Гелиоэнергетическая установка

 

Изобретение относится к технике использования солнечной энергии и может найти применение в солнечных энергетических установках с концентраторами солнечного излучения для параллельной работы с источниками тепла для бытовых и технологических целей, а также для самостоятельной работы. Сущность изобретения заключается в том, что в гелиоэнергетической установке, содержащей сферические концентраторы солнечного излучения, приемники тепла, опоры, монорельсы, устройства качения, программные приводы, согласно изобретению концентраторы обрезаны по периметру в виде квадратов и размещены по площади нагрева по поверхности земли в направлениях взаимно перпендикулярных столбцов и строк, монорельсы установлены на верху опор и ориентированы в направлении строк концентраторов, опоры установлены на площади нагрева в несколько рядов и высота их выбрана примерно равной радиусу сфер концентраторов, устройства качения размещены на верху монорельсов и содержат две степени перемещения приемников тепла, приемники тепла расположены в устройствах качения по столбцам концентраторов, содержат сферические котлы и объединяющие их теплоизолированные трубы с расстояниями между котлами, равными ширине концентраторов, объединены со своих торцов трубами горячей и холодной воды с расстояниями между приемниками тепла, также равными ширине концентраторов, а вся жесткая система котлов и труб с помощью рабочих и обратных тросов соединена с программными приводами движения в направлениях столбцов и строк. Изобретение должно обеспечить максимально возможное использование солнечного тепла. 3 ил.

Изобретение относится к области солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения и может быть использовано в отраслях, где требуется тепловая энергия. Установка может работать параллельно с источниками тепла для бытовых и технологических целей, обеспечивая уменьшение расходования энергоносителей. Такими источниками являются котельные, бойлерные, бани, прачечные, источники химических и консервных комбинатов, установки для опреснения воды, установки для подогрева воздуха, газа и т.д. Предлагаемая установка может производить также пар. Поэтому может использоваться как резервный источник в электроэнергетики. Днем в теплое время года при солнечной погоде часть тепловой нагрузки или всю нагрузку берет на себя предлагаемая установка, в остальное время - основной производитель тепла.

Известны гелиоэнергетические установки с концентрирующими системами (см. заявка 3479331/24-06, кл. F 24 J 3/02, Р.Р. Апариси, Д.И. Тепляков, В.Г. Ханцис. "Солнечная электростанция", БИ 26 от 15.07.84; заявка 9302611 3/06, кл. F 24 J 3/02, Тверьянович Э.В., "Солнечная установка", БИ 26 от 20.09.95).

Из известных установок наиболее близкой по технической сущности является солнечная электростанция по заявке 3479331/24-06, принятая за прототип. Электростанция имеет сферической формы гелиоконцентратор с центральным отверстием и ориентированный продольной осью, в центр кривизны последнего помещен подвижный приемник солнечного излучения, закрепленный с помощью механизма перемещения на проходящей через центральное отверстие опоре, гелиоконцентратор выполнен составным в виде длиннофокусных кольцевых полос, механизм перемещения - в виде установленного с возможностью вращения на опоре радиального к ней моста с перемещающейся вдоль последнего тележкой, а приемник солнечного излучения снабжен электрически соединенным с механизмом перемещения солнечным датчиком и шарнирно закреплен на тележке.

Недостатком данного устройства является сложность технического решения, которая ведет к перерасходу финансовых средств при строительстве и эксплуатации. Здесь требуется индивидуальное управление каждым устройством, а их в серьезней системе может быть несколько сотен и даже тысяч. Кроме того, сложным является узел подвижного соединения каждого устройства с потребителем энергии и их также должно быть много.

Известная солнечная установка по заявке N 93026113/06 содержит ориентируемую на солнце концентрирующую солнечное излучение систему, имеющую первичные концентраторы, фокусирующие излучения в точечные фокусы и вторичные отражатели, имеющие общие фокусы с первичными концентраторами, выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии и направляющие излучение на общий приемник. Первичные концентраторы выполнены с возможностью синхронного поворота вокруг своих фокусов, а вторичные отражатели установлена неподвижно, выполнены в виде параболоидов или гиперболоидов, оси симметрии которых направлены на приемник.

Недостатком данной заявки является необходимость поворота концентраторов. Это громоздкие устройства, а поскольку они вращаемые, предъявляются повышенные требования к их прочности, что ведет к перерасходу материала. Главный же их недостаток - высокая парусность. Это также предъявляет особые требования к прочности конструкции.

