СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С ПАРАБОЛОТОРИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОРОМ В СОСТАВЕ С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА Российский патент 2014 года по МПК H02S10/00 H02S40/22 

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами. В частности, изобретение относится к солнечной энергетической системы, которая использует двигатель Стерлинга для управления средствами производства электроэнергии.

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 области, достигающие 2000 крат и более, которые могут быть использованы для нагрева рабочих тел.

Известно устройство (прототип) преобразования солнечной энергии в тепловую энергию нагрева рабочего тела, за счет работы которого двигатель Стерлинга посредством электрического генератора производит электроэнергию. (Джек Э. Нильсон, Stonegate Ct, Чарльз Д. Cochran, Andover Rd. «Солнечная энергия для производства электроэнергии системы» Патент США, №4586334, 06.05.1986.

Недостатками известного технического решения являются:

- снижение эффективности нагрева всей поверхности фотоприемника при высоких концентрациях солнечного излучения;

- концентрическое распределение освещенности только на боковой поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых двигателей Стерлинга (возможно применение рабочих тел только с фазовыми переходами);

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного модуля при высоких концентрациях и эффективном освещении фотоприемника двигателя Стирлинга, повышение КПД преобразования и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения - на эффективной поверхности фотоэлектрического приемника формируется освещенность концентрированного излучения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что солнечный модуль с параболоторическим концентратором в составе с двигателем Стирлинга содержащий цилиндрический фотоприемник двигателя Стирлинга, установленный в фокальной области с цилиндрическим устройством охлаждения расположенного ниже параболоторического концентратора; отличающийся тем, что концентратор выполнен составным в виде тела вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящего из трех зон a-b, b-c, c-d, причем форма отражающей поверхности концентратора Х(Y) определена системой уравнений соответствующей условию освещенности различных частей поверхности фотоприемника в виде цилиндра длиной Н и радиусом r_o,

а значения координат X, Y в зоне рабочего профиля концентратора а-b определяются выражением:

(X+r_o)²=4f₂*(Y+ΔY), в котором

,

где фокусное расстояние f₂ рассчитывается по формуле:

,

при этом угол ξ в зоне рабочего профиля концентратора а-b между поверхностью цилиндра и отраженным от поверхности в точке координат Х_b, Y_b или падающим на поверхность параболоторического концентратора лучем, приходящим в фокальную область цилиндрического фотоприемника двигателя Стерлинга на уровне H₁-h₀/2, расположенной на радиусе r_o рассчитывается по формуле:

,

где фокусное расстояние f₁ рассчитывается по формуле:

значения коэффициента m - изменяющегося в пределах от 0 до 1, высоты H₁ между координатной осью ОХ и торцевой поверхностью цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, радиуса миделя концентратора R, угла β между отраженным от поверхности в точке координат Х_c, Y_c параболоторического концентратора и лучом приходящим на уровне h_o в фокальную область расположенной на радиусе r_o цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, и перпендикуляром к падающему лучу, выбираются в соответствии с граничными условиями, причем значения координат X, Y в зоне рабочего профиля концентратора b-с, в пределах значений угла α+β определяет в соответствии с выражением:

,

где α - угол в зоне рабочего профиля концентратора b-с между перпендикуляром к падающему лучу и отраженным от поверхности в точке координат Х, Y параболоторического концентратора лучом, приходящим на уровне h изменяющегося в пределах от 0 до h_o в фокальную область, расположенной на радиусе r_o цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга и определяется формулой:

,

γ - угол в зоне рабочего профиля концентратора c-d между отраженным от поверхности в точке координат Х_d, Y_d параболоторического концентратора лучем, приходящим в центр торцевой части фокальной области цилиндрического фотоприемника и уровнем высоты Н цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, определяется из соотношения:

,

при этом значения координат Х, Y в зоне рабочего профиля концентратора с-d определяются в соответствии с формулой:

X²=4f₁*Y,

геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника К определяется выражением:

K=(X-r₁)²/r_o(r_o+2h_o),

где r_o - радиус цилиндра, r₁ - расстояние между осью симметрии 0, Y цилиндра и фокусным расстоянием f₁, h_o - размер фокальной области на боковой поверхности цилиндрического фотоприемника.

