СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ 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.Е. 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 α₀ равен 28^o, а коэффициент концентрации K = l/sinα₀ = 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 (М. Ronnelid et al. Booster Reflectors for Photovoltaic 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 с концентратором, содержащем скоммутированные фотопреобразователи и зеркальные отражатели, на которые падает излучение, установленные под некоторым углом к плоскости фотопреобразователя, со стороны солнечного излучения установлено ограждение, выполненное из чередующихся участков из прозрачного материала и материала с зеркальным покрытием на внутренней поверхности ограждения, образующее острый двугранный угол ϕ с плоскостью зеркального отражателя, а площадь участка ограждения с зеркальным покрытием связаны с площадью предыдущего участка ограждения из прозрачного материала соотношением

S_зерк - площадь участка ограждения с зеркальным покрытием и отсчитывается от вершины двугранного угла;
S_прозр - площадь предыдущего участка ограждения из прозрачного материала;
ϕ - острый двугранный угол между зеркальным отражателем и ограждением;
β₀ - угол падения солнечного излучения на ограждение.

В одном из вариантов конструкции солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором участки ограждения с отражающим покрытием установлены в одной плоскости с участками из прозрачного материала, а угол β₀ падения солнечного излучения на прозрачное ограждение и двугранный угол ϕ между ограждением и зеркальным отражателем связаны соотношением
β₀+kϕ = ψ₁ где ψ₁= 80-90^°,
где k изменяется от 1 до 4.

Для увеличения коэффициента концентрации и снижения материалоемкости модуля участки переотражения зеркального отражателя, на которые подается излучение, проходящее через участки из прозрачного материала, ограждения наклонены к плоскости ограждения под углом ϕ₁> ϕ, а границы участков переотражения соединены плоскими зеркальными промежуточными отражателями, угол наклона которых к плоскости ограждения ϕ₂< ϕ, а углы β₀,ϕ₁,ϕ₂, связаны соотношением
β₀+2ϕ₁+2ϕ₂= ψ₁ где ψ₁= 80-90^°.

Для дальнейшего увеличения концентрации солнечного излучения и эффективности модуля участки с зеркальным покрытием ограждения наклонены к плоскости ограждения под углом ϕ₃ > ϕ, а углы β₀,ϕ₁,ϕ₂ и ϕ₃ связаны соотношением
β₀+2ϕ₁+2ϕ₃+ϕ₂+ϕ = 90^°.

В другой модификации фотоэлектрического модуля с концентратором плоскости зеркальных промежуточных отражателей наклонены к плоскости участка с прозрачным покрытием ограждения под углом ϕ, а углы β₀,ϕ,ϕ₁ и ϕ₃ связаны соотношением
β₀+2ϕ₁+2ϕ₃+2ϕ = 90^°.

Для снижения потери излучения в модуле над участком ограждения с зеркальным покрытием установлены дополнительные зеркальные отражатели, переотражающие солнечные излучения на участке ограждения из прозрачного материала.

Дополнительные зеркальные отражатели выполнены из плоских отражателей, установленные под углом β_Зерк к нормали к плоскости ограждения, а угол β₀,β_Зерк и площади участков с зеркальным покрытием S_зерк и площадь следующего по ходу лучей участка из прозрачного материала связаны соотношением

β - угол между отраженным от дополнительного зеркального отражателя лучом и нормалью к плоскости ограждения.

В другом варианте указанные дополнительные зеркальные отражатели выполнены в виде половинок фоклина с параметрическим углом 15-35^o, а площадь проекции каждого из которых по ходу солнечных лучей равна площади соответствующего участка ограждения с зеркальным покрытием, а площадь поверхности выхода лучей равна или меньше (или не превышает) площади участка ограждения из прозрачного материала.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1 - 4.

На фиг. 1 представлен общий вид солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором с двугранным углом ϕ (поперечное сечение) и ход лучей в нем для четырех переотражений К = 4.

