Концентратор солнечной энергии Российский патент 2017 года по МПК F24J2/10 G02B19/00 G02B5/10 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к концентраторам солнечной энергии.

Известны зеркальные концентраторы солнечного излучения, представляющие собой тело вращения и работающие по принципу собирания отраженных лучей в осесимметричной фокальной зоне, в которой располагается приемник-преобразователь излучения (Баранов В.К. Новые концентраторы излучения и перспективы их применения в оптике и гелиотехнике // Труды ГОИ. - 1979 - т. 45, вып. 179, стр. 57-70).

Недостатком известных концентраторов является неравномерная плотность излучения в фокальной зоне по поверхности приемника излучения, недостаточно высокая эффективность преобразования.

Известен концентратор солнечной энергии, представляющий собой параболоидный концентратор типа «фокон» с криволинейной образующей, зеркальной внутренней отражающей поверхностью и круглым фокальным пятном (Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскае А.Л., Майоров В.А., Ясайтис Д. - Ю.Ю. «Концентратор солнечной энергии». Патент СССР №1 794254, 03.04.1991).

Форма отражающей поверхности имеет специальный профиль, при котором поток излучения, параллельный оси вращения концентратора, в результате однократного отражения дает одинаковую степень концентрации в каждой точке на рабочей поверхности приемника излучения.

Недостатком известного концентратора является круглая форма фокальной зоны, недостаточно высокая эффективность преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является концентратор солнечного излучения, содержащий симметричную отражающую поверхность, выполненную в виде фоклина, с равномерной плотностью излучения в прямоугольной фокальной зоне для падающего потока коллимированного излучения (а. с. СССР №1562885, опубл. 08.06.1988). При работе концентратора присутствуют световые лучи, падающие под большими углами. Образующая отражающей поверхности выполнена в виде кривой, описываемой системой уравнений:

,

.

где х, y - текущие значения кривой в декартовой системе координат;

р - коэффициент отражения поверхности;

К - коэффициент концентрации;

r - ширина фокальной зоны одной половины фоклина;

t - параметр, имеющий граничные значения

Недостатками известного технического решения являются:

- большой коэффициент отражения от рабочей поверхности приемника изучения;

- не достаточно высокая эффективность преобразования;

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение отражения излучения от рабочей поверхности и повышение эффективности преобразования.

В результате использования предлагаемого изобретения уменьшается отражение излучения от рабочей поверхности и повышается эффективность преобразования за счет формы отражающей поверхности, которая состоит из плоских и криволинейных участков, а образующая отражающей поверхности описывается предложенной системой уравнений, исключающих падение лучей на рабочую поверхность фотоприемника под большими углами.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом концентраторе солнечной энергии, содержащем симметричную отражающую поверхность, выполненную в виде фоклина и описываемую системой уравнений, и прямоугольное выходное окно под отражающей поверхностью для размещения приемника излучения, совпадающее с фокальным пятном концентратора, степень концентрации в каждой точке которого одинакова, отражающая поверхность состоит из плоских и криволинейных участков, а система уравнений, описывающая образующую отражающей поверхности, имеет вид:

где x - текущая координата точки падения солнечного луча на концентратор на оси X, расположенной параллельно плоскости фокального пятна и перпендикулярно продольной плоскости симметрии концентратора;

y - координата точки на продольной плоскости симметрии концентратора относительно плоскости фокального пятна;

z - координата точки падения светового луча на фокальное пятно, на оси z, перпендикулярной продольной плоскости симметрии концентратора;

K - концентрация излучения в фокальном пятне концентратора;

dx, dy, dz - дифференциалы соответствующих переменных х, y, z;

2r - ширина фокального пятна концентратора, -r≤z≤r;

2R - размер апертуры концентратора в поперечном сечении, 0≤х≤R;

x₀, y₀ - координаты линии стыковки плоского (r≤x≤x₀, 0≤y≤y₀) и криволинейного (х≥х₀, y≥y₀) участков отражающей поверхности концентратора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема концентратора солнечной энергии с поперечным сечением и ходом лучей.

Концентратор солнечной энергии состоит из отражающей поверхности 1, включающей две симметричные части 2, каждая из которых состоит из криволинейного участка 3 и плоского участка 4, прямоугольного выходного окна 5 для размещения приемника излучения, расположенного под отражающей поверхностью 1, совпадающего с фокальным пятном концентратора. Прямоугольное выходное окно 5 расположено между двумя симметричными частями отражающей поверхности 1.

