Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за солнцем
Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти свое применение в широком диапазоне использования в зависимости от рабочей площади концентратора, а именно: от получения горячей воды для бытовых нужд до получения высокопотенциальной энергии перегретого пара. Концентратор солнечной энергии выполнен таким образом, что размещенный в его фокусе абсорбер не создает тень в рабочей зеркальной зоне и позволяет разместить ось поворота концентратора в центре тяжести всей системы. Абсорбер представляет собой параболоцилиндрический концентратор с малым фокусным расстоянием, причем фокусы концентратора и абсорбера не совпадают, между ними расположен приемник с теплоносителем, а система слежения за солнцем по азимуту и углу места его, основанная на расчетно-постоянных характеристиках, которые соответствуют географическому месту установки концентратора и обеспечивают необходимую скорость вращения вокруг полярной оси и изменения высоты в течение дня с учетом времени года, представляет собой реверсивный механический привод, вращающий винтовую пару, к гайке которой жестко закреплена зубчатая рейка, при перемещении которой поворачивается зубчатый сектор, закрепленный на оси поворота концентратора, одновременно поворачивающий штангу по копиру, который контролирует дневное изменение высоты солнца. Изобретение должно обеспечить получение максимального количества энергии светового потока, повышение точности и надежности установки. 3 ил.
Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в широком диапазоне использования в зависимости от рабочей площади концентратора, а именно: от получения горячей воды для бытовых нужд до получения высокопотенциальной энергии перегретого пара.
Для того чтобы проследить систему, которая будет определять исходные данные для установки параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии в нужном географическом месте, и, тем более, обеспечить эффективность слежения за солнцем по азимуту и углу места, необходимо определить постоянные исходные величины, которые лягут в основу расчета для исполнительных механизмов, работающих в системе слежения за солнцем.
Известно что при вращении солнечного концентратора вокруг полярной оси, годовая инсоляция одного квадратного метра превышает в два и более раз инсоляцию квадратного метра, расположенного горизонтально. В течение суток земля поворачивается вокруг своей оси на 360 градусов, однако концентрация солнечной энергии в устройстве будет происходить в промежутке, когда солнце находится на небосклоне. Этот промежуток времени будет меняться в зависимости от широты и места установки солнечного концентратора. Для этой цели необходимо проследить за двумя условиями изменения высоты солнца в течение дня и условия изменения высоты солнца по временам года.
1. Условия изменения высоты солнца в течение дневного времени.
Используя данные метеослужбы о продолжительности дня, высоту солнца утром, максимальную высоту в полдень и вечером в заданное время, можно определить угол поворота параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии, когда съем энергии будет максимальным, при условии, если световой поток будет проходить параллельно фокальной плоскости параболы. Для этой цели фокальная плоскость параболоцилиндрического концентратора должна быть постоянно сориентирована строго перпендикулярно к эклиптике (перемещение солнца с запада на восток по большому кругу небесной сферы).
2. Условие изменения высоты солнца в зависимости от времени года.
Для каждого определенного места на земле существуют свои координаты. В связи с этим, чтобы привязать к местности установку параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии, необходимо проследить зависимость изменения экваториальных координат, влияющих на принцип установки солнечного концентратора с механизмом слежения.
Рассмотрим расположение объекта на широте - j (постоянная величина). Земная ось отклоняется под углом 23°27' от перпендикуляра к плоскости эклиптики, поэтому каждый из географических поясов земли часть года наклонен в сторону солнца, а другую часть года - в противоположную от него сторону.
Полуденная высота солнца в день весеннего равноденствия на широте j равна h=90°-j.
В день летнего солнцестояния полуденная высота Солнца на данной северной широте достигает максимального значения hmax=90°-j+23°27'.
Когда солнце находится в точке осеннего равноденствия (23 сентября), то на всей земле солнце восходит в точке востока и заходит в точке запада и снова на всех широтах, кроме полюсов, продолжительность дня равна продолжительности ночи. Высота солнца в полдень на данной широте j в день осеннего равноденствия снова равна 90°-j.
Когда солнце находится в точке зимнего солнцестояния (около 22 декабря), то оно восходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе. Большая часть его суточного пути находится под горизонтом. На данной северной географической широте продолжительность дня минимальная, а ночи - максимальная. Высота солнца в день зимнего солнцестояния в данной северной широте достигает минимального значения hmin=90°-j-23°27'.
В остальные дни года высота солнца в полдень лежит между значениями hmin hmax.
Таким образом, от hmax до hmin - это пределы изменения угла наклона параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии в зависимости от широты расположения концентратора и времени года. Эти существенные изменения в углах наклона концентратора находятся в пределах от 80 до 40 градусов (для г.Владивостока - это 43 градуса) к экваториальной плоскости земного шара, поэтому не учитывать ее нельзя, в противном случае, длину абсорбера потребуется увеличить почти на 20%, особенно в высоких широтах. Это является вторым из постоянных условий для конструирования устройства слежения за солнцем. Солнце идет по небосклону с востока на запад, поэтому продольную линию фокусов цилиндрического концентратора следует ориентировать строго с севера на юг перпендикулярно эклиптике с вершиной на север. Учитывая в конструктивных решениях высоту солнца по вышеуказанным причинам - параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, необходимо поворачивать вокруг полярной оси с востока на запад со скоростью, равной скорости движения солнца по небосклону.
Таким образом, основой для расчета являются постоянные величины.
1. Географическая широта параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии - j.
2. Данные метеостанции о продолжительности дня и высоты солнца в дневное время от восхода до заката.
3. Данные по временам года в зависимости от географической широты, этот угол находится в пределах от hmin до hmax, который меняется за 180 дней и возвращается обратно также за 180 дней, изменяя свое положение в течение суток в пределах 0.18-0.23 градуса. Юстировка на такое смещение может происходить один раз в месяц вручную оператором, автоматизировать этот процесс не целесообразно, поэтому в устройстве предусматриваются юстировочные винты.
Из литературных источников известны различные концентраторы солнечной энергии с абсорберами и теплоприемниками, в которых постоянная ориентация на солнце в процессе слежения обеспечивается фотоэлектрическим датчиком и электронным блоком преобразования сигналов, электродвигателем с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника (RU 2105936, RU 2061933, US 47949090).
Основным недостатком этих устройств является невозможность слежения за солнцем при его частичном отсутствии в дневное время.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату концентратором солнечной энергии является Солнечная энергетическая установка по патенту RU № 2190810 С2, 7 F24J 2/14, F24J 2/52 «Солнечная энергетическая установка», которая представляет собой параболоцилиндрическое зеркало, в фокусе которого размещен тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель, содержит концентратор, расположенный в направлении с севера на юг, привод механизма поворота, обеспечивающего максимальную мощность концентратора независимо от склонения солнца и программное управление. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающую жидкость.
Недостатками этого устройства слежения являются:
- даже при кратковременном затемнении солнца фотоэлектрические датчики не срабатывают, теряется ориентация, нарушается процесс слежения за солнцем;
- только в зенитном положении солнца световой поток перпендикулярен к поверхности параболического зеркала, а в его крайних положениях световой поток отклоняется на угол около 15 градусов в зависимости от географического положения гелиоустановки.
Целью предлагаемого изобретения является получение максимального количества энергии светового потока, повышение точности и надежности параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии.
