солнечная установка с концентратором
Классы МПК: | F24J2/14 полуцилиндрическими или цилиндро-параболическими |
Автор(ы): | Стребков Дмитрий Семенович (RU), Митина Ирина Валерьевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Академия Сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-12-25 публикация патента:
10.11.2008 |
Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных установок с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла. В солнечной установке с концентратором последний выполнен в виде осесимметричного кольцеобразного тороидального зеркального отражателя, у которого поперечное сечение образовано из двух сопряженных разновеликих четвертей окружностей радиуса R и r (R>r>0), оси ОО2 и O1O3 поперечного сечения тороидального отражателя удалены от оси симметрии на расстояние а=r, диаметр D концентратора равен D=2(r+R), цилиндрический приемник с радиусом основания b=r и высотой h R-r установлен осесимметрично в плоскости центров окружностей радиуса r, а геометрический коэффициент концентрации установки равен
где k - геометрический коэффициент концентрации;
R - больший радиус отражателя, равный радиусу большей четверти окружности, образующей профиль установки;
r - меньший радиус отражателя, равный радиусу меньшей четверти окружности, образующей профиль установки. В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается концентрация излучения на приемнике излучения, увеличивается апертурный угол концентратора, отсутствует необходимость слежения за солнцем. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.
Формула изобретения
1. Солнечная установка с концентратором, содержащая концентратор солнечной энергии и приемник в фокальной области, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в виде осесимметричного кольцеобразного тороидального зеркального отражателя, у которого поперечное сечение образовано из двух сопряженных разновеликих четвертей окружностей радиуса R и r (R>r>0), оси ОО2 и O1О3 поперечного сечения тороидального отражателя удалены от оси симметрии на расстояние а=r, диаметр D концентратора равен D=2(r+R), цилиндрический приемник с радиусом основания b=r и высотой h R-r установлен осесимметрично в плоскости центров окружностей радиуса r, а геометрический коэффициент концентрации установки равен
где k - геометрический коэффициент концентрации;
R - больший радиус отражателя, равный радиусу большей четверти окружности, образующей профиль установки;
r - меньший радиус отражателя, равный радиусу меньшей четверти окружности, образующей профиль установки.
2. Солнечная установка с концентратором по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрический приемник имеет просветляющее покрытие на нижнем основании и боковых стенках и помещен в прозрачный теплоизолированный корпус.
3. Солнечная установка с концентратором по п.1 или 2, отличающаяся тем, что приемник выполнен в виде котла для приготовления пищи и горячей воды.
4. Солнечная установка с концентратором по п.1 или 2, отличающаяся тем, что приемник выполнен в виде снеготопки.
5. Солнечная установка с концентратором по п.1 или 2, отличающаяся тем, что приемник выполнен в виде воскотопки.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных установок с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла.
Известна солнечная установка с концентратором, состоящая из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью, поперечное сечение концентратора выполнено по окружности радиуса r, и приемника излучения с двусторонней рабочей поверхностью, расположенного в плоскости радиуса r (патент Франции 2342558, опубл. 23.09.77, МКИ H01L 31/08 G02B 5/08). Солнечное излучение приходит на воспринимающую плоскость, на которой установлена часть приемника излучения, выполненная в виде солнечных элементов с двусторонней фоточувствительностью, часть солнечного излучения попадает непосредственно на лицевую сторону приемника излучения, расположенного на воспринимающей плоскости в пределах радиуса r. Через вторую часть воспринимающей плоскости, имеющей также размер r, излучение проходит на концентратор, отражается и попадает на тыльную сторону приемника излучения. Концентрация (геометрическая) излучения на солнечных элементах, равная площади воспринимающей плоскости (2r) к площади солнечных элементов (r), составляет в этом случае 2.
Недостатком известного решения является низкая концентрация излучения на солнечных элементах, которая в идеальном случае равна 2, а в реальных условиях с учетом отражения от цилиндрического концентратора составит 1,5-1,6, что приводит к незначительному изменению как стоимостных характеристик модуля (для фотоэлектрических модулей), так и теплотехнических параметров (для комбинированных модулей) для выработки электричества и тепла.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечная установка с концентратором, состоящая из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью и приемника излучения с двусторонней рабочей поверхностью, у которого поперечное сечение цилиндрического концентратора выполнено двумя радиусами, причем окружность радиуса r сопрягается с окружностью большого радиуса R в плоскости, на которой расположены центры обоих радиусов, перпендикулярной плоскости, воспринимающей излучение. Приемник излучения может быть расположен в плоскости радиуса r, совмещенной с плоскостью сопряжения окружностей с радиусами r и R (Пат. РФ №2191329, класс 7 F24J 2/14, 20.02.2001).
Недостатком известной солнечной установки является низкое значение апертурного угла, в пределах которого солнечный модуль концентрирует прямое и рассеянное солнечное излучение.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение концентрации излучения на приемнике излучения и увеличение апертурного угла.
