СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ (ВАРИАНТЫ) 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 2.12.75 г., кл. 350/293, 126/271, 350/294).

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

K_геом=1/sin α, 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 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 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).

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является 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 (Cтребков Д.С., Тверьянович Э.В., Кивалов С.Н., Иродионов А.Е., патент РФ №2172451, 20.08.2001). 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 стеклопакета приемника концентратора;

- фотоэлектрический приемник состоит из плоских стеклянных полос разной ширины, склеенных в стеклопакет, и при резком увеличении температуры в фокальном пятне зеркального отражателя вследствие неодновременного нагрева участков стеклопакета, а также имеющейся незначительной неоднородности материала в местах соединения стеклопакет деформируется и дает течь или вследствие тех же причин образовавшиеся воздушные пузыри приводят к разлому стеклопакета;

- невозможность корректировки положения фотоэлектрического приемника для увеличения попадания на его рабочие поверхности концентрированного излучения;

- невозможность отвода избыточной теплоты непосредственно от фотоэлектрического приемника для одновременного получения электричества, теплоты и горячей воды.

Подобными недостатками обладает и приемник солнечного излучения для производства горячей воды и тепла. Приемник также изготовлен из склеенных и соединенных при помощи пайки металлических и стеклянных пластин в виде пакета, в котором циркулирует теплоноситель жидкий или воздушный.

Задачей изобретения является увеличение коэффициента концентрации, повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты, а также создание эффективных, технологичных и прочных гелиотехнических устройств, встроенных в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией, горячей водой и теплом.

В результате использования предлагаемой конструкции приемника:

упрощается технология изготовления приемников солнечного излучения;

увеличивается надежность и эффективность солнечного модуля за счет появления возможности использования отводимого избыточного тепла от фотоэлектрических преобразователей;

появляется возможностью установки необходимого потребителю положения приемника солнечного излучения относительно фокальной плоскости зеркального отражателя;

появляются новые конструкции приемников для одновременного получения электрической энергии, горячей воды и теплоты.

Для получения электрической энергии и тепла солнечный модуль имеет приемник солнечного излучения, изготовленный из стеклянной трубы с антиотражающим покрытием, внутри которого расположен плоский стеклопакет фотоэлектрического приемника, т.к. цилиндрический приемник имеет внутренний диаметр, равный поперечной ширине стеклопакета фотоэлектрического приемника. Стеклопакет находится в циркулирующем при помощи вентилятора воздухе. Вентилятор включен в электрическую цепь фотоэлектрического приемника.

Для получения электрической энергии и горячей воды солнечный модуль имеет приемник солнечного излучения, изготовленный из стеклянной трубы с антиотражающим покрытием, внутри которого расположен плоский стеклопакет фотоэлектрического приемника, т.к. цилиндрический приемник имеет внутренний диаметр, равный поперечной ширине стеклопакета фотоэлектрического приемника. Стеклопакет находится в циркулирующем при помощи насоса жидком теплоносителе. Циркуляционный насос включен в электрическую цепь фотоэлектрического приемника.

Для получения электрической энергии, горячей воды и тепла солнечный модуль имеет цилиндрический полый зачерненный и металлический приемник солнечного излучения, установленный в фокальной области отражателя и имеющий продольные зигзагообразные каналы в корпусе цилиндрического приемника для циркуляции при помощи насоса жидкого теплоносителя, а стеклопакет фотоэлектрического приемника установлен на поверхности цилиндрического приемника, внутри которого циркулирует воздух при помощи вентилятора. Циркуляционный насос и вентилятор включены в электрическую цепь фотоэлектрического приемника.

Технический результат достигается тем, что солнечный модуль с концентратором, содержащий линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель, выполненный из двух разновеликих частей в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя со вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, и фотоэлектрический приемник солнечного излучения для получения электричества, горячей воды или тепла выполнен из стеклянной трубы с антиотражающим покрытием, в которой установлен плоский стеклопакет фотоэлектрического приемника, т.к. внутренний диаметр цилиндрического приемника солнечного излучения равен поперечной ширине стеклопакета фотоэлектрического приемника. Стеклопакет находится в циркулирующем при помощи вентилятора воздухе или в циркулирующем при помощи насоса жидком теплоносителе. Вентилятор или циркуляционный насос включены в электрическую цепь фотоэлектрического приемника. Данным решением достигается необходимый отвод избыточного тепла от стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами для увеличения производительности и срока службы солнечных элементов фотоэлектрического приемника и защита стеклопакета фотоэлектрического приемника от воздействия, вызванной сконцентрированным солнечным излучением, т.к. цилиндрическая форма приемника, не имеющая продольных соединительных швов, в отличие от плоского стеклопакета, выдерживает разности температур на различные точки своей площади. Также достигается дополнительное концентрирование при помощи фокусировки поверхностью цилиндрического приемника на поверхность плоского фотоэлектрического приемника солнечного излучения. Также появляется возможность регулировки положения цилиндрического приемника благодаря его форме относительно горизонтальной плоскости вокруг продольной оси. Сторона цилиндрического приемника совпадает с краем кругового цилиндрического отражателя, а противоположный край совпадает с осью второго полуцилиндрического отражателя и фокальной осью параболоцилиндрического отражателя.

