СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК F24J2/14 G02B17/00 

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

Известен солнечный модуль с концентратором, выполненным в виде прозрачной фокусирующей призмы с треугольным поперечным сечением и устройства отражения проходящего через фокусирующую призму излучения, расположенного с зазором относительно фокусирующей призмы со стороны грани переотражения излучения. Устройство отражения выполнено в виде одной призмы или набора призм (авт.свид. СССР №1089365, БИ 1984, №16).

Недостатком солнечного модуля с концентратором является большая масса призменного концентратора и высокая стоимость изготовления фокусирующей призмы и призмы устройства отражения.

Известен солнечный модуль с концентратором в виде прозрачной фокусирующей призмы и устройством отражения в виде плоского зеркального отражателя (патент РФ №2154778, БИ 2000, №23).

Известный солнечный модуль с концентратором имеет малую массу и низкую стоимость. Недостатком известного солнечного модуля с концентратором является невысокий коэффициент концентрации и низкий оптический КПД из-за потерь излучения в устройстве отражения модуля.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации и высокая стоимость модуля, практически равная стоимости фотоэлектрического модуля без концентратора.

Известен солнечный модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридиональной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического (в дальнейшем - полупараболоцилиндрического) отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины полупараболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения, параллельно его основанию, и совпадает с краем полосы приемника излучения.

Для обеспечения непрерывной работы солнечного модуля в течение года без слежения с наружной стороны защитного прозрачного ограждения установлено с зазором параллельно ему дополнительное защитное прозрачное ограждение, в зазоре между двумя ограждениями установлены управляемые дистанционно горизонтальные жалюзи с фацетами, которые имеют с двух сторон зеркальное покрытие, а ширина фацет в 3-4 раза превышает расстояние между фацетами (прототип). (Патент РФ №2172903 от 07.04.2000, БИ 2000, №24). Недостатком известного модуля является необходимость периодического изменения угла наклона жалюзи при изменении положения солнца.

Другим недостатком известного модуля являются большие косинусные потери излучения, равные 1-cos (90°-2δ), где δ - параметрический угол концентратора, связанные с отклонением плоскости симметрии полупараболоцилиндрического отражателя от нормали к рабочей поверхности модуля, и оптические потери на пропускание в горизонтальных жалюзи с фацетами. Например, при апертурном угле φ=24° косинусные потери солнечного излучения составляют 1-cos 42°=0,257, т.е. 25,7%.

Задачей изобретения является повышение оптического КПД за счет снижения косинусных потерь, повышение коэффициента концентрации солнечного излучения и увеличение продолжительности работы модуля в стационарном состоянии без слежения за солнцем.

Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии и снижении стоимости получения электроэнергии и теплоты.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащем на рабочей поверхности защитное покрытие, на которое падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с параметрическим углом δ и поверхностью входа и выхода лучей и приемник излучения в виде полосы, фокальная область полупараболоцилиндрического зеркального отражателя смещена к одной из сторон защитного покрытия и совпадает с краем полосы приемника излучения, защитное покрытие выполнено в виде прозрачной для излучения отклоняющей оптической системы из набора призм с острым углом Ψ между поверхностями входа и выхода лучей, приемник установлен в фокальной плоскости между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, поверхность входа лучей отклоняющей оптической системы параллельна поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, а угол входа лучей β₀, острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя следующим соотношением:

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором концентратор выполнен из двух симметричных зеркальных полупараболоцилиндрических отражателей с общим двухсторонним приемником в плоскости симметрии, защитное покрытие выполнено из двух отклоняющих лучи встречно оптических систем, а угол между поверхностями входа двух отклоняющих оптических систем равен Q=180°-2β₀.

