СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к солнечным модулям с концентраторами для получения электрической и тепловой энергии.

Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий прозрачную фокусирующую призму, имеющую образующий острый угол грани входа и переотражения излучения и грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, расположенное относительно фокусирующей призмы с зазором со стороны грани переотражения излучения. Устройство отражения выполнено в виде по меньшей мере одной призмы с треугольным поперечным сечением, имеющей образующие острый угол, грань входа проходящего через фокусирующую призму излучения и грань отражения излучения и расположенной своим острым углом однонаправлено с острым углом фокусирующей призмы (авт. свид. СССР №108365, Б.И. 1984 г., №16).

Выполнение отражающего устройства в виде призмы позволяет ввести отраженное излучение в фокусирующую призму под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является большая масса концентратора и высокая стоимость, связанная с большой трудоемкостью его изготовления, и сложность конструкции.

Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий концентратор, выполненный в виде фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления n, имеющий образующие острый двухгранный угол φ, рабочую поверхность модуля, на которую падает излучение под углом β₀, и грань переотражения, скоммутированные фотопреобразователи, установленные под некоторым углом к вышеуказанным граням и поверхностям, и устройство отражения излучения, расположенное с зазором относительно фокусирующей призмы со стороны грани переотражения излучения, указанное устройство отражения образует острый двухгранный угол φ с гранью переотражения и угол φ+ψ с рабочей поверхностью модуля, причем угол входа β₀ и двухгранные углы φ и ψ связаны отношением:

где n - коэффициент преломления, φ - острый двухгранный угол при вершине призмы, ψ - угол между гранью переотражения и зеркальным отражателем.

Для снижения потерь солнечного излучения на части грани переотражения фокусирующей призмы у грани выхода установлены фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью, а в плоскости грани выхода от рабочей поверхности фокусирующей призмы до устройства отражения установлен зеркальный отражатель (патент РФ №2154778, Б.И. 2000, №23).

Известный солнечный модуль с концентратором имеет малую массу и низкую стоимость. Недостатком известного солнечного модуля с концентратором является невысокий коэффициент концентрации и низкий оптический КПД из-за потерь излучения в устройстве отражения модуля.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение оптического КПД за счет снижения потерь излучения в модуле и повышение коэффициента концентрации солнечного излучения. В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается оптический КПД модуля, снижаются оптические потери при переотражении излучения и увеличивается коэффициент концентрации солнечного излучения.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащем прозрачную фокусирующую призму с углом полного внутреннего отражения , где n - коэффициент преломления материала призмы, с треугольным поперечным сечением, имеющую грань входа, на которую падает излучение по нормали к поверхности грани входа, и грань переотражения излучения, образующая острый двухгранный угол φ с гранью входа, и грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, образующее с гранью переотражения острый двухгранный угол ψ, который расположен однонаправлено с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, устройство отражения состоит из набора зеркальных отражателей длиной L₀ с одинаковыми вышеуказанными острыми двухгранными углами ψ, установленных на некотором расстоянии друг от друга, на поверхности грани входа установлены дополнительные зеркальные отражатели, которые наклонены к поверхности грани входа под углом 90°-δ, который расположен разнонаправленно с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, линии касания плоскости дополнительного зеркального отражателя с гранью входа и линия касания плоскости зеркального отражателя устройства переотражения с гранью переотражения находятся в одной плоскости, перпендикулярной поверхности входа, длина проекции дополнительного зеркального отражателя на поверхность грани входа больше длины проекции зеркального отражателя устройства отражения на поверхность грани входа на величину

а углы φ, ψ, δ и α связаны собой следующими соотношениями:

В варианте солнечного модуля с концентратором, содержащего прозрачную фокусирующую призму с треугольным поперерчным сечением, с углом входа лучей β₀ и углом полного внутреннего отражения , где n - коэффициент преломления призмы, имеющую грань входа и грань переотражения излучения, образующие общих двухгранный угол φ, грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, образующее с гранью переотражения острый двухгранный угол ψ, который расположен однонаправлено с острым двухгранным углом ср фокусирующей призмы, устройство отражения состоит из набора установленных на некотором расстоянии друг от друга зеркальных отражателей длиной Lo с одинаковыми вышеуказанными острыми двухгранными углами ψ, с устройством поворота относительно грани переотражения, на поверхности грани входа установлены дополнительные зеркальные отражатели, которые наклонены к поверхности грани входа под углом 90°-δ и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота относительно поверхности грани входа, угол наклона дополнительных зеркальных отражателей к поверхности грани входа расположен разнонаправленно с острым двухгранным углом φ фокусирующей призмы, оси устройства поворота дополнительного зеркального отражателя на грани входа и оси устройства поворота зеркального отражателя на устройстве переотражения с гранью переотражения находятся в одной плоскости, перпендикулярной поверхности входа, длина проекции дополнительного зеркального отражателя на поверхность входа больше длины проекции зеркального отражателя устройства отражения на поверхность входа на величину

а углы φ, ψ, δ, β₀ и α связаны собой соотношениями:

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором в качестве приемника излучения установлен гибридный фотоэлектрический модуль с когенерацией электрической и тепловой энергии.

