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

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, p. 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., Огребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е. // БИ. 1999. №20).

Недостатками известного солнечного модуля являются большие оптические потери в жалюзи и низкий коэффициент концентрации.

Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного модуля с концентратором, имеющего высокий оптический КПД и высокий коэффициент концентрации солнечного излучения.

В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность модуля и снижается его стоимость.

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, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d, угол выхода лучей β₁ для цилиндрических зеркальных отражателей, угол φ₀ наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:

β₁=2φ₀-2θ при φ<φ₀, β₁=2φ₀+2θ при φ>φ₀, β₁=2φ₀, θ=0 при φ=φ₀,

где β₁ - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;

β₀ - угол входа лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;

φ₀ - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;

φ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;

θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;

θ₀ - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя;

углы β₀, β, β₁ φ и φ₀ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению:

a=dsinφ₀,

при котором для любых углов φ₀ нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с апертурным углом δ, который связан с углами φ₀ и θ₀ следующим соотношением:

δ≥45°-φ₀+θ₀.

В варианте конструкции концентратор дополнительно содержит второй полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с общим двухсторонним приемником, а оптическая отклоняющая система содержит установленные в одной плоскости две группы цилиндрических зеркальных отражателей с углом между поверхностями входа 2φ₀.

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

На фиг. 1 представлена схема оптической отклоняющей системы с цилиндрическими зеркальными отражателями и ход лучей в ней (двухмерное изображение).

На фиг. 2 показана оптическая отклоняющая система и ход лучей в ней.

На фиг. 3 представлен солнечный модуль с концентратором, состоящий из оптической отклоняющей системы в виде жалюзи из зеркальных цилиндрических отражателей и полупараболоцилиндрического концентратора с апертурным углом δ.

На фиг. 4 показан солнечный модуль с концентратором, состоящий из оптической отклоняющей системы в виде жалюзи из двух групп зеркальных цилиндрических отражателей и второго полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с общим приемником.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит зеркальную отклоняющую периодическую оптическую систему высотой h, шириной l и длиной L, состоящую из цилиндрических зеркальных отражателей 1 с радиусом кривизны R и с плоскостью входа лучей 2 шириной d, установленных под углом φ₀. Солнечный модуль имеет рабочую поверхность 3, на которую падает излучение 4. Цилиндрические зеркальные отражатели 1 установлены друг от друга на расстоянии а под углом наклона поверхности входа 2 φ₀ к вертикальной плоскости. Количество цилиндрических зеркальных отражателей в отклоняющей оптической системе . Обозначим через β₁ угол выхода лучей от цилиндрических зеркальных отражателей в оптической системе. Угол β₁ отсчитывается от вертикальной плоскости. Угол β₁ выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии ОЕ=2а.

Принимая h=1, получим:

На фиг. 2 касательная 5 в точке А и касательная 6 в точке D к цилиндрическому зеркальному отражателю 1 образуют угол θ₀ с поверхностью 2 входа лучей. Обозначим через θ угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей. Касательная 7 в точке G параллельна плоскости поверхности входа 2 лучей, поэтому в точке G θ=0. Из фиг. 2 следует, что θ₀=max θ в точках А и D, в точке G θ=0, на участке AG θ<φ₀, а на участке GD θ>φ₀.

Радиус кривизны цилиндрического зеркального отражателя R=АО и высоту сегмента FG найдем из Δ O₁AF:AF=AO₁sinθ₀, AO₁=R, ,

FG=O₁G-O₁F, , .

Для лучей, нормальных к рабочей поверхности 3 модуля в точке А: β₁=2φ-2θ₀.

Подставляя β₁ из (1), получим:

В точке D: β₁=2φ+2θ₀.

В точке G: θ=0, β₁=2φ₀=arctg(2tgφ₀).

Для любой точки цилиндрического зеркального отражателя:

β₁=2φ₀-2θ при φ<φ₀,

β₁=2φ₀, θ=0 при φ=φ₀,

,

где φ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей, углы β₁ β₂, φ и φ₀ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки.

При расчете оптической отклоняющей периодической системы на фиг. 1, 2 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех цилиндрических зеркальных отражателей 1 при любом угле φ₀. Это означает, что при увеличении φ₀ и постоянной ширине d цилиндрического зеркального отражателя 1 растет расстояние а=tgφ₀ между цилиндрическими зеркальными отражателями.

Из фиг. 2 и формул (6) следует, что угол выхода лучей β₁ изменяется при отражении лучей от различных участков цилиндрического зеркального отражателя 1.

,

где

;

- угол выхода лучей при отражении от нижнего края (точка D) цилиндрического зеркального отражателя;

- угол выхода лучей при отражении от верхнего края (точка А) цилиндрического зеркального отражателя.

Оптическая отклоняющая система из цилиндрических зеркальных отражателей 1 обеспечивает 100% переотражение излучения 4, поступающего на рабочую поверхность 3 солнечного модуля с концентратором. Полупараболоцилиндрический концентратор 8 с параметрическим углом δ, фокальной осью F и вершиной О имеет поверхность входа 9 лучей, которая параллельна рабочей поверхности 3 солнечного модуля с концентратором. Приемник 10 установлен между фокальной осью F и вершиной О полупараболоцилиндрического концентратора 8.

