RU2728330C1 - Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun - Google Patents
Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun Download PDFInfo
- Publication number
- RU2728330C1 RU2728330C1 RU2019142553A RU2019142553A RU2728330C1 RU 2728330 C1 RU2728330 C1 RU 2728330C1 RU 2019142553 A RU2019142553 A RU 2019142553A RU 2019142553 A RU2019142553 A RU 2019142553A RU 2728330 C1 RU2728330 C1 RU 2728330C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- concentrator
- gradient
- sun
- optical
- lens
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title abstract description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 17
- 241000282421 Canidae Species 0.000 description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 4
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 3
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 241000208818 Helianthus Species 0.000 description 1
- 235000003222 Helianthus annuus Nutrition 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000010257 thawing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
- F24S23/30—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses
- F24S23/31—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses having discontinuous faces, e.g. Fresnel lenses
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
- G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
- G02B19/0014—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only at least one surface having optical power
-
- 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
- H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
- H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
-
- 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
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
-
- 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)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области бытовых осветительных и обогревательных приборов, а именно, к приборам для освещения и обогрева холодных и сырых помещений с низкой температурой, и естественной освещенностью: подвалов, коридоров, прихожих, ванных комнат, рудников, шахт, подземных автостоянок и гаражей, станций метро, и пр.The invention relates to the field of household lighting and heating devices, namely, to devices for lighting and heating cold and damp rooms with low temperatures and natural illumination: basements, corridors, hallways, bathrooms, mines, mines, underground parking lots and garages, stations metro, etc.
Общеизвестные электроосветительные и электрообогревательные приборы являются энергозависимыми, и обладают существенными недостатками: относительно высоким энергопотреблением, электрической и пожарной опасностью, малым сроком службы, плохим не естественным световым спектром, необходимостью специальной утилизации.Well-known electric lighting and electric heating devices are volatile and have significant drawbacks: relatively high energy consumption, electrical and fire hazard, short service life, poor non-natural light spectrum, the need for special disposal.
В качестве естественного освещения сейчас по-прежнему применяются окна и зенитные фонари - световые прозрачные конструкции в кровле здания. Зенитные фонари устанавливают на крыше зданий, устраняя тем самым недостаток естественного освещения, но только верхних этажей. Кроме того, окна и зенитные фонари ухудшают теплоизоляцию помещений, они сложные в монтаже, вносят изменения в конструкцию зданий, и сравнительно дороги. Естественный обогрев помещений вообще не применяется. Пока используется только утепление помещений, для сохранения тепла в северных районах, и прохлады в южных широтах. Существуют солнечные обогревательные устройства с жидкими теплоносителями, имеющие массу недостатков: высокие цены, возможность размораживания в зимнее время, наличие электрических насосов для перекачки теплоносителя, и т.п. http://du-alex.ru/solnechnye-kollektoryWindows and skylights are still used as natural lighting - transparent light structures in the roof of the building. Skylights are installed on the roofs of buildings, thereby eliminating the lack of natural light, but only on the upper floors. In addition, windows and skylights worsen the thermal insulation of the premises, they are difficult to install, make changes to the structure of buildings, and are relatively expensive. Natural space heating is not used at all. So far, only insulation of premises is used to keep warm in the northern regions, and coolness in the southern latitudes. There are solar heating devices with liquid heat carriers, which have a lot of disadvantages: high prices, the possibility of defrosting in winter, the presence of electric pumps for pumping the heat carrier, etc. http://du-alex.ru/solnechnye-kollektory
Экологически чистую солнечную световую энергию, можно преобразовывать в электроэнергию с помощью солнечных батарей или фотоэлектронных преобразователей, используя затем электрическое освещение и электрический обогрев. Однако, при таком способе неизбежно двойное преобразование энергии. Сначала, световая энергия преобразуется в электричество, а затем это электричество транспортируется по проводам, и снова преобразуется в видимый и инфракрасный (ИК) свет. Учитывая низкий КПД солнечных батарей (обычно, 10-20%), и электрических ламп (7-50%), на освещение остается 1-2% от входной солнечной энергии. Электрический обогрев тоже сравнительно дорог, и поэтому редко используется в быту, и на производстве.Environmentally friendly solar light energy can be converted into electricity using solar panels or photoelectric converters, then using electric lighting and electric heating. However, with this method, double conversion of energy is inevitable. First, light energy is converted into electricity, and then this electricity is transported through wires, and again converted into visible and infrared (IR) light. Taking into account the low efficiency of solar panels (usually 10-20%) and electric lamps (7-50%), 1-2% of the input solar energy remains for lighting. Electric heating is also relatively expensive, and therefore rarely used in everyday life and in production.
