КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
SOLAR POWER CONCENTRATOR

Устройство относится к гелиотехнике и может быть использовано в устройствах, преобразующих энергию солнечного излучения в различные виды полезной энергии (тепловая, электрическая, химическая и т.д.).
Из уровня техники известны концентраторы солнечной энергии цилиндрического типа, которые не содержат формообразующие элементы и состоят из одной или нескольких гибких отражающих прямоугольных пластин, которым придается необходимая форма US 4115177, US 4596238, US 4469938, US 4103672.
Недостатком известных решений, не содержащих формообразующие элементы, является недостаточная точность и стабильность формы отражающей поверхности. Для таких отражателей характерно высокое значение отношения толщины отражающей пластины к линейным размерам отражателя, что приводит к увеличению материалоемкости изделия. Практическое применение таких отражателей ограничено изделиями, имеющими относительно малые линейные размеры.
В большинстве случаев ставится задача стабилизации и обеспечения точности формы отражающей поверхности. С этой целью в конструкцию отражателя вводятся специальные формообразующие элементы - ребра жесткости, которые задают и стабилизируют форму отражающей поверхности. При этом ребра жесткости, как правило, жестко связаны друг с другом и/или закреплены на раме. Отражательный элемент крепится к формообразующему элементу с помощью специальных элементов крепления (JP 11287521 А, US 4571812).
Известен концентратор солнечной энергии, который содержит отражательный элемент из полосы гибкого материала с точной параболической поверхностью и поддерживающим каркасом, который состоит из некоторого количества приблизительно параболических ребер, жестко связанных друг с другом посредством металлической трубки. При этом отражательный элемент крепится к формообразующей поверхности ребер жесткости путем приклеивания (US 4268332, МПК В32В 31/04, G02B 5/10, опубл. 19 мая 1981 г.).
Известные конструкции отражателей, содержащие формообразующие элементы, как правило достаточно сложны, требуют больших затрат ручного труда и обладают высокой материалоемкостью. Кроме того, конструкции, использующие жесткое крепление гибкой отражающей пластины к ребрам жесткости, недостаточно устойчивы к перепадам температуры. Если детали конструкции находятся при разных температурах или изготовлены из материалов с различным коэффициентом теплового расширения, происходит искажение формы отражающей поверхности.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение жесткости конструкции без применения специальных элементов, предназначенных для жесткой фиксации ребер жесткости относительно друг друга, при достижении необходимой точности отражающей поверхности.
Поставленная задача решается за счет того, что концентратор солнечной энергии содержит, как минимум, один отражатель с отражательным элементом из полосы гибкого материала, ребра жесткости, не связанные между собой, которые имеют формообразующую дугообразную вогнутую поверхность и упоры, связанные с ребрами жесткости упругими элементами крепления, при этом рабочая поверхность отражателя сформирована за счет гибких свойств материала полосы и элементов крепления, создающих на край полосы усилия, симметричные относительно продольной плоскости симметрии ребра жесткости.
При этом каждый упор может взаимодействовать с отражательным элементом по двум областям давления. Упоры могут иметь прорезь для каждого ребра жесткости, при этом упругие элементы крепления располагаются по разные стороны относительно ребра жесткости. Упоры и упругие элементы крепления могут быть выполнены в виде единой пружинящей конструкции, огибающей ребро. И в том и в другом случае упор создает давление на отражатель, симметричное относительно продольной плоскости симметрии ребра жесткости. Упор может быть выполнен по всей длине отражательного элемента и соединен с каждым ребром жесткости. Упоры могут быть выполнены двусторонними, с возможностью крепления двух отражательных элементов соседних отражателей.
За счет конструктивных особенностей концентратора предлагаемое изобретение позволяет повысить жесткость конструкции, с сохранением необходимой точности отражающей поверхности.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
Фиг.1 - общий вид отражателя.
Фиг.2 - упор отражателя, выполненный с двумя областями давления на отражательный элемент.
