СОЛНЕЧНЫЙ КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК F24J2/00 F24J2/42 F24J2/46 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным концентраторным модулям для получения электрической и тепловой энергии.

Известен фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор солнечной энергии, выполненный в виде оптически прозрачной призмы полного внутреннего отражения, имеющей форму усеченной четырехугольной пирамиды (а.с. СССР №1620784, МКИ F24J 2/08, БИ №2, 1991 г.).

Разновеликие прямоугольные основания служат гранями входа и выхода излучения. Фотопреобразователь установлен в контакте с гранью выхода излучения, т.е. в контакте с меньшим основанием. Отношение площадей граней призмы, содержащих рабочую поверхность и солнечные элементы, определяет теоретический коэффициент концентрации солнечного фотоэлектрического модуля.

Недостатком данного конструктивного решения является необходимость обрезать круглые пластины кремния, что приводит к увеличению стоимости модуля.

Известен фотоэлектрический модуль, содержащий оптический элемент с трапециевидным поперечным сечением, боковые грани которого выполнены отражающими излучение, а разновеликие основания служат гранями входа и выхода излучения, имеющий форму усеченного конуса (а.с. СССР №1048260, МКИ F24J 3/02, БИ №38, 1983 г.). Недостатком данной конструкции является низкий коэффициент использования рабочей поверхности при формировании солнечных приемных поверхностей из большого числа отдельных фотоэлектрических модулей с приемной поверхностью в виде круга. Коэффициент заполнения поверхности в этом случае мал, следовательно, значительная часть солнечного излучения не попадает на поверхность фотопреобразователя, что приводит к снижению выходной мощности фотоэлектрического модуля.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором лучистой энергии, содержащий оптически прозрачный элемент с входной и выходной гранями и фотопреобразователь, входная грань выполнена в форме шестиугольника. В варианте конструкции модуля используется фотопреобразователь с двухсторонней чувствительностью, который устанавливается на круглых выходных гранях двух идентичных оптических элементов солнечных фотоэлектрических модулей, направленных в противоположные стороны. (Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором лучистой энергии (варианты). Пат. РФ №2158045 20.10.2000 г.).

Недостатком известного модуля является большой объем оптического элемента из стекла и большая трудоемкость его изготовления. Другим недостатком известных солнечных концентраторных модулей является использование в качестве приемников фотопреобразователей без системы охлаждения, что приводит при повышенной концентрации к их перегреву и снижению КПД.

Известен способ изготовления концентраторных модулей на основе призмаконов из органического или оптического стекла с нанесением отражающего слоя из алюминия, серебра или других металлов химическим осаждением или вакуумным напылением (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007 г., стр.91, 95, 104). Недостатком известного способа является большая трудоемкость обработки поверхности из стекла и низкий коэффициент отражения слоев, полученных методом осаждения или вакуумного напыления.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД концентраторного модуля за счет отвода тепла от фотоприемника в модуле и снижение его стоимости за счет использования нового материала оптического элемента и упрощения технологии изготовления концентраторного модуля.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается удельная мощность оптического элемента, упрощается технология изготовления фотоэлектрического модуля и снижается его стоимость.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном концентраторном модуле, содержащем оптически прозрачный элемент с разновеликими входной и выходной гранями, отражающие поверхности на боковых гранях и приемник излучения, установленный на выходной грани меньшего размера, оптический элемент выполнен из отвержденного полисилоксанового геля, расположенного в полости между входной гранью, содержащей защитное прозрачное ограждение, выходной гранью, содержащей приемник излучения, и отражающими поверхностями, а отражающие поверхности выполнены в виде листового тонкостенного зеркального отражателя.

В варианте солнечного концентраторного модуля приемник излучения выполнен в виде фотопреобразователя, соединенного теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем.

В другом варианте солнечного концентраторного модуля приемник выполнен в виде фотопреобразователя и снабжен контуром отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

Еще в одном варианте солнечного концентраторного модуля приемник выполнен в виде фотопреобразователя и снабжен контуром отвода тепла с жидким теплоносителем.

В другом варианте солнечного концентраторного модуля приемник излучения выполнен в виде теплового абсорбера с селективным покрытием на рабочей поверхности, на которую падает излучение, и снабжен контуром отвода тепла с воздушным охлаждением.

В варианте солнечного концентраторного модуля приемник излучения выполнен в виде теплового абсорбера с селективным покрытием, теплоизолированного от оптически прозрачного элемента и зеркального отражателя и соединенного с контуром отвода тепла с жидким теплоносителем.