Устройство, принятое за прототип, имеет необычный концентратор - концентрически расположенные участки сфер. Но необычность не означает простоту, концентраторы и устройство в целом излишне усложнены. Аналог же, имеющий громоздкие подвижные концентраторы с большой парусностью, экономически просто неконкурентоспособен с предлагаемой установкой.

Предложена гелиоэнергетическая установка, содержащая сферические концентраторы солнечного излучения, приемники тепла, опоры, монорельсы, устройства качения, программные приводы, отличающаяся тем, что концентраторы обрезаны по периметру в виде квадратов и размещены по площади нагрева на поверхности земли в направлениях взаимно перпендикулярных столбцов и строк, монорельсы установлены на верху опор и ориентированы в направлении строк концентраторов, опоры установлены в несколько рядов на площади нагрева, высота их выбрана примерно равной радиусу сфер концентраторов, устройства качения размещены на верху монорельсов и содержат две степени перемещения приемников тепла, приемники тепла расположены в устройствах качения по столбцам концентраторов, содержат сферические котлы и объединяющие их теплоизолированные трубы с расстояниями между котлами, равными ширине концентраторов, объединены со своих торцов трубами горячей и холодной воды с расстояниями между приемниками тепла, также равными ширине концентраторов, а вся жесткая система котлов и труб с помощью рабочих и обратных тросов соединена с программными приводами движения в направлениях столбцов и строк.

Предлагаемая установка позволяет получать горячую воду и пар с техническими параметрами при более низких затратах на ее строительство и эксплуатацию. Имея большое количество концентраторов и приемников тепла, она не требует такого же количества следящих или программных приводов для движения приемников. Приводов требуется всего два. Узел связи с неподвижным потребителем требуется всего один, а в прототипе их число также равно числу концентраторов. Концентраторы в отличие от аналога лежат горизонтально и неподвижно на земле, чем обеспечивается их минимальная парусность. Это снижает требования к прочности концентраторов и расходы на материал для их изготовления, которым, как правило, является пластмасса. Поднятые же на высоту опор приемники тепла, вo-первых, имеют значительно меньшую парусность, во вторых, здесь материал - сталь, т.е. прочность приемников обеспечена.

Для пояснения предлагаемой гелиоэнергетической установки приведены чертежи.

Фиг.1 - экспериментальная установка для снятия характеристик "отраженный сигнал в горизонтальной плоскости, проходящей через центр кривизны сферического концентратора". На установке использованы следующие обозначения: Н - высота характеристики в этой плоскости; L/2 - половина длины характеристики, например, за время с 12.00 до 16.30; В - расстояние возможного захода характеристики за точку отражения (фиг.2а) при заботе в ранние утренние и поздние вечерние часы; R - радиус сферического концентратора; N-S - направление "север-юг".

Фиг. 2а - характеристики отраженного сигнала для точек а и b, расположенных на линии "ceвер-юг": 23 - характеристика, снятая в районе 21 июня; 22 - характеристика, снятая в районе 21 сентября.

Все фиг.2 - вид снизу.

Фиг. 2б - характеристика отраженного сигнала для точек а и b, расположенных на линии "запад-восток", снятая в районе 21 июня.

Фиг.2в - характеристика для трех параллельных линий аb, cd, ef, снятая в районе 21 июня.

Фиг. 3 - чертеж гелиоэнергетической установки в аксонометрической проекции.

Цифрами на фиг.3 обозначены: 1 - сферические концентраторы, обрезанные по периметру по квадратам и расположенные на поверхности земли по столбцам и строкам; 2 - теплоизолированные трубы, объединяющие между собой котлы; 3 - сферические котлы; 4 - труба холодной воды, объединяющая приемники тепла с одной стороны; 5 - труба горячей воды, объединяющая приемники тепла с другой стороны; 6 - гайки регулирования положения приемников тепла; 7 - гайки соединения котлов и труб в приемники тепла;
8 - устройства качения;
9 - конечные участки приемников тепла с трубами, одетыми на теплоизоляцию;
10 - опоры;
11 - монорельсы:
12 - гибкая труба соединения с потребителем;
13 - потребитель тепла;
14а - трос рабочего перемещения по строкам концентраторов;
14б - трос обратного перемещения по строкам;
15 - редуктор этого перемещения;
16 - исполнительный электродвигатель;
17 - программное устройство перемещения по строкам;
18а - трос рабочего перемещения по столбцам концентраторов;
18б - трос обратного перемещения по столбцам;
19 - редуктор этого перемещения;
20 - исполнительный электродвигатель;
21 - программное устройства перемещения по столбцам.

