Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором

 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами для получения тепла и электроэнергии. Концентратор выполнен в виде фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, имеет образующие острый двухгранный угол рабочую поверхность модуля и грань переотражения, а фотопреобразователи установлены под углом к этим граням и поверхностям. Устройство отражения выполнено в виде зеркала и расположено с зазором относительно фокусирующей призмы. Фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде симметричных усеченных пирамид. Между устройством отражения и фотопреобразователем размещен обратный зеркальный пирамидальный и конусный отражатель. Фотопреобразователи размещены на поверхности трубчатого приемника. В результате использования изобретения масса модуля и его стоимость снижаются на 30 - 50%. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами для получения тепла и электроэнергии.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, выполненным в виде оптически прозрачной фокусирующей призмы полного внутреннего отражения (D. R Mils, I.E.Giutronich. Ideal Prizm Solar Concentrators. Solar Energy, vol. 21, 1978, p. 423).

Фокусирующая призма с треугольным поперечным сечением имеет образующий острый угол грани входа и переотражения излучения и грань выхода концентрированного излучения, на котором установлены фотопреобразователи, а также устройства отражения излучения. Устройства отражения выполнены в виде плоского зеркала, расположенного с зазором параллельно грани переотражения излучения. Солнечное излучение проходит через фокусирующую призму, отражается плоским зеркалом и вновь возвращается в фокусирующую призму. Острый угол между гранями входа и переотражения обеспечивает условие полного внутреннего отражения на грани входа излучения, введенного в призму зеркала.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации. Это связано с тем, что при угле входа излучения β₀ по отношению к нормали к поверхности ±23,5^o угол при вершине призмы ϕ равен 28^o, а коэффициент концентрации K = 1/sinϕ = 2,13. Другим недостатком данного конструктивного решения является большая масса призмы полного внутреннего отражения, зависящая от угла ϕ. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция фотоэлектрического модуля с концентратором солнечного излучения, содержащем прозрачную фокусирующую призму, имеющую образующие острый угол грани входа и переотражения излучения и грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, расположенное относительно фокусирующей призмы с зазором со стороны грани переотражения излучения. Устройство отражения выполнено в виде по меньшей мере одной призмы с треугольным поперечным сечением, имеющей образующие острый угол грани входа, проходящего через фокусирующую призму излучения и грань зеркального отражения излучения, и расположенной своим острым углом однонаправленно с острым углом фокусирующей призмы (Жуков К.В., Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. "Концентратор солнечного излучения", патент РФ N 1089365, 1994 г.).

Выполнение отражающего устройства в виде призмы позволяет ввести отраженное излучение в фокусирующую призму под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения.

Коэффициент концентрации определяется отношением площади грани входа, которая совпадает с площадью рабочей поверхности модуля, на которую падает излучение под углом β₀ к площади поверхности грани выхода излучения.

Практически достижимая степень концентрации в фотоэлектрическом модуле составит 7-8,5.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является большая масса концентратора и высокая стоимость, связанная с большой трудоемкостью его изготовления, и сложность конструкции.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение массы модуля и снижение его стоимости.

В результате использования предлагаемого изобретения масса модуля и его стоимость снижаются на 30-50%.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем концентратор, выполненный в виде фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления n, имеющий образующие острый двугранный угол ϕ рабочую поверхность модуля, на которую падает излучение под углом входа β₀, и грань переотражения, скоммутированные фотопреобразователи, установленные под некоторым углом к вышеуказанным граням и поверхностям, и устройство отражения излучения, выполненное в виде зеркала, расположенного с зазором относительно фокусирующей призмы со стороны грани переотражения излучения, указанное устройство отражения в виде зеркального отражателя образует острый двугранный угол ϕ с гранью переотражения и угол ϕ+Ψ с рабочей поверхностью модуля, причем угол входа β₀, и двугранные углы ϕ и Ψ связаны соотношением: где n - коэффициент преломления; ϕ - острый двухгранный угол при вершине призмы, Ψ - острый двухгранный угол между гранью переотражения и зеркальным отражателем.

Для снижения потерь солнечного излучения на части грани переотражения фокусирующей призмы, удаленной от вершины острого двухгранного угла ϕ, установлены фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью, а в плоскости грани выхода, противолежащей вершине острого двухгранного угла ϕ, от рабочей поверхности фокусирующей призмы до устройства отражения установлен зеркальный отражатель.

Для увеличения концентрации солнечной энергии фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде двух симметричных усеченных пирамид, имеющих общую плоскость симметрии, а фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью установлены на меньшем основании пирамидальной фокусирующей призмы.

Для дальнейшего увеличения концентрации солнечного излучения фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде осесимметричных усеченных конусных тел вращения, имеющих общую ось симметрии, а фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью установлены в плоскости вершины усеченного конуса со стороны грани переотражения фокусирующей призмы параллельно ее рабочей поверхности, а в плоскости верхнего основания усеченного конуса устройства переотражения установлен зеркальный отражатель.

