Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу (варианты)

Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к области использования солнечной энергии и может быть использовано в различных областях техники. Устройство по первому варианту содержит три прямоугольные плоскости, расположенные под углом 90° друг к другу, на горизонтальной плоскости находится металлическая емкость черного цвета для нагрева воды и образования пара с многослойным прозрачным теплоизоляционным материалом над ней, причем емкость может быть присоединена к пародвигателю посредством гибкого шланга. Устройство по второму варианту содержит четыре отражателя, расположенные под углом друг к другу, образуя герметичную полость с расположенным снаружи входным для солнечных лучей стеклом, и работающее по изохорическому процессу, при этом поршень подключен к полости, выполнен в виде гармошки и может быть соединен с колесом. Устройство по третьему варианту выполнено аналогично второму варианту, но из легкого материала и с негерметичной полостью, и работает при постоянном давлении и росте температуры. Изобретение должно обеспечить получение механической работы с использованием солнечной энергии. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области использования солнечной энергии и может быть использовано в различных областях техники.

Известен аэростат с подогретым воздухом, содержащий гондолу, наружную оболочку с верхней прозрачной частью и внутреннюю, выполненную теплопоглощающей энергию солнечного света. С целью увеличения безопасности полета аэростат снабжен малой оболочкой с природным газом, причем внутренняя оболочка по объему в 5-10 раз меньше наружной и заполнена гелием, а малая – в 5-10 раз меньше внутренней (RU 20056647 C1, 15.01.1994, B 64 B 1/40).

Известна гелиосушилка, включающая воздухонагреватель и установленную на основании сушильную камеру с сетчатым поддоном для высушиваемого материала, а воздухонагреватель выполнен в виде каркаса, обтянутого прозрачной лицевой отражающими тыльной и боковыми пленками (RU 2105942 С1, 27.02.1998, F 26 B 3/28).

Известны солнечный коллектор и солнечный двигатель с таким коллектором, содержащий систему линз с выпуклой светоприемной поверхностью. Движение поршня двигателя происходит за счет расширения газа в камере, за счет роста давления происходит открытие клапана, в свою очередь обеспечивающего движение штока и поршня (US 4682582 A, 28.07.1987, F 24 J 2/08).

Технической задачей изобретения является расширение области применения устройства для преобразования солнечной энергии - парника сходной конструкции.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу по первому варианту для нагрева воды от солнца при помощи парникового эффекта имеет прямоугольные плоскости 2, 3 с отражающей поверхностью, боковые стороны АЕ, КС и МВ которых расположены параллельно друг другу, плоскости 2, 3 расположены под углом 90 друг к другу и к плоскости 1, на которой расположена металлическая емкость черного цвета с водой толщиной 1-2 см, шириной 1 м 50 см под многослойным прозрачным теплоизоляционным материалом для нагрева воды и образования пара, при этом парник снабжен устройством слежения за солнцем и обеспечивающим поддержание угла падения солнечных лучей к плоскости 1, на которой расположена емкость с водой под углом 45, при этом сторона АС плоскости 1 равна сторонам АЕ, КС. Емкость устройства, например, в точке В может быть присоединена к пародвигателю с помощью гибкого шланга.

Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу по второму варианту выполнения, набирающее температуру внутри при помощи парникового эффекта и обеспечивающее перепад температур и давления внутри устройства при изохорическом процессе, повышение которых обеспечивает движение поршня, выполнено герметичным и содержит четыре одинаковых отражателя, плоскость каждого из которых имеет углы 70, 55 и 55, угол ИОР равен 70, углы ОРИ и ОИР равны 55, при этом отражатели 5 к 6 и 7 к 8 расположены под углом 90 и закрыты снаружи входным "стеклом" для прохода лучей под углом 90 к "стеклу" с помощью устройства слежения, причем поршень 12 выполнен в виде гармошки и расположен около точки О на отражателе 8. Устройство может содержать жалюзи или шторы, обеспечивающие проникновение солнечного луча в устройство, а также в устройстве поршень 12 может быть соединен с колесом.

Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу по третьему варианту выполнения, набирающее температуру внутри от солнца при помощи парникового эффекта, выполнено из теплоизоляционного, легкого прочного и тонкого материала и содержит четыре одинаковых отражателя, плоскость одного из которых имеет углы 70, 55 и 55, угол РОИ равен 70, углы ОРИ и ОИР равны 55, при этом отражатели 5 к 6, 7 к 8 расположены под углом 90 друг к другу и закрыты снаружи входным “стеклом” для прохода лучей под углом 90 к "стеклу" с помощью устройства слежения, обеспечивающие рост температуры и постоянство давления внутри устройства за счет выполнения его негерметичным с помощью отверстия. Внутри устройства может быть расположено аналогичное ему устройство под входным “стеклом”.

Перечень фигур чертежей

К п.1 формулы

На Фиг.1 приведено устройство с двумя плоскостями с отражающей поверхностью, вид спереди, на которых 2, 3 – плоскости с отражающими поверхностями, 1 – плоскость, на которой расположена емкость с водой; на Фиг.2 - устройство, вид сбоку; на Фиг.3 - плоскость 1 с емкостью для воды, 4 - многослойный прозрачный теплоизоляционный материал (парник), 13 - стенка плоскости с отражающей поверхностью, вид в разрезе, стрелкой указана циркуляция воздуха при солнце выше 45 к горизонту; на Фиг.4 – падение лучей при солнце ниже 45.

К п.3 формулы

На Фиг.5 приведено устройство в статике, вид сбоку; на Фиг.6 - устройство в динамике - жалюзи 9 открыты; на Фиг.7 - технологический чертеж устройства (парника) с 4-мя отражателями 5, 6, 7, 8; на Фиг.8 - устройство, вид спереди, где 10 - входное "стекло", 11 - колесо, 12 - поршень.

К п.6 формулы

На Фиг.9 приведено устройство – воздушный "шар" в виде парника с 4-мя отражателями 5, 6, 7, 8, где 10 - входное "стекло", вид сбоку; на Фиг.10 - устройство, вид спереди.

Устройства для преобразования солнечной энергии в механическую работу выполнены следующим образом.

К п.1 формулы

Устройство-парник (Фиг.1-4) для нагрева воды, в котором можно получать пар (температура до 200С) и использовать его в пародвигателях. Устройство работает от солнца, набирает температуру внутри от солнца (от парникового эффекта), емкость имеет плоский вид и толщину около 2 см, ширина 1 м50 см, парник выполнен из твердого материала типа оргстекла, прозрачного со стороны солнца. В полую емкость заливают воду. Температура нагрева до 10С выше окружающего воздуха, то есть если вода на солнце нагреется до 40-50С, то в парнике - до 50-60С.

Устройство имеет три плоскости 1-3. Плоскости 2 и 3 имеют внутри устройства отражающую поверхность, стороны боковых плоскостей 2 и 3 равны - АЕ, КС, МВ - и расположены параллельно друг к другу (Фиг.1 и 2).

Углы ВАЕ, МКС, ЕМК равны 90. То есть плоскости 2 и 3 имеют вид прямоугольников, расположенных под углом 90 друг к другу. Прямоугольники также могут быть расположены к плоскости 1 под углом только 90. То есть все плоскости 1-3 расположены под углом 90 друг к другу.

Сторона плоскости 1 АС равна сторонам АЕ, КС. На плоскости 1 может быть расположена емкость с водой (Фиг.3 и 4) из металла черного цвета под многослойным теплоизоляционным материалом 4 - парником. Толщина емкости 1 - 2 см. Многослойный материал 4 – парник - расположен непосредственно на поверхности емкости (или близко). На поверхности плоскости 1 можно дополнительно поместить его аналог – устройство-парник для нагрева воды, но с плоскостями 1 треугольной формы. На плоскости также можно расположить и солнечные батареи (плоские), работающие от света (преобразуя свет в электричество).

