ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в солнечных системах для преобразования солнечной световой энергии в тепловую или в электрическую. Наиболее перспективным является применение изобретения в масштабных тепловых и электростанциях.

Из уровня техники известен космический аппарат, содержащий пленочный солнечный парус, управляющий отсек с источником напряжения, коммутатором и лебедками, связанными тягами с парусом, элероны на периферии паруса, соединенные через коммутатор с источником напряжения, при этом парус выполнен в виде многоугольника, образованного параллельными лентами, соединенными (склеенными, сваренными) между собой боковыми кромками, при этом ленты выполнены из гибкого и легкого материала с высокой светоотражающей способностью (см. патент на изобретение RU 2188145, оп. в 2002 году). Благодаря гибкости лент паруса, его доставляют на орбиту в сложенном состоянии в виде гофра, а разворачивают уже на орбите. Поскольку ленты соединены между собой, они образуют в разложенном состоянии цельную светоотражающую плоскость. Такими же недостатками обладает солнечный концентратор для космического аппарата, содержащий совокупность фотовольтаических элементов, объединенных с образованием прямоугольной панели солнечной батареи для выработки электрической энергии, некоторое число панелей рефлекторов, которые перед запуском космического аппарата находятся в сложенном положении, и средства выпуска панелей рефлекторов после запуска космического аппарата для установки указанных панелей рефлекторов с обеих длинных сторон панели солнечной батареи в виде корыта с получением заданного коэффициента концентрации света (см. патент на изобретение RU 2192070, оп. в 2002 году).

Известен гелиоэнергетический модуль, состоящий из протяженного фотоэлектрического преобразователя, плоских зеркальных фацет и несущей конструкции, при этом плоские зеркальные фацеты установлены на несущей конструкции, посадочные места которых выполнены по прямолинейной образующей опорного параболического цилиндра и представляют собой грани, нанесенные по этому опорному параболическому цилиндру параллельно его оси, причем каждая грань в сечении, перпендикулярном оси опорного параболического цилиндра, является хордой образующей параболы этого цилиндра, а середины всех хорд образуют геометрическое место точек, являющееся направляющей параболой внутреннего параболического цилиндра, параллельного опорному и смещенному вдоль оси направляющей параболы этого опорного цилиндра в направлении ее фокуса, при этом ось протяженного фотоэлектрического преобразователя расположена в фокусе внутреннего параболического цилиндра (см. патент на изобретение RU 2188364, оп. в 2002 году). Этот модуль предназначен для использования в солнечных электростанциях. Расположенные о параболе отдельные плоские фацеты не создают эффекта парусности, но обладают большим весом, сложны в транспортировке и монтаже, требуют ухода и регулярного мытья светоотражающей поверхности.

Известно устройство для концентрации солнечного излучения в абсорбере, содержащем надувную подушку концентратора, которая содержит элемент покрывающей пленки, содержащий светопроницаемое входное окно для соединения в солнечном излучении и отражательную пленку, с образованием двух полых пространств для концентрации солнечного излучения в абсорбере, содержащего поворотное устройство, посредством которого можно повернуть шарнирную подушку, в частности, вокруг ее продольной оси (см. US 2017336100, оп. в 2017 году). В этом устройстве использованы дешевые полимерные материалы, однако его конструкция с надувными подушками оказалась на практике крайне неудобной в эксплуатации.

