АБСОРБЕР ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ С СИСТЕМОЙ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ
ABSORBER OF CYLINDRICAL PARABOLIC CONCENTRATOR OF SOLAR POWER WITH SUN TRACKING SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к солнечной энергетике и может найти свое применение в широком диапазоне использования при преобразовании солнечной энергии в тепловую энергию пара или горячей воды, необходимых для бытовых нужд, систем отопления жилых домов и производственных помещений.
Известны устройства, которые абсорбируют солнечное электромагнитное излучение и передают тепловую энергию теплоносителю, который циркулирует по трубам в прямом и обратном направлении (см. например патент №2197687 «Солнечный абсорбер»).
Основным недостатком любых абсорберов солнечных батарей, особенно плоских, - теплопотери трех видов: 1) передача тепла от сильно нагретого тела в окружающую среду и телам с меньшей температурой, 2) теплопотери от конвенции воздуха, 3) инфракрасное, длинноволновое электромагнитное излучение абсорбера с теплоносителем, которое составляет 70% всехтеплопотерь. Для локализации теплопотерь от теплопередачи и конвенции используется эффективная теплоизоляция, двойное вакуумное остекление. Потери теплоизлучением устраняются «тепловым зеркалом»
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является абсорбер солнечного концентратора по патенту RU 2300058 С2 «Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за солнцем», который состоит из малого параболоцилиндрического концентратора с малым фокусным расстоянием, в котором размещена вытянутая емкость, равная длине параболоцилиндрического концентратора первой ступени.
Основным недостатком такого устройства является сплошная ограниченная плоскими поверхностями площадь абсорбции с большим объемом теплоносителя. Подающий трубопровод находится в тепловой изоляции малого параболоцилиндрического концентратора и не имеет контакта с солнечным излучением и не получает предварительного подогрева.
Сущность предлагаемого изобретения - получение максимальной абсорбции энергии светового потока, идущего от концентратора первой ступени, и снижение теплопотерь, особенно в зимнее время, а также упрощение системы слежения за солнцем с помощью конструктивных решений устройства абсорбера.
Технический результат достигается тем что, абсорбер параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, содержащий устройство поглощения и преобразования в тепловую энергию концентрированного солнечного излучения от параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, размещенное в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием, фокус которого совмещен с фокусом параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, согласно изобретению абсорбер выполнен V-образной формы из труб с селективным или черным покрытием, установлен в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием, вершина V-образного абсорбера с подающим трубопроводом большого диаметра с теплоносителем размещена у фокуса параболоцилиндрического концентратора с малым фокусным расстоянием, а обратный трубопровод в виде набора труб меньшего диаметра, расположен по боковым сторонам абсорбера V-образной формы, в которых циркулирует теплоноситель, фронтальная сторона абсорбера по всей длине закрыта выпуклым стеклом, обеспечивающим повышенную концентрацию светового потока у фокальной полосы, общая длина абсорбера увеличена по отношению к длине параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем на равные отрезки от его концов, длина которых определяется предельным углом полного внутреннего отражения в среде стекло-воздух и географического места нахождения параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем.
Вся пространственная трубчатая конструкция абсорбера собрана на отдельных распорных планках.
При таком расположении подающего и обратного трубопровода с теплоносителем в параболоцилиндрическом концентраторе с малым фокусным расстоянием концентрированная солнечная энергия вся не поглощается абсорбером, а частично отражается в виде фотонов вторичного отражения, которые также несут и передают энергию абсорберу и от самого разогретого абсорбера и зеркала концентратора. Зеркало концентратора с малым фокусным расстоянием тоже греется, так как коэффициент отражения всегда меньше единицы. Поэтому тыльная сторона концентратора, в котором расположен абсорбер, закрыта тепловой изоляцией с «тепловым зеркалом» Для упрощения системы слежения за солнцем длина абсорбера увеличена по отношению к длине параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем стороны на одинаковое расстояние. Удлинение абсорбера ограничивается углом падения концентрированного света на стекло 42° к нормали, оптимально 30°.
На Фиг.1 представлен параболоцилиндрический концентратор с малым фокусным расстоянием с размещенным в нем абсорбером.
На Фиг.2 представлено конструктивное решение упрощения системы слежения за солнцем в течение дня путем увеличения длины абсорбера.
