энергетическая гелиоустановка

Формула изобретения

1. Энергетическая гелиоустановка для преобразования солнечного излучения в полезную энергию, содержащая зеркало Френеля, состоящее из множества концентрирующих зеркал, установленных на основной плоскости, причем указанное зеркало Френеля является полем гелиостатов, в котором указанные концентрирующие зеркала следят за солнцем и имеют фокальную точку, удаленную от поля гелиостатов на фокусное расстояние, по меньшей мере один приемник солнечного излучения, расположенный вблизи указанной основной плоскости, и добавочное зеркало, установленное над указанным полем гелиостатов вблизи указанной фокальной точки, в соответствии с чем концентрированное солнечное излучение, отражаемое полем гелиостатов, переориентируют на указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения, отличающаяся тем, что указанное добавочное зеркало выполнено в виде диэлектрического зеркала, в соответствии с чем избегают перегрева добавочного зеркала.

2. Энергетическая гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что добавочное зеркало имеет изогнутую форму с тем, чтобы гарантировать то, что распределение углов падения излучения существенно ограничено.

3. Энергетическая установка по п.2, отличающаяся тем, что добавочное зеркало является выпуклым зеркалом, установленным перед фокальной точкой.

4. Энергетическая гелиоустановка по п.2, отличающаяся тем, что добавочное зеркало является вогнутым зеркалом, устанавливаемым за фокальной точкой.

5. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что диэлектрическое зеркало является светоделителем, так что пропускается все неотраженное излучение.

6. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что диэлектрическое зеркало обладает высокой отражательной способностью, так что все потери зеркала являются потерями при распространении.

7. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что диэлектрическое зеркало предусмотрено с задним металлическим покрытием, обладающим высокой отражательной способностью, и приспособлено увеличивать отражательную способность указанного покрытия.

8. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что диэлектрическое зеркало изготовлено цветоизбирательным.

9. Энергетическая гелиоустановка по п.8, отличающаяся тем, что цветоизбирательное диэлектрическое зеркало является зеркалом полосно-пропускающего типа.

10. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что диэлектрическое зеркало состоит из сегментов.

11. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 10, отличающаяся тем, что диэлектрическое зеркало является зеркалом типа зеркала Френеля.

12. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 11, содержащая вспомогательный концентратор, расположенный между указанным добавочным зеркалом и указанным по меньшей мере одним приемником солнечного излучения.

13. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 12, отличающаяся тем, что зеркало Френеля расположено в основной плоскости, которая наклонена относительно горизонтали, чтобы уменьшить угол между падающим солнечным излучением и нормалью к основной плоскости.

14. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 13, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один приемник дистанцирован от указанного зеркала Френеля, а указанное добавочное зеркало наклонено так, чтобы переориентировать излучение на указанный приемник.

15. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 14, содержащая средство для извлечения полезной энергии из указанного добавочного зеркала.

16. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 15, в которой указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения связан с тепловым двигателем и с электрогенератором или со средством для извлечения полезного тепла.

17. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 15, в которой указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения является лазером с солнечной накачкой, или химическим реактором, или фотоэлектрической системой.

18. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 15, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения связан с системой аккумулятора энергии.

19. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 15, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения является баком теплового аккумулятора.

20. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 19, отличающаяся тем, что отношение расстояния добавочного зеркала от указанной фокальной точки к фокусному расстоянию поля гелиостатов находится в диапазоне от приблизительно 1 : 5 до примерно 1 : 10.

21. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 20, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере два приемника солнечного излучения.

22. Энергетическая гелиоустановка по п. 21, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из указанных приемников солнечного излучения расположен в фокальной области указанного поля гелиостатов.

23. Энергетическая гелиоустановка по п.21 или 22, содержащая по меньшей мере одно дополнительное зеркало, размещенное между указанным добавочным зеркалом и по меньшей мере одним из указанных приемников солнечного излучения.

24. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 23, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один приемник содержит рабочую жидкость для отвода поглощенного тепла, а гелиоустановка - в промежутке между указанным добавочным зеркалом и указанным приемником множество неформирующих изображения вспомогательных концентраторов, расположенных в концентрических зонах, причем каждый вспомогательный концентратор связан со специальной апертурой в указанном приемнике, в соответствии с чем внутри приемника образуют концентрические зоны разных температур, и рабочая жидкость постепенно нагревается при прохождении от самой дальней, имеющей самую низкую температуру, к самой внутренней зоне, имеющей самую высокую температуру.

25. Энергетическая гелиоустановка по п.24, отличающаяся тем, что приемник содержит множество модулей приемника, причем каждый имеет одну апертуру.

26. Энергетическая гелиоустановка по п.24, отличающаяся тем, что приемник содержит один общий модуль с множеством апертур.

