Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электрической энергии и теплоты.
Известен солнечный модуль с концентратором, в котором солнечное излучение собирается параболоцилиндрическим фоклином, выполненным из двух параболоцилиндров, и отражается на приемник излучения, установленный на нижнем основании фоклина (патент США N 3923381 от 2.12.75 г., кл. 350/293, 126/271, 350/294).
Недостатком известного модуля является низкая концентрация, связанная с его апертурным углом α соотношением При α = 25o Kгеом = 2,36. Другим недостатком является низкая эффективность использования солнечной энергии из-за неравномерного освещения приемника концентрированным излучением.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий скоммутированные и установленные между двумя листами стекла двухсторонние солнечные элементы, в виде полос, перпендикулярных основанию модуля, с тыльной стороны которых симметрично относительно середины солнечных элементов установлено два полуцилиндрических концентратора, суммарная площадь аппаратуры которых в два раза больше площади солнечных элементов. При установке под углом к горизонту, равным широте местности, и полярной ориентации оси концентраторов юг - север. Фотоэлектрический модуль работает круглый год без слежения за солнцем с теоретическим коэффициентом концентрации K= 2. Фактический коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь и потерь на отражение составляет 1,56 (I. Edmond, Solar Energy Materials. 1990. N 21, p.173-190).
Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации и высокая стоимость модуля, практически равная стоимости фотоэлектрического модуля без концентратора. Другим недостатком является невозможность использования модуля при другой, кроме полярной, системы ориентации на Солнце, например в фотоэлектрических фасадах зданий и при ориентации восток - запад.
Еще одним из недостатков известного устройства является невозможность использования его в фасадах зданий для получения теплоты и освещения зданий естественным солнечным излучением.
Задачей изобретения является увеличение коэффициента концентрации, повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты, а также создание эффективных гелиотехнических устройств, встроенных в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией, теплом, горячей водой, энергией для приготовления пищи и естественным солнечным освещением.
В результате использования предлагаемого солнечного модуля с концентратором увеличивается коэффициент концентрации, появляется возможность использовать солнечный модуль для энергоснабжения и освещения зданий и создания энергетических установок.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле, содержащем линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник в виде полосы, установленный параллельно фокальной плоскости отражателя, зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя, один край полосы приемника с двухсторонней рабочей поверхностью совпадает с фокальной осью зеркального отражателя, а второй противоположный край полосы приемника расположен на ветви параболоцилиндрического отражателя.
Для увеличения эффективности использования солнечной энергии отражатель состоит из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя, а меньшая часть в виде кругового цилиндрического отражателя с осью, совпадающей с фокальной осью, один край полосы приемника излучения совпадает с краем кругового цилиндрического отражателя, а противоположный край полосы приемника совпадает с фокальной осью.
Для увеличения коэффициента концентрации основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя и снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, края которого совпадают с фокальной осью и ветвью основного параболоцилиндрического зеркального отражателя, оптическая ось второго зеркального отражателя параллельна фокальной плоскости основного отражателя и расположена на середине расстояния между фокальной осью и ветвью основного зеркального отражателя, а ширина полосы приемника излучения равна радиусу второго зеркального отражателя. Причем края полосы приемника излучения совпадают с фокальной осью основного зеркального отражателя и оптической осью второго зеркального отражателя, или края полосы приемника излучения совпадают с оптической осью и ветвью второго зеркального отражателя.
Солнечный модуль с концентратором установлен на балконе здания, или установлен в виде стены здания, или установлен под прозрачной крышей здания, а фокальная плоскость наклонена к горизонтальной плоскости под углом 113,5o-Φ, где Φ - широта местности при горизонтальном расположении солнечного модуля и под углом 113,5o-Φ-δ при вертикальном расположении модуля.
В другом варианте исполнения фокальная плоскость параболоцилиндрического отражателя наклонена к горизонтальной плоскости под углом 66,5o-Φ+δ при горизонтальном расположении солнечного модуля и под углом 66,5o-Φ при вертикальном расположении солнечного модуля.
Для получения горячей воды и отопления солнечный модуль с концентратором содержит приемник излучения в виде пластины металлического абсорбера с просветляющим покрытием на двух сторонах пластины, окруженной с двух сторон прозрачной теплоизолирующей оболочкой. Приемник имеет внутренние каналы для протекания охлаждающей жидкости или воздуха.
Для комбинированного производства электрической энергии и теплоты на металлической пластине закреплены с двух сторон скоммутированные солнечные элементы с просветляющим покрытием.
Для получения электрической энергии солнечный модуль имеет приемник из скоммутированных солнечных элементов с двухсторонней рабочей поверхностью, которые заключены в прозрачную оболочку и имеют каналы для обдува воздухом.
Для увеличения эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую энергию и тепло солнечный модуль содержит два или более приемника с металлическим абсорбером, у которых каналы для протекания охлаждающей жидкости соединены последовательно и параллельно таким образом, что поток охлаждающей жидкости направляют от приемника с солнечными элементами к приемнику с просветляющим покрытием.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 9.
На фиг. 1 представлен общий вид солнечного модуля с концентратором, где зеркальный отражатель в виде одной ветви параболоцилиндрического концентратора, а края полосы приемника излучения совпадают с фокальной осью и вершиной параболоцилиндрического концентратора.
На фиг. 2 - солнечный модуль с концентратором, где зеркальный отражатель состоит из двух разновеликих частей, а края полосы приемника излучения совпадают с фокальной осью параболоцилиндрического концентратора и ветвью цилиндрического отражателя.
На фиг. 3 - солнечный модуль с концентратором, где основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя и снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, а полоса приемника излучения установлена в плоскости симметрии параболоцилиндрического концентратора между его фокальной осью и оптической осью второго полуцилиндрического отражателя.
На фиг. 4 - солнечный модуль с концентратором, где края полосы приемника излучения совпадают с оптической осью и ветвью второго зеркального отражателя.
На фиг. 5 - солнечный модуль с концентратором, где полоса приемника излучения установлена в горизонтальной плоскости между ветвью параболоцилиндрического отражателя и оптической осью второго зеркального отражателя.
На фиг. 6 - солнечный модуль с концентратором, где полоса приемника излучения установлена в вертикальной плоскости между фокальной осью полуцилиндрического отражателя и оптической осью второго зеркального отражателя.
На фиг. 7 - солнечный модуль с концентратором, установленный на балконе здания.
На фиг. 8 - солнечные модули с концентраторами, установленные вертикально в виде стены здания друг над другом, у каждого модуля полоса приемника излучения установлена в горизонтальной плоскости между фокальной осью параболоцилиндрического отражателя и оптической осью второго зеркального отражателя.
На фиг. 9 - солнечный модуль с концентратором, установленный под прозрачной крышей здания.
На фиг. 1 солнечный модуль с концентратором содержит основной фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с апертурным углом δ, приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2, фокальную ось 3 и фокальную плоскость отражателя 4. Ширина солнечного модуля в горизонтальной плоскости равна D, состоит из проекции d1 ширины приемника d на плоскость миделя 5 и ширины миделя D - d1 между фокальной осью 3 и ветвью параболоцилиндрического концентратора 1. Фокальная плоскость 3 наклонена к горизонтальной плоскости под углом 113,5o-Φ, где Φ - широта местности установки солнечного модуля.
На фиг. 2 - солнечный модуль с концентратором содержит фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с фокальной осью 3, приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2, круговой цилиндрический отражатель 6 с радиусом d, равным ширине приемника 2. Для увеличения концентрации солнечного излучения часть параболоцилиндра, находящаяся между его фокальной плоскостью и приемником излучения заменена на круговой цилиндр радиуса d.
Геометрический коэффициент концентрации для солнечного модуля на фиг. 1 и 2
Kгеом = D/d.
Если плоскость приемника параллельна плоскости миделя концентратора, то d1 = d
Если плоскость приемника перпендикулярна плоскости миделя концентратора, то d1 = 0
На фиг. 3 солнечный модуль с концентратором содержит фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с фокальной осью 3, установленный в фокальной плоскости 4 приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2, второй полуцилиндрический зеркальный отражатель 7 с центром 0, радиус которого равен половине фокусного расстояния AF параболоцилиндрического отражателя. При введении второго полуцилиндрического зеркального концентратора на фиг. 3-9 площадь приемника уменьшается в два раза и возрастает коэффициент геометрической концентрации
Для δ° = 30o значения геометрической концентрации согласно формулам (1), (2), (3) составляют 5; 4 и 8 соответственно, т.е. введение второго зеркального концентратора увеличивает коэффициент концентрации в 1,6-2 раза.
