КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Настоящая полезная модель относится к области солнечной энергетики, в частности к концентраторам солнечного излучения, применяемым в наземных гелиоэнергетических установках в составе систем энергоснабжения.
Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных многокаскадных солнечных элементов и недорогих оптических фокусирующих систем, обеспечивающих сокращение суммарной площади солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения. Использование концентраторов, обеспечивающих степень концентрации солнечного излучения 500-1000 крат, имеющих высокую оптическую эффективность, позволяет увеличить КПД преобразования солнечного излучения в электричество. Тонкие концентраторы относятся к не изображающей оптике, их функциональное назначение - собирание максимума падающего на них солнечного излучения на фотоприемной поверхности солнечного элемента. Выполняются тонкие концентраторы заливкой материала концентратора в матрицу и последующим отделением матрицы от концентратора.
Известна линза Френеля (см. заявка RU2008109316, МПК G02B 3/08, опубликована 20.10.2009), выполненная из множества призм, при этом, по меньшей мере, несколько призм из упомянутого множества имеют такой угол при вершине, при котором проходящий эти призмы световой поток, исходящий из фокальной точки или параллельный оптической оси с противоположной стороны, испытывает двукратное полное внутреннее отражение.
Недостатками известной линзы Френеля являются оптические потери из-за рассеяния излучения на зонах стыка соседних преломляющих поверхностей, а также оптические потери, связанные со снижением точности перенаправления излучения по причине сложения погрешностей выполнения двух граней призмы.
Известна линза Френеля (см. заявка RU2005109379, МПК G02B 3/00, опубликована 10.09.2006), представляющая собой осесимметричный плоский оптический прибор, на одной из поверхностей которого сформирован френелевский профиль, содержащий совокупность концентрической нарезки в виде граней с изменяющимся углом наклона от оптической оси к краю линзы. Линза Френеля содержит плоскопараллельную подложку с полимеризованным прозрачным силиконовым слоем, на котором выполнен френелевский профиль.
Недостатком известной линзы Френеля являются оптические потери, образующиеся из-за рассеяния излучения на зонах стыка соседних преломляющих поверхностей. Также в общие оптические потери вносят вклад потери из-за отражения от вертикальной нерабочей грани.
Известна линза Френеля (см. заявка US7453638, МПК G03B 21/60, G03B 21/62, G02B 3/08, G03B 21/10, опубликована 18.11.2008), практически не искажающая проецируемое изображение т.к. выполнена из множества призм обеспечивающих однократное преломление и однократное полное внутреннее отражение светового потока. Использование этой линзы в качестве концентратора возможно, но она будет иметь два недостатка. Будут иметь место оптические потери из-за рассеяния излучения на зонах между соседними преломляющими поверхностями, а также уменьшится точность перенаправления излучения из-за сложения погрешностей выполнения двух граней призмы.
Известна линза Френеля (см. патент ЕР3418779, МПК G02B 3/08, G02B 3/00, опубликован 26.12.2018), отличающаяся возможностью подавлять блики в изображении, визуально распознаваемом через линзу Френеля. Линза содержит линзовую поверхность и нелинзовую поверхность, включающую подъемную поверхность вдоль оптической оси линзы Френеля, и соединительную поверхность, сформированную на верхней части каждой из линзовых поверхностей.
При использовании данной линзы в качестве концентратора будут иметь место оптические потери на соединительных поверхностях, сформированных на верхних частях каждой из линзовых поверхностей.
Известна линза Френеля (см. заявка CN111796408, МПК G02B 19/00, G02B 3/08, G02B 3/12, опубликована 20.10.2020) предназначена для концентрирования солнечного излучения в гелиотермальной электростанции. Данная линза имеет полость, которая заполняется светопропускающей жидкостью. Если размеры концентратора велики, данный подход позволяет уменьшить его стоимость за счет замены части формирующего линзу материала на дешевую жидкость.
Использование концентратора такого типа для фотоэлектрического преобразования энергии нецелесообразно, так как в фотоэлектрическом преобразовании применяются линзы Френеля значительно меньшего размера, а также из-за больших оптических потерь в линзе такого типа, возникающих при переходе излучения между средами с разными показателями преломления.
Известна конденсаторная линза (см. заявка JP1999326605, МПК G02B 3/08, опубликована 26.11.1999), имеющую в своей центральной области часть, не имеющую функций линзы и не нуждающейся в механической обработке, а также линзовую часть, в которой выполнены линзообразные канавки, образованные под определенным углом по концентрической окружности с фиксированными интервалами.
Использование известной конденсаторной линзы для фокусировки солнечного излучения на солнечный элемент нецелесообразно из-за не имеющей функции линзы центральной части, которая не обеспечивает попадание солнечного излучения на солнечный элемент в рамках какого-либо заданного угла разориентации системы концентратор-солнечный элемент.
Известен концентратор солнечного излучения (см. патент RU2198353, МПК F24J2/08, опубликован 10.02.2003), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный концентратор-прототип выполнен 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. Преломляющий угол каждой призмы из набора призм линзы Френеля определяется формулой:
0
0
где n(λ) - коэффициент преломления оптического материала линзы Френеля при длине волны λ;
f - расстояние фокальной плоскости от линзы;
i
R - расстояние i-й призмы от оптической оси линзы;
0
0
m
m
r - задаваемое расстояние на фокальной плоскости точки, являющейся границей раздела солнечного спектра на две области, причем 0<r<R, где R - максимальный размер линзы.
Недостатком известного концентратора солнечного излучения являются оптические потери, образующиеся из-за рассеяния излучения на зонах стыка соседних преломляющих поверхностей, связанные с ненулевым радиусом резца при вершине, величина которого в настоящее время у большинства изготовителей больше 20 мкм. При вытачивании профиля таким резцом в самых глубоких точках матрицы для линзы и в выполненной с помощью такой матрицы линзе, на ее остриях, образуется закругление, проходя через которое солнечное излучение рассеивается, не попадая на солнечный элемент. Суммарный вклад таких зон может составлять несколько процентов площади апертуры концентратора, изготовленной с помощью такой матрицы. Уменьшить радиус резца при вершине до нулевых значений технически невозможно, но можно изменить профиль концентратора так, чтобы зоны со скругленной поверхностью не участвовали в процессе концентрирования солнечного излучения.
Задачей настоящего технического решения является разработка концентратора солнечного излучения, который бы имел сниженные оптические потери
i
Поставленная задача решается тем, что концентратор солнечного излучения, выполненный в виде линзы Френеля, имеющей фокальную плоскость и оптическую ось и состоящей из набора треугольных в поперечном сечении оптических призм, одна сторона которых является преломляющей поверхностью, а другая сторона - переходным краевым участком. Новым является то, что переходный краевой участок каждой призмы расположен под углом β к основанию концентратора, определяемым формулой:
i
i-1
i-1
90°≤β≤arctg(R/F)+90°,
i-1
где R - расстояние (i-1)-й призмы от оптической оси линзы, мм;
i-1
max
F - фокусное расстояние солнечного луча с наибольшей длиной волны λ, из спектра концентрируемого солнечного излучения падающего на (i-1)-ю призму, мм.
В настоящем концентраторе солнечного излучения снижение оптических потерь происходит за счет того, что в нем уменьшен вклад в апертуру концентратора тех областей, проходя сквозь которые, солнечное излучение не концентрируется на фотоприемной области солнечного элемента, а рассеивается или отражается.
i
1
i-1
i-1
i
Границы интервала значений угла β обусловлены тем, что при наклоне i-го переходного краевого участка на величину β, большую arctg (R/F)+90°, лучи, преломленные ближайшей преломляющей поверхностью (i-1), расположенной ближе к оси симметрии, будут пересекаться с i-ым переходным краевым участком, что приведет к увеличению оптических потерь конденсора, а при наклоне i-го переходного краевого участка на величину β, меньшую 90°, увеличатся оптические потери концентратора пропорционально площади проекции i-го переходного краевого участка на основание концентратора.
Полезная модель поясняется чертежом,
где на фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение настоящего концентратора солнечного излучения с указанием хода преломленного солнечного луча с длиной волны, соответствующей краю поглощения солнечного фотоэлемента;
на фиг. 2 показан в аксонометрии настоящий концентратор солнечного излучения.
i
Настоящий концентратор 1 солнечного излучения (фиг. 1-2), имеющий оптическую ось 2, представляет собой набор оптических призм 3 с рабочими поверхностями 4, преломляющими солнечное излучение по типу линзы Френеля, и переходными краевыми участками 5. Концентратор 1 концентрирует солнечное излучение на фотоприемную область солнечного фотоэлемента 6. Переходные краевые участки 5 образуют угол β относительно основания 7 концентратора 1, определяемый формулой:
i
i-1
i-1
90°≤β≤arctg(R/F)+90°.
i
При работе настоящего концентратора 1 солнечного излучения, перпендикулярно падающее на него солнечное излучение, например, луч 8, преломляется на оптических призмах 3 с углом β относительно основания 7, определяемым приведенной выше формулой, не испытывая при этом отражения на переходных краевых участках 5 и не рассеиваясь на дефектах 9, обусловленных ненулевым радиусом резца с помощью которого вытачивают матрицу для изготовления концентратора. Солнечные фотоэлементы 6 преобразуют энергию квантов света в электрическую энергию, создавая разность потенциалов на своих контактах. Вырабатываемая парой концентратор 1 солнечного излучения-солнечный фотоэлемент 6 электроэнергия суммируется с электроэнергией других таких пар и подается к внешнему потребителю или накопителю энергии.