Для дальнейшего снижения потерь солнечного излучения между устройством отражения и фотопреобразователем размещен обратный зеркальный пирамидальный и конусный отражатель, вершина которого совпадает с центром фотопреобразователя.

Для повышения эффективности фотопреобразователя обратный конусный отражатель имеет теплопроводящее соединение с устройством отражения и центральной частью фотопреобразователя.

Для дальнейшего увеличения концентрации солнечного излучения фотопреобразователи размещены на поверхности трубчатого приемника вдоль его длины от рабочей поверхности призмы до устройства отражения, а трубчатый приемник установлен в центре фокусирующей призмы перпендикулярно рабочей поверхности концентратора.

С целью снижения температуры фотопреобразователя трубчатый приемник имеет теплопроводящее соединение с устройством отражения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4.

На фиг. 1 представлен общий вид солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором (поперечное сечение) и ход лучей в нем.

На фиг. 2 - конструкция фотоэлектрического модуля с концентратором в виде усеченной пирамиды или кругового осесимметричного усеченного конуса (поперечное сечение).

На фиг. 3 - фотоэлектрический модуль с концентратором с дополнительным пирамидальным или конусным отражателем.

На фиг. 4 - солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором в виде кругового конуса и трубчатого фотоприемника.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит фотопреобразователи 1, фокусирующую призму 2 с рабочей поверхностью 3 и гранью переотражения 4, устройство отражения 5. Острый двухгранный угол ϕ есть угол между рабочей поверхностью 3, на которую падает излучение, и гранью переотражения 4. Угол входа (падения) солнечного излучения на рабочую поверхность 3 есть угол β₀ между лучом и вектором перпендикулярным к поверхности, на которую падает излучение.

Острый двухгранный угол Ψ есть угол между гранью переотражения 4 фокусирующей призмы 2 и устройством отражения 5.

Угол β₀ отсчитывается от нормали к рабочей поверхности, причем знак плюс соответствует падению луча со стороны острого двухгранного угла призмы, а знак минус - при падении излучения со стороны грани выхода призмы.

В плоскости грани выхода 6 от рабочей поверхности 3 фокусирующей призмы 2 до устройства переотражения 5 установлен зеркальный отражатель 7.

Для дальнейшего повышения концентрации солнечного излучения фокусирующая призма 2 и устройство отражения 5 выполнены в виде симметричных усеченных пирамид или конусов 8 и 9, имеющих соответственно плоскость или ось симметрии, а фотопреобразователь 1 установлен в плоскости грани выхода 6 вершины 10 усеченной пирамиды или конуса 8 фокусирующей призмы 2 параллельно рабочей поверхности 3. В плоскости 11 вершины усеченной пирамиды или усеченного конуса 9 устройства отражения 5 установлен зеркальный отражатель 12 (фиг. 2).

Для снижения потерь солнечного отражения 5 и фотопреобразователя 1 вместо зеркального отражателя 12 согласно фиг. 2 установлен дополнительный обратный пирамидальный или зеркальный конусный отражатель 13 (фиг. 3), вершина которого 14 совпадает с центром фотопреобразователя 1, а основание совпадает с плоскостью 11 усеченного конуса 9.

Для повышения эффективности фотопреобразователя 1 обратный пирамидальный или конусный отражатель 13 имеет теплопроводящее соединение 15 с устройством отражения 5 по основанию пирамиды или конуса 9 и с фотопреобразователем 1 в вершине пирамиды или конуса 9 (фиг. 3).

Для дальнейшего увеличения концентрации солнечного излучения фотопреобразователи 1 размещены на поверхности трубчатого приемника 16 (фиг. 4) вдоль его длины от рабочей поверхности 3 фокусирующей призмы 2 до устройства отражения 5, а трубчатый приемник 16 установлен в центре фокусирующей призмы 2 перпендикулярно ее рабочей поверхности 3. С целью снижения температуры фотопреобразователя 1 трубчатый приемник 16 имеет теплопроводящее соединение 17 с устройством отражения 5 (фиг. 4), которое выполняет функции радиатора охлаждения.

Пример конструктивного выполнения фотоэлектрического модуля с концентратором.

Длина модуля 1800 мм, ширина 400 мм. Размеры фотопреобразователя 100х50 мм, скоммутированные фотопреобразователи 1 в количестве 36 установлены в центре симметричной линейной фокусирующей призмы 2 на грани выхода 6. Фокусирующая призма имеет двухгранный угол ϕ = 8^o, угол между устройством отражения 5 и гранью переотражения 4 Ψ = 25^o.

Коэффициент концентрации модуля равен отношению ширины призмы 2 к ширине фотопреобразователя электрическая мощность при КПД фотопреобразователей 14%, КПД концентратора 80% составит 50 Вт.

Солнечный фотоэлектрический модуль работает следующим образом.

Солнечное излучение (луч 1) попадает на рабочую поверхность 3 фокусирующей призмы 2 под углом β₀, (фиг. 1), входит в призму 2 под углом β₁, попадает на грань переотражения 4 под углом β₂, выходит из призмы 2 под углом β₃, попадает на устройства отражения 5 под углом β₄, отражается и попадает на грань переотражения под углом β₅, преломляется в призме 2 под углом β₆ и падает на рабочую поверхность призмы изнутри под углом β₇, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения β₇ > arcsin 1/n. После полного внутреннего отражения излучение попадает на грань выхода 6 и на фотопреобразователь 1.

Если солнечное излучение поступает по нормали к рабочей поверхности модуля, то для концентратора с ϕ = 8^o, Ψ = 25^o, n = 1,5 вышеуказанные углы имеют вид: β₀ = 0, β₁ = 0, β₂ = 8^o, β_3/ = 12,2^o, β₄ = 37,2^o, β₅ = 62,2^o, β₆ = 35,6^o, β₇ = 43,6^o, β₇ = 43,6^o, Угол β₇ больше угла полного внутреннего отражения. Луч 2 на фиг. 1 преломлен фокусирующей призмой 2 и отражение от устройства отражения 5 попадает на фотопреобразователь 1 со стороны, противоположной рабочей поверхности 3 модуля луча 3 на фиг. 2, после отражения от зеркального отражателя 12. Луч 4 на фиг. 3 попадает на фотопреобразователь 1 со стороны, противоположной рабочей поверхности 3, после отражения от пирамидального или конусного отражателя 13. Луч на фиг. 4 после преломления в призме 2 отражается от устройства отражения 5 и после преломления призмой 2 попадает на фотопреобразователь 1 на трубчатом приемнике 15 внутри призмы 2. Луч 6 на фиг. 4 после преломления призмой и отражения от устройства отражения 5 попадает под углом ϕ на обратный пирамидальный и конусный отражатель 13 и затем на фотопреобразователь (внутри призмы 2). Для обычного призменного концентратора (1) угол ϕ = 21^o при n = 1,5. Изменение массы призменного концентратора пропорционально отношению tgϕ₁/tgϕ₂. Подставив ϕ₁ = 21^o и ϕ₂ = 8^o, получим tg21/tg8 = 0,384/0,14 = 2,73. Таким образом, данный фотоэлектрический модуль в 2,73 раза легче модуля с обычным призменным концентратором (1) и в 1,6 раза легче прототипа.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором имеет малую массу, высокую эффективность, низкую стоимость, прост в изготовлении и может быть использован для получения тепла и электроэнергии как в автономных установках со слежением за солнцем, так и в энергоанчевых зданиях в качестве элемента фотоэлектрического фасада здания или солнечной крыши.

Формула изобретения

1. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий скоммутированные фотопреобразователи и концентратор, выполненный в виде фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления n, имеющей образующие острый двухгранный угол ϕ рабочую поверхность модуля, на которую падает излучение под углом входа β_o, и грань переотражения и устройство отражения излучения, выполненное в виде зеркала, расположенное с зазором относительно фокусирующей призмы со стороны грани переотражения излучения, отличающийся тем, что устройство отражения образует острый двухгранный угол с гранью переотражения и угол ϕ + Ψ с рабочей поверхностью модуля, причем угол входа β_o и двухгранные углы ϕ и Ψ связаны соотношением где n - коэффициент преломления; ϕ - острый двухгранный угол при вершине призмы, Ψ - острый двухгранный угол между гранью переотражения и зеркальным отражателем.

2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что на части грани переотражения фокусирующей призмы, удаленной от вершины острого двухгранного угла ϕ, установлены фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью, а в плоскости грани выхода от рабочей поверхности фокусирующей призмы до устройства отражения установлен зеркальный отражатель.

3. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором по пп.1 и 2, отличающийся тем, что фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде двух симметричных усеченных пирамид, имеющих общую плоскость симметрии, а фотопреобразователь с двухсторонней рабочей поверхностью установлены на меньшем основании пирамидальной фокусирующей призмы.

4. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 2, отличающийся тем, что фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде осесимметричных усеченных конусных тел вращения, имеющих общую ось симметрии, а фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью установлены в плоскости вершины усеченного конуса со стороны грани переотражения фокусирующей призмы параллельно ее рабочей поверхности, а в плоскости верхнего основания усеченного конуса устройства отражения установлен зеркальный отражатель.

5. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 - 4, отличающийся тем, что между устройством отражения и фотопреобразователем размещен обратный пирамидальный или конусный зеркальный отражатель, вершина которых совпадает с центром фотопреобразователя.

6. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 5, отличающийся тем, что обратный зеркальный пирамидальный или конусный зеркальный отражатель имеет теплопроводящее соединение с устройством отражения и центральной частью фотопреобразователя.

7. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 4, отличающийся тем, что фотопреобразователи размещены на поверхности трубчатого приемника вдоль его длины от рабочей поверхности фокусирующей призмы до устройства отражения, а трубчатый приемник установлен в центре фокусирующей призмы перпендикулярно рабочей поверхности концентратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4