Способ изготовления солнечного коллектора периодической структуры

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ(71) Заявитель Республиканское унитарное предприятие Институт жилища - НИПТИС им. Атаева С.С.(72) Авторы Данилевский Леонид Николаевич Таурогинский Бронислав Иванович Лячок Александр Константинович(73) Патентообладатель Республиканское унитарное предприятие Институт жилища - НИПТИС им. Атаева С.С.(57) 1. Способ изготовления солнечного коллектора периодической структуры, содержащего ряд цилиндрических приемников солнечного излучения и концентратор с рефлекторами, при котором в корпусе со светопрозрачным ограждением устанавливают продольными рядами рефлекторы, между отражающими поверхностями которых располагают приемники солнечного излучения таким образом, чтобы в поперечном сечении коллектора для любой точки каждого рефлектора обеспечивалось выполнение условия касания поверхности каждого приемника солнечного излучения нормалью к соответствующей отражающей поверхности рефлектора для того, чтобы попадающий после первого отражения на рефлектор луч снова отразился или на приемник солнечного излучения, или на рефлектор, при этом используют приемник солнечного излучения, изготовленный согласно его графическому изображению, построенному по графическому изображению отражающей поверхности рефлектора, и рефлектор, изготовленный с отражающей поверхностью, описываемой выражениеми соответствующей ее графическому изображению, построенному следующим образом в плоскости поперечного сечения коллектора была определена система декартовых координат , ось абсцисс которой совпадает с плоскостью коллектора, а ось ординат совпадает с нормалью к плоскости коллектора 16779 1 2013.02.28 в зависимости от энергетических параметров коллектора были заданы значения следующих величин радиус приемника солнечного излучения , мм координаты центра приемника солнечного излучения (, ), мм координаты начальной точки(0, 0), мм, с которой начинается расчет координат точек отражающей поверхности рефлектора, описываемой выражениемзначение приращениякоординаты , мм (0,1 мм) были определены координаты (1, 1) точки 1 отражающей поверхности рефлектора по выражениям 10100,на основании вычисления значения приращения 0 координатыпри изменении координатына величинупо выражению 0,где- угол, образованный касательной к отражающей поверхности рефлектора, описываемой выражениемв точке определения координат, и осью абсцисс аналогично вычислению координат точки 1 отражающей поверхности рефлектора,описываемой выражением, определены координаты последующих точек отражающей поверхности рефлектора - 2-й, 3-й, , -й - до выполнения условия 1,ограничивающего высоту рефлектора по координатес целью недопущения затенения приемника солнечного излучения при крайних угловых положениях солнца, причем точка с координатами ,определяет линейные размеры отражающей поверхности рефлектора, лежащей в плоскости поперечного разреза коллектора при этом для углавыполняется условие/2,где- угол, образованный линией, соединяющей точку касания с отражающей поверхностью рефлектора, описываемой выражением, с центром приемника солнечного излучения, и осью абсцисс- угол, образованный линией, соединяющей точку касания с отражающей поверхностью рефлектора, описываемой выражением, с центром приемника солнечного излучения, и нормалью к отражающей поверхности рефлектора в точке касания а значение приращениякоординатыпри изменении координатына величинуопределено из выражения 2 2 2 гдеи- координаты центра приемника солнечного излучения- радиус приемника солнечного излучения причем с учетом исключения возможности прохождения отраженного луча под приемником солнечного излучения начальная точкавыбрана либо таким образом, чтобы ее координаты удовлетворяли равенствам 00,при этом приращение 0 координатыопределено произвольным образом, в частности с выполнением условия 0,где- любое число из интервала от 1 до 10,либо таким образом, чтобы ее координаты удовлетворяли равенствам 00,и приращение 0 координатыначальной точки О определено из выражения 16779 1 2013.02.28 2. Солнечный коллектор периодической структуры, изготовленный способом по п. 1,содержащий корпус со светопрозрачным ограждением, в котором установлены рядами цилиндрические приемники солнечного излучения и концентратор с рефлекторами, при этом рефлекторы установлены