СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С ПАРАБОЛОТОРИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 2014 года по МПК F24J2/10 G02B5/10 

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами.

Известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде параболоида (Стребков Д.С., Росс М.Ю., Джайлани А.Т., Митина И.В. «Солнечная установка с концентратором». Патент РФ №2396493, Бюл. №22, 2010).

Известные солнечные модули имеют концентраторы, создающие в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы кремниевыми планарными ФЭП.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрический преобразователя расположенного в фюкальной плоскости с равномерным распределением концентрированного излучения (Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскас А.Л., Майоров ВА., Ясайтис Д-Ю.Ю. «Концентратор солнечной энергии». Патент СССР №1794254, 3.04.91.).

Недостачами известного технического решения являются:

- снижение КПД планарными кремниевыми фотоэлектрическими приемниками (ФЭП) при высоких концентрациях солнечного излучения;

- расположение оптического фокуса на оси фотоэлектрического модуля и концентрическое распределение освещенности поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП);

- низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 В) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле, чтобы набрать напряжение 12 В и выше, приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п.

Последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерного освещения фотоэлектрического приемника, получение на одном ФЭП (модуле) технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения - на поверхности высоковольтного фотоэлектрического преобразователя формируется равномерная освещенность концентрированного излучения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле с параболоторическим концентратором, состоящем из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения, солнечный фотоэлектрический модуль содержит параболоторический концентратор и цилиндрический фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством охлаждения и выполненный в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной h_o и с внутренним радиусом r_o; концентратор, представляющий тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящий из нескольких зон (a-b, b-c, c-d), выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в фокальной цилиндрической области из отдельных зон концентратора, причем форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнении соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника: Х²=4[f_o+h/m)Y]; tg2α=[(f_o+h)-Y]/X; tgβ=(X_c-X_b)/(Y_c-Y_b); tgγ=(X_a-X_b)/(Y_a-Y_b); K=[(X+r_o)²-r_o ²]/2r_oh,

где f_o - фокусное расстояние параболы;

h=nΔh, Δh=h_o/N, где n выбирается из ряда чисел n=1, 2, 3…N;

m - коэффициент, выбираемый в соответствии с граничными условиями.

α - угол (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) между касательной в точке координат X, У и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f_o+h, расположенную на радиусе r_o;

β - угол (в зоне рабочего профиля концентратора b-c) между касательной в точке координат X_c, У_c и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f_o+h_o, расположенную на радиусе r_o;

γ - угол (в зоне рабочего профиля концентратора a-b) между касательной в точке координат X_b, У_b и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f_o+h_o, расположенную на радиусе r_o.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4.

На фиг.1 представлена схема конструкции солнечного фотоэлектрического модуля с составным параболоторическим концентратором обеспечивающим равномерное осевое распределение концентрированного излучения на поверхности цилиндрического фотоэлектрического приемника.

На фиг.2 представлен ход лучей от параболоторического концентратора до фотоэлектрического приемника.

На фиг.3 представлена форма отражающей поверхности концентратора - график зависимости Х(У).

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на фотоэлектрическом приемнике модуля от ширины фокальной области (от 0 до h) в относительных единицах (от 0 до 1).

Фотоэлектрический модуль содержит: параболоторический концентратор 1, состоящий из нескольких зон с рабочими профилями a-b, b-c, c-d, которые создают цилиндрическую фокальную область с равномерной освещенностью 2 на поверхности цилиндрического фотоэлектрического приемника 3, выполненного в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной h_o и с внутренним радиусом цилиндрического приемника r_o и устройством охлаждения 4.

Основные расчетные соотношения хода лучей от параболоторического концентратора до фотоэлектрического приемника:

где α - угол (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) между касательной в точке координат Х, У и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f₀+h, расположенную на радиусе r_o.

где β - угол (в зоне рабочего профиля концентратора b-c) между касательной в точке координат X_c, У_c и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f₀+h₀, расположенную на радиусе r_o.

где γ - угол (в зоне рабочего профиля концентратора a-b) между касательной в точке координат X_b, У_b и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f₀+h₀, расположенную на радиусе r_o.

Значения координат X, У (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) при освещенности приемника 3 в интервалах Δh=h₀/N, h=nΔh, где n выбирается из ряда чисел n=1, 2, 3…N соответствуют выражениям:

где коэффициенты k, m выбираются в соответствии с граничными условиями.

Значения координат X_b, У_b в зоне рабочего профиля концентратора b-c, где bc прямая линия соответствуют выражениям:

Значения координат X_a, У_a в зоне рабочего профиля концентратора a-b, где ab прямая линия соответствуют выражениям:

Геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника 3 K_n в интервалах радиуса концентратора ΔX_n=X_n-X_n-1 равна:

На основании приведенных формул произведен расчет формы отражающей поверхности концентратора - график зависимости Х(У) (фиг.3)

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на приемнике фотоэлектрического модуля от ширины фокальной области (от 0 до h) в относительных единицах (от 0 до 1).

При уменьшении высоты h₀ фотоэлектрического приемника 3 т.e. при уменьшении площади фотоэлектрического приемника 3 происходит увеличение геометрической концентрации фотоэлектрического модуля K.

Таким образом, можно изменять геометрическую концентрацию фотоэлектрического модуля, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и выбранный тип фотоэлектрического приемника 3.

На основании приведенных характеристик видно, что изменение концентрации освещенности по высоте фотоэлектрического преемника 3 не превышает 10%, что не влияет на электрофизические характеристики ФЭП.

Пример выполнения солнечного модуля с параболоторическим концентратором.

Концентратор 1 радиусом R=228 мм выполнен из алюминиевого листа с зеркально отражающей внутренней поверхностью с рабочим профилем обеспечивающим равномерную концентрацию лучей на фотоэлектрический преемник 3, выполненного в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП высотой h₀=40 мм шириной Δr=10 мм и с внутренним радиусом r_o=60 мм, закрепленного на цилиндрическом устройстве охлаждения 4. Концентрация освещенности на всей поверхности фотоэлектрического приемника 3 составит К=10 крат.

Таким образом, предложенный фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями и параболоторическим концентратором 1 обеспечивает: равномерное распределение освещенности на фотоэлектрическом приемнике 3 из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных ФЭП, тем самым повышая напряжение модуля и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.

Работает солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на поверхность параболоторического концентратора 1, отражается под углами наклона α, β, γ, ориентированными в своих зонах (a-b, b-c, c-d) таким образом, чтобы они обеспечивали концентрацию лучей в фокальной области 2, формируя на поверхности фотоэлектрического приемника 3 с устройством охлаждения 4 равномерную освещенность концентрированного излучения; фотоэлектрический приемник 3 выполнен в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей высотой h₀ и с внутренним радиусом r_o.

Фотоэлектрический модуль содержит параболоторический концентратор и цилиндрический фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством охлаждения и выполненный в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной h_o и с внутренним радиусом r_o. Концентратор представляет собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью, состоящей из нескольких зон (a-b, b-c, c-d), и выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в фокальной цилиндрической области из отдельных зон концентратора. Форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, приведенной в формуле изобретения. Технический результат - обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерном освещении фотоэлектрического приемника, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии. 4 ил.

Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором, состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения, отличающийся тем, что солнечный фотоэлектрический модуль содержит параболоторический концентратор и цилиндрический фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством охлаждения и выполненный в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной h_o и с внутренним радиусом r_o; концентратор, представляющий тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящий из нескольких зон (a-b, b-c, c-d), выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в фокальной цилиндрической области из отдельных зон концентратора, причем форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника:
X²=4[(f_o+h/m)Y]; tg2α=[f_o+h)-Y]/X; tgβ=(X_c-X_b)/(Y_c-Y_b);
tgγ=(X_a-X_b)/(Y_a-Y_b); K=[(X+r_o)²-r_o ²]/2r_oh,
где f_o - фокусное расстояние параболы;
h=nΔh, Δh=h_o/N, где n выбирается из ряда чисел n=1, 2, 3…N;
m - коэффициент выбираемый в соответствии с граничными условиями;
α - угол (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) между касательной в точке координат X, У и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область на уровне f_o+h, расположенную на радиусе r_o;
β - угол (в зоне рабочего профиля концентратора b-с) между касательной в точке координат Х_с, У_с и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область на уровне f_o+h_o, расположенную на радиусе r_o;
γ - угол (в зоне рабочего профиля концентратора а-b) между касательной в точке координат X_b, У_b и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f_o+h_o, расположенную на радиусе r_o.