СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК F24J2/10 

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

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, состоящий из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью, поперечное сечение концентратора выполнено по окружности радиуса r, и приемника излучения с двухсторонней рабочей поверхностью, расположенного в плоскости радиуса г (патент Франции №2342558, опубл. 23.09.77, МКИ H 01 L 31/08, G 02 B 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).

Известен солнечный модуль с концентратором, состоящий из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью и приемника излучения с двухсторонней рабочей поверхностью, у которого поперечное сечение цилиндрического концентратора выполнено двумя радиусами, причем окружность радиуса r сопрягается с окружностью большого 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 (Пат. РФ № 2191329, кл. 7 F 24 Y 2/14, 20.02.2001).

Модуль имеет более высокую концентрацию излучения по сравнению с аналогом. Недостатком солнечного модуля является низкое значение апертурного угла 90°, в пределах которого солнечный модуль концентрирует прямое и рассеянное солнечное излучение.

Предложенное изобретение решает следующую техническую задачу: увеличивает концентрацию излучения на приемнике излучения при сохранении большого апертурного угла.

Для достижения указанного результата в солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальные отражатели и приемник излучения с двухсторонней поверхностью, установленный в плоскости миделя между осью отражателя и одним из его краев, концентратор выполнен из (=1.2.3.) осесимметричных кольцеобразных тороидальных отражателей с общей осью симметрии и общей плоскостью миделя, радиусы поперечного сечения R всех отражателей равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и связаны между собой соотношением где r_пр - радиус приемника, каждый кольцеобразный тороидальный отражатель развернут навстречу предыдущему, все отражатели имеют общий осесимметричный приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, диаметр которого равен половине диаметра n-го отражателя.

В солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальные отражатели и приемник излучения, установленный в диаметральной плоскости между осью отражателя и одним из его краев, концентратор выполнен из двух тороидальных отражателей, плоскости миделей которых совпадают, а расстояние центра поперечного сечения большого тороидального отражателя от оси симметрии примерно равно радиусу поперечного сечения большого тороидального отражателя и в два раза больше радиуса поперечного сечения малого тороидального зеркального отражателя и расстояния центра поперечного сечения малого тороидального отражателя от оси симметрии, указанные большой и малый кольцеобразные тороидальные отражатели развернуты навстречу друг другу, а приемник излучения выполнен с двухсторонней рабочей поверхностью и установлен осесимметрично в плоскости миделя малого кольцеобразного тороидального отражателя и имеет диаметр, равный половине диаметра малого тороидального отражателя.

В другом варианте исполнения концентратор выполнен из трех осесимметричных разновеликих кольцеобразных тороидальных отражателей, в каждом из трех отражателей радиусы поперечного сечения R₁, R₂ и R₃ примерно равны, а диаметры отражателей в четыре раза больше их размеров поперечного сечения и равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и связаны между собой соотношением:

,

все три отражателя имеют общую плоскость миделя и общий осесимметричный приемник с двухсторонней рабочей поверхностью с диаметром, равным , первый и третий отражатели развернуты в одном направлении навстречу излучению, а второй излучатель развернут в противоположном направлении.

Для увеличения концентрации концентратор выполнен из четырех осесимметричных кольцеобразных тороидальных отражателей с общей осью симметрии и общей плоскостью миделя, радиусы поперечного сечения всех отражателей равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии концентратора и связаны между собой соотношениями:

.

второй и четвертый отражатели развернуты в сторону источника излучения, а первый и третий отражатели развернуты в противоположную сторону, а приемник с двухсторонней рабочей поверхностью установлен осесиметрично в общей плоскости миделя отражателей и имеет диаметр, равный половине диаметра четвертого отражателя.

В солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальные отражатели и общий приемник излучения, установленный в плоскости миделя между осью отражателя и одним из его краев, концентратор выполнен из трех осесимметричных кольцеобразных тороидальных отражателей, тороидальный зеркальный отражатель имеет радиус поперечного сечения, который примерно равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в два раза больше радиуса поперечного сечения двух других зеркальных тороидальных отражателей, второй и третий тороидальные отражатели развернуты в противоположные стороны друг от друга и имеют одинаковые размеры отражателей и приемников и заключены в зеркальную оболочку, в каждом из отражателей радиус поперечного сечения примерно равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии отражателя, а приемники излучения выполнены с двухсторонней рабочей поверхностью и установлены осесимметрично, а диаметр каждого приемника равен половине диаметра второго или третьего отражателя, первый и один из двух других тороидальных отражателей имеют общую плоскость миделя и развернуты навстречу друг другу.

В солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальные отражатели и приемник излучения, установленный в плоскости миделя между осью отражателя и одним из его краев, концентратор выполнен из четырех осесимметричных кольцеобразных тороидальных отражателей с общей осью симметрии, радиусы поперечного сечения всех отражателей равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии концентратора, а диаметры отражателей в четыре раза больше их радиуса поперечного сечения и связаны между собой соотношениями _{первый и второй отражатели имеют осесимметричные приемники излучения с двухсторонней рабочей поверхностью и развернуты тыльными поверхностями друг к другу, а третий и четвертый отражатели заключены в зеркальную оболочку и установлены над вторым отражателем и развернуты навстречу друг к другу таким образом, что плоскости миделя первого и второго отражателей и первого приемника совпадают и совпадают плоскости миделя третьего и четвертого отражателей и второго приемника.}

В солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальные отражатели и приемник излучения, установленный в плоскости миделя между осью отражателя и одним его краев, концентратор выполнен из четырех осесимметричных кольцеобразных тороидальных отражателей с общей осью симметрии и содержит два одинаковых осесимметричных приемника с двухсторонней рабочей поверхностью, радиусы поперечного сечения всех отражателей равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии концентратора, диаметры первого, второго и третьего отражателей и радиус первого приемника связаны соотношением первый и третий отражатели ориентированы в направлении источника излучения, а второй отражатель - в противоположном направлении, четвертый отражатель и второй приемник установлены под третьим отражателем и их диаметры и диаметр второго приемника связаны соотношением четвертый отражатель ориентирован в направлении, противоположном направлению на источник излучения, плоскость миделей четвертого отражателя совпадает с плоскостью второго приемника, а плоскости первого, второго и третьего отражателей совпадают с плоскостью первого приемника. Четвертый отражатель ориентирован в противоположном направлении на источник излучения, плоскость миделей четвертого отражателя совпадает с плоскостью второго приемника, а плоскости первого, второго и третьего отражателей совпадают с плоскостью первого приемника, третий и четвертый отражатели заключены в зеркальную оболочку.

В солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальные отражатели и приемник излучения, установленный в плоскости миделя между осью отражателя и одним из его краев, концентратор выполнен из семи осесимметричных кольцеобразных тороидальных отражателей с осью симметрии и содержит три одинаковых осесимметричных приемника с двухсторонней рабочей поверхностью, радиусы поперечного сечения всех отражателей равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии концентратора, диаметр первого, второго, третьего и четвертого отражателей и диаметр первого приемника связаны совтношением первый и третий отражатели ориентированы в направлении источника излучения, а второй и четвертый отражатели в противоположном направлении, пятый отражатель установлен над четвертым отражателем в зеркальной оболочке и его диаметр и диаметр второго приемника связаны соотношением пятый отражатель ориентирован в направлении источника излучения, шестой и седьмой отражатели установлены под третьим отражателем в зеркальной оболочке, их диаметры связаны между собой и с диаметром третьего приемника соотношением диаметры третьего и шестого совпадают, а также равны между собой диаметры четвертого, пятого и седьмого отражателей, плоскость миделя пятого отражателя совпадает с плоскостью второго приемника, а плоскости первого, второго, третьего и четвертого отражателей совпадают с плоскостью первого приемника, а плоскости миделя шестого и седьмого отражателей совпадают с плоскостью третьего приемника.

На фиг.1 представлено поперечное сечение солнечного модуля с двумя кольцеобразными тороидальными концентраторами, развернутыми навстречу друг другу.

На фиг.2 и 3 представлены солнечные модули с тремя и четырьмя кольцеобразными тороидальными отражателями, развернутыми навстречу друг другу.

На фиг.4 показан солнечный модуль с тремя тороидальными кольцеобразными отражателями, два из которых имеют одинаковый диаметр и развернуты навстречу друг другу.

На фиг.5 и 6 показан солнечный модуль с четырьмя кольцеобразными тороидальными отражателями, два из которых имеют одинаковый диаметр и развернуты навстречу друг другу.

На фиг.7 показан солнечный модуль с 6 кольцеобразными тороидальными отражателями, из которых два малых отражателя с одинаковыми диаметрами развернуты навстречу друг другу в верхней части модуля, а два других одинаковых отражателя с диаметрами, которые в два раза больше диаметра малых отражателей, расположены в нижней части модуля.

