Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором



Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором
Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором
Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором
Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором

 


Владельцы патента RU 2505755:

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU)

Фотоэлектрический модуль содержит параболоторический концентратор и цилиндрический фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством охлаждения и выполненный в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной ho и с внутренним радиусом ro. Концентратор представляет собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью, состоящей из нескольких зон (a-b, b-c, c-d), и выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в фокальной цилиндрической области из отдельных зон концентратора. Форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, приведенной в формуле изобретения. Технический результат - обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерном освещении фотоэлектрического приемника, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии. 4 ил.

 

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами.

Известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде параболоида (Стребков Д.С., Росс М.Ю., Джайлани А.Т., Митина И.В. «Солнечная установка с концентратором». Патент РФ №2396493, Бюл. №22, 2010).

Известные солнечные модули имеют концентраторы, создающие в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы кремниевыми планарными ФЭП.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрический преобразователя расположенного в фюкальной плоскости с равномерным распределением концентрированного излучения (Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскас А.Л., Майоров ВА., Ясайтис Д-Ю.Ю. «Концентратор солнечной энергии». Патент СССР №1794254, 3.04.91.).

Недостачами известного технического решения являются:

- снижение КПД планарными кремниевыми фотоэлектрическими приемниками (ФЭП) при высоких концентрациях солнечного излучения;

- расположение оптического фокуса на оси фотоэлектрического модуля и концентрическое распределение освещенности поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП);

- низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 В) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле, чтобы набрать напряжение 12 В и выше, приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п.

Последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерного освещения фотоэлектрического приемника, получение на одном ФЭП (модуле) технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения - на поверхности высоковольтного фотоэлектрического преобразователя формируется равномерная освещенность концентрированного излучения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле с параболоторическим концентратором, состоящем из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения, солнечный фотоэлектрический модуль содержит параболоторический концентратор и цилиндрический фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством охлаждения и выполненный в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной ho и с внутренним радиусом ro; концентратор, представляющий тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящий из нескольких зон (a-b, b-c, c-d), выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в фокальной цилиндрической области из отдельных зон концентратора, причем форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнении соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника: Х2=4[fo+h/m)Y]; tg2α=[(fo+h)-Y]/X; tgβ=(Xc-Xb)/(Yc-Yb); tgγ=(Xa-Xb)/(Ya-Yb); K=[(X+ro)2-ro2]/2roh,

где fo - фокусное расстояние параболы;

h=nΔh, Δh=ho/N, где n выбирается из ряда чисел n=1, 2, 3…N;

m - коэффициент, выбираемый в соответствии с граничными условиями.

α - угол (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) между касательной в точке координат X, У и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне fo+h, расположенную на радиусе ro;

β - угол (в зоне рабочего профиля концентратора b-c) между касательной в точке координат Xc, Уc и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне fo+ho, расположенную на радиусе ro;

γ - угол (в зоне рабочего профиля концентратора a-b) между касательной в точке координат Xb, Уb и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне fo+ho, расположенную на радиусе ro.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4.

На фиг.1 представлена схема конструкции солнечного фотоэлектрического модуля с составным параболоторическим концентратором обеспечивающим равномерное осевое распределение концентрированного излучения на поверхности цилиндрического фотоэлектрического приемника.

На фиг.2 представлен ход лучей от параболоторического концентратора до фотоэлектрического приемника.

На фиг.3 представлена форма отражающей поверхности концентратора - график зависимости Х(У).

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на фотоэлектрическом приемнике модуля от ширины фокальной области (от 0 до h) в относительных единицах (от 0 до 1).

Фотоэлектрический модуль содержит: параболоторический концентратор 1, состоящий из нескольких зон с рабочими профилями a-b, b-c, c-d, которые создают цилиндрическую фокальную область с равномерной освещенностью 2 на поверхности цилиндрического фотоэлектрического приемника 3, выполненного в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной ho и с внутренним радиусом цилиндрического приемника ro и устройством охлаждения 4.

Основные расчетные соотношения хода лучей от параболоторического концентратора до фотоэлектрического приемника:

где α - угол (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) между касательной в точке координат Х, У и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f0+h, расположенную на радиусе ro.

где β - угол (в зоне рабочего профиля концентратора b-c) между касательной в точке координат Xc, Уc и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f0+h0, расположенную на радиусе ro.

где γ - угол (в зоне рабочего профиля концентратора a-b) между касательной в точке координат Xb, Уb и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне f0+h0, расположенную на радиусе ro.

Значения координат X, У (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) при освещенности приемника 3 в интервалах Δh=h0/N, h=nΔh, где n выбирается из ряда чисел n=1, 2, 3…N соответствуют выражениям:

где коэффициенты k, m выбираются в соответствии с граничными условиями.

Значения координат Xb, Уb в зоне рабочего профиля концентратора b-c, где bc прямая линия соответствуют выражениям:

Значения координат Xa, Уa в зоне рабочего профиля концентратора a-b, где ab прямая линия соответствуют выражениям:

Геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника 3 Kn в интервалах радиуса концентратора ΔXn=Xn-Xn-1 равна:

На основании приведенных формул произведен расчет формы отражающей поверхности концентратора - график зависимости Х(У) (фиг.3)

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на приемнике фотоэлектрического модуля от ширины фокальной области (от 0 до h) в относительных единицах (от 0 до 1).

При уменьшении высоты h0 фотоэлектрического приемника 3 т.e. при уменьшении площади фотоэлектрического приемника 3 происходит увеличение геометрической концентрации фотоэлектрического модуля K.

Таким образом, можно изменять геометрическую концентрацию фотоэлектрического модуля, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и выбранный тип фотоэлектрического приемника 3.

На основании приведенных характеристик видно, что изменение концентрации освещенности по высоте фотоэлектрического преемника 3 не превышает 10%, что не влияет на электрофизические характеристики ФЭП.

Пример выполнения солнечного модуля с параболоторическим концентратором.

Концентратор 1 радиусом R=228 мм выполнен из алюминиевого листа с зеркально отражающей внутренней поверхностью с рабочим профилем обеспечивающим равномерную концентрацию лучей на фотоэлектрический преемник 3, выполненного в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП высотой h0=40 мм шириной Δr=10 мм и с внутренним радиусом ro=60 мм, закрепленного на цилиндрическом устройстве охлаждения 4. Концентрация освещенности на всей поверхности фотоэлектрического приемника 3 составит К=10 крат.

Таким образом, предложенный фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями и параболоторическим концентратором 1 обеспечивает: равномерное распределение освещенности на фотоэлектрическом приемнике 3 из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных ФЭП, тем самым повышая напряжение модуля и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.

Работает солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на поверхность параболоторического концентратора 1, отражается под углами наклона α, β, γ, ориентированными в своих зонах (a-b, b-c, c-d) таким образом, чтобы они обеспечивали концентрацию лучей в фокальной области 2, формируя на поверхности фотоэлектрического приемника 3 с устройством охлаждения 4 равномерную освещенность концентрированного излучения; фотоэлектрический приемник 3 выполнен в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей высотой h0 и с внутренним радиусом ro.

Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором, состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения, отличающийся тем, что солнечный фотоэлектрический модуль содержит параболоторический концентратор и цилиндрический фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством охлаждения и выполненный в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной ho и с внутренним радиусом ro; концентратор, представляющий тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящий из нескольких зон (a-b, b-c, c-d), выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в фокальной цилиндрической области из отдельных зон концентратора, причем форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника:
X2=4[(fo+h/m)Y]; tg2α=[fo+h)-Y]/X; tgβ=(Xc-Xb)/(Yc-Yb);
tgγ=(Xa-Xb)/(Ya-Yb); K=[(X+ro)2-ro2]/2roh,
где fo - фокусное расстояние параболы;
h=nΔh, Δh=ho/N, где n выбирается из ряда чисел n=1, 2, 3…N;
m - коэффициент выбираемый в соответствии с граничными условиями;
α - угол (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) между касательной в точке координат X, У и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область на уровне fo+h, расположенную на радиусе ro;
β - угол (в зоне рабочего профиля концентратора b-с) между касательной в точке координат Хс, Ус и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область на уровне fo+ho, расположенную на радиусе ro;
γ - угол (в зоне рабочего профиля концентратора а-b) между касательной в точке координат Xb, Уb и отраженным от поверхности (или падающим на поверхность) параболоида лучом, приходящим в фокальную область 2 на уровне fo+ho, расположенную на радиусе ro.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству вогнутых зеркал большого размера. .

Изобретение относится к детским игрушкам и может быть использовано в развлекательных целях. .

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано для управления деформациями поверхностей большой площади и сложной формы, а также к адаптивной оптике для управления отражающей поверхностью адаптивных зеркал.

Изобретение относится к оптическому машиностроению, в частности к активной оптике. .

Изобретение относится к оптическим системам локации и представляет собой оптический отражатель /ретроотражатель/, предназначенный для локации объектов при поисковых, спасательских, геодезических и других подобных работах.

Изобретение относится к управляемой оптике и может быть использовано для статического и динамического управления волновым фронтом излучения в различных оптических приборах и системах, включая астрономические телескопы, промышленную лазерную технику, а также оптические системы наведения и сопровождения.

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.

Изобретение может быть использовано в концентраторах солнечного излучения и радиоволн, устройствах по изменению светового потока. Зеркало содержит гибкое зеркальное полотно, размещенное на пневмосистеме, состоящей из газонаполняемых пневмокамер, пневматически связанных между собой.

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

Изобретение относится к области гелиотехники и конструкции создания солнечных модулей с фотоэлектрическими или тепловыми приемниками излучения и стационарными концентраторами, допускающими эксплуатировать модули в неподвижном режиме круглый год.

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности касается создания солнечных установок с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества и тепла.

Изобретение относится к солнечным теплоэлектростанциям. .

Изобретение относится к области солнечных теплоэлектростанций. .

Изобретение относится к области гелиоэнергетики и может быть использовано в гелиоустановках специального назначения для обеззараживания питьевой воды. .

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в гелиоустановках специального назначения, например в установках для обеззараживания воды, использующих для уничтожения патогенной микрофлоры ультрафиолетовую часть солнечного излучения.

Изобретение относится к области создания высокотемпературных солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения и может быть использовано во всех отраслях промышленности, где требуется тепловая энергия. Солнечный коллектор содержит теплоизолированный корпус, концентраторы солнечного излучения, теплообменник и теплоприемник, состоящий из тепловоспринимающей поверхности. Тепловоспринимающая поверхность выполнена в виде перевернутых правильных усеченных пирамид или конусов, изготовленных из материала с высоким коэффициентом преломления с зеркальными боковыми поверхностями, при этом большие основания пирамид или конусов образуют внешнюю поверхность, а меньшие направлены на теплообменник через окна в теплоизолирующем слое между тепловоспринимающей поверхностью и теплообменником, причем наружная поверхность теплообменника выполнена из материала с высокой степенью черноты. Полезность изобретения заключается в том, что оно осуществляет поглощение теплоприемником солнечного излучения без его ориентации на солнце. 3 ил.
Наверх