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.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru