EA002901B1 - Концентратор лучистой энергии - Google Patents

Abstract

Технический результат: увеличение концентрации, уменьшение массы и общих размеров; обеспечение максимальной защиты фоточувствительных элементов от повреждения космическим излучением. Сущность: принимающий слой концентратора образован из набора собирающих элементов, расположенных на одном уровне. В одном варианте осуществления эти элементы верхними краями образуют в плоскости гексагональную сотовую конструкцию, а в другом варианте осуществления они образуют ортогональную матрицу, сформированную из квадратных элементов. В случае гексагональной сотовой конструкции собирающие элементы образованы в виде воронок с отражающими внутренними поверхностями, а в случае ортогональной матрицы - собирающие элементы содержат оптические линзы или выполнены в виде параболоидных и гиперболоидных концентраторов. Под принимающим слоем предусмотрены слои, имеющие отражатели. Посредством отражателей, расположенных под принимающим слоем, лучи света из периферийных собирающих элементов передаются в центр центрального элемента. Аналогичные процессы имеют место на каждом слое. Область применения: в гелиотехнологии настоящее изобретение может быть использовано как средство для преобразования лучистой энергии в тепловую или электрическую энергию; в астрономии оно может быть использовано при разработке мощных телескопов для собирания слабых лучей света, приходящих от дальних галактик; а в физике высоких энергий оно может быть использовано для получения мощных лазерных лучей.

Description

Настоящее изобретение имеет отношение к гелиотехнологии, а более конкретно - к концентраторам световой лучистой энергии, и может быть использовано как средство для преобразования лучистой энергии в тепловую или электрическую энергию; к астрономии, в которой оно может быть использовано при разработке мощных телескопов для собирания слабых световых лучей, приходящих от дальних галактик; и к физике высоких энергий, где оно может быть использовано для получения мощных лазерных лучей.

Представляется, что уместными объектами для нашего изобретения являются различные типы воронкообразных концентраторов, в частности концентратор, имеющий форму усеченной пирамиды [Андреев В.М., Гриликис В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград, НАУКА, 1989 год, страницы 206213 (на русском языке)], и так называемый параболоидный фокон [Андреев В.М., Гриликис В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград, НАУКА, 1989 год, страницы 220-222 (на русском языке)]. Концентратор, имеющий форму усеченной пирамиды, представляет собой пирамиду, имеющую усеченную верхнюю часть, тонкие стенки и внутреннюю отражающую поверхность, широкая часть которой направлена на источник света. Недостатком концентратора, имеющего форму усеченной пирамиды, является низкая способность концентрации, большие размеры и то, что он содержит фоточувствительные элементы, не защищенные от космического излучения. Стенки параболоидного фокона имеют форму параболоида и его недостатки аналогичны недостаткам концентратора, имеющего форму усеченной пирамиды.

Наиболее уместным объектом для настоящего изобретения представляется параболоидный-гиперболоидный концентратор [Андреев В.М., Гриликис В. А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград, НАУКА, 1989 год, страницы 278-300 (на русском языке)]. Параболоидный-гиперболоидный концентратор содержит комбинацию одного основного параболоидного зеркала и одного вспомогательного гиперболоидного зеркала. Недостатком параболоидного-гиперболоидного концентратора является то, что он не может функционировать без точного наведения на источник лучей. Радиус вспомогательного зеркала определяет способность к защите фоточувствительного элемента от повреждения космическим излучением, что, с другой стороны, вызывает уменьшение рабочей области основного зеркала. Высота концентратора зависит от области, которую удерживает параболоидное зеркало.

Техническими результатами настоящего изобретения являются уменьшение массы и общих размеров концентратора; отсутствие необходимости точного наведения на источник лучей света; и максимальная защита фоточувствительных элементов от повреждения космическим излучением.

Устройство, соответствующее настоящему изобретению, содержит воронкообразные концентраторы, собирающие линзы и концентраторы, содержащие параболоидные и гиперболоидные отражатели.

Сущность настоящего изобретения, которая позволяет избежать недостатков вышеописанных концентраторов и дает возможность получения указанных технических результатов, заключается в том, что отражатели слоев, расположенные под принимающим лучи слоем, обеспечивают собирание в центре лучей, выходящих из периферийных выходных отверстий, доступных на предшествующем слое, позволяя благодаря этому получить высокий уровень концентрации и значительно уменьшить общие размеры всей конструкции. В случае комбинированной конструкции параболоидных и гиперболоидных концентраторов принимающего слоя становится возможным уменьшение радиуса вспомогательного зеркала и, следовательно, максимальное использование лучистой энергии. В случае применения предлагаемого концентратора для целей фотоэлектрического преобразования фоточувствительные элементы получат максимальную защиту от повреждения космическим излучением, когда они расположены под указанными слоями.

Настоящее изобретение может быть описано со ссылкой на следующие чертежи.

Фиг. 1 - вид сверху концентратора, предусмотренного с воронкообразными элементами, расположенными в виде гексагональной сотовой конструкции.

Фиг. 2 - сечение концентратора, предусмотренного с воронкообразными элементами, расположенными в виде гексагональной сотовой конструкции.

Фиг. 3 - иллюстрация комбинации слоя, предусмотренного с воронкообразными элементами и отражателями, и функциональных соединений между ними.

Фиг. 4 - вид сверху концентратора, содержащего ортогонально расположенные линзы и воронкообразные элементы.

Фиг. 5 - сечение концентратора, содержащего ортогонально расположенные линзы и воронкообразные элементы.

Фиг. 6 - иллюстрация варианта осуществления концентратора, содержащего воронкообразные собирающие линзы и линзы Френеля, необязательно требуемые для наведения на источник лучей.

Фиг. 7 - иллюстрация аналогичного концентратора, предусмотренного с обычными оптическими линзами.

Фиг. 8 - иллюстрация варианта осуществления концентратора, предусмотренного с обычными оптическими линзами, необходимыми для точного наведения на источник лучей.

Фиг. 9 - сечение концентратора, содержащего параболоидные и гиперболоидные отражатели.

Фиг. 10 - сечение концентратора, содержащего параболоидные и гиперболоидные отражатели, основанные на принципе передачи параллельных лучей.

Концентратор, который показан на фиг. 13, имеющий воронкообразные элементы, расположенные в виде гексагональной сотовой конструкции, содержит принимающий слой 1, состоящий из набора воронкообразных элементов; первый и второй слои, расположенные под принимающим слоем, причем каждый имеет одну верхнюю и одну нижнюю пластины; верхнюю пластину 2 первого слоя, имеющую отражающую заднюю поверхность и отверстия 7, и промежуточные отражатели 6; нижнюю пластину 3 первого слоя, имеющую периферийные отражатели 8, пластины 14, предусмотренные с отражающими поверхностями, имеющими отверстия 10 и промежуточные отражатели 12; и нижнюю пластину 5 второго слоя, имеющую периферийные отражатели 11, пластины 15, предусмотренные с отражающими поверхностями, и расположенную на указанных каналах, соединяющих точку воронки 13 с внутренней отражающей поверхностью. Контур концентратора повторяется рядом слоев, и каждый конкретный контур совместим с аналогичным контуром.

Концентратор, который показан на фиг. 47, имеющий ортогонально расположенные воронкообразные элементы, содержит набор квадратных собирающих линз 16 ортогонально расположенных воронкообразных элементов 17; первый, второй и третий слои, предусмотренные под принимающим слоем, причем каждый имеет одну верхнюю и одну нижнюю пластины; верхнюю пластину 18 первого слоя, предусмотренную с промежуточными отражателями 27 и отверстиями 26 и имеющую отражающую заднюю поверхность; нижнюю пластину 19 первого слоя, имеющую периферийные отражатели 25 и каналы 35 с отражающими поверхностями; верхнюю пластину 20 второго слоя с отражающей задней поверхностью, имеющей промежуточные отражатели 29 и отверстия; нижнюю пластину 21 второго слоя, имеющую периферийные отражатели 28 и каналы 36 с отражающими поверхностями 36; верхнюю пластину 22 третьего слоя с отражающей задней поверхностью, имеющей промежуточные отражатели и отверстия; нижнюю пластину 23 третьего слоя, имеющую периферийные отражатели 30 и кана лы, предусмотренные с отражающими поверхностями; и выходные линзы 24 собирающих элементов; в котором отверстия 26 на пластине 18 совмещены с выходными отверстиями периферийных воронок, промежуточные отражатели 27 расположены вокруг выходного отверстия центрального собирающего элемента принимающего слоя, периферийные отражатели 25 на пластине 19 совмещены с отверстиями 26 в пластине 18, периферийные отражатели 25 на пластине 19 соединены с промежуточными отражателями 17 на пластине 18 посредством пластин 35, имеющих отражающую поверхность, отражатели 28 на пластине 21 соединены с промежуточными отражателями 29 на пластине 20 посредством пластин 36, имеющих отражающую поверхность, периферийный отражатель 30 на пластине 23 совмещен с отверстием в пластине 22.

В варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг. 5 и 6, использованы линзы Френеля. В этом варианте осуществления предусмотрено неточное наведение на источник света. Линзы Френеля, расположенные на выходных отверстиях собирающих элементов 17, позволяют выбор расходимости лучей, поступающих из фокальной точки. Верхние края собирающих элементов 17 являются квадратными, и они становятся все более круглыми по мере движения в направлении к выходному отверстию. Каналы 35, имеющие отражающую поверхность, играют вспомогательную роль в случае неточного наведения при отклонении фокальной точки от геометрического центра выходного отверстия.

На фиг. 7 приведена иллюстрация варианта осуществления концентратора, соответствующего настоящему изобретению, в котором в качестве входных линз 31 и выходных линз 32 используют обычные линзы. На выходных отверстиях периферийных элементов линзы отсутствуют.

В варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг. 8, отсутствуют воронкообразные элементы, а точное наведение на источник лучей обеспечивается так, чтобы фокус располагался в зоне отверстия слоя, которое расположено против линзы. Набор линз поддерживается опорами 33.

На фиг. 9 представлен альтернативный вариант осуществления концентратора световых лучей, содержащего параболоидные и гиперболоидные отражатели. В этом варианте осуществления параболоидные и гиперболоидные отражатели обращены друг к другу своими рабочими поверхностями, причем гиперболоидные отражатели приведены в контактное взаимодействие посредством держателей 34.

Слой, который расположен под принимающим слоем, содержит параболоидные отражатели 25 и 27.

На фиг. 10 иллюстрируется концентратор, предусмотренный с принимающим слоем и со стоящий из набора параболоидных и гиперболоидных концентраторов. Концентратор способен передавать параллельные лучи. Слой, расположенный под принимающим слоем, содержит плоские отражатели 37 и 38.

В случае гексагональной сотовой конструкции принимающего слоя верхние края воронкообразных элементов являются гексагональными, сужающимися у выходного конца и постепенно принимающими круглую форму. Воронкообразные элементы сгруппированы так, чтобы шесть периферийных элементов было расположено вокруг центрального элемента каждого седьмого элемента. Под принимающим слоем предусмотрены слои, которые обеспечены отражателями и каналами, имеющими отражающие поверхности. Каждый слой состоит из одной верхней пластины и одной нижней пластины. Верхняя пластина снизу имеет отражающую поверхность и предусмотрена с отверстиями и промежуточными отражателями. Нижняя пластина содержит периферийные отражатели и каналы, имеющие отражающие поверхности. Отверстия верхней пластины совмещены с выходными отверстиями периферийных воронкообразных элементов принимающего слоя, а промежуточные отражатели верхней пластины расположены вокруг выходного отверстия каждого центрального элемента принимающего слоя. Периферийные отражатели нижней пластины совмещены с отверстиями в верхней пластине, а каналы, содержащие отражающие поверхности, соединяют отражатели нижней пластины с промежуточными отражателями верхней пластины. Совместно с верхней и нижней пластинами каналы играют роль воронкообразных собирающих элементов. Оси каждых шести смежных каналов образуют друг с другом угол 60° и образуют шестиугольную звезду. Выходная воронка с отражающей внутренней поверхностью предусмотрена в точке соединения каналов, то есть в центре шестиугольной звезды. Лучи, выходящие из периферийных элементов принимающих слоев, благодаря периферийным отражателям передаются к промежуточным отражателям по каналам, имеющим отражающие поверхности. Промежуточные отражатели направляют принимаемые лучи к воронке с внутренней отражающей поверхностью, которая расположена в центре шестиугольной звезды. Каждый слой содержит аналогичные пластины, и на каждом следующем слое расстояние от центра шестиугольной звезды до геометрического центра отверстия, совмещенного с периферийным отражателем шестиугольной звезды, превышает в ^7 раз аналогичное расстояние на предшествующем слое. Выходная воронка центральной шестиугольной звезды в группе звезд, расположенной на предшествующем слое, совмещена с центром шестиугольной звезды на каждом следующем слое, а выходные воронки шести периферийных шестиугольных звезд в группе звезд, расположенной на предшествующем слое, совмещены с периферийными отражателями.

В случае ортогонального расположения принимающего слоя концентратора ортогональная матрица образована верхними частями собирающих элементов линз, содержащих концентраторы, и параболоидными и гиперболоидными отражателями, содержащими концентраторы.

Элементы принимающего слоя сгруппированы таким образом, чтобы восемь смежных квадратов были расположены вокруг центрального элемента. Слои, содержащие отражатели, расположены под принимающим лучи слоем, причем каждый слой состоит из двух пластин. Нижняя пластина слоя содержит периферийные отражатели, расположенные вдоль осей симметрии квадратов, верхняя пластина содержит отверстия, а промежуточные отражатели расположены по кругу вокруг центра группы. Расстояние от центра группы каждого следующего слоя до геометрического центра выходных отверстий, совмещенных с периферийными отражателями, в три раза больше, чем расстояние от центра группы до геометрического центра выходных отверстий на предшествующем слое.

Концентратор лучистой энергии функционирует следующим образом: луч света, падающий на принимающий лучи слой, передается от выходных отверстий собирающих элементов к отражателям нижнего слоя. Лучи, падающие на периферийные отражатели из периферийных элементов принимающего слоя, отражаются к промежуточным отражателям. Лучи, направляемые к центру посредством промежуточных отражателей, соединяются с лучом, сводимым центральным элементом принимающего слоя. Аналогичным образом собираются также лучи, выходящие из каждого слоя.

Не принимая во внимание потери, каждый слой, имеющий гексагональную сотовую конструкцию, может осуществлять семикратное собирание, а в случае ортогональной конструкции он может дать девятикратное собирание.

Добавление каждого слоя в случае гексагональной сотовой конструкции позволяет уменьшить высоту остальной исходной площади конструкции в \^;7 раз, а в случае ортогональной конструкции может быть получено трехкратное уменьшение высоты.

Концентрированный солнечный луч может быть передан к неосвещаемым солнцем местам с помощью трубы, имеющей внутренние отражающие поверхности, а при использовании этого процесса луч может быть удлинен так, чтобы уменьшить расходы на электрическую энергию в течение дневного времени и улучшить санитарные условия этих мест.

Claims (7)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Концентратор лучистой энергии, который содержит принимающий лучи света слой, выполненный в виде набора собирающих лучи элементов, расположенных на одном уровне, отличающийся тем, что под указанным принимающим слоем и параллельно этому принимающему слою расположены дополнительные слои с отражателями, указанные собирающие элементы указанного принимающего слоя сгруппированы так, чтобы каждая группа имела центральный элемент и была расположена смежно группе других периферийных элементов, расположенных вокруг указанного центрального элемента, указанные отражатели в слое, предусмотренном под указанным принимающим слоем, расположены так, чтобы луч, выходящий из выходных отверстий указанных периферийных собирающих элементов выше указанного слоя, направлялся к промежуточным отражателям, расположенным в окружном направлении вокруг центра группы, причем указанные промежуточные отражатели направляют принимаемые лучи к выходному отверстию, которое совмещено с осью указанного центра группы, выходные отверстия в каждом слое сгруппированы аналогичным образом как указанные собирающие элементы указанного принимающего слоя, и периферийные отражатели каждого следующего слоя направляют лучи, выходящие из периферийных выходных отверстий предшествующего слоя, к соответствующим промежуточным отражателям, которые направляют принимаемые лучи к выходным отверстиям, совмещенным с осью центра группы, а расстояние между центром группы и периферией группы в каждом следующем слое превышает расстояние между центром группы и периферией группы в каждом предшествующем слое.
2. 2. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что указанный принимающий слой выполнен в виде набора воронкообразных элементов, расположенных в гексагональной сотовой кон струкции и имеющих рабочие поверхности, отражающие лучи, а шесть периферийных отражателей из группы отражателей, расположенной под указанным принимающим слоем, соединены с промежуточными отражателями, расположенными вокруг центра группы, посредством каналов, имеющих отражающие поверхности и образующих шестиугольные звезды.
3. 3. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что указанный принимающий лучи света слой выполнен как комбинация ортогонально расположенных параболоидных и гиперболоидных концентраторов.
4. 4. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что указанный принимающий лучи света слой выполнен в виде набора ортогонально расположенных собирающих линз.
5. 5. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что указанный принимающий лучи света слой выполнен в виде ортогонально расположенных собирающих свет воронкообразных элементов, выше указанных воронкообразных элементов предусмотрены собирающие линзы, причем оптическая ось каждой из указанных линз согласована с оптической осью указанных воронкообразных элементов, периферийные отражатели предусмотрены на слоях, которые расположены под указанным принимающим свет слоем, соединены с соответствующими промежуточными отражателями посредством каналов, имеющих отражающие поверхности, при этом каналы совместно образуют восьмиконечные звезды, а линзы совмещены с выходным отверстием каждого центрального элемента и центральным выходным отверстием каждого слоя.
6. 6. Концентратор по п.5, отличающийся тем, что линзы совмещены с выходными отверстиями периферийных элементов принимающих лучи света слоев и с периферийными выходными отверстиями каждого слоя.
7. 7. Концентратор по пп.4-6, отличающийся тем, что указанные линзы являются линзами Френеля.