концентратор солнечного излучения

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;

R_i - 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 < R_m, где R_m - максимальный размер линзы.

Описание изобретения к патенту

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), R_i - 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, R_i - 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 R_m - 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 R_i; 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 R_i, 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 R_m - 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 K_к() 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): R_m=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 K_к(_min)-7,83. Концентрация излучения на узкозонном СЭ в интервале длин волн ₀...₀₂ составит K_к(₀₂) = 27.71.

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

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