27. Энергетическая гелиоустановка по любому из пп.1 - 26, отличающаяся тем, что содержит средство для текущего контроля смещения указанного добавочного зеркала и средство для динамической регулировки гелиостатов с тем, чтобы следить за смещением зеркала, в соответствии с чем предотвращают любое ухудшение функционирования установки вследствие смещения зеркал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическим гелиоустановкам, содержащим концентратор солнечного излучения, соединенный с преемником солнечной энергии высокой мощности.

Гелиотехнология помогает обеспечивать получение конкурентоспособной и экологически чистой энергии для множества случаев промышленного применения. Эффективность преобразования солнечной энергии в полезное тепло или электрическую энергию в значительной степени зависит от яркости излучения, достигаемой на входной поверхности приемника солнечной энергии, а также от отражения, затенения и других потерь и от доступной концентрации солнечной энергии.

Конверсия в космосе и термодинамика устанавливают теоретический предел концентрации солнечного излучения, которого можно достичь с помощью какого-либо оптического устройства (Р.Винстон и др. Approaching the irradiance of the surface of the sun, "Solar Thermal Technology, Proc. 4th Intern. Symposium, Santa Fe, N.M., pp. 579- 587, 1988). Этот предел выражается с помощью уравнения



где C_max - максимально достижимая концентрация, n - показатель преломления поверхности мишени, а - половина угла падения солнечного излучения. Этот теоретический предел получен при допущении, что площадь мишени достаточно велика, чтобы собрать весе концентрируемого излучения.

Концентрации, которые могут быть практически получены обычными формирующими изображение фотоприемниками, не достигают предела вследствие аберраций. Например, параболическое зеркало позволяет получить совершенное изображение на оси, но вне оси изображение становится нерезким и уширяется.

При освобождении от требований формирования изображения в тех случаях применения, где не требуется формирования изображения, могут быть достигнуты намного более высокие концентрации. Известны не формирующие изображения оптические системы, обеспечивающие возможность концентрации излучения, которая близка к термодинамическому пределу, и по этой причине такие системы часто используют в мощных концентраторах.

В практике получения высоких концентраций солнечного излучения используют, как правило, двухступенчатую оптическую систему, которая содержит (главный), формирующий изображение, концентратор первой ступени, который переориентирует падающее солнечное излучение к фокальной точке, и (вспомогательный), не формирующий изображения концентратор второй ступени, который направляет концентрированное солнечное излучение на поглотитель солнечного излучения приемника солнечного излучения. Вспомогательный концентратор размещен вблизи фокальной точки главного концентратора и обеспечивает прием всей переориентированной солнечной энергии, а также высокую яркость на входе приемника. Общая концентрация для двухступенчатой системы является произведением концентраций, получаемых с помощью главного концентратора и концентратора, не формирующего изображения



где C - достижимый коэффициент концентрации, C_p - коэффициент концентрации главного концентратора, а и - максимальные углы распределения входящего и выходящего излучения.

На размеры и эффективность системы большое влияние оказывает природа главного концентратора. Этот формирующий изображение концентратор первой ступени часто может быть в виде параболического или сферического зеркала. Концентрация, обеспечиваемая посредством параболоидного гелиоконцентратора, может быть вычислена с помощью следующего уравнения



где C_p - коэффициент концентрации для параболоидного гелиоконцентратора, - максимальный угол распределения входящего излучения, r - радиус параболоидного гелиоконцентратора, h - фокусное расстояние, то есть расстояние от параболоидного гелеоконцентратора до фокальной плоскости. Как правило, концентрация, достигаемая параболоидным гелиоконцентратором, на 25% меньше термодинамического предела.

В стремлении получить величину концентрации входящего солнечного излучения, близкую к термодинамическому пределу, были сделаны попытки использовать в качестве главного концентратора зеркальный (отражательный) телескоп, например, отражательный телескоп Кассегрена (W.Zirtel,"design Studies for Solar Pumpe Lasers", DFVLR-FB 87-39, Stuttgart, 1987). Однако такой телескоп, образованный с помощью параболического основного зеркала и гиперболического вспомогательного зеркала, имеет очень низкие аберрации только для очень узкого (малого) угла восприятия. По этой причине, для обеспечения концентрации высокой мощности такой телескоп должен следить за солнцем (следовать за солнцем), что практически является невозможным для такого вида системы, у которой размер основной отражательной пощади может быть порядка десятков или даже сотен тысяч квадратных метров.

Для стационарных приемников в качестве главного концентратора часто выбирают зеркало Френеля (M.Epstein, "Central receiver facility at tne Weizmann Institute of Science", Solar thermal central receiver systems, Proc.III Intern. Workshop, Springer-Verlag, Berlin, FRG, pp. 187-197, 1986, M. Epstein. "Beam quality and tracking accuracy results of the Weizmann Institute of Science Heliostats", Proc. 4th Intern. Symp. On Research, Development and Applications of Solar Thermal Technology, New York, pp. 108 111, 1990).

