СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F24J2/06 H02N6/00 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности касается производства фотоэлектрических модулей с концентраторами для солнечных электростанций.

Известен концентратор для солнечного модуля (аналог), содержащий линейную линзу Френеля и цилиндрический отражатель, расположенный за линзой Френеля по ходу солнечных лучей и выполненный с поперечным сечением в виде сочетания параболы, переходящей в эллипс, причем общей оптический фокус системы, где расположен приемник излучения, находится между линзой Френеля и отражателем (см. Kritctman E. M. Two stage lineer Eresnel lenses, Solar energy, 1984, 33, N 1, 35-39).

Недостатком указанного концентратора для солнечного модуля является технологическая сложность изготовления отражателя, имеющего в сечении профиль параболы, переходящей в эллипс. Кроме того, указанный концентратор имеет низкую концентрацию в пределах 1,4-2,3.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из двух симметричных половин, каждая из которых содержит линзу Френеля и цилиндрический отражатель с поперечным профилем, выполненным по гиперболе, имеющей два оптических фокуса в фокусной плоскости, причем один фокус гиперболы совмещен с фокусом линзы Френеля, и другой фокус расположен между линзой и отражателем, и приемник излучения установлен в плоскости симметрии модуля (а.с. СССР, 1028966, Э.В.Тверьянович, Д.С.Стребков и др. "Фокусирующий коллектор солнечной энергии", опубл. 15.07.83 бюлл. 26).

Работает солнечный модуль следующим образом. Солнечное излучение фокусируется линейной линзой Френеля в оптический фокус линзы, который совмещен с оптическим фокусом гиперболы, являющейся поперечным сечением цилиндрического отражателя. Излучение отражателя от цилиндрического отражателя, и по свойствам гиперболы, собирается во втором фокусе, расположенном между отражателем и линзой. Во втором фокусе установлен приемник излучения.

Недостатком известного солнечного модуля для использования его с солнечными элементами является точечный фокус (в поперечном сечении), что создает резкую неравномерность освещенности на поверхности приемника т.к. в точечном фокусе распределение освещенности подчиняется закону статистического распределения Гаусса. Неравномерное освещение солнечных элементов снижает их КПД.

Предложенное изобретение решает следующие технические задачи: создает более равномерное освещение на солнечных элементах, что повышает их КПД.

Для достижения этого результата в солнечном фотоэлектрическом модуле фокусные плоскости обеих половин модуля расположены за плоскостью симметрии модуля по ходу солнечных лучей, и приемник излучения состоит из солнечных элементов с двухсторонней фоточувствительностью.

Признаки, отличающие предложенное техническое решение от наиболее близкого известного решения по а.с. 1028966, заключаются в следующем.

Фокусные плоскости каждой половины модуля, где расположены фокусы соответствующих гипербол цилиндрического отражателя и фокусы соответствующих половин линз Френеля не совмещены с плоскостью симметрии, как в прототипе, а вынесены за плоскость симметрии по ходу солнечных лучей. Это позволяет усреднить освещенность приемника излучения, установленного в плоскости симметрии модуля. В качестве приемника излучения используются солнечные элементы с двухсторонней чувствительностью.

На чертеже представлено поперечное сечение фотоэлектрического модуля в рабочем положении и схема полхождения лучей через него.

Солнечный фотоэлектрический модуль, состоящий из двух симметричных половин 1 и 2, каждая из которых содержит линейную линзу Френеля 3(4) и цилиндрический отражатель 5(6) с поперечным профилем выполненным по гиперболе, имеющей два оптических фокуса F₁(F₂ ¹) и F₁ ¹(F₂) в фокусной плоскости 7(8), причем один фокус F₁(F₁ ¹) совмещен с фокусом F₁(F₁ ¹) линзы Френеля 3(4), и другой фокус F₂(F₂ ¹) расположены между линзой 3(4) и отражателем 5(6) и приемник излучения 9 установлен в плоскости 10 симметрии модуля.

Фокусные плоскости 7(8) обеих половин 1 и 2 модуля расположены за плоскостью 10 симметрии модуля по ходу солнечных лучей и приемник 9 излучения состоит из солнечных элементов с двухсторонней фоточувствительностью.

