Концентратор солнечного излучения

 

Использование: в народном хозяйстве для нагрева различных объектов, преобразования солнечного излучения в другие виды энергии, например, тепловую энергию. Сущность: концентратор солнечного излучения состоит из оптического коллектора и световодов. Оптический коллектор выполняют в виде совокупности усеченных линз-фоконов, собранных в пакет, укрепленный на каркасе. К узким торцам линз-фоконов приклеивают отрезки световодов. Свободные концы световодов собирают в жгут. Торец жгута полируют. Для получения пара или горячей воды торец жгута вводят в теплообменник, например, из керографита, который разогреваясь отдает тепло потребителю. Такой концентратор имеет малые габариты и вес. за счет отсутствия параболического экрана, что позволяет расширить область применения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к использованию солнечной энергии для нагрева различных объектов, преобразования солнечного излучения в другие виды энергии, например тепловую энергию.

Плотность потока мощности солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, равна 1,35 кВт/м².

Достоинства использования солнечного излучения в решении проблем жизнеобеспечения людей очень велики. Энергия Солнца даровая. Для ее получения нет необходимости сжигать природные ресурсы. Она является экологически чистой и т.д.

В этой связи постоянно идет поиск эффективных устройств концентрации и преобразования солнечного излучения в другие виды энергии.

Для использования солнечного излучения применяют различные устройства, наиболее распространенными устройствами являются параболические зеркала, которые концентрируют солнечное излучение в фокусе. При этом необходимо нагреваемую камеру разместить на специальной штанге, на конце которой устанавливается устройство для перемещения нагреваемой камеры в трех плоскостях. Эти приспособления являются не только довольно сложными и дорогими, но также значительно увеличивают габариты, т.к. точка фокуса находится на некотором расстоянии от раскрыва зеркала. Высокие требования предъявляются также к самому зеркалу, особенно если оно должно иметь большие размеры. При изготовлении зеркал предъявляются очень высокие требования к точности выполнения профиля параболических зеркал. Возникает необходимость борьбы с изменением профиля зеркала в процессе его эксплуатации. Для этого зеркала делают массивными. Кроме того, высокие требования предъявляются к чистоте обработки поверхности зеркала. Высота неровностей поверхности должна быть меньше 1/16 длины волны излучения.

Все эти проблемы приводят к тому, что конструкция фокусирующего устройства оказывается сложной, дорогой, громоздкой и имеет значительные габариты. Но особенно большой недостаток таких устройств состоит в том, что размеры потребителя солнечной энергии, размещаемого в фокусе зеркала, должны быть весьма ограниченными, так как размеры области сфокусированного излучения составляют единицы или десятки миллиметров.

Указанные и другие проблемы не позволяют создать параболические зеркала больших размеров. Самое большое зеркало из когда-либо созданных на Земле имеет диаметр 6 м.

Уменьшение размеров зеркал приводит к уменьшению эффективности их применения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является концентратор солнечного излучения, содержащий оптический коллектор в виде совокупности линз, каждая из которых снабжена световодом [1].

Данному решению также присущи вышеописанные недостатки.

Для устранения указанных недостатков предлагается концентратор солнечного излучения, не содержащий параболического зеркала. Он состоит из оптического коллектора в виде совокупности линз с отрицательной гауссовой кривизной поверхности и световодов.

Оптический коллектор 1 выполняют в виде совокупности усеченных линз-фоконов 2, собранных в пакет, укрепленный на каркасе 4, см. фиг.1.

К узким торцам линз-фоконов приклеивают отрезки световодов 3, требуемой длины, например с помощью оптического клея типа ОК-2. Оставшиеся свободными концы световодов собирают в жгут. Торец жгута полируют.

Построенный таким образом концентратор солнечного излучения обладает рядом преимуществ: - малыми габаритами, так как является квазиплоским; - отсутствием различных регулировочных механизмов; - малым весом; - простотой конструкции; - низкой стоимостью и др.

Произведем расчет конструкции предлагаемого концентратора солнечного излучения.

Плотность потока мощности солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, без учета потерь в атмосфере составляет величину I₀ = 0,135 Вт/см².

Принимая потери в атмосфере равными 50% получим I₀ ≈ 0,07 Вт/см². Выберем размер квадратной стороны широкого торца линзы-фокона l_л = 32 мм = 3,2 см.

Тогда площадь широкого торца линзы-фокона Выберем световолокно квадратного сечения со стороной квадрата l_в = 10 мкм = 10^-3см = 10^-5м.

Площадь сечения световолокна равна S_в = l²_в = /10^-3/² = 10^-6см² = 10^-10м² Для определения выигрыша, который будет давать применение линз-фоконов, воспользуемся соотношением
I_i = I₀ · S_л/S_в = 0,07 · 10/10^-6 = 7 · 10⁵ Вт/см².

Принимая потери в линзе и световоде равными 30% получим плотность потока мощности на торце световолокна I_i = 200 кВт/см².

Выбираем площадь коллектора солнечного излучения S_к = 1 м². Сторона квадрата коллектора l_к = 1 м. Тогда количество линз в коллекторе
N = S_к/S_л = 10000/10 = 1000 шт.

Суммарная плотность потока мощности концентрируемого коллектором равна
I_Σ = N·I_i = 1000·200·10³ = 200 мВт/см².
Полученная плотность потока мощности будет излучаться из торца жгута световодов. Так как площадь сечения жгута равна
S_ж = S_в · N = 10^-10 · 1000 = 10^-7 м² = 0,1 мм²,
то полученную энергию можно использовать для решения различных задач. Если используется весь жгут, то будет снижаться вся мощность, если использовать часть жгута или отдельные световоды, то можно снимать часть мощностей для одних нужд, а часть для других.

Рассмотрим возможность применения концентратора солнечного излучения для получения горячей воды или пара. Для этого необходимо применить теплообменник 5 в виде замкнутой полости из жаропрочного материала, например пористого керографита.

Внутренняя поверхность теплообменника может быть выполнена гофрированной 6. Наружную поверхность целесообразно изготовить ребристой 7. Жгут световодов вводится в полость теплообменника через отверстие. Теплообменник может размещаться в резервуаре с водной или другим веществом, требующим нагрева.

Предложенный концентратор солнечного излучения может найти широкое применение в различных областях деятельности людей. Наиболее эффективно применение концентратора в горах, пустынях, в космосе, в различных районах, где нет других источников энергии.

Предлагаемый концентратор может найти применение также в городах и поселках в связи с необходимостью получения энергии экологически чистыми методами.

Формула изобретения

1. Концентратор солнечного излучения, содержащий оптический коллектор в виде совокупности линз, каждая из которых снабжена световодом, отличающийся тем, что поверхность линз-фоконов выполнена с отрицательной гауссовой кривизной, а световоды присоединены к узким торцам линз-фоконов, при этом свободные концы световодов собирают в жгут, а его торец полируют.

2. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что торец жгута или его часть вводят в теплообменную замкнутую полоть, выполненную из жаропрочного материала, внешняя поверхность которой снабжена ребрами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2