Печать

Автономная солнечная оптоволоконная осветительная система

Горбачев О.В., к.т.н., генеральный директор ТЕХНОПАРК «ДАГОМЫС»

Исследован прототип автономной солнечной оптоволоконной осветительной системы, состоящий из каскадного концентратора на базе линз Френеля и градиентного фокона, волоконно-оптического тракта и диффузора.


ВВЕДЕНИЕ

Быстрый рост спроса на потребление энергии создает серьезную угрозу жизни на Земле: рост выбросов СО2, изменение климата, уменьшение озонового слоя и т.д. Все это приводит к острой необходимости использования солнечной энергии для освещения и обогрева помещений в жилых и промышленных зданиях.

Толчком к быстрому развитию солнечной энергетики без фотоэлементов стало решение технологических проблем, связанных с достижениями в производстве линз Френеля и качественных волокон, которые являются идеальным решением для передачи энергии света, особенно в те помещения, где предъявляются повышенные требования к взрывобезопасности и скрытности. Это может найти широкое применение в автономных гражданских и военных объектов в виду существенного уменьшения веса и цены, а также высокой надёжности. Кроме того, благодаря малым размерам оптического волокна и радиусов изгиба, данное решение является высокотехнологичным при монтаже в уже построенных зданиях.

Наиболее подходящим материалом для волоконно-оптического тракта, работающего в ультрафиолетовом, видимом и ближнем спектре, является кварцевое стекло КУ-2, коэффициент прозрачности которого практически равен 1. Из этого кварцевого стекла можно изготовить оптические детали для прототипа с высокой точностью (+/- 0,05 мм). Такое устройство обеспечит передачу основного солнечного спектра, который является целебным для растений и живых организмов.

В этой статье мы предлагаем и исследуем запатентованный и разработанный нами прототип автономной осветительной системы (АОС), состоящей из каскадного концентратора, градиентного фокона, волоконно-оптического тракта и диффузора. Прототип АОС обеспечивает концентрацию солнечного излучения в видимом диапазоне в 35-70 раз и транспортировку его в затемненное помещение на десятки метров. Компьютерное моделирование оптических параметров было выполнено в программах TracePro, ZEMAX, FDTDpro и экспериментально исследованы: оптическая эффективность системы (Эс), коэффициенты пропускания (Кп) и концентрации (Кк). Результаты показывают возможность транспортировки сконцентрированного солнечного света на расстояние более 30 метров светового потока более 700 люменов. В первой части статьи приведены результаты компьютерного моделирования оптического концентратора с линзами Френеля и принципиальная схема автономной солнечной оптоволоконной осветительной системы.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА С ЛИНЗАМИ ФРЕНЕЛЯ

С появлением оптоволоконных технологий, появилась возможность транспортировать непосредственно солнечный свет по оптоволокну (ОВ), без преобразования в другие виды энергии. Для этого нужно увеличить плотность светового потока с помощью солнечных концентраторов, основной задачей которых является сфокусировать солнечный свет на приемном модуле солнечной энергии. Солнечные концентраторы состоят из следующих составных частей:

· линзы (рефракторные) или отражатели (рефлекторные), фокусирующие солнечный свет;

· механическая конструкция (рама) для крепления отражателей, линз;

· приемник солнечного излучения (фотоэлемент, оптическое волокно и т.п.);

· следящий механизм, который обычно включает:

· электронный блок приема сигналов от датчиков и преобразования их в электрические сигналы управления;

· датчики слежения за Солнцем;

· электропривод, поворачивающий раму с концентратором в направлении Солнца.


