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

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами для получения тепла и электроэнергии.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратом, выполненным в виде призмы полного внутреннего отражения (D.R.Mils, I. E.Giutronich. Ideal Prism Solar Concentrators. Solar Energy, vol. 21, 1978, стр. 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 α_o равен 28^o, а коэффициент концентрации K=1/sin α_o= 2,13. Другим недостатком данного конструктивного решения является большая масса призмы полного внутреннего отражения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция фотоэлектрического модуля с плоским зеркальным отражателем (M.Ronnelid et al. Booster Reflektors for Photovolteuc modules at high altitude. Nortk Sun Int. Conf. Proc. 1997. Finland. p.555). Зеркальный отражатель усиливает поток солнечного излучения на фотопреобразователь пропорционально коэффициенту концентрации, который равен 1,5 - 2,0.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение концентрации солнечной энергии, снижение массы модуля и снижение его стоимости.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается коэффициент концентрации энергии, снижается масса модуля и его стоимость.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем скоммутированные фотопреобразователи и установленный с одной стороны зеркальный отражатель, с противоположной стороны фотопреобразователей установлено прозрачное ограждение, например из стекла или пластмассы, образующее острый двугранный угол с плоскостью зеркального отражателя, а угол входа (падения) солнечного излучения на прозрачное ограждение β и двугранный угол ϕ между прозрачным ограждением и зеркальным отражателем связаны соотношением β+2ϕ = ψ₁, где ψ₁= 80 - 90^o.

Для снижения потерь солнечного излучения на отражение при больших углах падения β прозрачное ограждение имеет микронеровности со стороны, на которую падает излучение, и полированную поверхность с противоположной стороны.

Для еще большего увеличения концентрации солнечного излучения между фотопреобразователями и зеркальным отражателем с прозрачным покрытием установлены дополнительные концентраторы, например из фоклинов (фоконов) или линз Френеля.

Для поворота солнечных лучей под углом β к плоскости прозрачного ограждения над прозрачным ограждением установлено оптическое устройство в виде поворотных жалюзи из миниатюрных зеркал, которые наклонены к прозрачному ограждению под углом соответствующим углу входа солнечного излучения β = 50 - 80^o.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 - 5.

На фиг. 1 представлен общий вид солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором (поперечное сечение) и ход лучей в нем.

На фиг. 2 - конструкция фотоэлектрического модуля с микронеровностями на рабочей поверхности прозрачного ограждения.

На фиг. 3 - солнечный фотоэлектрический модуль с дополнительными концентраторами в виде фоклина.

На фиг. 4 - солнечный фотоэлектрический модуль с дополнительными концентраторами в виде линз Френеля.

На фиг. 5 - фотоэлектрический модуль с оптическим устройством в виде поворотных жалюзи из миниатюрных зеркал.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит фотопреобразователи 1, зеркальный отражатель 2 и прозрачное ограждение 3 из стекла или пластмассы. Открытый двугранный угол между зеркальным отражателем 2 и прозрачным ограждением 3 равен ϕ. Угол входа (падения) солнечного излучения на рабочую поверхность 4 прозрачного ограждения есть угол β между лучом и вектором перпендикулярным к поверхности, на которую падает излучение.

В общем случае для луча, распространяющегося вдоль оптического клина из двух зеркал, угол падения ψ_n после n-го отражения равен ψ_n= β+2nϕ, где ψ_n≤ 90^°. В предлагаемом фотоэлектрическом модуле с концентратором луч отражается от зеркального отражателя 2 под углом ϕ+β и падает на внутреннюю сторону 5 прозрачного ограждения 3 под углом ψ₁= β+2ϕ, так как количество отражений n=1.

Коэффициент отражения излучения от прозрачного ограждения зависит от угла падения, при угле падения от 80 до 90^o коэффициент отражения увеличивается от 4 до 100%. Поэтому принимаем 80^°≤ β+2ϕ ≤ 90^°.
Для снижения потерь излучения на отражение от рабочей поверхности 4 прозрачного ограждения 3 она содержит микронеровности 6 (фиг. 2), а для повышения коэффициента отражения тыльная поверхность 5 прозрачного ограждения 3 отполирована.

Для повышения концентрации солнечной энергии на фотопреобразователях 1 установлен дополнительный концентратор в виде фоклина 7 (фиг. 3) или линзы Френеля 8 (фиг. 4).

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором согласно фиг. 5 имеет на рабочей поверхности 4 прозрачного ограждения 3 оптическое устройство 9 в виде жалюзи 10 из миниатюрных зеркал 11, которые наклонены к прозрачному ограждению под углом α.
Фотопреобразователи 1 имеют воздушное и (или) водяное охлаждение 12. Горячий воздух и(или) горячая вода используются для отопления и горячего водоснабжения.

Пример конструктивного выполнения фотоэлектрического модуля.

