Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами для получения электрической энергии и теплоты.

Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель, выполненный из двух разновеликих частей в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя со вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, и фотоэлектрический приемник, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен из стеклянной цилиндрической трубы и встроенного внутрь плоского стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению относится солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник в виде полосы, установленный параллельно фокальной оси основного отражателя, основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя, снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, а также третьим зеркальным полуцилиндрическим отражателем, причем третий зеркальный отражатель снабжен устройством поворота вокруг своей оси (патент RU 2206837, БИ 2003 №17).

Недостатками известных солнечных модулей являются:

- снижение оптического кпд модуля вследствие многократного, не менее 3-х раз на каждом концентраторе, отражения солнечных лучей от концентраторов, а также вследствие поглощения отраженных лучей при прохождении через ограждающие ФЭП стеклянные элементы, следовательно, снижение и общего кпд преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую;

- усложнение конструкции модуля;

- сложность юстировки 2-3 концентраторов и приемников концентрированного излучения;

- затенение дополнительными концентраторами основного.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы теплофотоэлектрического приемника солнечного модуля при средних концентрациях и равномерном освещении его части - фотоэлектрического приемника, нагрева теплоносителя (воды) и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения на трех гранях трапецеидального в сечении теплофотоэлектрического приемника с устройством проточной воды формируется равномерная освещенность концентрированным солнечным излучением, вырабатывая электрическую и тепловую энергию с более высоким КПД, нагревая проточную воду.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором, состоящий из одной ветви параболоцилиндрического концентратора солнечного излучения и линейчатого фотоприемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, содержит асимметричный из одной ветви концентратор параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью отражения, форма отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной, вдоль и перпендикулярно параболоцилиндрической оси, освещенности поверхностей фотоприемника, размещенного перед фокусом параболы и выполненного в виде трех линеек из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей, в составе фотоприемника трапецеидальной формы в поперечном сечении с устройством протока теплоносителя;

Солнечный модуль установлен на опоре, снабженной системой ориентации на Солнце.

Солнечный модуль снабжен системой крепления с устройством перемещения фотоприемника для изменения концентрации на его гранях отраженного солнечного потока. Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.

На фиг. 1 представлена схема конструкции солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и теплофотоэлектрическим приемником трапецеидальной формы в поперечном сечении с устройством протока теплоносителя.

На фиг. 2 представлена схема хода лучей от асимметричного параболоцилиндрического концентратора ABCD до трех обращенных к концентратору граней теплофотоэлектрического приемника трапецеидальной формы (ТФПТ).

На фиг. 3 представлен график распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна верхней поверхности ТФПТ.

На фиг. 4 представлен график распределения концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна средней поверхности ТФПТ.

На фиг. 5 представлен график распределения концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна нижней поверхности ТФПТ.

На фиг. 6 представлена BAX трапецеидального фотоприемника модуля с тремя матричными высоковольтными параллельно соединенными фотопреобразователями размерами 4×1 см при солнечном излучении 888 Вт/м². Коэффициент заполнения BAX m=0,660.

На фиг. 7 представлена BAX трапецеидального фотоприемника модуля с тремя высоковольтными параллельно соединенными фотопреобразователями размерами 4×1 см при солнечном излучении 888 Вт/м². Средняя концентрация на фотоприемнике Кср=22,5 крат, коэффициент заполнения BAX m=0,728.

На фиг. 8 представлены расчетные зависимости характеристик солнечного модуля: кпд η_t, расхода воды от температуры.

Асимметричный параболоцилиндрический концентратор 1 солнечного модуля с расчетным рабочим профилем концентрирует солнечное излучение на трех гранях размещенного перед фокальной областью теплофотоэлектрического приемника: лучи от верхней части AB концентратора приходят на верхнюю грань, лучи от средней части BC концентратора приходят на среднюю грань, а лучи от нижней части CD концентратора приходят на нижнюю грань теплофотоэлектрического приемника.

На фиг. 1 показана схема конструкции солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 1 с ребрами жесткости 5 и теплофотоэлектрическим приемником 2 в виде трубы трапецеидальной формы в поперечном сечении с ФЭП на трех ее гранях, с устройствами протока теплоносителя (воды) со штуцерами 6, крепления 3 теплофотоэлектрического приемника, опоры 4 солнечного модуля.

Асимметричный параболоцилиндрический концентратор имеет форму полуветви параболы, а приемниками концентрированного излучения являются боковые и нижняя, обращенная к концентратору, грани трапецеидального в сечении канала, на которых крепятся ФЭП. Охлаждение - принудительное, протоком теплоносителя через канал, и естественное, теплообменом с окружающей средой.

На фиг. 2 представлена схема хода лучей от асимметричного параболоцилиндрического концентратора до трех обращенных к концентратору граней теплофотоэлектрического приемника трапецеидальной формы (ТФПТ) шириной d_н, d_cp, d_в, конкретно 40×40×40 мм. Три из четырех граней ТФПТ освещаются каждая своей частью концентратора. Все четыре грани обмениваются теплом с окружающей средой.

Расчетный рабочий профиль отражающей поверхности асимметричного параболоцилиндрического концентратора и координат теплофотоэлектрического приемника выполнен по приведенным ниже зависимостям.

Верхняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Х_в, У_в; Х, У).

Значения координат Х_вn, У_вn определяются по формулам:

где δ_n=(ϕ+ξ)n/n_o, n=0,1…n_o, - фокусное расстояние параболы, а координаты X, Y определяются шириной концентратора.

Распределение концентрации освещенности по ширине фокального пятна на верхней грани ТФПТ определяется как:

где

Распределение концентрации освещенности и углов падения концентрированного солнечного излучения по ширине фокального пятна на верхней грани ТФПТ с шириной граней d_н, d_cp, d_в, конкретно 40×40×40 мм, показано на фиг. 3.

Средняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Х_н, У_н; Х_в, У_в}. Значения координат концентратора в этой области Х_ср, У_ср определяются по формулам

Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на средней грани ТФПТ определяется по аналогии с формулами (3-6) и представлено на фиг. 4.

Нижняя грань освещается частью концентратора с граничными координатами {Х_н, У_н; 0,0}. Значения координат концентратора в этой области Х_нn, У_нn определяются по формулам

Распределение концентрации освещенности и углов падения солнечного излучения по ширине фокального пятна на нижней поверхности ТФПТ определяется в соответствии с формулами

и представлено на фиг. 5.

Из приведенных характеристик на фиг. 3, 4, 5 видно, что изменение концентрации освещенности по ширине граней фотоэлектрического приемника не превышает 40%, что существенно не влияет на электрофизические и тепловые характеристики солнечного модуля.

Изменять концентрацию освещенности теплофотоэлектрического приемника 2 можно, перемещая приемник параллельно относительно расчетной позиции на фиг. 2.

Расчетным способом получены следующие средние концентрации, крат, на поверхностях теплофотоэлектрического приемника, облучаемых дугами концентратора: AB - 17,5, BC - 19,5, CD - 35. Такие концентрации допустимы для высоковольтных планарных ФЭП. Экспериментально проведены испытания трех высоковольтных планарных фотоэлементов размером 40×10 мм каждый, смонтированных на трех гранях теплофотоэлектрического приемника. Полученные BAX без концентрации солнечного излучения представлены на фиг. 6, а с концентрацией - на фиг. 7. Из приведенных BAX (фиг. 6 и 7) следует, что матричные высоковольтные элементы при концентрированном облучении более эффективны, чем при низком освещении солнечным излучением, что показывают значения коэффициентов заполнения BAX m. В рабочей точке BAX фиг. 7 электрическая мощность в ~19 раз больше, чем на фиг. 6, которая равна P₁=1,175 Вт. При пересчете количества матричных элементов с η_фэ=0,12, на всю линейку при освещенности 700 Вт/м² и η_опт=0,729 выработанная электрическая мощность будет равна Р_эл=208 Вт, что соответствует расчетной мощности солнечного модуля 219 Вт при температуре ФЭП 74°C.

Расчет тепломассопереноса осуществлялся по формулам:

Q_пп=η_оптR F_пп К_геом, N=Q_ФЭ η_ФЭ⋅Q_конв=α(t_c-t_a)F, α=5,7+3,8 V, Q_рад=εσ(T_c⁴-T_a⁴)F, Q=Q_пп-N-Q_конв-Q_рад⋅m=Q/c_p(t_вых-t_вх), W=m/γF_пс, Re=wd_экв/ν, α_ж=Nu λ_ж/d_экв, Q_в=α_ж(t_c-t_ж)F. η=η_o[1-k(T_f-T_o)],

где Q_пп - поглощенный поток отраженных лучей приемником, η_ОПТ - оптический кпд, R - прямая солнечная радиация, F_пп - площадь приемной поверхности 3-х граней (АВ, BC и CD) с учетом углов падения отраженных лучей, K_геом - геометрическая концентрация, N - мощность электрическая, η_ФЭ - КПД ФЭ, Q_ФЭ - поглощенный поток фотоэлементами, Q_конв - конвективные теплопотери, α - коэффициент теплоотдачи, t_c, F - площадь четырех граней трапецеидального приемника, t_c, °C - средняя температура стенки приемника, t_a, °C - температура среды, V - скорость ветра, Q_рад - радиационные теплопотери,_ε - степень черноты стенки, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Т_с, K - средняя температура стенки приемника, T_a, K - _температура среды, Q - поток для охлаждения теплоносителем, m - массовый расход воды, c_p - удельная теплоемкость, t_вых, t_вх - температура воды на выходе и входе приемника, W - скорость потока воды, γ - плотность воды, F_пс - площадь поперечного сечения приемника, d_экв - эквивалентный диаметр поперечного сечения приемника, ν - коэффициент кинематической вязкости воды, Re - число Рейнольдса, Nu - число Нуссельта, α_ж - коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, t_ж - средняя температура воды, λ_ж - коэффициент теплопроводности воды, Q_в - тепловой поток, отводимый водой, η_t - зависимость КПД ФЭП от температуры, η₀ - КПД ФЭП при стандартной температуре T₀=298 K, - температура ФЭП, k - температурный коэффициент.

На основании приведенных выше формул произведен расчет зависимости характеристик солнечного модуля: КПД η_t, расхода воды от температуры (фиг. 8). Как видно из фиг. 8, максимальная мощность получена при температуре 43°C и составила 254 Вт. Тепловые потери в окружающую среду составили; конвективные 92 Вт, радиационные 66 Вт. Температура охлаждающей воды на входе 15-18, на выходе 22-27°C. КПД модуля 0,1146-0,1053.

При температуре ФЭП 74°C те же мощности: 233 Вт, 246 и 219 Вт.

Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на поверхность асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1 солнечного модуля (фиг. 2), отражается под расчетными углами наклона таким образом, чтобы они обеспечивали равномерную концентрацию лучей на гранях теплофотоэлектрического приемника 2 солнечного модуля, выполненного в виде трубопровода с профилем трапецеидальной формой в поперечном сечении, в котором нагревается теплоноситель (вода) и на котором смонтированы скоммутированные параллельно-последовательно фотоэлектрические преобразователи. ФЭП вырабатывают электроэнергию постоянного тока, а теплоноситель регулирует температуру ФЭП и используется для теплоснабжения. Регулируя скорость протока и расход теплоносителя, можно оптимизировать нагрев ФЭП и теплоносителя, КПД солнечного модуля.

Солнечный модуль снабжен системой слежения за Солнцем, обеспечивая в прицельном положении генерирование максимальной мощности.

Пример выполнения солнечного модуля с ассиметричным параболоцилиндрическим концентратором.

Концентратор 1 (фиг. 1) с максимальным размером миделя R_мах=900 мм, высотой 500 мм выполнен из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью, закрепленного на ребрах жесткости 5 размером 8×700 мм и толщиной 1 мм в прорезях опор 4, с расчетным рабочим профилем (фиг. 2), обеспечивающим равномерную концентрацию лучей на 3-х гранях трапецеидального теплофотоприемника солнечного модуля. Устройство протока теплоносителя выполнено в виде трубопровода с трапецеидальным профилем с шириной облучаемых граней 40 мм и длиной L=700 мм, со штуцерами 6 для входа и выхода теплоносителя и закреплено на стойках 3.

Солнечный модуль устанавливается на опоре 4, имеющей привод с 2 степенями свободы и датчиком слежения за Солнцем (на фиг. 1 не показаны).

Таким образом, предложенный солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 1 (фиг. 1) обеспечивает достаточно равномерное распределение освещенности каждой грани со средней концентрацией от дуг концентратора AB - 17,5, BC - 19,5, CD - 35 крат на рабочей поверхности теплофотоприемника 2 солнечного модуля, повышая КПД преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую.

На основании приведенных расчетов в зависимости от натурных условий - плотности потока солнечного излучения, скорости ветра, температуры среды; конструктивных параметров модуля - формы и размеров концентратора и теплофотоприемника, оптического кпд, применяемых материалов, расхода теплоносителя (воды), можно прогнозировать выходные параметры (тепловые и электрические) и эффективность работы модуля в целом.