Концентратор солнечного излучения

24 1)5 Г 24,1 2/ РстВен 11 ыи кОми 1 Г 1ьРетГни 51 м и ОТКРы 1 и 51 м1 СССР ГОСУДА 10 ИЗО 1 РИ ГКН ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН В чно-исследов ации сельско льский хозяй 2 ян А,В, Новый подхо ных концентраторо Гелиотехника, 1984 862,4) КОНЦЕНТРАТОЕНИЯ СОЛНЕ ИЗЛ Ин Сс)К).1 С;с с 1111 с К 11 Хс:О 1 11 ис)11 Ис.; 1 И 11 СКИХл, Ф: Р 1 С.ПУ 111 ИКХс РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Всесоюзный науинститут электрификствд(56) Патент США й. 4кл. Р 24 3 3/02, 1984.Афян В,В., Вартак созданию селектисолнечного излучениЬ. 2, с.22-26,Патент США )ч. 4кл. Е 24 3 3/02, 1981 Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности касается создания концентраторов солнечного излучения для . солнечных энергетических установок.Известна концентрирующая солнечноеизлучение оптическая система, содержащая линзы Френеля, фокусирующие солнечное излучение на входные поверхности волоконных световодов. поверхности выхода излучения у которых расположены надругих 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 линзьс. используемые как концентраторы солнечного(57) Использование: изобретение относится к области создания солнечных энергетических установок с концентраторами. Сущность 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 другои стенкой световодного канала. причем каждый ПС выполнен в виде набора параллельных друг другу оптических структур. имеющих преломляющие углы, направленные в сторону, противоположную СК и поверхности 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. излучения, представляющие собой плоские прозрачные пластины, на поверхностях которых нанесены фоточувствительные слои, использующие эффект интенференции све та, и имитирующие преломляющие свойства линз и призм.Недостатком голографических кон центраторов является невозможность суммирования световых потоков от отдельных концентраторов для увеличения концентрации излучения на поверхности выхода в случае использования их на мощных солнечных энергетических установках, име ющих развитые поверхности, воспринимл,ающие солнечное излучение в результате больших светопотерь при передаче энергии на большие расстояния.Наиболее близким к предлагаемому яв ляется концентратор солнечного излу ия.45 50 55 содержагций световодныЙ канал, имеющий на 1 орце поверхность выхода излучения, и преломляющий слой, служащий одной из стенок 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 по.добном 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 80 о для материала пластинь 1 с коэффициентом преломления и1,52 (неорганическое стекло), потери составят50, что неприемлемо для солнечных энергетических установок.Цель изобретения - увеличение концентрации и мощности на поверхности выхода излучения.Указанная цель достигается тем, что в концентраторе солнечного излучения, содержащем световодный 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 допол н и- тельный 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, противополокную световодному каналу и противоположную поверхности выхода излучения, Призматические участки оптических структур могут быть выполнены голографическими.В предлагаемом концентраторе указанные цели достигаются тем, что имеется световодный 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 наборапараллельных друг другу оптических структур, выполненных по высоте из преломляющих участков с преломляющими углами, направленными в сторону, противополокную световодному каналу и поверхности выхода, способствуют 5 10 15 20 25 30 35 40 введению солнечного излучения в световодный канал и распространению излучения по каналу в сторону поверхности выхода с минимальными 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 использование 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 прохокдения 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 световодный канал 1, имеющий на торце поверхность 2 (фиг.2) выхода излучения, и преломляющий слой 3(показан штрих-пунктирной линией), служащий одной из стенок 4 канала 1. При этом концентратор содержит дополнительный преломляющий слой 5, слукащий другой стенкой б канала 1, причем каждый преломляющий слой (3 и 5) выполнен в виде набора параллельных друг другу оптических структур 7, выполненных по высоте й 1 и Ь 2 из преломляющих участков 8 (фиг,З) с преломляющими углами й, направленными в сторону, противоположную световодному каналу 1 и поверхности 2 выхода излучения,Призматические участки 8 могут быть выполнены голографическими (условно показаны на рис.