Концентратор солнечного излучения
Изобретение может быть использовано в энергетических установках. Сущность изобретения: в концентраторе солнечного излучения , содержащем преломляющий слой 1, отражающую поверхность 3 и расположенный между ними световодный канал 2 с поверхностью 5 выхода на торце, преломляющий оптический слой выполнен в виде параллельных друг другу оптических преломляющих структур с наклоном к поверхности 5 выхода и каждая структура имеет участки, выполненные в виде собирательной линзы 6 и призм 7-10 с разными преломляющими углами. Солнечные лучи преломляются на поверхности структур , приходят к поверхности канала 2 под малыми углами и попадают в него в виде пучка лучей. Лучи, отразившись от поверхности 3, наполняются к поверхности 5 выхода . 1 э.п. ф-лы, 4 ил. 1 табл.
ci)c Г 24 J 2/08
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
М»
О
О
О (л ь
Фиг. 2
Комитет Российской Фсдерации по патентам и товарным знакам (21) 4867712/06 (22) 20.09,90 (46) 07.09.93. Бюл, N 33-36 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (72) Тверьянович Э.В, (73) Тверьянович Э.В. (54) КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано в энергетических установках. Сущность изобретения: в концентраторе солнечного излучения, содержащем преломляющий слой
1, отражающую поверхность 3 и располоЯ0 2000524 С женный между ними световодный канал 2 с повеохностью 5 выхода на торце, преломляющий оптический слой выполнен в виде параллельных друг другу оптических преломляющих структур с наклоном к поверхности 5 выхода и каждая структура имеет участки, выполненные в виде собирательной линзы 6 и призм 7-10 с разными преломляющими углами. Солнечные лучи преломляются на поверхности структур, приходят к поверхности канала 2 под малыми углами и попадают в него в виде пучка лучей. Лучи, отразившись от поверхности 3, наполняются к поверхности 5 выхода. 1 э.п, ф-лы, 4 ил. 1 табл.
2000524
Изобретение относится к области использования солнечной энергии, в частности, касается изготовления концентраторов солнечного излучения для энергетических установок. 5
Известен концентратор солнечного излучения, состоя щий из прелом ля ю щего оптического слоя, выполненного в виде основной призмы, воспринимающей солнечное излучение по всей длине, и дополнительной призмы с отражающим слоем, нанесенным на ее тыльную поверхность, и поверхности выхода излучения, расположенной на торце основной призмы (авт. св, СССР ЬЬ 1089365 кл. F 24 J 2/08 1982) 15
Солнечное излучение проходит преломляющий слой, выполненный в виде основной призмы, попадает в дополнительную призму, отражается от отражающего слоя и возвращается в основную призму. Из основной призмы свет не выходит за ее пределы, так как углы падения на ее воспринимающую солнечное излучение поверхность превышают угол полного внутреннего отражателя, поэтому свет распространяется по основной призме как по световоду в сторону поверхности выхода излучения, Недостатком известного решения являются большие светопотери, так как свет распространяется в плотном материале преломляющего слоя (основная призма), что не позволяет достигнуть высоких концентраций.
Известен концентратор солнечного излучения (прототип), содержащий преломля- 35 ющий оптический слой и расположенный под ним с образованием пустотелого световодного канала отражающий слой, при этом поверхность выхода излучения выполнена в торце световодного канала (патент США N 40
4282862, кл, F 24 J 3/02, 1981). Солнечное излучение попадает на преломляющий слой, выполненный в виде стеклянной пластины с призматическим рифлением, преломляется и выходит под углом к 45 поверхности слоя, пересекает пустотелый световодный канал, затем отражается от отражающего слоя и направляется к поверхности выхода излучения.
Недостатком известного технического решения являются высокие концентрации, которые можно получить на поверхности выхода излучения. Это объясняется тем, что при больших углах выхода (угол между лучом и нормалью к поверхности) световых 55 лучей из поверхности плоской пластины возникают потери на границе раздела двух сред; стекло-воздух за счет френелевского отражения. Так, например, для материала с коэффициентом преломления п =- 1,56 при углах выхода 80 и 82 потери составляют соответственно 36 и 47 (см. Кошкин Н.И., Ширкевич IJI.Ã. Справочник по элементарной физике, Наука, 1974, с. 205, таблица
115), что является неприемлемым для кон центраторов солнечного излучения в энеп гетических установках.
Целью изобретения является повыше ние концентрации излучения на поверхности выхода излучения, Цель достигается тем, что преломляющий слой выполнен в виде параллельных друг другу оптических структур, расположенных под углом 0-85" к поверхности выхода излучения, при этом каждая структура по высоте выполнена из нескольких участков, первый по ходу излучения участок выполнен в виде собирательной линзы, а последующие — в виде призм, имеющих разные преломляющие углы, направленные в сторону световодного канала, Собирательная линза может быть вblïîëнеíа в виде линзы Френеля.
В предлагаемом концентраторе световые потери уменьшены за счет улучшения условий прохождения света через преломляющий слой, так как в этом случае углы входа и выхода из преломляющих структур достаточно велики (более 45 ) и потери незначительны. Это позволяет получить углы выхода излучения иэ преломляющего оптического слоя порядка нескольких градусов (1-5 ) и таким образом значительно повысить концентрацию излучения на поверхности выхода излучения.
Для увеличения технологичности и простоты сборки концентратора преломляющие структуры могут быть выполнены из прозрачных пластин с рифлением в виде набора призм или в виде пластин с переменным коэффициентом преломления, либо в виде голографических линз.
На фиг.1 приведен концентратор солнечного излучения, поперечное сечение, и показано прохождение световых лучей; на фиг. 2 — показан участок концентратора с первыми семью преломляющими структурами; на фиг. 3 изображены основания преломляющих структур и показано прохождение лучей на выходе из преломляющего слоя; на фиг. 4 показаны одна преломляющая структура, выполненная из прозрачной пластины с рифлением в виде набора призм, и первый по ходу поступающего излучения участок структуры, выполненный в виде собирательной линзы
Френеля, Концентратор солнечного излучения (фиг. 1), содержащий прелпмляющий слой l и расположенный под ним с образг>ванием
2000524
К =-т—
55 где r — светопропускание концентратора.
Для концентратора по фиг 1 пустотелого соетпводного канапэ 2 отражающий слой 3. Прелом«яю<ций слой i выполнен в виде параллельных друг другу оптических структур 4, расположенных под углом p =-О 85 к поверхности 5 выхода из- 5 лучения, при этом каждая структура 4 по высоте выполнена иэ нескольких участков 6, 7, 8, 9, 10. Первый по ходу солнечного излучения участок 6 выполнен о виде собирательной линзы, а последу<ощие — о виде 10 призм 7, 8, 9, 10, имеющих разные преломляющие углы а2, аз, ал. а.;, направленные в сторону световодного канала 2.
Собирательная линза (участок 6) может быть выполнена о виде линзы Френеля (фиг. 4), 15
Кропиле того, на фигурах номера структур
4 обозначены римскими цифра<ли I, II, III, И, V, Vl, Vll, Vill, (Х, Х, общая высота преломляющего оптического слоя 1-Н, высоты отдельных участков — М, Ьт, h<<, hg, h F падения лучей Л <, Л2, Лз на зти структуры, — и, максимальный и минимальный углы выхода лучей Лз и Л! соответстоенно иэ пре- 30 ломляющего оптического слоя 1 в пустотелый световодный канал 2 — l» 1»<ин. Работает концентратор следующим образом. 35 Солнечное излучение поступает на воспринимающую поверхность преломляющего оптического слоя (фиг. 1). Солнечные лучи преломляются на отдельных участках последовательных преломля>ощих структур 40 4 и проходят к поверхности 11 под малыми углами /3, Затем лучи попадают в пустотеtIblA световодный канал 2 о виде пучка лучей, имеющего наименьший угол 1»<и«и <лаксимальный угол 1 „„11. В све- 45 товодном канале лучи достигают отражающей поверхности 3 и, отразившись, направляются к поверхности 5 выхода излучения. Таким образом на поверхности 5 создается концентрированное солнечное 50 излучение, концентрация которого определяется как К -. 2С<с1 <»лп. Рассмогрим более подроб«о «рохпждение пу<ей по структурам 4 (фи<. 2). Луч ll < (структура I) попадает в основание «еров<о препомпяющего участка 6. выпопн<.нного в виде собирательной линзы, имея угол j3 < между плоскостью. параппельнои плоскости 11, равной 90, преломляется (препомляющий угол гг !) линзой и поступает на пре«омг<я ощий участок 7 струк<уры 1! под углом /i2 < /3 <, преломляется призмой 7 имеюп1 и преломпяющии угол rsvp, попад;— ет на участок 8 структуры III под углом /Зз" !; и т.д, до тех пор, пока лу < выйдет в пустотелый световодный канал 2 под угпо л I»<,;„. При этом луч Л< проходит по",.педооательно пять структур (от I до V) (фиг. 3). Луч Лз также проходит через структуру!. но при этом он не претерпевает преломления и, участке 6, так как проходит через центральную часть собирательной линзы, где препомляющий угол г близок к О, поэтому луч Л,<идет по близкой к лучу Л! траектории и выходит в световодный канал 2 под I< гпом !»<зкс. Луч Лз занимает среднее положение между лучами Л! и Лзи выходит с углом 12, IM11tI < i". 