Устройство, концентрирующее солнечное излучение

 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности касается солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения. Устройство содержит раму с набором концентрирующих линз, в фокусах которых расположены торцы входа излучения в гибкие световоды, торцы выхода излучения которых установлены на неподвижной поверхности и направлены в сторону потребителя энергии, расположенного вне рамы. На неподвижной поверхности установлены дополнительные коллимационные линзы, в фокусах которых расположены торцы выхода излучения из световодов, торцы входа излучения в световоды установлены на подвижной части механизма слежения, неподвижная часть которого установлена на раме с набором концентрирующих линз, имеющих сферические концентрические оптические поверхности. Техническим результатом изобретения является уменьшение длины световодов, передающих излучение в фокусы коллимационных линз, преобразующие солнечный свет в постоянно направленные на потребителя параллельные световые лучи, что обеспечивает снижение светопотерь. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается концентрирующих солнечное излучение установок с преобразователями энергии для получения тепла и электричества.

Известно устройство, концентрирующее солнечное излучение, состоящее из линз, установленных на ориентируемой на Солнце раме, в фокусах линз установлены отражающие конусы, на выходе которых укреплены световоды, передающие солнечное излучение, сконцентрированное линзами, к потребителю энергии, установленному на упомянутой раме (Заявка 32111339, ФРГ, заяв. 27.03.82, N P32211339.0, опубл. 29.09.83, МКИ G 02 B 27/14).

Недостатками известного решения являются увеличенные светопотери за счет наличия в оптической цепи отражающих конусов и неудобное расположение потребителя излучения на ориентируемой раме, что не позволяет объединить излучение от нескольких рам на одном потребителе для увеличения его мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство (прототип), концентрирующее солнечное излучение, состоящее из набора концентрирующих линз, установленных на раме, связанной с механизмом слежения, который имеет подвижную и неподвижную части, и гибких световодов, торцы входа излучения которых установлены в фокусах концентрирующих линз, и торцы выхода излучения установлены на неподвижной поверхности и направлены в сторону потребителя излучения (пат. N 4512335, США, опубл. 23.04.85, приор. 03.04.82; N 55668, Япония, МКИ F 24 J 3/02, НКИ 126/440).

Недостатком известного решения являются повышенные светопотери в системе передачи излучения по световодам из-за их больших длин, т.к. концентрирующие линзы находятся на ориентируемой за положением Солнца на небосводе раме, а потребитель излучения расположен неподвижно и вынесен за пределы рамы, таким образом длина световодов должна быть такой, чтобы их можно было проложить по всей раме с запасом для компенсации длины при повороте рамы. Большие длины световодов вызывают значительные светопотери, так, для длины в 1 м светопотери могут составлять приблизительно 20% /1/. Уменьшение оптического КПД ведет к уменьшению вырабатываемой энергии.

Целью данного изобретения являются увеличение оптического КПД и выработки энергии.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство дополнительно содержит установленные на неподвижной поверхности коллимационные линзы, в передних фокусах которых установлены торцы выхода излучения из гибких световодов, торцы входа излучения в световоды установлены на подвижной части механизма слежения, неподвижная часть которого установлена на неподвижной раме с набором концентрирующих линз, имеющих сферические концентрические оптические поверхности. Сферические оптические поверхности могут образовывать оболочки из материала с большим коэффициентом преломления, чем коэффициент преломления материала сердцевины концентрирующих линз. Плоскость неподвижной рамы с набором концентрирующих линз может быть установлена под углом широты местности к горизонтальной плоскости. Подвижная часть механизма слежения может быть выполнена в виде двух параллельных между собой плат, между которыми шарнирно укреплены концы световодов с торцами входа излучения, платы шарнирно закреплены на неподвижной раме с возможностью качания вокруг центров сферических поверхностей концентрирующих линз. Неподвижная плоскость с коллимационными линзами может быть расположена горизонтально и потребитель энергии выполнен в виде концентратора с преобразователем излучения, установленным в его фокусе.

