Солнечный концентраторный модуль (варианты)

Изобретение относится к гелиотехнике. Солнечный концентраторный модуль согласно изобретению содержит приемник с двусторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, отличающийся тем, приемник установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора, ветви концентратора в поперечном сечении образованы окружностями радиуса R, равного высоте Н приемника с центрами в точках O₁ и О₂, расположенными по краям приемника в верхней его кромке; при этом фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей О₁ и О₂ параллельно верхней кромке приемника, ориентированы в направлении Север-Юг и наклонены в северном полушарии к плоскости горизонта в южном направлении под углом φ=90°-α, где α - широта местности; причем в южном полушарии фокальные оси наклонены к горизонтальной поверхности в северном направлении под углом φ=90°-α, а в экваториальной зоне с широтой от 30° южной широты до 30° северной широты фокальные оси цилиндрического концентратора параллельны горизонтальной поверхности. Также предложен еще один вариант описанного выше солнечного концентраторного модуля. Изобретение обеспечивает эффективную работу солнечного модуля в течение всего светового дня в стационарном режиме без слежения за солнцем, увеличение концентрации солнечного излучения, а также повышение эффективности использования солнечной энергии в солнечном концентраторном модуле за счет отвода тепла от фотоприемника и использование его в режиме когенерации для производства электрической энергии и тепла. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным концентраторным модулям для получения электрической и тепловой энергии.

Известен солнечный модуль с концентратором, в котором зеркальные отражатели получены разворотом вокруг фокальной оси параболоцилиндрических отражателей, нижние края которых соединены цилиндрическим отражателем, а приемник излучения установлен в плоскости между фокальной осью и цилиндрическим отражателем (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. М., изд. ГНУ ВИЭСХ, 2007, с.180).

Недостатком известного модуля является ориентация фокальной оси на юг и малый апертурный угол 20-60°, что не позволяет в летние месяцы использовать солнечное излучение в утренние и вечерние часы.

Известен фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор солнечной энергии, выполненный в виде оптически прозрачной призмы полного внутреннего отражения, имеющей форму усеченной четырехугольной пирамиды (а.с. СССР №1620784, МКИ F24J 2/08, БИ №2, 1991 г.).

Разновеликие прямоугольные основания служат гранями входа и выхода излучения. Фотопреобразователь установлен в контакте с гранью выхода излучения, т.е. в контакте с меньшим основанием. Отношение площадей граней призмы, содержащих рабочую поверхность и солнечные элементы, определяет теоретический коэффициент концентрации солнечного фотоэлектрического модуля.

Недостатком данного конструктивного решения является односторонняя рабочая поверхность и невозможность использовать в стационарном режиме без слежения солнечную энергию в утренние и вечерние часы.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором лучистой энергии, содержащий оптически прозрачный элемент в виде призменного концентратора с входной и выходной гранями и фотопреобразователь, входная грань выполнена в форме шестиугольника. В варианте конструкции модуля используется фотопреобразователь с двухсторонней чувствительностью, который устанавливается на круглых выходных гранях двух идентичных оптических элементов солнечных фотоэлектрических модулей, направленных в противоположные стороны (Пат. РФ №2158045, 20.10.2000 г.).

Недостатком известного модуля является низкий коэффициент использования энергии Солнца тыльной поверхностью модуля в стационарном режиме без слежения за солнцем. Другим недостатком известных солнечных концентраторных модулей является использование в качестве приемников фотопреобразователей без системы охлаждения, что приводит при повышенной концентрации к их перегреву и снижению КПД и не позволяет использовать модуль в режиме когенерации для получения электрической энергии и тепла.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эффективной работы солнечного модуля в течение всего светового дня в стационарном режиме без слежения за солнцем и увеличение концентрации солнечного излучения.

