Результат интеллектуальной деятельности: СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ

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, p. 31).

Недостатком известного модуля является низкий коэффициент концентрации 2-2,5. Другим недостатком является неравномерность освещенности в фокальной области на фотоприемнике.

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., Огребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е. // БИ. 1999. №20).

Недостатками известного солнечного модуля является неравномерное распределение освещенности по поверхности приемника и большие оптические потери в призменном концентраторе.

Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного модуля с концентратором, имеющим низкие оптические потери и высокую равномерность освещения на приемнике излучения.

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 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 связаны соотношениями

β₀=2φ-tg(2tgφ),

β₁=2φ-β₀=φ₁,

β₂=2φ₁-β₀,

где φ 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 a между основными зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина основных зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению a=dsinφ, при котором для любых углов φ нижняя грань основного зеркального отражателя и верхняя грань следующего основного зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, ширина дополнительных зеркальных отражателей d₁ удовлетворяет соотношению

где d - ширина основных зеркальных отражателей, а приемник с шириной A=B·ctgβ₁ установлен по ходу лучей β₁, β₂ в плоскости, перпендикулярной к плоскости выхода лучей, где B - ширина оптической отклоняющей системы.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит две установленные встречно симметричные отклоняющие оптические системы с углом между основными зеркальными отражателями, равным 2φ-2β₀, и с углом между поверхностями входа, равным 180°-2β₀, и двухсторонний общий приемник шириной А=Bctgβ₁·cosβ₀, который установлен в плоскости симметрии модуля и снабжен симметричным плоским зеркальным отражателем размером 2A·sinβ₀.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит плоский зеркальный отражатель размером В, параллельный плоскости выхода лучей и удаленный от плоскости выхода лучей на расстояние, равное ширине приемника .

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит две установленные встречно симметричные отклоняющие оптические системы с углом между основными зеркальными отражателями, равным 2φ-2β₀, и с углом между поверхностями входа, равным 180°-2β₀, и двухсторонний общий приемник шириной , который установлен в плоскости симметрии модуля и снабжен симметричным плоским зеркальным отражателем размером 2A·sinβ₀.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит плоский зеркальный отражатель размером , параллельный плоскости выхода лучей, удаленный от плоскости выхода лучей на расстояние , равное ширине приемника, а также дополнительный осесимметричный зеркальный отражатель размером , установленный в плоскости выхода лучей.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит две установленные встречно симметричные отклоняющие оптические системы с углом между основными зеркальными отражателями, равным 2φ-2β₀, и с углом между поверхностями входа, равным 180°-2β₀, и двухсторонний общий приемник шириной , который установлен в плоскости симметрии модуля и снабжен симметричным плоским зеркальным отражателем размером 2A·sinβ₀.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит зеркальный цилиндрический отражатель с радиусом R с осью, расположенной на линии касания поверхности выхода отклоняющей оптической системы и приемника с шириной приемника А=R=Bcosβ₁.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит две установленные встречно симметричные отклоняющие оптические системы с углом между основными зеркальными отражателями, равным 2φ-2β₀, и с углом между поверхностями входа, равным 180°-2β₀, и двухсторонний общий приемник шириной А=R=Bcosβ₁·cosβ₀, который установлен в плоскости симметрии модуля и снабжен симметричным плоским зеркальным отражателем размером 2A·sinβ₀.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит плоский зеркальный отражатель, который установлен под острым углом к нормали поверхности выхода лучей таким образом, что все отраженные от него лучи ортогональны к приемнику шириной A=B·ctgΨ.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит две установленные встречно симметричные отклоняющие оптические системы с углом между основными зеркальными отражателями, равным 2φ-2β₀, и с углом между поверхностями входа, равным 180°-2β₀, и двухсторонний общий приемник шириной А=BctgΨ·cosβ₀, который установлен в плоскости симметрии модуля и снабжен симметричным плоским зеркальным отражателем размером 2A·sinβ₀.