В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается концентрация излучения на приемнике излучения, увеличивается апертурный угол концентратора, отсутствует необходимость слежения за солнцем.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечной установке с концентратором, содержащим зеркальные отражатели и приемник излучения в фокальной области, концентратор выполнен в виде осесимметричного кольцеобразного тороидального зеркального отражателя, у которого поперечное сечение образовано из двух сопряженных разновеликих четвертей окружностей радиуса R и r (R>r>0), оси ОО 2 и O1O3 поперечного сечения тороидального отражателя удалены от оси симметрии на расстояние a=r, диаметр D концентратора равен D=2(r+R), цилиндрический приемник с радиусом основания b=r и высотой h R-r установлен осесимметрично в плоскости центров окружностей радиуса r, а геометрический коэффициент концентрации установки равен
где k - геометрический коэффициент концентрации;
R - больший радиус отражателя, равный радиусу большей четверти окружности, образующей профиль установки;
r - меньший радиус отражателя, равный радиусу меньшей четверти окружности, образующей профиль установки.
Радиус r одной из разновеликих окружностей равен радиусу b основания приемника и равен расстоянию а оси поперечного сечения отражателя от оси симметрии.
Для повышения эффективности солнечной установки с концентратором цилиндрический приемник имеет просветляющее покрытие на нижнем основании и боковых стенках и помещен в прозрачный теплоизолированный корпус.
В солнечной установке с концентратором приемник выполнен в виде котла для приготовления пищи и горячей воды.
В солнечной установке с концентратором приемник выполнен в виде воскотопки.
В солнечной установке с концентратором приемник выполнен в виде снеготопки.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на которой представлена общая схема солнечной установки с концентратором.
Солнечная установка с концентратором содержит тороидальный зеркальный кольцеобразный отражатель 1 и цилиндрический приемник 2, поперечное сечение 3 тороидального зеркального отражателя 1 выполнено из двух сопряженных разновеликих четвертей окружностей 4 и 5 радиусов R и r (R>r>0). Оси поперечного сечения OO 2 и O1O3 тороидального зеркального отражателя совмещают с центрами 0 и 0 1 окружностей 4 радиуса R и центрами 02 и 03 окружностей 5 радиуса r. Оси симметрии OO2 и O1O 3 поперечного сечения тороидального отражателя удалены от оси симметрии 6 зеркального тороидального отражателя 1 на расстояние a=r. Нижнее основание 7 цилиндрического приемника 2 расположено в плоскости центров 02 и 03 окружности 5 радиуса r, перпендикулярной к оси симметрии 6.
Верхнее основание 8 цилиндрического приемника 2 расположено в плоскости центров 0 и 0 1 окружности 4 радиуса R, перпендикулярной оси симметрии 6. Приемник излучения 2 имеет просветляющее покрытие 9 на нижнем основании 7 и боковой цилиндрической поверхности 10 приемника.
Приемник излучения 2 помещен в прозрачный теплоизолированный корпус 11.
Приемник 2 имеет диаметр 7 основания d=2b=2r и высоту h=R-r.
Диаметр D тороидального отражателя 1 D=2(r+R), а высота Н отражателя равна R.
Геометрический коэффициент солнечной установки с концентратором равен
где Sk - площадь концентратора,
Sосн - площадь основания приемника,
Sбок - боковая площадь цилиндрического приемника, Sбок= dh=2 r(R-r);
При r 0 k
Функция имеет минимум при R=2r, k=3.
Зависимость концентрации k от имеет вид
1 | 1.86 | 2 | 4 | 5 | 7 | 7,5 | 8 | 10 | |
k | 4 | 3,06 | 3 | 4 | 5,16 |
R=0,309D, r=0,191D
При R=2r, k=3,
При R=7,5r, k=5,16,
Пример выполнения солнечной установки с концентратором (чертеж)
Тороидальный зеркальный отражатель имеет диаметр D=1,2 м.
При коэффициент концентрации k=4, r=0,1 м, R=0,5 м, h=0,4 м, Н=0,5 м. Площадь солнечной установки с концентратором:
Пиковая тепловая мощность солнечной установки при стандартных условиях: мощности Еc солнечного излучения 1 кВт/м и температуре 25°К составляет:
при оптическом КПД= опт=0,7
Ес =0,79128 кВт
Площадь приемника 2:
S пр=Sосн+Sбок =0,0314+0,2512=0,2826 м2
Плотность теплового потока на приемнике:
Равновесная температура приемника при геометрической концентрации k=4 составляет 200°С.
Преимуществом солнечной установки с концентратором является более высокая концентрация солнечного излучения по сравнению с известными установками, отсутствие необходимости слежения за солнцем и большой апертурный угол, равный 180°С.
Класс F24J2/14 полуцилиндрическими или цилиндро-параболическими