В солнечном концентраторном модуле, содержащем два идентичных оптически прозрачных элемента, имеющих боковую отражающую поверхность, входную грань и выходную грань меньшего размера и приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный на выходных гранях оптических элементов, направленных в противоположные стороны, оптически прозрачные элементы выполнены из отвержденного полисилоксанового геля, расположенного в полости между двумя входными гранями, образованной двумя защитными прозрачными ограждениями, боковыми отражающими поверхностями, выполненными из листового зеркального отражателя, и каждой стороной приемника.

В варианте солнечного концентраторного модуля приемник излучения выполнен в виде двухстороннего фотопреобразователя, соединенного теплопроводящим материалом с двумя листовыми зеркальными отражателями на внешней стороне боковых отражающих поверхностей.

Еще в одном варианте солнечного концентраторного модуля приемник выполнен в виде двухстороннего фотопреобразователя и снабжен контуром отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

В варианте солнечного концентраторного модуля приемник выполнен в виде двухстороннего фотопреобразователя и снабжен контуром отвода тепла с жидким теплоносителем.

В варианте солнечного концентраторного модуля приемник излучения выполнен в виде двухстороннего теплового абсорбера с селективной поверхностью на двух рабочих поверхностях, на которые падает излучение, и снабжен контуром отвода тепла с воздушным охлаждением.

В варианте солнечного концентраторного модуля тепловой абсорбер с двухсторонней рабочей поверхностью снабжен контуром отвода тепла с водяным охлаждением.

В способе изготовления солнечного концентраторного модуля путем формирования оптического элемента с разновеликими поверхностями входа и выхода и нанесения отражающих поверхностей на боковые грани оптического элемента формируют замкнутую полость с боковыми поверхностями из листового зеркального отражателя, приемником излучения на поверхности выхода и прозрачным защитным ограждением на поверхности входа, заливают в полость предварительно вакуумированную смесь компонентов полисилоксанового геля и проводят структурирование силоксанового геля в полости в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°C в течение 24 часов до температуры 150°C в течение 3 минут при воздействии вибрации.

В варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде фотопреобразователя и соединяют теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем.

В другом варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде фотопреобразователя и присоединяют к фотопреобразователю контур отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

Еще в одном варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде фотопреобразователя и присоединяют к фотопреобразователю контур отвода тепла с жидким теплоносителем.

В способе изготовления солнечного концентраторного модуля путем формирования двух оптически прозрачных элементов с разновеликими поверхностями входа и выхода, нанесения отражающих поверхностей на боковые грани каждого оптического элемента, размещения двухстороннего фотопреобразователя на поверхности выхода меньшего сечения одного из оптически прозрачных элементов и соединения двух оптических элементов по плоскости выходной грани меньшего сечения, формируют две замкнутые полости с разновеликими поверхностями входа и выхода, соединяют указанные полости по поверхности выхода меньшего сечения боковыми поверхностями из листового зеркального отражателя, устанавливают две замкнутые полости поверхностью одного из входов большего сечения на прозрачное защитное ограждение в горизонтальной плоскости, герметизируют поверхность контакта полости и защитного прозрачного ограждения, заливают смесь компонентов силоксанового геля в одну из двух замкнутых полостей, расположенную на защитном прозрачном покрытии, устанавливают приемник на стыке поверхностей выхода меньшего сечения двух полостей, заливают смесь компонентов во вторую замкнутую полость, устанавливают второе защитное прозрачное ограждение на поверхности выхода второй полости, проводят структурирование в обеих замкнутых полостях в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°C в течение 24 часов до температуры 150°С в течение 3 минут при воздействии вибрации.

В варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и соединяют приемник теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем.

В варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему преобразователю контур отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

В другом варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему фотопреобразователю контур отвода тепла с жидким теплоносителем.

В другом варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде теплового абсорбера с двухсторонней рабочей поверхностью с внутренними воздушными каналами и присоединяют тепловой абсорбер к контуру отвода тепла с воздушным охлаждением.

Еще в одном варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде теплового абсорбера с двухсторонней рабочей поверхностью с внутренними каналами для прокачки жидкого теплоносителя и присоединяют тепловой абсорбер к контуру отвода тепла с воздушным охлаждением.

В способе изготовления солнечного концентраторного модуля путем формирования двух оптически прозрачных элементов с разновеликими поверхностями входа и выхода, нанесения отражающих поверхностей на боковые грани каждого оптического элемента, размещения двухстороннего фотопреобразователя на поверхности выхода меньшего сечения одного из оптически прозрачных элементов и соединения двух оптических элементов по плоскости выходной грани меньшего сечения, формируют боковые поверхности двух симметричных изолированных полостей с равновеликими поверхностями входа и выхода из листового зеркального отражателя, закрепляют на прозрачной подложке двухсторонние приемники излучения на расстоянии друг от друга, равном D-d, где D и d - размеры граней входа и выхода, закрепляют на прозрачной подложке боковые листовые зеркальные отражатели поверхностью выхода меньшего сечения по границе приемников излучения, формируют оптические прозрачные элементы путем заливки смеси компонентов полисилоксанового геля в каждую из сформированных полостей, устанавливают прозрачное защитное ограждение на поверхности входа оптически прозрачных элементов, проводят структурирование полисилоксанового геля в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°С в течение 24 часов до температуры 150°C в течение 3 минут при воздействии вибрации, затем формируют оптически прозрачные элементы с другой стороны прозрачной подложки путем закрепления листовых зеркальных отражателей поверхностью выхода меньшего сечения по границе приемников излучения, заливки смеси компонентов силоксанового геля в каждую из сформированных полостей, установки прозрачного защитного ограждения на поверхности входа, структурирования и отверждения полисилоксанового геля при комнатной температуре в течение 90-3 минут при воздействии вибрации.

В варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и соединяют приемник теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем.

В другом варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему преобразователю контур отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

Еще в одном варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему фотопреобразователю контур отвода тепла с жидким теплоносителем.

В варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и соединяют приемник теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем.

В другом варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему преобразователю контур отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

В другом варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему фотопреобразователю контур отвода тепла с жидким теплоносителем.

Еще в одном варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде теплового абсорбера с двухсторонней рабочей поверхностью с внутренними воздушными каналами и присоединяют тепловой абсорбер к контуру отвода тепла с воздушным охлаждением.

Еще в одном варианте способа изготовления солнечного концентраторного модуля приемник изготавливают в виде теплового абсорбера с двухсторонней рабочей поверхностью с внутренними каналами для прокачки жидкого теплоносителя и присоединяют тепловой абсорбер к контуру отвода тепла с воздушным охлаждением.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.9, фиг.10, фиг.11, фиг.12.

На фиг.1 представлено сечение солнечного концентраторного модуля с оптическим элементом в виде усеченной призменной полости, заполненной полисилоксановым гелем, с боковыми листовыми зеркальными отражателями.

На фиг.2 изображен вид в плане солнечного концентраторного модуля с квадратным приемником и оптическим элементом в виде усеченной квадратной призменной полости, заполненной оптически прозрачным полисилоксановым гелем, с четырьмя боковыми плоскими листовыми зеркальными отражателями и конусными зеркальными отражателями в углах призменной полости.

На фиг.3 показан вид в плане солнечного концентраторного модуля с круглым приемником и оптическим элементом в виде усеченной шестигранной призменной полости, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем, с шестью боковыми плоскими зеркальными отражателями.

На фиг.4 представлен вид в плане солнечного концентраторного модуля с круглым приемником и оптическим элементом в виде усеченной конусной полости, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем, с конусными боковыми зеркальными отражателями с обрезанными вертикальными гранями в форме шестиугольника на поверхности входа.

На фиг.5 показан вид в плане солнечного концентраторного модуля из скоммутированных квадратных приемников и оптическим элементом в виде усеченной прямоугольной призменной полости, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем, с двумя боковыми плоскими листовыми зеркальными отражателями.

На фиг.6 показано поперечное сечение солнечного концентраторного модуля, у которого приемник-фотопреобразователь теплоизолирован и снабжен трубчатыми охлаждающими элементами с жидким теплоносителем.

На фиг.7 представлено поперечное сечение солнечного концентраторного модуля из трех оптических элементов и приемников, у которых боковые листовые зеркальные отражатели образуют замкнутые полости для воздушного охлаждения.

На фиг.8 показан вид в плане солнечного концентраторного модуля, состоящего из шести квадратных оптических элементов и квадратных приемников, у которых боковые листовые зеркальные отражатели образуют полости для воздушного охлаждения.

На фиг.9 показан вид в плане солнечного концентраторного модуля из трех прямоугольных оптических элементов и девяти скоммутированных квадратных приемников, боковые листовые зеркальные отражатели оптических элементов образуют полости для воздушного охлаждения.

На фиг.10 представлено поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с общим двухсторонним приемником и двумя оптическими элементами, направленными в противоположные стороны, выполненные в виде двух усеченных пирамидальных полостей, с боковыми гранями из листовых зеркальных отражателей, образующих общий корпус, заполненных отвержденным полисилоксановым гелем и снабженных радиатором водяного охлаждения.

На фиг.11 изображено поперечное сечение солнечного концентраторного модуля из трех двухсторонних приемников, каждый из которых снабжен двумя оптическими элементами из отвержденного полисилоксанового геля, направленными в противоположные стороны, и имеющих общий корпус из листового зеркального отражателя с полостями для воздушного охлаждения.

