Концентратор солнечного излучения Российский патент 2019 года по МПК F24S23/71 G02B5/10 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к концентраторам солнечного излучения.

Известны зеркальные концентраторы солнечного излучения, представляющие собой тело вращения и работающие по принципу собирания отраженных лучей в осесимметричном 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 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 специальной системой уравнений.

Недостатком известного концентратора является большой коэффициент отражения от рабочей поверхности приемника изучения, недостаточно высокая эффективность преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является концентратор солнечного излучения, выполненный в виде тела вращения, внутренняя поверхность которого является отражающей поверхностью, и расположенного под ним приемника излучения, рабочая поверхность которого находится в фокальной плоскости концентратора, ось вращения проходит через центр фокального пятна, перпендикулярно к нему и степень концентрации в каждой точке фокального пятна одинакова (Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскас А.Л., Майоров В.А., Ясайтис Д.-Ю.Ю. «Концентратор солнечной энергии». Патент СССР №1794254, 03.04.1991). Концентратор является параболоидным концентратором типа «фокон» с криволинейной образующей и зеркальной внутренней отражающей поверхностью. Отражающая поверхность несоставная и профиль отражающей поверхности концентратора у(х) определяется специальной системой уравнений.

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, повышение эффективности преобразования.

В результате использования предлагаемого изобретения уменьшается отражение излучения от рабочей поверхности, повышается эффективность преобразования за счет формы отражающей поверхности, которая состоит из нескольких расположенных друг на друге частей, каждая из которых представляет собой тело вращения, причем осью вращения всех частей является ось вращения концентратора, каждая часть обеспечивает однородную засветку фокального пятна, количество отраженных лучей, приходящих в одну точку фокального пятна равно количеству частей отражающей поверхности, части отражающей поверхности гладко сливаются друг с другом и профиль отражающей поверхности описывается предложенной системой уравнений, что обеспечивает падение лучей на рабочую поверхность приемника излучения под малыми углами, однородное распределение концентрации в фокальном пятне и повышение степени концентрации.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом концентраторе солнечного излучения, выполненном в виде тела вращения, внутренняя поверхность которого является отражающей поверхностью, и расположенного под ним приемника излучения, рабочая поверхность которого находится в фокальной плоскости концентратора, ось вращения концентратора проходит через центр фокального пятна, перпендикулярно к нему, и степень концентрации в каждой точке фокального пятна одинакова, согласно изобретению, отражающая поверхность состоит из нескольких расположенных друг на друге частей, каждая из которых представляет собой тело вращения, причем осью вращения всех частей отражающей поверхности является ось вращения концентратора, каждая часть отражающей поверхности обеспечивает однородную засветку всего фокального пятна, а количество отраженных лучей, приходящих в каждую точку фокального пятна равно количеству частей отражающей поверхности, при этом части отражающей поверхности гладко сливаются друг с другом и профиль отражающей поверхности описывается системой уравнений:

где y_i - текущая координата точки падения луча на i-ю часть отражающей поверхности по оси Y, совпадающей с осью вращения концентратора;

x_i - текущая координата точки падения луча на i-ю часть отражающей поверхности по оси X, при этом x_i равна радиусу сечения отражающей поверхности концентратора плоскостью, перпендикулярной оси вращения концентратора и проходящей через точку y_i;

z_i - текущая координата точки падения отраженного луча на фокальное пятно по оси X;

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

K_i - степень концентрации излучения в фокальном пятне концентратора, обеспечиваемая i-й частью отражающей поверхности;

K - суммарная степень концентрации излучения в фокальном пятне концентратора;

N- количество частей отражающей поверхности;

r_i и R_i - радиусы наименьшего и наибольшего сечений i-й части отражающей поверхности, перпендикулярных оси вращения концентратора.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1. 2 и 3, где на фиг. 1 представлен вариант конструкции концентратора солнечного излучения с отражающей поверхностью, состоящей из двух частей со схемой движения луча в сечении, на фиг. 2 представлен вариант конструкции концентратора солнечного излучения с отражающей поверхностью, состоящей из пяти частей со схемой луча прихода луча в одну точку фокального пятна, в сечении, перпендикулярном фокальной плоскости, на фиг. 3 представлен вариант конструкции концентратора солнечного излучения с отражающей поверхностью, состоящей из пяти частей со схемой перемещение точки падения отраженного луча на фокальное пятно в сечении, перпендикулярном фокальной плоскости.

