СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 2016 года по МПК H02S10/30 F24J2/42 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла.

Известен солнечный модуль с концентратором на основе параболоцилиндрических фоклинов, установленных с двух сторон по краям фотопреобразователей (Solar Tobay, Yuly/August 1997, р.31).

Недостатком известного модуля является низкий коэффициент концентрации 2-2,5. Другим недостатком является большая высота модуля с концентратором, превышающая размер плоского модуля без концентратора в 4-6 раз.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль, содержащий концентратор энергии, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, на рабочей поверхности призмы установлены миниатюрные зеркальные экраны, выполненные в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, скоммутированные фотопреобразователи выполнены с двусторонней рабочей поверхностью, концентратор - в виде двух симметрично расположенных призм, имеющих общий фотопреобразователь, а на рабочей поверхности концентратора в зоне одной или обеих призм установлены миниатюрные зеркальные экраны (Патент РФ №2133415. Солнечный фотоэлектрический модуль (варианты). / Безруких П.П., Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е. // БИ. 1999. №20).

Недостатками всех известных типов фотоэлектрических модулей является низкая удельная мощность фотопреобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного модуля с концентратором, имеющим размеры в поперечном сечении, соизмеримые с размерами плоского модуля и имеющие повышенную удельную мощность приемника.

В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность приемника.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β₀, выхода лучей β₁ для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β₀ и β₂ для дополнительных зеркальных отражателей, углы φ₀ и φ₁ наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей связаны соотношениями

где φ₀ и φ₁ - углы наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки,

β₀, β₁ и β₂ - углы входа и выхода лучей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между основными зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина основных зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению a=d·sin φ₀, при котором для любых углов φ₀ нижняя грань основного зеркального отражателя и верхняя грань следующего основного зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а ширина дополнительных зеркальных отражателей d₁ удовлетворяет соотношению

где d - ширина основных зеркальных отражателей, а концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с острым углом ψ при вершине, который связан с углом выхода лучей β₁ и коэффициентом преломления материала призмы следующим соотношением:

В другом варианте солнечного модуля с концентратором модуль содержит две отклоняющие лучи встречно оптические системы и два призменных концентратора с общим двусторонним приемником, угол между основными зеркальными отражателями двух разных отклоняющих оптических систем равен 2(φ₀-β₀), а угол между рабочими поверхностями призменных концентраторов составляет 180°-2β₀.

Солнечный модуль с концентратором иллюстрируется на фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлена схема отклоняющей оптической системы солнечного модуля с концентратором (двухмерное изображение).

На фиг. 2 показано пропускание лучей в отклоняющей оптической системе солнечного модуля с концентратором.

На фиг. 3 представлен ход лучей в солнечном модуле с концентратором с одной отклоняющей оптической системой, состоящей из миниатюрных зеркальных экранов в виде жалюзи из параллельных плоских фацет и концентратором в виде призмы полного внутреннего отражения, поперечное сечение.

На фиг. 4 представлен солнечный модуль с концентратором, состоящий из двух отклоняющих лучи встречно оптических систем с миниатюрными зеркальными экранами и двух призменных концентраторов с общим приемником.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит рабочую поверхность 1, на которую падает излучение 2, зеркальную отклоняющую периодическую оптическую систему 3 высотой h, шириной l и длиной L, имеющую поверхность входа 4 и выхода лучей 5, состоящую из основных зеркальных отражателей 6, установленных под углом φ₀, и дополнительных зеркальных отражателей 7, установленных на выходе из оптической системы под углом β₁. Основные зеркальные отражатели 6 установлены друг от друга на расстоянии а под углом φ₀ к вертикальной плоскости.

Количество основных 6 и дополнительных зеркальных отражателей 7 в отклоняющей периодической системеОбозначим через β₀ и β₁ угол входа луча и выхода лучей от основных зеркальных отражателей в оптической системе. Углы β₀ и β₁ отсчитываются от вертикальной плоскости. Угол β₁ выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии OF=2а-δ от линии OA входа луча, где δ - бесконечно малая величина, обеспечивающая полную оптическую прозрачность оптической системы.

Принимая h=1, получим

Для лучей, нормальных к поверхности оптической системы,

β₀=0 и β₁=2φ₀.

Тогда из (1) следует, что

Равенство (2) возможно только при φ₀→0.

Для угла наклона основных зеркальных отражателей 1 φ₀>0 и угла входа лучей β₀>0 имеет место равенство β₁=2φ₀-β₀.

Подставляя β₁ из (1), получим

На выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели 7 под углом β₁.

На фиг. 2 показано пропускание Δ от основных зеркальных отражателей для лучей β₀. Определим ширину d₁ дополнительных зеркальных отражателей 2 из условия переотражения всех лучей от пропускания Δ.

Из ΔBDN

Δ=d·tgβ₀·cosφ₀.

Из ΔDNK

Из (4) получаем соотношение для ширины дополнительных зеркальных отражателей d₁

Угол выхода лучей β₂ от дополнительных зеркальных отражателей 7 для лучей входа β₀ равен

При расчете зеркальной отклоняющей периодической системы 3 на фиг. 1, 2 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех основных зеркальных отражателей 6 при любом угле φ₀. Это означает, что при увеличении φ₀ и постоянной ширине d зеркального отражателя 6 растет расстояние а между зеркальными отражателями.

