УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
SOLAR ENERGY CONVERSION DEVICE

Изобретение относится к устройству для преобразования солнечной энергии, содержащему улавливающий солнечное излучение блок, содержащий, по меньшей мере, одну линзу, имеющую входную поверхность для падающего солнечного излучения и выходную поверхность для испускания солнечного излучения в преломленной форме к концентрирующему солнечное излучение блоку, содержащему отражающую поверхность для отражения солнечного излучения, падающего на отражающую поверхность с выходной поверхности линзы, по меньшей мере, к одной целевой области концентрирующего солнечное излучение блока.
Такое устройство раскрыто, например, в патенте США № 4230094. В указанном документе раскрыт улавливающий солнечное излучение блок, объединенный с концентрирующим солнечное излучение блоком, имеющим отражающую поверхность. Солнечное излучение, падающее на линзу улавливающего солнечное излучение блока, преломляется под изменяющимися углами и отражается отражающей поверхностью к целевой области, где солнечное излучение улавливается и преобразуется в энергию другого вида.
В осуществлении согласно патенту США № 4230094 целевая область сконфигурирована в виде полой удлиненной трубки, по которой проходит вода. Вода нагревается солнечным излучением, падающим на целевую область, которое концентрируется отражающей поверхностью. Следовательно, солнечная энергия преобразуется в тепловую энергию, а более конкретно в повышение температуры воды, протекающей по трубке.
Конструкция, раскрытая в патенте США № 4230094, характеризуется значительными конструктивными размерами, которые делают конструкцию дорогостоящей и громоздкой и вместе с тем также менее функциональной при использовании. В дополнение к этому указанное преобразующее солнечную энергию устройство характеризуется изменяющейся в широких пределах эффективностью, поскольку преобразование солнечной энергии в энергию другого вида в большой степени зависит от положения солнца.
Задача изобретения определенно заключается в реализации устройства согласно изобретению, посредством которого может быть выполнено эффективное преобразование солнечной энергии при различных положениях солнца и которое, кроме того, имеет небольшие конструктивные размеры.
В соответствии с изобретением устройство для этой цели отличается тем, что устройство содержит позиционирующее средство для осуществления ориентации улавливающего солнечное излучение блока и концентрирующего солнечное излучение блока относительно друг друга путем поворота вокруг, по меньшей мере, одной оси, перпендикулярной к плоскости, образуемой линзой. Поскольку улавливающий солнечное излучение блок и концентрирующий солнечное излучение блок могут быть ориентированы относительно друг друга в зависимости от положения солнца, солнечное излучение, отражаемое отражающей поверхностью, непрерывно концентрируется в одной точке на отражающей поверхности.
По сравнению с неподвижными устройствами, такими как устройство, которое известно из патента США № 4230094, устройство согласно изобретению обеспечивает с большей эффективностью концентрирование и преобразование солнечной энергии в энергию другого вида. По сравнению с перемещающимися устройствами, раскрытыми в ЕР-А-1174658, устройство имеет постоянную форму и является менее сложным, что означает снижение себестоимости и расходов на сооружение. Поэтому устройство может быть использовано везде, например на зданиях.
Согласно первому осуществлению оси поворота улавливающего солнечное излучение блока и концентрирующего солнечное излучение блока являются двумя различными осями, тогда как в другом, более легко управляемом и более компактном устройстве оси поворота улавливающего солнечное излучение блока и концентрирующего солнечное излучение блока совпадают.
Конкретное осуществление отличается тем, что улавливающий солнечное излучение блок и концентрирующий солнечное излучение блок могут быть ориентированы позиционирующим средством относительно друг друга в отдельных плоскостях.
В результате независимого позиционирования улавливающего солнечное излучение блока и концентрирующего солнечное излучение блока в отдельных плоскостях или, иначе говоря, в двух параллельных разнесенных плоскостях оптимальное концентрирование солнечного излучения, преломленного линзой и падающего на отражающую поверхность, осуществляется на одну конкретную целевую область, независимо от положения солнца на небе в течение дня, когда устройство работает.
Таким способом реализуется значительное повышение эффективности, поскольку, оставляя в стороне обычные потери эффективности в различных компонентах, солнечное излучение постоянно концентрируется в одну и ту же точку в результате осуществления ориентации в двух параллельных плоскостях линзы и отражающей поверхности относительно друг друга. Следовательно, одного компонента преобразования солнечной энергии будет достаточно в указанной одной точке, что приводит не только к более простой, но и более дешевой конструкции устройства.
В значительной степени функциональное осуществление устройства согласно изобретению отличается тем, что позиционирующее средство выполнено для осуществления ориентации улавливающего солнечное излучение блока и концентрирующего солнечное излучение блока относительно друг друга на основании текущего положения солнца на небе, оптических характеристик устройства, а также ориентации устройства. Таким способом реализуется полностью автономное устройство, в котором, кроме того, контролируется точная ориентация или поворот улавливающего солнечное излучение блока и концентрирующего солнечное излучение блока относительно друг друга.
Более конкретно, это осуществление также отличается тем, что позиционирующее средство содержит арифметический блок, который выполнен для определения текущего положения солнца на небе на основании географического положения и ориентации на земле, а также даты и времени дня. Таким способом точное положение солнца на небе можно непрерывно определять точно и автономно с тем, чтобы достигать оптимального улавливания солнечной энергии и сконцентрированного отражения солнечной энергии к целевой области.
В функциональном осуществлении изобретения устройство содержит раму, в которой улавливающий солнечное излучение блок и концентрирующий солнечное излучение блок установлены с возможностью поворота.
Надежная и устойчивая ориентация улавливающего солнечное излучение блока и концентрирующего солнечное излучение блока реализуется тем, что направляющая, функционирующая как поверхность скольжения, установлена в раме, и поверх этой направляющей улавливающий солнечное излучение блок и концентрирующий солнечное излучение блок могут быть перемещены позиционирующим средством. Согласно другому осуществлению несколько роликов, поддерживающих улавливающий солнечное излучение блок и концентрирующий солнечное излучение блок, могут быть установлены в раме.
По меньшей мере, один из указанных роликов может приводиться в движение позиционирующим средством или, например, двигателями, которые могут управляться позиционирующим средством. Согласно еще одному осуществлению улавливающий солнечное излучение блок и концентрирующий солнечное излучение блок могут перемещаться поверх направляющей или поверх роликов в раме с помощью ременного привода, который может управляться позиционирующим средством.
Линза согласно конкретному осуществлению линзы характеризуется тем, что входная поверхность линзы является плоской поверхностью.
Чтобы реализовать удовлетворяющее требованиям преломление света, падающего на линзу, по направлению к отражающей поверхности концентрирующего солнечное излучение блока, поверхность линзы на стороне, обращенной в противоположном направлении от солнечного излучения, сконфигурирована как зонированная линза. Более конкретно, выходная поверхность линзы сконфигурирована как зонированная линза с прямолинейными призмами. В сочетании с поворотом линзы вокруг оси фиксированный угол выхода солнечного излучения с выходной поверхности, сконфигурированной в виде зонированной линзы, точнее, в виде зонированной линзы с прямолинейными призмами, реализуется таким способом, независимо от положения солнца на небе и, следовательно, независимо от угла падения солнечного излучения на входную поверхность линзы.
Более конкретно, угол призменной линзы находится в пределах от 15° до 50°, предпочтительно, чтобы он составлял 36°.
Более конкретно, согласно одному осуществлению улавливающий солнечное излучение блок выполнен для испускания солнечного излучения к концентрирующему солнечное излучение блоку при фиксированном угле выхода, находящемся в диапазоне от 15° до 55°, предпочтительно, при угле выхода 36°.
Кроме того, для реализации оптимального улавливания солнечного излучения в районах с умеренными климатическими условиями устройство может быть позиционировано под углом относительно горизонтальной плоскости, предпочтительный угол составляет 45° для Нидерландов.
Хотя предпочтительно поддерживать фиксированный угол устройства относительно горизонтальной плоскости, более универсальное устройство отличается тем, что указанный угол является регулируемым в зависимости от градуса широты места, где устройство расположено. Для Нидерландов этот угол составляет 45°, но на экваторе он равен 0°.
Согласно функциональному осуществлению отражающая поверхность содержит, по меньшей мере, одну вогнутую кривизну. Поэтому реализуется оптимальное отражение солнечного излучения, выходящего с выходной поверхности линзы к точке концентрации. Это приводит к значительному повышению эффективности устройства, поскольку этим путем большее количество падающего солнечного излучения может быть сконцентрировано эффективным образом к компоненту преобразования солнечной энергии, который может быть расположен в целевой области.
вогнутой
отражателя
вогнутая
вогнутую
Однако использование  кривизны может приводить к частичной потере солнечного излучения, выходящего из линзы, между линзой и зеркалом в месте нахождения целевой области, задаваемом кривизной. Для получения эффективного отражения и концентрирования отражающей поверхностью также и этой части солнечного излучения, преломляемого линзой, поверхность (рефлектора) согласно еще одному, более функциональному осуществлению сконфигурирована так, что первая кривизна отражающей поверхности переходит во вторую  кривизну, отличающуюся от указанной первой кривизны, в точке вблизи относящейся к ней целевой области, и эта вторая кривизна аналогичным образом образует целевую область для солнечного излучения. Поэтому свет, выходящий из линзы, эффективно отражается и концентрируется в обеих целевых областях на протяжении всей отражающей области концентрирующего солнечное излучение блока.
Как результат функциональных аспектов устройства, согласно изобретению, в котором максимальное количество солнечного излучения, выходящего из линзы, отражается отражающей поверхностью и концентрируется эффективным образом в целевых областях, будет достаточно располагать в целевых областях только два элемента концентратора солнечного излучения или только один элемент, и в этом случае солнечное излучение, падающее на вторую целевую область, отражается к этому элементу (в добавление к солнечному излучению, падающему на первую целевую область).
Более конкретно, элемент концентратора солнечного излучения расположен на кромке отражателя, и поэтому он перемещается вместе с отражателем в результате осуществления ориентации позиционирующим средством.
Теперь изобретение будет пояснено более подробно со ссылками на чертежи, на которых:
фиг.1а и 1b иллюстрируют два осуществления устройства согласно изобретению;
фиг.2 иллюстрирует еще один вид устройства согласно изобретению;
фиг.3 иллюстрирует график, относящийся к поворотному приводу устройств согласно изобретению;
фиг.4 иллюстрирует местный вид устройства согласно изобретению;
фиг.5а и 5b иллюстрирует два режима работы устройства согласно изобретению;
фиг.6 иллюстрирует местный вид устройства согласно изобретению.
Для лучшего понимания изобретения ниже при описании чертежей аналогичные детали обозначены одинаковыми позициями.
11
На фиг.1а и 1b показаны два осуществления устройств для преобразования солнечной энергии согласно изобретению. Устройство 10 состоит из улавливающего солнечное излучение устройства, схематически представленного в виде линзы , имеющей входную поверхность 11а и выходную поверхность 11b. Линза выполняет функцию улавливания солнечного излучения 1, излучаемого солнцем Z. Как будет описано ниже, солнечное излучение 1 преломляется линзой в соответствии с законом преломления Снеллиуса и отражается в направлении концентрирующего солнечное излучение блока под углом, отличающимся от угла, под которым солнечное излучение 1 падает на входную поверхность 11а.
Концентрирующий солнечное излучение блок представляет собой отражатель 12, снабженный отражающей поверхностью 12а, состоящей, например, из алюминиевого или хромового покрытия.
Линза 11 содержит поверхность линзы, тогда как круговая кромка отражателя 12 также образует поверхность, при этом линза 11 и отражатель 12 расположены таким образом относительно друг друга, что две поверхности, образуемые линзой 11 и отражателем 12, при продолжении остаются разнесенными и даже параллельными. Ось 11' линзы 11 пересекает две воображаемые поверхности перпендикулярно к ним. Эта компоновка, показанная на фиг.1а и 1b, является существенной для понимания, прежде всего, функционирования устройства согласно изобретению.
Как будет пояснено в дальнейшем, угол падения солнечного излучения 1, падающего на входную поверхность 11а, зависит от положения солнца Z на небе. Это схематически показано на фиг.1а и 1b, на которых солнце (обозначенное буквой Z) занимает на небе положение, соответствующее 9.00 до полудня, тогда как солнце, обозначенное буквой Z', занимает положение, соответствующее 13.00 после полудня. Вследствие различных углов падения на входную поверхность 11а солнечного излучения 1 и 1' соответственно (зависящих от положения солнца на небе) свет, преломляемый линзой 11, будет выходить с выходной поверхности 11b по направлению к отражающей поверхности 12а отражателя 12 при различных углах выхода.
Чтобы сконцентрировать и уловить указанное преломленное солнечное излучение 1а, 1а' эффективным образом в целевой области 13, отражающей поверхности 12а отражателя 12 придают параболическую кривизну. Кроме того, в соответствии с изобретением, благодаря ориентации линзы 11 и отражателя 12 относительно друг друга посредством поворота вокруг оси 11', осуществляемого позиционирующим средством (непоказанным), преломленное солнечное излучение 1а, 1а', выходящее из линзы 11, отражающей поверхностью 12 отражается к целевой области 13, расположенной на круговой кромке 12' отражателя 12 (см. фиг.1b).
Хотя целевая область 13 схематически показана на фиг.1а и 1b, элемент концентратора солнечного излучения, например фотоэлектрический элемент, должен быть расположен в целевой области 13. Таким способом все солнечное излучение, падающее на указанный элемент, может быть преобразовано в энергию другого вида, например в электрическую энергию, эффективным образом, если при этом совсем не учитывать потери эффективности. Указанная энергия может быть передана способом, который не относится к настоящему изобретению, на расстояние от целевой области 13 для дальнейшего использования.
На фиг.1а показано, что линза и отражатель 12 могут поворачиваться вокруг оси 11' линзы 11, и это делается таким образом, что может осуществляться поворот линзы 11, который не зависит от поворота отражателя 12.
На фиг.1b показано устройство согласно другому осуществлению, в котором линза 11 и отражатель 12 направляются в одном и том же направлении вокруг оси 11'. С этой целью линза 11 и отражатель 12 установлены в раме 10' (см. фиг.2) и поддерживаются несколькими роликами, или колесами, или подшипниками 15а, 15b соответственно, из которых только один ролик 15а, 15b соответственно показан просто для справки на фиг.1b. Ролики 15a-15b могут приводится в движение подходящими двигателями, например шаговыми двигателями 16a-16b, которые надлежащим образом управляются позиционирующим средством 14.
С другой стороны, линза 11 и отражатель 12 могут быть соответствующим образом повернуты в устройстве посредством ременного привода или при помещении на поверхность скольжения.
Позиционирующее средство 14 выполнено для управления двигателями 16a-16b независимо друг от друга, так что линзу и отражатель 12 можно ориентировать относительно друг друга при различных скоростях поворота вокруг оси 11'.
Поворот линзы 11 и отражателя 12 определяется на основании текущего положения солнца Z (Z' соответственно) на небе, оптических характеристик линзы 11, а также общей ориентации устройства 10 относительно горизонтальной плоскости. Чтобы иметь возможность определять текущее положение солнца Z (Z' соответственно), позиционирующее устройство 14 содержит арифметический блок 14а, который определяет текущее положение солнца Z на небе на основании географического положения и ориентации устройства 10 на земле, а также календарной даты и времени дня.
С этой целью арифметический блок 14а содержит подходящее запоминающее средство и средство обработки данных, такое как математический процессор, а также компьютерную программу для определения текущего положения солнца на небе на основании указанного выше критерия. На основании этого шаговые двигатели 16a-16b управляются позиционирующим средством для осуществления ориентации линзы 11 и отражателя 12 относительно друг друга и относительно солнца Z (Z').
Хотя линза 11 и отражатель 12 показаны на фиг.1а и 1b таким образом, что воображаемые поверхности, образуемые двумя деталями, вытянуты параллельно горизонтальной плоскости, должно быть понятно, что для достижения значительного повышения эффективности должна иметься возможность позиционирования устройства 10 под углом α относительно горизонтальной плоскости 100. Кроме того, при желании указанный угол α может регулироваться соответствующим средством. Таким образом, устройство 10 может быть направлено на солнце также и в районе с умеренными климатическими условиями, в частности зимой, когда интенсивность солнечного излучения является низкой, посредством осуществления соответствующей угловой ориентации его (см. фиг.2).
Кроме того, таким способом количество солнечного излучения, которое является небольшим в течение указанного периода года, может быть уловлено эффективным образом и сконцентрировано в целевую область 13 после преломления и отражения линзой 11 и отражателем 12 соответственно, и сконцентрированная солнечная энергия может быть преобразована в энергию другого вида подходящим солнечным элементом. Угол поворота, на который линза 11 и отражатель 12 должны поворачиваться вокруг оси 11', сильно зависит от географического положения на Земле, угла установки или ориентации устройства относительно горизонтальной плоскости, но прежде всего, от положения солнца и физических свойств линзы.
Устройство согласно изобретению делает возможным значительное повышение эффективности тем, что линза 11 имеет плоскую входную поверхность 11а, тем, что выходная поверхность 11b линзы 11 сконфигурирована как зонированная призменная линза. Это показано на фиг.4, на которой выходная поверхность снабжена прямолинейными канавками 110', вытянутыми параллельно друг другу, в результате чего реализуется выходная поверхность 11b, имеющая вырезы пилообразной формы. Точнее, как показано на фиг.4, 5а и 5b, выходная поверхность 11b сконфигурирована как зонированная линза с прямолинейными призмами.
В частности, повышение эффективности устройства согласно изобретению обеспечивается тем, что линза 11 поворачивается вокруг оси 11' позиционирующим средством 14. Поэтому свет будет все время выходить с выходной поверхности 11b под одним и тем же углом, независимо от положения солнца Z (Z') на небе.
На фиг.4 показана ситуация для случая неподвижной линзы 11. Буквой Z обозначено положение солнца на небе в 9.00 до полудня. После первого преломления на входной поверхности 11а и второго преломления на выходной поверхности 11b падающее солнечное излучение 1 выходит из линзы 11 в виде преломленного солнечного излучения. Когда солнце на небе, показанное в Z', находится в зените в 12.00 (полдень), солнечное излучение 1', которое поступает на входную поверхность под углом 90° падения, будет выходить с выходной поверхности 11b под углом (представленным в виде солнечного луча 1а'), отличающимся от угла выхода солнечного излучения 1а в 9.00 до полудня.
В случае неподвижной линзы 11 падающее солнечное излучение будет преломляться под изменяющимися углами, поэтому, в зависимости от положения солнца, оно также будет отражаться под изменяющимися углами отражающей поверхностью 12b, расположенной под линзой 11. В случае неподвижной линзы 11 удовлетворяющая требованиям или эффективная концентрация солнечного излучения 1а-1а' в одну целевую область 13 невозможна. Как показано на фиг.5b, благодаря повороту линзы вокруг оси 11' постоянный угол выхода может быть реализован для выходящего света 1а-1а' путем непрерывного изменения ориентации поверхности 11b зонированной призменной линзы.
Эксперименты показали, что для солнечного излучения 1а-1а' фиксированный угол выхода может быть реализован при солнечном излучении, падающем на плоскую входную поверхность 11а линзы 11 под углом 20-90°. Если все устройство 10 направить на юг под углом α, составляющим 45°, солнечное излучение можно улавливать эффективным образом, например, в Нидерландах от 7.30-8.00 до полудня, до 16.00-16.30 после полудня и концентрировать в целевую область 13 после преломления и отражения.
Для достижения полезного действия фиксированного угла выхода выходящего солнечного излучения 1а-1а' поворот линзы 11 должен вычисляться арифметическим блоком 14а. Как уже упоминалось выше, в дополнение к текущему положению солнца на небе также играют роль оптические характеристики линзы 11 и ориентация устройства 10 относительно горизонтальной плоскости.
Линза 11 может быть изготовлена из стекла, перспекса (полиметилметакрилата), поликарбоната или другого подходящего прозрачного и долговечного материала. Перспекс и поликарбонат являются пластиками, которые легко обрабатываются в форме. Линза 11 согласно предпочтительному осуществлению имеет плоскую входную поверхность 11а и снабжена зубцами, предпочтительно прямолинейными зубцами (вырезками пилообразной формы), так что выходная поверхность 11b сконфигурирована как зонированная линза с прямолинейными призмами.
На эффективности линзы 11 отрицательно сказывается, в частности, отражение на плоской входной поверхности 11а, потери на прохождение солнечного излучения через линзу 11 к выходной поверхности 11b, возможное отражение солнечного излучения на выходной поверхности 11b и потеря солнечного излучения, обусловленная зубчатым профилем выходной поверхности 11b, сконфигурированной в виде зонированной призменной линзы.
Эксперименты показали, что в районах с умеренными климатическими условиями, например в Нидерландах, солнечное излучение 1 направляется на отражатель 12 с максимальной степенью эффективности при использовании линзы 11, имеющей угол 36° призменной линзы и фиксированный угол 36° выхода по направлению поверхности 12b линзы, при этом все устройство ориентировано к югу под углом 45°.
На графике на фиг.3 показаны углы поворота линзы 11 (и отражателя 12) при различных положениях солнца на небе 21 июня (в Нидерландах) для такой конфигурации линзы. На указанном графике часы дня (в этом случае 21 июня) отложены по горизонтальной оси, а конкретные углы поворота линзы 11 и отражателя 12 для каждого момента времени отложены по вертикальной оси. Указанные углы поворота определены на основании арифметической модели (или вычислительной программы), которая реализована арифметическим блоком 14а на основании различных положений солнца Z на небе 21 июня.
Было обнаружено, что при ориентации на юг под углом 45° (в Нидерландах) и углах падения солнечного излучения от 20° до 90° линза, имеющая максимальную среднюю эффективность (в течение всего дня), получается, если линза снабжена поверхностью 11b зонированной призменной линзы, имеющей угол 36° линзы и фиксированный угол выхода от 15° до 55°, предпочтительно 36°, который имеет место при этих различных положениях солнца на небе. В случае этой линзы таким путем достигается степень эффективности, составляющая 77%.
Чтобы получить эффективную концентрацию солнечного излучения 1а-1а' на отражающей поверхности 12b и сконцентрированное отражение солнечного излучения 1а-1а' к целевой области 13, отражающей поверхности 12b отражателя 12 придают, по меньшей мере, одну вогнутую кривизну, например параболическую или гиперболическую кривизну. Поэтому отражение происходит в фокус вогнутой кривизны. В этом случае отражатель 12 также может быть изготовлен из пластика, идентичного пластику линзы 11, при этом отражатель 12 покрывают отражающим материалом, таким как алюминиевое или хромовое покрытие.
Отражатель 12 также может быть изготовлен из металла, однако в этом случае отражающую поверхность 12b необходимо отполировать. Кроме того, в этом случае должна быть учтена потеря эффективности при отражении выходящего солнечного излучения 1а-1а' на отражающей поверхности. Однако имеются доступные покрытия и другие отражающие материалы, которые отражают свыше 95% падающего солнечного излучения.
Если отражатель 12 сконструирован так, что отражающая поверхность 12а выполнена с одной вогнутой кривизной, то часть падающего из линзы 11 света будет теряться после отражения отражающей поверхностью 12а. В частности, область вблизи места расположения целевой области 13 (солнечного элемента 13) будет отражать недостаточно солнечного излучения по направлению целевой области. Чтобы отражение падающего света в этой области отражателя 12 вблизи целевой области 13 было в той же степени эффективным, первую вогнутую кривизну (обозначенную А на фиг.6) совмещают со второй вогнутой кривизной (обозначенной В), при этом вторая вогнутая кривизна заметно отличается по форме от первой вогнутой кривизны.
Путем конфигурирования отражающей поверхности 12а в виде двух вогнутых криволинейных поверхностей, сливающихся друг с другом, реализуется дополнительное повышение эффективности всей системы, поскольку падающее солнечное излучение 1" вблизи целевой области 13 все же может быть уловлено после преломления и отражения (как солнечное излучение 1а") солнечным элементом (фотоэлектрическим элементом), расположенным в целевой области 13, или солнечным элементом (фотоэлектрическим элементом), расположенным в другой целевой области.
Таким способом реализуется предельно функциональное устройство, предназначенное для преобразования солнечного излучения, в котором оптимальная проекция солнечного излучения на отражающую поверхность 12а обеспечивается поворотом линзы 11 и имеющего особую форму отражателя 12 относительно друг друга вокруг оси 11' линзы 11, и это солнечное излучение концентрируется отражателем и направляется к целевой области.