На фиг. 2 - конструкция фотоэлектрического модуля с участками переотражения и промежуточными зеркальными отражателями, углы наклона которых к плоскости ограждения отличны от двухгранного угла ϕ.
На фиг. 3 - конструкция фотоэлектрического модуля с концентратором, в котором плоскости участков ограждения с зеркальным покрытием, участков переотражения и промежуточных зеркальных отражателей наклонены к плоскости участков ограждения из прозрачного материала под углом, отличным от двугранного угла ϕ.
На фиг. 4 - конструкция фотоэлектрического модуля с концентратором, в котором плоскости участков ограждения с зеркальным покрытием и участков переотражения наклонены к плоскости участков ограждения из прозрачного материала под углом, отличным от двухгранного угла ϕ, а над участками ограждения с зеркальным покрытием установлены дополнительные зеркальные отражатели.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит фотопреобразователи 1, зеркальный отражатель 2 и ограждение 3 (фиг. 1). Острый двугранный угол между зеркальным отражателем 2 и ограждением 3 равен ϕ. Угол входа (падения) солнечного излучения на рабочую поверхность 4 участка 5 из прозрачного материала ограждения 3 есть угол β₀ 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 β₀ после n-го отражения равен β_n= β+nϕ, где β_n≤ 90^o. В предлагаемом фотоэлектрическом модуле с концентратором луч отражается от участка переотражения 6 зеркального отражения 2 под углом β₁= β₀+ϕ и попадает на участок 7 с зеркальным покрытием ограждения 3 под углом β₂= β₀+2ϕ.
После переотражения от участка 7 с зеркальным покрытием излучение попадает на промежуточный участок 8 зеркального отражателя 2 под углом β₃= β₀+3ϕ и снова отражается к поверхности ограждения 3 под углом β₄= β₀+4ϕ.
Коэффициент отражения излучения от прозрачного ограждения зависит от угла падения, при угле падения от 80^o до 90^o коэффициент отражения увеличивается от 4 до 100%. Поэтому принимаем 80^°≤ β₀+4ϕ ≤ 90^°.
Площадь S₇ участка 7 с зеркальным покрытием ограждения 3 при однократном отражении от него связана с площадью S₅ предыдущего участка 5 с прозрачным покрытием соотношением

Скоммутированные фотопреобразователи 1 с двусторонней поверхностью установлены вместо зеркала параллельно рабочей поверхности 4 и к плоскости ограждения 3 в начале одного из участков с зеркальным покрытием. Зеркальный отражатель 2 напротив фотопреобразователя 1 имеет два участка 9 и 10, на одном из которых (участок 9) плоскость зеркального отражателя параллельна плоскости фотопреобразователя 1, а на другом (участок 10) - наклонена под углом к плоскости фотопреобразователя 1. Такое расположение фотопреобразователей и зеркального отражателя увеличивает коэффициент концентрации модуля.

В солнечном фотоэлектрическом модуле на фиг.2 участки переотражения и зеркального отражателя 2 наклонены к плоскости ограждения 3 под углом ϕ₁> ϕ. Границы 11 участков переотражения 6 соединены плоскими промежуточными зеркальными отражателями 12, угол ϕ₂ наклона которых к плоскости ограждения 3 меньше угла ϕ, а углы β_o, ϕ₁, ϕ₂ связаны соотношением
β₀+2ϕ₁+2ϕ₂= ψ где ψ₁= 80-90^°.

Фотопреобразователи 1 установлены под некоторым углом к поверхности ограждения 3 в конце последнего участка 5 с прозрачным покрытием.

В солнечном фотоэлектрическом модуле на фиг.2 над участками 7 с зеркальным покрытием ограждения 3 установлены плоские отражатели 13 под углом β_Зерк к нормали к плоскости ограждения, отражающие излучение на участок 5 из прозрачного материала под углом β > β₀, причем угол β₀ и β_зерк и площадь участка 7 с зеркальным покрытием и участка 5 из прозрачного материала связаны соотношением

В солнечном фотоэлектрическом модуле на фиг.3 участки 7 с зеркальным покрытием ограждения 3 наклонены к плоскости участков 5 с прозрачным ограждением под углом ϕ₃> ϕ, а углы β₀,ϕ₁,ϕ₂ и ϕ₃ связаны соотношением
β₀+2ϕ₁+2ϕ₃+ϕ₂+4 = 90^°.

В конструкции солнечного фотоэлектрического модуля на фиг.4 плоскости зеркальных промежуточных отражателей 8 зеркального отражателя наклонены к плоскости участка 5 из прозрачного материала ограждения 3 под углом ϕ, а углы β₀,ϕ,ϕ₁ и ϕ₃ связаны соотношением
β₀+2ϕ₁+2ϕ₃+2ϕ = 90^°.

Над участками 7 с зеркальным покрытием установлены и виде одной половины фоклина отражатели, фокальная область 14 которых находится в конце каждого участка 5 ограждения 3. Поверхность выхода лучей из каждого фоклина находится на прилегающем участке 5 ограждения 3. Площадь проекции каждой половины фоклина но ходу лучей на ограждение 3 равна площади соответствующего участка 7 с зеркальным покрытием.

