СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 1999 года по МПК F24J2/42 F24J2/06 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).

Отношение площадей граней входа и выхода определяет коэффициент концентрации солнечного излучения.

Преимуществом фотоэлектрического модуля является отсутствие необходимости в следящем устройстве. Недостаток известного решения состоит в том, что оно имеет низкий коэффициент концентрации. Это связано с тем, что минимальный угол α₀ при вершине призмы при нормальном падении излучения, т.е. когда угол входа излучения равен нулю, равен половине угла полного внутреннего отражения 2α₀. Для стекла с коэффициентом преломления n=1,51, 2α₀ = 41^o30' теоретический коэффициент концентрации для линейной призмы K=ctg α₀ = 2,64, для круговой призмы K=4.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный фотоэлектрический модуль, выполненный в виде параболоцилиндрического фоклина, в выходном отверстии которого установлены фотопреобразователи. Обе отражающие поверхности фоклина выполнены в виде двух зеркал параболической формы и ориентированы с запада на восток. Фокальная область каждой параболический поверхности фоклина расположена в плоскости выходного отверстия у основания противоположной отражающей поверхности фоклина (Solar Todaу, July/August, 1997, с.31).

Фотоэлектрический модуль не требует слежения за солнцем при апертурном угле 24^o. Недостатком этого модуля является низкий коэффициент концентрации, равный 2,5 при апертурном угле 24^o.

Недостатком обоих известных фотоэлектрических модулей является низкая удельная мощность фотопреобразователя и, вследствие этого высокая стоимость модуля.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение степени концентрации солнечного излучения в фотоэлектрическом модуле и увеличение удельной мощности фотопреобразователя.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается удельная мощность фотопреобразователя и, вследствие этого снижается стоимость модуля.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем концентратор на основе фоклинов (фоконов) и установленные в выходном отверстии концентратора фотопреобразователи, в плоскости выходного отверстия установлен оптический элемент в виде призмы внутреннего отражения таким образом, что фокусы фоклина (фокона) расположены внутри проекции меньшего основания призмы на большее основание, а минимальный угол входа лучей в призму равен апертурному углу фоклина.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 - 3. На фиг. 1 показан фотоэлектрический модуль, поперечное сечение. На фиг. 2 и 3 - ход солнечного излучения при нормальном падении и максимальном отклонении солнечного излучения.

Фотоэлектрический модуль содержит призму полного внутреннего отражения 1, боковые грани 2 которой выполнены отражающими излучение, а на грани выхода излучения 3 установлен фотопреобразователь 4.

Призма установлена в выходном отверстии 5 параболоцилиндрического фоклина (фокона) с двумя отражающими поверхностями 6 и 7 таким образом, чтобы верхнее основание призмы 8 совпадало с выходным отверстием фоклина 5 (фокона). Фокусы параболоцилиндрических отражающих поверхностей F₁ и F₂ расположены на поверхности входа излучения призмы внутри проекции меньшего основания призмы на большее основание. Ширина призмы d равна ширине выходного отверстия 5 фоклина. Апертурный угол фоклина β равен углу входа излучения в призму при максимальном отклонении солнца от нормали.

Пример конкретного выполнения фотоэлектрического модуля.

Призма выполнена из стекла с коэффициентом преломления n=1,5. Ширина призмы d= 180 мм, длина 600 мм, угол при вершине призмы 28^o, ширина фотопреобразователя 72 мм, толщина призмы 30 мм, апертурный угол фоклина β = 30^o, высота фоклина H=250 мм, ширина верхнего основания D=310 мм. Фокусы F₁ и F₂ обоих поверхностей фоклина расположены в центральной части верхнего основания призмы. Геометрическая степень концентрации K составляет для фоклина K= 2, для призмы K= 2,5, а для фотоэлектрического модуля K=5,0. Фотоэлектрический модуль установлен с запада на восток таким образом, чтобы нормаль его поверхности направлена на положение солнца 22 марта и 22 октября.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором работает следующим образом.

Солнечное излучение поступает на отражающие поверхности фоклина 6 и 7, отражается на поверхности выхода фоклина 5 между фокусом F₁ и F₂ и основанием фоклина 9 и 10 под углом, равным или меньшим апертурного угла B фоклина 6 и 7. Поэтому модуль не требует слежения за солнцем. Излучение входит в призму 1 под углом входа, отражается боковыми гранями 2 и после полного внутреннего отражения на большем основании призмы 8 поступает на преобразователи 4. Переотраженное излучение на грани выхода излучения 3 суммируется с прямым излучением, падающим на большее основание 8 внутри проекции площади меньшего основания на большее.

Выполнение модуля в виде составного концентратора из двух отражающих поверхностей фоклина 6, 7 и призмы 1 позволяет увеличить удельную мощность фотопреобразователя и концентрацию солнечного излучения в 2 раза по сравнению с концентратором на основе призмы.

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. Задачей изобретения является повышение степени концентрации солнечного излучения в фотоэлектрическом модуле, в результате чего повышается удельная мощность фотопреобразователя и снижается стоимость модуля. Фотоэлектрический модуль содержит призму полного внутреннего отражения 1, боковые грани 2 которой выполнены отражающими излучение, а на грани выхода излучения 3 установлен фотопреобразователь 4. Призма установлена в выходном отверстии 5 параболоцилиндрического фоклина (фокона). Фокусы параболоцилиндрических отражающих поверхностей F₁ и F₂ расположены на поверхности входа излучения призмы 1 внутри проекции меньшего основания призмы на большее основание. Ширина призмы d равна ширине выходного отверстия 5 фоклина. Апертурный угол фоклина β равен углу входа излучения в призму при максимальном отклонении солнца от нормали. 3 ил.

Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор на основе парабалоцилиндрических фоклинов (фоконов) с выходными отверстием и фотопреобразователи, отличающийся тем, что в плоскости выходного отверстия фоклина (фокона) установлен оптический элемент в виде призмы внутреннего отражения таким образом, что фокусы фоклина расположены внутри проекции на большем основании призмы ее меньшего основания, на последнем из которых установлены фотопреобразователи.