Концентратор солнечного излучения

 

Использование изобретение относится к области создания солнечных энергетиче ских установок с концентраторами Сущ ность изобретения в концентраторе солнечного излучения содержащем свето водный канал СК имеющий на торце повер хность выхода излучения и преломляющий слой ПС, служащий одной из стенок канала концентратор содержит дополнительный преломляющий слой ДПС служащий другой стенкой световодного канала причем каж дый ПС выполнен в виде набора параллель ных друг другу оптических структур имеющих преломляющие углы направленные в сторону противоположную СК и по верхности выхода излучения Лучи падают на ПС затем пересекают СК падают на ДПС и после преломления возвращаются в СК 1 з п ф-лы. 3 ил (Л

СОКЛ r;r r}ll l r V(i7y, r .r1l Ièл1117с 1 и ll: r:v ux

Р1: С17У1 1117V

15115 F 24 j 2/08

ГОсудАРстВе н1 1ыи кОми1 Г 1 пО изОБРетГни51м и ОТКРы1иям

ПРИ ГКН! СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

4 (л ( Э ф

К АВТОРСКОМУ СВИДFTF11ЬСТВУ (21) 4867661/06 (22) 29.09.90 (46) 30.07.92. Бюл. №. 28 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (72) Э.В. Тверьянович (56) Патент США 1ч 4461278, кл. F 24 J 3/02, 1984.

Афян В.В., Вартанян А.В. Новый подход к созданию селективных концентраторов солнечного излучения, Гелиотехника, 1984, № 2, с.22-26.

Патент CLLIA ¹ 4282862, кл. F 24 J 3/02, 1981, (54) КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности касается создания концентраторов солнечного излучения для, солнечных энергетических установок.

Известна концентрирующая солнечное излучение оптическая система, содержащая линзы Френеля, фокусирующие солнечное излучение на входные поверхности волоконных световодов. поверхности выхода излучения у которых расположены на других торцах, сведенных на единый приемник излучения.

Недостатком системы является невысокие степени концентрации из-за больших светопотерь в результате поглощения света в волоконных световодах большой длины для мощных энергетических установок.

Известны голографические линзы. используемые как концентраторы солнечного.50,, 1751624 А1 (57) Использование; изобретение относится к области создания солнечных энергетических установок с концентраторами. Сущность изобретения: в концентраторе солнечного излучения, содержащем световодный канал СК. имеющий на торце повер хность выхода излучения. и преломляющий слой ПС, служащий одной из стенок канала. концентратор содержит дополнительный преломляющий слой ДПС, служащий другои стенкой световодного канала, причем каждый ПС выполнен в виде набора параллельных друг другу оптических структур. имеющих преломляющие углы. направленные в сторону, противоположную CK и поверхности выхода излучения. Лучи падают на ПС, затем пересекают СК. падают на ДПС и после преломления возвращаются в СК. 1 з.п.ф-лы. 3 ил. излучения, представляющие собой плоские прозрачные пластины, на поверхностях которых нанесены фоточувствительные слои. использующие эффект интенференции све та, и имитирующие преломляющие свойства линз и призм.

Недостатком голографических кон центраторов является невозможность суммирования световых потоков от отдельных концентраторов для увеличения концентрации излучения на поверхности выхода в случае использования их на мощных солнечных энергетических установках, име ющих развитые поверхности, восприни1,ающие солнечное излучение в результате больших светопотерь при передаче энергии на большие расстояния.

Наиболее близким к предлагаемому яв ляется кон центратор сол неч ного изл учен ия.

1751 б24

55 содержа гций свето водны Й канал, имеющий на 10pgp, поверхность выхода излучения, и преломляющий слой. служащий одной из стенок канала. Концентратор имеет преломляющий слой в виде прозрачной пластины с призматическим рифлением, преломляющим солнечное излучение в сторону поверхности выхода в пустотелом световодном канале, заполненном воздухом. Концентрация излучения на поверхности выхода в по.добном концентраторе зависит от углов выхода излучения из преломляющего слоя: чем больше угол, тем больше концентрация, При переходе света из материала пластины при больших углах выхода (угол между вышедшим лучом и нормалью к поверхности) имеют место большие потери на отражение на границе выхода (френелевские потери).

