Солнечный модуль с концентратором

Авторы патента:

Стребков Дмитрий Семенович (RU)

Филиппченкова Наталья Сергеевна (RU)

Гаджиев Имран Парвизович (RU)

Y02E10/52 -

H02S40/22 - Производство, преобразование и распределение электрической энергии

Владельцы патента RU 2763117:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. Технический результат: повышение удельной мощности приемника за счет отсутствия потерь энергии на блокировку и затенение в отклоняющей оптической системе, состоящей из плоских зеркальных отражателей. Сущность: концентратор солнечного модуля содержит две круговые отклоняющие оптические системы. Каждая отклоняющая оптическая система выполнена из n=1,2,3…m, где n – натуральное число кольцеобразных зеркальных фацет, имеющих форму усеченного конуса. 2 з.п. ф-лы, 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 и приемник солнечного излучения, на рабочей поверхности концентратора установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели (патент РФ № 2576739, МПК H02S 10/30, F24J 2/42, опубл. 19.05.2014 г., Бюл. 33).

Недостатками известного солнечного модуля являются низкий коэффициент концентрации и высокие оптическое потери.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента концентрации солнечного модуля и снижение оптических потерь.

В результате использования предлагаемого солнечного модуля с концентратором повышается удельная мощность приемника за счет отсутствия потерь энергии на блокировку и затенение в отклоняющей оптической системе, состоящей из плоских зеркальных отражателей.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом 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 зеркальных фацет, имеющая углы входа β₁ и выхода лучей β₂, согласно изобретению, концентратор содержит две круговые отклоняющие оптические системы, каждая отклоняющая оптическая система выполнена из n=1,2,3…m, где n - натуральное число кольцеобразных зеркальных фацет, имеющих форму усеченного конуса, угол выхода лучей β₂ первой круговой отклоняющей оптической системы является углом входа лучей второй круговой отклоняющей оптической системы, углы выхода β₂ и выхода лучей β₃ лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы и углы ϕ₁ и ϕ₂ наклона кольцеобразных зеркальных фацет первой и второй круговой отклоняющей оптической системы связаны соотношением:

β₂ = ϕ₁,

β₃=2ϕ₂ - ϕ₁+arctg(2tgϕ₁),

где ϕ₁ и ϕ₂ - углы наклона кольцеобразных зеркальных фацет, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности в плоскости осевого сечения против часовой стрелки, расстояние а₁ между кольцеобразными зеркальными фацетами и ширина кольцеобразных фацет d₁ первой круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению а₁= d₁sin ϕ₁, при котором для любых углов ϕ₁нижняя грань первой круговой отклоняющей оптической системы и верхняя грань второй круговой отклоняющей оптической системы находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности, ширина d₂кольцеобразных зеркальных фацет второй круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению:

d₂=d₁·tg β₁·cos ϕ₁/sin ϕ₂,

где d₁ - ширина кольцеобразных зеркальных фацет первой круговой отклоняющей оптической системы, а приемник излучения в виде цилиндра высотой H=D/2·ctg β₂ установлен по ходу лучей β₁, β₂ осесимметрично вдоль оси симметрии первой и второй круговой отклоняющей оптической системы диаметром D, поверхность входа лучей образует обратный конус с вершиной на оси симметрии круговой отклоняющей оптической системы с углом при вершине обратного конуса в осевом сечении, равным 180°-2β₀, где β₀- угол между образующей обратного конуса и основанием обратного конуса, совпадающем с миделем концентратора и с рабочей поверхностью солнечного модуля.

В варианте солнечном модуле с концентратором углы β₁ и β₂ выхода лучей первой и второй отклоняющей оптической системы одинаковые для всех кольцеобразных зеркальных фацет.

В другом варианте солнечного модуля с концентратором углы β₁ и β₂ выхода лучей первой и второй отклоняющей оптической системы увеличивается при удалении кольцеобразных зеркальных фацет от центра симметрии модуля с уменьшением высоты H приемника излучения в фокальной области.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая схема солнечного модуля с концентратором и ход лучей в нем (осевое сечение), на фиг. 2 вид в плане солнечного модуля с концентратором.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит рабочую поверхность 1, на которую падает солнечное излучение 2, первую отклоняющую осесимметричную оптическую систему 3 с внешним диаметром D и осью симметрии 4 и вторую оптическую отклоняющую систему 5, выполненных в виде жалюзи из n=1,2,3…m, где n - натуральное число, кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, имеющих форму усеченного конуса, приемник солнечного излучения 8 в виде цилиндра диаметром d высотой H. Обозначим через β₁, β₂ и β₃угол входа лучей и выхода лучей от кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7 в первой и второй отклоняющей оптической системе, d₁ - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 6 первой отклоняющей оптической системы 3, d₂ - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 7 второй отклоняющей оптической системы 5. Угол выхода лучей β₂ первой отклоняющей оптической системы 3 является углом входа лучей второй отклоняющей оптической системы 5, углы выхода β₂ и выхода лучей β₃ лучей первой и второй отклоняющей оптической системы 3 и углы ϕ₁ и ϕ₂ наклона зеркальных фацет 6 и 7 первой и второй отклоняющей оптической системы связаны соотношением:

β₂ = ϕ₁,

β₃=2ϕ₂ - ϕ₁+arctg(2tgϕ₁),

где ϕ₁ и ϕ₂ - углы наклона кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, отсчитывающиеся от вертикали 9 к рабочей поверхности 1 в плоскости осевого сечения против часовой стрелки. Расстояние а₁ между кольцеобразными зеркальными фацетами 6 и 7 и ширина кольцеобразных фацет d₁ первой отклоняющей оптической системы 3 удовлетворяет соотношению а₁= d₁sin ϕ₁, при котором для любых углов ϕ₁нижняя грань 10 первой отклоняющей оптической системы 3 и верхняя грань 11 второй отклоняющей оптической системы 5 находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности 12, ширина d₂кольцеобразных зеркальных фацет 7 второй отклоняющей оптической системы 5 удовлетворяет соотношению:

d₂=d₁·tg β₁·cos ϕ₁/sin ϕ₂

где d₁ - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 6 первой отклоняющей оптической системы 3.

Приемник излучения 8 в виде цилиндра диаметром d и высотой H=D/2·ctg β₂ установлен по ходу лучей β₁, β₂ осесимметрично вдоль оси симметрии 4 первой и второй отклоняющей оптической системы диаметром D.

На фиг.2 отклоняющие оптические системы 3 и 5 диаметром D выполнены в виде жалюзи из кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, имеющих форму усеченного конуса. Расстояние а₁ между кольцеобразными зеркальными фацетами 6 и ширина кольцеобразных фацет 6 d₁ первой отклоняющей оптической системы 3 удовлетворяет соотношению а₁= d₁sin ϕ₁, при котором для любых углов ϕ₁нижняя грань 10 первой отклоняющей оптической системы 3 и верхняя грань 11 второй отклоняющей оптической системы 5 находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности 12.

Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором равен

k=S’_вх/S_ФП=πD²/4/2πd·H=D/4·d·ctg β₂

где D - диаметр модуля с концентратором, d - диаметр приемника излучения, H - высота приемника излучения.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.

Солнечное излучение 2, параллельное оптической оси солнечного модуля с концентратором, поступает на зеркальные фацеты 6 первой отклоняющей оптической системы 3 под углом β₁, после отражения под углом β₂поступает на приемник солнечного излучения 8. Солнечное излучение 2, для которого первая отклоняющая система 3 является прозрачной, поступает на зеркальные фацеты 4 второй отклоняющей оптической системы 5 и после отражения от второй отклоняющей оптической системы 5 под углом β₃ попадает на рабочую поверхность приемника солнечного излучения 8.

Пример солнечного модуля с концентратором.

Солнечный модуль с концентратором диаметром D = 10 м, диаметром фотоприемника d=0,1 м при угле β₂= 30°, ctg β₂=√3, имеет коэффициент концентрации k=1/(4·0,1·√3)=14,45.

Солнечный модуль с концентратором имеет нулевые потери на пропускание и блокировку солнечных лучей и высокий коэффициент концентрации. Выполнение модуля в виде составного концентратора из двух отклоняющих оптических систем с кольцеобразными зеркальными отражателями позволяет увеличить концентрацию солнечного излучения и удельную мощность солнечного модуля с концентратором и сократить оптические потери по сравнению с солнечным модулем с концентратором на основе линейных жалюзийных гелиостатов.

1. 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 зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей с углами входа β₁ и выхода лучей β₂, отличающийся тем, что концентратор содержит две круговые отклоняющие оптические системы, каждая отклоняющая оптическая система выполнена из n=1,2,3…m, где n – натуральное число кольцеобразных зеркальных фацет, имеющих форму усеченного конуса, угол выхода лучей β₂ первой круговой отклоняющей оптической системы является углом входа лучей второй круговой отклоняющей оптической системы, углы выхода β₂ и выхода лучей β₃ лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы и углы φ₁ и φ₂ наклона кольцеобразных зеркальных фацет первой и второй круговой отклоняющей оптической системы связаны соотношением:

β₂ = φ₁,

β₃=2φ₂ – φ₁+arctg(2tgφ₁),

где φ₁ и φ₂ – углы наклона кольцеобразных зеркальных фацет, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности в плоскости осевого сечения против часовой стрелки, расстояние а₁ между кольцеобразными зеркальными фацетами и ширина кольцеобразных фацет d₁ первой круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению а₁= d₁sin φ₁, при котором для любых углов φ₁нижняя грань первой круговой отклоняющей оптической системы и верхняя грань второй круговой отклоняющей оптической системы находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности, ширина d₂кольцеобразных зеркальных фацет второй круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению:

d₂=d₁·tg β₁·cos φ₁/sin φ₂,

где d₁ – ширина кольцеобразных зеркальных фацет первой круговой отклоняющей оптической системы, а приемник излучения в виде цилиндра высотой H=D/2·ctg β₂ установлен по ходу лучей β₁ , β₂ осесимметрично вдоль оси симметрии первой и второй круговой отклоняющей оптической системы диаметром D, поверхность входа лучей образует обратный конус с вершиной на оси симметрии круговой отклоняющей оптической системы с углом при вершине обратного конуса в осевом сечении, равным 180°–2β₀, где β₀– угол между образующей и основанием обратного конуса, совпадающем с миделем концентратора и с рабочей поверхностью солнечного модуля.

2. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что углы β₁ и β₂ выхода лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы одинаковые для всех кольцеобразных зеркальных фацет.

3. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что углы β₁ и β₂ выхода лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы увеличиваются при удалении кольцеобразных зеркальных фацет от центра симметрии модуля с уменьшением высоты H приемника излучения в фокальной области.

Изобретение относится к областям электротехники и гелиотехники, в частности к встроенным в здания солнечным энергетическим модулям. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования установленной мощности, увеличении эффективности преобразования солнечной энергии, снижении тепловых потерь и увеличении среднегодовой выработки тепловой энергии.

Система автономного электроснабжения // 2762163

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам автономного электроснабжения (САЭ). Технический результат заключается в повышении надежности функционирования установки и обеспечении безопасной эксплуатации и достигается тем, что САЭ содержит первичный источник энергии в виде солнечных батарей и установленные внутри термошкафа с защитным кожухом блок контроля и управления, накопитель энергии, вторичный источник энергии в виде топливного генератора на топливных элементах с метанолом, систему охлаждения и вентиляции, включающую датчики температуры, вентиляторы и нагреватели.

Способ обработки несогласованностей в устройствах на основе солнечных элементов и устройства, полученные с его помощью // 2762129

Изобретение относится к гелиотехнике. Способ обработки устройства на основе солнечного элемента для последующего формирования проводящей проводки включает обнаружение по меньшей мере одной несогласованности в поверхности полупроводниковой подложки, имеющей активную область солнечного элемента, образованную в ней, определение топологического рисунка нанесения для формирования проводящей проводки так, чтобы проводящая линия проводящей проводки избегала обнаруженную по меньшей мере одну несогласованность путем прохождения указанной проводящей линии по поверхности полупроводниковой подложки таким образом, чтобы обеспечивался сбор электрического тока, вырабатываемого устройством на основе солнечного элемента, и выборочное нанесение материала проводящей проводки на подложку согласно топологическому рисунку нанесения.

Гибридный энергетический комплекс // 2759192

Изобретение относится к гибридным энергетическим комплексам и предназначено для бесперебойного электро-, тепло- и холодоснабжения локальных объектов. Гибридный энергетический комплекс (ГЭК) содержит фотоэлектрический преобразователь, приводной дизель, механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором, аккумуляторную батарею, выполняющую роль аварийного источника питания и выполненную с возможностью соединения через выпрямитель с выходом аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока и через инвертор к потребителям переменного тока, тепловой преобразователь, трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы.

Устройство для исследования систем слежения за солнцем // 2758783

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к системам слежения за солнцем. Изобретение можно использовать для увеличения захвата солнечных лучей, увеличения энергии, вырабатываемой этими системами, и повышения их эффективности.

Автономный солнечный фототеплотрубный водонагреватель // 2758738

Изобретение относится к области использования солнечной энергии, в частности к устройствам преобразования энергии светового излучения в тепло и электричество, и предназначено для получения горячей воды и электричества для бытовых нужд с помощью солнечного излучения. Автономный солнечный фототеплотрубный водонагреватель содержит бак с тепловым коллектором, выполненным в виде наклонных граней призмы, теплоизоляцию, покрывающую наружные поверхности бака, причем бак выполнен в виде расположенной вдоль конька крыши тепловой трубы, изготовленной в форме продольного бака, выполненного из металла с высокой теплопроводностью, полость которого является адиабатной зоной переноса теплоты, наружная поверхность теплового коллектора покрыта фотоэлементами, соединенными между собой и снабженными на торцах выходными коллекторами одноименных зарядов, соединенными с преобразователем и аккумулятором, днище бака - зона конденсации выполнено в виде щелевого канала для подогрева воды, выполненного с уклоном i, обеспечивающим протекание воды самотеком, снабженного патрубками входа и выхода подогреваемой воды, верхняя поверхность щелевого канала и внутренняя поверхность теплового коллектора - зона испарения покрыты решеткой, выполненной из пористого материала, боковые поверхности бака покрыты слоем пористого материала, а выходной патрубок соединен с накопительной емкостью, внутри которой помещен электронагреватель, соединенный с аккумулятором.

Солнечная гибридная энергетическая установка для зданий // 2755657

Изобретение относится к области электротехники, в частности к солнечным энергетическим установкам для зданий для получения электрической энергии и теплоты. Технический результат заключается в увеличении времени работы солнечных модулей в утренние и вечерние часы, повышается коэффициент использования установленной мощности гелиотехнических устройств и достигается тем, что в солнечной гибридной энергетической установке для зданий, содержащей установленные параллельно поверхности крыши здания отражатели солнечного излучения и перпендикулярно поверхности крыши солнечные модули из скоммутированных солнечных элементов с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, односторонние солнечные модули установлены попарно с зазором d между ними, в зазоре между модулями установлен теплообменник с двусторонним абсорбером, пространство между двумя солнечными модулями и двусторонним абсорбером с каналами для прокачки теплоносителя заполнено слоем силиконового геля, толщина слоя силиконового геля и двухстороннего абсорбера соизмерима с толщиной d зазора между солнечными модулями.

Солнечный дом // 2755204

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты. В солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу с установленными параллельно поверхности крыши отражателями солнечного излучения и установленными в меридиональном направлении двусторонними солнечными модулями в защитной оболочке из стекла с каждой стороны модуля с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, на одной стороне модуля по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой закреплена герметичная камера из прозрачного материала для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, соединенная с контуром горячего водоснабжения и отопления солнечного дома.

Система терморегулирования для управления температурой отражающей поверхности, имеющей массив концентраторов солнечной энергии // 2754718

Изобретение относится к массивам концентраторов солнечной энергии и, в частности, к системам и способам терморегулирования массивов концентраторов солнечной энергии. Раскрыта система терморегулирования для управления температурой селективно отражающей панели.

Магнитоэлектрический генератор // 2752389

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами и солнечными модулями. В предлагаемом магнитоэлектрическом генераторе, содержащем ротор с осью вращения с двумя скользящими контактами и постоянные магниты, ротор выполнен в виде цилиндра из электроизоляционного материала, на цилиндрической поверхности ротора параллельно его оси закреплены n секций из m изолированных плоских двойных ленточных проводников, плоскости которых перпендикулярны плоскости осевого сечения ротора, каждый изолированный плоский двойной ленточный проводник в секции состоит из двух изолированных друг от друга плоских ленточных проводников, соединенных последовательно, расположенных параллельно друг к другу в одной плоскости и установленных в плотном контакте между торцами постоянных магнитов, которые ориентированы по отношению друг к другу противоположными парами полюсов, все m изолированных плоских двойных ленточных проводников в n секциях соединены последовательно и образуют электрическую обмотку ротора, выводы электрической обмотки ротора присоединены к скользящим контактам, установленным вокруг оси ротора на его торце.

Гибридный солнечный модуль // 2763781

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям для получения тепла. Технический результат заключается в увеличении КПД, увеличении среднегодовой выработки тепловой энергии, снижении массогабаритных показателей. Технический результат достигается тем, что в гибридном солнечном модуле, содержащем защитное стеклянное покрытие, скоммутированные солнечные элементы и теплообменник, соединенный с системой горячего водоснабжения и отопления здания, теплообменник выполнен в виде воздушного коллектора с каналами для теплоносителя воздуха в прозрачном для солнечного излучения корпусе и установлен по площади защитного стеклянного покрытия, причем защитное стеклянное покрытие и теплообменник в виде воздушного коллектора расположены с двух сторон скоммутированных двухсторонних солнечных элементов, при этом для отопления здания воздушный коллектор присоединен теплоизолированным воздуховодом с вентилятором к системе воздушного отопления здания, для горячего водоснабжения воздушный коллектор присоединен через теплоизолированный воздуховод с вентилятором и теплообменником воздух-вода к системе горячего водоснабжения и отопления здания, а скоммутированные солнечные элементы через инвертор соединены с электроводонагревателем системы горячего водоснабжения здания. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.