Пример конструктивного выполнения фотоэлектрического модуля. Угол солнечного излучения β₀ = 30^o (фиг. 1). Длина модуля 2,45 м, ширина модуля 1 м, острый двугранный угол ϕ = 14^o, размеры скоммутированных фотопреобразователей 0,5 м х 10 м. Фотопреобразователи с двухсторонней чувствительностью установлены в начале третьего участка с зеркальным покрытием. Площадь двух участков с зеркальным покрытием составляет 0,2 м² и 0,52 м², площади трех участков с прозрачным покрытием 0,12 м², 0,35 м² и 0,8 м², площадь фотопреобразователя 1 м². Площадь участков с зеркальным покрытием составляет т.е. 2.9% от площади модуля. Геометрический коэффициент концентрации равен c учетом косинусных потерь составляет 4,9•cos30^o = 4,24, с учетом затенения первым и вторым участками с зеркальным покрытием составляет 4,24•0,61 = 2,59.

Фактический коэффициент концентрации с учетом потерь на отражение от участков с зеркальным покрытием 20% и потерь на пропускание на участке с прозрачным покрытием 10% составит при отсутствии потерь на затенение 4,24•0,8•0,9 = 3,05 и 2,59•0,8•0,9 = 1,86 при наличии потерь на затенение при отсутствии дополнительных зеркальных отражателей 13. Для угла β хода β₀ = 30^o и угла падения луча, отраженного от дополнительного отраженного луча 78^o, угол между плоскостью зеркального отражателя 13 и нормалью к плоскости ограждения 3 равен

Геометрический коэффициент концентрации для солнечного фотоэлектрического модуля без учета затенения участками с зеркальным покрытием составляет
К_геом = arcctg ϕ.

Для модуля на фиг.1
К_геом = arcctg 14^o = 4,0.

Для модуля на фиг.2 и фиг.3
К_геом = arcctg 8^o = 7,1.

Для модуля на фиг. 4
К_геом = arcctg 10^o = 5,67.

Солнечный фотоэлектрический модуль работает следующим образом.

Солнечное излучение (луч 4) на фиг. 1 - 4 поступает через участок 5 с прозрачным покрытием ограждения 3 на зеркальный отражатель 2, затем на участок 7 с зеркальным покрытием ограждения 3, после этого излучение снова поступает на зеркальный отражатель 2 и после отражения от него на ограждение 3. После отражения от ограждения 3 излучение поступает на фотопреобразователи 1.

Для фотоэлектрического модуля на фиг.1 угол β₀ = 30^o, β₁= β₀+ϕ = 44^o, β₂= β₀+2ϕ = 58^o, β₃= β₀+3ϕ = 72^o, β₄= β₀+4ϕ = 86^o. Солнечное излучение попадает на фотопреобразователь непосредственно (луч 1) фиг. 1 - 4, а также после отражения от дополнительного зеркала 13 (луч 2), установленного над вторым участком 7 (фиг.2, 4) с зеркальным покрытием. На тыльную поверхность фотопреобразователя 1 с двухсторонней рабочей поверхностью (фиг. 1) излучение попадает после прохождения через участки 5 с прозрачным покрытием и одного, (луч 3) или нескольких отражений (луч 4), от зеркального отражателя 2 и участков с зеркальным покрытием 7.

В солнечном фотоэлектрическом модуле на фиг.2 солнечное излучение поступает через участок с прозрачным покрытием, отражается от участка переотражения 6 зеркального отражателя 2, поступает на участок с зеркальным покрытием 7 ограждения 3, а затем на зеркальный промежуточный отражатель 8 или на участок переотражения 6 зеркального отражателя 2.

Для луча 5 фиг.2

Для лучей отражающихся от участков переотражения 6

Дополнительные зеркала 13 на фиг. 2 и 4 установлены над участками с зеркальным покрытием ограждения под углом к вертикали

Отраженный луч поступает на участок с прозрачным покрытием под углом 78^o.

В солнечном фотоэлектрическом модуле на фиг.3 солнечное излучение после отражения от участка переотражения 6 под углом β₀+ϕ₁ поступает на участок с зеркальным покрытием 7 ограждения 3 под углом β₂= β₀+ϕ₁+ϕ₂, отражается от участка 7 под углом β₂ и поступает на участки 6 или 8 зеркального отражателя 2 или непосредственно на фотопреобразователи 1.

Для фиг. 3

при попадании луча на промежуточный отражатель 8. На участок 6 данный луч попасть не может, так как в этом случае
β₃= β₀+2ϕ₁+2ϕ₂+ϕ₃= 40^o + 2•15^o + 2•5^o + 15^o = 95^o > 90^o
После второго переотражения лучи движутся параллельно плоскости участка переотражения 6 (для участка 6 β₃ = 90^o), поэтому при выбранных углах β₀,ϕ и ϕ₁ отраженные лучи попадают после второго отражения на промежуточный отражатель или на фотопреобразователи.