Так для угла выхода в 80о для материала пластины с коэффициентом преломления и

-- 1,52 (неорганическое стекло), потери составят > 50 Д, что неприемлемо для солнечных энергетических установок.

Цель изобретения — увеличение концентрации и мощности на поверхности выхода излучения.

Указанная цель достигается тем, что в концентраторе солнечного излучения, содержащем световодный канал, имеющий на торце поверхность выхода излучения, и преломляющий слой, служащий одной из стенок канала, с целью увеличения концентрации излучения на поверхности выхода концентратор содержит дополнительный преломляющий слой, служащий другой стенкой канала, причем каждый преломляющий слой выполнен в виде набора параллельных друг другу оптических структур. выполненных Ilo высоте из призматических участков с преломляющими углами, направленными в сторону, противополо>кную световодному каналу и противоположную поверхности выхода излучения.

Призматические участки оптических структур могут быть выполнены голографическими.

В предлагаемом концентраторе указанные цели достигаются тем, что имеется световодный канал, в котором солнечное излучение вводится по всей длине концентратора, не имеющего принципиального ограничения по длине, что позволяет создать на выходе большие концентрации и мощности светового потока. То, что преломляющие слои состоят из набора параллельных друг другу оптических структур, выполненных по высоте из преломляющих участков с преломляющими углами, направленными в сторону, противополо>кную световодному каналу и поверхности выхода, способствуют

40 введению солнечного излучения в световодный канал и распространению излучения по каналу в сторону поверхности выхода с минимальными светопотерями, так как свет распространяется по воздуху.

Использование в качестве преломляю щих структур голографических призм уменьшает светопотери, а расположение вершин, преломляющих углов этих призм в разные стороны от световодного канала, обеспечивает удержание солнечного излучения в пределах канала. Возможно использование в качестве преломляющих структур обычных призм, но при этом возрастут светопотери за счет не рабочих граней призм.

На фиг.1 приведен концентратор солнечного излучения и схема прохо>кдения по нему одного из лучей (начало и середина концентратора), продольное сечение; на фиг.2 — то же, схема прохождения луча до поверхности выхода излучения; на фиг,3— отдельные преломляющие оптические структуры, выполненные в виде прозрачных пластин с голографическими призмами.

Концентратор солнечного излучения (фиг.1) содержит световодный канал 1, имеющий на торце поверхность 2 (фиг.2) выхода излучения, и преломляющий слой 3 (показан штрих-пунктирной линией), служащий одной из стенок 4 канала 1. При этом концентратор содержит дополнительный преломляющий слой 5, слу>кащий другой стенкой б канала 1; причем каждый преломляющий слой (3 и 5) выполнен в виде набора параллельных друг другу оптических структур 7, выполненных по высоте h> и hz из преломляющих участков 8 (фиг,3) с преломляющими углами й, направленными в сторону, противоположную световодному каналу 1 и поверхности 2 выхода излучения.

Призматические участки 8 могут быть выполнены голографическими (условно показаны на рис.3 штрих-пунктирной линией).

Кроме того, на фигурах показано: траектория луча Л1 (одного йз многих), приходящего на преломляющий слой 3, воспринимающий солнечное излучение; углы /3 (i = 1,2,3...) наклона луча Л1 к поверхностям, параллельным поверхностям 4 и б; значения углов Р в пределах световодного канала обозначены Р кь, значение углов /1 стабилизированной величины 3«т, углы наклона структур 7 к поверхностям 4 и б световодного канала 1 обозначены р1для слоя

3 и pz для слоя 5; ширина а, световодного канала 1; призматические участки 8 имеют разные преломляющие возможности со1, (iy,, тс>4, соответствующие преломля

1751624 ющим углам а1, гс., аз . v голографические слои 10 и 11 (фиг.3) на структурах 7 могут быть нанесены на плоские пластины

11. Высота преломляющего слоя 3 h ), высота слоя 5 М, S шаг между структурами 7. 5

Концентратор солнечного излучения работает следующим образом.

Солнечное излучение. представленное одним лучом Jl>(фиг.1), падает на поверхность 9 преломляющего слоя 3 по постоян- 10 ному (фиксированному) направлению, например, от гелиостатов. Лучи падают на слои 3 под углом р1. равным углу наклона структур 7 к поверхности 4, вследствие чего они проходят слой 3 с минимальными поте- 15 рями от затенения структур 7. Затем луч Л1 пересекает световодный канал 1, попадает на структуры 7 преломляющего слоя 5 вследствие того, что в слое 5 структуры 7 20 наклонены под углами р) к поверхности 10 этого слоя, причем вершины углов р2 направлены в противоположную гторону поверхности выхода, луч Л1 попадает на структуру 7 под углом/4 . Так как структуры

7 по высоте h выполнены из призматических участков 8 (фиг.3). углы а которых вершинами направлены от световодного канала 1, то отклонение преломленного луча Л1 после преломления на первой структуре .будет проходить в сторону возвращения Л1 в световодный канал 1 и.угол поворота луча составит г))4 =/31 — /32 . Такое же преломление произойдет на следующей структуре в слое

5, куда луч Л) подойдет с углом/1з . Вследствие последовательного преломления луч опишет некую изогнутую траекторию в слое

5 и выйдет в световодный канал 1 под углом

/Зк2, который вследствие наклонов (углы р2 ) структур к световодному каналу имеет значение/) к2 < /)к1, Другим фактором, способствующим уменьшению угла/3 <2 по сравнению с углом

Рк1 ЯВЛЯЕТСЯ тО, Чта ПРИЗМатИЧЕСКИЕ УЧаСтКИ

8 имеют разные преломляющие углы а, при45 чем а < а 2 в слое 3 и а з иа n B слое 5.

Затем луч Jl> попадает на структуры преломляющего слоя 3, где повторяются последовательные преломления луча, но вследствие того, что преломляющие углы

50 а направлены в противоположную сторону, чем в слое 5, луч Л1 будет отклоняться снова к каналу 1 и, описав некоторую изогнутую траекторию, выйдет в канал со значением угла /Зкз < /) к2

/)кз произойдет вследствие наклона структур 7 под углами <р1 и разных значений углов G

Таким образом луч Л1 совершает вокруг световодного канала 1 затухающие колебаК =тббб где г — общее светопропускание концентратора; L/d — геометрическая концентрация.

Всю траекторию любого луча по концентратору можно разбить на участки: участки. которые луч проходит в пределах преломляющих слоев 3 и 5; участки, которые луч проходит в световодном канапе 1.

Таким образом длину концентратора Е крайний луч Л1 пройдет частично в слоя 3 и

5, частично в световодном канале, что может быть записано формулой

05п (=о ctg 3gi+

1,(2) ! где n — количество пересечений лучом границ канала 1 с значением углов/3 1 (в том числе Дст);

Ii — сумма проекций участков пути луча на стенки канала 2.

Высота h> и hz слоев 3 и 5 соответственно определяется по формуле ния при этом углы Рк> входа и выхода в канал 1 будут уменьшаться до некоторой величины f4 > — некоторого стабилизированного значения, изменения которого в последующих преломлениях будут весьма незначительными. С этим значением угла

Ркс луч распространяется по световодному каналу 1 до поверхности выхода 2 излучения из концентратора, где должен быть размещен приемник излучения (не показан), С целью уменьшения светопотерь каждая структура 7 может быть выполнена в виде прозрачных гладких пластин 12 (фиг.3), на которые нанесены голографические слои

10 и 11, имитирующие работу преломляющих участков 8 (гопографические призмы с углами а1 . а), аз, гг4 ) и соответствующие разным преломляющим возможностям (углам поворота лучей) cl)), м), г))з, ом, Значения углов р1 и р2 могут быть различными в слоях 3 и 5 и иметь значения от

15 до 90", при этом значения углов р меньо ше 15 нецелесообразны в виде больших светопотерь на френелевское отражение в структурах 7, а значения p = 90 ухудшит процесс стабилизации луча в световодном канале 1.

