Результат интеллектуальной деятельности: Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем

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, в котором приемник излучения выполнен из стеклянной цилиндрической трубы и встроенного внутрь плоского стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами (патент РФ №2225966, МПК F24J 2/14, опубликован 2004 г.).

Недостатками известного солнечного модуля являются сложная система фотоэлектрического приемника, что приводит к потерям солнечного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник в виде полосы, установленный параллельно фокальной оси основного отражателя, в котором 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 РФ №2206837, МПК F24J 2/14, опубликован 2003 г.).

Недостатками известного солнечного модуля 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-х концентраторов и приемников концентрированного излучения;

- затенение дополнительными концентраторами основного.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы фотоприемника солнечного модуля при средних концентрациях и оптимальном освещении фотоприемника, повышение эффективности нагрева теплоносителя (воды) и снижение стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается общее КПД модуля (теплового и электрического), появляется возможность более эффективной выработки тепловой энергии и нагрева теплоносителя за счет формирования оптимальной освещенности концентрированным излучением на поверхности линейчатого фотоприемника с треугольным профилем, выполненным полым для протока теплоносителя.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем, содержащем асимметричный из одной ветви параболоцилиндрического типа концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения, и линейчатый фотоприемник, расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси,

согласно изобретению, линейчатый фотоприемник выполнен полым с треугольным профилем для протока теплоносителя, а концентрированное излучение от отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной продольной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, при этом фотоприемник закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством на стойках крепления, а распределение площади профиля F_n и объема V_n фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd определяются соотношением:

F_n=Δd[h₁+Δh(n-1)/N+Δdtga/2], Δh=(h-h₁)/N, Δd=d/N, V_n=F_nL,

где n изменяется в интервалах n=1, 2, 3…N;

h₁ - минимальная высота профиля фотоприемника;

h - максимальная высота профиля фотоприемника,

а распределение температуры нагрева теплоносителя по профилю фотоприемника определяется с учетом распределения концентрации K_n солнечного излучения по ширине фотоприемника d, формы профиля фотоприемника и определяется системой уравнений, соответствующей условию соответствия среднего значения распределенной температуры Т_ср и выходной температуры теплоносителя Т_вых (Т_ср=Т_вых):

n*=V_n/V_min, n*_max=V_max/V_min, ΔT₁=ΔT_cp/n*_max, ΔT_cp=(Т_вых-Т_вх),

T*_n=Т_пл+[ΔT₁n*f(K_n)],

f(K_n)=К_г/K_n, T_n=T*_nk_кор-Т_пл+Т_вх, k_кор=(Т_пл+ΔT_cp)/T*_ncp, ,

где V_min - минимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;

V_max - максимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;

Т_вх - входная температура теплоносителя;

Т_пл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);

f(K_n)] - функция распределения концентрации по ширине фотоприемника, причем среднее значение распределенной температуры (граничное условие);

T_ncp=ΣT_n/N=Т_вых равно выходной температуре теплоносителя, а энергия нагрева теплоносителя определяется соотношением:

где, T_n=T*_nk_кор-Т_пл+Т_вх,

[λ/η]_(Tn) - отношение теплопроводности к вязкости воды при температуре нагрева по профилю приемника T_n,

[λ/η]_(Tcp) - отношение теплопроводности к вязкости при среднем значении температуры Т_ср=Т_вых воды,

время нагрева теплоносителя до T_cp=Т_вых определяется соотношением:

,

где Р=Р_п-Р_конв-Р_рад;

Р_п - поглощенный приемником поток Р_п=η_оптЕ_с F_пп К_г.,;

где теплопотери в окружающую среду конвективные Р_конв, радиационные Р_рад;

К_г - геометрическая концентрация;

η_опт - оптический КПД;

Е_с - удельная мощность солнечного излучения;

F_пп - площадь миделя концентратора,

нагрев массы теплоносителя в единицу времени m* (расход) до Т_ср=Т_вых определяется соотношением:

m*=m/t, (m=ρ V),

где m - масса теплоносителя;

ρ - плотность теплоносителя;

V - объем нагреваемого теплоносителя в фотоприемнике,

тепловая мощность теплоносителя определяется соотношением:

Р_т=m*с(Т_вых-Т_вх),

где с - теплоемкость теплоносителя;

Т_вх, Т_вых температуры на входе и выходе фотоприемника,

тепловой КПД модуля (коэффициент полезного использования мощности солнечного излучения) определяется соотношением: η_т=Р_т/E_cF_пп.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-8.

На фиг. 1 представлена схема конструкции солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатой поверхности фотоприемника.

На фиг. 2 представлен ход лучей от асимметричного параболоцилиндрического концентратора до фотоприемника.

На фиг. 3 представлена расчетная форма концентратора и фотоприемника солнечного модуля.

На фиг. 4 представлена форма профиля фотоприемника солнечного модуля.

На фиг. 5 представлены графики распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.

На фиг. 6 представлены графики распределения температуры нагрева теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.

На фиг. 7 представлены графики зависимости температуры от расхода теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).

На фиг. 8 представлены графики зависимости теплового КПД от расхода теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).

Солнечный модуль на фиг. 1 состоит из асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1, закрепленного на стойках 2,

линейчатого фотоприемника 3 шириной d, длиной L, снабженного поворотным устройством 4, закрепленного на опорных стойках крепления 5, устройства протока теплоносителя 6, со штуцерами 7 для входа и выхода теплоносителя.

Асимметричный параболоцилиндрический концентратор 1 солнечного модуля на фиг. 2 с рабочим профилем концентрирует солнечное излучение за фокальной областью на рабочей поверхности фотоприемника 3 шириной d_o, длиной L; лучи от верхней части концентратора приходят на нижнюю часть, а лучи от нижней части концентратора приходят на верхнюю часть фотоприемника 3.

Форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнений соответствующей условию равномерной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, выполненного в виде линейки шириной d_o и длиной L и расположенным под углом к миделю концентратора:

X_n=(f-Y_n)/tgα_n, Х_н=d_osinβ_в, Y_н=f-Х_нtgβ,

Х_в=0, Y_в=Y_н+dcosβ_н, , Y_a=R²/4f, К_г=R/d_o,

где α_n - угол (в зоне рабочего профиля концентратора) между уровнем ординаты в точке координат X_n,Y_n и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f лучом, приходящим в фокальную область на ширине d_n, расположенной на плоском фотоприемнике шириной d_o, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3…N;

ξ_о - угол между координатной осью 0Y и лучом отраженным от верхней точки координат Y_a,R концентратора приходящем в нижнюю точку координат фотоприемника Х_н,Y_н;

β_н - угол между фотоприемником и отрезком (между нижней точкой координат фотоприемника Х_н,Y_н и фокусным расстоянием f параболы);

β_в - угол между отрезком (между верхней точкой координат фотоприемника Х_в,Y_в и фокусным расстоянием f параболы) и поверхностью фотоприемника;

β - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y_a,R концентратора и прямой Y=f параллельной оси абсцисс;

при этом значения параметров f, β_в, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоприемника K_n в интервалах координатных значений концентратора ΔX_n=X_n-X_n-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (d_n+1-d_n) равна:

K_n=(X_n+1-X_n)/(d_n+1-d_n)

На основании приведенных формул произведен расчет формы отражающей поверхности концентратора и координат фотоприемника - график зависимости Y(Х) (фиг. 3).

На фиг. 4 представлена форма профиля фотоприемника солнечного модуля.

На фиг. 5 представлены графики распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.

При уменьшении ширины d_o фотоприемника 3, (при уменьшении площади) происходит увеличение концентрации освещенности фотоприемника 3.

Таким образом, можно изменять концентрацию освещенности фотоприемника 3, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и фотоприемника.

Из приведенных характеристик видно, что при различном распределении концентрации освещенности по ширине фокальной области фотоприемника 3 происходит различное влияние на объемный нагрев теплоносителя в различных частях полости фотоприемника, что влияет на тепловые характеристики солнечного модуля.

Расчет тепло-массо переноса осуществлялся в соответствии с общими теплотехническими формулами:

Q_пп=η_оптR F_пп К_геом, N=Q_ФЭ η_ФЭ. 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 приемником, η_опт - оптический КПД, R - прямая солнечная радиация, F_пп - площадь приемной поверхности, К_геом - геометрическая концентрация, N - мощность электрическая, η_ФЭ - КПД ФЭ Q_ФЭ - поглощенный поток фотоэлементами, Q_конв - конвективные теплопотери, α - коэффициент теплоотдачи, 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, К - средняя температура стенки приемника, Т_а, К -_температура среды,_Q - поток для охлаждения теплоносителем, m - массовый расход воды, с_р - 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, v - 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 к.п.д. ФЭ от температуры, η₀ - к.п.д. ФЭ при стандартной температуре T₀=298 K, T_ƒ - температура ФЭ, k - температурный коэффициент.

Зависимость теплопроводности воды от температуры нагрева λ=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:

где для воды - отношение температуры плавления (К) к температуре нагрева воды (К);

- значение коэффициента при температуре кипения (фазового перехода ж/пар) воды Т*=Т_к, (K),

где Т_пл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);

ΔT - температура нагрева воды, С;

Т*=Т_пл+ΔТ - температура нагрева воды, К;

λ_о - теплопроводность воды (льда) при температуре плавления;

λ_t - теплопроводность воды при температуре нагрева.

Зависимость динамической вязкости воды от температуры нагрева η=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:

где η_o - динамическая вязкость воды при температуре плавления;

η - динамическая вязкость воды при температуре нагрева;

Т_пл - температура плавления, К;

ΔT - температура нагрева теплоносителя, С;

Т*=Т_пл+ΔТ - температура нагрева теплоносителя (К);

- отношение температуры плавления (К) к температуре нагрева теплоносителя (К).

На основании приведенных формул произведен расчет зависимости характеристик солнечного модуля КПД η_(T), расхода воды m_(Т) от температуры.

На фиг. 6 представлены графики распределения температуры нагрева воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.

На фиг. 7 представлены графики зависимости температуры от расхода воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).

На фиг. 8 представлены графики зависимости теплового КПД от расхода воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).

Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на рабочую поверхность асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1 солнечного модуля (фиг. 1), отражается под расчетными углами наклона таким образом, чтобы они

обеспечивали равномерную концентрацию лучей на фотоприемнике 3 модуля, выполненного в виде линейки шириной d_o и длиной L, а устройство протока теплоносителя 6 выполнено в виде трубопровода с треугольным в поперечном сечении профилем, в котором нагревается теплоноситель (вода).

Регулируя скорость протока и расход теплоносителя, можно оптимизировать нагрев теплоносителя, тепловой КПД (коэффициент преобразования солнечной энергии в тепловую) солнечного модуля.

Пример выполнения солнечного теплового модуля с ассиметричным параболоцилиндрическим концентратором

Концентратор 1 (фиг. 1) длиной L=700 мм, шириной R_мах=660 мм, высотой 350 мм выполнен из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью закреплен на стойках 2, с расчетным рабочим профилем, обеспечивающим равномерную концентрацию лучей в продольном направлении линейчатого фотоприемника 3 модуля шириной h_o=66 мм, длиной L=700 мм, с устройством протока теплоносителя 6, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем размером 80×80×10 мм и длиной L=700 мм, со штуцерами 6 для входа и выхода теплоносителя и закрепленного на стойках.

Средняя концентрация освещенности на поверхности фотоприемника модуля составляет К~10 крат.

С целью регулирования (оптимизации при различных углах поворота фотоприемника β_в относительно ординаты 0Y) распределения концентрации освещенности по ширине фокального пятна линейчатый полый фотоприемник треугольной формы в поперечном сечении для протока теплоносителя закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством 4 на стойках крепления 5.

Таким образом, предложенный модуль солнечного концентрированного излучения с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 1 обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К~10 крат на рабочей поверхности фотоприемника 3 модуля, повышая КПД преобразования солнечной энергии в тепловую за счет оптимизации распределения концентрации освещенности по ширине фокального пятна линейчатого полого фотоприемника треугольной формы для протока теплоносителя.

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 фотоприемника, оптического КПД, применяемых материалов, расхода теплоносителя (воды), - можно прогнозировать выходные энергетические параметры и эффективность работы модуля в целом.