ИНТЕГРАЛЬНЫЙ КАТАДИОПТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКИ

Полезная модель относится к солнечной энергетике и, в частности, к концентраторам солнечного излучения, используемым в гибридных установках для получения электрической и тепловой энергии.
Известны фокусирующие зеркальные концентраторы солнечной энергии, с отражающей поверхностью, выполненной из металла в форме параболоида вращения или параболоидного цилиндра (US 257560, 1882 г., US 820127, 1905 г., US 4312329, 2012 г.).
Недостатками аналога являются большие габариты и масса конструкции, быстрый износ металлической оптической поверхности под действием ветровой эрозии и при очистке отражающей поверхности.
Также известен концентратор солнечной энергии в форме ступенчатого зеркала Френеля, с отражающей поверхностью из металла, эквивалентного параболоидному или цилиндрическому зеркалу (ЕР 2534430).
Недостатками второго аналога по сравнению с первым являются ускоренное загрязнение и ускоренный износ оптической поверхности с ускоренным ухудшением оптических характеристик концентратора.
Известны линзовые фокусирующие концентраторы солнечной энергии, в частности, в виде ступенчатой линзы Френеля, выполненной из прозрачного пластика (WO 213001177).
Недостатками этого аналога являются быстрый износ оптических поверхностей под действием ветровой эрозии и при очистке, деградация пластика под действием ультрафиолетового излучения.
Ближайшим из аналогов является оптический элемент Митио Цучида, (см. патент US 5191479, 1993), включающий плоскую линзу Френеля из прозрачного пластика с закрепленным к ступенчатой поверхности отражающим слоем. К внешней плоской поверхности линзы Френеля прикреплена плоская пластина из силикатного стекла для защиты от износа и деградации прозрачного пластика.
В сравнении с предыдущим аналогом оптический элемент Митио Цучида отличается более высокой износостойкостью за счет наличия наружного силикатного стекла. Кроме того все работающие оптические поверхности защищены от загрязнения и износа.
Недостатком ближайшего аналога является его ограниченные возможности в применении. Например, при его использовании в качестве фокусирующего концентратора в гелиоэнергетике совместно с фотоэлектрическими полупроводниковыми преобразователями происходит перегрев фотоэлектрического преобразователя, что приводит к снижению КПД преобразователя, а также к его ускоренной деградации.
Кроме того, возможный перегрев фотоэлектрического преобразователя вынуждает устанавливать охлаждающие системы, предотвращающие перегрев фотоэлектрического преобразователя (радиаторы, вентиляторы и пр.), что также ограничивает возможности применения аналога.
Технической задачей, вытекающей из уровня техники, является расширение возможностей за счет использования в гибридных гелиоустановках одного концентратора, который обеспечивает получение и электроэнергии, и высокотемпературной тепловой энергии.
Указанная техническая задача решается за счет того, что заявляемый интегральный катадиоптрический элемент включает позитивную линзу Френеля со светоотражающим слоем, прилегающим к призматической поверхности линзы. При этом светоотражающий слой выполнен хромоселективным.
Выполнение светоотражающего слоя хромоселективным, позволяет получить спектральное разделение лучей Солнца и сфокусировать лучи разных спектральных полос в разных фокальных зонах. Это позволяет часть часть лучевой энергии Солнца направить на получение тепловой энергии энергии. Другую часть энергии Солнца сконцентрировать на фотоэлектрическом преобразователе. Это расширяет возможности использования заявляемого устройства в сравнении с ближайшим аналогом.
Катадиоптрический элемент может быть выполнен астигматическим (эквивалентным цилиндрическому зеркалу), что позволяет выполнить гелиоустановку неподвижной (без систем слежения за движением Солнца).
Катадиоптрический элемент может быть выполнен эксцентрическим относительно оптической оси элемента, что также расширяет возможности заявляемой конструкции, т.к. позволяет свободно выбирать месторасположение преобразователей относительно конструкции.
Может быть установлен хромоселективный светоотражающий слой, прозрачный в спектральной полосе, совпадающей с полосой преобразования фотоэлектрического преобразователя, а фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии установлен в задней фокальной или парафокальной зоне. В передней фокальной зоне установлен солнечный коллектор. Что позволяет уменьшить нагрев фотоэлектрического преобразователя и получить еще и высокотемпературную тепловую энергию.
Светоотражающий слой может быть выполнен прозрачным в спектральной полосе, не совпадающей с полосой преобразования фотоэлектрического преобразователя, фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии установлен в передней фокальной зоне, а в задней фокальной зоне установлен солнечный коллектор. Что позволяет уменьшить нагрев фотоэлектрического преобразователя и получить еще и высокотемпературную тепловую энергию.
К плоской поверхности линзы Френеля может быть установлено внешнее защитное силикатное стекло, которое прилегает к плоской поверхности линзы, выполненной из пластических масс, что позволяет уменьшить износ оптической поверхности линзы от действия окружающей среды и чистки и деградацию материала линзы от ультрафиолетовых лучей.
Заготовка для изготовления концентратора в форме линзы Френеля из прозрачного пластика может быть выполнена с креплением на задней и/или передней поверхностях прозрачного адгезивного слоя с удаляемой ракордной пленкой. Это позволяет раздельно перевозить и монтировать и подгонять по размерам защитное стекло и префарб конструкции, что обеспечивает улучшение логистики.
Отражающий слой может быть выполнен с полосой пропускания в видимой части спектра, а к светоотражающему слою прилегает конгруентная негативная линза Френеля, к плоской поверхности негативной линзы Френеля прикреплено второе износостойкое стекло. Это позволяет выполнить стеклопакет для остекления проемов, который уменьшает нагрев помещения солнечными лучами и позволяет получить высокотемпературную тепловую энергию для различных целей.
Заявляемое техническое решение соответствует критерию новизна, так как авторам не известны другие технические решения, содержащие совокупность существенных признаков, совпадающих с формулой заявляемой конструкции.
На чертежах схематично изображены варианты выполнения заявленного оптического элемента:
На фиг. 1 - простейший вариант фокусирующего элемента с концентрическим положением оптической оси.
На фиг. 2 - вариант астигматического элемента, эквивалентного вогнутому цилиндрическому зеркалу с эксцентрическим положением оптической оси элемента (в аксонометрии).
На фиг. 3 - вариант элемента с эксцентрическим положением оптической оси элемента.
На фиг. 4 - оптическая схема гибридного модуля гелиоэнергетической установки с эксцентрическим расположением фотоэлектрического преобразователя в задней фокальной зоне.
На фиг. 5 - оптическая схема гибридного модуля гелиоэнергетической установки с расположением фотоэлектрического преобразователя вне задней фокальной зоны.
На фиг. 6 - префарб концентратора с клеевым слоем и ракордной пленкой.
На фиг. 7 - схема светового проема.
На фиг. 8 - заготовки для изготовления светового проема.
Пример 1
Простейший заявляемый интегральный фокусирующий катадиоптрический элемент (фиг. 1) включает позитивную линзу Френеля 1 со светоотражающим слоем 2, прилегающим к призматической поверхности линзы Френеля. При этом, светоотражающий слой 2 выполнен хромоселективным. В результате, катадиоптрический элемент имеет две фокальные зоны для лучей разных спектральных полос: переднюю фокальную зону 3 и заднюю фокальную зону 4. К плоской поверхности линзы Френеля 1 установлено внешнее защитное силикатное стекло 5, которое прилегает к плоской поверхности линзы 1, что позволяет уменьшить износ оптической поверхности линзы 1 от действия окружающей среды и чистки и деградацию материала линзы от ультрафиолетовых лучей.
Выполнение светоотражающего слоя 2 хромоселективным, что позволяет произвести спектральное разделение лучей Солнца и сфокусировать лучи разных спектральных полос в разных фокальных зонах: передней 3 и задней 4. Это позволяет часть энергии Солнца сконцентрировать на фотоэлектрическом преобразователе для получения электроэнергии, а другую часть лучевой энергии Солнца направить на получение тепловой энергии, что расширяет возможности использования заявляемого устройства в сравнении с ближайшим аналогом в качестве концентратора.
Пример 2
Астигматический катадиоптрический элемент (фиг. 2) может быть выполнен, в частности, эквивалентным вогнутому цилиндрическому зеркалу, что позволяет выполнить гелиоустановку неподвижной (без систем слежения за движением Солнца). Элемент установлен в поддерживающую конструкцию - оправку 6.
Пример 3
Катадиоптрический элемент (фиг. 3) может быть выполнен эквивалентным ортостигматическому зеркалу, а также астигматическим с эксцентрическим расположением входной апертуры относительно оптической оси элемента (с эксцентриситетом), что расширяет возможности заявляемой конструкции, так как позволяет свободнее выбирать месторасположение фотоэлектрического преобразователя и теплового коллектора (на чертеже не показаны) относительно элемента, в частности при установке гелиоэнергетической установки на крыше и стенах построек.
Пример 4
Хромоселективный светоотражающий слой 2 может быть выполнен прозрачным в спектральной полосе, совпадающей с полосой преобразования фотоэлектрического преобразователя 7 (фиг. 4). Здесь фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии 7 установлен в задней фокальной 4 или парафокальной зоне (не отмечено на чертеже, т.к. совпадает с изображением фотоэлектрического преобразователя 7). В передней фокальной зоне 3 установлен солнечный коллектор 8. Что позволяет уменьшить нагрев фотоэлектрического преобразователя 7 и получить еще и высокотемпературную тепловую энергию, поглощаемую коллектором 8.
Пример 5
Светоотражающий слой 2 может быть выполнен прозрачным в спектральной полосе, не совпадающей с полосой преобразования фотоэлектрического преобразователя 7 (фиг. 5). Фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии 7 установлен в передней фокальной зоне 3, а в задней фокальной зоне 4 установлен солнечный коллектор 8 (этот вариант может быть реализован как усовершенствование существующих функционирующих гелиоэнергетических установок в форме стационарных фотоэлектрических панелей). Это также как и в примере 4, позволяет уменьшить нагрев фотоэлектрического преобразователя 7 и получить еще и высокотемпературную тепловую энергию.
Пример 6
Транспортабельная (легкая) заготовка для изготовления концентратора в форме линзы Френеля 1 из прозрачного пластика может быть выполнена с креплением на задней или передней поверхностях прозрачных адгезивных слоев 9 (одного или двух) с удаляемыми ракордными пленками 10 (фиг. 6). Это позволяет раздельно перевозить детали концентратора, монтировать и подгонять по заданным размерам линзу Френеля со светоотражающим слоем и защитное стекло 5, что обеспечивает улучшение логистики.
Пример 7
Световой проем (например, окно дома, световой люк в крыше дома) включают позитивная линза Френеля 1, светотражающий слой 2, выполненный с полосой пропускания в видимой части спектра, а к нему прилегает конгруэнтная негативная линза Френеля 11. К плоским поверхностям обеих линз Френеля 1 и 11 прикреплены износостойкие стекла 12 (фиг. 7). Это позволяет выполнить стеклопакет для остекления проемов, который уменьшает нагрев помещения солнечными лучами и позволяет получить высокотемпературную тепловую энергию для различных целей.
Пример 8
Транспортабельная (легкая) заготовка для изготовления концентратора в форме линзы Френеля 1 из прозрачного пластика может быть выполнена с креплением на задней и передней поверхностях прозрачных адгезивных слоев 9 (двух) с удаляемыми ракордными пленками 10 (фиг. 8). Это позволяет раздельно перевозить детали светового проема, монтировать и подгонять по заданным размерам линзу Френеля со светоотражающим слоем и защитное стекло 5, что также обеспечивает улучшение логистики.
Благодаря выполнению светоотражающего слоя хромоселективным позволяет в заявляемом концентраторе одновременно получить и спектральное разделение лучей Солнца, и сфокусировать лучи разных спектральных полос в разных фокальных зонах. Это позволяет часть энергии Солнца направить на фотоэлектрический преобразователь для получения электроэнергии, а другую часть лучевой энергии Солнца направить на получение тепловой энергии, что расширяет возможности использования заявляемого устройства в сравнении с ближайшим аналогом.
Кроме того, благодаря уменьшению нагрева полупроводниковых структур фотоэлектрического преобразователя, мы получаем замедление процесса деградации полупроводниковых структур, что увеличивает время безаварийной работы.
Кроме того, концентратор обеспечивает возможность получать концентрированную тепловую энергию, уменьшить нагрев внутри помещения и улучшить освещенность внутри помещения естественными лучами, что также расширяет возможности заявляемого концентратора.
Кроме того, заявленная конструкция концентратора позволяет усовершенствовать существующие и работающие у потребителя фотоэлектрические панели и дополнительно с их помощью получать концентрированную тепловую энергию для бытовых нужд.
Кроме того, установка защитного селикатного стекла позволяет уменьшить износ линзы Френеля от действия окружающей среды и чистки.
Кроме того, обеспечивается лучшая логистика, т.к. не нужно возить с собой защитное стекло.
Полезная модель находится на этапе лабораторной модели.