Солнечный модуль с концентратом (варианты)
Владельцы патента RU 2456515:
Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU)
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электричества и/или тепла. В солнечном модуле с концентратором, отражающая поверхность которого симметрична относительно плоскости симметрии, проходящей через центр приемника перпендикулярно его поверхности, отражающая поверхность образована прямоугольными зеркальными пластинами-фацетами, которые между двумя плоскостями, проходящими через параллельные плоскости симметрии кромки приемника и образующими двухгранный угол α, равный заданной угловой апертуре, установлены таким образом, что плоскость фацеты и плоскость, проходящая через ближайшую кромку приемника и дальнюю от плоскости симметрии кромку фацеты, образуют прямой угол, а другие фацеты установлены так, чтобы луч, приходящий со стороны плоскости симметрии под углом к ней, равным половине угловой апертуры α/2, после отражения и преломлений на дальней от плоскости симметрии кромке фацеты, попадал на ближнюю кромку приемника, если указанная кромка фацеты ниже плоскости приемника, или на дальнюю кромку приемника, если кромка фацеты выше плоскости приемника. В другом варианте солнечного модуля отражающая поверхность образована прямоугольными зеркальными пластинами-фацетами, которые между двумя плоскостями, проходящими через параллельные плоскости симметрии кромки приемника и образующими двухгранный угол α, равный заданной угловой апертуре, установлены в виде хорд круглых цилиндрических поверхностей с радиусами, равными половине ширины приемника, оси которых совпадают с кромками приемника излучения и параллельны плоскости симметрии, а другие фацеты установлены так, чтобы луч, приходящий со стороны плоскости симметрии под углом к ней, равным половине угловой апертуры α/2, после отражения и преломлений на дальней от плоскости симметрии кромке фацеты, попадал на ближнюю кромку приемника, если указанная кромка фацеты ниже плоскости приемника, или на дальнюю кромку приемника, если кромка фацеты выше плоскости приемника. В двух вариантах солнечного модуля в фотоэлектрическом приемнике электрически последовательно соединены только те солнечные элементы, центры которых лежат на одной прямой, параллельной плоскости симметрии, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента концентрации, увеличение среднегодовой выработки энергии и снижение ее себестоимости. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электричества и/или тепла.
Известен солнечный модуль с цилиндрическим концентратором, поперечное сечение которого выполнено по двум радиусам, причем окружность меньшего радиуса сопрягается с окружностью большего радиуса в плоскости, которой принадлежат центры обеих окружностей (Патент РФ №2191329, БИ 2002, №29).
Недостатком известного технического устройства является низкий коэффициент концентрации и неравномерность распределения солнечной радиации по поверхности приемника.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является солнечный модуль с неследящим концентратором, имеющий боковые отражающие круглоцилиндрические стенки радиусом R, расположенные по обе стороны от плоскости симметрии модуля, проходящей через центр двухстороннего приемника излучения шириной d и параллельного плоскости входа, и вторичные круглоцилиндрические отражатели радиусом r=0,5d (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович «Концентраторы солнечного излучения», М., ОНО «Типография Россельхозакадемии», 2007, с.197-198).
Известное техническое решение (прототип) по сравнению с известным аналогом обеспечивает более высокую концентрацию солнечного излучения на поверхности приемника.
Основным недостатком прототипа, имеющего концентратор со сплошной отражающей поверхностью, является резкая неравномерность в распределении освещенности приемника излучения - отношение плотностей потока в разных точках приемника достигает 25 и более раз, что приводит к значительному снижению эффективности работы фотопреобразователей. 20-ти кратная концентрация солнечного излучения на отдельных участках поверхности приемника без применения специальных мер может привести к локальному перегреву и повреждению фотопреобразователя.
Задачей предлагаемого изобретения является получение на поверхности приемника более равномерной освещенности, что позволит использовать в качестве приемника не только тепловые коллекторы, но и фотоэлектрические преобразователи без снижения эффективности и без риска образования горячих пятен и локального перегрева.
Практическое применение разработанного неследящего солнечного концентратора позволяет снизить стоимость киловатт-часа, произведенного фотоэлектрическим модулем, почти на 20%.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, отражающая поверхность которого симметрична относительно плоскости симметрии, проходящей через центр приемника перпендикулярно его поверхности, отражающая поверхность образована прямоугольными зеркальными пластинами-фацетами, которые между двумя плоскостями, проходящими через параллельные плоскости симметрии кромки приемника и образующими двухгранный угол α, равный заданной угловой апертуре, установлены таким образом, что плоскость фацеты и плоскость, проходящая через ближайшую кромку приемника и дальнюю от плоскости симметрии кромку фацеты, образуют прямой угол, а другие фацеты установлены так, чтобы луч, приходящий со стороны плоскости симметрии под углом к ней, равным половине угловой апертуры α/2, после отражения и преломлений на дальней от плоскости симметрии кромке фацеты, попадал на ближнюю кромку приемника, если указанная кромка фацеты ниже плоскости приемника, или на дальнюю кромку приемника, если кромка фацеты выше плоскости приемника.
В солнечном модуле с концентратором в фотоэлектрическом приемнике электрически последовательно соединены только те солнечные элементы, центры которых лежат на одной прямой, параллельной плоскости симметрии, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод.
В варианте солнечного модуля с концентратором, отражающая поверхность которого симметрична относительно плоскости симметрии, проходящей через центр приемника перпендикулярно его поверхности, отражающая поверхность образована прямоугольными зеркальными пластинами-фацетами, которые между двумя плоскостями, проходящими через параллельные плоскости симметрии кромки приемника и образующими двухгранный угол α, равный заданной угловой апертуре, установлены в виде хорд круглых цилиндрических поверхностей с радиусами, равными половине ширины приемника, оси которых совпадают с кромками приемника излучения и параллельны плоскости симметрии, а другие фацеты установлены так, чтобы луч, приходящий со стороны плоскости симметрии под углом к ней, равным половине угловой апертуры α/2, после отражения и преломлений на дальней от плоскости симметрии кромке фацеты, попадал на ближнюю кромку приемника, если указанная кромка фацеты ниже плоскости приемника, или на дальнюю кромку приемника, если кромка фацеты выше плоскости приемника.
В варианте солнечного модуля с концентратором в фотоэлектрическом приемнике электрически последовательно соединены только те солнечные элементы, центры которых лежат на одной прямой, параллельной плоскости симметрии, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-6.
На фиг.1 показаны поперечное сечение солнечного модуля с концентратором и схема прохождения лучей.
На фиг.2 представлен вариант построения профиля фацетного отражателя, в котором зеркальные фацеты в зоне А установлены таким образом, что плоскость фацеты и плоскость, проходящая через ближайшую кромку приемника и дальнюю от плоскости симметрии кромку фацеты, образуют прямой угол.
На фиг.3 представлен вариант построения профиля фацетного отражателя, в котором зеркальные фацеты в зоне А установлены в виде хорд круглых цилиндрических поверхностей с радиусами, равными половине ширины приемника, оси которых совпадают с кромками приемника излучения и параллельны плоскости симметрии.
На фиг.4 представлен расчетный профиль (поперечное сечение) солнечного модуля с концентратором с угловой апертурой 48°.
На фиг.5 представлен расчетный профиль (поперечное сечение) солнечного модуля с концентратором с угловой апертурой 36°.
На фиг.6 представлена электрическая схема фотоэлектрического приемника из последовательно соединенных солнечных элементов с блокирующими диодами.
Солнечный модуль состоит из неследящего цилиндрического концентратора, отражающая поверхность которого образована прямоугольными зеркальными пластинами-фацетами 1-17(n) и двухстороннего приемника излучения 18, плоскость которого параллельна поверхности входа концентратора 19. В фотоэлектрическом приемнике (фиг.6) электрически последовательно соединены только те солнечные элементы 23, центры которых лежат на одной прямой, параллельной плоскости симметрии 20, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод 24.
Поверхность солнечного концентратора условно разделена на три зоны А, В и С. В зоне А могут быть использованы два варианта профиля зеркального фацетного отражателя. В первом варианте (фиг.2) зеркальные фацеты 1-5 установлены таким образом, что плоскость фацеты и плоскость 21, проходящая через ближайшую кромку приемника 18 и дальнюю от плоскости симметрии 20 кромку фацеты, образуют прямой угол. Во втором варианте (фиг.3) зеркальные фацеты 1-6 в зоне А установлены в виде хорд круглых цилиндрических поверхностей 22 с радиусами, равными половине ширины приемника 18, оси которых совпадают с кромками приемника излучения и параллельны плоскости симметрии 20. Если используется первый вариант профиля (фиг.2), то солнечные лучи, отражаясь от фацет 1-5 в зоне А гарантированно попадают на приемник 18 после одного или нескольких отражений. При установке фацет по второму варианту (фиг.3) незначительная часть солнечных лучей после отражения от фацет в зоне А пройдет мимо приемника излучения, но зато такой профиль обеспечивает больший коэффициент концентрации при той же угловой апертуре. Выбор оптимального варианта профиля отражателя в зоне А определяется сравнением расчетных интегральных энергетических характеристик концентраторов, спроектированных по этим вариантам, в предполагаемом районе эксплуатации солнечного модуля. В зонах В и С (фиг.1) фацеты установлены так, чтобы луч, приходящий со стороны плоскости симметрии 20 под углом к ней, равным половине угловой апертуры α/2, после отражения и преломлений на дальней от плоскости симметрии кромке фацеты, попадал на ближнюю кромку приемника, если указанная кромка фацеты ниже плоскости приемника 18 (зона В, луч L1), или на дальнюю кромку приемника, если кромка фацеты выше плоскости приемника (зона С, луч L2).
Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.
Луч L1 (фиг.1), направление которого составляет с плоскостью симметрии 20 угол α/2, приходит на поверхность зеркальной фацеты 7 под минимальным углом падения и после отражения и преломлений попадает на тыльную сторону приемника 18 вблизи его ближней кромки. При увеличении угла падения отраженный луч смещается по поверхности приемника к его противоположной кромке, пока не попадет на фацету 1-5 в зоне А, после отражения от которой попадает на приемник 18. Луч L2, направление которого составляет с плоскостью симметрии 20 угол α/2, после отражения и преломлений попадает на фронтальную сторону приемника 18 вблизи его дальней кромки. При увеличении угла падения отраженный луч смещается по поверхности приемника к его ближней кромке, пока не попадет на фацету 1-5 в зоне А, после отражения от которой попадает на приемник 18. При еще большем увеличении угла падения лучи, отражаясь от фацет зоны в С, могут попасть на фацеты в зоне В, отражаясь от которых, либо сразу попадают на приемник, либо сначала на фацеты зоны А и после отражения от них - на приемник.
Примеры выполнения солнечного модуля с концентратором.
Рассчитан профиль солнечного модуля с двухсторонним приемником излучения и неследящим цилиндрическим концентратором для заданной угловой апертуры, размеров приемника и ширины зеркальных фацет. На фиг.4 представлен расчетный профиль солнечного концентратора с угловой апертурой 48°. Такая геометрия позволяет солнечному концентратору эффективно работать в течение всего года без какой-либо корректировки положения, при этом геометрический коэффициент концентрации такого модуля 3,2. На фиг.5 - модуль с угловой апертурой 36° и геометрическим коэффициентом концентрации 4. Наиболее эффективно возможности такого модуля используются при двухразовой корректировке положения концентратора в течение года. Например, для Москвы в «летнем» положении угол наклона поверхности апертуры к горизонту должен быть равен 40°, а в «зимнем» - 80°.
В таблице приведены ширина каждой зеркальной фацеты и угол относительно плоскости апертуры. Ширина преемника в обоих случаях равна 1040 мм.
Предлагаемое устройство может быть реализовано в солнечных или комбинированных энергосистемах для выработки электроэнергии и/или тепла.
| Номер пластины | Угловая апертура 36° | Угловая апертура 48° | ||
| Ширина пластины, мм | Угол наклона, градус | Ширина пластины, мм | Угол наклона, градус | |
| 1 | 150 | 65,6 | 150 | 65,6 |
| 2 | 150 | 48,8 | 150 | 48,8 |
| 3 | 150 | 31,8 | 150 | 31,8 |
| 4 | 150 | 15,0 | 150 | 15,0 |
| 5 | 150 | 2,0 | 150 | 2,0 |
| 6 | 150 | 23,5 | 150 | 25,7 |
| 7 | 150 | 32,1 | 150 | 34,4 |
| 8 | 150 | 40,0 | 150 | 42,7 |
| 9 | 150 | 47,0 | 150 | 50,1 |
| 10 | 150 | 52,8 | 300 | 57,0 |
| 11 | 300 | 57,3 | 300 | 62,7 |
| 12 | 300 | 60,6 | 300 | 65,9 |
| 13 | 300 | 63,6 | ||
| 14 | 300 | 66,1 | ||
| 15 | 300 | 68,4 | ||
| 16 | 300 | 70,3 | ||
| 17 | 300 | 72,0 |
1. Солнечный модуль с концентратором, отражающая поверхность которого симметрична относительно плоскости симметрии, проходящей через центр приемника перпендикулярно его поверхности, отличающийся тем, что отражающая поверхность образована прямоугольными зеркальными пластинами-фацетами, которые между двумя плоскостями, проходящими через параллельные плоскости симметрии кромки приемника и образующими двухгранный угол α, равный заданной угловой апертуре, установлены таким образом, что плоскость фацеты и плоскость, проходящая через ближайшую кромку приемника и дальнюю от плоскости симметрии кромку фацеты, образуют прямой угол, а другие фацеты установлены так, чтобы луч, приходящий со стороны плоскости симметрии под углом к ней, равным половине угловой апертуры α/2, после отражения и преломлений на дальней от плоскости симметрии кромке фацеты, попадал на ближнюю кромку приемника, если указанная кромка фацеты ниже плоскости приемника, или на дальнюю кромку приемника, если кромка фацеты выше плоскости приемника.
2. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что в фотоэлектрическом приемнике электрически последовательно соединены только те солнечные элементы, центры которых лежат на одной прямой, параллельной плоскости симметрии, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод.
3. Солнечный модуль с концентратором, отражающая поверхность которого симметрична относительно плоскости симметрии, проходящей через центр приемника перпендикулярно его поверхности, отличающийся тем, что отражающая поверхность образована прямоугольными зеркальными пластинами-фацетами, которые между двумя плоскостями, проходящими через параллельные плоскости симметрии кромки приемника и образующими двухгранный угол α, равный заданной угловой апертуре, установлены в виде хорд круглых цилиндрических поверхностей с радиусами, равными половине ширины приемника, оси которых совпадают с кромками приемника излучения и параллельны плоскости симметрии, а другие фацеты установлены так, чтобы луч, приходящий со стороны плоскости симметрии под углом к ней, равным половине угловой апертуры α/2, после отражения и преломлений на дальней от плоскости симметрии кромке фацеты, попадал на ближнюю кромку приемника, если указанная кромка фацеты ниже плоскости приемника, или на дальнюю кромку приемника, если кромка фацеты выше плоскости приемника.
4. Солнечный модуль с концентратором по п.3, отличающийся тем, что в фотоэлектрическом приемнике электрически последовательно соединены только те солнечные элементы, центры которых лежат на одной прямой, параллельной плоскости симметрии, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод.
