КОНЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК F24J2/18 

Изобретение относится к устройствам концентрации лучистой энергии и может быть использовано как в наземных условиях, так и на космических объектах.

Известно концентрирующее устройство (КУ), выполненное в виде усеченного конуса и приемника энергии [1].

Известно также КУ, содержащее концентратор в виде концентрически расположенных усеченных конусов, обращенных большими основаниями в сторону падающего лучистого потока, и приемник энергии, расположенный в фокусе со стороны меньших оснований конусов. Причем обе поверхности конусов, кроме внешней периферийного конуса, выполнены зеркальными [2].

При работе устройства концентратор ориентируется на излучение. Сконцентрированное излучение попадает в приемник энергии.

Недостатком прототипа является отсутствие теоретического обоснования выбора его параметров.

На фиг. 1 представлен общий вид КУ; на фиг.2 - общий вид концентратора КУ и приемника энергии; на фиг.3 - полученная прямым расчетом зависимость между относительной (h/l) глубиной и углом (α ) полураствора сечений двух смежных конусов концентратора; на фиг.4 - аналогичная зависимость применительно к относительному уширению (e/e') сечений двух смежных конусов концентратора; на фиг.5-7 элементы расчетной схемы предлагаемого устройства; на фиг.8 - вид концентратора КУ применительно к энергоустановке орбитальной станции "Мир-2".

Предлагаемое концентрирующее устройство содержит первичный концентратор 1, вторичный концентратор 2, приемник энергии 3. При этом вторичный концентратор 2 состоит из усеченных конусов 4, концентрически размещенных по оси концентратора 1, фиг.2. Внешняя и внутренняя поверхности конусов 4 выполнены зеркальными. Поверхность внешнего конуса 5 выполнена зеркальной только изнутри.

При работе устройство отражающая поверхность концентратора 1 ориентируется на фронт излучения, подлежащего концентрации. Сконцентрированное концентратором 1 излучение попадает на вход вторичного концентратора 2 и, дополнительно концентрируясь в нем при отражениях о зеркальные поверхности конусов 4, 5, попадает в приемник излучения 3.

Определим параметры предлагаемого устройства.

Смысл предлагаемого технического решения состоит в использовании явления концентрации луча между сужающимися отражающими поверхностями при многократном переотражении.

Расчетная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.5,6,7.

Пусть требуется определить параметры концентратора 2, если известны:
D - диаметр отражающей поверхности концентратора 1;
δ_o- ожидаемое отклонение отраженного (концентратора 1) излучения от штатного направления;
L - расстояние от первичного концентратора 1 до фокуса КУ.

Из описания предлагаемого устройства следует, что стенки конусов 4, с одной стороны, не являются несущими, а с другой - налицо необходимость сведения к минимуму потерь энергии на рассеяние на торцевых частях конусов 4. В силу указанных причин материалом для изготовления конусов отражателей 4 должен являться материал предельно малой толщины δ d, например фольга. В силу этого влиянием параметра δ d на геометрические характеристики устройства можно пренебречь.

Формально при проведении расчетов под величинами параметров устройства должны приниматься угловые и линейные рассогласования между средними линиями (фиг.6) сечений конусов 4.

Требуемое количество n внутренних конусов 4 определится по формуле
n=Ψ_o/2α (1)
Здесь Ψ_o - штатный угол сходимости, фиг.5,7, потока отраженного от концентратора 1 излучения;
α - угол полураствора, фиг.5, двух смежных сечений конусов 4 или 4 и 5.

При этом величина угла α , обеспечивая в формуле (1) n - целое, в то же время должна удовлетворять ряду дополнительных требований, а именно:
обеспечить возможно большую концентрацию потока излучения (величину параметра l/l', фиг. 4) при небольшом числе отражений луча и малой величине отношения h/α (см. фиг.3);
Ψ_o= arctg (2)
Подставив (2) в (1), получим:
n = (3)
Определим параметры конуса 5. Имеем, фиг.5,
d = (4)
При этом (см. фиг.5, 7)
l = (5)
При известных l и α из графика фиг.3 определится величина параметра h. Тогда, фиг.5,
d′ = (6)
Расстояние L_o от плоскости большего основания конуса 5 до плоскости входного отверстия приемника энергии 3 фиг.5, определится как
L_o= (7)
Если i = 1,2,...n - номер внутреннего конуса 4, то диаметр d_iбольшего основания i-го конуса 4 определится (см. фиг.5,6) как
d_i= (8) где Ψ_i - угол между осью КУ и образующей i-го конуса 4. Ψ_i=Ψ_o-(2˙i-1)˙α. (9)
Диаметр d_i' меньшего основания i-го конуса 4 определится как (см. фиг. 5,6)
d = (10)
После подстановки выражений (9), (5), (2), в (8), (10), окончательно получим
d_i= · (11)
d = d_i_ (12)
Расстояние L_i между основаниями i-го конуса 4 определится, фиг.5, 6, по формуле
L_i= (13)
Расстояние h_i от плоскости меньшего основания i-го конуса 4 до плоскости приемника энергии, фиг.6, определится как
h_i= · cosarctg - (2i-1)-cosarctg +
(14)
Величина "К" коэффициента мощности КУ определится как
К = К₁˙К₂, (15) где К₁ - коэффициент концентрации первичного концентратора;
К₂ - коэффициент концентрации вторичного концентратора.

Определим величину параметра К₁ как
К₁ = (D/d_ф.я.)², (16) где d_ф.я. - поперечный размер фокального ядра КУ в отсутствие вторичного концентратора.

При этом (фиг.5,7)
d_ф.я.= (17)
Определим К₂ как
К₂ = (d_ф.я./d')² (18)
Тогда
K = = (19)
В качестве примера рассмотрим расчет параметров концентрирующего устройства, намеченного к установке на орбитальной станции "Мир-2". Исходные данные: D = 17 м, δ_o = 1^о, L = 4,8 м.

Из сопоставления зависимостей фиг.3,4 принимаем для угла значение α = 15^о. Тогда по формуле (3) требуемое количество внутренних конусов вторичного концентратора определится как
n = = 2 (20)
По формуле (5)
l = = 0,320 м (21)
По формуле (2)
Ψ_o= arctg = 60^° (22)
Тогда по формуле (4)
d = = 1,194 м (23)
Из графика фиг.3 при α = 15^о имеем h/l = 1,37 и
h=1,37˙0,320=0,438м. (24)
Тогда по формуле (6)
d′ = = 0,318 м (25)
По формуле (7)
L_o= = 0,117 м (26)
По формулам (8), (9)
d₁= = 0,874 м (27)
d₂= = 0,320 м (28)
По формулам (10), (9)
d = = 0,232 м (29)
d = = 0,085 м (30)
По формуле (13)
L₁= = 0,321 м (31)
L₂= = 0,438 м (32)
По формуле (14)
h₁= · [cos(60^°-15^°)-cos(60^°+15^°)] = 0,074 м (33)
h₂= · [cos(60^°-3·15^°)-cos(60^°+15^°)] = 0,116м (34)
По формуле (17)
d_ф.я= = 0,661 м (35)
Тогда по формуле (16)
K₁= = 661,4 (36)
По формуле (18)
K₂= = 4,3 (37)
По формуле (15)
К = 661,4˙4,3 = 2857,7 (38)
На фиг. 8 дано изображение вторичного концентратора КУ с рассчитанными параметрами, М 1:10.

Изложенное позволяет утверждать следующее.

Использование предлагаемого технического решения позволяет дополнительно к первичной концентрации в 2...4 и более раз увеличить концентрирующую способность устройства концентрации. При этом потери энергии за счет обратного переотражения исключаются.

Применительно к устройствам, условием функционирования которых является высокая плотность потока облучения (например, лазер в оптической накачкой) использование предлагаемой конструкции КУ эквивалентно соответствующему (в 2...4 раза и более) увеличению площади первичного концентратора.

Использование: в гелиотехнике. Сущность изобретения: концентрирующее устройство содержит концентратор в виде концентрически расположенных усеченных конусов, обращенных большими основаниями в сторону падающего лучистого потока, и приемник энергии, расположенный в фокусе со стороны меньших оснований конусов, причем обе поверхности конусов, кроме внешней периферийного конуса, выполнены зеркальными. Дано теоретическое обоснование выбора параметров устройства. Устройство существенно повышает степень концентрации лучистой энергии, одновременно уменьшая потери энергии. 8 ил.

КОНЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее концентратор в виде концентрически расположенных усеченных конусов, обращенных большими основаниями в сторону падающего лучистого потока, и приемник энергии, расположенный в фокусе со стороны меньших оснований конусов, причем обе поверхности конусов, кроме внешней периферийного конуса, выполнены зеркальными, отличающееся тем, что при использовании первичного концентратора, установленного по оси усеченных конусов, параметры внутренних конусов определяются из следующих соотношений:

где n - требуемое количество внутренних конусов;
α - угол полураствора двух смежных сечений конусов;
D - диаметр отражающей поверхности первичного концентратора;
L - расстояние от первичного концентратора до конуса,

где d_i = 1, 2, ... n - номер внутреннего конуса;
d_i - диаметр большего основания i-го конуса;
δ_o - ожидаемое максимальное отклонение от штатного направления отраженного от первичного концентратора излучения;

где - диаметр меньшего основания i-го конуса;
h - глубина сечения двух смежных конусов;

где L_i - расстояние между основаниями i-го конуса,

где h_i - расстояние от плоскости меньшего основания i-го конуса до плоскости приемника энергии;