Относительно недавно для освещения помещений естественным светом, стали использовать гибридные оптоволоконные устройства. Для концентрации солнечного света, в них используют оптическую систему Кассегрена, которая состоит из двух зеркал, большого и малого.More recently, hybrid fiber optic devices have been used to illuminate rooms with natural light. To concentrate sunlight, they use the Cassegrain optical system, which consists of two mirrors, large and small.
Для оптимального ввода солнечного излучения в оптическое волокно необходимо световой поток сконцентрировать на его входной торец. Это самая сложная задача, поскольку, концентрированный световой поток должен оставаться параллельным, и совпадать по направлению с осью симметрии волокна. Притом, что солнце не стоит на месте, а непрерывно перемещается по небосводу в двух плоскостях, в дневной плоскости, с востока на запад, и в сезонной (вертикальной) плоскости. В течение дня, концентратор собирает солнечную энергию, поворачиваясь вслед за солнцем, как это делает всем известный подсолнух. Система Кассегрена, оптически является идеальной, но требует позиционирования концентратора в двух плоскостях, осуществить которое сложно и дорого. Наличие механической системы слежения за солнцем, с двумя степенями свободы, ограничивает размеры концентратора, требует внешнего электропитания подводимого от сети, или получаемого от преобразования световой энергии в энергию электрическую. Стоимость всего устройства достигает 16 тыс. долларов, при мощности всего 1-2 кВт. Высокая цена, сложность обслуживания, необходимость во внешнем электропитании, не большая мощность из-за ограниченной площади концентратора, его большой вес и существенная ветровая нагрузка, являются основными недостатками данных устройств.For optimal input of solar radiation into an optical fiber, it is necessary to concentrate the luminous flux at its input end. This is the most difficult task, since the concentrated light flux must remain parallel and coincide in direction with the fiber's symmetry axis. Moreover, the sun does not stand still, but continuously moves across the sky in two planes, in the daytime plane, from east to west, and in the seasonal (vertical) plane. During the day, the concentrator collects solar energy, turning to follow the sun, as the well-known sunflower does. The Cassegrain system is optically ideal, but requires positioning the hub in two planes, which is difficult and expensive to implement. The presence of a mechanical tracking system for the sun, with two degrees of freedom, limits the size of the concentrator, requires external power supply supplied from the network, or obtained from the conversion of light energy into electrical energy. The cost of the entire device reaches 16 thousand dollars, with a power of only 1-2 kW. High price, complexity of maintenance, the need for external power supply, low power due to the limited area of the concentrator, its large weight and significant wind load are the main disadvantages of these devices.
