УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИЕЙ
FACILITY FOR CONTROL OF SOLAR ENERGY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области солнечных энергетических систем, в частности к управлению энергией, получаемой приемником солнечной энергии, таким как бойлер, печь и т.д.
Уровень техники
В последнее время имеет место значительное развитие в эффективном использовании солнечной энергии. Одна из типичных систем использует вогнутое зеркало, собирающее и фокусирующее солнечные лучи в конусообразный сфокусированный пучок солнечной энергии. Приемник солнечной энергии размещен вблизи вершины конуса и генерирует значительное тепло на необходимые нужды теплопотребления. Вогнутые зеркала обычно изготавливают из матрицы маленьких плоских зеркальных сегментов, расположенных на вогнутой раме для создания фокусирующего эффекта. Зеркала могут быть очень большими, в зависимости от потребления энергии приемником.
Такие солнечные системы обычно располагают в пустынных районах, где солнце светит постоянно, и тепло, генерируемое солнечным пучком, поступает практически постоянно. К потребителям или приемникам солнечной энергии относятся бойлеры, тепловые реакторы, двигатели Стирлинга и подобные устройства. Проблема таких систем состоит в управлении количеством тепловой энергии, получаемой потребителем. Например, двигатель Стирлинга не имеет управления, которое связано с дросселем и посредством которого энергия, подаваемая на двигатель, соответствовала бы нагрузке. При питании двигателя Стирлинга солнечной энергией от матрицы зеркал, солнечная энергия поступает, как правило, постоянно, и нагрузка должна поддерживаться на достаточном уровне, чтобы использовать всю солнечную энергию, поступающую от матрицы зеркал. Если нагрузка падает, то двигатель очень быстро перегревается и получает повреждение. Подобный перегрев и повреждение может случиться и с другими потребителями солнечной энергии.
Чтобы обеспечить некоторый уровень управления, на матрице зеркал можно установить плоские зеркальные сегменты, которые приводятся в движение исполнительным механизмом. Орган управления активирует приводной механизм и разворачивает зеркала для получения сфокусированного пучка солнечной энергии, имеющего коническую форму. Таким образом, можно регулировать количество энергии, получаемой приемником. В случае перегрева зеркальные сегменты выводятся из фокуса для уменьшения количества принимаемой солнечной энергии, например, при падении нагрузки двигателя Стирлинга. Такие системы также позволяют снижать скорость нагрева приемника постепенным введением плоских зеркальных сегментов в фокус, пока не будет достигнуто максимальное или требуемое получение энергии. Перемещаемые зеркальные сегменты, исполнительные механизмы и органы управления являются достаточно сложными, что в итоге делает солнечные системы такого типа чрезмерно дорогими в монтаже и обслуживании.
Также известно, что для предотвращения перегрева можно перекрыть пучок солнечной энергии, или его часть, путем смещения пластины в надлежащее положение. Такие пластины изготовлены из жаростойких материалов, чтобы противостоять интенсивному нагреву солнечной энергией, которые весьма хрупки и могут быть повреждены под внешним воздействием.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства управления солнечной энергией, устраняющего проблемы уровня техники.
Настоящее изобретение предлагает, в первом аспекте, затворное устройство для солнечной энергии, предназначенное для использования в системе собирания солнечной энергии, которая содержит солнечный концентратор, выполненный с возможностью направления сфокусированного пучка солнечной энергии на приемник солнечной энергии, и устанавливаемое между указанным концентратором и приемником для избирательной задержки части пучка солнечной энергии. Устройство содержит, по меньшей мере, одну затворную пластину, перемещаемую из открытого положения вблизи пучка солнечной энергии в закрытое положение, в котором, по меньшей мере, часть пучка солнечной энергии попадает на переднюю поверхность затворной пластины для предотвращения попадания на приемник. Предусмотрен контур охлаждения, выполненный с возможностью обеспечения циркуляции охлаждающей текучей среды для отвода тепла от затворной пластины. Предусмотрен привод затвора, выполненный с возможностью перемещения, по меньшей мере, одной затворной пластины из открытого положения в закрытое положение; и орган управления затвором, связанный с приводом затвора и выполненный с возможностью остановки перемещения затворной пластины в ряде позиций между открытым положением и закрытым положением.
