Вид РИД
Изобретение
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
kл=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.