Способ концентрации солнечной энергии и устройство для его осуществления
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным концентраторам с высокой степенью концентрации. Способ концентрации солнечной энергии включает отражение светового потока и концентрацию у теплоприемника, при этом световой поток солнечной энергии, сконцентрированный у оси фокусов параболоцилиндрического концентратора первой ступени, направляется под предельным углом полного внутреннего преломления к параболоцилиндрическому световоду-концентратору, а совмещенная ось фокусов концентратора первой ступени с осью фокусов световода-концентратора образует источник сконцентрированного солнечного излучения для параболоцилиндрического световода-концентратора, который, падая под предельным углом на параболообразующую поверхность параболоцилиндрического световода-концентратора, преломляется и на границе раздела сред разной плотности проходит параллельно оси фокусов, суммируясь по ходу светового потока по всей длине параболоцилиндрического световода-концентратора с последующей передачей собранной солнечной энергии на расстояние к теплоприемнику. Устройство для осуществления способа состоит из параболоцилиндрического концентратора первой ступени с устройством слежения за солнцем и параболоцилиндрического абсорбера с теплоприемником, абсорбер выполнен в виде оптически прозрачного световода-концентратора, ось фокусов которого совмещена с осью фокусов параболоцилиндрического концентратора первой ступени, параболоцилиндрический световод-концентратор выполнен из оптически прозрачного двухслойного диэлектрического материала с разными коэффициентами преломления, причем первая среда, принимающая световой поток от параболоцилиндрического концентратора первой ступени, плотнее, чем среда второго слоя, толщина которого превышает толщину слоя первой среды, наружная поверхность параболоцилиндрического световода-концентратора покрыта отражающим и бронирующим покрытием. Изобретение позволяет повысить концентрацию солнечной энергии до высоких температур при одноразовом отражении от зеркального отражателя с последующим изменением направления светового потока солнечного излучения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным концентраторам с высокой степенью концентрации, в 100 и более раз, а именно, для получения высоких температур и передачи их на расстояние к теплоприемнику по световоду.
Обычно концентрация солнечной энергии до высоких температур при одноразовом отражении от зеркального отражателя с последующим изменением направления светового потока солнечного излучения невозможна из-за значительных потерь при повторном отражении и рассеивании света. Для того чтобы избежать эти потери, предлагается использование явления полного внутреннего отражения по законам оптической геометрии и передачи ее на расстояние по световоду.
Известны оптические способы концентрации солнечной энергии за счет отражения с последующей концентрацией у фокуса геометрических фигур с образующей второго порядка (Объекты НПО «Физика-Солнце», обзор физико-технического института АН РФ).
В этом случае при одноразовом отражении удельные тепловые потери выравниваются за счет уменьшения площади входа в абсорбер, при этом достигается увеличение плотности световой энергии. При дальнейшем увеличении количества отражений луча удельные потери энергии не выравниваются за счет уменьшения площади входа в абсорбер, а плотность солнечного потока начинает уменьшаться за счет потери энергии при рассеивании света и нагреве отражателя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу с использованием явления полного внутреннего отражения, является «Солнечный фотоэлектрический модуль» по патенту RU 2133415, в котором используется полное внутреннее отражение светового потока, эффект которого создает прозрачная призма, где луч преломляется и попадает на короткий катет призмы, а установленные ряды зеркальных параболоцилиндрических фоклинов работают как обычные отражатели-концентраторы. Недостатками известного способа концентрации солнечной энергии являются невозможность получения высоких температур, низкая степень концентрации солнечной энергии и ограниченные возможности места приема солнечной энергии.
Предлагаемым изобретением решается задача концентрации солнечной энергии до высоких температур при одноразовом отражении от зеркального отражателя с последующим изменением направления светового потока солнечного излучения.
Для получения такого технического результата в предлагаемом способе концентрации солнечной энергии с изменением ее направления, включающем известный параболоцилиндрический концентратор первой ступени, отражатель которого ориентируется таким образом, чтобы сконцентрированный световой поток падал на ось фокусов под предельным углом к параболоцилиндрическому световоду-концентратору, состоящему из двух прозрачных сред с разными коэффициентами преломления n1 и n2, при условии, что n1>n2, отражаясь, световой поток сохраняет этот угол, а затем испытывает преломление на угол в соответствии с законом Снеллиуса. В соответствии с этим световой поток преломляется в оптически более плотной среде, когда угол падения превосходит некоторый предельный угол преломления света в менее плотную среду, преломление прекращается и свет начинает полностью отражаться от границы раздела. При дальнейшем увеличении угла падения луча угол преломления должен стать более 90°, а это значит, что луч не выходит за пределы прозрачной диэлектрической среды с большей плотностью и остается в ее толще, постепенно наращивая свою плотность, то есть он не преломится, а отразится от границы с менее плотной прозрачной средой, и граница раздела работает как зеркало. Таким образом, световой поток от концентратора первой ступени собирается на оси фокусов, изменяет свое направление на угол, равный предельному углу отражения, и распространяется вдоль оси фокусов, при этом световой поток постепенно уплотняется по всей длине световода-концентратора и на выходе получает свое максимальное значение. Это одно из условий способа. Во втором условии необходимо, чтобы световой поток, попав на параболоцилиндрический световод-концентратор, вел себя согласно первому и второму оптическому свойству параболы. Первое свойство, когда лучи света, исходящие из фокуса после отражения от параболы, становятся параллельными оси OY, и второе оптическое свойство параболы, которое определяет случай, если источник света помещен в фокусе параболы, то фронт волны, отраженный от параболы, представляет собой отрезок, соединяющий две точки хорды параболы, параллельной ее директрисе.
Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что световой поток солнечной энергии, сконцентрированный у оси фокусов параболоцилиндрического концентратора первой ступени, направляется под предельным углом полного внутреннего преломления к параболоцилиндрическому световоду-концентратору, изготовленному из оптически прозрачных материалов, совмещенная ось фокусов концентратора первой ступени с осью фокусов световода-концентратора образует источник сконцентрированного солнечного излучения для параболоцилиндрического световода-концентратора, который, падая под предельным углом на параболообразующую поверхность параболоцилиндрического световода-концентратора, преломляется и на границе раздела сред разной плотности проходит параллельно оси фокусов, суммируясь по ходу светового потока по всей длине параболоцилиндрического световода-концентратора с последующей передачей собранной солнечной энергии на расстояние к теплоприемнику.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является устройство для концентрации солнечной энергии по патенту RU 2134847 C1, F24J 2/18, 20/08/1999, которое состоит из параболоцилиндрического концентратора первой ступени и параболоцилиндрического абсорбера с теплоприемником.
В отличие от известного в предлагаемом устройстве абсорбер выполнен в виде оптически прозрачного световода-концентратора, ось фокусов которого совмещена с осью фокусов параболоцилиндрического концентратора первой ступени, параболоцилиндрический световод-концентратор выполнен из оптически прозрачного двухслойного диэлектрического материала с разными коэффициентами преломления, причем первая среда, принимающая световой поток от параболоцилиндрического концентратора первой ступени, плотнее, чем среда второго слоя, толщина которого превышает толщину слоя первой среды, наружная верхняя поверхность параболоцилиндрического световода-концентратора покрыта отражающим и бронирующим покрытием, а собранную в параболоцилиндрическом световоде-концентраторе солнечную энергию направляют на выходе в световод круглого сечения и передают на расстояние к теплоприемнику.
У фокуса концентратора первой ступени образуется фокальное пятно, равное оптической ширине светового потока в фокусе параболоцилиндрического концентратора первой ступени, как бы размытый уплотненный световой поток. Природа его образования различна, это может быть дифракция, интерференция, некачественное изготовление образующей второго порядка и возможно рассеивание и отражение света в самом свете. В предлагаемом устройстве используется все фокальное пятно, так как в него входит весь спектр солнечной энергии, а эта энергия уже получила свое определенное направление к фокусу, ее необходимо собрать без потерь для последующей концентрации с изменением направления светового потока.
Фиг.1 - общий вид предлагаемого устройства.
Фиг.2 - поперечное сечение параболоцилиндрического световода-концентратора.
Фиг.3 - прохождение светового потока от параболоцилиндрического концентратора первой ступени под углом полного внутреннего отражения в параболоцилиндрическом световоде-концентраторе.
Устройство для концентрации солнечной энергии содержит параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии первой ступени 1 с устройством слежения за солнцем 2, которое направляет световой поток 3 под предельным углом 4. К параболоцилиндрическому концентратору солнечной энергии первой ступени 1, крепится на стойках 5 параболоцилиндрический световод-концентратор 6, ось фокусов 7 которого совмещена с осью фокусов параболоцилиндрического концентратора первой ступени. Параболоцилиндрический световод-концентратор 6 выполнен из оптически прозрачного двухслойного материала с разными коэффициентами преломления (фиг.2), причем первая среда 8, принимающая световой поток от параболоцилиндрического концентратора первой ступени 1, плотнее, чем среда второго слоя 9, толщина которого в несколько раз превышает толщину слоя первой среды 8. Наружная верхняя поверхность параболоцилиндрического световода-концентратора 6, покрыта отражающим и одновременно бронирующим покрытием 10. Собранная световая энергия отводится от параболоцилиндрического световода-концентратора 6 на выходе в торец световода круглого сечения 11. Световой поток 12 (фиг.3), выходящий из параболоцилиндрического световода-концентратора 6, направляется в световод круглого сечения 11, где обеспечивается его прохождение без потерь энергии по длине световода 11 до теплоприемника.
Совмещая оси фокусов параболоцилиндрического концентратора первой ступени 1 и параболоцилиндрического световода-концентратора 6, тем самым размещают источник света по всей оси фокусов 7, равной длине параболоцилиндрического световода-концентратора 6.
