Вид РИД
Изобретение
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 Fn и объема Vn фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd определяются соотношением:
Fn=Δd[h1+Δh(n-1)/N+Δdtga/2], Δh=(h-h1)/N, Δd=d/N, Vn=FnL,
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 Kn солнечного излучения по ширине фотоприемника d, формы профиля фотоприемника и определяется системой уравнений, соответствующей условию соответствия среднего значения распределенной температуры Тср и выходной температуры теплоносителя Твых (Тср=Твых):
n*=Vn/Vmin, n*max=Vmax/Vmin, ΔT1=ΔTcp/n*max, ΔTcp=(Твых-Твх),
T*n=Тпл+[ΔT1n*f(Kn)],
f(Kn)=Кг/Kn, Tn=T*nkкор-Тпл+Твх, kкор=(Тпл+ΔTcp)/T*ncp, ,
где Vmin - минимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;
Vmax - максимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;
Твх - входная температура теплоносителя;
Тпл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);
f(Kn)] - функция распределения концентрации по ширине фотоприемника, причем среднее значение распределенной температуры (граничное условие);
Tncp=ΣTn/N=Твых равно выходной температуре теплоносителя, а энергия нагрева теплоносителя определяется соотношением:
где, Tn=T*nkкор-Тпл+Твх,
[λ/η](Tn) - отношение теплопроводности к вязкости воды при температуре нагрева по профилю приемника Tn,
[λ/η](Tcp) - отношение теплопроводности к вязкости при среднем значении температуры Тср=Твых воды,
время нагрева теплоносителя до Tcp=Твых определяется соотношением:
,
где Р=Рп-Рконв-Ррад;
Рп - поглощенный приемником поток Рп=ηоптЕс Fпп Кг.,;
где теплопотери в окружающую среду конвективные Рконв, радиационные Ррад;
Кг - геометрическая концентрация;
ηопт - оптический КПД;
Ес - удельная мощность солнечного излучения;
Fпп - площадь миделя концентратора,
нагрев массы теплоносителя в единицу времени m* (расход) до Тср=Твых 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:
Рт=m*с(Твых-Твх),
где с - теплоемкость теплоносителя;
Твх, Твых температуры на входе и выходе фотоприемника,
тепловой КПД модуля (коэффициент полезного использования мощности солнечного излучения) определяется соотношением: ηт=Рт/EcFпп.
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 do, 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 do и длиной L и расположенным под углом к миделю концентратора:
Xn=(f-Yn)/tgαn, Хн=dosinβв, Yн=f-Хнtgβ,
Хв=0, Yв=Yн+dcosβн, , Ya=R2/4f, Кг=R/do,
где αn - угол (в зоне рабочего профиля концентратора) между уровнем ординаты в точке координат Xn,Yn и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f лучом, приходящим в фокальную область на ширине dn, расположенной на плоском фотоприемнике шириной do, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3…N;
ξо - угол между координатной осью 0Y и лучом отраженным от верхней точки координат Ya,R концентратора приходящем в нижнюю точку координат фотоприемника Хн,Yн;
βн - угол между фотоприемником и отрезком (между нижней точкой координат фотоприемника Хн,Yн и фокусным расстоянием f параболы);
βв - угол между отрезком (между верхней точкой координат фотоприемника Хв,Yв и фокусным расстоянием f параболы) и поверхностью фотоприемника;
β - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Ya,R концентратора и прямой Y=f параллельной оси абсцисс;
при этом значения параметров f, βв, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоприемника Kn в интервалах координатных значений концентратора ΔXn=Xn-Xn-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (dn+1-dn) равна:
Kn=(Xn+1-Xn)/(dn+1-dn)
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 do 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:
Qпп=ηоптR Fпп Кгеом, N=QФЭ ηФЭ. α=5,7+3,8 V, Qрад=εσ(Tc4-Ta4)F, Q=Qпп-N-Qконв-Qрад. m=Q/cp(tвых-tвх), W=m/γFпс, Re=wdэкв/ν, αж=Nu λж/dэкв, Qв=αж(tc-tж)F, η=ηo[1-k(Tf-To)],
где Qпп - поглощенный поток приемником, ηопт - оптический КПД, R - прямая солнечная радиация, Fпп - площадь приемной поверхности, Кгеом - геометрическая концентрация, N - мощность электрическая, ηФЭ - КПД ФЭ QФЭ - поглощенный поток фотоэлементами, Qконв - конвективные теплопотери, α - коэффициент теплоотдачи, tc, °C - средняя температура стенки приемника, ta, °C -_температура среды, V - скорость ветра, Qрад - радиационные теплопотери,_ε - степень черноты стенки, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Тс, К - средняя температура стенки приемника, Та, К -_температура среды,_Q - поток для охлаждения теплоносителем, m - массовый расход воды, ср - удельная теплоемкость, tвых, tвх - температура воды на выходе и входе приемника, W - скорость потока воды, γ - плотность воды, Fпс - площадь поперечного сечения приемника, dэкв - эквивалентный диаметр поперечного сечения приемника, v - коэффициент кинематической вязкости воды, Re - число Рейнольдса, Nu - число Нуссельта, αж - коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, tж - средняя температура воды, λж - коэффициент теплопроводности воды, Qв - тепловой поток, отводимый водой, ηt - зависимость к.п.д. ФЭ от температуры, η0 - к.п.д. ФЭ при стандартной температуре T0=298 K, Tƒ - 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*=Тк, (K),
где Тпл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);
ΔT - температура нагрева воды, С;
Т*=Тпл+ΔТ - температура нагрева воды, К;
λо - теплопроводность воды (льда) при температуре плавления;
λt - теплопроводность воды при температуре нагрева.
Зависимость динамической вязкости воды от температуры нагрева η=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:
где ηo - динамическая вязкость воды при температуре плавления;
η - динамическая вязкость воды при температуре нагрева;
Тпл - температура плавления, К;
ΔT - температура нагрева теплоносителя, С;
Т*=Тпл+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 do 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 Rмах=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 ho=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 βв 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.