Настоящее изобретение, во втором аспекте, предлагает систему собирания солнечной энергии, содержащую солнечный концентратор, выполненный с возможностью направления сфокусированного пучка солнечной энергии на приемник солнечной энергии. Затворная пластина установлена между указанным концентратором и приемником и перемещается из открытого положения вблизи пучка солнечной энергии в закрытое положение, в котором, по меньшей мере, часть пучка солнечной энергии попадает на переднюю поверхность затворной пластины для предотвращения попадания на приемник. Предусмотрен контур охлаждения, выполненный с возможностью обеспечения циркуляции охлаждающей текучей среды для отвода тепла от затворной пластины. Предусмотрен привод затвора, выполненный с возможностью перемещения, по меньшей мере, одной затворной пластины из открытого положения в закрытое положение; и орган управления затвором, связанный с приводом затвора и выполненный с возможностью остановки перемещения затворной пластины в ряде позиций между открытым положением и закрытым положением.
Настоящее изобретение обеспечивает устройство управления солнечной энергией, которое предотвращает попадание части сфокусированного пучка солнечной энергии на приемник. Устройство содержит затворную пластину, перемещаемую из открытого положения, в котором на приемник попадает весь пучок, в закрытое положение, в котором, по меньшей мере, часть пучка солнечной энергии блокируется и не попадает на приемник. Устройство может содержать одну или более затворных пластин, внутри каждой из которых выполнен охлаждающий канал, и источник охлаждающей текучей среды для циркуляции по каналу с целью отвода тепла от затворной пластины. Циркулирующая охлаждающая текучая среда отбирает значительное количество тепла, образующегося в затворной пластине, и рассеивает его в отдаленном от затворных пластин месте, например, через радиатор или подобное устройство.
Настоящее изобретение предлагает затворное устройство, устанавливаемое между солнечным концентратором, таким как сферическое зеркало, фокусирующее солнечные лучи в пучок солнечной энергии, и приемником солнечной энергии, ориентированным для приема сфокусированного пучка. Приемник обычно может быть реакционной камерой, двигателем Стирлинга или подобным устройством, а сферическое зеркало может быть образовано матрицей зеркальных сегментов.
В одном варианте затворное устройство содержит ряд затворных пластин, смонтированных с возможностью поворота на раме затвора, и орган управления затвором, выполненный с возможностью перемещения затворных пластин из открытого положения, в котором пучок солнечной энергии полностью попадает на приемник, в несколько частично закрытых положений, в которых переменные части пучка солнечной энергии блокируются и не попадают на приемник, а затем в закрытое положение, в котором пучок по существу блокирован. Каждая затворная пластина снабжена внутренним охлаждающим каналом, а источник охлаждающей текучей среды подключен к каждому такому каналу, так что охлаждающая текучая среда циркулирует по охлаждающим каналам, отбирая тепло от затворных пластин.
В другом варианте согласно настоящему изобретению затворное устройство содержит круговую затворную пластину, образующую центральную апертуру. Круговая затворная пластина включает один или более внутренних охлаждающих каналов, к которым подсоединен источник охлаждающей текучей среды, так что охлаждающая текучая среда циркулирует по охлаждающим каналам, отводя тепло от круговой затворной пластины. Круговая затворная пластина монтируется поперек пучка солнечной энергии. Когда эта пластина расположена ближе к приемнику, через центральную апертуру проходит весь пучок и попадает на приемник. Когда пластина отодвинута от приемника в сторону сферического зеркала, внешняя часть конического пучка солнечной энергии падает на круговую затворную пластину и не попадает на приемник. Благодаря конической форме пучка, круговая затворная пластина может быть достаточно широкой, так что, когда она удалена от приемника, большая часть пучка задерживается пластиной, и только малая часть проходит сквозь центральную апертуру и попадает на приемник. В этом варианте предусмотрено линейное управление затвором, которое заключается в регулировании расстояния между пластиной и приемником.
В качестве охлаждающей текучей среды лучше всего использовать смесь воды и гликоля, которая обычно используется в системах охлаждения двигателей. Эта смесь, прокачиваемая в больших объемах, имеет способность отводить большое количество тепла от затворных пластин, а также безопасна и удобна в обращении. Тем не менее, другие текучие среды, как жидкие, так и газообразные среды, также можно использовать в качестве охлаждающих сред.
Также возможна изоляция задней поверхности затворных пластин, или нанесение на нее отражающего покрытия. Тогда, во время облачной погоды или ночью затворные пластины можно закрыть, и тепло будет сохраняться в приемнике, а не излучаться через отверстие в затворном устройстве.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение охарактеризовано в формуле, а в детальном описании приведены предпочтительные варианты его осуществления, которые могут быть лучше поняты в связи с сопроводительными чертежами, где одинаковые элементы на каждом из нескольких чертежей обозначены одинаковыми позициями.