Известны конструкции неподвижных концентраторов, например, устройства, предложенные в патентах: United States Patent 3,780,722, или US 2012/0154941 А1. В них для концентрации светового потока применяются 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 кабеле, из-за ограниченной числовой апертуры фоконов. При большой входной, и малой выходной площадях торцов фоконов, с каждым последующим отражением, у световых лучей увеличивается угол отражения. Когда этот угол достигнет 90 градусов, продвижение лучей по фокону прекращается, лучи разворачиваются в обратном направлении, и выходят через входной торец. Поэтому, такие концентраторы не позволяют обеспечивать высокую концентрацию, и передачу больших световых потоков по тонкому оптоволокну.Known designs of stationary concentrators, for example, the device proposed in patents: United States Patent 3,780,722, or US 2012/0154941 A1. To concentrate the luminous flux, they use foxes, or special prisms that form matrix surfaces for collecting light, and its further transportation through optical channels. However, such concentrators are heavy and inefficient. They cannot provide a high luminous flux density in a fiber-optic cable, due to the limited numerical aperture of the foxes. With a large entrance and small exit areas of the ends of the foxes, with each subsequent reflection, the angle of reflection of the light rays increases. When this angle reaches 90 degrees, the movement of the rays along the focon stops, the rays unfold in the opposite direction, and exit through the entrance end. Therefore, such concentrators do not allow for high concentration and transmission of large light fluxes over thin fiber.
Известны, также конструкции неподвижных концентраторов, в которых для увеличения плотности светового потока, совместно с фоконами используются линейные линзы Френеля (ЛФ), например, патент РФ на изобретение №2659319 от 29.06.2018 г. Концентраторы с линейными линзами Френеля, требуют сезонной коррекции в вертикальной плоскости. Коррекция наклона концентратора (по углу места), осуществляется не более одного раза в неделю, тем не менее, такой концентратор не является абсолютно неподвижным, поэтому, и у него тоже ограничена площадь, а значит, ограничена и мощность.There are also known designs of stationary concentrators in which linear Fresnel lenses (LF) are used to increase the luminous flux density, for example, RF patent for invention No. 2659319 dated 06/29/2018. Concentrators with linear Fresnel lenses require seasonal correction in vertical plane. Correction of the inclination of the concentrator (in elevation) is carried out no more than once a week, however, such a concentrator is not absolutely stationary, therefore, it also has a limited area, which means that its capacity is also limited.
Наиболее близким к заявляемому изобретению, является концентратор с радиальными ЛФ (патент РФ на изобретение №2670360 от 22.10.2018 г). Однако в таком концентраторе не изменяется направление выходного светового потока, которое у него совпадает с направлением световых солнечных лучей в полдень. Поэтому, такой концентратор имеет большую толщину, он не может быть плоским, и его сложно использовать, например, в качестве кровли зданий.The closest to the claimed invention is a concentrator with radial LF (RF patent for invention No. 2670360 dated 22.10.2018). However, such a concentrator does not change the direction of the output luminous flux, which coincides with the direction of the sun's light rays at noon. Therefore, such a concentrator has a great thickness, it cannot be flat, and it is difficult to use it, for example, as a roof of buildings.
Техническим результатом заявляемого изобретения, является создание устройства, пригодного как для освещения, так и для обогрева помещений. Для такого устройства нужен плоский концентратор видимого солнечного спектра и ИК лучей, у которого выходной концентрированный световой поток, направлен вдоль входной приемной поверхности концентратора, т.е. повернут на 90°, относительно падающих на него солнечных лучей в полдень. Такое устройство не имеет электромеханических следящих систем, имеет большой срок службы, не высокую стоимость, и ветровую нагрузку на концентратор, большую надежность, при полной независимости от сети электропитания. Заявляемое устройство может использоваться в качестве кровли зданий, и позволяет не только освещать, но и обогревать помещения.The technical result of the claimed invention is to create a device suitable for both lighting and heating rooms. Such a device requires a flat concentrator of the visible solar spectrum and infrared rays, in which the output concentrated light flux is directed along the input receiving surface of the concentrator, i.e. rotated 90 ° relative to the sun's rays falling on it at noon. Such a device does not have electromechanical tracking systems, has a long service life, low cost, and wind load on the concentrator, greater reliability, with complete independence from the power supply network. The claimed device can be used as a roof of buildings, and allows not only to illuminate, but also to heat the premises.
