Голографический концентратор солнечной энергии

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение, например, для концентрации солнечного излучения на фотогальванические ячейки. Голографический концентратор солнечной энергии, включающий плоскую прозрачную пластину с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом, образованным двумя примыкающими голографическими решетками, углы дифракции которых имеют противоположные знаки, блок селективных линейных фотопреобразователей, дополнительно содержит последовательно оптически связанные двойную голографическую решетку, непосредственно прилегающую к выходной грани плоской прозрачной пластины, оптически связанную с голографическими решетками голографического элемента, и набор селективных цилиндрических линз Френеля, оптически связанный с блоком селективных линейных фотопреобразователей. Длина каждого селективного линейного фотопреобразователя больше длины соответствующей селективной цилиндрической линзы Френеля на величину, определяемую углом ее поля зрения. Ширина двойной голографической решетки равна удвоенной толщине плоской прозрачной пластины с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом. Технический результат - повышение эффективности концентрации падающего солнечного излучения. 1 ил.

 

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение, например, для концентрации солнечного излучения на фотогальванические ячейки для повышения эффективности преобразования солнечного излучения в электричество.

Известен голографический плоский концентратор [1], состоящий из прозрачной пластины и отражающего голографического элемента, где прозрачная пластина является светопроводом для дифрагировавшего от голографического элемента излучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является голографический плоский концентратор [2], предназначенный для сбора и концентрации оптического излучения, представляющий собой плоскую прозрачную пластину, прилегающий к нему голографический элемент и фотопреобразователь.

Указанные устройства не обеспечивают высокого уровня концентрации солнечного излучения.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности концентрации падающего солнечного излучения.

Поставленная техническая задача решается тем, что голографический концентратор солнечной энергии, включающий плоскую прозрачную пластину с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом, образованным двумя примыкающими голографическими решетками, углы дифракции которых имеют противоположные знаки, блок селективных линейных фотопреобразователей, дополнительно содержит последовательно оптически связанные двойную голографическую решетку, непосредственно прилегающую к выходной грани плоской прозрачной пластины, оптически связанную с голографическими решетками голографического элемента, и набор селективных цилиндрических линз Френеля; оптически связанный с блоком селективных линейных фотопреобразователей, причем длина каждого селектиного линейного фотопреобразователя больше длины соответствующей селективной цилиндрической линзы Френеля на величину, определяемую углом ее поля зрения, а ширина двойной голографической решетки равна удвоенной толщине плоской прозрачной пластины с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом.

Совокупность указанных признаков позволяет повысить уровень концентрации падающего солнечного излучения по одной координате за счет многократного полного внутреннего отражения излучения в светопроводящей пластине после преобразования его пространственных характеристик на пропускающих фазовых голограммах, дальнейшего преобразования пространственных характеристик при однокоординатной фокусировке.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где:

1 - голографический элемент;

2 - плоская прозрачная пластина;

3 - первая голографическая решетка;

4 - вторая голографическая решетка;

5 - двойная голографическая решетка;

6 - набор селективных цилиндрических линз Френеля;

7 - блок селективных линейных фотопреобразователей.

Голографический концентратор солнечной энергии состоит из голографического элемента 1, образованного первой 3 и второй 4 примыкающими голографическими решетками, прилегающего ко входной грани плоской прозрачной пластины 2, двойной голографической решетки 5, непосредственно прилегающей к выходной грани плоской прозрачной пластины 2 и последовательно оптически связанной через набор селективных цилиндрических линз Френеля 6 с блоком селективных линейных фотопреобразователей 7, причем длина каждого селективного линейного фотопреобразователя больше длины соответствующей селективной цилиндрической линзы Френеля на величину, определяемую углом ее поля зрения, а ширина двойной голографической решетки 5 равна удвоенной толщине плоской прозрачной пластины 2 с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом 1.

Голографический элемент 1 выполнен в виде примыкающих первой 3 и второй 4 голографических решеток.

Первая 3 и вторая 4 голографические решетки выполнены в виде фазового рельефа, сформированного методом динамической голографии, с постоянным периодом, на входной грани плоской прозрачной пластины 1 из стекла К8, причем их углы дифракции имеют противоположные знаки.

Двойная голографическая решетка 5 выполнена в виде суммарного фазового рельефа, сформированного методом динамической голографии путем наложения двух голографических решеток, с постоянным периодом, на выходной грани плоской прозрачной пластины 1, причем их углы дифракции имеют противоположные знаки.

Набор селективных цилиндрических линз Френеля 6 выполнен в виде суммарного фазового рельефа, сформированного методом динамической голографии на поверхности плоскопараллельной стеклянной пластины путем наложения нескольких голографических решеток соответствующих селективным цилиндрическим линзам Френеля.

Метод динамической голографии заключается в непрерывной записи на движущийся носитель интерференционной картины, образованной двумя световыми пучками. Такой принцип формирования голограмм позволяет снять ограничения на длину формируемых дифракционных структур. Носитель представляет собой плоскопараллельную стеклянную пластину с нанесенным на нее слоем фоторезистивного материала. Экспонированная пластина обрабатывается известными методами фотолитографии, позволяющими сформировать на ее поверхности фазовый рельеф.

Блок селективных линейных фотопреобразователей 7 выполнен в виде структуры параллельных линейных элементов типа стекло/Mo/Cu(In.Ga)Se₂/CdS/ZnO/Ni/Al на стеклянной подложке с подслоем молибдена (являющимся нижним электродом), поглощающим слоем прямозонного полупроводника CuInSe₂ (CIS), полученным методом селенизации металлических слоев Cu-In или Cu-In-Ga, а на поглощающий слой для создания гетероперехода нанесен буферный слой сульфида кадмия CdS, покрытый высокопрозрачной пленкой оксида цинка, причем в качестве верхнего электрода напылен металлический контакт Ni-Al.

Голографический концентратор солнечной энергии работает следующим образом.

Голографический концентратор устанавливается перпендикулярно плоскости, в которой находится траектория движения источника излучения, Солнца. При падении светового излучения на голографический элемент 1 в результате дифракции Брэгга на фазовом рельефе первой 3 и второй 4 голографических решетках оно преобразуется в излучение распространяющееся в плоской прозрачной пластине в направлении двойной голографической решетки 5 под двойным углом 0 к направлению распространения падающего излучения, где угол 0 можно определить из закона Брэгга:

.

Здесь λ - длина волны излучения в воздухе; n - средний показатель преломления фазового рельефа, d - период фазового рельефа. В общем случае, испытав ряд полных внутренних отражений, дифрагировавшее излучение достигает двойной голографической решетки 5, где оно испытывает обратное преобразование, после чего достигает набора селективных цилиндрических линз Френеля 6. Селективные цилиндрические линзы Френеля селективно фокусируют все достигшее их излучение на фотопреобразователи блока селективных линейных фотопреобразователей 7, причем на каждый фотопреобразователь фокусируется излучение только одного достаточно узкого спектрального диапазона, что позволяет существенно повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.

Изменение местоположения источника излучения, Солнца, по своей траектории не вызывает смещения зон фокусировки илучения на блоке селективных линейных фотопреобразователей 7 в перпендикулярном направлении к линейным преобразователям, так как они параллельны плоскости, в которой находится траектория движения источника излучения, Солнца, а приводит к незначительному смещению зон фокусировки. Поэтому длина каждого селективного линейного фотопреобразователя должна быть длиннее продольного размера соответствующей селективной цилиндрической линзы Френеля на величину, определяемую углом ее поля зрения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США (US) №005877874.

2. Патент США (US) №006274860 B1.

Голографический концентратор солнечной энергии, включающий плоскую прозрачную пластину с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом, образованным двумя примыкающими голографическими решетками, углы дифракции которых имеют противоположные знаки, блок селективных линейных фотопреобразователей, отличающийся тем, что содержит последовательно оптически связанные двойную голографическую решетку, непосредственно прилегающую к выходной грани плоской прозрачной пластины, оптически связанную с голографическими решетками голографического элемента, и набор селективных цилиндрических линз Френеля, оптически связанный с блоком селективных линейных фотопреобразователей, причем длина каждого селективного линейного фотопреобразователя больше длины соответствующей селективной цилиндрической линзы Френеля на величину, определяемую углом ее поля зрения, а ширина двойной голографической решетки равна удвоенной толщине плоской прозрачной пластины с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом.