Солнечный модуль с концентратором

Авторы патента:

Стребков Дмитрий Семенович (RU)

Тарасов Всеволод Павлович (RU)

Иродионов Анатолий Евгеньевич (RU)

H01L31/058 - содержащие средства для использования тепловой энергии, например гибридные системы, или добавочные источники электрической энергии (использующие солнечное тепло вообще F24J 2/00)

F24J2/42 - системы, использующие энергию солнечной радиации, не отнесенные к другим рубрикам

Владельцы патента RU 2502024:

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. Солнечный модуль с концентратором состоит из приемника солнечного излучения и цилиндрического солнечного концентратора, отражающая поверхность которого образована прямоугольными зеркально отражающими пластинами - фацетами. Фацеты установлены так, что солнечный луч L1, лежащий в плоскости поперечного сечения концентратора и идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце, равным точности следящей системы α, после отражения на ближней к приемнику кромке фацеты, попадает на дальнюю от нее границу зоны концентрированного солнечного излучения на поверхности приемника, а ширина фацет такова, что луч L2, симметричный первому лучу L1 относительно прицельного направления, после отражения на противоположной кромке фацеты попадает на ближнюю границу зоны концентрированного излучения. Изобретение обеспечивает более равномерное распределение солнечной радиации по поверхности приемника, повышение оптической эффективности концентратора и, в результате, увеличение среднегодовой выработки энергии и снижение ее себестоимости. 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.

Известна технология EUCLIDES, по которой изготовлены линейно-фокусирующие зеркальные параболоцилиндрические концентраторы для фотоэлектрической солнечной электростанции номинальной мощностью 480 кВт. Оптическая эффективность концентратора 90% при точности слежения за Солнцем ±0,2° (G. Sala, N.B. Mason, et al. «480 kWpeak EUCLIDES Concentrator Power Plant Using Parabolic Troughs», Proc. 2nd World Conf. PVSEC, Vienna 1998, 1963-8).

Недостатком известного технического устройства является значительная неравномерность распределения солнечной радиации по поверхности фотоэлектрического приемника, что может привести к локальному перегреву, росту омических потерь и, в конечном итоге, к снижению номинальной мощности модуля (A. Luque, G. Sala, J.С. Arboiro «Electric and thermal model for non-uniformly illuminated concentration cells», Solar Energy Materials and Solar Cells, 51 (1998), 269-290).

Наиболее близким к предлагаемому устройству является фотоэлектрический модуль с солнечным концентратором фирмы Poulek Solar Ltd., отражающая поверхность которого состоит из плоских зеркальных фацет одинаковой ширины, расположенных по профилю параболоцилиндра - солнечный концентратор TRAXLE 5Х (www.solar-trackers.com).

Известное техническое решение (прототип) по сравнению с известным аналогом повышает равномерность солнечного излучения на поверхности приемника.

Основным недостатком прототипа, имеющего солнечный концентратор, образованный плоскими зеркальными фацетами, расположенными по профилю параболы, является низкий оптический кпд концентратора из-за замены оптически эффективной поверхности параболоцилиндра плоскими прямоугольными зеркалами-фацетами - в результате часть солнечных лучей, отраженных от фацет, проходит мимо приемника.

Задачей предлагаемого изобретения является получение на поверхности приемника более равномерной освещенности при сохранении высокого оптического кпд зеркальной системы. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащем приемник солнечного излучения и цилиндрический солнечный концентратор, отражающая поверхность концентратора образована прямоугольными зеркально отражающими пластинами - фацетами, которые установлены так, что солнечный луч L1, лежащий в плоскости поперечного сечения концентратора и идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце равным точности следящей системы а, после отражения на ближней к приемнику кромке фацеты, попадает на дальнюю от нее границу заданной на плоскости приемника зоны концентрированного солнечного излучения, при этом луч L2, симметричный первому лучу L1 относительно прицельного направления, отражаясь от той же кромки фацеты, попадает в зону концентрированного солнечного излучения, а ширина фацет такова, что луч L2 после отражения на противоположной кромке фацеты, попадает на ближнюю границу зоны концентрированно излучения на плоскости приемника.

При этом ближайшие к приемнику фацеты установлены так, что солнечный луч L1 прежде чем попасть на ближайшую к приемнику кромку фацеты проходит через кромку приемника.

