Концентратор солнечной энергии

 

Изобретение относится к высокотемпературной гелиотехнике и позволяет собирать и концентрировать солнечную энергию с целью преобразования ее в тепловую или электрическую. С помощью предлагаемого изобретения достигается увеличение степени концентрации солнечной энергии с одновременным уменьшением стоимости изготовления и повышением удобства монтажа и транспортировки концентратора. Концентратор представляет собой форму складывающегося усеченного конуса, состоящего из плоских радиальных лепестков 1 с одинаковым углом α наклона к фокальной плоскости и с внутренней отражающей поверхностью в виде колец 2, составленных из зеркальных фасет 3, ширина которых определяется размером лепестка, а высота - шириной отражающего кольца 2. 2 ил.

Изобретение относится к высокотемпературной гелиотехнике и позволяет собирать и концентрировать солнечную энергию с целью преобразования ее в тепловую или электрическую.

Известен плоский зеркальный концентратор Френеля [1], отражающая поверхность которого представляет систему концентрических колец с углом наклона к оптической оси, обеспечивающим единый круглый фокус.

Недостатком концентратора Френеля является неполное использование миделя поверхности из-за частичного взаимного затенения отражающих поверхностей гребнями соседних концентрических колец. С уменьшением фокусного расстояния взаимное затенение возрастает.

Концентратор солнечной энергии [2] с отражающими элементами Френеля, опирающимися на параболоцилиндрическую поверхность, частично уменьшает взаимное затенение за счет наклона отражающих элементов к середине цилиндра симметричным образом.

Удобная разборная форма концентратора, состоящего из набора плоских прямоугольных панелей опорной поверхности, расположенных вдоль оси параболоцилиндра, имеет небольшие габариты в разобранном виде и позволяет транспортировать его при меньших затратах.

Недостатком концентратора [2] является все-таки наличие взаимного затенения соседних френелевских элементов, возрастающее по мере их удаления вдоль оси цилиндра от фокального пятна, что ведет к снижению степени концентрации солнечной энергии, которая определяется по формуле: C=F_а/F_к, где C - степень концентрации солнечной энергии; F_а - площадь фокального пятна; F_к - площадь миделя концентратора.

Вторым недостатком концентратора [2] является эллиптическая форма фокального пятна, что ведет к снижению степени концентрации по сравнению с круглой формой.

Кроме того, френелевские элементы концентратора [2] имеют небольшие размеры, а следовательно, количество их достаточно большое. Каждый элемент требует индивидуальной юстировки в процессе настройки, при этом и прямоугольные панели с отражающими элементами получаются различными. Все это ведет к увеличению стоимости изготовления.

Предлагаемым изобретением решается задача увеличения степени концентрации солнечной энергии с одновременным уменьшением удобств монтажа и транспортировки концентратора.

Для достижения этого технического результата в концентраторе солнечной энергии разборной конструкции, содержащем опорную поверхность в виде плоских панелей, расположенных под углом к фокальной плоскости, с отражающими элементами Френеля, установленными под углом к опорной поверхности, плоские панели опорной поверхности представляют собой радиальные лепестки с одинаковым углом наклона к фокальной плоскости и образующие при сборке форму складывающегося усеченного конуса. Отражающая внутренняя поверхность концентратора выполнена в виде конических колец, состоящих из френелевских элементов в форме зеркальных фасет, ширина которых определяется размером лепестка, а высота - шириной отражающего кольца.

Отличительными признаками предлагаемого концентратора солнечной энергии от указанного выше известного концентратора [2] являются: конструкция опорной поверхности в виде плоских радиальных лепестков с определенным и одинаковым углом наклона к фокальной плоскости, образующие в сборке форме усеченного конуса; внутренняя отражающая поверхность выполнена коническими кольцами; каждое кольцо состоит из зеркальных фасет с шириной, определяемой размером лепестка и высотой, равной ширине отражающего кольца.

Благодаря наличию этих признаков повышается степень концентрации солнечной энергии за счет собирания всех лучей в круглое фокальное пятно путем расположения лепестков с отражающими элементами симметрично оптической оси и с определенным углом наклона к фокальной плоскости. Выбирая угол наклона лепестков и соответствующий угол наклона отражающих элементов, расположенных по кольцу, можно добиться снижения до минимума взаимного затенения отражающих конических колец, что ведет к увеличению коэффициента использования отражающей поверхности и повышению степени концентрации солнечной энергии.

Уменьшение стоимости изготовления получается за счет идентичности плоских лепестков с отражающими элементами и простоты сборки конического концентратора. Выбор размера лепестков, в соответствии с габаритами грузового отсека используемого транспорта, а также складывающаяся форма концентратора повышают удобство монтажа и транспортировки.

Предлагаемый концентратор солнечной энергии иллюстрируется чертежами представленными на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 представлен внешний вид концентратора солнечной энергии.

На фиг. 2 показан профиль лепестка конического концентратора солнечной энергии.

Концентратор солнечной энергии (фиг. 1) представляет собой складывающийся конус, который состоит из опорной поверхности в виде плоских радиальных лепестков 1 с углом наклона α к фокальной плоскости (фиг. 2) и внутренней отражающей поверхностью, состоящей из системы конических колец 2, расположенных поперек лепестков. Каждое кольцо собрано из зеркальных фасет 3 с углами наклона γ_n (фиг. 2) к опорной поверхности с шириной, ограниченной размером лепестка, а высотой l_n, равной ширине отражающего кольца. Приемник излучения 5 с диаметром апертуры d_а устанавливается в фокусе концентратора.

Концентратор солнечной энергии работает следующим образом.

Солнечные лучи 4, попадая на отражающие элементы 3, отражаются в апертуру приемника излучения 5. Это происходит за счет соответствующего выбора параметров α, γ_n, l_n.

При заданных радиусе концентратора R, фокусном расстоянии f и диаметре апертуры приемника d_а значения угла наклона лепестков α, углов наклона отражающих элементов γ_n и высоты фасет l_n выбираются из условий получения максимальной степени концентрации солнечной энергии.

Изобретение предполагается использовать на крупногабаритных наземных и космических солнечных энергоустановках, на которых из требований предельного уменьшения габаритов, увеличения эффективности и уменьшения стоимости изготовления, приходится выбирать короткофокусную схему складывающегося концентратора.

Список литературы 1. Дрессер Д. "Основы проектирования солнечных энергетических устройств". В сб.: Использование солнечной энергии при космических исследованиях Пер.с английского под редакцией В.А.Баума.-М: Мир, 1964.

2. Авторское свидетельство СССР N 1633238, F 24 J 2/10, 1991.

Формула изобретения

Концентратор солнечной энергии, содержащий опорную поверхность разборной конструкции в виде плоских панелей, расположенных под углом к фокальной плоскости, с отражающими элементами Френеля, установленными под углом к опорной поверхности, отличающийся тем, что плоские панели опорной поверхности концентратора представляют собой радиальные лепестки с определенным и одинаковым углом наклона к фокальной плоскости и образуют при сборке форму складывающегося усеченного конуса, а отражающая внутренняя поверхность концентратора выполнена в виде конических колец, состоящих из зеркальных фасет, ширина которых определяется размером лепестка, а высота - шириной отражающего кольца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2