EA002059B1

EA002059B1 - Multi-facet concentrator of solar setup for irradiating the objects placed in a target plane with solar light

Info

Publication number: EA002059B1
Application number: EA200000018A
Authority: EA
Inventors: Аллан Адриан Левандовски; Владислав Иванович Ямпольский; Валерий Александрович Алексеев; Валентин Глебович Сон
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2001-12-24
Also published as: EA200000018A1

Abstract

A multi-facet concentrator of a solar setup for the exposure of objects placed in a target plane to the action of solar radiation comprising a supporting frame and a plurality of facets, wherein the facets of the concentrator are chosen with a plurality of spherical focusing reflective surfaces and with selective coatings reflecting a spectral fraction of solar radiation, and arranged on the supporting frame symmetrically with respect to a common axis of the concentrator, the optical axes of the facets being directed to a single point cm the optical axis of the concentrator, the single point located before a nominal focus point of the concentrator and for determining the location of the target plane.

Description

Предполагаемое изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к испытаниям материалов и изделий на светопогодоустойчивость с помощью сконцентрированного солнечного излучения, а также может быть эффективно использовано в составе установок и устройств для целого ряда других применений, таких как детоксификация промышленных сточных вод, очистка и обеззараживание воды, накачка лазеров солнечным излучением, направленный фото- и фотокаталитический направленный синтез химикатов с использованием солнечной энергии, энергетические фотоэлектрические установки с использованием концентрации солнечного излучения.The alleged invention relates to solar engineering, in particular, to testing materials and products for light stability with the help of concentrated solar radiation, and can also be effectively used as part of plants and devices for a number of other applications, such as detoxification of industrial wastewater, water purification and disinfection , laser pumping of solar radiation, directional photo- and photocatalytic directed synthesis of chemicals using solar energy, energy photos electrical installations using a concentration of solar radiation.

Комбинированное воздействие атмосферы и солнечного излучения вызывает необратимые изменения (деградация и естественное старение) широкого круга различных материалов и изделий.The combined effect of the atmosphere and solar radiation causes irreversible changes (degradation and natural aging) of a wide range of different materials and products.

Наиболее типичными и важными по реальным технико-экономическим показателям примерами такого рода изменений являются изменения цветности строительно-отделочных материалов, лакокрасочных покрытий и текстильных красителей, известные как «выгорание» или «выцветание», деградация механических характеристик полимерных материалов, известная каждому труженику на садово-дачных участках по охрупчиванию и разрушению парниковых и тепличных полиэтиленовых пленок, замена которых производится практически после 1-2 сезонов.The most typical and important examples of this kind of changes in terms of real technical and economic indicators are changes in the color of building and finishing materials, coatings and textile dyes, known as “burnout” or “fading”, the degradation of the mechanical characteristics of polymeric materials, known to every gardener suburban areas for embrittlement and destruction of greenhouse and greenhouse polyethylene films, the replacement of which is carried out almost after 1-2 seasons.

Скорость этих и других процессов деградации зависит от состава атмосферы, температуры и экспозиции светового излучения, причем особенно сильно от экспозиции излучения в ультрафиолетовой части солнечного спектра(290 - 450 нм). Физически доминирующее значение ультрафиолетового излучения Солнца в процессах деградации материалов обусловлено тем, что энергия фотонов солнечного света в этой части спектра соответствует энергии разрыва химических связей органических и элементоорганических соединений (С-С; С-Ν; С-О; С-Е; С-С1 и др.).The speed of these and other degradation processes depends on the composition of the atmosphere, temperature, and exposure to light radiation, and it is especially strong on exposure to radiation in the ultraviolet part of the solar spectrum (290 - 450 nm). The physically dominant value of the solar ultraviolet radiation in the degradation of materials is due to the fact that the energy of sunlight photons in this part of the spectrum corresponds to the energy of breaking chemical bonds of organic and organoelement compounds (С-С; С-Ν; С-О; С-Е; С- C1 and others).