продольными рядами, а между их отражающими поверхностями расположены приемники солнечного излучения таким образом, что в поперечном сечении коллектора для любой точки каждого рефлектора обеспечивается выполнение условия касания поверхности каждого приемника солнечного излучения нормалью к соответствующей отражающей поверхности рефлектора, при этом для угла , образованного касательной к отражающей поверхности рефлектора, описываемой выражениемв точке определения координат, и осью абсцисс, выполняется условие/2,где- угол, образованный линией, соединяющей точку касания с отражающей поверхностью рефлектора, описываемой выражением, с центром приемника солнечного излучения, и осью абсцисс, - угол, образованный линией, соединяющей точку касания с отражающей поверхностью рефлектора, описываемой выражением, с центром приемника солнечного излучения, и нормалью к отражающей поверхности рефлектора в точке касания. Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к области создания высокотемпературных солнечных энергетических коллекторов с концентраторами солнечного излучения, и может быть использовано во всех отраслях промышленности, где требуется тепловая энергия, например для получения электрической энергии, холода с высоким КПД, а также для бытовых нужд. Известен солнечный коллектор, содержащий теплоизолированный корпус со светопрозрачным ограждением, установленные в нем трубчатые поглотители тепла, подсоединенные к коллекторам подвода и отвода жидкости, а под поглотителями установлены концентраторы с возможностью поворота вокруг своих осей а.с. СССР 918711, МПК 24 2/24, 1982. Недостатками данного коллектора являются невозможность получения в нем теплоносителя высокой температуры и наличие устройств слежения (поворота) за солнцем. Известен солнечный коллектор, содержащий корпус и размещенную в нем трубную панель с поперечными ребрами, образующими гофрированную поверхность, причем, по меньшей мере, часть ребер имеет смежные верхний отражающий и нижний поглощающий участки, контактирующие с поверхностью труб, а на отражающих участках выполнены фигурные прорези, ориентированные по касательным к поверхности труб, проведенным из точек, лежащих на границе участков и равноудаленных от осей соседних труб а.с. СССР 1536178, МПК 24 2/26, 1990. Недостатком данного коллектора также является невозможность получения в нем высоких температур нагреваемого теплоносителя в связи с недостаточной его способностью улавливать солнечную энергию и преобразовывать ее в тепло. В качестве прототипа в части устройства по изобретению выбран солнечный коллектор а.с. СССР 1477995, МПК 24 2/16, 1989, содержащий расположенные в одной плоскости поглощающие трубы теплоприемника и отражатели одинакового профиля, размещенные под последними и образующие непрерывную гофрированную поверхность,причем каждый отражатель имеет два наклонных плоских элемента с шириной, равной радиусу трубы, и расположенный между ними третий плоский элемент с шириной, равной диаметру трубы, контактирующий в центральной части с поверхностью трубы, а наклонные элементы двух смежных отражателей образуют прямой двугранный угол с вершиной в сторону труб. По прототипу любой луч А, падающий на поверхность узкого плоского элемента каждого отражателя, отражается либо в сторону поверхности поглощающей 3 16779 1 2013.02.28 трубы, либо в сторону широкого плоского элемента этого же отражателя, а затем, переотразившись, попадает на поверхность трубы. Так как размер широких плоских элементов равен диаметру поглощающей трубы и лежат эти элементы в плоскости, касательной к ее поверхности, луч Б, падающий на поверхность широкого элемента, отражается в сторону поверхности трубы. Недостаток прототипа заключается в том, что выбранные форма плоских элементов отражателя и их взаимное расположение с поглощающей трубой не являются оптимальными с точки зрения увеличения площади плоскости отражения собираемых трубой отраженных солнечных лучей, что снижает способность концентратора-коллектора улавливать солнечную энергию. В качестве прототипа в части способа по изобретению выбран солнечный коллектор а.