СПОСОБ ФОКУСИРОВКИ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ
METHOD FOR FOCUSING OF WAVE FIELD

Изобретение относится к области оптики, в частности к способам и средствам преобразования волнового поля с обеспечением возможности его фокусировки.
Преимущественная сфера использования - гелиоэнергетика.
Из уровня техники известен способ фокусировки волнового поля, заключающийся в том, что волновое поле трансформируют в два пространственно разделенных потока излучения с исходным направлением лучей в одном из них. Каждый из сформированных потоков отклоняют на заданные из условия фокусировки углы в одной из двух, последовательно расположенных по ходу лучей, зон волнового поля. Упомянутые зоны пространственно выделяют (ограничивают) посредством размещения в них индивидуального упорядоченного набора идентичных по конфигурации (для соответствующего набора) фокусирующих структур в виде последовательности дискретных функциональных элементов с отражающими поверхностями. Совокупность действующих апертур дискретных функциональных элементов образует входную и выходную апертуры соответствующего упорядоченного набора в целом. При этом упомянутое трансформирование волнового поля осуществляют посредством первого расположенного по ходу лучей упорядоченного набора фокусирующих структур (патент RU, №2210039 С2, 2003 г.).
К недостаткам данного известного из уровня техники способа фокусировки можно отнести следующее:
- значительные габариты в осевом направлении оптического модуля, реализующего способ, ввиду осуществления, согласно способу, пространственного разнесения фокальных областей и, соответственно, приемников излучения;
- неэффективное (с энергетической точки зрения) распределение диаграммы направленности потока излучения в зоне функциональной поверхности приемника, ввиду ее пространственной ограниченности областью вблизи нормали к этой поверхности, и как следствие, повышенные энергопотери и снижение коэффициента полезного действия;
- относительно низкая устойчивость энергосистемы к ветровым нагрузкам и, как следствие, конструктивно-технологическое ограничение эффективной площади ее оптической компоненты, влекущее за собой снижение мощности энергосистемы в целом.
Техническим результатом заявленного способа фокусировки волнового поля является:
- уменьшение габаритных параметров системы путем совмещения фокальных пятен упорядоченных наборов фокусирующих элементов в одной области пространства, ограниченной упомянутыми наборами;
- оптимизация эффективности (с энергетической точки зрения) распределения диаграммы направленности потока излучения в зоне функциональной поверхности приемника, путем обеспечения ее симметричности относительно нормали к этой поверхности, и как следствие, снижение энергопотерь и повышение коэффициента полезного действия;
- повышение устойчивости энергосистемы к ветровым нагрузкам и, как следствие, обеспечение возможности увеличения эффективной площади оптической компоненты, влекущее за собой повышение мощности энергосистемы в целом.
Указанный технический результат достигается посредством того, что в способе фокусировки волнового поля, заключающемся в том, что волновое поле трансформируют в два пространственно разделенных потока излучения с исходным направлением лучей в одном из них, каждый из которых отклоняют на заданные из условия фокусировки углы в одной из двух, последовательно расположенных по ходу лучей, зон волнового поля, каждую из которых пространственно выделяют посредством размещения в ней упорядоченного набора идентичных по конфигурации, для этого набора, фокусирующих структур в виде последовательности дискретных функциональных элементов с отражающими поверхностями, совокупность действующих апертур которых образует входную и выходную апертуры соответствующего упорядоченного набора в целом, при этом упомянутое трансформирование волнового поля осуществляют посредством первого расположенного по ходу лучей набора фокусирующих структур, согласно изобретению:
- фокусирующие структуры в упомянутых наборах выполняют спиралевидной формы с увеличивающейся от центра входной (или выходной) апертуры к их периферии протяженностью (в меридиональном сечении), отражающих поверхностей упомянутых дискретных функциональных элементов, последовательность которых формируют в фокусирующие структуры ступенчатой формы и пространственно организуют с возможностью образования совокупностью их действующих апертур упомянутых входных и выходных апертур наборов со свойствами вращательной симметрии, для чего фокусирующие структуры в упорядоченных наборах распределяют инвариантно относительно вращения с постоянным по углу шагом вокруг оси вращательной симметрии (проходящей через центры соответствующих апертур);
- относительную угловую ориентацию фокусирующих структур в наборах осуществляют таким образом, чтобы тень (теневая проекция) от n-й фокусирующей структуры первого по ходу лучей упорядоченного набора располагалась между n-1-й и n+1-й фокусирующей структурой второго упорядоченного набора, частично их закрывая;
- фокусирующие структуры в каждом из упорядоченных наборов структурно-пространственно организуют из условия обеспечения отклонение образованных потоков излучения на упомянутые (заданные из условия фокусировки) углы с возможностью формирования общего (для обоих наборов фокусирующих структур) фокального пятна в пространстве между этими наборами;
- для этого пространственную конфигурацию наборов фокусирующих структур формируют так, что для первого расположенного по ходу излучения набора огибающая этот набор поверхность со стороны входной апертуры является выпуклой, со стороны выходной апертуры - вогнутой, а для второго набора огибающая его поверхность со стороны входной апертуры является вогнутой, а с внешней стороны - выпуклой;
- при этом радиусы кривизны меридиональных сечений отражающих поверхностей вышеупомянутых дискретных функциональных элементов в каждой фокусирующей структуре связаны следующей зависимостью:
i
0
i
R=kR,
i
где R - радиус кривизны меридионального сечения отражающей поверхности i-го дискретного функционального элемента фокусирующей структуры, (мм);
0
R - радиус кривизны меридионального сечения отражающей поверхности максимально удаленного от оси вращательной симметрии дискретного функционального элемента фокусирующей структуры, (мм);
k - коэффициент пропорциональности, индивидуальный для каждого набора, при этом k<1;
i - порядковый номер дискретного функционального элемента фокусирующей структуры.
Как правило, упомянутое трансформирование волнового поля осуществляют без изменения его исходной спектральной структуры в образованных пространственно разделенных потоках излучения.
Оптимально, чтобы протяженность отражающих поверхностей дискретных функциональных элементов фокусирующих структур в меридиональных сечениях была выбрана из условия минимального затенения одной из смежных фокусирующих структур другой.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте изобретения, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодателству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию условию патентоспособности «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.
В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования известного объекта-прототипа:
- дополнение известного объекта каким-либо известным признаком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этого признака функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных признаков в известном объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких признаков;
- выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание объекта, включающего известные признаки, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами признаков этого объекта и связей между ними.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию условия патентоспособности «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
Фиг.1 - схема расположения фокусирующих структур в упорядоченных наборах, образующих в совокупности, оптический модуль для реализации способа (меридиональное сечение).
Фиг.2 - изображение оптического модуля в сборе (вид спереди, дискретные функциональные элементы фокусирующих структур условно не показаны).
Фиг.3 - изображение оптического модуля в сборе (вид сбоку, дискретные функциональные элементы фокусирующих структур условно не показаны).
Фиг.4 и Фиг.5 - изображения одного из наборов фокусирующих структур ступенчатой формы, сформированные последовательностями дискретных функциональных элементов.
Фиг.6 - одиночная фокусирующая структура.
Структурно-конструктивные элементы оптического модуля для реализации заявленного способа обозначены нижеуказанными позициями.
1 - поле волновое (условно обозначен один его луч).
2 - поток излучения (первый из пространственно разделенных потоков, условно обозначен один из его отклоняемых из условия фокусировки лучей).
3 - поток излучения (второй из пространственно разделенных потоков, условно обозначен один из его отклоняемых из условия фокусировки лучей).
4 - структура фокусирующая (первого упорядоченного набора).
5 - структура фокусирующая (второго упорядоченного набора).
6 - элемент функциональный дискретный (фокусирующей структуры).
7 - поверхность отражающая (дискретного функционального элемента).
8 - ось вращательной симметрии.
9 - пятно фокальное.
10 - приемник излучения.
С физической точки зрения существо способа фокусировки волнового поля заключается в следующем.
Исходное волновое поле 1 трансформируют в два пространственно разделенных потока 2 и 3 излучения с исходным направлением лучей в одном из них (в частности, потоке 3 по фиг.1). Каждый из сформированных потоков 2 и 3 отклоняют на заданные из условия фокусировки углы в одной из двух, последовательно расположенных по ходу лучей, зон волнового поля. Упомянутые зоны волнового поля 1 пространственно выделяют посредством размещения в них индивидуальных упорядоченных наборов идентичных по конфигурации (для соответствующего набора) фокусирующих структур 4 и 5 в виде последовательности дискретных функциональных элементов 6 с отражающими поверхностями 7. Совокупности действующих апертур дискретных функциональных элементов 6 образует входную и выходную апертуры соответствующего упорядоченного набора в целом. При этом упомянутое трансформирование волнового поля 1 (в два пространственно разделенных потока 2 и 3 излучения) осуществляют посредством первого расположенного по ходу излучения набора фокусирующих структур 4.
Фокусирующие структуры 4 и 5 в упомянутых наборах выполняют спиралевидной формы с увеличивающейся от центра входной (или выходной) апертуры к их периферии протяженностью (в меридиональном сечении) отражающих поверхностей 7 дискретных функциональных элементов 6, последовательность которых формируют в фокусирующие структуры 4 и 5 ступенчатой формы. Последовательность дискретных функциональных элементов 6 пространственно организуют с возможностью образования совокупностью их действующих апертур упомянутых входных и выходных апертур наборов со свойствами вращательной симметрии. Для этого фокусирующие структуры 4 и 5 в упорядоченных наборах распределяют инвариантно относительно вращения с постоянным по углу шагом вокруг оси 8 вращательной симметрии (проходящей через центры соответствующих апертур).
Относительную угловую ориентацию фокусирующих структур 4 и 5 в наборах осуществляют таким образом, что тень (теневая проекция) от n-й фокусирующей структуры 4 первого по ходу лучей упорядоченного набора располагается между n-1-й и n+1-й фокусирующими структурами 5 второго упорядоченного набора, частично их закрывая.
Фокусирующие структуры 4 и 5 в каждом из упорядоченных наборов структурно-пространственно организуют из условия обеспечения отклонение образованных потоков 2 и 3 излучения на упомянутые (заданные из условия фокусировки) углы с возможностью формирования общего (для обоих наборов фокусирующих структур 4 и 5) фокального пятна 9 в пространстве между этими наборами.
Для этого пространственную конфигурацию наборов фокусирующих структур 4 и 5 формируют так, что для первого расположенного по ходу излучения набора огибающая этот набор поверхность со стороны входной апертуры является выпуклой, со стороны выходной апертуры - вогнутой, а для второго набора огибающая его поверхность со стороны входной апертуры является вогнутой, а с внешней стороны - выпуклой.
При этом радиусы кривизны меридиональных сечений отражающих поверхностей 7 вышеупомянутых дискретных функциональных элементов 6 в каждой фокусирующей структуре 4 и 5 связаны следующей зависимостью:
i
0
i
R=kR,
i
где R - радиус кривизны меридионального сечения отражающей поверхности i-го дискретного функционального элемента фокусирующей структуры, (мм);
0
R - радиус кривизны меридионального сечения отражающей поверхности максимально удаленного от оси вращательной симметрии дискретного функционального элемента фокусирующей структуры, (мм);
K - коэффициент пропорциональности, индивидуальный для каждого набора (при этом, k<1);
i - порядковый номер дискретного функционального элемента фокусирующей структуры.
Упомянутое трансформирование волнового поля 1 осуществляют без изменения его исходной спектральной структуры в образованных пространственно разделенных потоках 2 и 3 излучения.
Оптимально, чтобы протяженность отражающих поверхностей 7 дискретных функциональных элементов 6 фокусирующих структур 4 и 5 в меридиональных сечениях была выбрана из условия минимального затенения одной из смежных фокусирующих структур 4 или 5 другой в соответствующем упорядоченном наборе.
Заявленный способ может быть реализован посредством нижеописанного оптического модуля для преобразования (в частности, фокусировки) волнового поля 1.
Оптический модуль для преобразования волнового поля 1, включает: средство трансформирования волнового поля 1 в два пространственно разделенных потока 2 и 3 излучения с возможностью сохранения исходного направления лучей в одном из них (в частности, потоке 3 по фиг.1); средства отклонения каждого из сформированных пространственно разделенных потоков 2 и 3 на заданные из условия фокусировки углы в одной из двух (последовательно расположенных по ходу лучей) зон волнового поля 1, каждое из которых сформировано посредством упорядоченного набора идентичных по конфигурации (для этого набора) фокусирующих структур 4 и 5 в виде последовательности дискретных функциональных элементов 6 с отражающими поверхностями 7. Совокупность действующих апертур дискретных функциональных элементов 6 образует входную и выходную апертуры соответствующего упорядоченного набора в целом. При этом в качестве средства упомянутого трансформирование волнового поля 1 (в два пространственно разделенных потока 2 и 3 излучения) функционально используется первый расположенный по ходу лучей набор фокусирующих структур 4 и 5.
Фокусирующие структуры 4 и 5 в упомянутых наборах выполнены спиралевидной формы с увеличивающейся от центра входной или выходной апертур к их периферии протяженностью (в меридиональном сечении) отражающих поверхностей 7 упомянутых дискретных функциональных элементов 6. Последовательность элементов 6 сформирована в фокусирующие структуры 4 и 5 ступенчатой формы и пространственно организована с возможностью образования совокупностью действующих апертур элементов 6 упомянутых входных и выходных апертур наборов со свойствами вращательной симметрии. Для этого фокусирующие структуры 4 и 5 в упорядоченных наборах распределены инвариантно относительно вращения с постоянным по углу шагом вокруг оси 8 вращательной симметрии, проходящей через центры соответствующих апертур.
Относительная угловая ориентация фокусирующих структур 4 и 5 в наборах осуществлена таким образом, что тень (теневая проекция) от n-й фокусирующей структуры 4 первого по ходу лучей упорядоченного набора располагается между n-1-й и n+1-й фокусирующими структурами 5 второго упорядоченного набора, частично их закрывая.
Фокусирующие структуры 4 и 5 в каждом из упорядоченных наборов структурно-пространственно организованы из условия обеспечения отклонения образованных потоков 2 и 3 излучения на упомянутые заданные (из условия фокусировки) углы с возможностью формирования общего для обоих наборов фокусирующих структур 4 и 5 фокального пятна 9 в пространстве между этими наборами.
Для этого:
- пространственная конфигурация наборов фокусирующих структур 4 и 5 сформирована так, что для первого расположенного по ходу излучения набора огибающая этот набор поверхность со стороны входной апертуры является выпуклой, со стороны выходной апертуры - вогнутой, а для второго набора огибающая его поверхность со стороны входной апертуры является вогнутой, а с внешней стороны - выпуклой;
- при этом радиусы кривизны меридиональных сечений отражающих поверхностей 7 вышеупомянутых дискретных функциональных элементов 6 в каждой фокусирующей структуре 4 и 5 связаны следующей зависимостью:
i
0
i
R=kR,
i
где R - радиус кривизны меридионального сечения отражающей поверхности i-го дискретного функционального элемента фокусирующей структуры, (мм);
0
R - радиус кривизны меридионального сечения отражающей поверхности максимально удаленного от оси вращательной симметрии дискретного функционального элемента фокусирующей структуры, (мм);
k - коэффициент пропорциональности, индивидуальный для каждого набора, при этом, k<1;
i - порядковый номер дискретного функционального элемента фокусирующей структуры.
Протяженность отражающих поверхностей 7 дискретных функциональных элементов 6 фокусирующих структур 4 и 5 в меридиональных сечениях выбрана из условия минимального затенения (в каждом наборе) одной из смежных фокусирующих структур 4 или 5 другой смежной с ней структурой 4 или 5, соответственно.
В идеальном варианте отражающие поверхности 7 дискретных функциональных элементов 6 фокусирующих структур 4 и 5 представляют собой участки поверхностей вращения второго порядка (например, эллипсоида, параболоида, гиперболоида). Однако ввиду технологической сложности реализации указанных поверхностей такой формы, на практике они могут быть доведены посредством аппроксимации до участков цилиндрических, конических и даже плоских поверхностей при определенной модификации соответствующих геометрических параметров отражающих поверхностей 7 дискретных функциональных элементов 6 (в предельном случае - до размеров штрихов дифракционной решетки).
Совершенно очевидно, что вышеописанный оптический модуль (ввиду обратимости хода лучей) можно на практике использовать и в качестве коллиматора излучения точечного источника, расположенного в области общего фокального пятна 9. Коллиматор вышеописанной конструкции позволяет трансформировать практически весь поток излучения источника (т.е., поток, распространяющийся в полном телесном угле за вычетом малого угла вблизи оси, используемого для размещения системы крепления источника излучения) в направленный, в том числе, параллельный пучок света, повышая эффективность использования источника объемного излучения.
Упорядоченные наборы фокусирующих структур 4 и 5 (образующих в совокупности концентрирующий излучение оптический модуль) допустимо одновременно функционально использовать как в качестве гелиоэнергетического преобразователя (при условии расположения в области фокального пятна 9 приемника 10 излучения с преобразованием тепловой энергии в электрическую), так и в качестве ветродвигателя ветроэнергетической установки (при условии обеспечения вращения оптического модуля относительно оси 8 вращательной симметрии), поскольку конструктивно-пространственная организация упорядоченных наборов фокусирующих структур 4 и 5, по существу, представляет собой ветряное колесо, для которого ветровая нагрузка не является критичным параметром функционирования. Кроме того, снижение влияния ветровой нагрузки на условия функционирования энергосистемы в целом позволяет увеличить эффективную площадь ее оптической компоненты и, соответственно, повысить выходную мощность системы.
В частности, фиг.1 можно рассматривать как меридиональное сечение солнечного оптического модуля с указанием хода лучей от солнца до приемника 10 излучения. В качестве приемника 10 может быть использован термоэмиссионный преобразователь с приемным окном на боковой поверхности цилиндра. Утолщенными линиями показаны меридиональные сечения отражающих фокусирующих структур 4 и 5 сборного солнечного концентратора (оптического модуля) вращательной симметрии.
Преимущественная область использования заявленного технического решения - средние мощности. Габариты концентратора 1-3 метра, выходная мощность 300 Вт - 3 КВт, коэффициент концентрации от 30 до 300. В силу своих конструктивных особенностей предлагаемый концентратор (по отношению к известным из уровня техники) будет обладать большей жесткостью, большей устойчивостью к ветровым нагрузкам (при условии его установки с возможностью вращения вокруг оси вращательной симметрии), меньшим весом и меньшей чувствительностью к погрешностям системы наведения. Упрощаются также требования к системе охлаждения, т.к. радиатор находится за концентратором и его размеры не критичны (отсутствует виньетирование).
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в различных отраслях промышленности, преимущественно, для обеспечения фокусировки волнового поля с целью концентрации энергии потока электромагнитного излучения на приемнике этого излучения и последующего его преобразования в электроэнергию, например, в области гелио- и ветроэнергетики;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.