СПОСОБ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD FOR CONCENTRATING SOLAR ENERGY

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к концентраторам солнечной энергии с высокой степенью концентрации, и может найти свое применение в получении высоких температур и передаче энергии на расстояние без преобразования ее в другие виды энергии.
Известны различные способы концентрации солнечной энергии: отражающие плоские зеркала - поле гелиостатов, вогнутые или параболические зеркала в виде сферических зеркал и зеркальных параболоидов и преломляющие в виде собирательных линз или линз Френеля. Все эти типы концентрирующих систем имеют основной недостаток в виде потерь солнечной энергии при ее преобразовании в другие виды энергий, а соответственно низкий КПД.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Способ концентрации солнечной энергии и устройство для его осуществления» по патенту №2342606 RU, где световой поток солнечной энергии, сконцентрированный у фокусной оси параболоцилиндрического концентратора первой ступени, направляет этот световой поток сразу под критическим углом к параболоцилиндрическому световоду-концентратору, изготовленному из оптически прозрачных материалов. Свет на границе раздела сред с разной плотностью, падая на параболообразующую поверхность световода-концентратора, проходит параллельно оси фокусов, учитывая оптические свойства параболы. Световой поток суммируется по всей длине параболоцилиндрического световода-концентратора.
Недостатком такого способа является отсутствие четкой передачи световой энергии на параболообразующую поверхность световода-концентратора, при этом неизбежны потери энергии по длине световода-концентратора.
Целью предлагаемого изобретения является устранение этих недостатков и обеспечение практического использования световода-концентратора для получения высокой степени концентрации солнечной энергии и создания условий для передачи ее без преобразования в другой вид энергии к месту потребления.
Поставленная цель достигается тем, что вдоль фокусной оси параболоцилиндрического концентратора первой ступени размещается световод-концентратор круглого, эллиптического или другого сечения из прозрачного диэлектрика (стекло, акриловое стекло, и. т.д.), размеры которого зависят от ширины фокальной полосы, образованной у фокусной оси параболоцилиндрического концентратора первой ступени.
Концентрированное солнечное излучение, идущее от параболоцилиндрического концентратора первой ступени, падает на границу раздела двух не поглощающих (прозрачных) сред - стекло-воздух с показателями преломления n1 и n2. Преломление света определяется двумя закономерностями: преломленный луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч, и нормаль (перпендикуляр) поверхности раздела. Углы падения связаны законом преломления Снеллиуса n1Sina=n2Sinb. Суммарная энергия отраженного и преломленного луча равна энергии падающего луча, соотношение интенсивностей этих лучей зависит от показателей преломления и угла падения падающего луча, согласно формуле Френеля. Если пучок света падает от концентратора первой ступени на прозрачный световод под большим углом к нормали, то энергия луча будет максимально отраженной. Энергия же преломленного луча становится больше, когда угол падения с нормалью будет минимальным. В соответствии с этими условиями требуется, чтобы световой поток, концентрированный у фокуса параболоцилиндрического концентратора первой ступени, должен падать на световод-концентратор, расположенный так, чтобы он оказался во внутренней полости световода-концентратора под предельным углом. Таким образом, создаются условия для полного внутреннего отражения этого светового потока. При этих условиях световой поток не сможет покинуть внутреннюю полость световода-концентратора и пойдет в нужном направлении. В этом случае, энергия солнечного излучения, попавшая во внутрь световода-концентратора, не будет преобразовываться в другой вид энергии, а будет направляться по световоду к приемнику по назначению. Чтобы создать такие условия, на первом этапе, по всей длине световода-концентратора, на его поверхности стороны, обращенной к параболоцилиндрическому концентратору первой ступени, устанавливаются прозрачные плоские пластины или зеркало, на равном расстоянии друг от друга под углом к световоду-концентратору. Угол наклона пластин к оси световода-концентратора должен быть таким, чтобы пучок концентрированного света, идущего от параболоцилиндрического концентратора первой ступени, отражался в среде воздух - стекло под углом к нормали от пластины более 42-43°. В таком случае пластины обеспечивают оптимально-максимальное отражение световой энергии. На втором этапе, отраженный от пластины световой пучок падает под таким углом на границу раздела сред воздух-стекло, чтобы отраженная световая энергия была минимальной и максимальной для преломленной световой энергии, угол падающего пучка световой энергии с нормалью должен быть меньше 42-43°. Для обеспечения этого условия на поверхности световода-концентратора, обращенной к пучку света, идущего от концентратора первой ступени, образуются наклонные поверхности, выполненные в виде призмы, изготовленной из того же прозрачного материала, что и сам световод-концентратор. Нижняя грань призмы плотно уложена или отлита вместе со световодом-концентратором. Наклонная поверхность призмы, которая является границей раздела, среда воздух-стекло, ее угол наклона определяется теперь углом падения пучка света, идущего от пластины, установленной на световоде-концентраторе, и нормалью к наклонной поверхности, образованной на световоде-концентраторе, и этот угол должен быть не более 42-43°, в этом случае максимальная энергия солнечного излучения будет оставаться в преломленном пучке света. На третьем этапе, преломленный пучок света выходит из стекла и получает направление, параллельное пучку света, идущему от наклонной пластины на наклонную поверхность световода-концентратора (это одно из условий принципов Ферми). Таким образом, пучок света оказывается внутри световода-концентратора и падает на его противоположную сторону, на границу раздела среда стекло-воздух.
