КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ


RU (11) 2198353 (13) C2

(51) 7 F24J2/08 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 13.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2000132555/06 
(22) Дата подачи заявки: 2000.12.26 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2000.12.26 
(43) Дата публикации заявки: 2002.11.10 
(45) Опубликовано: 2003.02.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: ТВЕРЬЯНОВИЧ Э.В. Расчет профилей гелиотехнических линз. Гелиотехника №6, 1983, с.31-33. SU 1028966 А, 15.07.1983. ЕР 0138084 А2, 24.04.1985. US 4682582 A, 28.07.1987. 
(71) Заявитель(и): Арбузов Юрий Дмитриевич; Безруких Павел Павлович; Евдокимов Владимир Михайлович; Пузаков Вячеслав Николаевич; Тверьянович Эдуард Владимирович 
(72) Автор(ы): Арбузов Ю.Д.; Безруких П.П.; Евдокимов В.М.; Пузаков В.Н.; Тверьянович Э.В. 
(73) Патентообладатель(и): Евдокимов Владимир Михайлович 
Адрес для переписки: 129336, Москва, Анадырский пр-д, 67, кв.77, В.М.Евдокимову 

(54) КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к области создания энергетических установок с концентраторами солнечного излучения для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Сущность изобретения заключается в том, что в концентраторе солнечного излучения, выполненном в виде линзы Френеля, состоящей из набора треугольных в поперечном сечении оптических призм с преломляющими углами, имеющей фокальную плоскость и оптическую ось, являющуюся осью симметрии линзы, согласно изобретению преломляющий угол каждой призмы из набора призм линзы Френеля определяется формулой



где n(0) - коэффициент преломления оптического материала линзы Френеля при длине волны 0; f - расстояние фокальной плоскости от линзы; Ri - расстояние i-й призмы от оптической оси линзы; r0 - задаваемое расстояние на фокальной плоскости точки, являющейся границей раздела солнечного спектра на две области, причем 0<r<R, где Rm - максимальный размер линзы. Изобретение должно обеспечить повышение кпд системы. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к гелиотехнике, в частности касается солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Известен концентратор солнечного излучения, состоящий из первичного параболоцилиндрического отражателя, софокусного с ним вторичного параболического отражателя и набора треугольных преломляющих призм, разлагающих солнечное излучение в спектр (см. патент США 40210267, опубл. 3.05.77, кл. 136/89 РС, 136/89, 250/24 J). Солнечное излучение после отражения от вторичного концентратора попадает в виде псевдопараллельного потока на треугольные призмы, где разлагается в спектр. Солнечные элементы (СЭ) разнородной спектральной чувствительности устанавливаются в соответсвующих частях спектра, что повышает кпд преобразования энергии солнечного излучения за счет согласования спектральной чувствительности СЭ с излучением в спектре.

Недостатком известного решения является громоздкость и сложность конструкции концентратора, состоящего из двух отражающих поверхностей и преломляющих призм, причем набор призм не приводит к дополнительной концентрации света.

Наиболее близким концентратором по технической сущности к предлагаемому изобретению является линза Френеля (прототип), состоящая из набора треугольных в поперечном сечении призм с преломляющими углами, имеющая фокальную плоскость и оптическую ось, совпадающую с осью симметрии линзы (Тверьянович Э. В. Расчет профилей гелиотехнических линз, Гелиотехника 6,1983 г., с.31-33).

Недостатком известного решения является то, что на фокальной плоскости солнечное излучение, прошедшее через преломляющие призмы и разложенное в спектр каждой призмой, спектральные зоны накладываются беспорядочно друг на друга, происходит смешение спектральных полос, в результате чего нет возможности выделить зоны с определенным спектральным диапазоном.

Этот недостаток, т.е. смешение спектральных полос на фокальной плоскости, происходит в результате того, что расчет преломляющих углов треугольных призм проводится по среднему показателю преломления для оптического материала призм по формуле



где i - преломляющие углы призм, n - средний коэффициент преломления материала призм (линзы), Ri - радиусы средней точки соответствующей призмы, f - фокусное расстояние линзы Френеля.

Для преобразования солнечной энергии в электрическую разделение областей с разными длинами волн на фокальной плоскости имеет большое значение, т.к. в разных зонах с диапазонами длин волн 1,2 и т.д. можно поставить различные преобразователи солнечного излучения в электроэнергию, например, фотоэлектрические, термоэлектрические и т.д., каждый из которых имеет максимальный спектральный кпд при соответствующей длине волны.