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит плоский зеркальный отражатель, который установлен под острым углом Ψ к нормали к поверхности выхода лучей, соединенный со вторым зеркальным отражателем шириной , параллельным плоскости выхода лучей с углом β₁, а приемник имеет ширину .

В конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит две установленные встречно симметричные отклоняющие оптические системы с углом между основными зеркальными отражателями, равным 2φ-2β₀, и с углом между поверхностями входа, равным 180°-2β₀, и двухсторонний общий приемник шириной , который установлен в плоскости симметрии модуля и снабжен симметричным плоским зеркальным отражателем размером 2A·sinβ₀.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-11.

На фиг. 1 представлена схема отклоняющей оптической системы и ход лучей в ней (двухмерное изображение) солнечного модуля с концентратором.

На фиг. 2 показано пропускание лучей в отклоняющей оптической системе солнечного модуля с концентратором.

На фиг. 3 показан солнечный модуль с концентратором и односторонним приемником.

На фиг. 4 представлен солнечный модуль с концентратором, содержащий две отклоняющие оптические системы с общим приемником.

На фиг. 5 представлен солнечный модуль с концентратором, содержащий плоский зеркальный отражатель, параллельный рабочей поверхности модуля.

На фиг. 6 показан солнечный модуль с концентратором, содержащий две отклоняющие оптические системы с общим приемником и два плоских зеркальных отражателя, параллельных поверхности выхода лучей.

На фиг. 7 представлен солнечный модуль с концентратором, содержащий плоский зеркальный отражатель, параллельный плоскости миделя, а также дополнительный плоский зеркальный отражатель, установленный на поверхности выхода.

На фиг. 8 представлен солнечный модуль с концентратором, содержащий зеркальный цилиндрический отражатель.

На фиг. 9 показан солнечный модуль с концентратором, содержащий две отклоняющие оптические системы с общим приемником и и зеркальный цилиндрический концентратор.

На фиг. 10 представлен солнечный модуль с концентратором, содержащий плоский зеркальный отражатель, который устанавливается под углом Ψ к нормали к плоскости выхода лучей.

На фиг. 11 представлен солнечный модуль с концентратором, содержащий плоский зеркальный отражатель с углом Ψ к нормали к плоскости выхода лучей, соединенный с другим зеркальным отражателем, параллельным плоскости выхода лучей.

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 a.

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 OE=2a-δ от линии AB входа луча, где δ - бесконечно малая величина, обеспечивающая полную оптическую прозрачность отклоняющей оптической системы 3.

Принимая h=1, получим

Для лучей, нормальных к поверхности отклоняющей оптической системы 3

β₀=0 и β₁=2φ.

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% переотражение всех лучей β₀, поступающих на рабочую поверхность 1 солнечного модуля с концентратором.

В солнечном модуле с концентратором на фиг. 3 отклоняющая оптическая система 3 шириной В=QO создает на поверхности выхода 5 поток параллельных лучей с углами β₁ и β₂, которые поступают на приемник 8 шириной A=OO₁, установленный по ходу лучей β₁ и β₂ на плоскости OO₁, перпендикулярной к рабочей поверхности 1 и проходящей через боковую грань 9 отклоняющей оптической системы 3.

Из треугольника QOO₁

А=OO₁=QO·ctgβ₁=Bctgβ₁.

Коэффициент концентрации для отклоняющей оптической системы 3 QOO₁ с учетом косинусных потерь при β₀≠0 составит

На фиг. 4 две отклоняющие оптические системы 10 QOO₁ и 11 ROO₂ имеют общий двухсторонний приемник размером Acosβ₀, установленный в плоскости симметрии 12 OO₃ солнечного модуля. Угол O₁OO₃ равен углу O₂OO₁ и составляет β₀. Отрезок O₁O₃O₂ выполнен в виде зеркального плоского отражателя 13 размером 2A·sinβ₀.

Плоскости входа лучей 14 и 15 наклонены к плоскости миделя 16 под углами β₀. Угол между плоскостями входа лучей 14 и 15 составляет 180°-2β₀, а угол между плоскостями основных зеркальных отражателей 17 и 18 в двух отклоняющих оптических системах 10 и 11 составляет 2φ-2β₀.

Коэффициент концентрации солнечного модуля на фиг. 4 с учетом косинусных потерь равен

На фиг. 5 плоский зеркальный отражатель 19 установлен по средней линии I₁I₂ Δ QO₁O параллельно поверхности выхода лучей 5 QO таким образом, что луч QI₁ после отражения от зеркального отражателя 19 попадет в точку О. Односторонний приемник 20 размером А=OI₂ установлен в плоскости OI₂. Коэффициент концентрации солнечного модуля на фиг. 5 с учетом косинусных потерь равен

A=OI₁=IG=QG·ctgβ₁.

QO=2QG.

На фиг. 6 солнечный модуль с концентратором имеет две симметрично установленные отклоняющие оптические системы 10 и 11 и два зеркальных отражателя I₁I₂ 19 и I₃I₄ 21, установленные на средней линии Δ QO₁O и Δ OQO₂. Зеркальные отражатели 19 и 21 соединены плоским зеркальным отражателем 22 размером 2A·sinβ₀, а приемник 23 размером A·cosβ₀ установлен в плоскости симметрии OO₄. Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором с учетом косинусных потерь

На фиг. 7 один зеркальный отражатель 24 установлен по линии Y₁Y₂, а второй зеркальный отражатель 25 установлен в плоскости выхода лучей 5 QO таким образом, что луч QY₁ после отражения от зеркального отражателя 24 поступал в точку Х₂ зеркального отражателя 25 и после отражения от зеркального отражателя 25 попадал в точку Y₂. Точки X₁ и Х₂ выбираем из условия

QX₁=X₁X₂=X₂O,

QO=QX₁+X₁X₂+X₂O=3X₂O.

Приемник 26 установлен в плоскости OY₂. Ширина приемника равна

OY₂=X₁Y₁=QX₁·ctgβ₁=X₂Octgβ₁.

Коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь

Коэффициент концентрации для солнечного модуля с двумя отклоняющими оптическими системами и двухсторонним приемником:

k₆=2k₅=4tgβ₁.

Увеличения коэффициента концентрации по сравнению с солнечным модулем на фиг. 5, 6 не происходит, т.к. ширина приемника 26 уменьшается по сравнению с фиг. 5, но часть лучей β₁ и β₂ не используется из-за блокировки лучей зеркальным отражателем 25.

На фиг 8 солнечный модуль с концентратором содержит цилиндрический зеркальный отражатель 27 радиусом R=OS=OO₅=Bcosβ₁ с осью, расположенной в точке О касания поверхности выхода отклоняющей оптической системы 3 и приемника 28 с шириной приемника OO₅.

Ширина приемника 28

A=R=OQ·cosβ₁.

Коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь

На фиг. 9 из Δ QSO и Δ OTR находим радиус зеркальных отражателей 29 и 30

OS=OT=OQ·cosβ₁.

Цилиндрический зеркальный отражатель 29 и 30 с центром в точке О радиуса R=OQ·cosβ₁ имеет на участке 2β₀ плоский зеркальный отражатель 31 размером 2А·sinβ₀ с центром в точке O₅ и обеспечивает переотражение всех лучей β₁ на двухстороннем приемнике 32 размером А=OO₅=OQ·cosβ₁·cosβ₀.

Коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь

На фиг. 10 на пути лучей с углом β₁ устанавливается под углом Ψ к нормали к плоскости выхода 5 лучей зеркальный отражатель 33 OO₆ таким образом, что все отраженные от него лучи имеют угол падения на приемник 34 .

Угол

Ширина приемника 34

А=OO₆=QO₆·ctgΨ.

Коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь

Для модуля с двухсторонним приемником размером А=OO₆·cosβ₀ общий коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь

На фиг. 11 зеркальный отражатель 35 с углом Ψ к нормали к поверхности выхода 5 соединен в точке Z₁ с зеркальным отражателем 36 Z₁O₇, параллельным плоскости выхода 5 QO лучей β₁ и β₂. Точка Z₁ выбирается из условия, что луч с углом β₁ после отражения от отражателя 36 Z₁O₇ попадает в точку O приемника 37.

