Солнечная энергетическая установка с концентратором
Владельцы патента RU 2775175:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к областям электротехники и гелиотехники, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения для получения электроэнергии и тепла. Технический результат заключается в повышении КПД и достигается тем, что в солнечной энергетической установке с концентратором, выполненной в виде ламелей, содержащих концентратор, приемник излучения и устройство слежения за солнцем, на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности закреплен концентратор, выполненный в виде линейной линзы Френеля из прозрачного материала, по всей площади поверхности приемника излучения в тепловом контакте закреплена герметичная камера, соединенная с концентратором и насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением:
h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°,
где l – ширина ламелей;
d – минимальное расстояние между ламелями;
h – угол высоты солнца;
α – угол наклона ламелей относительно поверхности входа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения для получения электроэнергии и тепла.
Известен фотоэлектрический модуль для энергоснабжения, в котором солнечные элементы электроизолированы от теплообменника, пространство между солнечными элементами и теплообменником, а также между стеклянным покрытием и теплообменником заполнено слоем силоксанового геля, защитное стеклянное покрытие выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол, теплообменник выполнен в виде герметичной камеры с патрубками для циркуляции теплоносителя, общая площадь соединенных солнечных элементов соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника (патент РФ № 2546332, МПК H02S 10/00, H01L 31/042, опубл. 10.04.2015, бюл. № 10).
Недостатком известного модуля является большая материалоемкость.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является интегрированная в здание солнечная концентраторная энергетическая установка, содержащая концентратор энергии в виде голографической линзы, в фокальной области которой установлен теплофотоэлектрический приемник, который с концентрирующей системой интегрирован в систему солнцезащитных ламелей, имеющих следящее устройство за движением солнца (Julia 
, Daniel Chemisana, 
Moreno, Alberto Riverola, 
Atencia and 
Collados. Energy Simulation of a Holographic PVT Concentrating System for Building Integration Applications. Energies 2016, 9, 577; 25 July 2016).
Недостатками известных солнечных энергетических установок является низкая удельная мощность приемника солнечного излучения.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД солнечной энергетической установки с концентратором, снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты.
В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается производство электроэнергии и теплоты и увеличивается время работы солнечной энергетической установки с концентратором. Повышается коэффициент использования установленной мощности, увеличивается эффективность преобразования солнечной энергии, снижаются тепловые потери, увеличивается среднегодовая выработка тепловой энергии, снижается ее себестоимость за счет того, что на рабочей стороне солнечной энергетической установки с концентратором по всей площади рабочей поверхности закреплен концентратор, выполненный в виде линейной линзы Френеля из прозрачного материала, соединенной с насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой солнечной энергетической установке с концентратором, выполненной в виде ламелей, содержащих концентратор, приемник излучения и устройство слежения за солнцем, согласно изобретению, на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности закреплен концентратор, выполненный в виде линейной линзы Френеля из прозрачного материала, по всей площади поверхности приемника излучения в тепловом контакте закреплена герметичная камера, соединенная с концентратором и насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением:
h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°,
где l - ширина ламелей;
d - минимальное расстояние между ламелями;
h - угол высоты солнца;
α - угол наклона ламелей относительно поверхности входа.
В варианте солнечной энергетической установки с концентратором, линейная линза Френеля для прокачки теплоносителя выполнена из оптически прозрачного поликарбоната.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид солнечной энергетической установки с концентратором, на фиг. 2 представлено поперечное сечение солнечной энергетической установки с концентратором, на фиг.3 показана солнечная энергетическая установка с концентратором с системой теплоснабжения здания.
Солнечная энергетическая установка с концентратором на фиг. 1 содержит ламели 1 шириной l, на которые падает солнечное излучение 2, ламели 1 устанавливаются по вертикали на расстоянии d под углом α относительно поверхности входа, встроены в фасад здания 3 и имеют систему слежения 4 за солнцем для синхронного перемещения всех ламелей 1 вокруг горизонтальной оси 5.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение ламели 1 солнечной энергетической установки с концентратором, которая состоит из концентратора 6, выполненного в виде линзы из прозрачного материала, последовательно скоммутированных солнечных элементов 7, электроизолированных с помощью слоя силиконового геля 8, фторсополимерной пленки 9 для покрытия тыльной части солнечных элементов 7, по всей площади поверхности солнечных элементов 7 в тепловом контакте закреплена герметичная камера 10 для прокачки прозрачного для солнечного излучения 2 теплоносителя 11. Герметичная камера 10 объединена в одном корпусе с линзой концентратора 6. Для теплоснабжения концентратор 6 соединен с насосом 12 через теплоизолированный трубопровод 13 к системе теплоснабжения 14 (фиг. 3).
