КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК F24J2/12 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к созданию концентраторов солнечного излучения для фотоэлектрических модулей и солнечных станций на их основе.

Известен концентратор солнечного излучения (аналог), выполненный в виде симметричных зеркальных отражающих стенок, которые в поперечном сечении имеют профиль параболы, ориентированной под параметрическим углом к оси симметрии (см. патент США N 3923381 от 2.12.75, нац.кл. 350/293, 126/271, 350/294). Концентраторы, выполненные с вышеперечисленным профилем поперечного сечения, могут иметь ось симметрии и быть выполнены в виде тел вращения (фоконы), или иметь плоскость симметрии и быть выполненными корытообразными (фоклины). Принцип работы таких концентраторов состоит в том, что солнечное излучение, пришедшее на поверхность входа излучения в пределах двойного параметрического угла, пройдет через поверхность выхода излучения, которая меньше поверхности входа. Таким образом подобные концентраторы могут работать в неподвижном состоянии, пока Солнце находится в пределах двойного параметрического угла. Недостатками таких концентраторов при работе их в сочетании с фотоэлектрическими солнечными элементами являются: низкие концентрации, определяемые формулами:
для фоклинов K_фл= 1/sinθ, (1)
для фоконов K_фк= 1/sin²θ, (2)
где θ - параметрический угол. Для реально используемых параметрических углов θ = 15-25^° концентрации K_фл = 3,8 - 2,3, К_фк = 15 - 5,6.

Другим недостатком является большая неравномерность освещенности поверхности выхода излучения, где установлены солнечные элементы, что отрицательно сказывается на их работе, уменьшая КПД преобразования солнечного излучения в электричество (см. Тверьянович Э.В. Экспериментальное исследование оптико-энергетических характеристик фоконов, сб. Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических энергоустановок, Энергоатомиздат, ЦПНТОЭиЭП, 1986, стр. 11-14).

Известен концентратор (прототип) солнечного излучения для фотоэлекрических модулей, состоящий из оптически прозрачного материала и имеющий большую поверхность входа излучения и меньшую поверхность выхода излучения, которые ограничены боковыми симметричными параболическими стенками с отражающими покрытиями (см. патент США N 4029519 от 14.06.77, нац. кл. 126/270, 136/89 РС, 126/271).

Недостатками известного технического решения являются:
Крайняя неравномерность освещенности поверхности выхода в зависимости от текущего значения угла отклонения солнечного излучения от оси симметрии концентратора. При значениях углов отклонения солнечного излучения, близких к параметрическому углу, солнечное излучение фактически собирается в точечный фокус с высокой степенью концентрации (несколько десятков или сотен). Так например, неравномерность освещенности для таких типов концентраторов, определяемая как отношение максимальных плотностей облученности поверхности выхода к минимальным значениям, может составлять 12 и более. Неравномерность освещенности поверхности выхода отрицательно сказывается на работе солнечных фотоэлектрических элементов, снижая их КПД. Поэтому фотоэлектрические модули с подобными концентраторами не используются во всем возможном диапазоне двойного параметрического угла, а используют приблизительно 80% от этого угла, снижая тем самым эксплуатационные возможности.

Такие концентраторы имеют большой вес из-за большого количества оптически прозрачного материала, т.к. вся внутренняя поверхность концентратора заполнена оптически прозрачным материалом, что удорожает их стоимость.

Кроме того, такие концентраторы имеют низкие концентрации, хотя несколько выше, чем у описанных выше пустотелых концентраторов, т.к. в формулах (1, 2) для отклонения Солнца от оси симметрии (прицельного положения) на углы 15 - 25^o, параметрический угол будет уменьшен до угла преломления в оптически прозрачном материале.

Предлагаемое изобретение решает следующие технические задачи: увеличивает равномерность освещенности поверхности выхода излучения, увеличивая тем самым КПД преобразования, увеличивает концентрацию излучения на поверхности выхода, уменьшает массу концентратора за счет меньшего количества оптического материала, необходимого для его изготовления.

