СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР
SOLAR COLLECTOR

Настоящее изобретение относится к солнечному коллектору для временного хранения тепла, полученного в любое время от солнечного излучения, содержащему проводник излучения, предназначенный для проведения солнечного излучения, оптические средства, предназначенные для концентрирования солнечного излучения на первом конце проводника излучения, и теплоизолированный сердечник, расположенный на противоположном втором конце проводника излучения, при этом сердечник нагревается солнечным излучением, испускаемым из проводника излучения, и выполнен с возможностью временного хранения тепла.
Такой солнечный коллектор раскрыт в международной заявке на выдачу патента WO 2009/002168, поданной этим же заявителем. Известный солнечный коллектор содержит проводящий тепло сердечник, который может нагреваться от солнечного излучения, а также выполнен с возможностью сохранять полученное тепло в течение некоторого времени. В отличие от стандартных солнечных коллекторов, которые нагревают жидкость при помощи оптических средств для ее непосредственного использования, этот солнечный коллектор позволяет генерировать полезную энергию даже в периоды, когда количество получаемого солнечного излучения является относительно низким, например, ночью. Фактически, теплопроводящий сердечник может хранить относительно большое количество тепла и, следовательно, его используют в качестве энергетического буфера во время периодов с относительно низким солнечным излучением.
Хотя известный солнечный коллектор может быть эффективно использован для непрерывного генерирования энергии в течение длительных периодов, очевидно, что в его конструкцию могут быть внесены улучшения, например, для увеличения отдачи, в частности, путем противодействия тепловым потерям.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание более совершенного солнечного коллектора упомянутого выше типа.
Для достижения поставленной цели солнечный коллектор типа, упомянутого во вступительной части настоящего документа, характеризуется тем, что сердечник оснащен теплоизоляционной оболочкой, которая фактически полностью окружает сердечник, при этом теплоизоляционная оболочка содержит слой пористого керамического материала. Настоящее изобретение основано на понимании того, что, несмотря на присущую проблему изоляции, сердечник с наиболее высокой теплоемкостью показывает наилучшие результаты. По причине высоких температур, которые могут быть достигнуты при использовании сердечника с высокой теплоемкостью, чрезвычайно важно, чтобы используемая изоляция была устойчива к воздействию таких температур. Слой пористого керамического материала очень хорошо подходит в качестве изоляции для устранения или существенного сокращения любых тепловых потерь даже при самых высоких температурах. Для того чтобы максимально противодействовать утечке тепла, в теплоизоляционной оболочке предусмотрен слой, который фактически полностью окружает сердечник. Хотя такая теплоизоляционная оболочка с керамическим материалом характеризуется довольно значительной массой, очевидно, что, в частности, в масштабе относительно крупных солнечных коллекторов, ее использование не приносит столько неудобств, как ожидалось. Потери энергии в результате управления солнечным коллектором с увеличенной массой отрицательно не влияют на отдачу за счет хорошей изоляции сердечника с высокой теплоемкостью.
Учитывая, что каждый стык или слабое место в изоляционном слое увеличивает риск утечки тепла, предпочтительный вариант осуществления солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что слой керамического материала является фактически бесшовным. Следовательно, согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением слой керамического материала может быть отлит вокруг сердечника. Такое выполнение слоя керамического материала приводит к созданию фактически непрерывного цельного тела без швов, которому присущ фактически равномерный показатель теплоизоляционной способности по всей поверхности. Это в максимальной степени предотвращает появление слабых мест в изоляции сердечника.
В целях обеспечения хорошего захвата теплового излучения слой керамического материала является пористым. Это может быть достигнуто, например, путем использования пористого материала или, например, путем добавления к керамическому материалу вспомогательного вещества, которое при нагревании выгорает из слоя, оставляя после себя требуемую сеть пор.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления солнечный коллектор в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что слой керамического материала содержит легкий, огнестойкий кладочный продукт. Такой кладочный продукт, например огнеупорные материалы, может быть просто уложен в виде слоя требуемой формы вокруг сердечника, при этом он является устойчивым к очень высоким температурам и характеризуется высокими показателями теплоизоляционной способности.
Согласно конкретному варианту осуществления солнечный коллектор в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что вокруг одной из сторон теплоизоляционной оболочки, направленной от сердечника, установлено одно отражающее тело, при этом его отражающая излучения сторона направлена к сердечнику. Отражающее тело будет отражать инфракрасное излучение, выходящее через теплоизоляционную оболочку, обратно в сердечник, что в целом приводит к дополнительному улучшению показателя теплоизоляционной способности.
Дополнительный предпочтительный вариант осуществления солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что сердечник и теплоизоляционная оболочка расположены внутри по существу герметичного корпуса, при этом предусмотрены средства для создания вакуума внутри корпуса вокруг сердечника и теплоизоляционной оболочки. В результате создания вакуума внутри солнечного коллектора и во всех пространствах между его частями, максимально ограничивается возможное высвобождение тепла за счет переноса тепла теплопроводностью или конвективного переноса тепла. При этом тепловые потери фактически возможны исключительно за счет излучения, которое предотвращается максимально возможным образом благодаря описанным выше мерам в соответствии с настоящим изобретением.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления солнечный коллектор в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что сердечник содержит теплостойкий, теплопроводящий материал с относительно высокой теплоемкостью. Дополнительный конкретный вариант осуществления солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что сердечник содержит цельный блок из стали. Сталь имеет подходящую теплоемкость для использования в солнечном коллекторе, а также характеризуется высокой температурой плавления, так что она может быть использована в качестве цельного блока, несмотря на высокую температуру присущую сердечнику. При использовании стального сердечника его можно нагреть до температуры 1500 градусов по Цельсию. Таким образом, согласно конкретному дополнительному варианту осуществления солнечный коллектор в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что сердечник сохраняет температуру максимально до 1200 градусов по Цельсию. Указанная температура сердечника обеспечивает создание достаточно большого энергетического буфера для непрерывного функционирования в течение периодов с относительно низким солнечным излучением или без него, при этом все компоненты солнечного коллектора, такие как, например, проводник излучения, должны быть устойчивыми к такой температуре.
Дополнительный конкретный вариант осуществления солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что сердечник содержит жидкую массу алюминия. Алюминий характеризуется великолепной теплоемкостью, является относительно легким, а также имеет высокую теплопроводность, в результате чего он может быстро отдать тепло для последующего генерирования энергии. Поскольку алюминию присуща относительно низкая температура плавления, жидкая масса алюминия необходима для достижения эффективных температур в сердечнике.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления солнечный коллектор в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что проводник света частично состоит из кварцевого волокна. Кварцевое волокно хорошо подходит для проведения солнечного излучения вдоль всей своей длины без каких-либо существенных потерь излучения. В частности, кварцевое волокно хорошо выдерживает высокие значения температуры, достигаемые в сердечнике солнечного коллектора, которые доходят до 1200 градусов по Цельсию. Таким образом, кварцевое волокно хорошо подходит для применения близко к сердечнику солнечного коллектора.
Хотя и возможно изготовить проводник излучения полностью из кварцевого волокна, стекловолокну также присущи преимущества. Стекловолокно имеет намного меньшую стоимость по сравнению с кварцевым волокном и, кроме того, является более гибким. Вследствие этого стекловолокно лучше подходит для использования в проводнике излучения с изгибами и изломами. Однако при высоких температурах, таких как температуры, которые могут иметь место в сердечнике солнечного коллектора, происходит повреждение стекловолокна, в результате чего его способность проводить излучение значительно ухудшается. В связи с этим дополнительный конкретный вариант осуществления солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что кварцевое волокно содержит второй конец проводника излучения и проходит за пределы теплоизоляционной оболочки, при этом стекловолокно соединено с кварцевым волокном и содержит первый конец проводника излучения. Следует отметить, что только часть проводника излучения, которая должна выдерживать наиболее высокие температуры, в частности, часть между сердечником и теплоизоляционной оболочкой, изготовлена из теплостойкого кварцевого волокна, при этом другая часть проводника излучения, начиная от теплоизоляционной оболочки и до точки фокуса оптических средств, выполнена из более гибкого стекловолокна.
Дополнительный предпочтительный вариант осуществления солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что проводник излучения прикреплен вторым концом к внешней стороне сердечника в области выемки в сердечнике, причем выемка характеризуется наличием некоторого пространством, чтобы позволить солнечному излучению, испускаемому из проводника излучения, преобразоваться в энергию, входя во взаимодействие с поверхностью сердечника. Наличие выемки в сердечнике увеличивает площадь сердечника внутри выемки, благодаря чему солнечное излучение, испускаемое из проводника излучения, падает на поверхность выемки, передавая энергию излучения в виде тепла сердечнику. Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления солнечный коллектор в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что на поверхность выемки сердечника нанесено поглощающее покрытие. Поглощающее покрытие поглощает солнечное излучение, испускаемое из проводника излучения, и испускает его в качестве тепла в сердечник. Таким образом, предотвращается отражение солнечного излучения обратно в проводник излучения, что приводило бы к потере энергии.
Далее будет приведено более подробное описание настоящего изобретения, выполненное с использованием иллюстративного примера и прилагаемых фигур, где:
на фиг. 1 представлен вид сбоку в разрезе иллюстративного пример солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2 представлен вид в перспективе сердечника, расположенного в корпусе, представленного на фиг.1 иллюстративного примера солнечного коллектора в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 3 представлен увеличенный вид области В, представленной на фиг.1, на котором показан разрез сердечника, расположенного в корпусе.
Отметим, что изображения на фигурах являются чисто схематическими и выполнены без соблюдения масштаба. Фактически, некоторые размеры на фигурах были специально увеличены из соображений ясности.
Кроме того, следует отметить, что на фигурах соответствующие элементы обозначены соответствующими позициями.
