1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28947
(51) F24J 2/42 (2006.01)
F24J 2/32 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1741.1
(22) 15.11.2013
(45) 15.09.2014, бюл. №9
(72) Нестеренков Петр Александрович; Абдуллаев
Калык Абдуллаевич; Нестеренкова Лариса
Алексеевна; Магомедов Расим Магомедович
(73) Акционерное общество "Казахский научно-
исследовательский институт энергетики им.
академика Ш.Ч. Чокина"
(56) WO/2009/045141, 2009
(54) СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА С
КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ
(57) Рассматривается солнечная установка с
концентрацией излучения, содержащая несущую
платформу с коллекторами, на поверхности которых
сфокусированы периферийные зеркала
концентраторов. На расстоянии от коллекторов
кратном ширине зеркал установлены охлаждаемые
солнечные батареи, на которые сфокусированы
центральные зеркала концентраторов, размещенные
по обе стороны плоскости симметрии несущей
платформы равномерно с промежутками на месте
солнечной тени от каналов охлаждения солнечных
батарей. Каналы охлаждения солнечных батарей
ориентированы вдоль горизонта, а входные и
выходные отверстия для протока теплоносителя
выполнены вдоль всей длины каналов
соответственно с нижней и верхней стороны
относительно горизонта. Сборочная металлическая
конструкция несущих платформ подвешена на
подшипниках у торцов горизонтально
ориентированной траверсы, центр которой
закреплен на вращаемом по азимуту опорном седле
вертикальной неподвижной опоры. Рабочие
элементы солнечной установки размещены в
пространстве таким образом, что момент силы
тяжести центра масс несущих платформ находится
ниже осей подшипников и уравновешивает момент
силы тяжести цента масс солнечных батарей и
коллекторов с теплоносителями и устройствами их
крепления.
Изобретение позволяет рационально
использовать апертуру солнечной установки с
концентрацией излучения для получения
максимальной величины электрической и тепловой
энергии. Горизонтальная ориентация каналов
солнечных батарей устраняет неравномерность
охлаждения фотоэлементов и способствует
получению одинаковых выходных характеристик.
Оптимальный дизайн значительно уменьшил
габариты и массу сборочных узлов системы
перемещения по солнцу несущих платформ и
снизил потребляемую мощность двигателей и
схемы управления. Соответственно, снизилась и
себестоимость изготовления солнечной установки. (19)KZ(13)A4(11)28947
2. 28947
2
Изобретение относится к возобновляемым
источникам энергии и может быть использовано для
автономного энергообеспечения удаленных от
тепловых и электрических сетей жилых и
промышленных объектов.
Известна комбинированная солнечно-
энергетическая станция (Патент РФ №2111422, кл.
F24J 2/42, опубл. 1998.05.), содержащая несущую
платформу, оснащенную системой слежения за
солнцем, модульные зеркальные концентраторы,
размещенные на платформе, солнечные
фотобатареи с принимающими излучение арсенид-
галлиевыми фотопреобразователями,
низкотемпературный циркуляционный контур с
теплоносителем для охлаждения
фотопреобразователей, высокотемпературный
циркуляционный контур для коллектора.
Недостатками аналога являются использование
дорогих арсенид-галлиевых фотоэлементов и
сложность системы прецизионного слежения за
солнцем, связанная с малой рабочей поверхностью
фотоэлементов.
Известна солнечная фотоэлектрическая
установка (Шадрин В.И. Автономные солнечные
установки с параболоцилиндрическими и
цилиндрическими концентраторами солнечного
излучения.// Интеграл, 2005, №2), выполненными из
плоских (фацет) и цилиндрических зеркал
фокусирующих излучение на охлаждаемых
теплоносителем фотопреобразователях и
коллекторе. Недостатком аналога является наличие
разных типов концентраторов - с плоскими и
цилиндрическими зеркалами, что усложняет и
повышает себестоимость производства установок.
