КРУПНОГАБАРИТНОЕ ОБЛЕГЧЕННОЕ ЗЕРКАЛО СОСТАВНОЙ КОНСТРУКЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК G02B5/08 G02B5/10 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и гелиотехнике, а именно к оптическим зеркалам составной конструкции, характеризующимся повышенной жесткостью, термостойкостью и термостабильностью, и может быть использовано при изготовлении концентраторов солнечного излучения.

В настоящее время проблема получения экологически чистых, доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди таких источников энергии по неисчерпаемости и доступности занимает солнечная энергия. Крупногабаритные зеркала составной конструкции, используемые в настоящее время для концентрации солнечного излучения, являются либо недостаточно жесткими, термостойкими и термостабильными, либо состыковка и взаимное крепление оснований составных элементов с оптической поверхностью при образовании концентратора вызывают часто трудно преодолимые препятствия.

Известен концентратор солнечного излучения, содержащий несущий каркас и установленные на нем при помощи юстировочных узлов расположенные прямолинейно ряды фацет, имеющие цилиндрическую поверхность и совмещенные минимальные сечения отраженных ими потоков солнечного излучения [1]
Однако несущий каркас известного концентратора солнечного излучения обладает недостаточной жесткостью, термостойкостью и термостабильностью, в результате чего при воздействии на концентратор, например, резких перепадов температур, ветра и т.п. происходит расфокусировка фацет концентратора на приемник солнечного излучения и, как следствие, снижение эффективности концентратора в целом. При этом наличие юстировочных устройств не позволяет вновь быстро фокусировать значительное число фацет особенно при быстрых сменах воздействующих факторов, приводящих к расфокусированию фацет.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является крупногабаритное зеркало составной конструкции, содержащее в основании скрепленные между собой пустотелые многогранные призмы, изготовленные в виде перевернутых стаканов, в вершинах оснований которых выполнены углубления в виде секторов цилиндров с общим радиусом и центрами в точках совмещения вершин, а в углублениях выполнено по одному отверстию, в каждое из которых входит штырь сопрягаемого диска, выполненного в виде цилиндра, имеющего радиус и высоту, соответсвтенно равные радиусу и высоте цилиндрических углублений в вершинах оснований призм, причем на эти основания и на выполненные с ними заподлицо основания и на выполненные с ними заподлицо основания сопрягающих дисков, образующие общую непрерывную плоскость, нанесен слой, внешняя поверхность которого оптически обработана, а крепление всех элементов между собой осуществлено посредством припоя [2]
Однако известное крупногабаритное облегченное зеркало составной конструкции не позволяет получать концентратор солнечного излучения из-за невозможности состыковки и взаимного крепления оснований составных элементов с оптической поверхностью такого зеркала. Причем отсутствие юстировочных устройств оптического слоя делает невозможным создание концентрирующего зеркала из отдельных оптических элементов.

Цель изобретения повышение технологичности изготовления и регулирования форм при обеспечении высокой концентрированности фокального пятна концентрирующего зеркала составной конструкции.

Цель достигается тем, что в крупногабаритном облегченном зеркале составной конструкции, содержащем в основании скрепленные между собой пустотелые многогранники с размещенными на их верхних основаниях элементами с плоской оптической поверхностью, зеркало выполнено в виде концентратора, многогранники выполнены в виде правильных усеченных шестигранных пирамид, при этом их боковые грани ориентированы к плоскости верхнего основания соответствующей усеченной пирамиды под углом Φ выбранным из следующего соотношения:
cosΦ • где d диаметр окружности, вписанный в элемент с оптической поверхностью;
Δ- минимальный зазор между смежными элементами при расположении их оптической оси по нормали к соответствующему верхнему основанию усеченной пирамиды;
L кратчайшее расстояние от места сведения отраженных от оптических элементов пучков излучения до соответствующих верхних оснований усеченных пирамид при расположении оптической оси элементов по нормали к верхнему основанию, а оптические элементы установлены с возможностью юстировки.

Элементы могут быть выполнены с криволинейной формой оптической поверхности, при этом угол Φ выбирают из следующего соотношения:
cosΦ • где R_о радиус кривизны оптической поверхности элемента;
h минимальное расстояние между оптической поверхностью элемента и верхним основанием соответствующей усеченной пирамиды.

На фиг. 1 показана принципиальная схема крупногабаритного облегченного зеркала составной конструкции; на фиг. 2 то же, с криволинейными оптическими элементами.

Крупногабаритное облегченное зеркало в виде концентратора 1 составной конструкции содержит в основании скрепленные между собой пустотелые правильные усеченные шестигранные пирамиды 2 с размещенными на их верхних основаниях 3 элементами 4 с плоской оптической поверхностью 5, установленные с возможностью юстировки устройством 6, при этом боковые грани 7 пирамид 2 ориентированы к плоскости верхнего основания 3 соответствующей усеченной пирамиды 2 под углом Φ, выбранным из следующего соотношения:
cosΦ • где d диаметр окружности, вписанный в элемент 4 с оптической поверхностью 5;
Δ- минимальный зазор между смежными элементами 4 при расположении их оптической оси по нормали к соответствующему верхнему основанию усеченной пирамиды;
L кратчайшее расстояние от места сведения 8 отраженных от оптических элементов 4 пучков излучения до соответствующих верхних оснований 3 усеченных пирамид 2 при расположении оптической оси элементов по нормали к верхнему основанию.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема аналогичного крупногабаритного облегченного зеркала составной конструкции с элементами 4 с криволинейной формой оптической поверхности 9, при этом угол Φ выбирают из следующего соотношения:
cosΦ • где R_o радиус кривизны оптической поверхности 9 элемента 4;
h минимальное расстояние между оптической поверхностью 9 элемента 4 и соответствующим верхним основанием 3 усеченной пирамиды 2.

В качестве элемента 4 применяют, например, элемент с отражающей поверхностью (коэффициент отражения в видимой области спектра 82-84%), выполненный из сплава алюминия АМГ-6 и оптически обработанный по стандартной технологии, например, методом алмазного точения.

В качестве правильных усеченных пустотелых пирамид 2 используют, например, литьевые формы из сплава алюминия АЛ-24, отлитые по стандартной технологии в формах, обеспечивающих формирование боковых граней 7, ориентированных под углом к верхнему основанию 3 пирамид 2, а также пустотелость пирамид.

Численный расчет концентраторов приводится ниже.

Концентратор с плоскими отражательными элементами: d=360 мм, Δ=10 мм, L= 3000 мм, угол Φ=91^о30'.

Концентратор со сферическими отражательными элементами: h=30 мм, d=360 мм, Δ=10 мм, R_о=6000 мм, угол Φ=91^о29'.

Крепление пирамид 2 между собой осуществляют, например, с помощью болтовых соединений или заклепок. Установку и юстировку элементов 4 осуществляют с помощью, например, широко используемых в гелиотехнике механизмов наведения.

Крупногабаритное облегченное зеркало составной конструкции работает следующим образом.

Солнечное излучение попадает на поверхность зеркала, представляющего собой концентратор 1 за счет построения его основания из правильных усеченных шестигранных пустотелых пирамид 2 с боковыми гранями 7, ориентированными в плоскости верхнего основания 3 соответствующей усеченной пирамиды под углом Φ. Солнечное излучение отражается от плоской оптической поверхности 5 элементов 4, предварительно отъюстированных с помощью юстировочного устройства 6, и направляется ими на место 8 сведения отраженных пучков солнечного излучения в так называемый фокус F многоэлементного зеркала, в котором концентрируется энергия солнечного излучения и который расположен на расстоянии L от верхних оснований 3 соответствующих усеченных пирамид 2 с углом Φ наклона боковых граней 7 пирамид 2 к плоскости верхнего основания 3 соответствующей усеченной пирамиды 2.

В случае применения элементов 4 с криволинейной формой оптической поверхности 9 (фиг. 2) с помощью юстировочного устройства 6 обеспечивают создание зеркала в виде концентратора любой необходимой формы, аппроксимируемой с заданной точностью параболоидом, эллипсоидом, цилиндром. При этом обеспечивается более высокая концентрация солнечного излучения с реальным фокусом F в отличие от случая с использованием элементов 4 с плоской поверхностью 5.

Техническим результатом изобретения являются: повышение технологичности изготовления концентрирующего зеркала не менее чем на 20% путем обеспечения состыковки оснований в результате применения правильных усеченных пустотелых шестигранных пирамид с боковыми гранями, ориентированными к плоскости верхнего основания соответствующей пирамиды под заданным углом в зависимости от фокуса концентратора; обеспечение возможности разнообразных форм концентратора за счет наличия юстировочных элементов и оптической поверхности криволинейной формы на последних; обеспечение высокой концентрированности фокального пятна за счет наличия юстировочных элементов и оптической криволинейной поверхности на последних.

Использование: оптическое приборостроение и гелиотехника, в частности оптические зеркала составной конструкции, характеризующиеся повышенной жесткостью, термостойкостью и термостабильностью, при изготовлении концентраторов солнечного излучения. Сущность изобретения: с целью повышения технологичности изготовления и регулирования форм при обеспечении высокой концентрированности фокального пятна концентрирующего зеркала составной конструкции в крупногабаритном облегченном зеркале составной конструкции, содержащем в основании скрепленные между собой пустотелые многогранники с размещенными на их верхних основаниях элементами с плоской оптической поверхностью, зеркало выполнено в виде концентратора, многогранники выполнены в виде правильных усеченных шестигранных пирамид, при этом их боковые грани ориентированы к плоскости верхнего основания соответствующей усеченной пирамиды под углом, выбранным из соотношения, приведенного в описании. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Крупногабаритное облегченное зеркало составной конструкции, содержащее в основании скрепленные между собой пустотелые многогранники с размещенными на их основаниях плоскими оптическими отражающими элементами, отличающееся тем, что многогранники выполнены в виде правильных усеченных шестигранных пирамид, меньшие основания которых связаны с плоскими оптическими отражающими элементами, при этом боковые грани пирамид ориентированы к плоскости меньшего основания под углом, выбранным из условия контактирования боковых граней пирамид, меньшие основания которых размещены по касательной к сектору сферы с радиусом, равным удвоенному расстоянию от места сведения отраженных от оптических элементов пучков излучения до соответствующих верхних оснований усеченных шестигранных пирамид, а отражающие оптические элементы установлены с возможностью юстировки. 2. Крупногабаритное облегченное зеркало составной конструкции, содержащее в основании скрепленные между собой пустотелые многогранники с размещенными на их основаниях оптическими отражающими элементами, отличающееся тем, что оптические отражающие элементы выполнены криволинейными, многогранники в виде правильных усеченных шестигранных пирамид, меньшие основания которых связаны с оптическими отражающими элементами, при этом боковые грани пирамид ориентированы к плоскости меньшего основания под углом, который выбирают из условия контактирования боковых граней пирамид, меньшие основания которых размещены по касательной к сектору сферы с радиусом, равным расстоянию от центра кривизны оптических элементов до соответствующих верхних оснований усеченных шестигранных пирамид.