СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК F24J2/42 F24J2/08 H02N6/00 

Изобретение относится к гелиоэнегретике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, выполненный в виде призмы полного внутреннего отражения (D.R.Mils, J.E/Giutronch. Ideal Prism solar Concentratois. Solar Energy. Vol.21, 1978, p.423).

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации. Это связано с тем, что при угле входа излучения по отношению к нормали к поверхности ± 23,5^o минимальный угол при вершине призмы равен 28^o, а коэффициент концентрации K = 1/sinα = 1,8. Для увеличения коэффициента концентрации призмы необходимо уменьшить угол при вершине призмы, однако при этом увеличивается наклон излучения и увеличиваются потери излучения, вызванные отклонениями потока излучения от оптимального, перпендикулярного к поверхности призмы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фотоэлектрический модуль с концентратором на основе параболоцилиндрических фоклинов, установленных с двух сторон по краям фотопреобразователей (Solar Tobay, Yuly/August 1997, р.31).

Недостатком известного модуля является низкий коэффициент концентрации 2 - 2,5. Другим недостатком является большая высота модуля с концентратором, превышающая размер плоского фотоэлектрического модуля без концентратора в 4 - 6 раз. Недостатками обоих известных типов фотоэлектрических модулей является низкая удельная мощность фотопреобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание фотоэлектрического модуля со статическим концентратором, имеющим размеры в поперечном сечении, соизмеримые с размерами плоского фотоэлектрического модуля и имеющего повышенную удельную мощность фотопреобразователя.

В результате использования предлагаемого солнечного фотоэлектрического модуля повышается удельная мощность фотопреобразователя.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле с концентратором энергии, выполненном в виде призмы полного внутреннего отражения, имеющего рабочую поверхность, на которую падает излучение, тыльную зеркальную поверхность и боковую меньшую грань, на которой установлены скоммутированные фотопреобразователи, на рабочей поверхности призмы установлены в несколько рядов миниатюрные зеркальные экраны с двухсторонней зеркальной поверхностью, плоскости которых ориентированы в направлении грани призмы, содержащей фотопреобразователи. Миниатюрные зеркальные экраны выполнены в виде жалюзи из параллельных одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов, вогнутая поверхность которых обращена к фотопреобразователю, а фокус каждого фоклина расположен под выпуклой поверхностью соседнего фоклина в непосредственной близости от края его выходного отверстия. Миниатюрные зеркальные экраны могут быть выполнены в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, плоскость которых наклонена к рабочей поверхности призмы под углом 60 - 90^o.

В другой модификации предлагаемого фотоэлектрического модуля с концентратором энергии две призмы полного внутреннего отражения установлены симметрично и соединены между собой таким образом, что фотопреобразователь является общим для обоих призм, а миниатюрные зеркальные экраны установлены симметрично встречно на обоих призмах или на одной из них. В еще одной модификации солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором энергии по крайней мере с одной стороны модуля установлен зеркальный отражатель в виде параболоцилиндрического фоклина с фокусом, расположенным в плоскости фотопреобразователя.

На фиг. 1 представлен солнечный фотоэлектрический модуль с одной призмой и миниатюрными зеркальными экранами в виде жалюзи из параллельных параболоцилиндрических фоклинов, поперечное сечение; на фиг. 2 - солнечный фотоэлектрический модуль, состоящий из двух призм с миниатюрными зеркальными экранами; на фиг. 3 - солнечный фотоэлектрический модуль, состоящий из двух призм, одна из которых имеет миниатюрные зеркальные экраны, из параболоцилиндрических фоклинов; на фиг. 4 - солнечный фотоэлектрический модуль из двух призм с миниатюрными зеркальными экранами из фоклинов и плоских фацет, с каждой стороны модуля установлены зеркальные отражатели в виде параболоцилиндрического фоклина с общим фокусом, расположенным в плоскости фотопреобразователя; на фиг. 5 представлен солнечный фотоэлектрический модуль из двух призм, одна из которых имеет миниатюрные зеркальные экраны из плоских зеркальных фацет. На фиг.6 и 7 показан ход лучей в солнечном фотоэлектрическом модуле.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором энергии содержит призму полного отражателя 1, на боковой грани 2 которой установлен фотопреобразователь 3. Призма имеет тыльную зеркальную поверхность 4 и рабочую поверхность 5, на которую падает излучение. На рабочей поверхности призмы 5 установлены соединенные в жалюзи 6 миниатюрные зеркальные экраны 7 из половинок параболоцилиндрических микрофоклинов 8, причем плоскость верхней половины микрофоклинов и их оптическая ось параллельны плоскости фотопреобразователей 3. Фокус F каждой половины микрофоклина 8 расположен со стороны, близкой к фотопреобразователю 3 в непосредственной близости у выпуклой поверхности соседней половинки микрофоклина 9, расположенного между первой половинкой микрофоклина 8 и фотопреобразователем 3.

На фиг. 2 две призмы 1 имеют общий двухсторонний фотопреобразователь 3 и рабочую поверхность 5, на которой имеются жалюзи 6, состоящие из миниатюрных зеркальных экранов 7 из параболоцилиндрических микрофоклинов 8, причем вогнутая поверхность микрофоклинов 8 обращена к фотопреобразователю 3.

На фиг. 3 одна из призм 1 имеет на рабочей поверхности 5 жалюзи 6 из миниатюрных зеркальных экранов 7 в виде половинок параболоцилиндрических микрофоклинов 8, а вторая призма 1 не содержит зеркальных экранов.

На фиг. 4 одна из призм 1 имеет на рабочей поверхности 5 жалюзи 6 из миниатюрных зеркальных экранов 7 в виде микрофоклинов 8, а вторая призма - миниатюрные зеркальные экраны в виде плоских зеркальных микрофацет 10. С каждой стороны модуля установлен зеркальный отражатель 11 в виде параболоцилиндрического фоклина с фокусом F₀, расположенным в плоскости фотопреобразователя 3.

На фиг. 5 одна из призм 1 имеет на рабочей поверхности 5 миниатюрные зеркальные экраны в виде плоских зеркальных микрофацет 10, а вторая призма 1 не имеет зеркальных экранов.

На фиг. 6, 7 угол между рабочей поверхностью 5 и тыльной зеркальной поверхности призмы равен α₀, угол входа излучения β, фокусное расстояние микрофоклина OF₁, расстояние между микрофоклинами или между плоскими зеркальными фацетами а, ширина рабочей поверхности призмы L, ширина фотопреобразователя d, угол наклона плоскости фацеты 10 к рабочей поверхности 5-ϕ, высота зеркальных экранов h.

Пример конкретного выполнения фотоэлектрического модуля.

Призма 1 выполнена пустотелой с верхним стеклом из упроченного стекла с низким содержанием железа, тыльная и боковые поверхности призмы выполнены из стекла оцинкованной стали или алюминия и имеют зеркальное покрытие. Призма наполнена оптически прозрачной жидкостью, например, кремнийорганической жидкостью, маслом или водой. Ширина призмы L=500 мм, ширина фотопреобразователя 100 мм, угол α₀ = 11^o, коэффициент концентрации 5, высота фальцет h=30 мм, расстояние между фацетами 15 мм, угол наклона фацет к рабочей поверхности призмы ϕ = 63^o, угол входа излучения β = 30^o и апертурный угол фоклина β₀= 38^o. Фотоэлектрический модуль установлен с запада на восток и ориентирован нормально к рабочей поверхности на направление на солнце между 22 марта и 22 июня.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором энергии работает следующим образом.

Солнечное излучение поступает на отражающие поверхности фоклина 7, 8, 9 и плоского фацета 10 и отражается на рабочую поверхность призмы 5 под углом входа, равным или большим апертурного угла фоклина β₀ и после отражения от зеркальной поверхности и полного внутреннего отражения от рабочей поверхности 5 попадает на фотопреобразователь 3. При этом любые лучи, падающие на поверхность модуля под углом ± 23^o 30' к рабочей поверхности будет концентрироваться на поверхности фотопреобразователя 3. Фотоэлектрический модуль не требует слежения за солнцем.

Выполнение модуля в виде составного концентратора из одной или двух призм с миниатюрными зеркальными экранами позволяет увеличить концентрацию солнечного излучения и удельную мощность концентратора в 2 - 6 раз по сравнению с концентратором на основе призмы и в 2 - 6 раз уменьшить толщину модуля по сравнению с концентратором на основе фоклина и призмы.

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. Изобретение позволяет создать фотоэлектрический модуль со статическим концентратором, имеющим размеры в поперечном сечении, соизмеримые с размерами плоского фотоэлектрического модуля, имеющего повышенную удельную мощность фотопреобразователя. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, выполненном в виде призмы 1 полного внутреннего отражения, имеющего рабочую поверхность 5, тыльную зеркальную поверхность 4 и боковую меньшую грань 2, на которой установлены скоммутированные фотопреобразователи 3, на рабочей поверхности 5 призмы 1 установлены в несколько рядов миниатюрные зеркальные экраны 7 с двухсторонней зеркальной поверхностью, плоскости которых ориентированы в направлении грани 2 призмы 1, содержащей фотопреобразователи 3. В солнечном фотоэлектрическом модуле по крайней мере с одной стороны модуля установлен зеркальный отражатель 11 в виде параболоцилиндрического фоклина с фокусом, расположенным в плоскости фотопреобразователя. 4 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор энергии в виде призмы полного внутреннего отражения, имеющей рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, тыльную зеркальную поверхность и боковую меньшую грань с установленными на последней скоммутированными фотопреобразователями, отличающийся тем, что на рабочей поверхности призмы установлены в несколько рядов миниатюрные зеркальные экраны с двухсторонней зеркальной поверхностью, плоскости основания которых ориентированы в направлении к грани призмы, содержащей фотопреобразователи. 2. Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор энергии в виде призмы полного внутреннего отражения, имеющей рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, тыльную зеркальную поверхность и боковую меньшую грань с установленными на последней скоммутированными фотопреобразователями, отличающийся тем, что на рабочей поверхности призмы установлены миниатюрные зеркальные экраны, выполненные в виде жалюзи из параллельных одинаково ориентированных половинок параболоцилиндрических фоклинов, вогнутая поверхность которых обращена к фотопреобразователю, а фокус каждого фоклина расположен с выпуклой стороны соседнего фоклина в непосредственной близости от края его выходного отверстия. 3. Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор энергии в виде призмы полного внутреннего отражения, имеющей рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, тыльную зеркальную поверхность и боковую меньшую грань с установленными на последней скоммутированными фотопреобразователями, отличающийся тем, что на рабочей поверхности призмы установлены миниатюрные зеркальные экраны, выполненные в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, плоскости которых наклонены под углом 60 - 90^o к рабочей поверхности призмы. 4. Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий призматический концентратор энергии полного внутреннего отражения, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, тыльную зеркальную поверхность и по крайней мере одну боковую меньшую грань, с установленными на последней скоммутированными фотопреобразователями, отличающийся тем, что скоммутированные фотопреобразователи выполнены с двусторонней рабочей поверхностью, концентратор - в виде двух симметрично расположенных призм, имеющих общий упомянутый фотопреобразователь, а на рабочей поверхности концентратора в зоне одной или обеих призм установлены миниатюрные зеркальные экраны. 5. Модуль по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что по крайней мере с одной стороны модуля установлен зеркальный отражатель в виде параболоцилиндрического фоклина с фокусом, расположенным в плоскости фотопреобразователя.