В солнечном модуле с концентратором на фиг. 3 отклоняющая оптическая система шириной В=QO₁ создает на поверхности входа 9 лучей полупараболоцилиндрического концентратора 8 поток лучей с углом β₁, .

Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором при нормальном падении излучения 4 на рабочую поверхность 3 равен:

.

Параметрический угол δ определяется из условия:

,

На фиг. 4 солнечный модуль с концентратором содержит оптическую отклоняющую систему из двух групп установленных в одной плоскости и отклоняющих лучи встречно цилиндрических зеркальных отражателей 11 и 12, у которых угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей 13 и 14 составляет Q₁=2φ₀, а угол между поверхностями входа 15 и 16 равен Q₂=180°. Солнечный модуль содержит концентратор в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 17 и второго полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 18 с общим двухсторонним приемником 19. У полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 17 и 18 поверхности входа 20 и 21 находятся в одной плоскости. Линии 22 и 23, которые являются касательными к поверхности полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 17 и 18 у поверхностей входа 20 и 21 и внешними границами апертурных углов, образуют между собой угол Q₄=180°-2δ. Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 равен:

.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1, 2, 3). Солнечное излучение 4 поступает по нормали на рабочую поверхность 3 солнечного модуля с концентратором, отражается от цилиндрических зеркальных отражателей 1 под углом β₁, поступает на поверхность входа 9 полупараболоцилиндрического концентратора 8, отражается от полупараболоцилиндрической поверхности концентратора и поступает на приемник 10 при условии .

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором (фиг. 1, 2, 3)

Отклоняющая оптическая система состоит из цилиндрических зеркальных отражателей 1 размером плоскости входа d=100 мм. Угол наклона плоскости входа 2 цилиндрических зеркальных отражателей 1 φ₀=34,55°, расстояние между цилиндрическими зеркальными отражателями 1 а=d·sinφ₀=56,71 мм, радиус кривизны R=383,06 мм, высота сегмента 3,72 мм, угол входа лучей β₀=0°, θ₀=7,5°, углы выхода лучей β₁ ^min=54,1°, β₁ ^max=84,1°, апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора 8 δ=18°, зеркальные отражатели концентратора 8 выполнены из полированного алюминия. Приемник 10 имеет размеры 125×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 125×31,25 мм, соединенных последовательно.

Геометрический коэффициент концентрации k=10,47, оптический КПД 85%, КПД приемника 15%. Размеры модуля 1300×1250 мм. Площадь модуля 1,635 м². Количество цилиндрических зеркальных отражателей - 22. Общий КПД модуля 12,75%. Пиковая электрическая мощность 208,58 Вт при освещенности 1 кВт/м² и температуре 25°С.

Лучи с углами β₁=2(φ₀-θ₀) собираются в области, близкой к фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 8.

В связи с тем, что лучи, выходящие из оптической отклоняющей системы, не параллельны, а образуют расходящийся поток с углами выхода в диапазоне

2(φ+θ₀)≥β₁≥2(φ₀-θ₀), излучение будет концентрироваться не в фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 8, а равномерно распределяться по всей площади фотоприемника 10, что улучшает условия теплоотвода от поверхности фотоприемника и снижает потери от неравномерного освещения.

Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 10-12 из условия воздушного или водяного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Такие солнечные модули с концентраторами могут быть использованы со следящими системами для установки на крышах зданий или 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 86,58 долл./м², 0,378 долл./Вт, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля.

По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет нулевые косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость. Приемник 10 может быть выполнен с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и горячей воды или горячего воздуха.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. В солнечном модуле, содержащем концентратор и приемник излучения и имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение и на которой установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, согласно изобретению зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d, угол выхода лучей β₁ для цилиндрических зеркальных отражателей, угол φ₀ наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями, указанными в формуле изобретения. Концентратор может дополнительно содержать второй полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с общим двухсторонним приемником, а оптическая отклоняющая система содержит установленные в одной плоскости две группы цилиндрических зеркальных отражателей с углом между поверхностями входа 2φ₀. В результате использования солнечного модуля повышается удельная мощность модуля и снижается его стоимость. 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, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, отличающийся тем, что зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d, угол выхода лучей β₁ для цилиндрических зеркальных отражателей, угол φ₀ наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:
β₁=2φ₀-2θ при φ<φ₀,
β₁=2φ₀+2θ при φ>φ₀,
β₁=2φ₀, θ=0 при φ=φ₀,


где β₁ - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей,
φ₀ - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей,
φ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей,
θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей,
θ₀ - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,
углы β, β₁, φ и φ₀ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению:
a=dsinφ₀,
при котором для любых углов φ₀ нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с апертурным углом δ, который связан с углами φ₀ и θ₀ следующим соотношением:
δ≥45°-φ₀+θ₀.

2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что концентратор дополнительно содержит второй полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с общим двухсторонним приемником, а оптическая отклоняющая система содержит установленные в одной плоскости две группы цилиндрических зеркальных отражателей с углом между поверхностями входа 2φ₀.