Солнечная энергетическая установка

(51) 24 2/02 (2010.01) 24 2/42 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ поворотные плоские зеркала под углом 45 градусов по отношению к осевой плоскости, отражающие излучение солнца на коллектор. Находящаяся под опорной рамой следящая система содержит силовые блоки управления за суточным положением солнца и положением солнца по высоте. В СЭУ используются дешевые фотоэлементы(китайского производства), установленные на охлаждаемой поверхности. Повышена надежность СЭУ за счет снижения парусности, массогабаритных характеристик и снижена стоимость ее изготовления за счет размещения зеркал двух концентраторов на одном сбалансированном относительно точки опоры поворотном устройстве. Кроме того, в конструкции СЭУ практически нет не работающих затененных участков поверхности. Длина плоских зеркал рассчитана на размещение не менее двенадцати фотоэлементов на базовой плоскости с двух сторон, поэтому суммарное напряжение фотоэлементов равно 12 В. Ток с фотоэлементов поступает на зарядку аккумуляторов. Как показали эксперименты, мощность СЭУ превышает 2,15 кВт, поэтому даже в зимнее время вода подогревается до 60 градусов. При этом электрическая мощность равна 125 Вт, из них 100 Вт преобразуется(72) Нестеренков Александр Геннадьевич Нестеренков Петр Александрович Магомедов Расим Магомедович(73) Акционерное общество КазНИИ энергетики им. академика Ш.Ч. Чокина(56) Икрянников Н.П., Свиридов К.Н., Шадрин В.И. Автономные солнечные установки с концетраторами солнечного излучения, Интеграл, 2 (22), 2005(57) Изобретение относится к солнечным фотоэлектрическим установкам с комбинированными солнечными фотоэлектрическими модулями с зеркальными концентраторами для одновременной выработки электроэнергии и тепла. Разработанная солнечная энергетическая установка(СЭУ) использует поворотную платформу, состоящую из опорной рамы с плоскими зеркалами двух концентраторов. Периферийные зеркала отъюстированы на поверхность приемников излучения в виде фотоэлементов. Центральные зеркала отъюстированы на поверхность плоского коллектора с теплоносителем. На опорной раме между зеркалами двух концентраторов закреплены Изобретение относится к области солнечной энергетики,в частности к солнечным фотоэлектрическим установкам с комбинированными солнечными фотоэлектрическими модулями с зеркальными концентраторами для одновременной выработки электроэнергии и тепла. Известна комбинированная концентрирующая энергоустановка (Патент 2285210 24 2/32),содержащая конусный и параболический зеркальные концентраторы, приемник излучения в фокусе конусного концентратора в виде полого трубчатого теплообменника, закрепленные на поверхности теплообменника фотоэлементы,закрепленные на поверхности параболического концентратора термопреобразователи, несущей конструкции для крепления концентраторов. Конусный концентратор фокусирует излучение на трубчатом теплообменнике и нагревает в нем теплоноситель,например,воду. Эта вода дополнительно снимает тепло с закрепленных на поверхности теплообменника фотоэлементов. Дополнительную солнечную энергию получают закрепленные на поверхности параболического концентратора термопреобразователи. Недостатком данной энергоустановки является низкая эффективность преобразования солнечной энергии в электричество вследствие недостаточной освещенности расположенных вдоль трубчатого теплообменника фотоэлементов - лучи солнца концентрируются или на теплообменнике, или на фотоэлементах. Недостатком является также нерациональное использование приосевой части энергоустановки из-за ее затенения конструкцией параболического концентратора. Недостатком является сложность изготовления конусного концентратора и высокая стоимость его изготовления. Известен преобразователь солнечной энергии(Патент США 4038971 243/02), содержащий вогнутый концентратор,выполненный из совокупности зеркальных пластинок, наклеенных с зазором на его поверхность вдоль фокусной оси,размещенный в фокусе концентратора приемник излучения в виде трубы с протекающим внутри теплоносителем,корпус для крепления концентратора и приемника излучения. Свет,падающий на зеркальные пластины, отражается от них на поверхность трубы приемника и нагревает теплоноситель. Недостатком преобразователя является получение от солнца только тепла и сложность изготовления концентратора с наклейкой и фокусировкой каждой пластины на поверхность трубы приемника. Известна гелиоустановка (Патент РФ 2210038 24 2/14, 24 2/18), состоящая из несущей конструкции,протяженного приемника концентрированного солнечного излучения,концентратора,составленного из набора установленных на несущей параболоцилиндрической поверхности протяженных плоских зеркал, причем отражения солнечных лучей от них направлены на 2 протяженный приемник, установленный вдоль фокусной линии параболоцилиндрической поверхности, а величина площади зеркал близка к площади приемника. К недостаткам гелиоустановки следует отнести сложность ее изготовления,недостаточную надежность в условиях ветровых нагрузок из-за большой парусности параболоцилиндрического концентратора. Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству, выбранному в качестве прототипа,является солнечная фотоэлектрическая установка(Икрянников Н.П. , Свиридов К.Н. ,Шадрин В.И Автономные солнечные установки с концентраторами солнечного излучения. Интеграл,2 (22), 2005 г.), состоящая из датчика положения солнца, силового блока управления одноосевых поворотных платформ, одна из которых содержит концентратор параболоцилиндрической формы из набора плоских зеркал,ориентированных(отъюстированных) на отражение параллельного потока солнечных лучей на поверхность фототермических приемников, установленных вдоль фокусной линии концентратора, а другая содержит концентратор параболоцилиндрической формы из набора цилиндрических зеркал, вдоль фокусной линии которого установлен коллектор в виде трубы с теплоносителем. Концентратор первой платформы посредством юстировки составляющих его зеркальных пластин обеспечивает многократную концентрацию солнечного излучения на поверхности фототермических приемников,обеспечивая увеличение вырабатываемого электрического тока и снимаемого теплоносителем тепла, поступающего далее на коллектор. Концентратор второй платформы обеспечивает многократную концентрацию солнечного излучения на поверхности коллектора. При этом предварительно подогретый в фототермическом приемнике теплоноситель дополнительно подогревается до более высоких температур, и может использоваться в водяном теплоизолированном теплообменнике для подогрева воды в хозяйственных нуждах. Подстройка концентраторов по высоте солнца(сезонному углу) проводится по сигналу датчика слежения за солнцем силовым блоком управления исполнительным механизмом положения платформ по одной угловой координате. Недостатками прототипа являются. Фотоэлектрические преобразователи без серьезной переделки даже в условиях охлаждения водой не позволяют повышать концентрацию солнца более четырех раз из-за недопустимого роста их температуры и ухудшения характеристик фотоэлементов. В прототипе не указывается на переделку стандартных фотоэлементов. Переделанные на прием повышенной плотности солнечного излучения фотоэлементы стоят очень дорого,а для обычных фотоэлементов,охлаждаемых посредством соприкосновения с поверхностью, вдоль которой течет теплоноситель,нет смысла значительно повышать концентрацию солнечного света. Конструкция одноосевых платформ слежения за солнцем не позволяет ориентировать их вдоль солнечного потока при движении солнца от восхода к закату,что ограничивает получение максимального количества энергии в течение дневного периода освещения. Размещение концентраторов на двух поворотных одноосевых платформах создает большую парусность, что требует наличия мощной и дорогой силовой системы слежения за солнцем. Для изготовления фотоэлектрической установки требуется изготовление системы зеркал различной формы и конструкции, в том числе и цилиндрических, что значительно усложняет изготовление установки и ее стоимость. Предлагаемое техническое решение обеспечивает следующий технический результат. 1.Снижение стоимости СЭУ за счет использование стандартных не переделанных на прием большого солнца, дешевых фотоэлементов(китайского производства), установленных на водоохлаждаемую поверхность. 2.Повышение количества энергии, получаемой от солнца в течение дня за счет двухкоординатного углового слежения за солнцем. 3. Повышение надежности конструкции солнечных концентраторов за счет снижения парусности. Снижение массо-габаритных характеристик СЭУ, а также стоимости ее изготовления за счет размещения зеркал двух концентраторов на одном сбалансированном относительно точки опоры поворотном устройстве. 4. Снижение стоимости изготовления СЭУ за счет использования для концентраторов только плоских зеркал двух размеров. Указанный выше технический результат достигается тем, что в известной солнечной фотоэлектрической установке,содержащей поворотные платформы с концентраторами, один из которых состоит из набора плоских зеркал,отъюстированных на равномерную освещенность отраженным светом поверхности фототермических приемников, которые установлены вдоль осевой плоскости концентратора, а другой состоит из набора зеркал, отъюстированных на равномерную освещенность отраженным светом поверхности коллектора в виде трубы с теплоносителем,следящая система с силовым блоком управления за положением платформ по высоте солнца, в отличие от прототипа используется одна поворотная платформа, состоящая из выполненных из металлических профилей и дистанционных втулок опорной рамы и ориентированной перпендикулярно ей вдоль осевой плоскости базовой рамы, зеркала двух концентраторов выполнены плоскими, и установлены на одной опорной раме так, что периферийные из них отъюстированы на поверхность приемников излучения в виде фотоэлементов,закрепленных вдоль осевой плоскости на базовой раме и прижатых плотно нерабочей стороной к размещенному между ними общему охладителю с теплоносителем в виде тонкой полой пластины, а центральные зеркала отъюстированы на параллельную опорной раме поверхность плоского коллектора с теплоносителем,установленного на базовой раме над фотоэлементами, кроме того на опорной раме между зеркалами двух концентраторов закреплены поворотные плоские зеркала под углом 45 градусов по отношению к осевой плоскости, а на базовой раме под холодильником установлены два ответных к поворотным плоских зеркала под углом 45 градусов к осевой плоскости, на обращенной к солнцу плоскости коллектора расположены с зазором от нее неохлаждаемые фотоэлементы,подключенные к блоку обеспечения собственных нужд энергетической установки, находящаяся под опорной рамой следящая система содержит дополнительно силовой блок управления за суточным положением солнца. На фиг.1 представлен общий вид предлагаемой солнечной энергетической установки, на фиг.2 общая схема установки с размещением отъюстированных зеркал концентраторов на опорной раме и установкой приемников солнечного света на базовой раме. Солнечная энергетическая установка содержит опорно-поворотную платформу, состоящую из опорной рамы 1 с дистанционными втулками (на рис. 2 не показаны), и установленной ей перпендикулярно базовой рамы 2 с такими же дистанционными втулками. На опорной раме расположены периферийные 3 относительно осевой плоскости симметрии зеркала концентратора, и центральные зеркала 4 второго концентратора. Между ними расположены поворотные зеркала 5,установленные под углом 45 градусов к плоскости опорной рамы. Вдоль осевой плоскости 00 на базовой раме 2 установлены приемники потоков отражения - фотоэлементы 6 с расположенным между ними охладителем 7 с теплоносителем. Над фотоэлементами 6 на базовой раме 2 установлен плоский коллектор 8 с теплоносителем, рабочая поверхность которого параллельна плоскости опорной рамы и имеет селективное покрытие. На обращенной к солнцу поверхности предпочтительно устанавливаются с зазором фотоэлементы 9 для обеспечения собственных нужд энергоустановки. В случае использования селективного покрытия на двух плоскостях коллектора, обе они являются рабочими, и фотоэлементы 9 отсутствуют. У основания базовой рамы под углом 45 градусов к ней закреплены ответные к 5 зеркала 10. Поворотная платформа посредством опорной рамы 1 установлена на следящей системе, содержащей силовой блок управления 11 за положением солнца по высоте и силовой блок управления 12 за суточным положением солнца вокруг оси . Предложенная солнечная энергетическая установка работает следующим образом. Потоки отражения солнечного излучения от зеркал концентраторов распределяются равномерно по поверхности фотоэлементов и коллектора с селективным покрытием. Ход солнечных лучей через оптические элементы солнечной установки показан на фиг.2. стрелками. Постоянное 3 совмещение оси симметрии 00 зеркал концентраторов 3 и 4 с направлением солнечного излучения,обеспечивается системой автоматического слежения за положением солнца. Солнечное излучение А и В отражается от пластин концентраторов 4 и 3 и равномерно освещает соответственно поверхности коллектора 8 и фотоэлементов 6. Это достигается предварительной юстировкой положения каждой из зеркальных пластин 3 и 4. В результате обеспечивается многократное увеличение плотности потока солнечного излучения. Солнечное излучение В отражается от пластин 5 и далее от пластин 10 и направляется на поверхность коллектора 8. Таким образом, в отличие от известных конструкций в предлагаемой установке используется практически вся поверхность опорной плоскости, даже теневая. Длина плоских зеркал рассчитана на размещение не менее двенадцати фотоэлементов на базовой раме с двух сторон, поэтому суммарное напряжение фотоэлементов 6 равно 12 В. На поверхность фотоэлементов 9 солнечное излучение падает непосредственно, а их суммарное напряжение равно 6 В. Ток с фотоэлементов поступает на зарядку аккумуляторов. Для охлаждения фотоэлементов 6 теплоноситель по трубопроводу (не показан) подводится к ним снизу и, нагреваясь, идет по подъемному трубопроводу (не показан) вверх к коллектору 8 для получения от него дополнительного тепла. Движение теплоносителя по коллектору 8 на всей его длине также направлено вверх, т.е. вдоль направления естественного движения нагреваемого теплоносителя. С верхней точки коллектора теплоноситель по опускному трубопроводу (не показан) поступает вниз на изолированный бакнакопитель, выполняющий роль аккумулятора тепла. Таким образом, по закону гидродинамики нагреваемых слоев жидкости при соответствующей мощности нагрева теплоносителя для его движения в первом контуре достаточно естественной конвекции. Во втором контуре, теплоизолированном от внешней среды, в качестве теплоносителя используется техническая или питьевая вода. Опорная рама с концентраторами постоянно ориентирована на солнце благодаря системе суточного слежения за положением солнца 12,которая как видно из рисунка на фиг. 1 закреплена на стойке и вращает платформу вокруг осиэтой стойки. Дополнительно к суточному движению платформы осуществляется ее коррекция по высоте солнца через силовой блок управления 11. Как показали эксперименты,мощность установки превышает 2,15 кВт, поэтому даже в зимнее время вода подогревается до 60 градусов. При этом электрическая мощность равна 125 Вт. Из них 100 Вт преобразуется ( относительно дешевым) инвертором с 12 В на напряжение 220 В. В итоге получается относительно простая и имеющая низкую себестоимость изготовления энергетическая установка. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Солнечная энергетическая установка,содержащая поворотную платформу с концентраторами, один из которых состоит из набора плоских зеркал, отъюстированных на равномерную освещенность поверхности фотоэлементов,которые установлены на охлаждаемой теплоносителем поверхности вдоль осевой плоскости концентратора, а другой состоит из набора зеркал,отъюстированных на равномерную освещенность поверхности коллектора в виде трубы с теплоносителем,следящую систему с силовым блоком управления за положением платформ по высоте солнца,отличающаяся тем,что содержит одну поворотную платформу, выполненная из металлических профилей и дистанционных втулок опорной рамы и ориентированной перпендикулярно ей вдоль осевой плоскости базовой рамы, зеркала двух концентраторов выполнены плоскими, и установлены на одной опорной раме так, что периферийные из них отъюстированы на поверхность приемников излучения в виде фотоэлементов,закрепленных вдоль осевой плоскости на базовой раме и прижатых плотно нерабочей стороной к размещенному между ними общему охладителю с теплоносителем в виде тонкой полой пластины, а центральные зеркала отъюстированы на параллельную опорной раме поверхность плоского коллектора с селективным покрытием, установленного на базовой раме над фотоэлементами, кроме того между зеркалами двух концентраторов закреплены плоские зеркала под углом 45 градусов по отношению к осевой плоскости, а на базовой раме под холодильником установлены два ответных плоских зеркала под углом 45 градусов к осевой плоскости, находящаяся под опорной рамой следящая система содержит дополнительно силовой блок управления за суточным положением солнца. 2. Солнечная энергетическая установка по п.1,отличающаяся тем, что на обращенной к солнцу плоской стороне коллектора с зазором по отношению поверхности установлены фотоэлементы и подсоединены к блоку.