Оптоволоконное осветительное и нагревательное устройство с оптическим способом слежения неподвижного концентратора за солнцем Российский патент 2020 года по МПК H02S10/30 F24S23/30 G02B19/00 H02S40/22 

Изобретение относится к области бытовых осветительных и обогревательных приборов, а именно, к приборам для освещения и обогрева холодных и сырых помещений с низкой температурой, и естественной освещенностью: подвалов, коридоров, прихожих, ванных комнат, рудников, шахт, подземных автостоянок и гаражей, станций метро, и пр.

Общеизвестные электроосветительные и электрообогревательные приборы являются энергозависимыми, и обладают существенными недостатками: относительно высоким энергопотреблением, электрической и пожарной опасностью, малым сроком службы, плохим не естественным световым спектром, необходимостью специальной утилизации.

В качестве естественного освещения сейчас по-прежнему применяются окна и зенитные фонари - световые прозрачные конструкции в кровле здания. Зенитные фонари устанавливают на крыше зданий, устраняя тем самым недостаток естественного освещения, но только верхних этажей. Кроме того, окна и зенитные фонари ухудшают теплоизоляцию помещений, они сложные в монтаже, вносят изменения в конструкцию зданий, и сравнительно дороги. Естественный обогрев помещений вообще не применяется. Пока используется только утепление помещений, для сохранения тепла в северных районах, и прохлады в южных широтах. Существуют солнечные обогревательные устройства с жидкими теплоносителями, имеющие массу недостатков: высокие цены, возможность размораживания в зимнее время, наличие электрических насосов для перекачки теплоносителя, и т.п. http://du-alex.ru/solnechnye-kollektory

Экологически чистую солнечную световую энергию, можно преобразовывать в электроэнергию с помощью солнечных батарей или фотоэлектронных преобразователей, используя затем электрическое освещение и электрический обогрев. Однако, при таком способе неизбежно двойное преобразование энергии. Сначала, световая энергия преобразуется в электричество, а затем это электричество транспортируется по проводам, и снова преобразуется в видимый и инфракрасный (ИК) свет. Учитывая низкий КПД солнечных батарей (обычно, 10-20%), и электрических ламп (7-50%), на освещение остается 1-2% от входной солнечной энергии. Электрический обогрев тоже сравнительно дорог, и поэтому редко используется в быту, и на производстве.

Относительно недавно для освещения помещений естественным светом, стали использовать гибридные оптоволоконные устройства. Для концентрации солнечного света, в них используют оптическую систему Кассегрена, которая состоит из двух зеркал, большого и малого.

Для оптимального ввода солнечного излучения в оптическое волокно необходимо световой поток сконцентрировать на его входной торец. Это самая сложная задача, поскольку, концентрированный световой поток должен оставаться параллельным, и совпадать по направлению с осью симметрии волокна. Притом, что солнце не стоит на месте, а непрерывно перемещается по небосводу в двух плоскостях, в дневной плоскости, с востока на запад, и в сезонной (вертикальной) плоскости. В течение дня, концентратор собирает солнечную энергию, поворачиваясь вслед за солнцем, как это делает всем известный подсолнух. Система Кассегрена, оптически является идеальной, но требует позиционирования концентратора в двух плоскостях, осуществить которое сложно и дорого. Наличие механической системы слежения за солнцем, с двумя степенями свободы, ограничивает размеры концентратора, требует внешнего электропитания подводимого от сети, или получаемого от преобразования световой энергии в энергию электрическую. Стоимость всего устройства достигает 16 тыс. долларов, при мощности всего 1-2 кВт. Высокая цена, сложность обслуживания, необходимость во внешнем электропитании, не большая мощность из-за ограниченной площади концентратора, его большой вес и существенная ветровая нагрузка, являются основными недостатками данных устройств.

Известны конструкции неподвижных концентраторов, например, устройства, предложенные в патентах: United States Patent 3,780,722, или US 2012/0154941 А1. В них для концентрации светового потока применяются фоконы, либо специальные призмы, образующие матричные поверхности для сбора света, и его дальнейшей транспортировки по оптическим каналам. Однако такие концентраторы обладают большой массой, и низкой эффективностью. Они не могут обеспечить высокую плотность светового потока в оптоволоконном кабеле, из-за ограниченной числовой апертуры фоконов. При большой входной, и малой выходной площадях торцов фоконов, с каждым последующим отражением, у световых лучей увеличивается угол отражения. Когда этот угол достигнет 90 градусов, продвижение лучей по фокону прекращается, лучи разворачиваются в обратном направлении, и выходят через входной торец. Поэтому, такие концентраторы не позволяют обеспечивать высокую концентрацию, и передачу больших световых потоков по тонкому оптоволокну.

