Устройство для концентрации солнечной энергии и преобразования ее в электрическую

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЕЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Залесский Валерий Борисович Конойко Алексей Иванович Поликанин Александр Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для концентрации солнечной энергии и преобразования ее в электрическую, содержащее плоскую прозрачную пластину, на входную грань которой нанесена пропускающая голографическая решетка, а на выходную грань - отражающая голографическая решетка, оптически связанная через первую цилиндрическую линзу с первым селективным линейным фотопреобразователем и через вторую цилиндрическую линзу со вторым селективным линейным фотопреобразователем, отличающееся тем, что содержит прозрачную призму с нанесенным на ее первую боковую грань селективным зеркалом,установленную на выходе указанной пластины и непосредственно примыкающую к ней в зоне отсутствия отражающей голографической решетки, первая цилиндрическая линза нанесена на указанное селективное зеркало, а вторая цилиндрическая линза - на вторую боковую грань указанной призмы, противоположную первой грани и оптически связанную с ней, при этом отражающая голографическая решетка выполнена с максимумом дифракционной эффективности для длины волны, соответствующей минимуму дифракционной эффективности пропускающей голографической решетки. 17720 1 2013.12.30 Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение, например,для концентрации солнечного излучения на фотогальванические ячейки для повышения эффективности преобразования солнечного излучения в электричество. Известно устройство для концентрации солнечной энергии и преобразования ее в электрическую 1, включающее плоскую прозрачную пластину с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом, образованным двумя примыкающими голографическими решетками, углы дифракции которых имеют противоположные знаки, блок селективных линейных фотопреобразователей, последовательно оптически связанные двойную голографическую решетку, непосредственно прилегающую к выходной грани плоской прозрачной пластины, оптически связанную с голографическими решетками голографического элемента, и набор селективных цилиндрических линз Френеля, оптически связанный с блоком селективных линейных фотопреобразователей, причем длина каждого селективного линейного фотопреобразователя больше длины соответствующей селективной цилиндрической линзы Френеля на величину, определяемую углом ее поля зрения, а ширина двойной голографической решетки равна удвоенной толщине плоской прозрачной пластины с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом. Указанное устройство не обеспечивает высокого уровня концентрации солнечного излучения при низкой стоимости вследствие того, что дифракционная эффективность голографических решеток неравномерна по спектру солнечного излучения, а использование синтезированных голографических решеток, полученных наложением нескольких голографических решеток, обладающих максимумами дифракционной эффективности в разных областях спектра, приводит к резкому удорожанию системы вследствие того, что используемые в нем пропускающие фазовые голограммы требуют для своего формирования фоторегистрирующие среды, которые должны обладать широким линейным динамическим диапазоном характеристик. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для концентрации солнечной энергии и преобразования ее в электрическую 2, содержащее плоскую прозрачную пластину с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом, образованным двумя прилегающими друг к другу пропускающими голографическими решетками с углами дифракции противоположного знака,двойную голографическую решетку, непосредственно прилегающую к выходной грани плоской прозрачной пластины, оптически связанную с голографическими решетками голографического элемента и набором селективных цилиндрических линз Френеля, оптически связанным с блоком селективных линейных фотопреобразователей, каждый из которых выполнен с длиной, обеспечивающей во время работы постоянное нахождение на его поверхности зоны фокусировки соответствующей ему линзы Френеля, содержит непосредственно прилегающие к выходной грани плоской прозрачной пластины, с двух сторон примыкающие к двойной голографической решетке и оптически связанные с ней первую и вторую отражающие голографические решетки с углами дифракции противоположного знака, причем ширина двойной голографической решетки равна удвоенной сумме толщин плоской прозрачной пластины, голографического элемента и отражающей голографической решетки, а ширина каждой пропускающей голографической решетки голографического элемента равна половине ширины двойной голографической решетки. Указанное устройство не обеспечивает высокого уровня концентрации солнечного излучения при низкой стоимости вследствие того, что дифракционная эффективность голографических решеток неравномерна по спектру солнечного излучения, а использование синтезированных голографических решеток, полученных наложением нескольких голографических решеток, обладающих максимумами дифракционной эффективности в разных областях спектра, приводит к резкому удорожанию системы вследствие того, что используемые в нем пропускающие фазовые голограммы требуют для своего формирования фоторегистрирующие среды, которые должны обладать широким линейным динамическим диапазоном характеристик. 2 17720 1 2013.12.30 Технической задачей изобретения является повышение уровня концентрации солнечного излучения. Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для концентрации солнечной энергии и преобразования ее в электрическую, содержащее плоскую прозрачную пластину, на входную грань которой нанесена пропускающая голографическая решетка, а на выходную грань - отражающая голографическая решетка, оптически связанная через первую цилиндрическую линзу с первым селективным линейным фотопреобразователем и через вторую цилиндрическую линзу со вторым селективным линейным фотопреобразователем, дополнительно содержит прозрачную призму с нанесенным на ее первую боковую грань селективным зеркалом, установленную на выходе указанной пластины и непосредственно примыкающую к ней в зоне отсутствия отражающей голографической решетки, первая цилиндрическая линза нанесена на указанное селективное зеркало, а вторая цилиндрическая линза - на вторую боковую грань указанной призмы, противоположную первой грани и оптически связанную с ней, при этом отражающая голографическая решетка выполнена с максимумом дифракционной эффективности для длины волны, соответствующей минимуму дифракционной эффективности пропускающей голографической решетки. Совокупность указанных признаков позволяет достичь повышения уровня концентрации солнечного излучения за счет повышения эффективности ввода излучения в плоскую прозрачную пластину. Сущность изобретения поясняется на фигуре. Устройство для концентрации солнечной энергии и преобразования ее в электрическую состоит из пропускающей голографической решетки 1, прилегающей к входной грани плоской прозрачной пластины 2 отражающей голографической решетки 3,непосредственно прилегающей к выходной грани плоской прозрачной пластины 2, спектральные дифракционные максимумы отражения которой соответствуют спектральным дифракционным минимумам пропускающей голографической решетки 1 призмы 4, расположенной непосредственно на выходе плоской прозрачной пластины 2, где отсутствует фазовый рельеф отражающей голографической решетки 3, а на первой боковой грани призмы 4 последовательно нанесены селективное зеркало 5 и первая цилиндрическая линза 6, оптически связанные с первым селективным линейным фотопреобразователем 7 второй цилиндрической линзы 8, нанесенной на боковую грань, противоположную первой боковой грани призмы 4, и оптически связанной со вторым селективным линейным фотопреобразователем 9. Селективные линейные фотопреобразователи 7, 9 расположены в плоскости фокусировки соответствующей цилиндрической линзы 6, 8, а их длина больше длины соответствующей цилиндрической линзы на величину, определяемую углом ее поля зрения. Пропускающая голографическая решетка 1 выполнена в виде фазового рельефа, сформированного методом динамической голографии, с постоянным периодом, на входной грани плоской прозрачной пластины 2 из стекла К 8. Отражающая голографическая решетка 3 выполнена в виде фазового рельефа, сформированного методом динамической голографии, с постоянным периодом, на выходной грани плоской прозрачной пластины 2 из стекла К 8, покрытого отражающим покрытием,обладающего максимумом дифракционной эффективности для длины волны, соответствующей минимуму дифракционной эффективности пропускающей голографической решетки 1. Призма 4 выполнена в виде трапецеидальной призмы из стекла К 8, первая боковая грань которой ориентирована к основанию под углом, превышающим 45, где- угол Брэгга. Селективное зеркало 5 выполнено в виде диэлектрического отражающего покрытия на первой боковой грани призмы 4. Первая 6 и вторая 8 цилиндрические линзы выполнены в виде, например, цилиндрических линз Френеля, представляющих собой фазовые рельефы, сформированные методом динамической голографии на одной из поверхностей плоскопараллельных стеклянных пластин из стекла К 8. 3 17720 1 2013.12.30 Метод динамической голографии заключается в непрерывной записи на движущийся носитель интерференционной картины, образованной двумя световыми пучками. Носитель представляет собой плоскопараллельную стеклянную пластину с нанесенным на нее слоем фоторезистивного материала. Экспонированная пластина обрабатывается известными методами фотолитографии литографии, позволяющими сформировать на ее поверхности фазовый рельеф. Такой принцип формирования голограмм позволяет снять ограничения на длину формируемых дифракционных структур. Первый 7 и второй 9 селективные линейные фотопреобразователи выполнены на основе соответственно кремния и германия. Устройство для концентрации солнечной энергии и преобразования ее в электрическую работает следующим образом. Устройство для концентрации солнечной энергии и преобразования ее в электрическую устанавливается перпендикулярно плоскости, в которой находится траектория движения источника излучения, Солнца. При падении светового излучения на пропускающую голографическую решетку 1 в результате дифракции Брэгга на ее фазовом рельефе часть излучения в соответствии со спектральными характеристиками пропускающей голографической решетки 1 преобразуется в излучение, распространяющееся в плоской прозрачной пластине 2 в направлении призмы 4 под двойным углом 9 к направлению распространения падающего излучения. Излучение, не испытавшее дифракцию на фазовом рельефе пропускающей голографической решетки 1, проходит последовательно пропускающую голографическую решетку 1, плоскую прозрачную пластину 2 и поступает на отражающую голографическую решетку 3. В результате дифракции Брэгга на фазовом рельефе отражающей голографической решетки 3 падающее излучение преобразуется в излучение, распространяющееся в плоской прозрачной пластине в направлении призмы 4 под двойным угломк направлению распространения падающего излучения. В общем случае, испытав ряд полных внутренних отражений, дифрагировавшее излучение достигает призмы 4. Излучение,достигшее призмы 4, поступает на ее первую боковую грань, где при помощи селективного зеркала 5, нанесенного на первую боковую грань призмы 4, осуществляется разделение излучения по спектру. Например, более длинноволновое излучение, пройдя селективное зеркало 5 и первую цилиндрическую линзу 6, поступает на первый селективный линейный фотопреобразователь 7, а более коротковолновое излучение, отразившись от селективного зеркала 5 и пройдя вторую цилиндрическую линзу 8, поступает на второй селективный линейный фотопреобразователь 9. На каждый фотопреобразователь фокусируется излучение только спектрального диапазона, соответствующего его максимальной чувствительности, что позволяет существенно повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. Изменение местоположения источника излучения, Солнца, по своей траектории не вызывает смещения зон фокусировки излучения в направлении, перпендикулярном длине первого 7 и второго 9 селективных линейных фотопреобразователей, так как они параллельны плоскости, в которой находится траектория движения источника излучения,Солнца. Изменение местоположения источника излучения приводит лишь к незначительному смещению зон фокусировки. Поэтому длина каждого селективного линейного фотопреобразователя должна быть длиннее продольного размера соответствующей селективной цилиндрической линзы Френеля на величину, определяемую углом ее поля зрения. Источники информации 1.2403510. 2.7509. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4