Солнечный модуль с концентратором (фиг.1) состоит из первого кольцеобразного тороидального зеркального отражателя 1 с воспринимающей солнечное излучение плоскостью миделя 2. Приемник излучения 5 с лицевой 6 и тыльной 7 рабочей поверхностью установлен в плоскости миделя 2. Поперечное сечение отражателя 1 имеет радиус R₁ и удалено от центра симметрии отражателя 3 на расстояние R₁. Центр симметрии 8 приемника 5 совпадает с центром симметрии 9 отражателя 1. Кроме того, на фиг.1 изображено: солнечные лучи L₁, L₂, L₃ и схема их прохождения в солнечном модуле, α - угловая апертура солнечного модуля, диаметр приемника D₀, диаметр первого отражателя D₁=4R₁ и второго отражателя Над отражателем 1 установлен осесимметрично второй тороидальный отражатель 3 с плоскостью миделя 4, развернутый навстречу отражателю 1 таким образом, что их плоскости миделей 2 и 4 совпадают.

Поперечное сечение второго тороидального отражателя имеет радиус R₀ и удалено от оси симметрии 8 на расстояние R₀.

Солнечный модуль с концентратором на фиг.2 снабжен третьим кольцеобразным тороидальным отражателем 10, который развернут встречно со вторым отражателем 3 и имеют общую плоскость миделя 11 и ось симметрии 12 со вторым и первым отражателями. Поперечное сечение третьего отражателя 10 имеет радиус R₃, который удален от оси симметрии 11 на расстояние R₃.

В плоскости миделя 11 третьего отражателя 10 установлен приемник 5, диаметр которого D₀ связан с диаметрами отражателей следующим соотношением:

Солнечный модуль с концентратором на фиг.3 содержит четыре кольцеобразных тороидальных зеркальных отражателя 1,3, 10, 13, диаметры которых связаны с диаметром приемника 5 D₀ следующими соотношениями четвертый зеркальный отражатель 13 развернут встречно третьему отражателю 10 и имеет общую с ним ось симметрии 12 и плоскость миделя 14, поперечное сечение четвертого отражателя удалено от оси симметрии 12 на расстояние

Солнечный модуль с концентратором на фиг.4 по сравнению с фиг.1 содержит третий тородиальный зеркальный отражатель 15, который установлен встречно над вторым отражателем 3 и имеет одинаковый с ним диаметр D₃=D₂ и радиус поперечного сечения. Отражатели 3 и 15 заключены в зеркальную оболочку 16.

Второй и третий 15 отражатели имеют приемники излучения 5 и 17 одинакового диаметра D₀, которые связаны с диаметрами первого и второго отражателей соотношением

Солнечный модуль с концентратором на фиг.5 по сравнению с фиг.4 имеет четвертый дополнительный отражатель 18, который развернут встречно относительно третьего дополнительного отражателя 16 и имеет общий с отражателем 16 и ось симметрии 20 и плоскость миделя 19. Радиус поперечного сечения четвертого дополнительного отражателя 18R₄ удален от оси симметрии 19 на расстояние R₄. Четвертый дополнительный отражатель 18 и третий дополнительный отражатель 16 имеют общий дополнительный приемник 21, диаметр которого связан с диаметрами дополнительных отражателей 16 и 18 соотношениями

На фиг.6 солнечный модуль с концентратором по сравнению с фиг.2 имеет дополнительный четвертый отражатель 22, который развернут встречно третьему отражателю 10 и имеет с ним одинаковый диаметр D₃=D₄. В плоскости миделя 23 четвертого дополнительного отражателя 22 установлен дополнительный второй приемник 24, диаметр которого D₀ равен диаметру приемника третьего отражателя D₀=D₀

Солнечный модуль с концентратором на фиг.7 содержет семь тороидальных отражателей. По сравнению с фиг.6 установлено три дополнительных тороидальных отражателя 25, 26 и 27 одинакового диаметра D₅=D₆=D₇, в плоскости миделя которых установлены три приемника 5, 28, 29 одинакового диаметра D₀. Диаметры приемников связаны с диаметрами отражателей следующими соотношениями:

Отражатели 25 и 26 заключены в зеркальную оболочку 16, диаметр которой равен диаметру отражателей 25 и 26, отражатели 10 и 22 заключены в зеркальную оболочку 30, диаметр которой равен диаметру отражателей 10 и 22. Зеркальное покрытие на зеркальных оболочках 16 и 30 расположено на внешней стороне цилиндрической оболочки 16 и 30.