Известны, также конструкции неподвижных концентраторов, в которых для увеличения плотности светового потока, совместно с фоконами используются линейные линзы Френеля (ЛФ), например, патент РФ на изобретение №2659319 от 29.06.2018 г. Концентраторы с линейными линзами Френеля, требуют сезонной коррекции в вертикальной плоскости. Коррекция наклона концентратора (по углу места), осуществляется не более одного раза в неделю, тем не менее, такой концентратор не является абсолютно неподвижным, поэтому, и у него тоже ограничена площадь, а значит, ограничена и мощность.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, является концентратор с радиальными ЛФ (патент РФ на изобретение №2670360 от 22.10.2018 г). Однако в таком концентраторе не изменяется направление выходного светового потока, которое у него совпадает с направлением световых солнечных лучей в полдень. Поэтому, такой концентратор имеет большую толщину, он не может быть плоским, и его сложно использовать, например, в качестве кровли зданий.

Техническим результатом заявляемого изобретения, является создание устройства, пригодного как для освещения, так и для обогрева помещений. Для такого устройства нужен плоский концентратор видимого солнечного спектра и ИК лучей, у которого выходной концентрированный световой поток, направлен вдоль входной приемной поверхности концентратора, т.е. повернут на 90°, относительно падающих на него солнечных лучей в полдень. Такое устройство не имеет электромеханических следящих систем, имеет большой срок службы, не высокую стоимость, и ветровую нагрузку на концентратор, большую надежность, при полной независимости от сети электропитания. Заявляемое устройство может использоваться в качестве кровли зданий, и позволяет не только освещать, но и обогревать помещения.

Сущность изобретения. Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, применен неподвижный линзовый многокаскадный концентратор с оптическим способом наведения светового потока на входной торец фокона. Для получения плоского концентратора, его последний выходной каскад, направляет узкий световой поток в фокон, и одновременно изменяет его направление на 90°, так, чтобы это направление совпадало с приемной плоскостью концентратора. Все линзы, фоконы, оптический тракт и диффузор, выполнены из кварцевого стекла, или другого материала, хорошо пропускающего как «холодный» свет для освещения, так и «горячий» (ИК) свет для обогрева помещений. Направляющая линза Френеля, фоконы и оптический тракт имеют градиентную структуру. Таким образом, при совместном применении заявляемого устройства с термоэлектрогенератором, появляется возможность преобразования тепловой энергии, в электроэнергию с высоким КПД (до 90-95%), и ее накопления в аккумуляторных батареях. На фиг. 2 приведена принципиальная схема заявляемого устройства.

Сужающая линза Френеля (1), и расширяющая ЛФ (2), образуют коллиматор, преобразующий солнечный световой поток, в узкий почти параллельный пучок. Этот концентрированный световой поток перемещается вместе с солнцем, но в обратном направлении (стрелка 7), с запада, на восток. Поэтому, заявляемое устройство содержит дополнительно направляющую градиентную линзу Френеля специальной формы, с двумя удаленными друг от друга фокусами (3) на фиг. 3. Концентрированный световой поток, на входной торец фокона, направляет многослойная градиентная линза Френеля (3), со снижающимся показателем преломления у каждого последующего слоя. Любой световой луч, выходящий из фокуса коллиматора, пройдя через третью градиентную линзу Френеля (3), непременно попадает в фокон (4), независимо от того, через какую точку направляющей линзы он прошел. При переходе из одного слоя градиентной ЛФ, в другой слой, луч меняет свое направление в двух плоскостях, постепенно приближаясь к оси симметрии фокона. Градиентная ЛФ (3) симметричная в двух плоскостях, в плоскости дневного, и в плоскости сезонного перемещения солнца. У этой линзы имеется два выхода, утренний выход, и вечерний. На боковых гранях нижнего слоя градиентной линзы Френеля (3), расположены фоконы (4), которые выполняют окончательное сужение светового потока. Фоконы (4), принимают концентрированный световой поток, и передают его по оптическому тракту (5), в диффузор (6), который освещает, и обогревает помещение. Фоконы необходимы для того, чтобы уменьшить требования к качеству изготовления линз Френеля. При невысоком качестве ЛФ, световой поток, выходящий из коллиматора, будет немного размыт, и его окончательное сужение выполняют градиентная направляющая линза (3), и фоконы (4).

