СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 2003 года по МПК F24J2/14 

Изобретение относится к энергетике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла.

Известен фотоэлектрический модуль, имеющий два симметричных параболоцилиндрических зеркальных отражателя линейно-фокусирующих излучений на фокальные линии, расположенные на противоположных концах параболоцилиндрических отражателей, у поверхности выхода излучения из концентратора. На поверхности выхода излучения установлены фотоэлектрические солнечные элементы с односторонними рабочими поверхностями, преобразующими солнечное излучение в электрический ток (см. пат. США 4029519, опубл. 14.06.77).

Недостатком известного решения является невысокая концентрация излучения на солнечных элементах, т.к. каждый параболоцилиндрический отражатель направляет излучение на свою фокальную линию, которые разнесены в пространстве (линии лежат в местах пересечения противоположного отражателя и поверхности выхода излучения из концентратора).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль с концентратором, описанный в книге "Solar Cells and Optics for Photovoltaic Concentration", Antonio Luque, The Adam Hilger Series on Optics and Optoelectronics, Adam Hilger, Bristol and Philadelphia, pp. 382, fig. 11.18 (прототип). Солнечный модуль с концентратором, содержащий поверхность входа излучения в концентратор, соединенного своей вершиной с кругоцилиндрическим отражателем, и приемник излучения, содержащий полосу скоммутированных фотоэлектрических солнечных элементов с двусторонней рабочей поверхностью. Солнечное излучение отражается от параболоцилиндрического отражателя и, при определенном положении Солнца, попадает на одну (лицевую) или другую (тыльную) сторону солнечных элементов. При этом тыльная сторона солнечных элементов освещается излучением после двойного отражения от параболоцилиндрического и кругоцилиндрического отражателей.

Недостатком известного технического решения является отсутствие системы охлаждения солнечных элементов, которые под действием концентрированного света в процессе эксплуатации будут нагреваться и терять свою эффективность, т.е. будет уменьшаться их КПД.

Задачей изобретения является увеличение эффективности использования солнечного модуля путем создания надежной системы охлаждения солнечных элементов.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащим поверхность входа излучения в концентратор, выполненный в виде линейно-фокусирующего параболоцилиндрического зеркального отражателя, соединенного своей вершиной с кругоцилиндрическим отражателем, и приемник излучения, содержащий полосу скоммутированных фотоэлектрических солнечных элементов с двусторонней рабочей поверхностью, дополнительно установлен приемник излучения в прозрачной оболочке, состоящий из двух полос, расположенных одна над другой в плоскости симметрии концентратора, одна из полос в виде солнечных элементов расположена между фокальной линией и кругоцилиндрическим отражателем, другая полоса в виде металлической пластины расположена между фокальной линией и поверхностью входа излучения и соединена с трубой для теплоносителя, обе полосы в прозрачной оболочке заполнены прозрачной жидкостью и герметично соединены с трубой для теплоносителя.

Сущность предлагаемого изобретения показана на чертеже, на котором изображено поперечное сечение солнечного модуля с концентратором и схема прохождения солнечных лучей.

На чертеже показано поперечное сечение солнечного модуля с концентратором: поверхность входа 1 излучения в концентратор, выполненного в виде двух линейно-фокусирующих параболоцилиндрических зеркальных отражателей 2 и 8, соединенных своими вершинами с кругоцилиндрическим отражателем 3, и приемник излучения 4, содержащий полосу 5 скоммутированных фотоэлектрических солнечных элементов с двусторонней рабочей поверхностью. Приемник излучения 4 состоит из двух полос 5 и 9, расположенных одна над другой в плоскости 7 симметрии концентратора 2, одна из полос 5 в виде солнечных элементов расположена между фокальной линией F и кругоцилиндрическим отражателем 3, другая полоса в виде металлической пластины 9 расположена между фокальной линией F и поверхностью 1 входа излучения и соединена с трубой 10 для теплоносителя 11, обе полосы 5 и 9 расположены в прозрачной оболочке 6, заполненной прозрачной жидкостью 12, и герметично соединены с трубой 10 для теплоносителя 11.

Кроме того, на чертеже показано: лучи Л₁, Л₂, Л₃, Л₄ и схема их прохождения в концентраторе, нормали к поверхности n в точках падения лучей, Н - высота модуля, h - размер солнечных элементов, параметрические углы α.

Работает модуль следующим образом.