З штрих-пунктирной линией)Кроме того, на фигурах показано: траектория луча Л 1(одного йз многих), приходящего на преломляющий слой 3, воспринимающий солнечное излучение; углы /3 (1 = 1,2,3) наклона луча Л 1 к поверхностям, параллельным поверхностям 4 и б; значения углов Р в пределах световодного канала обозначены ф кь; значение углов 3 стабилизированной величины/3,с,; углы наклона структур 7 к поверхностям 4 и б световодного канала 1 обозначены р 1 для слоя 3 и р 2 для слоя 5; ширина а, световодного канала 1; призматические участки 8 имеют разные преломляющие возмтжности 01, (йт, из, м 4, соответствующие преломляющим углам а 1, гс аз . ол, голографические слои 10 и 11 (фиг.3) на структурах 7могут быть нанесены на плоские пластины11. Высота преломляющего слоя 3 Ь 1, высота слоя 5 М, Я шаг между структурами 7. 5Концентратор солнечного излученияработает следующим образом.Солнечное излучение, представленноеодним лучом Л 1(фиг.1), падает на поверхность 9 преломляющего слоя 3 по постоянному (фиксированному) направлению,например, от гелиостатов. Лучи падают наслои 3 под углом р 1. равным углу наклонаструктур 7 к поверхности 4, вследствие чегоони проходят слой 3 с минимальными потерями от затенения структур 7. Затем луч Л 1пересекает световодный канал 1, попадаетна структуры 7 преломляющего слоя 5вследствие того, что в слое 5 структуры 7 20наклонены под углами уъ к поверхности 10этого слоя, причем вершины углов р 2 направлены в противоположную гторону поверхности выхода, луч Л 1 попадает наструктуру 7 под углом/6 . Так как структуры7 по высоте Ь выполнены из призматическихучастков 8 (фиг.3). углы а которых вершинами направлены от световодного канала 1, тоотклонение преломленного луча Л 1 послепреломления на первой структуре будетпроходить в сторону возвращения Л 1 в световодный канал 1 и.угол поворота луча составит ом 4 =31 - /32 . Такое же преломлениепроизойдет на следующей структуре в слое5, куда луч Л 1 подойдет с углом /1 З . Вследствие последовательного преломления лучопишет некую изогнутую траекторию в слое5 и выйдет в световодный канал 1 под угломД 2, который вследствие наклонов (углы р 2 )структур к световодному каналу имеет значение 3 к 2Дк 1,Другим фактором, способствующимуменьшению угла/3 а по сравнениюс угломРк 1 ЯВЛЯЕТСЯ тО, Чта ПРИЗМатИЧЕСКИЕ УЧаСтКИ8 имеют разные преломляющие углы а, при 45чем а 1а 2 в слое 3 и а 3 иа 1 в слое 5.Затем пуч Л 1 попадает на структурыпреломляющего слоя 3, где повторяются последовательные преломления луча, новследствие того, что преломляющие углы50а направлены в противОположную сторону,чем в слое 5, луч Л 1 будет отклоняться сновак каналу 1 и, описав некоторую изогнутуютраекторию, выйдет в канал со значениемУГла ДЗфк 2к 1. УМЕНЬШЕНИЕ УГЛа,55/Зкз произойдет вследствие наклонаструктур 7 под углами р 1 и разных значений углов аТаким образом луч Л 1 совершает вокругсветоводного канала 1 затухающие колеба К =гугб где г - общее светопропускание концентратора, Об - 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 канапе 1.