close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9611

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 9611
(13) C1
(19)
F 24J 2/04
F 24J 2/42
КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ
(21) Номер заявки: a 20021060
(22) 2002.12.20
(43) 2004.06.30
(71) Заявитель: Научно-производственное частное унитарное предприятие
"Мателот" (BY)
(72) Авторы: Чабанов Алим Иванович
(UA); Сычев Михаил Парфенович
(BY); Ерохов Николай Михайлович
(BY); Щукин Георгий Лукич (BY);
Сидоренко Юрий Петрович (BY);
Филипенко Евгений Семенович
(UA); Баженов Андрей Николаевич
(UA); Чабанов Владислав Алимович (RU); Смарж Иван Ильич (UA);
Городов Михаил Иванович (UA);
Матасов Рев Александрович (UA);
Марченко Владимир Романович (UA);
Жигайло Виктор Никифорович (RU);
Воронков Алексей Алексеевич (RU);
Севастьянов Владимир Петрович (RU);
Чабанов Дмитрий Алексеевич (RU);
Чепасов Александр Александрович
(RU); Соболев Валериан Маркович
(RU); Соловьев Александр Алексеевич (RU)
(73) Патентообладатель: Научно-производственное частное унитарное предприятие "Мателот" (BY)
(56) SU 1449703 A1, 1989.
US 5578140 A, 1996.
CA 1329344 C, 1994.
BY 9611 C1 2007.08.30
(57)
1. Комплекс для преобразования солнечной энергии в тепловую, содержащий замкнутую камеру с размещенным в ней теплоаккумулирующим материалом, теплоизолирующие светопроницаемые днище, стенки и потолок которой выполнены и размещены с
условием минимальности потерь проходящего через них внешнего солнечного излучения
Фиг. 1
BY 9611 C1 2007.08.30
и максимального нагрева им размещенных в камере технологических гелиопреобразующих материалов при предельно возможном ограничении тепловых потерь, а также внешний концентратор для передачи падающего солнечного излучения к указанной камере,
отличающийся тем, что содержит дополнительные отражающие поверхности, установленные вокруг указанной камеры в фиксированных и/или регулируемых положениях относительно поверхности почвы, включая горизонтальные, наклонные и вертикальные
положения, закрепленные, например, на установленных опорах, канатных конструкциях,
и/или приспособлениях с подъемными резервуарами и надувными опорами, близлежащих
строениях и удобным образом ориентированных складках местности, предназначенные
для отражения прямого и/или отраженного, в частности, от заснеженной поверхности
земли, солнечного излучения под оптимальными углами на вход внешнего концентратора,
выполненного в виде фигуры, близкой к усеченной пустотелой пирамиде с отражающими
внутренними боковыми поверхностями, большее и меньшее основания которой образуют
соответственно входной и выходной, примыкающий к поверхности камеры, проемы для
прохода солнечного излучения, днище и потолок камеры сформированы из светонепроницаемого материала, по всей площади и толщине которого выполнены внутренние концентраторы излучения, выходящего из внешнего концентратора, для его передачи внутрь
камеры, выполненные в виде объемных пустотелых геометрических фигур с отражающими внутренними боковыми поверхностями и теплоизолирующей газовой средой внутри,
например в виде усеченных четырехгранных пирамид и/или конусов, причем оба основания каждого из внутренних концентраторов закрыты тонким светопроницаемым теплоизолирующим материалом, соседние большие их основания, расположенные на наружной
поверхности указанного светонепроницаемого материала, практически примыкают друг к
другу, а соседние меньшие основания разделены расстояниями, в частности, превышающими длину сторон их поперечного сечения, при этом указанный слой светонепроницаемого материала между меньшими основаниями внутренних концентраторов опирается на
внутренние опорные конструкции камеры, отделенные от ее внутренней среды дополнительным теплоизолирующим слоем из материала с повышенной температурной устойчивостью и расположенные в воздушной среде, соединенной со средствами утилизации
тепловых потерь камеры, выполненными с возможностью откачки нагреваемого воздуха и
применения его в качестве теплоносителя, а на опорных конструкциях напротив соответствующих оснований внутренних концентраторов закреплены отводы выходящего из них
солнечного излучения, выполненные, например, в виде поворотных теплоизолирующих
пластин или пустотелых стеклянных отражающих трубок, обеспечивающих выходное
увеличение поперечного сечения каждого пучка солнечного излучения и направление его,
непосредственно или с применением промежуточных отражающих поверхностей, на определенные участки преобразующих и аккумулирующих материалов внутри камеры.
2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что светонепроницаемый теплоизолирующий
материал выполнен из строительных блоков необходимой по условиям теплоизоляции
высоты, выполненных преимущественно в виде плоских, ориентировочно, прямоугольных
форм, составленных, в частности, из сборочных модулей, образующих указанные блоки
при соединении в пакеты с теплоизолирующими воздушными слоями между модулями с
помощью опорных площадок, причем в материал указанных модулей встроены маркированные составные элементы, образующие после сборки проемы с результирующим профилем, соответствующим профилю внутренних концентраторов, а по меньшей мере часть
воздушных теплоизолирующих слоев соединена, например, последовательно, со средствами утилизации тепловых потерь камеры.
3. Комплекс по п. 2, отличающийся тем, что объемные пустотелые геометрические
фигуры внутренних концентраторов выполнены в виде готовых конструкций с возможностью их помещения в указанные проемы строительных блоков.
4. Комплекс по п. 2 или 3, отличающийся тем, что теплоизолирующие воздушные
слои строительных блоков соединены между собой, а также с окружающей атмосферой и,
2
BY 9611 C1 2007.08.30
например, с внутренней средой камеры посредством регулируемых каналов между внутренней воздушной средой и окружающей атмосферой, а также воздухоотводящих каналов
для подачи нагреваемого энергией тепловых потерь воздуха из внутренней воздушной
среды строительных блоков посредством его откачки, в частности, через внутреннюю полость камеры, с последующим использованием в качестве теплоносителя, а по меньшей
мере один из указанных теплоизолирующих воздушных слоев связан с окружающей атмосферой с помощью воздушного канала с регулируемой задвижкой, сформированного в
днище камеры, при этом через потолок камеры проведен по меньшей мере один воздушный канал, подключенный к регулируемой задвижке и параллельно - к предохранительному устройству для защиты последней от превышения внутреннего давления и
температуры сверх допустимых значений.
5. Комплекс по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что объемные пустотелые геометрические фигуры внутренних концентраторов выполнены из металла и/или стекла,
пластмасс и композитных материалов, а их отражающие поверхности образованы, в частности, напылением.
6. Комплекс по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что каждая из объемных пустотелых геометрических фигур внутренних концентраторов содержит по меньшей мере по
одной отражающей продольной перегородке, проходящей, например, через ее осевую линию.
7. Комплекс по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что внешний концентратор
выполнен поворотным относительно вертикальной оси, являющейся геометрической осью
наружной поверхности камеры, причем его грани закрепляют относительно указанной поверхности в качестве опорной базы посредством опор вращения, указанные грани, а также
их несущие конструкции уравновешены, преимущественно, посредством канатных строп
через поворотные механизмы с ручными и/или автоматизированными приводами, выполненными с возможностью регулирования пространственного положения граней внешнего
концентратора, а также его положения и геометрической формы в целом, при этом внешний концентратор выполнен с возможностью складывания его граней в ветрозащитное
положение в виде составной конструкции, опирающейся на опорную базу.
8. Комплекс по любому из пп. 2-6, отличающийся тем, что камера выполнена в виде
тороидальной замкнутой конструкции, теплоизолирующие светопроницаемые стенки которой, выполненные из указанных строительных блоков, соединены снизу с днищем плоской, ориентировочно, кольцевой формы, а сверху - с потолком аналогичной формы, при
этом в пространстве, окружающем центральную ось и ограниченном по периметру ее поверхностью, размещено энергетическое оборудование, работа которого связана с функционированием камеры, в том числе турбоэлектрические агрегаты, внешний концентратор
выполнен поворотным относительно камеры с возможностью его применения одновременно в качестве приспособления для концентрации потока естественного ветра и направления его посредством вспомогательных устройств, закрепленных на опорной базе
камеры, на вход турбоэлектрического агрегата.
9. Комплекс по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что камера выполнена в виде
шара для использования, преимущественно, при создании теплиц, аквариумов и спортивных сооружений.
10. Комплекс по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что камера выполнена в виде
цилиндра для использования, преимущественно, при энергетическом обеспечении бытовых объектов.
11. Комплекс по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что камера выполнена в виде
усеченной пирамиды для использования, преимущественно, при создании гелиоэнергетических бытовых объектов, в частности для приготовления пищи.
12. Комплекс по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что камера выполнена в виде
параллелепипеда для использования, преимущественно, при обслуживании бытовых объектов в регионах с относительно низкой солнечной активностью.
3
BY 9611 C1 2007.08.30
13. Комплекс по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что содержит дополнительный внешний концентратор солнечного излучения, смежный с первым, оба внешних концентратора выполнены стационарными с возможностью автономного регулирования
углового положения их граней и/или отдельных участков граней, грани выполнены в виде
плоских панелей с отражающими поверхностями, в частности, с обеих их сторон, закрепленных на каркасных конструкциях, выполненных из составных сборно-разборных конструктивных элементов, например, из трубок, канатов, нитей, с помощью крепежных приспособлений, преимущественно мобильных, причем стороны каждой из боковых граней
размещают попарно, преимущественно, параллельно и перпендикулярно к поверхности
почвы, сами грани расположены относительно друг друга с технологическими зазорами,
позволяющими производить их автономное обслуживание, при этом меньшие стороны
оснований граней каждого из внешних концентраторов прикреплены к наружной опорной
поверхности камеры и/или к расположенной вблизи автономной опорной базе, в частности, посредством опор вращения, а противоположные большие стороны например, посредством удерживающих канатных строп.
14. Комплекс по п. 13, отличающийся тем, что указанные плоские панели выполнены
из облегченных строительных конструкций и отделочных плит наружного применения,
усиленных деревометаллическими балками и/или предварительно напряженными канатами.
15. Комплекс по п. 13, отличающийся тем, что указанные плоские панели выполнены
из гибкого, например, тканевого материала, а отражающие поверхности выполнены из
пленочного материала, защищенного от атмосферных воздействий и механических повреждений защитным светопроницаемым материалом.
16. Комплекс по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что указанные плоские панели выполнены из композитного, пластикового или полимерного материала.
17. Комплекс по п. 13, отличающийся тем, что указанные плоские панели выполнены
из плоских жестких пластин, например из стеклопластика, различных форм в компоновочных комплектах, соответствующих проектным формам и размерам указанных граней,
с маркировкой в соответствии с технологической схемой их мобильного закрепления в
плоскости граней.
18. Комплекс по любому из пп. 13-17, отличающийся тем, что мобильные крепежные
приспособления выполнены с намоточными барабанами для разматывания и сматывания
гибкого отражающего материала в плоскости граней, размещенными, например, в качестве сторон оснований граней и зафиксированными относительно поверхности почвы и несущих конструктивных элементов, длина барабанов соответствует максимальной ширине
гибкого отражающего материала, который закреплен на каркасных конструкциях, в частности, при помощи канатов и/или высокопрочных нитей.
19. Комплекс по любому из пп. 1-18, отличающийся тем, что в качестве гелиотермопреобразующего и теплоаккумулирующего материала, помещенного в трубные коллекторы и/или вспомогательные емкости, герметично закрытые листовым теплопроводным
материалом, соединенным с теплоотводами, погруженными в теплоаккумулирующий материал, в частности листовым материалом с гофрированной поверхностью, выбрано вещество или, преимущественно, техническая смесь веществ с повышенными температурой
кипения и удельной теплоемкостью фазовых переходов из твердого состояния в жидкое и
обратно и способностью сохранения устойчивого состояния в расплавленном виде при
температурах, значительно превышающих температуру кипения воды, например, различные смеси солей щелочных металлов и/или стеаринов, пластмасс, при этом указанные
коллекторы и/или емкости соединены с энергетическими каналами, соединенными, в
свою очередь, с внутренней средой камеры для подачи воды и воздуха из нее, и окружены
теплоизолированными емкостями и/или трубными коллекторами, заполненными водой в
качестве вспомогательного гелиопоглощающего теплоаккумулирующего материала.
