Общеизвестны требования диверсификации энергопроизводства разных масштабов. Особый упор при этом делается на возобновляющиеся энергоресурсы. Для Республики Беларусь в силу ряда причин реализация местных энергоресурсов, в том числе возобновляющихся, затруднена (невысокий энергопотенциал, малые запасы, организационные проблемы, а главное - отсутствие адекватных технических решений). Поэтому разработка новых энергоустановок является очень актуальной проблемой.
Гелиостанция является новой разработкой научно-исследовательской лаборатории ПУЛЬСАР Брестского государственного технического университета. Принципиально новая солнечная установка показывает технические возможности использования возобновляющегося ресурса – Солнца, имеющего энергетические характеристики, типичные для климатической зоны Республики Беларусь.
Особенность солнечных установок - гелиоконцентратор в виде группы концентрических конусов, имеющих общий фокус на теплоприёмнике, являющимся, например, солнечным котлом. Гелиоконцентратор ориентируется на Солнце специальным механизмом, без использования электроники.
Гелиоустановка состоит из конусов 1, это ленты из листового материала, согнутые в виде усечённых конусов, внутренняя поверхность которых выполнена зеркальной, угол образующей конуса к его оси выбирается таким, чтобы солнечный луч направлялся в фокус. Конусов 1 несколько штук, между ними зазор, размеры конусов такие, чтобы их проекции на Солнце не перекрывая друг друга, полностью, без пропуска, заполняли солнечный поток. Конусы 1 концентрические, все имеют один и тот же фокус.
Конусы 1 дистанционируются относительно друг друга радиусами 2, при этом образуется продуваемая прочная пространственная конструкция. Радиусы 2 - плоские элементы с углами, к которым крепятся конусы 1. Радиусы 2 закреплены на кольце 3, имеющем по диаметру оси 4 и рычаги 5, Плечо рычага 5 обуславливает поворот кольца 3 вокруг оси 4. На рычаги 5 надеты тяги 6.
В фокусе конусов 1 расположен приёмник лучистой энергии 7. Это полая сфера, установленная наверху трубчатой колонны 8, на которую надет кожух 9, имеющий выступы 10, связанные с тягами 6 и поворотником 11. Оси 4 опираются на стойки 12.
Приёмник лучистой энергии 7 для нагрева имеет зачернённую внешнюю поверхность, для освещения люминофора - прозрачную (внутри сферы организованы спиральные каналы), для выработки электротока сфера собрана из фотоэлементов на её поверхности. Кожух 9 имеет штифт 13, который проходит внутрь него, до поверхности колонны 8, но не прикреплён к ней. Этот штифт 13 опирается сверху на наклонный верх А цилиндра 14, который, в свою очередь имея щель 15, способен перемещаться вверх-вниз на стержне 16 по накладке 17. Снизу цилиндра 14 имеется ролик 18, он находится на наклонном верхе Б опоры 19. Последняя может вращаться вокруг колонны 8 при помощи колеса 20, надетого на ось, прикреплённую к опоре 19. Над колесом 20 располагается прижим 21. Это небольшая площадка, прижимающая в соответствующий момент колесо 20 к неподвижному основанию 22. Прижим 21 прикреплён к платформе 23. Стойки 12 и поворотник 11 установлены на платформе 23, способной вращаться вокруг оси колонны 8, дистанционируемой основанием 22, при помощи привода 24 (например, электродвигатель с редуктором и зацеплением или соленоид, см. далее).
Внутри колонны 8 проходят до приёмника лучистой энергии 7 труба холодная 25 и труба горячая 26 (или тёмного и осветлённого люминофора, или электропровода).
Рис.1. Общий вид гелиостанции
При монтаже и строительстве гелиоустановка ориентируется так, чтобы верхняя часть наклонного верха цилиндра 14 была направлена строго на ЮГ, а верхняя часть верха Б опоры 19 - то же; при этом в полдень 21 июня конусы 1 своим широким основанием направлены на Солнце так, чтобы фокус лучей лежал на приёмнике лучистой энергии 7. Если настройка идёт в другое время, надо знать, что угол между зенитом и направлением конусов на Солнце равен широте минус угол наклона оси Земли к плоскости эклиптики (23о). Минимальный угол подъёма конусов - 21 декабря, полдень.
Привод обеспечивает скорость вращения платформы 23, равной 1 обороту за сутки. Этим задаётся горизонтальное перемещение системы конусов 1. Это перемещение в системе 1-3 идёт благодаря стойкам 12, которые через оси 4 поворачивают систему 1-3.
Одновременно поворотник 11 поворачивает благодаря выступам 10 кожух 9, штифт 13 скользит по наклонному верху А цилиндра 14, под действием веса всей системы 1-3 весь цилиндр опускается (или поднимается) и тяги 6, воздействуя на рычаги 5, поворачивают систему 1-3 вокруг осей 4. Так обеспечивается вертикальное перемещение оптической системы 1-3, а вместе с горизонтальным - суточное слежение за Солнцем для постоянной фиксации фокуса лучей на приёмник лучистой энергии 7.
