Многофацетный концентратор гелиоустановки для воздействия солнечного излучения на объекты, расположенные в мишенной плоскости

1 Предполагаемое изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к испытаниям материалов и изделий на светопогодоустойчивость с помощью сконцентрированного солнечного излучения, а также может быть эффективно использовано в составе установок и устройств для целого ряда других применений, таких как детоксификация промышленных сточных вод, очистка и обеззараживание воды, накачка лазеров солнечным излучением, направленный фото- и фотокаталитический направленный синтез химикатов с использованием солнечной энергии, энергетические фотоэлектрические установки с использованием концентрации солнечного излучения. Комбинированное воздействие атмосферы и солнечного излучения вызывает необратимые изменения (деградация и естественное старение) широкого круга различных материалов и изделий. Наиболее типичными и важными по реальным технико-экономическим показателям примерами такого рода изменений являются изменения цветности строительно-отделочных материалов,лакокрасочных покрытий и текстильных красителей, известные как выгорание или выцветание,деградация механических характеристик полимерных материалов, известная каждому труженику на садово-дачных участках по охрупчиванию и разрушению парниковых и тепличных полиэтиленовых пленок, замена которых производится практически после 1-2 сезонов. Скорость этих и других процессов деградации зависит от состава атмосферы, температуры и экспозиции светового излучения, причем особенно сильно от экспозиции излучения в ультрафиолетовой части солнечного спектра(290 - 450 нм). Физически доминирующее значение ультрафиолетового излучения Солнца в процессах деградации материалов обусловлено тем, что энергия фотонов солнечного света в этой части спектра соответствует энергии разрыва химических связей органических и элементоорганических соединений (С-С; C-N; С-O;C-F; C-Cl и др.). Излучение же в более длинноволновом видимом и инфракрасном спектральном диапазонах солнечного спектра ответственно за нагревание материалов. Указанная выше зависимость необратимых изменений цветовых характеристик материалов от световой экспозиции является критичным параметром особенно для фасадных покрытий и панелей зданий, эксплуатируемых в сложных и разнообразных условиях освещенности внутригородских зданий и сооружений. Поэтому проведение испытаний и сертификации объектов, чувствительных к воздействию светового солнечного излучения, имеет большое практическое и экологическое значение. При этом особенно важно обеспечить аппаратурно и методически ускоренные испытания. Это связано с тем, что в реальных условиях длительность воздействий, приводящих к деградации основных характеристик материалов (цветовых, ме 002059 2 ханических), связанных с потерей товарного качества, составляет от нескольких месяцев до нескольких лет. Аппаратура для проведения указанных ускоренных испытаний должна одновременно выполнять следующие условия: 1) обеспечить концентрацию солнечного излучения до значения коэффициента концентрации 100, при котором для большинства объектов испытаний еще не наблюдаются нелинейные эффекты зависимости скорость деградации материала плотность мощности светового потока,2) возможность варьирования коэффициентов концентрации с помощью одного и того же устройства,3) максимальное равномерное распределение плотности мощности концентрированного светового потока по полю размещения испытуемых образцов,4) максимальная близость спектрального состава воздействующего излучения к спектру в интересующей ультрафиолетовой области к спектру естественного солнечного света, и 5) уменьшение эффекта чрезмерного нагрева испытуемых объектов, обусловленного спектральным поглощением в видимой и инфракрасной части спектра естественного солнечного света, на долю которой приходится около 90% интегральной интенсивности всего солнечного света. Имитация условий воздействия солнечного излучения, особенно с применением многократной концентрации излучения на испытуемых образцах в различных комбинациях с атмосферными воздействиями, в настоящее время представляет собой сложную техническую проблему. Это обусловлено следующими техническими причинами: спектр излучения даже лучших на сегодняшний день искусственных источников излучения,имитирующих солнечное излучение, - специальных металлогалогенных ламп, имеет линейчатую структуру. Поэтому эффекты деградации в большинстве материалов под воздействием излучения лампимитаторов солнечного света и самого Солнца резко отличается друг от друга; для проведения испытаний нужно обеспечить высокую (в пределах нескольких процентов) равномерность плотности мощности излучения по всему полю размещения испытуемых образцов; уменьшение фактора чрезмерного нагрева испытуемых образцов материалов за счет концентрированного солнечного излучения в видимой и инфракрасной части спектра требует (помимо их принудительного охлаждения) специальных мер, в частности, отфильтровывания излучения Солнца в этом спектральном диапазоне. Известен ряд концентраторов, входящих в состав гелиоустановок для ускоренных испытаний объектов на светопогодоустойчивость с помощью сконцентрированного солнечного излучения [1-3]. Так, в гелиоустановке для испытания материалов, описанной в [1], концентратор состоит из шести плоских зеркал размерами 2 х 1,3 м, установ 3 ленных попарно на трех механически взаимосвязанных тележках-платформах, перемещающихся вместе и одна за другой по двум рельсам, уложенным по окружности радиусом 7 м, в центре которой находится плоский стенд размером 2 х 1,3 м для размещения испытуемых образцов. Недостатками данной конструкции концентратора являются его большая материалоемкость,следовательно, большой вес, сложная кинематика слежения концентратора за Солнцем и невозможность получения высоких концентраций солнечного излучения (порядка 100 раз). Известен также параболоцилиндрический концентратор солнечного излучения, входящий в состав гелиоустановки [2]. Этот концентратор солнечного излучения собран из плоских зеркал. Однако и этот концентратор имеет сложную кинематику слежения за Солнцем и невозможность получения высоких концентраций солнечного излучения. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому концентратору, является концентратор, выбранный авторами за прототип, входящий в состав гелиоустановки [3], содержащий плоские фацеты. Существенным недостатком этой конструкции концентратора является то, что повышение равномерности облучения испытуемых образцов здесь достигается опять-таки за счет сложной кинематики вращения образцов в мишенной плоскости. С помощью предполагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в сокращении времени испытаний объектов до 100 раз (несколько дней вместо нескольких месяцев или лет) с высокой степенью достоверности прогнозирования поведения испытуемых объектов для широкого спектра условий испытаний, путем создания сконцентрированного однородного селектированного по спектру пятна излучения в мишенной плоскости размещения испытуемых образцов. В соответствии с предполагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в многофацетном концентраторе гелиоустановки для воздействия солнечного излучения на объекты,расположенные в мишенной плоскости, содержащем несущую ферму и фацеты, последние выбраны со сферическими фокусирующими зеркальными поверхностями и селективными покрытиями, отражающими часть спектра солнечного излучения, и установлены на несущей ферме симметрично относительно общей оси концентратора, при этом их оптические оси направлены в одну точку на оптической оси концентратора, расположенную перед номинальной точкой фокуса концентратора и определяющую место размещения мишенной плоскости. На фиг. 1 представлена принципиальная схема концентратора, на фиг. 2 - оптическая схема,иллюстрирующая формирование однородного облучения образцов в мишенной плоскости. На фиг. 3 представлена фотография экспериментальной уста 002059 4 новки с многофацетным селективным концентратором для ускоренных испытаний материалов на воздействие солнечного излучения. Фиг. 4 и 5 демонстрируют экспериментальные данные по отражательным характеристикам фацет концентратора и распределению интенсивности светового потока в мишенной плоскости. Предлагаемый концентратор содержит несущую ферму 1, на которой установлены симметрично относительно общей оси концентратора фацеты 2 (например, с подложкой из стекла марки К-8), при этом их оптические оси направлены в одну точку 3 на оптической оси концентратора, расположенную перед номинальной точкой фокуса 4 концентратора, при этом точка 3 определяет место размещения мишенной плоскости 5, где располагается единая площадка 6. Работа концентратора осуществляется следующим образом. Полный спектр солнечного излучения падает на фацеты 2 с селективным отражающим покрытием с заранее заданными характеристиками, часть спектра, отражаемая от фацет 2 с селективным покрытием, направляется на мишенную плоскость 5,при этом все фацеты юстируются таким образом,что световое пятно с высокой степенью однородности освещенности фацет 2 собирается в единую площадку 6 (фиг. 2) мишенной плоскости 5. При этом в зависимости от предъявляемых требований к концентратору солнечного излучения на мишенной плоскости можно достичь сокращение времени испытания объектов в 100 раз. Из вышесказанного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущества по сравнению с известными, а именно: обеспечивает требуемые высокие коэффициенты концентрации (до 100 крат включительно),за счет применения селективных отражающих покрытий на стеклянных фацетах обеспечивается, с одной стороны, высокое однородное отражение в ультрафиолетовой части солнечного спектра на уровне 93-95% в спектральной области 290-450 нм,а с другой стороны, эффективное отфильтровывание излучения в видимой и инфракрасной части солнечного спектра (коэффициент отражения селективного покрытия в области длин волн более 650 нм составляет менее 5%), таким образом, падающее на фацеты концентратора солнечное излучение в видимой и инфракрасной части солнечного спектра в основном пропускается оптическим покрытием и стеклянной подложкой фацет и не попадает на испытуемые образцы. В настоящее время предложенное техническое решение, составляющее предмет изобретения,реализовано совместно ГУДП ГУП НПО Астрофизика ОКБ СОЛТО и Национальной лабораторией возобновляемой энергии, США (NationalRenewable Energy Laboratory, USA), что проиллюстрировано фиг. 3, 4, 5. В данной конкретной конструкции использованы фацеты с одинаковыми фокусными расстояниями. Используя в конструкции концентратора фацеты с различными значе 5 ниями их фокусных расстояний, можно достичь более равномерного распределения интенсивности светового потока в краевой зоне единой площадки 6 мишенной плоскости 5. Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 139513,МПК G 01H 17/02. 2. Авторское свидетельство СССР 1746157,МПК F 24J 2/42. 3. Авторское свидетельство СССР 1800243,МПК F 24J 2/42 - прототип. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 6 ты, расположенные в мишенной плоскости, содержащий несущую ферму и фацеты, отличающийся тем, что фацеты концентратора выбраны со сферическими фокусирующими зеркальными поверхностями и селективными покрытиями, отражающими часть спектра солнечного излучения, и установлены на несущей ферме симметрично относительно общей оси концентратора, при этом их оптические оси направлены в одну точку на оптической оси концентратора, расположенную перед номинальной точкой фокуса концентратора и определяющую место размещения мишенной плоскости. Многофацетный концентратор гелиоустановки для воздействия солнечного излучения на объек Фиг. 1 Фиг. 4