Прежде чем описывать чертеж фиг.3 предлагаемой установки, опишем основополагающий, хотя и простой эксперимент фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 изображена горизонтальная плоскость, поднятая над землей на опорах, причем высота экспериментальных опор R выбрана равной радиусу сферических концентраторов, экспериментальная установка построена в реальном масштабе, поэтому состоит из двух прямоугольников, соприкасающихся углами, поскольку заранее примерно был известен ход ожидаемых характеристик. На прямоугольники снизу прикалывается бумага, и через каждые 15 минут на бумаге ставится точка в том месте, где находится "зайчик" солнечного отражения, полученный от маленького зеркала, расположенного на земле. Зеркало всегда должно лежать горизонтально, поэтому оно находится на кусочке пенопласта, плавающего в сосуде с водой.

Реальные величины R от 125 см до 200 см. Размеры эти выбраны исходя из того, что на расстоянии R от земли будут находиться сферические котлы и трубы, катящиеся по монорельсам, которые размещены на верху опор. Всю эту систему необходимо монтировать и так или иначе обслуживать при эксплуатации. R= 200 см - это уже выше среднего человеческого роста, люди должны работать с поднятыми руками или на подставках. На высоте 200 см работать еще можно, выше же систему поднимать уже не стоит, за этим следует перерасход средств.

Оценим диаметр сферического концентратора при R=200 см и высоте 30 см. Из простых геометрических соображений диаметр примерно 210 см. Это вполне убедительный диаметр концентратора даже с учетом обрезки по квадрату, тем более что можно выбрать высоту и несколько больше 30 см. Так что R=200 см - это действительно предельный размер, можно выбрать его и поменьше.

Маленькое горизонтальное зеркало в эксперименте является элементом ансамбля таких зеркал, расположенных на поверхности сферического концентратора, поэтому его для эксперимента достаточно. Получены высота характеристики Н при 9-12-часовом рабочем дне (зависит от месяца), половина ширины L/2 и заход характеристики за линию "запад-восток" при "длинном дне" в районе 21 июня. В средних широтах солнце не бывает в зените, отраженный сигнал на горизонтальной плоскости в северном полушарии всегда, кроме ранних утренних и поздних вечерних часов, несколько смещен к северу от точки отражения, 21 июня меньше, 21 сентября больше.

На фиг.2а приведены кривые от двух зеркал а и b, расположенных на линии N-S: 23 - кривые, полученные в районе 21 июня (строго 21 июня или в другой день эксперимент может не получиться из-за пасмурной погоды); 22 - кривые, полученные в районе 21 сентября. R=150 см. Точки а и b можно рассматривать как отдельные сферические отражатели, а отраженный от них сигнал на горизонтальной плоскости - как сконцентрированное пятно на котле. По кривым фиг.2а должны перемещаться котлы.

Кривые 23 расположены ниже к отражающим точкам а и b, чем кривые 22, что естественно из-за более высокого расположения солнца. Видно, что все линии аb перемещаются параллельно самим себе. На кривой 2 приведены высота Н=140 см и ширина L=500 см. На такие расстояния должен перемешаться котел в течение рабочего дня во взаимно перпендикулярных направлениях. На кривой 23 указан возможный заход точки "а" в точку "а7" за линию "запад-восток" в районе 21 июня (0,5 м).

На фиг. 2б приведены кривые, прочерченные точками а и b, расположенными на линии "запад-восток" 21 июня. Линии аb также перемещаются параллельно самим себе.

Таким образом, приемники солнечного излучения (приемники тепла) можно располагать по линиям "север-юг", "запад-восток" и в промежуточных направлениях. Характер движения приемников для разных направлении должен быть лишь учтен в программных приводах.

Заполнение запоминающих устройств приводов можно производить экспериментально, так, как снимались кривые фиг.2а и 2б, а можно и с помощью аналитического расчета. Но тогда нужно учитывать географическую широту и долготу места, где находится гелиоустановка.