Установка дополнительных зеркальных отражателей 7 позволяет отклонить на угол β₂ те лучи β₀, для которых отклоняющая система из основных зеркальных отражателей была прозрачна, и обеспечить 100% переотражение всех лучей β₀, поступающих на рабочую поверхность солнечного модуля с концентратором.

На фиг. 3 призменный концентратор 8, на боковой грани 9 которого установлен приемник 10, имеет тыльную зеркальную поверхность 11 и рабочую поверхность 12, на которую поступает излучение от отклоняющей оптической системы.

На фиг. 3 показан ход лучей в солнечном модуле с призменным концентратором 8.

Угол между входящим лучом и вертикалью к рабочей поверхности призменного концентратора 8

β₁=arctg (2 tg φ₀)=2φ₀-β₀.

Угол входа лучей в призму

где n - коэффициент преломления материала призмы.

Угол β₄ между вертикалью к поверхности 11 в призменном концентраторе 8 и отраженным лучом

β₄=β₃+ψ.

Угол β₅ между вертикалью к рабочей поверхности 12 призменного концентратора 8 и отраженным лучом

β₅=β₄+ψ≥α,

где α - угол полного внутреннего отражения,

ψ - острый угол призменного концентратора 8.

Для стекла n=1,5 угол полного внутреннего отражения

В варианте солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 два призменных концентратора 13 и 14 имеют общий двусторонний приемник 15, плоскость миделя 16, на которой имеются две отклоняющие лучи встречно оптические системы 17 и 18, угол между рабочими поверхностями 19 и 20 призменных концентраторов 13 и 14 составляет 180°-2β₀, а угол между основными зеркальными отражателями 21 и 22 составляет 2(φ₀-β₀)· Призменные концентраторы 13, 14 установлены таким образом, что их отраженные потоки излучения направлены навстречу друг другу и поступают на общий двусторонний приемник излучения 15, установленный на следящем опорном устройстве 23 со слежением по двум осям.

Коэффициент концентрации для левой ветви солнечного модуля с призменным концентратором 13

k_л=ctgψ.

Коэффициент концентрации для солнечного модуля с двумя призменным концентраторами 13 и 14 и с двусторонним приемником 15 (фиг. 4)

k=2ctgψ.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором (фиг. 4).

Солнечный модуль состоит из двух призменных концентраторов 13 и 14.

Для φ₀=22,5°, β₀=5,4°, β₁=39,6°, β₂=73,7°, β₃=24,9°, ψ=8,445°.

Коэффициент концентрации k=2ctgψ=13,47.

Косинусные потери:

P=1-cosβ₀=1-cos 5,4°=0,0044, т.е. 0,44%.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом. Солнечное излучение поступает на зеркальный отражатель 6 под углом входа β₀, попадает на рабочую поверхность призмы 8 и после отражения от зеркальной поверхности 11 и полного внутреннего отражения от рабочей поверхности 12 попадает на приемник 10. Выполнение модуля в виде составного концентратора из одного или двух призменных концентраторов с миниатюрными зеркальными отражателями позволяет увеличить концентрацию солнечного излучения и удельную мощность солнечного модуля с концентратором по сравнению с солнечным модулем с призменным концентратором и уменьшить толщину модуля по сравнению с солнечным модулем с концентратором на основе фоклина и призмы.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. В солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, приемник излучения, согласно изобретению на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β₀, выхода лучей β₁ для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β₀ и β₂ для дополнительных зеркальных отражателей, углы φ₀ и φ₁ наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей связаны соотношениями. В другом варианте конструкции солнечного модуля он содержит две отклоняющие системы и два призменных концентратора с общим двусторонним приемником, угол между основными зеркальными отражателями двух разных отклоняющих оптических систем равен 2(φ₀-β₀), а угол между рабочими поверхностями призменных концентраторов составляет 180°-2β₀. Изобретение должно обеспечить повышенную удельную мощность приемника. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Солнечный модуль с концентратором, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, отличающийся тем, что на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β₀, выхода лучей β₁ для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β₀ и β₂ для дополнительных зеркальных отражателей, углы φ₀ и φ₁ наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей связаны соотношениями



где φ₀ и φ₁ - углы наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки,
β₀, β₁ и β₂ - углы входа и выхода лучей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние a между основными зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина основных зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению a=d·sinφ₀, при котором для любых углов φ₀ нижняя грань основного зеркального отражателя и верхняя грань следующего основного зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а ширина дополнительных зеркальных отражателей d₁ удовлетворяет соотношению

где d - ширина основных зеркальных отражателей, а концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с острым углом ψ при вершине, который связан с углом выхода лучей β₁ и коэффициентом преломления материала призмы следующим соотношением:

2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что содержит две отклоняющие системы и два призменных концентратора с общим двусторонним приемником, угол между основными зеркальными отражателями двух разных отклоняющих оптических систем равен 2(φ₀-β₀), а угол между рабочими поверхностями призменных концентраторов составляет 180°-2β₀.