На фиг.12 показано поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с двухсторонней рабочей поверхностью, у которых двухсторонние преобразователи установлены на стеклянной подложке, разделяющей корпуса оптических элементов и полости для воздушного охлаждения.

На фиг.1 солнечный концентраторный модуль содержит в поперечном сечении оптический прозрачный элемент 1, выполненный из отвержденного полисилоксанового геля 2, расположенного в полости 3 между входной гранью 4, содержащей защитное прозрачное ограждение 5, выходной гранью 6, содержащей приемник излучения 7, и боковыми гранями 8, выполненными из листового тонкостенного зеркального отражателя 9 с линейным размером l. Боковые грани 8 наклонены к поверхности входной грани 4 под углом α.

На фиг.2, 3, 4, 5 показаны различные конструкции солнечного концентраторного модуля, вид в плане, с поперечным сечением, представленным на фиг.1.

На фиг.2 солнечный концентраторный модуль содержит квадратный приемник 10 и оптический элемент 1 в виде усеченной квадратной пирамидальной призменной полости 11, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем 2 с четырьмя боковыми плоскими листовыми зеркальными отражателями 9, которые образуют с поверхностью входной грани 4 угол α, и четырьмя конусными зеркальными отражателями 12 в углах призменной полости 11, которые наклонены к поверхности входной грани 4 под углом β, β>α.

На фиг.3 солнечный концентраторный модуль содержит круглый приемник 13 и оптический элемент 1 в виде усеченной шестигранной пирамидальной призменной полости 14, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем, с шестью боковыми плоскими зеркальными отражателями 9, которые наклонены к поверхности входной грани 4 под углом α.

На фиг.4 круглый приемник 13 установлен на выходной грани 6 оптического элемента 1, выполненного в виде усеченной конусной полости 15, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем. Полость 15 образована конусными боковыми зеркальными отражателями, которые наклонены к поверхности входной грани 4 под углом α, и имеют обрезанные вертикальные грани 16 в форме шестиугольника на поверхности входной грани 4.

На фиг.5 оптический элемент 1 выполнен в виде усеченной прямоугольной пирамидальной призменной полости 17, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем. Боковые грани полости 17 выполнены из двух плоских листовых зеркальных отражателей 9, плоскости которых образуют с входной гранью угол α. Приемник 7 выполнен из четырех скоммутированных фотопреобразователей 18.

На фиг.6 в поперечном сечении приемник излучения - фотопреобразователь 18 теплоизолирован от оптического элемента 1 с помощью вакуумного стеклопакета 19 и с помощью электроизоляционного теплопроводящего покрытия 20 соединен с охлаждающим элементом 21 с жидким теплоносителем, который снабжен теплоизоляцией 22 на наружной поверхности 23 для снижения потерь тепла в окружающую среду. Охлаждающий элемент 21 соединен с контуром системы охлаждения (на фиг.6 не показан).

На фиг.7 в поперечном сечении солнечного концентраторного модуля боковые листовые зеркальные отражатели 9 трех оптических элементов 1, показанных на фиг.1, образуют полости 24 для соединения с системой воздушного охлаждения, содержащей вентилятор и теплообменники (на фиг.7 не показана).

Солнечные концентраторные модули на фиг.8 и 9, вид в плане, имеют поперечное сечение, представленное на фиг.7.

На фиг.8 солнечный концентраторный модуль содержит шесть оптических элементов в виде квадратной усеченной пирамидальной полости 11, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем, и шесть квадратных приемников 10, показанных на фиг.2, у которых боковые листовые зеркальные отражатели 9 образуют полости 24 (см. фиг.7) для соединения с системой воздушного охлаждения (на фиг.8 не показана).

На фиг.9 солнечный концентраторный модуль содержит девять скоммутированных приемников 7 и три оптических элемента 1 (см. фиг.5, фиг.7) в виде усеченной прямоугольной пирамидальной призменной полости 17 (фиг.5) из отвержденного полисилоксанового геля, у которых боковые листовые зеркальные отражатели 9 образуют полости 24, соединенные с системой воздушного охлаждения (на фиг.9 не показана).

На фиг.10 солнечный концентраторный модуль содержит двухсторонний фотопреобразователь 25 и два оптических элемента 1, которые находятся в оптическом контакте с фотопреобразователем 25 выходными гранями меньшего сечения 26 и направлены в противоположные стороны. Боковые грани 27 обоих оптических элементов 1 образуют общий корпус 28, выполненный из плоских листовых зеркальных отражателей 9. Общий корпус 28 заполнен отвержденным полисилоксановым гелем 2. На внешней поверхности боковых зеркальных отражателей 9 установлены трубчатые теплообменники 29 системы охлаждения, которые соединены с насосами и теплообменниками контура с жидким теплоносителем (на фиг.10 не показана).