Положительный эффект увеличения оптического КПД и выработки энергии достигается тем, что в предлагаемом устройстве солнечное излучение концентрирующими линзами подается в относительно короткие гибкие световоды, которые транспортируют излучение в фокусы коллимационных линз, которые превращают солнечный свет в постоянно направленные на потребителя световые параллельные лучи, т.е. излучение на большое расстояние передается не по световодам, как в прототипе, а по воздуху, что значительно уменьшает световые потери. Передача излучения по воздуху значительно эффективнее передачи по световодам, в которых луч совершает зигзагообразные движения в плотном оптическом материале. Другим достоинством предлагаемого устройства является то, что рама с концентрирующими линзами расположена неподвижно, все оптические и механические детали расположены внутри закрытого объема, так что на механизм слежения не действуют ветровые нагрузки и на его привод требуется меньше затрат энергии, чем для привода открытой рамы в случае прототипа. Поскольку рама с концентрирующими линзами в предлагаемом устройстве неподвижна, то линзы должны концентрировать солнечное излучение в большом угловом диапазоне при перемещении Солнца с утра до вечера, т.е. обладать большим полем зрения. Этому качеству отвечают линзы, имеющие сферические концентрические оптические поверхности, которые одинаково качественно концентрируют солнечное излучение практически при любом положении Солнца на небосводе в силу своей осесимметричной структуры.

Сферические оптические поверхности могут образовывать оболочки из материала с большим коэффициентом преломления, чем коэффициент преломления материала сердцевины концентрирующих линз, что уменьшает отрицательное влияние сферической аберрации на пятно рассеяния в фокусе концентрирующих линз, улучшает условия входа излучения в световоды, уменьшает световые потери в них.

Плоскость неподвижной рамы с набором концентрирующих линз может быть установлена под углом широты местности к горизонтальной плоскости, что уменьшает взаимное затенение концентрирующими линзами друг друга при низком положении Солнца, увеличивает время работы в течение суток.

Подвижная часть механизма слежения может быть выполнена в виде двух параллельных между собой плат, между которыми шарнирно укреплены концы световодов с торцами входа излучения, платы шарнирно закреплены на неподвижной раме с возможностью качания вокруг центров сферических поверхностей концентрирующих линз, что обеспечивает надежную установку торцов входа излучения в световоды при отслеживании пространственного положения фокусов концентрирующих линз при перемещении Солнца по небосводу и установку торцов перпендикулярно оси приходящего конического пучка, что создает наилучшие условия входа излучения в световоды.

Неподвижная плоскость с коллимационными линзами может быть расположена горизонтально и потребитель энергии выполнен в виде концентратора с преобразователем излучения, установленным в его фокусе, что позволяет объединить на одном потребителе излучения световые потоки от многих рам с концентрирующими линзами и повысить мощность всего устройства.

Предложенное устройство демонстрируется на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 показаны общий вид одной рамы с концентрирующими линзами и схема хода световых лучей.

На фиг. 2 показан общий вид концентрирующей системы, в котором суммируется излучение от нескольких рам с линзами с помощью концентратора на потребителе излучения, установленном в его фокусе.

