Солнечный модуль с концентратором

Авторы патента:

Стребков Дмитрий Семенович (RU)

Иродионов Анатолий Евгеньевич (RU)

Филиппченкова Наталья Сергеевна (RU)

H02S10/30 - Производство, преобразование и распределение электрической энергии

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

Владельцы патента RU 2576739:

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

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. В солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, приемник излучения, согласно изобретению на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β₀, выхода лучей β₁ для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β₀ и β₂ для дополнительных зеркальных отражателей, углы φ₀ и φ₁ наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей связаны соотношениями. В другом варианте конструкции солнечного модуля он содержит две отклоняющие системы и два призменных концентратора с общим двусторонним приемником, угол между основными зеркальными отражателями двух разных отклоняющих оптических систем равен 2(φ₀-β₀), а угол между рабочими поверхностями призменных концентраторов составляет 180°-2β₀. Изобретение должно обеспечить повышенную удельную мощность приемника. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла.

Известен солнечный модуль с концентратором на основе параболоцилиндрических фоклинов, установленных с двух сторон по краям фотопреобразователей (Solar Tobay, Yuly/August 1997, р.31).

Недостатком известного модуля является низкий коэффициент концентрации 2-2,5. Другим недостатком является большая высота модуля с концентратором, превышающая размер плоского модуля без концентратора в 4-6 раз.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль, содержащий концентратор энергии, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, на рабочей поверхности призмы установлены миниатюрные зеркальные экраны, выполненные в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, скоммутированные фотопреобразователи выполнены с двусторонней рабочей поверхностью, концентратор - в виде двух симметрично расположенных призм, имеющих общий фотопреобразователь, а на рабочей поверхности концентратора в зоне одной или обеих призм установлены миниатюрные зеркальные экраны (Патент РФ №2133415. Солнечный фотоэлектрический модуль (варианты). / Безруких П.П., Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е. // БИ. 1999. №20).

Недостатками всех известных типов фотоэлектрических модулей является низкая удельная мощность фотопреобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного модуля с концентратором, имеющим размеры в поперечном сечении, соизмеримые с размерами плоского модуля и имеющие повышенную удельную мощность приемника.

В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность приемника.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β₀, выхода лучей β₁ для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β₀ и β₂ для дополнительных зеркальных отражателей, углы φ₀ и φ₁ наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей связаны соотношениями

где φ₀ и φ₁ - углы наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки,

β₀, β₁ и β₂ - углы входа и выхода лучей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между основными зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина основных зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению a=d·sin φ₀, при котором для любых углов φ₀ нижняя грань основного зеркального отражателя и верхняя грань следующего основного зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а ширина дополнительных зеркальных отражателей d₁ удовлетворяет соотношению

где d - ширина основных зеркальных отражателей, а концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с острым углом ψ при вершине, который связан с углом выхода лучей β₁ и коэффициентом преломления материала призмы следующим соотношением:

В другом варианте солнечного модуля с концентратором модуль содержит две отклоняющие лучи встречно оптические системы и два призменных концентратора с общим двусторонним приемником, угол между основными зеркальными отражателями двух разных отклоняющих оптических систем равен 2(φ₀-β₀), а угол между рабочими поверхностями призменных концентраторов составляет 180°-2β₀.

Солнечный модуль с концентратором иллюстрируется на фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлена схема отклоняющей оптической системы солнечного модуля с концентратором (двухмерное изображение).

На фиг. 2 показано пропускание лучей в отклоняющей оптической системе солнечного модуля с концентратором.

На фиг. 3 представлен ход лучей в солнечном модуле с концентратором с одной отклоняющей оптической системой, состоящей из миниатюрных зеркальных экранов в виде жалюзи из параллельных плоских фацет и концентратором в виде призмы полного внутреннего отражения, поперечное сечение.

На фиг. 4 представлен солнечный модуль с концентратором, состоящий из двух отклоняющих лучи встречно оптических систем с миниатюрными зеркальными экранами и двух призменных концентраторов с общим приемником.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит рабочую поверхность 1, на которую падает излучение 2, зеркальную отклоняющую периодическую оптическую систему 3 высотой h, шириной l и длиной L, имеющую поверхность входа 4 и выхода лучей 5, состоящую из основных зеркальных отражателей 6, установленных под углом φ₀, и дополнительных зеркальных отражателей 7, установленных на выходе из оптической системы под углом β₁. Основные зеркальные отражатели 6 установлены друг от друга на расстоянии а под углом φ₀ к вертикальной плоскости.

Количество основных 6 и дополнительных зеркальных отражателей 7 в отклоняющей периодической системеОбозначим через β₀ и β₁ угол входа луча и выхода лучей от основных зеркальных отражателей в оптической системе. Углы β₀ и β₁ отсчитываются от вертикальной плоскости. Угол β₁ выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии OF=2а-δ от линии OA входа луча, где δ - бесконечно малая величина, обеспечивающая полную оптическую прозрачность оптической системы.

Принимая h=1, получим

Для лучей, нормальных к поверхности оптической системы,

β₀=0 и β₁=2φ₀.

Тогда из (1) следует, что

Равенство (2) возможно только при φ₀→0.

Для угла наклона основных зеркальных отражателей 1 φ₀>0 и угла входа лучей β₀>0 имеет место равенство β₁=2φ₀-β₀.

Подставляя β₁ из (1), получим

На выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели 7 под углом β₁.

На фиг. 2 показано пропускание Δ от основных зеркальных отражателей для лучей β₀. Определим ширину d₁ дополнительных зеркальных отражателей 2 из условия переотражения всех лучей от пропускания Δ.

Из ΔBDN

Δ=d·tgβ₀·cosφ₀.

Из ΔDNK

Из (4) получаем соотношение для ширины дополнительных зеркальных отражателей d₁

Угол выхода лучей β₂ от дополнительных зеркальных отражателей 7 для лучей входа β₀ равен

При расчете зеркальной отклоняющей периодической системы 3 на фиг. 1, 2 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех основных зеркальных отражателей 6 при любом угле φ₀. Это означает, что при увеличении φ₀ и постоянной ширине d зеркального отражателя 6 растет расстояние а между зеркальными отражателями.

Установка дополнительных зеркальных отражателей 7 позволяет отклонить на угол β₂ те лучи β₀, для которых отклоняющая система из основных зеркальных отражателей была прозрачна, и обеспечить 100% переотражение всех лучей β₀, поступающих на рабочую поверхность солнечного модуля с концентратором.

На фиг. 3 призменный концентратор 8, на боковой грани 9 которого установлен приемник 10, имеет тыльную зеркальную поверхность 11 и рабочую поверхность 12, на которую поступает излучение от отклоняющей оптической системы.

На фиг. 3 показан ход лучей в солнечном модуле с призменным концентратором 8.

Угол между входящим лучом и вертикалью к рабочей поверхности призменного концентратора 8

β₁=arctg (2 tg φ₀)=2φ₀-β₀.

Угол входа лучей в призму

где n - коэффициент преломления материала призмы.

Угол β₄ между вертикалью к поверхности 11 в призменном концентраторе 8 и отраженным лучом

β₄=β₃+ψ.

Угол β₅ между вертикалью к рабочей поверхности 12 призменного концентратора 8 и отраженным лучом

β₅=β₄+ψ≥α,

где α - угол полного внутреннего отражения,

ψ - острый угол призменного концентратора 8.

Для стекла n=1,5 угол полного внутреннего отражения

В варианте солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 два призменных концентратора 13 и 14 имеют общий двусторонний приемник 15, плоскость миделя 16, на которой имеются две отклоняющие лучи встречно оптические системы 17 и 18, угол между рабочими поверхностями 19 и 20 призменных концентраторов 13 и 14 составляет 180°-2β₀, а угол между основными зеркальными отражателями 21 и 22 составляет 2(φ₀-β₀)· Призменные концентраторы 13, 14 установлены таким образом, что их отраженные потоки излучения направлены навстречу друг другу и поступают на общий двусторонний приемник излучения 15, установленный на следящем опорном устройстве 23 со слежением по двум осям.

Коэффициент концентрации для левой ветви солнечного модуля с призменным концентратором 13

k_л=ctgψ.

Коэффициент концентрации для солнечного модуля с двумя призменным концентраторами 13 и 14 и с двусторонним приемником 15 (фиг. 4)

k=2ctgψ.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором (фиг. 4).

Солнечный модуль состоит из двух призменных концентраторов 13 и 14.

Для φ₀=22,5°, β₀=5,4°, β₁=39,6°, β₂=73,7°, β₃=24,9°, ψ=8,445°.

Коэффициент концентрации k=2ctgψ=13,47.

Косинусные потери:

P=1-cosβ₀=1-cos 5,4°=0,0044, т.е. 0,44%.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом. Солнечное излучение поступает на зеркальный отражатель 6 под углом входа β₀, попадает на рабочую поверхность призмы 8 и после отражения от зеркальной поверхности 11 и полного внутреннего отражения от рабочей поверхности 12 попадает на приемник 10. Выполнение модуля в виде составного концентратора из одного или двух призменных концентраторов с миниатюрными зеркальными отражателями позволяет увеличить концентрацию солнечного излучения и удельную мощность солнечного модуля с концентратором по сравнению с солнечным модулем с призменным концентратором и уменьшить толщину модуля по сравнению с солнечным модулем с концентратором на основе фоклина и призмы.

1. Солнечный модуль с концентратором, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, отличающийся тем, что на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β₀, выхода лучей β₁ для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β₀ и β₂ для дополнительных зеркальных отражателей, углы φ₀ и φ₁ наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей связаны соотношениями

где φ₀ и φ₁ - углы наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки,
β₀, β₁ и β₂ - углы входа и выхода лучей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние a между основными зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина основных зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению a=d·sinφ₀, при котором для любых углов φ₀ нижняя грань основного зеркального отражателя и верхняя грань следующего основного зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а ширина дополнительных зеркальных отражателей d₁ удовлетворяет соотношению

где d - ширина основных зеркальных отражателей, а концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с острым углом ψ при вершине, который связан с углом выхода лучей β₁ и коэффициентом преломления материала призмы следующим соотношением:

2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что содержит две отклоняющие системы и два призменных концентратора с общим двусторонним приемником, угол между основными зеркальными отражателями двух разных отклоняющих оптических систем равен 2(φ₀-β₀), а угол между рабочими поверхностями призменных концентраторов составляет 180°-2β₀.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к солнечным модулям с концентраторами для получения электрической и тепловой энергии. В солнечном модуле, содержащем фокусирующую призму с острым углом Ψ0, и коэффициентом преломления n0 с эффектом полного внутреннего отражения на рабочей поверхности, на которую падает излучение, с углом входа лучей β0 и с устройством переотражения, между приемником и фокусирующей призмой в оптическом контакте с ними установлена дополнительная прямоугольная призма, над которой и над частью рабочей поверхности фокусирующей призмы установлена отклоняющая оптическая система с поверхностями входа и выхода лучей, выполненная из множества миниатюрных призм с коэффициентом преломления n1 и с острыми углами Ψ1, установленными однонаправленно с острым углом Ψ0 фокусирующей призмы.

Солнечная фотоэлектрическая станция // 2575245

Изобретение относится к устройствам преобразования солнечной энергии в электрическую, в частности к конструкциям солнечных фотоэлектрических станций, размещенных на строительных конструкциях зданий (козырьки или навесы над крыльцом, балконом, террасой и т.д.).

Солнечная установка // 2570483

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным энергетическим установкам с датчиками слежения за Солнцем, и может быть использовано в солнечных электростанциях для преобразования солнечной энергии в электрическую, а также в качестве энергетической установки индивидуального пользования.

Способ исследования пространственного распределения характеристик восприимчивости фотоэлектрических преобразователей в составе солнечных батарей к оптическому излучению // 2565331

Изобретение относится к области контроля фотоэлектрических устройств и касается способа исследования пространственного распределения характеристик восприимчивости фотоэлектрических преобразователей в составе солнечных батарей к оптическому излучению.

Портативная солнечная электростанция // 2560653

Изобретение относится к переносным портативным солнечным электростанциям, предназначенным для преобразования солнечной лучистой энергии в электрическую как в солнечную погоду, так и в переменную.

Солнечная электростанция // 2560652

Изобретение относится к солнечным электростанциям, в том числе к переносным, предназначенным для преобразования солнечной лучистой энергии в электрическую как в солнечную погоду, так и в переменную.

Дирижабль с электродвигателем и способ его эксплуатации // 2556134

Группа изобретений относится к летательным аппаратам с использованием подъемной силы несущего газа. Дирижабль с электродвигателем и заменяемыми отсеками для пассажиров и грузов характеризуется тем, что отсеки дирижабля для пассажиров или грузов, находящихся на отдельной, прикрепленной снизу его корпуса рубке управления дирижаблем, являются заменяемыми.

Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его осуществления // 2554168

Группа изобретений относится к области энергетики и может быть использована для выработки электроэнергии, горячей воды и пара. Способ получения тепловой и электрической энергии включает фокусирование солнечных лучей концентратором на неподвижную тепловоспринимающую поверхность и последующее передвижение по ней фокуса в соответствии с перемещением солнца, нагрев через тепловоспринимающую поверхность теплоносителя и преобразование полученной тепловой энергии в электрическую.

Всесезонная гибридная энергетическая вертикальная установка // 2551913

Изобретение относится к области гелио- и ветроэнергетики. Всесезонная гибридная энергетическая вертикальная установка содержит установленный с возможностью вращения вертикальный вал в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную полую ось.

Зажимное соединение для закрепления пластинообразных конструктивных элементов, в частности солнечных модулей // 2551349

Устройство относится к области электротехники. Техническим результатом является повышение прочности.

Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления // 2576072

Солнечная фотоэлектрическая станция // 2575245

Система солнечного теплоснабжения // 2575198

Изобретение относится к устройствам преобразования солнечной энергии в тепловую, в частности к системам солнечного теплоснабжения, размещенным на строительных конструкциях зданий и сооружений, и предназначенным для обогрева и (или) горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов, коттеджей, сельских усадебных домов, офисов, общественных зданий, теплиц и других объектов.

Гелиоэнергетическое сооружение с функцией водообмена // 2574111

Изобретение относится к тепло- и гелиотехнике, а именно к ресурсосберегающим и энергосберегающим устройствам, основанным на солнечной энергии и обеспечивающим микроклимат в различных сооружениях, использующих водоемы, находящиеся вблизи них.

Комплекс автономного электротеплоснабжения здания // 2569403

Изобретение относится к устройствам альтернативного энергоснабжения с использованием комбинированных средств получения тепла, холода и электричества при помощи ветровой и солнечной энергии, которые предназначены преимущественно для автономного кондиционирования и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий.

Системы и способы обеспечения устойчивого экономического развития путем интегрированной выработки возобновляемой энергии полного спектра // 2562336

В одном варианте выполнения изобретения предложен способ подачи электроэнергии при помощи источника возобновляемой энергии, включающий: обеспечение первого источника возобновляемой энергии, причем первый источник возобновляемой энергии является непостоянным или не обеспечивает достаточного количества энергии; подачу энергии от первого источника возобновляемой энергии на электролизер с целью формирования энергоносителя посредством электролиза; избирательное реверсирование электролизера, позволяющее использовать его в качестве топливного элемента; и подачу энергоносителя на электролизер для выработки энергии, причем первый источник возобновляемой энергии, электролизер или энергоноситель получает дополнительное тепло от первого источника тепла; и первый источник тепла выбран из группы, состоящей из геотермального и солнечного источника тепла.

Солнечная энергетическая установка // 2559093

Изобретение относится к области энергетики, а именно к области использования солнечной энергии, и может быть применено при генерировании электрического тока с использованием энергии солнечного излучения в качестве источника теплового излучения.

Система гелиотеплохладоснабжения // 2554171

Изобретение предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах. Система гелиотеплохладоснабжения содержит южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным воздухопроводом, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, второй из которых снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом в тепловом аккумуляторе размещена вихревая труба, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к «холодному» каналу вихревой трубы, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменник - с помещением, а также южный воздухопровод снабжен суживающимся соплом, которое установлено вне помещения и содержит завихритель, состоящий из четырех пластин, причем у входного отверстия суживающегося сопла на внутренней поверхности выполнена круговая канавка, соединенная с устройством удаления загрязнений.

Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его осуществления // 2554168

Способ и устройство преобразования тепловой энергии в электрическую // 2551676

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, используя для нагрева, например, солнечную тепловую энергию или любой другой источник тепла.

Солнечный модуль с концентратором // 2576742

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. В солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической отклоняющей системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β0, выхода лучей β1 для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β0 и β2 для дополнительных зеркальных отражателей, угол φ и φ1 наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей связаны соотношениями, а приемник с шириной А=B·ctgβ1 установлен по ходу лучей β1, β2 в плоскости, перпендикулярной к плоскости выхода лучей, где В - ширина оптической отклоняющей системы. В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность приемника. 11 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.