СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 2007 года по МПК F24J2/06 

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 (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 Н 01 I 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 светочувствительностью, 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, МКИ F 24 J 2/14, 20.02.2001).

Модуль имеет более высокую концентрацию излучения по сравнению с аналогом. Недостатком солнечного модуля является низкое значение апертурного угла 0-90°, в пределах которого солнечный модуль концентрирует прямое и рассеянное солнечное излучение.

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

Для достижения указанного результата в солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальный отражатель и приемник излучения с двухсторонней поверхностью, установленный в плоскости миделя между осью отражателя и одним из его краев, концентратор выполнен в виде кольцеобразного полутороидального отражателя, у которого радиус поперечного сечения примерно равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии полутора, а приемник излучения имеет размеры, равные диаметру поперечного сечения полутора, и установлен в центре симметрии модуля.

На чертеже представлен вид солнечного модуля со стороны излучения, поперечное сечение солнечного модуля с полутороидальным концентратором и схема прохождения солнечных лучей.

Солнечный модуль с концентратором состоит из полутороидального зеркального отражателя 1 с воспринимающей солнечное излучение плоскостью миделя 2. Полутороидальный концентратор образован разрезанием тороида на две симметричные поверхности плоскостью, проходящей через центры поперечного сечения тороида. Поперечное сечение полутороидального отражателя состоит из двух полуокружностей, которые являются образующими кольцеобразного полутороидального отражателя. Приемник излучения 3 лицевой 4 и тыльной 5 рабочей поверхностью установлен в плоскости миделя 2. Поперечное сечение отражателя 1 имеет радиус r и удалено от центра симметрии 6 отражателя 3 на расстояние R, R=r. Центр симметрии 7 приемника 3 совпадает с центром симметрии 4 отражателя 1. Кроме того, на чертеже изображено: солнечные лучи 1₁ и 1₂ и схема их прохождения в солнечном модуле, диаметр приемника D₁ и диаметр концентратора D₂.

Солнечный модуль работает следующим образом. Солнечное излучение поступает на полутороидальный зеркальный отражатель и после одного или нескольких переотражений поступает на тыльную поверхность 5 приемника излучения 3. Одновременно освещается лицевая поверхность 4 приемника 3. Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля равен . Так как D₂=2D₁, K=4.

Приемник 3 может быть выполнен в виде квадрата со стороной, равной D₁. В этом случае геометрический коэффициент концентрации

Если приемник 3 имеет только одну рабочую поверхность 5, обращенную к поверхности зеркального отражателя, коэффициент концентрации равен для круглого приемника диаметром D₁

для квадратного приемника со стороной D₁

При D₂=2D₁, для круглого приемника К=3, а для квадратного приемника К=π-1.

В качестве приемника 3 используют фотоэлектрические преобразователи и металлические абсорберы с просветляющим покрытием. Зеркальный полутороидальный отражатель 1 изготавливают путем штамповки из металлического листа, например, полированного алюминия.

Зеркальный полутороидальный отражатель больших размеров изготавливают из стеклянных зеркальных фацет. Пример выполнения солнечного модуля. Зеркальный отражатель 1 выполнен из полированного алюминия с диаметром D₂=50 мм. Приемник 3 выполнен из солнечного элемента размером 25×25 мм. Солнечный модуль имеет пиковую электрическую мощность 200 мВт, коэффициент концентрации 3, оптический КПД 0,7, КПД солнечного элемента 14%. Солнечный модуль устанавливается стационарно и не требует слежения за Солнцем.

Достоинством солнечного модуля является высокий коэффициент концентрации 3-4 по сравнению с прототипом и использование как прямого, так и рассеянного солнечного излучения в пределах апертурного угла 180°. 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, оно касается создания солнечных модулей с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла. В солнечном модуле с концентратором, содержащем зеркальный отражатель и приемник излучения с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости миделя, концентратор выполнен в виде кольцеобразного полутороидального отражателя, а приемник излучения имеет размеры, равные диаметру поперечного сечения полутора, и установлен в центре симметрии модуля. Изобретение должно обеспечить увеличение концентрации излучения на приемнике излучения. 1 ил.

Солнечный модуль с концентратором, содержащий зеркальный отражатель и приемник излучения с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости миделя, отличающийся тем, что концентратор выполнен в виде кольцеобразного полутороидального отражателя, а приемник излучения имеет размеры, равные диаметру поперечного сечения полутора, и установлен в центре симметрии модуля.