СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ С ОПТОВОЛОКОННОЙ СИСТЕМОЙ НАВЕДЕНИЯ
SOLAR POWER PLANT WITH A FIBRE-OPTIC GUIDANCE SYSTEM

Изобретение относится к энергетике, а именно к энергетике преобразования солнечного излучения в электричество с помощью тепловых машин, и может быть использовано, в частности, в солнечных электрических станциях башенного типа.
Известна солнечная электрическая станция модульного типа, преобразующая солнечное излучение с помощью двигателей Стирлинга (Энергия: экономика, техника, экология. Журнал Президиума РАН №10, 2006 г., стр. 33-37). Каждый модуль станции состоит из квазипараболического концентратора, отражающая поверхность которого выполнена из зеркальных квадратов. В фокусе концентратора находится двигатель Стирлинга, соединенный с электрогенератором, с помощью которого концентрированное солнечное излучение преобразуется в электричество.
Недостатком данной солнечной станции является низкая эффективность преобразования солнечного излучения в электричество с помощью тепловых машин. Это объясняется тем, что преобразование осуществляется с помощью нескольких тепловых машин малой мощности, а именно с помощью двигателей Стирлинга малой мощности, размещенных в каждом модуле солнечной станции.
Из энергетики, работающей на традиционном топливе, известно, что эффективность работы электростанции повышается с увеличением мощности тепловой машины.
Наиболее близкой, принятой за прототип, является солнечная электрическая станция башенного типа. (Алексеев В.В, Чекарев К.В. Солнечная энергетика. - М.: Знание, 1991 г.) Солнечная станция содержит башню, на верхнем конце которой находится приемник солнечного излучения, выполненный в виде бака с водой, который связан с тепловой машиной, соединенной с электрогенератором. Вокруг башни расположены гелиостаты, положение которых относительно солнца регулируется системой управления.
Солнечная станция работает следующим образом. С восходом солнца каждый гелиостат с помощью системы управления ориентируется так, чтобы отраженное от гелиостата солнечное излучение попадало на приемник для его преобразования в электричество с помощью тепловой машины, соединенной с электрогенератором.
Недостатком солнечной электрической станции башенного типа является низкая эффективность преобразования солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин, что обусловлено следующими причинами.
Для обеспечения большой мощности солнечной электрической станции необходимо направить на приемник солнечной энергии отражение солнечного излучения от множества гелиостатов, что при больших расстояниях между приемником и гелиостатами делает задачу точного наведения чрезвычайно трудной.
При движении солнца по небосклону поток солнечной энергии, поступающей на приемник, все время меняется от максимального значения при восходе и закате солнца до минимальных значений в полуденное время, поскольку при увеличении высоты положения солнца эффективная отражающая поверхность гелиостатов уменьшается по синусоидальному закону.
Кроме того, в случае расположения гелиостатов вокруг башни с приемником солнечной энергии изменение положения солнца на небосклоне приводит к тому, что в первой половине дня работает только одна часть гелиостатов, а другая часть гелиостатов не функционирует, а во второй половине дня работает другая часть гелиостатов. Таким образом, для обеспечения заданной мощности станции необходимо использовать двойное количество гелиостатов. В случае расположения башни перед полем гелиостатов их эффективная отражающая поверхность уменьшается как при высоком положении солнца, так и при низком, что также требует введения дополнительного количества гелиостатов для обеспечения заданной мощности станции.
Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электричество с помощью тепловой машины.
Техническим результатом является повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электричество с помощью тепловой машины.
Технический результат достигается тем, что в солнечной электрической станции, содержащей башню, на верхнем конце которой находится приемник солнечного излучения, связанный с тепловой машиной, соединенной с электрогенератором, и гелиостаты, расположенные рядом с башней, положение которых относительно солнца регулируется системой управления, гелиостаты выполнены из концентрирующих элементов, состоящих из линзы с большим фокусным расстоянием F линзы с малым фокусным расстоянием f, конического фоклина полного внутреннего отражения и оптического кабеля, при этом в концентрирующих элементах линза с фокусом f находится на расстоянии F+f от линзы с фокусом F, входное отверстие конического фоклина находится у линзы с фокусом f, a к его выходному отверстию присоединен оптоволоконный кабель, диаметр которого равен диаметру выходного отверстия конического фоклина, при этом выходные концы оптоволоконных кабелей концентрирующих элементов, образующих гелиостат, соединены в пучок, который крепится к стойке, поставленной у гелиостата, и направляется так, чтобы лучи концентрированного солнечного излучения, выходящие из пучка оптоволоконных кабелей, попадали на приемник солнечного излучения.