Площадь прозрачного ограждения 3 равна 2 м² и площадь зеркального отражателя 2 составляет 2 м², угол между ними выбираем 11,3^o, угол входа солнечного излучения β = 65^°, коэффициент концентрации K=ctg11,3^o=5,0. Прозрачное ограждение 3 и зеркальный отражатель 2 выполнены из закаленного стекла с низким содержанием железа. Отражающий слой выполнен из серебра с последующим покрытием слоем меди и двумя слоями герметика. Дополнительный концентратор фоклин 7 с параметрическим углом 24^o имеет коэффициент концентрации K= 1/sin24=2,46.

Общий коэффициент концентрации K_общ=2,46 • 5,0=12,3. Если солнечное излучение поступает по нормали к плоскости прозрачного покрытия, то оптическое устройство поворачивает солнечное излучениe с β = 0^o до β = 65^o. Оптическое устройство 9 в виде поворотных жалюзи 10 из миниатюрных зеркал 11 имеет размеры зеркал 30х1000х3мм, угол наклона зеркала 11 α = 57,5^o. Угол выхода излучения на прозрачное ограждение 3 β = 65^o.

Размеры фотопреобразователей 1 100х1000 мм без использования дополнительного концентратора и 400х1000 мм при использовании дополнительного концентратора в виде фоклина 7 с параметрическим углом 24^o. Размеры входного отверстия фоклина 100х1000 мм, выходного отверстия 40х1000 мм.

Предлагаемый солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором работает следующим образом. Солнечное излучение попадает на рабочую поверхность 4 прозрачного ограждения 3 под углом β, отражается от зеркального отражателя 2 под углом β+ϕ и поступает к тыльной стороне 5 прозрачного ограждения 3 под углом β+2ϕ, угол ϕ выбирают таким образом, чтобы β+2ϕ = 85^°, при этом излучение отражается к фотопреобразователю 1. Когда солнце низко над горизонтом, угол β большой (β = 70 - 80^o), потери на отражение уменьшаются при использовании микронеровностей 6 на прозрачном ограждении 3.

Когда солнечное излучение поступает на прозрачное ограждение 3 под углом, близким к нормальному к поверхности (угол β мал), оптическое устройство 9 поворачивает излучение в сторону фотопреобразователей 1, при этом угол входа излучения β возрастает, угол ϕ уменьшается в соответствии с соотношением ϕ = (80^°-β)/2 и коэффициент концентрации K=ctg ϕ возрастает. Дальнейшее увеличение концентрации происходит, когда излучение попадает на дополнительный концентратор 7.

Предлагаемое устройство может быть использовано в тепловых установках для получения высокотемпературной теплоты, горячей воды и пара высокого давления, в этом случае фотопреобразователи могут отсутствовать, а на их месте устанавливают солнечный коллектор c селективным покрытием.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором прост в изготовлении, имеет малую массу, высокую оптическую эффективность и низкую стоимость. Высокий коэффициент концентрации позволяет получить дешевую электрическую энергию, теплоту и горячую воду.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами для получения тепла и электроэнергии. В результате использования предлагаемого изобретения повышается коэффициент концентрации энергии, снижается масса модуля и его стоимость. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем скоммутированные фотопреобразователи 1 и установленный с одной стороны зеркальный отражатель 2, с противоположной стороны фотопреобразователей 1 установлено прозрачное ограждение 3, например из стекла или пластмассы, образующее острый двугранный угол с плоскостью зеркального отражателя 2, а угол β входа (падения) солнечного излучения на прозрачное ограждение 3 и двугранный угол ϕ между прозрачным ограждением 3 и зеркальным отражателем 2 связаны соотношением β+2ϕ = ψ₁, где ψ₁= 80-90°. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий скоммутированные фотопреобразователи и зеркальный отражатель, установленный с одной стороны под некоторым углом к плоскости фотопреобразователя, отличающийся тем, что с противоположной стороны фотопреобразователей установлено прозрачное ограждение, например, из стекла или пластмассы, образующее двугранный угол с плоскостью зеркального отражателя, а угол падения солнечного излучения на прозрачное ограждение β и двугранный угол ϕ между прозрачным ограждением и зеркальным отражателем связаны соотношением β+2ϕ = ψ₁ где ψ₁ = 80 - 90^o. 2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что прозрачное ограждение имеет микронеровности со стороны, на которую падает излучение, а противоположная сторона отполирована. 3. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между фотопреобразователями и зеркальным отражателем с прозрачным ограждением установлены дополнительные концентраторы в виде фоклинов (фоконов) или линз Френеля. 4. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.3, отличающийся тем, что на прозрачном ограждении со стороны, на которую падает излучение, установлено оптическое устройство для поворота солнечных лучей, которое выполнено в виде поворотных жалюзи из миниатюрных зеркал, которые наклонены к прозрачному ограждению под углом, соответствующим углу входа солнечного излучения β = 50 - 80^o.