Были разработаны различные типы зеркал Френеля. Двумерные (2-D) зеркала Френеля с фокальными линиями были разработаны для использования в промышленных установках, трехмерные (3-D) зеркала Френеля с фокальными точками, называемые, как правило, полем гелиостатов, нашли применение в связи с центральными приемниками солнечной энергии и солнечными башнями, в частности в системах, мощность которых достигает порядка нескольких мегаватт, так как они могут работать при более высоких потоках энергии и температурах, позволяя достигать высоких эффективностей преобразования. Поле гелиостатов состоит из множества программно-управляемых зеркал, которые переориентируют солнечное излучение в направлении к вспомогательному концентратору, расположенному в области фокальных точек, как правило, расположенных на центральной солнечной башне, и с последующим объемным центральным приемником. Коэффициент концентрации поля гелиостатов может быть вычислен с помощью следующего уравнения



где C_j - коэффициент концентрации полей гелиостатов, C_p - коэффициент концентрации отдельного составляющего параболического или сферического зеркала поля, h - фокусное расстояние поля гелиостата, а r - радиус поля. Вследствие эффектов затенения, даже когда солнце остается в зените, и поскольку площадь переориентированного солнечного излучения меньше отражательной площади гелиостатов, а совокупная площадь гелиостатов меньше общей площади поля гелиостатов, достижимая концентрация поля гелиостатов меньше концентрации параболоидного гелиоконцентратора и как правило не превышает 21%. Из приведенных выше уравнений очевидно, что, чем больше фокусное расстояние концентратора или, чем больше отношение h/r, тем выше достигаемая концентрация. Таким образом, для улучшения общей концентрации фокусное расстояние поля гелиостатов, которое фактически определяет высоту солнечной башни, должно быть как можно больше.

В энергетической гелиоустановке мощностью 100 МВт высота солнечной башни составляет 100 м и более. По этой причине, вспомогательный концентратор и связанный с ним центральный приемник солнечного излучения, а также некоторые компоненты систем преобразования энергии должны быть установлены на верхней части башни. Это требование вызывает необходимость решения трудных и дорогостоящих инженерных проблем, которые отягчаются проблемами затенения, возникающими вследствие того, что солнечное излучение достигает вспомогательного концентратора снизу. Фокусные расстояния гелиостатов часто превышают 300 м для солнечной области при высокой солнечной башне, что ведет к значительным аберрациям и потерям концентрации (L. L. Vant Hull, M.E.Izogon and C>L.Pitman, "Results of a heliostat field: receiver analysis for Solar Two", Proceedings of the ACME International Solar Energy Conference, Washington, D.C. , pp. 2243-2251, May 1993).

Суммируя сказанное выше, энергетические гелиоустановки высокой мощности, имеющие систему концентрации поля гелиостатов и центральный приемник солнечного излучения на верхней части высокой башни, необязательно в связи с вспомогательным концентратором, имеют серьезные проблемы, связанные с конструкцией и эффективностью функционирования главного концентратора.

Эти проблемы в прошлом уже были признаны и была сделана попытка решить их с помощью предложенной так называемой концепции "башенного зеркала" (A. Rabl, "Technical Note. Tower reflector for solar power pkant", Solar Energy, Vol. 18, pp. 269 - 271, 1976). В соответствии с этой концепцией энергетическая гелиоустановка, содержащая приемник солнечного излучения и поле гелиостатов, установленное на основной плоскости и имеющее фокальную точку, расположенную над указанной основной плоскостью, предусмотрена с добавочным плоским зеркалом Френеля, установленным на солнечной башне вблизи от фокальной точки, в соответствии с чем концентрированное излучение, отраженное добавочным зеркалом, переориентируют на приемник солнечного излучения, расположенный вблизи основной плоскости. Для улучшения концентрации излучения, достигаемой этой системой, используют пораболоторический фокон, устанавливаемый в окрестности приемника. Таким образом, из-за использования башенного зеркала приемник солнечного излучения и любое связанное оборудование могут быть установлены вблизи основной плоскости, а не на верхней части высокой башни.

Однако, как признано в работе А.Рабла, в связи с необходимостью избегать перегрева башенного зеркала, которое должно быть подвергнуто воздействию концентрированного солнечного излучения 100 солнц или даже более, существуют серьезные проблемы. При использовании зеркала обычной конструкции, основанной на применении металлических слоев, значительное количество этой энергии будет поглощено зеркалом, требующим интенсивного охлаждения, что очень затруднительно и обременительно при больших высотах башни. Для решения проблемы перегрева Рабл предлагает, чтобы элементы башенного зеркала Френеля были в форме прямоугольных призм с общим внутренним отражением. При такой конструкции башенное зеркало энергетической гелиоустановки будет иметь относительно большие размеры и очень большую массу. Кроме того, при башенном зеркале в форме плоского зеркала Френеля будут иметь место явления затенения и загораживания, вызывающие ухудшение главной концентрации, потери солнечного излучения и, следовательно, более низкую эффективность преобразования гелиоустановки. Наконец, стоимость такого устройства была бы непомерно высока. Все эти недостатки делают конструкцию, предложенную Раблом, не имеющей практического применения, и можно объяснить, почему до настоящего времени концепция башенного зеркала не нашла практического применения.