Наиболее существенный интервал солнечного спектра включают длины волн от min = 0,2 мкм до max = 3 мкм; при этом для каждой длины волны один и тот же оптический материал имеет соответствующий коэффициент преломления n(), что и создает условия разложения солнечного излучения в спектр.

Целью данного изобретения является пространственное разделение солнечного спектра на фокальной плоскости на две области с длинами волн <0 и >0, где 0 - некоторое заранее принимаемое значение длины волны из соображений оптимизации работы преобразователя энергии.

Указанный технический результат достигается тем, что преломляющий угол i каждой треугольной призмы из набора призм линзы Френеля определяется формулой



где n(0) - коэффициент преломления оптического материала линзы Френеля при длине волны 0, f - расстояние фокальной плоскости до линзы, Ri - расстояние i-той призмы от оси симметрии линзы, r0 - задаваемый линейный параметр на фокальной плоскости, представляющий границу раздела солнечного спектра на две области, причем 0<r<R, где Rm - максимальный размер линзы.

Эффект разделения солнечного спектра на фокальной плоскости на области с длинами волн, меньшими, чем выбранная длина волны 0(<0) и большими, чем длина волны 0(>0), достигается тем, что в формулу расчета преломляющих углов i треугольных призм в качестве коэффициента преломления оптического материала линзы подставляется определенное (известное) значение n(0) коэффициента преломления материала призмы при длине волны 0, которое для стандартных оптических материалов берется из справочников. Значение 0 задается разработчиком.

В формуле присутствуют такие конструктивные параметры, как f - расстояние фокальной плоскости от линзы Френеля (задается разработчиком); расстояние рассматриваемой треугольной призмы от оси симметрии Ri; расстояние r0 от оси симметрии точки, соответствующей длине волны 0 и являющейся границей раздела солнечного спектра на две зоны <0 и >0. При этом коэффициент преломления n(0) обеспечивает выход солнечного излучения из каждой призмы под определенным индивидуальным утлом, а линейные размеры Ri, f, r0 обеспечивают приход лучей с длиной волны 0 строго в выбранную точку, определяемую расстоянием r0 от оси симметрии.

Поперечное сечение предложенной конструкции концентратора солнечного излучения концентрической формы в плане и схема прохождения лучей демонстрируются на фиг.1.

Концентратор линейной формы в плане представлен на фиг.2.

Концентратор солнечного излучения, выполненный в виде линзы Френеля, состоящий из набора треугольных в поперечном сечении оптических призм 1 с преломляющими углами i, имеющей фокальную плоскость 2 и оптическую ось 3, являющуюся осью симметрии линзы. Солнечный спектр разделен на фокальной плоскости 2 на две зоны <0 и >0, границей раздела которых служит точка, определяемая размером r0, в которую приходят лучи с длинами волн 0. При этом выбор размера r0 определяется условием 0<r<R, где Rm - максимальный размер линзы Френеля.

Кроме того, на фиг.1 изображены лучи L1 и L2 и схема прихода разложенных в спектр лучей на фокальную плоскость 2.

На фиг. 2 изображен предложенный концентратор, имеющий в плане линейную (прямоугольную) форму, ось симметрии 3, проходящую через плоскость симметрии 4, и лучи L1 и L2, демонстрирующие разделение солнечного спектра на фокальной плоскости 2.

Работает концентратор следующим образом.

Луч L1 приходит на треугольную призму 1, расположенную на расстоянии R1 от оптической оси 3. Луч L1 преломляется и разлагается на спектр за счет преломляющего угла 1 и в виде пучка спектральных лучей направляется в сторону фокальной плоскости 2. Так как расчет угла 1 проведен по формуле



то из всего набора лучей, составляющих спектр, только луч c длиной волны 0 придет в точку r(0). Лучи с меньшей длиной волны <0 придут в зоны r>r0 на фокальной плоскости, т.к. меньшие длины волн имеют более высокие коэффициенты преломления в том же самом оптическом материале и, следовательно, более сильное преломление (отклонение) по сравнению c лучом 0. Лучи с большими длинами волн (>0) имеют в том же оптическом материале меньший коэффициент преломления, они меньше отклонятся чем луч 0 и придут в зону r<r на фокальной плоскости.

Такой же механизм разложения солнечного спектра имеет место для луча L2, при этом угол 2 будет подсчитан по той же формуле, но с подстановкой своих значений R2. Разложенный в спектр луч L2 даст луч L0, приходящий в точку r(0) с координатой r0, и лучи с <0 и >0, которые придут слева и справа от луча 0. Таким образом происходит разделение спектра всех лучей от любой треугольной призмы рабочего профиля линзы Френеля, при этом от любой призмы лучи с длиной волны 0 придут в точку r(0), остальные лучи расположатся по обе стороны от этой точки.

