) (9). Центр приемника 2 расположен в точке с координатами Х_c, Y_c, вычисленными из выражения (5), (6). Траектории падающих и переотраженных концентратором солнечных лучей показаны пунктирными линиями 3.

На фиг.2 показан общий вид фокусирующего солнечного коллектора, состоящего из корпуса 1 с расположенными внутри в несколько рядов сплайн-параболическими концентраторами 2 и приемником солнечной энергии 3, выполненным в виде ряда трубок с профилем в виде эллипса, параллельных друг другу, концы которых заделаны в сборные трубы 4 с патрубками. Пространство между концентраторами и корпусом заполнено теплоизоляцией 5. Сверху коллектор имеет стеклянное покрытие 6. Профили концентраторов 2, форма и центр расположения приемников солнечной энергии рассчитаны согласно выражениям (1) - (9) для широты и климатических условий Московской области.

Характеристики формы профиля концентраторов 2, профиля приемника 3 и центров их размещения относительно концентраторов для широты и климатических условий Московской области следующие: k₁=5; k₂=5; Z₁=0,006; Z₂=0,0053; Z₃= 0,053; Z₄=0,02; Z₅=0,02; Z₆=0,8247; Z₇=0,0203; Z₈=0,0203; Z₉=0,8274; Z₁₀=0; Z₁₂=0; Z₁₃=0; Z₁₄=0,1557; d₁=39; d₂=36; X_c=24; Y_c=71; v=10^o; a=-90; b=90.

Коэффициент полезного действия h,, рассчитанный в соответствии с формулами (3), (4), имеет значение η=0,38.

Таким образом, если концентратор имеет составную сплайн-параболическую форму в соответствии с формулой (1), профиль поперечного сечения приемника - эллипс с параметрами, определенными как параметры эллипсоида рассеивания, гарантирующие поступление более 90% переотраженной энергии (без учета потерь при прохождении лучами стеклянного покрытия и переотражении поверхностью концентратора) и минимальность площади поверхности приемника, то коллектор с таким концентратором и приемником будет иметь максимальный интегральный за период эксплуатации КПД, если параметры, определяющие форму концентратора, подобраны из условия
max
Z₁.Z_K1+K2+4
или из решения системы (2).

Фокусирующий солнечный коллектор работает следующим образом.

Теплоноситель, например вода, подается в одну из сборных труб 4 фиг.2 и распределяется по трубкам приемника 3, на которые падают прямые и переотраженные концентратором 2 солнечные лучи. Стенки трубок за счет энергии солнечных лучей нагреваются и передают тепло проходящему внутри трубок теплоносителю, который, нагреваясь, выходит через другую сборную трубу. Движение теплоносителя может быть осуществлено за счет естественной циркуляции или под действием насоса. установленного в контуре теплоснабжения. Теплоизоляция 5 предохраняет коллектор от потерь тепла через корпус 2.

Как отмечено ранее, солнечный коллектор проектируют с учетом географической широты и климатических условий, при этом принимается, что коллектор устанавливают определенным образом, а именно так, чтобы его приемники были ориентированы в направлении Восток-Запад, а поверхность коллектора устанавливают под углом к поверхности земли, равным приблизительно широте, например для Московской области угол выбирается в диапазоне 53-57^o. При таком расположении коллектора распределение энергии по углам наклона лучей к апертуре за период эксплуатации с мая по сентябрь включительно представлено графиком 1 на фиг.3. При тех же условиях график 2 на фиг.3 показывает количество энергии, поступившей на поверхность приемника. Для сравнения приведен график 3, показывающий распределение энергии, поступившей на приемник коллектора с составным параболическим концентратором [1] Интегральный КПД коллекторов характеризуется отношением площадей, описываемых кривыми 2 и 3 к площади, описываемой кривой 1. Для кривой 2 такое отношение больше, чем для кривой 3. Форма профиля концентратора, форма и положение приемника (фиг.1) фокусирующего солнечного коллектора подобраны таким образом, что приемник получает большую долю от поступающей солнечной энергии на углах, где количество последней меньше, а в целом сумма поступающей на приемник энергии максимальна.

Применение предложенного фокусирующего солнечного коллектора с площадью поверхности 1,5 м₂, например для широты и климатических условий Московской области позволяет в течение дня нагреть около 100 дм³ до температуры 70^o при переменной облачности.

Такие коллекторы, относясь к классу фокусирующих коллекторов без системы регулирования и отличаясь простотой в изготовлении и малой материалоемкостью, позволяют сократить потребление органических источников энергии и могут найти широкое применение в теплоснабжении жилых и производственных зданий.

Формула изобретения

Фокусирующий солнечный коллектор, состоящий из составного параболического концентратора и приемника солнечной радиации, отличающийся тем, что профиль концентратора выполнен из к₁ + 1 для левой ветви и участков к₂ + 1 для правой ветви, каждый из которых в сечении имеет форму параболы и описывается в плоскости (X, Y) составным параболическим сплайном, характеризующимся выражением

где (X_j-X}²_⊕ обозначаетmax[0, (X_j-X)]²;
(X-X_j)²_⊕ обозначаетmax[0, (X-X_j)]²;
X_j координатам X точки гладкой состыковки дуг парабол;
а и b соответствуют координатам X границы аппертуры;
Z₁, Z_k1+k2+4 параметры формы концентратора, определяемые из решения системы

где η = η_opt-η_hl средний за сезон эксплуатации интегральный КПД;
η_opt средний оптический КПД за сезон эксплуатации с момента τ = 0 до τ = τ_э, определяемый из выражения

η_hl средний коэффициент тепловых потерь за сезон эксплуатации, определяемый из выражения

E_r(τ) энергия, поступившая на поверхность приемника непосредственно и после переотражения от концентратора в момент τ;
E_s(τ) среднестатистическая энергия солнечной радиации, принятая аппертурой рефлектора в момент τ;
E_hl(τ) энергия тепловых потерь с поверхности приемника в момент τ;
при этом центр приемника расположен в точке с координатами X_с, Y_с, совпадает с центром эллипса рассеивания энергии и определяется по формулам


где E(x, y) суммарная за сезон эксплуатации энергия в точке с координатами x, y, возникающая при прохождении прямых и переотраженных концентратором лучей через эту точку:

профиль приемника выполнен в виде эллипса рассеивания энергии, переотраженной концентратором, с большим диаметром d₁ и меньшим диаметром d₂, определяемыми по формулам


а полуось с диаметром d₁ наклонена к аппертуре под углом ϕ, вычисляемым из уравнения
tg(ϕ/2) = σ₁₂/(σ₁-σ₂),
где промежуточные величины p, λ₁, λ₂ рассчитываются по характеристикам рассеивания σ₁, σ₂, σ₁₂ энергии концентратором:



где σ₀= (1/σ₁+1/σ₂)²/4-(1-p)σ₁·σ₂;
характеристики рассеивания энергии определены из выражений

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3