В различных конструкциях солнечные устройства могут включать линзы Френеля, терморегуляторы, тепловые фильтры, дополнительные зеркальные элементы и ряд иных элементов. Это сложные и дорогостоящие устройства, основным недостатком которых, является наличие у них электромеханической системы слежения. Этот фактор усложняет конструкцию концентраторов, ограничивает их размеры, увеличивает их стоимость, и уменьшает надежность. Помимо этого, системы электропривода требуют постоянной смазки, защиты от внешних воздействий окружающей среды, осадков, пыли, и пр. Создать такие концентраторы больших размеров, следовательно, и большой мощности, невозможно. Наиболее перспективным способом устранения данного недостатка, является создание неподвижного концентратора с оптическим наведением на солнце. Такие концентраторы не требуют дорогостоящей системы позиционирования на солнце и не нуждаются в сетевом электропитании или от преобразования энергии света в электроэнергию. Поэтому, солнечные осветительные и обогревательные устройства можно существенно упростить, если заменить механический способ наведения на оптический способ слежения концентраторов за солнцем. Трубы с жидким теплоносителем можно заменить оптическим волокном (ОВ) или кварцевыми стержнями. Решению этой задачи и посвящена данная научно-исследовательская опытно-конструкторская работа (НИОКР). Такое разрабатываемое устройство должно содержать неподвижный концентратор с оптическим способом наведения его на солнце, и оптический тракт, который позволяет транспортировать «холодный» свет (с длиной волны 300 – 800 нм) для освещения, а «горячий» свет (800 – 2100 нм) для обогрева помещений. До настоящего времени не существовали обогревательные устройства, использующие оптоволоконные каналы для транспортировки солнечных инфракрасных волн.

Существует линейный концентратор солнечного света, конструкция которого представляет систему линейных рефлекторов с линейками солнечных элементов между каждым из них. Рефлекторы сконструированы в виде линейных зеркальных полосок определенной ширины, которые находятся под установленным апертурным углом к потоку солнечного излучения, который падает на концентратор. После отражения от линейных рефлекторов световой поток в концентрированном виде падает на солнечные элементы. Недостатком данной конструкции является небольшая величина Кc (коэффициента концентрации оптического излучения на солнечных элементах), который не превышает значения 2,5. Помимо этого, данный концентратор нуждается в непрерывном наведении на Солнце в двух плоскостях для дневного и сезонного перемещения.

Линейный концентратор светового излучения лишен указанных недостатков. Он осуществляет концентрацию солнечного излучения на вытянутую в одном измерении площадку. Площадка находится в фокусе основной линзы Френеля. В концентраторе есть две дополнительные боковые оптические системы для увеличения концентрации солнечного света.

Центральная линза Френеля и боковые стенки модуля представлены в виде вытянутых фрагментов, сопряженных между собой призм (до 60-90 штук), с треугольным сечением. Свет солнца, который падает на боковые стенки призм, преломляется на их гранях и далее падает на светоприемный участок концентратора, увеличивая тем самым общую освещенность небольшого приемного участка. Такой модуль обладает значительной концентрирующей свет поверхностью и передает на светоприемную площадку значительно больше солнечной энергии, чем без концентратора при равных условиях. Сложность изготовления таких фрагментов призм, как и изготовление линзы Френеля, так и боковых стенок модуля, преломляющих свет, являются недостатком конструкции. Значительное число треугольных протяженных призм с гранями, с наклоном под острыми углами (<<90°), относительно сложно изготовить: чем острее угол грани, тем радиус закругления грани будет более значительным. Поэтому снижается эффективность концентрирующей системы из-за дополнительного рассеяния и отражения света на закругленных участках, однако современные технологии позволяют значительно уменьшить данный недостаток.

Достаточно близким по конструкции и конечному результату является линейный концентратор светового излучения, который изготовлен в виде выпуклой линейной линзы Френеля в фокусе которой должен находиться приемник солнечного излучения. Такая оптическая система обеспечивает более высокую степень концентрации светового потока в фокусе линзы при обязательном требовании к высокой точности изготовления линзы Френеля, когда необходимо точно соблюдать размеры ее граней. Острые углы граней линзы изготавливать технологически непросто, так как необходимо обеспечить минимальный радиус их закругления. Преломляющие углы в данном типе линзы Френеля острые (<45°), и доля закруглений на гранях составляет весомую часть общей площади линзы, что выражается в уменьшении эффективности концентрирующей способности всей оптической системы. Основным оптическим параметром материалов концентратора являются показатель преломления (n) и коэффициент потерь (затухания). Т.к. свет распространяется во всех материалах медленнее, чем в воздухе, то n >1 (см.табл.). При переходе светлого луча из воздуха в концентратор, часть света отражается обратно (отражение Френеля), а оставшаяся часть пересекает границу раздела, образуя преломленный луч. При критическом угле скольжения равном (4), преломлённый луч полностью отсутствует, а при углах больше критического, интенсивность отражённого луча равна интенсивности падающего. Этот эффект используется в линзах Френеля.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОНОМНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ОПТОВОЛОКОННОЙ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

В данном проекте была поставлена задача, разработать и исследовать, неподвижный каскадный линзовый концентратор солнечного излучения с оптическим способом наведения на Солнце.