Известна солнечная энергетическая установка, содержащая фотоэлектрический солнечный модуль (ФСМ) с системой жидкостного охлаждения, плоский зеркальный концентратор, теплообменник с системой циркуляции жидкости, однонаправленные клапаны, систему слежения за солнцем, параболический зеркальный концентратор (см. патент на изобретение RU 2583317, оп. в 2016 году). Это устройство относится к комбинированным концентраторным солнечным энергетическим установкам с охлаждаемыми двухсторонними фотоэлектрическими солнечными модулями для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую. Применение такого сложного тяжелого устройства особенно неоправданно в промышленных масштабах.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является гелиоэнергетическая система - аппарат, использующий солнечную энергию для подогрева и выработки электроэнергии, включающий стационарно установленный модуль с опорными элементами, средствами поворота модуля, включающего солнечные отражатели солнечного концентратора на дугообразных держателях каркаса и преобразователь солнечного излучения, а также солнечные батареи на плоских держателях (см. патент на изобретение RU 2476782, оп. в 2013 году,). Эта комбинированная гелиоэнергетическая система предназначена для нагревания и аккумулирования жидкостей для различных применений и для выработки электрической энергии с высокими энергетическими КПД. Криволинейные панели солнечного концентратора изготовлены из отражающего металлического или неметаллического материала типа алюминия. Такое выполнение панелей не только очень дорого, но и обладает повышенной материалоемкостью, высокими транспортировочными трудозатратами и весом. Такие концентраторы нуждаются в регулярном мытье и очищении от пыли. У цельных модулей высокая парусность, что приводит к необходимости упрочнения и утяжеления несущей конструкции.

Технической проблемой является необходимость снижения веса конструкции гелиоэнергетической системы и уменьшения транспортировочных габаритов.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи упрощения конструкции гелиоэнергетической установки при значительном снижении стоимости ее изготовления и улучшении эксплуатационных характеристик.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в гелиоэнергетической системе, включающей не менее, чем один стационарно установленный модуль параболического солнечного коллектора с опорными элементами, средствами поворота, солнечными отражателями на дугообразных держателях каркаса и преобразователем солнечного излучения, солнечные отражатели выполнены гибкими в виде продольно расположенных относительно дугообразных держателей каркаса и параллельно друг другу лент, при этом каркас снабжен приспособлениями для натяжения лент. Приспособления для натяжения лент выполнены в виде креплений на их концах с винтовой нарезкой, амортизаторами и гайками, причем каркас снабжен дугообразными кронштейнами с прорезями для размещения этих креплений. Каркас снабжен дугообразными кронштейнами с установленными на них натяжными роликами, а приспособление для натяжения лент выполнено в виде креплений на их концах с натяжными роликами, связанными канатом с натяжными роликами дугообразных кронштейнов.

А также тем, что в гелиоэнергетической системе, включающей не менее, чем один стационарно установленный модуль с опорными элементами, средствами поворота каркаса с солнечными батареями на плоских держателях и преобразователем солнечного излучения, солнечные батареи выполнены гибкими в виде продольно расположенных относительно плоских держателей каркаса и параллельно друг другу лент, при этом каркас снабжен приспособлениями для натяжения лент. Приспособления для натяжения лент выполнены в виде креплений на их концах с винтовой нарезкой, амортизаторами и гайками, причем каркас снабжен плоскими кронштейнами с прорезями для размещения этих креплений. Каркас снабжен плоскими кронштейнами с установленными на них натяжными роликами, а приспособление для натяжения лент выполнено в виде креплений на их концах с натяжными роликами, связанными канатом с натяжными роликами плоских кронштейнов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид одного протяженного модуля гелиоэнергетической установки по преобразованию солнечной энергии в тепловую с одной степенью свободы, в изометрии. На фиг. 2 - то же, фрагмент вида сзади на боковую опору. На фиг. 3 - то же, фрагмент вида спереди на боковую опору. На фиг. 4 - то же, вид сбоку. На фиг. 5 - то же, фрагмент натяжного устройства. На фиг. 6 - гелиоэнергетическая система по преобразованию солнечной энергии в тепловую из протяженных модулей с одной степенью свободы. На фиг. 7 изображен общий вид одного компактного модуля гелиоэнергетической установки по преобразованию солнечной энергии в тепловую с двумя степенями свободы, в изометрии. На фиг. 8 - то же, вид сзади. На фиг. 9 - то же, вид сбоку. На фиг. 10 - то же, фрагмент натяжного устройства. На фиг. 11 - гелиоэнергетическая система по преобразованию солнечной энергии в тепловую из компактных модулей с двумя степенями свободы. На фиг. 12 изображен общий вид одного компактного модуля гелиоэнергетической установки по преобразованию солнечной энергии в электрическую с двумя степенями свободы, в изометрии. На фиг. 13 - то же, вид сзади. На фиг. 14 - гелиоэнергетическая система по преобразованию солнечной энергии в электрическую из компактных модулей с двумя степенями свободы, расположенная на плоту.

Гелиоэнергетическая система (см. фиг. 1-14) предназначена для преобразования солнечной световой энергии в тепловую (фиг. 1-11) или в электрическую (фиг. 12-14).

Изображенная на фиг. 1-6 гелиоэнергетическая система включает один или комплекс протяженных модулей 1 параболического солнечного коллектора с опорными элементами, включающего расположенные на несущем элементе, выполненном, например, в виде несущей трубы 2, дугообразные держатели 3. Количество протяженных модулей 1 параболического солнечного коллектора выбирают, исходя из запланированной мощности гелиоэнергетической системы. Труба 2 установлена на опорах 4 с возможностью поворота вокруг своей оси (одна степень свободы) в опорных подшипниках 5. При этом пары концевых опор 4 снабжены раскосами 6 и распорками 7 для увеличения жесткости конструкции. Опоры 4 закреплены на фундаменте или на отдельных фундаментах 8; Концы дугообразных держателей 3 связаны распорными элементами, например, распорными трубами 9. Концы распорных труб 9 с обеих сторон связаны дугообразными натяжными кронштейнами 10, которые в свою очередь установлены на несущей трубе 2. Оба конца у дугообразных натяжных кронштейнов 10 соединены растяжками 11. Между противоположно установленными дугообразными натяжными кронштейнами 10 натянуты солнечные отражатели - гибкие светоотражающие ленты 12. Оба конца светоотражающих лент 12 снабжены натяжными приспособлениями. Это могут быть крепления 13 с винтовой нарезкой на концах для установки в прорезях 14 дугообразных кронштейнов 10 (см. фиг. 5). На концах креплений 13 с противоположной от лент 12 стороны закреплены амортизаторы 15 с гайками 16 для регулировки натяжения лент 12. Ленты 12 натянуты между дугообразных натяжных кронштейнов 10 с образованием параболического солнечного коллектора. Дугообразные держатели 3 расположены с нерабочей стороны лент 12. При этом на несущей трубе 2 с внутренней стороны параболического солнечного коллектора установлены стойки 17 нагревательной трубы 18 с теплоносителем. Нагревательная труба 18 угловыми патрубками 19 связана с устройством преобразования тепловой энергии теплоносителя (на рисунке не показано). На опорах 4 закреплены линейные приводы 20 поворота параболического солнечного коллектора относительно опорных подшипников 5 трубы 2 с образованием поворотного механизма с одной степенью свободы. Свободными концами линейные приводы 20 связаны с кронштейнами 21, установленными на дугообразных держателях 3. Кронштейн 22 крепления хвостовика линейного привода 20 связан с опорой 4. Поворотный механизм модуля 1 параболического солнечного коллектора связан с устройством слежения за солнцем и управления поворотом коллектора (на рисунке не показано).

