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 Today, July/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 отражателей, 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 отражатели (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 со статическим 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 излучение, на рабочей поверхности установлены миниатюрные зеркальные экраны, выполненные в виде жалюзи из плоских зеркальных отражателей, жалюзи содержат устройство для изменения расстояния между зеркальными отражателями, расстояние а между миниатюрными зеркальными отражателями на рабочей поверхности, угол входа лучей β₀, выхода лучей β₁ и угол φ наклона зеркальных отражателей связаны соотношениями:

β₀=2φ-arctg(2tgφ)

а ₀=d·sinφ₀

где d - длина каждого миниатюрного зеркального отражателя,

φ₀ - начальный угол наклона зеркального отражателя,

а₀ - расстояние между зеркальными отражателями при начальном угле φ₀,

углы β₀, β₁ φ₀ и угол φ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки.

В варианте солнечного модуля концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения.

В варианте солнечного модуля концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя.

Сущность изобретения иллюстрируется на фиг. 1-3, где на фиг. 1 показана оптическая система и ход лучей в солнечном модуле с концентратором; на фиг. 2 - солнечный модуль с жалюзи из плоских зеркальных отражателей и призменным концентратором, поперечное сечение; на фиг. 3 - солнечный модуль с концентратором в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя.

На фиг. 1 солнечный модуль с концентратором содержит жалюзи 1 из N зеркальных отражателей 2 длиной d, установленных друг от друга на расстоянии а под углом φ к вертикальной плоскости. Жалюзи содержат устройство 3 для изменения расстояния между зеркальными отражателями и угла наклона зеркальных отражателей 2. Обозначим через β₀ и β₁ угол входа луча и выхода лучей в оптической системе. Углы β₀ и β₁ отсчитываются от вертикальной плоскости. Угол β₁ выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из жалюзи на расстоянии 2 а-δ от точки входа луча, где δ - бесконечно малая величина, обеспечивающая полную оптическую прозрачность жалюзи.

При расчете жалюзи на фиг. 1 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех зеркал при любом угле φ. Это означает, что при увеличении φ растет расстояние а между зеркалами. Для практических применений важно использовать жалюзи, в которых ширина зеркала остается постоянной при изменении угла φ наклона зеркал, а расстояние а между зеркалами изменяется. Фиксируем величину AD=d - ширина зеркального отражателя и φ₀ - начальный угол наклона зеркального отражателя, при котором точки В и D находятся в одной вертикальной плоскости (фиг. 1).

На фиг. 1 видно, что при φ>φ₀, d=const, В′ находится на одной вертикали с точкой D′. На фиг. 1 показаны положения второго зеркала В′Е и ход отраженного луча AE′ при d=const, при котором В′ находится на одной вертикали с D′.

При φ>φ₀, чтобы отраженный луч β₁ уместился в размер D′E′=а, надо увеличивать β₀ и а.

Угол выхода отраженного луча на фиг. 1:

Расстояние между миниатюрными отражателями при начальном угле φ₀ зеркальных отражателей:

При произвольном угле φ наклона зеркальных отражателей

Из (2) и (3) следует:

На фиг. 2 солнечный модуль с концентратором энергии содержит призму полного внутреннего отражения 4 с острым углом ψ, на боковой грани 5 которой установлен приемник 6. Призма имеет тыльную зеркальную поверхность 7 и рабочую поверхность 8, на которую падает излучение. На рабочей поверхности 8 призмы 4 установлены соединенные в жалюзи 1 миниатюрные зеркальные отражатели 2 с устройством 3 изменения расстояния между зеркальными отражателями и угла наклона зеркальных отражателей.

На фиг. 3 концентратор солнечной энергии выполнен в виде полупараболоцилиндрического отражателя 9 с параметрическим углом δ с фокальной осью 10 и приемником 11.

Приведем пример выполнения солнечного модуля с концентратором (фиг. 3).

Жалюзи 1 состоят из зеркальных отражателей 2 размером d=50 мм, расстояние между отражателями а=20 мм, l=1250 мм. Угол наклона зеркальных отражателей φ=22,5°, угол входа лучей β₀=5,4°, углы выхода лучей β₅=39,6°, β₆=73,8°, пропускание Δ=4,37 мм, апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора 9 δ=26,2°, зеркальные отражатели концентратора 2 выполнены из стеклянных фацет. Приемник 11 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 м². Общий КПД модуля 11,946%. Пиковая электрическая мощность 82,13 Вт при освещенности 1 кВт м² и температуре 25°C.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 2).

Солнечное излучение поступает на зеркальный отражатель 2 под углом входа β₀, попадает на рабочую поверхность призмы 4 под углом β₁, под углом β₂ поступает на зеркальную поверхность 7 и после отражения от зеркальной поверхности 7 под углом β₃ и полного внутреннего отражения от рабочей поверхности 8 под углом β₄ попадает на приемник 6. Выполнение модуля в виде полупараболоцилиндрического или призменного концентратора 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 солнечного модуля за счет снижения острого угла призменного концентратора ψ и параметрического угла δ в полупараболоцилиндрическом концентраторе.