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

На фиг.1 представлена схема конструкции фотоэлектрического модуля с составным параболоторическим концентратором и двигателем Стирлинга, обеспечивающим осевое распределение концентрированного излучения на различных частях поверхности цилиндрического фотоприемника.

На фиг.2 представлен ход лучей от параболоторического концентратора до фокальной области цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга.

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

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на боковой поверхности цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга от ширины фокальной области (от 0 до h_o) в относительных единицах (от 0 до 1).

Фотоэлектрический модуль фиг.1 состоит из: параболоторического концентратора 1, который создает фокальную область 2 на поверхности цилиндрического фотоприемника 3 длиной Н, радиусом r_o и расположенного ниже устройством охлаждения 4, входящие в состав двигателя Стирлинга 5.

Параболоторический концентратор 1 фотоэлектрического модуля фиг.2 состоит из трех зон с рабочими профилями: - зона а-b концентрирует солнечное излучение в фокальной области 2 на боковую поверхность цилиндрического фотоприемника 3 на уровне H₁-h_o/2; - зона b-с концентрирует солнечное излучение в фокальной области 2 на всю боковую поверхность цилиндрического фотоприемника 3 высотой h_o, расположенной на радиусе r_o; - зона c-d концентрирует солнечное излучение в фокальной области 2 на торцевую поверхность цилиндрического фотоприемника 3.

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

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на боковой поверхности цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга от ширины фокальной области (от 0 до h_o) в относительных единицах (от 0 до 1).

При уменьшении высоты h_o освещаемой поверхности цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга 3 происходит увеличение геометрической концентрации фотоэлектрического модуля К.

Таким образом, можно изменять геометрическую концентрацию и тем самым температуру нагрева рабочей части поверхности цилиндрический фотоприемник двигателя Стирлинга, не меняя габаритных размеров концентратора 1.

На основании приведенной характеристики видно, что изменение концентрации освещенности по высоте фотоэлектрического преемника h способствует увеличению температуры нагрева наиболее активной части рабочего тела, находящегося внутри цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга.

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 необходимую концентрацию лучей на рабочей поверхности цилиндрического фотоприемника 3 двигателя Стирлинга, выполненного в виде цилиндра высотой h_o=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 цилиндрическиого фотоприемника 3 двигателя Стирлинга составит К=10 крат.

Таким образом, предложенный солнечный модуль с параболоторическим концентратором 1 обеспечивает: распределение освещенности в наиболее активной части цилиндрического фотоприемника 3 двигателя Стирлинга, повышая эффективность рабочего тела двигателя Стирлинга 5 и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.

Работает солнечный модуль с параболоторическим концентратором и составе с двигателем Стирлинга следующим образом.

Солнечное излучение попадает на поверхность параболоторического концентратора 1 и отражается под углами наклона α, β, γ, ζ ориентированные в своих зонах a-b, b-c, c-d таким образом, чтобы они обеспечивали концентрацию солнечного излучения в фокальной области 2 на различных частях поверхности фотоэлектрического приемника 3. Так, лучи отраженные от параболоторического концентратора в зоне а-b концентрируются в фокальной области на поверхности цилиндрического фотоприемника 3 двигателя Стирлинга радиусом r_o на уровне H₁-h_o/2 с гауссовским распределением освещенности; лучи отраженные от параболоторического концентратора в зоне b-с концентрируются в фокальной области 2 на поверхности цилиндрического фотоприемника 3 размером h_o радиусом r_o с распределением освещенности показанном на рис.4; лучи отраженные от параболоторического концентратора в зоне c-d концентрируются в фокальной области на торце цилиндрического фотоприемника с гауссовским распределением освещенности от центра к периферии радиусом r_o.

Фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения относится к гелиотехнике и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками и концентраторами солнечного излучения в виде параболоидов. Солнечный модуль с параболоторическим концентратором с двигателем Стирлинга содержит цилиндрический фотоприемник двигателя Стирлинга, установленный в фокальной области с цилиндрическим устройством охлаждения, расположенным ниже параболоторического концентратора, согласно изобретению, концентратор выполнен составным в виде тела вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящей из трех зон a-b, b-c, c-d, причем форма отражающей поверхности концентратора X(У) определена системой уравнений, соответствующей условию освещенности различных частей поверхности фотоприемника в виде цилиндра длиной H и радиусом r_o, а значения координат X, У в зоне рабочего профиля концентратора a-b определяются выражением:

$${\left(X+r_o\right)}^2=4f_2^{}\ast \left(Y+\Delta Y\right)$$ , в котором

$$\Delta У=\frac{X_b^2}{4f_1}-\frac{{\left(X_b-r_0\right)}^2}{4f_2}$$ ,

где фокусное расстояние f₂ рассчитывается по формуле:

$$f_2=\left(H_1-Y_b-\frac{h_0}{2}\right)\left(1\pm \frac{1}{\sin \zeta }\right)$$ ,

при этом угол ζ в зоне рабочего профиля концентратора a-b между поверхностью цилиндра и отраженным от поверхности в точке координат X_b, У_b или падающим на поверхность параболоторического концентратора лучом, приходящим в фокальную область цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга на уровне H₁-h₀/2, расположенной на радиусе r_o, рассчитывается по формуле:

$$tg\zeta =\frac{H_1-Y_b-h_0/2}{X_b-r_0}$$ ,

где фокусное расстояние f₁ рассчитывается по формуле:

$$f_1=\frac{mRtg\beta +H_1-r_{0}tg\beta }{1+2tg\beta }$$

значения коэффициента m - изменяющегося в пределах от 0 до 1, высоты H₁ между координатной осью ОХ и торцевой поверхностью цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, радиуса миделя концентратора R, угла β между отраженным от поверхности в точке координат Х_C, У_С параболоторического концентратора лучом, приходящим на уровне h₀ в фокальную область, расположенную на радиусе r₀ цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, и перпендикуляром к падающему лучу, выбираются в соответствии с граничными условиями, причем значения координат X, У в зоне рабочего профиля концентратора b-с, в пределах значений угла α+β определяет в соответствии с выражением:

$$X\text{}=2f_1[\frac{1}{\cos (\alpha +\beta )}-tg(\alpha +\beta )]$$ ,

где α - угол в зоне рабочего профиля концентратора b-с между перпендикуляром к падающему лучу и отраженным от поверхности в точке координат X, У параболоторического концентратора лучом, приходящим на уровне h, изменяющимся в пределах от 0 до h_o, в фокальную область, расположенную на радиусе r_o цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга и определяется формулой:

$$tg\alpha =\frac{H_1-Y-\left(h_0-h\right)}{X}$$ ,

γ - угол в зоне рабочего профиля концентратора c-d между отраженным от поверхности в точке координат X_d, У_d параболоторического концентратора лучом, приходящим в центр торцевой части фокальной области цилиндрического фотоприемника, и уровнем высоты H цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, определяется из соотношения:

$$tg\left(\gamma -\beta \right)=\frac{Y-f_1}{X}=\frac{r_1+r_0}{H_1+f_1}$$ ,

при этом значения координат X, У в зоне рабочего профиля концентратора с-d определяются в соответствии с формулой:

X²=4f₁*Y,

геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника K определяется выражением:

K=(X-r₁)²/r_o(r_o+2h_o),

где r_o - радиус цилиндра, r₁ - расстояние между осью симметрии 0, У цилиндра и фокусным расстоянием f₁, h_o - размер фокальной области на боковой поверхности цилиндрического фотоприемника. В результате использования изобретения на эффективной поверхности фотоэлектрического приемника формируется освещенность концентрированного излучения. 4 ил.

Солнечный модуль с параболоторическим концентратором в составе с двигателем Стирлинга, содержащий цилиндрический фотоприемник двигателя Стирлинга, установленный в фокальной области с цилиндрическим устройством охлаждения, расположенным ниже параболоторического концентратора, отличающийся тем, что концентратор выполнен составным в виде тела вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящей из трех зон a-b, b-c, c-d, причем форма отражающей поверхности концентратора X(У) определена системой уравнений, соответствующей условию освещенности различных частей поверхности фотоприемника в виде цилиндра длиной H и радиусом r_o, а значения координат X, У в зоне рабочего профиля концентратора a-b определяются выражением:
$${\left(X+r_o\right)}^2=4f_2^{}\ast \left(Y+\Delta Y\right),$$ в котором
$$\Delta У=\frac{X_b^2}{4f_1}-\frac{{\left(X_b-r_0\right)}^2}{4f_2}$$ ,
где фокусное расстояние f₂ рассчитывается по формуле:
$$f_2=\left(H_1-Y_b-\frac{h_0}{2}\right)\left(1\pm \frac{1}{\sin \zeta }\right)$$ ,
при этом угол ζ в зоне рабочего профиля концентратора a-b между поверхностью цилиндра и отраженным от поверхности в точке координат X_b, У_b или падающим на поверхность параболоторического концентратора лучом, приходящим в фокальную область цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга на уровне H₁-h₀/2, расположенной на радиусе r_o, рассчитывается по формуле:
$$tg\zeta =\frac{H_1-Y_b-h_0/2}{X_b-r_0}$$ ,
где фокусное расстояние f₁ рассчитывается по формуле:
$$f_1=\frac{mRtg\beta +H_1-r_{0}tg\beta }{1+2tg\beta }$$
значения коэффициента m - изменяющегося в пределах от 0 до 1, высоты H₁ между координатной осью ОХ и торцевой поверхностью цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, радиуса миделя концентратора R, угла β между отраженным от поверхности в точке координат Х_C, У_С параболоторического концентратора лучом, приходящим на уровне h₀ в фокальную область, расположенную на радиусе r₀ цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, и перпендикуляром к падающему лучу, выбираются в соответствии с граничными условиями, причем значения координат X, У в зоне рабочего профиля концентратора b-с, в пределах значений угла α+β определяет в соответствии с выражением:
$$X\text{}=2f_1[\frac{1}{\cos (\alpha +\beta )}-tg(\alpha +\beta )]$$ ,
где α - угол в зоне рабочего профиля концентратора b-с между перпендикуляром к падающему лучу и отраженным от поверхности в точке координат X, У параболоторического концентратора лучом, приходящим на уровне h, изменяющимся в пределах от 0 до h_o, в фокальную область, расположенную на радиусе r_o цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга и определяется формулой:
$$tg\alpha =\frac{H_1-Y-\left(h_0-h\right)}{X}$$ ,
γ - угол в зоне рабочего профиля концентратора c-d между отраженным от поверхности в точке координат X_d, У_d параболоторического концентратора лучом, приходящим в центр торцевой части фокальной области цилиндрического фотоприемника, и уровнем высоты H цилиндрического фотоприемника двигателя Стирлинга, определяется из соотношения:
$$tg\left(\gamma -\beta \right)=\frac{Y-f_1}{X}=\frac{r_1+r_0}{H_1+f_1}$$ ,
при этом значения координат X, У в зоне рабочего профиля концентратора с-d определяются в соответствии с формулой:
X²=4f₁*Y,
геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника K определяется выражением:
K=(X-r₁)²/r_o(r_o+2h_o),
где r_o - радиус цилиндра, r₁ - расстояние между осью симметрии 0, У цилиндра и фокусным расстоянием f₁, h_o - размер фокальной области на боковой поверхности цилиндрического фотоприемника.