Концентратор солнечного излучения

41 2/ Комитетпо патент ПИС РЕТЕНИ ПАТЕНТ овательский КОГО ХОЗЯЙГО ИЗЛУ спользовано ущность изолнечного иэяющий слойи располоО г,2 сийской Федерации и товарным знакам(57) Изобретение может быть ив энергетических установках. Сбретения; в концентраторе солучения, содержащем преломл1, отражающую поверхность 3. ЯО 2000524 С женныи между ними световодный канал 2 с повеохностью 5 выхода на торце, преломляющий оптический слой выполнен в виде параллельных друг другу оптических преломляющих структур с наклоном к поверхности 5 выхода и каждая структура имеет участки, выполненные в виде собирательной линзы 6 и призм 7-10 с разными преломляющими углами. Солнечные лучи преломляются на поверхности структур, приходят к поверхности канала 2 под малыми углами и попадают в него в виде пучка лучей, Лучи, отразившись от поверхности 3, наполняются к поверхности 5 выхода. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 1 табл.Изобретение относится к области использования солнечной энергии, в частности, касается изготовления концентраторовсолнечного излучения для энергетическихустановок. 5Известен концентратор солнечного излучения, состоя щий из прелом ля ю щего оптического слоя, выполненного в видеосновной призмы, воспринимающей солнечное излучение по всей длине, и дополни- "0тельной призмы с отражающим слоем,нанесенным на ее тыльную поверхность, иповерхности выхода излучения, расположенной на торце основной призмы (авт. св,СССР ЬЬ 1089365 кп. Г 24 4 2/08 1982) 15Солнечное излучение проходит преломляющий слой, выполненный в виде основнойпризмы, попадает в дополнительную призму, отражается от отражающего слоя и возвращается в основную призму. Из основной 20призмы свет не выходит за ее пределы, таккак углы падения на ее воспринимающуюсолнечное излучение поверхность превышают угол полного внутреннего отражателя, поэтому свет распространяется по 25основной призме как по световоду в сторонуповерхности выхода излучения,Недостатком известного решения являются большие светопотери, так как свет распространяется в плотном материале 30преломляющего слоя (основная призма), чтоне позволяет достигнуть высоких концентраций.Известен концентратор солнечного излучения (прототип), содержащий преломляющий оптический слой и расположенныйпод ним с образованием пустотелого световодного канала отражающий слой, при этомповерхность выхода излучения выполнена вторце соетоводного канала (патент США М 404282862, кл, Р 24 ) 3/02, 1981). Солнечноеизлучение попадает на преломляющийслой, выполненный в виде стеклянной пластины с призматическим рифлением, преломляется и выходит под углом к 45поверхности слоя, пересекает пустотелыйсветоводный канал, затем отражается от отражающего слоя и направляется к поверхности выхода излучения,Недостатком известного технического 50решения являются высокие концентрации,которые можно получить на поверхностивыхода излучения. Это объясняется тем, чтопри больших углах выхода (угол между лучом и нормалью к поверхности) световых 55лучей из поверхности плоской пластинывозникают потери на границе раздела двухсред; стекло-воздух за счет френелевскогоотражения, Так, например, для материала скоэффициентом преломления п .= 1,56 при углах выхода 80 и 82 потери составляют соответственно 36 и 47(см Кошкин Н.И., Ширкеоич 1 Л,Г. Справочник по элементарной физике, Наука, 1974, с, 205, таблица 115), что является неприемлемым для кон центраторов солнечного излучения в знер гетических установках.Цепью изобретения является повыше ние концентрации излучения на поверхности выхода излучения,Цель достигается тем, что преломляющий слой выполнен в виде параллельных друг другу оптических структур, расположенных под углом 0-85" к поверхности выхода излучения, при этом каждая структура по высоте выполнена из нескольких участков, первый по ходу излучения участок выполнен в виде собирательной линзы, а последующие - в виде призм, имеющих разные преломляющие углы, направленные в сторону световодного канала, Собирательная линза может быть выполнена в виде линзы Френеля.В предлагаемом концентраторе световые потери уменьшены за счет улучшения условий прохождения света через преломляющий слой, так как в этом случае углы входа и выхода из преломляющих структур достаточно оелики (более 45 ) и потери незначительны, Это позволяет получить углы выхода излучения иэ преломляющего оптического слоя порядка нескольких градусов (1-5 ) и таким образом значительно повысить концентрацию излучения на поверхности выхода излучения.Для увеличения технологичности и простоты сборки концентратора препомляющие структуры могут быть выполнены из прозрачных пластин с рифлением в виде набора призм или в виде пластин с переменным коэффициентом преломления, либо в виде голографических линз,На фиг,1 приведен концентратор солнечного излучения, поперечное сечение, и показано прохождение световых лучей; на фиг. 2 - показан участок концентратора с первыми семью препомляющими структурами; на фиг. 3 изображены основания преломляющих структур и показано прохождение лучей на выходе из препомляющего слоя; на фиг, 4 показаны одна преломляющая структура, выполненная из прозрачной пластины с рифлением в виде набора призм, и первый по ходу поступающего излучения участок структуры, выполненный в виде собирательной линзы Френеля,Концентратор сопнечного излучения (фиг, 1), содержащий прелпмпяющий слой 1 и расположенный под ним с гбразгваниемпустотелого сяетпводного канала 2 отражаюций слой 3. Греломляюций слой 1 выполнец в виде параллельных друг другуоптических структур 4, расположенных подуглом / =-0 85" к поверхности 5 выхода излучения, при этом каждая структура 4 повысоте выполнена иэ нескольких участков б,7, 8, 9, 10. Первый по ходу солнечного излучения участок 6 выполнен о виде собирательной линзы, д последуощие - в виде 10призм 7, 8, 9, 10, имеющих разные преломляющие углы а 2, аэ, а 4, а.;, направленные в сторону световодного канала 2,Собирательная линза (участок 6) может бытьвыполнена о виде линзы Френеля (фиг, 4), 15Кроле того, на фигурах номера структур4 обозначены римскими цифрали,1,111, И,Ч, Ч 1, Ч 1, О 11, 1 Х, Х, общая высота преломляющего оптического слоя 1-Н, высоты отдельных участков - Ьв, Ьт, Ья, 119, 11 о, ширина 20поверхности выхода - Г 5, расстояние междуструктурами - Я (фиг. 1), длина концентратора - 1., углы наклона лучей Л 1, Л 2, Лз к плоскостям, параллельным плоскости 11преломляющего оптического слоя 1 (фиг. 2), 25- /1, /32 /)3,/34, /5, нормали к поверхностям структур 4(фиг. 3), определяющим углыг падения лучей Л 1, Л 2, Лэ на эти структуры,- и, максимальный и минимальный углы выхода лучей Лз и Л 1 соответстоенно иэ преломляющего оптического слоя 1 впустотелый световодный кдцал 2 - макс имин,Работает концентратор следующим образом, 35Солнечное излучение поступает на восгринимающую поверхность преломляющего оптического слоя 1 (фиг. 1), Солнечцыелучи преломляются на отдельных участкахпоследовательных преломляощих структур 404 и проходят к поверхности 11 под малымиуглами /3, Затем лучи попадают в пустотелый световодный канал 2 о виде пучка лучей,имеющего наименьший угол 1 ли и лаксимальный уголмакс к поверхности 11. В световодном канале лучи достигаютотражающей поверхности 3 и, отразившись,направляются к поверхности 5 выхода излучения. Таким образом на поверхности 5 создается концентрированное солнечное 50излучение, концентрация которого определяется какК =-т -5 где г - светопропускание концентрдторд.Для концентратора пп фиг 1 Рдссмогрим более подробно црохпжде. цие гучей по структурам 4 (фи, 2) /1 уч /11 (структура 1) попадает в основание первоо преломлякпцего участка 6, выполненного в виде собирательной линзы, имея угол //1 между плоскостью. параллельнои плоскости 11, равной 90, преломляется (преломляющий угол гг 1) линзой и поступает нд преломл 1 ющий участок 7 струк 1 уры 1 под углом /2/31, преломляется призмой 7 имеюрй преломляющии угол й, попад; - ет нд учдсток 8 структуры 11 под углом //э" /и т,д, до тех пор, пока луч выйдет в пустотелый светооодный кднзл 2 под углол 1 ч; Г 1 рй ЭТОМ ЛуЧ Л 1 ПрОХОдИт ПОСЛЕдОВЗ- тельно пять структур (от до У) (фиг. 3).