Неподвижный концентратор солнечного излучения с оптическим способом наведения
FIXED SOLAR RADIATION CONCENTRATOR WITH OPTICAL METHOD OF ALIGNMENT

Изобретение относится к области солнечной энергетики или солнечным оптоволоконным осветительным приборам, а именно к приборам, увеличивающим концентрацию солнечного излучения.
Известно, что экологически чистую солнечную световую энергию можно преобразовывать в электроэнергию с помощью солнечных батарей или фотоэлектронных преобразователей (ФЭП). Для увеличения коэффициента полезного действия (КПД) ФЭП применяют линзовые концентраторы на основе сферических или линейных линз Френеля (например, РФ 2353865 или Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 12, с. 87-94). Однако при перемещении солнца по небосводу у таких концентраторов происходит смещение фокусного пятна концентрированного света. Поэтому их нужно постоянно наводить на солнце, и они используются только совместно с механическими системами слежения. Механические системы слежения - это сложные, громоздкие, дорогостоящие и малонадежные устройства, обычно основанные на применении электрического привода, требующие электропитания, смазки редукторов, их герметизации для защиты от дождя и пыли.
Относительно недавно для освещения помещений естественным светом стали использовать гибридные оптоволоконные устройства. Концентратор в этих устройствах фокусирует солнечные лучи во входной торец оптоволоконного кабеля, по которому свет транспортируется затем в освещаемое помещение. Для концентрации света в солнечных оптоволоконных осветительных приборах чаще всего используют систему Кассегрена на основе параболоидных зеркал (Energies 2015, 8, 7185-7201). Эти устройства также содержат систему позиционирования, которая поворачивает зеркала в течение дня, постоянно направляя их на солнце, как это делает всем известный подсолнух. Наличие электроприводной системы слежения за солнцем (патентРФ 2579169), требует внешнего электропитания, подводимого от сети или получаемого от преобразования световой энергии в энергию электрическую. Такие устройства являются сложными и дорогостоящими. Стоимость таких систем достигает 16 тыс. долларов, а их установка колеблется от 500 до 2000 долларов. Высокая цена, сложность обслуживания, необходимость во внешнем электропитании, небольшая мощность, из-за ограниченной площади концентратора, большой вес концентратора и существенная ветровая нагрузка являются основными недостатками данных систем. Тем не менее, несмотря на внушительные цены, по прогнозам экспертов к 2020 г. в США планируется продать более 5000 гибридных оптоволоконных систем освещения.
Известны механические системы позиционирования, которые работают на эффекте температурного расширения материалов (РФ 2468288). Они более простые, чем электроприводные системы, однако эффект температурного расширения материалов обеспечивает малый угол поворота концентратора и не позволяет осуществлять слежение за солнцем в течение всего светового дня. Кроме того, такой концентратор очень чувствителен к ветру и другим внешним механическим воздействиям.
Известны также и другие простые конструкции неподвижных концентраторов, например устройства, предложенные в патентах: United States Patent 3,780,722 или US 2012/0154941 А1. Для упрощения в таких концентраторах применяются только фоконы либо специальные призмы, образующие матричные поверхности для сбора света и его дальнейшей транспортировки по оптическим каналам. Однако такие концентраторы обладают большой массой и низкой эффективностью. Они не могут обеспечить высокую плотность светового потока в оптоволоконном жгуте из-за ограниченной числовой апертуры фоконов. При большой входной и малой выходной площадях торцов фоконов с каждым последующим отражением от его стенок у световых лучей увеличивается угол отражения. Когда этот угол достигнет 90 градусов, продвижение лучей по фокону прекращается, затем лучи разворачиваются в обратном направлении и выходят через входной торец. Поэтому такие концентраторы не позволяют обеспечивать передачу больших световых потоков по тонкому оптоволокну.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является неподвижный концентратор (коллектор), в котором для увеличения плотности светового потока совместно с фоконом используется сужающая линза (патент РФ на ПМ №102747). Однако такой концентратор имеет небольшой угол по азимуту, т.е. обеспечивает малое время слежения за солнцем в течение дня. Он хорошо работает только в полуденное время. У линейной линзы фокусное световое пятно представляет собой не точку, а прямую линию. Поэтому такой концентратор хорошо сужает световой поток только в одной вертикальной плоскости и гораздо хуже концентрирует в плоскости дневного перемещения солнца по небосводу. Изгиб линзы или изменение ее толщины в плоскости симметрии дают не большой эффект для снижения потерь световой энергии от некачественной фокусировки света на входной торец фокона, или ФЭП. При перемещении солнца по небосводу фокусное световое пятно будет вытянуто в форме ромба и оно все равно будет смещаться в течение дня по фокусной линии. При этом входной торец фокона необходимо выполнять в форме эллипсавытянутого вдоль фокусной линии, либо использовать плоский фоконный жгут. И то, и другое ведет к увеличению числовой апертуры, увеличивает площадь сечения оптического волокна или снижает плотность светового потока на приемном элементе ФЭП, а значит, снижает его КПД. Такие концентраторы также имеют большую массу и большой расход материала при изготовлении линз.
