Неподвижный каскадный линзовый концентратор солнечного излучения с оптическим способом наведения
FIXED CASCADE LENS SOLAR RADIATION CONCENTRATOR WITH OPTICAL METHOD OF INSTALLATION

Изобретение относится к области солнечной энергетики, или солнечным оптоволоконным осветительным приборам, а именно к приборам, увеличивающим концентрацию солнечного излучения. Данное изобретение может найти широкое применение в солнечной энергетике при разработке и изготовлении концентраторов в установках с фотоэлектрическими модулями, требующими постоянного наведения на Солнце в режиме реального времени, а также, в солнечных оптоволоконных осветительных устройствах.
Известно, что экологически чистую солнечную световую энергию, можно преобразовывать в электроэнергию с помощью солнечных батарей или фотоэлектронных преобразователей (ФЭП). Для эффективного сбора солнечной энергии могут использоваться солнечные концентраторы на основе, радиальных линз Френеля. Такие линзовые концентраторы (панели) часто применяются для увеличения продуктивности солнечных батарей или солнечных печей. Они значительно увеличивают коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП (например, РФ 2353865, или Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 12, с. 87-94, или https://rodovid.me/solar_power/linzovye-solnechnye-paneli.html). Однако, при перемещении солнца по небосводу, у таких концентраторов происходит смещение фокусного пятна концентрированного света. Поэтому, их нужно постоянно наводить на солнце, в связи с чем, они всегда 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 (https://youtu.be/apihVOKdOPw). Такие концентраторы не могут быть изготовлены больших размеров из-за большого веса и ветровой нагрузки, они дорогие, малонадежные, сложные в эксплуатации.
В последние годы для освещения помещений естественным светом, стали применяться гибридные оптоволоконные устройства. Концентратор в этих устройствах, фокусирует солнечные лучи во входной торец оптоволоконного кабеля, по которому свет далее транспортируется в освещаемое помещение. Для концентрации света в солнечных оптоволоконных осветительных приборах, чаще всего используют систему Кассегрена на основе зеркал в форме параболоида (Energies 2015, 8, 7185-7201). Такие устройства, также содержат механическую 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 (например, РФ 2579169), требует внешнего электропитания подводимого от сети, или получаемого от преобразования световой энергии в энергию электрическую. Такие устройства являются сложными и дорогостоящими. Стоимость этих систем достигает 16 тыс.долларов, а их установка колеблется от 500 до 2000 долларов. Высокая цена, сложность обслуживания, необходимость во внешнем электропитании, не большая 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 термомеханические системы позиционирования, работающие на эффекте температурного расширения материалов (РФ 2468288). Они проще электроприводных систем, однако, обеспечивают малый угол поворота концентратора, очень чувствительны к ветру, и другим внешним механическим воздействиям.
Известны простые конструкции неподвижных концентраторов, (например, United States Patent 3,780,722, или US 2012/0154941 А1). Для упрощения, в таких концентраторах, применяются 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, из-за ограниченной числовой апертуры фоконов. При большой входной, и малой выходной площадях торцов, в фоконе большая часть лучей разворачиваются в обратном направлении, и выходит через входной торец, а не достигает выходного торца. Поэтому, такие концентраторы не позволяют обеспечивать передачу больших световых потоков по тонкому оптоволокну.
Прототипом для 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 не большой угол слежения по азимуту, т.е. обеспечивает малое время работы концентратора в течение дня. Он хорошо работает только в полуденное время. Фокусное световое пятно у него вытянуто в форме ромба, и оно все равно смещается в течение дня по фокусной линии при перемещении солнца по небосводу. В этом концентраторе практически отсутствует его наведение на солнце по углу места (в вертикальной плоскости). Другими словами, отсутствует сезонная коррекция концентратора. Это также приводит к смещению концентрированного светового пятна из-за сезонного изменения высоты солнца над горизонтом. Поэтому, входной торец фокона, следовательно, и выходной торец в этом концентраторе должны иметь большие размеры. Это увеличивает площадь сечения оптического волокна, или снижает плотность светового потока на приемном элементе ФЭП, а значит, снижает его КПД. Такие концентраторы, так же имеют большую массу, и большой расход материала при изготовлении линз.
Техническим результатом заявляемого изобретения является, снижение стоимости неподвижного концентратора, существенное увеличение плотности выходного светового потока, снижение массы концентратора и материалов на его изготовление. При его использовании, отпадает необходимость применения электромеханических следящих систем, уменьшается стоимость, снижается ветровая нагрузка на концентратор, увеличивается время работы осветительного устройства в течение дня, увеличивается срок службы и надежность, при полной независимости от сети электропитания.
Сущность изобретения.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом неподвижном каскадном концентраторе, применено трехкаскадное сужение светового потока, и оптический способ наведения этого потока на приемный элемент - входной торец фокона или ФЭП (Фиг. 1). Этот способ основан на применении трех радиальных линз Френеля (двух собирающих и одной рассеивающей). Две первые радиальные линзы Френеля (одна собирающая или сужающая - 2, а другая рассеивающая или расширяющая - 5), образуют концентратор - коллиматор (устройство для получения параллельного концентрированного пучка лучей света). Рассеивающая линза (5) расположена немного ближе от фокуса собирающей линзы (2), причем, оси симметрии этих линз совпадают между собой, и направлены, строго на солнце в полдень в период весеннего равноденствия. Падающий световой поток, проходя через собирающую линзу (2), сужается, а затем, проходя через рассеивающую линзу (5) снова становится параллельным, но концентрированным. Затем, этот узконаправленный световой поток (6) проходит через длиннофокусную собирающую линзу (7), и окончательно сужается до размеров входного торца фокона (9). Собирающая линза (7), также, направляет световой поток на входной торец фокона, или ФЭП (9). Фокон удален от фокуса данной линзы (7), на такое расстояние, что любой световой луч, выходящий из точки (3), пройдя через третью длиннофокусную собирающую линзу Френеля (7), непременно попадает в фокон (9), независимо от того, через какую точку на линзе он прошел. Таким образом, при перемещении солнца по небосводу, угол падения его лучей на линзу (2) изменяется, и концентрированный параллельный поток, смещается от центра линзы (7) к ее краю, но при этом у линзы, увеличивается угол преломления этого потока, и свет обязательно попадает на входной торец фокона или ФЭП (9). Причем, данный механизм оптического наведения светового потока, работает как в плоскости суточного движения солнца (наведение по азимуту), так и в плоскости сезонного перемещения солнца (наведение по углу места), поскольку, в конструкции концентратора используются радиальные линзы Френеля.
Такая конструкция концентратора, позволяет изготавливать неподвижные сотовые энергетические панели, пригодные для использования их в качестве кровли зданий с энергосберегающими системами. Кроме того, за счет наличия трех воздушных прослоек (камер), это техническое решение позволяет обеспечить хорошую теплоизоляцию кровли. Для наиболее эффективной работы таких концентраторов, просто необходимо кровлю здания расположить перпендикулярно солнечному световому потоку в полуденное время, в период весеннего равноденствия. В этом случае, в южных регионах России, концентратор будет эффективно работать при смещении солнца на угол 120°, (60° влево + 60° вправо), т.е. 8 часов в сутки во время наиболее активного солнца (с 8 до 16 часов). Эксперименты показали, что при использовании монолитного поликарбоната (0,6 мм), или оконного стекла (3 мм), потери световой энергии от эффекта отражения линз Френеля, не превысят 1-2%. Данный концентратор обеспечивает и сезонную коррекцию в вертикальной плоскости, когда солнце перемещается на угол (угол места), примерно 41° (зима - лето). Поэтому, от сезонного перемещения солнца, потери на отражение, будут еще меньше. При этом не нужно поворачивать концентратор, постоянно направляя его на солнце, как это предусматривается в концентраторах - аналогах (например, Energies 2015, 8, 7185-7201 или https://rodovid.me/solar_power/linzovye-solnechnye-paneli.html).
1
2
На фиг. 1. показано движение световых потоков в концентраторе утром, в полдень и вечером. Фокусные расстояния двух первых линз (F и F) должны быть пропорциональны диаметрам падающих на них световых потоков. Причем, чем меньше фокусное расстояние второй рассеивающей линзы, тем эффективнее будет работать концентратор.
Такие неподвижные многослойные концентраторы имеют малый вес, и небольшую цену из-за малого расхода прозрачного материала и отсутствия систем механического наведения на солнце. Они могут быть реализованы в многокамерных оконных блоках или в стеклопакетах для кровли зданий. Совместно с фотоэлектронными преобразователями (ФЭП) они найдут широкое применение в южных регионах, и средней полосе России, для генерации электроэнергии, например, в генерирующих электрическую энергию крышах домов. Также их можно применять для дополнительного оптоволоконного освещения солнечным светом помещений на северной стороне дома, подвалов, подземных автостоянок, станций метро, и других объектов.
Цифровые обозначения элементов на фиг. 1.
1 - Осевая линия падающего вечером солнечного светового потока
2 - обирающая (сужающая) линза Френеля
3 - Точка пересечения осевых линий падающего света при суточном движении солнца по небосводу
4 - Сужающийся световой поток (утром) после первой линзы Френеля
5 - Рассеивающая (расширяющая) короткофокусная линза Френеля
6 - Узкий концентрированный световой поток (в полдень) после второй линзы Френеля
7 - Собирающая (сужающая) длиннофокусная линза Френеля
8 - Окончательно сужающийся световой поток (в полдень) после третьей собирающей линзы Френеля
9 - Приемный элемент - фотоэлектронный преобразователь (ФЭП), или входной торец фокона