Результат интеллектуальной деятельности: СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ

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

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий скоммутированные и установленные между двумя листами стекла двухсторонние солнечные элементы в виде полос, перпендикулярных основанию модуля, с тыльной стороны которых симметрично относительно середины солнечных элементов установлены два полуцилиндрических концентратора, суммарная площадь апертуры которых в два раза больше площади солнечных элементов. При установке под углом к горизонту, равным широте местности и полярной ориентации оси концентраторов юг-север, фотоэлектрический модуль работает круглый год без слежения за солнцем с теоретическим коэффициентом концентрации К=2. Фактический коэффициент концентрации с учетом оптического КПД на отражение составляет 1,56 (I. Edmonds, Solar Energy Materials. 1990. Ν 21. P. 173-190).

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации и высокая стоимость модуля, практически равная стоимости фотоэлектрического модуля без концентратора.

Известен солнечный модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридиональной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического (в дальнейшем - полупараболоцилиндрического) отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины полупараболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения, параллельно его основанию, и совпадает с краем полосы приемника излучения, а угол наклона плоскости симметрии параболоцилиндрического отражателя к горизонтальной поверхности равен α=114°-δ-γ, если фокальная ось и приемник в северном полушарии смещены к южной стороне несимметричного отражателя, и равен α=114°-δ, если фокальная ось и приемник в северном полушарии смещены к северной стороне параболоцилиндрического отражателя, где γ - широта местности в месте установки солнечного модуля, а δ - апертурный угол параболоцилиндрического отражателя.

Для обеспечения непрерывной работы солнечного модуля в течение года без слежения с наружной стороны защитного прозрачного ограждения установлено с зазором параллельно ему дополнительное защитное прозрачное ограждение, в зазоре между двумя ограждениями установлены управляемые дистанционно горизонтальные жалюзи с фацетами, которые имеют с двух сторон зеркальное покрытие, а ширина фацет в 3-4 раза превышает расстояние между фацетами (прототип) (патент РФ №2172903, БИ №24, 2000 г.).

Недостатком известного модуля являются большие косинусные потери излучения, равные 1-cos (90°-2φ), связанные с отклонением плоскости симметрии параболоцилиндрического отражателя от нормали к рабочей поверхности модуля, и оптические потери на пропускание в горизонтальных жалюзи с фацетами. Например, при апертурном угле φ=24° косинусные потери солнечного излучения составляют 1-cos 42°=0,257, т.е. 25,7%.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получения электроэнергии и теплоты.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический концентратор с поверхностью входа лучей и приемник излучения, установленный между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического концентратора, 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

где δ, φ и φ₁ - отсчитываются 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·sinφ, при котором для любых углов φ 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.

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит две встречно отклоняющие лучи оптические системы и два полупараболоцилиндрических концентратора с общей фокальной осью и с общим двухсторонним приемником, угол между основными зеркальными отражателями двух отклоняющих встречно лучи оптических систем составляет 2(φ-β₀), а угол между поверхностями входа полупараболоцилиндрических концентраторов составляет 180°-2β₀.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3.

На фиг. 1 представлен общий вид отклоняющей оптической системы солнечного модуля и ход лучей в нем. На фиг. 2 - переотражение лучей в солнечном модуле с полупараболоцилиндрическим концентратором с помощью дополнительных зеркальных отражателей (поперечное сечение). На фиг. 3 - солнечный модуль с отклоняющей оптической системой с одним полупараболоцилиндрическим концентратором. На фиг. 4 - солнечный модуль с концентратором, состоящий из двух отклоняющих оптических систем и двух полупараболоцилиндрических концентраторов.

На фиг. 1 солнечный модуль с концентратором содержит рабочую поверхность 1, на которую падает излучение 2, отклоняющую оптическую систему 3 с поверхностью входа 4 и выхода 5 лучей, высотой h, шириной l и длиной L, состоящую из основных зеркальных отражателей 6, установленных под углом φ к вертикали к рабочей поверхности 1, и дополнительных зеркальных отражателей 7, установленных на поверхности выхода 5 отклоняющей оптической системы 3 под углом β₁. Основные зеркальные отражатели 6 установлены друг от друга на расстоянии а.

Количество основных 6 и дополнительных 7 зеркальных отражателей в отклоняющей оптической системе 3 Обозначим через β₀ и β₁ угол входа луча и выхода лучей от основных зеркальных отражателей 6 в отклоняющей оптической системе 3. Углы β₀ и β₁ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности. Угол β₁ выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии ОЕ=2а-δ от линии АВ входа луча, где δ - бесконечно малая величина, обеспечивающая полную оптическую прозрачность отклоняющей оптической системы 3.

Принимая h=1, получим

I

Для лучей, нормальных к поверхности отклоняющей оптической системы 3

Тогда из (1) следует, что

Равенство (2) возможно только при φ→0.

Для угла наклона основных зеркальных отражателей 6 φ>0 и угла входа лучей β₀>0 имеет место равенство: β₁=2φ-β₀.