Выполнение гелиостатов из концентрирующих элементов предложенной конструкции позволяет устранить недостатки солнечных электрических станций башенного типа. С их помощью солнечное излучение превращается в параллельный концентрированный световой поток, который поступает в оптоволоконные кабели и направляется на приемник солнечного излучения путем фиксации выходных концов оптоволоконных кабелей в нужном направлении. В этом случае задача ориентации гелиостатов относительно солнца сводится к тому, чтобы направить нормаль к плоскости гелиостатов на солнце, что является простой задачей для системы управления. При такой ориентации гелиостатов на солнце величина солнечной потока, поступающего на приемник солнечного излучения, не меняется при перемещении солнца по небосводу, что позволяет использовать меньшее количество гелиостатов для обеспечения заданной мощности солнечной станции.
Изобретение поясняется схемами, представленными на фиг. 1, 2 и 3. Как показано на фиг. 1, солнечная электрическая станция содержит башню 1, на верхнем конце которой находится приемник солнечного излучения 2. Его выполнение зависит от вида тепловой машины. Для тепловых машин, у которых рабочим телом является водяной пар, приемник солнечного излучения может быть выполнен в виде бака с водой, связанного с тепловой машиной, соединенной с электрогенератором. Около башни 1 расположены гелиостаты 3, выполненные из концентрирующих элементов 4, схема которых представлена на фиг. 2. Концентрирующий элемент содержит линзу 5 с большим фокусным расстоянием F, линзу 6 с малым фокусным расстоянием f, конический фоклин полного внутреннего отражения 7 и оптоволоконный кабель 8. Линза 6 находится на расстоянии F+f от линзы 5, что позволяет получать концентрированный параллельный пучок солнечного излучения. Линзы 5 могут быть выполнены в виде линз Френеля с фокусным расстоянием F порядка 50 см. У линзы 6 расположено входное отверстие конического фоклина 7, выполненного в виде усеченного стеклянного конуса. Основание усеченного конуса, являющееся входным отверстием конического фоклина 7, превышает диаметр линзы 6 примерно в 3 раза, что позволяет уменьшить требования к точности наведения концентрирующего элемента на солнце. При неточном наведении параллельный пучок концентрированного солнечного излучения, выходящий из линзы 6 и попадающий в конический фоклин 7, в результате полного внутреннего отражения будет выходить из выходного отверстия конического фоклина 7 и попадать в оптоволоконный кабель 8, присоединенный к выходному отверстию конического фоклина 7. Диаметр оптоволоконного кабеля 8 равен диаметру выходного отверстия конического фоклина 7.
Как видно из фиг. 3а) и б), концентрирующие элементы 4 расположены рядами на гелиостате 3. Выходные концы оптоволоконных кабелей 8 концентрирующих элементов 4, образующих гелиостат 3, соединены в пучок 9, который крепится к стойке 10, помещенный у гелиостата 3, и направляется таким образом, чтобы концентрированное солнечное излучение, выходящее из пучка 9, попадало на приемник солнечной энергии 2. Стойка 10 располагается сзади и сбоку от гелиостата таким образом, чтобы не мешать ему вращаться при отслеживании солнца.
Солнечная электрическая станция работает следующим образом. С помощью системы управления все гелиостаты 3 устанавливаются так, чтобы нормаль к плоскости гелиостата всегда была направлена на солнце. Солнечное излучение, попадая на концентрирующие элементы 4 гелиостатов 3, превращается в параллельный поток концентрированного солнечного излучения, который с помощью пучка оптоволоконных кабелей 9, закрепленного к стойке 10, направляется на приемник солнечного излучения 2 для преобразования его с помощью тепловой машины, соединенной с электрогенератором, в электричество.
Был построен макет солнечной электрической станции с оптоволоконным наведением. Проведенные эксперимент показали работоспособность и эффективность предложенной конструкции солнечной станции.