КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F24J2/08 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности касается солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Известен концентратор солнечного излучения, состоящий из первичного параболоцилиндрического отражателя, софокусного с ним вторичного параболического отражателя и набора треугольных преломляющих призм, разлагающих солнечное излучение в спектр (см. патент США 40210267, опубл. 3.05.77, кл. 136/89 РС, 136/89, 250/24 J). Солнечное излучение после отражения от вторичного концентратора попадает в виде псевдопараллельного потока на треугольные призмы, где разлагается в спектр. Солнечные элементы (СЭ) разнородной спектральной чувствительности устанавливаются в соответсвующих частях спектра, что повышает кпд преобразования энергии солнечного излучения за счет согласования спектральной чувствительности СЭ с излучением в спектре.

Недостатком известного решения является громоздкость и сложность конструкции концентратора, состоящего из двух отражающих поверхностей и преломляющих призм, причем набор призм не приводит к дополнительной концентрации света.

Наиболее близким концентратором по технической сущности к предлагаемому изобретению является линза Френеля (прототип), состоящая из набора треугольных в поперечном сечении призм с преломляющими углами, имеющая фокальную плоскость и оптическую ось, совпадающую с осью симметрии линзы (Тверьянович Э. В. Расчет профилей гелиотехнических линз, Гелиотехника 6,1983 г., с.31-33).

Недостатком известного решения является то, что на фокальной плоскости солнечное излучение, прошедшее через преломляющие призмы и разложенное в спектр каждой призмой, спектральные зоны накладываются беспорядочно друг на друга, происходит смешение спектральных полос, в результате чего нет возможности выделить зоны с определенным спектральным диапазоном.

Этот недостаток, т.е. смешение спектральных полос на фокальной плоскости, происходит в результате того, что расчет преломляющих углов треугольных призм проводится по среднему показателю преломления для оптического материала призм по формуле

где α_i - преломляющие углы призм, n - средний коэффициент преломления материала призм (линзы), R_i - радиусы средней точки соответствующей призмы, f - фокусное расстояние линзы Френеля.

Для преобразования солнечной энергии в электрическую разделение областей с разными длинами волн на фокальной плоскости имеет большое значение, т.к. в разных зонах с диапазонами длин волн Δλ₁,Δλ₂ и т.д. можно поставить различные преобразователи солнечного излучения в электроэнергию, например, фотоэлектрические, термоэлектрические и т.д., каждый из которых имеет максимальный спектральный кпд при соответствующей длине волны.

Наиболее существенный интервал солнечного спектра включают длины волн от λ_min = 0,2 мкм до λ_max = 3 мкм; при этом для каждой длины волны λ один и тот же оптический материал имеет соответствующий коэффициент преломления n(λ), что и создает условия разложения солнечного излучения в спектр.

Целью данного изобретения является пространственное разделение солнечного спектра на фокальной плоскости на две области с длинами волн λ<λ₀ и λ>λ₀, где λ₀ - некоторое заранее принимаемое значение длины волны из соображений оптимизации работы преобразователя энергии.

Указанный технический результат достигается тем, что преломляющий угол α_i каждой треугольной призмы из набора призм линзы Френеля определяется формулой

где n(λ₀) - коэффициент преломления оптического материала линзы Френеля при длине волны λ₀, f - расстояние фокальной плоскости до линзы, R_i - расстояние i-той призмы от оси симметрии линзы, r₀ - задаваемый линейный параметр на фокальной плоскости, представляющий границу раздела солнечного спектра на две области, причем 0<r₀<R_m, где R_m - максимальный размер линзы.

Эффект разделения солнечного спектра на фокальной плоскости на области с длинами волн, меньшими, чем выбранная длина волны λ₀(λ<λ₀) и большими, чем длина волны λ₀(λ>λ₀), достигается тем, что в формулу расчета преломляющих углов α_i треугольных призм в качестве коэффициента преломления оптического материала линзы подставляется определенное (известное) значение n(λ₀) коэффициента преломления материала призмы при длине волны λ₀, которое для стандартных оптических материалов берется из справочников. Значение λ₀ задается разработчиком.

В формуле присутствуют такие конструктивные параметры, как f - расстояние фокальной плоскости от линзы Френеля (задается разработчиком); расстояние рассматриваемой треугольной призмы от оси симметрии R_i; расстояние r₀ от оси симметрии точки, соответствующей длине волны λ₀ и являющейся границей раздела солнечного спектра на две зоны λ<λ₀ и λ>λ₀. При этом коэффициент преломления n(λ₀) обеспечивает выход солнечного излучения из каждой призмы под определенным индивидуальным утлом, а линейные размеры R_i, f, r₀ обеспечивают приход лучей с длиной волны λ₀ строго в выбранную точку, определяемую расстоянием r₀ от оси симметрии.

Поперечное сечение предложенной конструкции концентратора солнечного излучения концентрической формы в плане и схема прохождения лучей демонстрируются на фиг.1.

Концентратор линейной формы в плане представлен на фиг.2.

Концентратор солнечного излучения, выполненный в виде линзы Френеля, состоящий из набора треугольных в поперечном сечении оптических призм 1 с преломляющими углами α_i, имеющей фокальную плоскость 2 и оптическую ось 3, являющуюся осью симметрии линзы. Солнечный спектр разделен на фокальной плоскости 2 на две зоны λ<λ₀ и λ>λ₀, границей раздела которых служит точка, определяемая размером r₀, в которую приходят лучи с длинами волн λ₀. При этом выбор размера r₀ определяется условием 0<r₀<R_m, где R_m - максимальный размер линзы Френеля.

Кроме того, на фиг.1 изображены лучи L₁ и L₂ и схема прихода разложенных в спектр лучей на фокальную плоскость 2.

На фиг. 2 изображен предложенный концентратор, имеющий в плане линейную (прямоугольную) форму, ось симметрии 3, проходящую через плоскость симметрии 4, и лучи L₁ и L₂, демонстрирующие разделение солнечного спектра на фокальной плоскости 2.

Работает концентратор следующим образом.

Луч L₁ приходит на треугольную призму 1, расположенную на расстоянии R₁ от оптической оси 3. Луч L₁ преломляется и разлагается на спектр за счет преломляющего угла α₁ и в виде пучка спектральных лучей направляется в сторону фокальной плоскости 2. Так как расчет угла α₁ проведен по формуле

то из всего набора лучей, составляющих спектр, только луч c длиной волны λ₀ придет в точку r(λ₀). Лучи с меньшей длиной волны λ<λ₀ придут в зоны r>r₀ на фокальной плоскости, т.к. меньшие длины волн имеют более высокие коэффициенты преломления в том же самом оптическом материале и, следовательно, более сильное преломление (отклонение) по сравнению c лучом λ₀. Лучи с большими длинами волн (λ>λ₀) имеют в том же оптическом материале меньший коэффициент преломления, они меньше отклонятся чем луч λ₀ и придут в зону r<r₀ на фокальной плоскости.

Такой же механизм разложения солнечного спектра имеет место для луча L₂, при этом угол α₂ будет подсчитан по той же формуле, но с подстановкой своих значений R₂. Разложенный в спектр луч L₂ даст луч L₀, приходящий в точку r(λ₀) с координатой r₀, и лучи с λ<λ₀ и λ>λ₀, которые придут слева и справа от луча λ₀. Таким образом происходит разделение спектра всех лучей от любой треугольной призмы рабочего профиля линзы Френеля, при этом от любой призмы лучи с длиной волны λ₀ придут в точку r(λ₀), остальные лучи расположатся по обе стороны от этой точки.

Точно так же работают призмы 1 линзы, расположенные по другую сторону оптической оси, лучи при этом расположатся симметрично на фокальной плоскости 2. Если линза Френеля имеет осевую симметрию, т.е. линза имеет концентрическую форму в плане, то область освещенности на фокальной плоскости 2 будет представлять собой кольцо с центром в точке F и шириной r(λ_min)-r(λ_max).

Если линза Френеля является линейной, то на фокальной плоскости 2 будут две световые полосы, каждая шириной r(λ_min)-r(λ_max).

Средняя концентрация K_к(λ) излучения в диапазоне длин волн λ_min...λ_max для концентрического профиля линзы Френеля будет определяться выражениями
Для зоны λ<λ₀

Для зоны λ>λ₀

Средняя концентрация излучения для линейной линзы определяется выражениями
Для зоны λ<λ₀

Для зоны λ>λ₀

Пример использования предлагаемого концентратора рассмотрим с использованием фотоэлектрических СЭ. Предлагаемый концентратор позволит повысить кпд фотоэлектрического преобразования солнечной энергии за счет установки в фокальной плоскости двух СЭ различных типов: широкозонного СЭ, "красная граница" фоточувствительности которого λ₀₁ соответствует пограничной волне длине волны λ₀, и узкозонного СЭ, "красная граница" фоточувствительности которого λ₀₂ подбирается специально. Стык этих двух СЭ проходит по точке r(λ₀) так, что лучи с длинами волн λ<λ₀ попадают на широкозонный СЭ, а лучи с длинами волн λ>λ₀ попадают на узкозонный СЭ.

Предельный теоретический кпд такой системы равен (см. Лидоренко Н.С., Евдокимов В.М., Термодинамические основы преобразования солнечной энергии в фотоэлектрических системах. Гелиотехника 1, 1994, с.3-10.):

где η_i - предельный теоретический кпд СЭ с "красной границей" λ_oi.

Наибольшее значение предельного теоретического кпд системы для солнечного излучения соответствует выбору оптимальных значений граничных длин волн: мкм и равен 60,5%, в то время как наибольшее значение предельного теоретического кпд СЭ одного типа соответствует граничной длине волны λ₀₁ = 1,13 мкм и составляет 44,0%, т.е. абсолютное увеличение предельного кпд фотопребразования за счет использования предлагаемого концентратора составляет 16,5%.

Предлагаемый концентратор позволяет также повысить реальные значения кпд в условиях эксплуатации путем снижения рабочей температуры СЭ за счет отвода значительной части нефотоактивного теплового излучения с λ>λ₀₂ и коротковолнового излучения с λ>λ_min, где λ_min - реальная коротковолновая граница фоточувствительности широкозонного СЭ.

Пример конкретного выполнения предлагаемого концентратора.

Для системы двух СЭ: из широкозонного GaAs c λ₀₁ = 0.89 мкм, η₁ = 43%, λ_min = 0.45 мкм и из узкозонного Ge (или Gasb) с λ₀₂ = 1,82 мкм, η₂ = 37%. При этом линза Френеля выполнена из орг. стекла со следующими значениями коэффициентов преломления в зависимости от длины волны n(λ₀₁) = 1,45,n(λ_min) = 1,47,n(λ₀₂) = 1,44.

Задаваемые разработчиком геометрические параметры концентратора (линзы): R_m=100 мм, r₀=30 мм, f=200 мм.

Для концентрической линзы расчет дает следующие значения: r(λ_min) = 46.66 мм, r(λ₀₂) = 23,22 мм. Концентрация излучения на широкозонном СЭ в интервале длин волн λ_min...λ₀ составит K_к(λ_min)-7,83. Концентрация излучения на узкозонном СЭ в интервале длин волн λ₀...λ₀₂ составит K_к(λ₀₂) = 27.71.

Для линейной линзы концентрация излучения на широкозонном СЭ в интервале длин волн λ_min...λ₀ составит K_л(λ_min) = 6,0, для узкозонного СЭ в интервале длин волн λ₀...λ₀₂ составит K_л(λ₀₂) = 14.75.

Предельный теоретический кпд системы составит 59,0%, что на 16% выше кпд наиболее эффективного широкозонного СЭ.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к области создания энергетических установок с концентраторами солнечного излучения для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Сущность изобретения заключается в том, что в концентраторе солнечного излучения, выполненном в виде линзы Френеля, состоящей из набора треугольных в поперечном сечении оптических призм с преломляющими углами, имеющей фокальную плоскость и оптическую ось, являющуюся осью симметрии линзы, согласно изобретению преломляющий угол каждой призмы из набора призм линзы Френеля определяется формулой

где n(λ₀) - коэффициент преломления оптического материала линзы Френеля при длине волны λ₀; f - расстояние фокальной плоскости от линзы; R_i - расстояние i-й призмы от оптической оси линзы; r₀ - задаваемое расстояние на фокальной плоскости точки, являющейся границей раздела солнечного спектра на две области, причем 0<r₀<R_m, где R_m - максимальный размер линзы. Изобретение должно обеспечить повышение кпд системы. 2 ил.

Концентратор солнечного излучения, выполненный в виде линзы Френеля, состоящей из набора треугольных в поперечном сечении оптических призм с преломляющими углами, имеющей фокальную плоскость и оптическую ось, являющуюся осью симметрии линзы, отличающийся тем, что преломляющий угол каждой призмы из набора призм линзы Френеля определяется формулой

где n(λ₀) - коэффициент преломления оптического материала линзы Френеля при длине волны λ₀;
f - расстояние фокальной плоскости от линзы;
R_i - расстояние i-й призмы от оптической оси линзы;
r₀ - задаваемое расстояние на фокальной плоскости точки, являющейся границей раздела солнечного спектра на две области, причем 0 < r₀ < R_m, где R_m - максимальный размер линзы.