Принцип действия концентратора основан на сужении светового потока в перпендикулярных плоскостях с использованием тонких линейных линз Френеля (Рис.1).

Рисунок 1 Функциональная схема каскадного концентратора.

В данной работе исследовалась, разработанная и запатентованная нами автономная солнечная оптоволоконная осветительная система [1], каскадный линзовый концентратор, который содержит три плоские линейные линзы Френеля. (Рис.2). Сужение светового потока осуществляется последовательно в 2-х плоскостях: сначала в плоскости суточного движения Солнца (в горизонтальном направлении), затем в плоскости сезонного движения Солнца (в вертикальном направлении). Окончательное сужение светового потока достигается использованием фокона. Дальнейшая передача светового потока в освещаемое помещение происходит по полимерному оптическому волокну (ПОВ) или по кварцевым стержням. Рассеяние светового потока в освещаемом помещении осуществляется диффузором (рассеивающей линзой) с заданной диаграммой направленности.

Каскадный концентратор на линзах Френеля, разработанный в данной работе, обеспечивает оптическое наведение светового потока при движении солнца в горизонтальном направлении (дневное перемещение). В вертикальном направлении (сезонная коррекция угла места) остается необходимость в механическом наведении концентратора на Солнце. Однако, осуществить сезонную коррекцию гораздо проще, поскольку за год концентратор должен совершить всего один цикл наклона на 25-450 в вертикальной плоскости (зависит от географической широты). В то время, как существующие концентраторы должны поворачиваться в горизонтальном направлении на 90-1200 каждый день, т.е. 365 раз за год. Сезонную коррекцию можно выполнить, как с помощью электропривода, так и автономную (без электропитания), например, на принципе температурного расширения материалов [4].

Рисунок 2. Принципиальная схема работы устройства дневного освещения,

где 1 –Линейная линза Френеля с коротким фокусом; 2 –Длиннофокусные линзы Френеля в виде полосок; 3 - Линейная линза Френеля с коротким фокусом.

Для диффузного рассеивания излучения на выходе из волокна нами используется рассеивающая диффузная линза, достаточно на нее нанести покрытие с большим коэффициентом показателя преломления и большими оптическими неоднородностями. Для защиты от внешних воздействий может применяться защитное покрытие из акрилата.

Принцип работы концентратора базируется на последовательном сужении светового потока в двух плоскостях, расположенных перпендикулярно друг к другу при взаимодействии тонких линейных линз Френеля. Сначала поток солнечного излучения сужается в вертикальной плоскости с помощью изогнутой вдоль оси симметрии линейной линзы Френеля с коротким фокусом (1). В фокусе этой линзы (Рис.1) расположен ряд полосковых длиннофокусных несимметричных линз Френеля (2), которые концентрируют световой поток в перпендикулярной плоскости (плоскость суточного движения солнца) до диаметра входного торца фокона или фоконного жгута. Эти несимметричные линзы Френеля в виде полосок (Рис.2) сдвинуты на небольшой шаг в продольном направлении относительно друг друга. Шаг сдвига равен диаметру входного торца фокона. Последовательное смещение полосковых линз образует структуру наподобие лесенки (Рис.1). Световой поток проходит через полосковую линзу (2), расположенную в фокусе линзы (1), далее расширяется в вертикальной (сезонной) плоскости. А после линейной линзы Френеля с коротким фокусом (3) световой поток сужается уже в вертикальной (сезонной) плоскости до диаметра входного торца фокона. Линза (3) имеет фокусное расстояние немного меньшее, чем у линзы (1). Если бы использовали одинаковые линзы (1) и (3), то световые лучи опять стали бы параллельными. В суточной плоскости движения солнца световой поток постепенно сужается за счет полосковых линз Френеля с длинным фокусом (2). При суточном движении Солнца, фокусная линия смещается с одной полоски на другую (на линзе 2), а пятно фокуса остается на одном и том же месте, которое совпадает с входным торцом фокона. В результате сужение светового потока и его наведение на входной торец фокона в данном концентраторе осуществляется только оптическим способом, без использования механического привода. Это повышает его надежность и увеличивает срок службы, снижает вес и стоимость конструкции.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОКОНА В ПРОГРАММАХ TRACEPRO, ZEMAX

