Концентратор солнечной энергии

 

Использование: фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Сущность изобретения: форма отражающей поверхности имеет специальный профиль, рассчитываемый по формуле, при котором поток излучения, параллельный оси вращению концентратора, в результате однократного отражения дает одинаковую степень концентрации в каждой точке на рабочей поверхности фотопреобразователя. 1 табл., 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 02 В 5/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕ НТУ (21) 4925078/10 (22) 03.04,91 (46) 07,02.93. Бюл, N 5 (71) Научно-производственное объединение

"Квант" (72) IO.Ë.Èðáóçîî. 10.А.Бабаев, В.М,Евдокимов, А,Л.Левинскас, В.А,Моторов и Д.10,)O.Ясайтис (73) В.М.E вдокимов (56) Зхидов Р,А., Умаров Г.Я„Войнер А.А.

Теория и расчет гелиотехнических концентрирующих систем. Ташкент, ФАН, 1977.

Баранов В.С, Гелиотехника, 1965, ¹ 3—

4, с.22 — 26.

: Изобретение касается преобразования энергии излучения, в частности фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

Известны зеркальные концентраторы солнечного излучения, представляющие тело вращения в виде сферы или параболоида, работающие по принципу собирания отраженных лучей в фокальной плоскости, где располагается приемник-преобразователь излучения.

Известен зеркальной концентратор солнечного излучения, который по принципу отражения излучения от двух зеркал; вогнутое параболоидное зеркало направляет отраженные лучи на выпуклое гиперолоидное зеркало, а то — на приемник-преобразователь излучения.

Известен также концентратор солнечного излучения типа "Фокон" с зеркальной внутренней поверхностью отражения, образующейся вращением параболы, ось которой составляет некоторый угол с осью

„„5U „„1794254 А3 (54) КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ (57) Использование: фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Сущность изобретения; форма отражающей поверхности имеет специальный профиль, рассчитываемый по формуле, при котором поток излучения, параллельный оси вращению концентратора. в результате однократного отражения дает одинаковую степень концентрации в каждой точке на рабочей поверхности фотопреобрэзователя. 1 табл., 2 ил. вращения, работающий на принципе соби- рания однократно отраженных лучей в фокальной плоскости, где располагается приемник-преобразователь излучения, Основной недостаток таких концентраторов, используемых для преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей, состоит и в неравномерном распределении интенсивности освещения в фокальном пятне, т.к, при этом фотопреобрэзователь снижает свой КПД по сравнению с преобразованием обычного неконцентрированного солнечного потока.

Целью изобретения является повышение эффективности работы фотопреобразователей с зеркальными концентраторами солнечной энергии на 15-20% за счет создания концентратора с равномерным распределением освещенности в фокальном пятне.

Поставленная цель достигается тем, что концентратор солнечного излучения, пред1794254 ставляющий тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, работающий по принципу собирания отраженных лучей в фокальной плоскости, где расположен приемник-преобразователь излучения, причем форма отражающей поверхности концентратора у(х) определяется соответствующей условию равномерной освещенности поверхности приемника, выраженному системой уравнений: . 10

xdx I <1. г dx )z + 2у . dx

zdz I dy х — z dy где у — координата точки на оси вращения концентратора;

x — радиус сечения поверхности концентратора плоскостью, перпендикулярной оси вращения, в точке у;

z — координата точки падения светового 20 луча на фокальную плоскость;

dy, dx, dz — дифференциалы соответствующих переменных у, х, z;

К вЂ” концентрация излучения на поверхности приемника, определяемую отношением входной площади S», ограниченной радиусом R = Xm», к выходной площади

Snbix, расположенной в фокальной плоскости и ограниченной радиусом г =- xmin

R, r — максимальный и минимальный радиусы сечений концентратора.

Концентратор в результате однократного отражения дает одинаковую степень концентрации излучения в каждой точке фокального пятна. Степень концентрации K Э5 определяется отношением площади освещаемого на концентраторе элементарного кольца радиусом х и толщиной dx, к площади соответствующего ему светового кольца на фокальной плоскости радиусом z и шири- 40 ной dz, т.е.

dx — К вЂ” 1 = const

ЕОЕ

Условие зеркального отражения лучей от поверхности концентратора описывается уравнение: (dx 1г 2у дх. @

dy х — z dy

Таким образом, система уравнений (1) и (2) обьединяет все признаки работы и определяет требуемую форму поверхности кон- 55 центратора у(х}.

Определяемая уравнениями (1) и (2) форма отражающей поверхности концентратора создает равномерный поток отраженного солнечного излучения в фокальном пятне, который формирует равномерный поток в фотопреобразователе. уменьшая суммарное сопротивление растекания электрического тока в базовом слое и увеличивая эффективность (КПД) преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.

На фиг.1 изображен предлагаемый концентратор; на фиг.2 — вольтамперные характеристики фотоп реобразователя с концентраторами типа "Фокон" (кривая I) и предлагаемой концентрации (кривая II).

На фиг.1 обозначены. 1 — концентратор;

2 — фотопреобразователь; dy — проекция толщины элементарного кольца освещаемой поверхности концентратора на оси у; dx — проекция толщины элементарного кольца освещаемой поверхности концентратора на оси x; R. r — радиусы входного отверстия концентратора и = х » и выходного отверстия концентратора (фокального пятна) г = xmin. где площадь входного отверстия

2 вычисляется по формуле Я» =л R; а выходного отверстия Ssbix = л г, 2

Для изготовления концентратора с К =

10 и радиусом выходного отверстия (фокального пятна) r = 5 мм. радиус входного отверстия R определяется из соотношения

Sax лБ

К—, Промежуточные значеЯвых и г2 ния координат х, у профиля отражающей поверхности концентратора, представленных в таблице, определяются на основании решения системы уравнений (1) и (2).

Концентратор работает следующим образом.

Равномерный поток солнечного излучения, параллельный оси вращения концентратора 1 (фиг.1) в результате однократного отражения от каждого элементарного кольца радиусом х и толщиной у концентрируется на поверхности фотопреобразователя 2 в соответствующем кольце радиусом и шириной на основании условий равномерного распределения освещенности в фокальном пятне, которые описываются уравнениями (1) и (2), Преимущество изобретения показано на примере работы системы концентратор— фотопреобразователь (схема которой представлена на фиг,1) под имитатором солнечного излучения в условиях АМ0 при температуре нагрева фотопреобразователя

40 С. Из сопоставления вольтамперных характеристик, приведенных на фиг,2, видно, что электрическая мощность в рабочей точке вольтамперной характеристики фотопреобразователя с новой конструкцией концентратора (кривая I) оказывается на

1794254

20% выше, чем мощность в рабочей точке вольтамперной характеристики того же фотопреобраэователя с концентратором типа

"Фокон" (кривая 11). Значения координат х, образующие необходимые для иэготовле(xdx(g g (dx }a+ 2 dx

zdz dy x z dy

Координаты профиля отражающей поверхности предлагаемого концентратора изготовленного на станках с ЧПУ.

3,00

0,00

1,50

2,00

2,50

5,00

1,00,мм

5,1331 5,2696

5,4096

5,5536

5,701 Q 5,8550

5,0000 х,мм ,мм

6,50

3,50

4,00

5,00

5,50

6.00

4,50

6,0135

6,1784 6,3508

6,5326

6,7280

6,0530 7,1911 х,мм

10 00

7,00

7,50

8,00

8,50

9,00

9,50, мм

8,3434

8,5660 8,7837

7,4274

7,6609

8,1190

7,8915 х, мм

12 OO

13,00

105

11 00

11 50

12,50

13 50

10,0422 10,2440

9,4238

9,6323

Q.8384

8,9996

9,2130 х,мм

15,50

16,00

16,50

17,00

14,00

14,50

15,00, мм

11,4138 11,6026

10,4437

10,6414 10,8362

11,0311

11,2233 х,мм

18,00

20.50

17,50

18,50

19,00

19,50

20,00,мм

11,7898

12 7037 12 8823

11,9755 12,1597

12,3424

12,5237

x,мм

21,00

21,50

22,00

22,50

23,00

13,7568

23,50

24,00,мм х, мм

13,0596

13,5843

13,9282 14,0985

13,2357 13,4106

24,50

25,00

25,50

26,00

26,50

27,00

27,50,мм

14,7694

14,2678

14,4360 14,6032

14,9346

15,0989 15,2623

x,мм

28,00

29,50

28,50

29,00,мм х,мм

15,5863 15,7470

15,4247

15,9069

Формула изобретения

Концентратор солнечного излучения, выполненный в виде тела вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения и приемника-преобразователя излучения, расположенного в фокальной плоскости, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности в работе путем равномерного распределения отраженного излучения на поверхности приемника-пре образователя, форма отражающей поверхности концентратора у(Х) определяется системой уравнений ния концентраторов на станках с ЧПУ, рассчитанные по приведенным формулам для К

= 10, диаметром фокального пятна, равным

10 мм, приведены в таблице.

10 где у — координата точки на оси вращения концентратора; х — радиус сечений поверхности концентратора плоскостью, перпендикулярной оси вращения, в точке у;

15 z - координата точки падения светового луча на фокальную плоскость;

dx, dy, dz — дифференциалы соответствующих переменных х, у, z;

К вЂ” концентрация излучения на поверх20 ности приемника, определяемая отношением входной площади $ х, ограниченной радиусом R = Хмакс к выходной площади

$ ы, расположенной в фокальной плоскости и ограниченной радиусом г- Хмин, 25 R u r — максимальный и минимальный радиусы сечений концентратора.

1794254

Фиг. 1

I60

О,I 0,2

Редактор Б.Федотов

Заказ 533 Тираж Псдписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раущская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

/() g

I20

Ф е 80

03 0 4 05 06

Иелряявиив, В

Фиг.2

Составитель Ю.Арбузов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Н.Милюкова