КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
SOLAR RADIATION CONCENTRATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области гелиотехники и относится к устройствам, предназначенным для приема и концентрации солнечного излучения.
В настоящее время основным источником получения электроэнергии является сжигание ископаемых органических топлив. Ввиду ограниченности их запасов и неэкологичности данных источников энергии ведутся поиски альтернативных источников энергии. Одним из наиболее перспективных альтернативных источников энергии является солнечная энергия. Но на пути ее использования встает ряд проблем. Основными проблемами солнечной энергетики является рассеянность солнечной энергии, а также зависимость концентрации солнечной энергии от погодных условий и времени суток. Данные проблемы возможно решить путем поднятия концентраторов солнечного излучения в верхние слои атмосферы. Для этого можно использовать надувные концентраторы наполняемые легким газом (например, гелием или водородом).
Известен отражатель (выбранный за аналог по первому варианту изобретения и прототип по второму варианту) по авторскому свидетельству СССР №645110, содержащий баллон, внутренняя полость которого связана с источником регулируемого давления, ограниченный прозрачной передней стенкой и отражающей задней стенкой. Центральная часть отражающей стенки выполнена прозрачной, внутри баллона установлена эластичная перегородка, разделяющая его полость на изолированные секции, имеющие независимые связи с источником давления, и металлизированная с обеих сторон в центральной части.
Недостатки известного устройства следующие:
- ограничение размеров отражателя, обусловленное возможностью его деформации в результате атмосферных воздействий;
- ограниченность формы профиля зеркала,
- ограниченность материала, используемого для изготовления зеркальной поверхности;
- невозможность упрочнения зеркала ввиду вносимого при этом искривления в его форму.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, - увеличение размеров концентратора, улучшение возможности получения и подержания заданной формы профиля концентратора, возможность его подъема в верхние слои атмосферы, повышение надежности его работы.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в концентраторе солнечного излучения по первому варианту, содержащем газонаполняемую камеру, камера выполнена в виде гибкой оболочки, при этом часть оболочки камеры выполнена прозрачной, внутренняя полость камеры разделена гибкой перегородкой, согласно изобретению концентратор содержит несущую раму, установленную внутри камеры, внутренняя поверхность оболочки камеры связана с несущей рамой по ее периметру, одна поверхность гибкой перегородки выполнена зеркальной и обращена к прозрачному участку оболочки камеры, между гибкой перегородкой с тыльной стороны зеркальной поверхности и камерой выполнен каркас в виде нитей, связывающих оболочку камеры с гибкой перегородкой, при этом места соединений нитей с гибкой перегородкой и с оболочкой камеры распределены по поверхностям оболочки и перегородки, длина нитей на разных участках указанных поверхностей определяется необходимой формой зеркальной поверхности, внутри газонаполняемой камеры размещен приемник излучения.
В полости камеры между ее прозрачным участком и зеркальной поверхностью гибкой перегородки может быть размещено дополнительное зеркало - отражатель, обращенное своей зеркальной поверхностью к зеркальной поверхности гибкой перегородки и предназначенное для приема солнечного излучения от зеркальной поверхности гибкой перегородки и направления сфокусированного солнечного излучения к приемнику излучения.
Приемник излучения может быть выполнен в виде МГД - генератора.
Целесообразно дополнительное зеркало-отражатель устанавливать на опорах, связанных с несущей рамой.
Возможно крепление дополнительного зеркала-отражателя непосредственно к газонаполняемой камере.
Возможно выполнение зеркальной поверхности гибкой перегородки сегментированной.
В концентраторе солнечного излучения по второму варианту, содержащем газонаполняемую камеру, камера выполнена в виде гибкой оболочки, при этом часть оболочки камеры выполнена прозрачной, внутренняя полость камеры разделена на две герметичные полости первой гибкой перегородкой, согласно изобретению концентратор содержит несущую раму, установленную внутри камеры, оболочка камеры плотно связана с несущей рамой по ее периметру, вдоль гибкой перегородки расположена вторая гибкая перегородка, одна поверхность второй гибкой перегородки выполнена зеркальной и обращена к прозрачному участку оболочки камеры, первая полость камеры образована между прозрачным участком оболочки камеры и первой гибкой перегородкой, при этом вторая гибкая перегородка выполнена с отверстиями, вторая полость образована между другим участком оболочки камеры и первой гибкой перегородкой, давление в первой полости больше, чем давление во второй полости, вдоль первой гибкой перегородки расположена неупругая сетка, прикрепленная по периметру к несущей раме, по поверхности второй гибкой перегородки размещены соединительные элементы, связывающие вторую гибкую перегородку с сеткой и первой гибкой перегородкой, сеть установлена с возможностью ее натяжения при натяжении первой гибкой перегородки, в первой полости камеры размещен приемник излучения.
В первой полости может быть установлено дополнительное зеркало - отражатель, обращенное своей зеркальной поверхностью к зеркальной поверхности второй гибкой перегородки и предназначенное для приема солнечного излучения от зеркальной поверхности второй гибкой перегородки и направления сфокусированного солнечного излучения к приемнику излучения.
Приемник излучения может быть выполнен в виде МГД - генератора. Дополнительное зеркало - отражатель целесообразно устанавливать на опорах, связанных с несущей рамой.
Возможно крепление дополнительного зеркала-отражателя непосредственно к газонаполняемой камере.
Соединительные элементы могут быть выполнены в виде штифтов. Возможно выполнение зеркальной поверхности второй гибкой перегородки сегментированной.
Концентратор по обоим вариантам содержит герметичную газонаполняемую камеру. Форма камеры близка к сферической. Камера может иметь иную форму, отличную от сферической. Концентратор по обоим вариантам содержит несущую раму, изготовленную из легкого прочного материала и имеющую форму, близкую к кольцу. Продольное сечение несущей рамы может представлять собой кольцо, или иметь иную форму, главное, чтобы рама обеспечивала прочность всей конструкции концентратора. Несущая рама может иметь форму тора или кольцевой фермы. Несущая рама снабжена элементами (например, шарнирами), посредством которых вся конструкция соединяется с элементами, обеспечивающими ориентирование концентратора. Элементами, обеспечивающими ориентирование концентратора, может являться вилка (подобно вилкам, используемым при монтаже телескопов), связанная с поверхностью земли.
В концентраторе по обоим вариантам зеркальная поверхность второй гибкой перегородки обращена к прозрачной части оболочки камеры с тем, чтобы обеспечить поступление солнечного излучения к зеркальной поверхности гибкой перегородки.
Солнечное излучение, отражающееся от зеркальной поверхности гибкой перегородки, может направляться непосредственно к приемнику излучения или может быть направлено на дополнительное зеркало - отражатель. Дополнительное зеркало -отражатель по обоим вариантам предназначено для приема солнечного излучения, отраженного от зеркальной поверхности гибкой перегородки (гибкое зеркало) и направления сфокусированного солнечного излучения к приемнику излучения, например МГД - генератору, также установленному внутри камеры между двумя зеркалами.
Дополнительное зеркало и приемник излучения могут быть установлены на опорах, например фермах, жестко связанных с несущей рамой. Кроме того, дополнительное зеркало может быть прикреплено непосредственно к газонаполняемой камере.
В концентраторе по первому варианту гибкое зеркало и камера соединены каркасом в виде нитей, расположенным между тыльной стороной гибкого зеркала и камеры. Нити передают силу натяжения от поверхности наполненной оболочки камеры на гибкое зеркало, передавая ему рабочую форму. Форма гибкого зеркала задается длиной нитей на разных участках между зеркалом и оболочкой камеры. Места крепления нитей к гибкому зеркалу и к оболочке камеры также определяются необходимой формой зеркальной поверхности.
Гибкое зеркало может быть выполнено сегментированным, а именно: на гибкую перегородку прикреплены зеркальные элементы.
Вышеуказанная конструкция обеспечивает возможность регулировки формы гибкого зеркала изменением натяжения нитей, их длиной и изменением месторасположения крепления нитей к соединяемым поверхностям.
Внутренняя полость камеры по второму варианту разделена первой гибкой перегородкой на две герметичные полости. Первая гибкая перегородка по периметру связана с несущей рамой. Концентратор содержит вторую гибкую перегородку, расположенную вдоль первой гибкой перегородки. Одна поверхность второй гибкой перегородки выполнена зеркальной и обращена к прозрачному участку оболочки камеры, другая поверхность второй гибкой перегородки является тыльной.
Также вдоль первой гибкой перегородки расположена сетка из неупругого материала, связанная по своему периметру с несущей рамой. Сеть натягивается при натяжении первой гибкой перегородки при подаче во внутреннюю полость камеры газа, придавая необходимую форму зеркальной поверхности. Для этого вторая гибкая перегородка соединительными элементами, размещенными вдоль всей поверхности второй гибкой перегородки, связана с сеткой и первой гибкой перегородкой.
Сетка может располагаться между первой и второй гибкими перегородками, а также между первой гибкой перегородкой и оболочкой камеры.
Таким образом, сетка выполняет роль силового каркаса для передачи усилия натяжения от первой гибкой перегородки через соединительные элементы на вторую гибкую перегородку (гибкое зеркало). Соединительные элементы могут быть выполнены, например, в виде штифтов. Штифты целесообразно размещать в узлах сетки. Сеть по периметру связана с несущей рамой. Геометрией сетки (ее площадью, расстоянием между соседними узлами сетки), расположением крепежных элементов и их геометрией задается форма, которую необходимо придать гибкому зеркалу. Сетка в данном случае играет роль несущего и формирующего форму гибкого зеркала каркаса.
Первая полость камеры образована между первой гибкой перегородкой и прозрачным участком камеры.
Вторая полость камеры образована между другой частью оболочки камеры и первой гибкой перегородкой.
Обе полости камеры изолированы друг от друга посредством герметичного соединения несущей рамы и камеры. Для обеспечения герметичности первая гибкая перегородка также герметично по периметру связана с несущей рамой.
В гибком зеркале выполнены отверстия или щели (по его периметру) для того, чтобы иметь возможность обеспечить необходимую форму гибкого зеркала. Форма зеркала формируется при наполнении газом обеих изолированных друг от друга полостей и поддерживается посредством каркаса в виде сети.
Давление в первой полости выше, чем давление во второй полости с тем, чтобы обеспечить вогнутую форму гибкого зеркала.
Как уже указывалось, форма гибкого зеркала задается геометрией сетки (ее площадью, расстоянием между соседними узлами сетки), а также расположением и геометрическими параметрами крепежных элементов.
Посредством каркаса обеспечено соединение обеих гибких перегородок для передачи усилия от первой гибкой перегородки на вторую гибкую перегородку.
Вышеуказанная конструкция обеспечивает возможность регулировки формы гибкого зеркала изменением натяжения сетки, а также изменением длины соединительных крепежных элементов между гибким зеркалом и первой гибкой перегородкой.
Внутренние объемы камер (всей камеры по первому варианту; первой и второй полостей в камере по второму варианту) выполнены с возможностью сообщения с источником газа, обеспечивающим заполнение камер по обоим вариантам газом.
Конструкции отражателей по обоим вариантам являются легкими, простыми и надежными.
Наличие в конструкции концентраторов по обоим вариантам несущей рамы обеспечивает возможность крепить к ней снаружи необходимые элементы, посредством которых будет обеспечиваться связь концентратора с элементами внешних конструкций, обеспечивающих ориентацию концентратора в пространстве, а также к несущей раме может быть прикреплено через опоры (например, фермы) дополнительное зеркало. Также к несущей раме посредством опор (например, ферм) крепится приемник излучения (например, МГД - генератор), расположенный в полости камеры.
Изобретения по обоим вариантам поясняются чертежами.
На фиг.1 изображен разрез концентратора солнечного излучения по первому варианту.
На фиг.2 показано соединение гибкой перегородки и нитей.
На фиг.3 изображен разрез концентратора солнечного излучения по второму варианту.
На фиг.4 показано соединение гибких перегородок с каркасом.
На фиг.5 показана гибкая зеркальная поверхность в плане.
Концентратор по первому варианту содержит газонаполняемую камеру 1 и несущую раму 2. Камера 1 представляет собой оболочку, выполненную из полимерного материала. Несущая рама 2 имеет форму кольца или форму, близкую к кольцу (например, в виде многостороннего многоугольника). Рама 2 выполнена, например, из алюминиевого сплава. Несущая рама 2 по своему наружному периметру связана с камерой 1, т.е. рама 2 находится внутри камеры 1 и проходит через плоскость, делящую внутреннюю полость камеры 1 примерно на равные части. Местоположение рамы 2 и способ ее крепления к камере 1 не имеет значения. Главное - обеспечить прочное сцепление камеры 1 с рамой 2. Гибкое зеркало 3 по своему наружному периметру связано с рамой 2. Одна поверхность зеркала 3 выполнена зеркальной 4, а другая является его тыльной поверхностью 5. Участок 6 оболочки камеры 1, обращенный к зеркальной поверхности 4 зеркала 3, выполнен прозрачным. Зеркало 3 и участок 7 оболочки камеры 1, находящийся с тыльной стороны зеркала, связаны нитями 8, выполняющими роль силового каркаса зеркала 3. Геометрия зеркальной поверхности 4 задается длиной нитей 8 на разных участках. Точки крепления нитей 8 к участку 7 оболочки камеры 1 и к зеркалу 3 распределены по указанным поверхностям. Местоположение и плотность расположения точек крепления нитей 8 на участке 7 оболочки камеры и зеркала 3 определяется необходимой геометрией зеркальной поверхности 4. Внутри камеры 1 на креплениях 9 установлено дополнительное зеркало 10 - отражатель, предназначенное для приема солнечного излучения от зеркальной поверхности 4 и направления сфокусированного солнечного излучения в приемник излучения 11 (например в МГД - генератор), размещенный также в полости камеры 1. Снаружи к раме 2 могут быть прикреплены элементы крепления 12, предназначенные для крепления концентратора к внешним ориентирующим и удерживающим устройствам. Элементы 12 могут быть выполнены в виде шарниров с тем, чтобы обеспечить возможность поворота концентратора в пространстве для его ориентировки.
Гибкое зеркало 3 может быть цельным в виде тонкого диска, сделанного из упругого (гибкого) материала. На передней поверхности зеркала 3 может быть нанесено отражающее покрытие, если зеркало сделано из малоотражающего материала.
Зеркало может состоять и из сегментов 13, которые соединены с крепежной сеткой (на чертеже не показана), которая соединена по наружному периметру с рамой 2, и узлы которой нитями 8 связаны с оболочкой камеры 1. Зеркальные сегменты 13 могут быть плоскими или вогнутыми. Они выполнены в виде тонких листов с зеркальной поверхностью, сделанных, например, из алюминиевых сплавов с полированной отражающей поверхностью, помимо алюминиевых сплавов материалами для сегментов могут быть полимеры или другие вещества с нанесенным на них отражающим слоем.
Концентратор по первому варианту работает следующим образом. Во внутренний объем камеры 1 от источника газа (на чертеже не показан) подается рабочий газ (например, гелий) в необходимом количестве (для расправления и натяжения оболочки камеры 1).
Количество подаваемого газа в камеру 1 зависит от рабочей высоты, на которой эксплуатируется установка. Если установка работает у земной поверхности, то внутрь камеры 1 нагнетается объем газа, достаточный для устойчивого принятия поверхностью камеры 1 ее рабочей формы. Если же отражатель эксплуатируется в верхних слоях атмосферы, то камера 1 перед началом ее подъема в атмосферу заполняется лишь частично (как стратостат), но достаточно для осуществления устойчивого подъема всей конструкции в атмосферу. При дальнейшем наборе высоты в результате падения внешнего атмосферного давления газ внутри камеры 1 будет расширяться, что приведет к постепенному изменению формы ее оболочки по мере подъема. На расчетной рабочей высоте форма оболочки камеры 1 примет заданную конфигурацию, дальнейшее ее изменение - увеличение - будет ограничиваться противодействующей силой упругого растяжения оболочки, после чего подъем концентратора остановится.
В случае концентратора с цельным зеркалом, камера в рабочем состоянии посредством передачи силы натяжения от оболочки камеры через нити переводит основное зеркало в вогнутое рабочее положение.
В случае концентратора с сегментированным зеркалом, камера в рабочем состоянии посредством передачи силы натяжения от оболочки камеры через нити переводит крепежную сетку в натянутое рабочее положение. Площадь сетки, длина сторон в ячейках крепежной сетки и длина тяговых нитей задают форму натянутой сетки, к которой крепятся сегменты зеркала. Площадь сетки больше площади ограниченной внутренним периметром несущей рамы, что позволяет ей принимать вогнутую форму под действием натянутых нитей. С ячейками крепежной сетки связаны сегменты зеркала.
Солнечное излучение через участок 6 камеры 1 поступает на зеркало 3 (на его зеркальную поверхность). Отражаясь от зеркала 3 сфокусированное солнечное излучение поступает к дополнительному зеркалу 10, от которого сфокусированный световой поток поступает к приемнику излучения 11.
Концентратор по второму варианту содержит газонаполняемую камеру 1 и несущую раму 2. Камера 1 представляет собой оболочку, выполненную из полимерного материала. Несущая рама 2 имеет форму кольца или форму, близкую к кольцу (например, в виде многостороннего многоугольника). Рама 2 выполнена из легкого материала, например из алюминиевого сплава. Несущая рама 2 по своему наружному периметру плотно связана с камерой 1, т.е. рама 2 находится внутри камеры 1 и проходит через плоскость, делящую внутреннюю полость камеры 1 примерно на равные части. Замкнутый периметр соединения камеры 1 и рамы 2 является герметично плотным. Местоположение рамы 2 и способ ее крепления к камере 1 не имеет большого значения. Главное - обеспечить герметично плотную связь камеры 1 с рамой 2. Внутренняя полость камеры 1 разделена на две герметичные полости первой гибкой перегородкой 14, которая по своему наружному периметру плотно связана с рамой 2. Вдоль первой гибкой перегородки 14 расположено зеркало 15 (представляющее собой вторую гибкую перегородку, одна поверхность которой выполнена зеркальной). Поверхность 16 зеркала 15 выполнена отражающей, а другая является тыльной 17 и обращена к перегородке 14. Участок 18 оболочки камеры 1, обращенный к отражающей поверхности 16 зеркала 15, выполнен прозрачным. Первая полость 19 образована между прозрачным участком 18 оболочки камеры 1 и перегородкой 14. При этом зеркало 15 выполнено с отверстиями, обеспечивающими прохождение газа в полость между перегородкой 14 и зеркалом 15 или для этого по внешнему периметру зеркала 15 имеется щель между краем зеркала 15 и несущей рамой 2. Вторая полость 20 образована между гибкой перегородкой 14 и другим участком 21 оболочки камеры 1. Перегородка 14 и зеркало 15 связаны между собой соединительными элементами 22, например штифтами. Штифты распределены по площади перегородки 14 и зеркала 15. Чем больше количество соединительных элементов, тем точнее можно будет задавать форму отражающей поверхности 16. Соединительные элементы 22 прикреплены к сетке 23, которая прикреплена по ее внешнему периметру к раме 2. Путем натяжения сетки 23, благодаря действию на нее перегородки 14, осуществляется формирование отражающей поверхности 16, при этом сетка 23 с элементами 22 выполняет роль силового каркаса зеркала 15, обеспечивая формирование и удержание его в устойчивом рабочем состоянии. Давление в первой полости 19 выше, чем давление во второй полости 20, это обеспечивает вогнутую форму зеркала 15. Внутри камеры 1 на креплениях 9 (фермах) установлено дополнительное зеркало 10 - отражатель, предназначенное для приема солнечного излучения от отражающей поверхности 16 и направления сфокусированного солнечного излучения в приемник излучения 11 (например, в МГД - генератор), размещенный на опорах (например, в виде ферм) также в полости камеры 1. Снаружи к раме 2 могут быть прикреплены элементы крепления 12, предназначенные для крепления концентратора к внешним ориентирующим и удерживающим устройствам. Элементы 12 могут быть выполнены в виде шарниров с тем, чтобы обеспечить возможность поворота концентратора в пространстве для его ориентировки.
В рабочем состоянии газ в первом отсеке 19 производит растяжение и выгибает перегородку 14, перекрывающую ячейки сетки в сторону другого отсека, т.к. давление в первой полости больше чем во второй, что переводит крепежную сетку 23 в натянутое рабочее положение (состояние), через соединительные элементы 22 происходит передача силы натяжения сетки 23 на зеркало 15 и создается изгибающее усилие, которым поддерживается необходимая форма зеркальной поверхности 16. Сетка 23 может быть изготовлена на основе углеродных и полимерных волокон, стекловолокна, металлической проволоки и т.д. Оболочка камеры 1 (часть) выполняется из прозрачных полимеров в виде пленки. Зеркало 15 может быть цельным или состоять из зеркальных сегментов плоских или вогнутых. Сегменты зеркала или зеркало в целом выполнены в виде тонких листов с зеркальной поверхностью, сделанных например, из алюминиевых сплавов с полированной отражающей поверхностью, помимо алюминиевых сплавов материалами для зеркала могут быть полимеры или другие вещества с нанесенным на них отражающим слоем.
По внешнему периметру зеркало 15 соединено с несущей рамой 2. Зеркальная поверхность 16 принимает необходимую форму при переводе камеры 1 в рабочее состояние в результате передачи силы натяжения перегородки 14 на сеть 23, а через соединительные элементы 22 - на зеркало 15. Наиболее оптимально передавать изгибающее усилие (несколько) распределено по поверхности зеркала 15, а не точечно, чтобы избежать локальной деформации. К несущей раме 1 может быть присоединен приемник излучения 11 посредством ферм, сделанных из легких алюминиевых сплавов или композиционных материалов, и в случае конструкционной необходимости другими фермами с рамой соединено и вторичное дополнительное отражающее зеркало необходимой формы.
Отражатель по второму варианту работает следующим образом. В полость 19 и 20 от источника газа (на чертеже не показан) подается рабочий газ, например гелий, при этом давление в полости 19 выше, чем давление в полости 20, это обеспечивает вогнутую форму отражающей поверхности 16.
После заполнения камеры газом формируется рабочая форма у оболочки камеры 1, а с ней и отражающей поверхности 16. Сетка 23 и соединительные элементы 22 выполняют роль силового каркаса для зеркальной поверхности 16 и обеспечивают формирование и постоянство ее формы.
В случае выполнения зеркала 15 цельным, для проникновения газа в пространство между перегородкой 14 и тыльной стороной зеркала 15 целесообразно наличие на поверхности зеркала 15 небольших отверстий или щели по его периметру.
Количество подаваемого газа в полости камеры 1 зависит от рабочей высоты на которой эксплуатируется установка. Если установка работает у земной поверхности, то внутрь камеры 1 сразу подается объем газа, достаточный для устойчивого принятия поверхностью камеры 1 ее рабочей формы. Если же отражатель эксплуатируется в верхних слоях атмосферы, то камера перед началом ее подъема в атмосферу заполняется лишь частично (как стратостат), но достаточно для осуществления подъема всей конструкции в атмосферу. При дальнейшем наборе высоты в результате падения внешнего атмосферного давления газ внутри камеры 1 будет расширяться, что приведет к постепенному изменению формы ее оболочки по мере подъема. На расчетной рабочей высоте форма оболочки камеры 1 примет заданную конфигурацию, дальнейшее ее изменение - увеличение будет ограничиваться противодействующей силой упругого растяжения оболочки, после чего подъем камеры 1 остановится.
В рабочем состоянии отражатель по обоим вариантам своей осью ориентирован в пространстве по направлению к солнцу. Солнечные лучи, проходя через прозрачный участок оболочки камеры 1, падают на зеркало 4 (15), отразившись от которого, они направляются в приемник излучения или непосредственно, или дополнительно отразившись от дополнительного зеркала. Приемником излучения может быть МГД - генератор, или двигатель Стирлинга, совмещенный с электрогенератором, или другой тип (способ) преобразователя солнечного излучения. Вырабатываемая электрическая энергия в случае отражателя в виде свободно парящего в атмосфере аэростата запасается электроаккумуляторами или же преобразуется в химическую энергию, например, возможно получение водорода и кислорода посредством электролиза воды. В случае же выполнения закрепленного с землей аэростата электрическая энергия может непосредственно передаваться на поверхность земли по удерживающим тросам. Оболочка камеры может быть армирована сеткой, особенно со стороны тыльной части зеркала. Укрепляющая (армирующая) сетка может располагаться снаружи оболочки.