СОЛНЕЧНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР Российский патент 2025 года по МПК H10F19/00 

Изобретение относится к области фотовольтаики и может быть использовано для концентрации солнечного излучения с большой угловой селективностью в широком диапазоне длин волн.

Известен солнечный концентратор, содержащий оптически прозрачную пластину, принимающая поверхность которой выполнена имеющей множество одинаковых выступов, расположенным с одинаковым шагом (см. US 2014/0196785 А1, МПК H01L 31/052, опубл. 17.07.2014 [1]). Каждый из выступов выполнен в форме призмы, одна из граней которой расположена под углом α к принимающей поверхности, выбранным из диапазона от 0° до 40° относительно нормали, а вторая грань - под углом β, выбранным из диапазона от 45° до 90°. Противоположная поверхность пластины выполнена плоской. Электромагнитные волны, испускаемые Солнцем, попадают на принимающую поверхность пластины, отражаются от ее плоской поверхности и распространяются внутри пластины в сторону ее торцевой поверхности.

Основной недостаток известного концентратора состоит в том, что после отражения электромагнитных волн от плоской поверхности пластины, они могут снова попасть на принимающую поверхность и, при определенных углах падения, выйти из пластины. В результате применение известного концентратора ограничено углом падения электромагнитной волны в диапазоне от 45° до 90°.

Известен солнечный концентратор, содержащий оптически прозрачную пластину, образованную двумя наборами одинаковых призм, расположенных в контакте друг с другом, выполненных из материалов с разными показателями преломления (см. US 4505264, МПК F24T 3/02, опубл. 19.03.1985 [2]).

Основной недостаток известного концентратора состоит в том, что при распространении электромагнитных волн внутри пластины они проходят через призмы, грани которых расположены под углами к принимающей поверхности пластины, отличными от 90°, в результате чего на каждой границе раздела сред волна все больше отклоняется и удаляется от принимающей поверхности пластины, что ограничивает отношение общей длины солнечного концентратора к его толщине.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании солнечного концентратора, отличающегося расширенными возможностями применения.

При этом достигается технический результат, заключающийся в:

- увеличении отношения общей длины солнечного концентратора к его толщине, что, в свою очередь, повышает коэффициент геометрической концентрации при одновременном уменьшении габаритных размеров солнечного концентратора;

- минимизации негативного влияния показателя преломления материала пластины солнечного концентратора и обеспечении отсутствия влияния величины угла падания электромагнитных волн на ее принимающую поверхность на угловую селективность;

- упрощении процесса изготовления солнечного концентратора.

На фиг. 1 показано схематичное изображение заявленного солнечного концентратора, согласно частному варианту выполнения.

На фиг. 2 показана номограмма, определяющая выбор параметров заявленного солнечного концентратора.

На фиг. 3 показано схематичное изображение распространения электромагнитной волны в одной ячейке заявленного солнечного концентратора.

На фиг. 4 показано схематичное изображение распространения электромагнитной волны в заявленном солнечном концентраторе, согласно частному варианту выполнения.

На фиг. 5 показана гистограмма угловой селективности солнечных концентраторов, изготовленных различными способами.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания солнечного концентратора, предназначенного для использования в среде с показателем преломления n₀=1, содержащего, по меньшей мере, один ряд ячеек, представляющих собой одинаковые плоскопараллельные пластины с взаимно параллельными торцевыми поверхностями, находящимися под углом β=43° относительно нормали к принимающим поверхностям упомянутых пластин, изготовленные из материала с показателем преломления n₁(λ), выбранным из диапазона от 1,47 до 1,61, оптически прозрачного в диапазоне длин волн λ от 0,3 до 2,5 мкм, расположенные на расстоянии X друг от друга, при этом длина l₀ и толщина d каждой из упомянутых пластин и расстояние X выбраны из условий:

а длина, по меньшей мере, одного ряда упомянутых ячеек L выбрана из условия:

где N_x - количество ячеек в одном ряду.

