RU2659319C1 - Fixed solar radiation concentrator with optical method of alignment - Google Patents
Fixed solar radiation concentrator with optical method of alignment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2659319C1 RU2659319C1 RU2017129203A RU2017129203A RU2659319C1 RU 2659319 C1 RU2659319 C1 RU 2659319C1 RU 2017129203 A RU2017129203 A RU 2017129203A RU 2017129203 A RU2017129203 A RU 2017129203A RU 2659319 C1 RU2659319 C1 RU 2659319C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- focus
- lenses
- linear
- echelon
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract description 28
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 5
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 241000208818 Helianthus Species 0.000 description 1
- 235000003222 Helianthus annuus Nutrition 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 1
- 239000013308 plastic optical fiber Substances 0.000 description 1
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
- G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
- G02B19/0038—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light
- G02B19/0042—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light for use with direct solar radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
- H02S40/20—Optical components
- H02S40/22—Light-reflecting or light-concentrating means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области солнечной энергетики или солнечным оптоволоконным осветительным приборам, а именно к приборам, увеличивающим концентрацию солнечного излучения.The invention relates to the field of solar energy or solar fiber optic lighting devices, namely, devices that increase the concentration of solar radiation.
Известно, что экологически чистую солнечную световую энергию можно преобразовывать в электроэнергию с помощью солнечных батарей или фотоэлектронных преобразователей (ФЭП). Для увеличения коэффициента полезного действия (КПД) ФЭП применяют линзовые концентраторы на основе сферических или линейных линз Френеля (например, РФ 2353865 или Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 12, с. 87-94). Однако при перемещении солнца по небосводу у таких концентраторов происходит смещение фокусного пятна концентрированного света. Поэтому их нужно постоянно наводить на солнце, и они 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.It is known that environmentally friendly solar light energy can be converted into electricity using solar panels or photoelectric converters (PECs). To increase the efficiency of the solar cells, lens concentrators are used based on spherical or linear Fresnel lenses (for example, RF 2353865 or Journal of Technical Physics, 2016, Volume 86, Issue 12, pp. 87-94). However, when the sun moves around the sky, such concentrators shift the focal spot of concentrated light. Therefore, they need to be constantly directed to the sun, and they are used only in conjunction with mechanical tracking systems. Mechanical tracking systems are complex, bulky, expensive and unreliable devices, usually based on the use of an electric drive, requiring power supply, lubricating the gearboxes, and sealing them to protect them from rain and dust.
Относительно недавно для освещения помещений естественным светом стали использовать гибридные оптоволоконные устройства. Концентратор в этих устройствах фокусирует солнечные лучи во входной торец оптоволоконного кабеля, по которому свет транспортируется затем в освещаемое помещение. Для концентрации света в солнечных оптоволоконных осветительных приборах чаще всего используют систему Кассегрена на основе параболоидных зеркал (Energies 2015, 8, 7185-7201). Эти устройства также содержат 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 (патентРФ 2579169), требует внешнего электропитания, подводимого от сети или получаемого от преобразования световой энергии в энергию электрическую. Такие устройства являются сложными и дорогостоящими. Стоимость таких систем достигает 16 тыс. долларов, а их установка колеблется от 500 до 2000 долларов. Высокая цена, сложность обслуживания, необходимость во внешнем электропитании, небольшая 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.More recently, hybrid fiber-optic devices have been used to illuminate rooms with natural light. The hub in these devices focuses the sun's rays into the input end of the fiber optic cable, through which the light is then transported to the illuminated room. For the concentration of light in solar fiber optic lighting devices, the Cassegrain system based on paraboloidal mirrors is most often used (Energies 2015, 8, 7185-7201). These devices also contain a positioning system that rotates the mirrors throughout the day, constantly directing them to the sun, as a well-known sunflower does. The presence of an electric drive system for tracking the sun (patent RF 2579169) requires external power supplied from the network or obtained from the conversion of light energy into electrical energy. Such devices are complex and expensive. The cost of such systems reaches 16 thousand dollars, and their installation ranges from 500 to 2000 dollars. The high price, the complexity of maintenance, the need for external power supply, low power, due to the limited area of the hub, the large weight of the hub and significant wind load are the main disadvantages of these systems. Nevertheless, despite impressive prices, experts predict that by 2020 it is planned to sell more than 5,000 hybrid optical fiber lighting systems in the United States.
Известны механические системы позиционирования, которые работают на эффекте температурного расширения материалов (РФ 2468288). Они более простые, чем электроприводные системы, однако эффект температурного расширения материалов обеспечивает малый угол поворота концентратора и не позволяет осуществлять слежение за солнцем в течение всего светового дня. Кроме того, такой концентратор очень чувствителен к ветру и другим внешним механическим воздействиям.Known mechanical positioning systems that operate on the effect of thermal expansion of materials (RF 2468288). They are simpler than electric drive systems, however, the effect of thermal expansion of materials provides a small angle of rotation of the concentrator and does not allow tracking the sun throughout the daylight hours. In addition, such a hub is very sensitive to wind and other external mechanical influences.
Известны также и другие простые конструкции неподвижных концентраторов, например устройства, предложенные в патентах: United States Patent 3,780,722 или US 2012/0154941 А1. Для упрощения в таких концентраторах применяются только 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 в оптоволоконном жгуте из-за ограниченной числовой апертуры фоконов. При большой входной и малой выходной площадях торцов фоконов с каждым последующим отражением от его стенок у световых лучей увеличивается угол отражения. Когда этот угол достигнет 90 градусов, продвижение лучей по фокону прекращается, затем лучи разворачиваются в обратном направлении и выходят через входной торец. Поэтому такие концентраторы не позволяют обеспечивать передачу больших световых потоков по тонкому оптоволокну.Other simple constructions of fixed concentrators are also known, for example, devices proposed in patents: United States Patent 3,780,722 or US 2012/0154941 A1. To simplify, in such concentrators only focons or special prisms are used that form matrix surfaces for collecting light and its further transportation through optical channels. However, such concentrators have a large mass and low efficiency. They cannot provide a high light flux density in a fiber optic bundle due to the limited numerical aperture of the focons. With a large input and small output areas of the ends of the focons with each subsequent reflection from its walls, the light angle increases the angle of reflection. When this angle reaches 90 degrees, the advancement of the rays along the focal plane stops, then the rays turn around in the opposite direction and exit through the input end. Therefore, such hubs do not allow the transmission of large light fluxes through a thin optical fiber.
Ближайшим аналогом 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 небольшой угол по азимуту, т.е. обеспечивает малое время слежения за солнцем в течение дня. Он хорошо работает только в полуденное время. У линейной линзы фокусное световое пятно представляет собой не точку, а прямую линию. Поэтому такой концентратор хорошо сужает световой поток только в одной вертикальной плоскости и гораздо хуже концентрирует в плоскости дневного перемещения солнца по небосводу. Изгиб линзы или изменение ее толщины в плоскости симметрии дают не большой эффект для снижения потерь световой энергии от некачественной фокусировки света на входной торец фокона, или ФЭП. При перемещении солнца по небосводу фокусное световое пятно будет вытянуто в форме ромба и оно все равно будет смещаться в течение дня по фокусной линии. При этом входной торец фокона необходимо выполнять в форме эллипсавытянутого вдоль фокусной линии, либо использовать плоский фоконный жгут. И то, и другое ведет к увеличению числовой апертуры, увеличивает площадь сечения оптического волокна или снижает плотность светового потока на приемном элементе ФЭП, а значит, снижает его КПД. Такие концентраторы также имеют большую массу и большой расход материала при изготовлении линз.The closest analogue of the claimed device is a fixed hub (collector), in which to increase the density of the light flux, a narrowing lens is used in conjunction with the focon (RF patent for PM No. 102747). However, such a hub has a small azimuth angle, i.e. provides short tracking time for the sun during the day. It only works well in the afternoon. In a linear lens, the focal light spot is not a point, but a straight line. Therefore, such a concentrator well narrows the luminous flux in only one vertical plane and concentrates much worse in the plane of the daytime movement of the sun across the sky. Bending the lens or changing its thickness in the plane of symmetry does not have a large effect to reduce the loss of light energy from poor-quality focusing of light on the input end of the focon, or PEC. When the sun moves across the sky, the focal spot of light will be elongated in the shape of a rhombus and it will still shift throughout the day along the focal line. In this case, the input end face of the focon must be made in the form of an ellipse-elongated along the focal line, or use a flat focal band. Both that and another leads to an increase in the numerical aperture, increases the cross-sectional area of the optical fiber or reduces the density of the light flux at the receiving element of the photomultiplier, and therefore reduces its efficiency. Such concentrators also have a large mass and a large consumption of material in the manufacture of lenses.