Концентратор солнечного излучения состоит из тела вращения, внутренняя поверхность которого является отражающей поверхностью 1 и расположенного под ним приемника излучения 2, отражающая поверхность 1 составная и включает две или более расположенные друг на друге части, каждая из которых представляет собой тело вращения, отражающая поверхность 1 включает две части: первую (нижнюю) часть 3 и вторую (верхнюю) часть 4, ось вращения концентратора 5 проходит через центр фокального пятна 6, перпендикулярно к нему, и является осью вращения всех частей отражающей поверхности 1. Приемник излучения 2 расположен таким образом, что рабочая поверхность 7 приемника излучения 2 находится в фокальной плоскости концентратора. Диаметр фокального пятна 6 совпадает с нижней окружностью первой (нижней) части 3 отражающей поверхности 1. Круглое входное окно 8 концентратора совпадает с верхней окружностью верхней части отражающей поверхности 1 (для варианта на фиг. 1 это часть 4).

Каждая часть отражающей поверхности 1 обеспечивает однородную засветку фокального пятна 6 в соответствии с профилем этой части. Количество отраженных лучей, приходящих в каждую точку фокального пятна 6 равно количеству частей отражающей поверхности 1 и степень концентрации излучения в каждой точке фокального пятна 6 одинакова.

Связь между текущими координатами y_i и x_i точки падения луча на i-ю часть отражающей поверхности 1, соответственно, по оси Y, совпадающей с осью вращения концентратора 5, и по оси X, перпендикулярной к оси Y, и координатой z_i точки падения луча, отраженного от точки с координатами x_i, y_i на фокальное пятно 6 по оси X для каждой i-й части отражающей поверхности 1 определяется уравнением:

где N - количество частей отражающей поверхности 1 концентратора.

При этом x_i равна радиусу сечения отражающей поверхности концентратора плоскостью, перпендикулярной оси вращения 5 концентратора и проходящей через точку y_i. Для i-й части отражающей поверхности 1 значение x_i, находится в интервале от радиуса наименьшего указанного сечения r_i до радиуса наибольшего сечения R_i: x_i ∈ [r_i; R_i]; R_i=r_i+1 при i=1, 2, …, N-1, a x₁=r₁ при y₁=0.

Значение r₁ равно радиусу фокального пятна 6 концентратора и соответственно радиусу освещаемой рабочей поверхности 7 приемника излучения 2, значение 2R_N равно апертуре концентратора (диаметру входного окна 8 концентратора) - для варианта на фиг. 1 это 2R₂.

Уравнение (1) определяет условия отражения светового луча, падающего на концентратор параллельно оси вращения 5 концентратора, от частей отражающей поверхности 1 на фокальное пятно 6 концентратора.

Части отражающей поверхности 1 гладко сливаются друг с другом за счет условий непрерывности функции, описывающей профиль отражающей поверхности 1:

и непрерывности производной этой функции

Каждая i-я часть отражающей поверхности 1 обеспечивает свою порциальную концентрацию поступающего солнечного излучения на фокальном пятне 6 K_i. При этом суммарная степень концентрации K в фокальном пятне 6 концентратора и, следовательно, на рабочей поверхности 7 приемника излучения 2 равна:

Единица в уравнении (4) учитывает однородное излучение, поступающее параллельно оси вращения 5 непосредственно на рабочую поверхность 7 приемника излучения 2. Степень концентрации, обеспечиваемая i-й частью отражающей поверхности 1 равна отношению входной площади (площади верхнего сечения) к выходной площади (площади нижнего сечения) этой части отражающей поверхности 1:

Условия однородности освещения фокального пятна 6 с концентрацией излучения К-1 лучами, отраженными от отражающей поверхности 1 представляются уравнением:

Независимыми параметрами конструкции концентратора являются: r₁ K, K_i, причем независимыми параметрами являются степени концентрации K_i N - 1 частей отражающей поверхности 1. Совокупность значений этих величин характеризует конструкцию данного концентратора и семейство концентраторов предлагаемого типа. Также задаются начальные условия, определяющие перемещение вдоль оси X точки падения отраженного луча в фокальном пятне 6 (по рабочей поверхности 6) в сечении, перпендикулярном фокальной плоскости.

Уравнения (1)-(6) объединяют все закономерности и условия действия концентратора и определяет требуемый профиль отражающей поверхности 1, обеспечивающую достижение задачи предлагаемого изобретения.