Излучение же в более длинноволновом видимом и инфракрасном спектральном диапазонах солнечного спектра ответственно за нагревание материалов.Radiation in the longer wavelengths of the visible and infrared spectral ranges of the solar spectrum is responsible for heating the materials.

Указанная выше зависимость необратимых изменений цветовых характеристик материалов от световой экспозиции является критичным параметром особенно для фасадных покрытий и панелей зданий, эксплуатируемых в сложных и разнообразных условиях освещенности внутригородских зданий и сооружений.The aforementioned dependence of irreversible changes in the color characteristics of materials on light exposure is a critical parameter, especially for facade coatings and building panels, operated in difficult and diverse lighting conditions of inner-city buildings and structures.

Поэтому проведение испытаний и сертификации объектов, чувствительных к воздействию светового солнечного излучения, имеет большое практическое и экологическое значение.Therefore, testing and certification of objects sensitive to the effects of solar light radiation is of great practical and environmental importance.

При этом особенно важно обеспечить аппаратурно и методически ускоренные испытания. Это связано с тем, что в реальных условиях длительность воздействий, приводящих к деградации основных характеристик материалов (цветовых, ме ханических), связанных с потерей товарного качества, составляет от нескольких месяцев до нескольких лет.In this case, it is especially important to provide hardware and methodologically accelerated tests. This is due to the fact that under real conditions, the duration of impacts leading to the degradation of the main characteristics of materials (color, mechanical) associated with the loss of commercial quality ranges from several months to several years.

Аппаратура для проведения указанных ускоренных испытаний должна одновременно выполнять следующие условия:Equipment for carrying out the specified accelerated tests must simultaneously fulfill the following conditions:

1) обеспечить концентрацию солнечного излучения до значения коэффициента концентрации ~100, при котором для большинства объектов испытаний еще не наблюдаются нелинейные эффекты зависимости скорость деградации материала плотность мощности светового потока,1) to ensure the concentration of solar radiation to a concentration coefficient of ~ 100, at which for most of the test objects non-linear effects of the dependence of the rate of degradation of the material, the light flux density,

2) возможность варьирования коэффициентов концентрации с помощью одного и того же устройства,2) the possibility of varying the concentration coefficients using the same device,

3) максимальное равномерное распределение плотности мощности концентрированного светового потока по полю размещения испытуемых образцов,3) the maximum uniform distribution of the power density of the concentrated light flux over the field of placement of the test samples,

4) максимальная близость спектрального состава воздействующего излучения к спектру в интересующей ультрафиолетовой области к спектру естественного солнечного света, и4) the maximum proximity of the spectral composition of the incident radiation to the spectrum in the ultraviolet region of interest to the spectrum of natural sunlight, and

5) уменьшение эффекта чрезмерного нагрева испытуемых объектов, обусловленного спектральным поглощением в видимой и инфракрасной части спектра естественного солнечного света, на долю которой приходится около 90% интегральной интенсивности всего солнечного света.5) a decrease in the effect of excessive heating of the test objects due to spectral absorption in the visible and infrared parts of the spectrum of natural sunlight, which accounts for about 90% of the integral intensity of all sunlight.

Имитация условий воздействия солнечного излучения, особенно с применением многократной концентрации излучения на испытуемых образцах в различных комбинациях с атмосферными воздействиями, в настоящее время представляет собой сложную техническую проблему. Это обусловлено следующими техническими причинами:Simulation of the conditions of exposure to solar radiation, especially with the use of multiple concentrations of radiation on the test samples in various combinations with atmospheric influences, is currently a complex technical problem. This is due to the following technical reasons:

спектр излучения даже лучших на сегодняшний день искусственных источников излучения, имитирующих солнечное излучение, - специальных металлогалогенных ламп, имеет линейчатую структуру. Поэтому эффекты деградации в большинстве материалов под воздействием излучения лампимитаторов солнечного света и самого Солнца резко отличается друг от друга;the radiation spectrum of even the best today artificial radiation sources simulating solar radiation - special metal halide lamps, has a linear structure. Therefore, the effects of degradation in most materials under the influence of radiation from lampimitators of sunlight and the sun itself are sharply different from each other;

для проведения испытаний нужно обеспечить высокую (в пределах нескольких процентов) равномерность плотности мощности излучения по всему полю размещения испытуемых образцов;for testing, it is necessary to ensure a high (within a few percent) uniformity of the radiation power density over the entire field of placement of the test samples;

уменьшение фактора чрезмерного нагрева испытуемых образцов материалов за счет концентрированного солнечного излучения в видимой и инфракрасной части спектра требует (помимо их принудительного охлаждения) специальных мер, в частности, отфильтровывания излучения Солнца в этом спектральном диапазоне.the reduction of the factor of excessive heating of the test samples of materials due to concentrated solar radiation in the visible and infrared parts of the spectrum requires (in addition to their forced cooling) special measures, in particular, filtering out solar radiation in this spectral range.

Известен ряд концентраторов, входящих в состав гелиоустановок для ускоренных испытаний объектов на светопогодоустойчивость с помощью сконцентрированного солнечного излучения [1-3].A number of concentrators are known that are part of solar systems for accelerated testing of objects for light and light stability with the help of concentrated solar radiation [1-3].

Так, в гелиоустановке для испытания материалов, описанной в [1], концентратор состоит из шести плоских зеркал размерами 2 х 1,3 м, установ ленных попарно на трех механически взаимосвязанных тележках-платформах, перемещающихся вместе и одна за другой по двум рельсам, уложенным по окружности радиусом 7 м, в центре которой находится плоский стенд размером 2 х 1,3 м для размещения испытуемых образцов.So, in the solar plant for testing materials described in [1], the concentrator consists of six flat mirrors 2 x 1.3 m in size mounted in pairs on three mechanically interconnected platform trolleys moving together and one after the other on two rails laid around a circle with a radius of 7 m, in the center of which there is a flat stand measuring 2 x 1.3 m to accommodate the test samples.

Недостатками данной конструкции концентратора являются его большая материалоемкость, следовательно, большой вес, сложная кинематика слежения концентратора за Солнцем и невозможность получения высоких концентраций солнечного излучения (порядка 100 раз).The disadvantages of this design of the concentrator are its high material consumption, therefore, its large weight, the complex kinematics of the concentrator tracking the Sun and the inability to obtain high concentrations of solar radiation (about 100 times).

Известен также параболоцилиндрический концентратор солнечного излучения, входящий в состав гелиоустановки [2]. Этот концентратор солнечного излучения собран из плоских зеркал.Also known parabolic cylinder concentrator of solar radiation, which is part of the solar installation [2]. This solar concentrator is assembled from flat mirrors.

Однако и этот концентратор имеет сложную кинематику слежения за Солнцем и невозможность получения высоких концентраций солнечного излучения.However, this concentrator also has complex kinematics for tracking the Sun and the impossibility of obtaining high concentrations of solar radiation.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому концентратору, является концентратор, выбранный авторами за прототип, входящий в состав гелиоустановки [3], содержащий плоские фацеты.The closest in technical essence to the proposed hub, is the hub selected by the authors for the prototype, which is part of the solar plant [3], containing flat facets.

Существенным недостатком этой конструкции концентратора является то, что повышение равномерности облучения испытуемых образцов здесь достигается опять-таки за счет сложной кинематики вращения образцов в мишенной плоскости.A significant drawback of this concentrator design is that an increase in the uniformity of the irradiation of the tested samples here is achieved again due to the complex kinematics of rotation of the samples in the target plane.

С помощью предполагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в сокращении времени испытаний объектов до 100 раз (несколько дней вместо нескольких месяцев или лет) с высокой степенью достоверности прогнозирования поведения испытуемых объектов для широкого спектра условий испытаний, путем создания сконцентрированного однородного селектированного по спектру пятна излучения в мишенной плоскости размещения испытуемых образцов.Using the proposed invention, a technical result is achieved by reducing the time of testing objects up to 100 times (several days instead of several months or years) with a high degree of reliability of predicting the behavior of the test objects for a wide range of test conditions by creating a concentrated homogeneous spectrum-selected radiation spot in target plane of placement of test samples.

В соответствии с предполагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в многофацетном концентраторе гелиоустановки для воздействия солнечного излучения на объекты, расположенные в мишенной плоскости, содержащем несущую ферму и фацеты, последние выбраны со сферическими фокусирующими зеркальными поверхностями и селективными покрытиями, отражающими часть спектра солнечного излучения, и установлены на несущей ферме симметрично относительно общей оси концентратора, при этом их оптические оси направлены в одну точку на оптической оси концентратора, расположенную перед номинальной точкой фокуса концентратора и определяющую место размещения мишенной плоскости.In accordance with the proposed invention, the technical result is achieved in that in a multi-faceted concentrator for solar exposure to objects located in the target plane containing the supporting truss and facets, the latter are selected with spherical focusing mirror surfaces and selective coatings that reflect part of the spectrum of solar radiation, and mounted on a carrier farm symmetrically relative to the common axis of the concentrator, while their optical axes are directed to one point n and the optical axis of the concentrator, located in front of the nominal focal point of the concentrator and determining the location of the target plane.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема концентратора, на фиг. 2 - оптическая схема, иллюстрирующая формирование однородного облучения образцов в мишенной плоскости. На фиг. 3 представлена фотография экспериментальной уста новки с многофацетным селективным концентратором для ускоренных испытаний материалов на воздействие солнечного излучения. Фиг. 4 и 5 демонстрируют экспериментальные данные по отражательным характеристикам фацет концентратора и распределению интенсивности светового потока в мишенной плоскости.In FIG. 1 is a schematic diagram of a hub; FIG. 2 is an optical diagram illustrating the formation of uniform irradiation of samples in a target plane. In FIG. Figure 3 shows a photograph of an experimental setup with a multiphase selective concentrator for accelerated testing of materials for exposure to solar radiation. FIG. 4 and 5 show experimental data on the reflectance characteristics of the facet of the concentrator and the distribution of the light flux intensity in the target plane.

Предлагаемый концентратор содержит несущую ферму 1, на которой установлены симметрично относительно общей оси концентратора фацеты 2 (например, с подложкой из стекла марки К-8), при этом их оптические оси направлены в одну точку 3 на оптической оси концентратора, расположенную перед номинальной точкой фокуса 4 концентратора, при этом точка 3 определяет место размещения мишенной плоскости 5, где располагается единая площадка 6.The proposed hub contains a carrier truss 1, on which are mounted symmetrically relative to the common axis of the hub facet 2 (for example, with a substrate of glass brand K-8), while their optical axes are directed to one point 3 on the optical axis of the hub located in front of the nominal focal point 4 of the concentrator, while point 3 determines the location of the target plane 5, where a single platform 6 is located.

Работа концентратора осуществляется следующим образом.The hub is as follows.

Полный спектр солнечного излучения падает на фацеты 2 с селективным отражающим покрытием с заранее заданными характеристиками, часть спектра, отражаемая от фацет 2 с селективным покрытием, направляется на мишенную плоскость 5, при этом все фацеты юстируются таким образом, что световое пятно с высокой степенью однородности освещенности фацет 2 собирается в единую площадку 6 (фиг. 2) мишенной плоскости 5. При этом в зависимости от предъявляемых требований к концентратору солнечного излучения на мишенной плоскости можно достичь сокращение времени испытания объектов в 100 раз.The full spectrum of solar radiation falls on facets 2 with a selective reflective coating with predetermined characteristics, part of the spectrum reflected from facets 2 with a selective coating is directed to the target plane 5, while all the facets are aligned so that the light spot with a high degree of uniformity of illumination facet 2 is assembled in a single area 6 (Fig. 2) of the target plane 5. Moreover, depending on the requirements for the solar radiation concentrator on the target plane, a reduction in time Change the test of objects 100 times.