Предельный угол 4 зависит от различий оптических свойств прозрачных диэлектрических материалов, из которых изготавливается параболоцилиндрический световод-концентратор 6. Он вычисляется по формуле arcsin (n2/n1), из чего следует, что чем меньше разница между n1 и n2, тем меньше угол падения, это важная деталь при конструировании устройства. Далее параболоцилиндрический световод-концентратор 6, параболическое поперечное сечение которого расположено в габаритах фокального пятна, принимает под предельным углом концентрированную солнечную энергию от параболоцилиндрического концентратора первой ступени первым слоем оптически прозрачной среды 8, который выполнен из химически чистого кварцевого стекла. Второй слой среды 9 (оболочка) параболоцилиндрического световода-концентратора 6 выполнен также из кварцевого стекла с меньшим показателем преломления и направляет ее вдоль совмещенной оси фокусов в теле параболоцилиндрического световода-концентратора. Толщина первой и второй среды определяется исходя из позиции волновой теории полного внутреннего отражения, так как среда, где образуется поверхностная волна, может рассеивать и отбирать энергию. Эта пара может быть выполнена и из акрилового стекла, которое пропускает и ультрафиолетовое излучение. Верхнюю поверхность оболочки параболического цилиндра покрывают зеркальным отражающим и одновременно бронирующим покрытием 10.
В конечной точке параболоцилиндрического световода-концентратора 6 по ходу светового потока параболическое сечение меняется на круглое и он превращается в световод, транспортирующий солнечную энергию к теплоприемнику.
Предлагаемый способ и устройство осуществляют в следующей последовательности. Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии первой ступени 1 с устройством слежения за солнцем 2, ориентированный своей оптической осью с юга на север и в зависимости от географической широты, устанавливается по азимуту и углу места с условием, чтобы световой поток 3 был строго перпендикулярен к поверхности параболоцилиндрического концентратора первой ступени 1. Для того чтобы изменить угол падения светового потока на предельный 4 с целью получения полного внутреннего преломления в параболоцилиндрическом световоде-концентраторе 6, достаточно корректировки установки угла места светила (солнца) устройством слежения за солнцем 2 так, чтобы отраженный световой поток от параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии первой ступени 1 падал под предельным углом 4 на параболоцилиндрический световод-концентратор 6. Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии первой ступени 1 собирает в своем фокусе f солнечную энергию, а так как фокусная ось 7 обеих концентраторов совмещена, она является источником сконцентрированного солнечного излучения для параболоцилиндрического световода-концентратора 6, который меняет направление светового потока при преломлении и направляет его параллельно оси фокусов 7. Так как солнечная энергия собирается одновременно по длине параболоцилиндрического концентратора первой ступени 1, она одновременно преломляется по всей длине в параболоцилиндрическом световоде-концентраторе 6 и изменяет свое направление не выходя за габариты параболического сечения. Собранная солнечная энергия в параболоцилиндрическом световоде-концентраторе 6 получает свое максимальное значение на выходе из параболоцилиндрического световода-концентратора 6 и передается через световод круглого сечения 11 к теплоприемнику.
1. Способ концентрации солнечной энергии, включающий отражение светового потока и концентрацию у теплоприемника, отличающийся тем, что световой поток солнечной энергии, сконцентрированный у оси фокусов параболоцилиндрического концентратора первой ступени, направляется под предельным углом полного внутреннего преломления к параболоцилиндрическому световоду-концентратору, изготовленному из оптически прозрачных материалов, совмещенная ось фокусов концентратора первой ступени с осью фокусов световода-концентратора образует источник сконцентрированного солнечного излучения для параболоцилиндрического световода-концентратора, который, падая под предельным углом на параболообразующую поверхность параболоцилиндрического световода-концентратора, преломляется и на границе раздела сред разной плотности проходит параллельно оси фокусов, суммируясь по ходу светового потока по всей длине параболоцилиндрического световода-концентратора с последующей передачей собранной солнечной энергии на расстояние к теплоприемнику.
2. Устройство для концентрации солнечной энергии, состоящее из параболоцилиндрического концентратора первой ступени с устройством слежения за солнцем и параболоцилиндрического абсорбера с теплоприемником, отличающееся тем, что абсорбер выполнен в виде оптически прозрачного световода-концентратора, ось фокусов которого совмещена с осью фокусов параболоцилиндрического концентратора первой ступени, параболоцилиндрический световод-концентратор выполнен из оптически прозрачного двухслойного диэлектрического материала с разными коэффициентами преломления, причем первая среда, принимающая световой поток от параболоцилиндрического концентратора первой ступени, плотнее, чем среда второго слоя, толщина которого превышает толщину слоя первой среды, наружная поверхность параболоцилиндрического световода-концентратора покрыта отражающим и бронирующим покрытием, а собранную в параболоцилиндрическом световоде-концентраторе солнечную энергию направляют на выходе в световод круглого сечения и передают на расстояние к теплоприемнику.