с. СССР 1688072, МПК 24 2/16, 1991, содержащий ряд параллельных, расположенных в одной плоскости, равноудаленных одна от другой светопоглощающих трубок и гофрированный отражатель треугольного профиля, нижние ребра которого расположены под светопоглощающими трубками. Солнечное излучение, падающее на коллектор, частично попадает на верхнюю часть поверхности трубок с теплоносителем, а частично проходит между ними и попадает на отражатель. Конструктивные соотношения для связанных между собой системой равенств параметров элементов коллектора, таких как радиус трубок, величина двугранного угла между гранями отражателя, расстояния между центрами трубок, а также между центрами трубок и нижними ребрами отражателя, обеспечивают переотражение любого прошедшего между трубками солнечного луча на их нижнюю часть поверхности. При этом для обоснования присущих солнечному коллектору свойств полной утилизации падающего на него солнечного (как прямого, так и рассеянного) излучения рассматривают основные соотношения, определяющие условия переотражения всех лучей,упавших на отражатель и на трубки теплоприемника, и выраженные системой равенств. Недостаток прототипа заключается в том, что выбранные форма плоских элементов отражателя и их взаимное с поглощающей трубой теплоприемника расположение не являются оптимальными с точки зрения повышения оптического КПД коллектора. Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение максимального улавливания солнечного излучения путем оптимального расположения приемника солнечного излучения по отношению к рефлектору-концентратору и выбор оптимальной формы концентрирующей поверхности рефлектора, обеспечивающие повышение оптического КПД коллектора. Указанная техническая задача решается посредством способа изготовления солнечного коллектора периодической структуры, содержащего ряд цилиндрических приемников солнечного излучения и концентратор с рефлекторами, при котором в корпусе со светопрозрачным ограждением устанавливают продольными рядами рефлекторы, между отражающими поверхностями которых располагают приемники солнечного излучения таким образом, чтобы в поперечном сечении коллектора для любой точки каждого рефлектора обеспечивалось выполнение условия касания поверхности каждого приемника солнечного излучения нормалью к соответствующей отражающей поверхности рефлектора для того,чтобы попадающий после первого отражения на рефлектор луч снова отразился или на приемник солнечного излучения, или на рефлектор, при этом используют приемник солнечного излучения, изготовленный согласно его графическому изображению, построенному по графическому изображению отражающей поверхности рефлектора, и рефлектор,изготовленный с отражающей поверхностью, описываемой выражениеми соответствующей ее графическому изображению, построенному следующим образом в плоскости поперечного сечения коллектора была определена система декартовых координат , ось абсцисс которой совпадает с плоскостью коллектора, а ось ординат совпадает с нормалью к плоскости коллектора 4 16779 1 2013.02.28 в зависимости от энергетических параметров коллектора были заданы значения следующих величин радиус приемника солнечного излучения , мм координаты центра приемника солнечного излучения (, ), мм координаты начальной точки(0, 0), мм, с которой начинается расчет координат точек отражающей поверхности рефлектора, описываемой выражениемзначение приращениякоординаты , мм (0,1 мм) были определены координаты (1, 1) точки 1 отражающей поверхности рефлектора по выражениям 10100,на основании вычисления значения приращения 0 координатыпри изменении координатына величинупо выражению 0,где- угол, образованный касательной к отражающей поверхности рефлектора, описываемой выражениемв точке определения координат, и осью абсцисс аналогично вычислению координат точки 1 отражающей поверхности рефлектора,описываемой выражением, определены координаты последующих точек отражающей поверхности рефлектора - 2-й, 3-й, , -й - до выполнения условия 1,ограничивающего высоту рефлектора по координате у с целью недопущения затенения приемника солнечного излучения при крайних угловых положениях солнца, причем точка с координатами ,определяет линейные размеры отражающей поверхности рефлектора, лежащей в плоскости поперечного разреза коллектора при этом для углавыполняется условие/2,где- угол, образованный линией, соединяющей точку касания с отражающей поверхностью рефлектора, описываемой выражением, с центром приемника солнечного излучения, и осью абсцисс, - угол, образованный линией, соединяющей точку касания с отражающей поверхностью