Определяемый уравнениями (1)-(6) профиль отражающей поверхности 1 концентратора обеспечивает равномерный поток отраженного солнечного излучения в фокальном пятне 6 и, соответственно, на рабочей поверхности 7 приемника излучения 2, тем самым, в частности, уменьшая сопротивление растекания электрического тока в освещаемом слое приемника излучения и увеличивая эффективность (КПД) преобразования солнечного излучения в электрическую и/или тепловую энергию. Наличие нескольких частей отражающей поверхности в сочетании с формой обеспечивают более эффективное крутое падение лучей на фокальное пятно 6 и соответственно на находящуюся в нем рабочую поверхность 7 приемника излучения 2 с уменьшением углов падения, а также обеспечивает поступление N отраженных лучей в каждую точку фокального пятна 6, что приводит к увеличению КПД преобразования за счет снижения коэффициента отражения лучей от рабочей поверхности 7 приемника излучения 2 и увеличения степени концентрации.

На фиг. 2 отражающая поверхность состоит из пяти расположенных друг на друге частей отражающей поверхности 1: 3, 4, 9, 10, 11 с соответствующими концентрациями К₁; К₂; К₃; К₄; К₅.

В каждую точку фокального пятна 6 приходит пять отраженных лучей, по одному от каждой части отражающей поверхности 1 и луч без отражения, поступающий непосредственно через входное окно 8 концентратора.

Суммарная степень концентрации равна

Апертура концентратора равна 2R₅.

Показана схема прихода лучей в одну точку фокального пятна 6.

На фиг. 3 отражающая поверхность состоит из пяти расположенных друг на друге частей отражающей поверхности 1: 3, 4, 9, 10, 11 с соответствующими концентрациями К₁; К₂; К₃; К₄; К₅. Показан приход на фокальное пятно 6 лучей, отраженных от точек максимального и минимального сечения частей отражающей поверхности 1 для варианта концентратора, когда z₁=r₁ при х₁=r₁, у=0 и z₂=0 при х₂=r₂ и схема перемещение вдоль оси X точки падения отраженного луча по рабочей поверхности 7 в сечении, перпендикулярном фокальной плоскости.

Работает концентратор солнечного излучения следующим образом.

Однородный поток солнечного излучения, поступающий параллельно оси вращения 5 концентратора (параллельно оси Y), попадает через входное окно 8 концентратора на отражающую поверхности 1 или непосредственно в фокальное пятно 6 (на рабочую поверхность 7 приемника излучения 2). Все лучи, поступившие на отражающую поверхность 1, после однократного отражения от нее также поступают в фокальное пятно 6 на основании условий отражения (1).

Отраженные лучи равномерно распределяются по всей находящейся в фокальном пятне 6 площади рабочей поверхности 7 на основании условий распределения освещенности в фокальном пятне концентратора, которые описываются уравнениями (3) и (6), в результате чего степень концентрации излучения в каждой точке фокального пятна 6 одинакова.

При этом количество отраженных лучей, приходящих в каждую точку фокального пятна 8, равно количеству частей отражающей поверхности 1 и в одну точку фокального пятна 6 приходят лучи, отраженные только от одной точки каждой части отражающей поверхности 1. Каждая часть отражающей поверхности 1 обеспечивает однородную засветку всего фокального пятна 6.

Пример выполнения концентратора солнечного излучения.

Концентратор солнечного излучения включает отражающую поверхность и приемник излучения. Отражающая поверхность концентратора состоит их двух частей, каждая из которых представляет собой тело вращения. Осью вращения обоих частей отражающей поверхности является ось вращения концентратора, которая проходит через центр фокального пятна, перпендикулярно к нему. Приемник излучения представляет собой планарный кремниевый односторонний фотоэлектрический элемент круглой формы и расположен под отражающей поверхностью. Рабочая поверхность фотоэлектрического элемента находится в фокальной плоскости и совпадает с фокальным пятном концентратора.

Значения независимых параметров: суммарная степень концентрации K=10; K₁=0,8743; радиус фокального пятна r₁ = 25 мм. Начальные условия, определяющие перемещение по оси X в сечении, перпендикулярном фокальной плоскости, точки падения отраженного луча на фокальное пятно: z₁ = r₁ при х₁ = r₁; у=0 и z₂=0 при х₂=r₂. Диаметр приемника излучения равен 50 мм.

