Концентратор солнечного излучения Советский патент 1992 года по МПК F24J2/08 

Изобретение относится к гелиоэнерге- тике, в частности касается создания концен- траторов солнечного излучения для солнечных энергетических установок

Известна концентрирующая солнечное излучение оптическая система содержащая линзы Френеля, фокусирующие солнечное излучение на входные поверхности волоконных световодов поверхности выхода излучения у которых расположены на других торцах, сведенных на единый приемник излучения

Недостатком системы является невысокие степени концентрации из за больших светопотерь в результате поглощения света в волоконных световодах большой длины для мощных энергетических установок

Известны голографические линзы используемые как концентраторы солнечного

излучения, представляющие собой плоские прозрачные пластины на поверхностях ко торых нанесены фоточувствительные слои использующие эффект интенференции све та, и имитирующие преломляющие свойства линз и призм

Недостатком голографических концент раторов является невозможность суммиро вания световых потоков от отдельных концентраторов для увеличения концентра ции излучения на поверхности выхода в слу чае использования их на мощных солнечных энергетических установках име ющих развитые поверхности воспринигь.а ющие солнечное излучение в результате больших светопотерь при передаче энергии на большие расстояния.

Наиболее близким к предлагаемому яв ляется концентратор солнечного излучения

XI

сл

о

ю

содержащий световодныи канал, имеющий ня торце поверхность выхода излучения, и преломляющий слой, служащий одной из стонок канала Концентратор имеет преломляющий слой в виде прозрачной пластины с призматическим рифлением, преломляющим солнечное излучение в сторону поверхности выхода в пустотелом световодном канале, заполненном воздухом Концентрация излучения на поверхности выхода в подобном концентраторе зависит от углов выхода излучения из преломляющего рлоя. чем больше угол тем больше концентрация При переходе света из материала пластины при больших углах выхода (угол между вышедшим лучом и нормалью к поверхности) имеют место большие потери на отражение на границе выхода (френелевские потери) Так для угла выхода в 80о для материала пластины с коэффициентом преломления п 1,52 (неорганическое стекло), потери составят 50%, что неприемлемо для солнечных энергетических установок.

Цель изобретения -увеличение концентрации и мощности на поверхности выхода излучения.

Указанная цель достигается тем, что в кбнцентраторе солнечного излучения, содержащем световодныи канал, имеющий на торце поверхность выхода излучения, и преломляющий слой, служащий одной из стенок канала, с целью увеличения концентрации излучения на поверхности выхода концентратор содержит дополнительный преломляющий слой, служащий другой стенкой канала, причем каждый преломляющий слой выполнен в виде набора параллельных друг другу оптических структур выполненных по высоте из призматических участков с преломляющими углами, направленными в сторону, противоположную световодному каналу и противоположную поверхности выхода излучения Призматические участки оптических структур могут быть выполнены голографически- ми

В предлагаемом концентраторе указанные цели достигаются тем, что имеется световодныи канал, в котором солнечное излучение вводится по всей длине концентратора не имеющего принципиального ограничения по длине, что позволяет создать на выходе большие концентрации и мощности светового потока. То, что преломляющие слои состоят из набора параллельных друг другу оптических структур, выполненных по высоте из преломляющих участков с преломляющими углами, направленными в сторону противоположную световодному каналу и поверхности выхода, способствуют

введению солнечного излучения в световод ный канал и распространению излучения по каналу в сторону поверхности выхода с ми нимальными светопотерями, так как свет

распространяется по воздуху

Использование в качестве преломляю щих структур голографических призм уменьшает светопотери, а расположение вершин, преломляющих углов этих призм в

разные стороны от световодного канала обеспечивает удержание солнечного излучения в пределах канала Возможно исполь зование в качестве преломляющих структур обычных призм, но при этом возрастут светопотери за счет не рабочих граней призм

На фиг 1 приведен концентратор солнечного излучения и схема прохождения по нему одного из лучей (начало и середина концентратора), продольное сечение, на

фиг.2 - то же, схема прохождения луча до поверхности выхода излучения, на фиг.З - отдельные преломляющие оптические структуры, выполненные в виде прозрачных пластин с голографическими призмами

Концентратор солнечного излучения

(фиг 1) содержит световодныи канал 1, имеющий на торце поверхность 2 (фиг 2) выхода излучения, и преломляющий слой 3 (показан штрих-пунктирной линией), служащий од

ной из стенок 4 канала 1 При этом концентратор содержит дополнительный преломляющий слой 5, служащий другой стенкой 6 канала 1 причем каждый преломляющий слой (3 и 5) выполнен в виде набора

параллельных друг другу оптических структур 7, выполненных по высоте hi и h2 из преломляющих участков 8 (фиг.З) с преломляющими углами а , направленными в сторону, противоположную световодному

каналу 1 и поверхности 2 выхода излучения

Призматические участки 8 могут быть выполнены голографическими (условно показаны на рис.3 штрих-пунктирной линией)

Кроме того, на фигурах показано траектория луча /Ь (одного из многих), приходящего на преломляющий слой 3 воспринимающий солнечное излучение; углы (i 1,2,3...) наклона луча ГН к поверхностям, параллельным поверхностям 4 и 6; значения углов ft в пределах световодного канала обозначены /3 к. значение углов ft стабилизированной величиныД сг ; углы наклона структур 7 к поверхностям 4 и 6 световодного канала 1 обозначены р для слоя 3 и р2 для слоя 5: ширина а световодного канала 1; призматические участки 8 имеют разные преломляющие возможности , w, ад , (щ, соответствующие преломля

ющим углам «ч ((2 ff-, (tA . топографические слои 10 и 11 (фиг 3) на сфуктурах 7 могут быть нанесены на плоские пластины 11 Высота преломляющего слоя 3 h 1, высота слоя 5 h.. S шаг между структурами 7.

Концентратор солнечного излучения работает следующим образом

Солнечное излучение, представленное одним лучом Лт (фиг 1), падает на поверхность 9 преломляющего слоя 3 по постоянному (фиксированному) направлению, например, от гелиостатов Лучи падают на слои 3 под углом равным углу наклона структур 7 к поверхности 4, вследствие чего они проходят слой 3 с минимальными потерями от затенения структур 7 Затем луч Лт пересекает световодныи канал 1, попадает на структуры 7 преломляющего слоя 5 вследствие того что в слое 5 структуры 7 наклонены под углами ± к поверхности 10 этого слоя, причем вершины углов (fa направлены в противоположную сторону поверхности выхода, луч Л1 попадает на структуру 7 под углом/ i Так как структуры

7по высоте h выполнены из призматических участков 8 (фиг.3) углы а которых вершинами направлены от световодного канала 1. то отклонение преломленного луча Лт после преломления на первой структуре будет проходить всторону возвращения Л в све- товодный-канал 1 и .угол поворота луча составит (t)4 -fit - (h Такое же преломление произойдет на следующей структуре в слое 5. куда луч Лт подойдет с углом/ з Вследствие последовательного преломления луч опишет некую изогнутую траекторию в слое 5 и выйдет в световодныи канал 1 под углом , который вследствие наклонов (углы pi ) структур к световодному каналу имеет значение /5к1.

Другим фактором, способствующим уменьшению угла/ К2 по сравнению с углом . является то, что призматические участки

8имеют разные преломляющие углы а . причем а 1 «2в слое 3 и а з и« А в слое 5.

Затем луч Лт попадает на структуры преломляющего слоя 3, где повторяются последовательные преломления луча, но вследствие того, что преломляющие углы и направлены в противоположную сторону, чем в слое 5, луч Л1 будет отклоняться снова к каналу 1 и, описав некоторую изогнутую траекторию, выйдет в канал со значением угла /3 к2 Р к1. Уменьшение угла произойдет вследствие наклона структур 7 под углами р и разных значений углов о. .

Таким образом луч Л i совершает вокруг световодного канала 1 затухающие колебания при этом углы /Зк1 входа и выхода в канал 1 будут уменьшаться до некоторой величины - некоторого стабилизированного значения, изменения которого в последующих преломлениях будут весьма незначительными. С этим значением угла луч распространяется по световодному каналу 1 до поверхности выхода 2 излучения из концентратора, где должен быть размещен приемник излучения (не показан).

С целью уменьшения светопотерь каждая структура 7 может быть выполнена в виде прозрачных гладких пластин 12 (фиг 3) на которые нанесены голографические слои

10 и 11, имитирующие работу преломляющих участков 8 (голографические призмы с углами «ч (ti . аз . (& } и соответствующие разным преломляющим возможностям

(углам поворота лучей) «л , ari, оъ . ам.

Значения углов и могут быть различными в слоях 3 и 5 и иметь значения от 15 до 90°, при этом значения углов (р меньше 15° нецелесообразны в виде больших

светопотерь на френелевское отражение в структурах 7, а значения р 90° ухудшит процесс стабилизации луча в световодном канале 1.

Концентрация солнечного излучения на

поверхности 2 выхода определяется следующим образом

К г L/d ,

(1)

где г - общее светопропускание концентратора, L/d - геометрическая концентрация

Всю траекторию любого луча по концентратору можно разбить на участки: участки, которые луч проходит в пределах преломляющих слоев 3 и 5; участки, которые луч проходит в световодном канале 1

Таким образом длину концентратора L крайний луч Лт пройдет частично в слоя 3 и 5, частично в световодном канале, что может быть записано формулой

ОДп

L d2ctg/ K1 + 2 I, 501

.(2)

где п - количество пересечений лучом границ канала 1 с значением углов (в том числе );

2 li - сумма проекций участков пути луча на стенки канала 2.

Высота hi и h2 слоев 3 и 5 соответственно определяется по формуле

ГП5 I 1

i (1

-l

+og .2 1

ctg /% + ctg + ctg pi,2

где , /% , /Зз . углы входа в структуры в пределах одного преломпяющего слоя 3 или 5 до минимального значения угла , т.е. до наибольшей величины заглубления луча (на фиг. 1 ,0 ).

Пример конкретного выполнения системы.

Параметры слоя 3: структуры 7 имеют две голографических призмы 8 с углами п 10°, , что соответствует а 5°о, 60° S 20 мм

Параметры слоя 5 структуры 7 имеют две голографических призмы 8 с углами

«з 10°, ОА 31°б , что соответствует

мз. 5° ; ич 20° ; де 75° ; S 20 мм .

Значения углов /Зк выхода лучей в све- товодный канал следующие: 60°;/ЗкЗ 45° ;/ кЗ-35°;/ Х4 25о: 20°; 10°:/ 8 10°; 5°.

Глубина hi слоя 3, подсчитанная по (3), равна 44,5 м, глубина слоя 5 ha 21,5 мм (фиг .2,3).

Принимаем поверхность выхода 2 излучения из системы d 1 м. По соображениям светопропускания принимаем, что луч от начала системы до его конца пересечет 60 структур 7, из них 40 структур с углами приведенными выше 20 структур 1 со значением углов /Зкст или 20:2 10 переходов канала 6 со значением/ Кст . Тогда длина L определяется как длина Li на участке ввода луча в канал 1 до стабилизации угла до значений /Зкст: Li 34 м,

Участок L2 распространения луча по каналу 1 со значением /ЗКСт L2- 10 ctg (3 . Общая длина системы L LI + 1г 148 м.

Определим светопропускание системы

т 4 п ,(4)

где т$- светопропускание с учетом френе- левских потер при переходе лучом m границ структур 7 (каждая структура - 2 границы перехода);

гп - светопропускание с учетом поглощения в материале пластин 12;

I - общая длина пути луча в материале пластин 12. см

Для определения гср всей системы (в первом приближении) определимг на всей длине L (60 структур, 120 переходов) и Г0 на участке у поверхности выхода 2 (5 структур, 10 переходов). Принимаем Гф одного перехода 0,995 (трехслойное просветляющее покрытие пластин 12) и ,99 на длине 1 см в оптическом стекле.

Принимаем толщину одной пластины 10- 0,5 мм, тогда для 60 структур h 3,0 см для 5 структур 2 0,25 см.

,995120xO,993 ° 0,52 ,99510х0,99а25 0,94. ,5(rL+ г0 )0,73. Геометрическая концентрация на поверхности выхода 3 по (1):148. Концентрация с учетом светопотерь 148x0,73

-108.

Габариты системы: высота 0.0215 + 0,0445 + 1,0 - 1,06 м, длина 148 м, ширина (для тепловой мощности 1 мВт при солнечной радиации 1000 Вт/м2) равна 9,25 м.

Предлагаемая концентрирующая сол печное излучение система принципиально позволяет получать большие концентрации солнечного излучения на поверхности выхода излучения, так как в этой системе принципиально отсутствуют ограничения по концентрации (отношение длины L к d) Ограничивает концентрацию только светопропускание системы.

Формула изобретения

1.Концентратор солнечного излучения,

содержащий световодный канал, имеющий на торце поверхность выхода излучения, и преломляющий слой, служащий одной из стенок канала, о. т л ичающийся тем,

что. с целью увеличения концентрации и мощности излучения на поверхности выхода, концентратор содержит дополнительный преломляющий слой, служащий другой стенкой канала, причем каждый преломляющи и слой выполнен в виде набора взаимно параллельных оптических структур, выполненных по высоте из призматических участков с преломляющими углами, направленными в сторону, п ротивоположную световодному каналу и поверхности выхода излучения.

2.Концентратор по п.1, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что призматические участки оптических структур выполнены голографическими,

и

l vvyvs;s

АЖГ

Использование изобретение относится к области создания солнечных энергетиче ских установок с концентраторами Сущ ность изобретения в концентраторе солнечного излучения содержащем свето водный канал СК имеющий на торце повер хность выхода излучения и преломляющий слой ПС, служащий одной из стенок канала концентратор содержит дополнительный преломляющий слой ДПС служащий другой стенкой световодного канала причем каж дый ПС выполнен в виде набора параллель ных друг другу оптических структур имеющих преломляющие углы направленные в сторону противоположную СК и по верхности выхода излучения Лучи падают на ПС затем пересекают СК падают на ДПС и после преломления возвращаются в СК 1 з п ф-лы. 3 ил (Л

ШТХХТХ

W

Фиг/

J

t 2