СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 1999 года по МПК F24J2/42 F24J2/08 H02N6/00 

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

Известен солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий оптический элемент с трапециевидным поперечным сечением, боковые грани которого выполнены отражающими излучение, а разновеликие основания служат гранями входа и выхода излучения, и установленные в контакте с гранью выхода излучения фотопреобразователи. Оптический элемент выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения, причем гранью выхода излучения служит меньшее основание оптического элемента (а. с. СССР N 1048260, МКИ 6 F 24 J 2/08, 1981 г.). Отношение площадей граней входа и выхода определяет коэффициент концентрации солнечного излучения. Недостаток известного решения состоит в том, что оно имеет низкую оптическую эффективность. Это связано с тем, что часть лучей, отраженных от боковой грани, имеют траекторию, близкую к параллельной к поверхности входа и не попадают на фотопреобразователь.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный призматический фотоэлектрический концентратор солнечного излучения, содержащий трехугольную призму с дополнительной гранью перед поверхностью выхода (а.с. N 851313, МКИ 6 G 02 B 5/04, БИ N 21б 1981 г.).

Недостатком данного конструктивного решения является низкий коэффициент концентрации.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение степени концентрации солнечного излучения и повышение его оптической эффективности.

В результате использования изобретения повышаются степень концентрации солнечного излучения и оптическая эффективность фотоэлектрического модуля. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем концентратор, выполненный в виде трехгранной призмы полного внутреннего отражения, одна из граней которой имеет зеркальное покрытие, а на другой, меньшей, грани расположен фотопреобразователь, плоскость которого перпендикулярна рабочей поверхности призмы, на которую падает излучение, фотопреобразователь выполнен с двухсторонней рабочей поверхностью. В оптическом контакте с фотопреобразователем симметрично с призмой установлена еще одна призма с зеркальным покрытием на одной из граней, и по крайней мере одна из призм снабжена поворотным зеркалом, установленным под углом 90 - 135^o к рабочей поверхности призмы, а ось вращения зеркала параллельна плоскости фотопреобразователя. Поворотное зеркало может быть выполнено в виде параболоцилиндрического фоклина с фокусным расстоянием, соизмеримым с расстоянием от оси поворота зеркала до фотопреобразователя. Фотоэлектрический модуль может содержать два или большее количество пар призм, объединенных в монолитную оптическую структуру таким образом, чтобы рабочие поверхности всех призм были установлены в одной плоскости, а фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью расположены под некоторым углом к рабочей поверхности, в оптическом контакте с гранями двух соседних призм, а поворотное зеркало установлено по крайней мере с одной стороны оптической монолитной структуры.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 3.

На фиг. 1 представлен общий вид фотоэлектрического модуля с призменным концентратором из двух призм, для горизонтального расположения.

На фиг. 2 - солнечный фотоэлектрический модуль двух призм, для вертикального расположения.

На фиг. 3 - солнечный фотоэлектрический модуль из двух пар призм.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит призмы полного внутреннего отражения 1, 2, между которыми установлен фотопреобразователь 3. Каждая призма имеет рабочую поверхность 4, на которую падает излучение, и тыльное зеркальное покрытие 5. С одной стороны концентратора установлено зеркало 6. Кроме того, на фиг.1 - 3 указаны: β - угол входа лучей, ϕ - угол при вершине призмы, L - ширина призмы, d - ширина фотопреобразователя, l - ширина зеркала, γ - угол между зеркалом и вертикалью к поверхности модуля.

Солнечный модуль устанавливают осью на запад-восток горизонтально или под некоторым углом ψ к горизонту таким образом, чтобы минимальный угол входа β имел место 22 июня в день летнего солнцестояния. По углу β выбирают угол ϕ при вершине призмакона.

Солнечный модуль работает следующим образом. Солнечное излучение, поступающее на рабочую поверхность 4 призмы 1, после отражения от зеркального покрытия и рабочей поверхности 4 попадает на фотопреобразователь 3. Солнечное излучение попадает на призму 2 непосредственно и после отражения от зеркала 6. При угле γ наклона зеркала к поверхности 4 модуля ψ = 90^o угол входа β отраженного излучения в призму 2 будет совпадать с углом входа β излучения в призму 1. Излучение, отраженное от зеркала 6 и поступающее в призму 2, также попадает на фотопреобразователь 3 с двухсторонней рабочей поверхностью. Ортогональное расположение рабочей поверхности 4 и плоскости фотопреобразователя 3 позволяет использовать все лучи, которые идут в направлении, близком к параллельному к рабочей поверхности модуля, а оптический контакт призм 1 и 2 с двухсторонним фотопреобразователем дает возможность удвоить коэффициент концентрации солнечного излучения.

Пример конкретного выполнения фотоэлектрического модуля.

Для угла входа солнечного излучения β = 7^o получаем угол при вершине призмы ϕ = 18^o40′ и коэффициент концентрации каждой призмы k=3, коэффициент концентрации модуля k=6. Ширина призмы L=150 мм, ширина модуля из трех пар призм 900 мм, ширина фотопреобразователя 50 мм, длина модуля 1500 мм, электрическая мощность 100 Вт. Угол γ выбираем 18^o, размеры зеркала составляют 1275 мм + 1500 мм. Наименьший угол входа β = 7^o может быть реализован при горизонтальном расположении модуля с расположением плоскости фотопреобразователей запад-восток для Индии, Туниса, Египта и других стран, расположенных на широте 30^o.

Фотоэлектрический модуль работает следующим образом.

Солнечное излучение попадает на призму 1 и после отражения под углом входа β и после отражения от тыльного зеркального покрытия 5 и за счет полного внутреннего отражения от рабочей поверхности 4 попадает на фотопреобразователь 3 с двухсторонней рабочей поверхностью. Фотопреобразователь преобразует сконцентрированные потоки излучения в электрическую энергию. Фотоэлектрический модуль не требует слежения за солнцем, прост в изготовлении и эксплуатации и имеет высокую концентрацию, равную 6 для угла входа β = 7^o и 8,8 для угла β = 25^o.о

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. Изобретение повышает оптическую эффективность и, как следствие, степень концентрации солнечного излучения. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит призмы полного внутреннего отражения 1, 2, между которыми установлен фотопреобразователь 3. Каждая призма имеет рабочую поверхность 4, на которую падает излучение, и тыльное зеркальное покрытие 5. С одной стороны концентратора установлено зеркало 6. Кроме того, β - угол входа лучей, ϕ - угол при вершине призмы, l - ширина призмы, d - ширина фотопреобразователя, l - ширина зеркала, γ - угол между зеркалом и вертикалью к поверхности модуля. Солнечный модуль устанавливают осью на запад-восток горизонтально или под некоторым углом к горизонту таким образом, чтобы минимальный угол входа β имел место 22 июня в день летнего солнцестояния. По углу β выбирают угол ϕ при вершине призмакона. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. я

1. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий трехгранную призму полного внутреннего отражения, которая имеет рабочую поверхность, на которую падает излучение, и установленную под некоторым углом к рабочей поверхности тыльную поверхность с зеркальным покрытием и фотопреобразователь, плоскость которого наклонена под некоторым углом к рабочей поверхности, отличающийся тем, что фотопреобразователь выполнен с двухсторонней рабочей поверхностью, в оптическом контакте с фотопреобразователем симметрично с призмой установлена еще одна призма с зеркальным покрытием на тыльной поверхности и по крайней мере одна из призм снабжена поворотным зеркалом, ось вращения которого параллельна плоскости фотопреобразователя, а зеркало установлено под углом 90 - 135^o к рабочей поверхности призмы. 2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что зеркало выполнено в виде параболоцилиндрического фоклина с фокусным расстоянием, соизмеримым с расстоянием от оси поворота зеркала до фотопреобразователя. 3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что модуль содержит две или больше пар призм, объединенных в монолитную оптическую структуру таким образом, что рабочие поверхности всех призм установлены в одной плоскости.