Значения параметров концентратора, определенные из соотношений (1)-(6), следующие. Апертура концентратора 2R_N = 2R₂ = 158,0870 мм; высота концентратора 147,5 мм. Для первой части отражающей поверхности: минимальный радиус сечения плоскостью, перпендикулярной оси вращения концентратора, равный радиусу фокального пятна r₁ = 25 мм, максимальный радиус сечения R₁ = 34, 25 мм. Для второй части отражающей поверхности: минимальный радиус сечения плоскостью, перпендикулярной оси вращения концентратора r₂ = R₁ = 34,25 мм, максимальный радиус сечения R₂ = 79,0435 мм и K₂ = .8,1257.

Профиль отражающей поверхности с указанными параметрами и начальными условиями обеспечивает ход лучей, соответствующий схеме, приведенной на фиг. 1. В каждую точку фокального пятна приходят лучи, отраженные от двух частей отражающей поверхности, т.е. два отраженных луча, а также луч, поступивший через входное окно непосредственно на рабочую поверхность приемника излучения, и каждая из двух частей отражающей поверхности обеспечивает однородную засветку всего фокального пятна концентратора.

Промежуточные значения координат x_i и y_i профиля отражающей поверхности концентратора, необходимые для изготовления концентратора на станках с числовым программным управлением, рассчитанные по предложенной системе уравнений (1)-(6) для принятых указанных значений независимых параметров: r₁ = 25 мм, K = 10 и K₁ = 0,8743, представлены в таблице «Координаты профиля отражающей поверхности предлагаемого концентратора».

Координаты профиля отражающей поверхности предлагаемого концентратора

Изобретение относится к гелиотехнике. Концентратор солнечного излучения выполнен в виде тела вращения, внутренняя поверхность которого является отражающей поверхностью, и расположенного под ним приемника излучения. Рабочая поверхность приемника излучения находится в фокальной плоскости концентратора. Ось вращения концентратора проходит через центр фокального пятна концентратора, перпендикулярно к нему. Степень концентрации в каждой точке фокального пятна одинакова. Отражающая поверхность состоит из нескольких расположенных друг на друге частей, каждая из которых представляет собой тело вращения. Осью вращения всех частей является ось вращения концентратора. Каждая часть отражающей поверхности обеспечивает однородную засветку всего фокального пятна. Количество отраженных лучей, приходящих в каждую точку фокального пятна, равно количеству частей отражающей поверхности. Части отражающей поверхности гладко сливаются друг с другом. Профиль отражающей поверхности описывается предложенной системой уравнений, учитывающей координаты точки падения луча на отражающую поверхность, координату точки падения отраженного луча на фокальное пятно, степень концентрации излучения в фокальном пятне концентратора, обеспечиваемую каждой частью отражающей поверхности, суммарную степень концентрации, количество частей отражающей поверхности, радиусы наименьшего и наибольшего сечений каждой части отражающей поверхности, перпендикулярных оси вращения концентратора. Технический результат заключается в уменьшении отражения излучения от рабочей поверхности и повышении эффективности преобразования. 1 табл., 3 ил.

Концентратор солнечного излучения, выполненный в виде тела вращения, внутренняя поверхность которого является отражающей поверхностью, и расположенного под ним приемника излучения, рабочая поверхность которого находится в фокальной плоскости концентратора, ось вращения концентратора проходит через центр фокального пятна, перпендикулярно к нему, и степень концентрации в каждой точке фокального пятна одинакова, отличающийся тем, что отражающая поверхность состоит из нескольких расположенных друг на друге частей, каждая из которых представляет собой тело вращения, причем осью вращения всех частей является ось вращения концентратора, каждая часть отражающей поверхности обеспечивает однородную засветку всего фокального пятна, а количество отраженных лучей, приходящих в каждую точку фокального пятна, равно количеству частей отражающей поверхности, при этом части отражающей поверхности гладко сливаются друг с другом и профиль отражающей поверхности описывается системой уравнений:

где γ_i - текущая координата точки падения луча на i-ю часть отражающей поверхности по оси Y, совпадающей с осью вращения концентратора;

x_i - текущая координата точки падения луча на i-ю часть отражающей поверхности по оси X, при этом x_i равна радиусу сечения отражающей поверхности концентратора плоскостью, перпендикулярной оси вращения концентратора и проходящей через точку γ_i;

z_i - координата точки падения отраженного луча на фокальное пятно по оси X;

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

K_i - степень концентрации излучения в фокальном пятне концентратора, обеспечиваемая i-й частью отражающей поверхности;

K - суммарная степень концентрации излучения в фокальном пятне концентратора;

N - количество частей отражающей поверхности;

r_i и R_i - радиусы наименьшего и наибольшего сечений i-й части отражающей поверхности, перпендикулярных оси вращения концентратора.