Солнечный модуль с концентратором Российский патент 2021 года по МПК H02S40/22 

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

Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий голографическую сетку, разделяющую падающий спектр солнечного излучения на видимый и инфракрасный диапазон, а также линзу Френеля, концентрирующую видимый спектр на фотоэлектрический преобразователь, а инфракрасный спектр - на теплообменник (Xia, X.W.; Parfenov, A.V.; Aye, T.M.; Shih, M.-Y. Efficient hybrid electric and thermal energy generation. In Proceedings of SPIE, San Diego, CA, USA, 22-24 August 2011).

Недостатками известного модуля являются потери на френелевское отражение, высокая материалоемкость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль, содержащий концентратор и приемник солнечного излучения, на рабочей поверхности концентратора установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели (патент РФ № 2576739, МПК H02S 10/30, F24J 2/42, опубл. 19.05.2014 г., Бюл. 33).

Недостатками известного солнечного модуля являются низкий коэффициент концентрации и высокие оптическое потери.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента концентрации солнечного модуля и снижение оптических потерь.

В результате использования предлагаемого солнечного модуля с концентратором повышается удельная мощность приемника за счет отсутствия потерь энергии на блокировку и затенение в отклоняющей оптической системе, состоящей из плоских зеркальных отражателей.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая углы входа β₁ и выхода лучей β₂, согласно изобретению, концентратор содержит две круговые отклоняющие оптические системы, каждая отклоняющая оптическая система выполнена из n=1,2,3…m, где n - натуральное число кольцеобразных зеркальных фацет, имеющих форму усеченного конуса, угол выхода лучей β₂ первой круговой отклоняющей оптической системы является углом входа лучей второй круговой отклоняющей оптической системы, углы выхода β₂ и выхода лучей β₃ лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы и углы ϕ₁ и ϕ₂ наклона кольцеобразных зеркальных фацет первой и второй круговой отклоняющей оптической системы связаны соотношением:

β₂ = ϕ₁,

β₃ =2ϕ₂ - ϕ₁+arctg(2tgϕ₁),

где ϕ₁ и ϕ₂ - углы наклона кольцеобразных зеркальных фацет, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности в плоскости осевого сечения против часовой стрелки, расстояние а₁ между кольцеобразными зеркальными фацетами и ширина кольцеобразных фацет d₁ первой круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению а₁ = d₁ sin ϕ₁, при котором для любых углов ϕ₁ нижняя грань первой круговой отклоняющей оптической системы и верхняя грань второй круговой отклоняющей оптической системы находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности, ширина d₂ кольцеобразных зеркальных фацет второй круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению:

d₂=d₁·tg β₁·cos ϕ₁/sin ϕ₂,

где d₁ - ширина кольцеобразных зеркальных фацет первой круговой отклоняющей оптической системы, а приемник излучения в виде цилиндра высотой H=D/2·ctg β₂ установлен по ходу лучей β₁, β₂ осесимметрично вдоль оси симметрии первой и второй круговой отклоняющей оптической системы диаметром D, поверхность входа лучей образует обратный конус с вершиной на оси симметрии круговой отклоняющей оптической системы с углом при вершине обратного конуса в осевом сечении, равным 180°-2β₀, где β₀ - угол между образующей обратного конуса и основанием обратного конуса, совпадающем с миделем концентратора и с рабочей поверхностью солнечного модуля.

В варианте солнечном модуле с концентратором углы β₁ и β₂ выхода лучей первой и второй отклоняющей оптической системы одинаковые для всех кольцеобразных зеркальных фацет.

В другом варианте солнечного модуля с концентратором углы β₁ и β₂ выхода лучей первой и второй отклоняющей оптической системы увеличивается при удалении кольцеобразных зеркальных фацет от центра симметрии модуля с уменьшением высоты H приемника излучения в фокальной области.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая схема солнечного модуля с концентратором и ход лучей в нем (осевое сечение), на фиг. 2 вид в плане солнечного модуля с концентратором.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит рабочую поверхность 1, на которую падает солнечное излучение 2, первую отклоняющую осесимметричную оптическую систему 3 с внешним диаметром D и осью симметрии 4 и вторую оптическую отклоняющую систему 5, выполненных в виде жалюзи из n=1,2,3…m, где n - натуральное число, кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, имеющих форму усеченного конуса, приемник солнечного излучения 8 в виде цилиндра диаметром d высотой H. Обозначим через β₁, β₂ и β₃ угол входа лучей и выхода лучей от кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7 в первой и второй отклоняющей оптической системе, d₁ - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 6 первой отклоняющей оптической системы 3, d₂ - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 7 второй отклоняющей оптической системы 5. Угол выхода лучей β₂ первой отклоняющей оптической системы 3 является углом входа лучей второй отклоняющей оптической системы 5, углы выхода β₂ и выхода лучей β₃ лучей первой и второй отклоняющей оптической системы 3 и углы ϕ₁ и ϕ₂ наклона зеркальных фацет 6 и 7 первой и второй отклоняющей оптической системы связаны соотношением:

β₂ = ϕ₁,

β₃ =2ϕ₂ - ϕ₁+arctg(2tgϕ₁),

где ϕ₁ и ϕ₂ - углы наклона кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, отсчитывающиеся от вертикали 9 к рабочей поверхности 1 в плоскости осевого сечения против часовой стрелки. Расстояние а₁ между кольцеобразными зеркальными фацетами 6 и 7 и ширина кольцеобразных фацет d₁ первой отклоняющей оптической системы 3 удовлетворяет соотношению а₁= d₁ sin ϕ₁, при котором для любых углов ϕ₁ нижняя грань 10 первой отклоняющей оптической системы 3 и верхняя грань 11 второй отклоняющей оптической системы 5 находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности 12, ширина d₂ кольцеобразных зеркальных фацет 7 второй отклоняющей оптической системы 5 удовлетворяет соотношению:

d₂=d₁·tg β₁·cos ϕ₁/sin ϕ₂

где d₁ - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 6 первой отклоняющей оптической системы 3.

Приемник излучения 8 в виде цилиндра диаметром d и высотой H=D/2·ctg β₂ установлен по ходу лучей β₁, β₂ осесимметрично вдоль оси симметрии 4 первой и второй отклоняющей оптической системы диаметром D.

На фиг.2 отклоняющие оптические системы 3 и 5 диаметром D выполнены в виде жалюзи из кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, имеющих форму усеченного конуса. Расстояние а₁ между кольцеобразными зеркальными фацетами 6 и ширина кольцеобразных фацет 6 d₁ первой отклоняющей оптической системы 3 удовлетворяет соотношению а₁= d₁ sin ϕ₁, при котором для любых углов ϕ₁ нижняя грань 10 первой отклоняющей оптической системы 3 и верхняя грань 11 второй отклоняющей оптической системы 5 находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности 12.

Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором равен

k=S’_вх/S_ФП=πD²/4/2πd·H=D/4·d·ctg β₂

где D - диаметр модуля с концентратором, d - диаметр приемника излучения, H - высота приемника излучения.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.

Солнечное излучение 2, параллельное оптической оси солнечного модуля с концентратором, поступает на зеркальные фацеты 6 первой отклоняющей оптической системы 3 под углом β₁, после отражения под углом β₂ поступает на приемник солнечного излучения 8. Солнечное излучение 2, для которого первая отклоняющая система 3 является прозрачной, поступает на зеркальные фацеты 4 второй отклоняющей оптической системы 5 и после отражения от второй отклоняющей оптической системы 5 под углом β₃ попадает на рабочую поверхность приемника солнечного излучения 8.

Пример солнечного модуля с концентратором.

Солнечный модуль с концентратором диаметром D = 10 м, диаметром фотоприемника d=0,1 м при угле β₂= 30°, ctg β₂=√3, имеет коэффициент концентрации k=1/(4·0,1·√3)=14,45.

Солнечный модуль с концентратором имеет нулевые потери на пропускание и блокировку солнечных лучей и высокий коэффициент концентрации. Выполнение модуля в виде составного концентратора из двух отклоняющих оптических систем с кольцеобразными зеркальными отражателями позволяет увеличить концентрацию солнечного излучения и удельную мощность солнечного модуля с концентратором и сократить оптические потери по сравнению с солнечным модулем с концентратором на основе линейных жалюзийных гелиостатов.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. Технический результат: повышение удельной мощности приемника за счет отсутствия потерь энергии на блокировку и затенение в отклоняющей оптической системе, состоящей из плоских зеркальных отражателей. Сущность: концентратор солнечного модуля содержит две круговые отклоняющие оптические системы. Каждая отклоняющая оптическая система выполнена из n=1,2,3…m, где n – натуральное число кольцеобразных зеркальных фацет, имеющих форму усеченного конуса. 2 з.п. ф-лы, 2 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 зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей с углами входа β₁ и выхода лучей β₂, отличающийся тем, что концентратор содержит две круговые отклоняющие оптические системы, каждая отклоняющая оптическая система выполнена из n=1,2,3…m, где n – натуральное число кольцеобразных зеркальных фацет, имеющих форму усеченного конуса, угол выхода лучей β₂ первой круговой отклоняющей оптической системы является углом входа лучей второй круговой отклоняющей оптической системы, углы выхода β₂ и выхода лучей β₃ лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы и углы φ₁ и φ₂ наклона кольцеобразных зеркальных фацет первой и второй круговой отклоняющей оптической системы связаны соотношением:

β₂ = φ₁,

β₃ =2φ₂ – φ₁+arctg(2tgφ₁),

где φ₁ и φ₂ – углы наклона кольцеобразных зеркальных фацет, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности в плоскости осевого сечения против часовой стрелки, расстояние а₁ между кольцеобразными зеркальными фацетами и ширина кольцеобразных фацет d₁ первой круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению а₁ = d₁ sin φ₁, при котором для любых углов φ₁ нижняя грань первой круговой отклоняющей оптической системы и верхняя грань второй круговой отклоняющей оптической системы находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности, ширина d₂ кольцеобразных зеркальных фацет второй круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению:

d₂=d₁·tg β₁·cos φ₁/sin φ₂,

где d₁ – ширина кольцеобразных зеркальных фацет первой круговой отклоняющей оптической системы, а приемник излучения в виде цилиндра высотой H=D/2·ctg β₂ установлен по ходу лучей β₁ , β₂ осесимметрично вдоль оси симметрии первой и второй круговой отклоняющей оптической системы диаметром D, поверхность входа лучей образует обратный конус с вершиной на оси симметрии круговой отклоняющей оптической системы с углом при вершине обратного конуса в осевом сечении, равным 180°–2β₀, где β₀ – угол между образующей и основанием обратного конуса, совпадающем с миделем концентратора и с рабочей поверхностью солнечного модуля.

2. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что углы β₁ и β₂ выхода лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы одинаковые для всех кольцеобразных зеркальных фацет.

3. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что углы β₁ и β₂ выхода лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы увеличиваются при удалении кольцеобразных зеркальных фацет от центра симметрии модуля с уменьшением высоты H приемника излучения в фокальной области.