Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения



Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения
Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения
Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения
Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения

 

H01L31/054 - Полупроводниковые приборы, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, электромагнитному, коротковолновому или корпускулярному излучению, предназначенные либо для преобразования энергии такого излучения в электрическую энергию, либо для управления электрической энергией с помощью такого излучения; способы или устройства, специально предназначенные для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы приборов (H01L 51/00 имеет преимущество; приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее, кроме приборов, содержащих чувствительные к излучению компоненты, в комбинации с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 27/00; кровельные покрытия с приспособлениями для размещения и использования устройств для накопления или концентрирования энергии E04D 13/18; получение тепловой энергии с

Владельцы патента RU 2554674:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ФГБНУ ВИЭСХ) (RU)

Изобретение относится к гелиотехнике. Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения состоит из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника (ФЭП), расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, при этом солнечный фотоэлектрический модуль содержит асимметричный концентратор параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством протока теплоносителя; форма отражающей поверхности концентратора Х(Y) определяется предложенной системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки шириной do из скоммутированных ФЭП и длиной h и расположенного под углом к миделю концентратора. Изобретение обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерное освещение ФЭП, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения (12 В и выше), нагрев проточного теплоносителя, 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 параболоцилиндра (Д.С. Стребков, Э.В. Тверьянович. «Концентраторы солнечного излучения», глава 7 «Варианты стационарных параболоцилиндрических концентраторов» стр.180-215. 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 фокальной 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).

Недостатками 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), нагрев проточного теплоносителя, повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения на линейчатой поверхности фотоэлектрического приемника высоковольтного фотоэлектрического преобразователя формируется равномерная освещенность концентрированного излучения и нагрев проточного теплоносителя.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящий из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, отличается тем, что солнечный фотоэлектрический модуль содержит асимметричный концентратор параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством протока теплоносителя; форма отражающей поверхности концентратора Х(Y) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки шириной do из скоммутированных ФЭП и длиной h и расположенного под углом к миделю концентратора, Xn=(f-Yn)/tgαn, dn=lвsinξo/sinαn, ζo=π/2+φ, Xн=dosinβв, Yн=f-Хнtgφ, lв=dosin(βн-φ)/sinξo, Хв=0, Yв=Yн+dcosβн, lн=dosinβв/cosφ, Yа=R2/4f, Kг=R/do,

где αn - угол (в зоне рабочего профиля концентратора) между уровнем ординаты в точке координат Хn, Yn и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f лучом, приходящим в фокальную область на ширине dn, расположенной на плоском фотоэлектрическом приемнике шириной do, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3,…,N;

ξо - угол между координатной осью 0Y и лучом, отраженным от верхней точки координат Ya, R концентратора, приходящим в нижнюю точку координат фотоприемника Хн, Yн;

βн - угол между фотоприемником и отрезком lн (между нижней точкой координат фотоприемника Хн, Yн и фокусным расстоянием f параболы);

βв - угол между отрезком lв (между верхней точкой координат фотоприемника Хв, Yв и фокусным расстоянием f параболы);

φ - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Ya, R концентратора и прямой Y=f, параллельной оси абсцисс;

при этом значения параметров f, βв, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника Kn в интервалах координатных значений концентратора ΔХnn-Xn-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (dn+1-dn) равна:

Kn=(Xn+1-Xn)/(dn+1-dn).

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

На фиг.1 представлена схема конструкции теплофотоэлектрического модуля с параболоцилиндрическим концентратором с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатой поверхности теплофотоэлектрического приемника.

На фиг.2 представлен ход лучей от параболоцилиндрического концентратора до теплофотоэлектрического приемника.

На фиг.3 представлена форма отражающей поверхности параболоцилиндрического концентратора.

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на фотоэлектрической части теплофотоэлектрического приемника модуля от ширины фокальной области.

Фотоэлектрический модуль на фиг.1 состоит из параболоцилиндрического концентратора 1, закрепленного на стойках 2, который создает фокальную область на поверхности теплофотоэлектрического приемника 3 высотой ho, длиной L, и устройства протока теплоносителя 4 со штуцерами для входа и выхода теплоносителя 5, закрепленными на стойках 6.

Параболоцилиндрический концентратор 1 теплофотоэлектрического модуля на фиг.2 с рабочим профилем концентрирует солнечное излучение в фокальной области на поверхности теплофотоэлектрического приемника 3 шириной do, длиной L; лучи от верхней части концентратора приходят на нижнюю часть, а лучи от нижней части концентратора приходят на верхнюю часть теплофотоэлектрического приемника 3.

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

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на поверхности линейчатого фотоэлектрического приемника 3 от ширины фокальной области (от 0 до ho) в относительных единицах (от 0 до 1).

При уменьшении ширины do фотоэлектрического приемника 3, т.е. при уменьшении площади фотоэлектрического преобразователя происходит увеличение концентрации освещенности фотоэлектрического приемника 3.

Таким образом, можно изменять концентрацию освещенности фотоэлектрического приемника 3, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и выбранный тип фотоэлектрических преобразователей.

Из приведенных характеристик видно, что изменение концентрации освещенности по ширине фокальной области теплофотоэлектрического преемника 2 не превышает 40%, что не влияет на электрофизические и тепловые характеристики солнечного модуля.

Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение попадает на поверхность параболоцилиндрического концентратора 1, отражается под углами наклона α, γ таким образом, чтобы они обеспечивали равномерную концентрацию лучей на фотоэлектрической части 3 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля, выполненного в виде линейки шириной do и длиной L из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей высотой do с устройством протока теплоносителя 4, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем, нагревая теплоноситель.

Регулируя скорость протока теплоносителя можно оптимизировать нагрев фотопреобразователей и теплоносителя, повышая КПД модуля.

Пример выполнения солнечного теплофотоэлектрического модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором.

Концентратор 1 с максимальным размером миделя Rмах=660 мм, высотой 315 мм выполнен из алюминиевого листа, закрепленного на стойках 2, толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью с рабочим профилем, обеспечивающим равномерную концентрацию лучей теплофотоэлектрического приемника 3 модуля на его фотоэлектрической части 3, выполненного в виде линейки шириной do=60 мм из скоммутированных высоковольтных ФЭП высотой ho=60 мм, длиной L=700 мм, и устройством охлаждения 4 со штуцерами для входа и выхода теплоносителя 5, закрепленными на стойках 6.

Концентрация освещенности на поверхности фотоэлектрической части 3 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля составляет К=12 крат;

Таким образом, предложенный теплофотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями и параболоцилиндрическим концентратором 1 обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К=12 крат на фотоэлектрической части 3 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных ФЭП, повышая напряжение и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую; нагревая проточный теплоноситель устройства охлаждения 4, тем самым повышая общий КПД преобразования солнечной энергии теплофотоэлектрического модуля.

Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящий из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, отличающийся тем, что солнечный фотоэлектрический модуль содержит асимметричный концентратор параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический приемник, установленный в фокальной области с устройством протока теплоносителя; форма отражающей поверхности концентратора Х(Y) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки шириной do из скоммутированных ФЭП и длиной h и расположенного под углом к миделю концентратора, Xn=(f-Yn)/tgαn, dn=lвsinξo/sinαn, ζo=π/2+φ, Xн=dosinβв, Yн=f-Хнtgφ, lв=dosin(βн-φ)/sinξo, Хв=0, Yв=Yн+dcosβн, lн=dosinβв/cosφ, Yа=R2/4f, Kг=R/do,
где αn - угол (в зоне рабочего профиля концентратора) между уровнем ординаты в точке координат Хn, Yn и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f лучом, приходящим в фокальную область на ширине dn, расположенной на плоском фотоэлектрическом приемнике шириной do, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3,…,N;
ξо - угол между координатной осью 0Y и лучом, отраженным от верхней точки координат Ya, R концентратора, приходящим в нижнюю точку координат фотоприемника Хн, Yн;
βн - угол между фотоприемником и отрезком lн (между нижней точкой координат фотоприемника Хн, Yн и фокусным расстоянием f параболы);
βв - угол между отрезком lв (между верхней точкой координат фотоприемника Хв, Yв и фокусным расстоянием f параболы);
φ - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Ya, R концентратора и прямой Y=f, параллельной оси абсцисс;
при этом значения параметров f, βв, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника Кn в интервалах координатных значений концентратора ΔХnn-Xn-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (dn+1-dn) равна:
Kn=(Xn+1-Xn)/(dn+1-dn).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету. Гетероструктура содержит подложку, выполненную из AlN, на которой размещено три сопряженных друг с другом выполненных из In1-xGaxN двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету, предназначенным для преобразования света в электрическую энергию, в частности к многопереходным солнечным элементам.

Предлагаемое изобретение «Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц» относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц.

Изобретение относится к физике и технологии полупроводниковых приборов, в частности к солнечным элементам на основе кристаллического кремния. Солнечный элемент на основе кристаллического кремния состоит из областей p- и n-типов проводимости, электродов к р- и n-областям, при этом согласно изобретению на фронтальной поверхности кристалла сформирована дифракционная решетка с периодом, равным длине волны кванта излучения, энергия которого равна ширине запрещенной зоны кристалла.

Система регулирования микроклимата сельскохозяйственного поля включает размещенные по границе поля ветрозащитные и снегозадерживающие элементы, водоем, устраиваемый вдоль границы поля со стороны наиболее вероятного проникновения суховея.

Изобретение относится к светодиодному модулю. Технический результат - разработка состоящего из нескольких расположенных на печатной плате светодиодов светодиодного модуля, в котором выход из строя отдельных светодиодов не виден снаружи благодаря «вводу» излучаемого пассивным светодиодом светового потока в элемент ввода светового излучения вышедшего из строя светодиода.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к полимерным солнечным фотоэлементам. Предложен полимерный солнечный фотоэлемент, содержащий последовательно: несущую основу, выполненную в виде прозрачной полимерной фотолюминесцентной подложки, прозрачный слой анода, фотоэлектрически активный слой и металлический слой катода, при этом полимерная фотолюминесцентная подложка состоит из оптически прозрачного полимера, содержащего люминофор, выбранный из ряда люминофоров общей формулы (I), где R - заместитель из ряда: линейные или разветвленные С1-С20 алкильные группы; линейные или разветвленные С1-С20 алкильные группы, разделенные по крайней мере одним атомом кислорода; линейные или разветвленные С1-С20 алкильные группы, разделенные по крайней мере одним атомом серы; разветвленные С3-С20 алкильные группы, разделенные по крайней мере одним атомом кремния; С2-С20 алкенильные группы; Ar - одинаковые или различные ариленовые или гетероариленовые радикалы, выбранные из ряда: замещенный или незамещенный тиенил-2,5-диил, замещенный или незамещенный фенил-1,4-диил, замещенный или незамещенный 1,3-оксазол-2,5-диил, замещенный флуорен-4,4'-диил, замещенный циклопентадитиофен-2,7-диил; Q - радикал из вышеуказанного ряда для Ar; Х - по крайней мере один радикал, выбранный из вышеуказанного ряда для Ar и/или радикал из ряда: 2,1,3-бензотиодиазол-4,7-диил, антрацен-9,10-диил, 1,3,4-оксадиазол-2,5-диил, 1-фенил-2-пиразолин-3,5-диил, перилен-3,10-диил; L равно 1 или 3 или 7; n - целое число от 2 до 4; m - целое число от 1 до 3; k - целое число от 1 до 3.

Изобретение относится к технике фотометрии и предназначено для метрологического определения внутренней квантовой эффективности полупроводникового фотодиода по его вольт-амперным характеристикам.

Изобретение относится к оптоэлектронным приборам. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор содержит прозрачное защитное покрытие на рабочей поверхности, на которое падает излучение, и секции фотопреобразователей, соединенные оптически прозрачным герметиком с защитным покрытием.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при создании многоспектральных и многоэлементных фотоприемников. Гибридная фоточувствительная схема содержит алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики и кремниевый мультиплексор с чувствительными площадками, расположенными на нем в шахматном порядке в виде прямоугольной матрицы и по числу равными числу индиевых столбиков.

Изобретение относится к гелиоэнергетике, к солнечным энергетическим модулям с концентратором, для получения электрической энергии. .

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электричества и/или тепла. .

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти свое применение в широком диапазоне использования при преобразовании солнечной энергии в тепловую энергию пара или горячей воды, необходимых для бытовых нужд, систем отопления жилых домов и производственных помещений.

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для обеспечения энергией домостроений жилых и производственных зданий. .

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

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным концентраторам с высокой степенью концентрации. .

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты.

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

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение при производстве малогабаритных гелиоустановок индивидуального или промышленного пользования для преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую энергию.

Изобретение относится к энергетике, в частности к использованию энергии солнечного излучения в системах теплоснабжения таких объектов, как индивидуальное жилье, мелкие сельскохозяйственные производства, промыслы, отдаленные оздоровительные учреждения или объекты экологического назначения и туризма. Данный солнечный нагреватель имеет коллектор в прозрачной теплоизолирующей оболочке с параболическим рефлектором, оснащенным устройством самоориентации на Солнце. Отличительные особенности данного устройства заключаются в том, что его коллектор выполнен в виде коаксиальной трубной конструкции с длиной ее абсорбера, превышающей продольный размер параболического рефлектора, что позволяет ограничиться его ориентацией в одной плоскости, а его привод обеспечивает наряду с автоматическим поддержанием ориентации на Солнце в рабочем режиме также автоматический поворот параболического рефлектора на время отсутствия солнечного облучения в верхнее положение. Изобретение обеспечивает защиту всех рабочих поверхностей нагревателя от атмосферных осадков. 3 ил.
Наверх