Солнечная энергетическая установка с концентратором встроена в фасад здания и работает следующим образом.
Солнечное излучение 2 под углом высоты солнца h поступает на синхронно работающие ламели 1, встроенные в фасад здания 3 и имеющие систему слежения 4 за солнцем для синхронного перемещения вокруг горизонтальной оси 5. Расстояние d по вертикали между ламелями 1, ширина l ламелей 1 и угол наклона α ламелей 1 относительно поверхности входа солнечного энергетического модуля выбираются в соответствии с выражением (1) в зависимости от значения угла высоты солнца h, характеризующего высоту солнца над горизонтом. Угол наклона α ламелей 1 относительно поверхности входа солнечной энергетической установка с концентратором корректируется в течение дня с помощью системы слежения 4 в зависимости от значений угла высоты солнца h.
Последовательно соединенные электроизолированные с помощью слоя силиконового геля 8 и покрытые с тыльной части фторсополимерной пленки 9 солнечные элементы 7 расположены таким образом, что, поглощая ту часть солнечного спектра, которая необходима им для фотоэлектрического преобразования и выработки электроэнергии, они, в свою очередь, отдают тепловую энергию для нагрева теплоносителя 11 в герметичной камере 10, закрепленной по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянным защитным покрытием 6. Теплоноситель 11, циркулирует в системе теплоснабжения 14 по трубопроводу 13 с помощью насоса 12 через герметичную камеру 10, охлаждает солнечные элементы 7, за счет чего повышается эффективность их работы, увеличивается общий КПД солнечного энергетического модуля, увеличивается суммарная выработка электроэнергии, а нагретый теплоноситель используется. Выполнение модуля в виде синхронно работающих ламелей позволяет увеличить время работы и удельную мощность солнечного энергетического модуля.
Пример выполнения солнечного энергетической установки с концентратором.
Солнечная энергетическая установка с концентратором встроена в южный фасад здания. Размеры: высота 6 м, длина 10 м, расстояние между ламелями d составляет 0,2 м. Пиковая электрическая мощность солнечной энергетической установки с концентратором составляет 15 кВт, тепловая - 30 кВт.
В таблице 1 представлены результаты компьютерного моделирования годовых сумм инсоляции в целом за год в кВт⋅ч/м2 при различной ориентации солнечных модулей для г. Перово (Крым).
Расчётные годовые значения инсоляции (кВт⋅ч/м2)
в окрестностях г. Перово (Республика Крым)
| Угол установки модуля к горизонту, град. | 90 | 85 | 80 | 75 |
| Плоский модуль | 1073,0 | 1172,0 | 1264,4 | 1348,4 |
| l = 2 м | 1822,5 | 2278,6 | 2617,7 | 3299,3 |
| l = 5 м | 2079,8 | 2600,3 | 2987,2 | 3200,3 |
| l = 20 м | 2180,6 | 2726,3 | 3132,0 | 3355,4 |
Интеграция солнечного энергетического модуля в южный фасад здания позволяет сократить влияние солнечного излучения в летнее время и увеличить его доступ зимой, что в среднем на 30-40% сокращает потребление электроэнергии на кондиционирование и отопление.
1. Солнечная энергетическая установка с концентратором, выполненная в виде ламелей, содержащих концентратор, приемник излучения и устройство слежения за солнцем, отличающаяся тем, что на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности закреплен концентратор, выполненный в виде линейной линзы Френеля из прозрачного материала, по всей площади поверхности приемника излучения в тепловом контакте закреплена герметичная камера, соединенная с концентратором и насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением:
h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°,
где l – ширина ламелей;
d – минимальное расстояние между ламелями;
h – угол высоты солнца;
α – угол наклона ламелей относительно поверхности входа.
2. Солнечная энергетическая установка с концентратором по п.1, отличающаяся тем, что линейная линза Френеля для прокачки теплоносителя выполнена из оптически прозрачного поликарбоната.
