Солнечный модуль с концентратором
Владельцы патента RU 2645800:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к области гелиотехники, в частности к солнечным модулям с концентраторами и фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения. Солнечный модуль с концентратором содержит кольцеобразный полутороидальный зеркальный отражатель и приемник излучения с двусторонней рабочей поверхностью, установленный в центре симметрии модуля в плоскости миделя, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β0. Диаметр приемника излучения равен диаметру поперечного сечения. На поверхности миделя, свободной от приемника, установлена прозрачная для излучения круговая оптическая отклоняющая система из n=1, 2, 3…m, где n - натуральное число, кольцеобразных призм с острым углом ψ между поверхностью входа и выхода лучей, плоскости поверхности входа лучей отклоняющей круговой оптической системы параллельны плоскости миделя, а угол входа лучей β0, острый угол ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с углом выхода лучей β4 соотношением, указанным в формуле изобретения. В результате использования изобретения становится возможным увеличение использования солнечного излучения с большим углом входа лучей при низком положении Солнца над горизонтом. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области гелиотехники, в частности к солнечным модулям с концентраторами и фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения.
Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий кольцеобразный полутороидальный зеркальный отражатель и приемник излучения с двусторонней рабочей поверхностью, установленный в центре симметрии модуля в плоскости миделя, на который падает солнечное излучение с углом входа лучей β0, диаметр приемника излучения равен диаметру поперечного сечения тора (патент РФ №2295675, МПК F24J 2/06, опубл. 20.03.2007 г. Бюл. №8). Полутороидальный концентратор образован разрезанием тороида на две симметричные поверхности плоскостью, проходящей через центры поперечного сечения тороида. Поперечное сечение полутороидального отражателя состоит их двух полуокружностей, которые являются образующими кольцеобразного полутороидального отражателя. Приемник излучения лицевой и тыльной рабочей поверхностью установлен в плоскости миделя. Поперечное сечение отражателя имеет радиус r и удалено от центра симметрии отражателя на расстояние R, R=r. Центр симметрии приемника совпадает с центром симметрии отражателя.
Недостатком известного солнечного модуля является неполное собирание солнечного излучения на приемнике при больших углах входа лучей.
Предложенное изобретение решает следующую техническую задачу: увеличивает оптический КПД солнечного модуля за счет концентрации излучения на приемнике излучения при больших углах падения лучей.
В результате применения предлагаемого изобретения становится возможным увеличение использования солнечного излучения с большим углом входа лучей при низком положении Солнца над горизонтом.
Технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащем кольцеобразный полутороидальный зеркальный отражатель и приемник излучения с двусторонней рабочей поверхностью, установленный в центре симметрии модуля в плоскости миделя, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β0, диаметр приемника излучения равен диаметру поперечного сечения, согласно изобретению, на поверхности плоскости миделя, свободной от приемника, установлена прозрачная для излучения круговая оптическая отклоняющая система из n=1, 2, 3…m, где n - натуральное число, кольцеобразных призм с острым углом ψ между поверхностью входа и выхода лучей, плоскости поверхности входа лучей отклоняющей круговой оптической системы параллельны плоскости миделя, а угол входа лучей β0, острый угол ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с углом выхода лучей β4 следующим соотношением:
В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором острый угол ψ между поверхностями входа и выхода лучей круговой отклоняющей оптической системы одинаков для всех кольцеобразных призм.
В другом варианте конструкции солнечного модуля с концентратором острый угол ψ между поверхностями входа и выхода лучей круговой отклоняющей оптической системы увеличивается при удалении кольцеобразных призм от центра симметрии модуля с образованием линзы Френеля с фокальной областью.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - общий вид солнечного модуля с концентратором;
на фиг. 2 - поперечное сечение солнечного модуля с концентратором в меридиональной плоскости;
на фиг. 3 - ход лучей в круговой оптической отклоняющей системе.
На фиг. 1 солнечный модуль с концентратором имеет приемник излучения 1 круглой или квадратной (показан пунктиром) формы, установленный на оси симметрии 2 модуля в плоскости миделя 3, и круговую оптическую отклоняющую систему 4 с коэффициентом преломления n на основе множества кольцеобразных призм 5, установленных на рабочей поверхности 6 (фиг. 2) модуля, на которую падает излучение 7. Оптическая отклоняющая система 4 расположена между внешней границей 8 диаметром D солнечного модуля с концентратором и внешней границей 9 приемника 1 диаметром d.
На фиг. 2 круговая оптическая отклоняющая система 4 выполнена из двух ориентированных от внешней границы 8 к центру симметрии 2 кольцеобразных призм 5 с острым углом ψ между поверхностью 10 входа и поверхностью 11 выхода лучей. Круговая оптическая отклоняющая система 4 и полутороидальный зеркальный отражатель 12 диаметром D установлены осесимметрично относительно оси симметрии 2. Диаметр D полутороидального зеркального отражателя 12 и диаметр приемника 1 d связаны соотношением D=2d. Приемник 1 встроен осесимметрично в круговую оптическую отклоняющую систему 4 и имеет две рабочие поверхности: переднюю 13, на которую падает солнечное излучение 7, и внутреннюю 14, на которую солнечное излучение поступает после отражения от полутороидального зеркального отражателя 12.
На фиг. 3 показан ход лучей в солнечном модуле с концентратором, где β0 - угол входа лучей на поверхность входа 10 в круговую оптическую отклоняющую систему 4, β1 - угол между преломленным лучом и нормалью к поверхности входа 10 лучей внутри круговой оптической отклоняющей системы 4, β2 - угол выхода лучей на поверхность выхода 11 внутри круговой оптической отклоняющей системы 4, β3 - угол выхода лучей на поверхности выхода 11 снаружи круговой оптической отклоняющей системы 4.
Угол β4 - угол входа лучей у поверхности входа 15 полутороидального зеркального отражателя 12. Углы β0, β1, β2, β3, β4 являются углами между направлениями лучей и нормалью к соответствующей поверхности. Поскольку поверхности входа 10 и 15 лучей параллельны, угол β0, ответственный за косинусные потери, равен углу β4 входа в полутороидальный зеркальный отражатель 12.
Апертурный угол α солнечного модуля с концентратором принимаем равным α=±60°, а полутороидального зеркального отражателя 12 β4max±90°. За положительное направление углов α и β принимаем углы падения солнечного излучения 7, при котором угол между лучом 7 и направлением на вершину призмы с острым углом ψ меньше 90°, и отрицательным, если больше 90°. Угол β0=0 соответствует нормальному падению солнечного излучения на поверхность входа круговой оптической отклоняющей системы.
Для лучей слева от приемника излучения на фиг. 2 и 3:
Если задано β0,
Тогда из формул (1)-(4) угол входа лучей β0, острый угол ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с углом выхода лучей β4 следующим соотношением:
Из формул (5)-(8):
Для углов β2, которые больше угла полного внутреннего отражения 
, солнечное излучение будет распространяться к приемнику 1 внутри круговой оптической отклоняющей системы 4.
Численный расчет (1)-(4) при n=1,5, ψ=20°, β4=50°; β3=70°; β2=40,49°; β1=20,49°; β0=31,47°. По формулам (5)-(8) при n=1,5, ψ=20°, β0=30°; β1=19,57°; β2=39,57; β3=67,62°: β4=47,62.
Формулы (1)-(8) справедливы и для лучей 7 справа от приемника 1 на фиг. 2 и 3, но углы входа лучей 7 β0 имеют отрицательные значения.
В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором острый угол ψ между поверхностями входа 10 и выхода лучей 11 круговой отклоняющей оптической системы не является постоянным по величине для всех кольцеобразных призм 5, а возрастает при удалении кольцеобразных призм 5 от оси симметрии 2 солнечного модуля с концентратором, как это имеет место в линзах Френеля, в которых преломленные лучи собираются в фокальной области линзы.
Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.
Солнечное излучение в центральной зоне диаметром d поступает на переднюю часть приемника 1, а солнечное излучение из периферийной зоны за пределами приемника 1 после преломления в круговой оптической отклоняющей системе 4 отражается от поверхности полутороидального концентратора 12 и поступает на внутреннюю поверхность приемника 1.
Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором:
,
где D - диаметр полутороидального солнечного концентратора,
d - диаметр приемника.
При D=312 мм, d=156 мм, k=4.
В качестве приемника может быть использован солнечный элемент из кремния с двусторонней рабочей поверхностью, а также тепловой солнечный коллектор для горячего водоснабжения и отопления.
Преимуществом предложенного солнечного модуля по сравнению с прототипом является высокий оптический КПД за счет собирания круговой отклоняющей оптической системой лучей с большим углом входа лучей при низком положении Солнца над горизонтом. Солнечный модуль в пределах апертурного угла концентрирует прямое и рассеянное солнечное излучение.
1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий кольцеобразный полутороидальный зеркальный отражатель и приемник излучения с двусторонней рабочей поверхностью, установленный в центре симметрии модуля в плоскости миделя, на которую падает солнечное излучение с углом входа лучей β0, диаметр приемника излучения равен диаметру поперечного сечения, отличающийся тем, что на поверхности плоскости миделя, свободной от приемника, установлена прозрачная для излучения круговая оптическая отклоняющая система из n=1, 2, 3…m, где n - натуральное число, кольцеобразных призм с острым углом ψ между поверхностью входа и выхода лучей, плоскости поверхности входа лучей отклоняющей круговой оптической системы параллельны плоскости миделя, а угол входа лучей β0, острый угол ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с углом выхода лучей β4 следующим соотношением:
,
.
2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что острый угол ψ между поверхностями входа и выхода лучей круговой отклоняющей оптической системы одинаков для всех кольцеобразных призм.
3. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что острый угол ψ между поверхностями входа и выхода лучей круговой отклоняющей оптической системы увеличивается при удалении кольцеобразных призм от центра симметрии модуля с образованием линзы Френеля с фокальной областью.
