СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 2004 года по МПК F24J2/14 

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 №3923381 от 02.12.75 г., кл. 350/293, 126/271, 350/294).

Недостатком известного модуля является низкая концентрация, связанная с его апертурным углом α соотношением

К_геом=1/sinα, при α=25°, К_геом=2,36.

Другим недостатком солнечного модуля является низкая эффективность использования солнечной энергии вследствие 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 установлены 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 К=2. Фактический коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь и потерь на отражение составляет 1,56 (I. Edmond, Solar Energy Materials. 1990. # 21, р.173-190).

Недостатками известного фотоэлектрического модуля являются низкий коэффициент концентрации, высокая стоимость модуля, практически равная стоимости фотоэлектрического модуля без концентратора, невозможность использования модуля при другой, кроме полярной, системы ориентации на Солнце, например в фотоэлектрических фасадах зданий и при ориентации восток-запад, невозможность использования его в фасадах зданий для получения теплоты и освещения зданий естественным солнечным излучением.

Наиболее близким по техническим параметрам к предлагаемому изобретению является солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором солнечной энергии для получения электрической энергии и теплоты, в котором для увеличения эффективности использования солнечной энергии отражатель состоит из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Патент РФ № 2172451, 16.11.2000). 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 под прозрачной крышей здания.

Недостатками известного солнечного модуля являются большие трудозатраты при изготовлении деталей и при сборке концентратора.

Задачей изобретения является сокращение сроков сборки солнечного модуля с концентратором, уменьшение материалоемкости, снижение энергоемкости и затрат физической энергии при производстве солнечных модулей, обеспечение возможности трансформации модуля в более компактные размеры для транспортировки устройства или в периоды времени, когда модуль не используется. Одной из задач является эффективное использование солнечной энергии и снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты.

В результате использования предлагаемого изобретения сокращается срок сборки концентратора солнечного модуля, уменьшается материалоемкость изделия, снижаются энергоемкость и затраты труда при производстве солнечного модуля, повышается эффективность использования солнечной энергии, снижается стоимость электроэнергии и теплоты. Решенной задачей при использовании предлагаемого изобретения является возможность концентратора принимать компактные размеры для транспортировки устройства или в периоды времени, когда модуль не используется.

В результате применения конструкции концентратора решается задача разделения солнечных модульных установок на основе концентраторов на стационарную и мобильную части. Это качество концентратора очень важно и для тех автономных потребителей энергии, у которых специфика работы связана с частыми переездами.

Предложенную конструкцию концентратора с трансформируемым зеркальным отражателем можно использовать при решении исследовательских и образовательных задач для моделирования различных конфигураций зеркальных отражателей гелиотехнических устройств.

Солнечный модуль с концентратором можно установить в межстекольное пространство оконных блоков для обогрева помещений теплом, а при установке соответствующих приемников использовать для производства горячей воды и выработки электричества. Концентратор при таком расположении может выполнять функции жалюзи, а также так называемой воздушной или температурной атаки, которая применяется для затруднения доступа в помещения холодного воздуха. Оконные блоки помещений, находящихся с затененных сторон, обогреваются теплым воздухом, получаемым от концентраторов по воздуховодам или при помощи электрообогрева. Электроэнергию для этого может вырабатывать установленный на солнечный модуль фотоэлектрический приемник.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом солнечном модуле с концентратором зеркальный отражатель собран из фацет, соединенных между собой в виде зеркальной рольставни. Вследствие этой особенности отражатель имеет возможность размещаться в цилиндрической камере. Камера содержит устройство для перемещения отражателя вдоль С-образных профильных направляющих, образующих параболоцилиндрическую поверхность, внутрь цилиндрической камеры и обратно при помощи роликов, установленных на торцевых поверхностях фацет отражателя. Указанное устройство снабжено механическим или электрическим приводом. Располагаться указанная камера может как в верхней части концентратора, так и в нижней. Конфигурация профиля концентратора может трансформироваться за счет смены направляющих другой конфигурации.

Для того чтобы детали предлагаемого концентратора имели при транспортировке или хранении еще более компактные размеры в солнечном модуле с концентратором указанные направляющие снабжены шарнирными соединениями, при помощи которых направляющие складываются вдвое. Количество шарнирных соединений можно увеличить.

В варианте, где указанная цилиндрическая камера расположена в верхней части концентратора, указанные направляющие выполнены укороченными. Это сделано для устойчивости конфигурации профиля зеркального отражателя концентратора, которая устанавливается за счет изменения взаимных углов между зеркальными фацетами при помощи шаговых двигателей.

В другом варианте солнечного модуля зеркальный отражатель концентратора изготовлен из цельного листа гибкого материала с зеркальным покрытием. Конфигурацию профилю концентратора придают указанные направляющие. Указанная цилиндрическая камера может быть установлена как в верхней части концентратора, так и в нижней.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-6.

