концентратор солнечной энергии

Формула изобретения

Концентратор солнечной энергии, содержащий усеченный конус с острым углом раскрытия, обращенным в сторону поступающего солнечного излучения, с присоединенным к его усеченной части абсорбером-преобразователем солнечной энергии в тепловую, отличающийся тем, что подсоединенный к усеченной части конуса абсорбер-преобразователь состоит из кольцевых замкнутых емкостей, расположенных концентрично по отношению к оси усеченного конуса и соединенных между собой трубопроводами, а наружная кольцевая замкнутая емкость снабжена еще входным и выходным патрубками, при этом входная часть абсорбера-преобразователя, присоединенная к усеченному конусу, закрыта прозрачным покрытием, а противоположная часть его закрыта плоской емкостью, подсоединенной соединительными патрубками к входному и выходному патрубкам наружной кольцевой замкнутой емкости с возможностью заполнения всех полостей емкостей теплоносителем, а вся наружная поверхность абсорбера-преобразователя покрыта теплоизолирующим материалом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гелиотехнике, а именно к области концентраторов солнечной энергии, предназначенных для нагревания воды и других теплоносителей в системах отопления и теплоснабжения.

Известен концентратор солнечной энергии, содержащий первичный концентратор в виде параболического зеркала, направляющего лучи на вторичный концентратор, состоящий из усеченных конусов, концентрически размещенных по оси концентратора. Внешняя и внутренняя поверхности конусов выполнены зеркальными. К усеченной части конусов вторичного концентратора присоединен приемник солнечной энергии - абсорбер, в котором энергия потока солнечной радиации преобразуется в тепловую.

Достоинство данного концентратора состоит в том, что он концентрирует в абсорбере - поток солнечной энергии большой плотности, что позволяет внутри абсорбера достичь высокой температуры и, следовательно, нагреть теплоноситель до высокой температуры (См. патент Российской Федерации №2027120, F 24 J 2/18).

Недостатком данного концентратора является то, что абсорбер имеет внутри малую площадь поверхности теплообмена, которую омывает нагреваемый теплоноситель. В результате этого теплота, выделяющаяся на внутренних стенках абсорбера, недоиспользуется и вместе с выходящим из него нагретым воздухом в виде конвективного потока рассеивается. При малой поверхности теплообмена температурный напор между ней и нагреваемым теплоносителем ввиду его нагрева будет меньше, чем он мог бы быть при развитой поверхности теплообмена, и конвективный теплообмен осуществляется не интенсивно.

Принудительное увеличение скорости движения теплоносителя в приемнике-абсорбере частично устраняет этот недостаток, но требует применения насоса с электромотором, то есть дополнительного расходования электроэнергии и материальных средств.

Аналогичный принцип концентрации солнечной энергии и ее преобразования в тепловую заложен в конструкцию солнечного коллектора с пирамидальной отражающей поверхностью ячейки и поглотителем солнечной радиации в виде гофрированной пластины (См. патент Российской Федерации №1605109, F 24 J 2/16).

Недостаток данного коллектора состоит в том, что концентрация солнечного излучения происходит только частично за счет угла раскрытия боковых отражающих поверхностей. Поскольку по активной площади гофрированной пластины солнечная энергия распределяется по локальным точкам, плотность солнечной радиации в среднем остается без изменения. Учитывая это, можно считать, что эффективность концентратора будет не повышаться, а понижаться. Конструкция сложна в изготовлении. Потери энергии излучением в ней будут велики.

В другом солнечном коллекторе с поглощающим днищем в виде пластины с отверстиями, выполненными в форме усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к камере, и теплоприемником в форме неполной сферы концентрации солнечной энергии не происходит, а только увеличивается площадь поглощающей поверхности за счет облучения противоположной поверхности поглощающей пластины отраженными лучами от зеркальной поверхности нижней части прозрачной трубы, в которой она размещена.

При этом часть энергии теряется при отражении луча. В конусные отверстия попадает только незначительная часть солнечной радиации и эффект концентрации соответственно будет мал. Это позволяет сделать вывод о том, что увеличение количества отражений лучей приводит к потере солнечной энергии за счет ее частичного поглощения отражающими поверхностями. Концентрация энергии в конусных отверстиях и полусферических камерах эффекта не дает, поскольку они все омываются теплоносителем в общем потоке и увеличение КПД использования солнечной энергии будет незначительным (См. патент Российской Федерации №1622733, F 24 J 2/28).

Общим недостатком указанных концентраторов солнечной энергии является незначительная концентрация энергии и малая площадь конвективной поверхности в абсорбере.

Наиболее близким устройством к заявленному является солнечный коллектор, содержащий концентратор в виде усеченного конуса с острым углом раскрытия, обращенным в сторону поступающего солнечного излучения, с присоединенным к его усеченной части абсорбером-преобразователем солнечной энергии в тепловую, выполненный в виде замкнутой полости (См. патент Российской Федерации №1613819, F 24 J 2/10).

Недостатком данного солнечного коллектора является то, что теплоприемник имеет малую поверхность конвективного теплообмена, омываемую теплоносителем, в результате чего теплота недостаточно отводится от стенок теплоприемника. В результате этого в замкнутой полости повышается температура и нагревается воздух, который через входное малое отверстие конуса уходит в окружающее пространство.

Целью изобретения является:

- повышение использования потока солнечной энергии концентратором.

Указанная цель достигается тем, что концентратор солнечной энергии, содержащий усеченный конус с острым углом раскрытия, обращенным в сторону поступающего солнечного излучения, с присоединенным к его усеченной части абсорбером-преобразователем солнечной энергии в тепловую, при этом подсоединенный к усеченной части конуса абсорбер-преобразователь состоит из кольцевых замкнутых емкостей, расположенных концентрично по отношению к оси усеченного конуса и соединенных между собой трубопроводами, а наружная кольцевая замкнутая емкость снабжена еще входным и выходным патрубками, при этом входная часть абсорбера-преобразователя, присоединенная к усеченному конусу, закрыта прозрачным покрытием, а противоположная часть его закрыта плоской емкостью, подсоединенной соединительными патрубками к входному и выходному патрубкам наружной кольцевой замкнутой емкости с возможностью заполнения всех полостей емкостей теплоносителем, а вся наружная поверхность абсорбера-преобразователя покрыта теплоизолирующим материалом.

Предлагаемый концентратор представлен на фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 изображен продольный разрез концентратора. На фиг.2 изображен поперечный разрез абсорбера-преобразователя. На фиг.3 изображен абсорбер-преобразователь в аксонометрической проекции с разрезом по осям.

Концентратор состоит из усеченного конуса 1 с острым углом раскрытия, обращенным в сторону поступающего солнечного излучения и подсоединенного к его усеченной части абсорбера-преобразователя 2, содержащего кольцевые замкнутые емкости 3, расположенные концентрично по отношению к оси усеченного конуса, соединенные между собой трубопроводами 4, а крайняя кольцевая замкнутая емкость 3 снабжена еще входным 5 и выходным 6 патрубками. С другой стороны абсорбер-преобразователь 2 закрыт плоской емкостью 7, подсоединенной соединительными 8 и 9 патрубками к патрубкам 5 и 6. Входная часть абсорбера-преобразователя 2 со стороны усеченного конуса 1 закрыта прозрачным покрытием 10, а вся его наружная поверхность покрыта теплоизолирующим материалом 11, причем абсорбер-преобразователь выполнен с возможностью заполнения всех полостей емкостей 3,7 теплоносителем 12.

Работает концентратор солнечной энергии следующим образом. Солнечные лучи, попадая в апертуру конуса 1 концентратора, после переотражения от его стенок, проходят через прозрачное покрытие 10, попадают на стенки кольцевых замкнутых емкостей 3 абсорбера-преобразователя 2, поглощаются ими и преобразуются в тепловую энергию, которая передается циркулирующему по всем полостям теплоносителю 12, нагревая его. Теплоноситель 12, поступая через входной патрубок 5, движется по внутренним полостям кольцевых замкнутых емкостей 3, соединенные между собой трубопроводами 4 и полости плоской емкости 7, в которую он попадает через патрубок 8 и уходит через соединительный патрубок 9. Нагретый теплоноситель уходит через выходной патрубок 6. Прямые солнечные лучи, которые не попадают на стенки конуса 1, проходят прямо через прозрачное покрытие 10 и попадают на поверхность стенки плоской емкости 7, где они поглощаются, преобразуются в теплоту, которая нагревает циркулирующий теплоноситель 12. Для уменьшения тепловых потерь вся наружная поверхность абсорбера-преобразователя 2 покрыта теплоизолирующим материалом 11.

Преимущество заявленного концентратора перед прототипом состоит в следующем:

- абсорбер-преобразователь имеет значительно большую поверхность конвективного теплообмена с теплоносителем, а следовательно, будет больше отводиться теплоты теплоносителем, стенки кольцевых емкостей будут охлаждаться сильнее до более низкой температуры;

- в результате снижения температуры стенок кольцевых емкостей воздух, находящийся в кольцевом пространстве между емкостями, будет нагреваться меньше, что снизит тепловые потери теплопроводностью через прозрачное покрытие;

-наличие прозрачного покрытия устраняет тепловые потери конвективным способом;

- при попадании луча на поверхность кольцевой емкости большая его часть поглотится стенкой, а некоторая часть отразится от нее и попадет на стенку, расположенную напротив, где также будет разделена на поглощенную и отраженную часть. А поскольку отраженные лучи попадают на стенки, параллельные под некоторым углом, то следуя закону отражения, все они будут отражаться вовнутрь абсорбера-преобразователя и поглотятся полностью;

- нагретая поверхность стенок кольцевых емкостей будет излучать со своей поверхности свою собственную энергию. Но поскольку поверхности всех кольцевых емкостей расположены параллельно друг другу, будет наблюдаться взаимное их облучение без потерь теплоты наружу. Это будет способствовать равномерности нагревания теплоносителя.

Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод о том, что по сравнению с прототипом и другими рассмотренными концентраторами, заявленный концентратор с кольцевыми емкостями, концентрично расположенными относительно оси конуса, имеет ряд существенных преимуществ, что влечет за собой значительное повышение коэффициента использования солнечной энергии.

Анализ известных технических решений в исследуемой области и в смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками заявленного устройства, выполняющего те же функции.

Экономическая эффективность от использования заявленного устройства заключается в том, что:

- повышается коэффициент использования солнечной энергии в концентраторе;

- снижаются теплопотери конвективным способом и теплопроводностью;

- повышается возможность нагрева теплоносителя до более высокой температуры;

- сравнительная простота конструкции абсорбера-преобразователя.