Угол приема (солнечный концентратор) - Acceptance angle (solar concentrator)

Угол приема максимальный угол, под которым входящий Солнечный свет может быть захвачен солнечный концентратор. Его значение зависит от концентрации оптики и показатель преломления в которую погружен ресивер. Максимальное увеличение угла приема концентратора желательно в практических системах и может быть достигнуто за счет использования не отображающая оптика.

Для концентраторов, которые концентрируют свет в двух измерениях, угол приема может быть различным в двух направлениях.

Определение

Угол приема

Рисунок «угол приема» иллюстрирует эту концепцию.

Концентратор - это линза с приемником р. В левой части рисунка показан набор параллельных лучи падающий на концентратор под углом α < θ к оптическая ось. Все лучи попадают на приемник и, следовательно, весь свет улавливается. В центре на этом рисунке показан еще один набор параллельных лучей, которые теперь падают на концентратор под углом α = θ к оптической оси. Для идеального концентратора все лучи по-прежнему улавливаются. Однако справа на этом рисунке показан еще один набор параллельных лучей, которые теперь падают 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 потерян. Тогда говорят, что концентратор имеет (половинный) угол приема θ, или полный угол приема 2θ (поскольку он принимает свет под углом ±θ к оптической оси).

Кривые передачи

В идеале солнечный концентратор должен иметь кривая передачи c_я как показано на рисунке «кривые передачи». Трансмиссия (КПД) τ = 1 для всех углов падения α < θ_я и τ = 0 для всех углов падения α > θ_я.

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

Для систем линейной фокусировки, таких как желобовый концентратор или линейный Линза Френеля, угол приема является одномерным, и концентрация слабо зависит от отклонения, перпендикулярного направлению фокуса. Системы точечной фокусировки, с другой стороны, чувствительны к отклонению в обоих направлениях. В общем случае угол приема в одном направлении может отличаться от другого.

Угол приема как бюджет допуска

Угол приема θ концентратора можно рассматривать как меру того, насколько точно он должен отслеживать солнце в небе. Чем меньше θ, тем точнее должно быть отслеживание, иначе концентратор не улавливает падающий солнечный свет. Следовательно, это мера допуска концентратора к ошибкам отслеживания.

Оптические недостатки

Однако на угол приема влияют и другие ошибки. Цифра «оптических недостатков» показывает это.

Левая часть рисунка показывает идеально сделанный объектив с хорошими оптическими поверхностями. s₁ и s₂ захват всех световых лучей, падающих под углом α к оптической оси. Однако настоящая оптика никогда не бывает идеальной, и правая часть рисунка показывает эффект плохо сделанной нижней поверхности. s₂. Вместо того, чтобы быть гладким, s₂ теперь имеет волнистость, и некоторые из световых лучей, которые были захвачены ранее, теперь потеряны. Это уменьшает пропускание концентратора для угла падения. α, уменьшая угол приема. Собственно, любые недостатки в системе, такие как:

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

способствует уменьшению приемного угла концентратора. Угол приемки тогда можно рассматривать как «бюджет допуска», который нужно потратить на все эти недостатки. В конце концов, концентратор должен все еще иметь достаточный прием, чтобы улавливать солнечный свет, который также имеет некоторую угловую дисперсию. θ_S если смотреть с земли. Поэтому очень важно разработать концентратор с максимально широким углом приема. Это возможно с помощью не отображающая оптика, которые максимизируют угол приема для данной концентрации.

Угловая апертура солнечного света

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

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

Таким образом, параллельные лучи и солнечный свет передаются солнечным концентратором по-разному, и соответствующие кривые передачи также разные. Затем могут быть определены разные углы приема для параллельных лучей или для солнечного света.

Продукт приемки концентрации (CAP)

Для заданного угла приема θ, для точечного концентратора максимально возможная концентрация, C_{Максимум}, дан кем-то

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

куда п - показатель преломления средний в которую погружен ресивер.^[2] На практике реальные концентраторы либо имеют концентрацию ниже идеальной для заданного допуска, либо угол приема ниже идеального для заданной концентрации. Это можно резюмировать выражением

${\displaystyle CAP={\sqrt {C}}\sin \theta \leq n}$,

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

Для концентратора с линейной фокусировкой уравнение не возводится в квадрат^[3]

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

Продукт приема концентрации является следствием сохранения продолжать. Чем выше CAP, тем ближе концентратор к максимально возможным по концентрации и углу приема.

Смотрите также

• Etendue
• Управляемый луч, контекст угла приема для оптические волокна

Рекомендации

1. Бенитес, Пабло; и другие. (26 апреля 2010 г.). «Высокопроизводительный фотоэлектрический концентратор на основе Френеля». Оптика Экспресс. 18 (S1): A25. Bibcode:2010OExpr..18S..25B. Дои:10.1364 / OE.18.000A25.
2. Чавес, Хулио (2015). Введение в не отображающую оптику, второе издание. CRC Press. ISBN  978-1482206739.
3. Видеть: http://www.powerfromthesun.net/Book/chapter09/chapter09.html . Обратите внимание, что в этом выводе тета - это полный угол, а не полуугол, определенный здесь.