Теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения

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 d_o 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 d_o из скоммутированных ФЭП и длиной h и расположенного под углом к миделю концентратора, X_n=(f-Y_n)/tgα_n, d_n=l_вsinξ_o/sinα_n, ζ_o=π/2+φ, X_н=d_osinβ_в, Y_н=f-Х_нtgφ, l_в=d_osin(β_н-φ)/sinξ_o, Х_в=0, Y_в=Y_н+dcosβ_н, l_н=d_osinβ_в/cosφ, Y_а=R²/4f, K_г=R/d_o,

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

ξ_о - угол между координатной осью 0Y и лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a, R концентратора, приходящим в нижнюю точку координат фотоприемника Х_н, Y_н;

β_н - угол между фотоприемником и отрезком l_н (между нижней точкой координат фотоприемника Х_н, Y_н и фокусным расстоянием f параболы);

β_в - угол между отрезком l_в (между верхней точкой координат фотоприемника Х_в, Y_в и фокусным расстоянием f параболы);

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

при этом значения параметров f, β_в, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника K_n в интервалах координатных значений концентратора ΔХ_n=Х_n-X_n-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (d_n+1-d_n) равна:

K_n=(X_n+1-X_n)/(d_n+1-d_n).

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 h_o, 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 d_o, 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 h_o) в относительных единицах (от 0 до 1).

При уменьшении ширины d_o 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 d_o и длиной L из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей высотой d_o 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 R_мах=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 d_o=60 мм из скоммутированных высоковольтных ФЭП высотой h_o=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 d_o из скоммутированных ФЭП и длиной h и расположенного под углом к миделю концентратора, X_n=(f-Y_n)/tgα_n, d_n=l_вsinξ_o/sinα_n, ζ_o=π/2+φ, X_н=d_osinβ_в, Y_н=f-Х_нtgφ, l_в=d_osin(β_н-φ)/sinξ_o, Х_в=0, Y_в=Y_н+dcosβ_н, l_н=d_osinβ_в/cosφ, Y_а=R²/4f, K_г=R/d_o,
где α_n - угол (в зоне рабочего профиля концентратора) между уровнем ординаты в точке координат Х_n, Y_n и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f лучом, приходящим в фокальную область на ширине d_n, расположенной на плоском фотоэлектрическом приемнике шириной d_o, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3,…,N;
ξ_о - угол между координатной осью 0Y и лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a, R концентратора, приходящим в нижнюю точку координат фотоприемника Х_н, Y_н;
β_н - угол между фотоприемником и отрезком l_н (между нижней точкой координат фотоприемника Х_н, Y_н и фокусным расстоянием f параболы);
β_в - угол между отрезком l_в (между верхней точкой координат фотоприемника Х_в, Y_в и фокусным расстоянием f параболы);
φ - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a, R концентратора и прямой Y=f, параллельной оси абсцисс;
при этом значения параметров f, β_в, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника К_n в интервалах координатных значений концентратора ΔХ_n=Х_n-X_n-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (d_n+1-d_n) равна:
K_n=(X_n+1-X_n)/(d_n+1-d_n).