Для достижения этого результата боковые симметричные параболические стенки выполнены переменной толщины из оптически прозрачного материала с расширением к поверхности выхода излучения, причем поперечное сечение стенок представляет собой криволинейный клин, образованный параболическими стенками, развернутыми относительно друг друга вокруг вершины клина, причем внутренние стенки являются прозрачными. Концентратор может иметь ось симметрии и может быть выполнен в виде тела вращения. Симметричные боковые стенки выполнены с отражающими покрытиями и могут иметь плоскость симметрии, и концентратор может быть выполнен корытообразным.

Признаки, отличающие от наиболее близкого известного решения по патенту США N 4029519, заключаются в следующем:
Оптически прозрачный материал заполняет не всю внутреннюю полость концентратора, а образует стенки переменной толщины с расширением к поверхности выхода излучения, причем поперечное сечение стенок представляет собой криволинейный клин, образованный параболическими стенками, развернутыми относительно друг друга вокруг вершины клина, при этом внутренние стенки клиньев являются прозрачными для входа излучения. Таким образом, предлагаемый концентратор является пустотелым, что уменьшает массу и стоимость. Концентратор имеет большую поверхность входа излучения и меньшую поверхность выхода излучения.

В оптическом клине излучение многократно переотражается от стенок, что приводит к усреднению освещенности на поверхности выхода, где устанавливаются солнечные элементы, что повышает КПД преобразования солнечного излучения в электричество.

Концентратор может иметь ось симметрии и быть выполнен в виде тела вращения, или концентратор может иметь плоскость симметрии и быть выполнен корытообразным. При оси симметрии значительно возрастает концентрация, при плоскости симметрии концентратор может работать круглый год без слежения за Солнцем, при этом иметь большие концентрации, чем в случае прототипа.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение предлагаемого концентратора и схема прохождения солнечных лучей через него.

Концентратор солнечного излучения для фотоэлектрических модулей состоит из оптически прозрачного материала 1 и имеет большую поверхность 2 входа излучения и меньшую поверхность 3 выхода излучения, ограниченные боковыми симметричными параболическими стенками 4 и 5 с отражающими покрытиями 6 и 7. Боковые симметричные параболические стенки 4 и 5 выполнены переменной толщины t из оптически прозрачного материала 1 с расширением к поверхности 3 выхода излучения, причем поперечное сечение стенок представляет собой криволинейный клин, образованный параболическими стенками 4, 5 и 8, 9, развернутыми относительно друг друга вокруг вершины клина на угол α, причем внутренние стенки 8 и 9 являются прозрачными.

Кроме того на фиг. 1 изображено: параметрический угол θ; углы падения и преломления лучей i₁, r₁, i₂ и т.д.; нормали к поверхности n; угол полного внутреннего отражения r_t; диаметры поверхности входа D и поверхности d выхода излучения; высота концентратора H.

На фиг. 2 изображен концентратор, имеющий ось 10 симметрии и выполненный в виде тела вращения.

На фиг. 3 изображен концентратор, имеющий плоскость 11 симметрии и выполненный корытообразным.

Работает модуль следующим образом: солнечное излучение (изображено в виде стрелок) приходит на поверхность входа 2, проходит внутрь концентратора до оптически прозрачного материала 1. Рассмотрим ход производительно выбранного луча Л₁. Луч Л₁ падает на внутреннюю прозрачную стенку 8(9) под углом i₁, преломляется и входит в оптически прозрачный материал под углом r₁, далее отражается под углом i₂ от наружной стенки 4 (5) с помощью отражающего слоя 6 (7) и возвращается к внутренней прозрачной стенке 8 (9) под углом полного внутреннего отражения r_t. Таким образом, изучение не выходит за пределы внутренней прозрачной стенки и остается в пределах слоя оптически прозрачного материала 1, переотражаясь от стенки 8 (9) до стенки 4 (5). Так как толщина стенки t увеличивается к поверхности выхода излучения 3, то излучение по оптически прозрачному материалу 1 направляется к поверхности выхода 3 как по расширяющемуся световоду. Для того чтобы излучение осталось в оптически прозрачном материале 1 необходимо, чтобы угол r_t был равен
r_t = arc sin 1/n, (3)
где n - коэффициент преломления оптически прозрачного материала 1.