Целью настоящего изобретения является обеспечение высокоэффективной энергетической гелиоустановки, имеющей башенное зеркало, в которой отсутствуют указанные недостатки.

В описании настоящего изобретения и формуле изобретения термин "диэлектрическое зеркало" означает сложный корпус, имеющий прозрачную подложку, на которую нанесено множество относительно тонких слоев, сформированных из диэлектрических материалов, прозрачных по меньшей мере для части спектра, причем при освещении зеркала излучением ограниченного спектрального распределения, оно обеспечивает эффект интегрального отражения. Как правило, диэлектрическое зеркало функционирует как светоделитель, пропускающий по существу все неотраженное излучение. Требуемое количество неотраженной энергии может быть достигнуто путем правильного выбора индексов преломления материалов, толщин, числа и последовательности нанесения слоев. Для улучшения светоделения приходится существенно ограничивать распределение углов падения излучения.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения обеспечивается энергетическая гелиоустановка для преобразования солнечного излучения в полезную энергию, содержащая зеркало Френеля, состоящее из множества концентрирующих зеркал, установленных на основной плоскости и имеющих фокальную точку над указанной основной плоскостью, удаленную от зеркала Френеля на фокусное расстояние, по меньшей мере один приемник солнечного излучения, размещенный вблизи указанной основной плоскости, и добавочное зеркало, установленное над указанным зеркалом Френеля вблизи фокальной точки, в соответствии с чем концентрированное солнечное излучение, отраженное зеркалом Френеля, переориентируют в указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения, отличающаяся тем, что указанное добавочное зеркало выполнено в виде диэлектрического зеркала, в соответствии с чем избегают проблемы его перегрева.

Светоделительная способность диэлектрического зеркала делает его коэффициент поглощения пренебрежимо малой величиной и, следовательно, исключает необходимость охлаждающего устройства. Как указано выше, для обеспечения возможности применения диэлектрического зеркала пришлось ограничить спектральное распределение излучения. При использовании энергетической гелиоустановки настоящего изобретения это требование удовлетворено благодаря тому, что концентрирующие зеркала Френеля, используемые, как правило, в энергетических гелиоустановках такого типа, к которому относится настоящее изобретение, являются серебряными зеркалами, которые отсекают значительную коротковолновую часть солнечного излучения.

При необходимости может быть изготовлено диэлектрическое зеркало для обеспечения очень высокого по существу полного отражения излучения, причем все потери составляют потери при распространении. В альтернативном варианте диэлектрическое зеркало может быть предусмотрено с металлическим задним покрытием. В этом случае слои диэлектрического зеркала предназначены для обеспечения отражения большей части излучения, которая будет поглощена этим металлическим покрытием.

В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения диэлектрическое зеркало является неплоским зеркалом, в котором каждый сектор подвержен действию ограниченного диапазона углов. Таким образом, обеспечивается ограниченное распределение углов падения излучения, в соответствии с чем увеличивается эффективность зеркала. Предпочтительно, чтобы зеркало было выпуклым зеркалом, установленным перед фокальной точкой. Однако оно может быть вогнутым так, чтобы быть устанавливаемым за фокальной точкой.

Использование добавочного зеркала в виде диэлектрического зеркала позволяет обеспечить конструкцию, соответствующую специальным потребностям. Таким образом, зеркало может иметь цветное покрытие или цветное покрытие избирательного диапазона, например, полосы пропускания.

Добавочное зеркало может быть сделано как одно целое или собрано из сегментов. Оно может быть также зеркалом типа зеркала Френеля.

В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения зеркало Френеля энергетической гелиоустановки имеет поле гелиостатов, причем по меньшей мере некоторые из концентрирующих зеркал следят за солнцем.

При необходимости установка, соответствующая настоящему изобретению, может содержать вспомогательный концентратор, расположенный между указанным добавочным зеркалом и указанным по меньшей мере одним приемником солнечного излучения.

Предпочтительно, чтобы вспомогательный концентратор был неформирующим изображения, например, пораболоторическим фоконом или простым концентратором краевых лучей, например, таким, как описан в работе Х.Рейса и Р.Винстона "Tailored edge-ray reflectors for illumination", I. Opt. Soc. Am., May 1993; в работе Дж. М. Гордона и Х.Рейса "Tailored Edge Ray Concentrators as ideal stages for Fresnel reflectors", Applied Optics, Vol. 32, N 13, pp. 2243-2251, May 1993. В альтернативном варианте вспомогательный концентратор может быть формирующим изображение.