рефлектора, описываемой выражением, с центром приемника солнечного излучения, и нормалью к отражающей поверхности рефлектора в точке касания а значение приращениякоординаты у при изменении координатына величинуопределено из выражения 2 гдеи- координаты центра приемника солнечного излучения- радиус приемника солнечного излучения причем с учетом исключения возможности прохождения отраженного луча под приемником солнечного излучения начальная точка О выбрана либо таким образом, чтобы ее координаты удовлетворяли равенствам 00 при этом приращение 0 координатыопределено произвольным образом, в частности с выполнением условия 0,где- любое число из интервала от 1 до 10,либо таким образом, чтобы ее координаты удовлетворяли равенствам 00,и приращение 0 координатыначальной точкиопределено из выражения 2 16779 1 2013.02.28 В отношении устройства техническая задача достигается посредством полученного по способу солнечного коллектора, содержащего корпус со светопрозрачным ограждением, в котором установлены рядами цилиндрические приемники солнечного излучения и концентратор с рефлекторами, при этом рефлекторы установлены продольными рядами, а между их отражающими поверхностями расположены приемники солнечного излучения таким образом, что в поперечном сечении коллектора для любой точки каждого рефлектора обеспечивается выполнение условия касания поверхности каждого приемника солнечного излучения нормалью к соответствующей отражающей поверхности рефлектора,при этом для угла , образованного касательной к отражающей поверхности рефлектора,описываемой выражениемв точке определения координат, и осью абсцисс, выполняется условие/2,где- угол, образованный линией, соединяющей точку касания с отражающей поверхностью рефлектора, описываемой выражением, с центром приемника солнечного излучения, и осью абсцисс- угол, образованный линией, соединяющей точку касания с отражающей поверхностью рефлектора, описываемой выражением, с центром приемника солнечного излучения, и нормалью к отражающей поверхности рефлектора в точке касания. Согласно способу, значениеприращения координатыпри изменении координатына величинуопределяют по формуле (7) 2 гдеи- координаты центра приемного элемента коллектора и- его радиус. С целью исключения возможности прохождения отраженного луча под приемным элементом, при определении приращения 0 координаты у при изменении координатына величинуначальную точкувыбирают таким образом, чтобы ее координаты удовлетворяли равенствам 00. Тогда приращение 0 координатыопределяют произвольным образом, в частности 0, где- любое число из интервала от 1 до 10. По способу допустимо, что начальную точкувыбирают таким образом, чтобы ее координаты удовлетворяли равенствам 00. Тогда приращение 0 координатыначальной точкиопределяют по формуле (7). Способ изготовления солнечного коллектора по изобретению основан на оптимальном расчете формы концентрирующей поверхности рефлектора (отражателя) цилиндрического концентратора, который рассмотрим на солнечном коллекторе периодической структуры,содержащем ряд цилиндрических приемников солнечного излучения и концентратор с рефлекторами сложной и неизвестной пока формы. Сущность способа поясняется при помощи следующих фигур фиг. 1 - разрез солнечного коллектора периодической структуры фиг. 2 - сечение элемента коллектора плоскостью О фиг. 3 - вид формы рефлектора (правая ветвь) по результатам расчета фиг. 4 - вид поперечного сечения одного периода коллектора. На фигурах обозначено 1 - приемники солнечного излучения 2 - фокусирующий рефлектор 3 - корпус коллектора 4 - светопрозрачное ограждение. Выделим элемент сечения коллектора плоскостью О, перпендикулярной образующей цилиндра (фиг. 2), связанный с одним приемным элементом солнечного излучения. Причем осьнаправим по нормали к плоскости коллектора. 2 16779 1 2013.02.28 Предположим, что рефлектор в сечении плоскостью О задается кривой, которая может быть представлена в виде функции. Выберем на линииточкус координатами (, ). Тогда очевидно, что координаты точкисвязаны соотношением.