Солнечная энергетическая установка

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2303205

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения для выработки электроэнергии и высокопотенциального тепла на основе фотоэлектричества или динамических циклов преобразования.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известен солнечный модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридиальной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины параболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения параллельно ее основанию и совпадает с краем полосы приемника излучения (патент РФ №2172903 от 27.08.2001 г.).

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является то, что при стационарной установке модуль не работает при высоких азимутальных углах в утренние и вечерние часы. Для использования излучения Солнца в утренние и вечерние часы необходимо использовать систему слежения. При установке системы слежения концентратор начинает работать, когда Солнце отклоняется на 30° от оси Восток-Запад, что соответствует 8 часам работы в сутки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор энергии в виде призмы полного внутреннего отражения, имеющей рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, тыльную зеркальную поверхность и боковую меньшую грань с установленными на последней скоммутированными фотопреобразователями, на рабочей поверхности призмы установлены в несколько рядов миниатюрные зеркальные экраны с двусторонней зеркальной поверхностью, плоскости которых ориентированы в направлении к грани призмы, содержащей фотопреобразователи (патент РФ №2133415 от 29.04.98).

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является неполный годовой режим работы стационарного фотоэлектрического модуля, а также высокая стоимость и точность изготовления зеркальных фоклинов в виде параболоцилиндра.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение времени работы стационарного концентратора как в суточном, так и в годовом режиме работы, повышение суммарной выработки электроэнергии в год и упрощение конструкции солнечных энергосистем (СЭС) за счет исключения из конструкции систем слежения.

В результате использования предлагаемого изобретения будет увеличена среднегодовая выработка энергии на 30-45%, что позволит снизить стоимость выработки энергии.

Предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность использования солнечной энергии и снизить стоимость получаемой электроэнергии и теплоты, а также создать эффективные гелиотехнические устройства, встроенные в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией, теплом, горячей водой, энергией для приготовления пищи и естественным солнечным освещением.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечной энергетической установке, содержащей стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с приемником, установленным в фокальной области, на входной поверхности миделя концентратора на общей раме по оси Восток-Запад размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, плоскости которых находятся под углом 120° друг к другу и установлены под углом μ=114°-φ+β к плоскости миделя, где  φ- географическая широта местоположения концентратора, β - склонение солнечных лучей.

Приемник излучения состоит из n секций, параллельно соединенных из скоммутированных солнечных элементов, длина каждой секции соизмерима с длиной пластины углового гелиостата.

В варианте солнечной энергетической установки, содержащей стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, в фокальной области которого установлен приемник излучения в виде полосы, на входной поверхности миделя концентратора на общей раме по оси Восток-Запад размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из параллельных, одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов, оптические оси которых наклонены под углом 120° друг к другу и установлены под углом μ=114°-φ+β к плоскости миделя, где φ - географическая широта местоположения концентратора, β склонение солнечных лучей, при этом вогнутая поверхность половинок фоклинов обращена к фотоприемнику. Фокус каждой половинки фоклина расположен под выпуклой поверхностью соседнего фоклина в непосредственной близости от края его выходного отверстия.

Приемник излучения состоит из n секций, параллельно соединенных из скоммутированных солнечных элементов, длина каждой секции соизмерима с длиной половинки фоклина углового гелиостата.

Конструкция солнечной установки и ее характеристики показаны на фиг.1, 2, 3, 4.

общий вид стационарной энергетической установки с концентратором и приемником излучения в виде полосы и системой угловых жалюзийных гелиостатов.

На фиг.1 представлен общий вид стационарной энергетической установки с концентратором и приемником излучения в виде полосы и системой угловых жалюзийных гелиостатов.

стационарная энергетическая установка с концентратором и приемником излучения в виде полосы и системой угловых жалюзийных гелиостатов, выполненных в виде жалюзи из параллельных, одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов.

На фиг.2 - стационарная энергетическая установка с концентратором и приемником излучения в виде полосы и системой угловых жалюзийных гелиостатов, выполненных в виде жалюзи из параллельных, одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов.

соотношение высоты гелиостата и расстояний между ними от минимальной высоты Солнца в определенный день.

На фиг.3 показано соотношение высоты гелиостата и расстояний между ними от минимальной высоты Солнца в определенный день.

экспериментальная зависимость выходной мощности солнечных модулей от азимутного угла отклонения Солнца.

На фиг.4 показана экспериментальная зависимость выходной мощности солнечных модулей от азимутного угла отклонения Солнца.

На фиг.1 стационарная солнечная энергетическая установка с параболоцилиндрическим концентратором 1, имеющим апертурный угол α, устанавливается под углом φ к горизонту по линии Восток-Запад и ориентирована на юг. Линейно-фокусирующий концентратор выполнен в виде несимметричного цилиндрического отражателя 2 и кругового цилиндрического отражателя 3, разделенных плоскостью симметрии 4, проходящих через вершину 5 и фокальную ось F параболоцилиндрического отражателя 2. Радиус R кругового цилиндрического отражателя 3 равен расстоянию f от фокальной оси F до вершины 5 параболоцилиндрического отражателя 2. Фокальная ось F совпадает с краем приемника 6, выполненного в виде полосы. На входной поверхности 7 миделя концентратора 1 на общей раме 8 размещается система гелиостатов 9 угловой формы, выполненных в виде жалюзи 10, пластины которых 11 находятся под углом 120° друг к другу. Угол наклона  пластин угловых жалюзийных гелиостатов к входной поверхности 7 миделя параболоцилиндрического концентратора 1 составляет μ=114°-φ+β к плоскости миделя, где φ - географическая широта местоположения концентратора, β - склонение солнечных лучей. Угол наклона  к горизонтальной поверхности 12 является широтой местности в месте установки.

На фиг.2 угловые жалюзийные гелиостаты (УЖГ) выполнены в виде жалюзи 10 из параллельных, одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов 13, оптические оси которых находятся под углом 120° друг к другу, вогнутая поверхность половинок фоклинов обращена к приемнику, а фокус каждой половинки фоклина расположен под выпуклой поверхностью соседнего фоклина в непосредственной близости от края его выходного отверстия.

На фиг.3 показано отношение высоты h гелиостата и расстояний l между ними от минимальной высоты Солнца  _min в определенный день l=h(sin45- _min), где h - высота крыла пластины УЖГ,  _min - минимальная высота Солнца в определенный день.

Экспериментальные данные и теоретические расчеты показали, что в результате использования предлагаемого солнечного модуля с системой угловых жалюзийных гелиостатов увеличивается продолжительность работы концентратора в суточном режиме (линия 2 на фиг.4) и выработка энергии будет увеличена в утренние и вечерние часы.

На фиг.4 показана зависимость выходной мощности солнечных модулей от азимутного угла отклонения Солнца. Линия 1 - режим работы солнечного модуля без системы жалюзийных гелиостатов. Линия 2 - с системой угловых жалюзийных гелиостатов.

Положительный эффект, т.е. увеличение работы стационарного концентратора, достигается за счет угловой формы жалюзийных гелиостатов. Крылья пластин жалюзи 1 друг к другу находятся под углом =120° и ориентированы на большие азимутные и малые высотные углы.

Для того чтобы стационарный параболоцилиндрический концентратор, установленный по линии Восток-Запад и ориентированный на юг, эффективно работал, необходимо, чтобы отраженные солнечные лучи попадали в апертурный угол   45°.

Солнечные лучи при минимальном высотном угле и при максимальном азимутальном угле не затеняют пластинами жалюзи, так как лучи проходят с востока (утром) или с запада (вечером), а при уменьшении азимутального угла увеличивается высотный угол. Высота и расстояние между пластинами УЖГ находятся в соотношении l=h(sin45- _min), где h - высота крыла пластины УЖГ,  _min - минимальная высота Солнца в определенный день.

Таким образом, солнечное излучение при минимальном зенитном и максимальном азимутальном угле попадает на приемник параболоцилиндрического стационарного концентратора.

Предлагаемый солнечный модуль со стационарным концентратором работает следующим образом

При отклонении Солнца от оси Восток-Запад на 30°, что соответствует 8-9 часам утра или 15-16 часам дня летом, осенью 7-8 или 16-17 часам, а зимой с момента восхода Солнца поток солнечных лучей проходит параллельно одной пластине и падает на вторую пластину УЖГ, где она за счет наклона и из-за углового эффекта УГЖ направляет солнечные лучи в область апертурного угла, т.е. на плоскость поверхности приемника. Угол наклона жалюзи  определяем для конкретного дня, а сам концентратор установлен под углом равным широте местности. При уменьшении азимутного угла увеличивается высотный угол, но поток солнечных лучей проходит не затеняясь жалюзийными гелиостатами из-за того, что концентратор стоит под определенным углом к горизонту. Таким образом, солнечный модуль эффективно работает весь световой день от 8 до 16 часов, т.е. 8 часов в суточном режиме.