Фиг.3 - выносной элемент А с фиг.2.
Фиг.4 - распределение усилия на край отражающего элемента относительно ребра жесткости.
Фиг.5 - отображает угол α между направлением результирующей силы, действующей со стороны упора на отражатель, и касательной к формообразующей поверхности ребра жесткости.
Фиг.6 - упор отражателя, выполненный в виде единой пружинящей конструкции.
Фиг.7 - отражатель с упором, выполненным по всей длине отражающего элемента.
Фиг.8 - отражатель с упором, выполненным по всей длине отражающего элемента, вид снизу.
Фиг.9 - общий вид отражателя с упором, выполненным общим для нескольких ребер жесткости, а упругие элементы - индивидуальными для каждого ребра жесткости.
Фиг.10 - общий вид концентратора, представляющий собой группу отражателей.
Фиг.11 - общий вид концентратора, представляющий собой группу отражателей, вид снизу.
Фиг.12 - сдвоенный упор для отражателей, объединенных в группу.
Фиг.13 - двусторонний упор для отражателей, объединенных в группу.
Концентратор солнечной энергии включает отражатель с отражательным элементом 1 из полосы гибкого материала с параллельными краями и ребра жесткости 2 с формообразующей дугообразной вогнутой поверхностью. Крепление каждого из ребер жесткости 2 к отражательному элементу 1 осуществляется с помощью упоров 3 и упругих элементов крепления 4, которые в одном из вариантов исполнения могут быть выполнены в виде пружин (фиг.1). Для того чтобы сформировать рабочую поверхность отражательного элемента, материал, из которого он изготовлен, должен обладать следующими характеристиками:
- деформируемость (возможность изгиба);
- упругость;
- жесткость.
Таким набором свойств обладают, например, сплавы железа и алюминия, а также жесткий пластик (ПВХ, поликарбонат и др.). Сочетание жесткости и деформируемости задает определенное геометрическое свойство отражательного элемента - линейные размеры значительно превышают его толщину. Кроме того, следствием такого сочетания свойств материала является то, что линейные размеры области контакта упоров с листом отражательного элемента существенно превышают толщину листа.
На фиг.2, 3 изображен наиболее предпочтительный вариант выполнения упора 3, когда его взаимодействие с отражательным элементном происходит по двум областям давления. Первая область давления I - непосредственно на край полосы отражающего элемента 1, а вторая II - на плоскость полосы отражательного элемента 1 вблизи от его края, над соответствующим ребром жесткости.
Такая реализация упора предотвращает деформацию края полосы отражающего элемента даже в том случае, когда его ширина неточно совпадает с длиной формообразующей кромки ребра жесткости. При этом вторая область давления обеспечивает стабилизацию положения полосы отражательного элемента относительно ребра жесткости.
Каждый из упоров 3 создает на край полосы отражательного элемента 1 усилия, симметричные относительно продольной плоскости симметрии 7 ребра жесткости 2 (фиг.4). Симметричность усилия относительно ребра жесткости 2 означает, что давление, создаваемое упором 3 на края полосы отражательного элемента 1, подчиняется следующему условию:
где h - ширина упора;
х - координата смещения вдоль края полосы отражательного элемента относительно его точки пересечения с продольной плоскостью симметрии 7 соответствующего ребра жесткости;
P(х) - давление, действующее со стороны упора на полосу отражательного элемента.
Симметричность усилия на край полосы отражательного элемента является необходимым, но недостаточным условием создания в отражателе требуемого для достижения положительного эффекта распределения напряжений, а именно увеличения жесткости конструкции отражателя. Также необходимо, чтобы угол α (фиг.5) между направлением результирующей силы , действующей со стороны упора на полосу отражательного элемента, и касательной к формообразующей поверхности ребра жесткости, перпендикулярной краю отражательного элемента в точке пересечения края отражателя и плоскости ребра жесткости, удовлетворял условию:
α≤arcctg(k),
где k - коэффициент трения пары материалов, из которых изготовлены ребра жесткости и отражательный элемент.
