Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем Российский патент 2018 года по МПК F24S10/70 F24S23/74 

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, в котором приемник излучения выполнен из стеклянной цилиндрической трубы и встроенного внутрь плоского стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами (патент РФ №2225966, МПК F24J 2/14, опубликован 2004 г.).

Недостатками известного солнечного модуля являются сложная система фотоэлектрического приемника, что приводит к потерям солнечного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник в виде полосы, установленный параллельно фокальной оси основного отражателя, в котором 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 РФ №2206837, МПК F24J 2/14, опубликован 2003 г.).

Недостатками известного солнечного модуля 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-х концентраторов и приемников концентрированного излучения;

- затенение дополнительными концентраторами основного.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы фотоприемника солнечного модуля при средних концентрациях и оптимальном освещении фотоприемника, повышение эффективности нагрева теплоносителя (воды) и снижение стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается общее КПД модуля (теплового и электрического), появляется возможность более эффективной выработки тепловой энергии и нагрева теплоносителя за счет формирования оптимальной освещенности концентрированным излучением на поверхности линейчатого фотоприемника с треугольным профилем, выполненным полым для протока теплоносителя.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем, содержащем асимметричный из одной ветви параболоцилиндрического типа концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения, и линейчатый фотоприемник, расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси,

согласно изобретению, линейчатый фотоприемник выполнен полым с треугольным профилем для протока теплоносителя, а концентрированное излучение от отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной продольной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, при этом фотоприемник закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством на стойках крепления, а распределение площади профиля F_n и объема V_n фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd определяются соотношением:

F_n=Δd[h₁+Δh(n-1)/N+Δdtga/2], Δh=(h-h₁)/N, Δd=d/N, V_n=F_nL,

где n изменяется в интервалах n=1, 2, 3…N;

h₁ - минимальная высота профиля фотоприемника;

h - максимальная высота профиля фотоприемника,

а распределение температуры нагрева теплоносителя по профилю фотоприемника определяется с учетом распределения концентрации K_n солнечного излучения по ширине фотоприемника d, формы профиля фотоприемника и определяется системой уравнений, соответствующей условию соответствия среднего значения распределенной температуры Т_ср и выходной температуры теплоносителя Т_вых (Т_ср=Т_вых):

n*=V_n/V_min, n*_max=V_max/V_min, ΔT₁=ΔT_cp/n*_max, ΔT_cp=(Т_вых-Т_вх),

T*_n=Т_пл+[ΔT₁n*f(K_n)],

f(K_n)=К_г/K_n, T_n=T*_nk_кор-Т_пл+Т_вх, k_кор=(Т_пл+ΔT_cp)/T*_ncp, ,

где V_min - минимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;

V_max - максимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;

Т_вх - входная температура теплоносителя;

Т_пл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);

f(K_n)] - функция распределения концентрации по ширине фотоприемника, причем среднее значение распределенной температуры (граничное условие);

T_ncp=ΣT_n/N=Т_вых равно выходной температуре теплоносителя, а энергия нагрева теплоносителя определяется соотношением:

где, T_n=T*_nk_кор-Т_пл+Т_вх,

[λ/η]_(Tn) - отношение теплопроводности к вязкости воды при температуре нагрева по профилю приемника T_n,

[λ/η]_(Tcp) - отношение теплопроводности к вязкости при среднем значении температуры Т_ср=Т_вых воды,

время нагрева теплоносителя до T_cp=Т_вых определяется соотношением:

,

где Р=Р_п-Р_конв-Р_рад;

Р_п - поглощенный приемником поток Р_п=η_оптЕ_с F_пп К_г.,;

где теплопотери в окружающую среду конвективные Р_конв, радиационные Р_рад;

К_г - геометрическая концентрация;

η_опт - оптический КПД;

Е_с - удельная мощность солнечного излучения;

F_пп - площадь миделя концентратора,

нагрев массы теплоносителя в единицу времени m* (расход) до Т_ср=Т_вых определяется соотношением:

m*=m/t, (m=ρ V),

где m - масса теплоносителя;

ρ - плотность теплоносителя;

V - объем нагреваемого теплоносителя в фотоприемнике,

тепловая мощность теплоносителя определяется соотношением:

Р_т=m*с(Т_вых-Т_вх),

где с - теплоемкость теплоносителя;

Т_вх, Т_вых температуры на входе и выходе фотоприемника,

тепловой КПД модуля (коэффициент полезного использования мощности солнечного излучения) определяется соотношением: η_т=Р_т/E_cF_пп.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-8.

На фиг. 1 представлена схема конструкции солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатой поверхности фотоприемника.

На фиг. 2 представлен ход лучей от асимметричного параболоцилиндрического концентратора до фотоприемника.

На фиг. 3 представлена расчетная форма концентратора и фотоприемника солнечного модуля.

На фиг. 4 представлена форма профиля фотоприемника солнечного модуля.

На фиг. 5 представлены графики распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.

На фиг. 6 представлены графики распределения температуры нагрева теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.

На фиг. 7 представлены графики зависимости температуры от расхода теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).

На фиг. 8 представлены графики зависимости теплового КПД от расхода теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).

Солнечный модуль на фиг. 1 состоит из асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1, закрепленного на стойках 2,

линейчатого фотоприемника 3 шириной d, длиной L, снабженного поворотным устройством 4, закрепленного на опорных стойках крепления 5, устройства протока теплоносителя 6, со штуцерами 7 для входа и выхода теплоносителя.

Асимметричный параболоцилиндрический концентратор 1 солнечного модуля на фиг. 2 с рабочим профилем концентрирует солнечное излучение за фокальной областью на рабочей поверхности фотоприемника 3 шириной d_o, длиной L; лучи от верхней части концентратора приходят на нижнюю часть, а лучи от нижней части концентратора приходят на верхнюю часть фотоприемника 3.

Форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнений соответствующей условию равномерной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, выполненного в виде линейки шириной d_o и длиной L и расположенным под углом к миделю концентратора:

X_n=(f-Y_n)/tgα_n, Х_н=d_osinβ_в, Y_н=f-Х_нtgβ,

Х_в=0, Y_в=Y_н+dcosβ_н, , Y_a=R²/4f, К_г=R/d_o,

где α_n - угол (в зоне рабочего профиля концентратора) между уровнем ординаты в точке координат X_n,Y_n и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f лучом, приходящим в фокальную область на ширине d_n, расположенной на плоском фотоприемнике шириной d_o, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3…N;

ξ_о - угол между координатной осью 0Y и лучом отраженным от верхней точки координат Y_a,R концентратора приходящем в нижнюю точку координат фотоприемника Х_н,Y_н;

β_н - угол между фотоприемником и отрезком (между нижней точкой координат фотоприемника Х_н,Y_н и фокусным расстоянием f параболы);

β_в - угол между отрезком (между верхней точкой координат фотоприемника Х_в,Y_в и фокусным расстоянием f параболы) и поверхностью фотоприемника;

β - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a,R концентратора и прямой Y=f параллельной оси абсцисс;

при этом значения параметров f, β_в, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоприемника 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)

На основании приведенных формул произведен расчет формы отражающей поверхности концентратора и координат фотоприемника - график зависимости Y(Х) (фиг. 3).

На фиг. 4 представлена форма профиля фотоприемника солнечного модуля.

На фиг. 5 представлены графики распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.

При уменьшении ширины d_o фотоприемника 3, (при уменьшении площади) происходит увеличение концентрации освещенности фотоприемника 3.

Таким образом, можно изменять концентрацию освещенности фотоприемника 3, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и фотоприемника.

Из приведенных характеристик видно, что при различном распределении концентрации освещенности по ширине фокальной области фотоприемника 3 происходит различное влияние на объемный нагрев теплоносителя в различных частях полости фотоприемника, что влияет на тепловые характеристики солнечного модуля.

Расчет тепло-массо переноса осуществлялся в соответствии с общими теплотехническими формулами:

Q_пп=η_оптR F_пп К_геом, N=Q_ФЭ η_ФЭ. 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 приемником, η_опт - оптический КПД, R - прямая солнечная радиация, F_пп - площадь приемной поверхности, К_геом - геометрическая концентрация, N - мощность электрическая, η_ФЭ - КПД ФЭ Q_ФЭ - поглощенный поток фотоэлементами, Q_конв - конвективные теплопотери, α - коэффициент теплоотдачи, 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, К - средняя температура стенки приемника, Т_а, К -_температура среды,_Q - поток для охлаждения теплоносителем, m - массовый расход воды, с_р - 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, v - 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 к.п.д. ФЭ от температуры, η₀ - к.п.д. ФЭ при стандартной температуре T₀=298 K, T_ƒ - температура ФЭ, k - температурный коэффициент.

Зависимость теплопроводности воды от температуры нагрева λ=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:

где для воды - отношение температуры плавления (К) к температуре нагрева воды (К);

- значение коэффициента при температуре кипения (фазового перехода ж/пар) воды Т*=Т_к, (K),

где Т_пл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);

ΔT - температура нагрева воды, С;

Т*=Т_пл+ΔТ - температура нагрева воды, К;

λ_о - теплопроводность воды (льда) при температуре плавления;

λ_t - теплопроводность воды при температуре нагрева.

Зависимость динамической вязкости воды от температуры нагрева η=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:

где η_o - динамическая вязкость воды при температуре плавления;

η - динамическая вязкость воды при температуре нагрева;

Т_пл - температура плавления, К;

ΔT - температура нагрева теплоносителя, С;

Т*=Т_пл+ΔТ - температура нагрева теплоносителя (К);

- отношение температуры плавления (К) к температуре нагрева теплоносителя (К).

На основании приведенных формул произведен расчет зависимости характеристик солнечного модуля КПД η_(T), расхода воды m_(Т) от температуры.

На фиг. 6 представлены графики распределения температуры нагрева воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.

На фиг. 7 представлены графики зависимости температуры от расхода воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).

На фиг. 8 представлены графики зависимости теплового КПД от расхода воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).

Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на рабочую поверхность асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1 солнечного модуля (фиг. 1), отражается под расчетными углами наклона таким образом, чтобы они

обеспечивали равномерную концентрацию лучей на фотоприемнике 3 модуля, выполненного в виде линейки шириной d_o и длиной L, а устройство протока теплоносителя 6 выполнено в виде трубопровода с треугольным в поперечном сечении профилем, в котором нагревается теплоноситель (вода).

Регулируя скорость протока и расход теплоносителя, можно оптимизировать нагрев теплоносителя, тепловой КПД (коэффициент преобразования солнечной энергии в тепловую) солнечного модуля.

Пример выполнения солнечного теплового модуля с ассиметричным параболоцилиндрическим концентратором

Концентратор 1 (фиг. 1) длиной L=700 мм, шириной R_мах=660 мм, высотой 350 мм выполнен из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью закреплен на стойках 2, с расчетным рабочим профилем, обеспечивающим равномерную концентрацию лучей в продольном направлении линейчатого фотоприемника 3 модуля шириной h_o=66 мм, длиной L=700 мм, с устройством протока теплоносителя 6, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем размером 80×80×10 мм и длиной L=700 мм, со штуцерами 6 для входа и выхода теплоносителя и закрепленного на стойках.

Средняя концентрация освещенности на поверхности фотоприемника модуля составляет К~10 крат.

С целью регулирования (оптимизации при различных углах поворота фотоприемника β_в относительно ординаты 0Y) распределения концентрации освещенности по ширине фокального пятна линейчатый полый фотоприемник треугольной формы в поперечном сечении для протока теплоносителя закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством 4 на стойках крепления 5.

Таким образом, предложенный модуль солнечного концентрированного излучения с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 1 обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К~10 крат на рабочей поверхности фотоприемника 3 модуля, повышая КПД преобразования солнечной энергии в тепловую за счет оптимизации распределения концентрации освещенности по ширине фокального пятна линейчатого полого фотоприемника треугольной формы для протока теплоносителя.

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 фотоприемника, оптического КПД, применяемых материалов, расхода теплоносителя (воды), - можно прогнозировать выходные энергетические параметры и эффективность работы модуля в целом.

Изобретение относится к области гелиотехники и касается солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем. Солнечный модуль содержит асимметричный из одной ветви параболоцилиндрического типа концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоприемник, расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси. Линейчатый фотоприемник выполнен полым с переменным по площади треугольным профилем для протока теплоносителя. Концентрированное излучение от отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной продольной освещенности рабочей поверхности фотоприемника. Фотоприемник закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством на стойках крепления. Технический результат заключается в повышении эффективности нагрева теплоносителя, повышении КПД модуля и обеспечении работы фотоприемника солнечного модуля при средних концентрациях и оптимальном освещении фотоприемника. 8 ил.

Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем, содержащий асимметричный из одной ветви параболоцилиндрического типа концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения, и линейчатый фотоприемник, расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, отличающийся тем, что линейчатый фотоприемник выполнен полым с треугольным профилем для протока теплоносителя, а концентрированное излучение от отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной продольной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, при этом фотоприемник закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством на стойках крепления, а распределение площади профиля F_n и объема V_n фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd определяются соотношением:

F_n=Δd[h₁+Δh(n-1)/N+Δdtga/2], Δh=(h-h₁)/N, Δd=d/N, V_n=F_nL,

где n изменяется в интервалах n=1, 2, 3…N;

h₁ - минимальная высота профиля фотоприемника;

h - максимальная высота профиля фотоприемника,

а распределение температуры нагрева теплоносителя по профилю фотоприемника определяется с учетом распределения концентрации K_n солнечного излучения по ширине фотоприемника d, формы профиля фотоприемника и определяется системой уравнений соответствующей условию соответствия среднего значения распределенной температуры Т_ср и выходной температуры теплоносителя Т_вых:

n*=V_n/V_min, n*_max=V_max/V_min, ΔТ₁=ΔT_cp/n*_max, ΔT_cp=(Т_вых-Т_вх),

T*_n=Т_пл+[ΔТ₁ n*f(K_n)],

f(K_n)=К_г/K_n, T_n=T*_nk_кор-Т_пл+Т_вх, k_кор=(Т_пл+ΔТ_ср)/Т*_ncp, ,

где V_min - минимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;

V_max - максимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;

Т_вх - входная температура теплоносителя;

Т_пл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);

f(K_n)] - функция распределения концентрации по ширине фотоприемника, причем среднее значение распределенной температуры (граничное условие)

T_ncp=ΣT_n/N=Т_вых равно выходной температуре теплоносителя,

а энергия нагрева теплоносителя определяется соотношением:

где, T_n=T*_nk_кор-Т_пл+Т_вх,

[λ/η]_(Tn) - отношение теплопроводности к вязкости воды при температуре нагрева по профилю приемника T_n,

[λ/η]_(Tcp) - отношение теплопроводности к вязкости при среднем значении температуры Т_ср=Т_вых воды,

время нагрева теплоносителя до Т_ср=Т_вых определяется соотношением

где Р=Р_п-Р_конв-Р_рад,

Р_п - поглощенный приемником поток Р_п=η_оптЕ_с F_пп К_г.,

где теплопотери в окружающую среду конвективные Р_конв, радиационные Р_рад;

Кг - геометрическая концентрация;

η_опт - оптический КПД;

Е_с - удельная мощность солнечного излучения;

F_пп - площадь миделя концентратора,

нагрев массы теплоносителя в единицу времени m* (расход) до Т_ср=Т_вых определяется соотношением:

m*=m/t, (m=ρ V),

где m - масса теплоносителя;

ρ - плотность теплоносителя;

V - объем нагреваемого теплоносителя в фотоприемнике, тепловая мощность теплоносителя определяется соотношением:

Р_т=m*с(Т_вых-Т_вх),

где с - теплоемкость теплоносителя;

Т_вх, Т_вых температуры на входе и выходе фотоприемника,

тепловой КПД модуля (коэффициент полезного использования мощности солнечного излучения) определяется соотношением:

η_(T)=Р_т/Е_сF_пп.