Неподвижный концентратор солнечного излучения Российский патент 2020 года по МПК F24S23/30 F24S23/70 F21V8/00 

Изобретение относится к солнечной энергетике, и к области бытовых осветительных, обогревательных приборов, а именно, к приборам для освещения и обогрева холодных и сырых помещений с низкой температурой, и малой естественной освещенностью: подвалов, коридоров, прихожих, ванных комнат и санузлов, 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, на практике применяется очень редко. Существуют солнечные обогревательные устройства с жидкими теплоносителями, имеющие массу недостатков: высокие цены, возможность размораживания в зимнее время, сложность монтажа и обслуживания, наличие электрических насосов для перекачки теплоносителя, и прочее, http://du-alex.ru/solnechnye-kollektory.

Электрические лампы имеют низкий КПД (7-50%), и потребляют электроэнергию, поэтому электроосвещение, слишком дорогое, и применяется обычно только в вечернее время. 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 параболоидных зеркал, большого и малого (Фиг. 1). Такие концентраторы нужно непрерывно поворачивать, в след за Солнцем, что требует системы позиционирования, и ограничивает размеры и мощность солнечных энергетических устройств.

Для оптимального ввода солнечного излучения в оптическое волокно (ОВ), необходимо световой поток сконцентрировать, и направить на входной торец ОВ. 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 достигает 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 (ОВ).

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 №2676819 от 11.01.2019 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 у такого концентратора малое время работы в течение дня. У него почти не изменяется направление выходного светового потока, которое совпадает с направлением световых солнечных лучей в полдень. При больших отклонениях от этого направления (утром, и вечером), концентратор работает плохо. Поэтому, вторую расширяющую линзу приходится изгибать навстречу световому потоку, тем самым увеличивая потери на отражение. 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 концентратора с высокой эффективностью, пригодного как для освещения, так и для обогрева помещений, с длительной работой в течение дня. Цель изобретения: создать неподвижный плоский концентратор видимого солнечного и инфракрасного (ИК) излучения, который имеет не высокую стоимость и малую ветровую нагрузку, большой срок службы, большую надежность, при полной независимости от сети электропитания, т.е. без электромеханических следящих систем, пригодный для использования в качестве кровли зданий.

Технический результат достигается тем, что в неподвижном концентраторе солнечного излучения, содержащем сужающую радиальную линзу Френеля и приемный градиентный фокон, перед фокусом сужающей линзы имеется направляющий изогнутый в виде полусферы рефлектор, на внутренней поверхности которого нанесены отражающие кольцевые микро призмы, а входной торец градиентного фокона имеет форму выпуклой микролинзы и расположен в фокусе всей оптической системы между линзой Френеля и рефлектором.

Сущность изобретения

Фиг. 1 - концентратор Кассегрена на основе параболических зеркал, работающий только совместно с механической системой постоянного наведения концентратора на солнце.

Фиг. 2 - принципиальная схема неподвижного концентратора солнечного излучения (в полдень, и вечером) с оптической системой позиционирования.

Фиг. 3 - компьютерная модель концентратора с наводящим рефлектором в программе Trace Pro.

1 - Сужающая линза Френеля (ЛФ);

2 - Наводящий рефлектор (Р), с нанесенными на его поверхность отражающими микро призмами;

3 - Градиентный фокон (Ф);

4 - Градиентное оптическое волокно (ОВ), или кварцевый стержень;

Пояснения к Фиг. 3:

1. На компьютерной модели видны параллельные падающие солнечные лучи (5) на вход концентратора с углом 0 градусов (в полдень). Видны сходящиеся лучи (6), отраженные сконцентрированные лучи (7), и выходящие из оптического волокна (ОВ), рассеянные лучи (8).

2. В компьютерной модели имеется линза Френеля (ЛФ - 1), наводящий рефлектор (Р - 2), градиентный фокон (Ф - 3), и градиентное оптическое волокно (ОВ - 4), расположенное соосно с оптической системой.

3. На фигуре 3, имеются падающие лучи, преломленные (сходящиеся), отраженные, и рассеянные лучи от каждой детали устройства, из-за которых часть светового потока в оптической системе, теряется.

В концентраторе, кроме сужающей линзы на входе и градиентного фокона, плавно переходящего в оптическое волокно (ОВ), применен неподвижный рефлектор в форме полусферы, с нанесением на его внутреннюю поверхность кольцевых фрагментов сопряженных между собой отражающих призм (фиг. 2 и 3). Входная радиальная линза Френеля (1) сужает солнечный параллельный световой поток, при этом ее фокусное пятно, при движении Солнца по небосводу, перемещается по рефлектору (2), имеющему форму полусферы. На внутренней поверхности рефлектора нанесено рифление, в виде отражающих микро призм с пошаговым изменением наклона рабочей грани. Это позволяет увеличить фокусное расстояние рефлектора, и сместить его фокус в центр линзы Френеля (ЛФ), где находится градиентный приемный фокон (3), переходящий в оптоволокно (4), по которому свет передается далее в темное и холодное помещение.