В солнечном модуле с концентратором, содержащем на рабочей поверхности защитное покрытие, на которое падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с параметрическим углом δ и поверхностью входа и выхода лучей и приемник излучения в виде полосы, фокальная область полупараболоцилиндрического зеркального отражателя смещена к одной из сторон защитного покрытия и совпадает с краем полосы приемника излучения, защитное покрытие выполнено в виде прозрачной для излучения отклоняющей оптической системы из набора призм с острым углом Ψ между поверхностями входа и выхода лучей, приемник установлен в фокальной плоскости между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, поверхность входа лучей отклоняющей оптической системы наклонена к поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя под углом Ψ, а угол между направлением входа лучей и поверхностью входа палупараболоцилиндрического зеркального отражателя $${\beta }_0^{/}$$ , острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического отражателя следующим соотношением:

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором концентратор выполнен из двух симметричных зеркальных полупараболоцилиндрических отражателей с общим двухсторонним приемником в плоскости симметрии, защитное покрытие выполнено из двух отклоняющих лучи встречно оптических систем, а угол между поверхностями входа двух отклоняющих оптических систем равен $$Q_2={180}^{\circ }-2{\beta }_0^{/}$$ .

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

На фиг. 1 - общий вид солнечного модуля с концентратором, у которого поверхность входа лучей оптической отклоняющей системы параллельна поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя. На фиг. 2 - солнечный модуль с концентратором, у которого поверхность входа лучей оптической отклоняющей системы наклонена к поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя под углом Ψ. На фиг. 3 - солнечный модуль с концентратором, состоящий из двух отклоняющих оптических систем и двух полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с общим двухсторонним приемником.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с параметрическим углом δ с поверхностью входа лучей 2, ширина которой равна D. Приемник 3 в виде полосы шириной d=OF установлен в фокальной плоскости OF между фокальной осью F и вершиной О полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1. На поверхности входа лучей 2 установлено защитное покрытие в виде прозрачной отклоняющей оптической системы 4 с поверхностью входа 5 и выхода лучей 6 из набора призм 7 с острым углом Ψ и коэффициентом преломления n. Поверхность входа 5 оптической отклоняющей системы 4 параллельна поверхности входа 2 лучей зеркального отражателя 1.

На фиг. 1 показан ход лучей в солнечном модуле с концентратором, где β₀ - угол входа лучей на поверхности входа 5 отклоняющей оптической системы 4, β₁ - угол преломления лучей в поверхности входа 5 внутри отклоняющей оптической системы 4, β₂ - угол между лучом нормалью к поверхности выхода 6 лучей внутри отклоняющей оптической системы 4, β₃ - угол выхода лучей на поверхности выхода 5 снаружи отклоняющей оптической системы 4, β₄ - угол входа лучей у поверхности входа 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1.

Углы β₀, β₁, β₂, β₃ и β₄ являются углами между направлениями лучей и нормалью к соответствующей поверхности. Поскольку поверхность входа 2 лучей параллельна поверхности входа 5 лучей, угол β₀, ответственный за косинусные потери, равен углу между направлением лучей входа в солнечный модуль с концентратором и поверхностью входа 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1

Косинусные потери за счет отклонения потока солнечного излучения от нормали к поверхности входа лучей 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1:

Расчеты по формулам (1)-(7) для δ=26,1° приведены в таблице 1.

Согласно таблице 1 предлагаемая конструкция солнечного модуля с концентратором позволяет уменьшить косинусные потери по сравнению с прототипом с 21% (Ψ=0) до 7% при Ψ=20° и до 1,4% при Ψ=32°. Эффективный апертурный угол солнечного модуля с концентратором увеличивается с δ до величины $$\frac{{90}^{\circ }-{\beta }_0}{2}$$ .Для Ψ=24° β₀=17,8°, эффективный апертурный угол солнечного модуля с концентратором увеличивается с δ=26,1 до $$\frac{{90}^{\circ }-1{\beta }_0}{2}={36}^{\circ }$$ , что при изменении солнечного склонения на 7,83° в месяц соответствует увеличению продолжительности работы в стационарном режиме на $$\frac{{\mathrm{26,1}}^{\circ }}{{\mathrm{7,83}}^{\circ }}\cdot 2=\mathrm{6,7}$$ месяца до $$\frac{{36}^{\circ }}{{\mathrm{7,83}}^{\circ }}\cdot 2=\mathrm{9,2}$$ месяца.