Точно так же работают призмы 1 линзы, расположенные по другую сторону оптической оси, лучи при этом расположатся симметрично на фокальной плоскости 2. Если линза Френеля имеет осевую симметрию, т.е. линза имеет концентрическую форму в плане, то область освещенности на фокальной плоскости 2 будет представлять собой кольцо с центром в точке F и шириной r(min)-r(max).

Если линза Френеля является линейной, то на фокальной плоскости 2 будут две световые полосы, каждая шириной r(min)-r(max).

Средняя концентрация Kк() излучения в диапазоне длин волн min...max для концентрического профиля линзы Френеля будет определяться выражениями

Для зоны <0



Для зоны >0



Средняя концентрация излучения для линейной линзы определяется выражениями

Для зоны <0



Для зоны >0



Пример использования предлагаемого концентратора рассмотрим с использованием фотоэлектрических СЭ. Предлагаемый концентратор позволит повысить кпд фотоэлектрического преобразования солнечной энергии за счет установки в фокальной плоскости двух СЭ различных типов: широкозонного СЭ, "красная граница" фоточувствительности которого 01 соответствует пограничной волне длине волны 0, и узкозонного СЭ, "красная граница" фоточувствительности которого 02 подбирается специально. Стык этих двух СЭ проходит по точке r(0) так, что лучи с длинами волн <0 попадают на широкозонный СЭ, а лучи с длинами волн >0 попадают на узкозонный СЭ.

Предельный теоретический кпд такой системы равен (см. Лидоренко Н.С., Евдокимов В.М., Термодинамические основы преобразования солнечной энергии в фотоэлектрических системах. Гелиотехника 1, 1994, с.3-10.):



где i - предельный теоретический кпд СЭ с "красной границей" oi.

Наибольшее значение предельного теоретического кпд системы для солнечного излучения соответствует выбору оптимальных значений граничных длин волн: мкм и равен 60,5%, в то время как наибольшее значение предельного теоретического кпд СЭ одного типа соответствует граничной длине волны 01 = 1,13 мкм и составляет 44,0%, т.е. абсолютное увеличение предельного кпд фотопребразования за счет использования предлагаемого концентратора составляет 16,5%.

Предлагаемый концентратор позволяет также повысить реальные значения кпд в условиях эксплуатации путем снижения рабочей температуры СЭ за счет отвода значительной части нефотоактивного теплового излучения с >02 и коротковолнового излучения с >min, где min - реальная коротковолновая граница фоточувствительности широкозонного СЭ.

Пример конкретного выполнения предлагаемого концентратора.

Для системы двух СЭ: из широкозонного GaAs c 01 = 0.89 мкм, 1 = 43%, min = 0.45 мкм и из узкозонного Ge (или Gasb) с 02 = 1,82 мкм, 2 = 37%. При этом линза Френеля выполнена из орг. стекла со следующими значениями коэффициентов преломления в зависимости от длины волны n(01) = 1,45,n(min) = 1,47,n(02) = 1,44.

Задаваемые разработчиком геометрические параметры концентратора (линзы): Rm=100 мм, r0=30 мм, f=200 мм.

Для концентрической линзы расчет дает следующие значения: r(min) = 46.66 мм, r(02) = 23,22 мм. Концентрация излучения на широкозонном СЭ в интервале длин волн min...0 составит Kк(min)-7,83. Концентрация излучения на узкозонном СЭ в интервале длин волн 0...02 составит Kк(02) = 27.71.

Для линейной линзы концентрация излучения на широкозонном СЭ в интервале длин волн min...0 составит Kл(min) = 6,0, для узкозонного СЭ в интервале длин волн 0...02 составит Kл(02) = 14.75.

Предельный теоретический кпд системы составит 59,0%, что на 16% выше кпд наиболее эффективного широкозонного СЭ. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Концентратор солнечного излучения, выполненный в виде линзы Френеля, состоящей из набора треугольных в поперечном сечении оптических призм с преломляющими углами, имеющей фокальную плоскость и оптическую ось, являющуюся осью симметрии линзы, отличающийся тем, что преломляющий угол каждой призмы из набора призм линзы Френеля определяется формулой



где n(0) - коэффициент преломления оптического материала линзы Френеля при длине волны 0;

f - расстояние фокальной плоскости от линзы;

Ri - расстояние i-й призмы от оптической оси линзы;

r0 - задаваемое расстояние на фокальной плоскости точки, являющейся границей раздела солнечного спектра на две области, причем 0 < r0 < Rm, где Rm - максимальный размер линзы.