В частном варианте выполнения, концентратор содержит от 2 до N_y рядов упомянутых ячеек, расположенных друг от друга на расстоянии Y, при этом каждый из рядов смещен относительно соседнего ряда на расстояние Δх, выбранное из условий:

где n - натуральное число, выбранное из диапазона от 1 до 10.

Выбор n меньшим 1 приводит к значительному увеличению габаритных размеров солнечного концентратора. Выбор n большим 10 приводит к существенному усложнению сборки и юстировки солнечного концентратора.

Солнечный концентратор, показанный на фиг. 1, предназначен для использования в среде с показателем преломления n₀=1 (воздух) и содержит два ряда ячеек, представляющих собой одинаковые плоскопараллельные пластины 1a-1h с взаимно параллельными торцевыми поверхностями 3a-3h и 5a-5h, находящимися под углом β=43° относительно нормали к принимающим поверхностям 2a-2h пластин la-1h.

Пластины la-1h расположены на расстоянии X друг от друга, при этом длина l₀ и толщина d каждой из пластин и расстояние X выбраны из условий:

а длина L каждого ряда ячеек выбрана из условий:

Таким образом, в частном варианте реализации, показанном на фиг. 1, при толщине каждой пластины d=4 мм, длина каждой пластины будет составлять l₀=10,8 мм, а расстояние между пластинами X=0,48 мм. При количестве ячеек в одном ряду N_x=А длина ряда ячеек будет составлять L=45,12 мм.

Оптимальные значения параметров пластин la-1h солнечного концентратора были выбраны, исходя из следующих соотношений, выведенных из основных законов геометрической оптики (см. J. Goodman. Introduction to Fourier optics, 3rd ed., by JW Goodman, Englewood, CO: Roberts & Co. Publishers, 2005 [3]):

где α - угол падения электромагнитной волны, испускаемой Солнцем, на приемную поверхность пластины относительно нормали к ней.

Солнечный концентратор, показанный на фиг. 1, содержит два ряда ячеек, расположенных друг от друга на расстоянии Y, при этом каждый из рядов смещен относительно соседнего ряда на расстояние Δх, выбранное из условий:

где n - натуральное число, выбранное из диапазона от 1 до 10.

Таким образом, в частном варианте реализации, показанном на фиг. 1, при толщине каждой пластины d=4 мм и n=10, расстояние между рядами ячеек будет составлять Y=0,4 мм, а каждый из рядов будет смещен относительно соседнего на расстояние Δх=4,1 мм.

Максимальное количество ячеек в одном ряду солнечного концентратора задается, исходя из следующих соотношений:

В результате максимальное количество ячеек в одном ряду солнечного концентратора задается условием:

Пластины 1a-1h изготовлены из оптически прозрачного в диапазоне длин волн λ от 0,3 до 2,5 мкм материала с показателем преломления n₁(λ), значение которого определяется, согласно уравнению Селлмейера (см. [3]):

где В₁, В₂, В₃ - безразмерные коэффициенты Селлмейера, которые представляют собой силу осциллятора перехода, С₁, С₂,,С₃ - коэффициенты Селлмейера, которые представляют собой квадраты соответствующих энергий перехода (как длины волн фотонов).

Согласно фиг. 2, в качестве такого материала может быть использован CaF₂, BaF₂, LiF, AL₂O₃ (сапфир), SiO₂ (плавленый кварц), стекло К8, NaCl, КС1 и KBr, а также любой иной материал, подходящий по значению коэффициента пропускания в диапазоне длин волн Я от 0,3 до 2,5 мкм с показателем преломления n₁(λ), согласно вышеприведенному математическому выражению, составляющему от 1,47 до 1,61.

Заявленный солнечный концентратор работает следующим образом.

1. Электромагнитные волны, испускаемые Солнцем, попадают на приемные поверхности 2a-2d пластин la-1d и преломляются, согласно закону Снеллиуса, за счет разности показательней преломления между n₀ и n₁(λ).

2. Далее, как показано на фиг. 3, на примере одной электромагнитной волны, электромагнитная волна распространяется в сторону ближайшей к ней торцевой поверхности 3а соответствующей пластины 1а и отражается от нее в соответствии с законом полного внутреннего отражения.

3. Затем электромагнитная волна распространяется по соответствующей пластине 1а в сторону поверхности 4а и претерпевает отражение от нее в сторону противоположной торцевой поверхности 5а в соответствии с законом полного внутреннего отражения.

4. Далее, как показано на фиг. 4, электромагнитная волна выходит из пластины 1а и распространяется по воздуху в сторону следующей в ряду ячейки солнечного концентратора 1b.

5. Затем, как показано на фиг. 4, электромагнитная волна попадает на торцевую поверхность 3b соответствующей пластины 1b и преломляется, согласно закону Снеллиуса, за счет разности значений показателей преломления n₀ и n₁(λ).

6. После этого электромагнитная волна распространяется по соответствующей пластине 1b в сторону приемной поверхности 2b и претерпевает отражение от нее в сторону противоположной поверхности 4b в соответствии с законом полного внутреннего отражения.

7. Далее электромагнитная волна снова отражается от поверхности 4b в соответствии с законом полного внутреннего отражения и распространяется по пластине 1b в сторону торцевой поверхности 5b.

8. После этого электромагнитная волна снова выходит из пластины 1b и процесс, описанный в пп. 4-7, повторяется в каждой следующей ячейки ряда.

9. Процесс распространения электромагнитной волны завершается на выходе из крайней ячейки солнечного концентратора. Далее электромагнитная волна попадет на приемник излучения (не показан).

10. Электромагнитные волны, испускаемые Солнцем, которые попали на приемные поверхности 2a-2d пластин la-1d, но в результате преломления, согласно закону Снеллиуса, не попали на торцевые поверхности 3a-3d соответствующих пластин la-1d, как показано на фиг. 1, выходят из соответствующих пластин 1a-1d через их принимающие поверхности 4a-4d и распространяются по воздуху в сторону следующего ряда пластин 1е-1h.

11. После этого процесс, описанный в пп. 1-7, повторяется в каждой ячейки ряда.

12. Если электромагнитные волны, испускаемые Солнцем, не попали на торцевые поверхности соответствующих пластин, то они будут проходить через ряды ячеек солнечного концентратора вплоть до последнего его ряда ячеек, в котором излучение будет попадать на торцевые поверхности, после чего процесс, описанный в пп. 1-7, повторяется.

Может быть предусмотрено использование совместно двух или более заявленных солнечных концентраторов, расположенных взаимно перпендикулярно друг другу.

Заявленный солнечный концентратор обладает повышенной угловой селективностью в широком диапазоне солнечного спектра (от 0,3 до 2,5 мкм).

Для сравнения на фиг. 5 показана гистограмма угловой селективности солнечных концентраторов, изготовленных различными способами:

- способ 1: параболическая форма, угловая селективность от 0° до 0,26° (см. Diogo Canavarro, Julio Chaves, Manuel Collares-Pereira. New second-stage concentrators (XX SMS) for parabolic primaries; Comparison with conventional parabolic trough concentrators, Solar Energy, 2013, pp. 98-105);

- способ 2: плоская форма, угловая селективность от 0° до 1° (см. K.J. Weber, V. Everett, P.N.K. Deenapanray et al. Modeling of static concentrator modules incorporating lambertian or V-groove rear reflectors, Solar Energy Materials and Solar Cells, 2006, pp. 1741-1749);

- способ 3: линейный отражатель Френеля, угловая селективность от 0° до 1° (см. Ruben Abbas, Maria Montes, M. Piera et al. Solar radiation concentration features in Linear Fresnel Reflector arrays, Energy Conversion and Management, 2012, pp. 133-144);

- способ 4: линза Френеля, угловая селективность от 0° до 1,3° (см. Pham ТТ, Vu NH, Shin S. Novel Design of Primary Optical Elements Based on a Linear Fresnel Lens for Concentrator Photovoltaic Technology, Energies, 2019, p.1209);

- способ 5: V-образный желоб, угловая селективность от 0° до 20° (см. Katie Shanks, S. Senthilarasu, Tapas К. Mallic/ Optics for concentrating photovoltaics: Trends, limits and opportunities for materials and design, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, pp. 394-407);

- способ 6: световая воронка/гомогенизатор, угловая селективность от 0° до 20° (см. Tang Runsheng, Wang Jinfu. A note on multiple reflections of radiation within CPCs and its effect on calculations of energy collection, Renewable Energy, 2013, pp. 490-496);

- способ 7: составной параболический концентратор, угловая селективность от 0° до 20° (см. Feng Chaoqing, Zheng Hongfei, Wang Rui et al. A novel solar multifunctional PV/T/D system for green building roofs, Energy Conversion and Management, 2015, p.93);

- способ 8: клиновая призма с плоским волноводом, угловая селективность от 0° до 45 (см. [1]);

- способ 9: клиновая призма, угловая селективность от 0° до 50° (см. Tanant Waritanant, Sakoolkan Boonruang, Те-Yuan Chung. High angular tolerance thin profile solar concentrators designed using a wedge prism and diffraction grating, Solar Energy, 2013, pp. 35-41);

- предлагаемый способ: угловая селективность от 0° до 90° (не включая границы).

Использование: для концентрации солнечного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что солнечный концентратор, предназначенный для использования в среде с показателем преломления n₀=1, содержит, по меньшей мере, один ряд ячеек, представляющих собой одинаковые плоскопараллельные пластины с взаимно параллельными торцевыми поверхностями, находящимися под углом β=43° относительно нормали к принимающим поверхностям упомянутых пластин, изготовленные из материала с показателем преломления n₁, выбранным из диапазона от 1,47 до 1,61, оптически прозрачного в диапазоне длин волн λ от 0,3 до 2,5 мкм, расположенные на расстоянии X друг от друга. Длина l₀ и толщина d каждой из упомянутых пластин выбраны из условий: а длина, по меньшей мере, одного ряда упомянутых ячеек L выбрана из условия: L=(l₀+X)⋅N_x, где N_x - количество ячеек в одном ряду. Технический результат: обеспечение возможности повышения коэффициента геометрической концентрации при одновременном уменьшении габаритных размеров солнечного концентратора, минимизации негативного влияния показателя преломления материала пластины солнечного концентратора, упрощения процесса изготовления солнечного концентратора. 5 ил.

1. Солнечный концентратор, предназначенный для использования в среде с показателем преломления n₀=1, содержащий, по меньшей мере, один ряд ячеек, представляющих собой одинаковые плоскопараллельные пластины с взаимно параллельными торцевыми поверхностями, находящимися под углом β=43° относительно нормали к принимающим поверхностям упомянутых пластин, изготовленные из материала с показателем преломления n₁(А), выбранным из диапазона от 1,47 до 1,61, оптически прозрачного в диапазоне длин волн λ от 0,3 до 2,5 мкм, расположенные на расстоянии X друг от друга, при этом длина l₀ и толщина d каждой из упомянутых пластин выбраны из условий:

а длина упомянутого, по меньшей мере, одного ряда упомянутых ячеек L выбрана из условия:

где N_x - количество ячеек в одном ряду.

2. Концентратор по п. 1, характеризующийся тем, что содержит от 2 до N_y рядов упомянутых ячеек, расположенных друг от друга на расстоянии Y, при этом каждый из рядов смещен относительно соседнего ряда на расстояние Δx, выбранное из условий:

где n - натуральное число, выбранное из диапазона от 1 до 10.