В варианте конструкции солнечного модуля с фотоэлектрическим приемником электрически последовательно соединены только те солнечные элементы, центры которых лежат на одной прямой, параллельной образующей цилиндрического солнечного концентратора, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5 и 6.

На фиг.1 показано поперечное сечение солнечного модуля с концентратором.

На фиг.2 представлена схема прохождения солнечных лучей.

На фиг.3 приведен вариант размещения зеркальных фацет, ближайших к приемнику солнечного излучения.

На фиг.4 представлена электрическая схема фотоэлектрического приемника из последовательно соединенных солнечных элементов с блокирующими диодами.

На фиг.5 представлен расчетный профиль (поперечное сечение) симметричного солнечного концентратора 5Х с заданной точностью слежения за Солнцем ±5°.

На фиг.6 представлен расчетный профиль (поперечное сечение) несимметричного солнечного концентратора 10Х с заданной точностью слежения за Солнцем ±0,1°.

Солнечный модуль с концентратором (фиг.1) состоит из приемника солнечного излучения 13 и цилиндрического солнечного концентратора, отражающая поверхность которого образована прямоугольными зеркально отражающими пластинами - фацетами 1-12 (n).

Фацеты установлены так, что солнечный луч L1 (фиг.2), лежащий в плоскости поперечного сечения концентратора и идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце 14 равным точности следящей системы а, после отражения на ближней к приемнику кромке фацеты А, попадает на дальнюю от нее границу С зоны концентрированного солнечного излучения CD, а ширина фацет такова, что луч L2, симметричный первому лучу L1 относительно прицельного направления 14, после отражения на противоположной кромке фацеты В, попадает на ближнюю границу D зоны концентрированно излучения на плоскости приемника.

Ближайшие к приемнику фацеты 1 (фиг.3) преимущественно установлены так, что солнечный луч L1 прежде чем попасть на ближайшую к приемнику кромку фацеты М проходит через кромку приемника F.

В варианте конструкции солнечного модуля с фотоэлектрическим приемником 13 (фиг.4) электрически последовательно соединены только те солнечные элементы 15, центры которых лежат на одной прямой, параллельной образующей цилиндрического солнечного концентратора 17, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов 15 содержит блокирующий диод 16.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.

Луч L1 (фиг.2), идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце 14 равным точности следящей системы а и приходящий на кромку А зеркальной фацеты, после отражения попадает на дальнюю границу С заданной на плоскости приемника 13 зоны концентрированного солнечного излучения CD. При смещении направления солнечного луча от L1 к L2 (другой границе предельного отклонения от прицельного положения), отраженный луч смещается по поверхности приемника к его ближней кромке, но не выходит за пределы заданной зоны концентрированного излучения CD, поскольку ширина фацеты АВ такова, что луч L2, даже отражаясь на ее противоположной кромке В, попадает на границу заданной зоны D.

В свою очередь, солнечные лучи в интервале направлений L1-L2, отражаясь на кромке фацеты В, смещаются, вслед за увеличением угла падения, к дальней кромке приемника 13, но не переходят за заданную границу С, так как максимальное смещение отраженного луча соответствует направлению L1, а этот луч, достигает крайней границы заданной зоны С только отражаясь на противоположной кромке фацеты А.

Таким образом, при любых возможных отклонениях солнечных лучей от прицельного положения, отраженные от фацет лучи не выходят за пределы заданной области концентрированного солнечного излучения CD на поверхности приемника 13.

Рассчитаны профили солнечных модулей с цилиндрическими фацетными концентраторами для заданных коэффициентов концентрации, размеров приемника и точности слежения за Солнцем.

На фиг.5 представлен расчетный профиль симметричного солнечного концентратора с геометрическим коэффициентом концентрации 5 и заданной точностью слежения за Солнцем ±5°.

На фиг.6 - несимметричный солнечный концентратор с геометрическим коэффициентом концентрации 10 и заданной точностью слежения ±0,1°. Плоскость приемника повернута относительно прицельного направления (в данном случае угол 75°) для уменьшения среднего угла падения отраженных солнечных лучей на его поверхность, что повышает оптическую эффективность приемника излучения.

В таблице приведены ширина каждой зеркальной фацеты и угол относительно прицельного направления. Ширина преемника в солнечном модуле с симметричным концентратором (фиг.5) равна 540 мм, а в модуле с несимметричным (фиг.6) - 270 мм.

Геометрия отражателя зависит, в том числе, от заданной точности слежения за Солнцем и чем она выше, тем выше равномерность освещения приемника излучения - при точности слежения выше ±0,1° освещение приемника практически равномерно, 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.

Кроме того, применение разработанного солнечного концентратора позволяет повысить оптический кпд модуля на 20-30% по сравнению с прототипом.

Номер пластины	Концентрация 5Х Y=1617 мм; Х=128 мм	Концентрация 10Х Y=2183 мм; Х=258 мм
Ширина пластины, мм	Угол наклона, градус	Ширина пластины, мм	Угол наклона, градус
1	249	85,6	238	86,8
2	229	81,5	241	83,8
3	200	77,9	242	80,7
4	169	75,0	242	77,7
5	138	72,6	239	74,9
6	109	70,8	235	72,2
7	86	69,4	228	69,7
8	67	68,3	222	67,3
9			214	65,1
10		206	63,2
11			197	61,4
12			189	59,7

Предлагаемое устройство может быть реализовано в солнечных энергосистемах для выработки электроэнергии и/или тепла.

1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий приемник солнечного излучения и цилиндрический солнечный концентратор, отличающийся тем, что отражающая поверхность концентратора образована прямоугольными зеркально отражающими пластинами - фацетами, которые установлены так, что солнечный луч L1, лежащий в плоскости поперечного сечения концентратора и идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце, равным точности следящей системы α, после отражения на ближней к приемнику кромке фацеты попадает на дальнюю от нее границу заданной на плоскости приемника зоны концентрированного солнечного излучения, при этом луч L2, симметричный первому лучу L1 относительно прицельного направления, отражаясь от той же кромки фацеты, попадает в зону концентрированного солнечного излучения, а ширина фацет такова, что луч L2 после отражения на противоположной кромке фацеты, попадает на ближнюю границу зоны концентрированного излучения на плоскости приемника.

2. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что ближайшие к приемнику фацеты установлены так, что солнечный луч L1, прежде чем попасть на ближайшую к приемнику кромку фацеты, проходит через кромку приемника.

3. 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 образующей цилиндрического солнечного концентратора, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод.

Фотовольтаическое устройство // 2462789

Черепица для крыши, выступающей в роли солнечной батареи, производящая с помощью солнечной энергии и фотогальванического способа горячую воду и электрическую энергию // 2457579

Изобретение относится к системе, содержащей специальную черепицу, ее варианты и принадлежности, достаточные для того, чтобы покрыть всю крышу, при этом обеспечивающие термоизоляцию, вентиляцию, не наносящие вред окружающей среде, аккумулирующие солнечную и производящие фотоэлектрическую энергию, достаточную для производства горячей воды и/или электрической энергии.

Способ производства комбинированных солнечных панелей фотоэлектрического и теплового типа и соответствующая солнечная панель // 2427766

Изобретение относится к способу производства комбинированных солнечных панелей фотоэлектрического и теплового типа, способных преобразовывать солнечную энергию как в электрическую, так и тепловую энергию с высокой эффективностью (кпд).

Система электроснабжения, использующая в качестве источника солнечную энергию // 2346356

Многоцелевая солнечная батарея // 2164722

Изобретение относится к солнечным батареям (СБ) с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), а именно к солнечным батареям с охлаждаемыми модулями.

Патент 277967 // 277967

Способ изготовления отражательного устройства гелиоустановки // 2500957

Изобретение относится к области металлургии и гелиоэнергетики и может быть использовано на гелиоустановках при изготовлении и монтаже отражательных элементов. Способ изготовления отражательного устройства гелиоустановки включает прокатку полотна, установку его в корпус отражательного устройства и последующее его растяжение с усилием, которое определяется по эмпирической формуле: T I = ( δ h 1,33 ) ⋅ в Е ⋅ 10 − 3 где: TI - усилие растяжения полотна, тс; δh - поперечная разнотолщинность полотна; мм (h - толщина полотна); в - ширина полотна, мм; Е - модуль упругости первого рода в кгс/мм2 для материала полотна, используемого в отражательном элементе.

Конструкция фотоэлектрического гибкого модуля // 2492553

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые, помимо основной функции, могут быть дополнительно использованы в качестве элементов промышленного и строительного дизайна, подвергающихся упругой деформации в продольном и/или поперечном направлении.

Солнечный концентраторный модуль (варианты) // 2488915

Изобретение относится к гелиотехнике. .

Способ преобразования солнечной энергии // 2485416

Изобретение относится к способу преобразования солнечной энергии в химическую и аккумулирования ее в продуктах парогазовой конверсии углеводорода, в котором с использованием концентратора солнечной энергии проводят реакцию паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа с получением продуктов реакции, содержащих водород и диоксид углерода.

Солнечно-ветровой воздухонагреватель // 2484387

Изобретение относится к ветровой энергетике и может быть использовано в сушилках и отоплении промышленных и другого назначения объектов. .

Тепловой коллектор солнечной энергии для выработки тепла и/или охлаждения // 2479801

Солнечная концентраторная фотоэлектрическая установка // 2476956

Солнечная энергетическая установка // 2476783

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение как в солнечных электростанциях, так и в качестве энергетической установки индивидуального пользования.

Солнечный модуль // 2468305

Изобретение относится к области фотоэлектроники и предназначено для преобразования потока солнечного излучения в электроэнергию. .

Теплотрубная система солнечного энергоснабжения здания // 2466334

Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления (варианты) // 2503895

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами для получения электрической и тепловой энергии. В солнечном модуле с концентратором, содержащем прозрачную фокусирующую призму с углом полного внутреннего отражения где n - коэффициент преломления материала призмы, с треугольным поперечным сечением, имеющую грань входа, на которую падает излучение по нормали к поверхности грани входа, и грань переотражения излучения, образующую острый двухгранный угол φ с гранью входа, и грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, образующее с гранью переотражения острый двухгранный угол ψ, который расположен однонаправленно с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, устройство отражения состоит из набора зеркальных отражателей длиной L0 с одинаковыми острыми углами ψ, установленных на некотором расстоянии друг от друга, на поверхности грани входа установлены дополнительные зеркальные отражатели, которые наклонены к поверхности грани входа под углом 90°-δ, который расположен разнонаправленно с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, линии касания плоскости дополнительного зеркального отражателя с гранью входа и линия касания плоскости зеркального отражателя устройства переотражения с гранью переотражения находятся в одной плоскости, перпендикулярной поверхности входа, длина проекции дополнительного зеркального отражателя на поверхность грани входа больше длины проекции зеркального отражателя устройства отражения на поверхность грани входа на величину В другом варианте солнечного модуля с концентратором, содержащем прозрачную фокусирующую призму с треугольным поперечным сечением, с углом входа лучей β0 и углом полного внутреннего отражения , где n - коэффициент преломления призмы, имеющую грань входа и грань переотражения излучения, образующие общий двухгранный угол φ, грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, образующее с гранью переотражения острый двухгранный угол ψ, который расположен однонаправлено с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, устройство отражения состоит из набора установленных на некотором расстоянии друг от друга зеркальных отражателей длиной L0 с одинаковыми острыми углами ψ, с устройством поворота относительно грани переотражения, на поверхности грани входа установлены дополнительные зеркальные отражатели, которые наклонены к поверхности грани входа под углом 90°-δ и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота относительно поверхности грани входа, угол наклона дополнительных зеркальных отражателей к поверхности грани входа расположен разнонаправленно с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, оси устройства поворота дополнительного зеркального отражателя на грани входа и оси устройства поворота зеркального отражателя на устройстве переотражения с гранью переотражения находятся в одной плоскости, перпендикулярной поверхности входа, длина проекции дополнительного зеркального отражателя на поверхность входа больше длины проекции зеркального отражателя устройства отражения на поверхность входа на величину В способе изготовления солнечного модуля с концентратором путем изготовления фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, установки приемника излучения, устройства переотражения с зеркальными отражателями из закаленного листового стекла или другого прозрачного листового материала изготавливают и герметизируют стенки полости фокусирующей призмы с острым двухгранным углом при вершине 2-12° и затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой, устанавливают герметично приемник излучения и производят сборку дополнительных зеркальных отражателей с устройствами поворота на рабочей поверхности фокусирующей призмы и устройства поворота для устройства переотражения. В результате использования изобретения увеличивается оптический КПД модуля, снижаются оптические потери при переотражении излучения и увеличивается коэффициент концентрации солнечного излучения. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Многофункциональная солнечноэнергетическая установка // 2505887

Многофункциональная солнечноэнергетическая установка (далее МСЭУ) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности к использованию солнечного излучения для получения электрической энергии, обеспечения горячего водоснабжения и естественного освещения помещений различного назначения, содержащая оптически активный прозрачный купол, представляющий собой двояковыпуклую прямоугольную линзу, фотоэлектрическую панель, солнечный коллектор, круглые плоские горизонтальные заслонки полых световодов, полые световодные трубы, теплоприемную медную пластину солнечного коллектора, рассеиватель солнечного света, микродвигатели круглых плоских горизонтальных заслонок полых световодных труб, круговые светодиодные лампы, аккумуляторные батареи, датчики света и температуры, электронный блок управления, пульт управления, бак-аккумулятор, теплообменник, насос, обратный клапан, шестигранные медные трубопроводы, инвертор и опору с опорными стойками для поддержания конструкции МСЭУ. Актуальность заявленного изобретения заключается: в снижении финансовых затрат на традиционную электрическую энергию в уменьшении выбросов парниковых газов за счет замещения солнечной энергией выработку энергии тепловыми электростанциями; в преобразовании энергии Солнца в электрическую и тепловую энергию, а также для естественного освещения помещений различного назначения, например детских садиков и зон отдыха, коттеджей, торговых центров, помещений, развернутых в полевых условиях, стационарных парников, объектов агропромышленного комплекса, спортивных сооружений, цехов промышленных предприятий, складов, хранилищ техники и других объектов двойного назначения, а также в качестве энергоактивных крыш в различных постройках. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Гелиоустановка для химических реакций // 2506504

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для проведения химических реакций. Гелиоустановка для химических реакций включает патрубки, нагреватель. Установка содержит кубическую рабочую камеру с прозрачным окном, внутри которой расположено пористое тело, поддерживаемое с двух сторон патрубками в виде трубок, верхний патрубок для исходных реагентов, а вокруг нижнего патрубка расположен спиралеобразно теплообменник, который соединен с трубками для подвода и отвода хладагента, при этом отвод горячего хладагента осуществлен из корпуса, а к камере сверху дополнительно установлен патрубок для отвода газообразных продуктов реакции со спиралеобразным теплообменником. Технический результат - возможность проведения реакций между разными реагентами и повышение эффективности использования возобновляющихся источников энергии при проведении высокотемпературных реакций. 1 ил.

Когенерационная фотоэлектрическая тепловая система // 2509268

Изобретение относится к области гелиотехники и предназначено для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения. Фотоэлектрическая тепловая система содержит, по меньшей мере, один солнечный тепловой коллектор, трубопровод подачи жидкости в солнечный тепловой коллектор, трубопровод отвода жидкости из солнечного теплового коллектора в бак-аккумулятор (термос), при этом трубопровод подачи жидкости в солнечный тепловой коллектор соединен, по меньшей мере, с одним фотоэлектрическим тепловым модулем, расположенным уровнем ниже солнечного теплового коллектора и соединенным последовательно с ним, при этом подача жидкости в фотоэлектрический тепловой модуль осуществляется через трубопровод из напорного бака, установленного выше уровня солнечного теплового коллектора, по меньшей мере, в один из трубопроводов вмонтирован соленоидный клапан, имеется, по меньшей мере, одно термореле с индивидуальным для фотоэлектрического теплового модуля или солнечного теплового коллектора датчиком, причем управляющие контакты соленоидного клапана подключены и коммутируются с помощью термореле, при этом солнечный тепловой коллектор и фотоэлектрический тепловой модуль выполнены в виде приемников солнечного излучения, представляющих собой резервуары, которые имеют форму прямоугольного параллелепипеда, а на рабочей поверхности резервуара фотоэлектрического теплового модуля расположена батарея солнечных элементов, внутри резервуаров фотоэлектрического теплового модуля и солнечного теплового коллектора параллельно рабочей поверхности с зазором относительно ее расположена перегородка, не достигающая верхней и нижней стенки резервуара. Использование изобретения позволит производить электроэнергию и тепловую энергию, что позволит обеспечить энергоснабжение объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.