Результирующая сила, действующая со стороны упора на полосу отражательного элемента,  определяется по формуле
и направлена по линии, соединяющей точку крепления упора к ребру жесткости и точку соприкосновения отражательного элемента и упора. Поэтому при выборе точки крепления упора к ребру жесткости, наряду с соблюдением конструктивных требований, учитывается и условие соблюдения вышеприведенного условия.
Данное условие при выборе угла обеспечивает самоустановку полосы отражательного элемента по всей длине формообразующей поверхности ребра, что приводит к равномерному распределению нагрузки.
Соблюдение вышеприведенных условий приводит к увеличению жесткости отражателя при сохранении точности отражающей поверхности. Это позволяет отказаться от использования специальных элементов конструкции (рама, корпус, продольные трубы и т.д.), придающих жесткость концентратору.
Симметричность усилия на край отражателя достигается либо за счет выполнения упоров 3 с прорезью 5 для ребра жесткости (фиг.4), либо за счет выполнения упоров 3 в виде единой пружинящей конструкции, которая огибает соответствующее ребро жесткости (фиг.6).
В первом варианте (фиг.4) упоры 3 с прорезью 5 связаны с ребрами жесткости через два упругих элемента крепления 4, расположенных симметрично относительно плоскости симметрии ребра жесткости. При этом симметричность усилия на край полосы отражательного элемента обеспечивается симметричностью упоров и эквивалентностью механических свойств упругих элементов крепления 4. В качестве упругих элементов крепления могут быть использованы, например, пружины.
Во втором варианте исполнения (фиг.6) упор 3 может быть выполнен в виде гнутой металлической пластины, цельнолитой пластиковой детали, либо отрезка металлического или пластикового проката.
Упор 3, для обоих вариантов исполнения, может быть выполнен как индивидуальным для каждого ребра жесткости, так и общим для нескольких ребер (фиг.7, 8, 9).
Также упор может быть выполнен двусторонним, с возможностью крепления двух отражательных элементов соседних отражателей (фиг.13).
Наиболее предпочтителен вариант исполнения настоящего изобретения, когда концентратор солнечной энергии представляет собой группу объединенных между собой отражателей (фиг.10, 11). В этом случае для крепления двух соседних отражательных элементов возможно использование как односторонних (фиг.12), так и двусторонних упоров (фиг.13). Для объединения группы отражателей могут быть использованы различные профили 6, которые крепятся непосредственно к ребрам жесткости 2 (фиг.10, 11).
Крепление ребер жесткости к отражательному элементу, описанное в настоящем изобретении, обеспечивает симметричность усилий, действующих на полосу отражательного элемента. Это вызывает распределение напряжений в отражательном элементе таким образом, что жесткость конструкции значительно увеличивается при сохранении необходимой точности отражающей поверхности, и становится возможным отказаться от применения дополнительных элементов, которые предназначены для обеспечения взаимной неподвижности ребер жесткости, относящихся к одному отражателю. Также достигаются следующие положительные результаты: уменьшение стоимости и упрощение конструкции концентратора солнечной энергии при сохранении необходимой точности и стабильности формы отражающей поверхности; сокращение времени сборки концентратора; снижение доли ручного труда и возможность полной автоматизации процесса изготовления отражателей; обеспечение ремонтопригодности изделия; снижение материалоемкости конструкции; обеспечение стабильности формы концентратора при высоких тепловых нагрузках и перепадах температур.
Несмотря на то что изобретение было описано на примере, отображенном на чертежах, для специалистов в данной области будет понятно, что могут быть внесены изменения в форму и детали осуществления изобретения и сделаны эквивалентные замены элементов, не выходящие за границы идеи и объема изобретения. Также предполагается, что не следует пункты формулы изобретения, допускающие широкое толкование, в которых не указаны детали конкретного варианта осуществления, раскрытого здесь в качестве наилучшего способа осуществления изобретения, считать ограниченными такими деталями.