Солнечный модуль с концентратором (варианты)

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

Недостатками известного солнечного модуля являются большие оптические потери в жалюзи и низкий коэффициент концентрации.

Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного модуля с концентратором, имеющего высокий оптический КПД и высокий коэффициент концентрации солнечного излучения.

В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность модуля и снижается его стоимость.

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, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β₁ для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β₂, угол ϕ₀ наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:

β₁=2ϕ₀-2θ при ϕ<ϕ₀,

β₁=2ϕ₀+2θ при ϕ>ϕ₀,

β₁=2ϕ₀, θ=0 при ϕ=ϕ₀,

β₂=arcsin[(sin β₁)⋅n],

где β₁ - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;

β₂ - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;

ϕ₀ - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;

n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;

ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;

θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;

θ₀ - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,

углы β₁, β₂, ϕ и ϕ₀ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению:

a=dsin ϕ₀,

при котором для любых углов ϕ₀ нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с острым углом ψ, который связан с коэффициентом преломления материала призмы n₁ и углом выхода лучей β₂ соотношением:

где n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;

β₂ - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;

n₁ - коэффициент преломления материала призмы.

В другом варианте солнечного модуля с концентратором модуль содержит установленные в одной плоскости вторую оптическую отклоняющую систему и второй призменный концентратор с общим двусторонним приемником, а угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей первой и второй отклоняющих оптических систем равен 2ϕ₀.

Вышеуказанный технический результат достигается также 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, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β₁ для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β₂, угол ϕ₀ наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:

β₁=2ϕ₀-2θ при ϕ<ϕ₀,

β₁=2ϕ₀+2θ при ϕ>ϕ₀,

β₁=2ϕ₀, θ=0 при ϕ=ϕ₀,

β₂=arcsin[(sin β₁)⋅n],

где β₁ - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;

β₂ - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;

ϕ₀ - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;

n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;

ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;

θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;

θ₀ - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,

углы β₁, β₂, ϕ и ϕ₀ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению;

a=dsin ϕ₀,

при котором для любых углов ϕ₀ нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с апертурным углом δ, который связан с углом β₂ следующим соотношением:

β₂≥90°-2δ.

В другом варианте солнечного модуля с концентратором модуль содержит установленные в одной плоскости вторую оптическую отклоняющую систему и второй полупараболоцилиндрический концентратор с общим двусторонним приемником, а угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей первой и второй отклоняющих оптических систем равен 2ϕ₀.

Солнечный модуль с концентратором иллюстрируется на фиг. 1-6.

На фиг. 1 представлена схема оптической отклоняющей системы с цилиндрическими зеркальными отражателями, которые помещены в оптически прозрачную среду, и ход лучей в ней (двухмерное изображение).

На фиг. 2 представлен ход лучей в солнечном модуле с призменным концентратором с оптической отклоняющей системой в виде жалюзи из миниатюрных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду.

На фиг. 3 показан общий вид солнечного модуля с одной оптической отклоняющей системой и призменным концентратором.

На фиг. 4 показан солнечный модуль с концентратором, состоящий из первой и второй оптических отклоняющих систем в виде жалюзи из зеркальных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду, и первого и второго призменного концентратора с общим приемником.

На фиг. 5 показан общий вид солнечного модуля с одной оптической отклоняющей системой и с одним полупараболоцилиндрическим концентратором.

На фиг. 6 представлен солнечный модуль с концентратором, состоящий из первой и второй оптических отклоняющих систем в виде жалюзи из зеркальных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду, и первого и второго полуцилиндрического концентратора с общим приемником.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит зеркальную отклоняющую периодическую оптическую систему 1 высотой h, шириной l и длиной L, состоящую из цилиндрических зеркальных отражателей 2 с радиусом кривизны R и с плоскостью 3 входа лучей шириной d, установленных под углом ϕ₀. Солнечный модуль имеет рабочую поверхность 4, на которую падает излучение 5. Цилиндрические зеркальные отражатели 2 установлены друг от друга на расстоянии а под углом ϕ₀ к вертикальной плоскости и помещены в оптически прозрачную среду 6 с коэффициентом преломления n.

Количество цилиндрических зеркальных отражателей 2 в отклоняющей оптической системе . Обозначим через β₁ угол выхода лучей от цилиндрических зеркальных отражателей 2 в оптической системе 1. Угол β₁ отсчитывается от вертикальной плоскости. Угол β₁ выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии ОЕ=2а.

Принимая h=1, получим:

На фиг. 2 касательная 7 в точке А и касательная 8 в точке D к цилиндрическому зеркальному отражателю 2 образуют угол θ₀ с плоскостью 3 входа лучей. Обозначим через θ угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя 2 и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя 2 в точке падения лучей. Касательная 9 в точке G параллельна плоскости 3 входа лучей, поэтому в точке G θ=0. Из фиг. 2 следует, что θ₀=max θ в точках А и D, в точке G θ=0, на участке AG θ<ϕ₀, а на участке GD θ>ϕ₀.