ЛФ (1) сужает световой поток до небольшого фокусного пятна круглой формы. Сферический рефлектор (2) с нанесенным рифлением, расширяет его, и отражает этот световой поток на фокон (3), делая поток почти параллельным. Фокон принимает концентрированный световой поток, и по оптическому тракту (4), передает его в диффузор (на рисунках не показан), который освещает, и обогревает помещение. Фокон (3), уменьшает требования к качеству изготовления линзы Френеля, и рефлектору. При невысоком качестве ЛФ, и рефлектора, отраженный световой поток, будет немного размыт, и его окончательное сужение выполняет градиентный фокон.

Сезонное перемещение солнца (угол места), которое изменяется примерно на 40°, вызывает смещение пятна на рефлекторе, только в вертикальном направлении, а дневное перемещение солнца, вызывает смещение пятна в горизонтальном (~120°), и вертикальном направлении.

Ранним утром и в вечерние часы активность Солнца не высока, его излучение сильно ослаблено земной атмосферой, в которой лучи проходят большое расстояние по длинной и косой траектории. В эти часы, при малых углах между солнечными лучами и горизонтом, концентратор практически не работает, однако, потери энергии составляют не значительную часть от дневного солнечного излучения.

Неподвижный концентратор с оптическим наведением, немного напоминает оптическую систему Кассегрена, однако он лишен ее основного недостатка, необходимости в постоянном механическом наведении на Солнце. Заявляемый неподвижный концентратор может иметь большую площадь, а значит и большую мощность, при использовании его в сотовом, модульном исполнении. Проведенные многочисленные испытания моделей заявляемого концентратора, а также компьютерное моделирование в программе Trace Pro (Фиг. 3), показали его высокие технико-эксплуатационные характеристики. Плоский концентратор может использоваться в гелиосистемах в качестве кровли зданий, или на южных стенах домов, как имитация окон. Хорошая герметичность концентратора, при отсутствии подвижных деталей, придают устройству высокую надежность, малый вес, низкую стоимость, и как следствие, большой срок службы. Из-за отсутствия механических следящих систем, концентратор может иметь очень большие размеры, и мощность. С целью уменьшения потерь, все детали устройства выполнены из кварцевого стекла, или другого материала с широким спектром пропускания света, в видимом и инфракрасном (ИК) диапазоне, что обеспечивает его высокую эффективность, при незначительном нагреве.

Это позволяет утверждать, что он найдет широкое применение в осветительной и обогревательной технике, и солнечной энергетике, поскольку, обладает низкой стоимостью, высокой надежностью, и может использоваться в качестве кровельного покрытия для различных зданий, и сооружений.

Изобретение относится к солнечной энергетике и к области бытовых осветительных, обогревательных приборов, а именно, к приборам для освещения и обогрева холодных и сырых помещений с низкой температурой и малой естественной освещенностью: подвалов, коридоров, прихожих, ванных комнат и санузлов, рудников, шахт, подземных автостоянок и гаражей, станций метро и пр. Неподвижный концентратор солнечного излучения содержит сужающую радиальную линзу Френеля и приемный градиентный фокон. В концентраторе перед фокусом сужающей линзы имеется направляющий изогнутый в виде полусферы рефлектор, на внутренней поверхности которого нанесены отражающие кольцевые микро призмы, а входной торец градиентного фокона имеет форму выпуклой микролинзы и расположен в фокусе всей оптической системы, между линзой Френеля и рефлектором. Неподвижный концентратор солнечного излучения основан на последовательном сужении и направлении светового потока на фокон сначала сужающей линзой Френеля, а затем расширяющим рефлектором, изогнутым в виде полусферы, с нанесением на его поверхность кольцевых фрагментов сопряженных между собой призм с треугольным сечением. Окончательное сужение светового потока выполняет градиентный фокон, который расположен в фокусе всей оптической системы. Рефлектор выполняет сразу две функции - расширяет падающий на него сужающийся световой поток и направляет этот узкий поток на входной торец градиентного фокона, который плавно переходит в оптическое волокно, по которому свет транспортируется в освещаемое помещение. Такая конструкция позволяет создать плоский герметичный концентратор, с минимальным количеством деталей, который, без использования механических следящих систем, осуществляет оптическое наведение на Солнце. 3 ил.

Неподвижный концентратор солнечного излучения, содержащий сужающую радиальную линзу Френеля и приемный градиентный фокон, отличающийся тем, что в концентраторе перед фокусом сужающей линзы имеется направляющий изогнутый в виде полусферы рефлектор, на внутренней поверхности которого нанесены отражающие кольцевые микро призмы, а входной торец градиентного фокона имеет форму выпуклой микролинзы и расположен в фокусе всей оптической системы между линзой Френеля и рефлектором.