RU2442082C2

RU2442082C2 - Method for concentrating solar energy

Info

Publication number: RU2442082C2
Application number: RU2009126906/06A
Authority: RU
Inventors: Юлий Меркурьевич Рылов (RU); Юлий Меркурьевич Рылов
Original assignee: Юлий Меркурьевич Рылов
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2012-02-10
Also published as: RU2009126906A

Abstract

FIELD: solar technology.

SUBSTANCE: method includes reflection of the solar energy flow and its concentration at a heat absorber. The concentrated solar energy goes from the first stage energy concentrator to the light guide concentrator of circular or elliptical section made from dielectric non-absorbing (transparent) material, where flat inclined reflective (transparent or mirror) panels are installed along the whole length at regular intervals on the incident solar energy side. The solar energy flow from the first stage energy concentrator falls on the flat inclined reflective (transparent or mirror) panels with a 65-70 degrees angle of incidence, reflects from it and falls into the angled prism surfaces positioned with a 30-35 degrees angle of incidence. Then, after the air-glass boundary, the flow refracts in the glass and enters the inner pocket of the light guide concentrator, confined from all sides with glass in the axial direction, there the flow acquires the direction parallel to the rays reflected from the inclined panels, and the angle of incidence for rays falling on the opposite side of the light guide concentrator equals 60-65 degrees. For such rays as in the air-glass interface there exists an angle of total internal reflection, the rays will not pass through the boundary separating two media. Instead, they will stay inside the light guide concentrator, the solar energy flowing from the first stage concentrator will accumulate from all flat inclined reflective (transparent or mirror) panels, get into the light guide concentrator, and the solar energy flow will change, going along the light guide concentrator, going in the cross-section equal to the cross-section of the light guide. If a double-convex lens is installed in the flow outlet on the end face of the light guide concentrator, the accumulated solar energy is concentrated by the cylindrical parabolic concentrator into a point with the diameter of 1-2 mm. This allows the energy to be sent via an optical fibre bundle to the conversion device.

EFFECT: high solar energy concentration level; creation of conditions suitable for solar energy transmission without the conversion of the said energy.

2 dwg

Description

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.The invention relates to solar technology, in particular to solar energy concentrators with a high degree of concentration, and can find its application in obtaining high temperatures and transferring energy to a distance without converting it to other types of energy.

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.Various methods of solar energy concentration are known: reflecting flat mirrors - the field of heliostats, concave or parabolic mirrors in the form of spherical mirrors and mirror paraboloids and refracting in the form of collective lenses or Fresnel lenses. All these types of concentrating systems have the main drawback in the form of losses of solar energy when it is converted into other types of energy, and, accordingly, low efficiency.

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.The closest in technical essence and the achieved result is the "Method for the concentration of solar energy and a device for its implementation" according to patent No. 2342606 RU, where the light flux of solar energy concentrated at the focal axis of the parabolic cylinder concentrator of the first stage directs this light flux immediately at a critical angle to a parabolic cylinder optical fiber hub made of optically transparent materials. The light at the interface between media with different densities, incident on the parabola-forming surface of the hub, passes parallel to the axis of the foci, taking into account the optical properties of the parabola. The luminous flux is summed over the entire length of the parabolic-cylindrical optical fiber hub.

Недостатком такого способа является отсутствие четкой передачи световой энергии на параболообразующую поверхность световода-концентратора, при этом неизбежны потери энергии по длине световода-концентратора.The disadvantage of this method is the lack of a clear transfer of light energy to the parabol-forming surface of the fiber-concentrator, with the inevitable loss of energy along the length of the fiber-concentrator.

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.The aim of the invention is to eliminate these drawbacks and ensure the practical use of a fiber-hub to obtain a high degree of concentration of solar energy and create conditions for its transfer without conversion to another type of energy to the place of consumption.

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.This goal is achieved by the fact that along the focal axis of the parabolic-cylindrical concentrator of the first stage, a circular, elliptical, or other cross-sectional fiber optic concentrator (glass, acrylic glass, etc.) is placed, the dimensions of which depend on the width of the focal strip formed at the focal axis of the parabolic cylinder concentrator of the first stage.