(1) Пусть в точку А падает солнечный луч(фиг. 2) под угломк оси . Для определения направления распространения отраженного луча сделаем следующие геометрические построения. Проведем через точкукасательную к кривой. Угловой коэффициенткасательной, равный тангенсу угламежду касательной и осью абсцисс, численно равен значению производной функциив точке. Для значения угламожно записать выражение( )( Из точки А восстановим перпендикуляр АВ к касательной. Потребуем, чтобы рефлектор имел такую форму, при которой перпендикуляр АВ касается приемного элемента коллектора. Тогда все лучи, приходящие в точку А правее перпендикуляра АВ, после отражения пойдут левее перпендикуляра АВ и попадут или на приемный элемент коллектора, или снова на рефлектор. Так как условие касания поверхности приемного элемента коллектора нормалью к поверхности рефлектора справедливо для любой точки рефлектора, то попадающий после первого отражения на рефлектор луч снова отразится или на приемный элемент коллектора, или на рефлектор. Чтобы отраженный луч не смог пройти под приемным элементом, кривая поверхности рефлектора, очевидно, должна проходить через точку . Из фиг. 2 следует, что для угла , образованного касательной к поверхности рефлектора в точке А и осью абсцисс, выполняется условие (3)(3)/2,где- угол, образованный линией, соединяющей точку А и центр приемного элемента коллектора, и осью абсцисс- угол, образованный линией, соединяющей точку А и центр приемного элемента коллектора, и нормалью к поверхности рефлектора в точке А. Значения угловимогут быть выражены через координаты точки Аи , координаты центра приемного элемента коллектораии его радиус . Так как точка А рефлектора выбиралась произвольно, то индекс а при координатах точки А может быть опущен. С учетом уравнений 2 и 3 уравнение линии, задающей форму рефлектора, в плоскости О может быть записано в виде С учетом свойств тригонометрических функций уравнение 6 может быть приведено к виду 16779 1 2013.02.28 Получить из уравнений 6 или 7 в явном виде выражение для кривой, описывающей форму рефлектора, затруднительно. Однако эти уравнения позволяют создать достаточно простой алгоритм построения кривойи реализовать его на ПЭВМ с использованием любого языка программирования высокого уровня (ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, СИ и т.п.). Построение кривойначинают с задания значений следующих величин радиуса приемного элемента коллектора , мм координат центраприемного элемента , , мм координат начальной точки 0, 0, мм, с которой начинается расчет координат точек кривойзначениеприращения координаты , мм. По формулам 4 и 5 вычисляют значения угловидля точки искомой кривой с координатами 0, 0. По формуле 3 вычисляется соответствующее значение угла . Далее по формуле 6 находим приращение 0 координатыпри изменении координатына величину(8) 0. Таким образом, переходим к точке 1 искомой кривой с координатами 1, 1, определяемыми по формулам (9) и (10) 10,(9) 100.(10) Следует отметить, что вычисление приращенияможет быть проведено непосредственно по формуле 7. Следует также отметить, что если начальная точка выбрана таким образом, что выполняются условия 0,(11)(12) 0,то значение угларавно минус /2, и определение приращенияпо формуле 8 оказывается невозможным. В этом случае поступают следующим образом либо определяютпроизвольным образом, например 0,(13) где- любое число из интервала 1-10 либо определяют ординату начальной точки так, чтобы условие 12 не выполнялось,например(14) 0. В силу малости задаваемого приращения(0,1 мм) применение формул 13 или 14 не вносит заметных искажений в начало кривой. Аналогично вычислению координат точки 1 кривойпроводят вычисления координат точки 2, , точки- до выполнения условия 1.(15) Условие 15 ограничивает высоту рефлектора по координатес целью недопущения затенения приемного элемента коллектора при крайних угловых положениях солнца. При этом точка с координатами ,определяет размер рефлектора. На фиг. 3 показано взаимное расположение приемного элемента коллектора и правой ветви рефлектора, полученной расчетным путем по приведенным выше формулам с помощью программы, написанной на языке программирования ПАСКАЛЬ. Расчетные координаты точек рефлектора могут быть получены и в виде таблицы. Левая ветвь коллектора является зеркальным отражением правой ветви рефлектора относительно оси ординат. Так как рефлектор коллектора является периодической структурой, то для построения полного сечения рефлектора плоскостью, перпендикулярной 16779 1 2013.02.28 осям приемных элементов, достаточно построить сечение его одного периода, вид которого приведен на фиг. 4. Одной из характеристик фокусирующего коллектора является степень концентрации. Для коллекторов с периодической структурой рефлектора и цилиндрической поверхностью степень концентрации определяется как отношение периода рефлектора к диаметру приемного элемента/.(16) Как показывают расчеты, для рефлектора данного типа степень концентрации составляет 3.15 и практически не зависит от диаметра приемного элемента. Рассчитанный приведенным способом коллектор устроен следующим образом. Приемные элементы 1 имеют цилиндрическую форму и в виде витков змеевиковой трубы теплоприемника расположены в ряд. Поверхность трубы теплоприемника выполнена светопоглощающей, а каждый виток трубы расположен продольно встык с линией соединения отражательных поверхностей смежных фокусирующих элементов 2 рефлектора с учетом выполнения условия касания поверхности приемного элемента коллектора нормалью к соответствующей отражающей поверхности рефлектора для любой точки рефлектора для того, чтобы попадающий после первого отражения на рефлектор луч снова отразился или на приемный элемент коллектора, или на рефлектор, причем поверхности отражательных элементов выполнены зеркальными и с кривизной, обеспечивающей вышеприведенное условие на основе расчета по предлагаемому способу. Выполнение указанного условия обеспечивается тем, что, как следует из фиг. 2, для угла , образованного касательной к поверхности рефлектора в точке падения луча и осью абсцисс, выполняется условие 3/2,где- угол, образованный линией, соединяющей точку падения луча и центр приемного элемента коллектора, и осью абсцисс- угол, образованный линией, соединяющей точку падения луча и центр приемного элемента коллектора, и нормалью к поверхности рефлектора в точке падения. При этом значения угловимогут быть выражены через координаты точки падения луча (А на фиг. 2) по выражениям 4 и 5. Так как точка падения луча на поверхность рефлектора может быть любой точкой этой поверхности, то с целью максимизации количества таких точек кривая поверхности отражающего элемента в его поперечном сечении начинается от стыка трубы теплоприемника с линией сопряжения отражательных поверхностей рефлектора и продолжается до линии образования прямого угла с солнечными лучами в крайних угловых положениях солнца. Солнечный коллектор работает следующим образом. Коллектор собирается по рассчитанным приведенным способом параметрам и устанавливается в необходимом месте. Солнечные лучи, попадая на определенную данным способом поверхность зеркальных отражательных элементов 2 независимо от положения солнца в течение светового дня и зимнего и летнего солнечного склонения, концентрируются и отражаются на цилиндрическую поверхность 1 приемных элементов теплоприемника, представленных в виде витков трубы, так как все лучи, приходящие в точку кривой поверхности рефлектора правее перпендикуляра к касательной в этой точке, после отражения пойдут левее перпендикуляра и попадут или на приемный элемент коллектора, или снова на рефлектор. Так как условие касания поверхности приемного элемента коллектора нормалью к поверхности рефлектора справедливо для любой точки рефлектора, то попадающий после первого отражения на рефлектор луч снова отразится или на приемный элемент коллектора, или на рефлектор. Чтобы отраженный луч не смог пройти под приемным элементом, кривая поверхности рефлектора, очевидно, должна иметь точку контакта с поверхностью приемника (точкана фиг. 2) в ее поперечном сечении. При этом 16779 1 2013.02.28 образуется линия контакта (стык) витка трубы теплоприемника с линией соединения отражательных поверхностей смежных элементов 2 рефлектора. Расчет кривизны отражательных поверхностей рефлектора с учетом выполнения условия касания поверхности приемного элемента коллектора нормалью к поверхности рефлектора для любой точки рефлектора, а также взаимное расположение элементов теплоприемника и рефлектора концентратора обеспечивают попадание как прямых солнечных лучей, так и отраженных от фокусирующих элементов отражателей на поверхность элементов теплоприемника и, следовательно, полное улавливание солнечной энергии теплоносителем. Использование данного солнечного коллектора позволит обеспечить получение высоких температур теплоносителя, не используя при этом систем слежения за солнцем. Коллектор отличается простотой конструкции. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.