Таким образом длину концентратора Е крайний луч Л 1 пройдет частично в слоя 3 и 5, частично в световодном канале, что может быть записано формулой 05 п,(2)где и - количество пересечений лучом границ канала 1 с значением углов Д 1 (в том числе ркст); 1 - сумма проекций участков путилуча на стенки канала 2. Высота Ь 1 и г 12 слоев 3 и 5 соответственно определяется по формуле ния при этом углы Д 1 входа и выхода в канал 1 будут уменьшаться до некоторой величины бакст - некоторого стабилизированного значения, изменения которого в последуюЩих преломлениях будут весьма незначительными. С этим значением угла /3 кст 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 (гопографические призмы с углами а 1 . а 2, аз, а 4 ) и соответствующие разным преломляющим возможностям (углам поворота лучей) в 1, м 2, вз, ом,Значения углов р 1 и р 2 могут быть различными в слоях 3 и 5 и иметь значения от 15 до 90, при этом значения углов у 1 меньоше 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 образомг 1= ( - т1 1сЦЩ + ст 9 ф 1,2 ст 9 мин 4 ст 9 тР 1.2 5 где З 1, /З 2, /Зз, . Змин - углы входа в структуры в пределах одного преломляющего слоя 3 или 5 до минимального значения угла Змия, т,е. до наибольшей величины заглубле- ния луча (на фиг.1 /Змия,=О),Пример конкретного выполнения систе-.мыПараметры слоя 3: структуры 7 имеютдве голографических призмы 8 с углами а 1 =10, а 231 , что соответствует в = 5 в 2=,т 20"гр 1-.= 600 5 = 20 мм.Параметры слоя 5:структуры 7 имеютдве голографических призмы 8 с угламиаз =10, а 4 =31 6, что соответствуетвз = 5; в 4 = 20; р 2 = 75, Я = 20 мм .Значения углов Зк выхода лучей в све- .товодный канал следующие: З 1(фи г,2,3).30Принимаем поверхность выхода 2 излучения из системы б = 1 м. По соображениямсветопропускания принимаем, что луч от начала системы до его конца пересечет 60структур 7, из них 40 структур с угламиприведенными выше 20 структур 1 созначением углов Зкст или 20:2 = 10 переходов канала 6 со значением Р кст . Тогда длинаопределяется как длина1 на участкеввода луча в канал 1 до стабилизации углаРк ДО ЗНаЧЕНИй бакст , 1= 34 М,Участок2 распространения луча по ка-:налу 1 созначением Ркст 2-10 сщ Рскг=114 м=4 6, (4)где - светопропускание с учетом френелевских потерВ при переходе лучом в границ структур 7 (каждая структура - 2границы перехода);г, - светопропускание с учетом поглощения в материале пластин 12;- общая длинапути луча в материалепластин 12. см. Для определения тср всей системы (впервом приближении) определим тна всейдлине(60 структур, 120 переходов) и г 0 научастке у поверхности выхода 2 (5 структур,10 переходов). Принимаем тф одного перехода 0,995 (трехслойное просветляющее покрытие пластин 12) и г=0,99 на длине 1 смв оптическом стекле,Принимаем толщину одной пластины10-0,5 мм, тогда для 60 структур 1 = 3,0 смдля 5 структур 2 = 0,25 см,т=0,995 х 0,99=0,52то =0,995 х 0,99=0,94,гср =0,5 (т+ го ) 0,73,Геометрическая концентрация на поверхности выхода 3 по (1):148,Концентрация с учетом светопотерь: 148 х О, 73108.Габариты системы: высота 0,02150,04451,0 = 1,06 м, длина 148 м, ширина (для тепловой мощности 1 мВт при солнечной радиации 1000 Вт/м ) равна 9,25 м.Предлагаемая концентрирующая солнечное излучение система принципиально позволяет получать большие концентрации солнечного излучения на поверхности выхода излучения, так как в этой системе принципиально отсутствуют ограничения по концентрации отношение длинык б). Ограничивает концентрацию только светопро- пускание 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 тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения концентрации и мощности излучения на поверхности выхода, концентратор содержит дополнительный преломляющий слой, служащий другой стенкой канала, причем каждый преломляющий слой выполнен в виде набора взаимно параллельных оптических структур, выполненных по высоте из призматических участков с преломляющими углами, направленными в сторону, противоположную световодному каналу и поверхности выхода излучения.2,Концентратор по п,1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что призматические участки оптических структур выполнены голографическими,.г Составитель Э,Тверьянович .Техред М.Моргентал Корректор А,Осауленк актор А.Доль 1 ГГС м при издательский комбинат "Патент", г. Ужгород,Гагарина. 101 оизводсве Заказ 2686 ВНИИПИ Госуда Тираж венного ко 113035, Мо тета по изобретенива, Ж, Раушская Подписноеям и открыт наб., 4/5