Солнечный модуль с концентратором

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. Технический результат состоит в повышении удельной мощности приемника за счет отсутствия потерь энергии на блокировку и затенение в отклоняющей оптической системе. Для этого в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, концентратор выполнен в виде голографической линзы. 2 ил.

 

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

Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий голографическую сетку, разделяющую падающий спектр солнечного излучения на видимый и инфракрасный диапазон, а также линзу Френеля, концентрирующую видимый спектр на фотоэлектрический преобразователь, а инфракрасный спектр – на теплообменник (Xia, X.W.; Parfenov, A.V.; Aye, T.M.; Shih, M.-Y. Efficient hybrid electric and thermal energy generation. In Proceedings of SPIE, San Diego, CA, USA, 22–24 August 2011).

Недостатками известного модуля являются потери на френелевское отражение, высокая материалоемкость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль, содержащий концентратор энергии, состоящий из голографической линзы, которая фокусирует падающее излучение на теплофотоэлектрический приемник, солнечный модуль с концентратором интегрирован в систему солнцезащитных ламелей, вращающихся вслед за движением Солнца (Julia Marín-Sáez, Daniel Chemisana, Álex Moreno, Alberto Riverola, Jesús Atencia and María-Victoria Collados. Energy Simulation of a Holographic PVT Concentrating System for Building Integration Applications. Energies 2016, 9, 577; 25 July 2016).

Недостатками всех известных типов солнечных модулей является низкая удельная мощность приемника солнечного излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение удельной мощности приемника солнечного излучения.

В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность приемника за счет того, что концентратор выполнен в виде голографической линзы с гелиостатом, имеющим нулевые потери солнечной энергии на блокировку и затенение.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, согласно изобретению, концентратор выполнен в виде голографической линзы, при этом проекция угла на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы между направлением на Солнце и базовой плоскостью h, угол возвышения нормали к зеркальной поверхности отражателей относительно базовой плоскости z, ширина зеркальных отражателей b, минимальное расстояние между зеркальными отражателями для предотвращения затенения и блокировки t_bs связаны соотношением:

,

где b – ширина зеркальных отражателей,

t_bs – шаг зеркальных отражателей, предотвращающий блокировку и затенение,

h –проекция на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы угла между направлением на Солнце и базовой плоскостью,

z – угол возвышения нормали к зеркальной поверхности отражателя относительно базовой плоскости.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема отклоняющей оптической системы солнечного модуля с концентратором, на фиг. 2 представлен ход лучей в солнечном модуле с концентратором с отклоняющей оптической системой, состоящей из миниатюрных зеркальных отражателей в виде жалюзи из параллельных плоских фацет и голографическим концентратором с общим приемником.

Солнечный модуль с концентратором содержит рабочую поверхность 1, на которую падает солнечное излучение 4, зеркальную отклоняющую оптическую систему 2, состоящую из зеркальных отражателей 3 шириной b, установленных под углом z относительно базовой плоскости 5. Зеркальные отражатели 3 установлены друг от друга на расстоянии t_b.

Для предотвращения эффекта блокировки зеркальных отражателей 3 шаг между соседними отражателями устанавливается не менее t_b (фиг. 1).

По теореме синусов:

где b – ширина зеркального отражателя 3,

t_b – шаг зеркальных отражателей 3, предотвращающий блокировку,

γ – угол снижения отражённого потока солнечного излучения 4 относительно базовой плоскости 5 (фиг. 1).

Угол ε определен следующим образом:

или

где α – угол между зеркальной поверхностью отражателя 3 и базовой плоскостью 5,

z – угол возвышения вектора нормали 6 к зеркальной поверхности отражателя 3 относительно базовой плоскости 5,

γ – угол снижения отражённого потока солнечного излучения 4 относительно базовой плоскости 5.

Тогда

где b – ширина зеркального отражателя 3,

t_b – шаг зеркальных отражателей 3, предотвращающий блокировку,

z – угол возвышения вектора нормали 6 к зеркальной поверхности отражателя 3 относительно базовой плоскости 5,

γ – угол снижения отражённого потока солнечного излучения 4 относительно базовой плоскости 5.

Минимальное расстояние t_s между зеркальными отражателями 3 (фиг.1), позволяющее избежать затенения, определяется следующим образом.

Аналогично предыдущему:

где h –проекция на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы 2 угла между направлением на Солнце и базовой плоскостью 5, при этом 0 ≤ h ≤  180°,

b – ширина зеркального отражателя 3,

t_s – шаг зеркальных отражателей 3, предотвращающий затенение.

Угол φ определяется через углы h и z:

где h –проекция на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы 2 угла между направлением на Солнце и базовой плоскостью 5, при этом 0 ≤ h ≤  180°,

z – угол возвышения вектора нормали 6 к зеркальной поверхности отражателя 3 относительно базовой плоскости 5.

Тогда

где h –проекция на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы 2 угла между направлением на Солнце и базовой плоскостью 5, при этом 0 ≤ h ≤  180°,

z – угол возвышения вектора нормали 6 к зеркальной поверхности отражателя 3 относительно базовой плоскости 5,

b – ширина зеркального отражателя 3,

t_s – шаг зеркальных отражателей 3, предотвращающий затенение.

Из рассмотрения фиг. 1 следует, что

где h –проекция на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы 2 угла между направлением на Солнце и базовой плоскостью 5, при этом 0 ≤ h ≤  180°,

z – угол возвышения вектора нормали 6 к зеркальной поверхности отражателя 3 относительно базовой плоскости 5,

γ – угол снижения отражённого потока солнечного излучения 4 относительно базовой плоскости 5.

Тогда минимальное расстояние между зеркальными отражателями 3 для предотвращения затенения зеркальных поверхностей

а для предотвращения блокировки

Из (9) и (10) получаем соотношение, связывающее высоту Солнца h, угол наклона z зеркальных отражателей 3, шаг t_bs зеркальных отражателей 3 и ширину b для одновременного предотвращения эффектов блокировки и затенения

где t_bs – шаг зеркальных отражателей, предотвращающий блокировку и затенение,

b – ширина зеркального отражателя 3,

h –проекция на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы 2 угла между направлением на Солнце и базовой плоскостью 5, при этом 0 ≤ h ≤  180°,

z – угол возвышения вектора нормали 6 к зеркальной поверхности отражателя 3 относительно базовой плоскости 5.

На фиг.2 показан ход лучей в солнечном модуле с голографическим концентратором 7.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 2 содержит голографический концентратор 7, теплофотоэлектрический приемник 8, поверхность входа 9, на которой установлены соединенные в гелиостат 10 миниатюрные зеркальные отражатели 3. Теплофотоэлектрический приемник 8 содержит соединенные солнечные элементы 11, электроизолированные от теплообменника 12. Расстояние t_bs между зеркальными отражателями 3, а также угол наклона z зеркальных отражателей устанавливаются в соответствии с (11).

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.

Солнечное излучение поступает на зеркальный отражатель 3 под углом h, попадает на рабочую поверхность голографического концентратора 7 после отражения от зеркального отражателя 3 и преобразования в голографическом концентраторе 7 попадает на теплофотоэлектрический приемник 8.

Гелиостат 10 представляет собой параллельные ряды синхронно работающих зеркальных отражателей 3. Расстояние t_bs между зеркальными отражателями 3, а также угол наклона z зеркальных отражателей 3 устанавливаются в соответствии с (11) в зависимости от значения угла h, характеризующего положение Солнца относительно гелиостата 10.

Выполнение модуля в виде составного концентратора из голографической линзы с миниатюрными зеркальными отражателями позволяет исключить потери энергии в гелиостате на блокировку и затенение, увеличить концентрацию солнечного излучения и удельную мощность солнечного модуля с концентратором по сравнению с солнечным модулем с призменным концентратором и уменьшить толщину модуля по сравнению с солнечным модулем с концентратором на основе фоклина и призмы.

Солнечный модуль с концентратором, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, отличающийся тем, что концентратор выполнен в виде голографической линзы, при этом проекция угла на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы между направлением на Солнце и базовой плоскостью h, угол возвышения нормали к зеркальной поверхности отражателя относительно базовой плоскости z, ширина зеркального отражателя b, минимальное расстояние между зеркальными отражателями для предотвращения затенения и блокировки t_bs связаны соотношением:

,

где b – ширина зеркальных отражателей,

t_bs – шаг зеркальных отражателей, предотвращающий блокировку и затенение,

h – проекция на плоскость симметрии отклоняющей оптической системы угла между направлением на Солнце и базовой плоскостью,

z – угол возвышения нормали к зеркальной поверхности отражателя относительно базовой плоскости.