Для получения равномерной освещённости на выходе из оптического волокна осветительного устройства, необходимо использовать многокаскадную оптическую систему, которая способна сфокусировать свет движущего солнца. При этом, чем больше размеры линз Френеля, тем меньше количество ступеней концентратора, однако, при этом увеличивается мощность светового потока, который может повредить за счёт перегрева элементы волоконно-оптического тракта. Солнечное излучение содержит как «холодный» свет, так и инфракрасный, «горячий» (ИК) свет. Для уменьшения влияния тепловых перегрузок целесообразно использовать фокон из материалов со сверхнизким коэффициентом поглощения оптического излучения обладающим высоким теплоотводом. В некоторых случаях для передачи большой оптической интенсивности целесообразно увеличить теплоотдачу фокона для сохранения стабильности прозрачности пластиковых элементов.

Фокон представляет собой обычно фокусирующий усеченный конус, с входным торцом большого диаметра D и малым выходным торцом диаметром d.

Световые лучи заходят во входной торец фокона, и последовательно отражаясь от его стенок, концентрируются на выходном торце. При большом угле схождения фокона может наблюдаться разворот лучей в обратном направлении и выход их через входной торец. Поэтому, всегда необходимо учитывать апертуру фокона.

Важным технологическим параметром распространения света в фоконе и световоде является величина числовой апертуры NА. Эта величина определяет максимальный угол света (Q) - угловой растр приёма света. Чем больше значение NA, тем лучше свет вводится в фокон и световод: NA=sin Q.

Стандартное оптическое волокно состоит из сердцевины с показателем преломления nc и оптической оболочки с меньшим в среднем на 1-3% показателем преломления no.

Фокон и световод могут изготавливаться из стекла, чистого кварца или из пластика. Если свет вводится в фокон и световод под углом большим критического Qк, то он, испытывая полное внутреннее отражение, двигается зигзагообразно вдоль сердечника. Те лучи, которые пересекают ось, названы меридиальными, а остальные - косыми. Нами исследовались стеклянные фоконы (описаны ранее) и фоконы изготовленные методом гальванопластики с параметрическим углом 26.5 градусов с входным диаметром 30 мм и выходным 8 мм. Получен интегральный коэффициент пропускания Кп таких фоконов, более 0.95. В данной работе в программе TracePro был произведен расчет оптимальных размеров фокона. Проанализирована такая возможность, когда количество лучей, проходящих через фокон в оптическое волокно (ОВ), будет близким к максимально возможному. При длине фокона 18 мм и выходном диаметре = 1мм будет максимально возможное количество выходных лучей концентратора (при входном диаметре фокона = 7 мм, и выходном диаметре = 1мм).

При длине фокона 35 мм почти все лучи после многократного отражения достигают выходного торца фокона и проходят через ОВ в освещаемое помещение. При длине фокона, например, 8 мм, в ОВ проходят только центральные лучи, а лучи, попавшие на край входного торца, после нескольких отражений разворачиваются в обратном направлении.


Рисунок 3. Зависимость коэффициента пропускания фокона от его геометрических размеров при: А – длине, согласованной с апертурой, Б – короткой длине фокона, В – градиентном распределении показателя преломления в фоконе.

На рис.3 показано распространение световых лучей в фоконе и на выходе из него при разных геометрических размерах, и конструкции.

А – при длине фокона, согласованной с апертурой;

Б – при малой длине фокона (имеются обратные лучи, выходящие через входной

торец);

В – при градиентном распределении показателя преломления в фоконе.

Выходные лучи образуют узкий световой пучок, а не рассеянный, как в случаях А и Б. Данный эффект объясняется закручиванием световых лучей вокруг геометрической оси фокона из-за изменяющегося показателя преломления от центра к его краю.

Наиболее часто применяют фоконы трех типов: полый металлический конус, стеклянный усеченный конус, полимерный усеченный конус. Применение фокона на окончательном этапе сужения светового потока дает возможность значительно снизить требования линзам концентратора. При большой апертуре фокона лучи, упавшие на боковую поверхность, могут быть захвачены и распространяться в обратном направлении, в сторону от узкого торца к широкому торцу (луч 2, рис.3Б). Это приводит к уменьшению коэффициента передачи фокона.