Радиус кривизны цилиндрического зеркального отражателя R=АО₁ и высоту сегмента FG найдем из Δ O₁AF: AF=AO₁sinθ₀, AO₁=R, ,

FG=O₁G-O₁F, , .

Для лучей, нормальных к рабочей поверхности 4 модуля в точке А: β₁=2ϕ-2θ₀.

Подставляя β₁ из (1), получим для точки А:

В точке В: β₁=2ϕ+2θ₀.

В точке G: θ=0, β₁=2ϕ₀=arctg(2tgϕ₀).

Для любой точки цилиндрического зеркального отражателя 2:

где ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя 2 в точке падения лучей, углы β₁, ϕ и ϕ₀ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности 4 против часовой стрелки.

При расчете оптической отклоняющей периодической системы 1 на фиг. 1, 2 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех цилиндрических зеркальных отражателей 2 при любом угле ϕ₀. Это означает, что при увеличении ϕ₀ и постоянной ширине d цилиндрического зеркального отражателя 2 растет расстояние а=tgϕ₀, между цилиндрическими зеркальными отражателями.

Из фиг. 2 и формул (6) следует, что угол выхода лучей β₁ изменяется при отражении лучей от различных участков цилиндрического зеркального отражателя 2.

- угол выхода лучей при отражении от нижнего края (точка D) цилиндрического зеркального отражателя 2,

- угол выхода лучей при отражении от верхнего края (точка А) цилиндрического зеркального отражателя 2.

Оптическая отклоняющая система 1 из цилиндрических зеркальных отражателей 2 обеспечивает 100%-е переотражение излучения 5, поступающего на рабочую поверхность 4 солнечного модуля с концентратором.

Обозначим через β₂ угол выхода лучей из оптической отклоняющей системы 1, которая содержит прозрачную среду 6, с коэффициентом преломления n.

Угол β₂ отсчитывается от вертикали против часовой стрелки.

Обозначим

,

На фиг. 2 и 3 призменный концентратор 10 выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с коэффициентом преломления n и с острым углом ψ и отделен от отклоняющей оптической системы 1 с помощью воздушного промежутка 11. Луч, выходящий из оптической отклоняющей системы 1 под углом β₂^min, поступает на поверхность входа 12 призменного концентратора 10 под углом β₃=β₂^min. Излучение входит в призменный концентратор 10 под углом , поступает на грань переотражения 13 под углом β₅=β₄+ψ, отражается от грани переотражения 13 и поступает на поверхность входа 12 под углом β₆=β₄+2ψ, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения .

Из (9) получаем соотношение между ψ, β₂^min и n₁:

Все входящие лучи, удовлетворяющие условию (1), (6), (8) и (10), будут поступать на приемник 14.

Коэффициент концентрации к=ctg ψ.

В варианте солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 первый 15 и второй 16 призменные концентраторы с острыми углами ψ имеют общий двусторонний приемник 17, рабочую поверхность 18, на которой установлены первая 19 и вторая 20 отклоняющие лучи встречно оптические системы, поверхности входа 21 и 22 лучей призменных концентраторов 15 и 16 находятся в одной плоскости, а угол между плоскостями входа 23 и 24 цилиндрических зеркальных отражателей 25 и 26 составляет 2ϕ₀. Призменные концентраторы 15, 16 установлены таким образом, что их отраженные потоки излучения направлены навстречу друг другу и поступают на общий двусторонний приемник излучения 17, установленный на опорном устройстве 27 со слежением за солнцем по одной оси.

Коэффициент концентрации для солнечного модуля с двумя призменными концентраторами 15 и 16 и с двусторонним приемником 17 (фиг. 4) составляет:

к=2ctg ψ.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 5 содержит полупараболоцилиндрический концентратор 28 с параметрическим углом δ, фокальной осью F и вершиной O₂ с поверхностью входа 29 лучей, которая параллельна рабочей поверхности 4 солнечного модуля с концентратором. Приемник 30 установлен между фокальной осью F и вершиной O₂ полупараболоцилиндрического концентратора 28.

В солнечном модуле с концентратором на фиг. 5 отклоняющая оптическая система шириной L=АС создает на поверхности входа 29 лучей полупараболоцилиндрического концентратора 28 поток лучей с углом β₂, .

Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором при нормальном падении излучения 5 на рабочую поверхность 4 равен:

.

Параметрический угол δ определяется из условия:

,

.

На фиг. 6 солнечный модуль с концентратором содержит первую 31 и вторую 32 отклоняющие лучи встречно оптические системы, у которых угол между поверхностями входа 33 и 34 цилиндрических зеркальных отражателей двух отклоняющих оптических систем составляет 2ϕ₀. Солнечный модуль содержит первый 35 и второй 36 полупараболоцилиндрические концентраторы с общей фокальной осью F, общим двухсторонним приемником 37, у которых поверхности входа 38 и 39 находятся в одной плоскости. Линии 40 и 41, которые являются касательными к поверхности полупараболоцилиндрических концентраторов 35 и 36 у поверхностей входа 38 и 39 и внешними границами апертурных углов, образуют между собой угол 180° - 2δ. Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором на фиг. 6 равен:

.

Примеры выполнения солнечного модуля с концентратором

Пример 1. На фиг. 1, 2, 3 отклоняющая оптическая система 1 состоит из 273 цилиндрических зеркальных отражателей 2 размером плоскости входа d=15 мм. Угол наклона плоскости входа 3 цилиндрических зеркальных отражателей ϕ₀=18,5°, расстояние между цилиндрическими зеркальными отражателями а=d⋅sinϕ₀=4,76 мм, радиус кривизны R=267,78 мм, высота сегмента 0,104 мм, угол входа лучей β₀=0°, θ₀=1,605°, углы выхода лучей β₁^min=35,79°, β₁^max=40,21°.

Углы выхода лучей из оптической отклоняющей системы с оптической средой из стекла с коэффициентом преломления n=1,51:

,

.

Угол полного внутреннего отражения для стекла:

.

Острый угол в призменном концентраторе 10 из стекла (n₁=1,51):

.

Коэффициент концентрации для солнечного модуля с концентратором на фиг. 1, 2, 3:

к=ctgψ=20,15.

Приемник 14 имеет размеры 6,25×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 625×31,25 мм. Геометрический коэффициент концентрации к=20,15, оптический КПД 85%, КПД приемника 15%, КПД модуля 12,75%. Размеры модуля 1300×1250 мм. Площадь модуля 1,635 м². Пиковая электрическая мощность 208,46 Вт при освещенности 1 кВт/м² и температуре 25°С.

Для солнечного модуля на фиг. 4 коэффициент концентрации к=40,3, размеры модуля 2600×1250 мм, размеры двустороннего приемника 17 625×1250 мм, пиковая электрическая мощность 416,92 Вт.

Пример 2. На фиг. 5 отклоняющая оптическая система 1 состоит из 273 цилиндрических зеркальных отражателей 2 размером плоскости входа d=15 мм. Угол наклона плоскости входа 3 цилиндрических зеркальных отражателей ϕ₀=18,5°, расстояние между цилиндрическими зеркальными отражателями а=d⋅sinϕ₀=4,76 мм, радиус кривизны R=267,78 мм, высота сегмента 0,104 мм, угол входа лучей β₀=0°, θ₀=1,605°, углы выхода лучей β₁^min=35,79°, β₁^max=40,21°. Углы выхода лучей из оптической отклоняющей системы с оптической средой из стекла n=1,5:

,

.

Апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора 28 δ=14°, зеркальные отражатели концентратора 28 выполнены из полированного алюминия. Геометрический коэффициент концентрации к=17,09, оптический КПД модуля 80%, Приемник 30 имеет размеры 75×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 75×31,25 мм. КПД приемника 16%, КПД модуля 12,8%. Размеры модуля 1300×1250 мм. Площадь модуля 1,635 м². Пиковая электрическая мощность 209,28 Вт при освещенности 1 кВт/м² и температуре 25°С.

Для солнечного модуля на фиг. 6 коэффициент концентрации к=34,18, размеры модуля 2600×1250 мм, размеры двустороннего приемника 37 675×1250 мм, пиковая электрическая мощность 418,56 Вт.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1, 2, 3). Солнечное излучение 5 поступает по нормали на рабочую поверхность 4 солнечного модуля с концентратором, отражается от цилиндрических зеркальных отражателей 2 под углом β₁, выходит под углом β₂ из отклоняющей оптической системы 1 и через воздушный промежуток 11 поступает под углом β₃=β₂ на поверхность входа 12 в призменный концентратор 10 и концентрируется на приемнике 14.

В солнечном модуле с концентратором на фиг. 4 солнечное излучение 5 концентрируется на двустороннем приемнике 17.

В солнечном модуле с концентратором на фиг. 5 солнечное излучение поступает по нормали на рабочую поверхность 4 модуля и в оптическую отклоняющую систему 1, отражается от цилиндрических зеркальных отражателей 2 под углом β₁, выходит под углом β₂ в воздушный промежуток 11, поступает под углом β₃=β₂ на поверхность входа 29 полупараболоцилиндрического концентратора 28, отражается от полупараболоцилиндрической поверхности концентратора и поступает на приемник 30 при условии: .

Лучи с углами собираются в области, близкой к фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 28.

В связи с тем, что лучи, выходящие из оптической отклоняющей системы, не параллельны, а образуют расходящийся поток с углами выхода в диапазоне , излучение будет концентрироваться не в фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 28, а равномерно распределяться по всей площади фотоприемника 30, что улучшает условия теплоотвода от поверхности фотоприемника и снижает потери от неравномерного освещения.

В солнечном модуле с концентратором на фиг. 6 солнечное излучение концентрируется с двух сторон на приемнике 37, в результате коэффициент концентрации увеличивается в два раза по сравнению с солнечным модулем с концентратором на фиг. 5.

Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 10-12 из условия воздушного или водяного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Такие солнечные модули с концентраторами могут быть использованы со следящими системами для установки на крышах зданий или 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 86,58 долл./м², 0,378 долл./Вт, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля.

По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет нулевые косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость. Приемники 14, 17 и 30 могут быть выполнены с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и горячей воды или горячего воздуха.