20. Комплекс по любому из пп. 1-19, отличающийся тем, что содержит устройства,
позволяющие использовать нагретый в камере до высоких температур теплоаккумули4
BY 9611 C1 2007.08.30
рующий материал в качестве источника местного освещения, например устройства, характеризующиеся высокой термоэлектронной эмиссией и/или соответствующими спектральными характеристиками газовой ионизированной среды при повышении их
температуры.
21. Комплекс по любому из пп. 1-7, 9-18, отличающийся тем, что внешние концентраторы солнечных лучей выполнены с возможностью их применения одновременно в
качестве конфузоров, концентрирующих и направляющих приземный естественный поток
ветра, а ниже и/или выше камеры установлены жалюзи для направления указанного концентрированного потока к оси ветротурбины через ускоряющие каналы.
22. Комплекс по любому из пп. 1-21, отличающийся тем, что камера совместно с
внешним концентратором выполнена с возможностью применения ее для опреснения
морской воды.
23. Комплекс по любому из пп. 1-22, отличающийся тем, что камера выполнена с
возможностью ее применения в бытовом и мобильном вариантах для горячей обработки
пищевых продуктов, в частности для сушки аптечных трав, грибов, овощей, фруктов и
рыбопродукции.
24. Комплекс по любому из пп. 1-23, отличающийся тем, что камера выполнена с
возможностью ее применения в передвижном и бытовом вариантах для горячей обработки
керамических изделий.
25. Комплекс по любому из пп. 1-24, отличающийся тем, что камера выполнена с
возможностью ее применения в походном варианте использования в качестве лабораторного варианта нагревательной печи, в том числе для получения расплавов легкоплавких
материалов.
Изобретение относится к области солнечной энергетики.
Известны технические решения в области преобразования солнечной энергии в тепловую энергию нагреваемой воды, расплавленных солей с низкой температурой плавления и
кинетическую энергию движущихся воздушных потоков.
Известны также комплексы и технические варианты их реализации, направленные на
получение электрической энергии посредством нагрева темных поверхностей солнечными
лучами с последующим преобразованием тепловой энергии в скоростной воздушный поток, который приводит во вращение ветротурбоэлектроагрегат, вырабатывающий электрическую энергию.
Эти технические решения дополняют друг друга полезными технологическими приемами, средствами и приспособлениями, однако не открывают путей преодоления существующей до настоящего времени в этой области техники конфликтной ситуации. Она
состоит в следующем. Так как интенсивность солнечного излучения, проходящего в замкнутую тепловую камеру для термического преобразования, тем больше, чем выше светопроницаемость последней, то существует обоснованная тенденция к увеличению площади
светопроницаемых поверхностей тепловой камеры, однако, при этом, соответственно,
возрастает диссипация энергии, в том числе, конвектино-кондуктивные и лучевые потери
тепловой энергии изнутри, а также поглощение и отражение солнечных лучей самой светопроницаемой поверхностью.
В результате такой ситуации в солнечных коллекторах со светопроницаемыми и теплоизолирующими покрытиями не удается устойчиво получать температуру нагреваемого
рабочего тела, например воды, выше 70 °С, поскольку величина тепловых потерь и снижение КПД процесса останавливают ее рост и приводят к быстрому снижению с уменьшением интенсивности солнечной радиации. Исключение составляют лишь отдельные
научно-исследовательские конструкции, которые не могут получить широкого промышленного использования.
5
BY 9611 C1 2007.08.30
Детальное обобщение и анализ результатов в этой области техники с оценкой достигнутого уровня и перспективами изложены в монографии Мак-Вейг Д. Применение солнечной энергии. - М.: Энергоиздат, 1981 (пер. с англ. языка Г.А. Гухман, С.И. Смирнова).
Известен также гелиоэнергетический комплекс для производства электроэнергии, основанный на использовании нагретой солнечным излучением среды (водоемов) для нагревания и преобразования в пар жидкости как рабочего тела с низкой температурой кипения
и испарения с последующей подачей паров рабочего тела в паротурбинный агрегат, в том
числе при косвенном участии воздуха как второго рабочего тела в процессе энергопреобразования [а.с.СССР 1495492, МПК F 03G 7/04, F 01K 25/04, 1989.].
Данный способ позволяет получать тепловую энергию с необходимой для потребителей температурой только через термическое преобразование вырабатываемой электрической энергии. Применение специальных жидкостей, например эфиров, фриона сильно
ограничивает область использования данного способа.
Известен способ преобразования энергии солнечных лучей, основанный на использовании принципа поглощения солнечных лучей темной поверхностью и передаче полученной
тепловой энергии воздушной среде [а.с. СССР 1416745, МПК F 03G 9/00, 1988; заявка ФРГ
3312977, МПК F 03G 9/00, 1984; заявка Франции 22698682, МПК F 03G 12/16, 2/20, 2/48,
1994; а.с. СССР 1625999, МПК F 03G 12/42, 1991]. Технические решения, приведенные в
указанных патентных материалах, а также дополнительные, известные авторам настоящего изобретения из других источников научно-технической информации, предусматривают
использование аналогичного первичного процесса преобразования солнечной энергии посредством поступления солнечных лучей на темные гелиопоглощающие поверхности
через светопроницаемые, теплоизолирующие покрытия. С помощью последних, совместно с гелиопоглощающими поверхностями, образуют замкнутые пространства, в конечном
счете, каждое из них - в виде тепловой камеры, где и производят нагрев воды и/или воздуха с целью их дальнейшего использования в теплом или горячем виде. Характерной особенностью для всех этих технических решений является то, что светопроницаемое
покрытие тепловых камер выполняется с помощью применения стекла, в одно - двухрядном остеклении или полимерных пленок, которые не обеспечивают достаточно качественной теплоизоляции. Увеличение толщины и количества рядов светопроницаемого
теплоизолирующего материала приводит к нарастанию потерь лучевой энергии на входе в
тепловую камеру посредством соответствующего увеличения количества отраженной и
поглощенной солнечной энергии. Именно поэтому не достигается значительных ограничений энергетических потерь, а потенциальная возможность увеличения температуры рабочего тела до величин, достигающих и превышающих температуру кипения воды с
целью получения технологического пара, а также приемлемых значений скорости гелиотермического энергопреобразования и его КПД не реализуется. Поэтому до сих пор еще
не созданы конкурентоспособные промышленные гелиосистемы по производству тепловой и электрической энергии, а также коммунальные средства теплоснабжения, которые
могли бы исключить экологически разрушительное сжигание природного энергосодержащего сырья (газа, нефти, угля). Этим объясняются продолжающиеся усилия в поиске
разрешения вышеописанной конфликтной ситуации в гелиоэнергетике.
Одним из направлений в этом поиске является разработка вариантов применения гелиоконцентраторов, которые позволили бы относительно недорогими средствами увеличивать поступление солнечных лучей в тепловые камеры, при сохранении фиксированных
размеров гелиопоглощающих поверхностей. Наиболее близким к настоящему предполагаемому изобретению является техническое решение, связанное с применением гелиоконцентрирующих поверхностей, установленных на подвижных рельсовых платформах,
траектория движения которых в течение светового дня охватывает соответствующей части
периметр крупного светопроницаемого теплоизолированного пространства [а.с. СССР
1449703, МПК F 03G 7/02, F 24J 2/42, 1989]. В этом техническом решении солнечные лучи,
6
BY 9611 C1 2007.08.30
воспринимаемые гелиоконцентратором на значительных облучаемых пространствах, направляются сквозь светопроницаемое покрытие для нагрева воздушной среды и трубного
коллектора с целью последующей выработки электроэнергии, с использованием для этого
в качестве рабочего тела нагреваемого воздуха, а также воды. Преимущество данного технического решения заключается не только в дополнительном энергетическом насыщении
замкнутого пространства, что само по себе имеет важное значение, но и в том, что гелиоконцентратор выполнен как лучеотражатель, не требующий высокоточной фокусировки с
соответствующим высокодинамичным и высокоточным регулированием, воздействующий на значительные объемы и территории пространства. Кроме того, его преимущество
заключается в том, что лучеотражающие (гелиоконцентрирующие) поверхности устанавливаются на мобильном средстве, с помощью которого его можно укрыть от сильного
ветра в соответствующем месте, и это позволяет выполнять такой гелиоконцентратор в
легких, а значит, дешевых конструкциях. Такое применение гелиоконцентраторов, в облегченных конструкциях, содействует созданию экономических условий для поэтапного
обеспечения конкурентоспособности гелиоэнергетики. В этом смысле известные типовые
гелиоконцентраторы уступают варианту по рассматриваемому прототипу, так как вопервых, приведенная стоимость одного квадратного метра гелиоконцентрирующей поверхности находится в пределах 200-250 долларов США, а во втором случае составляет
величину, в 2-3 раза меньшую, которая в особых конструкциях имеет перспективу дальнейшего многократного снижения.
Однако в изложенном техническом решении, согласно названному прототипу, в основном, все же не решается указанная основополагающая конфликтная ситуация: применение и
совершенствование отдельно стоящих упрощенных и удешевленных гелиоконцентраторовлучеотражателей не снижает величины теплопотерь через светопроницаемые поверхности
тепловых камер - замкнутых гелиопоглощающих полостей, величина которых остается
большой. Темпы роста тепловых потерь резко увеличиваются с повышением температуры
во внутренней среде последних.
Задачей предлагаемого технического решения, является создание такого способа комплекса технических приемов преобразования солнечной энергии в тепловую, при реализации
которого можно было бы принципиально ликвидировать ставший типичным указанный
конструктивно-технологический предел в ограничении безвозвратных тепловых потерь из
замкнутой светопроницаемой тепловой камеры в окружающее пространство при сохранении количества поступающей в нее солнечной энергии, более того - усилить при этом теплоизоляцию ее внутренней среды и достигнуть ограничения тепловых потерь до любого,
наперед заданного, экономически целесообразного уровня и принципиально повысить
коэффициент полезного действия и экономическую эффективность процесса преобразования солнечной энергии в тепловую.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание солнечных
интенсифицированных тепличных комплексов для преобразования солнечной энергии в
тепловую, которые позволяют производить тепловую энергию через термопреобразование
солнечных лучей с удельной стоимостью, значительно более низкой, чем это характерно
для современных ТЭЦ и котельных, работающих на природном газе, и являются энергетической основой создания высокоэффективных гелиоветроэлектрических станций.
Частными техническими результатами предложенного комплекса для преобразования
солнечной энергии в тепловую являются снижение капитальных затрат при строительстве
теплоэлектростанций и котельных, создание комплексов бытовых и передвижных гелиоэнергетических установок, в том числе для горячей обработки пищевых продуктов в качестве наружной, традиционной для многих регионов, плиты или печи, в которой можно
готовить пищу, в частности выпекать хлеб, даже в условиях суровой русской зимы, а также запасаться в них высокопотенциальной тепловой энергией на ночной период или даже
на несколько суток.
7
BY 9611 C1 2007.08.30
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем,
что относительно известного прототипа комплекс для преобразования солнечной энергии
в тепловую, содержащий замкнутую камеру с размещенным в ней теплоаккумулирующим
материалом, теплоизолирующие светопроницаемые днище, стенки и потолок которой выполнены и размещены с условием минимальности потерь проходящего через них внешнего
солнечного излучения и максимального нагрева им размещенных в камере технологических гелиопреобразующих материалов при предельно возможном ограничении тепловых
потерь, а также внешний концентратор для передачи падающего солнечного излучения к
указанной камере, отличающийся тем, что содержит дополнительные отражающие поверхности, установленные вокруг указанной камеры в фиксированных и/или регулируемых положениях относительно поверхности почвы, включая горизонтальные, наклонные
и вертикальные положения, закрепленные, например, на установленных опорах, канатных
конструкциях, и/или приспособлениях с подъемными резервуарами и надувными опорами, близлежащих строениях и удобным образом ориентированных складках местности,
предназначенные для отражения прямого и/или отраженного, в частности, от заснеженной
поверхности земли, солнечного излучения под оптимальными углами на вход внешнего
концентратора, выполненного в виде фигуры, близкой к усеченно-пустотелой пирамиде с
отражающими внутренними боковыми поверхностями, большее и меньшее основания которой образуют соответственно входной и выходной, примыкающий к поверхности камеры, проемы для прохода солнечного излучения, днище и потолок камеры сформированы
из светонепроницаемого материала, по всей площади и толщине которого выполнены
внутренние концентраторы излучения, выходящего из внешнего концентратора, для его
передачи внутрь камеры, выполненные в виде объемных пустотелых геометрических фигур с отражающими внутренними боковыми поверхностями и теплоизолирующей газовой
средой внутри, например, в виде усеченных четырехгранных пирамид и/или конусов,
причем оба основания каждого из внутренних концентраторов закрыты тонким светопроницаемым теплоизолирующим материалом, соседние большие их основания, расположенные на наружной поверхности указанного светонепроницаемого материала, практически
примыкают друг к другу, а соседние меньшие основания разделены расстояниями, в частности, превышающими длину сторон их поперечного сечения, при этом указанный слой
светонепроницаемого материала между меньшими основаниями внутренних концентраторов опирается на внутренние опорные конструкции камеры, отделенные от ее внутренней среды дополнительным теплоизолирующим слоем из материала с повышенной
температурной устойчивостью и расположенные в воздушной среде, соединенной со
средствами утилизации тепловых потерь камеры, выполненными с возможностью откачки
нагреваемого воздуха и применения его в качестве теплоносителя, а на опорных конструкциях напротив соответствующих оснований внутренних концентраторов закреплены
отводы выходящего из них солнечного излучения, выполненные, например, в виде поворотных теплоизолирующих пластин или пустотелых стеклянных отражающих трубок,
обеспечивающих выходное увеличение поперечного сечения каждого пучка солнечного
излучения и направление его, непосредственно или с применением промежуточных отражающих поверхностей, на определенные участки преобразующих и аккумулирующих материалов внутри камеры.
Такое техническое решение позволяет экономически эффективно снять традиционный
конструктивно-технологический предел ограничения потерь тепла из замкнутой внутренней
среды камеры при увеличении площади ее светопроницаемой поверхности и обеспечить
не только сохранение количества поступающей в нее солнечной энергии при наращивании ее теплоизоляционных показателей, но и увеличение его за счет дополнительного,
"принудительного" направления солнечных лучей внутрь камеры из окружающего пространства, посредством применения пристроенного к ней или расположенного рядом
внешнего концентратора солнечных лучей. Последний выполнен, преимущественно, из
8
BY 9611 C1 2007.08.30
четырех граней, образующих приближенную форму усеченной пустотелой пирамиды.
Каждая из четырех ее граней, преимущественно, содержит поверхности, покрытые лучеотражающим материалом, например алюминиевой фольгой, защищенной от атмосферного
воздействия тонким слоем светопроницаемого материала.
У наружной поверхности камеры или невдалеке от нее эти грани сходятся между собой, образуя подобие меньшего основания пирамидообразной фигуры как выходной проем внешнего концентратора солнечных лучей. В противоположную сторону от наружной
поверхности камеры грани расходятся между собой, образуя в конце подобие большее основание пирамидообразной фигуры как входной проем внешнего концентратора солнечных лучей. Поток солнечных лучей, входящий в последний, отражаясь от зеркальных
поверхностей граней, выходит через меньшее основание его со значительно большей
удельной энергией.
Пирамидообразное определение формы внешнего концентратора солнечных лучей исходит из принципиального, лишь образного подобия, так как одни его грани, в силу тех
или иных условий, могут быть длиннее, чем в точных контурах пирамиды, другие - короче; в реальных условиях в местах стыка смежных граней могут оказаться "щели", а не
ребра пирамиды; нижняя или верхняя грани могут быть значительно вытянуты одна относительно другой. Однако общее определение формы как "пирамидообразной" является
справедливым для рассмотрения принципов работы.
Для еще большего наращивания энергии солнечных лучей, направляемых в камеру,
может быть применен последовательно и второй внешний концентратор солнечных лучей
с увеличенными входным и выходным проемами. Это реализовано в другом варианте,
предложенного в настоящем изобретении техническом решении, путем размещения в окружающем пространстве дополнительных лучеотражающих поверхностей, отраженные
лучи от которых поступают во входную полость внешнего концентратора. Эти поверхности, из-за относительно невысокой стоимости, могут быть развернуты на площадях столь
крупного размера, что поток солнечных лучей в камеру в расположенных при ней внешних концентраторах может достигать любых, наперед заданных, значений и создавать повышение температуры в последней до величины, намного превышающей температуру
кипения воды, например, до 200-300 °С. Посредством такой, уже высокопотенциальной,
тепловой энергии предусматривается получение пара или паровоздушной смеси, со значительным их перегревом, чтобы преобразовать их тепловую энергию в электрическую с
высоким КПД, посредством применения первичного преобразователя - паротурбоэлектроагрегата. Отработавший в последнем пар или паро-воздушная смесь, преимущественно,
используются во втором контуре производства электрической энергии в рамках гелиоветроэнергетического преобразования, а затем уже могут направляться потребителям нагретой
воды и воздуха, в частности, в жилые дома и животноводческие фермы, теплицы и т.п.
Дополнительные лучеотражающие поверхности могут располагаться также в бытовых
и мобильных (передвижных, туристических) условиях с помощью простых опорных приспособлений, подручных средств окружающих деревьев, жилых домов и других строений,
участков местного рельефа. При этом их положение может периодически корректироваться в зависимости от положения солнечного диска на небосводе. Каждый квадратный метр
подобной лучеотражающей поверхности может иметь, в разработанных конструкциях,
стоимость в пределах 3-4 долларов США, чем определяется уникальная экономическая
эффективность предложенного способа. Лучеотражающие поверхности могут выполняться посредством весьма легких пластин небольшого размера из пенистых и композитных
материалов, легко переносимых и транспортируемых, а также посредством тканей и пленок, поверхность которых снабжается лучеотражающим материалом и которые при
транспортировке (или в бытовых условиях) могут сворачиваться, снабжаться легкими,
складывающимися опорными приспособлениями.
В промышленных вариантах таких термопреобразующих установок дополнительные
лучеотражающие поверхности могут закрепляться посредством гибких материалов, за9
BY 9611 C1 2007.08.30
крепляемых с помощью канатов и удерживающих опор, с дистанционным, автоматическим или ручным управлением. При этом, в случае больших размеров и высоких мощностей тепловых камер, гелиокотелен, последние могут выполняться в цилиндрической или
тороидальной форме с шириной, преимущественно 5-20 м, охватывая свободный объем
пространства вокруг оси, в котором осуществляются последующие энергетические, гелиоветроэнергетические и термоаэродинамические процессы при производстве электрической энергии - в соответствующих энергетических каналах. В этом случае канатные
трассы, на участках которых располагаются дополнительные лучеотражающие поверхности, могут по кругу, со значительным радиальным расстоянием, охватывать виртуальный
цилиндрический периметр гелиокотельной - комплекса для преобразования солнечной
энергии в тепловую. При этом канатные трассы могут, синхронно с движением солнечного
диска по небосводу, передвигаться, одновременно перемещая лучеотражающие поверхности. Если последние закреплены с помощью двух взаимодействующих канатных трасс верхней и нижней - то положение одной из них, например приземной, может корректироваться простейшими механизмами в течение сезонных периодов, чтобы, в соответствующем положении лучеотражающих поверхности относительно камеры, определялся и их
оптимальный угловой наклон не только в течение светового дня, но и в течение сезонных
периодов. При повышении скорости ветра сверх допустимой гибкие лучеотражающие поверхности могут соответственно и складироваться. По указанным канатным трассам (или
другим) - могут выдвигаться в соответствующий сектор окружающего пространства ураганозащитные наклонные "стены".
Комплекс позволяет также применение нескольких концентрических канатных трасс,
расположенных на различных по высоте уровнях и/или, практически на одном уровне,
при размещении их на значительных (соответствующих) расстояниях друг от друга. Комплекс предусматривает возможность размещения лучеотражающих поверхностей, в тех
или иных формах, на весьма значительных расстояниях от солнечного интенсифицированного тепличного комплекса в зависимости от хозяйственных и технико-экономических
потребностей, так как потери энергии отраженного солнечного излучения при прохождении светового потока в чистой воздушной среде многокилометровых расстояний ничтожны,
а также использования снежного покрова для соответствующего направления отраженных
от него солнечных лучей, причем как с южной, так и с северной сторон. В определенных
случаях лучеотражающие поверхности могут размещаться с помощью заполненных легким газом подъемных резервуаров, направляемых канатными натяжными устройствами.
Эффективным решением является также размещение лучеотражающих панелей в специально созданных траншеях, накрытых сверху светопроницаемым материалом. В этом случае лучеотражающие панели, защищенные от ветра, будут иметь весьма легкие и дешевые
конструкции. Траншеи должны иметь при этом соответствующие запасы по ширине и
глубине и использоваться как теплицы для выращивания овощей и ягод.
Комплекс позволяет создавать гелиоэнергетические котельные в микрорайонах городов, на жилых, в том числе многоэтажных, домах, располагая гелиопоглощающие и теплогенерирующие камеры на их кровлях, с расположением внешних концентраторов
солнечных лучей посредством этих же кровель и с размещением лучеотражающих поверхностей в соответствии с особенностями застройки жилищных массивов, в том числе
стен противоположных домов, проезжих территорий и улиц. В большей части регионов,
например в Республике Беларусь. 1000 м2 таких площадей будут давать 100 кВт мощности
тепловой энергии. Наращивание мощности солнечных интенсифицированных тепличных
комплексов за счет дополнительной установки лучеотражающих поверхностей экономически выгоднее увеличения мощности ТЭЦ, АЭС, ГЭС в любой его форме. Это указывает
на большие потенциальные возможности гелиоэнергетики. Например, в Республике Беларусь, где возможности гелиоветроэнергетики менее предпочтительны, в сравнении с любым регионом России (в связи с особыми природно-климатическими данными, весьма
10
BY 9611 C1 2007.08.30
привлекательными в других аспектах), эти потенциальные преимущества выглядят следующим образом. Осредненная по году мощность солнечной радиации на территории
Республики Беларусь составляет 0,13 кВт/м2. В то же время стоимость создания лучеотражающей поверхности активной площадью 1000 м2, совместно с опорами, удерживающими
канатами и средствами их периодической переориентации, составляет 9000 долларов
США. Из этого следует, что приращение тепловой мощности камеры в составе солнечного тепличного комплекса составляет 90 долларов США за 1 кВт. При этом удельная стоимость строительства (или расширения) ТЭЦ, работающей на природном газе, в
Республике Беларусь составляет величину около 500 долларов США за 1 кВт, то есть значительно дороже. Но главное - устраняется необходимость в приобретении и сжигании
природного газа. Применительно к коммунальным гелио- и обычным котельным сравнение
приводит к показателям такого же порядка. Для достижения такого уникального результата
в Республике Беларусь, на ее территории можно осуществить, согласно предполагаемому
изобретению, строительство солнечных интенсифицированных тепличных комплексов,
содержащих камеры, внешние концентраторы солнечных лучей и весьма мощно развитые
дополнительные лучеотражающие поверхности, и это освободит ее от внешних закупок
энергоносителей для производства тепловой и электрической энергии.
В Украине, Сибири и на Дальнем Востоке Российской Федерации, на побережье северных рек и морей Европы, на Африканском континенте, Ближнем Востоке, Индии, Китае,
Юго-Восточной Азии, Южной Америке экономическая эффективность предложенного
способа будет более высокой.
За основу обеспечения высокой теплоизоляции камеры в предложенном комплексе
взято применение светонепроницаемого теплоизолирующего материала. Его толщина и
теплоизоляционные свойства выбираются только по условиям качества теплоизоляции, то
есть без конфликтной увязки с необходимостью выполнения возможно больших светопроницаемых участков в стенках и/или потолке камеры. Светопроницаемость достигается
размещением последних в толстом светонепроницаемом, базовом теплоизолирующем материале (стенок и потолка) тонкостенных геометрических форм в виде четырехгранных
усеченных пирамид и /или усеченных конусов, располагаемых вершинами внутрь гелиопоглощающей камеры. Для снижения себестоимости строительно-монтажных работ такие
концентраторы и проводники солнечных лучей могут выполняться в виде заранее изготавливаемых, на потоке, строительных блоков, содержащих внутри лучеотражающие поверхности, в том числе образованные рядом модулей. К примеру, если в промышленной
гелиокотельной выбрана толщина стенок и потолков размером 400 мм, то усеченная пирамида-световод, поверхность которой покрыта лучеотражающим материалом, может
иметь входное основание, например 150×150 мм2 или 1500×1500 мм2, а светопроницаемое
выходное основание быть по площади значительно меньше первого. Это означает, что лучевые потери внутреннего тепла также значительно снижаются. Если же строительные
блоки толщиной 400 мм выполнены из нескольких параллельных составных модулей и
между ними образованы воздушные зазоры, то последние используются для увеличения
качества теплоизоляции, в том числе, через улучшенную утилизацию тепловых потерь.
Например, если в каждом таком модуле строительного блока размещен свой участок усеченной пирамиды-световода, и основания каждой такой пирамиды (или каждого участка
всей полной пирамиды) закрыты тонкими слоями светопроницаемого теплоизолирующего
материала, то воздушная среда, образованная между модулями строительных блоков, в
последовательном порядке может прокачиваться через внутреннюю среду камеры или направляться непосредственно в энергетические каналы. Воздушная среда из последней, в
частности, под давлением, порциями впрыскивается вместе с водой в испарительные полости, размещенные в гелиотермопреобразующем теплоаккумулирующем материале. Образовавшаяся паро-воздушная смесь может направляться в паровую турбину. Таким
образом тепловая энергия, с применением средств ее утилизации, вообще практически не
11
BY 9611 C1 2007.08.30
исчезает бесполезно из гелиопоглощающей полости, а КПД преобразования в ней солнечной энергии в тепло приближается к необычно высокой величине - более 95-97 %. Воздух
с утилизируемой тепловой энергией прокачивается из слоя в слой вдоль наружной поверхности указанных геометрических форм, охлаждая их и защищая светопроницаемые
основания участков пирамид-световодов от запыления. Если строительные блоки не содержат составных модулей, то их боковые грани содержат проемы, через которые протекает их внутренняя воздушная среда, соединенная с одной стороны с окружающей
атмосферой, а с другой - с потребителями нагретого воздухопотока, впитавшего в себя теплопотери.
Пучки концентрированного потока солнечных лучей, входящие во внутреннюю среду
камеры, имеют уменьшенные поперечные сечения и значительные расстояния между собой. Это позволяет создать прочный внутренний несущий каркас для стенок и потолка гелиопоглощающей камеры, располагаемый между этими пучками, не уменьшая и не
перекрывая для этих целей наружную светопроницаемую поверхность, которая составлена
из лучепроводящих квадратов, располагаемых своими сторонами вплотную друг к другу.
Так как во внутренней воздушной среде камеры проектно может предусматриваться
высокая температура (100 °С и более), что определяется производительностью отбора из
нее тепловой энергии, в том числе прокачки воздуха, то внутренний несущий каркас отгораживается в определенных конструктивных вариантах, от этой среды температуроустойчивым теплоизолирующим материалом, например плитами из пенобетона. В таком случае
несущий каркас располагается в воздушном слое, который также непрерывно освежается
и не имеет высокой температуры. Выходные каналы пучков концентрированного потока
солнечных лучей оптически совмещаются со вторыми внутренними световодами, которые
специально устанавливаются, например, в виде стеклянных трубок соответствующих поперечных сечений, поверхности которых покрыты зеркальным лучеотражающим материалом. Эти внутренние световоды или лучеотводы могут быть закреплены в проходных
проемах, образованных в дополнительном теплоизолирующем слое, и на втором конце выполнены в форме, расширяющей и направляющей лучевой пучок (по координатам) в соответствующие места камеры, в том числе на соответствующие лучеотражающие
поверхности, которые направляют лучи непосредственно в зоны расположения высокотемпературного гелиотермопреобразующего и теплоаккумулирующего технологического
материала (например стеарина с примесями солей щелочных металлов и других веществ),
имеющего высокую теплоемкость при фазовых переходах. Более универсальным техническим решением является применение вместо внутренних световодов поворотных лучеотражающих пластин.
В комбинации с лучеотражающими поверхностями, в вариантах проектных режимов с
высокими температурами во внутренней воздушной среде камеры, применяются и лучеэкранирующие поверхности, снижающие или ограждающие возвратное попадание инфракрасной составляющей теплового излучения в выходные проемы пирамидообразных (конусообразных, комбинированных) встроенных концентраторов и проводников солнечной
радиации. Одной из таких поверхностей является темная металлическая поверхность, накрывающая расплавленный технологический материал, содержащая тепловые радиаторы,
погруженные в него. Эта поверхность может быть тонкой, гофрированной, получаемой
посредством штамповки, и заполненной сверху сыпучим гелиопоглощающим и высокотеплопроводным материалом. Если более важным показателем гелиокотельной является не
ее компактность, а снижение себестоимости и применение подручных материалов в качестве теплоаккумулирующих, то для этих целей может использоваться сыпучий материал,
например щебень, дополнительный объем которого располагается под грунтом, в том
числе под камерой.
Для наиболее эффективного использования встроенных концентраторов и проводников солнечных лучей необходимо обеспечивать поступление в них солнечных лучей из
12
BY 9611 C1 2007.08.30
окружающего пространства под минимальными углами относительно их осей. Это обусловит минимальное число отражений солнечных лучей от их лучеотражающих поверхностей и снижение энергетических потерь в них. Кроме того, КПД пирамидообразных
встроенных концентраторов и проводников солнечных лучей увеличивается, при определенных размерах их, если внутри них образуют, по меньшей мере, по одной дополнительной лучеотражающей грани, которая проходит через оси концентраторов или параллельно
осям. Простейшим вариантом, улучшающим эффективность встроенных концентраторов
и проводников солнечных лучей, является встройка в них двух лучеотражающих поверхностей, расположенных крестообразно, с одновременным увеличением стороны квадрата
их входных проемов.
В дополнение к этому, внешний концентратор солнечных лучей выполняется также в
форме, близкой к пирамидообразной, с близкими к трапецеобразным граням, которые не
соединены механически между собой, и поэтому можно менять их взаимное расположение. В этом смысле нижняя грань в период низкого положения солнечного диска поворачивается периферийной стороной вниз, например, под углом 30°. В качестве нижней
грани может применяться и грунтовая поверхность, на которой располагают лучеотражающий материал.
Верхняя грань пирамидообразного внешнего концентратора солнечных лучей имеет
вид козырька, и ее в период нахождения солнечного диска в области зенита, а также в
других определенных ситуациях могут устанавливать под углом, при котором солнечные
лучи направляются на наружную поверхность стенок или светопроводящего потолка гелиопоглощающей камеры, для чего в таком случае поверхность ее снабжена лучеотражающим материалом с обеих сторон - на верхней и нижней поверхностях. Она может
выполняться существенно выше потолка камеры и иметь продолжение за ось вращения,
если таковая применена по ширине потолка больше.
Две другие грани внешнего концентратора солнечных лучей, приблизительно вертикальные, могут быть выполнены также с возможностью их поворота, закрепленными на
опорах скольжения или качения, относительно внешних опорных и несущих конструкций
гелиопоглощающей камеры или относительно отдельно установленных опор-стоек. Дальняя сторона вертикальной грани внешнего концентратора солнечных лучей, расположенная также приблизительно, вертикально, может закрепляться относительно поверхности
почвы посредством подвижных опор, в частности колес, перемещающихся по подготовленной трассе (или поверхности почвы). Однако лучшим вариантом закрепления ее является использование канатных строп, присоединенных одними концами к внешней
несущей конструкции т камеры посредством натяжных механизмов, а другими - к несущей конструкции граней, преимущественно, у ее периферии.
Такой способ закрепления позволяет уравновешивать вес этой грани, как и любой другой. Такая конструкция внешнего концентратора солнечных лучей позволяет не только
регулировать положение его граней относительно прямых и отраженных солнечных лучей, задавая при этом оптимальный угол падения солнечных лучей на светопроницаемую
поверхность гелиопоглощающей полости, но и осуществлять концентрирование естественного (а в отдельных случаях и искусственного) ветропотока, используя этот процесс
для дополнительной выработки электроэнергии в другом энергетическом контуре - гелиоветроэнергетическом, с термодинамическими и аэробарическими воздействиями на концентрированные ветровые потоки. При этом внешняя поверхность камеры также является
ветронаправляющим средством, ориентирующим ветропоток вверх, до отражения верхней
гранью внешнего концентратора солнечных лучей и направления его в ветрозаборный канал. В этой связи камеру в определенных условиях целесообразно располагать над поверхностью почвы на высоте 10-20 м, образуя ниже ее днища и/или выше ее потолка
ветронаправляющие каналы для последующих аэродинамических и термодинамических
воздействий на концентрированный ветропоток. Кроме того, такая конструкция внешнего
13
BY 9611 C1 2007.08.30
концентратора солнечных лучей позволяет, в случае предельного повышения скорости
естественного ветра, в частности, до ураганной величины - складывать его лучеотражающие грани в пакет (полный или частичный).
Внешние концентраторы солнечных лучей имеют два принципиально отличных варианта реализации. Один из них определяется тем, что его располагают относительно камеры
подвижным, когда он по мере перемещения солнечного диска по небосклону поворачивается относительно оси ее внешней поверхности или передвигается вдоль нее.
Другой вариант определяется тем, что по периметру камеры размещается несколько
стационарных внешних концентраторов солнечных лучей. Если ее периметр имеет, например, цилиндрическую (пирамидальную, коническую) форму, то оптимальным является
размещение вокруг нее 12-ти внешних концентраторов солнечных лучей, когда вертикальные грани их, в целом, не меняют своего положения соответственно координатам
солнечного диска на небосклоне, но могут поворачиваться в функции последнего их определенные участки вокруг осей, расположенных, преимущественно, в их плоскости.
В определенных географических и климатических условиях могут применяться и другие формы внешнего концентратора солнечных лучей, а также другие, в том числе комбинированные варианты размещения и закрепления последнего относительно камеры.
Бытовые, передвижные и туристические варианты исполнения камеры с присоединенными к ней внешними концентраторами солнечных лучей отличаются условиями мобильного монтажа, размещения и съема компонентов лучеотражающих поверхностей, всего
оборудования, требованиями относительной простоты и дешевизны.
Если встроенные концентраторы и проводники солнечных лучей выполняются составными, из отдельных сопряженных элементов, размещаемых в сборочных модулях
комплексных строительных блоков, то оконечные участки общей конструкции этого световода в виде усеченных пирамид или конусов, могут покрываться тонким зеркальным
слоем меди или даже специальных материалов, в том числе, серебра или золота, что значительно улучшит качество зеркальной поверхности в области наиболее высокой плотности потока солнечных лучей.
Сами геометрические формы встроенных концентраторов и проводников солнечных
лучей могут выполняться как из черного или цветного металла, так и из стекла, пластмасс
или композитных материалов с покрытием их лучеотражающими поверхностями.
Предусматривается также, что внутренняя среда камеры соединена с предохранительными клапанами. В связи с изложенным становятся ясными многогранность конструктивно-технологических реализаций и многоаспектность принципиальных подвариантов в
предложенном комплексе для преобразования солнечной энергии в тепловую. Именно
этим поясняется значительное количество дополнительных отличий в его технической сути относительно известных технических решений и названного прототипа.