Когда прижим 21 проходит над колесом 20, он его поворачивает, колесо прокатывается по основанию 22 так, что увлекает опору 19, поворачивая её вокруг колонны 8 на 1/365 (365 - число дней в году). Коррекция поворота может идти отдельным поворотом колеса 20. Таким образом цилиндр 14, поднимаясь или опускаясь при помощи ролика 18 на наклонном верхе Б опоры 19, щели 15 и стержня 16, поднимает или опускает наклонный верх А - это «сезонная коррекция». Ночью - холостой ход, система 1-3 направлена горизонтально, штифт 13 скользит по горизонтальному участку накладки 17, т.к. цилиндр 14 опущен. Привод 24 работает круглосуточно. Расход энергии минимален, т.к. скорость вращения платформы 23 мала.
Холодный теплоноситель по холодной трубе 25 подаётся насосом в приёмник лучистой энергии, там нагревается и выводится из гелиоустановки горячей трубой 26.
На рис. 2 изображена оптическая схема гелиоконцентратора (правая симметричная половина), где обозначено: конусная поверхность -1, радиальный упор -2, зацеп -3, крепящее кольцо -4, цилиндр -5, пазы -6, объект воздействия -7, ось -8, рычаг -9, ФР- фокусное расстояние, НК - нижний край, РК - средний радиус конусной поверхности, (РК)2 - меньший радиус последующей (к Солнцу) конусной поверхности, (РК)3 -больший радиус её, (РК)4 - меньший радиус предыдущей, Ц - угол между образующей конуса и его осью, АБ - ширина конусной поверхности, В - её середина, БГ - проекция конусной поверхности на плоскость, нормальную её оси, а-б -фокусная линия, Ф - фокус (условный), ОФ -ось устройства на Солнце, РГ - внешний радиус устройства, стрелки сверху - солнечные лучи, одинаковые углы - дуги, отрезки - штрихи.
Гелиоконцентратор состоит из группы соосных концентрических конусных поверхностей 1, внутренняя поверхность которых является зеркальной. Геометрические параметры этих усечённых конусов удовлетворяют решению поставленной задачи. Чтобы лучи попадали на фокусную линию а-б (её центр-фокус Ф) угол У между образующей конуса АО и осью ФО, по геометрическим построениям, находится из условия
РК
tg У =
ФР + Ö(РК)2 +(ФР)2
где РК - средний радиус конусной поверхности, при АВ = ВБ, ФР - фокусное расстояние. Этот угол необходим при изготовлении развёртки конуса. Проекции конусных поверхностей шириной АБ на плоскость, нормальную потокам солнечных лучей, БГ, - эти проекции соседних конусных поверхностей должны не перекрывать друг друга и не оставляют свободных полос, т.е. - больший радиус последующего конуса (РК)3 равен меньшему радиусу предыдущего конуса (РК)4. Для увеличения компактности группы конусов расстояние между нижним краем последующей конусной поверхности (ближе к Солнцу) и фокусной линией а-б должно быть равно НК =(ФР) (РК)2/(РК)
где РК2 - меньший радиус последующей конусной поверхности.
Рис.2. Оптическая схема гелиоконцентратора
Конусные поверхности 1 вставлены в радиальные упоры 2 и зафиксированы зацепами 3. Радиальные упоры 2 (их количество - 6 или 8 шт) введены в крепящее кольцо 4 и цилиндр 5 при помощи пазов 6. В фокусе Ф находится неподвижный объект воздействия 7 (нагреватель и электропреобразователь), вокруг которого может перемещаться крепящее кольцо 4 при помощи оси 8 и рычага 9 связанных с приводом. Размеры гелиоконцентратора задаются максимальным радиусом установки РГ.
Конусные поверхности 1, изготовленные по развёрткам с учётом углов У, длин АО, АБ, и свободно вставленные в радиальные упоры 2 с зацепами 3, направляются крепящим кольцом 4 с пазами 6, осью 8, рычагом 9 на Солнце: ось ОФ выводит лучи на фокусную линию а-б, её центр -фокус Ф относительно В. От всех конусных поверхностей 1 лучи концентрируются на объекте воздействия 7, находящемся на расстоянии ФР, оно одинаково для всех конусов. Так как все конусные поверхности по оси ФО сближены друг к другу на расстояние НК, размеры по оси ФО устройства минимальны. Так как (РК)3=(РК)4, то холостого пропуска лучей через гелиоконцентратор не будет, все проекции БГ используются. Зазор между конусными поверхностями позволяет существенно снизить воздействие ветра. Мощность установки обусловлена величиной РГ.
Технико-экономический эффект заключается в автоматическом нагреве воды солнечными лучами в установке без электроники, потребления электроэнергии в различных сельских, производственных, коммунальных условиях.
Описываемая солнечная установка не имеет мировых аналогов и находится в стадии экспериментального изготовления. Эта гелиостанция может быть применена как по известным, так и по новым солнечным технологиям.
Разработчик:
Северянин Виталий Степанович, д.т.н., профессор кафедры водоснабжения, водоотведения и теплоснабжения, научный руководитель НИЛ «ПУЛЬСАР»