Техническим результатом заявляемого изобретения является существенное увеличение плотности выходного светового потока, снижение стоимости неподвижного концентратора, снижение массы концентратора и материалов на его изготовление. Кроме того, достигается уменьшение ветровой нагрузки, увеличение времени работы концентратора в течение дня, увеличение срока службы и надежности при его полной независимости от электричества.
Сущность изобретения.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом неподвижном концентраторе применен оптический способ наведения светового потока на входной торец фокона (Фиг. 1). Этот способ основан на последовательном сужении светового потока в двух перпендикулярных плоскостях с помощью тонких линейных линз Френеля. Поток солнечного света сначала сужается в вертикальной плоскости с помощью специальной изогнутой вдоль оси симметрии короткофокусной линейной линзы Френеля (1). В фокусе этой линзы расположен ряд полосковых несимметричных длиннофокусных линз Френеля (2). Они сужают световой поток в перпендикулярной плоскости (плоскость суточного движения солнца) до размеров входного торца фокона или фоконого жгута. Эти полосковые несимметричные линзы Френеля сдвинуты в продольном направлении относительно друг друга на небольшой шаг, равный размеру входного торца фокона. Такое смещение полосковых линз образует структуру в виде лесенки (Фиг. 2). После прохождения через полосковую линзу (2), расположенную в фокусе линзы (1), световой поток опять расширяется в вертикальной (сезонной) плоскости (Фиг. 3). Далее, после короткофокусной линейной линзы Френеля (3) световой поток опять сужается в вертикальной (сезонной) плоскости до размеров входного торца фокона (4). Линза (3) имеет фокусное расстояние немного меньшее, чем у линзы (1). При использовании же одинаковых линз (1) и (3) световые лучи опять были бы параллельными. В суточной плоскости световой поток постепенно сужается за счет длиннофокусных полосковых линз Френеля (2). Таким образом, как сужение светового потока, так и его наведение на входной торец фокона (4) в данном концентраторе осуществляется оптическим способом, а не механическим. Это в значительной степени повышает его надежность и срок службы, снижает вес и стоимость.
Экспериментальные исследования физической модели концентратора (Фиг.5) показали хорошие результаты. Эксперимент проводился в Москве, в ясную солнечную погоду, в июле месяце, в полдень. В качестве 1-й и 3-й линзы использовались изогнутые линейные линзы Френеля из силиконовой резины (коэффициент преломления n=1,4), наклеенные на пластины из поликарбоната. Линзы (1) и (3) выполняли сужение в вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости суточного движения солнца (размер линз 25×200 мм). Полосковая 2-я линза выполняла сужение светового потока в плоскости суточного движения солнца. Она была набрана из 20-ти полосок с размером 2×150 мм, приклеенных к пластине из поликарбоната. Размеры и смещение фокусного светового пятна не превышали 7 мм в течение 3-х часов. Это смещение можно уменьшить до 3 мм, если уменьшить ширину полосок 2-й линзы до 1 мм, при этом количество полосок увеличится до 40 штук, а шаг «лесенки» уменьшится в 2 раза.
Экспериментальные исследования компьютерной модели (Фиг. 6) в программе Тrace Pro также показали хорошие результаты. Более 85% входных лучей достигали выходного торца фокона и менее 15% лучей были потеряны, в основном из-за эффекта оптической аберрации. Эти результаты могут быть в дальнейшем улучшены за счет оптимизации параметров линз.
2
2
На Фиг. 7 приведена фотография цветной картины (холст, масло 20×30 см), которая освещалась в абсолютно темном помещении с помощью концентратора с входной площадью всего 0,005 м (или 50 см) рассеивающей линзы (9) и полимерного оптоволоконного волокна (10) с диаметром 1 мм и длиной 10 м. По оптическому волокну (10) солнечный свет транспортировался в темное помещение и там рассеивался линзой (9).
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На  фиг. 1 изображен куполообразный неподвижный концентратор с оптическим способом наведения света. Разрез выполнен в плоскости дневного перемещения солнца по небосводу, поэтому видно только концентрирование и направление светового потока на фоконный жгут полосковыми линзами Френеля (2). В полдень световой поток сужается без изменения его направления. В утренние часы и в вечернее время световой поток сужается полосковыми линзами Френеля (2) и одновременно меняет свое направление, постоянно концентрируясь на входном торце фоконного жгута (4). Сужения светового потока в вертикальной плоскости линзами (1) и (3) на фиг. 1 не заметно.
На  фиг. 2 изображен фронтальный вид на полосковые линзы Френеля (2). Каждая из полосковых линз Френеля фокусирует и направляет свет на входной торец фокона в течение небольшого дневного времени. После перемещения солнца по небосводу, фокусная линия смещается на соседнюю полосковую линзу, которая фокусирует и направляет световой поток на входной торец фокона под другим углом. Положение светового пятна (линии) в полдень (5) совпадает с центральной полосковой линзой, утром эта линия находится на нижней полосковой линзе, а вечером - на верхней полосковой линзе.
На  фиг. 3 приведена схема сужения светового потока в другой, вертикальной, (сезонной) плоскости или в плоскости «угла места» солнца. Эта плоскость перпендикулярна плоскости суточного перемещения солнца. После прохождения короткофокусной линейной линзы Френеля (3) световой поток медленно сужается в вертикальной плоскости и достигает размеров входного торца фокона (4), который расположен в фокусе длиннофокусных полосковых линз Френеля (2). Фокусное расстояние линейной линзы (3) должно быть немного меньше, чем у линзы (1), в противном случае, при одинаковых линзах (1) и (3), в сезонной плоскости световые лучи будут снова параллельными.
На  фиг. 4 изображен объемный вид концентратора, поясняющий принцип его работы. На данной фигуре направление светового потока на концентратор соответствует вечернему времени суток. Линия симметрии (7) линейных линз Френеля (1) и (3) сдвинута на угол (8) относительно линии суточного движения солнца по небосводу (6). Этот угол расхождения (8) обеспечивает последовательное смещение фокусной линии линзы (1) с одной полосковой линзы (2) на другую полосковую линзу в течение светового дня. Таким образом, каждая полосковая линза (2) концентрирует и наводит световой поток на фокон в течение небольшого времени, пока световое пятно находится на входном торце фокона (4). Затем фокусная линия постепенно смещается на соседнюю полосковую линзу, у которой угол преломления света немного отличается от предыдущей полосковой линзы Френеля на величину одного шага. В полдень линии (6) и (7) пересекаются и фокусная линия будет совпадать с центральной симметричной полосковой линзой Френеля (5). Эта линза фокусирует световой поток на входной торец фокона (4), не меняя направление светового потока.
На  фиг. 5 приведены две фотографии экспериментальной установки концентратора с оптическим способом наведения. Концентратор установлен на штативе, который позволяет изменять его положение по азимуту и углу места. Фокон в данном эксперименте был заменен бумажным экраном для наблюдения за фокусным пятном.
На  фиг. 6 приведена компьютерная модель концентратора с оптическим наведением выполненная в программе трассировки лучей Тrace Pro. В точке схождения лучей (фокус линейной линзы Френеля 2) размещен круглый диск (4), выполняющий роль входного торца фокона.
На  фиг. 7 приведена фотография цветной картины (холст, масло 20×30 см). Данная картина освещалась в абсолютно темном помещении с помощью солнечного света. Этот свет фокусировался концентратором с оптическим наведением и транспортировался на рассеивающую линзу (9) по фоконному оптическому волокну (10).
ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ФИГУРАХ
1 - Короткофокусная линейная линза Френеля;
2 - Полосковые длиннофокусные линзы Френеля. Ось симметрии полосковых линз Френеля повернута (относительно оси симметрии 1-й и 3-й линз) на 90°, она лежит в плоскости сезонного перемещения солнца и определяет «Угол места солнца»;
3 - Короткофокусная линейная линза Френеля. Ось симметрии 1-й и 3-й линейных линз Френеля лежит в плоскости суточного перемещения солнца, и определяет «Азимут солнца»;
4 - Фокон или фоконный жгут;
5 - Фокусная линия первой линзы Френеля в полдень (находится на средней полосковой линзе Френеля);
6 - Линия суточного движения солнца по небосводу;
7 - Линия, лежащая в плоскости симметрии 1-й и 3-й линейных линз Френеля;
8 - Угол расхождения между линиями (6) и (7);
9 - Рассеивающая линза;
10 - Полимерное оптическое волокно из полиметилметакрилата (ПММА).