Для пучка лучей, распространяющихся из стекла в воздух, существует угол полного внутреннего отражения, лучи не будут проходить через границу сред, а будут полностью отражаться внутри среды падения. В результате, весь пучок света остается внутри световода-концентратора. Подобное будет происходить и с пучками света, отраженными от всех плоских пластин, установленных по длине световода-концентратора. Таким образом, суммируется и изменяет направление весь световой поток, идущий от концентратора первой ступени.
На фиг.1 представлен фрагмент продольного разреза световода-концентратора.
На фиг.2 - поперечное сечение световода-концентратора.
Параболоцилиндрический концентратор первой ступени на чертежах не показан, а показаны лучи, идущие от него.
Световод-концентратор 1 размещается у фокуса параболоцилиндрического концентратора первой ступени (на чертеже не показан). Пучок света 2, идущий от параболоцилиндрического концентратора первой ступени, падает на наклонную плоскую отражающую пластину 3 под углом 65-70°, среда воздух-стекло. Отраженный пучок света 2 падает на наклонную поверхность призмы 4 под углом 30-35° к нормали, среда стекло-воздух, преломляется в стекле, где n2=1,5, изменяется только оптический отрезок пути в наклонной призме, выходит, преломляясь в воздухе, n1, приблизительно равный 1.0, и получает параллельное направление отраженным лучам 2 от наклонной пластины 3. Таким образом, световой пучок 2 попал во внутреннюю полость световода-концентратора 1, которая ограничена стеклом по всей длине световода-концентратора. При этом угол падения пучка света 2 на тыльную сторону 5 световода-концентратора 1 составляет 60-65°. Для таких лучей существует угол полного внутреннего отражения, лучи не будут проходить через границу сред и будут полностью отражаться внутри среды падения. В результате весь пучок света остается внутри световода-концентратора 1, так как наклонные пластины 3 установлены по всей длине световода-концентратора 1, вся солнечная энергия будет суммироваться со всех наклонных пластин 3 и получит измененное направление светового потока площадью сечения, равной сечению световода-концентратора, необходимого для последующей передачи на расстояние и преобразования в другие виды энергии.
Концентрация солнечной энергии происходит следующим образом: от параболоцилиндрического концентратора первой ступени с системой слежения за солнцем солнечная энергия собирается у фокусной оси в виде фокусной полосы. У фокусной полосы размещен диэлектрический прозрачный световод-концентратор 1. Установленные на световоде-концентраторе, на равном друг от друга расстоянии наклонные пластины 3 принимают идущий световой поток от концентратора солнечной энергии первой ступени и отражают их на наклонную плоскость призм 4, расположенных между наклонными плоскостями под углом 30-35° к нормали. Падая на наклонную поверхность стекла призмы 4 под углом 30-35°, свет преломляется на угол, соответствующий коэффициенту преломления стекла n1=1,5, при этом оптический отрезок пути, проходящий светом, будет разный, что никак не скажется на преломлении света, учитывая его скорость. При выходе из стекла свет преломляется в воздухе с коэффициентом преломления п2=1.0 и падает на противоположную сторону световода-концентратора под углом 60-65°, что значительно превышает угол полного внутреннего отражения, среда стекло-воздух. Таким образом, солнечная энергия не будет проходить через границу сред, а будет полностью оставаться внутри световода-концентратора 1. Солнечная энергия суммируется по всей длине световода-концентратора 1, при этом площадь сечения светового потока будет равна площади сечения световода-концентратора 1.
Если на выходе светового потока из световода-концентратора 1 установить двояковыпуклую линзу, всю солнечную энергию, собранную параболоцилиндрическим концентратором первой ступени, можно сконцентрировать в точку диаметром 1.5-2.0 мм и направить ее по оптическому кабелю к приемнику для преобразования ее в другой вид энергии.