Для увеличения годового режима устанавливаем УЖГ под двумя фиксированными углами к плоскости миделя  _{1, 2}= _max+23.4, где  _max - высота Солнца в день летнего солнцестояния, или день равноденствия.

Таким образом, стационарный солнечный концентратор работает круглогодично и полный световой день. Система угловых жалюзийных гелиостатов будет квазистационарной.

Применение системы угловых жалюзи позволяет увеличить время работы концентратора в суточном и годовом циклах. Стационарно установленный концентратор, даже с большим апертурным углом, не может работать весь световой день и обычно настраивается на полуденные высоты Солнца. Полуденная высота меняется вслед за склонением очень медленно, и концентратор может эффективно работать в околополуденные часы в течение нескольких месяцев подряд, затем прекращает свою работу из-за выхода падающих солнечных лучей за пределы апертурного угла  .

Для получения электроэнергии в качестве приемника солнечного модуля с концентратором с системой жалюзийных гелиостатов установлен модуль из скоммутированных солнечных элементов.

Для получения горячей воды приемник солнечного модуля с концентратором с системой жалюзийных гелиостатов выполнен в виде теплоизолированного бака-аккумулятора.

Для комбинированного получения электроэнергии и теплоты в качестве покрытия бака-аккумулятора, поглощающего солнечное излучение, установлена полоса из скоммутированных солнечных элементов.

Солнечная энергетическая установка, содержащая УЖГ, позволяет избавиться от громоздких и дорогостоящих систем слежения за солнцем или от шарнирных осей, установленных для поворота линейных жалюзийных гелиостатов для изменения азимутных и зенитных углов, что позволит упростить конструкцию и уменьшить затраты на изготовление СЭС; увеличить годовую выработку электроэнергии и тепла.

Предлагаемое устройство может быть реализовано как в системах комбинированного тепло- и электроснабжения, так и в качестве самостоятельного автономного устройства для выработки тепловой или электроэнергии.

Формула изобретения

1. Солнечная энергетическая установка, содержащая стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, приемник, установленный в фокальной области, отличающаяся тем, что на входной поверхности миделя концентратора на общей раме по оси Восток-Запад размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, плоскости которых находятся под углом 120° друг к другу и установлены под углом  μ=114°-φ+β к плоскости миделя, где  φ- географическая широта местоположения концентратора, β - склонение солнечных лучей.

2. Солнечная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что приемник излучения состоит из n секций, параллельно соединенных из скоммутированных солнечных элементов, длина каждой секции соизмерима с длиной пластины углового гелиостата.

3. Солнечная энергетическая установка, содержащая стационарный параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, в фокальной области которого установлен приемник излучения в виде полосы, отличающаяся тем, что на входной поверхности миделя концентратора на общей раме размещена система гелиостатов угловой формы, выполненных в виде жалюзи из параллельных одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов, оптические оси которых находятся под углом 120° друг к другу и установлены под углом μ=114°-φ+β к плоскости миделя, где  φ- географическая широта местоположения концентратора,  β- склонение солнечных лучей, при этом вогнутая поверхность половинок фоклинов обращена к фотоприемнику.

4. Солнечная энергетическая установка по п.3, отличающаяся тем, что приемник излучения состоит из n секций, параллельно соединенных из скоммутированных солнечных элементов, длина каждой секции соизмерима с длиной половинки фоклина углового гелиостата.

Имя изобретателя: Стребков Дмитрий Семенович (RU); Базарова Елена Геннадьевна (RU); Тарасов Всеволод Павлович (RU)
Имя патентообладателя: Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)
Почтовый адрес для переписки: 109456, Москва, 1-й Вешняковский пр-д, 2, ГНУ ВИЭСХ, О.В. Голубевой
Дата начала отсчета действия патента: 2006.03.24

Разместил статью: search
Дата публикации:  19-02-2007, 21:41

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Владимир Николаевич  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!