ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОРОМ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F24J2/42 H02S10/30 

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 параболоцилиндра (Д.С. Стребков, Э.В. Тверьянович. «Концентраторы солнечного излучения», глава 7 «Варианты стационарных параболоцилиндрических концентраторов», стр. 180-215). 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 фотоэлектрического преобразователя, расположенного в фокальной плоскости с равномерным распределением концентрированного излучения (Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскас А.Л., Майоров В.А., Ясайтис Д-Ю.Ю. «Концентратор солнечной энергии». Патент СССР №1794254, 3.04.91).

Недостатками известного солнечного фотоэлектрического модуля являются:

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

- расположение оптического фокуса на оси фотоэлектрического модуля и концентрическое распределение освещенности по 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 теплофотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерного освещения фотоэлектрического приемника, получение на одном ФЭП (модуле) технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования; получения горячего водоснабжения и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения на поверхности линейчатого теплофотоэлектрического приемника с фотоэлектрическими преобразователями с устройством проточной воды формируется равномерная освещенность концентрированного излучения, вырабатывая электроэнергию и нагревая проточную воду.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом теплофотоэлектрическом модуле с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящем из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, солнечный теплофотоэлектрический модуль содержит асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический приемник, имеющий в продольном направлении зеркальные вторичные отражатели, закрепленные на устройстве протока теплоносителя треугольной формы сечения, а форма отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей шириной d_o и длиной L и расположенного под углом к миделю концентратора, определяется системой уравнений:

h_Bsinξ*=d/sin(φ+γ), θ=φ+j, X*_B=h_Bcosφ, Y*_B=Y_B-h_Bsinφ, h_B/sinγ=Y_B/sin(φ+γ), β*=β+γ, h_н/sinγ=L_o/sin(α*+β+γ), h_н/sinξ=d/sin[π-(δ+ξ)], δ=π/2-j+α*, X*_н=X_н-h_нcos(j-ξ), Y*_н=Y_н-h_нsin(j-ξ), X_n ²=4fY_n,

где h_B - ширина верхнего отражателя, расположенного под углом θ над линейкой шириной d из скоммутированных ФЭП и длиной L;

ξ* - предельный угол между фотоприемником и отраженным от верхнего отражателя точки координат Х*_в, Y*_в;

φ - угол между верхним отражателем и координатной осью OY;

γ - угол отклонения (параметрический угол) солнечного излучения от нормали к миделю концентратора в направлении? перпендикулярном к фотоприемнику;

j - угол между фотоприемником и координатной осью OY;

Y_в - верхняя ордината фотоприемника;

β - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a, R концентратора и прямой Y_H (нижней ординаты фотоприемника), параллельной оси абсцисс;

β* - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a, R концентратора и прямой Y*_H (нижней ординаты вторичного отражателя), параллельной оси абсцисс;

α* - угол между нижним отражателем и прямой Y_H (нижней ординаты фотоприемника), параллельной оси абсцисс;

h_н - ширина верхнего отражателя, расположенного под углом δ под линейкой шириной d из скоммутированных ФЭП и длиной L;

L_o - длина отраженного луча от верхней точки координат Y_a, R концентратора и пришедшего в нижнюю точку фотоприемника с координатами X_H,Y_H;

ξ - предельный угол между фотоприемником и отраженным лучом от нижнего отражателя в точке координат X*_н,Y*_н;

X_n,Y_n - абсцисса и ордината в точке n параболы с фокусным расстоянием f, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3 … N,

При этом геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника K_n в интервалах координатных значений концентратора ΔX_n=X_n-X_n-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (d_n+1-d_n) равна:

K_n=(X_n+1-X_n)/(d_n+1-d_n).

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления теплофотоэлектрического модуля с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящего из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника с устройством протока воды, параболоцилиндрический концентратор изготавливают из тонкого алюминиевого листа с зеркально отражающей рабочей поверхностью, который тыльной стороной закрепленными вдоль ребрами жесткости длиной L крепится в симметрично расположенные прорези стойки с лекально изготовленными поверхностями, профиль которых соответствует условию равномерной освещенности концентратором поверхности теплофотоэлектрического приемника, состоящего из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей в виде линейки шириной d_o и длиной L, и закрепляют теплопроводящим и электроизоляционным клеевым составом на устройстве протока теплоносителя, выполненного из тонкого алюминиевого листа в виде канала треугольной формы сечения, закрепленного на стойке концентратора, а вторичные отражатели изготавливают из тонкого алюминиевого листа с зеркально отражающей рабочей поверхностью, которые закрепляют на устройстве протока теплоносителя вдоль линейчатого фотоэлектрического приемника

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлена схема конструкции теплофотоэлектрического модуля с параболоцилиндрическим концентратором с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатой поверхности теплофотоэлектрического приемника.

На фиг. 2 представлен ход лучей от параболоцилиндрического концентратора до тепло-фотоэлектрического приемника с вторичными отражателями.

На фиг. 3 представлена расчетная форма модуля.

На фиг. 4 представлен график зависимостей величин ширины верхнего h_B и нижнего h_H отражателей от параметрического угла γ.

Теплофотоэлектрический модуль на фиг. 1 состоит из: асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1, закрепленного посредством ребер жесткости 2 на стойках 3; теплофотоэлектрического приемника 4, состоящего из линейчатого фотоэлектрического приемника 5 шириной d_o, длиной L, расположенных вдоль фотоэлектрического приемника вторичных отражателей 6, устройства протока теплоносителя 7 со штуцерами 8 для входа и выхода теплоносителя и закрепленного на стойках 9.

Параболоцилиндрический концентратор 1 теплофотоэлектрического модуля на фиг. 2 с рабочим профилем концентрирует солнечное излучение в фокальной области на поверхности фотоэлектрического приемника 5 шириной d_o, длиной L; лучи от верхней части концентратора приходят на нижнюю часть, а лучи от нижней части концентратора приходят на верхнюю часть фотоэлектрического приемника 5.

На основании приведенных формул произведены:

расчет формы отражающей поверхности концентратора - график зависимости Х(У) (фиг. 3);

расчет координатного расположения (профиля) отражателей относительно фотоприемника;

расчет зависимостей величин ширины верхнего h_B и нижнего h_Н отражателей, представленного на фиг. 4 от параметрического угла γ.

Из приведенных характеристик видно, что изменение ориентации модуля в пределах параметрического угла не меняет концентрацию освещенности по ширине фокальной области теплофотоэлектрического преемника 2 и не влияет на электрофизические и тепловые характеристики солнечного модуля.

Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на поверхность параболоцилиндрического концентратора 1, отражается под углами наклона таким образом, чтобы они обеспечивали равномерную концентрацию лучей на фотоэлектрической части 3 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля, выполненного в виде линейки шириной d_o и длиной L из скоммутированных параллельно-последовательно фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) высотой d_o, с устройством протока теплоносителя 7, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем, нагревая теплоноситель. Расположенные вдоль фотоэлектрического приемника 3 два вторичных отражателя 6 отражают на ФЭП вышедшее за пределы фотоприемника солнечное излучение от концентратора.

Регулируя скорость протока теплоносителя, можно оптимизировать нагрев фотопреобразователей и теплоносителя, повышая КПД модуля.

Пример выполнения солнечного теплофотоэлектрического модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором

Концентратор 1 с максимальным размером миделя R_мах=900 мм, высотой 500 мм выполнен из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью, закрепленного посредством ребер жесткости 2 размером 8×700 мм и толщиной 1 мм в прорезях стоек 3, с рабочим профилем, обеспечивающим равномерную концентрацию лучей линейчатого теплофотоэлектрического приемника 4 модуля на его фотоэлектрической части 5, состоящий из: параллельно-последовательно скоммутированных фотоэлектрических преобразователей шириной d_o=80 мм, длиной L=700 мм, расположенных вдоль ФЭП двух вторичных отражателей 6, изготовленных из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью размерами 20×700 мм, которые закреплены на устройстве протока теплоносителя 7, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем размером 80×80×10 мм и длиной L=700 мм, со штуцерами 8 для входа и выхода теплоносителя и закрепленного на стойках 9.

Концентрация освещенности на поверхности фотоэлектрической части теплофотоэлектрического приемника модуля составляет К=10 крат.

Таким образом, предложенный теплофотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с фотоэлектрическими преобразователями и параболоцилиндрическим концентратором 1 обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К=10 крат на фотоэлектрической части 5 теплофотоэлектрического приемника 4 модуля из последовательно-параллельно соединенных ФЭП, повышая напряжение и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую; нагревая проточный теплоноситель устройства охлаждения 4, тем самым повышая общий КПД преобразования солнечной энергии теплофотоэлектрического модуля.

Фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения относится к гелиотехнике и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками и концентраторами солнечного излучения в виде параболоцилиндров. Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения состоит из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, солнечный теплофотоэлектрический модуль содержит асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения, и линейчатый фотоэлектрический приемник, имеющий в продольном направлении зеркальные вторичные отражатели, закрепленные на устройстве протока теплоносителя треугольной формы сечения, а форма отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей шириной d_о и длиной L и расположенного под углом к миделю концентратора, и определяется системой уравнений согласно формуле изобретения. Способ изготовления теплофотоэлектрического модуля заключается в изготовлении концентратора из тонкого алюминиевого листа с зеркальной отражающей рабочей поверхностью, который тыльной стороной закрепленными вдоль ребрами жесткости длиной L крепится в симметрично расположенные прорези стойки с лекально изготовленными поверхностями, профиль которых соответствует условию равномерной освещенности концентратором поверхности теплофотоэлектрического приемника, и закрепляется теплопроводящим и электроизоляционным клеевым составом на устройстве протока теплоносителя, выполненном из тонкого алюминиевого листа в виде канала треугольной формы сечения, закрепленного на стойке концентратора, а вторичные отражатели изготавливают из тонкого алюминиевого листа с зеркально отражающей рабочей поверхностью, которые закрепляют на устройстве протока теплоносителя вдоль линейчатого фотоэлектрического приемника. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящий из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, солнечный теплофотоэлектрический модуль содержит асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический приемник, имеющий в продольном направлении зеркальные вторичные отражатели, закрепленные на устройстве протока теплоносителя треугольной формы сечения, а форма отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей шириной d_o и длиной L и расположенного под углом к миделю концентратора, и определяется системой уравнений:
h_вsinξ*=d/sin(φ+γ), θ=φ+j, $$X_{в}^{*}=h_{в}\cos \varphi$$ , $$Y_{в}^{*}=Y_{в}-h_{в}\sin \varphi$$ , h_в/sinγ=Y_в/sin(φ+γ), β*=β+γ, h_н/sinγ=L_o/sin(α*+β+γ), h_н/sinξ=d/sin[π-(δ+ξ)], δ=π/2-j+α*, $$X_{н}^{*}={Х}_{н}-h_{н}\cos \left(j-\xi \right)$$ , $$Y_{н}^{*}=Y_{н}-h_{н}\sin \left(j-\xi \right)$$ , $$X_n^2=4f{Y}_n$$ ,
где h_в - ширина верхнего отражателя, расположенного под углом θ над линейкой шириной d из скоммутированных ФЭП и длиной L;
ξ* - предельный угол между фотоприемником и отраженным от верхнего отражателя точки координат $$X_{в}^{*}$$ , $$Y_{в}^{*}$$ ;
φ - угол между верхним отражателем и координатной осью OY;
γ - угол отклонения (параметрический угол) солнечного излучения от нормали к миделю концентратора в направлении, перпендикулярном к фотоприемнику;
j - угол между фотоприемником и координатной осью OY;
Y_в - верхняя ордината фотоприемника;
β - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a, R концентратора и прямой Y_н (нижней ординаты фотоприемника), параллельной оси абсцисс;
β* - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a, R концентратора и прямой $$Y_{н}^{*}$$ (нижней ординаты вторичного отражателя), параллельной оси абсцисс;
α* - угол между нижним отражателем и прямой Y_н (нижней ординаты фотоприемника), параллельной оси абсцисс;
h_н - ширина верхнего отражателя расположенного под углом δ под линейкой шириной d из скоммутированных ФЭП и длиной L;
L_o - длина отраженного луча от верхней точки координат Y_a, R концентратора и пришедшего в нижнюю точку фотоприемника с координатами X_н, Y_н;
ξ - предельный угол между фотоприемником и отраженным лучом от нижнего отражателя в точке координат $$X_{н}^{*}$$ , $$Y_{н}^{*}$$ ;
X_n, Y_n - абсцисса и ордината в точке n параболы с фокусным расстоянием f, где n выбирается из ряда целых чисел n=1,2,3……N,
при этом геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника K_n в интервалах координатных значений концентратора ΔX_n=X_n-X_n-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (d_n+1-d_n) равна:
K_n=(X_n+1-X_n)/(d_n+1-d_n).

2. Способ изготовления теплофотоэлектрического модуля с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящего из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника с устройством протока воды, параболоцилиндрический концентратор изготавливают из тонкого алюминиевого листа с зеркально отражающей рабочей поверхностью, который тыльной стороной закрепленными вдоль ребрами жесткости длиной L крепится в симметрично расположенные прорези стойки с лекально изготовленными поверхностями, профиль которых соответствует условию равномерной освещенности концентратором поверхности теплофотоэлектрического приемника, состоящего из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей в виде линейки шириной d_o и длиной L, и закрепляют теплопроводящим и электроизоляционным клеевым составом на устройстве протока теплоносителя, выполненного из тонкого алюминиевого листа в виде канала треугольной формы сечения, закрепленного на стойке концентратора, а вторичные отражатели изготавливают из тонкого алюминиевого листа с зеркально отражающей рабочей поверхностью, которые закрепляют на устройстве протока теплоносителя вдоль линейчатого фотоэлектрического приемника.