Техническим результатом заявляемого изобретения является существенное увеличение плотности выходного светового потока, снижение стоимости неподвижного концентратора, снижение массы концентратора и материалов на его изготовление. Кроме того, достигается уменьшение ветровой нагрузки, увеличение времени работы концентратора в течение дня, увеличение срока службы и надежности при его полной независимости от электричества.The technical result of the claimed invention is a significant increase in the density of the output light flux, a decrease in the cost of a fixed hub, a decrease in the mass of the hub and materials for its manufacture. In addition, a reduction in wind load, an increase in the operating time of the concentrator during the day, an increase in the service life and reliability with its complete independence from electricity are achieved.
Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION
Технический результат достигается тем, что в заявляемом неподвижном концентраторе применен оптический способ наведения светового потока на входной торец фокона (Фиг. 1). Этот способ основан на последовательном сужении светового потока в двух перпендикулярных плоскостях с помощью тонких линейных линз Френеля. Поток солнечного света сначала сужается в вертикальной плоскости с помощью специальной изогнутой вдоль оси симметрии короткофокусной линейной линзы Френеля (1). В фокусе этой линзы расположен ряд полосковых несимметричных длиннофокусных линз Френеля (2). Они сужают световой поток в перпендикулярной плоскости (плоскость суточного движения солнца) до размеров входного торца фокона или фоконого жгута. Эти полосковые несимметричные линзы Френеля сдвинуты в продольном направлении относительно друг друга на небольшой шаг, равный размеру входного торца фокона. Такое смещение полосковых линз образует структуру в виде лесенки (Фиг. 2). После прохождения через полосковую линзу (2), расположенную в фокусе линзы (1), световой поток опять расширяется в вертикальной (сезонной) плоскости (Фиг. 3). Далее, после короткофокусной линейной линзы Френеля (3) световой поток опять сужается в вертикальной (сезонной) плоскости до размеров входного торца фокона (4). Линза (3) имеет фокусное расстояние немного меньшее, чем у линзы (1). При использовании же одинаковых линз (1) и (3) световые лучи опять были бы параллельными. В суточной плоскости световой поток постепенно сужается за счет длиннофокусных полосковых линз Френеля (2). Таким образом, как сужение светового потока, так и его наведение на входной торец фокона (4) в данном концентраторе осуществляется оптическим способом, а не механическим. Это в значительной степени повышает его надежность и срок службы, снижает вес и стоимость.The technical result is achieved by the fact that in the inventive fixed hub, an optical method is applied to direct the light flux at the input end of the focon (Fig. 1). This method is based on the sequential narrowing of the light flux in two perpendicular planes using thin linear Fresnel lenses. The flow of sunlight first narrows in the vertical plane using a special short-focus Fresnel linear lens bent along the axis of symmetry (1). The focus of this lens is a series of strip asymmetric long-focus Fresnel lenses (2). They narrow the luminous flux in the perpendicular plane (the plane of the daily movement of the sun) to the size of the input end of the focon or focal bundle. These strip asymmetric Fresnel lenses are shifted in the longitudinal direction relative to each other by a small step equal to the size of the input end of the focon. This shift of the strip lenses forms a ladder-like structure (Fig. 2). After passing through the strip lens (2) located in the focus of the lens (1), the light flux again expands in the vertical (seasonal) plane (Fig. 3). Further, after a short-focus linear Fresnel lens (3), the luminous flux again narrows in the vertical (seasonal) plane to the dimensions of the input end of the focon (4). Lens (3) has a focal length slightly smaller than that of lens (1). When using the same lenses (1) and (3), the light rays would again be parallel. In the diurnal plane, the luminous flux gradually narrows due to the long-focus strip Fresnel lenses (2). Thus, both the narrowing of the luminous flux and its pointing to the input end face of the focon (4) in this concentrator are carried out optically, rather than mechanically. This greatly increases its reliability and service life, reduces weight and cost.
