Солнечный модуль с концентратором
Владельцы патента RU 2576752:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства"(ФГБНУ ВИЭСХ) (RU)
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электрической энергии и теплоты. В солнечном модуле с концентратором, имеющим рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический концентратор с поверхностью входа лучей и приемник излучения, установленный между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического концентратора, причем на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей с поверхностями входа и выхода лучей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической отклоняющей системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β0, выхода лучей β1 для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β0 и β2 для дополнительных зеркальных отражателей, угол φ и φ1 наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей и апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора δ связаны соотношениями. Изобретение должно обеспечить повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получения электроэнергии и теплоты. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электрической энергии и теплоты.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий скоммутированные и установленные между двумя листами стекла двухсторонние солнечные элементы в виде полос, перпендикулярных основанию модуля, с тыльной стороны которых симметрично относительно середины солнечных элементов установлены два полуцилиндрических концентратора, суммарная площадь апертуры которых в два раза больше площади солнечных элементов. При установке под углом к горизонту, равным широте местности и полярной ориентации оси концентраторов юг-север, фотоэлектрический модуль работает круглый год без слежения за солнцем с теоретическим коэффициентом концентрации К=2. Фактический коэффициент концентрации с учетом оптического КПД на отражение составляет 1,56 (I. Edmonds, Solar Energy Materials. 1990. Ν 21. P. 173-190).
Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации и высокая стоимость модуля, практически равная стоимости фотоэлектрического модуля без концентратора.
Известен солнечный модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридиональной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического (в дальнейшем - полупараболоцилиндрического) отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины полупараболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения, параллельно его основанию, и совпадает с краем полосы приемника излучения, а угол наклона плоскости симметрии параболоцилиндрического отражателя к горизонтальной поверхности равен α=114°-δ-γ, если фокальная ось и приемник в северном полушарии смещены к южной стороне несимметричного отражателя, и равен α=114°-δ, если фокальная ось и приемник в северном полушарии смещены к северной стороне параболоцилиндрического отражателя, где γ - широта местности в месте установки солнечного модуля, а δ - апертурный угол параболоцилиндрического отражателя.
Для обеспечения непрерывной работы солнечного модуля в течение года без слежения с наружной стороны защитного прозрачного ограждения установлено с зазором параллельно ему дополнительное защитное прозрачное ограждение, в зазоре между двумя ограждениями установлены управляемые дистанционно горизонтальные жалюзи с фацетами, которые имеют с двух сторон зеркальное покрытие, а ширина фацет в 3-4 раза превышает расстояние между фацетами (прототип) (патент РФ №2172903, БИ №24, 2000 г.).
Недостатком известного модуля являются большие косинусные потери излучения, равные 1-cos (90°-2φ), связанные с отклонением плоскости симметрии параболоцилиндрического отражателя от нормали к рабочей поверхности модуля, и оптические потери на пропускание в горизонтальных жалюзи с фацетами. Например, при апертурном угле φ=24° косинусные потери солнечного излучения составляют 1-cos 42°=0,257, т.е. 25,7%.
Задачей изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получения электроэнергии и теплоты.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический концентратор с поверхностью входа лучей и приемник излучения, установленный между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического концентратора, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей с поверхностями входа и выхода лучей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической отклоняющей системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β0, выхода лучей β1 для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β0 и β2 для дополнительных зеркальных отражателей, угол φ и φ1 наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей и апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора δ связаны соотношениями
где δ, φ и φ1 - отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, β0, β1 и β2 - углы входа и выхода лучей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между основными зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина основных зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению a=d·sinφ, при котором для любых углов φ нижняя грань основного зеркального отражателя и верхняя грань следующего основного зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а ширина дополнительных зеркальных отражателей d1 удовлетворяет соотношению
где d - ширина основных зеркальных отражателей.
В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором модуль содержит две встречно отклоняющие лучи оптические системы и два полупараболоцилиндрических концентратора с общей фокальной осью и с общим двухсторонним приемником, угол между основными зеркальными отражателями двух отклоняющих встречно лучи оптических систем составляет 2(φ-β0), а угол между поверхностями входа полупараболоцилиндрических концентраторов составляет 180°-2β0.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3.
На фиг. 1 представлен общий вид отклоняющей оптической системы солнечного модуля и ход лучей в нем. На фиг. 2 - переотражение лучей в солнечном модуле с полупараболоцилиндрическим концентратором с помощью дополнительных зеркальных отражателей (поперечное сечение). На фиг. 3 - солнечный модуль с отклоняющей оптической системой с одним полупараболоцилиндрическим концентратором. На фиг. 4 - солнечный модуль с концентратором, состоящий из двух отклоняющих оптических систем и двух полупараболоцилиндрических концентраторов.
На фиг. 1 солнечный модуль с концентратором содержит рабочую поверхность 1, на которую падает излучение 2, отклоняющую оптическую систему 3 с поверхностью входа 4 и выхода 5 лучей, высотой h, шириной l и длиной L, состоящую из основных зеркальных отражателей 6, установленных под углом φ к вертикали к рабочей поверхности 1, и дополнительных зеркальных отражателей 7, установленных на поверхности выхода 5 отклоняющей оптической системы 3 под углом β1. Основные зеркальные отражатели 6 установлены друг от друга на расстоянии а.
Количество основных 6 и дополнительных 7 зеркальных отражателей в отклоняющей оптической системе 3 
Обозначим через β0 и β1 угол входа луча и выхода лучей от основных зеркальных отражателей 6 в отклоняющей оптической системе 3. Углы β0 и β1 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности. Угол β1 выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии ОЕ=2а-δ от линии АВ входа луча, где δ - бесконечно малая величина, обеспечивающая полную оптическую прозрачность отклоняющей оптической системы 3.
Принимая h=1, получим
I
Для лучей, нормальных к поверхности отклоняющей оптической системы 3
Тогда из (1) следует, что
Равенство (2) возможно только при φ→0.
Для угла наклона основных зеркальных отражателей 6 φ>0 и угла входа лучей β0>0 имеет место равенство: β1=2φ-β0.
Подставляя β1 из (1), получим
На фиг. 2 пропускание Δ от основных зеркальных отражателей 6 лучей β0 составляет:
из треугольников BDN и DNK
где d и d1 - размеры основных 6 и дополнительных 7 зеркальных отражателей.
Из (4) получаем соотношение для ширины дополнительных зеркальных отражателей d1
Угол выхода лучей β2 от дополнительных зеркальных отражателей 7 для лучей входа β0 равен:
Установка дополнительных зеркальных отражателей 7 позволяет отклонить на угол β2 те лучи β0, для которых отклоняющая оптическая система 3 из основных зеркальных отражателей 6 была прозрачна и обеспечить 100%-е переотражение всех лучей β0, поступающих на рабочую поверхность 1 солнечного модуля с концентратором. Полупараболоцилиндрический концентратор 8 с параметрическим углом δ, фокальной осью F и вершиной О имеет поверхность входа 9 лучей, которая параллельна поверхности выхода 5 отклоняющей оптической системы 3. Приемник 10 установлен между фокальной осью F и вершиной О полупараболоцилиндрического концентратора 8.
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 3 отклоняющая оптическая система 3 шириной В=QO1 создает на поверхности полупараболоцилиндрического концентратора 8 поток параллельных лучей с углами β1 и β2.
Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором с учетом косинусных потерь равен
На фиг. 4 солнечный модуль с концентратором содержит две отклоняющие лучи встречно оптические системы 11 и 125, у которых угол между основными зеркальными отражателями 13 и 14 двух отклоняющих оптических систем составляет Q1=2φ0-2β0, а угол между поверхностями входа 15 и 16 равен Q2=180°-2β0. Солнечный модуль содержит два полупараболоцилиндрических концентратора 17 и 18 с общей фокальной осью F, общим двухсторонним приемником 19, у которых поверхности входа 20 и 21 образуют угол Q3=Q2=180°-2β0. Линии 22 и 23, которые являются касательными к поверхности полупараболоцилиндрических концентраторов 17 и 18, у поверхностей входа 20 и 21 и внешними границами апертурных углов образуют между собой угол Q4=180°-2(δ+β0). Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 равен
Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1, 2, 3). Солнечное излучение 2 поступает под углом β0 на рабочую поверхность 1 солнечного модуля с концентратором, совмещенную с поверхностью входа 4 отклоняющей оптической системы 3, отражается от основных зеркальных отражателей 6 под углом β1 и от дополнительных зеркальных отражателей 7 под углом β2, поступает на поверхность входа 9 полупараболоцилиндрического концентратора 8, отражается от полупараболоцилиндрической поверхности концентратора и поступает на приемник 10 при условии β1≥90°-2δ.
Пример выполнения солнечного модуля с концентратором (фиг. 1, 2, 3).
Отклоняющая оптическая система 3 состоит из основных зеркальных отражателей 6 размером d=50 мм, дополнительных зеркальных отражателей 7 d1=6,86 мм, расстояние между основными отражателями а=20 мм, l=1250 мм. Угол наклона основных зеркальных отражателей 6 φ=22,5°, дополнительных зеркальных отражателей 7 φ1=39,6°, угол входа лучей β0=5,4°, углы выхода лучей β1=39,6°, β2=73,8°, пропускание Δ=4,37 мм, апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора 8 δ=26,2°, зеркальные отражатели концентратора 8 выполнены из стеклянных фацет. Приемник 10 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 м. Общий КПД модуля 11,946%. Пиковая электрическая мощность 82,13 Вт при освещенности 1 кВт м2 и температуре 25°С.
Солнечные планарные кремниевые модули в 2014 г. продавались по заводской цене 0,945 долл./Вт в Германии и 0,792 долл./Вт в Китае (Beate Knoll, Anne Kreutzmanna. Pain threshold reached. Photon International, March 2014, p. 40-44). При среднем КПД 15% стоимость модулей составляет 141,75 долл./м2 в Германии и 118,8 долл./м2 в Китае. Несмотря на то что стоимость установленной мощности солнечных энергоустановок ниже стоимости угольных и атомных электростанций, стоимость электрической энергии, вырабатываемой солнечными энергоустановками, превышает стоимость электрической энергии от традиционных источников энергии. Основная причина - низкий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) солнечных энергоустановок от 0,114 в Германии до 0,17 в Анапе (Россия) и 0,25 в экваториальных странах. Чтобы компенсировать низкий КИУМ, необходимо дальнейшее снижение стоимости солнечных модулей и использование солнечных концентраторов.
Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 4-5 из условия естественного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Такие солнечные модули с концентраторами могут быть использованы в стационарном исполнении для крыш и фасадов домов и со следящими системами для установки 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 для Германии 86,58 долл./м2, 0,378 долл./Вт, т.е. снизится в 2,5 раза, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля. Стоимость солнечного модуля с концентратором для Китая составит 52 долл./м2, 0,349 долл./Вт.т.е. снизится в 2,27 раза по сравнению с солнечным модулем без концентратора.
По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет небольшие косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость. Приемник 10 может быть выполнен с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и (или) горячей воды.
1. Солнечный модуль с концентратором, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический концентратор с поверхностью входа лучей и приемник излучения, установленный между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического концентратора, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей с поверхностью входа и выхода лучей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, отличающийся тем, что на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели, углы входа β0, выхода лучей β1 для основных зеркальных отражателей, углы входа лучей β0 и β2 для дополнительных зеркальных отражателей, угол φ и φ1 наклона основных и дополнительных зеркальных отражателей и апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора δ связаны соотношениями
β0=2φ-arctg(2tgφ),
β1=φ1=2φ-β0,
β2=2φ1-β0,
где δ, φ и φ1 - отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, β0, β1 и β2 - углы входа и выхода лучей, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между основными зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина основных зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению а=d·sin φ, при котором для любых углов φ нижняя грань основного зеркального отражателя и верхняя грань следующего основного зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а ширина дополнительных зеркальных отражателей d1 удовлетворяет соотношению
где d - ширина основных зеркальных отражателей.
2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что модуль содержит две встречно отклоняющие лучи оптические системы и два полупараболоцилиндрических концентратора с общей фокальной осью и с общим двухсторонним приемником, у которых угол между плоскостями основных зеркальных отражателей двух встречно отклоняющих лучи оптических систем равен 2(φ~β0), а угол между поверхностями входа полупараболоцилиндрических концентраторов составляет 180°-2β0.