Кроме того, однокоординатное слежение за солнцем
уменьшает годичную выработку тепла и
электричества.
Известна комбинированная солнечно-
энергетическая станция (Патент RU 2382953 F24J
2/42, 2006.01.), содержащая несущую платформу,
оснащенную системой слежения за солнцем,
двусторонние фотоэлементы, установленные в
плоскости симметрии платформы, зеркальные
концентраторы, фокусирующие излучение на
поверхностях двусторонних фотоэлементов, жидкий
теплоноситель, охлаждающий фотоэлементы в
прозрачном для излучения канале, планарные
фотоэлементы, работающие без концентрации
солнца и установленные в центральной зоне
входной апертуры концентраторов над
двусторонними фотоэлементами. Ограничением
использования комбинированной солнечно-
энергетической станции является низкая
температура теплоносителя на выходе канала
охлаждения фотоэлементов, поскольку по условиям
оптимальной работы фотоэлементов температура
теплоносителя не должна превышать 40°С. Кроме
того, несмотря на равномерную освещенность
фотоэлементов, течение теплоносителя
последовательно вдоль линейного ряда
фотоэлементов приводит к различию температур
начальных и конечных по ходу движения
фотоэлементов и, соответственно получению
различных вольт-амперных характеристик.
Известна солнечная энергетическая установка
(Инновационный патент РК №25139 F24J 2/02),
содержащая центральный концентратор в виде
плоских зеркал, фокусирующих отраженное
излучение солнца на фотоэлементах, установленных
вдоль охлаждаемого теплоносителем канала в
плоскости симметрии, периферийный концентратор,
фокусирующий излучение солнца на поверхности
коллектора, закрепленного над каналом с
фотоэлементами. Недостатком изобретения
является не полное использование поверхности
коллектора - работает от концентрированного
излучения только нижняя его поверхность. Кроме
того, увеличение количества зеркал с целью
увеличения концентрации ведет к
непропорциональному увеличению кратности
оптической концентрации из-за косинусной
зависимости величины отраженного света. Не
полностью использованы возможности дизайна
энергетической установки, ведь коллектор может
работать при любой сколько угодно большой
концентрации солнца и нагревать теплоноситель до
высокой температуры, а кремниевые фотоэлементы
ограничены по величине излучения по техническим
характеристикам.
Известны способ и устройство для концентрации
солнечного излучения (патент США 4249516),
включающее первичные параболические
отражатели, фокусирующие излучение на
установленную в центре жидкой солнечную
батарею, вторичные параболические отражатели с
зеркалом и жидким поглотителем инфракрасного
спектра солнца. Использованные технические
решения не позволяет равномерно охлаждать все
фотоэлементы, а конструкция устройства является
весьма сложной в изготовлении и эксплуатации.
Известна солнечная установка (прототип) WO
2009045141, 2009. А1 F24J 2/18, F24J 2/54, F24J
2/12, F24J 2/32, содержащая симметрично
установленные на вертикальной неподвижной
тумбе-опоре параболические концентраторы
солнечного излучения, выполненные из плоских
зеркальных фацет, отражающих и фокусирующих
солнечное излучение на размещенные в плоскости
симметрии и охлаждаемые жидким теплоносителем
солнечные батареи, установленный между
концентраторами дополнительный параболический
отражатель, фокусирующий излучение на тепловой
трубе. Солнечные батареи, параболический
отражатель, тепловая труба закреплены на рамах
концентраторов с применением боковых стоек и
ориентированы по отношению к горизонту так, что
жидкий теплоноситель (как это показано на одном
из рисунков описания изобретения) проходит
последовательно снизу вверх через весь ряд
фотоэлементов солнечной батареи, а затем
поступает в тепловую трубу для дальнейшего
нагрева. Недостатком дизайна прототипа является
то, что рама с концентраторами, солнечной
батареей, параболическим отражателем и тепловой
трубой имеют неуравновешенный относительно оси
3. 28947
3
вращения момент силы тяжести центра масс и для
его компенсации требуется применять
крупногабаритные трекеры с двигателями, которые
съедают значительную часть получаемой от
фотоэлементов энергии.
Вторым существенным недостатком, как и в
аналогах, является последовательное течение
теплоносителя вдоль расположенных в ряд
фотоэлементов, из-за чего последний по ходу
течения фотоэлемент является более горячим, чем
первый и их вольт-амперные характеристики
различаются, что требует введения дополнительных
уравновешивающих резисторов и снижает
эффективность солнечных батарей.
Третьим недостатком является низкая
эффективность солнечной установки в качестве
высокотемпературного нагревателя теплоносителя
из-за использования параболического отражателя
малой ширины. В дизайне подобных
концентраторных солнечных установок ширина
параболического отражателя соответствует размеру
используемых солнечных батарей, затеняющих
часть поверхности концентраторов. К примеру,
распространенные на рынке кремниевые
фотоэлементы имеют размер 125×125 мм, а диаметр
тепловых труб не менее 30 мм, следовательно,
ширина оставшейся параболической поверхности
около 100 мм. В итоге максимальная концентрация
излучения на тепловых трубах без ущерба работы
основных концентраторов не превышает
трехкратной. В соответствии с техническими
характеристиками фотоэлементов температура их
поверхности не должна превышать 40°С, тогда
температура теплоносителя на выходе канала
солнечных батарей получается еще ниже. Проходя
вдоль тепловой трубы, теплоноситель получает
немного энергии от солнца из-за низкой
концентрации и остается низкотемпературным.
Недостатком прототипа является исполнение
рамы для размещения зеркал концентратора
параболической формы, что сложно в изготовлении
и дорого для осуществления транспортировки рам к
месту инсталляции солнечной установки, т.к.
требует применения специальных
крупногабаритных упаковочных ящиков.
Техническими задачами изобретения являются:
1. создание солнечной установки с
концентрацией солнечного излучения, включающей
размещаемые на несущей платформе
концентраторы из плоских зеркал, коллекторы с
плоскими поверхностями с селективным
покрытием, на которые сфокусировано излучение
высокой концентрации с двух сторон от
периферийных плоских зеркал, как минимум две
солнечные батареи, на фотоэлементы которых
сфокусировано излучение малой концентрации от
симметрично установленных центральных зеркал, а
также солнечные батареи с прямым однократным
излучением солнца, установленные между
платформами над устройством крепления их к
неподвижной вертикальной тумбе;
2. получение одинаковых вольт-амперных
выходных характеристик фотоэлементов при их
равномерной освещенности и охлаждении жидким
теплоносителем;
3. повышение эффективности использования
площади оптической апертуры платформы с
концентраторами с целью получения максимального
количества электрической и тепловой энергии;
4. уменьшение габаритов и массы системы
перемещения по солнцу несущих платформ,
снижение потребляемой мощности ее двигателей,
схемы управления, а также себестоимости ее
изготовления.
Технический результат достигается тем, что на
несущей платформе вдоль плоскости симметрии
устанавливаются коллекторы с плоскими рабочими
поверхностями, на которые сфокусированы с двух
сторон периферийные зеркала концентраторов, а
вдоль плоскостей коллекторов на расстоянии от них
кратном ширине зеркал установлены охлаждаемые
жидким теплоносителем солнечные батареи, на
фотоэлементы которых сфокусированы
центральные зеркала концентраторов, размещенные
по обе стороны плоскости симметрии равномерно с
промежутками на месте солнечной тени от каналов
охлаждения солнечных батарей, ориентированных
вдоль горизонта и содержащих входные и выходные
отверстия для протока теплоносителя вдоль всей
длины каналов соответственно с нижней и верхней
стороны относительно горизонта. При этом несущие
платформы подвешены на подшипниках у торцов
горизонтально ориентированной опорной траверсы,
центр которой закреплен на вращаемом по азимуту
опорном седле, установленном на неподвижной
вертикальной тумбы, причем момент силы тяжести
центра масс концентраторов находится ниже осей
подшипников и уравновешивает момент силы
тяжести центра масс солнечных батарей и
коллекторов с теплоносителями и устройствами их
крепления.
