Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения Российский патент 2017 года по МПК H02S10/30 

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами для получения электрической энергии и теплоты.

Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель, выполненный из двух разновеликих частей в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя со вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, и фотоэлектрический приемник, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен из стеклянной цилиндрической трубы и встроенного внутрь плоского стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению относится солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник в виде полосы, установленный параллельно фокальной оси основного отражателя, основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя, снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, а также третьим зеркальным полуцилиндрическим отражателем, причем третий зеркальный отражатель снабжен устройством поворота вокруг своей оси (патент RU 2206837, БИ 2003 №17).

Недостатками известных солнечных модулей являются:

- снижение оптического кпд модуля вследствие многократного, не менее 3-х раз на каждом концентраторе, отражения солнечных лучей от концентраторов, а также вследствие поглощения отраженных лучей при прохождении через ограждающие ФЭП стеклянные элементы, следовательно, снижение и общего кпд преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую;

- усложнение конструкции модуля;

- сложность юстировки 2-3 концентраторов и приемников концентрированного излучения;

- затенение дополнительными концентраторами основного.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы теплофотоэлектрического приемника солнечного модуля при средних концентрациях и равномерном освещении его части - фотоэлектрического приемника, нагрева теплоносителя (воды) и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения на трех гранях трапецеидального в сечении теплофотоэлектрического приемника с устройством проточной воды формируется равномерная освещенность концентрированным солнечным излучением, вырабатывая электрическую и тепловую энергию с более высоким КПД, нагревая проточную воду.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором, состоящий из одной ветви параболоцилиндрического концентратора солнечного излучения и линейчатого фотоприемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, содержит асимметричный из одной ветви концентратор параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью отражения, форма отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной, вдоль и перпендикулярно параболоцилиндрической оси, освещенности поверхностей фотоприемника, размещенного перед фокусом параболы и выполненного в виде трех линеек из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей, в составе фотоприемника трапецеидальной формы в поперечном сечении с устройством протока теплоносителя;

Солнечный модуль установлен на опоре, снабженной системой ориентации на Солнце.

Солнечный модуль снабжен системой крепления с устройством перемещения фотоприемника для изменения концентрации на его гранях отраженного солнечного потока. Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.

На фиг. 1 представлена схема конструкции солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и теплофотоэлектрическим приемником трапецеидальной формы в поперечном сечении с устройством протока теплоносителя.

На фиг. 2 представлена схема хода лучей от асимметричного параболоцилиндрического концентратора ABCD до трех обращенных к концентратору граней теплофотоэлектрического приемника трапецеидальной формы (ТФПТ).

На фиг. 3 представлен график распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна верхней поверхности ТФПТ.

На фиг. 4 представлен график распределения концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна средней поверхности ТФПТ.

На фиг. 5 представлен график распределения концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна нижней поверхности ТФПТ.

На фиг. 6 представлена BAX трапецеидального фотоприемника модуля с тремя матричными высоковольтными параллельно соединенными фотопреобразователями размерами 4×1 см при солнечном излучении 888 Вт/м². Коэффициент заполнения BAX m=0,660.

На фиг. 7 представлена BAX трапецеидального фотоприемника модуля с тремя высоковольтными параллельно соединенными фотопреобразователями размерами 4×1 см при солнечном излучении 888 Вт/м². Средняя концентрация на фотоприемнике Кср=22,5 крат, коэффициент заполнения BAX m=0,728.

На фиг. 8 представлены расчетные зависимости характеристик солнечного модуля: кпд η_t, расхода воды от температуры.

Асимметричный параболоцилиндрический концентратор 1 солнечного модуля с расчетным рабочим профилем концентрирует солнечное излучение на трех гранях размещенного перед фокальной областью теплофотоэлектрического приемника: лучи от верхней части AB концентратора приходят на верхнюю грань, лучи от средней части BC концентратора приходят на среднюю грань, а лучи от нижней части CD концентратора приходят на нижнюю грань теплофотоэлектрического приемника.

На фиг. 1 показана схема конструкции солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 1 с ребрами жесткости 5 и теплофотоэлектрическим приемником 2 в виде трубы трапецеидальной формы в поперечном сечении с ФЭП на трех ее гранях, с устройствами протока теплоносителя (воды) со штуцерами 6, крепления 3 теплофотоэлектрического приемника, опоры 4 солнечного модуля.

Асимметричный параболоцилиндрический концентратор имеет форму полуветви параболы, а приемниками концентрированного излучения являются боковые и нижняя, обращенная к концентратору, грани трапецеидального в сечении канала, на которых крепятся ФЭП. Охлаждение - принудительное, протоком теплоносителя через канал, и естественное, теплообменом с окружающей средой.

На фиг. 2 представлена схема хода лучей от асимметричного параболоцилиндрического концентратора до трех обращенных к концентратору граней теплофотоэлектрического приемника трапецеидальной формы (ТФПТ) шириной d_н, d_cp, d_в, конкретно 40×40×40 мм. Три из четырех граней ТФПТ освещаются каждая своей частью концентратора. Все четыре грани обмениваются теплом с окружающей средой.

Расчетный рабочий профиль отражающей поверхности асимметричного параболоцилиндрического концентратора и координат теплофотоэлектрического приемника выполнен по приведенным ниже зависимостям.

Верхняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Х_в, У_в; Х, У).

Значения координат Х_вn, У_вn определяются по формулам:

где δ_n=(ϕ+ξ)n/n_o, n=0,1…n_o, - фокусное расстояние параболы, а координаты X, Y определяются шириной концентратора.

Распределение концентрации освещенности по ширине фокального пятна на верхней грани ТФПТ определяется как:

где

Распределение концентрации освещенности и углов падения концентрированного солнечного излучения по ширине фокального пятна на верхней грани ТФПТ с шириной граней d_н, d_cp, d_в, конкретно 40×40×40 мм, показано на фиг. 3.

Средняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Х_н, У_н; Х_в, У_в}. Значения координат концентратора в этой области Х_ср, У_ср определяются по формулам

Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на средней грани ТФПТ определяется по аналогии с формулами (3-6) и представлено на фиг. 4.

Нижняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Х_н, У_н; 0,0}. Значения координат концентратора в этой области Х_нn, У_нn определяются по формулам

Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на нижней поверхности ТФПТ определяется в соответствии с формулами

и представлено на фиг. 5.

Из приведенных характеристик на фиг. 3, 4, 5 видно, что изменение концентрации освещенности по ширине граней фотоэлектрического приемника не превышает 40%, что существенно не влияет на электрофизические и тепловые характеристики солнечного модуля.

Изменять концентрацию освещенности теплофотоэлектрического приемника 2 можно, перемещая приемник параллельно относительно расчетной позиции на фиг. 2.

Расчетным способом получены следующие средние концентрации, крат, на поверхностях теплофотоэлектрического приемника, облучаемых дугами концентратора: AB - 17,5, BC - 19,5, CD - 35. Такие концентрации допустимы для высоковольтных планарных ФЭП. Экспериментально проведены испытания трех высоковольтных планарных фотоэлементов размером 40×10 мм каждый, смонтированных на трех гранях теплофотоэлектрического приемника. Полученные BAX без концентрации солнечного излучения представлены на фиг. 6, а с концентрацией - на фиг. 7. Из приведенных BAX (фиг. 6 и 7) следует, что матричные высоковольтные элементы при концентрированном облучении более эффективны, чем при низком освещении солнечным излучением, что показывают значения коэффициентов заполнения BAX m. В рабочей точке BAX фиг. 7 электрическая мощность в ~19 раз больше, чем на фиг. 6, которая равна P₁=1,175 Вт. При пересчете количества матричных элементов с η_фэ=0,12, на всю линейку при освещенности 700 Вт/м² и η_опт=0,729 выработанная электрическая мощность будет равна Р_эл=208 Вт, что соответствует расчетной мощности солнечного модуля 219 Вт при температуре ФЭП 74°C.

Расчет тепломассопереноса осуществлялся по формулам:

Q_пп=η_оптR F_пп К_геом, N=Q_ФЭ η_ФЭ⋅Q_конв=α(t_c-t_a)F, α=5,7+3,8 V, Q_рад=εσ(T_c⁴-T_a⁴)F, Q=Q_пп-N-Q_конв-Q_рад⋅m=Q/c_p(t_вых-t_вх), W=m/γF_пс, Re=wd_экв/ν, α_ж=Nu λ_ж/d_экв, Q_в=α_ж(t_c-t_ж)F. η=η_o[1-k(T_f-T_o)],

где Q_пп - поглощенный поток отраженных лучей приемником, η_ОПТ - оптический кпд, R - прямая солнечная радиация, F_пп - площадь приемной поверхности 3-х граней (АВ, BC и CD) с учетом углов падения отраженных лучей, K_геом - геометрическая концентрация, N - мощность электрическая, η_ФЭ - КПД ФЭ, Q_ФЭ - поглощенный поток фотоэлементами, Q_конв - конвективные теплопотери, α - коэффициент теплоотдачи, t_c, F - площадь четырех граней трапецеидального приемника, t_c, °C - средняя температура стенки приемника, t_a, °C - температура среды, V - скорость ветра, Q_рад - радиационные теплопотери,_ε - степень черноты стенки, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Т_с, K - средняя температура стенки приемника, T_a, K - _температура среды, Q - поток для охлаждения теплоносителем, m - массовый расход воды, c_p - удельная теплоемкость, t_вых, t_вх - температура воды на выходе и входе приемника, W - скорость потока воды, γ - плотность воды, F_пс - площадь поперечного сечения приемника, d_экв - эквивалентный диаметр поперечного сечения приемника, ν - коэффициент кинематической вязкости воды, Re - число Рейнольдса, Nu - число Нуссельта, α_ж - коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, t_ж - средняя температура воды, λ_ж - коэффициент теплопроводности воды, Q_в - тепловой поток, отводимый водой, η_t - зависимость КПД ФЭП от температуры, η₀ - КПД ФЭП при стандартной температуре T₀=298 K, - температура ФЭП, k - температурный коэффициент.

На основании приведенных выше формул произведен расчет зависимости характеристик солнечного модуля: КПД η_t, расхода воды от температуры (фиг. 8). Как видно из фиг. 8, максимальная мощность получена при температуре 43°C и составила 254 Вт. Тепловые потери в окружающую среду составили; конвективные 92 Вт, радиационные 66 Вт. Температура охлаждающей воды на входе 15-18, на выходе 22-27°C. КПД модуля 0,1146-0,1053.

При температуре ФЭП 74°C те же мощности: 233 Вт, 246 и 219 Вт.

Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на поверхность асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1 солнечного модуля (фиг. 2), отражается под расчетными углами наклона таким образом, чтобы они обеспечивали равномерную концентрацию лучей на гранях теплофотоэлектрического приемника 2 солнечного модуля, выполненного в виде трубопровода с профилем трапецеидальной формой в поперечном сечении, в котором нагревается теплоноситель (вода) и на котором смонтированы скоммутированные параллельно-последовательно фотоэлектрические преобразователи. ФЭП вырабатывают электроэнергию постоянного тока, а теплоноситель регулирует температуру ФЭП и используется для теплоснабжения. Регулируя скорость протока и расход теплоносителя, можно оптимизировать нагрев ФЭП и теплоносителя, КПД солнечного модуля.

Солнечный модуль снабжен системой слежения за Солнцем, обеспечивая в прицельном положении генерирование максимальной мощности.

Пример выполнения солнечного модуля с ассиметричным параболоцилиндрическим концентратором.

Концентратор 1 (фиг. 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 на ребрах жесткости 5 размером 8×700 мм и толщиной 1 мм в прорезях опор 4, с расчетным рабочим профилем (фиг. 2), обеспечивающим равномерную концентрацию лучей на 3-х гранях трапецеидального теплофотоприемника солнечного модуля. Устройство протока теплоносителя выполнено в виде трубопровода с трапецеидальным профилем с шириной облучаемых граней 40 мм и длиной L=700 мм, со штуцерами 6 для входа и выхода теплоносителя и закреплено на стойках 3.

Солнечный модуль устанавливается на опоре 4, имеющей привод с 2 степенями свободы и датчиком слежения за Солнцем (на фиг. 1 не показаны).

Таким образом, предложенный солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 1 (фиг. 1) обеспечивает достаточно равномерное распределение освещенности каждой грани со средней концентрацией от дуг концентратора AB - 17,5, BC - 19,5, CD - 35 крат на рабочей поверхности теплофотоприемника 2 солнечного модуля, повышая КПД преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую.

На основании приведенных расчетов в зависимости от натурных условий - плотности потока солнечного излучения, скорости ветра, температуры среды; конструктивных параметров модуля - формы и размеров концентратора и теплофотоприемника, оптического кпд, применяемых материалов, расхода теплоносителя (воды), можно прогнозировать выходные параметры (тепловые и электрические) и эффективность работы модуля в целом.

Изобретение относится к гелиотехнике и к конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами для получения электрической энергии и теплоты. Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения состоит из одной ветви параболоцилиндрического концентратора солнечного излучения и линейчатого фотоприемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль параболоцилиндрической оси, концентратор выполнен с зеркальной внутренней поверхностью отражения, форма отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной, вдоль и перпендикулярно параболоцилиндрической оси, освещенности поверхностей фотоприемника, размещенного перед фокусом и выполненного в виде трех линеек из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей. Фотоприемник имеет трапецеидальную форму в поперечном сечении и устройство протока теплоносителя. Техническим результатом является обеспечение работы теплофотоэлектрического приемника солнечного модуля при средних концентрациях и равномерном освещении, нагрева теплоносителя, например воды, и снижения стоимости вырабатываемой энергии. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящий из одной ветви параболоцилиндрического концентратора солнечного излучения и линейчатого фотоприемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль параболоцилиндрической оси, отличающийся тем, что солнечный модуль содержит асимметричный из одной ветви концентратор параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью отражения, форма отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной, вдоль и перпендикулярно параболоцилиндрической оси, освещенности поверхностей фотоприемника, размещенного перед фокусом параболы и выполненного в виде трех линеек из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей, в составе фотоприемника трапецеидальной формы в поперечном сечении с устройством протока теплоносителя.

2. Солнечный модуль по п. 1, отличающийся тем, что солнечный модуль установлен на опоре, снабженной системой ориентации на Солнце.

3. Солнечный модуль по п. 1, или 2, отличающийся тем, что солнечный модуль снабжен системой крепления с устройством перемещения фотоприемника для изменения концентрации на его гранях отраженного солнечного потока.