Kąt odbioru (koncentrator słoneczny)

Kąt akceptacji to maksymalny kąt, pod jakim wpadające światło słoneczne może zostać przechwycone przez koncentrator słoneczny . Jego wartość zależy od stężenia optyki i współczynnika załamania światła , w którym zanurzony jest odbiornik. Maksymalizacja kąta akceptacji koncentratora jest pożądana w praktycznych systemach i można to osiągnąć stosując optykę nieobrazową .

W przypadku koncentratorów skupiających światło w dwóch wymiarach kąt akceptacji może być różny w obu kierunkach.

Definicja

Kąt akceptacji

Rysunek „kąta akceptacji” ilustruje tę koncepcję.

Koncentratorem jest soczewka z odbiornikiem R. Lewa część rysunku przedstawia zestaw równoległych promieni padających na koncentrator pod kątem α < θ do osi optycznej . Wszystkie promienie docierają do odbiornika i dlatego całe światło jest przechwytywane. Pośrodku ten rysunek pokazuje inny zestaw równoległych promieni, teraz padających na koncentrator pod kątem α = θ do osi optycznej. W przypadku idealnego koncentratora wszystkie promienie są nadal wychwytywane. Jednak po prawej ten rysunek pokazuje jeszcze inny zestaw równoległych promieni, padających teraz na koncentrator pod kątem α > θ do osi optycznej. Wszystkie promienie omijają teraz odbiornik i całe światło jest tracone. Dlatego dla kątów padania α < θ całe światło jest przechwytywane, podczas gdy dla kątów padania α > θ całe światło jest tracone. Mówi się wtedy, że koncentrator ma (połowiczny) kąt akceptacji θ lub całkowity kąt akceptacji 2 θ (ponieważ przyjmuje światło w zakresie kąta ± θ do osi optycznej).

Krzywe transmisji

Idealnie, koncentrator słoneczny ma krzywą transmisji c _I , jak pokazano na rysunku „krzywe transmisji”. Transmisja (sprawność) wynosi τ = 1 dla wszystkich kątów padania α < θ _I oraz τ = 0 dla wszystkich kątów padania α > θ _I .

W praktyce rzeczywiste krzywe transmisji nie są idealne i zwykle mają kształt podobny do krzywej c _R , która jest znormalizowana tak, że τ = 1 dla α = 0. W takim przypadku rzeczywisty kąt akceptacji θ _R jest zwykle definiowany jako kąt, dla którego transmisja τ spada do 90% swojego maksimum.

W przypadku systemów ogniskowania liniowego, takich jak koncentrator korytowy lub liniowa soczewka Fresnela , kąt akceptacji jest jednowymiarowy, a stężenie ma tylko słabą zależność od odchylenia prostopadłego do kierunku ogniskowania. Z drugiej strony systemy ogniskowania punktowego są wrażliwe na przesunięcie w obu kierunkach. W ogólnym przypadku kąt akceptacji w jednym kierunku może być inny niż w drugim.

Kąt akceptacji jako budżet tolerancji

Kąt akceptacji θ koncentratora może być postrzegany jako miara tego, jak dokładnie musi on podążać za słońcem na niebie. Im mniejsza wartość θ , tym dokładniejsze musi być śledzenie, w przeciwnym razie koncentrator nie będzie przechwytywał wpadającego światła słonecznego. Jest więc miarą tolerancji koncentratora na błędy śledzenia.

Niedoskonałości optyczne

Jednak inne błędy również wpływają na kąt akceptacji. Pokazuje to rysunek „niedoskonałości optycznych”.