Изображенная на фиг. 7-11 гелиоэнергетическая система включает один или комплекс компактных модулей 23 параболического солнечного коллектора с двумя степенями свободы. Модули 23 состоят из расположенных на несущем элементе, выполненном, например, в виде несущей трубы 2, дугообразных держателей 3 и дугообразных натяжных кронштейнов 10. Несущая труба 2 установлена на неподвижной опоре 4 с фундаментом 8 посредством двух поворотных механизмов: поворотного в горизонтальной плоскости привода 24 с траверсой 25 и линейного привода 20 с кронштейном 26 для поворота в вертикальной плоскости. Концы дугообразных держателей 3 связаны распорными элементами, например, распорными трубами 9. Между противоположно установленными дугообразными натяжными кронштейнами 10 натянуты гибкие светоотражающие ленты 12. Оба конца светоотражающих лент 12 снабжены натяжным приспособлениями. Это могут быть крепления 27, связанные канатом 28 с натяжными роликами 29, с возможностью натягивания относительно кронштейна 10 (см. фиг. 10). Светоотражающие ленты 12 натянуты между дугообразных натяжных кронштейнов 10 с образованием параболического солнечного коллектора. Дугообразные держатели 3 расположены с нерабочей стороны лент 12. При этом на несущей трубе 2 с внутренней стороны параболического солнечного коллектора установлены стойки 17 нагревательной трубы 18 с теплоносителем. Нагревательная труба 18 угловыми патрубками 19 связана с устройством преобразования тепловой энергии теплоносителя (на рисунке не показано). Поворотные механизмы параболического солнечного коллектора связаны с устройством слежения за солнцем и управления поворотом коллектора (на рисунке не показано).

Изображенная на фиг. 12-14 гелиоэнергетическая система по преобразованию солнечной энергии в электрическую включает один или комплекс компактных модулей 31 с двумя степенями свободы. Модуль 31 включает несущую трубу 2, по концам которой установлены плоские натяжные кронштейны 32. Концы натяжных кронштейнов 32 связаны распорными трубами 9. Гибкие тонкопленочные солнечные батареи 33 натянуты между натяжными кронштейнами 32 с образованием плоской поверхности. Для натяжения гибких тонкопленочных солнечных батарей 33 можно использовать приспособления, изображенные на фиг. 5 и 10. Несущая труба 2 установлена на неподвижной опоре 4 с фундаментом 8 посредством двух поворотных механизмов: поворотного в горизонтальной плоскости привода 24 с траверсой 25 и линейного привода 20 с кронштейном 26 для поворота в вертикальной плоскости. Гибкие тонкопленочные батареи 33 связаны с устройством накопления и преобразования электрического тока (на рисунке не показано).

Модули 1, 23 и 31 можно устанавливать на любом грунте, а также на воде с помощью легкого устойчивого плота 34, как показано на фиг. 14. Плот 34 может быть снабжен элементами балансировки в виде гироскопа (на рисунке не показано) для уменьшения степени качания на волнах водоема.

Гелиоэнергетическую систему собирают и используют следующим образом. Для изготовления гибких светоотражающих лент 12 и гибких тонкопленочных солнечных батарей 33 можно использовать самые дешевые полимерные материалы, например, отходы пластиковых банок и бутылок. Транспортирование комплектов системы к месту установки облегчено за счет компактности и небольшого веса лент 12 и пленочных батарей 33. Простые приспособления для натяжения лент 12 и батарей 33 позволяют быстро развернуть модули 1, 23 и 31 системы в рабочее положение. В отличие от зеркальных и кремниевых поверхностей типовых солнечных коллекторов пленочные поверхности не являются хрупкими, не боятся ударов. Их не надо часто мыть: за счет гибкости лент 12 и батарей 33 на воздухе они вибрируют даже от небольшого ветерка, стряхивая пыль, грязь, влагу. Гелиоэнергетическая система не боится парусности. Сильные порывы ветра легко проходят между лентами 12 или батареями 33, не опрокидывая модули 1, 23, 31. Такие порывы только способствуют самоочищению поверхности лент 12 и батарей 33. Но, когда возникает необходимость в мытье модулей 1, 23 и 31, нет опасности повреждения гибких поверхностей - она прочная и удароустойчивая. Для замены износившейся поверхности коллектора не надо демонтировать его целиком, достаточно заменить только поврежденные ленты 12 либо батареи 33, которые легко снимаются и устанавливаются.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в упрощении гелиоэнергетической системы с использованием гибких полимерных лент в качестве светоотражательной или фоточувствительной поверхности при уменьшении веса и транспортных размеров солнечных модулей и повышении их эксплуатационных характеристик.