Ширина зеркального отражателя 36

Z₁O₇=OO₇·tgβ₁=Atgβ₁.

Ширина зеркального отражателя 35

QZ₂=OO₇·tgψ.

Ширина поверхности выхода 5

B=QO=QZ₂+OZ₂=OO₇(tgψ+tgβ₁).

Ширина приемника 37

Коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь

Коэффициент концентрации для солнечного модуля с двухсторонним общим приемником

k₁₂=2(tgψ+tgβ₁)=2k₁₁.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.

Солнечное излучение (фиг. 3) поступает на зеркальный отражатель 6 под углом входа β₀ и отражается под углом β₁. Установка дополнительных зеркальных отражателей 7 позволяет отклонить на угол β₂>β₁ лучи β₀, для которых отклоняющая система из основных зеркальных отражателей была прозрачна и обеспечить 100% переотражение всех лучей β₀, поступающих на рабочую поверхность 1 солнечного модуля с концентратором. Отклоняющая оптическая система 3 создает поток параллельных лучей с углами β₁ и β₂ на приемнике 8 в плоскости OO₁. Зеркальный отражатель 13 на фиг. 4, 19 на фиг. 5, зеркальные отражатели 19, 21, 22 на фиг. 6, 24 и 25 на фиг. 7, 27 на фиг. 8, 29, 30 и 31 на фиг. 9, 33 на фиг. 10 и зеркальные отражатели 35 и 36 на фиг. 11 переотражают параллельные лучи с углами β₁ и β₂, поступающие от отклоняющей оптической системы 3 на приемник излучения.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором.

Отклоняющая оптическая система 3 на фиг. 1 содержит основные зеркальные отражатели 6 размером d=50 мм, l=1000 мм и дополнительные зеркальные отражатели 7 размером d₁=6,86 мм, l=1000 мм. Угол наклона основных зеркальных отражателей 6 к вертикальной плоскости φ=22,5°, угол входа лучей β₀=5,4°, угол выхода лучей β₁=39,6°, угол наклона дополнительных зеркальных отражателей 7 φ₁=β₁=39,6°, угол выхода лучей β₂=73,8°. Расстояние между основными зеркальными отражателями 6 a=19,13 мм, пропускание Δ=4,37 мм.

Коэффициент концентрации для приемника на фиг. 6 составит k₄=3,31, на фиг. 9 k₈=2,59.

Определим площадь основных зеркальных отражателей 6 S₃₀ на поверхности входа 4 отклоняющей оптической системы 3 размером для солнечного модуля с концентратором 1×1 м. Площадь одного зеркального отражателя 6 длиной 1 м

S₁=1·d, м²,

где d - ширина отражателя, м.

Расстояние между зеркальными фацетными отражателями a=d·sinφ (фиг. 1). При выборе отклоняющей оптической системы 3 на фиг. 1 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех основных зеркальных отражателей 6 при любом угле φ. Это означает, что при увеличении φ и постоянной ширине d зеркального отражателя 6 растет расстояние a между зеркальными отражателями. Количество зеркальных отражателей на поверхности модуля размером 1×1 м

Общая площадь зеркальных отражателей не зависит от площади отдельных зеркальных отражателей и их количества, а определяется углом наклона отражателя φ к вертикальной плоскости

. При φ=90° S₃₀=1 м².

В таблице представлена общая площадь зеркальных отражателей в расчете на 1 м² площади модуля, м²/м².

В отличие от солнечных модулей с концентраторами на основе линз Френеля предлагаемый модуль с концентратором использует параллельный пучок лучей на приемнике, что обеспечивает 100% прозрачность для проходящих лучей и отсутствие оптических потерь, свойственных призменным концентраторам и линзам Френеля.

Солнечный модуль с отклоняющей оптической системой 3 может быть использован для передачи параллельного потока солнечной энергии на приемники излучения в теплицах, зданиях и в подземных сооружениях.