Рассмотрим стационарные концентраторы, представляющие собой объединение призмы треугольной формы и круглоцилиндри­ческой отражающей поверхности фоклина (рис. 5.22). Для улавли­вания лучей используется симметричная призма с основанием на по — 136

Рис. 5.22. Схема сложного призма-
тического концентратора с широкой
призмой полного внутреннего
отражения

верхности выхода и вершиной на оптической оси круглоцилиндри­ческого фоклина [5.15].

Угол при основании призмы г| берется таким, чтобы отражен­ные лучи, попав в призму, получили полное внутреннее отражение на противоположной грани и направились к поверхности выхода. Уравнение для вычисления р следующее:

/ ч соя 77 + а)

sm(<£> + 2 • 77) =———-

п, (5.34)

где <р — угол полного внутреннего отражения; а — угол наклона по­логого луча. Вычисленное по формуле (5.27) значение угла при ос­новании призмы для луча, отклоненного на угол 5=24° от оси кон­центратора и угла наклона отражающей окружности в нижней точке 57° составило р=64°.

Высота призмы зависит от длины основания и должна быть достаточной, чтобы призма захватывала самые высоко идущие от­раженные лучи. Для d=l высота призмы оказывается равной 1,07, в то время как лучи идут на высоте 1,94. Это вынуждает увеличивать значение d при сохранении параметров отражающей окружности.

При коэффициенте преломления материала призмы п=1,49 (орг. стекло) и значениях углов наклона в нижней и в верхней точке приведенной окружности 57° и 87° соответственно получаем макси­мальную достижимую геометрическую концентрацию К = 3,6 крат.

Распределения облу­ченности поверхности выхо­да приведено на рис. 5.23.

На рис. 5.24, 5.25 пред­ложены варианты сложного призматического концентра­тора с призмой, имеющей малый угол при вершине [5.16,5.17].

Рис. 5.24. Схема сложного
призматического W-образного
концентратора с призмой,
имеющей малый угол
при вершине р
(пояснения в тексте)

РисГІ’^б. Схема прохождения лу-
чей через сложный призматический
W-образныи концентратор
с призмой, имеющей малый угол
при вершине р

Солнечный фотоэлек­трический модуль содержит кон­центратор на основе цилиндриче­ского фоклина 1 с поверхностью выхода излучения 2, на кото­рой установлен оптический элемент в виде призмы 3 с фото­преобразователем 4. Поверх­ность выхода излучения из фоклина 1 и призмы 3 является общей и на ней установлен фо­топреобразователь 4. Боковые поверхности 5 оптически прозрачной призмы 3 имеют симметричный изгиб ab, определяемый разными углами рь Рг при вершинах треугольников, образованных сторона­ми призмы, причём Pi < Рг. Кроме того, на рис. 5.24 показаны высота оптически прозрачной призмы Н; высота фоклина h; апертурный угол фоклина 8; размер d поверхности выхода 2 излучения; размер di в сечении ab в месте перегиба боковых поверхностей оптически прозрачной призмы 3; ось симметрии модуля 00,. Лучи Li и L2 демонстрируют принципы работы модуля.

Работает модуль следующим образом. Плоскость, в которой установлена поверхность входа D, устанавливается под углом гео­графической широты местности к горизонту.

Рассмотрим схему прохождения лучей Li, L2 через концентра­тор.

Луч L[ (для прицельного положения на Солнце) попадает на отражающие стенки фоклина 1, отражается и попадает на фотопре­образователь 4. В этом случае светопропускание концентратора со­ставит:

ті = ТотрТф = 0,9 х 0,96 = 0,86,

где тотр= 0,9 — коэффициент отражения; тф = 0,96 — френелевские по­тери.

Луч L2 попадает на боковую поверхность призмы 5, улавлива­ется ею и направляется на фотопреобразователь 4. В этом случае светопропускание концентратора составит:

т2 = тПроп^ф = 0,96 X 0,96 = 0,92,

где тпроп = 0,96 — коэффициент пропускания призмы.

При других отклонениях лучей в разной степени присутствуют оба режима работы модуля, что дает светопропускание концентратора в пределах от 0,86 до 0,92.

Рассмотрим более подробно работу призмы с малыми углами (рис. 5.24).

Предельный угол отклонения излучения 5 является функ­цией ОТ Р и коэффициента преломления п и вычисляется по формуле:

Приведём значения предельного угла отклонения излучения от оси призмы б, при которых она продолжает улавливать излучение в зависимости от угла при вершине р, при п=1,49 (табл. 5.2).

Таблица 5.2 -Р 5° 5,5° 6° 6,5° 7° 5 о to СО см 24,43° 25,47° 26,46° 27,41°

Приходящие на призму лучи под углами, большими указанных в таблице, преломляются и выходят из призмы под углом б’ к оси призмы в соответствии с формулой:

Значения угла 5’ при различных значениях углов 5 и Р для п=1,49 приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 8=> 24° 26° 28° 30° 32° 34° 36° 35° 8° 13,88° 17,85° 21,2° 24,2° 27° 36° 8,17° 14,5° 18,67° 22,13° о СМ ю см 37° 9,1° 15,5° 19,73° 23,25° 26,4“

Таким образом, при использовании призмы с углом при вер­шине 5° — 6° удается преломить приходящее излучение таким обра­зом, чтобы его улавливал фоклин с меньшими параметрическими углами и следовательно, с большим значением концентрации. В ча­стности, при параметрическом угле фоклина 25° и углом призмы р = 6° суммарный параметрический угол сложной системы оказыва­ется близким к 34°, что увеличивает время работы сложной системы до 6,5 часов, вместо 2,6 часов для отдельного фоклина.

Для увеличения работы сложной системы в летний период ми­дель фоклина устанавливается не под углом широты (ср) местности, а под меньшим углом.

Пусть s — угол наклона миделя фоклина к горизонту, тогда угол отклонения оси концентратора от положения равноденствия равен (<р — s). Отклонению оси концентратора в сторону лета соот­ветствуют углы s < ср. Рассчитанные значения (времени рабо — ты)/(длительность облучения поверхности миделя) в зависимости от широты местности и разности углов (ср — s) приведены в таблице 5.4 [5.16].

Таблица 5.4. Время работы / длительность облучения миделя сложной системы <р—S Ф 45 50 55 60 0 Лето 6,73/12 6,73/12 6,73/12 6,73/12 Зима 6,73/8,47 6,73/7,72 6,73/6,73 5,27/5,27 3 Лето 7,36/12,1 7,36/12,1 7,36/12,1 7,36/12,1 Зима 5,94/8,47 5,94/7,72 5,94/6,73 5,27/5,27 6 Лето 7,9/12,3 7,9/12,3 7,9/12,3 7,9/12,3 Зима 4,87/8,47 4,87/7,72 4,87/6,73 4,87/5,27 9 Лето 8,33/12,5 8,33/12,5 8,33/12,5 8,33/12,5 Зима 3,2/8,47 3,2/7,72 3,2/6,73 3,2/5,27

Рис. 5.26. Распределение концентрации на поверхности выхода сложно­го призматического концентратора с призмой, имеющей малый угол при вершине р в прицельном и крайнем положении

Таким образом, для северных широт удаётся в летний период увеличить время работы концентратора на 1 час за счёт ориентации оси концентратора на 6° в сторону летнего солнцестояния.

Пример конкретного выполнения сложного призматического W-образного концентратора по рис. 5.24.

Призма 3 выполнена из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления п = 1,49 и собрана из двух равнобедрен­ных треугольников с углами при вершинах р5 = 5°, р2 = 20°. Осно­вание нижнего треугольника, которое является поверхностью выхода излучения из призмы, d = d2 = 1 см, а основание верхнего тре­угольника, совпадающее с сечением ab в месте перегиба боковых по­верхностей призмы, ab = di = 0,8 • d = 0,8 см. Общая высота призмы составляет Н = 11 см. К поверхности выхода излучения 2 призмы примыкает цилиндрический фоклин 1 с параметрическим углом 8 = 24°. Высота фоклина h находится в пределах от 0,5Н до 0,7Н. На поверхности выхода 2 призмы установлен фотоэлектри­ческий преобразователь 4. Геометрическая концентрация модуля со­

ставляет 3,9 крат (для просто фоклина К=2,5), а реальная концен­трация изменяется от 3,4 до 3,6 крат.

График распределения облученности поверхности выхода данного типа концентраторов дан на рис. 5.26. Видна значительно большая равномерность облучения поверхности, чем в случае кон­центратора с широкой призмой (рис. 5.22, 5.23), что позволяет ис­пользовать концентраторы смешанного типа для работы с СЭ для повышения их эффективности [5.16, 5.17].

Выводы по главе 5

Параболоторические фоконы и фоклины являются представителями нового класса концентраторов — стационарных концентраторов, способных работать длительное время без слежения за положением Солнца. В даль­нейшем эта идея нашла обширное продолжение в виде различного типа стационарных концентраторов.

Предложена и разработана технология изготовления фоконов в виде стеклянных герметичных концентраторов, изучены их оптико­энергетические характеристики, рассчитаны меры термостабилизации СЭ.

Изготовлены партии фотоэлектрических модулей на основе стеклян­ных фоконов, изготовлена экспериментальная установка пиковой мощно­стью 150 Вт.

Предложен и исследован тепловой модуль на основе фоклина с от­ражающими стенками, меняющими свою ориентацию.

Изучение фоклинов проводилось на модуле с отражающими стенка­ми, имеющими возможность менять ориентацию, что даёт некоторый выиг­рыш в концентрации.

Предложены и изучены фоклин-призматические концентраторы, соз­дающие более равномерное освещение на выходе СЭ и имеющие выигрыш в концентрации.