СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F24J2/42 

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

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, выполненным в виде призмы полного внутреннего отражения (D.R. Mils, I.E. Giutronich. Ideal Prisin 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 но 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 но 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 солнечной энергетической установке, содержащей скоммутированные фотопреобразователи и основной плоский зеркальный отражатель, на который падает излучение, установленный под некоторым углом к плоскости фотопреобразователей, со стороны солнечного излучения установлен дополнительный плоский зеркальный отражатель, образующий острый угол с плоскостью основного зеркального отражателя. Над плоскостью дополнительного зеркального отражателя однонаправлено с острым двухгранным углом установлены половинки параболоцилиндрических отражателей таким образом, что ближайший к дополнительному плоскому зеркальному отражателю край каждой половинки параболоцилиндрического отражателя находится по ходу лучей под удаленным от дополнительного плоского зеркального отражателя краем соседней половинки параболоцилиндрического отражателя.

Фокальная область каждой половинки параболоцилиндрического отражателя расположена в плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя, причем в месте размещения каждой фокальной области дополнительный плоский зеркальный отражатель имеет окна, прозрачные для излучения, ширина которых соизмерима с размером фокальной области.

Для обеспечения слежения за солнцем в солнечной энергетической установке половинки параболоцилиндрических отражателей имеют оси вращения, совпадающие с фокальными осями и обитую систему поворота.

Для увеличения КПД солнечной энергетической установки прозрачные окна в дополнительном плоском зеркальном отражателе выполнены в виде воздушных промежутков.

Для уменьшения потерь солнечной энергии, которое вызвано выходом солнечных лучей из пространства между основным и дополнительным плоскими зеркальными отражателями через окна в дополнительном зеркальном отражателе, края каждой части дополнительного плоского зеркального отражателя, расположенной между соседними окнами, изогнуты таким образом, что каждый край, удаленный от вершины острого двухгранного угла, отклонен на 1-5^o по отношению к плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя в сторону основного плоского зеркального отражателя, а каждый край, приближенный к вершине острого двухгранного угла, отклонен на 1-5^o по отношению к плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя в сторону, противоположную основному зеркальному отражателю.

Для увеличения коэффициента концентрации солнечной энергетической установки плоскости частей дополнительного зеркального отражателя, располагающихся между соседними прозрачными окнами, повернуты под углом 0,1-4^o но отношению к плоскости окон дополнительного плоского зеркального отражателя, таким образом, что каждый край части дополнительного плоского зеркального отражателя, удаленный от вершины острого двухгранного угла, находится ближе к основному плоскому зеркальному отражателю, чем край этой же части, приближенный к вершине острого двухгранного угла.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4.

На фиг. 1 представлен общий вид солнечной энергетической установки (поперечное сечение) и ход лучей в нем.

На фиг. 2 - солнечная энергетическая установка с направлением солнечных лучей, отличном от нормального.

На фиг. 3 - солнечная энергетическая установка, в которой края каждой части дополнительного плоского зеркального отражателя, расположенные между соседними окнами, изогнуты таким образом, что каждый край, удаленный от вершины острого двухгранного угла, отклонен на 1-5^o по отношению к плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя в сторону основного плоского зеркального отражателя, а, каждый край, приближенный к вершине острого двухгранного угла, отклонен на 1-5^o по отношению к плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя в сторону, противоположную основному зеркальному отражателю.

На фиг. 4 - солнечная энергетическая установка, в которой плоскости частей дополнительного плоского зеркального отражателя, расположенные между соседними окнами, установлены под углом 0,1-4^o по отношению к плоскости окон дополнительного плоского зеркального отражателя.

Условные обозначения:
1 - основной плоский зеркальный отражатель;
2 - половинки параболоцилиндрических отражателей;
3 - система поворота половинок параболоцилиндрических отражателей для ориентации за солнцем;
4 - прозрачные окна в дополнительном плоском зеркальном отражателе, расположенные в зоне фокальных областей половинок параболоцилиндрических отражателей;
5 - дополнительный плоский зеркальный отражатель;
6 - фотоэлектрические преобразователи.

Вершина двухгранного угла ϕ - это прямая, образованная пересечением плоскостей основного плоского зеркального отражателя 1 и дополнительного зеркального отражателя 5, образующих двухгранный угол ϕ. Края половинок 2 параболоцилиндрических отражателей, которые удалены от дополнительного плоского зеркального отражателя 5, и края, которые являются ближайшими к поверхности дополнительного зеркального отражателя, являются прямыми линиями, которые параллельны фокальной области 4 и вершине острого двухгранного угла ϕ.
Установка, работает следующим образом (фиг. 1 и 2):
Солнечное излучение (луч 1), отражаясь от половинки параболического отражателя 2, попадает на фотопреобразователи 6 через фокус 4.

Луч 2 попадает на фотопреобразователи 6 после отражения от половинки параболоцилиндрического отражателя 2 и основного плоского зеркального отражателя 1.

Луч 3 поступает на фотопреобразователи после отражения от половинки параболоцилиндрического отражателя 2 основного плоского зеркального отражателя 1 и дополнительного плоского зеркального отражателя 5.

При многократном отражении лучей от стенок плоских зеркальных отражателей 1 и 5 происходит изменение угла падения этих лучей в соответствии с формулой.

β_k= β_o+kϕ,
где β_k - угол падения при к-ом отражении;
β_o - угол входа лучей (угол между нормалью к плоскости отражателя 5 и направлением луча);
ϕ - острый двухгранный угол между плоскими зеркальными отражателями 1 и 5.

Таким образом, все лучи, попавшие во внутреннее пространство между зеркальными отражателями 1 и 5, выпрямляются и приходят к фотопреобразователю 6 под углом близким к 90^o.

В фиг. 3 луч 1, отражаясь от основного плоского зеркального отражателя 1, не уходит через прозрачные окна 4, сделанные в зоне фокальных областей половинок параболоцилиндрических отражателей 2, из пространства между зеркальными отражателями 1 и 5 за счет того, что края каждой части дополнительного плоского зеркального отражателя 5, расположенные между соседними окнами 4, изогнуты таким образом, что каждый край, удаленный от вершины острого двухгранного угла, отклонен на 1-5^o по отношению к плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя 5 в сторону основного плоского зеркального отражателя 1, а каждый край, приближенный к вершине острого двухгранного угла, отклонен на 1-5^o по отношению к плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя 5 в сторону, противоположную основному зеркальному отражателю 1.

В фиг. 4 луч 1, отражаясь от основного отражателя 1, не уходит через прозрачные окна 4 из пространства между зеркальными отражателями 1 и 5 за счет поворота плоскости частей дополнительного зеркального отражателя 5, расположенных между соседними окнами 4 на 0,1-4^o но отношению к плоскости прозрачных окон 4, таким образом, что край каждой части дополнительного плоского зеркального отражателя 5, удаленный от вершины острого двухгранного угла, находится ближе к основному плоскому зеркальному отражателю 1, чем край этой же части, приближенный к вершине острого двухгранного угла.

При солнечной ориентации установки для слежения за склонением Солнца необходимо поворачивать половинки параболоцилиндрических отражателей 2 на 1^o через 3,5 дня.

Пример конструктивного выполнения солнечной энергетической установки.

Длина солнечной энергетической установки - 2,4 м, ширина - 1,2 м, размеры половинок параболоцилиндрических отражателей 2 - 0,5 х 1,2 м, параметрический угол - ± 24^o, угол между плоскими зеркальными отражателями 1 и 5 -ϕ = 8^o, размеры фокальной области 4 - 0,05 х 1,2 м, расстояние между фокальными осями - 0,225 м, размеры скоммутированных фотопреобразователей - 0,4 х 1 м, геометрическая концентрация:
K_геом = arcctg ϕ = arcctg 8^o = 7,1
Угол отклонения половинок параболических отражателей - 48^o, угол наклона плоскости дополнительного зеркального отражателя 5 при солнечной ориентации к поверхности горизонта равен широте местности минус 10^o. Для условий Москвы этот угол составляет 46^o.

Электрическая мощность солнечной энергетической установки при общем оптическом КПД отражателей 0,8 и КПД фотопреобразователей 12% составляет 280 Вт.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами для получения тепла и электроэнергии. В солнечной энергетической установке, содержащей скоммутированные фотопреобразователи и основной плоский зеркальный отражатель, на который падает излучение, установленный под некоторым углом к плоскости фотопреобразователей, со стороны излучения установлен дополнительный плоский зеркальный отражатель, образующий острый угол с плоскостью основного зеркального отражателя. Над плоскостью дополнительного зеркального отражателя, однонаправленно с острым двухгранным углом, установлены половинки параболоцилиндрических отражателей, таким образом, что ближайший к дополнительному плоскому зеркальному отражателю край каждой половинки параболоцилиндрического отражателя находится по ходу лучей под удаленным краем соседней половинки параболоцилиндрического отражателя. Фокальная область каждого параболоцилиндрического отражателя установлена в плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя, причем в месте размещения каждой фокальной области дополнительный плоский зеркальный отражатель имеет окна, прозрачные для излучения, ширина которых соизмерима с размером фокальной области. Технический результат: в результате использования предлагаемого изобретения повышается коэффициент концентрации энергии, снижается масса установки и ее стоимость. 1 с. и 4 з. п.ф-лы. 4 ил.

1. Солнечная энергетическая установка, содержащая скоммутированные фотопреобразователи и основной плоский зеркальный отражатель, на который падает излучение, установленный под некоторым углом к плоскости фотопреобразователей, отличающаяся тем, что со стороны солнечного излучения установлен дополнительный плоский зеркальный отражатель, образующий острый угол с плоскостью основного плоского зеркального отражателя, над плоскостью дополнительного зеркального отражателя, однонаправленно с острым двухгранным углом, установлены половинки параболоцилиндрических отражателей таким образом, что ближайший к дополнительному плоскому зеркальному отражателю край каждой половинки параболоцилиндрического отражателя находится по ходу лучей под удаленным от дополнительного плоского зеркального отражателя краем соседней половинки параболоцилиндрического отражателя, фокальная область каждого параболоцилиндрического отражателя расположена в плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя, причем в месте размещения каждой фокальной области дополнительный плоский зеркальный отражатель имеет окна, прозрачные для излучения, ширина которых соизмерима с размером фокальной области. 2. Солнечная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что половинки параболоцилиндрических отражателей имеют оси вращения, совпадающие с фокальными осями, и общую систему поворота для слежения за солнцем. 3. Солнечная энергетическая установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что окна в дополнительном плоском зеркальном отражателе выполнены в виде воздушных промежутков. 4. Солнечная энергетическая установка по пп.1, 2 и 3, отличающаяся тем, что края каждой части дополнительного плоского зеркального отражателя, расположенной между соседними окнами, изогнуты таким образом, что каждый край, удаленный от вершины острого двухгранного угла, отклонен на 1 - 5^o по отношению к плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя в сторону основного плоского зеркального отражателя, а каждый край, приближенный к вершине острого двухгранного угла, отклонен на 1 - 5^o по отношению к плоскости дополнительного плоского зеркального отражателя в сторону, противоположную основному зеркальному отражателю. 5. Солнечная энергетическая установка по пп.1, 2 и 3, отличающаяся тем, что плоскости частей дополнительного зеркального отражателя, располагающихся между соседними прозрачными окнами, повернуты под углом 0,1 - 4^o по отношению к плоскости окон дополнительного плоского зеркального отражателя, таким образом, что каждый край части дополнительного плоского зеркального отражателя, удаленный от вершины острого двухгранного угла, находится ближе к основному плоскому зеркальному отражателю, чем край этой же части, приближенный к вершине острого двухгранного угла.