Для оптимального ввода солнечного излучения в оптическое волокно мы рекомендуем фокон, обладающий фокусирующими и коллимирующими свойствами. Нами разработан теоретически и экспериментально исследован фокон на входном торце которого сформирована сферическая микролинза из того же материала что и сердцевина оптического волокна с радиусом равным диаметру световодной жилы. Достоинством такого фокона является высокая эффективность ввода солнечного света в волоконный световод при больших углах падения светового потока. При этом желательно, чтобы микролинза nл была изготовлена из материала, показатель преломления которого больше показателя преломления световедущей жилы волокна nв.

Моделирование фокона на компьютере осуществлялось в основном в программе TracePro. Исследовался металлический пустотелый фокон с длиннофокусной входной линзой и зеркальным внутренним покрытием. Потери в материале линзы не учитывались. Размеры фокона: входной диаметр Двх = 7 мм, выходной диаметр Двых = 3 мм, L = 30 мм.

Эффективность фокона определялась по числу входных, выходных, и потерянных лучей.

Рисунок 4 Модель фокона при прямом освещении входного торца (угол Q1= 0).

На рис.4 приведен скриншот модели фокона при освещении входного торца под прямым углом. Направление лучей совпадает с осью симметрии фокона (Q1=00). Число входных и выходных лучей полностью совпадало (Nвх= Nвых= 5000). Таким образом, эффективность компьютерной модели металлического, пустотелого фокона была равна 100%. В этом случае, при перпендикулярном падении солнечных лучей на входной торец фокона максимальное количество лучей будет выходить из него.

На рис. 5 приведен скриншот моделирования фокона при освещении входного торца под углом равным 18°. Часть входных лучей (красные лучи) не попали на входной торец фокона (красная линия) и прошли мимо него. Другая часть входных лучей (синие лучи) отразилась от входного торца. Общие потери света составили 1,7%.

Рисунок 5. Модель фокона при освещении входного торца под углом = 18°.

При освещении входного торца под углом Q= 18°, начинают появляться отраженные лучи от входного торца фокона. При меньших углах ввода светового потока в фокон, отраженных лучей не наблюдалось.

На рис. 6 приведены графики зависимости между максимальным углом ввода излучения в фокон и отношением диаметров фокона на выходе D2 к диаметру на входе D1. Из графика видно, что для фокона с диаметрами D2=2 мм и D1=7 мм максимальный угол ввода излучения составляет ~17°, для D2=1,5 мм и D1=7 мм ~13°, а для D2=1 мм и D1=7 мм максимальный угол равен всего ~8°. Данные цифровые значения получены нами при компьютерном моделировании фокона в программе ZEMAX. Эти цифровые значения подтверждают наши выводы по результатам компьютерного моделирования фокона в программе TracePro [5].

Рисунок 6. Зависимость максимального угла ввода излучения в фокон от апертуры (отношение диаметра выходного и входного торцов) фокона для кварца (n=1.47)

и для пластика (n=1.45).

Рисунок 7. Зависимость отношения диаметров D2/D1 от максимального угла ввода излучения в фокон.

В следующем номере: моделирование и экспериментальное исследование коэффициентов концентрации, пропускания АОС в зависимости от оптимизированной конструкции концентратора.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Самохвалов С. Я. (RU), Горбачев О.В. (RU), Артюхов Д.И. (RU), «Оптоволоконное осветительное устройство с оптическим способом слежения неподвижного концентратора за солнцем», патент на изобретение № 2676819, опубликован в Государственном реестре изобретений РФ11.01.2019 г.

2. Самохвалов С. Я. (RU), Горбачев О.В. (RU), Клименко А.С. (RU), «Применение оптоволоконных технологий для осветительных устройств», ж. Фотоника, №6, 2015 г., с.62-68.

3. «Цветное оптическое стекло и оптические стекла». Каталог. Под редакцией Г.Т. Петровского, Москва, 1990.

4. Самохвалов С. Я. (RU), «Неподвижный концентратор солнечного излучения с оптическим способом наведения», патент на изобретение № 2659319, опубликован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 29.06.2018 г.

5. Горбачев О.В. (RU), Самохвалов С. Я. (RU), «Разработка и исследование автономного солнечного оптоволоконного осветительного устройства», XVI Международная научно-практическая конференция «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (ИНФО-2019), г. Сочи, 2019 г.