Во втором варианте технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором в виде ветви линейно-фокусирующего параболоцилиндрического зеркального отражателя приемник излучения выполнен полым зачерненным цилиндрическим и металлическим и расположен в фокальной области отражателя. Жидкий теплоноситель циркулирует в продольных зигзагообразных каналах, устроенных в корпусе цилиндрического приемника. Воздух циркулирует внутри полого цилиндрического приемника при помощи вентилятора. Вентилятор и циркуляционный насос включены в электрическую цепь фотоэлектрического приемника. Стеклопакет фотоэлектрического приемника установлен на поверхности цилиндрического приемника. Данным решением достигается необходимый отвод избыточного тепла от стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами для увеличения производительности и срока службы солнечных элементов фотоэлектрического приемника. Также появляется возможнось более эффективного использования солнечной энергии и возможность одновременного получения электричества, горячей воды и тепла.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-2. На фиг.1 солнечный модуль содержит линейно-фокусирующий отражатель 1, состоящий из двух разновеликих частей в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя со вторым полуцилиндрическим отражателем, и фотоэлектрический приемник, где приемник солнечного излучения 2 изготовлен из стеклянной трубы с антиотражающим покрытием и встроенным плоским стеклопакетом фотоэлектрического приемника 3 с электрической цепью 4. Ширина солнечного модуля в горизонтальной плоскости равна D, состоит из проекции d₁ ширины цилиндрического приемника на плоскость миделя 7 и ширины плоскости миделя D - d₁ между фокальной осью 5 и ветвью параболоцилиндрического концентратора. Фокальная плоскость 6 наклонена к горизонтальной плоскости под углом 113,5° - ϕ, где ϕ- широта местности установки солнечного модуля.

На фиг.2 солнечный модуль содержит линейно-фокусирующий отражатель 1, состоящий из ветви параболоцилиндрического отражателя, где полый зачерненный металлический цилиндрический приемник солнечного излучения 8, имеющий каналы 9 для циркуляции жидкого теплоносителя, установлен в фокальной области зеркального отражателя, а стеклопакет фотоэлектрического приемника 3 с электрической цепью 4 установлен на его поверхности. Ширина солнечного модуля в горизонтальной плоскости равна D, состоит из проекции d₁ ширины фотоэлектрического приемника на плоскость миделя 7 и ширины плоскости миделя D - d₁ между фокальной осью 5 и ветвью параболоцилиндрического концентратора. Фокальная плоскость 6 наклонена к горизонтальной плоскости под углом 113,5° - ϕ, где ϕ - широта местности установки солнечного модуля.

Работает солнечный модуль с концентратором следующим образом. От сфокусированного зеркальным отражателем 1 параболоцилиндрического концентратора солнечного излучения нагревается приемник излучения 2, выполненный из стеклянной трубы с антиотражающим покрытием. Далее под концентрированное солнечное излучение попадает плоский стеклопакет фотоэлектрического приемника 3, установленный внутри цилиндрического, в циркулирующем теплоносителе (жидкость или воздух). Циркуляция жидкого теплоносителя или воздуха, отводящих избыточное тепло от солнечных элементов фотоэлектрического приемника, осуществляется при помощи соответственно циркуляционного насоса или вентилятора, включенных в цепь фотоэлектрического приемника 4. Второй вариант солнечного модуля с концентратором работает следующим образом: от сфокусированного зеркальным параболоцилиндрического отражателем 1 солнечного излучения нагревается цилиндрический полый зачерненный приемник 8, изготовленный из металла, внутри которого циркулирует при помощи вентилятора воздух, отводя тепло нагреваемого цилиндрического приемника, а жидкий теплоноситель циркулирует и отводит избыточное тепло от солнечных элементов фотоэлектрического приемника 3 в продольных зигзагообразных каналах 9, устроенных в корпусе цилиндрического приемника и частично проходящих под фотоэлектрическим приемником. Циркуляционный насос и вентилятор включены в цепь фотоэлектрического приемника 4.

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения теплоэлектроэнергии. Согласно изобретению приемник солнечного излучения для получения горячей воды или тепла по первому варианту выполнен из стеклянной трубы с антиотражающим покрытием, в которой установлен фотоэлектрический приемник. Внутренний диаметр цилиндрического приемника солнечного излучения равен поперечной ширине стеклопакета фотоэлектрического приемника, благодаря чему он имеет возможность регулировки положения вокруг своей продольной оси. Сторона цилиндрического приемника совпадает с краем кругового цилиндрического отражателя, а противоположный край совпадает с осью второго полуцилиндрического отражателя и фокальной осью параболоцилиндрического отражателя. Во втором варианте в полом зачерненном цилиндрическом металлическом приемнике солнечного излучения жидкий теплоноситель циркулирует в продольных зигзагообразных каналах, устроенных в корпусе приемника. Воздух циркулирует внутри цилиндрического приемника при помощи вентилятора. Изобретение должно обеспечить увеличение коэффициента концентрации, повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель, выполненный из двух разновеликих частей в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя со вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, и фотоэлектрический приемник, отличающийся тем, что приемник излучения, установленный в фокальной области зеркального отражателя, выполнен из стеклянной цилиндрической трубы с антиотражающим покрытием и внутренним диаметром, равным поперечной ширине встроенного внутрь плоского стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами.2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что содержит вентилятор для циркуляции воздуха, включенный в электрическую цепь фотоэлектрического приемника.3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что содержит циркуляционный насос, включенный в электрическую цепь фотоэлектрического приемника.4. Солнечный модуль с концентратором в виде ветви линейно-фокусирующего параболоцилиндрического зеркального отражателя, содержащий приемник излучения, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен цилиндрическим, полым, зачерненным и металлическим, установлен в фокальной области отражателя и имеет продольные зигзагообразные каналы в корпусе цилиндрического приемника для циркуляции жидкого теплоносителя, внутри которого циркулирует воздух при помощи вентилятора, а стеклопакет фотоэлектрического приемника установлен на поверхности цилиндрического приемника.