СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 2002 года по МПК F24J2/14 

Изобретение относится к области гелиотехнике, в частности касается создания солнечных модулей с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла.

Известен солнечный модуль (аналог) для выработки тепла и электричества, в котором приемник излучения, в данном случае солнечные элементы, расположен на поверхности выхода излучения из концентратора, выполненного в виде параболоцилиндрической отражающей поверхности (пат. США 4045246 от 11.08.75, нац. кл. 136/89, 126/270, МКИ H 01 L 35/00).

Солнечное излучение в указанном модуле приходит на воспринимающую поверхность, попадает на стенки концентратора, отражается и приходит на солнечные элементы, расположенные на поверхности выхода излучения, при этом избыточное тепло с солнечных элементов снимается протекающей жидкостью. Такие модули с концентраторами имеют следующие недостатки: они занимают большой объем, т. е. имеют большую материалоемкость при относительно низкой концентрации излучения.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором (прототип), состоящий из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью, поперечное сечение концентратора выполнено по окружности радиуса r, и приемника излучения с двусторонней рабочей поверхностью, расположенного в плоскости радиуса r (патент Франции 2342558, опубл. 23.09.77, МКИ H 01 L 31/08, G 02 В 5/08). Солнечное излучение приходит на воспринимающую плоскость, на которой установлена часть приемника излучения, выполненная в виде солнечных элементов с двусторонней фоточувствительностью, часть солнечного излучения попадает непосредственно на лицевую сторону приемника излучения, расположенного на воспринимающей плоскости в пределах радиуса r. Через вторую часть воспринимающей плоскости, имеющей также размер r, излучение проходит на концентратор, отражается и попадает на тыльную сторону приемника излучения. Концентрация (геометрическая) излучения на солнечных элементах, равная отношению площади воспринимающей плоскости (2r) к площади солнечных элементов (r) составляет в этом случае 2.

Недостатком известного решения является низкая концентрация излучения на солнечных элементах, которая в идеальном случае равна 2, а в реальных условиях с учетом отражения от цилиндрического концентратора составит 1,5-1,6, что приводит к незначительному изменению как стоимостных характеристик модуля (для фотоэлектрических модулей), так и теплотехнических параметров (для комбинированных модулей для выработки электричества и тепла).

Предложенное изобретение решает следующую техническую задачу: увеличивает концентрацию излучения на приемнике излучения.

Для достижения указанного результата поперечное сечение цилиндрического концентратора выполнено двумя радиусами, причем окружность радиуса r сопрягается с окружностью большего радиуса R в плоскости, на которой расположены центры обоих радиусов, перпендикулярной плоскости, воспринимающей излучение. Приемник излучения может быть расположен в плоскости радиуса r, совмещенной с плоскостью сопряжения окружностей с радиусами r и R.

Признаки, отличающие предложенное техническое решение от наиболее близкого решения по патенту Франции 2342558 заключаются в следующем.

Увеличение площади, воспринимающей солнечное излучение, плоскости происходит за счет того, что часть поперечного сечения цилиндрического концентратора выполнена с радиусом r, а другая часть выполнена с большим радиусом R, а площадь приемника излучения пропорциональна меньшему радиусу r.

Еще больше можно поднять концентрацию на приемнике излучения, если плоскость с приемником излучения совмещена с плоскостью сопряжения окружностей радиусов r и R, расположенной перпендикулярно воспринимающей солнечное излучение плоскостью.

На фиг. 1 и 2 представлены поперечные сечения солнечного модуля с цилиндрическим концентратором и схема прохождения солнечных лучей.

Солнечный модуль с концентратором (фиг.1), состоящий из цилиндрического концентратора 1 с воспринимающей солнечное излучение плоскостью 2, поперечное сечение концентратора выполнено по окружности с радиусом r и приемника излучения 3 с двусторонней рабочей поверхностью, расположенной в плоскости радиуса r. Поперечное сечение цилиндрического концентратора 1 выполнено двумя радиусами r и R, причем окружность радиуса r сопрягается с окружностью большего радиуса R в плоскости 4, на которой расположены центры О₁ и O₂ обоих радиусов, перпендикулярной плоскости 2, воспринимающей солнечное излучение.

Приемник излучения 3 (фиг.2) может быть расположен в плоскости радиуса r, совмещенной с плоскостью 3 сопряжения окружностей с радиусами r и R.

Кроме того, на фиг.1 и 2 изображено: солнечные лучи l₁, l₂, l₃, l₄, l₅ и схема их прохождения по концентратору; апертурный угол ϕ; размер свободной поверхности концентратора L.