На фиг.1 солнечный модуль с концентратором содержит основной фокусирующий отражатель 1, состоящий из фацет с зеркальным покрытием и имеющего апертурный угол δ, ролики 2, направляющие 3, цилиндрическую камеру 4 с устройством для перемещения отражателя при помощи механического привода 5, приемник 6, фокальную ось 7 и фокальную плоскость отражателя 8. Ширина солнечного модуля в горизонтальной плоскости равна D, состоит из проекции d₁ ширины приемника d на плоскость миделя 9 и ширины миделя D-d₁ между фокальной осью 7 и ветвью параболоцилиндрического зеркального отражателя 1 концентратора. Фокальная плоскость 8 наклонена к горизонтальной плоскости под углом 113,5°-ϕ, где ϕ - широта местности установки солнечного модуля.

На фиг.2 солнечный модуль с концентратором содержит основной фокусирующий отражатель 1, имеющего апертурный угол δ, изготовленный из цельного листа гибкого материала с зеркальным покрытием.

На фиг.3 солнечный модуль с концентратором содержит основной фокусирующий отражатель 1, состоящий из фацет с зеркальным покрытием и имеющего апертурный угол δ, цилиндрическую камеру 4, расположенную в верхней части концентратора, фотоэлектрический приемник 6, имеющего двухстороннюю рабочую поверхность.

На фиг.4 солнечный модуль с концентратором содержит основной фокусирующий отражатель 1, изготовленный из цельного листа гибкого материала с зеркальным покрытием и имеющего апертурный угол δ, цилиндрическую камеру 4, расположенную в верхней части концентратора, фотоэлектрический приемник 6, имеющего двухстороннюю рабочую поверхностью.

На фиг.5 солнечный модуль с концентратором содержит основной фокусирующий отражатель 1, состоящий из фацет с зеркальным покрытием и имеющего апертурный угол δ, две укороченные направляющие 3, шаговые двигатели 10 во взаимных соединениях фацет с зеркальным покрытием.

На фиг.6 солнечный модуль с концентратором содержит цилиндрическую камеру 4, а устройство для перемещения отражателя снабжено приводом 5 с электрическим двигателем, который соединен с приемником 6.

На фиг.7 солнечный модуль с концентратором содержит шарнирное соединение 11 и кронштейны 12, регулирующие положение приемника в фокальной области концентратора.

На фиг.8 солнечный модуль с концентратором по любому из п.п.1-7 установлен в оконном блоке южной стены здания.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.

Раскладывают боковые С-образные направляющие 3 при помощи шарнирного соединения 11 и кронштейны 12 крепления приемника 6. Затем приводят в действие устройство с приводом 5 для перемещения зеркального отражателя 1 из цилиндрической камеры 4. Зеркальный отражатель 1 фокусирует солнечное излучение на фотоэлектрический приемник 6, вырабатывающий электрическую энергию.

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами, для получения электрической энергии и теплоты. В солнечном модуле с концентратором зеркальный отражатель собран из фацет, соединенных между собой в виде зеркальной рольставни, или изготовлен из гибкого листа с зеркальным покрытием, что позволяет отражателю размещаться в цилиндрической камере. Камера содержит устройство для перемещения отражателя вдоль С-образных профильных направляющих, образующих параболоцилиндрическую поверхность, внутрь цилиндрической камеры и обратно при помощи роликов, установленных на торцевых поверхностях фацет отражателя. Указанное устройство снабжено механическим или электрическим приводом. Изобретение должно упростить сборку модуля с концентратором, уменьшить материалоемкости, снизить энергоемкость. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий зеркальный отражатель в виде одной ветви параболоцилиндрического концентратора и приемник в фокальной плоскости, отличающийся тем, что зеркальный отражатель выполнен из фацет, соединенных между собой в виде рольставни, или листа гибкого материала и снабжен боковыми С-образными профильными направляющими, образующими параболоцилиндрическую поверхность, а камера содержит устройство для перемещения отражателя вдоль С-образных направляющих внутрь цилиндрической камеры и обратно.2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что приемник установлен на цилиндрической камере.3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что приемник выполнен с односторонней или двусторонней рабочей поверхностью.4. Модуль по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что устройство для перемещения отражателя снабжено механическим приводом.5. Модуль по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что устройство для перемещения отражателя содержит электрический привод, соединенный с приемником.6. Модуль по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что во взаимных соединениях фацет отражателя установлены шаговые двигатели.7. Модуль по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что направляющие содержат шарнирные соединения и кронштейны, регулирующие положение приемника в фокальной плоскости.8. Модуль по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он установлен в оконном проеме южной стены здания.9. Модуль по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что его устанавливают в межстекольное пространство оконных блоков для обогрева помещений теплом или для затруднения доступа в помещение холодного воздуха.