Предпочтительно, чтобы основная плоскость, на которой расположено поле гелиостатов, было наклонено относительно горизонтали, в соответствии с чем уменьшается угол, который падающее солнечное излучение образует с нормалью к основной поверхности.

При необходимости приемник может быть расположен на некотором расстоянии от зеркала Френеля, а добавочное зеркало в этом случае должно быть отклонено для переориентации излучения на приемник.

При необходимости указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения в установке, соответствующей настоящему изобретению, может быть связан с тепловым двигателем и с электрогенератором, в соответствии с чем эта установка становится гелиоэлектрической станцией. В том случае, если требуется аккумулирование энергии, приемник, соответствующий настоящему изобретению, может быть связан с соответствующей аккумулирующей системой, например, с баком теплового аккумулятора. При необходимости приемник солнечного излучения может быть в виде бака теплового аккумулятора. Таким образом, отпадает необходимость в дорогих и энергоемких коммуникационных системах, которые потребовались бы, если бы центральный приемник солнечного излучения был установлен на башне.

В альтернативном варианте указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения может быть связан со средством для отвода полезного тепла; или быть сконструирован как химический реактор, как фотоэлектрическая система, как лазерное устройство с накачкой концентрированным солнечным излучением и так далее.

В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения отношение расстояния добавочного зеркала от указанной фокальной точки к фокусным расстояниям поля гелиостатов находится в диапазоне от приблизительно 1 : 5 до примерно 1 : 10.

Предпочтительно, чтобы отношение диаметров добавочного зеркала и поля гелиостатов составляло приблизительно 1 : 10.

В установке, соответствующей настоящему изобретению, может быть использовано более одного приемника. Например, добавочный приемник солнечного излучения может быть расположен за указанным добавочным зеркалом в области фокальной точки поля гелиостатов.

Установка, соответствующая настоящему изобретению, при необходимости может содержать по меньшей мере одно дополнительное зеркало, размещенное между указанным добавочным зеркалом и по меньшей мере одним из указанных приемников солнечного излучения. Дополнительное зеркало может быть светоделителем или быть изготовленным так, чтобы быть цветоизбирательным. Дополнительное цветоизбирательное зеркало может обеспечивать различные полосы пропускания для различных приемников солнечного излучения.

По этой причине может быть сделан вывод, что вследствие того, что добавочное зеркало, соответствующее настоящему изобретению, выполнено в виде многослойной структуры, оно может иметь большое множество признаков, обеспечивающих возможность преобразования большей части солнечного излучения, падающего на зеркало, в полезную энергию и в соответствии с этим увеличивать эффективность энергетической гелиоустановки.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается энергетическая гелиоустановка для преобразования солнечного излучения, содержащая рабочую жидкость для отвода поглощенного тепла; зеркало Френеля, состоящее из множества концентрирующих зеркал, установленных на основной плоскости и имеющих фокальную точку над указанной основной плоскостью, удаленную от зеркала Френеля на фокусное расстояние; по меньшей мере один узел приемника солнечного излучения, расположенный вблизи указанной основной плоскости и удерживающий указанную рабочую жидкость и добавочное зеркало, установленное над указанным зеркалом Френеля вблизи указанной фокальной точки, в соответствии с чем концентрированное солнечное излучение, отраженное зеркалом Френеля, переориентируют на указанный по меньшей мере один узел приемника солнечного излучения, отличающаяся тем, что содержит в промежутке между указанным добавочным зеркалом и указанным по меньшей мере одним приемником солнечного излучения множество не формирующих изображения вспомогательных концентраторов, расположенных в концентрических зонах, причем каждый вспомогательный концентратор связан со специальной апертурой в указанном узле приемника, в соответствии с чем внутри приемника образуются концентрические зоны различных температур, и рабочая жидкость постепенно нагревается при прохождении от самой дальней зоны, имеющей наименьшую температуру к самой внутренней зоне, имеющей самую высокую температуру.

В одном варианте воплощения узел приемника содержит множество модулей приемника, причем каждый имеет одну апертуру.

В другом варианте воплощения узел приемника содержит один общий модуль с множеством апертур.

В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения обеспечивается энергетическая гелиоустановка, содержащая зеркало Френеля в виде поля гелиостатов, установленных на основной плоскости и имеющих фокальную точку над указанной плоскостью, удаленную от зеркала Френеля на фокусное расстояние; по меньшей мере один приемник солнечного излучения, расположенный вблизи указанной основной плоскости, и добавочное зеркало, установленное на башне вблизи указанной фокальной точки, в соответствии с чем концентрированное солнечное излучение, отраженное зеркалом Френеля, переориентируется на указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения, отличающаяся тем, что установка содержит средство текущего контроля смещения указанного дополнительного зеркала, которое может быть в виде лазерного сканирующего устройства или телевизионной системы формирования (сигналов) изображения, и средство для динамической регулировки гелиостатов, чтобы следить за смещением зеркала, в соответствии с чем предотвращают любое ухудшение функционирования установки вследствие смещения зеркала.