Многослойный парник - это устройство, содержащее до 5 и более аналогичных устройств, расположенных один внутри другого, стенки которых расположены близко друг к другу и выполнены из прозрачного материала с прозрачностью не менее 95%. Технический результат зависит от количества парников (проверено практически), а именно одно устройство (Фиг.1-4) способно нагреть плоскость 1 до температуры 100-110С при +20С наружного воздуха, два устройства - до 130-140С, три устройства - до 170С и т.д. Потери возможны только от непрозрачности плоскостей. Толщина материала не имеет значения. Такую температуру, естественно, невозможно было бы создать без двух плоскостей с отражающей поверхностью в устройстве. Очевидно, можно достичь температуру 200С, то есть получить пар. При этом возникает механическое движение пара, которое может перейти в работу пара. Пародвигатель можно присоединить при помощи гибкого шланга (к примеру, в точке В) к емкости устройства, расположив сзади устройства. Материал для изготовления плоскостей 2, 3 и плоскости 1 - это твердый теплоизоляционный материал, многослойный парник выполнен тоже из теплоизоляционного материала (прозрачного). Обычное стекло малоэффективно, эффективнее полиэтилен, фторопласт. В идеале устройство должно быть сделано из цельного твердого материала.

К п.3 формулы

Устройство (фиг.5-8), работающее на основе закона о расширении и сжатии газа, может применяться как двигатель в солнечной энергетике, работает от солнца на основе герметичного устройства-парника и способно набирать температуру внутри от солнца при помощи "парникового эффекта". Общеизвестно, что оно способно набрать ее на 10С выше окружающего воздуха. В данном случае устройство для преобразования солнечной энергии – это герметичный парник с четырьмя отражателями внутри (четыре плоскости), расположенные под углом 90 друг к другу, т.е. 5 к 6 и 7 к 8 равны углу 90.

Углы каждой из плоскостей отражателей равны 70, 55 и 55, т.е. отражатели 5-8 одинаковые, угол ИОР равен 70, углы ОРИ и ОИР равны 55. Снаружи имеется входное "стекло" - 10 для входа луча.

Работа устройства-двигателя происходит за счет перепада температуры и давления внутри устройства, то есть на основе закона о газах (изохорического процесса), когда при постоянном объеме устройства давление растет при повышении температуры газа (воздуха) и поршень 12 выходит наружу. Температура внутри устройства зависит от расположения жалюзей 9, то есть от того, проникает луч солнца в устройство или нет. На чертеже видно, что поршень 12 выполнен небольших размеров по сравнению с общим видом устройства.

Устройство может работать при наведении непосредственно на солнце, при этом поршень в виде "гармошки" может разворачиваться. Но устройство может находиться и в стационарном положении, например, строго на юг при положении входного "стекла" 10 под углом 45, например, строго на юг (Фиг.5). Поршень 12 лучше расположить около точки 0, обеспечивая линейное расположение двигателя. Устройство с четырьмя отражателями гораздо эффективнее обычного устройства, но наибольшую температуру оно наберет при угле солнца 90 к входному "стеклу" 10, а именно - до 100С при +20С наружного воздуха. Материал для выполнения устройства выбирается следующим образом: стенки устройства должны быть выполнены из теплоизоляционного материала, как и входное "стекло" 10, но тонкого для быстрого теплообмена и прочного (твердого) материала.

К п.6 формулы

Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу по третьему варианту – это воздушный "шар" (Фиг.9-10), в котором осуществляется набор температуры внутри от солнца от “парникового эффекта”, обеспечивая подъемную силу. Оно может быть применено в области воздухоплавания как воздушный "шар" на горячем воздухе, обеспечивающем подъемную силу устройству. В данном случае используется изобарический процесс, то есть при постоянном давлении объем газа (воздуха) растет при нагревании и он в устройстве становится легче окружающего воздуха.

К такому устройству (Фиг.9-10) - "шару" может прикрепляться гондола, но описание ее не входит в рамки заявки.

Устройство содержит четыре отражателя (Фиг.9, 10), которое может стать легче воздуха. Устройство может быть выполнено разных размеров. Оно - аналог устройства, описанного в п.3 формулы. То есть оно имеет четыре одинаковых отражателя 5-8, расположенных внутри под углом 90 друг к другу, то есть отражатель 5 к 6, 7 к 8 расположены под углом 90. Углы одной из плоскостей отражателя равны 70, 55 и 55 (Фиг.7), угол РОИ равен 70, углы ОРИ и ОИР равны 55. Также имеется входное "стекло" 10. Устройство должно быть негерметичным, то есть оно имеет небольшое отверстие, при этом оно будет подчиняться газовому закону, а именно изобарическому процессу. Температура внутри устройства может достичь 100С на 100% кубической площади устройства за несколько минут от солнца при +20С наружного воздуха. Поместив внутрь устройства аналогичное устройство такой же формы из прозрачного материала с прозрачностью не менее 95%, расположив его близко к отражателям и входному "стеклу"10, можно увеличить технический эффект до температуры 140С.

Материал

Конструкция должна быть выполнена из теплоизоляционного, легкого, прочного и тонкого материала, отражатели - из нейлона или подобного материала. Нанести отражающую поверхность можно на полиэтилен внутри устройства. Входное "стекло" 10 может быть выполнено из прочного полиэтилена с прозрачностью 95%. Слово "шар" не случайно взято в кавычки - при современных технологиях форма устройства может быть не только шаром, но и любой.

Устройства для преобразования солнечной энергии работают следующим образом.

Устройства к п.3 и 6 формулы работают на основе закона о газах - Клайперона – Менделеева, то есть закона о расширении и сжатии газа в зависимости от температуры.

Описание средств наведения, обнаружения, слежения за солнцем не входит в рамки данной заявки. Это вполне можно осуществить вручную (при необходимости).

К п.1 формулы

Для работы устройства (Фиг.1-4) луч солнца должен всегда попадать под углом 45 к плоскости 1. Наведение можно осуществить вручную, присоединив устройство к шкиву или стойке, способной разворачиваться по горизонтали и вертикали. Также под углом 45 произойдет отражение луча на плоскость 1 от плоскостей 2 и 3. Третий отражающийся луч образуется от взаимоотражения вверху плоскостей 2 и 3, то есть от плоскости 2 на плоскость 3 под углом 45, далее от плоскости 3 на плоскость 1 под углом 45. Всего три отражения плюс прямой луч от солнца, всего четыре луча на плоскости 1 на 100% площади. Плюс парниковый эффект многослойного парника – это приведет к подъему температуры на черной поверхности емкости с водой до 200С, что позволит использовать устройство в пародвигателях при хорошей циркуляции воды (Фиг.3 и 4). При высоте солнца, равной 45 над горизонтом, циркуляция может прекратиться, тогда можно изменить на 2 угол плоскости 1. Например, циркуляция указана стрелкой под углом солнца выше 45 на Фиг.3 и 4. Многослойный материал 4, желательно, не должен затенять плоскости 2, 3 от солнца.

К п.3 формулы

Устройство на основе герметичного парника (Фиг.5-8) может работать как в стационарном положении, так при помощи наведения. Наибольшую мощность (температуру) оно способно набрать при луче солнца под углом 90 к входному "стеклу" 10. Луч, попадая внутрь устройства, отразится от отражателей 5-8, то есть четыре раза так, что каждый из четырех лучей пройдет через 100 кубов площади под углом 90 к основному лучу. Всего получится пять лучей. Из-за этого температура внутри может достичь 100С при +20С окружающего воздуха.

В статике (Фиг.5) жалюзи 9 закрыты, то есть солнечный луч не проникает внутрь устройства, температура и давление в устройстве такое же, как и в окружающем воздухе. Поршень 12 находится в состоянии покоя.

В динамике (Фиг.6 и 8), открыв жалюзи 9, солнечный луч проникает внутрь устройства через входное "стекло" 10 и начинается подъем температуры в герметичном парнике устройства, газ (воздух) при нагревании расширится и начнет давить на поршень 12. Он под давлением выйдет наружу, вращая колесо 11. Обратное движение поршня произойдет после закрытия жалюзей 9 - температура внутри устройства начнет падать (тепло уйдет через стенки устройства) без солнечных лучей газ - воздух начнет сжиматься, втягивая поршень 12 внутрь устройства в исходное прежнее положение. Поршень 12 может складываться в виде "гармони", что позволяет сохранить герметичность устройства. Вместо колеса 11 можно поставить любой механизм. В будущем жалюзи 9 должны открываться автоматически. В открытом виде (Фиг.6) жалюзи 9 должны пропускать максимум света, лучше если они будут собраны к краям входного "стекла" 10, то есть не затеняя его совсем. Так же при их закрытии: чем меньше попадает света в устройство (вплоть до полной темноты), тем естественно активнее работа поршня 12. В принципе вместо жалюзей можно использовать разное затенение: плотные шторы или подобный материал, например тонкий, непрозначный.