ЛуЛз также проходит через структуру. но при этом он не претерпевает преломления нд участке 6, так как проходит через центральную часть собирательной линзы, где преломляющий угол гкблиэок к О, поэтому луч Лзидет по близкой к лучу Л 1 траектории и выходит в световодный канал 2 под улом мйкг,Луч Л 2 занимает среднее положение между лучами Л 1 и Лзи выходит с углом 12, 12лас Таким образом, сеет из преломллоцего оптического слоя 1 в световодный канал 2 выходит в виде расходящегося пучка вследствие влияния собирательной призмы, причем пучок имеет крайние лучи с значениями углов, и 1 акс, Для определения концентрации излучения необходимо учитывать значения 1 л. Углы г падения лучей на структуры (3) имеют значения, не превышение 45 О, что позволяет лучам иметь минимальные светопотери на френелевское отражение при переходе границ ооэдухстекло, стекло-воздух и тем самым повысить общее соетопропускание концентратора, Для уменьшения этих потерь все структуры 4 должны иметь просветляющие покрытия,Каждая структура 4 может быть выполнена в виде набора отдельных призм и линз (фиг. 1, 2) или в оиде пластин с рифлением, илающим профиль призм 7, 8, 9. 10 (фиг, 4), при этом участок б, имеющий собирательную линзу, может быть выполнен в виде линзы ФренеляПрилер конкретного выполнения концецраторд по фиг, 1 (участок 6 выполнен в виде сферической собирательной линзы) приведен в таблице (расчет для луча Л 1) при значении угла /1-.= 45" и рдсстоянии между стрктурдли 20 мм,Уггл и определен как угол поворота луча в р ультдте преломления цд линзовом10 или призматическом участке структуры 4.Выход луча Л 1 происходит на структуре Ч со значением 1 и - 4 - 2,7 = 1,3". Луч Лз выходит со значениемнвкс = 4, Общая высота преломляющего оптического слоя 1НЬб + Ь 7 + Ьв+ Ь 9 + Ь 1 о =- 44,5 мм.В случае исполнения структур 4 с участком 6 в виде собирательной линзы Френеля (фиг, 4) значения в таблице остаются действительными, только преломляющие углы а линзы Френеля имеют значения от 10 до 00.Светопропускание концентратора определяется как г 6 т 7 ТВт 9 710 гп В = тф п Я,ГДЕ т В, тт, ТВ, 79, т 1 Ю( Гф) - СВЕтОПРОПУ- скание соответствующих преломляющих призм структур 4 с учетом Френелевских потерь; т, - пропускание с учетом поглощения в материале структур 4;В - коэффициент отражения слоя 3; б - длина пути луча в стекле;й - число переходов лучом границ воздух-стекло. стекло-воздух.При изготовлении структур 4 иэ оптического стекла, например, типа К - 8 коэффициент пропускания за счет поглощения встекле составляет 0,99 на 1 см пути луча вФстекле, Принимаем среднюю толщину одной структуры 4 равной 2 мм, луч проходит пять структур, т.е. толщину 5 х 0,2 = 1 см.Френелевские потери ( та.т 1 о) оцениваем для стекла с показателем преломления 1,52 и просветляющими покрытиями структур с двух сторон, при этом для трехслойного просветления переход одной границы разных сред (стекло, воздух) обеспечивает светопропускание т ф - 0,995.Поскольку каждый луч проходит пять структур с десятью поверхностями перехода границ разных оптических материалов, то т ф 0,995 ф,95 (Бегунов Б,Н. Теория оптических систем, М.,1981, с. 124-125),15 20 25 30 35 40 45 Принимаем коэффициент отраженияалюминиевого зеркала Н = 0,9,Суммарное светопропускание концентратора составит т - 0,995 х 0.99х 0,9 О 1,О"0,95 х 99 х 0,9 084,Концентрация излучения, выполненного по схеме фиг, 1, составит (макс - 4) поформуле (2) Кх с 194 -28 6 х 084"-24,При этои при поверхности выхода Ь 5 = -10 мм длинасоставит 280 мм (14 структур с шагом 20 мм),Технико-экономические показатели предлагаемого концентратора по сравнению с прототипом состоят в том, что в предлагаемом концентраторе угол выхода может быть уменьшен в 10 рээ, что приводит к увеличению концентрации в соответствии с формулой (2).Формула изобретения 1, Концентратор солнечного излучения, содержащий преломляющий слой и расположенный под ним с образованием пустотелого световодн ого канала отражэющийслой, при этом поверхность выхода излучения выполнена в торце световодного канала,отличающийся тем, что, с целью увеличения концентрации излучения на поверхности выхода, преломляющий слой выполнен в виде параллельных друг другу оптических структур, расположенных под углом 0-85 к поверхности выхода излучения, при этом каждая структура по высоте выполнена иэ нескольких участков, первый по ходу солнечного излучения участок выполнен в виде собирательной линзы, а последующие - в виде призм, имеющих разные преломляющие углы, направленные в сторону световодного канала,2. Концентратор по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что собирательная линза выполнена в вид линзы Френеля,2000524 Редактор Заказ 3075 Тираж Подписн НПО " Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент". г. ужгород, ул.Ге арин 101 оставиехред М ь Э. Тверьоргентал ичКорректор М, Демчик