Концентрация солнечного излучения на поверхности 2 выхода определяется следующим образом

1751624

hi = (—

1 +

СЦЩ + С19 Р1,2 С19 мин 4 СЩ Р1,2 5

ГДЕ/41, /Зг, /ЗЭ,... ф ии — УГЛЫ ВХОДа В СТРУКтуры в пределах одного преломляющего слоя 3 или 5 до минимального значения угла

/ мин, т,е. до наибольшей величины эаглубле ния луча (на фиг.1 Щ,=О).

Пример конкретного выполнения систе-. мы

Параметры слоя 3: структуры 7 имеют две голографических призмы 8 с углами (с! =10", Qg=-31, что соответствует и! = 5 (с =, ;=20"

Параметры слоя 5:структуры 7 имеют две голографических призмы 8 с углами аэ = 10, а4 =31 6, что соответствует (с)э =5;(s)4 =20;pz =75; S =20мм.

Значения углов /Зк выхода лучей в све- . товодн ый канал следующие: 31

=-60 фкз=-45; /Зкз = 35; Д4 =25О /3кЬ = 20О;

/1ке= — 15 l P к7 = 10:/38 =10 l /3кст = 5

Глубина h1 слоя 3, подсчитанная по (3), равна 44,5 м, глубина слоя 5 hz = 21,5 мм (фи r.2,3).

Принимаем поверхность выхода 2 излучения из системы d = 1 м. По соображениям светопропускания принимаем, что луч от начала системы до его конца пересечет 60 структур 7, из них 40 структур с углами

Рк приведенными выше 20 структур 1 со значением углов 3КсТ или 20:2 = 10 переходов канала 6 со значением P

Д ДО ЗНаЧЕНИй бакст,! 1= 34 М, Участок Ы распространения луча по ка-: налу 1 со значением Дст L2" 10 с19 р скг=114 м . Общая длина системы L= L1+ 9 = 148 м.

Определим светопропускание системы =4 6, (4) где 1ф - светопропускание с учетом френелевских потерВ при переходе лучом m границ структур 7 (каждая структура — 2 границы перехода); г, — светопропускание с учетом поглощения в материале пластин 12;

I — общая длина пути луча в материале пластин 12. см.

Для определения t р всей системы (в первом приближении) определим т на всей длине L (60 структур, 120 переходов) и го на участке у поверхности выхода 2 (5 структур, 10 переходов). Принимаем тф одного перехода 0,995 (трехслойное просветляющее покрытие пластин 12) и г„=0.99 на длине 1 сМ в оптическом стекле.

Принимаем толщину одной пластины

10--0,5 мм, тогда для 60 структур I1 = 3,0 см.для 5 структур!2 = 0,25 см. т !=0,995 х 0,99з в =0,52

to =0,995 х 0,99 =0,94, гср =0,5 (!+ го ) 0,73. !

Геометрическая концентрация на поверхности выхода 3 по (1):148.

Концентрация с учетом светопотерь: 148 х О, 73

--- 108.

Габариты системы: высота 0,0215 4 0,0445

1,0 =- 1,06 м, длина 148 м, ширина (для тепловой мощности 1 мВт при солнечной радиации 1000 Вт/м ) равна 9,25 м.

Предлагаемая концентрирующая солнечное излучение система принципиально позволяет получать большие концентрации солнечного излучения на поверхности выхода излучения, так как в этой системе принципиально отсутствуют ограничения по концентрации (отношение длины к d). Ограничивает концентрацию только светопро пускание системы.

Формула изобретения

1.Концентратор солнечного излучения, содержащий световодный канал, имеющий на торце поверхность выхода излучения, и преломляющий слой,. служащий одной из стенок канала,отличающийся тем, что, с целью увеличения концентрации и мощности излучения на поверхности выхода, концентратор содержит дополнительный преломляющий слой, служащий другой стенкой канала, причем каждый преломляющий слой выполнен в виде набора взаимно параллельных оптических структур, выполненных по высоте из призматических участков с преломляющими углами, направленными в сторону, противоположную световодному каналу и поверхности выхода излучения.

2,Концентратор по п,1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что призматические участки оптических структур выполнены голографическими, !

751624

1751624

euz.г

Фю.d

Составитель Э.Тверьянович .

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Осауленко

Редактор А.Долинич

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 2686 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СГ:(Р

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5