Сущность изобретения. Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, применен неподвижный линзовый многокаскадный концентратор с оптическим способом наведения светового потока на входной торец фокона. Для получения плоского концентратора, его последний выходной каскад, направляет узкий световой поток в фокон, и одновременно изменяет его направление на 90°, так, чтобы это направление совпадало с приемной плоскостью концентратора. Все линзы, фоконы, оптический тракт и диффузор, выполнены из кварцевого стекла, или другого материала, хорошо пропускающего как «холодный» свет для освещения, так и «горячий» (ИК) свет для обогрева помещений. Направляющая линза Френеля, фоконы и оптический тракт имеют градиентную структуру. Таким образом, при совместном применении заявляемого устройства с термоэлектрогенератором, появляется возможность преобразования тепловой энергии, в электроэнергию с высоким КПД (до 90-95%), и ее накопления в аккумуляторных батареях. На фиг. 2 приведена принципиальная схема заявляемого устройства.The essence of the invention. The technical result is achieved by the fact that the inventive device uses a stationary multi-stage lens concentrator with an optical method of directing the light flux to the input end of the focal point. To obtain a flat concentrator, its last output stage directs a narrow light flux into the focal point, and simultaneously changes its direction by 90 °, so that this direction coincides with the receiving plane of the concentrator. All lenses, tapers, optical path and diffuser are made of quartz glass or other material that transmits well both "cold" light for illumination and "hot" (IR) light for heating rooms. The Fresnel guide lens, foxes and optical path have a gradient structure. Thus, with the combined use of the claimed device with a thermoelectric generator, it becomes possible to convert thermal energy into electricity with high efficiency (up to 90-95%), and its accumulation in batteries. FIG. 2 shows a schematic diagram of the proposed device.
Сужающая линза Френеля (1), и расширяющая ЛФ (2), образуют коллиматор, преобразующий солнечный световой поток, в узкий почти параллельный пучок. Этот концентрированный световой поток перемещается вместе с солнцем, но в обратном направлении (стрелка 7), с запада, на восток. Поэтому, заявляемое устройство содержит дополнительно направляющую градиентную линзу Френеля специальной формы, с двумя удаленными друг от друга фокусами (3) на фиг. 3. Концентрированный световой поток, на входной торец фокона, направляет многослойная градиентная линза Френеля (3), со снижающимся показателем преломления у каждого последующего слоя. Любой световой луч, выходящий из фокуса коллиматора, пройдя через третью градиентную линзу Френеля (3), непременно попадает в фокон (4), независимо от того, через какую точку направляющей линзы он прошел. При переходе из одного слоя градиентной ЛФ, в другой слой, луч меняет свое направление в двух плоскостях, постепенно приближаясь к оси симметрии фокона. Градиентная ЛФ (3) симметричная в двух плоскостях, в плоскости дневного, и в плоскости сезонного перемещения солнца. У этой линзы имеется два выхода, утренний выход, и вечерний. На боковых гранях нижнего слоя градиентной линзы Френеля (3), расположены фоконы (4), которые выполняют окончательное сужение светового потока. Фоконы (4), принимают концентрированный световой поток, и передают его по оптическому тракту (5), в диффузор (6), который освещает, и обогревает помещение. Фоконы необходимы для того, чтобы уменьшить требования к качеству изготовления линз Френеля. При невысоком качестве ЛФ, световой поток, выходящий из коллиматора, будет немного размыт, и его окончательное сужение выполняют градиентная направляющая линза (3), и фоконы (4).The converging Fresnel lens (1) and the expanding LF (2) form a collimator that converts the solar luminous flux into a narrow, almost parallel beam. This concentrated luminous flux moves with the sun, but in the opposite direction (arrow 7), from west to east. Therefore, the inventive device additionally contains a guiding gradient Fresnel lens of a special shape, with two foci (3) distant from each other in FIG. 3. The concentrated light flux, at the entrance end of the focal point, is directed by a multilayer gradient Fresnel lens (3), with a decreasing refractive index for each subsequent layer. Any light beam leaving the focus of the collimator, passing through the third gradient Fresnel lens (3), will certainly fall into the focon (4), regardless of which point of the directional lens it passed through. When passing from one layer of the gradient LF to another layer, the beam changes its direction in two planes, gradually approaching the axis of symmetry of the focon. Gradient LF (3) is symmetric in two planes, in the plane of the daytime, and in the plane of the seasonal movement of the sun. This lens has two exits, morning exit, and evening. On the side faces of the lower layer of the gradient Fresnel lens (3), there are foxes (4), which perform the final narrowing of the light flux. Focones (4) receive a concentrated luminous flux and transmit it through the optical path (5) to a diffuser (6), which illuminates and heats the room. Focones are needed to reduce the quality requirements for Fresnel lenses. With a low LF quality, the luminous flux coming out of the collimator will be slightly blurred, and its final narrowing is performed by a gradient guide lens (3) and foxes (4).