Совокупность технических признаков:
размещение в плоскости симметрии несущих
платформ с концентраторами коллекторов с двумя
ориентированными вдоль горизонта и плоскости
симметрии поверхностями, фокусировка на них
периферийных зеркал концентраторов, размещение
с двух сторон коллекторов вдоль него солнечных
батарей и фокусировка на их фотоэлементах
центральных зеркал концентраторов, размещение
центральных зеркал концентраторов по обе стороны
плоскости симметрии равномерно с промежутками
в тени солнечных батарей с охлаждающими
каналами, размещение входных и выходных
отверстий каналов для протока теплоносителя снизу
и сверху равномерно вдоль их длины, закрепление
несущих платформ на подшипниках у торцов
горизонтально ориентированной опорной траверсы
и фиксация последней на вращаемом по азимуту
опорном седле вертикальной неподвижной тумбы,
ориентация центра масс концентраторов ниже
соединяющей подшипники продольной оси
траверсы, а центра масс солнечных батарей и
коллекторов с теплоносителями и устройствами их
крепления выше последней, соответствует
4. 28947
4
критерию изобретения по «новизне» и
«существенным отличиям».
В отличие от прототипа и аналогов, в данном
изобретении основная доля солнечной энергии,
проходящей через оптическую апертуру, отражается
с двух сторон периферийными зеркалами
концентраторов и фокусируется на плоских
поверхностях, занимающих более 95% всей
поверхности коллектора, т.е практически вся
поверхность коллектора является рабочей и не
нуждается в тепловой изоляции. Солнечные батареи
собираются из появившихся в последнее время в
продаже фотоэлементов небольшого размера,
которые могут работать при десятикратной
концентрации излучения солнца. С учетом
косинусной зависимости потерь света на отражение
наиболее оптимально размещать их плоскости вдоль
горизонта по обе стороны от коллектора и
фокусировать на них отраженные лучи центральных
зеркал концентраторов. Количество фокусирующих
центральных зеркал ограничено сверху допустимой
величиной излучения на охлаждаемых
фотоэлементах и фактически дает величину
максимальной ширины концентратора, работающей
на получение электрического тока.
Теплоноситель подается в канал охлаждения
солнечных батарей через распределенные вдоль
всей длины канала входные отверстия равномерно
снизу вверх относительно горизонта, а пройдя вдоль
всех поверхностей фотоэлементов сливается через
распределенные по длине сливные отверстия.
Предпочтительным вариантом исполнения канала
является конструкция, обеспечивающая течение
жидкости теплоносителя непосредственно вдоль
тыльной поверхности фотоэлементов, освещаемая
сторона которых зафиксирована на прозрачном
стекле. Возможным вариантом является
расположение фотоэлементов вне канала через
теплопроводящую пасту. В любых вариантах
исполнения вектор движения жидкости направлен
вверх, а равный расход вдоль всех фотоэлементов
гарантирует равенство температур, и они выдают
максимально возможный ток и не нуждаются в
подстройке потенциалов вводимыми дополнительно
резисторами. Это увеличивает количество
вырабатываемой электрической энергии.
5 концентрацией солнца и которые размещены в
охлаждаемых каналах солнечных батарей 5.
Расстояние между солнечными батареями
лимитировано техническими возможностями
охлаждаемых фотоэлементов. Максимальное
расстояние равно величине произведения ширины
центральных зеркал на допустимую кратность
концентрации излучения. Увеличение числа
центральных зеркал сверх расчетного не ведет к
увеличению пиковой электрической мощности.
Поэтому более оптимально основную часть
площади апертуры использовать для получения
тепловой энергии и нагревать теплоноситель в
коллекторах 4 до высокой температуры, а затем
передавать накопленную тепловую энергию через
змеевик технической воде в бойлере.
Предпочтительно плоский коллектор изготавливать
из меди с рабочими поверхностями, длина которых
равна длине плоских зеркал концентратора, а
ширина много меньше и выбирается из условий
достижения требуемой температуры теплоносителя
при заданном его расходе. Как показали
эксперименты, при одинаковой тепловой энергии,
передаваемой теплоносителю, неподвижные
коллекторы с однократной концентрацией большой
площади имеют тепловые потери больше, чем
коллекторы с высокой концентрацией. Этот
парадокс объясняется тем, что последние
практически всей своей поверхностью (не менее
93%) поглощают высокоинтенсивное излучение, а
передача тепла на их стенках идет более
интенсивно. Плоские коллекторы с высокой
концентрацией более эффективны, чем вакуумные,
поскольку не имеют паразитных поверхностей
теряющих тепло в пространство.
Возможным вариантом коллектора 4 является
набор плотно установленных вдоль плоскости
симметрии несущих платформ 1 вакуумированных
тепловых труб, конденсационная часть которых
размещена в теплоотводящем канале, соединенном
со змеевиком, установленным в бойлере. Кратность
концентрации на таком коллекторе определяется
соотношением длины вакуумных трубок, ширины
суммарной апертуры периферийных зеркал 2 и угла
наклона их к плоскости симметрии. Минимальная
удвоенная концентрация получается при равенстве
длины тепловых труб ширине апертуры с углом
наклона 45° всех периферийных зеркал 2.
Благодаря получению высокой температуры в
коллекторах 4 нет необходимости в
двухступенчатом нагреве теплоносителя - сначала в
каналах солнечных батарей 5, а затем в коллектора
4. Поэтому для снижения эксплуатационных затрат
циркуляционные контуры солнечных батарей 5 и
коллекторов 4 разделяются, что позволяет иметь
оптимальное давление теплоносителей в каждом из
них. Теплоносители сбрасывают накопленное ими
тепло в бойлере через отдельные змеевики.
Оптимально иметь разное давление теплоносителей
в каналах коллекторов 4 и солнечных батарей 5.
Ориентирование коллекторов 4 и солнечных
батарей 5 длинной стороной вдоль горизонта
позволяет получить положительный эффект
снижения эксплуатационных расходов на вращение
седла с несущими платформами 1 по азимуту. Это
объясняется законами отражения на плоских
зеркалах. Лучи света при смещении лучей солнца от
перпендикулярного направления по отношению к
поверхности зеркал 2 и 3, отражаются и
фокусируются на поверхностях коллектора 4 и
солнечной батареи 5 под небольшим углом. Лишь
небольшая доля падающих на зеркала 2 и 3 лучей
уходит из поля поглощения поверхностей
коллекторов 4 и солнечных батарей 5 в периоды
остановки несущих платформ 1. Поскольку их
длина велика, то можно увеличить интервал
времени между включениями двигателей,
восстанавливающими перпендикулярное
направление солнечных лучей на указанные
поверхности. Поскольку длина пути при
5. 28947
5
перемещении концентраторов по азимуту
значительно больше длины пути перемещения по
высоте солнца, то предлагаемая ориентация
коллекторов 4 солнечных батарей 5 является более
предпочтительной, поскольку снижает
эксплуатационные расходы на слежение за солнцем.
Изменение положения солнца по высоте в
течение дня незначительно, и фотоэлементы
относительно большой площади удовлетворяют
точности слежения с малыми эксплуатационными
расходами и капитальными затратами на
приобретение соответствующих трекеров. Из-за
смещения солнца в моменты останова двигателей
трекеров допустимый затененный участок на
фотоэлементах в 10% от всей их площади, снижает
выработку электричества не более, чем на 10%.