Внутренние поверхности криволинейных участков 3 и плоских участков 4 отражающей поверхности 1 выполнены зеркальными.

Конструкция концентратора симметрична относительно продольной плоскости симметрии концентратора, перпендикулярной прямоугольному выходному окну 5 и проходящей посередине прямоугольного выходного окна 5.

Ось Y перпендикулярна плоскости прямоугольного выходного окна 5 и лежит в продольной плоскости симметрии концентратора. Ось X параллельна плоскости прямоугольного выходного окна 5, ось Z лежит в плоскости прямоугольного выходного окна 5, и обе оси перпендикулярны продольной плоскости симметрии концентратора. Все поперечные сечения концентратора перпендикулярны продольной плоскости симметрии концентратора и одинаковы.

Параметры концентратора: K - концентрация излучения в фокальном пятне концентратора; 2r - ширина фокального пятна концентратора; 2R - размер апертуры концентратора в поперечном сечении; х - текущая координата точки падения солнечного луча на отражающую поверхность 1 на оси X, расположенной параллельно плоскости фокального пятна и перпендикулярно продольной плоскости симметрии концентратора (х≥r); y(x) - координата точки на продольной плоскости симметрии концентратора относительно плоскости фокального пятна (y≥0); х₀ и y₀ - координаты линии стыковки криволинейного 3 и плоского 4 участков отражающей поверхности 1; dx - проекция ширины элементарной полоски 6 освещаемой отражающей поверхности концентратора на ось X; d_y - проекция ширины элементарной полоски 6, освещаемой отражающей поверхности концентратора на ось Y.

Длинная сторона прямоугольного выходного окна 5 соединена и совпадает с нижней стороной плоского участка 4 отражающей поверхности 1. Размер L концентратора вдоль продольной плоскости симметрии концентратора произвольный и равен размеру фокального пятна концентратора.

Степень концентрации излучения в каждой точке фокального пятна в результате однократного отражения поступающего солнечного излучения от отражающей поверхности 1 одинакова. Степень концентрации К определяется отношением проекции ширины элементарной полоски 6 концентратора на плоскость фокального пятна концентратора dx к ширине соответствующей полоски 6' в фокальном пятне концентратор dz, т.е.

Условия отражения светового луча, падающего на концентратор параллельно продольной плоскости симметрии концентратора, от криволинейного 2 (х₀≤х≤R, y≥y₀) и плоского 3 (r≤х≤х₀, 0≤y≤y₀) участков отражающей поверхности 1 на фокальное пятно концентратора определяются уравнениями:

Уравнения (1) и (2) объединяют все закономерности и условия действия концентратора и определяет требуемую форму отражающей поверхности 1, обеспечивающую достижение задачи предлагаемого изобретения.

Определяемая уравнениями (1) и (2) форма отражающей поверхности 1 концентратора создает равномерный поток отраженного солнечного излучения в прямоугольном выходном окне 5, на рабочей поверхности приемника излучения, который должен размещаться в прямоугольном выходном окне 5, тем самым, в частности, уменьшая сопротивление растекания электрического тока в освещаемом слое приемника излучения и увеличивая эффективность (КПД) преобразования, например, солнечного излучения, например, в электрическую и/или тепловую энергию. Наличие плоских участков 3 (r≤х≤х₀, 0≤y≤y₀) в концентраторе обеспечивает более эффективное крутое падение лучей на фокальное пятно концентратора и соответственно прямоугольное выходное окно 5 с уменьшением углов падения, что приводит к увеличению КПД преобразования за счет снижения коэффициента отражения лучей от рабочей поверхности приемника излучении, располагаемого в прямоугольном выходном окне 5.

Независимыми параметрами конструкции концентратора являются: K, r и x₀. Совокупность значений их величин характеризует семейство концентраторов предлагаемого типа.

Работает концентратор солнечной энергии следующим образом.