При дневном перемещении солнца с лева на право (Фиг. 3), концентрированное световое пятно перемещается в левую сторону (7), т.е. с права на лево. Зимой пятно перемещается в нижней части линзы (оранжевый цвет), летом - в верхней части (голубой цвет), а весной и осенью - в средней части (красный цвет). Сезонное перемещение солнца (угол места), которое изменяется примерно от -20° до +20°, вызывает смещение пятна в вертикальном направлении, поперек ЛФ (3), а дневное перемещение солнца, вызывает смещение пятна в горизонтальном направлении (7). Таким образом, положение верхнего пятна на 3-й линзе, соответствует утреннему времени зимой, нижнее пятно, соответствует вечернему времени летом, а среднее пятно, соответствует полуденному времени весной и осенью (Фиг. 3).When the sun moves from left to right during the day (Fig. 3), the concentrated light spot moves to the left side (7), i.e. from right to left. In winter, the spot moves in the lower part of the lens (orange), in summer - in the upper part (blue), and in spring and autumn - in the middle (red). The seasonal movement of the sun (angle of elevation), which varies from about -20 ° to + 20 °, causes the spot to shift in the vertical direction, across the LF (3), and the daytime movement of the sun causes the spot to shift in the horizontal direction (7). Thus, the position of the upper spot on the 3rd lens corresponds to the morning time in winter, the lower spot corresponds to the evening time in summer, and the middle spot corresponds to noon time in spring and autumn (Fig. 3).
Для обогрева помещений, детали концентратора (ЛФ, фоконы, ОВК, диффузор), изготавливаются из кварца, или другого материала, хорошо передающего, как видимый свет, так и ИК излучение. При совместном применении заявляемого устройства с термоэлектрогенераторами (термопарами), имеется возможность накопления ИК энергии, после преобразования ее в электрическую энергию, с КПД до 90-95%. Таким образом, заявляемое устройство найдет широкое применение в энергетике, поскольку, обладает низкой стоимостью, высокой надежностью, и большой мощностью. Оно позволяет освещать и обогревать помещения, с использованием экологически чистой энергии (солнечного света), и с высоким КПД получать электроэнергию, совместно с термоэлектрогенераторами.For space heating, the parts of the concentrator (LF, tapers, HVAC, diffuser) are made of quartz, or other material that transmits well both visible light and IR radiation. When the proposed device is used together with thermoelectric generators (thermocouples), it is possible to accumulate IR energy, after converting it into electrical energy, with an efficiency of up to 90-95%. Thus, the claimed device will find wide application in the power industry, since it has a low cost, high reliability, and high power. It allows you to illuminate and heat rooms using environmentally friendly energy (sunlight), and to receive electricity with high efficiency, together with thermoelectric generators.
Цифровые обозначения элементов на рисункахNumerical designations of elements in the figures
Фиг. 1 Оптическая система Кассегрена на основе параболических зеркал с механической системой наведения на солнце.FIG. 1 Cassegrain optical system based on parabolic mirrors with mechanical guidance system to the sun.
Фиг. 2 Принципиальная схема «Оптоволоконного осветительного и нагревательного устройства с оптическим способом слежения плоского неподвижного концентратора за солнцем».FIG. 2 Schematic diagram of "Fiber-optic lighting and heating device with optical tracking of a flat stationary concentrator for the sun".
1 - Собирающая (сужающая) линза Френеля1 - Collecting (narrowing) Fresnel lens
2 - Рассеивающая (расширяющая) короткофокусная линза Френеля2 - Diffusing (expanding) short-focus Fresnel lens
3 - Направляющая градиентная линза Френеля специальной формы.3 - Directional gradient Fresnel lens of a special shape.
4 - Градиентные фоконы4 - Gradient backgrounds
5 - Градиентное оптическое волокно (оптоволоконный кабель, ОВК)5 - Gradient optical fiber (fiber optic cable, OVK)
6 - Диффузор6 - the Diffuser
Фиг. 3 Устройство трехкаскадного плоского концентратора на линзах Френеля. Концентратор содержит собирающую (сужающую) линзу Френеля (1), рассеивающую (расширяющую) короткофокусную линзу Френеля (2), и дополнительно направляющую градиентную линзу Френеля (3) специальной формы, с двумя удаленными друг от друга фокусами.FIG. 3 The device of a three-stage flat concentrator on Fresnel lenses. The concentrator contains a converging (narrowing) Fresnel lens (1), a scattering (expanding) short-focus Fresnel lens (2), and, additionally, a directional gradient Fresnel lens (3) of a special shape, with two foci distant from each other.
7 - Направление движения светового концентрированного пятна по направляющей линзе в течение дня (зимой, утром - пятно с права, весной и осенью, в полдень - пятно в центре направляющей ЛФ, летом, вечером - пятно с лева).7 - The direction of movement of the concentrated light spot along the guide lens during the day (in winter, in the morning - a spot on the right, in spring and autumn, at noon - a spot in the center of the guide LF, in summer, in the evening - a spot on the left).
Фиг. 4 Компьютерное моделирование концентратора с коллиматором на линзах Френеля (1 и 2), многослойной, градиентной, направляющей линзой Френеля (3), и фоконом (4), в программе TrecePro. Показан ход лучей весной и осенью, в полдень, когда солнечные лучи перпендикулярны плоскости концентратора. Показатель преломления ограничен в программе, поэтому, угол преломления светового потока меньше 90 градусов (всего 25-30).FIG. 4 Computer simulation of a concentrator with a collimator on Fresnel lenses (1 and 2), a multilayer, gradient, directing Fresnel lens (3), and a focal point (4), in the TrecePro program. Shown is the path of rays in spring and autumn, at noon, when the sun's rays are perpendicular to the plane of the concentrator. The refractive index is limited in the program, therefore, the angle of refraction of the light flux is less than 90 degrees (25-30 in total).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019142553A RU2728330C1 (en) | 2019-12-16 | 2019-12-16 | Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019142553A RU2728330C1 (en) | 2019-12-16 | 2019-12-16 | Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2728330C1 true RU2728330C1 (en) | 2020-07-29 |
Family
ID=72085822
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019142553A RU2728330C1 (en) | 2019-12-16 | 2019-12-16 | Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2728330C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114852369A (en) * | 2022-07-11 | 2022-08-05 | 中国飞机强度研究所 | Heating adjustment control method for high-temperature heat strength test of aircraft nose cone structure |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA200100063A1 (en) * | 1998-07-21 | 2001-08-27 | Александр Шалвович Мосешвили | CONCENTRATOR OF RADIATIVE ENERGY |
| US20100175685A1 (en) * | 2008-07-14 | 2010-07-15 | Robert Owen Campbell | Advanced Tracking Concentrator Employing Rotating Input Arrangement and Method |
| RU2659319C1 (en) * | 2017-08-15 | 2018-06-29 | Сергей Яковлевич Самохвалов | Fixed solar radiation concentrator with optical method of alignment |