Кроме того, на чертеже изображено: ширина поперечного сечения линейной линзы Френеля D, глубина прогиба цилиндрического отражателя h, площадка на плоскости симметрии освещаемая концентрированным солнечным излучением AB.

Работает модуль следующим образом. Солнечное излучение (изображено в виде стрелы на чертеже) попадает на каждую половину 1 и 2 модуля, проходит через соответствующую часть линейной линзы Френеля 3(4) и фокусируется в соответствующий свой оптический фокус F₁(F₁ ¹). На пути солнечных лучей стоит цилиндрический отражатель 5(6), поперечное сечение которого выполнено по профилю гиперболы, имеющей по два оптических фокуса F₁(F₁ ¹ и F₂(F₂ ¹), расположенных в фокусной плоскости 7(8), причем фокусы линзы F₁(F₁ ¹) являются общими для соответствующей гиперболы и соответствующей половины линзы Френеля 3(4).

По геометрическим свойствам гиперболы, солнечные лучи отражаются от цилиндрических отражателей 5(6) и направляются во вторые фокусы гиперболы F₂(F₂ ¹), расположенные между половинками соответствующих линз Френеля 3(4) и отражателями 5(6).

Поскольку фокусные плоскости 7(8) вынесены за пределы плоскости 10 симметрии модуля, то на приемнике 9 излучения солнечные лучи не собираются в точечный (в поперечном сечении) фокус, а освещают с двух сторон некоторую площадку AB, где установлен приемник 9 излучения, состоящий из солнечных элементов с двухсторонней фоточувствительностью. Солнечные элементы 9 вырабатывают электрический ток, направляемый потребителю электроэнергии. Таким образом, солнечное излучение, собранное с каждой половины 1 и 2 модуля, освещает площадку AB, где распределение энергии значительно более равномерное, чем в точечном фокусе, что повышает эффективность работы солнечных элементов 9.

Например, для линейной линзы Френеля размером 350 мм, глубины прогиба цилиндрического отражателя 105 мм, расстояниях l₁=l₂=25 мм, площадка AB, освещаемая концентрированными солнечными лучами, составляет 50 мм, соответственно средняя концентрация равна К_ф=350\50=7, а с учетом статистического распределения по Гауссу, максимальная концентрация соответствует 14, что обеспечивает высокоэффективную работу солнечных элементов с двухсторонней чувствительностью.

В случае использования модуля, выполненного по прототипу, солнечное излучение соберется на площадку AB шириной 10 мм, что создаст среднюю концентрацию по площадке К_ср=350/10=35, а с учетом статистического распределения освещенности площадки, пик освещенности составит концентрацию 70. Такой большой перепад освещенности ухудшит работу СЭ и снизит их КПД.

Изобретение относится к разделу гелиотехнике, в частности касается создания фотоэлектрических установок с концентраторами солнечного излучения. Изобретение создает более равномерное освещение на солнечных элементах, что повышает КПД. Солнечный фотоэлектрический модуль состоит из двух симметричных половин 1,2, каждая из которых содержит линейную линзу Френеля 3,4 и цилиндрический отражатель 5,6 с поперечным профилем, выполненным по гиперболе, имеющей два оптических фокуса в фокусной плоскости 7,8, причем один фокус гиперболы совмещен с фокусом линзы Френеля и другой фокус расположен между линзой 3,4 и отражателем 5,6 и приемник излучения 9 установлен в плоскости симметрии модуля, при этом фокусные плоскости обеих половин модуля расположены за плоскостью симметрии модуля по ходу солнечных лучей и приемник излучения состоит из солнечных элементов с двусторонней фоточувствительностью. 1 ил.

Солнечный фотоэлектрический модуль, состоящий из двух симметричных половин, каждая из которых содержит линейную линзу Френеля и цилиндрический отражатель с поперечным профилем, выполненным по гиперболе, имеющей два оптических фокуса в фокусной плоскости, причем один фокус гиперболы совмещен с фокусом линзы Френеля и другой фокус расположен между линзой и отражателем, приемник излучения установлен в плоскости симметрии модуля, отличающийся тем, что фокусные плоскости обеих половин модуля расположены за плоскостью симметрии модуля по ходу солнечных лучей и приемник излучения состоит из солнечных элементов с двусторонней фоточувствительностью.