Другой задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии в солнечном концентраторном модуле за счет отвода тепла от фотоприемника и использование его в режиме когенерации для производства электрической энергии и тепла.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается выработка электрической энергии и теплоты и снижается стоимость произведенной энергии.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном концентраторном модуле, содержащем приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, приемник установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора, ветви концентратора в поперечном сечении образованы окружностями радиуса R, равного высоте Н приемника с центрами в точках O₁ и О₂, расположенными по краям приемника в верхней его кромке; при этом фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей O₁ и О₂ параллельно верхней кромке 8 приемника, ориентированы в направлении Север-Юг и наклонены в северном полушарии к плоскости горизонта в южном направлении под углом φ=90°-α, где α - широта местности; причем в южном полушарии фокальные оси наклонены к горизонтальной поверхности в северном направлении под углом φ=90°-α, а в экваториальной зоне с широтой от 30° южной широты до 30° северной широты фокальные оси цилиндрического концентратора параллельны горизонтальной поверхности.

В варианте солнечного концентраторного модуля в качестве концентратора использован фацетный зеркальный цилиндрический отражатель.

Еще в одном варианте солнечного концентраторного модуля в качестве концентратора использован зеркальный фацетный отражатель Френеля.

В солнечном концентраторном модуле, содержащем приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, приемник содержит встроенные призменные концентраторы в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями, которые наклонены к рабочей поверхности приемника под углом β=25-39°; при этом цилиндрический фацетный зеркальный отражатель выполнен из двух ветвей и имеет апертуру 120°, а призменные концентраторы установлены с двух сторон каждого солнечного элемента с двухсторонней рабочей поверхностью; причем солнечные элементы в приемнике соединены последовательно в секцию; секции соединены между собой параллельно; секции расположены параллельно фокальным осям, и каждая последовательная секция содержит развязывающий диод и соединена параллельно с другими секциями из последовательно соединенных солнечных элементов.

В варианте солнечного концентраторного модуля в качестве концентратора с зеркальными отражателями использован фацетный цилиндрический зеркальный отражатель.

Еще в одном варианте солнечного концентраторного модуля в качестве концентратора с зеркальными отражателями использован зеркальный фацетный отражатель Френеля.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлено поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с двухсторонним приемником и линейным цилиндрическим концентратором с апертурой 120°.

На фиг.2 показано поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с двухсторонним приемником и концентратором в виде зеркальных отражателей Френеля с апертурой 180°.

На фиг.3 показано поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с приемником с двухсторонней рабочей поверхностью со встроенными призменными концентраторами в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями и цилиндрическим фацетным концентратором.

На фиг.4 представлено продольное сечение солнечного концентраторного модуля с двухсторонним приемником со встроенными призменными концентраторами в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями и цилиндрическим фацетным концентратором.

На фиг.1 приемник с двусторонней рабочей поверхностью 2 и 3 установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора 5, ветви 6 и 7 которого в поперечном сечении образованы окружностями радиуса R, равного высоте Н приемника 1 с центрами в точках O₁ и О₂, расположенными по краям приемника в верхней его кромке; при этом фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей O₁ и О₂ параллельно верхней кромке 8 приемника, ориентированы в направлении Север-Юг и наклонены в северном полушарии к плоскости горизонта в южном направлении под углом φ=90°-α, где α - широта местности; причем в южном полушарии фокальные оси наклонены к горизонтальной поверхности в северном направлении под углом φ=90°-α, а в экваториальной зоне с широтой от 30° южной широты до 30° северной широты фокальные оси цилиндрического концентратора параллельны горизонтальной поверхности 11.

Два солнечных концентраторных модуля, расположенные рядом с приемниками 1 и 12 в параллельных плоскостях, удалены друг от друга на расстояние L. $$\text{L}=\text{H}\cdot \text{ctg}\frac{\text{180}-\text{γ}}{\text{2}}$$ где γ - апертурный угол, Н - высота приемника.

Угол $$\psi =\frac{180-\gamma }{2}$$ определяет высоту солнца над горизонтом, при котором освещается полностью одна из рабочих поверхностей приемника.

На фиг.2 приемник 1 с двухсторонней рабочей поверхностью 2 и 3 установлен на опорах 13 над горизонтальной поверхностью 11 на высоте Н₀ от горизонтальной поверхности 11. Плоскость приемника 1 ориентирована в направлении Север-Юг. Солнечный концентраторный модуль содержит зеркальные отражатели Френеля 14 и 15, 17 и 18, расположенные симметрично по обе стороны приемника 1. Высота h зеркальных отражателей Френеля над горизонтальной поверхностью 11 не превышает высоту Н₀ опоры 13 приемника 1. h≤Н₀. Поперечное сечение зеркальных отражателей Френеля 14 и 15 образовано окружностями радиусом R₁, а поперечное сечение зеркальных отражателей 17 и 18 образовано окружностями радиусом R₂ с центрами в точках O₁ и О₂, расположенных по краям верхней кромки 8 приемника 1.

Зеркальные отражатели Френеля 14, 15, 17, 18 выполнены в виде хорд окружностей с радиусом R₁, R₂. На фиг.2 показано в качестве примера две окружности с радиусом R₁, R₂ и хордами в виде линейных зеркальных отражателей 14, 15, 17, 18, но в реальных конструкциях в соответствии с пожеланиями изготовителя их может быть несколько десятков.

Солнечный концентраторный модуль на фиг.2 при установке приемника 1 в один ряд имеет апертуру, равную 180°, т.е. работает полный световой день. При установке нескольких концентраторных модулей с параллельным расположением приемников расстояние L между ними определяется путем выбора угла Ψ, соответствующего высоте солнца над горизонтом при полном освещении приемника с учетом затенения его соседними приемниками.

На фиг.3, 4 приемник с двухсторонней рабочей поверхностью содержит встроенные призменные концентраторы 25 и 26 в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями 27, 28, 29, 30, которые наклонены к рабочей поверхности 2 и 3 приемника 1 под углом β=25-39°. Цилиндрический фацетный зеркальный отражатель выполнен из двух ветвей 31 и 32 и имеет апертуру 120°.

Призменные концентраторы 25 и 26 установлены с двух сторон каждого солнечного элемента 33 с двухсторонней рабочей поверхностью. На фиг.6 солнечные элементы 33 в приемнике соединены последовательно в секцию 34; секции соединены между собой параллельно. Секции расположены параллельно фокальным осям 21 и 22. Каждая последовательная секция 34 содержит развязывающий диод 35 и соединена параллельно с другими секциями из последовательно соединенных солнечных элементов 33.

Солнечный концентраторный модуль работает следующим образом.

Солнечное излучение попадает на концентратор, отраженное концентрированное излучение приходит на приемник с двусторонней рабочей поверхностью. Если концентратор установлен стационарно, в первой половине дня работает одна ветвь концентратора со стороны приемника, во второй половине дня - другая ветвь концентратора и другая сторона приемника. В полуденные часы концентратор обеспечивает освещение двух рабочих поверхностей приемника.

Пример 1 выполнения солнечного концентраторного модуля. Фотоприемник (фиг.1) размером 1,2 м × 2,5 м содержит 8 параллельных секций 34, в каждой из которых последовательно соединены 36 двусторонних солнечных элементов 33 размером 125×61,25 мм, каждая секция имеет развязывающие диоды 35. Концентратор с размерами миделя 2,1×2,5 м выполнен из двух ветвей, поперечное сечение представляет собой окружности, равные высоте приемника 1,2 м, радиусом Н=1,8 м с центром в точках O₁ и О₂, расположенных по краям приемника в верхних его точках. Угловая апертура солнечного концентраторного модуля составляет 120°, геометрический коэффициент концентрации в полдень равен k=1,75. Площадь фотоприемника 3 м², пиковая электрическая мощность фотоприемника при стандартной освещенности 1 кВт/м² и температуре 25°С составляет 450 Вт, КПД 15%, пиковая электрическая мощность солнечного концентраторного модуля при оптическом КПД концентратора 0,88 и геометрическом коэффициенте концентрации 1,75 составляет 693 Вт. Солнечный концентраторный модуль с угловой апертурой 120° работает 8 часов в сутки.