Солнечный модуль работает следующим образом. Солнечное излучение поступает на первый тороидальный зеркальный отражатель и после одного, двух или трех переотражений в других тороидальных отражателях поступает на лицевую и тыльную поверхность 5 приемника излучения. Зеркальные оболочки 16 и 30 переотражают попадающее на них излучение на поверхность миделя концентратора и приемник (луч L₅ на фиг.7)

Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором составляет:

на фиг.1

так как

на фиг.2

при

на фиг.3

при

на фиг.4

при

на фиг.5

при

на фиг.6

при

на фиг.7

при

В качестве приемника 5 используют фотоэлектрические преобразователи и металлические абсорберы с просветляющим покрытием.

Зеркальные тороидальные отражатели изготовляют путем штамповки из металлического листа, например полированного алюминия.

Зеркальный тороидальный отражатель больших размеров изготавливают из стеклянных зеркальных фацет.

Пример выполнения солнечного модуля. Зеркальные отражатели 1 (фиг.1) выполнен из полированного зеркального листового алюминия с диаметром D₁=800 мм. Второй тороидальный зеркальный отражатель 3 имеет диаметр 400 мм. Приемник 5 выполнен из солнечных элементов диаметром D₀=200 мм. Солнечный модуль имеет пиковую электрическую мощность 50 Вт, оптический КПД 0,7, коэффициент концентрации 12, КПД солнечных элементов 14%. Солнечный модуль устанавливается стационарно и не требует слежения за Солнцем. В южных широтах солнечный модуль может устанавливаться горизонтально, в умеренных широтах - с ориентацией на юг под углом к плоскости миделя горизонту, равным широте местности. Достоинством солнечного модуля является высокий коэффициент концентрации 8-172 по сравнению с прототипом и использование как прямого, так и рассеянного солнечного излучения в пределах апертурного угла α=120°. Солнечный модуль может также использоваться для преобразования искусственного излучения, например, сварочной дуги, электрической лампы и лазерного излучения с любого направления в верхней полуплоскости миделя 2.

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных модулей с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла. В солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальные отражатели и приемник излучения с двухсторонней поверхностью, установленный в плоскости миделя между осью отражателя и одним из его краев, концентратор выполнен из n (n=1.2.3.) осесимметричных кольцеобразных тороидальных отражателей с общей осью симметрии и общей плоскостью миделя, радиусы поперечного сечения R всех отражателей равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и связаны между собой соотношением где r_пр - радиус приемника, каждый кольцеобразный тороидальный отражатель развернут навстречу предыдущему, все отражатели имеют общий осесимметричный приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, диаметр которого равен половине диаметра n-го отражателя. Или, в солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальные отражатели и приемник излучения, установленный в диаметральной плоскости между осью отражателя и одним из его краев, концентратор выполнен из двух тороидальных отражателей, плоскости миделей которых совпадают, а расстояние центра поперечного сечения большого тороидального отражателя от оси симметрии примерно равно радиусу поперечного сечения большого тороидального отражателя и в два раза больше радиуса поперечного сечения малого тороидального зеркального отражателя и расстояния центра поперечного сечения малого тороидального отражателя от оси симметрии, указанные большой и малый кольцеобразные тороидальные отражатели развернуты навстречу друг другу, а приемник излучения выполнен с двухсторонней рабочей поверхностью и установлен осесимметрично в плоскости миделя малого кольцеобразного тороидального отражателя и имеет диаметр, равный половине диаметра малого тороидального отражателя. Изобретение должно обеспечить увеличение концентрации излучения на приемнике излучения при сохранении большого апертурного угла. 8 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий зеркальные отражатели и общий приемник излучения, установленный в плоскости миделя отражателя между осью отражателя и одним из его краев, отличающийся тем, что концентратор выполнен из n (n=1.2.3.) осесимметричных кольцеобразных тороидальных отражателей с общей осью симметрии и общей плоскостью миделя, радиусы поперечного сечения R всех отражателей равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и связаны между собой соотношением где r_пр - радиус приемника, каждый последующий кольцеобразный тороидальный отражатель развернут навстречу предыдущему, все отражатели имеют общий осесимметричный приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, диаметр которого равен половине диаметра n-го отражателя.2. Солнечный модуль с концентратором, содержащий зеркальные отражатели и приемник излучения, установленный в диаметральной плоскости между осью отражателя и одним из его краев, отличающийся тем, что концентратор выполнен из двух тороидальных отражателей, плоскости миделей которых совпадают, а расстояние центра поперечного сечения большого тороидального отражателя от оси симметрии примерно равно радиусу поперечного сечения большого тороидального отражателя и в два раза больше радиуса поперечного сечения малого тороидального зеркального отражателя и расстояния центра поперечного сечения малого тороидального отражателя от оси симметрии, указанные большой и малый кольцеобразные тороидальные отражатели развернуты навстречу друг другу, а приемник излучения выполнен с двухсторонней рабочей поверхностью и установлен осесимметрично в плоскости миделя малого тороидального кольцеобразного отражателя и имеет диаметр, равный половине диаметра малого тороидального отражателя.3. Солнечный модуль с концентратором, содержащий зеркальные отражатели и приемник излучения, установленный в плоскости миделя между осью отражателя и одним из его краев, отличающийся тем, что концентратор выполнен из трех осесимметричных разновеликих кольцеобразных тороидальных отражателей, в каждом из трех отражателей радиусы поперечного сечения R₁, R₂ и R₃ примерно равны, а диаметры отражателей в четыре раза больше их размеров поперечного сечения и равны расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и связаны между собой соотношением

