Солнечный модуль с концентратором



Солнечный модуль с концентратором
Солнечный модуль с концентратором
Солнечный модуль с концентратором

 


Владельцы патента RU 2599076:

Федеральное агентство научных организаций 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, содержащем концентратор и приемник излучения и имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение и на которой установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, согласно изобретению зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d, угол выхода лучей β1 для цилиндрических зеркальных отражателей, угол φ0 наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями, указанными в формуле изобретения. Концентратор может дополнительно содержать второй полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с общим двухсторонним приемником, а оптическая отклоняющая система содержит установленные в одной плоскости две группы цилиндрических зеркальных отражателей с углом между поверхностями входа 2φ0. В результате использования солнечного модуля повышается удельная мощность модуля и снижается его стоимость. 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, p. 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., Огребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е. // БИ. 1999. №20).

Недостатками известного солнечного модуля являются большие оптические потери в жалюзи и низкий коэффициент концентрации.

Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного модуля с концентратором, имеющего высокий оптический КПД и высокий коэффициент концентрации солнечного излучения.

В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность модуля и снижается его стоимость.

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, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d, угол выхода лучей β1 для цилиндрических зеркальных отражателей, угол φ0 наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:

β1=2φ0-2θ при φ<φ0,
β1=2φ0+2θ при φ>φ0,
β1=2φ0, θ=0 при φ=φ0,

где β1 - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;

β0 - угол входа лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;

φ0 - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;

φ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;

θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;

θ0 - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя;

углы β0, β, β1 φ и φ0 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению:

a=dsinφ0,

при котором для любых углов φ0 нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с апертурным углом δ, который связан с углами φ0 и θ0 следующим соотношением:

δ≥45°-φ00.

В варианте конструкции концентратор дополнительно содержит второй полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с общим двухсторонним приемником, а оптическая отклоняющая система содержит установленные в одной плоскости две группы цилиндрических зеркальных отражателей с углом между поверхностями входа 2φ0.

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

На фиг. 1 представлена схема оптической отклоняющей системы с цилиндрическими зеркальными отражателями и ход лучей в ней (двухмерное изображение).

На фиг. 2 показана оптическая отклоняющая система и ход лучей в ней.

На фиг. 3 представлен солнечный модуль с концентратором, состоящий из оптической отклоняющей системы в виде жалюзи из зеркальных цилиндрических отражателей и полупараболоцилиндрического концентратора с апертурным углом δ.

На фиг. 4 показан солнечный модуль с концентратором, состоящий из оптической отклоняющей системы в виде жалюзи из двух групп зеркальных цилиндрических отражателей и второго полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с общим приемником.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит зеркальную отклоняющую периодическую оптическую систему высотой h, шириной l и длиной L, состоящую из цилиндрических зеркальных отражателей 1 с радиусом кривизны R и с плоскостью входа лучей 2 шириной d, установленных под углом φ0. Солнечный модуль имеет рабочую поверхность 3, на которую падает излучение 4. Цилиндрические зеркальные отражатели 1 установлены друг от друга на расстоянии а под углом наклона поверхности входа 2 φ0 к вертикальной плоскости. Количество цилиндрических зеркальных отражателей в отклоняющей оптической системе . Обозначим через β1 угол выхода лучей от цилиндрических зеркальных отражателей в оптической системе. Угол β1 отсчитывается от вертикальной плоскости. Угол β1 выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии ОЕ=2а.

Принимая h=1, получим:

На фиг. 2 касательная 5 в точке А и касательная 6 в точке D к цилиндрическому зеркальному отражателю 1 образуют угол θ0 с поверхностью 2 входа лучей. Обозначим через θ угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей. Касательная 7 в точке G параллельна плоскости поверхности входа 2 лучей, поэтому в точке G θ=0. Из фиг. 2 следует, что θ0=max θ в точках А и D, в точке G θ=0, на участке AG θ<φ0, а на участке GD θ>φ0.

Радиус кривизны цилиндрического зеркального отражателя R=АО и высоту сегмента FG найдем из Δ O1AF:AF=AO1sinθ0, AO1=R, ,

FG=O1G-O1F, , .

Для лучей, нормальных к рабочей поверхности 3 модуля в точке А: β1=2φ-2θ0.

Подставляя β1 из (1), получим:

В точке D: β1=2φ+2θ0.

В точке G: θ=0, β1=2φ0=arctg(2tgφ0).

Для любой точки цилиндрического зеркального отражателя:

β1=2φ0-2θ при φ<φ0,

β1=2φ0, θ=0 при φ=φ0,

,

где φ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей, углы β1 β2, φ и φ0 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки.

При расчете оптической отклоняющей периодической системы на фиг. 1, 2 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех цилиндрических зеркальных отражателей 1 при любом угле φ0. Это означает, что при увеличении φ0 и постоянной ширине d цилиндрического зеркального отражателя 1 растет расстояние а=tgφ0 между цилиндрическими зеркальными отражателями.