В частности, отличие состоит в том, что светонепроницаемый теплоизолирующий материал выполнен также из строительных блоков необходимой по условиям теплоизоляции
высоты, выполненных преимущественно в виде плоских, ориентировочно, прямоугольных
форм, составленных, в частности, из сборочных модулей, образующих указанные блоки
при соединении в пакеты с теплоизолирующими воздушными слоями между модулями с
помощью опорных площадок, причем в материал указанных модулей встроены маркированные составные элементы, образующие после сборки проемы с результирующим профилем, соответствующим профилю внутренних концентраторов, а по меньшей мере часть
воздушных теплоизолирующих слоев соединена, например, последовательно, со средствами утилизации тепловых потерь камеры.
Отличие состоит в том, что объемные пустотелые геометрические фигуры внутренних
концентраторов выполнены в виде готовых конструкций с возможностью их помещения в
указанные проемы строительных блоков.
Отличие состоит в том, что теплоизолирующие воздушные слои строительных блоков
соединены между собой, а также с окружающей атмосферой и, например, с внутренней
14
BY 9611 C1 2007.08.30
средой камеры посредством регулируемых каналов между внутренней воздушной средой
и окружающей атмосферой, а также воздухоотводящих каналов для подачи нагреваемого
энергией тепловых потерь воздуха из внутренней воздушной среды строительных блоков
посредством его откачки, в частности, через внутреннюю полость камеры, с последующим использованием в качестве теплоносителя, а по меньшей мере один из указанных
теплоизолирующих воздушных слоев связан с окружающей атмосферой с помощью воздушного канала с регулируемой задвижкой, сформированного в днище камеры, при этом через
потолок камеры проведен по меньшей мере один воздушный канал, подключенный к регулируемой задвижке и параллельно - к предохранительному устройству для защиты последней от превышения внутреннего давления и температуры сверх допустимых значений.
Отличие состоит в том, что объемные пустотелые геометрические фигуры внутренних
концентраторов выполнены из металла и/или стекла, пластмасс и композитных материалов, а их отражающие поверхности образованы, в частности, напылением.
Отличие состоит в том, что каждая из объемных пустотелых геометрических фигур
внутренних концентраторов содержит по меньшей мере по одной отражающей продольной перегородке, проходящей, например, через ее осевую линию.
Отличие состоит в том, что внешний концентратор выполнен поворотным относительно вертикальной оси, являющейся геометрической осью наружной поверхности камеры,
причем его грани закрепляют относительно указанной поверхности в качестве опорной
базы посредством опор вращения, указанные грани, а также их несущие конструкции уравновешены, преимущественно, посредством канатных строп через поворотные механизмы с
ручными и/или автоматизированными приводами, выполненными с возможностью регулирования пространственного положения граней внешнего концентратора, а также его положения и геометрической формы в целом, при этом внешний концентратор выполнен с
возможностью складывания его граней в ветрозащитное положение в виде составной конструкции, опирающейся на опорную базу.
Отличие состоит в том, что камера выполнена в виде тороидальной замкнутой конструкции, теплоизолирующие светопроницаемые стенки которой, выполненные из указанных
строительных блоков, соединены снизу с днищем плоской, ориентировочно, кольцевой
формы, а сверху - с потолком аналогичной формы, при этом в пространстве, окружающем
центральную ось и ограниченном по периметру ее поверхностью, размещено энергетическое оборудование, работа которого связана с функционированием камеры, в том числе
турбоэлектрические агрегаты, внешний концентратор выполнен поворотным относительно
камеры с возможностью его применения одновременно в качестве приспособления для концентрации потока естественного ветра и направления его посредством вспомогательных
устройств, закрепленных на опорной базе камеры, на вход турбоэлектрического агрегата.
Отличие состоит в том, что камера выполнена в виде шара для использования преимущественно, при создании теплиц, аквариумов и спортивных сооружений.
Отличие состоит в том, что камера выполнена в виде цилиндра для использования,
преимущественно, при энергетическом обеспечении бытовых объектов.
Отличие состоит в том, что камера выполнена в виде усеченной пирамиды для использования, преимущественно, при создании гелиоэнергетических бытовых объектов, в
частности, для приготовления пищи.
Отличие состоит в том, что камера выполнена в виде параллелепипеда для использования, преимущественно, при обслуживании бытовых объектов в регионах с относительно
низкой солнечной активностью.
Отличие состоит в том, что содержит дополнительный внешний концентратор солнечного излучения, смежный с первым, оба внешних концентратора выполнены стационарными с возможностью автономного регулирования углового положения их граней и/или
отдельных участков граней, грани выполнены в виде плоских панелей с отражающими
поверхностями, в частности, с обеих их сторон, закрепленных на каркасных конструкциях, выполненных из составных сборно-разборных конструктивных элементов, например
15
BY 9611 C1 2007.08.30
из трубок, канатов, нитей, с помощью крепежных приспособлений, преимущественно
мобильных, причем стороны каждой из боковых граней размешают попарно, преимущественно, параллельно и перпендикулярно к поверхности почвы, сами грани расположены
относительно друг друга с технологическими зазорами, позволяющими производить их
автономное обслуживание, при этом меньшие стороны оснований граней каждого из внешних концентраторов прикреплены к наружной опорной поверхности камеры и/или к расположенной вблизи автономной опорной базе, в частности, посредством опор вращения, а
противоположные большие стороны например, посредством удерживающих канатных строп.
Отличие состоит в том, что указанные плоские панели выполнены из облегченных
строительных конструкций и отделочных плит наружного применения, усиленных деревометаллическими балками и/или предварительно напряженными канатами.
Отличие состоит в том, что указанные плоские панели выполнены из гибкого, например тканевого, материала, а отражающие поверхности выполнены из пленочного материала, защищенного от атмосферных воздействий и механических повреждений защитным
светопроницаемым материалом.
Отличие состоит в том, что указанные плоские панели выполнены из композитного,
пластикового или полимерного материала.
Отличие состоит в том, что указанные плоские панели выполнены из плоских жестких
пластин, например, из стеклопластика различных форм в компоновочных комплектах, соответствующих проектным формам и размерам указанных граней, с маркировкой в соответствии с технологической схемой их мобильного закрепления в плоскости граней.
Отличие состоит в том, что мобильные крепежные приспособления выполнены с намоточными барабанами для разматывания и сматывания гибкого отражающего материала
в плоскости граней, размещенными, например, в качестве сторон оснований граней и
зафиксированными относительно поверхности почвы и несущих конструктивных элементов, длина барабанов соответствует максимальной ширине гибкого отражающего материала, который закреплен на каркасных конструкциях, в частности, при помощи канатов
и/или высокопрочных нитей.
Отличие состоит в том, что в качестве гелиотермопреобразующего и теплоаккумулирующего материала, помещенного в трубные коллекторы и/или вспомогательные емкости,
герметично закрытые листовым теплопроводным материалом, соединенным с теплоотводами, погруженными в теплоаккумулирующий материал, в частности, листовым материалом
с гофрированной поверхностью, выбрано вещество или, преимущественно, техническая
смесь веществ с повышенными температурой кипения и удельной теплоемкостью фазовых переходов из твердого состояния в жидкое и обратно и способностью сохранения устойчивого состояния в расплавленном виде при температурах, значительно превышающих
температуру кипения воды, например различные смеси солей щелочных металлов и/или
стеаринов, пластмасс, при этом указанные коллекторы и/или емкости соединены с энергетическими каналами, соединенными, в свою очередь, с внутренней средой камеры для подачи
воды и воздуха из нее, и окружены теплоизолированными емкостями и/или трубными
коллекторами, заполненными водой в качестве вспомогательного гелиопоглощающего
теплоаккумулирующего материала.
Отличие состоит в том, что содержит устройства, позволяющие использовать нагретый
в камере до высоких температур теплоаккумулирующий материал в качестве источника
местного освещения, например устройства, характеризующегося высокой термоэлектронной эмиссией и/или соответствующими спектральными характеристиками газовой ионизированной среды при повышении их температуры.
Отличие состоит в том, что внешние концентраторы солнечных лучей выполнены с
возможностью их применения одновременно в качестве конфузоров, концентрирующих и
направляющих приземный естественный поток ветра, а ниже и/или выше камеры установлены жалюзи для направления указанного концентрированного потока к оси ветротурбины
через ускоряющие каналы.
16
BY 9611 C1 2007.08.30
Отличие состоит в том, что камера совместно с внешним концентратором выполнена с
возможностью применения ее для опреснения морской воды.
Отличие состоит в том, что камера выполнена с возможностью ее применения в бытовом и мобильном вариантах для горячей обработки пищевых продуктов, в частности, для
сушки аптечных трав, грибов, овощей, фруктов и рыбопродукции.
Отличие состоит в том, что камера выполнена с возможностью ее применения в передвижном и бытовом вариантах для горячей обработки керамических изделий.
Отличие состоит в том, что камера выполнена с возможностью ее применения в походном варианте использования в качестве лабораторного варианта нагревательной печи,
в том числе для получения расплавов легкоплавких материалов.
Приведенные отличия комплекса для преобразования солнечной энергии в тепловую,
согласно предполагаемому изобретению, относительно вышеуказанного прототипа и других известных технических решений, ясны из приведенного выше описания и в дополнительных пояснениях не нуждаются, с учетом нижеследующего описания конкретного
варианта реализации.
На фиг. 1 приведен один из схематических вариантов реализации комплекса преобразования солнечной энергии в тепловую.
На фиг. 2 приведена схема компоновки камеры.
На фиг. 3 показано размещение встроенных концентраторов и проводников солнечных
лучей.
На фиг. 4 дан фрагмент компоновки строительного блока из сборочных модулей.
На фиг. 5 приведена в плане схема реализации способа с применением тороидообразной камеры.
На фиг. 6 приведен фрагмент вертикального сечения тороидообразной камеры по сечению А-А.
В приведенном на фиг. 1-6 варианте реализации комплекса для преобразования солнечной энергии в тепловую, согласно предполагаемому изобретению, с отдельными поясняющими подвариантами схематических решений, показан практический путь преодоления
традиционной конфликтной ситуации в гелиотермоэнергетике за счет последовательного
соединения двух концентраторов и проводников солнечных лучей во взаимодействии с
дополнительными лучеотражающими поверхностями, системно размещаемыми относительно камеры.
Камера 1 (фиг. 1) содержит теплоизолирующее днище 2, выполненное из пенобетона,
стенки 3 и потолок 4, изготовленные из высококачественного теплоизолирующего светонепроницаемого материала, например из пеностекла, в котором расположены специальные устройства для инъекции солнечных лучей снаружи во внутреннюю среду камеры 1,
более подробное описание которых будет дано ниже. Назначение камеры, которая расположена на опорных стойках 5, заключается в том, чтобы аккумулировать во внутренней
среде энергию солнечных лучей, для чего в ней создано два температурных уровня термопреобразования солнечных лучей и аккумулирования тепловой энергии. Соответственно
этим двум уровням применены следующие технологические гелиотермопреобразующие
материалы (фиг. 2): высокотемпературный материал 6, в частности, смесь материалов, с
температурой кипения существенно превышающей 100 °С, и с повышенной удельной теплоемкостью при фазовом переходе из твердого состояния в расплавленное - жидкое и
обратно; классический материал в термодинамике как рабочее тело - вода 7 с известными
физическими свойствами. В качестве материала 6 может быть использовано олово с приемлемыми параметрами: температура плавления 232 °С и удельной теплотой плавления 14 ккал/кг.
Однако более высокую технико-экономическую целесообразность имеет применение
в качестве технологического материала 6 смеси на основе стеаринов, парафинов, солей
щелочных металлов и некоторых видов пластмасс, которые могут характеризоваться тем17
BY 9611 C1 2007.08.30
пературой плавления в диапазоне 60-180 °С, удельной теплотой плавления 30-40 ккал/кг и
точкой кипения до 500 °С при их невысокой себестоимости. Высокотемпературный материал 6 размещен в емкостях 8, которые погружены в воду 7, находящуюся в крупных,
групповых емкостях 9. Емкости 8 имеют относительно небольшой объем, хорошо теплоизолированы, расположены на подставках и оформлены в конструктиве, позволяющем
осуществлять их мобильную выемку в зону обслуживания. Емкости 8 размещены по длине
гелиопоглощающей камеры с минимальными технологическими зазорами и накрыты
сверху листовым материалом 10, например из стали, который содержит выступающие
вниз теплоотводящие ребра, погруженные в материал 6 на достаточную глубину. Теплоотводящие ребра могут образовываться на листовом материале 10 путем штамповки с
глубокой вытяжкой, что способствует (в случае его темного цвета) хорошему поглощению солнечных лучей и быстрой теплопередаче в среду технологического материала 6,
при этом существенно снижаются лучевые потери тепловой энергии последнего, в том
числе в расплавленном виде. В качестве высокотемпературного технологического материала 6 может быть применен дополнительно также сыпучий материал, который не доводят до температуры плавления, например щебень, который, кроме емкостей 8, размещают
в подземных теплоизолированных хранилищах, соединенных с емкостями 8 теплообменными воздуховодами или трубопроводами с жидким теплоносителем. В других вариантах
высокотемпературный теплоаккумулирующий материал размещают и транспортируют
посредством металлических труб.
В среде высокотемпературного технологического материала 6 установлены энергетические каналы 11, в которые инжектируется нагретая вода 7 и горячий воздух из внутренней среды камеры 1, которые под воздействием повышенной температуры с помощью
специальных технологических средств, которые не показаны, образуют паровоздушную
смесь с регулируемыми температурой и давлением в качестве рабочего тела для последующих применений. Паро-воздушная смесь поступает по трубопроводам 12, через канал 13 в
потолке 4 и регулятор 14, с автоматическим или ручным приводом, к блоку потребителей 15
тепловой энергии.
На графических иллюстрациях расположение энергетических каналов и средств 11,
12, 14 показано условно, а устройства для инъекции воды и воздуха, регулирования давления и температуры паровоздушной смеси не показаны, как элементы стандартные. Данный вариант образования и использования паро-воздушной смеси лишь иллюстрирует
применение предложенного комплекса для преобразования солнечной энергии в тепловую.
Стенки 3 и потолки 4 камеры 1 составлены из строительных блоков 16, которые выполнены как теплоизолирующие и лучепроводящие (фиг. 1, 3). Строительные блоки 16
выполнены из пеностекла, которое на фиг. 3, 4 отмечено специальной, легко понимаемой
штриховкой. Они могут быть выполнены также из пенобетона, пенополиуретана и содержать арматурные сетки, что на иллюстрациях не показано. Главное требование к применяемому базовому материалу в них является обеспечение высокого качества теплоизоляции
при дешевизне производства. Толщина теплоизолирующего материала в промышленных
вариантах камеры должна быть не менее 400 мм, и он по своим свойствам не предназначен для пропускания солнечных лучей, то есть является светонепроницаемым, за счет чего
реализуется весьма высокий, наперед заданный, уровень теплоизоляции камеры 1.
Для проведения инъекций внешних солнечных лучей 17 в последнюю через проемы, в
теплоизолирующем светонепроницаемом материале строительных блоков 16 размещают
встроенные концентраторы и проводники 18 солнечных лучей (фиг. 2, 3, 4), которые имеют требуемые уменьшенные выходные проемы, за счет чего может быть достигнута минимизация тепловых потерь, включая их лучевые компоненты. Поток солнечных лучей 17
значительно уплотняется ко входу во внутреннюю среду камеры 1 путем отражения от
корпусов 19 встроенных концентраторов и проводников солнечных лучей, вмонтированных в толстый светонепроницаемый теплоизолирующий материал строительных блоков
18
BY 9611 C1 2007.08.30
16, для чего их поверхности покрываются слоем лучеотражающего материала 20 (на иллюстрациях отмечен пунктиром).
Корпуса 19 в данном случае реализации комплекса имеют вид усеченной пирамиды и
выполнены из тонкостенного стекла, которое дополнительно покрыто пленкой, напыленной
тончайшим слоем алюминия со стороны тела корпуса. Такая пленка создает зеркальный
отражающий слой алюминиевой поверхности особо высокой чистоты (шероховатости ее
не превышают четвертой части длины волны солнечного света). Высококачественные
технологии и пленки для этих целей имеются в серийном производстве. Однако особенно
перспективным материалам для этих целей и гелиоэнергетики в целом являются стеклянные и кварцевые пленки, работа над созданием которых проводится. Корпуса 19 встроенных концентраторов и проводников 18 солнечных лучей могут выполняться из более
дешевых материалов, в частности из стального листа, из пластмасс, стеклопластиков и
других материалов. Формы корпусов 19 могут принимать вид ряда других пустотелых
геометрических форм-фигур, в виде усеченных конусов, цилиндров, многогранных пирамид и призм, однако, при всех этих формах существенно хуже используется внешняя облучаемая поверхность камер 1. Если большие основания корпусов 19 (они хорошо
представлены на фиг. 3, 4) имеют форму примыкающих друг к другу прямоугольников
или квадратов, то наружная лучепроводящая поверхность камеры, через которую направляют солнечные лучи внутрь нее, является максимальной при фиксированной величине ее
поверхности. При высоте строительных блоков 16 (фиг. 3, 4), определяющих толщину
стенок 3 и потолков 4, равной 400-800 мм, соотношение площадей большего и меньшего
оснований усеченных пирамид-концентраторов 18 может достигать больших величин при
значениях углов между их гранями и осями 5-8°. Величина последних в указанном диапазоне уменьшает количество отражений солнечных лучей 17 при прохождении их через
корпуса 19 встроенных концентраторов и проводников солнечных лучей, что позволяет
минимизировать энергетические потери, связанные с поглощением и отражением солнечных лучей.
Соотношение площадей большего и меньшего оснований - входных и выходных проемов определяет, как минимум, соответствующее снижение и тепловых потерь из внутренней среды камеры 1 в окружающую атмосферу, для обеспечения чего они закрываются
тонкими слоями светопроницаемого теплоизолирующего материала 21. В качестве данного материала может применяться тонкостенное стекло с хорошими оптическими характеристиками, стеклянные пленки и другие материалы. При этом "остекление" оснований
корпусов 19 может осуществляться индивидуально, с зазорами между соответствующими
участками светопроницаемого материала, или в составе строительных блоков и даже стенок 3, потолков 4 в целом. Выбор варианта определяется принятой технологической схемой дополнительной утилизации тепловых потерь, в определенных вариантах которой
воздух из внешней атмосферы получает целенаправленное движение вдоль внешних поверхностей корпусов 19, например во внутреннюю среду камеры для нагрева и дальнейшего использования как рабочего тела и теплоносителя.
На фиг. 4 приведен один из вариантов компоновки встроенных концентраторов и проводников солнечных лучей в строительные блоки 16. Последние составлены каждый из
трех сборочных модулей 22, между которыми образованы воздушные полости 23, играющие важную роль в повышении эффективности камеры 1, в том числе в составе одной из
технологических схем утилизации тепловых потерь. Сборочные модули 22 выполнены в
данном случае из пеностекла, разделены опорными площадками 24 (условно показаны с
совмещением функций переходного лучеотражателя) и имеют форму параллелепипеда с
толщиной (высотой) каждого в отдельности 50-150 мм. В данном примере установки
встроенного концентратора 18 его корпус 19 составлен из трех частей в виде усеченных
конусов, разделенных между собой в пределах воздушных полостей 23 опорными площадками 24 с нанесением на их цилиндрических поверхностях лучеотражающими покры19
BY 9611 C1 2007.08.30
тиями и имеющими на своих торцах радиальные пазы малой глубины для свободного
продвижения воздуха. В другом варианте опорные площадки могут выполняться по торцам сборочных модулей 22, или в других местах, не связанных с каналом-световодом.
Стыкование трех основных частей его может осуществляться без применения цилиндрических лучеотражающих вставок 24, а за счет сближения входных и выходных проемов в
пределах воздушного зазора таким образом, чтобы солнечные лучи не получали доступа в
воздушную полость 23 между сборочными модулями, но чтобы воздух имел возможность
свободного протекания.
В данном примере показано выполнение корпусов встроенных концентраторов 18 из
составных элементов (их может быть и больше трех) конической формы, хотя применение
последней для самой наружной части корпуса 19 не является оптимальным.
Выходные и входные проемы каждого составного элемента корпуса 19 закрываются
тонким слоем светопроницаемого теплоизолирующего материала. Между поверхностями
составных модулей 22 могут быть продолжены слои светопроницаемого теплоизолирующего материала 21, как показано на фиг. 4, но при этом в последнем должны образовываться проходные отверстия соответствующей величины и в соответствующих местах для
прохождения воздуха, в зависимости от принятой технологической схемы утилизации тепловых потерь, возникающих как на поверхностях корпусов 19, так и проникающих в них
из замкнутой полости камеры 1.
Выход концентрированного потока солнечных лучей 17 в последнюю осуществляется
в данном варианте через дополнительный лучеотводящий канал 25 - внутренний световод,
также снабженный лучеотражающей поверхностью 20. В данном световоде производится
увеличение площади поперечного сечения концентрированного потока (пучка) солнечных
лучей 17 с уменьшением плотности их энергосодержания и ориентацией их в заданную
координатную область технологического гелиопоглощающего материала 6, 7. В представленном варианте такая ориентация осуществляется за счет применения вспомогательных
лучеотражающих поверхностей 26 (фиг. 23), которые выполняются, преимущественно, с
регулируемым положением и содержащими еще и боковые лучеотражающие грани (на
фиг. 4 не показаны). Закрепление внутренних световодов 25 производится с помощью
проемов, выполненных в дополнительном теплоизолирующем слое 27. Этот слой выполняют из температуроустойчивого материала, например пеностекла, покрытого дополнительным теплоизолятором, в частности асбестоцементными плитами, предназначен для
термоизоляции от высокотемпературной внутренней среды камеры 1 ее внутренней опорной, несущей конструктивной базы 28 (например, в виде деревометаллических балок, хорошо зарекомендовавших себя как эффективная элементная база для предстоящего
гелиоэнергетического строительства). Расположение несущих конструкций внутренней
опорной базы 28 основано на том, что расстояние между осями встроенных концентраторов и проводников солнечных лучей, между их меньшими основаниями - выходными проемами имеют значительную величину в виду конической (пирамидальной) конструкций
корпусов 19. Конструкция, таким образом, выполнена так, что опорные балки, определяющие
прочность и ветроустойчивость камеры 1, располагаются между пучками высококонцентрированных потоков солнечных лучей, без уменьшения ее наружной светопроницаемой
поверхности. Такое техническое решение имеет исключительно важное значение для реализации устройства комплекса, согласно предполагаемому изобретению, и для преодоления ограничений в обеспечении необходимого качества теплоизоляции камеры 1. Более
того, так как воздух во внутренней среде последней в нагретом виде используется в энергетических целях, и его необходимо постоянно пополнять, то воздушная полость между
дополнительным теплоизолирующим слоем 27 и внутренней поверхностью ее включается
в технологическую схему утилизации тепловых потерь, с подачей внешнего воздуха через
указанные выше воздушные слои, отсасывая тепловые потери из тела строительных блоков и эффективно охлаждая все нуждающиеся в этом элементы конструкции. В камере 1
20
BY 9611 C1 2007.08.30
предусмотрены резервные и предохранительные воздушные каналы: а) через днище 2 проведен вспомогательный воздухозаборный канал 29 с регулируемой заслонкой 30 и отверстие 31 в замкнутую полость, отделенную дополнительным теплоизолирующим слоем 27;
через потолок 4 проведен вспомогательный воздухоотводящий канал 32, подключенный к регулируемой заслонке 33, на входе которой может быть установлен автоматический предохранительный клапан от превышения давления и температуры относительно заданного
предельного значения в камере 1. Выход воздуха из полости, отделенной дополнительным
теплоизолирующим слоем 27, во внутреннюю среду последней осуществляется через воздухопротоки 34. Аналогичный канал из приспособлений 29, 30, 31 выполняется и в первом
воздушном слое 23 между сборочными модулями 22, что на иллюстрациях не показано.