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.Concentrated solar radiation coming from the parabolic cylindrical concentrator of the first stage falls on the interface between two non-absorbing (transparent) media - glass-air with refractive indices n1 and n2. The refraction of light is determined by two laws: the refracted ray lies in the plane passing through the incident ray, and the normal (perpendicular) interface. The angles of incidence are related by Snell's law of refraction n1Sina = n2Sinb. The total energy of the reflected and refracted ray is equal to the energy of the incident ray, the ratio of the intensities of these rays depends on the refractive indices and the angle of incidence of the incident ray, according to the Fresnel formula. If a light beam falls from the first-stage concentrator onto a transparent light guide at a large angle to the normal, then the beam energy will be reflected as much as possible. The energy of the refracted beam becomes larger when the angle of incidence with the normal is minimal. In accordance with these conditions, it is required that the luminous flux concentrated at the focus of the parabolic cylinder concentrator of the first stage should fall on the optical fiber concentrator located so that it is in the internal cavity of the optical fiber concentrator at a limiting angle. Thus, conditions are created for the total internal reflection of this light flux. Under these conditions, the luminous flux will not be able to leave the inner cavity of the fiber-hub and will go in the right direction. In this case, the energy of solar radiation that has fallen into the inside of the fiber-concentrator will not be converted to another type of energy, but will be directed along the fiber to the receiver as intended. To create such conditions, at the first stage, transparent flat plates or a mirror are installed on its side surface facing the parabolic-cylindrical concentrator of the first stage along the entire length of the fiber-hub, at an equal distance from each other at an angle to the fiber-optic hub. The angle of inclination of the plates to the axis of the optical fiber concentrator should be such that a beam of concentrated light coming from the parabolic-cylindrical concentrator of the first stage is reflected in air - glass at an angle to the normal from the plate of more than 42-43 °. In this case, the plates provide the optimum maximum reflection of light energy. At the second stage, the light beam reflected from the plate falls at such an angle on the air-glass interface, so that the reflected light energy is minimum and maximum for the refracted light energy, the angle of the incident light energy beam with the normal should be less than 42-43 °. To ensure this condition, inclined surfaces formed in the form of a prism made of the same transparent material as the optical fiber hub itself are formed on the surface of the light guide-concentrator facing the beam of light coming from the first-stage concentrator. The lower edge of the prism is tightly laid or cast together with the optical fiber hub. The inclined surface of the prism, which is the interface, is air-glass, its angle of inclination is now determined by the angle of incidence of the beam of light coming from the plate mounted on the hub, and the normal to the inclined surface formed on the hub, and this angle should be no more than 42-43 °, in this case the maximum energy of solar radiation will remain in the refracted light beam. At the third stage, the refracted light beam leaves the glass and receives a direction parallel to the light beam coming from the inclined plate to the inclined surface of the fiber-hub (this is one of the conditions of the Fermi principles). Thus, the light beam is inside the fiber-hub and falls on its opposite side, at the interface between the glass-air medium.

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.For a beam of rays propagating from glass to air, there is an angle of total internal reflection, the rays will not pass through the boundary of the media, but will be completely reflected inside the incidence medium. As a result, the entire beam of light remains inside the hub. A similar thing will happen with light beams reflected from all flat plates installed along the length of the fiber-hub. Thus, the entire luminous flux coming from the concentrator of the first stage is summed up and changes direction.

На фиг.1 представлен фрагмент продольного разреза световода-концентратора.Figure 1 presents a fragment of a longitudinal section of a fiber-hub.

На фиг.2 - поперечное сечение световода-концентратора.Figure 2 is a cross section of a fiber optic hub.

Параболоцилиндрический концентратор первой ступени на чертежах не показан, а показаны лучи, идущие от него.The parabolic cylinder concentrator of the first stage is not shown in the drawings, but the rays coming from it are shown.