В соответствии с другим дополнительным вариантом воплощения настоящего изобретения обеспечивается энергетическая гелиоустановка для преобразования солнечного излучения в тепло, содержащая зеркало Френеля, состоящее из множества концентрирующих зеркал, установленных на основной плоскости и имеющих фокальную точку над указанной основной плоскостью, удаленную от зеркала Френеля на фокусное расстояние; по меньшей мере один приемник солнечного излучения, расположенный вблизи указанной основной плоскости, и дополнительное зеркало, установленное над указанным зеркалом Френеля вблизи указанной фокальной точки, в соответствии с чем концентрированное солнечное излучение, отраженное зеркалом Френеля, переориентируют на указанный по меньшей мере один приемник солнечного излучения, отличащаяся тем, что указанный приемник непосредственно присоединен к устройству теплового аккумулятора.

Для более хорошего понимания настоящее изобретение далее будет описано (только с целью пояснения) со ссылкой на сопроводительные чертежи, где

фиг. 1 - схематическая иллюстрация сечения обычной энергетической гелиоустановки с центральным приемником солнечного излучения;

фиг. 2 - схематическая иллюстрация одного варианта воплощения гелиоустановки, соответствующей настоящему изобретению;

фиг. 3 - схематическая иллюстрация другого варианта воплощения гелиоустановки, соответствующей настоящему изобретению;

фиг. 4 - схематическая иллюстрация еще одного варианта воплощения гелиоустановки, соответствующей настоящему изобретению; и

фиг. 5 - схематическая иллюстрация дополнительного варианта воплощения гелиоустановки, соответствующей настоящему изобретению;

На фиг. 1 показан предшествующий уровень техники преобразования солнечного излучения в полезную энергию, в котором центральный приемник солнечного излучения установлен в верхней части солнечной башни.

Как показано, поле 1 гелиостатов, содержащее множество зеркал 2, которые могут быть, например, в виде параболических зеркал, отражает концентрированное солнечное излучение к приемнику 3 солнечного излучения, установленного в фокальной области поля 1 гелиостатов в верней части башни 4. Приемник 3 солнечного излучения, как правило, связан с вспомогательным концентратором и с оборудованием для извлечения полезного тепла, генерируемого в приемнике, или для другого применения концентрированного излучения.

На фиг. 2 показан один вариант воплощения гелиоустановки, соответствующей настоящему изобретению. Как показано, поле 6 гелиостатов, состоящее из множества концентрирующих зеркал 7, например, параболических зеркал, установлено в основной плоскости 8. Фокальная точка поля гелиостатов указана ссылочным номером 9.

Приемник 11 солнечного излучения установлен немного выше основной плоскости 8 ниже фокальной точки 9, так что его ось совпадает с осью симметрии 10 гелиоустановки. Выше приемника 11 и немного ниже фокальной точки 9 установлено добавочное зеркало 12. Предпочтительно, чтобы отношение расстояния добавочного зеркала 12 от фокальной точки 9 к фокусному расстоянию поля гелиостатов составляло от 1:5 до 1:10.

Добавочное зеркало 12 предпочтительно является выпуклым зеркалом, в частности гиперболическим зеркалом, имеющим диаметр, составляющий приблизительно 10%, а площадь - примерно 1% поля гелиостатов. В альтернативном варианте добавочное зеркало 12 может быть установлено за фокальной точкой 9 и может быть вогнутым. Добавочное зеркало может быть выполнено в виде одного элемента или быть собрано из сегментов. Оно может быть также зеркалом Френеля.

Как показано, падающее солнечное излучение 13 концентрируют с помощью поля 6 гелиостатов в направлении фокальной очки 9 и отражают посредством добавочного зеркала 12 так, чтобы переориентировать на приемник 11 солнечного излучения.

Как будет описано подробно далее, добавочное зеркало, соответствующее настоящему изобретению, выполнено в виде диэлектрического зеркала, сконструированного таким образом, чтобы его поглощение излучения было пренебрежимо мало, давая возможность зеркалу подвергаться воздействию высококонцентрированного излучения, отраженного полем гелиостатов.

Вариант воплощения, показанный на фиг. 3, аналогичен варианту воплощения, иллюстрируемому на фиг. 2, и в этом случае содержит поле 14 гелиостатов, установленное на основной плоскости 15 и содержащее множество концентрирующих зеркал 16, например, параболических зеркал.

Поле 14 гелиостатов имеет фокальную точку 17, расположенную на оси симметрии 18.

