ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F24J2/14 F24J2/42 

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в солнечных электростанциях для преобразования солнечной световой энергии в электрическую, а кроме того, может быть использовано в качестве энергетической установки индивидуального пользования.

Известны различные установки, состоящие из фотоэлектрических преобразователей прямого действия, несущих конструкций и блока слежения за Солнцем [1], [2] и [3].

Недостатком таких устройств является их высокая стоимость, поскольку при относительно низком КПД прямого фотоэлектрического преобразования (около 15%) для получения на такой установке электрической энергии в количествах, представляющих интерес для потребителя, необходимо использовать фотопреобразователи с чувствительными площадками больших размеров, а удельная стоимость таких преобразователей сравнительно высока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению, выбранным авторами за прототип, является гелиоэнергетический модуль, состоящий из фотоэлектрического преобразователя, плоских зеркал и несущей конструкции [5].

В этом модуле на фоточувствительную поверхность преобразователя попадает не только прямое солнечное излучение, но и излучение, отраженное от плоских зеркал, установленных под углом к фоточувствительной поверхности этого преобразователя. Очевидно, что при сохранении выходной электрической мощности установки размеры фоточувствительной поверхности преобразователя в этом случае уменьшаются и соответственно уменьшается и стоимость модуля.

Недостатком такого гелиоэнергетического модуля является относительно низкая концентрация солнечного излучения на фоточувствительной поверхности преобразователя.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в увеличении коэффициента концентрации отраженного солнечного излучения на фоточувствительной поверхности преобразователя.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в предлагаемый гелиоэнергетический модуль, состоящий из протяженного фотоэлектрического преобразователя, плоских зеркальных фацет и несущей конструкции, введены фиксирующие элементы с посадочными местами для крепления набора плоских зеркальных фацет, установленные на несущей конструкции, посадочные места которых выполнены по прямолинейной образующей опорного параболического цилиндра и представляют собой грани, нанесенные по этому опорному параболическому цилиндру параллельно его оси, причем каждая грань в сечении, перпендикулярном оси опорного параболического цилиндра, является хордой образующей параболы этого цилиндра, а середины всех хорд образуют геометрическое место точек, являющееся направляющей параболой внутреннего параболического цилиндра, параллельного опорному и смещенному вдоль оси направляющей параболы этого опорного цилиндра в направлении ее фокуса, при этом ось протяженного фотоэлектрического преобразователя расположена в фокусе внутреннего параболического цилиндра.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый гелиоэнергетический модуль; на фиг. 2 приведена схема, поясняющая принцип союстировки набора плоских зеркальных фацет с фотоэлектрическим преобразователем.

Гелиоэнергетический модуль состоит из несущей конструкции 1, на которой установлены фиксирующие элементы 2 с посадочными местами для крепления набора плоских зеркальных фацет 3, образующих параболический цилиндр, в фокусе которого расположен протяженный фотоэлектрический преобразователь 4.

Предложенный гелиоэнергетический модуль работает следующим образом.

По сигналу рассогласования блок наведения (на фиг. 1 не показан) производит ориентацию гелиоэнергетического модуля на Солнце по углу места.

Известно, что для того чтобы солнечное излучение, отраженное от зеркальной поверхности, попадало на фоточувствительную поверхность фотоэлектрического преобразователя, эта поверхность должна иметь форму параболы, а фотоэлемент должен находиться в ее фокусе. То есть при протяженном фотоэлектрическом преобразователе отражательная поверхность должна иметь форму параболического цилиндра, а фотоэлектрический преобразователь должен быть расположен вдоль оси этого параболического цилиндра.

В предлагаемом гелиоэнергетическом модуле посадочные места для установки плоских зеркальных фацет 3 расположены по хордам направляющей параболы. Фрагмент направляющей параболы АА с установленными на ней двумя плоскими зеркальными фацетами I и II изображен на фиг. 2.

На этом фрагменте C₁C₁ и С₂С₂ представляют собой хорды направляющей параболы АА и являются посадочными местами для плоских фацет I и II. Принципиальной особенностью этих хорд направляющей параболы является то, что если через середину каждой хорды провести линию, параллельную оси параболы, линии E₁E₁ и Е₂Е₂, то расстояния Δ по этой линии от середины хорды до параболы для всех хорд равны (см. фиг. 2).

В предлагаемом модуле каждая из плоских протяженных зеркальных фацет 3 крепится по своим сторонам на двух боковых "граненых" параболических цилиндрах фиксирующих элементов 2, представляющих собой одну стереометрическую фигуру.

Посадочные грани, используемые для крепления плоских зеркальных фацет 3, нанесены вдоль поверхностей этих параболических цилиндров таким образом, чтобы при установке каждой из фацет ее центральная точка совмещалась с серединой хорды, лежащей в основании этой грани (см. фиг. 1).

На основании одного из основных свойств параболы [4], заключающегося в том, что ее диаметр делит пополам хорды, параллельные касательной параболы, проведенной в конце диаметра, легко показать, что середины всех хорд O₁, О₂, . . . лежат на одной новой параболе ВВ (см. фиг. 2), смещенной относительно направляющей параболы вдоль ее оси на величину Δ, а сами эти хорды являются касательными к этой новой параболе.

Следовательно, все плоские зеркальные фацеты 3, установленные на посадочных гранях, расположены по касательной к одной параболе и касаются этой параболы своей центральной осью.

При этом очевидно, что после завершения ориентации гелиоэнергетического модуля на Солнце центральные оси всех солнечных пучков, отраженных от зеркальных фацет 3, пройдут через фокус смещенного параболического цилиндра. Следовательно, ось протяженного фотоэлектрического преобразователя 4 расположена в фокусе смещенного параболического цилиндра.

Согласование ширины плоских протяженных зеркальных фацет с шириной протяженного фотоэлектрического преобразователя, а также ориентацию его фоточувствительной поверхности относительно оси параболы следует производить, исходя из простых соотношений линейной геометрической оптики таким образом, чтобы исключить виньетирование наклонных лучей, отраженных от периферийных фацет, установленных по краям параболического цилиндра.

В отличие от известного гелиоэнергетического модуля, в котором на фоточувствительную поверхность фотоэлектрического преобразователя поступает отраженное солнечное излучение от двух плоских боковых фацет, в предлагаемом устройстве количество плоских зеркальных фацет ограничивается только соотношением между размером параболического цилиндра и шириной отдельных плоских зеркальных фацет, которая, в свою очередь, согласована с шириной протяженного фотоэлектрического преобразователя. Их количество может достигать 10-15 шт., при этом соответственно увеличивается и коэффициент концентрации солнечного излучения на фоточувствительной поверхности преобразователя.

Следует отметить, что увеличение числа плоских зеркальных фацет не усложняет юстировку каждой фацеты относительно фоточувствительной поверхности преобразователя, так как при этом не требуется никакого дополнительного изменения положения плоских зеркальных фацет относительно касательных к параболическому цилиндру. Взаимная юстировка плоских зеркальных фацет и фотоэлектрического преобразователя производится автоматически в процессе сборки и установки фацет на посадочные грани несущих параболических цилиндров, изготовленных, как было описано выше.

В настоящее время по материалам заявки изготовлен опытный образец гелиоэнергетического модуля и проводятся его натурные испытания на солнечном полигоне предприятия в поселке Грибаново Моск. области.

Источники информации
1. Пат. США 5647915, МПК Е 04 D 13/18.

2. Пат. России 2127470, МПК Н 01 L 31/04.

3. Пат. России 2127008, МПК Н 01 L 31/05.

4. Бронштейн И. Н. , Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: ФМ, 1983.

5. Пат. России 2133415, МПК F 24 J 2/42, 2/08, Н 02 N 6/00 - прототип.

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в солнечных электростанциях для преобразования солнечной световой энергии в электрическую, а, кроме того, может быть использовано в качестве энергетической установки индивидуального пользования. В Гелиоэнергетический модуль, состоящий из протяженного фотоэлектрического преобразователя 4, плоских зеркальных фацет 3 и несущей конструкции 1, введены фиксирующие элементы 2 с посадочными местами для крепления набора плоских зеркальных фацет, установленные на несущей конструкции 1, посадочные места которых выполнены по прямолинейной образующей опорного параболического цилиндра и представляют собой грани, нанесенные по этому опорному параболическому цилиндру параллельно его оси, причем каждая грань в сечении, перпендикулярном оси опорного параболического цилиндра, является хордой образующей параболы этого цилиндра, а середины всех хорд образуют геометрическое место точек, являющееся направляющей параболой внутреннего параболического цилиндра, параллельного опорному и смещенному вдоль оси направляющей параболы этого опорного цилиндра в направлении ее фокуса, при этом ось протяженного фотоэлектрического преобразователя расположена в фокусе внутреннего параболического цилиндра. Изобретение позволит увеличить коэффициент концентрации отраженного солнечного излучения на фоточувствительной поверхности преобразователя. 2 ил.

Гелиоэнергетический модуль, состоящий из протяженного фотоэлектрического преобразователя, плоских зеркальных фацет и несущей конструкции, отличающийся тем, что в него введены фиксирующие элементы с посадочными местами для крепления набора плоских зеркальных фацет, установленные на несущей конструкции, посадочные места которых выполнены по прямолинейной образующей опорного параболического цилиндра и представляют собой грани, нанесенные по этому опорному параболическому цилиндру параллельно его оси, причем каждая грань в сечении, перпендикулярном оси опорного параболического цилиндра, является хордой образующей параболы этого цилиндра, а середины всех хорд образуют геометрическое место точек, являющееся направляющей параболой внутреннего параболического цилиндра, параллельного опорному и смещенному вдоль оси направляющей параболы этого опорного цилиндра в направлении ее фокуса, при этом ось протяженного фотоэлектрического преобразователя расположена в фокусе внутреннего параболического цилиндра.