Представленный на фиг. 1 солнечный коллектор 1, предназначенный для временного хранения тепла солнечного излучения, содержит теплопроводящий сердечник 2, расположенный внутри цилиндрического металлического корпуса 3, что лучше всего представлено на фиг. 2. Согласно этому иллюстративному примеру сердечник 2 представляет собой цельный блок, выполненный из стали, который, в соответствии с настоящим изобретением, может быть нагрет до температуры 1200 градусов по Цельсию. Для того чтобы сохранить это тепло в течение продолжительных периодов времени, вокруг сердечника 2 выполнена теплоизоляционная оболочка 4, которая полностью окружает сердечник. Теплоизоляционная оболочка 4 содержит слой керамического материала, которому присущ высокий показатель теплоизоляционной способности. На некотором расстоянии от теплоизоляционной оболочки 4 расположено первое отражающее тело 5, у которого одна из сторон отражает излучение в направлении сердечника, с тем чтобы отразить излучение, исходящее от теплоизоляционной оболочки, назад к сердечнику. На некотором расстоянии от первого отражающего тела 5 расположено второе отражающее тело 6, которое также предназначено для отражения излучения назад к сердечнику. В корпусе также установлено средство (не показано), выполненное с возможностью создания вакуума внутри корпуса, благодаря чему в пространствах между отражающими телами 5, 6 и теплоизоляционной оболочкой 4 создается практически абсолютный вакуум. Это фактически исключает тепловые потери за счет конвекции или теплопроводности.
При функционировании солнечного коллектора внешняя сторона корпуса сохраняет температуру, которая фактически соответствует температуре окружающей среды, при этом температура сердечника может составлять 1200 градусов по Цельсию. Следовательно, имеют место незначительные тепловые потери во внешнюю среду. Таким образом, солнечный коллектор в соответствии с настоящим изобретением обладает чрезвычайно высокой отдачей и способен не только выдавать энергию в течение дневных часов интенсивного солнечного света, но также образовывать энергетический буфер, из которого во время периодов менее интенсивного солнечного излучения может непрерывно извлекаться энергия.
Для того чтобы обеспечить нагревание сердечника 2, перед корпусом 3 устанавливают экран 7, на котором смонтированы оптические средства, концентрирующие солнечное излучение. Оптические средства содержат систему линз, установленных на равном расстоянии друг от друга и направленных к солнцу, причем в каждом случае падающее на линзу солнечное излучение концентрируется в присущей ей точке фокуса. При этом в точке фокуса за каждой линзой расположен первый конец проводника излучения в форме стекловолокна, в результате чего концентрированное солнечное излучение собирается в волокне. По стекловолокнам каждой линзы солнечное излучение проходит в направлении корпуса 3. Для осуществления максимально эффективного сбора солнечного излучения предусмотрены средства сопровождения, которые обеспечивают следование за движением солнца в течение дня. С этой целью корпус 3 установлен на первой поворотной раме 20, которая может совершить полный оборот относительно горизонтального основания 21, на котором монтируется солнечный коллектор, при этом экран с линзами прикреплен ко второй поворотной раме 30, которая поворачивается на некотором расстоянии вокруг корпус 3. Непрерывная регулировка линз от одного положения к другому реализуется при помощи автоматического перемещения поворотных рам в ответ на сигнал, поступающий от средств сопровождения. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что средства сопровождения могут, например, включать в себя датчик, непрерывно регистрирующий положение солнца и посылающий его обрабатывающему средству, такому как, например, процессор, после чего обрабатывающее средство направляет выходной сигнал в соответствующие приводные средства для выполнения необходимой регулировки одной или обеих рам 20, 30.
Как показано более подробно на фиг.3, конец стекловолокна 8 прикреплен при помощи крепежного средства 10 к внешней стороне корпуса 3. Конец стекловолокна стыкуется с концом кварцевого волокна 9, так что солнечное излучение без потерь переходит из стекловолокна в кварцевое волокно. Кварцевое волокно 9 прикреплено при помощи дополнительного крепежного средства 11 к внутренней стороне корпуса 3. Гибкие регулировочные средства в виде уплотнительных колец предусмотрены в отверстии, проходящем через корпус, через которое проходит проводник излучения, с тем чтобы обеспечить герметичное уплотнение указанного отверстия. Кварцевое волокно 9 проходит от внутренней стороны корпуса 3 фактически до сердечника 2, при этом кварцевое волокно 9 образует второй конец проводника излучения. Второй конец проводника излучения прикреплен при помощи фиксирующего средства 12 к сердечнику 2 в области выемки, выполненной в сердечнике 2. Следовательно, выходящее из проводника излучения входит в ограниченное выемкой пространство, в результате чего излучение может падать на большую поверхность сердечника и потери за счет отражения излучения обратно в проводник излучения сводятся к минимуму.
Хотя настоящее изобретение было описано лишь на основе иллюстративного примера, очевидно, что оно не ограничивается им. Напротив, специалист в данной области техники сможет осуществить множество изменений и модификаций, находящихся в пределах объема настоящего изобретения.