Модуль устанавливается плоскостью входа излучения 1 под углом ϕ (на чертеже не указан) к горизонтальной поверхности, при этом угол ϕ равен географической широте местности, в которой используется модуль. Углы α могут быть выбраны равными углам годового солнечного склонения ±δ=24,5^o. В этом случае модуль будет работать целый год в неподвижном состоянии. В дни равноденствия (21 марта и 23 сентября) излучение на концентратор будет приходить по схеме луча Л₁, т.е. падать перпендикулярно на входную поверхность I. Луч Л₁ отразится от параболоцилиндрического отражателя 2 и попадает на солнечные элементы 5, расположенные в прозрачной для солнечного излучения оболочке 6. В дни солнцестояния (22 июня и 22 декабря) в результате солнечного склонения ±δ=24,5^o лучи будут приходить на поверхность входа под углами α≥±δ=24,5^o. По такой схеме работают лучи Л₂, Л₃ и Л₄. Причем лучи Л₂ и Л₄ соберутся на фокальной линии F, поскольку параболоцилиндрические отражатели 2 и 8 развернуты таким образом, что при отклонении солнечного потока от плоскости симметрии 7 на величину α≥±δ= 24,5^o отражающие поверхности 2 и 8 работают как обычные параболоцилиндрические поверхности в прицельном положении. Все остальные лучи в течение остального времени года при любых других отклонениях будут приходить в промежуток между линией F и поверхностью 3, как например луч Л₃.

Система термостабилизации солнечных элементов при этом обеспечивается следующим образом: солнечное излучение нагревает солнечные элементы 5, прозрачная жидкость 12, которой заполнена прозрачная оболочка 6, начнет нагреваться, в силу конвективных процессов и теплопередачи тепло от солнечных элементов 5 будет передаваться к металлической пластине 9, соединенной с трубой 10 с теплоносителем 11. Теплоноситель 11, прокачиваемый по трубе 10, обеспечивает благодаря пластине 9 охлаждение нагретой прозрачной жидкости 12 и солнечных элементов 5.

Пример конкретного выполнения:
1. Поверхность I входа излучения в концентратор равна 220 мм, высота модуля Н=146 мм, размер солнечных элементов 50 мм, фокусное расстояние F=50 мм, концентрация излучения (К), равная отношению ширины поверхности I к высоте солнечных элементов, равна К=4,4. Так как углы α≥±δ=24,5^o, то концентратор будет работать в неподвижном состоянии круглый год.

По сравнению с известным техническим решением модуля по прототипу, предлагаемые модули обеспечивают работу солнечных элементов с двусторонней рабочей поверхностью за счет надежной системы охлаждения элементов, расположенных в прозрачной оболочке, заполненной прозрачной жидкостью.

Изобретение относится к энергетике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. Согласно изобретению, в солнечном модуле с концентратором, содержащем поверхность входа излучения в концентратор, выполненный в виде двух линейно-фокусирующих параболоцилиндрических зеркальных отражателей, соединенных своими вершинами с кругоцилиндрическим отражателем, и приемник излучения, содержащий полосу скоммутированных фотоэлектрических солнечных элементов с двусторонней рабочей поверхностью, согласно изобретению в модуле установлен приемник излучения в прозрачной оболочке, содержащий дополнительно еще полосу, обе полосы расположены одна над другой в плоскости симметрии концентратора, одна из полос в виде солнечных элементов расположена между фокальной линией и кругоцилиндрическим отражателем, другая полоса в виде металлической пластины расположена между фокальной линией и поверхностью входа излучения и соединена с трубой для теплоносителя, обе полосы размещены в прозрачной оболочке, заполненной прозрачной жидкостью и герметично соединенной с трубой для теплоносителя. Изобретение должно обеспечить создание надежной системы охлаждения солнечных элементов с двусторонними рабочими поверхностями. 1 ил.

Солнечный модуль с концентратором, содержащий поверхность входа излучения в концентратор, выполненный в виде двух линейно-фокусирующих параболоцилиндрических зеркальных отражателей, соединенных своими вершинами с кругоцилиндрическим отражателем, и приемник излучения, отличающийся тем, что приемник излучения состоит из двух полос, расположенных одна над другой в плоскости симметрии концентратора, одна из полос, выполненная в виде скоммутированных фотоэлектрических солнечных элементов с двухсторонней рабочей поверхностью, расположена между фокальной линией и кругоцилиндрическим отражателем, другая полоса, выполненная в виде металлической пластины, расположена между фокальной линией и поверхностью входа излучения и соединена с трубой для теплоносителя, обе полосы расположены в прозрачной оболочке, заполненной прозрачной жидкостью, и герметично соединенной с трубой для теплоносителя.