Устройство, концентрирующее солнечное излучение, состоящее из набора концентрирующих линз 1, установленных на раме 2, связанной с механизмом слежения, который имеет подвижную 3 и неподвижную 4 части, и гибких световодов 5, торцы 6 входа излучения которых установлены в фокусах F₁, F₂, F₃ ... концентрирующих линз 1, и торцы выхода излучения установлены на неподвижной поверхности 8 и направлены в сторону потребителя 9 излучения. Устройство дополнительно содержит установленные на неподвижной поверхности 8 коллимационные линзы 10, в передних фокусах F₁, F₂, F₃ ... которых установлены торцы 7 выхода излучения из гибких световодов 5, торцы 6 входа излучения в световоды 5 установлены на подвижной части 3 механизма слежения, неподвижная часть 4 которого установлена на неподвижной раме 2 с набором концентрирующих линз 1, имеющих сферические концентрические оптические поверхности 11 и 12. Сферические оптические поверхности 11 и 12 могут образовывать оболочки 14 из материала с большим коэффициентом преломления, чем коэффициент преломления материала сердцевины 15 концентрирующих линз 1. Плоскость 13 неподвижной рамы 2 с набором концентрирующих линз 1 может быть установлена под углом ϕ широты местности к горизонтальной плоскости. Подвижная часть 3 механизма слежения может быть выполнена в виде двух параллельных между собой плат 15 и 16, между которыми шарнирно укреплены концы 17 световодов 5 с торцами 6 входа излучения, платы 15 и 16 шарнирно закреплены на неподвижной раме 2 с возможностью качания вокруг центров 20 сферических поверхностей 11 и 12 концентрирующих линз 1. Неподвижная плоскость 8 с коллимационными линзами 10 может быть расположена горизонтально и потребитель 9 энергии может быть выполнен в виде концентратора 21 с преобразователем 22 излучения, установленным в его фокусе F_к.

Дополнительно на фиг. 1 изображено: солнечное излучение, приходящее на солнечную установку; вид G, укрупненно показывающий шарнирное крепление концов 17 световодов 5 между платами 15 и 16 с пружиной 23, обеспечивающей компенсацию длины световода 5 при изменении расстояния между платами.

Дополнительно на фиг. 2 изображено: - диаметр H концентратора 21 с преобразователем 22 в фокусе F_к; вид Q, показывающий укрупненный фрагмент рамы 2 с концентрирующими линзами 1 при расположении неподвижной плоскости 8 в горизонтальном положении; длина L¹ рабочей поверхности концентрирующих линз на одной раме 2; общая длина L солнечной установки; угол наклона γ параллельных солнечных лучей из коллимационных линз 10.

Работает устройство следующим образом: солнечное излучение (показано стрелками, фиг. 1) приходит на набор концентрирующих линз 1, установленных на неподвижной раме 2, собирается каждой линзой 1 в фокусы F₁, F₂, F₃ ... . Пространственное положение этих фокусов меняется при изменении положения Солнца на небосводе, эти изменения отслеживаются подвижной частью 3 механизма слежения, который приводится в движение с помощью датчиков слежения и двигателей с редукторами, не указанными на чертежах, при этом торцы 6 световодов 5 устанавливаются в фокусах F₁, F₂, F₃ ... так, что оси конических световых пучков от концентрирующих линз 1 устанавливаются по осям концов 17 световодов 5, что обеспечивает наилучшие условия вхождения света в световод. Световод 5 транспортирует солнечное излучение в неподвижно расположенные на поверхности 8 торцы 7 световодов 5, при этом торцы 7 совмещены с передними фокусами F¹₁,F¹₂,F¹₃ ... коллимационных линз 10, оптические оси которых направлены на потребителя излучения 9. Коллимационные линзы 10 превращают солнечное излучение в параллельные лучи света, постоянно направленные на потребителя излучения 9. Таким образом, солнечное излучение проходит по световодам 5 только короткое расстояние от торцов 6 входа излучения до торцов 7 выхода излучения, а остальное расстояние до потребителя излучения свет проходит по воздуху в виде отдельных пучков света.

Для упрощения процесса отслеживания пространственных положений фокусов F₁, F₂, F₃ ... концентрирующие линзы 1 выполнены со сферическими концентрическими поверхностями 11 и 12. Такие линзы имеют одинаковое фокусное расстояние для любых положений Солнца на небосводе, что легко отслеживается простым поворотом рычагов 18 и 19 вокруг неподвижных частей механизма слежения 4, установленного на плоскости 13, на которой расположены центры 20 концентрирующих линз 1. Повороты рычагов 18 и 19 смещают платы 15 и 16 относительно друг друга и устанавливают концы 17 световодов 5 по осям конических пучков от линз 1. Для компенсации длины концов 17 световодов при изменении расстояния между платами 15 и 16 установлены пружины 23 на каждом световоде. Для улучшения условий ввода излучения в световоды 5 концентрирующие линзы 1 имеют оболочки 14, ограниченные сферическими концентрическими поверхностями 11 и 12 из материала с коэффициентом преломления, большим, чем материал сердцевины 15, что уменьшает пятно рассеяния за счет уменьшений сферических аберраций.

Плоскость 13 неподвижной рамы 2 может быть расположена под углом ϕ к горизонтальной поверхности, равным географической широте местности, где сооружена солнечная установка. Такое расположение плоскости 13 увеличивает число часов работы концентрирующей системы в течение светового дня.

Для увеличения мощности установок, использующих предлагаемое концентрическое устройство, неподвижную поверхность 8 можно расположить горизонтально (фиг. 2), тогда отдельные рамы 2 с набором концентрирующих линз 1 могут посылать параллельные пучки от коллимационных линз 10 на общий потребитель излучения, выполненный в виде концентратора 21 с преобразователем излучения 22, установленным в его фокусе F_к. При этом в пределах одной рамы длина гибких световодов 5 будет разной (фиг. 2, вид Q), но значительно меньшей, чем длина L¹ всей установки L. В этом случае поверхности 8 разных рам 2 создают общее плоское перекрытие, на котором установлены коллимационные линзы 10, направляющие параллельные лучи под углом γ к горизонтальной поверхности на концентратор 21, в фокусе F_к которого установлен преобразователь излучения 22. Использование концентратора 21 позволяет значительно поднять концентрацию излучения на преобразователе 22, тем самым поднять КПД преобразования, увеличить выработку энергии. В качестве преобразователя излучения 22 могут быть использованы трубы с теплоносителем для обеспечения работы паровых или газовых силовых машин, а также фотоэлектрические преобразователи, установленные на радиаторах охлаждения для выработки электричества и тепла одновременно.

Пример конкретного выполнения устройств.

Солнечная установка расположена на географической широте местности ϕ = 45° (Ростовская область). Диаметр концентрирующих линз 30 мм, фокусное расстояние 40,4 мм, расстояние от плоскости 13 до поверхности 8 равно 200 мм, длина световодов 5 с учетом избыточной длины для обеспечения свободного перемещения концов 17 световодов вместе с подвижной частью 3 механизма слежения равна 300 мм.

Оптический КПД системы (коэффициент светопропускания) подсчитывается по формуле τ = τ₁·τ₂·τ₃, (1) где
τ₁ - оптический КПД концентрирующих линз;
τ₂ - оптический КПД световодов;
τ₃ - оптический КПД коллимационных линз.

Оптические КПД линз и световодов определяем по формуле (2):
τ_1,2,3= τ²_Ф·τ¹_A, (2)
где
τ_Ф - светопропускание с учетом френелевских потерь на входе и выходе из оптической детали;
τ_A - поглощение света на единице длины оптического пути в материале детали;
l - средняя длина оптического пути в детали.

Для концентрирующих линз принимаем следующие параметры:
τ_Ф= 0,95, τ_A= 0,99, l = 2,5 см. Тогда светопропускание концентрирующих линз составит
τ₁= 0,95² · 0,99^2,5 = 0,88.

Для световодов по фиг. 1 параметры в (2) принимают следующие значения:
τ_Ф= 0,98 с учетом просветления торцов световодов; τ_A= 0,8 на один метр длины (1) в материале световода; l = 0,2 м. Таким образом, светопропускание в световоде длиной 0,2 м составит
τ₂= 0,98²·0,8^0,2= 0,92.
Светопропускание коллимационных линз при значениях τ_Ф= 0,96, τ_A= 0,99, l = 0,5 см дает следующие значения: τ₃= 0,96² · 0,99^0,5 = 0,915.

Итого оптический КПД по фиг. 1 равен: τ = 0,88 · 0,92 · 0,915 = 0,74.

Определим оптический КПД системы по фиг. 2 при следующих параметрах: L¹ = 0,5 м, максимальная длина световодов 0,5 м, минимальная длина световодов 0,2 м, средняя длина световодов l_СР = 0,35 м. Светопропускание системы в этом случае подсчитывается по формуле
τ¹= τ·τ₁·τ₂·τ₃·τ_к,
где
τ_к - светопропускание концентратора;
τ_к= 0,85.

Параметры в (3) имеют значения: τ₁ = 0,88, τ₂ = 0,89, τ₃= 0,915. Общее светопропускание по фиг. 2 составит: τ¹= 0,88 · 0,92 · 0,915 · 0,85 = 0,63.

Проведем сравнение устройств, концентрирующих солнечное излучение по предлагаемому варианту (фиг. 2) и по прототипу.

Принимаем равными рабочие поверхности концентрирующих линз в сравниваемых вариантах. Принимаем длину L= 10 м, ширина рам в сравниваемых вариантах принята одинаковой. Максимальная длина в варианте прототипа с учетом работы в прямом солнечном излучении, перпендикулярном плоскости 13, составит
L_пт= Lcosϕ = 10·0,707 = 7,1 м.
Принимаем среднюю длину световодов для варианта прототипа 4 м. Светопропускание световода длиной 4 м по (2) составит τ_{2 пт}= 0,98² · 0,8⁴ = 0,39. Принимая светопропускание концентрирующих линз одинаковым τ₁= 0,88, общий оптический КПД для прототипа составит τ_пт= τ₁·τ_{2 пт}= 0,88 · 0,39 = 0,34.

Таким образом, в предлагаемом варианте оптический КПД равен 0,63 вместо 0,34 в варианте прототипа. Поскольку вырабатываемая энергия зависит от КПД системы, то, при равных условиях предлагаемая система будет вырабатывать в 1,6 раза больше энергии, чем система прототипа.

Стоимость предлагаемого устройства будет ниже стоимости системы по прототипу, т. к. значительно уменьшена длина световодов, более дешевым будет механизм слежения, разгруженный от воздействия ветровых нагрузок.

Формула изобретения

1. Устройство, концентрирующее солнечное излучение, состоящее из набора концентрирующих линз, установленных на раме, связанной с механизмом слежения, который имеет подвижную и неподвижную части, и гибких световодов, торцы входа излучения которых установлены в фокусах концентрирующих линз, и торцы выхода излучения установлены на неподвижной поверхности и направлены в сторону потребителя излучения, отличающееся тем, что, с целью увеличения оптического КПД и выработки энергии, устройство дополнительно содержит установленные на неподвижной поверхности коллимационные линзы, в передних фокусах которых установлены торцы выхода излучения из гибких световодов, торцы входа излучения в световоды установлены на подвижной части механизма слежения, неподвижная часть которого установлена на неподвижной раме с набором концентрирующих линз, имеющих сферические концентрические оптические поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сферические оптические поверхности образуют оболочки из материала с большим коэффициентом преломления, чем коэффициент преломления материала сердцевины концентрирующих линз.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоскость неподвижной рамы с набором концентрирующих линз установлена под углом широты местности к горизонтальной плоскости.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижная часть механизма слежения выполнена в виде двух параллельных между собой плат, между которыми шарнирно укреплены концы световодов с торцами входа излучения, платы шарнирно закреплены на неподвижной раме с возможностью качания вокруг центров сферических поверхностей концентрирующих линз.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что неподвижная плоскость с коллимационными линзами расположена горизонтально и потребитель энергии выполнен в виде концентратора с преобразователем излучения, установленным в его фокусе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2