Пример 2. Солнечный концентраторный модуль (фиг.2) содержит зеркальные отражатели Френеля 14 и 15, 17 и 18 с общей апертурой 14,4 м, расположенные симметрично. Размеры фотоприемника 2,1×2,5 м аналогично примеру 1 по обе стороны приемника. Высота зеркальных отражателей Френеля над горизонтальной поверхностью 11 равна высоте Н₀ опоры 13 фотоприемника и равна h=Н₀=1,5 м. Поперечное сечение зеркальных отражателей Френеля 14 и 15 образовано окружностями R₁=4,2 м. Поперечное сечение зеркальных отражателей Френеля 17 и 18 образовано окружностями радиусом R²=9,6 м. Угловая апертура модуля равна 180°, время работы 12 часов в сутки. Пиковая электрическая мощность солнечного концентраторного модуля в полдень при геометрическом коэффициенте концентрации k=4,6, оптическом КПД 0,88 составляет 1,8 кВт.

Общий геометрический коэффициент концентрации для солнечного концентраторного модуля составляет k=6 для фиг.3. Предлагаемая конструкция солнечного концентраторного модуля позволяет производить электрическую энергию в течение 8-12 часов в сутки в объеме, превышающем производство электрической энергии солнечным фотоэлектрическим модулем с системой слежения. Стационарное исполнение солнечного концентраторного модуля повышает надежность электроснабжения, а использование стационарных неследящих концентраторов позволяет снизить расход полупроводниковых материалов и стоимость вырабатываемой электроэнергии.

1. Солнечный концентраторный модуль, содержащий приемник с двусторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, отличающийся тем, что приемник установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора, ветви концентратора в поперечном сечении образованы окружностями радиуса R, равного высоте Н приемника с центрами в точках О₁ и O₂, расположенными по краям приемника в верхней его кромке; при этом фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей O₁ и О₂ параллельно верхней кромке приемника, ориентированы в направлении север-юг и наклонены в северном полушарии к плоскости горизонта в южном направлении под углом φ=90°-α, где α - широта местности; причем в южном полушарии фокальные оси наклонены к горизонтальной поверхности в северном направлении под углом φ=90°-α, а в экваториальной зоне с широтой от 30° южной широты до 30° северной широты фокальные оси цилиндрического концентратора параллельны горизонтальной поверхности.

2. Солнечный концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве концентратора использован фацетный зеркальный цилиндрический отражатель.

3. Солнечный концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве концентратора использован зеркальный фацетный отражатель Френеля.

4. Солнечный концентраторный модуль, содержащий приемник с двусторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, отличающийся тем, что приемник содержит встроенные призменные концентраторы в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями, которые наклонены к рабочей поверхности приемника под углом β=25-39°; при этом цилиндрический фацетный зеркальный отражатель выполнен из двух ветвей и имеет апертуру 120°, а призменные концентраторы установлены с двух сторон каждого солнечного элемента с двухсторонней рабочей поверхностью; причем солнечные элементы в приемнике соединены последовательно в секцию; секции соединены между собой параллельно; секции расположены параллельно фокальным осям, и каждая последовательная секция содержит развязывающий диод и соединена параллельно с другими секциями из последовательно соединенных солнечных элементов.

5. Солнечный концентраторный модуль по п.9, отличающийся тем, что в качестве концентратора с зеркальными отражателями использован фацетный цилиндрический зеркальный отражатель.

6. Солнечный концентраторный модуль по п.9, отличающийся тем, что в качестве концентратора с зеркальными отражателями использован зеркальный фацетный отражатель Френеля.