На фиг.2в приведены кривые, прочерченные тремя параллельными линиями ab, cd, ef. Получен интересный результат, не всегда сразу понятный при умозрительном рассмотрении процесса: линии отражения находятся на одинаковом расстоянии друг от друга в полдень, утром и вечером. Это дает возможность управлять движением всех приемников солнечного излучение от одного двигателя, а также возможность жестко связать их между собой и перемещать всю систему приемников как единое целое. За этим стоит экономия средств.

Предложенная гелиоэнергетическая установка (фиг.3) осуществляется следующим образом.

На горизонтальной поверхности расположены сферические концентраторы 1 солнечной энергии, обрезанные по периметру в виде квадратов. Квадратные концентраторы (в отличие от круглых) можно сгруппировать в столбцы и строки без потери площади в углах. Число концентраторов в одном блоке будет уточняться в соответствии с практическими обстоятельствами. Ширина квадрата одного концентратора находится в пределах 200-250 см и также будет уточняться. Радиусы сфер 150-200 см, высота концентраторов 30-40 см.

Длины столбцов концентраторов вероятнее всего будут в пределах от 10 до 30 м, но если удастся использовать столбцы длиной 50-100 м (с помощью дополнительных рядов опор и монорельсов), это будет выгодно.

Концентраторы могут быть углублены в землю или совсем не углублены, могут быть расположены на подставках и иметь некоторую возможность поворота для регулировки.

Если гелиоэнергетическая установка расположена на значительной площади, например 1 гектар, такую площадь трудно сделать идеально горизонтальной. Поэтому концентраторы укладываются часть с заглублением, другая часть без заглубления, третья часть на подставках. Поле концентраторов расположено в результате горизонтально. Между столбцами или парами столбцов оставляются тропинки для обслуживающего персонала, не указанные на фиг.3 как не имеющие принципиального значения.

Опоры 10 устанавливаются в ряды ближе к краям блоков, но могут быть и дополнительные ряды опор при больших длинах столбцов.

На опорах сверху расположены монорельсы 11. Длина монорельсов равна общей ширине блока концентраторов плюс несколько метров (2,5-3,0 м), на которые монорельсы выходят за пределы ширины блока концентраторов. Края монорельсов загнуты вверх для предупреждения схода устройств качения 8.

Устройства качения создают возможность для двухстепенного перемещения приемников тепла: сами катятся по монорельсам в направлении строк и имеют возможность для качения приемников в направлении столбцов.

Приемники тепла состоят из сферических котлов 3 и объединительных теплоизолированных труб 2, соединенных между собой с помощью гаек 7. Верхняя часть котлов, не принимающая солнечное излучение, также может быть теплоизолирована.

Соотношения диаметров окружностей концентраторов и диаметров котлов определяют коэффициент концентрации системы. Он может быть порядка 200-500. При таком коэффициенте концентрации нагрев в котлах будет высоким. Последовательно может быть соединено значительном количество котлов, т.е. установка может производить пар с техническими параметрами, с температурой несколько сотен градусов. Это дает возможность использования ее в электроэнергетике.

Концы приемников тепла 9, перемещающиеся в устройствах качения в направлении столбцов, защищены дополнительной трубой, теплоизоляция в контакт с устройствами качения не вступает. Эти концы могут быть также пассивными отрезками стержней без труб, на фиг.3 это не отображено.

Количество пар устройств качения не обязательно должно быть равно количеству приемников тепла, одна пара устройств качения может обслуживать несколько приемников. Непринципиальные решения на фиг.3 не отображены. Расстояния между приемниками тепла равны расстояниям между осями концентраторов.

Торцы приемников тепла жестко объединены с одной стороны с помощью трубы холодной воды 4, с другой стороны с помощью трубы горячей воды 5. Не будет ошибкой, если эти трубы поменять местами. Обе трубы состоят из отдельных теплоизолированных отрезков, которые соединены с приемниками тепла с помощью регулировочных гаек 6. На каждый приемник приходится по 4 гайки, по 2 с каждой стороны. Одновременный поворот четырех регулировочных гаек (2 человека) перемещает приемник параллельно оси концентратора, меняя его расстояния до соседних приемников, медленный поворот двух гаек несколько регулирует направление приемника.

Общая высота, на которую подняты приемники тепла (высота опор плюс высота монорельсов плюс высота устройств качения), равна радиусу сферических концентраторов R. Плоскость, в которой движутся приемники тепла, является горизонтальной и проходит через центры кривизны всех концентраторов 1.