В другом варианте солнечного модуля с концентратором в качестве приемника излучения использован тепловой абсорбер для получения горячей воды и отопления.

В способе изготовления солнечного модуля с концентратором путем изготовления фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, установке приемника излучения, устройства переотражения с зеркальными отражателями из закаленного листового стекла или другого прозрачного листового материала изготавливают и герметизируют стенки полости фокусирующей призмы с острым двухгранным углом при вершине 2-12° и затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой, устанавливают герметично приемник излучения и производят сборку дополнительных зеркальных отражателей с устройствами поворота на рабочей поверхности фокусирующей призмы и устройства поворота для устройства переотражения.

В варианте способа изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют дистиллированную воду с добавками для предотвращения цветения и замерзания воды.

В другом варианте способа изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют силиконовые теплоносители, например на основе полиметилсилоксановых композиций.

Еще в одном способе изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют структурированные полисилоксановые гели.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 показано поперечное сечение солнечного модуля с концентратором и ход лучей в нем. На фиг.2 оптическая схема солнечного модуля для определения размеров неработающих зон и зеркальных отражателей. На фиг.3 оптическая схема солнечного модуля для определения перекрытия лучей зеркальными отражателями.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит приемник 1, фокусирующую призму 2 с гранью входа 3, которая совпадает с рабочей поверхностью 4 и гранью переотражения 5, устройство отражения 6 и дополнительные зеркальные отражатели 7 на рабочей поверхности 4. Острый двухгранный угол φ есть угол между рабочей поверхностью 4, на которую падает излучение, и гранью переотражения 5. Угол входа (падения) солнечного излучения на рабочую поверхность 4 есть угол β₀ между лучом и вектором , перпендикулярным к поверхности, на которую падает излучение.

Острый двухгранный угол ψ есть угол между гранью переотражения 5 фокусирующей призмы 2 и устройством отражения 6. Устройство отражения 6 содержит зеркальные отражатели 8, которые наклонены под углом ψ к грани переотражения 5 и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота 9 относительно грани переотражения 6. Зеркальные отражатели 7 наклонены к рабочей поверхности под углом 90°-δ, где δ - угол между плоскостью зеркального отражателя 7 и нормалью к рабочей поверхности 4 и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота 10 относительно рабочей поверхности модуля. Приемник 1 установлен перпендикулярно рабочей поверхности 4 фокусирующей призмы 2.

В варианте конструкции солнечного модуля на торце фокусирующей призмы 2 перпендикулярно рабочей поверхности 4 установлен зеркальный отражатель, а приемник 1 с двухсторонней рабочей поверхностью расположен горизонтально рабочей поверхности 4 фокусирующей призмы 2 в непосредственной близости у зеркального отражателя.

Приемник 1 выполнен в виде скоммутированных солнечных элементов. В варианте конструкции модуля приемник 1 представляет собой тепловой абсорбер для получения тепловой энергии. Наиболее перспективно использование гибридного приемника 1, содержащего скоммутированные солнечные элементы, установленные на тепловом абсорбере с отводом и утилизацией тепловой энергии.

Зеркальные отражатели 7 на рабочей поверхности расположены над неработающими зонами 11 на рабочей поверхности 4, которые возникают при возвращении лучей от зеркальных отражателей 8 в фокусирующую призму 4 на грань переотражения 5.

Для увеличения вырабатываемой мощности солнечного модуля с концентратором на рабочей поверхности 4 у острого угла фокусирующей призмы 2 параллельно отражателю 7 установлен дополнительный зеркальный отражатель 12. Зеркальный отражатель 8 у приемника 1 содержит дополнительный зеркальный отражатель 13 для отражения излучения непосредственно на приемник 1.

Солнечный фотоэлектрический модуль работает следующим образом. Солнечное излучение луч Л₁ падает на рабочую поверхность 4 фокусирующей призмы 2 под углом β₀ (фиг.1), входит в призму 2 под углом β₁ попадает на грань переотражения 5 под углом β₂, выходит из призмы 2 под углом β₃, попадает на зеркальный отражатель 8 под углом β₄, отражается и попадает на грань переотражения 5 под углом β₅, преломляется в фокусирующей призме 2 под углом β₆ и падает на рабочую поверхность призмы 2 изнутри под углом β₇, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения β₇>arcsin 1/n, где n - коэффициент преломления материала призмы 2. После полного внутреннего отражения излучение попадает на приемник 1.

Для лучей Л₁, нормальных к грани входа 3, углы между нормалью к поверхности и лучом имеют следующий вид:

Для фокусирующей призмы 2 с φ=8°, ψ=25°, n=1,5 вышеуказанные углы имеют вид: β₀=0, β_t=0, β₂=8°, β₃=12,2°, β₄=37,2°, β₅=62,2°, β₆=35,6°, β₇=43,6°. Для стекла с n=1,5 угол полного внутреннего отражения равен α=41,8°. Таким образом, β₇>α и луч не выходит за пределы фокусирующей призмы 2.

Углы φ, ψ и угол полного внутреннего отражения

где n - коэффициент преломления материала фокусирующей призмы, связаны между собой соотношением:

Угол δ между плоскостью дополнительного зеркального отражателя и нормалью к грани входа связан с углами φ и α следующими соотношениями:

2δ≥β₅, подставляя β₅ из (3), получим

Условие полного внутреннего отражения для лучей с углом входа в фокусирующую призму 2 β=2δ

Для лучей Л₂ с углом падения на грань входа 3 β₀>0, который равен углу между направлением луча и нормалью n к поверхности, в ходе лучей углы между нормалью к поверхности и лучом имеют следующий вид:

,

Для β₀>0

Углы φ, ψ, β₀ и α связаны соотношением:

Углы δ, β₀ и φ связаны соотношением:

неравенство (7) преобразуется

Неравенство (8) останется без изменений, поскольку оно не зависит от β₀.

При отсутствии дополнительных зеркальных отражателей 7 появляются неработающие зоны 11 на рабочей поверхности 4, которые возникают при возвращении лучей от зеркального отражателя 8 к фокусирующей призме (луч β₅ на фиг.1), снижают оптический КПД солнечного модуля с концентратором. На фиг.1 для солнечного модуля с φ=8°, ψ=25° пунктирами показаны зеркальный отражатель 14, отраженный от зеркального отражателя луч 15, длина работающей зоны 16 и неработающей зоны 17. Площадь работающей зоны составляет от полной поверхности модуля 55%, а площадь неработающей зоны 45%, в результате при отсутствии дополнительных зеркальных отражателей 7 оптический КПД модуля снижается на 45%. Такие потери имеет известный солнечный модуль с концентратором при φ=8°, ψ=25°. В предлагаемом солнечном модуле с концентратором оптические потери из-за неработающих зон 11 отсутствуют, так как по всей площади этих неработающих зон 11 на рабочей поверхности 4 установлены дополнительные зеркальные отражатели 7, направляющие лучи под углом 2δ=β₅ к рабочей поверхности 4 фокусирующей призмы 2. Длина зеркальных отражателей 7 выбирается из условия, что луч, отраженный от конца отражателя 7, попадал на рабочую поверхность 4 фокусирующей призмы 2 у основания соседнего зеркального отражателя 7 или у приемника 1.

Определим размеры Δ_Н неработающих зон 11 и размеры дополнительных зеркальных отражателей 7 для компенсации оптических потерь от неработающих зон 11.

Найдем проекцию Δ_Н линии O₂A на грань входа (фиг.2).

Из ΔABO₁:AB=AO₁·sinψ.

Из .

Из ΔACO₂:Δ_H=CO₂=AO₂·cos(90°-φ-β₅)=AO₂·sin(φ+β₅),

где AO₁ - длина зеркального отражателя 8.

Найдем проекцию дополнительного зеркального отражателя 7 O₃F на грань входа (фиг.2).

Из ΔO₃ FK:KO₃=FO₃·cos(90°-δ)=FO₃·sinδ,

где FO₃ - длина зеркального отражателя 7.

Из-за отклонения луча на выходе из грани переотражения на угол β₃ возникает перекрытие Δ=DE (фиг.3) проекций дополнительного зеркального отражателя 7 FO₃ и зеркального отражателя 8 AO₁ устройства отражения на грань входа 3 (фиг.3).

Из ΔABO₁:AB=AO₁·sinψ.

Из

Из

Величина перекрытия

где L₀ - длина зеркального отражателя 8, β₂ и β₃ определяется из (1) при β₀=0, (3) или (9), (10), (11), (12) при β₀>0 и должна учитываться при проектировании солнечного модуля с концентратором.

Для

для

Для изготовления солнечного модуля с концентратором из закаленного стела толщиной 3 мм изготавливают и герметизируют стенки полости фокусирующей призмы 2 с двухгранным углом при вершине 8°, а затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой. При использовании в качестве оптически прозрачной среды дистиллированной воды уменьшение тока солнечного элемента I(x) при увеличении толщины слоя воды x описывается соотношением:

I_(x)=I₀l^-αx,

где I₀ - ток солнечного элемента в приповерхностном слое воды.

Коэффициент поглощения воды, измеренный кремниевым солнечным элементом, составляет 0,025 см^-1, при этом средняя толщина слоя воды, в которой ток солнечного элемента уменьшался в l=2,73 раза, составляет 40 см. При длине фокусирующей призмы 2 на фиг.1 0,5 м длина пути луча Л₁ внутри фокусирующей призмы 2 составляет 24 см. Поток фотоактивного излучения на приемнике

уменьшается в 1,82 раза. Таким образом, на приемник поступает 55,5% энергии излучения, а 45,5% солнечного излучения поглощается внутри фокусирующей призмы 2. Поглощенная энергия, в основном в длинноволновой части спектра, используется для повышения температуры воды. За счет конвенции горячая вода поднимается в верхнюю часть солнечного модуля и нагревает приемник. Солнечное излучение в коротковолновой части спектра концентрируется в фокусирующей призме, поглощается в приемнике и преобразуется в электрическую энергию в солнечных элементах. Таким образом обеспечивается энергоэффективное преобразование солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию в гибридном приемнике или только в тепловую энергию для горячего водоснабжения и отопления в приемнике с тепловым абсорбером.

Если использовать полиметилсилоксановые жидкости, более 90% солнечного излучения будет поглощаться в приемнике за счет низкого коэффициента поглощения излучения в жидкости. При использовании в качестве оптически прозрачной среды структурированного полисилоксанового геля его заливают в полость фокусирующей призмы 2 в жидком виде, а потом проводят его отверждение - структурирование. В этом случае высокая прозрачность полисилоксанового геля и отсутствие утечек геля при случайной разгерметизации полости фокусирующей линзы обеспечивает высокий оптический КПД и большой срок службы солнечного модуля с концентратором. Объем оптически прозрачной среды внутри полости фокусирующей призмы зависит от размера солнечного модуля и угла φ.

Для солнечного модуля с концентратором размером длиной 0,5, шириной 1,2 м объем оптически прозрачной среды составит для угла φ=8° 22,5 л, для φ=3° 8,4 л. Конструкция и технология изготовления солнечного модуля с концентратором позволяет в 5-10 раз снизить потребление металла для абсорберов по сравнению с известными солнечными коллекторами и в 5-10 раз снизить площадь солнечных элементов по сравнению с солнечными планарными модулями без концентраторов.

Солнечный модуль с концентратором может быть использован в составе солнечной электростанции с системой слежения за солнцем. Для солнечного модуля на фиг.1 с нормальным падением солнечных лучей на поверхность грани входа необходима система ориентации с двумя осями слежения за солнцем. Для солнечного модуля с устройствами поворота зеркальных отражателей возможно использовать устройство слежения вокруг одной полярной оси.

Геометрический коэффициент концентрации k=ctgφ для одного призменного концентратора с односторонним фотоприемником и k=2ctgφ для двух призменных концентраторов с общим двухсторонним приемником. При стационарном расположении солнечного модуля плоскости зеркальных отражателей ориентированы в направлении Восток-Запад, а годовое склонение Солнца ±23,5° компенсируется поворотом зеркальных отражателей в соответствии с формулами (15) и (16).

При повороте луча на ±24° от нормального положения зеркальные отражатели поворачиваются на ±12°. На фиг.1 показан ход лучей в фокусирующей призме 2 при δ=31,5°, φ=8° и ψ=25°, при этом геометрический коэффициент концентрации составляет k=ctg 8°=7,15 для одностороннего приемника и k=2ctg 8°=14,3 для двухстороннего приемника.

Солнечный модуль с концентратором имеет малую массу, высокую эффективность, низкую стоимость, прост в изготовлении и может быть использован для получения тепла и электроэнергии как в автономных установках со слежением за солнцем, так и в энергоактивных зданиях в качестве элемента фотоэлектрического фасада здания или солнечной крыши.