Немного выше основной плоскости 15 расположен узел 19, содержащий вспомогательный концентратор 20 и приемник 21 солнечного излучения. В промежутке между вспомогательным концентратором 20 и фокальной точкой 17 вблизи последней установлено добавочное зеркало 22, которое переориентирует концентрированное солнечное излучение, приходящее от поля 14 гелиостатов на вспомогательный концентратор 20, который, в свою очередь, направляет дополнительно сконцентрированное солнечное излучение на приемник 21 солнечного излучения. Падающее солнечное излучение указано ссылочным номером 23.

Необходимо отметить, что поле гелиостатов может быть установлено на основной плоскости, наклоненной в направлении к падающему солнечному излучению так, чтобы уменьшить угол, который последнее образует с нормалью к основной плоскости. Кроме того, в случае наклонной основной плоскости сами отдельные гелиостаты могут быть уменьшены, в соответствии с чем уменьшают затенение и абберации.

В вариантах воплощения, показанных на фиг. 2 и фиг. 3, добавочное зеркало и приемник солнечного излучения, а в случае варианта воплощения, показанного на фиг. 3, также вспомогательный концентратор установлен симметрично относительно поля гелиостатов. На фиг. 4 схематически иллюстрируется другой вариант воплощения, в котором добавочное зеркало и приемник установлены асимметрично. Как показано, поле 25 гелиостатов, содержащее множество концентрирующих зеркал 26, например, параболических зеркал, установлено на основной плоскости 27, причем конструкция поля гелиостатов такова, что фокальная точка 28 расположена не в центре, а так, как показано, и, следовательно, приемник 31 солнечного излучения также расположен не в центре. Добавочное зеркало 30, например, в виде сегмента гиперболоида со смещенной осью, установлено так, как показано, смещенным от вертикали, которая ведет от фокальной точки 28 к вспомогательнмоу концентратору 29 и соответствующему приемнику 31 солнечного излучения.

Асимметричное устройство, показанное на фиг. 4, имеет то преимущество, что оно дает возможность устанавливать зеркала 26 поля 25 гелиостатов так, чтобы оси зеркал были ориентированы в направлении к солнцу, и солнечное излучение падало на эти зеркала по существу перпендикулярно к поверхности. Размеры конструкции, на которой установлены вспомогательный концентратор 29 и приемник 31 солнечного излучения, в этом случае увеличены по сравнению с размерами вариантов воплощения, показанными на фиг. 2 и 3, вследствие увеличения фокусных расстояний. Ниже в качестве примера приведены возможные размеры устройства.

Радиус поля гелиостатов - 100 м

Фокусные расстояния - приблизительно 100м

Радиус зеркала 30 - 10 м

Расстояние зеркала 30 от фокальной точки 28 - 9 м

Расстояние между зеркалом 30 и основной плоскостью 27 - 66 м

Расстояние вспомогательного концентратора 29 от основной плоскости - 25 м

Максимальный размер изображения солнца, которое будет сформировано вокруг фокальной точки 28 полем 25 гелиостатов при отсутствии добавочного зеркала 30, составит 2,5 м, в то время как размер изображения, фактически получаемого с помощью добавочного зеркала 30, составляет 5,2 м, то есть более чем в два раза больше. С помощью вспомогательного концентратора 29 это изображение затем уменьшают до размера приблизительно 1 м.

При необходимости соответствующая настоящему изобретению энергетическая гелиоустановка может иметь размеры, которые больше размеров указанных в приведенном выше примере. Таким образом, радиус добавочного зеркала может составлять даже приблизительно 25 м. Однако, если такое большое зеркало устанавливают на высокой солнечной башне (100 м и более), оно без сомнения будет подвержено воздействию олень больших ветровых нагрузок, которые могут вызвать сильное раскачивание башни, приводящее к значительным смещениям зеркала относительно поля гелиостатов. Чтобы избежать ухудшения концентрации и потерь излучения, энергетическую гелиоустановку предусматривают со средствами для текущего контроля и измерения этих смещений и для динамической регулировки точки визирования гелиостатов так, чтобы достигнуть существенной компенсации этих смещений. Средство текущего контроля может быть в виде лазерного сканера или телевизионной системы формирования (сигналов) изображения.

В варианте воплощения, показанном на фиг. 5, приемник 32 солнечного излучения находится на значительном расстоянии от поля 33 гелиостатов, а добавочное зеркало 34 отклонено так, чтобы переориентировать излучение к указанному удаленному приемнику 32. Этот вариант воплощения может быть особенно полезным в том случае, если гелиоустановка, связанная с приемником 32, должна быть расположена в удаленном месте, где используют эту энергию.