Перемещаемые по солнцу несущие платформы 1
подвешены у торцов горизонтальной траверсы 6 на
подшипниках 7, центр которой закреплен на
вращаемом по азимуту опорном седле 8
вертикальной тумбы. Поскольку момент силы
тяжести центра масс несущих платформ находится
ниже осей подшипников 7, то он уравновешивает
момент силы тяжести цента масс коллекторов 4 и
солнечных батарей 5 с теплоносителями и
устройствами их крепления. Поэтому для
перемещения несущих платформ 1 по высоте
солнца требуются небольшой актуатор (трекер) с
малым расходом электричества. Общий центр масс
двух несущих платформ 1 совмещается с осью
вертикальной неподвижной тумбы. Все
перечисленные выше отличительные признаки
значительно снижают массогабаритные
характеристики используемых для крепления
стандартных элементов - подшипников, трекеров,
двигателей и изготавливаемых специальных
устройств, а значит и себестоимость изготовления
солнечной установки с концентрацией излучения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Солнечная установка с концентрацией
излучения, содержащая несущую платформу в виде
рамы, установленную на неподвижной
вертикальной тумбе с возможностью перемещения,
плоские зеркала концентраторов, размещенные
равномерно вдоль несущей платформы и
фокусирующие излучение солнца на солнечных
батареях с охлаждаемыми фотоэлементами,
коллектор с жидким теплоносителем и
концентрацией солнечного излучения,
отличающаяся тем, что на несущей платформе
вдоль плоскости симметрии устанавливаются
коллекторы с плоскими рабочими поверхностями,
на которые сфокусированы с двух сторон
периферийные зеркала концентраторов, а вдоль
плоскостей коллекторов на расстоянии от них,
равном величине произведения ширины зеркал на
максимально допустимую кратность концентрации
охлаждаемых фотоэлементов установлены
солнечные батареи, на фотоэлементы которых
сфокусированы центральные зеркала
концентраторов, размещенные по обе стороны
плоскости симметрии равномерно с промежутками
на месте солнечной тени от каналов охлаждения
солнечных батарей, ориентированных вдоль
горизонта и содержащих входные и выходные
отверстия для протока теплоносителя вдоль всей
длины каналов соответственно с нижней и верхней
стороны относительно горизонта, при этом несущие
платформы подвешены на подшипниках у торцов
горизонтально ориентированной опорной траверсы,
центр которой закреплен на вращаемом по азимуту
опорном седле, установленном на неподвижной
вертикальной тумбе, причем момент силы тяжести
центра масс несущей платформы находится ниже
осей подшипников и уравновешивает момент силы
тяжести центра масс солнечных батарей и
коллекторов с теплоносителями и устройствами их
крепления, а над седлом между несущими
платформами установлены солнечные батареи с
фотоэлементами, работающими от прямого
солнечного излучения без концентрации.
2. Солнечная установка с концентрацией
излучения солнца по п.1, отличающаяся тем, что
над охлаждаемыми солнечными батареями с
концентрацией излучения установлены не
охлаждаемые фотоэлементы с однократным
излучением солнца без охлаждения.
3. Солнечная установка с концентрацией
излучения солнца по п.1 отличающаяся тем, что
выходные патрубки каналов охлаждаемых
солнечных батарей несущих платформ соединены с
общей выходной теплоизолированной трубой
солнечных батарей, которая состыкована с первым
змеевиком бойлера, а выходные патрубки
коллекторов несущих платформ соединены с общей
выходной теплоизолированной трубой коллекторов
и состыкованы с вторым змеевиком бойлера.
4. Солнечная установка с концентрацией
излучения солнца по п.1 отличающийся тем, что
полупроводниковые термоэлементы размещают по
обе стороны канала коллектора от его входа до
расстояния, где начальный градиент температуры
падает в два раза.