На фиг. 2 отклоняющая оптическая система 8 выполнена в виде одной призмы 9, поверхность входа 10 которой наклонена к поверхности входа лучей 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1 под углом Ψ, а поверхность выхода 11 лучей отклоняющей оптической системы 8 параллельна поверхности 2 входа лучей зеркального отражателя 1. Угол $${\beta }_0^{/}$$ , ответственный за косинусные потери, является углом между направлением β₀ лучей на поверхности входа 10 лучей отклоняющей оптической системы 8 и нормалью к поверхности входа 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1.

На фиг. 2 углы β₀, $${\beta }_0^{/}$$ , β₁, β₂, β₃ и β₄ связаны соотношениями:

Из (8)-(13) определим общее соотношение между $${\beta }_0^{/}$$ , Ψ и δ:

Результаты расчета по формулам (8)-(14) для δ=26,1° приведены в табл. 2.

Из сравнения результатов расчета в таблицах 1 и 2 следует, что расположение призменных отражателей согласно фиг. 1 является предпочтительным, так как при одинаковом угле Ψ увеличивает угловую апертуру солнечного модуля с концентратором на большую величину по сравнению с фиг. 2 при значительно меньших косинусных потерях.

На фиг. 3 солнечный модуль с концентратором содержит две отклоняющие оптические системы 12 и 13 и два полупараболоцилиндрических зеркальных отражателя 14 и 15, у которых поверхность входа 16 отклоняющей оптической системы 12 параллельна поверхности входа 17 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 14, а поверхность входа 18 отклоняющей оптической системы 13 параллельна поверхности входа 19 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 15. Угол между поверхностями входа 16 и 18, 17 и 19 равен Q₁=180°-2β₀. Солнечный модуль с концентратором на фиг. 3 имеет общую фокальную ось F и двухсторонний общий приемник 20, установленный в плоскости симметрии 21 солнечного модуля, проходящей через общую фокальную ось F.

Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором с учетом косинусных потерь равен:

Солнечные модули на фиг. 1 и 2 могут работать в стационарном режиме без слежения за солнцем, при этом они в пределах апертурного угла δ концентрируют как прямую, так и рассеянную солнечную радиацию. Солнечный модуль на фиг. 3 также концентрирует прямую и рассеянную солнечную радиацию, но требует слежения за солнцем, так как отклоняющие оптические системы 12 и 13 и полупараболоцилиндрические отражатели 14 и 15 установлены встречно для собирания лучей на общем двухстороннем приемнике 20. При этом коэффициент концентрации солнечного излучения увеличивается в два раза по сравнению с солнечным модулем с концентратором на фиг. 1.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1). Солнечное излучение поступает под углом β₀ на поверхность 1 входа лучей 5 отклоняющей оптической системы 4 из набора призм 7 с острым углом Ψ с коэффициентом преломления n, входит в призму под углом β₁, выходит из призмы под углом β₃ и поступает на поверхность входа 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1 под углом β₄, отражается от полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1 и поступает на приемник 3 при условии β₄≥90°-2δ.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором. Отклоняющая оптическая система 4 состоит из набора призм с острым углом Ψ=24°, D=0,550 м, длиной 4,25 м. Угол входа лучей β₀=17,8°, угол β₄=37,8°, апертурный угол полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1δ=26,1°, зеркальный отражатель 1 выполнен из стеклянных фацет. Приемник 3 имеет размеры 125×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 125×31,25 мм, соединенных последовательно. Геометрический коэффициент концентрации к=4,92, косинусные потери 4,8%, оптический КПД 80%, КПД приемника 15%. Площадь модуля 0,6875 м². Общий КПД модуля 11,946%. Пиковая электрическая мощность 82,13 Вт при освещенности 1 кВт·м² и температуре 25°С.

Солнечные планарные кремниевые модули в 2014 г. продавались по заводской цене 0,945 долл./Вт в Германии и 0,792 долл./Вт в Китае (Beate Knoll, Anne Kreutzmanna. Pain threshold reached. Photon International, March 2014, p. 40-44). При среднем КПД 15% стоимость модулей составляет 141,75 долл./м² в Германии и 118,8 долл./м² в Китае. Несмотря на то, что стоимость установленной мощности солнечных энергоустановок ниже стоимости угольных и атомных электростанций, стоимость электрической энергии, вырабатываемой солнечными энергоустановками, превышает стоимость электрической энергии от традиционных источников энергии. Основная причина - низкий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) солнечных энергоустановок от 0,114 в Германии до 0,17 в Анапе (Россия) и 0,25 в экваториальных странах. Чтобы компенсировать низкий КИУМ, необходимо дальнейшее снижение стоимости солнечных модулей и использование солнечных концентраторов.

Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 4-5 из условия естественного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Солнечные модули с концентраторами на фиг. 1, 2 могут быть использованы в стационарном исполнении для крыш и фасадов домов и на фиг. 3 со следящими системами для установки на земле. При стоимости зеркальных отражателей 30 долл./м², концентрации 5, оптическом КПД 0,85 и электрическом КПД 15% стоимость солнечного модуля с концентратором составит для Германии 86,58 долл./м², 0,378 долл./Вт, т.е. снизится в 2,5 раза, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля. Стоимость солнечного модуля с концентратором для Китая составит 52 долл./м², 0,349 долл./Вт, т.е. снизится в 2,27 раза по сравнению с солнечным модулем без концентратора.

По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет небольшие косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость. Приемник 3 и 20 может быть выполнен с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и (или) горячей воды.

Солнечный модуль содержит на рабочей поверхности защитное покрытие, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с параметрическим углом δ с поверхностью входа и выхода лучей и приемник излучения в виде полосы. Защитное покрытие выполнено в виде отклоняющей оптической системы из набора призм с острым углом Ψ между поверхностями входа и выхода лучей. Фотоприемник установлен в фокальной плоскости между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя. Поверхность входа лучей отклоняющей оптической системы параллельна поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя или наклонена к ней под углом Ψ. Угол входа лучей β₀ или угол между направлением входа лучей и поверхностью входа зеркального отражателя $${\beta }_0^{/}$$ , а также острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ отражателя соответствующими соотношениями, приведенными в формуле изобретения. Технический результат - повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получения электроэнергии и теплоты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий на рабочей поверхности защитное покрытие, на которое падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с параметрическим углом δ с поверхностью входа и выхода лучей и приемник излучения в виде полосы, фокальная область полупараболоцилиндрического зеркального отражателя смещена к одной из сторон защитного покрытия и совпадает с краем полосы приемника излучения, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено в виде прозрачной для излучения отклоняющей оптической системы из набора призм с острым углом Ψ между поверхностями входа и выхода лучей, приемник установлен в фокальной плоскости между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, поверхность входа лучей отклоняющей оптической системы параллельна поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, а угол входа лучей β₀, острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя следующим соотношением:

2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что концентратор выполнен из двух симметричных зеркальных полупараболоцилиндрических отражателей с общим двухсторонним приемником в плоскости симметрии, защитное покрытие выполнено из двух отклоняющих лучи встречно оптических систем, а угол между поверхностями входа двух отклоняющих оптических систем равен Q=180°-2β₀.

3. Солнечный модуль с концентратором, содержащий на рабочей поверхности защитное покрытие, на которое падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с параметрическим углом δ и поверхностью входа и выхода лучей и приемник излучения в виде полосы, фокальная область полупараболоцилиндрического зеркального отражателя смещена к одной из сторон защитного покрытия и совпадает с краем полосы приемника излучения, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено в виде прозрачной для излучения отклоняющей оптической системы из набора призм с острым углом Ψ между поверхностями входа и выхода лучей, приемник установлен в фокальной плоскости между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, поверхность входа лучей отклоняющей оптической системы наклонена к поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя под углом Ψ, а угол между направлением входа лучей и поверхностью входа полупараболоцилиндрического зеркального отражателя , острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического отражателя следующим соотношением:

4. Солнечный модуль с концентратором по п. 3, отличающийся тем, что концентратор выполнен из двух симметричных зеркальных полупараболоцилиндрических отражателей с общим двухсторонним приемником в плоскости симметрии, защитное покрытие выполнено из двух отклоняющих лучи встречно оптических систем, а угол между поверхностями входа двух отклоняющих оптических систем равен .