Как уже было указано в отношении добавочного зеркала, например, зеркала 12, показанного на фиг. 2, зеркала 22, показанного на фиг. 3, зеркала 30, показанного на фиг. 4, и зеркала 34, показанного на фиг. 5, что в соответствии с настоящим изобретением его используют в виде диэлектрического зеркала. Это зеркало, как правило, имеет такую конструкцию, чтобы излучение, которое не отражается зеркалом, проходило через него. Правильным выбором материала, толщины, числа и последовательности нанесения слоев, который, как правило, делают с помощью компьютера, зеркало может быть обеспечено требуемой степенью отражения и множеством характерных свойств. Таким образом, зеркало предпочтительно выполняют в виде подложки, изготовленной из прозрачного материала (например, стекла или кварца), покрытой множеством прозрачных тонких слоев, составляющих покрытие, обладающее высокой отражательной способностью. В этом случае зеркало функционирует как светоделитель. Тепло излучения, прошедшего через добавочное зеркало может быть отведено и использовано для нагрева рабочей жидкости. В этом случае часть уловленного излучения, которая проходит через дополнительное зеркало, может быть использована для технологических процессов, в которых используют излучение низкой концентрации. В альтернативном варианте добавочное зеркало может быть по существу отражательным, так что все потери будут потерями при распространении или оно может содержать заднее металлическое покрытие с отражательной способностью, усиленной сочетанием диэлектрических слоев, причем в этом случае избегают необходимости принудительного охлаждения и естественной конвекции воздуха может оказаться достаточно.

Диэлектрическому зеркалу может быть придано несколько характерных признаков с тем, чтобы оно одновременно могло служить для нескольких целей. При необходимости зеркало может быть сделано избирательным и предназначенным для отражения, например, только коротковолнового или в другом варианте длинноволнового излучения. Коротковолновое излучение может быть использовано в процессах квантовой конверсии, а длинноволновое излучение может быть использовано в процессах тепловой конверсии. В случаях, если излучение преобразуют непосредственно в полезную энергию, то предпочтительно использовать для такого преобразования только ту фракцию солнечного спектра, которая эффективна для указанной конверсии, и удалить или лучше использовать остальное излучение для других целей. Типовыми примерами такого прямого преобразования являются фотоэлектрические системы для прямого производства электричества, лазеры с солнечной накачкой для прямого формирования лазерного луча, фотохимические реакторы и так далее.

Для оптимизации эффективности преобразования во многих случаях применения предпочтительно использовать цветоизбирательное добавочное зеркало полосно-пропускающего типа, то есть способное отбирать специфические спектральные полосы концентрированного солнечного излучения, которые могут быть выбраны так, чтобы увеличить эффективность преобразования солнечного излучения. Например, в фотоэлектрических системах эффективность преобразования более 30% может быть достигнута отбором концентрированного солнечного излучения полосы пропускания 0,4 - 0,9 мкм. В другом примере, где концентрированное солнечное излучение используют для оптической накачки лазерных устройство, предпочтительно отбирать полосу пропускания солнечного спектра, которая соответствует длине волны поглощения, которая в случае лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом составляет 0,7-0,9 мкм.

При необходимости в гелиоустановке, соответствующей настоящему изобретению, может быть использовано более одного приемника. В случае добавочного зеркала, являющегося зеркалом типа светоделителя, в области фокальной точки для гелиостатов за светоделителем, имеющем средства для преобразования пропускаемой части концентрированного излучения в полезное тепло, электричество, системы теплового аккумулятора и так далее, может быть установлен добавочный вспомогательный концентратор и/или приемник.

Дополнительные зеркала могут быть расположены между добавочным зеркалом и любым из приемников так, чтобы обеспечить многоступенчатое светоделение, выбор спектральных полос и так далее, что может быть особенно полезно при большом поле гелиостатов.

Необходимо отметить, что световое распределение изображения, полученного в фокальной точке системы, не является гомогенным, имеющим максимум в центре изображения и медленно уменьшающимся к краям. Это явление может быть использовано в термодинамических циклах, где рабочую жидкость постепенно нагревают от низкой температуры до максимальной температуры. В этом случае вспомогательный концентратор, например, концентратор 20, показанный на фиг. 3, и концентратор 29, показанный на фиг. 4, может содержать множество неформирующих изображения концентраторов, расположенных в концентрических зонах. В этом случае приемник 11, 21 или 31 имеет множество апертур или лучше сформирован как узел, состоящий из множества приемников, причем каждый приемник имеет одну апертуру. Каждый концентратор соединен с соответствующей апертурой. Рабочая жидкость постепенно нагревается благодаря прохождению от наружных зон, имеющих наименьшую температуру, к внутренним зонам, имеющим наибольшую температуру.

Настоящее изобретение может быть использовано для эффективной передачи потоков высокой мощности (отдельно или одновременно) различными приемникам, например, лазерам, фотоэлектрическим системам, полупроводниковым устройствам, флюоресцирующим устройствам, химическим реакторам, теплообменникам, тепловым двигателям и так далее.

Настоящее изобретение особенно предпочтительно использовать с системами теплового аккумулятора, которые по своей природе должны быть установлены на уровне грунта. В этом случае, приемник энергетической гелиоустановки непосредственно соединен с системой теплового аккумулятора, исключая какую-либо потребность в устройствах для теплопередачи.