Равномерный поток солнечного излучения, поступающий, например, параллельно продольной плоскости симметрии концентратора (параллельно оси Y), в результате однократного отражения от каждой элементарной полоски 6 зеркальной отражающей поверхности 1 (r≤x≤R, y≥0) с координатами х, y, шириной и ее проекциями dx, dy на оси, где

концентрируется на фокальном пятне концентратора (прямоугольном выходном окне 5) в соответствующей полоске 6' с координатами z_i и z_i+1 и шириной dz на основании условий равномерного распределения освещенности в фокальном пятне концентратора, которые описываются уравнениями (1) и (2). При х=x₀, y=y₀ координата точки падения луча z=-r, а при х=R координата точки падения луча z=r. При этом все лучи, отражающиеся от плоских участков 4 отражающей поверхности 1, также попадают в фокальное пятно концентратора.

Однократное отражение от плоского участка 4 отражающей поверхности 1 концентратора (r≤x≤х₀, 0≤y≤у₀), в соответствии с законом зеркального отражения равномерного потока излучения, приводит к равномерности потока отраженных лучей с падением на фокальное пятно концентратора с координатами -r≤z≤r под углом падения ϕ, определяющимся выражением:

Апертура концентратора 2R и координата y₀ стыковки криволинейного участка 3 и плоского участка 4 отражающей поверхности 1 связаны с независимыми параметрами концентратора K, r, х₀ соотношениями:

При увеличении значения х₀ величина y₀ растет, а угол падения ϕ уменьшается, что приводит к снижению отражения излучения от любой поверхности, расположенной в плоскости фокального пятна концентратора.

Пример выполнения концентратора солнечной энергии.

Для изготовления концентратора с K=10, шириной фокального пятна и прямоугольного выходного окна 2r=20 мм и координатой стыковки плоского и криволинейного участков поверхности по оси X, равной х₀=2r=20 мм, значения параметров, определенные из соотношений (4)-(6), равны: ϕ=60°, 2R=200 мм, y₀=17,32 мм. Промежуточные значения координат х и y профиля отражающей поверхности концентратора, необходимые для изготовления концентраторов на станках с числовым программным управлением, рассчитанные по приведенным формулам для принятых значений независимых параметров: K=10, r=10 мм и х₀=20 мм, представлены в таблице «Координаты профиля отражающей поверхности предлагаемого концентратора».

Координаты профиля отражающей поверхности предлагаемого концентратора

Изобретение может использоваться в гелиотехнике, в частности, в концентраторах солнечной энергии. Концентратор содержит симметричную отражающую поверхность, выполненную в виде фоклина, и прямоугольное выходное окно для размещения приемника излучения, совпадающее с фокальным пятном концентратора. Степень концентрации в каждой точке фокального пятна одинакова. Отражающая поверхность состоит из плоского и криволинейного участков. Образующая отражающей поверхности описывается системой уравнений, учитывающей координаты точки падения солнечного луча на концентратор, коэффициент концентрации, ширину фокального пятна, размер апертуры концентратора и координаты линии стыковки плоского и криволинейного участков отражающей поверхности. Технический результат - уменьшение отражения излучения от рабочей поверхности приемника излучения и повышение эффективности преобразования. 1 ил., 1 табл.

Концентратор солнечной энергии, содержащий симметричную отражающую поверхность, выполненную в виде фоклина и описываемую системой уравнений, и прямоугольное выходное окно под отражающей поверхностью для размещения приемника излучения, совпадающее с фокальным пятном концентратора, степень концентрации в каждой точке которого одинакова, отличающийся тем, что отражающая поверхность состоит из плоских и криволинейных участков, а система уравнений, описывающая образующую отражающей поверхности, имеет вид:

где х - текущая координата точки падения солнечного луча на концентратор на оси X, расположенной параллельно плоскости фокального пятна и перпендикулярно продольной плоскости симметрии концентратора;

y - координата точки на продольной плоскости симметрии концентратора относительно плоскости фокального пятна;

z - координата точки падения светового луча на фокальное пятно, на оси z, перпендикулярной продольной плоскости симметрии концентратора;

К - концентрация излучения в фокальном пятне концентратора;

dx, dy, dz - дифференциалы соответствующих переменных х, y, z;

2r - ширина фокального пятна концентратора, -r≤z≤r;

2R - размер апертуры концентратора в поперечном сечении, 0≤х≤R;

х₀, y₀ - координаты линии стыковки плоского (r≤x≤x₀, 0≤y≤y₀) и криволинейного (х≥х₀, y≥y₀) участков отражающей поверхности.