Фиг.1 представляет схематический вид сбоку затворного устройства согласно настоящему изобретению, установленного между солнечным концентратором, схематически изображенным в виде сферического зеркала, и приемником солнечной энергии, причем затворное устройство показано в открытом положении, в котором весь пучок солнечной энергии принимается приемником.
Фиг.2 представляет схематический вид сбоку варианта затворного устройства по фиг.1 с затворными пластинами, которые сдвинуты вместе в частично закрытое положение, в котором только часть пучка солнечной энергии принимается приемником.
Фиг.3 показывает схематический вид сбоку альтернативного варианта затворного устройства по фиг.1 с круговой затворной пластиной, причем затворное устройство показано сдвинутым в сторону солнечного концентратора в частично закрытое положение, в котором только часть пучка солнечной энергии принимается приемником.
Фиг.4 показывает вид сзади затворного устройства, включающего шарнирно установленные затворные пластины, используемые в варианте по фиг.2, причем затворные пластины находятся в открытом положении.
Фиг.5 показывает в перспективе вид спереди затворного устройства по фиг.4, причем затворные пластины находятся в открытом положении.
Фиг.6 показывает в перспективе вид сзади затворного устройства по фиг.4, причем затворные пластины находятся в частично закрытом положении.
Фиг.7 показывает в перспективе вид спереди затворного устройства по фиг.4, причем затворные пластины находятся в практически полностью закрытом положении, и также показывает экранирующую пластину, установленную для защиты механизма управления затвором.
Фиг.8 показывает схематически в перспективе вид сзади внутреннего охлаждающего канала в одной из затворных пластин.
Фиг.9 показывает вид спереди альтернативной круговой затворной пластины, которую можно использовать в затворном устройстве по фиг.3.
Фиг.10 схематически показывает работу затворного устройства.
Осуществление изобретения
Фиг.1 схематически иллюстрирует затворное устройство 2 согласно настоящему изобретению, установленное между солнечным концентратором, изображенным в виде сферического зеркала 4, и приемником 6 солнечной энергии, как известно из уровня техники. Сферическое зеркало 4 фокусирует солнечные лучи в конусообразный пучок 8 солнечной энергии, а приемник 6 расположен по существу в вершине конуса для приема пучка 8. Тепло, генерируемое пучком 8 в приемнике 6, может использоваться разными способами, как это хорошо известно из уровня техники.
На фиг.1 затворное устройство 2 показано в открытом положении, где весь пучок солнечной энергии проходит через него на приемник 6. Фиг.2 схематически иллюстрирует вариант затворного устройства 2, который имеет ряд подвижных затворных пластин, называемых далее шторками, преграждающих путь пучку 8 и препятствующих попаданию его переменных частей на приемник 6. Фиг.2 иллюстрирует затворное устройство 2 в частично закрытом положении, в котором только часть пучка 8 солнечной энергии попадает на приемник 6.
Конструкция затворного устройства 2 проиллюстрирована на фиг.4-8, которые показывают, как регулируется солнечная энергия, попадающая на приемник 6. Шторки 10 прикреплены с возможностью шарнирного поворота одним углом к раме 12 затвора, ограничивая центральную апертуру 14. Кроме того, шторки 10 прикреплены с возможностью шарнирного поворота другим углом через связи 20 к кольцу 16 затвора, которое может вращаться относительно рамы 12 под действием приводного двигателя 18. Таким образом, шторки 10 могут поворачиваться из открытого положения по фиг.4, 5, проходя через частично закрытое положение по фиг.6, в по существу полностью закрытое положение по фиг.7.
Таким образом, можно видеть, что, по мере того, как шторки 10 сдвигаются из открытого положения в закрытое положение, переменные части пучка 8 солнечной энергии будут блокированы от попадания на приемник 6. Тепловая энергия, получаемая приемником 6, следовательно и его температура, будет точно управляться включением приводного двигателя 18, открывающего и закрывающего шторки 10. Как можно видеть, в отличие от затвора фотоаппарата, шторки 10 не перекрываются. Пучок 8 солнечной энергии может как проходить между краями шторок 10, так и через центр центральной апертуры 14. Фиг.7 иллюстрирует переднюю часть затворного устройства 2, которая обращена к сферическому зеркалу 4 своей экранирующей пластиной 21, установленной для защиты механизма затвора. Проиллюстрированная таким образом конструкция блокирует конический пучок 8 сразу со всех сторон, и остающаяся часть пучка 8, получаемая приемником, по существу равномерно распределяется по поверхности приемника 6, обеспечивая его по существу равномерный нагрев.
Хотя этот вариант реализации является простым и удобным для достижения равномерного нагрева приемника 6 солнечной энергии, тем не менее, следует заметить, что другие конструкции тоже могут обеспечивать смещение шторок 10 внутрь и наружу от пучка 8, чтобы заблокировать его попадание на приемник 6. Такое затворное устройство можно реализовать, например, расположением пары шторок, примыкающих друг к другу, с каждой стороны пучка 8. Сдвигая шторки вместе или раздвигая их, можно блокировать или пропускать пучок 8. Такие конструкции также подпадают под рамки настоящего изобретения.
Фиг.8 схематически изображает в одной из шторок 10 внутренний охлаждающий канал 22, который расположен внутри каждой шторки 10. Шторка 10 имеет достаточную толщину, и канал 22 в рассматриваемом варианте достаточно просто реализуется путем просверливания пары отверстий 24 от внешней кромки шторки 10 под углом по направлению к ее внутренним концам. Отверстия 24 сходятся вблизи своих внутренних концов, образуя таким образом охлаждающие каналы 22, причем охлаждающая жидкость, поступающая в одно отверстие, будет также втекать в другое отверстие. На открытых концах отверстий 24 предусмотрены завершенные шланговые соединения 26, обеспечивающие подсоединение каналов 22 к источнику 28 охлаждающей текучей среды. Охлаждающая текучая среда, например, водно-гликолевая смесь, воздух или подобные среды, циркулирует из источника 28 по каналам 22.
Отверстия 24 имеют такой размер и расположение, что проходят очень близко к поверхности шторки 10 и очень быстро отбирают тепло от поверхности. Шторки изготовлены из материала, который хорошо проводит тепло и также выдерживает длительное внешнее воздействие. Для изготовления шторок 10 хорошо подходит алюминий, однако другие материалы, такие как медь, также могут быть использованы. Передняя поверхность шторок 10, обращенная к сферическому зеркалу 4, должна быть очень хорошо отполирована, чтобы отражать пучок 8, так как в этом случае меньшее количество тепла должно отводиться охлаждающей средой.
Далее, поскольку затворное устройство может быть установлено вблизи приемника 6, как показано на фиг.1 и 2, задняя поверхность шторок 10, обращенная в сторону приемника 6, должна быть изолирована или выполнена отражательной. Тогда в облачную погоду или ночью, когда шторки 10 закрыты, накопленное тепло сохраняется в приемнике 6, а не излучается наружу через центральную апертуру 14, тем самым утрачиваясь.
Фиг.9 схематически показывает альтернативный вариант затворного устройства 102, подходящий для использования применительно к фиг.3 и 10. Затворное устройство 102 содержит круговую затворную пластину 110. Один или более внутренних охлаждающих каналов 122 образован в круговой затворной пластине 110 подобно тому, как описано выше, и подключен к источнику охлаждающей текучей среды. Круговая затворная пластина 110 также изготовлена из теплопроводящего материала, что способствует быстрому отводу тепла охлаждающей жидкостью, циркулирующей по каналам 122.
Как показано на фиг.10, когда круговая затворная пластина 110 находится в позиции А, рядом с приемником 6 солнечной энергии, весь пучок 8 проходит через центральную апертуру 114 и попадает на приемник 6. Круговая затворная пластина 110 установлена на направляющей или подобном приспособлении, чтобы привод мог перемещать ее в направлении приемника 6 или от него. Когда пластина 110 удаляется от приемника 6, внешние части пучка 8 солнечной энергии будут задерживаться этой пластиной. В позиции В задерживается небольшая часть пучка 8, а в позиции С блокирована очень большая часть пучка 8.
Несмотря на то, что описанные варианты просты и удобны в исполнении, следует принять во внимание, что можно использовать и другие конструкции для перемещения шторок 10 или пластины 110 в пучок 8 или из пучка, с целью блокирования приема солнечной энергии приемником 6. Такие конструкции также подпадают под рамки настоящего изобретения.
Таким образом, все вышесказанное приведено лишь в качестве иллюстрации принципов настоящего изобретения. Более того, поскольку многочисленные изменения и модификации вполне могут быть совершены специалистами в этой области техники, нежелательно ограничивать изобретение одной конкретной конструкцией, показанной и описанной выше. Соответственно, все такие изменения и модификации в конструкции и работе должны быть признаны подпадающими под рамки настоящего изобретения.