Солнечная установка с концентратором (варианты)
Владельцы патента RU 2311701:
Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) (RU)
Стребков Дмитрий Семенович (RU)
Солнечная установка с концентратором содержит цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения в фокальной области. Концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических кольцеобразных тороидальных отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n. Радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию от центра поперечного сечения до оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник. Приемник выполнен в форме многоугольника с числом сторон m≥3, установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет диаметр окружности, описанной вокруг приемника, равный радиусу окружности, описанной вокруг многоугольника концентратора. Также предложены еще четыре варианта выполнения солнечной установки с различными по форме концентратором и приемником излучения. Предложенное изобретение позволяет увеличить концентрацию излучения на приемнике излучения, апертурный угол концентратора, коэффициент заполнения и использования полезной площади установки. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных установок с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла.
Известна солнечная установка с концентратором, состоящая из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью, поперечное сечение концентратора выполнено по окружности радиуса r, и приемника излучения с двусторонней рабочей поверхностью, расположенного в плоскости радиуса r (патент Франции 2342558, опубл. 23.09.77, МКИ H01L 31/08, G02B 5/08). Солнечное излучение приходит на воспринимающую плоскость, на которой установлена часть приемника излучения, выполненная в виде солнечных элементов с двусторонней фоточувствительностью, часть солнечного излучения попадает непосредственно на лицевую сторону приемника излучения, расположенного на воспринимающей плоскости в пределах радиуса r. Через вторую часть воспринимающей плоскости, имеющей также размер r, излучение проходит на концентратор, отражается и попадает на тыльную сторону приемника излучения. Концентрация (геометрическая) излучения на солнечных элементах, равная отношению площади воспринимающей плоскости (2r) к площади солнечных элементов (r), составляет в этом случае 2.
Недостатком известного решения является низкая концентрация излучения на солнечных элементах, которая в идеальном случае равна 2, а в реальных условиях с учетом отражения от цилиндрического концентратора составляет 1,5-1,6, что приводит к незначительному изменению как стоимостных характеристик модуля (для фотоэлектрических модулей), так и теплотехнических параметров (для комбинированных модулей) для выработки электричества и тепла.
Известна солнечная установка с концентратором, состоящая из цилиндрического концентратора с воспринимающей солнечное излучение плоскостью и приемника излучения с двухсторонней рабочей поверхностью, у которого поперечное сечение цилиндрического концентратора выполнено двумя радиусами, причем окружность радиуса r сопрягается с окружностью большого радиуса R в плоскости, на которой расположены центры обоих радиусов, перпендикулярной плоскости, воспринимающей излучение. Приемник излучения может быть расположен в плоскости радиуса r, воспринимающей совмещенной с плоскостью сопряжения окружностей с радиусами r и R. (Патент РФ №2191329, класс и 7 F24J 2/14, 20.02.2001).
Установка имеет более высокую концентрацию излучения по сравнению с аналогом. Недостатком солнечной установки является низкое значение апертурного угла, в пределах которого солнечный модуль концентрирует прямое и рассеянное солнечное излучение.
Предложенное изобретение решает следующие технические задачи: увеличивает концентрацию излучения на приемнике излучения, апертурный угол концентратора и коэффициент заполнения и использования полезной площади установки.
Для достижения указанного результата в солнечной установке с концентратором, содержащей цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения в фокальной области, концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических кольцеобразных тороидальных отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а приемник выполнен в форме многоугольника с числом сторон m≥3, установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет диаметр окружности, описанной вокруг приемника, равный радиусу окружности, описанной вокруг многоугольника концентратора.
В солнечной установке с концентратором, содержащей цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а круглый приемник установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет диаметр, равный радиусу окружности, описанной вокруг многоугольника концентратора, а геометрический коэффициент концентрации солнечной установки равен
В варианте конструкции солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных тороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в виде круга с диаметром, равным половине диаметра окружности, описанной вокруг квадрата концентратора.
В другом варианте конструкции солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме шестиугольника из шести фацетных тороидальных цилиндрических зеркальных отражателей, а приемник выполнен в виде круга с диаметром, равным половине диаметра описанной вокруг шестиугольника окружности.
Еще в одном варианте конструкции солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме двенадцатиугольника из двенадцати фацетных тороидальных зеркальных отражателей, а приемник выполнен в форме круга диаметром, равным половине диаметра окружности, описанной вокруг концентратора.
В солнечной установке с концентратором, содержащей цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а приемник в форме квадрата установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет размер стороны квадрата, равный радиусу окружности, описанной вокруг многоугольника концентратора, а геометрический коэффициент концентрации солнечной установки равен 
В варианте исполнения солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных тороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в виде квадрата со стороной, равной половине диаметра окружности, описанной в плоскости миделя вокруг концентратора.
В другом варианте солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме шестиугольника из шести фацетных тороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине стороны шестиугольного концентратора.
Еще в одном варианте солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме двенадцатиугольника из двенадцати фацетных тороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине диаметра окружности, описанной вокруг двенадцатигранного концентратора.
В солнечной установке с концентратором, содержащей цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а круглый приемник установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет диаметр, равный радиусу окружности, вписанной в многоугольник концентратора, а геометрический коэффициент концентрации солнечной установки равен 
В варианте солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в форме круга с диаметром, равным половине стороны квадрата концентратора.
В другом варианте солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в виде шестиугольника из шести фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в виде круга диаметром, равным половине диаметра окружности, вписанной в шестиугольник концентратора.
Еще в одном варианте солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме двенадцатиугольника из двенадцати фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в виде круга с диаметром, равным половине диаметра окружности, вписанной в двенадцатиугольник концентратора.
В солнечной установке с концентратором, содержащей цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а приемник в форме квадрата установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет размер стороны квадрата, равный радиусу окружности, вписанной в многоугольник концентратора, а геометрический коэффициент концентрации солнечной установки равен 
В варианте исполнения солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в виде квадрата, стороны которого параллельны сторонам концентратора и в два раза меньше сторон концентратора.
В другом варианте солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме шестиугольника из шести фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине диаметра окружности, вписанной в шестиугольный концентратор.
Еще в одном варианте солнечной установки с концентратором концентратор выполнен в форме двенадцатиугольника из двенадцати фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине диаметра окружности, вписанной в двенадцатиугольный концентратор.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами:
фиг.1 (а, б, в) - вид солнечной установки с концентратором в форме квадрата;
фиг.2 (а, б, в) - общий вид (а), сечение (б) и вид в плане (в) солнечной установки с концентратором в форме шестиугольника;
фиг.3 (а, б) - сечение (а) и вид в плане (б) солнечной установки с концентратором в форме двенадцатиугольника.
Солнечный модуль с концентратором (фиг.1а, б, в) состоит из фацетного цилиндрического тороидального концентратора 1 с воспринимающей солнечное излучение плоскостью миделя 2. Концентратор 7 выполнен в форме квадрата из четырех фацетных цилиндрических отражателей 3. Приемник излучения 4 с лицевой 5 и тыльной 6 рабочей поверхностью установлен в плоскости миделя 2. Приемник 4 на фиг.1 (а) выполнен из 36 солнечных элементов 4. В общем случае приемник 4 может быть выполнен в виде водяного или воздушного солнечного коллектора с двумя рабочими поверхностями 5 и 6. Приемник 4 выполнен в форме квадрата со стороной а, стороны которого параллельны сторонам концентратора 7, и длина а каждой стороны приемника 4 в два раза меньше длины стороны А концентратора 7. Диаметр d, описанный около приемника 4, окружности 7 в два раза меньше диаметра D окружности 8, описанной вокруг концентратора 1. Поперечное сечение каждого фацетного отражателя 1 имеет радиус r и удалено от центра симметрии отражателя 9 на расстояние 
Центр симметрии 5 приемника 3 совпадает с центром симметрии 4 отражателя 1. Геометрический коэффициент концентрации КГ=4.
Концентратор 7 на фиг.2 (а, б, в) выполнен в виде шести цилиндрических тороидальных зеркальных отражателей 10, установленных осесимметрично вокруг центра симметрии 9 концентратора 7. Приемник 4 выполнен в виде круга диаметром 
где D1 - диаметр описанной около концентратора 1 окружности 11. Геометрический коэффициент концентрации 
Концентратор 1 на фиг.3 (а, б) выполнен из двенадцати зеркальных цилиндрических отражателей 72, установленных в форме тороида вокруг оси симметрии 9. Приемник 4 выполнен в форме квадрата, сторона которого a2 равна половине диаметра D2 окружности 13, описанной вокруг двенадцатиугольного концентратора 1. Геометрический коэффициент концентрации 
Определим геометрический коэффициент концентрации для вариантов исполнения фацетных цилиндрических тороидальных концентраторов.
В качестве переменной величины принимаем n - количество цилиндрических фацет в концентраторе 1.
Варианты исполнения приемника 4:
1. Крупный приемник с диаметром dпр=Rопис
Площадь приемника 
Площадь концентратора 
Геометрический коэффициент концентрации 
2. Квадратный приемник со стороной d=Rопис.
Площадь приемника 
Площадь концентратора 
3. Круглый приемник с диаметром 
Площадь приемника 
Площадь концентратора 
4. Квадратный приемник со стороной 
Площадь приемника 
Площадь концентратора 
Варианты исполнения концентратора 1:
1. Концентратор из четырех фацетных зеркальных цилиндрических тороидальных отражателей 3, n=4 (фиг.1).
Площадь концентратора 
Площадь приемника:
2. Концентратор из шести фацетных зеркальных цилиндрических тороидальных отражателей 10, n=6 (фиг.2).
Площадь концентратора 
Площадь приемника:
3. Концентратор из двенадцати фацетных зеркальных цилиндрических тороидальных отражателей 12, n=12 (фиг.3).
Площадь концентратора 
Площадь приемника
При увеличении числа фацетных отражателей n площадь концентратора Sn стремится к площади круга 
а геометрический коэффициент концентрации будет равен значению Кгеом для круглых тороидальных концентраторов:
Варианты 1 и 2 совпадают с 3 и 4, поскольку при n→∞
Rвпис→Rопис→Rкруга, а Sвпис→Sопис→Sn→Sкруга.
Рассмотрим конкретные примеры выполнения солнечной установки с концентратором.
Пример 1. Концентратор 1 выполнен из шести фацетных зеркальных тороидальных отражателей 10, образующих в плане шестиугольник со стороной, равной радиусу Rопис описанной окружности 11 (фиг.2). Диаметр описанной окружности 11 равен D=2 Rопис=300 мм. Приемник 4 с двухсторонней рабочей поверхностью выполнен в виде круга диаметром 
Площадь концентратора 1 составляет: 
Площадь приемника 4: 
Геометрический коэффициент концентрации Кг=3,3.
Оптический кпд ηопт=0,8; кпд солнечного элемента ηсэ=15%; пиковая электрическая мощность при освещенности Ес=1000 Вт/м2:
Рэл=Ес·ηсэ·ηопт·Sпр·KГ=1000 Вт/м2·0,15·0,8·176,62·10-4·3,3=6,9 Вт.
Солнечный модуль из 36 зеркальных фацетных тороидальных концентраторов имеет пиковую мощность Рэл=248,4 Вт. Благодаря использованию концентратора в форме шестиугольника коэффициент заполнения модуля или коэффициент использования площади модуля равен 100%.
Пример 2. Концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных зеркальных тороидальных отражателей 3 (фиг.1). Размер стороны концентратора 1 А=2,4 м. Приемник 4 выполнен в форме квадрата со стороной а=1,2 м из двух солнечных модулей с двумя рабочими поверхностями 5 и 6 с размером каждого модуля 1,2×0,6 м. Каждый модуль выполнен из 36 солнечных элементов размером 125×125 мм и имеет пиковую электрическую мощность 75 Вт.
Площадь концентратора S4=5,76 м2.
Площадь приемника Sпр=1,44 м2.
Геометрический коэффициент концентрации К=4.
При оптическом кпд ηопт=0,8 электрическая мощность солнечной установки с концентратором Рэл=150 Вт·0,8·4=480 Вт.
Солнечная установка с концентратором имеет апертурный угол, равный 180°, коэффициент использования рабочей площади установки, близкий к 100% и не требует слежения за солнцем. Использование двухсторонней рабочей поверхности приемника в виде солнечных элементов приводит к снижению рабочей температуры приемника за счет отсутствия сплошного металлического контакта с нерабочей стороны солнечного элемента и пропускания через солнечный элемент тепловой нефотоактивной части солнечного излучения за краем полосы собственного поглощения солнечного элемента.
1. Солнечная установка с концентратором, содержащая цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, отличающаяся тем, что концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а приемник выполнен в форме многоугольника с числом сторон m≥3 и установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет диаметр окружности, описанной вокруг приемника, равный радиусу окружности, описанной вокруг многоугольника концентратора.
2. Солнечная установка с концентратором, содержащая цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, отличающаяся тем, что концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а круглый приемник установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет диаметр, равный радиусу окружности, описанной вокруг многоугольника концентратора, а геометрический коэффициент концентрации солнечной установки равен 
3. Солнечная установка с концентратором по п.2, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных тороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в виде круга с диаметром, равным половине диаметра окружности, описанной вокруг квадрата концентратора.
4. Солнечная установка с концентратором по п.2, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме шестиугольника из шести фацетных тороидальных цилиндрических зеркальных отражателей, а приемник выполнен в виде круга с диаметром, равным половине диаметра описанной вокруг шестиугольника окружности.
5. Солнечная установка с концентратором по п.2, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме двенадцатиугольника из двенадцати фацетных тороидальных зеркальных отражателей, а приемник выполнен в форме круга диаметром, равным половине диаметра окружности, описанной вокруг концентратора.
6. Солнечная установка с концентратором, содержащая цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, отличающаяся тем, что концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а приемник в форме квадрата установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет размер стороны квадрата, равный радиусу окружности, описанной вокруг многоугольника концентратора, а геометрический коэффициент концентрации солнечной установки равен 
7. Солнечная установка с концентратором по п.6, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных тороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в виде квадрата со стороной, равной половине диаметра окружности, описанной в плоскости миделя вокруг концентратора.
8. Солнечная установка с концентратором по п.6, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме шестиугольника из шести фацетных тороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине стороны шестиугольного концентратора.
9. Солнечная установка с концентратором по п.6, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме двенадцатиугольника из двенадцати фацетных тороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине диаметра окружности, описанной вокруг двенадцатигранного концентратора.
10. Солнечная установка с концентратором, содержащая цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, отличающаяся тем, что концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а круглый приемник установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет диаметр, равный радиусу окружности, вписанной в многоугольник концентратора, а геометрический коэффициент концентрации солнечной установки равен 
11. Солнечная установка с концентратором по п.10, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в форме круга с диаметром, равным половине стороны квадрата концентратора.
12. Солнечная установка с концентратором по п.10, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в виде шестиугольника из шести фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в виде круга диаметром, равным половине диаметра окружности, вписанной в шестиугольник концентратора.
13. Солнечная установка с концентратором по п.10, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме двенадцатиугольника из двенадцати фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в виде круга с диаметром, равным половине диаметра окружности, вписанной в двенадцатиугольник концентратора.
14. Солнечная установка с концентратором, содержащая цилиндрические зеркальные отражатели и приемник излучения, отличающаяся тем, что концентратор выполнен из n (n≥3) фацетных осесимметричных цилиндрических отражателей, образующих в объеме тороидальную поверхность, а на плоскости миделя концентратора правильный многоугольник с числом сторон n, радиус поперечного сечения каждого цилиндрического отражателя равен расстоянию центра поперечного сечения от оси симметрии и в четыре раза меньше диаметра окружности, вписанной в многоугольник, а приемник в форме квадрата установлен осесимметрично в плоскости миделя концентратора и имеет размер стороны квадрата, равный радиусу окружности, вписанной в многоугольник концентратора, а геометрический коэффициент концентрации солнечной установки равен 
15. Солнечная установка с концентратором по п.14, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме квадрата из четырех фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в виде квадрата, стороны которого параллельны сторонам концентратора и в два раза меньше сторон концентратора.
16. Солнечная установка с концентратором по п.14, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме шестиугольника из шести фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине диаметра окружности, вписанной в шестиугольный концентратор.
17. Солнечная установка с концентратором по п.14, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в форме двенадцатиугольника из двенадцати фацетных цилиндрических тороидальных отражателей, а приемник выполнен в форме квадрата со стороной, равной половине диаметра окружности, вписанной в двенадцатиугольный концентратор.