Подставляя β₁ из (1), получим

На фиг. 2 пропускание Δ от основных зеркальных отражателей 6 лучей β₀ составляет:

из треугольников BDN и DNK

где d и d₁ - размеры основных 6 и дополнительных 7 зеркальных отражателей.

Из (4) получаем соотношение для ширины дополнительных зеркальных отражателей d₁

Угол выхода лучей β₂ от дополнительных зеркальных отражателей 7 для лучей входа β₀ равен:

Установка дополнительных зеркальных отражателей 7 позволяет отклонить на угол β₂ те лучи β₀, для которых отклоняющая оптическая система 3 из основных зеркальных отражателей 6 была прозрачна и обеспечить 100%-е переотражение всех лучей β₀, поступающих на рабочую поверхность 1 солнечного модуля с концентратором. Полупараболоцилиндрический концентратор 8 с параметрическим углом δ, фокальной осью F и вершиной О имеет поверхность входа 9 лучей, которая параллельна поверхности выхода 5 отклоняющей оптической системы 3. Приемник 10 установлен между фокальной осью F и вершиной О полупараболоцилиндрического концентратора 8.

В солнечном модуле с концентратором на фиг. 3 отклоняющая оптическая система 3 шириной В=QO₁ создает на поверхности полупараболоцилиндрического концентратора 8 поток параллельных лучей с углами β₁ и β₂.

Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором с учетом косинусных потерь равен

На фиг. 4 солнечный модуль с концентратором содержит две отклоняющие лучи встречно оптические системы 11 и 125, у которых угол между основными зеркальными отражателями 13 и 14 двух отклоняющих оптических систем составляет Q₁=2φ₀-2β₀, а угол между поверхностями входа 15 и 16 равен Q₂=180°-2β₀. Солнечный модуль содержит два полупараболоцилиндрических концентратора 17 и 18 с общей фокальной осью F, общим двухсторонним приемником 19, у которых поверхности входа 20 и 21 образуют угол Q₃=Q₂=180°-2β₀. Линии 22 и 23, которые являются касательными к поверхности полупараболоцилиндрических концентраторов 17 и 18, у поверхностей входа 20 и 21 и внешними границами апертурных углов образуют между собой угол Q₄=180°-2(δ+β₀). Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 равен

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1, 2, 3). Солнечное излучение 2 поступает под углом β₀ на рабочую поверхность 1 солнечного модуля с концентратором, совмещенную с поверхностью входа 4 отклоняющей оптической системы 3, отражается от основных зеркальных отражателей 6 под углом β₁ и от дополнительных зеркальных отражателей 7 под углом β₂, поступает на поверхность входа 9 полупараболоцилиндрического концентратора 8, отражается от полупараболоцилиндрической поверхности концентратора и поступает на приемник 10 при условии β₁≥90°-2δ.

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

Отклоняющая оптическая система 3 состоит из основных зеркальных отражателей 6 размером d=50 мм, дополнительных зеркальных отражателей 7 d₁=6,86 мм, расстояние между основными отражателями а=20 мм, l=1250 мм. Угол наклона основных зеркальных отражателей 6 φ=22,5°, дополнительных зеркальных отражателей 7 φ₁=39,6°, угол входа лучей β₀=5,4°, углы выхода лучей β₁=39,6°, β₂=73,8°, пропускание Δ=4,37 мм, апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора 8 δ=26,2°, зеркальные отражатели концентратора 8 выполнены из стеклянных фацет. Приемник 10 имеет размеры 125×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 125×31,25 мм, соединенных последовательно. Геометрический коэффициент концентрации к=4,32, косинусные потери 4,4%, оптический КПД 80%, КПД приемника 15%. Площадь модуля 0,6875 м. Общий КПД модуля 11,946%. Пиковая электрическая мощность 82,13 Вт при освещенности 1 кВт м2 и температуре 25°С.

Солнечные планарные кремниевые модули в 2014 г. продавались по заводской цене 0,945 долл./Вт в Германии и 0,792 долл./Вт в Китае (Beate Knoll, Anne Kreutzmanna. Pain threshold reached. Photon International, March 2014, p. 40-44). При среднем КПД 15% стоимость модулей составляет 141,75 долл./м² в Германии и 118,8 долл./м² в Китае. Несмотря на то что стоимость установленной мощности солнечных энергоустановок ниже стоимости угольных и атомных электростанций, стоимость электрической энергии, вырабатываемой солнечными энергоустановками, превышает стоимость электрической энергии от традиционных источников энергии. Основная причина - низкий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) солнечных энергоустановок от 0,114 в Германии до 0,17 в Анапе (Россия) и 0,25 в экваториальных странах. Чтобы компенсировать низкий КИУМ, необходимо дальнейшее снижение стоимости солнечных модулей и использование солнечных концентраторов.

Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 4-5 из условия естественного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Такие солнечные модули с концентраторами могут быть использованы в стационарном исполнении для крыш и фасадов домов и со следящими системами для установки 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 для Германии 86,58 долл./м², 0,378 долл./Вт, т.е. снизится в 2,5 раза, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля. Стоимость солнечного модуля с концентратором для Китая составит 52 долл./м², 0,349 долл./Вт.т.е. снизится в 2,27 раза по сравнению с солнечным модулем без концентратора.

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