Угол приема (солнечный концентратор)

Угол приема — это максимальный угол, под которым входящий солнечный свет может улавливать солнечный концентратор . Его значение зависит от концентрации оптики и показателя преломления , в который погружен приемник. Максимизация угла приема концентратора желательна в практических системах и может быть достигнута за счет использования неотображающей оптики .

Для концентраторов, концентрирующих свет в двух измерениях, угол восприятия может быть разным в двух направлениях.

Определение

Рисунок «Угол приема» иллюстрирует эту концепцию.

Концентратор представляет собой с приёмником R. линзу В левой части рисунка изображен набор параллельных лучей , падающих на концентратор под углом α < θ к оптической оси . Все лучи попадают на приемник и, следовательно, весь свет улавливается. В центре этого рисунка изображен еще один набор параллельных лучей, падающих теперь на концентратор под углом α = θ к оптической оси. В идеальном концентраторе все лучи все равно улавливаются. Однако справа на этом рисунке показан еще один набор параллельных лучей, падающих теперь на концентратор под углом α > θ к оптической оси. Все лучи теперь не попадают в приемник, и весь свет теряется. Следовательно, для углов падения α < θ весь свет улавливается, а для углов падения α > θ весь свет теряется. Тогда говорят, что концентратор имеет (половинный) угол приема θ или полный угол приема 2 θ (поскольку он принимает свет в пределах угла ± θ к оптической оси).

В идеале солнечный концентратор имеет кривую передачи c _I , как показано на рисунке «Кривые передачи». Пропускание (КПД) составляет τ = 1 для всех углов падения α < θ _I и τ = 0 для всех углов падения α > θ _I .

На практике реальные кривые передачи не идеальны и обычно имеют форму, аналогичную форме кривой c _R , которая нормирована так, что τ = 1 для α = 0. В этом случае реальный угол приема θ _R обычно определяется как угол, при котором пропускание τ падает до 90% от максимального значения. ^[1]

Для систем с линейной фокусировкой, таких как желобной концентратор или линейная линза Френеля , угол восприятия является одномерным, а концентрация имеет лишь слабую зависимость от отклонения от точки, перпендикулярной направлению фокуса. С другой стороны, системы точечной фокусировки чувствительны к смещению в обоих направлениях. В общем случае приемный угол в одном направлении может отличаться от другого.

Приемочный угол как бюджет допуска

Угол приема θ концентратора можно рассматривать как меру того, насколько точно он должен отслеживать солнце на небе. Чем меньше θ , тем более точным должно быть отслеживание, иначе концентратор не будет улавливать падающий солнечный свет. Таким образом, это мера устойчивости концентратора к ошибкам отслеживания.

Однако на угол приема влияют и другие ошибки. Об этом свидетельствует рисунок «оптических несовершенств».

В левой части рисунка изображена идеально изготовленная линза с хорошими оптическими поверхностями s ₁ и s _2, улавливающая все световые лучи, падающие под углом α к оптической оси. Однако реальная оптика никогда не бывает идеальной и в правой части рисунка виден эффект плохо сделанной нижней поверхности s ₂ . Вместо того, чтобы быть гладким, s ₂ теперь имеет волнистость, и некоторые лучи света, которые были захвачены ранее, теперь теряются. Это уменьшает пропускание концентратора для угла падения α , уменьшая угол приема. Фактически, любые несовершенства в системе, такие как:

неточность отслеживания
несовершенно изготовленная оптика
оптические аберрации
несовершенно собранные компоненты
движения системы из-за ветра
конечная жесткость несущей конструкции
деформация из-за старения
другие недостатки системы

способствует уменьшению угла принятия концентратора. Тогда угол принятия можно рассматривать как «бюджет толерантности», который нужно потратить на все эти недостатки. В конце концов, концентратор все еще должен иметь достаточную приемистость, чтобы улавливать солнечный свет, который также имеет некоторую угловую дисперсию θ _S, если смотреть с Земли. Поэтому очень важно спроектировать концентратор с максимально широким углом приема. Это возможно с использованием неотображающей оптики , которая максимизирует угол восприятия для данной концентрации.

На рисунке «угловая апертура солнечного света» справа показано влияние угловой дисперсии солнечного света на угол приема.

Солнечный свет не представляет собой набор идеально параллельных лучей (показанных синим цветом), но он имеет заданную угловую апертуру θ _S , на что указывают зеленые лучи. Если угол приема оптики достаточно широк, солнечный свет, падающий вдоль оптической оси, будет улавливаться концентратором, как показано на рисунке «угловая апертура солнечного света». Однако при более широких углах падения α некоторая часть света может быть потеряна, как показано справа. Идеально параллельные лучи (показаны синим цветом) будут улавливаться, но солнечный свет из-за его угловой апертуры частично теряется.

Поэтому параллельные лучи и солнечный свет передаются концентратором солнечной энергии по-разному, и соответствующие кривые пропускания также различны. Затем можно определить различные углы приема для параллельных лучей или для солнечного света.

Продукт приемлемой концентрации (CAP)

Для данного угла принятия θ для точечно-фокусного концентратора максимально возможная концентрация C _max определяется выражением

C_{\mathrm {max} }={\frac {n^{2}}{\sin ^{2}\theta }}

,

где n — показатель преломления среды, в которую погружен приемник. ^[2] На практике настоящие концентраторы либо имеют концентрацию ниже идеальной для заданной концентрации, либо угол принятия для данной концентрации ниже идеального. Это можно резюмировать в выражении

CAP={\sqrt {C}}\sin \theta \leq n

,

который определяет величину CAP (концентрационное произведение акцепта), которая должна быть меньше показателя преломления среды, в которую погружен приемник.

Для линейно-фокусированного концентратора уравнение не возводится в квадрат ^[3]

C_{\mathrm {max} }={\frac {n}{\sin \theta }}

Продукт приемки концентрации является следствием сохранения etendue . Чем выше CAP, тем ближе концентратор к максимально возможному по концентрации и углу принятия.

См. также

Степень
Направляемый луч , контекст приемного угла для оптических волокон

Ссылки

^ Бенитес, Пабло; и др. (26 апреля 2010 г.). «Высокопроизводительный фотоэлектрический концентратор на основе Френеля» . Оптика Экспресс . 18 (С1): А25-40. Бибкод : 2010OExpr..18S..25B . дои : 10.1364/OE.18.000A25 . ПМИД 20588570 .
^ Чавес, Хулио (2015). Введение в неотображающую оптику, второе издание . ЦРК Пресс . ISBN 978-1482206739 .
^ См.: http://www.powerfromthesun.net/Book/chapter09/chapter09.html . Обратите внимание, что в этом выводе тэта — это полный угол, а не половина угла, определенная здесь.

[FK-1] Бенитес, Пабло; и др. (26 апреля 2010 г.). «Высокопроизводительный фотоэлектрический концентратор на основе Френеля» . Оптика Экспресс . 18 (С1): А25-40. Бибкод : 2010OExpr..18S..25B . дои : 10.1364/OE.18.000A25 . ПМИД 20588570 .

[IntroNio2e-2] Чавес, Хулио (2015). Введение в неотображающую оптику, второе издание . ЦРК Пресс . ISBN 978-1482206739 .

[3] См.: http://www.powerfromthesun.net/Book/chapter09/chapter09.html . Обратите внимание, что в этом выводе тэта — это полный угол, а не половина угла, определенная здесь.

[1]

[2]

[3]