Для солнечного фотоэлектрического модуля на фиг.4 при наклоне промежуточных отражателей 8 к плоскости поверхности ограждения 3 равны двухгранному углу ϕ между ограждением β и зеркальным отражателем 2: ϕ₃= ϕ. Поэтому солнечный фотоэлектрический модуль работает аналогично солнечному модулю, показанному на фиг. 2 или фиг. 3, однако углы отражения лучей будут другими.

Для фиг. 4 β₀= 40^° ϕ = 8 ϕ₁= 15 ϕ₃= ϕ = 8^°.

Углы падения и отражения составляют
β₁= 55^° β₂= 75^° β₃= 88^°.

Дополнительные отражатели 13 в виде половинок фоклина снижают потери излучения путем переотражения солнечного излучения с поверхности участков 7 с зеркальным покрытием на участки 5 с прозрачным покрытием. Фоклины имеют параметрический угол 15 - 35^o.

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 с 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 солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем зеркальные отражатели, на которые падает излучение, установленные под некоторым углом к плоскости зеркального отражения, скоммутированные фотопреобразователи, со стороны солнечного излучения установлено ограждение, выполненное из чередующихся участков из прозрачного материала и материала с зеркальным покрытием с внутренней поверхности ограждения, лежащих в одной плоскости и образующих острый двугранный угол ϕ с плоскостью зеркального отражателя. В результате использования изобретения повышается коэффициент концентрации энергии, снижается масса модуля и его стоимость. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий скоммутированные фотопреобразователи и зеркальные отражатели, на которые падает излучение, установленные под некоторым углом к плоскости фотопреобразователя, отличающийся тем, что со стороны солнечного излучения установлено ограждение, выполненное из чередующихся участков из прозрачного материала и материала с зеркальным покрытием на внутренней поверхности ограждения, образующее острый двугранный угол ϕ с плоскостью зеркального отражателя, а площадь участка ограждения с зеркальным покрытием связана с площадью предыдущего участка ограждения из прозрачного материала соотношением:

где β_o - угол падения солнечного излучения на ограждение К = 1, 2, 3, .. . 4. 2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что участки ограждения с отражающим покрытием установлены в одной плоскости с участками из прозрачного материала, а угол β_o падения солнечного излучения на прозрачное ограждение и двугранный угол и между ограждением и зеркальным отражателем связаны соотношением:
β_o + Kϕ = Ψ₁, где Ψ₁ = 80 - 90^°,
а К изменяется от 1 до 4. 3. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 2, отличающийся тем, что участки переотражения зеркального отражателя, на которые падает излучение, проходящие через участки из прозрачного материала ограждения, наклонены к плоскости ограждения под углом ϕ₁ > ϕ, а границы участков переотражения соединены плоскими зеркальными промежуточными отражателями, угол наклона которых к ограждению ϕ₂ < ϕ, а углы β_o, ϕ₁, ϕ₂ связаны соотношением
β_o + 2ϕ₁ + 2ϕ₂ = Ψ₁, где Ψ₁ = 80 - 90^°.
4. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 3, отличающийся тем, что участки с зеркальным покрытием ограждения наклонены к плоскости зеркального отражателя под углом ϕ₃ > ϕ, а углы β_o, ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃ связаны соотношением
β_o + 2ϕ₁ + 2ϕ₃ + ϕ₂ + ϕ = 90^°.
5. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1, 3 и 4, отличающийся тем, что плоскости зеркальных промежуточных отражателей наклонены к плоскости ограждения под углом ϕ, а углы β_o, ϕ₁ и ϕ₃ связаны соотношением:
β_o + 2ϕ₁ + 2ϕ₃ + 2ϕ = 90^°.
6. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 - 5, отличающийся тем, что над участками ограждения с зеркальным покрытием установлены дополнительные зеркальные отражатели, переотражающие солнечное излучение на участки ограждения из прозрачного материала. 7. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 - 6, отличающийся тем, что дополнительные зеркальные отражатели выполнены из плоских отражателей, установлены под углом β_зерк к нормали к плоскости ограждения, а угол β_o и β_зерк, площадь участка с зеркальным покрытием и площадь следующего по ходу лучей участка из прозрачного материала связаны соотношением:


где β = 70 - 80^o - угол между отраженным лучом и нормалью к плоскости ограждения. 8. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 - 6, отличающийся тем, что дополнительные зеркальные отражатели выполнены в виде половинок фоклина с параметрическим углом 15 - 35^oC, а площадь проекции каждого из фоклинов по ходу проекции солнечных лучей равна площади соответствующего участка ограждения с зеркальным покрытием, а площадь выхода лучей не превышает площади участка ограждения из прозрачного материала.