При дневном перемещении солнца с лева на право (Фиг. 3), концентрированное световое пятно перемещается в левую сторону (7), т.е. с права на лево. Зимой пятно перемещается в нижней части линзы (оранжевый цвет), летом - в верхней части (голубой цвет), а весной и осенью - в средней части (красный цвет). Сезонное перемещение солнца (угол места), которое изменяется примерно от -20° до +20°, вызывает смещение пятна в вертикальном направлении, поперек ЛФ (3), а дневное перемещение солнца, вызывает смещение пятна в горизонтальном направлении (7). Таким образом, положение верхнего пятна на 3-й линзе, соответствует утреннему времени зимой, нижнее пятно, соответствует вечернему времени летом, а среднее пятно, соответствует полуденному времени весной и осенью (Фиг. 3).

Для обогрева помещений, детали концентратора (ЛФ, фоконы, ОВК, диффузор), изготавливаются из кварца, или другого материала, хорошо передающего, как видимый свет, так и ИК излучение. При совместном применении заявляемого устройства с термоэлектрогенераторами (термопарами), имеется возможность накопления ИК энергии, после преобразования ее в электрическую энергию, с КПД до 90-95%. Таким образом, заявляемое устройство найдет широкое применение в энергетике, поскольку, обладает низкой стоимостью, высокой надежностью, и большой мощностью. Оно позволяет освещать и обогревать помещения, с использованием экологически чистой энергии (солнечного света), и с высоким КПД получать электроэнергию, совместно с термоэлектрогенераторами.

Цифровые обозначения элементов на рисунках

Фиг. 1 Оптическая система Кассегрена на основе параболических зеркал с механической системой наведения на солнце.

Фиг. 2 Принципиальная схема «Оптоволоконного осветительного и нагревательного устройства с оптическим способом слежения плоского неподвижного концентратора за солнцем».

1 - Собирающая (сужающая) линза Френеля

2 - Рассеивающая (расширяющая) короткофокусная линза Френеля

3 - Направляющая градиентная линза Френеля специальной формы.

4 - Градиентные фоконы

5 - Градиентное оптическое волокно (оптоволоконный кабель, ОВК)

6 - Диффузор

Фиг. 3 Устройство трехкаскадного плоского концентратора на линзах Френеля. Концентратор содержит собирающую (сужающую) линзу Френеля (1), рассеивающую (расширяющую) короткофокусную линзу Френеля (2), и дополнительно направляющую градиентную линзу Френеля (3) специальной формы, с двумя удаленными друг от друга фокусами.

7 - Направление движения светового концентрированного пятна по направляющей линзе в течение дня (зимой, утром - пятно с права, весной и осенью, в полдень - пятно в центре направляющей ЛФ, летом, вечером - пятно с лева).

Фиг. 4 Компьютерное моделирование концентратора с коллиматором на линзах Френеля (1 и 2), многослойной, градиентной, направляющей линзой Френеля (3), и фоконом (4), в программе TrecePro. Показан ход лучей весной и осенью, в полдень, когда солнечные лучи перпендикулярны плоскости концентратора. Показатель преломления ограничен в программе, поэтому, угол преломления светового потока меньше 90 градусов (всего 25-30).

Оптоволоконное осветительное и нагревательное устройство с оптическим способом слежения неподвижного концентратора за солнцем содержит концентратор из трех плоских радиальных линз Френеля, приемный фокон, оптический кабель, и диффузор. Третья направляющая градиентная линза Френеля обладает двумя удаленными друг от друга фокусами, имеет многослойную структуру, со снижающимся показателем преломления каждого последующего слоя. На боковых гранях этой линзы расположены градиентные фоконы, плавно переходящие в градиентный оптический кабель. Все детали устройства выполнены из кварцевого стекла или другого материала с широким спектром пропускания видимого света и инфракрасного излучения. Технический результат - создание плоского концентратора видимого солнечного и ИК излучения, у которого выходной поток направлен вдоль входной приемной поверхности концентратора, без электромеханических следящих систем и пригодного как для освещения, так и для обогрева помещений. 4 ил.

Оптоволоконное осветительное и нагревательное устройство с оптическим способом слежения неподвижного концентратора за солнцем, содержащее концентратор из трех плоских радиальных линз Френеля, приемный фокон, оптический кабель, и диффузор, отличающееся тем, что третья направляющая градиентная линза Френеля, обладает двумя удаленными друг от друга фокусами, имеет многослойную структуру, со снижающимся показателем преломления каждого последующего слоя, причем, на боковых гранях этой линзы расположены градиентные фоконы, плавно переходящие в градиентный оптический кабель, а все детали устройства выполнены из кварцевого стекла, или другого материала с широким спектром пропускания видимого света, и инфракрасного излучения.