К п.6 формулы

Устройство - воздушный "шар" на основе негерметичного парника с четырьмя отражателями 5-8 внутри (Фиг.9 и 10), в статике без солнца имеет температуру и давление, равные окружающему воздуху. После наведения (например, вручную, размер "шара" может быть любой) устройства под углом 90 к солнечному лучу (к входному "стеклу" 10), внутри устройства начнется резкий подъем температуры: лучевой поток, пройдя через "стекло" 10, отразится от отражателей 5-8 под углом 90 от основного луча так, что каждый из четырех отраженных лучей пройдет через 100% кубов площади устройства. Четыре отраженных лучевых потока плюс сам луч (основной входящий), всего 5 лучевых потоков способны нагреть воздух до 100С на 100% кубов площади устройства при +20С окружающего воздуха за несколько минут.

Вступает в силу изобарический процесс - объем воздуха, нагретого внутри устройства, растет, выходя наружу через небольшое отверстие в стенке устройства. То есть вес воздуха в "шаре" станет легче, чем у наружного воздуха. Зная плотность наружного воздуха по формуле изобарического процесса можно вычислить, насколько легче стало устройство, чем наружный воздух.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу для нагрева воды от солнца при помощи парникового эффекта, отличающееся тем, что оно имеет прямоугольные плоскости 2, 3 с отражающей поверхностью, боковые стороны АЕ, КС и МВ которых расположены параллельно друг другу, плоскости 2, 3 расположены под углом 90° друг к другу и к плоскости 1, на которой расположена металлическая емкость черного цвета с водой толщиной 1-2 см, шириной 1м - 50см под многослойным прозрачным теплоизоляционным материалом для нагрева воды и образования пара, при этом парник снабжен устройством слежения за солнцем и обеспечивающим поддержание угла падения солнечных лучей к плоскости 1, на которой расположена емкость с водой под углом 45°, при этом сторона АС плоскости 1 равна сторонам АЕ, КС.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость, например, в точке В присоединена к пародвигателю с помощью гибкого шланга.

3. Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу, набирающее температуру внутри при помощи парникового эффекта и обеспечивающее перепад температур и давления внутри устройства при изохорическом процессе, повышение которых обеспечивает движение поршня, отличающееся тем, что оно выполнено герметичным и содержит четыре одинаковых отражателя, плоскость каждого из которых имеет углы 70°-55°-55°, угол ИОР равен 70°, угол ОРИ и ОИР равны 55°, при этом отражатели 5 к 6 и 7 к 8 расположены под углом 90° и закрыты снаружи входным стеклом для прохода лучей под углом 90° к стеклу с помощью устройства слежения, причем поршень 12 выполнен в виде гармошки и расположен около точки О на отражателе 8.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит жалюзи или шторы, обеспечивающие проникновение солнечного луча в устройство.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поршень 12 соединен с колесом.

6. Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую работу, набирающее температуру внутри от солнца при помощи парникового эффекта, отличающееся тем, что оно выполнено из теплоизоляционного, легкого, прочного и тонкого материала и содержит четыре одинаковых отражателя, плоскость одного из которых имеет углы 70°-55°-55°, угол РОИ равен 70°, углы ОРИ и ОИР равны 55°, при этом отражатели 5 к 6, 7 к 8 расположены под углом 90° друг к другу и закрыты снаружи входным “стеклом” для прохода лучей под углом 90° к “стеклу” с помощью устройства слежения, обеспечивающими рост температуры и постоянство давления внутри устройства за счет выполнения его негерметичным с помощью отверстия.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутри устройства расположено аналогичное ему устройство под входным “стеклом”.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10