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.The optical fiber hub 1 is located at the focus of the parabolic cylinder concentrator of the first stage (not shown in the drawing). The light beam 2 coming from the parabolic-cylindrical concentrator of the first stage falls onto an inclined flat reflecting plate 3 at an angle of 65-70 °, the medium is air-glass. The reflected light beam 2 falls on the inclined surface of the prism 4 at an angle of 30-35 ° to the normal, the medium is glass-air, is refracted in the glass, where n2 = 1.5, only the optical segment of the path in the inclined prism changes, it comes out, refracted in the air, n1, approximately equal to 1.0, and receives a parallel direction to the reflected rays 2 from the inclined plate 3. Thus, the light beam 2 fell into the internal cavity of the fiber-concentrator 1, which is limited by glass along the entire length of the fiber-concentrator. In this case, the angle of incidence of the light beam 2 on the back side 5 of the optical fiber concentrator 1 is 60-65 °. For such rays there is an angle of total internal reflection, the rays will not pass through the boundary of the media and will be completely reflected inside the incidence medium. As a result, the entire light beam remains inside the optical fiber hub 1, since the inclined plates 3 are installed along the entire length of the optical fiber hub 1, all solar energy will be summed from all inclined plates 3 and will receive a changed light flux direction with a cross-sectional area equal to the cross section of the optical fiber hub required for subsequent transmission to a distance and conversion to other types of energy.

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.The concentration of solar energy occurs as follows: from a parabolic-cylindrical concentrator of the first stage with a tracking system for the sun, solar energy is collected at the focal axis in the form of a focal strip. A transparent dielectric optical guide-concentrator 1 is placed near the focal strip. The inclined plates 3 mounted on the optical fiber-concentrator at an equal distance from each other receive the incoming light flux from the first-stage solar energy concentrator and reflect them onto the inclined plane of the prisms 4 located between the inclined planes below angle of 30-35 ° to the normal. When incident on the inclined surface of the glass of prism 4 at an angle of 30-35 °, the light is refracted by an angle corresponding to the refractive index of the glass n1 = 1.5, while the optical length of the path passing through the light will be different, which will not affect the refraction of light, given his speed. When leaving the glass, the light is refracted in air with a refractive index n2 = 1.0 and falls on the opposite side of the fiber-optic concentrator at an angle of 60-65 °, which significantly exceeds the angle of total internal reflection, the medium is glass-air. Thus, the solar energy will not pass through the boundary of the media, but will remain completely inside the fiber-hub 1. The solar energy is summed over the entire length of the fiber-concentrator 1, while the cross-sectional area of the light flux will be equal to the cross-sectional area of the fiber-concentrator 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.If a biconvex lens is installed at the exit of the light flux from the optical fiber concentrator 1, all the solar energy collected by the parabolic-cylindrical concentrator of the first stage can be concentrated to a point with a diameter of 1.5-2.0 mm and sent through an optical cable to the receiver to convert it to another type of energy.

Claims

A method of concentrating solar energy, including reflecting the flow of solar energy and its concentration at the heat sink, characterized in that the concentrated solar energy from the first-stage concentrator is incident on a circular or elliptical optical fiber concentrator made of dielectric non-absorbing (transparent) material, on which from the side incident solar energy along the entire length of the installed at the same distance from each other inclined flat reflective plates, transparent or mirrored, approx. solar energy from the concentrator of the first stage, falling on inclined flat reflective plates, transparent or mirrored, the air-glass medium, at an angle of 65-70 ° to the normal, is reflected from it and falls on the inclined surface of prisms installed at an angle of 30-35 ° to the normal, then the glass-air medium is refracted in the glass and enters the inner cavity of the fiber-hub, bounded on all sides by the glass in the longitudinal direction, where it receives a direction parallel to the reflected rays from the inclined flat reflecting plate, pupil or specular, while the angle of incidence of the rays on the opposite surface of the hub is 60-65 ° normal, for rays such as glass-air, there is an angle of total internal reflection, the rays will not pass through the boundary of the media, but will remain inside the concentrator fiber, the solar energy coming from the concentrator of the first stage will be summed from all inclined flat reflecting plates, transparent or mirrored, to get inside the concentrator fiber and get a changed direction ix solar energy along the fiber axis of the hub, extending along the cross section of optical fiber hub.