Поставленная цель достигается тем, что концентратор солнечной энергии выполнен таким образом, что размещенный в его фокусе абсорбер не создает тень в рабочей зеркальной зоне и позволяет разместить ось поворота концентратора в центре тяжести всей системы, при этом абсорбер представляет собой малый параболоцилиндрический концентратор с малым фокусным расстоянием, причем фокусы концентратора и малого параболоцилиндрического концентратора не совпадают; между ними расположен приемник с теплоносителем, а система слежения за солнцем по азимуту и углу места его, основания на расчетно-постоянных характеристиках, которые соответствуют географическому месту установки концентратора и изменению высоты солнца в течение дня с учетом времени года, обеспечивает необходимую скорость вращения вокруг полярной оси и представляет собой реверсивный механический привод, вращающий винтовую пару, к гайке которой жестко закреплена зубчатая рейка, при перемещении которой поворачивается зубчатый сектор, закрепленный на оси поворота концентратора, и одновременно поворачивающий штангу по копиру, который контролирует дневное изменение высоты солнца, а изменение высоты солнца по времени года обеспечивается винтовой парой, шарнирно установленной в опорных стойках, винт которой связан с кориром, для получения максимального количества энергии светового потока, повышения точности и надежности.
На фиг.1 изображен параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с полостным абсорбером солнечной энергии и механизмом слежения за солнцем.
Фиг.2 - система слежения за солнцем.
Фиг.3 - абсорбер с теплоприемником.
Предлагаемый параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии состоит из двухсточной опорной рамы 1 и поворотной оси 2 на подшипниковых опорах 3, закрепленных на концах опорных стоек 4. Несущая рама 5 параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии установлена на поворотной оси 2, проходящей через центр тяжести всей системы в уравновешенном положении, и может поворачиваться на подшипниковых опорах 3. На концах стоек несущей рамы 5 закреплены упорные подшипниковые опоры 6 оси вращения 7 параболоцилиндрического концентратора 8 с установленным над ним абсорбером 9. Ось вращения 7 параболы ориентирована в направлении юг-север и перпендикулярна поворотной оси 2 качания несущей рамы 5. На конце оси вращения 7 закреплен зубчатый сектор 10, который при перемещении зубчатой рейки 11 поворачивает параболу, например: за восемь часов на 120 градусов. Зубчатая рейка 11 жестко связана с гайкой 12 и перемещается при вращении ходового винта 13 от реверсивного привода 14, закрепленном на несущей раме 5. С гайкой 12 шарнирно связан верхний конец штанги 15, которая проходит через поворотный шарнир 16, закрепленный на несущей раме 5. Нижний конец штанги 15 находится в постоянном зацеплении направляющих копира 17, который шарнирно установлен на опорной раме 18. Опорная рама 18 жестко связана через рычаг 19 с поворотной осью 2 и ее угловое положение вместе с несущей рамой 5 и параболоцилиндрическим концентратором 8 относительно горизонта изменяется винтом 20, гайка 21 которого шарнирно закреплена между опорными стойками 4. Угол наклона оси вращения 7 параболоцилиндрического концентратора 8 относительно горизонта меняется периодически, например один раз в месяц. При этом световой поток должен быть перпендикулярен к поверхности следящей за солнцем параболы в течение, например с 9 до 17 часов, что соответствует 120 градусам поворота параболы в течение наиболее светового потока. Поскольку только в зените световой поток абсолютно перпендикулярен к оси вращения параболы, в начале и в конце работы параболы, например в 9 и 17 часов, световой поток незначительно отклоняется на угол.
Корректировка угла наклона оси вращения 7 параболы осуществляется штангой 15. В начале и в конце работы параболы штанга 15 занимает наклонное положение, а в середине работы, когда солнце находится в зените, - вертикальное положение. При этом нижний конец штанги 15, упираясь в направляющую копира 17, поднимает или опускает конец несущей рамы 5 относительно поворотной оси 2 на высоту h, соответствующую углу отклонения светового потока 15 градусов.
Абсорбер 9 (см. фиг.3) состоит из малого параболоцилиндрического концентратора с малым фокусным расстоянием 22, теплоприемника 23 из жаростойкого стекла 24, при этом абсорбер 9 выставлен таким образом, что его теплоприемник 23 расположен между фокусами малого и основного концентраторов. Отраженные лучи 25, 26 и 27 светового потока распределяются по ширине абсорбера 9.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Предварительно двухсточная опорная рама 1 параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии выставляется таким образом, чтобы ось вращения 7 поворота параболоцилиндрического концентратора 8 была ориентирована строго в направлении север-юг, а поворотная ось 2 несущей рамы 5 параболоцилиндрического концентратора должна быть горизонтальна. Ручным вращением ходового винта 13 вместе с рейкой 11 и зубчатым сектором 10 устанавливают в среднем положении, при котором фокальная плоскость параболоцилиндрического концентратора 8 должна быть вертикально и совпадать с осью штанги 15. В зенитном положении солнца винтами 20 через рычаг 19 поворотом на поворотной оси 2 несущей рамы 5 вручную устанавливается угол наклона оси вращения 7 параболы относительно горизонта таким образом, чтобы световой поток от солнца был строго перпендикулярен к поверхности параболы, при этом угол между несущей рамой 5 и неподвижным рычагом 19 будет максимальным и равным 15 градусам. Затем вручную вращением ходового винта 13 параболоцилиндрического концентратор 8 устанавливается в исходное положение, соответствующее началу рабочего сеанса, сигнал которому дает реле времени, например девять часов. Реле времени в начале сеанса включает реверсивный привод 14, который автоматически поворачивает параболоцилиндрический концентратор 8, обеспечивая точность слежения за солнцем. В конце сеанса конечным выключателем реверсивный привод 14 переключается на быстрый возврат параболоцилиндрического концентратора 8 в исходное положение, в котором другой конечный выключатель выключает реверсивный привод 14 и включает реле времени в режим ожидания начала сеанса. Таким образом, осуществляется автоматическое слежение за солнцем, которое не зависит от интенсивности светового потока.
Во время сеанса происходит автоматическое изменение угла наклона оси вращения 7 параболы в пределах +15 градусов за счет поворота вокруг поворотного шарнира 16 штанги 15, верхний конец которого шарнирно связан с гайкой 12, которая при вращении ходового винта 13 перемещается по нему с рейкой 11, осуществляющей поворот зубчатого сектора 10 на оси параболы. При этом обеспечивается постоянная направленность светового потока солнца перпендикулярно к поверхности зеркала параболического концентратора 8, от которой наиболее концентрированные лучи 25 попадают непосредственно на теплоприемник 23 абсорбера 9, а остальные лучи 26 попадают на теплоприемник 23 после отражения от зеркала малого параболического концентратора 22, причем некоторые отраженные лучи 27 часть своей тепловой энергии будут отдавать зеркалу абсорбера 9, не попадая на поверхность теплоприемника 23.
Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за солнцем, содержащий концентратор, расположенный в направлении с севера на юг, привод механизма поворота, обеспечивающего максимальную мощность концентратора независимо от склонения солнца, отличающийся тем, что концентратор солнечной энергии выполнен таким образом, что размещенный в его фокусе абсорбер не создает тень в рабочей зеркальной зоне и позволяет разместить ось поворота концентратора в центре тяжести всей системы, при этом абсорбер представляет собой малый параболоцилиндрический концентратор с малым фокусным расстоянием, причем фокусы концентратора и малого параболоцилиндрического концентратора не совпадают; между ними расположен приемник с теплоносителем, а система слежения за солнцем по азимуту и углу места его, основанная на расчетно-постоянных характеристиках, которые соответствуют географическому месту установки концентратора и изменению высоты солнца в течение дня с учетом времени года, обеспечивает необходимую скорость вращения вокруг полярной оси и представляет собой реверсивный механический привод, вращающий винтовую пару, к гайке которой жестко закреплена зубчатая рейка, при перемещении которой поворачивается зубчатый сектор, закрепленный на оси поворота концентратора и одновременно поворачивающий штангу по копиру, который контролирует дневное изменение высоты солнца, а изменение высоты солнца по временам года обеспечивается винтовой парой, шарнирно установленной в опорных стойках, винт которой связан с копиром, для получения максимального количества энергии светового потока, повышения точности и надежности.