Эти вспомогательные воздухозаборные каналы созданы для случаев, когда производительности воздухопрокачки вдоль поверхностей корпусов 19 встроенных концентраторов 18
недостаточно по условиям отбора мощности из камеры 1.
Для высокоэкономичного увеличения мощности гелиотермопреобразования и повышения температуры в технологических материалах 6, 7 применены внешние концентраторы солнечных лучей 35 и дополнительные лучеотражающие поверхности 36. Внешний
концентратор включает в себя верхнюю 37 и нижнюю 38 лучеотражающие поверхности, а
также боковые 39 лучеотражающие поверхности (фиг. 5), которые расположены приблизительно вертикально, и потому на фиг. 1 они не показаны.
Все четыре лучеотражающие поверхности-грани внешнего концентратора 35 солнечных лучей 17 ориентированы между собой в пространственной форме, напоминающей
усеченную четырехгранную пирамиду. Если бы ему придавались упрощенные функции,
приблизительно, как для удешевленных бытовых вариантов, то его грани совместно образовывали бы вполне точную форму усеченной пирамиды. Однако в данном достаточно
эффективном варианте реализации устройства комплекса, согласно предлагаемому изобретению, верхнюю 37 и нижнюю 38 грани внешнего концентратора 35 солнечных лучей
выполнены поворотными относительно поверхности почвы в функции координат солнечного диска на небосводе (или времени суток), чтобы обеспечивать возможно большую
энергоемкость потоков солнечных лучей 17, поступающих на облучаемую поверхность
камеры 1, и направлять их во внутренний концентратор 18 (и проводник) солнечных лучей под возможно меньшим углом к его оси. Кроме того, внешнему концентратору 35
солнечных лучей 17 придаются и дополнительные параллельные функции как концентратора естественного ветра 40.
Верхняя грань 37 выполнена приблизительно трапецеидальной и закреплена со стороны
меньшего основания посредством опор вращения 41, расположенных на несущей конструкции 42, встроенной во внешнюю опорную базу камеры 1. Непосредственное определение
углового положения грани 37 осуществляется канатами 43 (канатными стропами), присоединенными одними своими концами к натяжным механизмам 44, 45, 46, а другими - к
периферийным окончаниям несущей конструкции грани. Натяжные механизмы 44, 45
расположены на тыльной опорной конструкции 47, относительно которой закреплена
также дополнительная лучеотражающая поверхность 36 посредством опор вращения (поворота) 48, канатных строп 49 и натяжного устройства 50 (второе натяжное устройство
этой конструкции совмещено с указанным выше натяжным устройством 46).
Нижняя грань выполнена также, приблизительно, в трапецеидальной форме и закреплена со стороны меньшего основания посредством опор вращения 51 (скольжения или качения) к опорным стойкам 52, расположенным посредством крепежных средств на
поверхности почвы 53. Опорные стойки 52 являются составной частью наружной опорной
базы камеры 1 и частью опорных конструкций, к которым (в частности, посредством вертикальных опор вращения) закреплены боковые лучеотражающие поверхности 39 - боковые
грани, ориентировочно трапецеидальной конструкции внешнего концентратора солнечных
лучей. Периферийная часть нижней грани 38 в крайнем положении, под углом около 30° к
21
BY 9611 C1 2007.08.30
горизонтальной плоскости, опирается на несущие стойки 54, высота которых в промышленных конструкциях составляет величину около 2 м. Территория под нижней гранью 38
предназначена для хозяйственного использования, в частности для возделывания овощей
и фруктов в условиях, приближенных к тепличным. Угол поворота нижней лучеотражающей поверхности 38 задается с помощью канатных строп 55, которые одними своими
концами закреплены к ее периферийным конструкциям, а другими - к натяжным механизмам 56, закрепленным, в частности, на несущих конструкциях 42.
Базовые конструкции граней 37, 38, 39 внешних концентраторов солнечных лучей могут быть выполнены на основе легких, прочных и жестких деревометаллических балок со
специальной пропиткой, к которым прикрепляется несущий материал граней, покрытый
лучеотражающими поверхностями. В промышленном, достаточно мощном варианте реализации устройств комплекса, согласно предлагаемому изобретению, несущий конструктив
нижней грани 38 выполняется из стеклопластика или в виде деревянного настила, которые
выдерживают высокие ветровые нагрузки в рабочем положении - до 30 м/с. При более высокой ветровой нагрузке натяжными механизмами 56 с помощью канатных строп 55 эта
грань поднимается в крайнее верхнее - ветрозащитное положение и упирается в ранее собранный пакет из трех других граней (37, 39), которые вместе опираются на несущую
конструктивную базу гелиопоглощающей полости и способны выдерживать скорость ветра
до 50 м/с. В тех регионах, где имеют место тайфуны со скоростью ветра более 180 км/ч
применяются дополнительные средства ураганозащиты.
Несущий материал, покрытый лучеотражающими поверхностями, трех других граней
(верхней и двух боковых) может представлять собой эластичные поверхности, тканевые
или стеклопластиковые с упрочняющими нитями или сетками, или более жесткие поверхности - из стеклопластика, пенополиуритана, других достаточно прочных композитных
материалов. Они должны выдерживать ветровую нагрузку в рабочем положении до 20
м/сек, по достижении которой они складываются в пакет, опирающийся на базовые несущие конструкции высокой прочности. При превышении скорости ветра в 30 м/сек, они
предохраняются нижней гранью, которая поднимается в крайнее верхнее ветрозащитное
положение.
В маломощных промышленных, бытовых, а особенно передвижных вариантах реализации предложенного способа, согласно предлагаемому изобретению, особенностью конструкции всех граней 37, 38, 39 внешнего концентратора 35 солнечных лучей 17, а также и
самой камеры 1 является мобильность сборки-разборки с применением легких труб, канатов и приспособлений для закрепления несущих материалов, с лучеотражающими покрытиями в плоскости граней. В случае применения гибких несущих материалов, могут быть
применены намоточные барабаны с механизмами намотки - размотки. Однако общей
особенностью для всех вариантов конструкций является облегченность граней 37 и 39 и
повышенная прочность нижней грани 38, которая определяет результирующую ветроустойчивость всей конструкции.
Если в передвижном варианте боковые грани внешнего концентратора солнечных лучей имеют общую поверхность 20 м 2, которая быстро и легко собирается и перебазируется,
то это означает, что сборно-разборная камера с поверхностью каждой из четырех стенок в
1 м2, будет иметь мощность в большинстве регионов России и Беларуси 1-2 кВт, с возможностью простого наращивания ее до 5-10 кВт за счет применения дополнительных
лучеотражающих поверхностей 36.
Последние могут выполняться в многочисленных конструктивных исполнениях. В
рассматриваемом одном из промышленных вариантов уже указывалось размещение
дополнительной лучеотражающей поверхности с закреплением посредством опоры вращения 48 относительно опорной стойки 47 (фиг. 1). Хорошим технико-экономическим
вариантом является закрепление дополнительных лучеотражающих поверхностей относительно канатных трасс верхней 57 и нижней 58, особенности подвески которых не показа22
BY 9611 C1 2007.08.30
ны. Особенно важно то, что такие дополнительные лучеотражающие поверхности могут
располагаться и с северной стороны камеры 1, а наклон их может легко регулироваться
положением канатной трассы 58. Лучеотражающие (дополнительные) поверхности 36 для
бытовых установок могут изготавливаться в виде набора легких пластин, сворачиваемых в
рулоны гибких материалов, могут располагаться и закрепляться посредством самых различных подручных средств.
Особенностью варианта реализации - устройства комплекса для северных регионов,
где мощность солнечной радиации в зимний период уменьшается до 0,03 кВт/м и ниже,
является использование многорядных канатных конструкций, по типу приведенной
конструкции с канатными трассами 57, 58, а также подъемных конструкций с помощью
резервуаров с легким газом, удерживающихся натяжными устройствами посредством канатных растяжек, и располагаемых таким образом, чтобы направлять во входной проем
внешнего концентратора солнечных лучей как прямые лучи от низко расположенного
солнечного диска, так и отраженных снежным покровом солнечные лучи с весьма больших территорий. Так как стоимость каждой тысячи квадратных метров дополнительных
лучеооражающих поверхностей в условиях северных регионов не будет превышать 6-7
тысяч долларов США, то это означает, что каждый 1 кВт установленной тепловой мощности камеры не будет превышать (при мощности солнечной радиации 0,03 кВт/м) 300 долларов США. Стоимость 1 кВт установленной мощности стандартной ТЭЦ, работающей на
природном газе, существенно превышает это значение. Однако при реализации комплекса,
согласно предлагаемому изобретению, отпадает необходимость доставки и сжигания природного газа, нефтепродуктов или угля с целью получения тепловой, а далее - электрической энергии.
В таких регионах, как например, в Арабской Республики Египет, Ирака, Саудовской
Аравии и вообще государствах Ближнего Востока и Юго-Восточной Азии, в том числе
Индии, Вьетнама, Кореи и Китая, стоимость 1 кВт установленной мощности гелиотеплоэлектростанций после отработки их компонентов в серийном производстве, а также с учетом производства и электрической энергии, не будет превышать 400 долларов США, то
есть серийные гелиотеплоэлектростанции мощностью 1 млн. кВт будут иметь стоимость
не более 400 млн. долларов, а окупаемость затрат на строительство не превысит 3-х лет.
В рассматриваемом варианте реализации предложенного комплекса для преобразования солнечной энергии в тепловую внешнему концетратору 35 солнечных лучей приданы
функции концентратора приземного естественного ветра с целью дополнительной выработки электроэнергии. Ветер 40, поступающий во входной его проем, энергетически уплотняется, проходя сквозь созданную пирамидообразную конструкцию. Нижний слой
концентрированного ветра 40 поступает через ветронаправляющие и лучеотражающие
конструкции 59 под нижнюю поверхность днища 2 и далее преобразуется в каналах, которые на графических иллюстрациях не показаны. Наклонная нижняя поверхность днища 2
позволяет утилизировать в направленный ветропоток просачивающиеся тепловые потери
и даже создавать искусственный ветропоток в дополнение к естественному.
Средний и верхний слои ветропотока 40 поступают в ветропреобразующие каналы,
отражаясь от верхней грани 37 и боковых граней 39.
Дополнительные лучеотражающие поверхности могут закрепляться таким образом
вокруг камеры 1, что отражая солнечные лучи в необходимом направлении, они также
ориентируют и концентрируют естественный ветропоток.
Камера 1 со встроенными концентраторами и проводниками 18 солнечных лучей 17 и
внешними концентраторами 35 солнечных лучей и естественного ветра, энергетически
усиленные дополнительными лучеотражающими поверхностями 36, составляют совместно единый комплекс для преобразования солнечной энергии в тепловую, позволяющий в
последующих каналах вырабатывать дешевую электроэнергию.
На фиг. 5 представлен один из вариантов реализации комплекс, согласно предлагаемому
изобретению, для мощных промышленных конструкций теплоэлектростанций. Здесь ка23
BY 9611 C1 2007.08.30
мера 1 выполнена в ориентировочно тороидальной форме, охватывая ось 60 и внутреннее
пространство 61, в котором размещаются последующие энергопреобразующие каналы.
Вертикальными лучеотражающими и ветроотражающими гранями 39 внешнее окружающее пространство рассечено на 12 секторов, а вокруг этого пространства размещены
канатные трассы 57,58, по которым вокруг оси 60, по кругу, перемещается дополнительная лучеотражающая поверхность, наклон которой относительно поверхности почвы зависит от места расположения и соответственно от положения солнца. Изменение наклона
дополнительной лучеотражающей поверхности 36 в соответствии с передвижением солнечного диска по небосводу позволяет направлять солнечные лучи на встроенные концентраторы и проводники солнечных лучей с максимальной мощностью их потока под
минимальным углом к их осям.
На фиг. 6 представлен фрагмент рассматриваемого варианта реализации способа, согласно предполагаемому изобретению, по сечению А-А, указанному на фиг. 5. В данном
случае в вертикальном сечении камера 1, охватывающая вокруг оси 60 рабочее пространство 61, где осуществляется переработка тепловой энергии, полученной в результате поглощения камерой 1 солнечных лучей 17, подаваемой в пространство 61 в виде перегретой
паро-воздушной смеси. Последнее относится к большей части потребителей 15 тепловой
энергии. На фиг. 6 показаны различные варианты расположения дополнительных лучеотражающих поверхностей 36 и направления отраженных ими солнечных лучей 17 во входную полость внешних концентраторов 35 солнечных лучей.
На приведенных иллюстрациях больше внимания уделено пояснениям к более сложным
вариантам реализации предложенного устройства комплекса, особенно в части поворотных граней внешнего концентратора солнечных лучей и сборной конструкции строительного
блока встроенного концентратора и проводника солнечных лучей. Однако устройство
комплекса может быть реализовано при неподвижных гранях внешнего концентратора и,
в частности, с применением локальных поворотных участков его боковых граней, которые
содержат лучеотражающий материал, по меньшей мере, с одной стороны их поверхностей, с групповым или индивидуальным приводом поворота этих участков.
Строительные блоки, содержащие встроенные концентраторы и проводники солнечных лучей в массиве светонепроницаемого материала с высокими теплоизоляционными
свойствами, при хорошо подготовленной технологии производства, по преимуществу, не
включают в себя составных модулей, а их внутренние лучеотражающие поверхности создаются напылением зеркального слоя на несущие поверхности, в частности на стеклянные
колбы, в том числе в форме, ориентировочно, усеченных пирамид. В этом случае для прохождения воздухопотока, утилизирующего тепловые потери, через внутреннюю среду
строительных блоков, в теплоизолирующих боковых гранях последних выполняются отверстия, а между корпусом, несущим зеркальный лучеотражающий слой, и гранями каждого строительного блока создаются, в виде небольших зазоров каналы для омывания
внутренним воздушным потоком лучеотражающего слоя. Утилизирующий тепловые потери воздухопоток из окружающей атмосферы поступает в подобных вариантах реализации во внутреннюю среду строительных блоков по двум параллельным каналам: через
неплотности между наружным светопроницаемым теплоизолирующим материалом и боковыми теплоизолирующими гранями строительного блока, с одной стороны, и через дополнительно образованные отверстия по периметру днища гелиопоглощающей камеры с
пристроенными регуляторами секундного объема входящего воздуха, выполненными из
теплоизоляционного материала, с другой стороны. Специальный откачивающий агрегат
создает направленные воздушные потоки через внутреннюю среду всей системы строительных блоков, которые, суммируясь между собой, создают утилизирующий тепловые
потери воздухопоток, который далее используется по тому или иному технологическому
назначению.
Дополнительные лучеотражающие поверхности, располагаемые в стороне от камеры в
своей многовариантности реализации, имеют исключительно высокий потенциал повы24
BY 9611 C1 2007.08.30
шения эффективности гелиотеплоэлектростанции. Как пример одного из вариантов следует отметить выполнение дополнительных лучеотражающих поверхностей в виде весьма
легких поворотных панелей большой длины и площади, располагаемых в специально выполненных траншеях, которые закрываются светопроницаемым теплоизолирующим материалом (двухслойной тонкой пленкой) и выполняют функции теплиц, где на наклонных
(по 45°) грунтовых поверхностях и частично на днище траншей выращиваются овощи и
ягоды (солнечного света для этих целей в траншеях оказывается достаточно).
Работает комплекс для преобразования солнечных лучей в тепловую, согласно предлагаемому изобретению, в одном из вариантов его реализации, приведенном на фиг. 1-6,
следующим образом.
Солнечные лучи 17, прямые и отраженные от дополнительных лучеотражающих поверхностей 36, поступают во входной проем внешнего концентратора 35 солнечных лучей,
имеющего форму, напоминающую усеченную четырехгранную пустотелую пирамиду.
Часть их поступает через внутреннюю полость последнего непосредственно во встроенные концентраторы и проводники 18 солнечных лучей в составе строительных блоков 16.
Другая часть солнечных лучей 17 попадает на лучеотражающие грани 37, 38, 39, сходящиеся между собой к контуру, напоминающему меньшее основание созданной пирамидообразной формы, и отражается от них, попадая в него как в выходной проем внешнего
концентратора 35 солнечных лучей в составе энергетически уплотненного потока. Этот
предварительно концентрированный лучевой поток поступает через встроенные концентраторы и проводники 18 солнечных лучей во внутреннюю полость камеры 1 в виде высококонцентрированных лучевых пучков через выходные проемы последних с малыми
поперечными сечениями (в сравнении со входными проемами встроенного концентратора
и проводника солнечных лучей). Плотность энергии солнечных лучей, входящих в камеру 1,
такова, что температура в камере может подниматься до 500 °С и больше. При такой
внутренней температуре должны были бы быть очень высокие тепловые потери, которые
в известных способах и устройствах использования солнечной энергии превысили бы
энергию, вносимую солнечными лучами извне. Поэтому температура во внутренней среде
в лучших из существующих технических устройств преобразования солнечной энергии в
тепловую не превышает 70-80 °С. Однако встроенный концентратор, в рассматриваемом
варианте устройства комплекса, благодаря малому поперечному сечению выходного проема, сводит и лучевую, и конвективно-кондуктивную компоненты тепловых потерь к малой
или даже незначительной величине с учетом высоких теплоизолирующих характеристик и
большой толщины базового, воспринимающего внешнюю силовую нагрузку, светонепроницаемого теплоизолирующего материала в строительных блоках 16 камеры 1. В то же
время последовательно соединенный с ним внешний концентратор 35 солнечных лучей
мощно подпитывает, входящий в камеру 1 поток солнечных лучей, словно мощный насос,
в свою очередь подпитываясь из окружающей атмосферы, как от источника бесконечной
мощности, отраженными солнечными лучами от дополнительных, лучеотражающих поверхностей 36. Стоимость последних в данном варианте реализации устройств комплекса
незначительна в сравнении со стоимостью технологических элементов накопления и преобразования тепловой энергии, и они размещены в тех объемах окружающего пространства, которые необходимы для получения требуемого количества энергии, в том числе на
любых расстояниях - в пределах прямолинейной связи между ними и центром. Пучки высококонцентрированных солнечных лучей поступают во внутреннюю полость камеры 1
посредством внутренних светоотводов 25, 26, которые расширяют эти пучки, снижая
энергетическую плотность их, способную прожигать темные предметы, и направляют их
на поверхности высокотемпературного гелиотермопреобразующего материала 6 и окружающей его воды 7. Хотя материал 6, имея температуру более 150 °С и даже значительно
большую, расположен в хорошо теплоизолированных емкостях 8, то теплопотери из них
весьма значительны. Однако, они утилизируются в большинстве своем в повышение температуры воды 7, а также окружающего воздуха. Горячая вода подается в энергетические
25
BY 9611 C1 2007.08.30
каналы 11 для образования пара как рабочего тела, с частичным возвращением ее в круговом цикле и восполнением ее объема извне. Параллельно с этим в энергетические канаты 11
под давлением подается нагреваемый воздух из внутренней среды камеры 1, за счет чего
образуются экономически наиболее выгодные режимы парообразования и создается паровоздушная смесь как рабочее тело при получении электрической энергии в паротурбоэлектроагрегатах, ветротурбоэлектроагрегатах и при теплоснабжении других потребителей 15. Паро-воздушная смесь подается для энергопреобразований по каналам 12, 13 через
регулятор отдаваемой мощности 14.
Вместе с тем откачка нагретого воздуха из внутренней среды камеры 1 создает в ней
разрежение, под воздействием которого через воздушные полости 23, образованные между сборочными модулями 22, и вдоль наружных поверхностей корпусов 19 встроенных
концентраторов 18 вызывается однонаправленный воздушный поток из окружающей атмосферы внутрь, который утилизирует все виды теплопотерь, повышая одновременно надежность функционирования всей конструкции за счет стабилизации ее температуры.
Если температура внутренней среды и корпуса в целом камеры 1 возрастает относительно
задаваемых режимов, увеличивают отдачу полезной тепловой мощности через регулятор 14,
а когда это невозможно по каким-либо обстоятельствам, - вступает в действие предохранительная система энергоканалов и устройств 29, 30, 31, 32, 33, 34.
С целью дополнительного снижения теплопотерь от высокотемпературного технологического материала 6, находящегося преимущественно в расплавленном лучеизлучающем
состоянии, он накрыт в емкостях 8 темным, глубоко гофрированным листовым материалом 10, например стальным листом. Его гофры или дополнительные внутренние теплоотводы передают тепловую энергию расплавленному технологическому материалу 6, резко
ограничивая излучение теплопотерь, а через него и теплоизолированные емкости 8 - воде,
с последующим использованием этой тепловой энергии.
Несмотря на использование указанных технологических схем утилизации тепловых
потерь, корпус камеры 1 имеет повышенную температуру относительно окружающей среды,
за счет чего все же происходит теплопередача окружающему воздуху. Поэтому предложенное устройство комплекса предусматривает и внешний контур утилизации тепловых
потерь путем использования нагреваемого окружающего воздуха. Схема такого использования основана на том, что внешний концентратор 35 солнечных лучей 17, имея приближенную пирамидообразную форму, напоминает и известные ветроконцентрирующие
конфузоры, имея при этом значительные пространственные размеры. Поэтому в рассматриваемом устройстве комплекса концентратор 35 солнечных лучей 17 применяют и как
концентратор естественного ветропотока 40. Кроме того, наклонная поверхность днища 2
гелиопоглощающей камеры 1 через свои теплопотери создает и искусственный ветер из
окружающей среды в сторону технологического пространства 61, охватывающего ось 60
как осевой геометрический центр наружной поверхности камеры 1, в том числе в замкнутой тороидальной форме. Созданию искусственного ветра всех сторон от периферии к
центру содействуют лучеотражающие концентраторы ветра, расположенные по кругу.
Следовательно, естественный и искусственный ветропотоки 40 омывают наружную
поверхность камеры 1 и внутренние поверхности внешнего концентратора 35 солнечных
лучей 17, нагреваемых отражающимися солнечными лучами, отнимая образующееся тепло
вне камеры, и направляется в технологическое кольцевое пространство 61, где он используется в дальнейших термодинамических и аэробарических процессах энергопреобразования (их принципы и схемы в данном случае не рассматриваются).
В результате реализации комплекса преобразования солнечной энергии в тепловую,
согласно предполагаемому изобретению, с применением последовательного соединения
концентраторов солнечных лучей и дополнительных лучеотражающих поверхностей производится целенаправленная накачка солнечных лучей в камеру 1, при этом создается
возможность осуществления особо эффективной теплоизоляции камеры, обеспечивается
многоуровневая утилизация тепловых потерь, посредством чего разрешается главная кон26
BY 9611 C1 2007.08.30
фликтная ситуация в преобразованиях солнечной энергии в тепловую снижаются или даже
устраняются пределы ограничения тепловых потерь и наращивания мощности энергетических преобразований в гелиопоглощающих установках, покрытых светопроницаемым
теплоизолирующим материалом. Это позволяет создавать мощные комплексы для преобразования солнечной энергии в тепловую, удельная стоимость которых не превышает достигнутого уровня ее в традиционных промышленных и бытовых котельных и ТЭЦ,
работающих на основе сжигания энергетического сырья, и прокладывает путь к экологическому и технико-экономическому преобразованию всей энергетики.
Предложенный комплекс преобразования солнечной энергии в тепловую в случае реализации п. 1, патентной формулы предполагаемого изобретения дает крупный экологический и технико-экономический эффект, и его эффективность возрастает дополнительно
при реализации всех или нескольких пунктов патентной формулы.
Фиг. 2
Фиг. 3
27
BY 9611 C1 2007.08.30
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
28
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
689 Кб
Теги
by9611, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа