Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором

 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества. Фотопреобразователь и поверхность входа излучения из призмы совмещены с поверхностью выхода излучения из фоклина, боковые отражающие стенки призмы совмещены с нижней частью боковых отражающих стенок фоклина, поверхность входа излучения в призму выполнена по двум круговым цилиндрическим поверхностям, имеющим общую линию пересечения на плоскости симметрии концентратора и линии пересечения с боковыми отражающими стенками фоклина с образованием острых углов при вершинах. Задачей изобретения является создание компактного концентратора. В результате уменьшаются габариты и вес модуля, а значит и его материалоемкость. 1 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества.

Известен фотоэлектрический модуль, состоящий из концентратора, выполненного в виде двух треугольных призм с боковыми отражающими стенками и общей поверхностью выхода излучения, где может быть установлен фотопреобразователь (авторское свидетельство СССР N 1141368, опубл. 23.02.85 бюл. N7).

Модуль с описанным концентратором, выполненный в виде протяженных призм, ориентированных по сторонам света Запад- Восток, может работать в течение года в стационарном режиме или требует поворота вокруг оси Запад-Восток на небольшой угол.

Недостаток известного решения: большие светопотери модуля из-за того, что луч все расстояние в концентраторе проходит внутри плотного оптического материала, который в любом случае имеет поглощение выше воздуха. Кроме того, подобный концентратор требует для изготовления большое количество оптического материала для изготовления призм, это увеличивает его стоимость.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), выполненный на основе цилиндрического фоклина, имеющего две симметричные отражающие боковые стенки с поверхностью выхода, на которой установлена оптически прозрачная призма, имеющая две боковые отражающие стенки, поверхность входа и поверхность выхода излучения, на которую установлен фотопреобразователь (патент РФ N 2134849, публикация 20.08.1999, бюл. 23).

Недостатком известного решения является большая материалоемкость оптически прозрачной призмы, что увеличивает габариты модуля и его вес.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного концентратора, позволяющего уменьшить габариты и вес модуля.

Указанный технический эффект достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле с концентратором, содержащем концентратор на основе цилиндрического фоклина, имеющего две отражающие симметричные цилиндрические боковые стенки и расположенную между ними поверхность выхода излучения, на которой установлена оптически прозрачная призма, имеющая две боковые отражающие стенки и поверхность выхода излучения с установленным на ней фотопреобразователем, фотопреобразователь и поверхность выхода излучения из призмы совмещены с поверхностью выхода излучения из фоклина, боковые отражающие стенки призмы совмещены с нижней частью боковых отражающих стенок фоклина, поверхность входа излучения в призму выполнена по двум круговым цилиндрическим поверхностям, имеющим общую линию пересечения на плоскости симметрии концентратора и линии пересечения с боковыми отражающими стенками фоклина с образованием острых углов при вершинах.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где представлены поперечное сечение модуля и схема прохождения солнечных лучей.

Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор на основе цилиндрического фоклина 1, имеющего две отражающие симметричные цилиндрические боковые стенки 2, 3 и расположенную между ними поверхность выхода излучения 4, на которой установлена оптически прозрачная призма 5, имеющая две боковые отражающие стенки 6, 7 и поверхность выхода излучения 4 с установленным на ней фотопреобразователем 8. Поверхность выхода излучения 4 из фоклина 1 и из призмы 5 с фотопреобразователем 8 является общей, боковые отражающие стенки 6 и 7 призмы 5 совмещены с нижней частью боковых отражающих стенок 2 и 3 фоклина 1, поверхность входа излучения в призму выполнена по двум круговым цилиндрическим поверхностям 9, 10, имеющим общую линию пересечения 11 на плоскости симметрии 12 концентратора и линии пересечения 13, 14 с боковыми стенками 2 и 3 фоклина 1 с образование острых углов β при вершинах 13 и 14.

Кроме того, на чертеже изображено: D - размер поверхности входа излучения в фоклин 1; d - размер поверхности 4 выхода излучения; H - высота фоклина 1; F₁ и F₂ - точки оптических фокусов парабол, образующих боковые стенки 2 и 3 фоклина 1; δ - апертурный угол; ψ - угол наклона ветви параболы в вершинах 13 и 14. Также даны схемы хода лучей L₁, L₂.

Работает модуль следующим образом.

При установке плоскость поверхности входа D располагают под углом широты местности к горизонтальной плоскости.

При максимальном отклонении излучения от плоскости симметрии концентратора, луч L₁ отражается стенками фоклина в соответствующие оптические фокусы образующих парабол F₁ и F₂. После отражения луч попадает на поверхность входа излучения 9 призмы 5, преломляется, отражается от стенки 6 и приходит к поверхности 9 под углом полного внутреннего отражения Φ, после чего отражается на поверхность выхода излучения 4, где установлен фотопреобразователь 8.

Луч L₂, параллельный плоскости симметрии 12, попадает сразу на призму 5, преломляется на ее поверхности входа 10, отражается от боковой стенки 7 и попадает на фотопреобразователь 8.

Для того, чтобы луч L₁ после отражения от стенки 6 попал на поверхность входа 9 под углом полного внутреннего отражения Φ, необходимо, чтобы острые углы β при вершинах 13 и 14 были выбраны в соответствии и условием на полное внутреннее отражение в вершинах, которое задается формулой: Все лучи, пришедшие на фоклин 1 под углами, меньшими чем угол δ, будут укладываться в одну из вышеприведенных схем хода луча.

Пример конкретного выполнения фотоэлектрического модуля с концентратором.

Призма выполнена из стекла с коэффициентом преломления n=1.5. Размер фотоэлемента d=10 мм. Высота призмы h_пр=9.8 мм, а высота всего модуля с учетом высоты фоклина составляет H=77 мм. При этом площадь сечения призмы составляет S_пр=0.49 cм², а концентрация K=D/d==3.7 крат. Оптический КПД модуля составляет 85%.

В сравнении с прототипом при том же размере фотоэлемента d=10 мм. Размеры призмы: h_пр=4.1 мм, размер принимающей поверхности α_верхн =25 мм. Тогда высота фоклина H_фокл=89 мм, а высота всего модуля H=h_пр+H_фокл=93.1 мм. При этом площадь сечения призмы составляет S_пр=0.7 см², а концентрация K=D/d=4.5 крат. Оптический КПД модуля составляет 77%.

Таким образом, повышается оптический КПД, габариты модуля уменьшаются по сравнению с прототипом на 20%, а материалоемкость призмы, используемой в модуле, уменьшается на 30%.

Формула изобретения

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий концентратор на основе цилиндрического фоклина, имеющего две отражающие симметричные цилиндрические боковые стенки и расположенную между ними поверхность выхода излучения, на которой установлена оптически прозрачная призма, имеющая две боковые отражающие стенки и поверхность выхода излучения с установленным на ней фотопреобразователем, отличающийся тем, что поверхность выхода излучения из фоклина и из призмы с фотопреобразователем является общей, боковые отражающие стенки призмы совмещены с нижней частью боковых отражающих стенок фоклина, поверхность входа излучения в призму выполнена по двум круговым цилиндрическим поверхностям, имеющим общую линию пересечения на плоскости симметрии концентратора и линии пересечения с боковыми стенками фоклина с образованием острых углов при вершинах.

РИСУНКИ

Рисунок 1