Lewa część rysunku przedstawia idealnie wykonaną soczewkę o dobrych powierzchniach optycznych s ₁ i s ₂ wychwytujących wszystkie promienie świetlne padające pod kątem α do osi optycznej. Jednak prawdziwa optyka nigdy nie jest idealna i prawa część rysunku pokazuje efekt źle wykonanej dolnej powierzchni s ₂ . Zamiast być gładki, s ₂ ma teraz pofałdowania, a niektóre promienie światła, które zostały przechwycone wcześniej, są teraz tracone. Zmniejsza to transmisję koncentratora dla kąta padania α , zmniejszając kąt akceptacji. Właściwie każda niedoskonałość w systemie, taka jak:

• niedokładność śledzenia
• niedopracowana optyka
• aberracje optyczne
• niedokładnie zmontowane elementy
• ruchy systemu spowodowane wiatrem
• skończona sztywność konstrukcji nośnej
• odkształcenia spowodowane starzeniem
• inne niedoskonałości systemu

przyczynia się do zmniejszenia kąta akceptacji koncentratora. Kąt akceptacji może być wtedy postrzegany jako „budżet tolerancji”, który należy wydać na wszystkie te niedoskonałości. Na koniec koncentrator musi nadal mieć wystarczającą akceptację, aby uchwycić światło słoneczne, które również ma pewną dyspersję kątową θ _S , gdy patrzy się z ziemi. Dlatego bardzo ważne jest zaprojektowanie koncentratora o jak najszerszym kącie akceptacji. Jest to możliwe dzięki optyce nieobrazowej , która maksymalizuje kąt akceptacji dla danego stężenia.

Apertura kątowa światła słonecznego

Rysunek „apertura kątowa światła słonecznego” po prawej stronie pokazuje wpływ kątowej dyspersji światła słonecznego na kąt akceptacji.

Światło słoneczne nie jest zbiorem idealnie równoległych promieni (pokazanych na niebiesko), ale ma określoną aperturę kątową θ _S , na co wskazują zielone promienie. Jeśli kąt akceptacji optyki jest wystarczająco szeroki, światło słoneczne padające wzdłuż osi optycznej zostanie przechwycone przez koncentrator, jak pokazano na rysunku „apertura kątowa światła słonecznego”. Jednak dla szerszych kątów padania α część światła może zostać utracona, jak pokazano po prawej stronie. Idealnie równoległe promienie (pokazane na niebiesko) zostałyby przechwycone, ale światło słoneczne, ze względu na jego aperturę kątową, jest częściowo tracone.

Równoległe promienie i światło słoneczne są zatem inaczej przepuszczane przez koncentrator słoneczny, a odpowiadające im krzywe przepuszczania są również różne. Następnie można określić różne kąty akceptacji dla promieni równoległych lub światła słonecznego.

Produkt akceptacji koncentracji (CAP)

Dla danego kąta akceptacji θ , dla koncentratora punktowego, maksymalne możliwe stężenie, C _max , jest określone wzorem

$\ Displaystyle C _ {\ operatorname {max}} = {\ Frac {n ^ {2}} {\ sin ^ {2} \ teta}}}$ ,

gdzie n jest współczynnikiem załamania światła ośrodka , w którym zanurzony jest odbiornik. W praktyce rzeczywiste koncentratory albo mają niższe niż idealne stężenie dla danej akceptacji, albo mają niższy niż idealny kąt akceptacji dla danego stężenia. Można to streścić w wyrażeniu

${\ Displaystyle CAP = {\ sqrt {C}} \ sin \ theta \ równoważnik n}$ ,

który określa wielkość CAP (iloczyn akceptacji koncentracji), która musi być mniejsza od współczynnika załamania światła ośrodka, w którym zanurzony jest odbiornik.

W przypadku koncentratora liniowego równanie nie jest kwadratowe

${\ Displaystyle C _ {\ operatorname {max}} = {\ Frac {n} {\ sin \ teta}}}$

Produkt Akceptacji Koncentracji jest konsekwencją zachowania etendue . Im wyższy CAP, tym koncentrator jest bliżej maksymalnego możliwego kąta koncentracji i akceptacji.

Zobacz też

• Etendue
• Promień kierowany , kontekst kąta akceptacji dla światłowodów