Концентраторы изготовлены из пластмассы, в них предусмотрены отверстия для стока дождевой воды. Сверху на пластмассу наклеена алюминиевая фольга.

Отбор тепловой энергии у гелиоустановки осуществляется с выхода трубы горячей воды 5 с помощью гибкой трубы 12. Возможны другие варианты такого отбора.

Отработанная вода с помощью насоса вновь закачивается на вход холодной трубы установки, которая также теплоизолирована, так как поступающая вода может быть достаточно теплой.

Перемещение системы котлов 3, труб 2 и труб 4 и 5 осуществляется с помощью тросов: 14а - рабочий трос перемещения по строкам; 14б - обратный трос перемещения по строкам; 18a - рабочий трос перемещения по столбцам; 18б - обратный трос перемещения по столбцам. На фиг.3 крепление тросов к трубам показано условно, как не имеющее принципиального значения.

Программа перемещения в каждом направлении записана в запоминающих устройствах 17 и 21. От программных устройств работают исполнительные электродвигатели 16 и 20. В связи с тем, что скорость движения приемников тепла очень маленькая (меньше 1 м/ч), установлены редукторы 15 и 19, которые одновременно наматывают рабочие тросы 14а и 18а и сматывают обратные тросы 14б и 18б, и наоборот при обратном ходе. Тросы имеют резьбовые регуляторы длины для настройки системы.

Работает предлагаемая гелиоэнергетическая установка следующим образом.

Оператор устанавливает на программном устройстве истинное время, а программные приводы перемещают в двух направлениях жесткую систему котлов 3 и труб 2, 4, 5 в нужную точку, соответствующую этому времени. Оператор должен убедиться, что все пятна сконцентрированной солнечной энергии попадают на соответствующие котлы, после чего он нажимает кнопку "Пуск". Пошли часы, пришла в движение система котлов и труб, работа началась.

Если погода в этот момент пасмурная, все равно нажимается кнопка "Пуск", а уточнения производятся при появлении солнца. В случае несовпадений производится необходимая регулировка. Задачу регулирования количества воды, подаваемой в систему в соответствии с поступающей на котлы энергией, может взять на себя автоматика, на фиг.3 это не отображено.

В качестве конкретного исполнения гелиоэнергетической установки можно рассмотреть гектар площади, занятый такой установкой в условиях России (Московская область), с экономической точки зрения.

Для такой установки требуются: пластмасса для концентраторов (10 т) - 5000$, алюминиевая фольга (1 т) - 1500$, опоры (100 шт.) - 1000$, монорельсы (2 т) - 1000$, трубы (5 км) - 3000$, теплоизолятор - 1000$, сталь для котлов (2 т) - 1000$, устройства качения - 1500$, программные устройства, исполнительные двигатели, редукторы, трос - 6000$, насос - 1000$.

Всего - 22000$.

Будем считать, что и неучтенные расходы (монтаж, эксплуатация и т.д.) также 22000$.

Итого - 44000$.

По некоторым подсчетам гектар Подмосковной территории способен производить тепла на 30000$ в год.

Установка фиг.3 и в условиях холодной России (110 Вт/м² тепловой мощности) будет окупаться достаточно быстро.

В условиях же жаркого климата, когда до земной поверхности доходит 600 Вт/м² тепловой мощности, установка становится особенно привлекательной.

Формула изобретения

Гелиоэнергетическая установка, содержащая сферические концентраторы солнечного излучения, приемники тепла, опоры, монорельсы, устройства качения, программные приводы, отличающаяся тем, что концентраторы обрезаны по периметру в виде квадратов и размещены по площади нагрева по поверхности земли в направлениях взаимно перпендикулярных столбцов и строк, монорельсы установлены на верху опор и ориентированы в направлении строк концентраторов, опоры установлены на площади нагрева в несколько рядов и высота их выбрана примерно равной радиусу сфер концентраторов, устройства качения размещены на верху монорельсов и содержат две степени перемещения приемников тепла, приемники тепла расположены в устройствах качения по столбцам концентраторов, содержат сферические котлы и объединяющие их теплоизолированные трубы с расстояниями между котлами, равными ширине концентраторов, объединены со своих торцов трубами горячей и холодной воды с расстояниями между приемниками тепла, также равными ширине концентраторов, а вся жесткая система котлов и труб с помощью рабочих и обратных тросов соединена с программными приводами движения в направлениях столбцов и строк.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3