На фиг.11 солнечный концентраторный модуль содержит три двухсторонних фотопреобразователя 25, каждый из которых снабжен двумя оптическими элементами 1 из отвержденного полисилоксанового геля, направленными в противоположные стороны. Оптические элементы 1 имеют общий корпус 28 из листовых плоских зеркальных отражателей 9. Внешние поверхности зеркальных отражателей 9 образуют полости 24 для соединения с системой воздушного охлаждения. Наружные боковые поверхности модуля имеют раму 30.

На фиг.12 солнечный концентраторный модуль содержит три двухсторонних фотопреобразователя 25, закрепленных на плоской стеклянной подложке 31. С двух сторон каждого фотопреобразователя 25 к стеклянной подложке 31 прикреплены два оптических элемента 1 с боковыми стенками из листовых зеркальных отражателей 9, заполненных отвержденным полисилоксановым гелем. Обе грани входа 4 модуля имеют защитное прозрачное ограждение 5. Внешние поверхности листовых зеркальных отражателей 9 образуют полости 24, которые соединены с системой воздушного охлаждения (на фиг.12 не показана).

Примеры выполнения солнечного концентраторного модуля.

Пример 1. Солнечный концентраторный модуль содержит несколько рядов из скоммутированных последовательно фотопреобразователей 18 из кремния (фиг.5). Размеры фотопреобразователей: ширина 62,5 мм, длина 125 мм. Каждый ряд содержит 9 фотопреобразователей 18 и имеет размеры: ширина 62,5 мм, длина 1135 мм. Фотопреобразователи 18 прикреплены к подложке из закаленного стекла толщиной 3 мм и образуют грань выхода. По краям каждого ряда к стеклянной подложке прикреплены под углом α=30° плоские зеркальные листовые отражатели 9 из полированного алюминия толщиной 0,5 мм, заполненные отвержденным полисилоксановым гелем. Входные грани 4 имеют общее защитное ограждение 5 из закаленного стекла толщиной 3 мм. Размеры оптических элементов 1: ширина входной грани 125 мм, ширина выходной грани 62,5 мм, длина 1135 мм. Количество рядов с оптическими элементами - 4, количество скоммутированных фотопреобразователей 36, геометрический коэффициент концентрации 2, пиковая электрическая мощность модуля - 75 Вт, рабочее напряжение - 16 В. Размеры модуля: длина 1135 мм, ширина 55 мм, толщина 25 мм.

Пример 2. Солнечный концентраторный модуль (фиг.2) содержит 18 квадратных приемников 10, скоммутированных последовательно и закрепленных на подложке из закаленного стекла толщиной 3 мм. Размеры фотопреобразователей 10 из кремния 125×125 мм. Каждый фотопреобразователь 10 имеет оптический элемент 1 в виде четырехгранной усеченной пирамидальной полости 11, заполненной отвержденным полисилоксановым гелем. Боковые грани 9 оптического элемента 1 выполнены из полированного алюминия толщиной 0,5 мм и наклонены к плоскости входной грани 4 под углом α=48°. Отражающие поверхности 12 в углах оптического элемента 1 выполнены конусными, с углом наклона к поверхности входной грани 4 β=52°. Размеры входной грани 250х250 мм, размеры выходной грани 125×125 мм. Модуль содержит общее защитное прозрачное ограждение 5 из закаленного стекла толщиной 3 мм и имеет размеры 75 мм × 150 мм × 40 мм. Пиковая электрическая мощность модуля 150 Вт, рабочее напряжение 16 В.

Пример выполнения способа изготовления солнечного концентраторного модуля.

Коммутируют последовательно двенадцать двухсторонних фотопреобразователей 25 размером 125×125 мм в секцию (фиг.12). Три секции коммутируют между собой и закрепляют на прозрачной подложке 31 с расстоянием между секциями, равном D-d=250-125=125 мм, где D=250 мм и d=125 мм - линейные размеры входной 4 и выходной 6 грани оптического элемента 1. Закрепляют по периметру каждой секции на прозрачной подложке 31 боковые листовые зеркальные отражатели 9 под углом α=30° к плоскости фотопреобразователей 25 таким образом, чтобы расстояние между свободными концами отражателей 9 составляло 250 мм при размере отражателя 33 l=72 мм. Формируют оптические элементы 1 путем заливки предварительно вакуумированной смеси компонентов полисилоксанового геля, устанавливают общее прозрачное защитное ограждение 5 из закаленного стекла на грани входа 4 всех оптических элементов 1, проводят структурирование полисилоксанового геля 2 при температуре 50°С в течение 1,5 час при воздействии вибрации, затем аналогичным способом формируют оптические элементы 1 симметрично с противоположной стороны прозрачной подложки 31. Закрепляют раму 30 по периметру модуля. На раме закрепляют коробку с токовыводами от скоммутированных секций. Полученный модуль имеет коэффициент концентрации 2 при освещении с каждой стороны, напряжение 16 В, мощность 75 Вт.

Солнечный концентраторный модуль работает следующим образом.

Солнечное излучение попадает через защитное прозрачное ограждение 5 на входную грань 4 оптического элемента 1, проникает внутрь, достигая боковых граней 8, отражается от листовых зеркальных отражателей 9 к приемнику 7 (фиг.1) или к входной грани 4 (фиг.6) под углом полного внутреннего отражения φ, после чего отражается к выходной грани 6 выхода оптического излучения на приемник излучения 7. Угол полного внутреннего отражения

,

где n - коэффициент преломления для входной грани из стекла n=1,51, φ=42°.

Для входной грани из полисилоксанового геля n=1,406, φ=45,3°.

Для излучения, попадающего на входную грань 4 под углом β к поверхности, условие полного внутреннего отражения будет выполняться при следующем соотношении между углами α, β и φ:

,

где все углы отсчитываются от нормали к поверхности отражения. Знак «минус» соответствует 0≤β≤90°, а знак «плюс» - 90°≤β<0.

В сдвоенном солнечном концентраторном модуле двухсторонний фотопреобразователь 25 с двухсторонней чувствительностью установлен на выходных гранях 6 двух оптических элементов 1, направленных в противоположные стороны (фиг.10). Солнечное излучение поступает на двухсторонний фотопреобразователь 25 с двух сторон за счет прямого солнечного излучения и за счет отражения солнечного излучения от окружающей среды, например от поверхности снега. Коэффициент концентрации солнечного концентраторного модуля равен:

,

где S_вх - площадь входной грани 4, S_вых - площадь выходной грани 6.

Для квадратного приемника 7 на фиг.2:

S_вх=D²,

S_вых=d₂,

где D и d - линейные размеры входной грани 4 и приемника излучения 7; толщина оптического элемента 1:

;

линейный размер входной грани 4:

D=d+2h ctg α;

размер l бокового листового зеркального отражателя 9:

;

коэффициент концентрации:

Приравнивая нулю производную , получим d=2h·ctgα, что соответствует условию максимальной концентрации.

Конструкция солнечного концентраторного модуля и способ его изготовления позволяют решать следующие задачи:

1. Повышение КПД преобразования солнечной энергии и удельной мощности модуля за счет использования систем воздушного или жидкостного охлаждения.

2. Создание когенерационных солнечных энергоустановок за счет получения электрической и тепловой энергии в модуле.

3. Снижение стоимости оптических элементов за счет замены оптического стекла в призменных концентраторах полисилоксановым гелем.

4. Снижение затрат на изготовление солнечного концентраторного модуля за счет исключения трудоемкой операции обработки стеклянных призм и использования технологии заливки смеси компонентов полисилоксанового геля в полости из зеркальных отражателей и формирования оптических элементов путем отверждения полисилоксанового геля.

5. Предлагаемый способ позволяет изготавливать оптические элементы сложной конфигурации в процессе сборки солнечного концентраторного модуля.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным концентраторным модулям для получения электрической и тепловой энергии. В солнечном концентраторном модуле, содержащем оптически прозрачный элемент с разновеликими входной и выходной гранями, отражающие поверхности на боковых гранях и приемник излучения, установленный на выходной грани меньшего размера, оптический элемент выполнен из отвержденного полисилоксанового геля, расположенного в полости между входной гранью, содержащей защитное прозрачное ограждение, выходной гранью, содержащей приемник излучения, и отражающими поверхностями, а отражающие поверхности выполнены в виде листового тонкостенного зеркального отражателя. В другом варианте модуля оптически прозрачные элементы выполнены из отвержденного полисилоксанового геля, расположенного в полости между двумя входными гранями, образованной двумя защитными прозрачными ограждениями, боковыми отражающими поверхностями, выполненными из листового зеркального отражателя, и каждой стороной приемника. Изготавливают солнечный концентраторный модуль путем формирования оптического элемента с разновеликими поверхностями входа и выхода и нанесения отражающих поверхностей на боковые грани оптического элемента, формируют замкнутую полость с боковыми поверхностями из листового зеркального отражателя, приемником излучения на поверхности выхода и прозрачным защитным ограждением на поверхности входа, заливают в полость предварительно вакуумированную смесь компонентов полисилоксанового геля и проводят структурирование полисилоксанового геля в полости в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°C в течение 24 часов до температуры 150°C в течение 3 минут при воздействии вибрации. В другом варианте способа формируют две замкнутые полости с разновеликими поверхностями входа и выхода, соединяют указанные полости по поверхности выхода меньшего сечения боковыми поверхностями из листового зеркального отражателя, устанавливают две замкнутые полости поверхностью одного из входов большего сечения на прозрачное защитное ограждение в горизонтальной плоскости, герметизируют поверхность контакта полости и защитного прозрачного ограждения, заливают смесь компонентов полисилоксанового геля в одну из двух замкнутых полостей, расположенную на защитном прозрачном покрытии, устанавливают приемник на стыке поверхностей выхода меньшего сечения двух полостей, заливают смесь компонентов во вторую замкнутую полость, устанавливают второе защитное прозрачное ограждение на поверхности выхода второй полости, проводят структурирование в обеих замкнутых полостях в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°C в течение 24 часов до температуры 150°С в течение 3 минут при воздействии вибрации. В результате использования изобретений повышается удельная мощность оптического элемента, упрощается технология изготовления фотоэлектрического модуля и снижается его стоимость. 5 н. и 23 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Солнечный концентраторный модуль, содержащий оптически прозрачный элемент с разновеликими входной и выходной гранями, отражающие поверхности на боковых гранях и приемник излучения, установленный на выходной грани меньшего размера, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен из отвержденного полисилоксанового геля, расположенного в полости между входной гранью, содержащей защитное покрытие, выходной гранью, содержащей приемник излучения, и отражающими поверхностями, а отражающие поверхности выполнены в виде листового тонкостенного зеркального отражателя.

2. Солнечный концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен в виде фотопреобразователя, соединенного теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем.

3. Солнечный концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что приемник выполнен в виде фотопреобразователя и снабжен контуром отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

4. Солнечный концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что приемник выполнен в виде фотопреобразователя и снабжен контуром отвода тепла с жидким теплоносителем.

5. Солнечный концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен в виде теплового абсорбера с селективным покрытием на рабочей поверхности, на которую падает излучение, и снабжен контуром отвода тепла с воздушным охлаждением.

6. Солнечный концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен в виде теплового абсорбера с селективным покрытием, теплоизолированного от оптически прозрачного элемента и зеркального отражателя и соединенного с контуром отвода тепла с жидким теплоносителем.

7. Солнечный концентраторный модуль, содержащий два идентичных оптически прозрачных элемента, имеющих боковую отражающую поверхность, входную грань и выходную грань меньшего размера и приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный на выходных гранях оптических элементов, направленных в противоположные стороны, отличающийся тем, что оптически прозрачные элементы выполнены из отвержденного полисилоксанового геля, расположенного в полости между двумя входными гранями, образованными двумя защитными прозрачными ограждениями, боковыми отражающими поверхностями, выполненными из листового зеркального отражателя, и каждой стороной приемника.

8. Солнечный концентраторный модуль по п.7, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен в виде двухстороннего фотопреобразователя, соединенного теплопроводящим материалом с двумя листовыми зеркальными отражателями на внешней стороне боковых отражающих поверхностей.

9. Солнечный концентраторный модуль по п.7, отличающийся тем, что приемник выполнен в виде двухстороннего фотопреобразователя и снабжен контуром отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

10. Солнечный концентраторный модуль по п.7, отличающийся тем, что приемник выполнен в виде двухстороннего фотопреобразователя и снабжен контуром отвода тепла с жидким теплоносителем.

11. Солнечный концентраторный модуль по п.7, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен в виде двухстороннего теплового абсорбера с селективной поверхностью на двух рабочих поверхностях, на которые падает излучение, и снабжен контуром отвода тепла с воздушным охлаждением.

12. Солнечный концентраторный модуль по п.7, отличающийся тем, что тепловой абсорбер с двухсторонней рабочей поверхностью снабжен контуром отвода тепла с водяным охлаждением.

13. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля путем формирования оптического элемента с разновеликими поверхностями входа и выхода и нанесения отражающих поверхностей на боковые грани оптического элемента, отличающийся тем, что формируют замкнутую полость с боковыми поверхностями из листового зеркального отражателя, приемником излучения на поверхности выхода и прозрачным защитным ограждением на поверхности входа, заливают в полость вакуумированную смесь компонентов полисилоксанового геля и проводят структурирование полисилоксанового геля в полости в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°C в течение 24 ч до температуры 150°С в течение 3 мин при воздействии вибрации.

14. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.13, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде фотопреобразователя и соединяют теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем на внешней стороне боковых граней оптического прозрачного элемента.

15. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.13, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде фотопреобразователя и присоединяют к фотопреобразователю контур отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

16. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.13, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде фотопреобразователя и присоединяют к фотопреобразователю контур отвода тепла с жидким теплоносителем.

17. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля путем формирования двух оптических прозрачных элементов с разновеликими поверхностями входа и выхода, нанесения отражающих поверхностей на боковые грани каждого оптического элемента, размещения двухстороннего фотопреобразователя на поверхности выхода меньшего сечения одного из оптических прозрачных элементов и соединения двух оптических элементов по плоскости выходной грани меньшего сечения, отличающийся тем, что формируют две замкнутые полости с разновеликими поверхностями входа и выхода, соединяют указанные полости по поверхности выхода меньшего сечения боковыми поверхностями из листового зеркального отражателя, устанавливают две замкнутые полости поверхностью одного из входов большего сечения на прозрачное защитное ограждение в горизонтальной плоскости, герметизируют поверхность контакта полости и защитного прозрачного ограждения, заливают смесь компонентов полисилоксанового геля в одну из двух замкнутых полостей, расположенную на защитном прозрачном покрытии, устанавливают приемник на стыке поверхностей выхода меньшего сечения двух полостей, заливают жидкую смесь во вторую замкнутую полость, устанавливают второе защитное прозрачное ограждение на поверхности выхода второй полости, проводят структурирование полисилоксанового геля в обеих замкнутых полостях в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°С в течение 24 ч до температуры 150°C в течение 3 мин при воздействии вибрации.

18. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.17, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и соединяют приемник теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем.

19. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.17, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему преобразователю контур отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

20. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.17, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему фотопреобразователю контур отвода тепла с жидким теплоносителем.

21. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.17, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде теплового абсорбера с двухсторонней рабочей поверхностью с внутренними воздушными каналами и присоединяют тепловой абсорбер к контуру отвода тепла с воздушным охлаждением.

22. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.17, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде теплового абсорбера с двухсторонней рабочей поверхностью с внутренними каналами для прокачки жидкого теплоносителя и присоединяют тепловой абсорбер к контуру отвода тепла с воздушным охлаждением.

23. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля путем формирования двух оптических прозрачных элементов с разновеликими поверхностями входа и выхода, нанесения отражающих поверхностей на боковые грани каждого оптического элемента, размещения двухстороннего фотопреобразователя на поверхности выхода меньшего сечения одного из оптических прозрачных элементов и соединения двух оптических элементов по плоскости выходной грани меньшего сечения, отличающийся тем, что формируют боковые поверхности двух симметричных изолированных полостей с равновеликими поверхностями входа и выхода из листового зеркального отражателя, закрепляют на прозрачной подложке двухсторонние приемники излучения на расстоянии друг от друга, равном D-d, где D и d - размеры граней входа и выхода, закрепляют на прозрачной подложке боковые листовые зеркальные отражатели поверхностью выхода меньшего сечения по границе приемников излучения, формируют оптические прозрачные элементы путем заливки смеси компонентов полисилоксанового геля в каждую из сформированных полостей, устанавливают прозрачное защитное ограждение на поверхности входа оптически прозрачных элементов, проводят структурирование полисилоксанового геля в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°С в течение 24 ч до температуры 150°C в течение 3 мин при воздействии вибрации, затем формируют оптически прозрачные элементы с другой стороны прозрачной подложки путем закрепления листовых зеркальных отражателей поверхностью выхода меньшего сечения по границе приемников излучения, заливки смеси компонентов силоксанового геля в каждую из сформированных полостей, установки прозрачного защитного ограждения на поверхности входа, структурирования полисилоксанового геля в диапазоне температур и продолжительности процесса от температуры 20°С в течение 24 ч до температуры 150°C в течение 3 мин при воздействии вибрации.

24. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.23, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и соединяют приемник теплопроводящим материалом с листовым зеркальным отражателем.

25. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.23, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему преобразователю контур отвода тепла с воздушной системой охлаждения.

26. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.23, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде двухстороннего фотопреобразователя и присоединяют к двухстороннему фотопреобразователю контур отвода тепла с жидким теплоносителем.

27. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.23, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде теплового абсорбера с двухсторонней рабочей поверхностью с внутренними воздушными каналами и присоединяют тепловой абсорбер к контуру отвода тепла с воздушным охлаждением.

28. Способ изготовления солнечного концентраторного модуля по п.23, отличающийся тем, что приемник изготавливают в виде теплового абсорбера с двухсторонней рабочей поверхностью с внутренними каналами для прокачки жидкого теплоносителя и присоединяют тепловой абсорбер к контуру отвода тепла с воздушным охлаждением.