Из вышесказанного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущества по сравнению с известными, а именно:From the foregoing, it follows that the proposed technical solution has advantages over the known ones, namely:

обеспечивает требуемые высокие коэффициенты концентрации (до 100 крат включительно), за счет применения селективных отражающих покрытий на стеклянных фацетах обеспечивается, с одной стороны, высокое однородное отражение в ультрафиолетовой части солнечного спектра на уровне 93-95% в спектральной области 290-450 нм, а с другой стороны, эффективное отфильтровывание излучения в видимой и инфракрасной части солнечного спектра (коэффициент отражения селективного покрытия в области длин волн более 650 нм составляет менее 5%), таким образом, падающее на фацеты концентратора солнечное излучение в видимой и инфракрасной части солнечного спектра в основном пропускается оптическим покрытием и стеклянной подложкой фацет и не попадает на испытуемые образцы.provides the required high concentration coefficients (up to 100 times inclusive), due to the use of selective reflective coatings on glass facets, on the one hand, a high uniform reflection in the ultraviolet part of the solar spectrum is ensured at the level of 93-95% in the spectral region of 290-450 nm, and on the other hand, effective filtering of radiation in the visible and infrared parts of the solar spectrum (the reflection coefficient of the selective coating in the wavelength region of more than 650 nm is less than 5%), thus, the incident n facet concentrator solar radiation in the visible and infrared portion of the solar spectrum basically skipped optical coating and glass substrate, and the facets misses into test specimens.

В настоящее время предложенное техническое решение, составляющее предмет изобретения, реализовано совместно ГУДП ГУП «НПО Астрофизика» ОКБ «СОЛТО» и Национальной лабораторией возобновляемой энергии, США (Ναΐίοηαΐ РепемаЫе Епетду ЬаЬога1огу, ИЗА), что проиллюстрировано фиг. 3, 4, 5. В данной конкретной конструкции использованы фацеты с одинаковыми фокусными расстояниями. Используя в конструкции концентратора фацеты с различными значе5 ниями их фокусных расстояний, можно достичь более равномерного распределения интенсивности светового потока в краевой зоне единой площадки 6 мишенной плоскости 5.Currently, the proposed technical solution, which is the subject of the invention, has been implemented jointly by the State Unitary Enterprise State Unitary Enterprise NPO Astrophysics, OKB SOLTO, and the National Renewable Energy Laboratory, USA (ΐαΐίοηαΐ Repetitive Epidemiology, IZA), as illustrated in FIG. 3, 4, 5. In this particular design, facets with the same focal lengths are used. Using facets with different values of their focal lengths in the concentrator design, it is possible to achieve a more uniform distribution of the light flux intensity in the boundary zone of a single area 6 of the target plane 5.

Источники информацииInformation sources

1. Авторское свидетельство СССР № 139513, МПК С 01Н 17/02.1. USSR author's certificate No. 139513, IPC С 01Н 17/02.

2. Авторское свидетельство СССР № 1746157, МПК Р 241 2/42.2. USSR author's certificate No. 1746157, IPC R 241 2/42.

3. Авторское свидетельство СССР № 1800243, МПК Р 241 2/42 - прототип.3. USSR author's certificate No. 1800243, IPC R 241 2/42 - prototype.

Claims

CLAIM

Multifacet solar concentrator for exposure to solar radiation on objects located in the target plane containing a carrier farm and fatsetta, characterized in that the concentrator facets are selected with spherical focusing mirror surfaces and selective coatings reflecting part of the spectrum of solar radiation, and are installed on the carrier farm symmetrically relative to the common axis of the hub, while their optical axes are directed at one point on the optical axis of the hub, located in front of the nominal the focus point of the concentrator and determining the location of the target plane.