Экспериментальные исследования физической модели концентратора (Фиг.5) показали хорошие результаты. Эксперимент проводился в Москве, в ясную солнечную погоду, в июле месяце, в полдень. В качестве 1-й и 3-й линзы использовались изогнутые линейные линзы Френеля из силиконовой резины (коэффициент преломления n=1,4), наклеенные на пластины из поликарбоната. Линзы (1) и (3) выполняли сужение в вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости суточного движения солнца (размер линз 25×200 мм). Полосковая 2-я линза выполняла сужение светового потока в плоскости суточного движения солнца. Она была набрана из 20-ти полосок с размером 2×150 мм, приклеенных к пластине из поликарбоната. Размеры и смещение фокусного светового пятна не превышали 7 мм в течение 3-х часов. Это смещение можно уменьшить до 3 мм, если уменьшить ширину полосок 2-й линзы до 1 мм, при этом количество полосок увеличится до 40 штук, а шаг «лесенки» уменьшится в 2 раза.Experimental studies of the physical model of the concentrator (Figure 5) showed good results. The experiment was conducted in Moscow, in clear sunny weather, in the month of July, at noon. As the 1st and 3rd lenses, we used curved linear Fresnel lenses made of silicone rubber (refractive index n = 1.4), glued to polycarbonate plates. Lenses (1) and (3) performed narrowing in a vertical plane perpendicular to the daily movement of the sun (lens size 25 × 200 mm). The strip 2nd lens narrowed the luminous flux in the plane of the daily movement of the sun. It was composed of 20 strips with a size of 2 × 150 mm glued to a polycarbonate plate. The size and shift of the focal light spot did not exceed 7 mm for 3 hours. This shift can be reduced to 3 mm, if the width of the strips of the 2nd lens is reduced to 1 mm, while the number of strips will increase to 40 pieces, and the step of the "ladder" will be reduced by 2 times.
Экспериментальные исследования компьютерной модели (Фиг. 6) в программе Тrace Pro также показали хорошие результаты. Более 85% входных лучей достигали выходного торца фокона и менее 15% лучей были потеряны, в основном из-за эффекта оптической аберрации. Эти результаты могут быть в дальнейшем улучшены за счет оптимизации параметров линз.Experimental studies of the computer model (Fig. 6) in the Trace Pro program also showed good results. More than 85% of the input rays reached the output end of the focon and less than 15% of the rays were lost, mainly due to the effect of optical aberration. These results can be further improved by optimizing the lens parameters.
На Фиг. 7 приведена фотография цветной картины (холст, масло 20×30 см), которая освещалась в абсолютно темном помещении с помощью концентратора с входной площадью всего 0,005 м2 (или 50 см2) рассеивающей линзы (9) и полимерного оптоволоконного волокна (10) с диаметром 1 мм и длиной 10 м. По оптическому волокну (10) солнечный свет транспортировался в темное помещение и там рассеивался линзой (9).In FIG. Figure 7 shows a photograph of a color picture (canvas, oil 20 × 30 cm), which was illuminated in an absolutely dark room with a concentrator with an entrance area of only 0.005 m 2 (or 50 cm 2 ) of a scattering lens (9) and polymer fiber optic fiber (10) with 1 mm in diameter and 10 m long. Through the optical fiber (10), sunlight was transported into a dark room and there it was scattered by a lens (9).
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF DRAWINGS
На фиг. 1 изображен куполообразный неподвижный концентратор с оптическим способом наведения света. Разрез выполнен в плоскости дневного перемещения солнца по небосводу, поэтому видно только концентрирование и направление светового потока на фоконный жгут полосковыми линзами Френеля (2). В полдень световой поток сужается без изменения его направления. В утренние часы и в вечернее время световой поток сужается полосковыми линзами Френеля (2) и одновременно меняет свое направление, постоянно концентрируясь на входном торце фоконного жгута (4). Сужения светового потока в вертикальной плоскости линзами (1) и (3) на фиг. 1 не заметно.In FIG. 1 shows a domed fixed hub with an optical method of directing light. The section is made in the plane of the daytime movement of the sun across the sky, therefore, only the concentration and direction of the light flux to the focal beam with Fresnel strip lenses is visible (2). At noon, the luminous flux narrows without changing its direction. In the morning and in the evening, the luminous flux narrows with Fresnel strip lenses (2) and at the same time changes its direction, constantly concentrating on the input end of the focal beam (4). The narrowing of the light flux in the vertical plane by the lenses (1) and (3) in FIG. 1 is not noticeable.