Работает модуль следующим образом. Солнечное излучение (фиг.1) приходит на воспринимающую плоскость 2. Часть излучения, например луч l₁, непосредственно попадает на лицевую сторону приемника излучения 3 с двусторонней рабочей поверхностью, установленного в плоскости радиуса r с центром O₁ на плоскости 4 сопряжения. В качестве приемника могут быть использованы солнечные элементы с двусторонней фоточувствительностью, солнечные коллекторы для получения горячего теплоностителя, а также комбинированные модули на основе солнечных коллекторов с установленными на них солнечными элементами для выработки тепла и электричества. Луч l₂ пересекает воспринимающую плоскость 2, отражается от средней части концентратора 1 и попадает на тыльную сторону приемника излучения 3. Луч l₃ с периферии концентратора 1 отражается от части концентратора, образованной окружностью R, затем от части концентратора, образованной окружностью r, и попадает на тыльную сторону приемника излучения 3. В варианте модуля, где приемник излучения 3 расположен в плоскости 4 сопряжения окружностей с радиусами r и R (фиг.2), периферийный луч l₄ попадает на часть концентратора с радиусом R, затем на часть концентратора с радиусом r, затем на тыльную сторону приемника излучения 3. Луч l₅ от концентратора попадает на лицевую сторону приемника излучения 3.

Можно показать, что концентрация (К) излучения по варианту фиг.1 подсчитывается по формуле
K = (L+r)/r, (1)
при ϕ=60^o, L=Rcos30^o; R=2r; К=2,7.

В варианте по фиг.2 концентрация подсчитывается следующим образом:
R = L/r, (2)
при L=Rcos30^o; ϕ=60^o, R=4r, К=3,46.

Таким образом, предлагаемые модули имеют геометрическую концентрацию солнечного излучения на приемнике излучения от 2,7 до 3,5 (у прототипа 2), что в реальных условиях (при коэффициенте отражения концентратора 0,85) концентрация составит 2,3-2,9 (для прототипа 1,5-1,7). Увеличение концентрации на 50-70% приведет к снижению стоимости модуля на 30-40%, т.к. снижение стоимости не пропорционально увеличению концентрации.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором.

Пример 1. Солнечный модуль имеет зеркальный цилиндрический концентратор (фиг. 1), состоящий из зеркального отражателя радиуса r=0,25 м и зеркального отражателя с радиусом R=0,5 м. Размеры приемника излучения, выполненного в виде солнечных элементов с двусторонней фоточувствительностью: ширина 0,7 м, длина 1,25 м, высота 0,25 м, апертурный угол ϕ=60^o, коэффициент геометрической концентрации 2,8, коэффициент отражения концентратора 0,8, номинальная мощность модуля 75 Вт (при солнечной радиации 1000 Вт/м²), напряжение 12 В.

Пример 2. Солнечный модуль по фиг.2 имеет концентратор, состоящий из отражателя радиусом r= 0,2 м, сопряженный с отражателем радиусом R=0,8 м, размер L= 0,7 м. Приемник 3 выполнен в виде металлического абсорбера с прокачкой жидкого теплоносителя и солнечными элементами, установленными на обеих сторонах абсорбера под защищенными стеклами. Размеры приемника излучения: ширина r=0,4 м, длина 1,25 м, геометрическая концентрация 3,46, коэффициент отражения концентратора 0,8, электрическая мощность модуля 75 Вт (при солнечной радиации 1000 Вт/м²), тепловая мощность 0,5 кВт.

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных модулей с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла. Сущность изобретения заключается в том, что поперечное сечение цилиндрического концентратора выполнено с двумя радиусами, причем окружность радиуса r сопрягается с окружностью большего радиуса R в плоскости, на которой расположены центры обоих радиусов, перпендикулярной плоскости, воспринимающей излучение. Приемник излучения может быть расположен в плоскости радиуса r, совмещенной с плоскостью сопряжения окружностей с радиусами r и R. Изобретение должно обеспечить увеличение концентрации излучения на приемнике излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Солнечный модуль с концентратором, состоящий из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью и приемника излучения с двухсторонней рабочей поверхностью, отличающийся тем, что поперечное сечение цилиндрического концентратора выполнено двумя радиусами, причем окружность радиуса r сопрягается с окружностью большего радиуса R в плоскости, на которой расположены центры обоих радиусов, перпендикулярной плоскости, воспринимающей солнечное излучение, а приемник излучения расположен в плоскости радиуса r окружности концентратора. 2. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что приемник излучения расположен в плоскости радиуса r, совмещенной с плоскостью сопряжения окружностей с радиусами r и R.