Для угла δ = 48o, соответствующего 12 месяцам стационарной работы солнечного модуля с концентратором, коэффициент геометрической концентрации составляет согласно формулам (1), (2) и (3) соответственно 3,23; 2,23; 4,46.
На фиг. 4 солнечный модуль с концентратором содержит фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с фокальной осью 3, приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2, установленный в фокальной плоскости 4, второй полуцилиндрический зеркальный отражатель 7, причем края полосы приемника излучения 2 совпадают с оптической осью 8 и ветвью второго зеркального отражателя 7.
На фиг. 5 солнечный модуль с концентратором содержит фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с фокальной осью 3, установленный горизонтально приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2, второй полуцилиндрический зеркальный отражатель 7, причем края полосы приемника излучения совпадают с фокальной осью 3 параболоцилиндрического отражателя 1 и с оптической осью 8 второго зеркального отражателя 7.
На фиг. 6 солнечный модуль с концентратором содержит фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с фокальной осью 3, приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2, второй полуцилиндрический зеркальный отражатель 7.
На фиг. 7 солнечный модуль с концентратором содержит фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с фокальной осью 3, приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2, второй полуцилиндрический зеркальный отражатель 7. Солнечный модуль с концентратором установлен на балконе 9 здания 10.
На фиг. 8 солнечные модули с параболоцилиндрическими концентраторами 1 установлены в вертикальной стене 11 здания 10. Каждый солнечный модуль с концентратором содержит фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с фокальной осью 3, приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2, второй полуцилиндрический зеркальный отражатель 7. Фокальная плоскость 4 параболоцилиндрического концентратора 1 наклонена к горизонтальной плоскости под углом 113,5o-Φ-δ, где Φ - широта местности.
На фиг. 9 солнечные модули с концентраторами установлены под прозрачной крышей 12 здания 10. Каждый солнечный модуль с концентратором содержит фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с фокальной осью 3, приемник с двухсторонней рабочей поверхностью 2 установлен в фокальной плоскости между фокальной осью 3 и оптической осью 8 полуцилиндрического зеркального отражателя 7.
Приемник 2 выполнен в виде пластины металлического абсорбера с просветляющим покрытием на двух сторонах, окруженного с двух сторон прозрачной теплоизолирующей оболочкой. Приемник имеет внутренние каналы для протекания воды или наружные каналы для обдува воздухом.
В другом варианте исполнения приемника 2 на металлической пластине абсорбера установлены с двух сторон вместо просветляющего покрытия скоммутированные солнечные элементы с просветляющим покрытием.
Еще в одном варианте конструкции в качестве приемника установлены скоммутированные солнечные элементы с двухсторонней рабочей поверхностью.
Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.
Параболоцилиндрический концентратор 1 с фокальной осью 3, ориентированной с запада на восток, концентрирует солнечное излучение в пределах апертурного угла δ на приемнике 2. Солнечное излучение 22 июня концентрируется на фокальной оси 3. По мере уменьшения склонения Солнца в пределах апертурного угла δ полоса концентрированного излучения перемещается от фокальной оси вдоль приемника 2. Цилиндрический отражатель 6 увеличивает концентрацию солнечного излучения при низком склонении Солнца, когда солнечное излучение падает на часть приемника 2, удаленную от фокальной оси 3. Приемник 2 преобразует солнечную энергию в тепловую и электрическую энергию.
Время работы солнечного модуля в стационарном состоянии определяется соотношением где T - количество месяцев, а δ - апертура в градусах.
Для солнечных модулей на фиг. 1 и 2 время стационарной работы T равно времени перемещения полосы концентрированного излучения вдоль приемника 2. С противоположной стороны приемник 2 освещается неконцентрированным солнечным излучением.
Для солнечных модулей с дополнительным цилиндрическим отражателем 7 полоса концентрированного солнечного излучения в течение времени T/2 попадает на одну поверхность приемника 2, а в течение времени T/2 переотражается с помощью дополнительного зеркального отражателя 7 на противоположную рабочую поверхность приемника 2. В результате площадь приемника 2 уменьшается в 2 раза и возрастает коэффициент концентрации. Эффективность использования солнечного излучения увеличивается за счет перераспределения концентрированного излучения на цилиндрическом отражателе 6 или 7 и более однородного и равномерного освещения приемника 2.
Примеры конкретного исполнения солнечного модуля с концентратором.
1. Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором 1 имеет размеры 0,8х2,0 м, апертуру 36o, диаметр дополнительного цилиндрического зеркального отражателя 7 равен 200 мм, а ширина приемника излучения 2 равна 100 мм. В качестве полосы приемника 2 установлены вертикально (фиг. 6) 36 скоммутированных солнечных элементов размером 50х100 мм в стеклянной оболочке шириной 110 мм и общей длиной 1800 мм.
Солнечный модуль ориентирован на юг таким образом, что фокальная плоскость 4 наклонена к горизонтальной поверхности под углом 58o. Время работы в стационарном состоянии для широты города Москвы Φ = 55o составляет 9 месяцев с 1 февраля по 1 ноября. Электрическая мощность электрического модуля равна 80 Вт, напряжение 12 В, коэффициент геометрической концентрации 5,8; оптический КПД - 0,8; фактический коэффициент концентрации - 4,64.
2. Солнечный тепловой модуль с параболоцилиндрическим концентратором 1 с апертурой δ = 24oC имеет приемник 2 в виде абсорбера из пластины алюминия толщиной 2 мм, в центре которой сваркой присоединена трубка из латуни диаметром 12 мм. Абсорбер имеет с двух сторон просветляющее покрытие и защитное покрытие из закаленного стекла толщиной 3 мм. Ширина модуля равна 1,2 м, длина 2,5 м. При вертикальном расположении приемника 2 шириной 200 мм в соответствии с формулой (2) для фиг. 1 коэффициент геометрической концентрации равен 6,04.
При установке дополнительного цилиндрического отражателя 7 диаметром 200 мм согласно формуле (3) фиг. 3 коэффициент геометрической концентрации увеличивается в 2 раза до Kгеом = 12,08, а ширина приемника 2 уменьшается до 100 мм. Время стационарной работы составляет шесть месяцев, а тепловая мощность модуля равна 2 кВт, температура воды на выходе из абсорбера 95oC.
По сравнению с прототипом при использовании двухсторонних приемников 2 удается упростить конструкцию стационарного концентратора, используя одну ветвь параболы, уменьшить фокусное расстояние модуля, увеличить степень концентрации излучения и за счет снижения площади приемника снизить стоимость солнечного модуля.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ (ВАРИАНТЫ) | 2001 |
|
RU2206837C2 |
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОМ | 2000 |
|
RU2172903C1 |
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ (ВАРИАНТЫ) | 2003 |
|
RU2225966C1 |
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ | 2003 |
|
RU2225965C1 |
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ | 2003 |
|
RU2252371C2 |
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ | 2001 |
|
RU2204769C2 |
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ | 2003 |
|
RU2252373C1 |
СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ | 2014 |
|
RU2576752C2 |
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) | 2006 |
|
RU2303205C1 |
КРОВЕЛЬНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ | 2014 |
|
RU2557272C1 |
Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности - к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электрической энергии и теплоты. Для увеличения эффективности использования солнечной энергии отражатель состоит из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя. Для увеличения коэффициента концентрации основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя и снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, а ширина полосы приемника излучения равна радиусу второго зеркального отражателя. Солнечный модуль с концентратором установлен на балконе здания, или в виде стены здания, или под прозрачной крышей здания. Технический результат достигается тем, что в солнечном модуле зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического концентратора, один край полосы приемника с двухсторонней рабочей поверхностью совпадает с фокальной осью зеркального отражателя, а второй противоположный край полосы приемника расположен на ветви параболоцилиндрического отражателя. 3 с. и 29 з.п.ф-лы, 9 ил.
I | |||
EDMOND, SOLAR ENERGY MATERIALS, 1990, № 21, р.173 - 190 | |||
ФОКУСИРУЮЩИЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР | 1993 |
|
RU2067732C1 |
Солнечная печь для получения пленочных материалов | 1980 |
|
SU866344A1 |
СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ | 1999 |
|
RU2154244C1 |
Авторы
Даты
2001-08-20—Публикация
2000-11-16—Подача