Угол приема — это максимальный угол, под которым входящий солнечный свет может быть захвачен солнечным концентратором . 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 путем использования невизуализирующей оптики .
Для концентраторов, которые концентрируют свет в двух измерениях, угол приема может быть разным в двух направлениях.
Рисунок «угол приема» иллюстрирует эту концепцию.
Концентратор представляет собой линзу с приемником R. Левая часть рисунка показывает 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 этот рисунок показывает другой набор параллельных лучей, теперь падающих на концентратор под углом α = θ к оптической оси. Для идеального концентратора все лучи по-прежнему улавливаются. Однако справа этот рисунок показывает еще один набор параллельных лучей, теперь падающих на концентратор под углом α > θ к оптической оси. Теперь все лучи 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 пропускания c I , как показано на рисунке «кривые пропускания». Пропускание (эффективность) составляет τ = 1 для всех углов падения α < θ I и τ = 0 для всех углов падения α > θ I .
На практике реальные кривые пропускания не идеальны и обычно имеют форму, похожую на форму кривой c R , которая нормализована 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 своего максимума. [1]
Для систем с линейным фокусом, таких как концентратор желоба или линейная линза Френеля , угол приема одномерный, и концентрация имеет лишь слабую зависимость от смещения наведения перпендикулярно направлению фокуса. Системы с точечным фокусом, с другой стороны, чувствительны к смещению наведения в обоих направлениях. В общем случае угол приема в одном направлении может отличаться от другого.
Угол приема θ концентратора можно рассматривать как меру того, насколько точно он должен отслеживать солнце на небе. Чем меньше θ , тем точнее должно быть отслеживание, иначе концентратор не будет захватывать входящий солнечный свет. Таким образом, это мера толерантности концентратора к ошибкам отслеживания.
Однако другие ошибки также влияют на угол приема. Рисунок «оптические дефекты» показывает это.
Левая часть рисунка показывает идеально сделанную линзу с хорошими оптическими поверхностями s 1 и s 2 , захватывающую все световые лучи, падающие под углом α к оптической оси. Однако реальная оптика никогда не бывает идеальной, и правая часть рисунка показывает эффект плохо сделанной нижней поверхности s 2 . Вместо того чтобы быть гладкой, s 2 теперь имеет волнистость, и некоторые из световых лучей, которые были захвачены ранее, теперь теряются. Это уменьшает пропускание концентратора для угла падения α , уменьшая угол приема. Фактически, любое несовершенство в системе, такое как:
способствует уменьшению угла приема концентратора. Угол приема можно тогда рассматривать как «бюджет допуска», который следует потратить на все эти недостатки. В конце концов, концентратор должен все еще иметь достаточный прием, чтобы захватывать солнечный свет, который также имеет некоторую угловую дисперсию θ S при наблюдении с Земли. Поэтому очень важно спроектировать концентратор с максимально широким углом приема. Это возможно с использованием невизуализирующей оптики , которая максимизирует угол приема для заданной концентрации.
Рисунок «Угловая апертура солнечного света» справа показывает влияние угловой дисперсии солнечного света на угол приема.
Солнечный свет не является набором идеально параллельных лучей (показано синим цветом), но он имеет заданную угловую апертуру θ S , как указано зелеными лучами. 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 часть света может быть потеряна, как показано справа. Идеально параллельные лучи (показано синим цветом) будут улавливаться, но солнечный свет из-за своей угловой апертуры частично теряется.
Поэтому параллельные лучи и солнечный свет передаются солнечным концентратором по-разному, и соответствующие кривые пропускания также различны. Затем можно определить различные углы приема для параллельных лучей или для солнечного света.
Для заданного угла приема θ для точечного концентратора максимально возможная концентрация C max определяется по формуле
где n — показатель преломления среды, в которую погружен приемник. [2] На практике реальные концентраторы либо имеют концентрацию ниже идеальной для заданной акцепции, либо имеют угол акцепции ниже идеальной для заданной концентрации. Это можно обобщить в выражении
который определяет величину CAP (концентрационный приемный продукт), которая должна быть меньше показателя преломления среды, в которую погружен приемник.
Для линейно-фокусированного концентратора уравнение не квадратное [3]
Концентрационный акцептный продукт является следствием сохранения etendue . Чем выше CAP, тем ближе концентратор к максимально возможному значению концентрации и угла акцепта.