На Фиг.1 представлена конструкция концентратора 1 с малым фокусным расстоянием, в котором размещен абсорбер. Фокус концентратора 1 совмещается с фокусом параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем. Абсорбер V-образной формы выполнен из набора труб 3 и 4 с селективным или другим черным покрытием. Вершина V-образного абсорбера размещена у фокуса концентратора 1 с малым фокусным расстоянием. В вершине абсорбера V-образной формы находится подающий трубопровод 3 большого диаметра, а обратный трубопровод (боковые поверхности буквы V) в виде набора мелких труб 4. Вся пространственная трубчатая конструкция собрана на отдельных распорных планках (на чертеже не показано). Тыльная сторона концентратора 1 облицована эффективной тепловой изоляцией 5, покрыта светоотражающим материалом 6 и защищена кожухом 7. Фронтальная часть концентратора 1, в котором расположен абсорбер, по всей длине закрыта выпуклым стеклом 8.
От параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем (см. Фиг.2) показан пучок света 9, идущий от него, который попадает на фокальную полосу 10, перпендикулярную главной оптической оси 11, где образует световую фокальную полосу в концентраторе 1. Из-за дифракции и интерференции света, идущего от солнца, в фокусе свет не собирается в виде тонкой линии по длине абсорбера, а собирается в виде фокальной полосы 12, ширина которой зависит еще и от качества сборки и изготовления параболообразующих ветвей параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем. Соответственно, чем уже фокальная полоса 10, тем больше будет концентрация светового пучка света 9 у фокуса. Уменьшить фокальную полосу 12 позволяет выпуклое стекло 8, оптические свойства которого собирательные, так как свет от параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем на выпуклую сторону стекла 8.
Система слежения за солнцем параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем (концентратор 2) может быть упрощена путем увеличения длины абсорбера, что связано с изменением высоты солнца в течение дневного времени. При этом вращение параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем вокруг полярной оси сохраняется.
Рассмотрим суточное движение солнца. В средних широтах солнце восходит всегда в восточной стороне неба, постепенно поднимается над горизонтом, в полдень достигает наивысшего положения на небе, затем начинает опускаться к горизонту и заходит в западной части неба. В северном полушарии это движение происходит слева направо, а в южном - справа налево. Суточные пути солнца в разные времена года по высоте постепенно меняются в зависимости от времени года. Летом солнце в средних широтах поднимается высоко над горизонтом, поэтому зеркало концентратора занимает почти горизонтальное положение, а зимой зеркало концентратора становится почти вертикально. Дневной путь солнца на небе симметричен относительно направления север-юг, это упрощает его слежение по азимуту, а изменение высоты солнца в течение суток требует сложного механизма.
Достигается технический результат упрощения слежения за солнцем следующим образом. Длина концентратора 1, с находящимся в нем абсорбером, увеличивается по отношению к длине зеркала параболоцилиндрического концентратора 2 солнечной энергии с системой слежения за солнцем в ту и другую сторону на равные по длине отрезки в зависимости от географического места нахождения концентратора 2. Увеличение длины абсорбера ограничивается углом падения сконцентрированной солнечной энергии на абсорбер предельным углом 42 градуса в среде стекло-воздух. Оптимальный угол падения концентрированного солнечного пучка света 9 от концентратора 2 утром и вечером будет около 30 градусов. Определяется этот угол по формуле Френеля. Угол падения луча, угол отражения и угол преломления связаны уравнением nlSina=n2Sinb.
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Концентратор 1 с малым фокусным расстоянием, в котором расположен V-образный абсорбер, вершина которого совмещена фокусом или находится близко от него, принимает концентрированную солнечную энергию, исходящую из концентратора 2 и поглощает ее абсорбером. Поглощение происходит в результате интенсивного излучения света при прохождении его в веществе, вследствие чего происходит превращение световой энергии в тепло. Поглощающим телом служат трубки 3 и 4 с черным покрытием, хорошо передающие энергию циркулирующему по ним жидкому теплоносителю. Пучок света 9, в виде усеченного конуса, идущий от концентратора 2, попадает на плоскость, перпендикулярную главной оптической оси 11, и образует фокальную полосу 10 у фокуса концентратора 1, в котором расположен абсорбер. Чем уже фокальная полоса 10, тем больше будет концентрация светового потока в фокусе концентратора 1. Уменьшает фокальную полосу 10 в концентраторе 1 с малым фокусным расстоянием стекло 8, обращенное выпуклой стороной в сторону концентратора 2 и выполняющее роль собирательной линзы.
Для упрощения системы слежения за солнцем абсорбер, размещенный в концентраторе 1, выполнен длиннее концентратора 2, и один раз в сутки выполняется оптическая наладка по фокальной полосе 12, чтобы в утренние и вечерние часы она не выходила за концы абсорбера. Механизм коррекции предусмотрен в концентраторе 2.