| RU2670360C1 (en) * | 2017-11-13 | 2018-10-22 | Сергей Яковлевич Самохвалов | Fixed cascade lens solar radiation concentrator with optical method of installation |
| RU2676819C2 (en) * | 2016-12-12 | 2019-01-11 | Сергей Яковлевич Самохвалов | Optical fibering lighting device with optical method of tracking a stable concentrator for the sun |
-
2019
- 2019-12-16 RU RU2019142553A patent/RU2728330C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA200100063A1 (en) * | 1998-07-21 | 2001-08-27 | Александр Шалвович Мосешвили | CONCENTRATOR OF RADIATIVE ENERGY |
| US20100175685A1 (en) * | 2008-07-14 | 2010-07-15 | Robert Owen Campbell | Advanced Tracking Concentrator Employing Rotating Input Arrangement and Method |
| RU2676819C2 (en) * | 2016-12-12 | 2019-01-11 | Сергей Яковлевич Самохвалов | Optical fibering lighting device with optical method of tracking a stable concentrator for the sun |
| RU2659319C1 (en) * | 2017-08-15 | 2018-06-29 | Сергей Яковлевич Самохвалов | Fixed solar radiation concentrator with optical method of alignment |
| RU2670360C1 (en) * | 2017-11-13 | 2018-10-22 | Сергей Яковлевич Самохвалов | Fixed cascade lens solar radiation concentrator with optical method of installation |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114852369A (en) * | 2022-07-11 | 2022-08-05 | 中国飞机强度研究所 | Heating adjustment control method for high-temperature heat strength test of aircraft nose cone structure |
| CN114852369B (en) * | 2022-07-11 | 2022-09-06 | 中国飞机强度研究所 | Heating adjustment control method for high-temperature thermal strength test of aircraft nose cone structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4389085A (en) | Lighting system utilizing the sunlight | |
| Chong et al. | Design and construction of active daylighting system using two-stage non-imaging solar concentrator | |
| US20060016448A1 (en) | Apparatus and method for collecting energy | |
| US20070240705A1 (en) | Hybrid Photovoltaic Concentrating System with Corrected Total Reflection Reflectors for Very Large Concentrating Ratios | |
| Vu et al. | Modified optical fiber daylighting system with sunlight transportation in free space | |
| US7915523B2 (en) | Compact solar apparatus for producing electricity and method of producing electricity using a compact solar apparatus | |
| US20140233256A1 (en) | Sunny Bright Solar Lighting | |
| TWI684703B (en) | Side concentrating solar blinds | |
| RU2670360C1 (en) | Fixed cascade lens solar radiation concentrator with optical method of installation | |
| WO2016133484A1 (en) | Solar and wind power plant | |
| Ullah | Fiber-based daylighting system using trough collector for uniform illumination | |
| Malet-Damour et al. | Technological review of tubular daylight guide system from 1982 to 2020 | |
| JP2012225611A (en) | Solar collecting device, and solar energy utilization system | |
| RU2728330C1 (en) | Optical fiber lighting and heating device with optical method of monitoring a fixed concentrator behind the sun | |
| KR101671455B1 (en) | Solar Concenstrator for photovoltaic lighting, sterilization and thermoelectric generator | |
| Tripanagnostopoulos | New designs of building integrated solar energy systems | |
| Li et al. | An optimal design analysis of a novel parabolic trough lighting and thermal system | |
| Yin et al. | A spectral splitting planar solar concentrator with a linear compound parabolic lightguide for optical fiber daylighting | |
| Onubogu et al. | Optical characterization of two-stage non-imaging solar concentrator for active daylighting system | |
| Abdul-Rahman et al. | Limitations in current day lighting related solar concentration devices: A critical review | |
| Fraas et al. | Infrared photovoltaics for combined solar lighting and electricity for buildings | |
| RU2468288C1 (en) | Solar self-directing fibre optic lighting device | |
| RU2676819C2 (en) | Optical fibering lighting device with optical method of tracking a stable concentrator for the sun | |
| 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 |