1мс. Таким образом, свет из преломпп о<цего оптического слоя в световодный канал 2 выходит в виде расходящегося пучка вследствие влияния собирательной призмы, причем пучок имеет крайние лучи с значениями углов I»»< и l»«<, Для определения концентрации излучения необходимо учитывать значения i»<, . Углы f падения лучей на структуры (3) имеют значения, не превышение 45О, что позволяет лучам иметь минимальные светопотери на френепевское отражение при переходе границ ооэдухстекло, стекло-воздух и тем самым повысить общее светопропускание концентратора, Дпя уменьшения этих потерь все структуры 4 должны иметь просветляющие покрытия. Каждая структура 4 может быть выполнена в оиде набора отдельных призм и линз (фиг. l, 2) или в виде пластин с рифлением, и лающим профиль призм 7, 8, 9. 10 (фиг, 4), при этом участок 6, имеющий собирательную линзу, может быть выполнен в виде линзы Френеля При<лер конкретного выполнения конценратора по фиг. (участок 6 выполнен в виде сферической собирательной линзы) приведен в таблице (расчет для луча Л <) при значении угла p== 45" и расстоянии между Структурами 20 мм, Yrr и и< определен как угол поворота пу<з в р» <ультате преломления на линзовом 2000524 10 или призматическом участке структуры 4.Выход луча Л1 происходит на структуре Ч со значением I„« - 4 - 2,7 = 1,3". Луч Лз выходит со значением !н « = 4, Общая высота преломляющего оптического слоя 1 Н =- Ьб+ п7 + г1в + h9 + h1o =- 44,5 мм. В случае исполнения структур 4 с участком 6 в виде собирательной линзы Френеля (фиг, 4) значения в таблице остаются действительными, только преломпяющие углы а линзы Френеля имеют значения от 10 до 00. Светопропускание концентратора определяется как т тв тт тв т9 т10 тп R = тф тл R, где тв, тт, тв, тв. т1о(тф) — светопропускание соответствующих преломляющих призм структур 4 с учетом Френелевских потерь; т, — пропускание с учетом поглощения в материале структур 4; R — коэффициент отражения слоя 3; d — длина пути луча в стекле; N — число переходов лучом границ воздух-стекло. стекло-воздух. При изготовлении структур 4 иэ оптического стекла, например, типа К - 8 коэффициент пропускания за счет поглощения встекле составляет 0,99 на 1 см пути луча в Ф стекле, Принимаем среднюю толщину одной структуры 4 равной 2 мм, луч проходит пять структур, т.е. толщину 5 х 0,2 = 1 см. Френелевские потери (те.„т10) оцениваем для стекла с показателем преломления 1,52 и просветляющими покрытиями структур с двух сторон, при этом для трехслойного просветления переход одной границы разных сред (стекло, воздух) обеспечивает светопропускание т ф - 0,995. Поскольку каждый луч проходит пять структур с десятью поверхностями перехода границ разных оптических материалов, то т ф - 0,995 - 0,95 (БегуновБ,Н. Теория оптических систем, M.,1981, с. 124-125), 15 Принимаем коэффициент отражения алюминиевого зеркала R = 0,9. Суммарное светопропускание концентратора составит т- 0,995 х 0.99 х 0,9О 1,О -0,95 х 99 х 0,9 0.84, Концентрация излучения, выполненного по схеме фиг, 1, составит (l >« — -4 ) по формуле (2) К-2 х с19 4 -286 х 084 "- 24, При этои при поверхности выхода hs = -10 мм длина L составит 280 мм (14 структур с шагом 20 мм) Технико-экономические показатели предлагаемого концентратора по сравнению с прототипом состоят в том, что в предлагаемом концентраторе угол выхода может быть уменьшен в 10 рээ, что приводит к увеличению концентрации в соответствии с формулой (2). Формула изобретения 1. Концентратор солнечного излучения, содержащий преломпяющий слой и расположенный под ним с образованием пустотелого световодн ого канала отражэющийслой, при этом поверхность выхода излучения выполнена в торце световодного канала, отп ича ю щи йся тем, что, с целью увеличения концентрации излучения на поверхности выхода, преломляю.щий слой выполнен в виде параллельных друг другу оптических структур, расположенных под углом 0-85 к поверхности выхода излучения, при этом каждая структура по высоте выполнена иэ нескольких участков, первый по ходу солнечного излучения участок выполнен в виде собирательной линзы, а последующие — в виде призм, имеющих разные преломляющие углы, направленные в сторону световодного канала, 2. Концентратор по и, 1, о т л и ч а юшийся тем, что собирательная линза выполнена в вид линзы Френеля. 2000524 2000524 Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарин» 101 Редактор Заказ 3075 Составитель Э. Тверьянович Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор М. Демчик Тираж Подписное НПО " Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5