На фиг. 2 изображен фронтальный вид на полосковые линзы Френеля (2). Каждая из полосковых линз Френеля фокусирует и направляет свет на входной торец фокона в течение небольшого дневного времени. После перемещения солнца по небосводу, фокусная линия смещается на соседнюю полосковую линзу, которая фокусирует и направляет световой поток на входной торец фокона под другим углом. Положение светового пятна (линии) в полдень (5) совпадает с центральной полосковой линзой, утром эта линия находится на нижней полосковой линзе, а вечером - на верхней полосковой линзе.In FIG. 2 shows a frontal view of the strip Fresnel lenses (2). Each of the strip Fresnel lenses focuses and directs light to the input end of the focon for a short day time. After the sun moves across the sky, the focal line is shifted to an adjacent strip lens, which focuses and directs the light flux to the input end of the focon at a different angle. The position of the light spot (line) at noon (5) coincides with the central stripe lens, in the morning this line is on the lower stripe lens, and in the evening on the upper stripe lens.
На фиг. 3 приведена схема сужения светового потока в другой, вертикальной, (сезонной) плоскости или в плоскости «угла места» солнца. Эта плоскость перпендикулярна плоскости суточного перемещения солнца. После прохождения короткофокусной линейной линзы Френеля (3) световой поток медленно сужается в вертикальной плоскости и достигает размеров входного торца фокона (4), который расположен в фокусе длиннофокусных полосковых линз Френеля (2). Фокусное расстояние линейной линзы (3) должно быть немного меньше, чем у линзы (1), в противном случае, при одинаковых линзах (1) и (3), в сезонной плоскости световые лучи будут снова параллельными.In FIG. 3 shows a diagram of the narrowing of the light flux in another, vertical, (seasonal) plane or in the plane of the "elevation angle" of the sun. This plane is perpendicular to the plane of the daily movement of the sun. After passing through a short-focus linear Fresnel lens (3), the light flux slowly narrows in the vertical plane and reaches the size of the input end of the focon (4), which is located at the focus of the long-focus strip Fresnel lenses (2). The focal length of the linear lens (3) should be slightly less than that of the lens (1), otherwise, with the same lenses (1) and (3), in the seasonal plane the light rays will again be parallel.
На фиг. 4 изображен объемный вид концентратора, поясняющий принцип его работы. На данной фигуре направление светового потока на концентратор соответствует вечернему времени суток. Линия симметрии (7) линейных линз Френеля (1) и (3) сдвинута на угол (8) относительно линии суточного движения солнца по небосводу (6). Этот угол расхождения (8) обеспечивает последовательное смещение фокусной линии линзы (1) с одной полосковой линзы (2) на другую полосковую линзу в течение светового дня. Таким образом, каждая полосковая линза (2) концентрирует и наводит световой поток на фокон в течение небольшого времени, пока световое пятно находится на входном торце фокона (4). Затем фокусная линия постепенно смещается на соседнюю полосковую линзу, у которой угол преломления света немного отличается от предыдущей полосковой линзы Френеля на величину одного шага. В полдень линии (6) и (7) пересекаются и фокусная линия будет совпадать с центральной симметричной полосковой линзой Френеля (5). Эта линза фокусирует световой поток на входной торец фокона (4), не меняя направление светового потока.In FIG. 4 shows a three-dimensional view of the hub, explaining the principle of its operation. In this figure, the direction of the light flux to the hub corresponds to the evening time of the day. The line of symmetry (7) of linear Fresnel lenses (1) and (3) is shifted by an angle (8) relative to the line of daily movement of the sun across the sky (6). This divergence angle (8) provides a sequential shift of the focal line of the lens (1) from one strip lens (2) to another strip lens during daylight hours. Thus, each strip lens (2) concentrates and directs the luminous flux onto the focon for a short time, while the light spot is at the input end of the focon (4). Then the focal line is gradually shifted to the adjacent strip lens, in which the angle of refraction of light is slightly different from the previous strip Fresnel lens by one step. At noon, lines (6) and (7) intersect and the focal line will coincide with the central symmetrical strip Fresnel lens (5). This lens focuses the light flux on the input end of the focon (4), without changing the direction of the light flux.
На фиг. 5 приведены две фотографии экспериментальной установки концентратора с оптическим способом наведения. Концентратор установлен на штативе, который позволяет изменять его положение по азимуту и углу места. Фокон в данном эксперименте был заменен бумажным экраном для наблюдения за фокусным пятном.In FIG. Figure 5 shows two photographs of the experimental setup of a concentrator with an optical guidance method. The hub is mounted on a tripod, which allows you to change its position in azimuth and elevation. The focus in this experiment was replaced by a paper screen for observing the focal spot.
На фиг. 6 приведена компьютерная модель концентратора с оптическим наведением выполненная в программе трассировки лучей Тrace Pro. В точке схождения лучей (фокус линейной линзы Френеля 2) размещен круглый диск (4), выполняющий роль входного торца фокона.In FIG. Figure 6 shows a computer model of a concentrator with optical guidance made in the ray tracing program Trace Pro. At the point of convergence of the rays (the focus of the linear Fresnel lens 2), a circular disk (4) is placed, which acts as the input end of the focon.
На фиг. 7 приведена фотография цветной картины (холст, масло 20×30 см). Данная картина освещалась в абсолютно темном помещении с помощью солнечного света. Этот свет фокусировался концентратором с оптическим наведением и транспортировался на рассеивающую линзу (9) по фоконному оптическому волокну (10).In FIG. 7 shows a photograph of a color picture (oil on canvas, 20 × 30 cm). This picture was illuminated in a completely dark room using sunlight. This light was focused by a concentrator with optical guidance and transported to a scattering lens (9) through a focal optical fiber (10).
ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ФИГУРАХDESIGNATIONS IN FIGURES
1 - Короткофокусная линейная линза Френеля;1 - Short-focus linear Fresnel lens;
2 - Полосковые длиннофокусные линзы Френеля. Ось симметрии полосковых линз Френеля повернута (относительно оси симметрии 1-й и 3-й линз) на 90°, она лежит в плоскости сезонного перемещения солнца и определяет «Угол места солнца»;2 - Striped telephoto Fresnel lenses. The axis of symmetry of the strip Fresnel lenses is rotated (relative to the axis of symmetry of the 1st and 3rd lenses) by 90 °, it lies in the plane of the seasonal movement of the sun and defines the "Sun elevation angle";
3 - Короткофокусная линейная линза Френеля. Ось симметрии 1-й и 3-й линейных линз Френеля лежит в плоскости суточного перемещения солнца, и определяет «Азимут солнца»;3 - Short-focus linear Fresnel lens. The axis of symmetry of the 1st and 3rd linear Fresnel lenses lies in the plane of the daily movement of the sun, and determines the "Azimuth of the sun";
4 - Фокон или фоконный жгут;4 - Fokon or fokonny plait;
5 - Фокусная линия первой линзы Френеля в полдень (находится на средней полосковой линзе Френеля);5 - Focal line of the first Fresnel lens at noon (located on the middle stripe Fresnel lens);
6 - Линия суточного движения солнца по небосводу;6 - Line of daily movement of the sun in the sky;
7 - Линия, лежащая в плоскости симметрии 1-й и 3-й линейных линз Френеля;7 - A line lying in the plane of symmetry of the 1st and 3rd linear Fresnel lenses;
8 - Угол расхождения между линиями (6) и (7);8 - The angle of difference between the lines (6) and (7);
9 - Рассеивающая линза;9 - diffusing lens;
10 - Полимерное оптическое волокно из полиметилметакрилата (ПММА).10 - Polymer optical fiber made of polymethyl methacrylate (PMMA).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017129203A RU2659319C1 (en) | 2017-08-15 | 2017-08-15 | Fixed solar radiation concentrator with optical method of alignment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017129203A RU2659319C1 (en) | 2017-08-15 | 2017-08-15 | Fixed solar radiation concentrator with optical method of alignment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2659319C1 true RU2659319C1 (en) | 2018-06-29 |
Family
ID=62816033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017129203A RU2659319C1 (en) | 2017-08-15 | 2017-08-15 | Fixed solar radiation concentrator with optical method of alignment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2659319C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2728330C1 (en) * | 2019-12-16 | 2020-07-29 | Общество с ограниченной ответственностью "СЕНС" | Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4545366A (en) * | 1984-09-24 | 1985-10-08 | Entech, Inc. | Bi-focussed solar energy concentrator |
RU2137978C1 (en) * | 1998-03-26 | 1999-09-20 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | Lighting fixture with asymmetric distribution of light flux relative to optical axis |
US20100175685A1 (en) * | 2008-07-14 | 2010-07-15 | Robert Owen Campbell | Advanced Tracking Concentrator Employing Rotating Input Arrangement and Method |
RU2403510C1 (en) * | 2009-07-06 | 2010-11-10 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Holographic solar concentrator |
RU102747U1 (en) * | 2010-09-28 | 2011-03-10 | Сергей Яковлевич Самохвалов | SOLAR FIBER LIGHTING DEVICE |
US20120255540A1 (en) * | 2011-04-07 | 2012-10-11 | Hutchin Richard A | Sun tracking solar concentrator |
-
2017
- 2017-08-15 RU RU2017129203A patent/RU2659319C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4545366A (en) * | 1984-09-24 | 1985-10-08 | Entech, Inc. | Bi-focussed solar energy concentrator |
RU2137978C1 (en) * | 1998-03-26 | 1999-09-20 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | Lighting fixture with asymmetric distribution of light flux relative to optical axis |
US20100175685A1 (en) * | 2008-07-14 | 2010-07-15 | Robert Owen Campbell | Advanced Tracking Concentrator Employing Rotating Input Arrangement and Method |
RU2403510C1 (en) * | 2009-07-06 | 2010-11-10 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Holographic solar concentrator |
RU102747U1 (en) * | 2010-09-28 | 2011-03-10 | Сергей Яковлевич Самохвалов | SOLAR FIBER LIGHTING DEVICE |
US20120255540A1 (en) * | 2011-04-07 | 2012-10-11 | Hutchin Richard A | Sun tracking solar concentrator |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2728330C1 (en) * | 2019-12-16 | 2020-07-29 | Общество с ограниченной ответственностью "СЕНС" | Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chong et al. | Design and construction of active daylighting system using two-stage non-imaging solar concentrator | |
US20140159636A1 (en) | Solar energy harvesting skylights and windows with integrated illumination | |
Barbón et al. | Development of a fiber daylighting system based on a small scale linear Fresnel reflector: Theoretical elements | |
Vu et al. | Modified optical fiber daylighting system with sunlight transportation in free space | |
EP3455886B1 (en) | Optomechanical system for capturing and transmitting incident light with a variable direction of incidence to at least one collecting element and corresponding method | |
CA2738647A1 (en) | Solar collector panel | |
US20150009568A1 (en) | Light collection system and method | |
RU2670360C1 (en) | Fixed cascade lens solar radiation concentrator with optical method of installation | |
JP2012225611A (en) | Solar collecting device, and solar energy utilization system | |
Yin et al. | A spectral splitting planar solar concentrator with a linear compound parabolic lightguide for optical fiber daylighting | |
RU2659319C1 (en) | Fixed solar radiation concentrator with optical method of alignment | |
Onubogu et al. | Optical characterization of two-stage non-imaging solar concentrator for active daylighting system | |
Hu et al. | High efficiency glass waveguiding solar concentrator | |
Gao et al. | Design of a planar solar illumination system to bring natural light into the building core | |
Couture et al. | Improving passive solar collector for fiber optic lighting | |
RU2676819C2 (en) | Optical fibering lighting device with optical method of tracking a stable concentrator for the sun | |
JP5556938B1 (en) | Solar lighting system | |
RU2728330C1 (en) | Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun | |
WO2006039156A2 (en) | Method and apparatus for illuminating a solar cell with indirect sunrays | |
Song et al. | Concentration performance evaluation of sunlight concentrators: Fresnel lens, plano-convex lens, and parabolic mirrors for daylighting application | |
TWI578024B (en) | Light collecting module | |
Ahmed et al. | Seven-Point Solar Tracking Control for a Fiber-Optic Daylighting System | |
Zhao et al. | Optimization of wide-angle planar micro-optic solar concentrator systems for deployment in tropics | |
RU2739167C1 (en) | Stationary solar radiation concentrator | |
KR101130765B1 (en) | Side solar concentrator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190816 |