все три отражателя имеют общую плоскость миделя и общий осесимметричный приемник с двухсторонней рабочей поверхностью с диаметром, равным 1/2D₃, первый и третий отражатели развернуты в одном направлении навстречу излучению, второй излучатель развернут в противоположном направлении, а диаметр приемника равен половине диаметра третьего отражателя,

где D₁ - диаметр первого отражателя,

D₂ - диаметр второго отражателя,

D₃ - диаметр третьего отражателя,

D_пр - диаметр приемника.

,

второй и четвертый отражатель развернуты в сторону источника излучения, а первый и третий отражатель развернуты в противоположную сторону, а приемник с двухсторонней рабочей поверхностью установлен осесимметрично в общей плоскости миделя всех отражателей и имеет диаметр, равный половине диаметра четвертого отражателя,

где D₁ - диаметр первого отражателя,

D₂ - диаметр второго отражателя,

D₃ - диаметр третьего отражателя,

D₄ - диаметр четвертого отражателя,

D_пр - диаметр приемника.

первый и второй отражатели имеют осесимметричные приемники излучения с двухсторонней поверхностью, развернуты тыльными поверхностями друг к другу и заключены в зеркальную оболочку, а третий и четвертый отражатели установлены над вторым отражателем и развернуты навстречу друг другу таким образом, что плоскости миделя первого и второго отражателя и первого приемника совпадают и совпадают плоскости миделя третьего и четвертого отражателя и второго приемника,

где D₁ - диаметр первого отражателя,

D₂ - диаметр второго отражателя,

D₃ - диаметр третьего отражателя,

D₄ - диаметр четвертого отражателя,

D₀ - диаметр приемника.

первый и третий отражатель ориентированы в направлении источника излучения, а второй отражатель в противоположном направлении, четвертый отражатель и второй приемник установлены под третьим отражателем и их диаметры и диаметр второго приемника связаны соотношением

четвертый отражатель ориентирован в противоположном направлении на источник излучения, плоскость миделей четвертого отражателя совпадает с плоскостью второго приемника, а плоскости первого, второго и третьего отражателя совпадают с плоскостью первого приемника, третий и четвертый отражатели заключены в зеркальную оболочку,

где D₁ - диаметр первого отражателя,

D₂ - диаметр второго отражателя,

D₃ - диаметр третьего отражателя,

D₄ - диаметр четвертого отражателя,

D₀ - диаметр приемника.

первый и третий отражатель ориентированы в направлении источника излучения, а второй и четвертый отражатель в противоположном направлении, пятый отражатель установлен над четвертым отражателем в зеркальной оболочке и его диаметр и диаметр второго приемника связаны соотношением

пятый отражатель ориентирован в направлении источника излучения, шестой и седьмой отражатели установлены под третьим отражателем в зеркальной оболочке таким образом, что их диаметры связаны между собой и с диаметром третьего приемника соотношением

диаметры третьего и шестого отражателя совпадают, а также равны между собой диаметры четвертого, пятого и седьмого отражателей, плоскость миделя пятого отражателя совпадает с плоскостью второго приемника, а плоскости первого, второго, третьего и четвертого отражателя совпадают с плоскостью первого приемника, а плоскости миделя шестого и седьмого отражателей совпадают с плоскостью третьего приемника,

где D₁ - диаметр первого отражателя,

D₂ - диаметр второго отражателя,

D₃ - диаметр третьего отражателя,

D₄ - диаметр четвертого отражателя,

D₅ - диаметр пятого отражателя,

D₆ - диаметр шестого отражателя,

D₇ - диаметр седьмого отражателя,

D₀ - диаметр приемника.