После того, как луч Л₁ пришел к внутренней прозрачной поверхности под углом r_t, все дальнейшие углы, например, угол i₃ будут больше угла r₁, т.к. переменная толщина t расширяется к поверхности выхода излучения 3. Многократное отражение излучения от стенок приводит к усреднению освещенности поверхности выхода 3, что создает более благоприятные условия работы солнечных элементов во всем диапазоне двойного параметрического угла.

Пример конкретного выполнения предлагаемого концентратора, выполненного из органического стекла с коэффициентом преломления n = 1,49. Поперечное сечение имеет размеры: размер D = 44 мм, H = 45 мм, d = 16; угол отклонения Солнца 25^o, параметрический угол θ = 25^°; криволинейный клин из оптически прозрачного материала у поверхности выхода имеет толщину t=7 мм, оптический клин образован поворотом параболы наружной стенки 4 (5) на угол α = 5,5^°; коэффициент неравномерности освещенности поверхности выхода при максимальных угловых отклонениях излучения не более 2; площадь поперечного сечения оптически прозрачного материала, пропорциональная массе концентратора, составляет 13,5 см², концентрация усредненная на поверхности выхода для фоклина 4, для фокона 16; эффективное использование углов отклонения солнечного излучения от оси симметрии концентратора составит ± 25^o, т.е. эффективно используется весь диапазон параметрического угла θ с усреднением освещенности по поверхности выхода излучения.

Для концентратора, выполненного по прототипу из того же оптического материала и с тем же углом отклонения ± 25^o, параметрический угол составит θ = sin25/n = 16,5^°, концентрация излучения для фоклина 3,5 для фокона 12,5, неравномерность освещенности поверхности выхода 12 и более, площадь поперечного сечения, определяющая массу концентратора, составит 52 см², угол эффективного использования концентратора 16-20^o, угол эффективного использования концентратора ± 20^o (80% от 25^o).

Таким образом, предлагаемый концентратор имеет почти в 6 раз более равномерную освещенность поверхности выхода, где устанавливаются солнечные фотопреобразователи, что повышает их КПД, и может работать во всем диапазоне параметрического угла θ = 25^°, имеет более высокие концентрации излучения.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к созданию концентраторов солнечного излучения для фотоэлектрических модулей и солнечных станций на их основе. Концентратор солнечного излучения для фотоэлектрических модулей состоит из оптически прозрачного материала и имеет большую поверхность входа излучения и меньшую поверхность выхода излучения, ограниченные боковыми симметричными параболическими стенками с отражающими покрытиями. Новым в концентраторе является то, что боковые стенки с отражающими покрытиями имеют переменную толщину оптически прозрачного материала с расширением к поверхности выхода излучения. Концентратор может иметь ось или плоскость симметрии. Изобретение позволяет увеличить равномерность освещенности поверхности выхода излучения, увеличивая тем самым КПД преобразования, увеличить концентрацию излучения на поверхности выхода, уменьшить массу концентратора за счет меньшего количества оптического материала, необходимого для его изготовления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Концентратор солнечного излучения для фотоэлектрических модулей, состоящий из оптически прозрачного материала и имеющий большую поверхность входа излучения и меньшую поверхность выхода излучения, которые ограничены боковыми симметричными параболическими стенками с отражающими покрытиями, отличающийся тем, что симметричные параболические стенки выполнены переменной толщиной из оптически прозрачного материала с расширением к поверхности выхода излучения, причем внутренние стенки являются прозрачными. 2. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что симметричные боковые стенки имеют ось симметрии и концентратор выполнен в виде тела вращения. 3. Концентратор по п.1, отличающийся тем, что симметричные боковые стенки имеют плоскость симметрии и концентратор выполнен корытообразным.