Из фиг. 2 и формул (6) следует, что угол выхода лучей β1 изменяется при отражении лучей от различных участков цилиндрического зеркального отражателя 1.

,

где

;

- угол выхода лучей при отражении от нижнего края (точка D) цилиндрического зеркального отражателя;

- угол выхода лучей при отражении от верхнего края (точка А) цилиндрического зеркального отражателя.

Оптическая отклоняющая система из цилиндрических зеркальных отражателей 1 обеспечивает 100% переотражение излучения 4, поступающего на рабочую поверхность 3 солнечного модуля с концентратором. Полупараболоцилиндрический концентратор 8 с параметрическим углом δ, фокальной осью F и вершиной О имеет поверхность входа 9 лучей, которая параллельна рабочей поверхности 3 солнечного модуля с концентратором. Приемник 10 установлен между фокальной осью F и вершиной О полупараболоцилиндрического концентратора 8.

В солнечном модуле с концентратором на фиг. 3 отклоняющая оптическая система шириной В=QO1 создает на поверхности входа 9 лучей полупараболоцилиндрического концентратора 8 поток лучей с углом β1, .

Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором при нормальном падении излучения 4 на рабочую поверхность 3 равен:

.

Параметрический угол δ определяется из условия:

,

На фиг. 4 солнечный модуль с концентратором содержит оптическую отклоняющую систему из двух групп установленных в одной плоскости и отклоняющих лучи встречно цилиндрических зеркальных отражателей 11 и 12, у которых угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей 13 и 14 составляет Q1=2φ0, а угол между поверхностями входа 15 и 16 равен Q2=180°. Солнечный модуль содержит концентратор в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 17 и второго полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 18 с общим двухсторонним приемником 19. У полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 17 и 18 поверхности входа 20 и 21 находятся в одной плоскости. Линии 22 и 23, которые являются касательными к поверхности полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей 17 и 18 у поверхностей входа 20 и 21 и внешними границами апертурных углов, образуют между собой угол Q4=180°-2δ. Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 равен:

.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1, 2, 3). Солнечное излучение 4 поступает по нормали на рабочую поверхность 3 солнечного модуля с концентратором, отражается от цилиндрических зеркальных отражателей 1 под углом β1, поступает на поверхность входа 9 полупараболоцилиндрического концентратора 8, отражается от полупараболоцилиндрической поверхности концентратора и поступает на приемник 10 при условии .

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором (фиг. 1, 2, 3)

Отклоняющая оптическая система состоит из цилиндрических зеркальных отражателей 1 размером плоскости входа d=100 мм. Угол наклона плоскости входа 2 цилиндрических зеркальных отражателей 1 φ0=34,55°, расстояние между цилиндрическими зеркальными отражателями 1 а=d·sinφ0=56,71 мм, радиус кривизны R=383,06 мм, высота сегмента 3,72 мм, угол входа лучей β0=0°, θ0=7,5°, углы выхода лучей β1min=54,1°, β1max=84,1°, апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора 8 δ=18°, зеркальные отражатели концентратора 8 выполнены из полированного алюминия. Приемник 10 имеет размеры 125×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 125×31,25 мм, соединенных последовательно.

Геометрический коэффициент концентрации k=10,47, оптический КПД 85%, КПД приемника 15%. Размеры модуля 1300×1250 мм. Площадь модуля 1,635 м2. Количество цилиндрических зеркальных отражателей - 22. Общий КПД модуля 12,75%. Пиковая электрическая мощность 208,58 Вт при освещенности 1 кВт/м2 и температуре 25°С.

Лучи с углами β1=2(φ00) собираются в области, близкой к фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 8.

В связи с тем, что лучи, выходящие из оптической отклоняющей системы, не параллельны, а образуют расходящийся поток с углами выхода в диапазоне

2(φ+θ0)≥β1≥2(φ00), излучение будет концентрироваться не в фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 8, а равномерно распределяться по всей площади фотоприемника 10, что улучшает условия теплоотвода от поверхности фотоприемника и снижает потери от неравномерного освещения.

Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 10-12 из условия воздушного или водяного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Такие солнечные модули с концентраторами могут быть использованы со следящими системами для установки на крышах зданий или на земле. При стоимости зеркальных отражателей 30 долл./м2, концентрации 5, оптическом КПД 0,85 и электрическом КПД 15% стоимость солнечного модуля с концентратором составит 86,58 долл./м2, 0,378 долл./Вт, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля.

По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет нулевые косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость. Приемник 10 может быть выполнен с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и горячей воды или горячего воздуха.

1. Солнечный модуль с концентратором, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, отличающийся тем, что зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d, угол выхода лучей β1 для цилиндрических зеркальных отражателей, угол φ0 наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:
β1=2φ0-2θ при φ<φ0,
β1=2φ0+2θ при φ>φ0,
β1=2φ0, θ=0 при φ=φ0,


где β1 - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей,
φ0 - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей,
φ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей,
θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей,
θ0 - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,
углы β, β1, φ и φ0 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению:
a=dsinφ0,
при котором для любых углов φ0 нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с апертурным углом δ, который связан с углами φ0 и θ0 следующим соотношением:
δ≥45°-φ00.

2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что концентратор дополнительно содержит второй полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с общим двухсторонним приемником, а оптическая отклоняющая система содержит установленные в одной плоскости две группы цилиндрических зеркальных отражателей с углом между поверхностями входа 2φ0.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетике, а именно к энергетике преобразования солнечного излучения в электричество с помощью тепловых машин, и может быть использовано, в частности, в солнечных электрических станциях башенного типа.
Изобретение относится к гибридным энергетическим системам. Комплексная электростанция на дирижабле с подъемной силой пара состоит из ветреной и солнечной частей.

Изобретение относится к гелиотехнике и может использоваться в системах управления солнечным концентраторным модулем для получения электрической и тепловой энергии.

Фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения относится к гелиотехнике и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками и концентраторами солнечного излучения в виде параболоцилиндров.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и гелиотехники. Система автономного энергообеспечения потребителей электроэнергии башни сетчатой конструкции содержит, по крайней мере, один ветромодуль, связанный с башней сетчатой конструкции, аккумуляторные батареи и систему преобразования и управления электропитанием.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к комбинированным концентраторным солнечным энергетическим установкам с охлаждаемыми двухсторонними фотоэлектрическими солнечными модулями (ФСМ) для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, а именно к ветроэнергетике. Солнечно-конвективная электростанция содержит один или несколько воздуховодов, один или несколько электрогенераторов, коллектор, в котором установлена либо не установлена система нагрева воздуха, установлена либо не установлена система тепловых насосов, одну или несколько турбин, систему тросов, систему шлангов и газовый комплекс.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электрической энергии и теплоты. В солнечном модуле с концентратором, имеющим рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический концентратор с поверхностью входа лучей и приемник излучения, установленный между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического концентратора, причем на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей с поверхностями входа и выхода лучей, 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 и апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора δ связаны соотношениями.

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.

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.

Комплементарная система подачи тепловой энергии с использованием солнечной энергии и биомассы принадлежит к области использования чистой энергии. Система содержит устройство, концентрирующее солнечные лучи, емкость (1) для хранения солнечного тепла, энергоустановку на биомассе, устройство охлаждения и замораживания для охлаждения и систему нагревания воды для центрального нагревания. Устройство, концентрирующее солнечные лучи, соединено трубопроводом с емкостью (1), впуск первого выпускного теплообменника (В1) емкости (1) соединен с выпуском насоса питательной воды бойлера на биомассе, выпуск первого теплообменника (В1) соединен с впуском системы питательной воды бойлера на биомассе. Впускной трубопровод второго теплообменника (В2) емкости (1) соединен с выпускным трубопроводом водоочистительной установки, и выпуск второго теплообменника (В2) соединен с впускным трубопроводом тепловой энергии устройства охлаждения и замораживания. Охлаждающая вода устройства охлаждения и замораживания соединена с емкостью горячей воды водонагревательной системы, чтобы осуществлять нагревание для пользователей. Емкость (1) представляет собой емкость для хранения тепла с двумя или с тремя теплоносителями и двумя циклами, а теплоносителем в ней является теплопроводящее масло или расплавленная соль. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к альтернативной (солнечной) энергетике и может быть использовано для преобразования энергии солнца в электрическую. Технический результат заключается в увеличении поверхностной плотности солнечной энергии, воздействующей на поверхность солнечных батарей или на спаи термоэлектрического генератора, которая происходит за счет суммарного отражения солнечных лучей от отражающих поверхностей, облучаемых лучевой энергией, проходящей через оптические линзы. Для этого устройство содержит каркас, на котором закреплены датчик перпендикулярности солнечных лучей и солнечная батарея. За солнечной батареей в освещенной солнцем области находятся механически связанные с каркасом отражающие плоскостные поверхности, плоскости которых расположены под углом, определяющим попадание отраженных солнечных лучей на обратную сторону солнечной батареи, при этом падающие на отражающие плоскостные поверхности солнечные лучи проходят через оптические линзы. Отражающие плоскостные поверхности могут иметь форму усеченного конуса или пирамиды в зависимости от формы солнечной батареи. При этом поверхности могут быть объединены в оптическую линзу или линзу Френеля, которые имеют форму кольца, а также могут представлять собой гибкую надувную отражающую поверхность. К обратной стороне солнечной батареи могут быть прикреплены термоэлектрические генераторы, внешние (горячие) контакты которых находятся в растворе расплавленных солей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх