КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
CONCENTRATOR PHOTOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к области наземной солнечной энергетики, в частности к концентраторным фотоэлектрическим установкам со слежением за Солнцем. Изобретение предназначено для создания фотоэлектрических модулей с концентрическими линзами Френеля, защищенными жестким корпусом модуля от воздействия атмосферных факторов, например, дождя, пыли, температурно-влажностных условий, приводящих к конденсации атмосферной влаги (к выпадению росы).
Известно, что экономическая эффективность использования солнечных фотоэлектрических установок определяется их энерговыработкой, которая, в свою очередь, определяется, в значительной степени, КПД фотопреобразователей фотоэлектрического модуля, а также оптической эффективностью концентрирования солнечного излучения системы в случае концентраторного модуля. При выпадении конденсата из внутреннего воздушного объема модуля на поверхности линз Френеля значительно увеличивается диффузное рассеяние падающего солнечного излучения, уменьшается доля преобразуемого излучения и снижается средняя энерговыработка фотоэлектрической установкой.
Известен концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2690728, МПК H01L 31/054, опубликован 05.06.2019) с повышенной надежностью и эксплуатационным ресурсом. Известный модуль содержит фронтальную светопрозрачную панель с концентрирующими линзами Френеля, тыльную панель, на которой сформированы пленарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи с окнами, противолежащими концентрирующим линзам Френеля, в которых размещены концентраторные фотоэлектрические преобразователи, и элементы крепления. Фронтальная панель и тыльная панель соединены элементами крепления. Достоинством известной конструкции модуля является снабжение концентраторных фотоэлектрических преобразователей защитными отражающими элементами с боковой светоотражающей поверхностью, установленными на фронтальной стороне тыльной панели и исключающими попадание концентрированного солнечного излучения на пленарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи при разориентации модуля от направления на Солнце.
К недостаткам известного модуля можно отнести отсутствие в его конструкции устройства для предотвращения выпадения конденсата из внутреннего воздушного объема модуля как на поверхности линз Френеля, так и на поверхности пленарных неконцентраторных фотоэлектрических преобразователей.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль с устройством для осушения (см. заявка US 20110154683, МПК H01L 31/18, опубликована 30.01.2011), обеспечивающим подачу во внутренний объем концентраторного модуля воздуха, осушенного с помощью влагопоглощающего материала. Устройство представляет собой внешнюю по отношению к модулю систему воздушных каналов и вентилей, направляющих внешний воздух через входной противопылевой фильтр и далее через камеру с влагопоглощающим материалом во внутренний объем модуля. При необходимости регенерации влагопоглощающего материала систему вентилей переключают таким образом, что нагнетательный вентилятор прокачивает воздух через камеру с включенным нагревателем для повышения его температуры, и затем разогретый воздух пропускают через камеру с влагопоглощающим материалом для регенерации влагопоглотителя. Преимуществом известного устройства является возможность принудительно в произвольный момент времени эффективно осуществить регенерацию влагопоглощающего материала. К недостаткам можно отнести необходимость расходовать электрическую энергию на определенном цикле работы устройства, а также конструктивную и эксплуатационную сложность устройства.
Известен осушитель для концентраторного фотоэлектрического модуля (см. заявка US 2012103187, МПК B01D 53/04, опубликована 03.05.2012), включающий контур, который соединяет серию фотоэлектрических модулей друг с другом, и который подключен к системе осушения через общий вход. Система осушения включает фильтр, внутри которого размещен влагопоглощающий материал, а также электромагнитный клапан, переключатель потока, обратный клапан, датчик давления и таймер. Система осушения включает вспомогательный вход, к которому может быть подключен компрессор или вентилятор для регенерации фильтра вручную. Движение воздуха по контуру происходит за счет разницы давлений, существующих в фотоэлектрических модулях в течение дня. Процесс осушения воздуха состоит из двух этапов: осушения воздуха путем его прохождения через слой адсорбирующего материала перед входом в фотоэлектрические модули и регенерации системы осушения, которая может проходить автоматически или вручную при подключении компрессора или вентилятора.
Недостатками известного осушителя является низкая степень осушения воздуха при подключении серии фотоэлектрических модулей к одному осушителю, также необходимость в дополнительном источнике питания для работы системы осушителя.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль с устройством контроля уровня относительной влажности (см. заявка US 2016003497, МПК F24J 2/46, F24S 23/00, H01L 31/18, опубликована 07.01.2016), включающий устройство осушения, соединенное с концентраторным фотоэлектрическим модулем через воздуховод, причем концентраторный фотоэлектрический модуль также может быть подключен к окружающей атмосфере через механизм переключения, который приводится в действие блоком регулировки. Блок регулировки содержит датчики для измерения физических величин, например, температуры, относительной влажности и давления во внутренней воздушной атмосфере концентраторного фотоэлектрического модуля и во внешней атмосфере, осуществляет запись данных с датчиков и сравнивает измерения с заданными пороговыми значениями для приведения в действие механизма переключения. Воздух в концентраторный фотоэлектрический модуль пропускают через осушитель только тогда, когда существует риск образования конденсата, который определяется по значениям параметров воздуха внутри и/или снаружи концентраторного фотоэлектрического модуля с помощью датчиков, измеряющих температуру и/или относительную влажность и сравнивающих их с пороговыми значениями или с расчетной температурой росы внутри концентраторного фотоэлектрического модуля.
Недостатком известного концентраторного фотоэлектрического модуля с устройством контроля уровня относительной влажности является необходимость в дополнительном источнике питания и расходе электрической энергии при работе устройства, а также конструктивная и эксплуатационная сложность устройства.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль (см. заявка US 20150136201, МПК F24S 23/30, H01L 31/024, H01L 31/054, H02S 40/22, опубликована 21.05.2015), включающий корпус модуля, оптическую систему для концентрирования солнечного излучения, расположенную на верхней панели корпуса модуля, фотоэлектрический преобразователь, расположенный на тыльной панели корпуса модуля, устройство осушения, осуществляющее управление относительной влажностью воздуха во внутренней среде модуля. Устройство осушения содержит корпус, одна из стенок которого снабжена окном, влагопоглощающий материал, расположенный в корпусе, экран, расположенный напротив окна на расстоянии от него, чтобы обеспечить пространство для воздушного потока между окном и экраном, при этом экран обеспечивает защиту влагопоглощающего материала от концентрированного солнечного излучения. Устройство прикреплено к боковой стенке корпуса модуля таким образом, что упомянутое окно обращено к отверстию на боковой стенке корпуса модуля, обеспечивающему связь с внутренним объемом концентраторного фотоэлектрического модуля. Влагопоглощающий материал может быть размещен в гибком чехле, приспособленном для увеличения объема влагопоглощающего материала, а гибкий чехол может иметь непроницаемую и проницаемую для водяного пара поверхности, при этом указанная проницаемая поверхность обращена к окну.
Достоинством известного концентраторного фотоэлектрического модуля является независящая от источников электроэнергии регенерация влагопоглощающего материала. Однако скорость осушения воздуха, поступающего из внешней атмосферы, является недостаточно высокой, так как осушение происходит при циркуляции воздуха только над поверхностным слоем влагопоглощающего материала, что ведет к снижению скорости адсорбции влаги.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль с устройством для осушения (см. патент RU 2377696, МПК H01L 31/052, опубликован 27.12.2009), включающий линейные линзы Френеля, цепочку фотоэлектрических преобразователей и сообщающиеся с внешней атмосферой полые трубки, заполненные влагопоглощающим материалом для защиты объема модуля от атмосферной влаги. Трубки расположены параллельно цепочкам фотоэлектрических преобразователей около боковых стенок концентраторного фотоэлектрического модуля и нагреваются дополнительными концентраторами солнечного светового потока на основе линейных линз Френеля, расположенных рядом и параллельно основным линейным линзам Френеля и служащих концентраторами солнечного излучения на поверхность фотоэлектрических преобразователей.
Достоинствами известного концентраторного фотоэлектрического модуля является независящая от источников электроэнергии регенерация поглотителя влаги. Недостатком известного модуля можно считать использование части фронтальной поверхности концентраторного фотоэлектрического модуля для сбора падающего на эту часть модуля солнечного излучения и его фокусирования на трубках с влагопоглощающим материалом, что обуславливает уменьшение общей эффективности фотоэлектрического преобразования модуля пропорционально уменьшению площади фронтальной поверхности концентраторного фотоэлектрического модуля, с которой собирается солнечное излучение и концентрируется на поверхностях фотоэлектрических преобразователей.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль (см. заявка US 20160156306, МПК H01L 31/0232; H02S 40/10, опубликована 02.06.2016), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный концентраторный фотоэлектрический модуль включает корпус модуля, содержащий фронтальную светопрозрачную панель с оптической системой в виде концентрической линзы Френеля, концентрирующей солнечное излучение на фотоэлектрический преобразователь, расположенный на теплопроводящей электроизолирующей плате на тыльной панели корпуса модуля и устройство осушения, расположенное внутри корпуса модуля на боковой панели корпуса модуля или под дном корпуса модуля. Устройство осушения включает влагопоглощающий материал, защитную панель, предотвращающую воздействие концентрированного солнечного излучения на влагопоглощающий материал, воздушное пространство между влагопоглощающим материалом и защитной панелью, обеспечивающее движение потока воздуха через устройство осушения.
Недостатком известного фотоэлектрического концентраторного модуля является относительно низкая скорость осушения воздуха, поступающего из внешней окружающей среды, так как осушение происходит при циркуляции воздуха только над поверхностным слоем влагопоглощающего материала, что ведет к снижению скорости адсорбции влаги и, как следствие, к снижению энерговыработки модуля.
Задачей настоящего изобретения является увеличение энерговыработки концентраторным фотоэлектрическим модулем за счет увеличения скорости процесса осушения воздуха, поступающего из окружающей среды.
Поставленная задача достигается тем, что концентраторный фотоэлектрический модуль включает корпус модуля, содержащий фронтальную светопрозрачную панель с оптической системой в виде линзы Френеля, концентрирующей солнечное излучение на фотоэлектрический преобразователь, расположенный на теплопроводящей электроизолирующей плате на тыльной панели корпуса модуля и устройство осушения. Устройство осушения размещено между тыльной панелью и нижним основанием корпуса модуля и заполнено гранулированным регенеративным влагопоглощающим материалом. Новым в концентраторном фотоэлектрическом модуле является выполнение устройства осушения объемом (20-30)% от объема модуля над его тыльной панелью, установка внутри устройства осушения между тыльной панелью и нижним основанием корпуса модуля параллельно его двум противоположным боковым стенкам алюминиевых перегородок, торцы которых в шахматном порядке отстоят с зазором от противолежащих боковых стенок модуля, образуя зигзагообразный канал для воздуха, выполнение в тыльной панели корпуса модуля отверстия, в которое вставлен пылезащитный фильтр, и выполнение в нижнем основании корпуса модуля отверстия, в которое вставлен гидрофобный фильтр, при этом отверстия выполнены примыкающими к противолежащим боковым стенкам устройства осушения, образуя соответственно вход и выход зигзагообразного канала.
Толщина перегородок может быть установлена в диапазоне 0,3-0,5 мм.
Гранулированный регенеративный влагопоглощающий материал может быть выполнен из сферических гранул диаметром 2-5 мм.
Гранулированный регенеративный влагопоглощающий материал может быть выполнен из силикагеля.
Включение в конструкцию концентраторного фотоэлектрического модуля устройства осушения обеспечивает осушение воздуха, заполняющего внутренний объем модуля, в течение его работы при снижении температуры. Снижение влажности во внутренней среде модуля препятствует образованию конденсата на поверхности фотопреобразователя и линзы Френеля, что обеспечивает повышение энергоэффективности работы фотоэлектрического модуля.
Расположение устройства осушения под поверхностью нижнего основания модуля непосредственно под теплопроводящей электроизолирующей платой, на фронтальной поверхности которой расположен фотоэлектрический преобразователь, ведет к увеличению температуры устройства осушения и к увеличению температуры воздуха, поступающего в устройство осушения при нагреве фотопреобразователя в ходе его работы на (60-80)°С, что приводит к увеличению степени и скорости регенерации влагопоглощающего материала в устройстве осушения. Стандартный диапазон температур для регенерации влагопоглощающего материала составляет (30-150)°С, соответственно повышение температуры на (60-80)°С не может вызвать деструкцию влагопоглощающего материала и не требует введения в конструкцию устройства осушения защитного экрана, препятствующему его перегреву.
Заполнение устройства осушения воздуха гранулированным регенеративным влагопоглощающим материалом, стандартная плотность упаковки которого составляет (60-70)%, объемом (20-30)% от объема модуля над его тыльной панелью обеспечивает свободное движение воздуха через устройство осушения при снижении давления во внутреннем объеме модуля при падении температуры и позволяет проводить адсорбцию влаги, поступающей из внешней атмосферы, не только над поверхностным слоем влагопоглощающего материала, но и во всем его объеме.
Выполнение устройства осушения объемом не менее 20% от объема модуля над его тыльной панелью является достаточным для осушения воздуха, поступающего в модуль. Объем воздуха, поступающего в модуль за счет уменьшения давления при охлаждении модуля на (35-45)°С, составляет (10-15)% от объема модуля. Перепад температуры (35-45)°С соответствует диапазону суточного перепада температуры модуля в зависимости от инсоляции, изменяющейся в диапазоне (1200-1800) кВт*ч в год в различных регионах мира. Таким образом, при большей инсоляции требуется количество влагопоглощающего материала в объеме 20% от объема модуля над его тыльной панелью. Выполнение объема устройства осушения более 30% от объема модуля над его тыльной панелью экономически нецелесообразно.
Установка внутри устройства осушения между тыльной панелью и нижним основанием корпуса модуля параллельно его двум противоположным боковым стенкам алюминиевых перегородок, торцы которых в шахматном порядке отстоят с зазором от противолежащих боковых стенок модуля, образует зигзагообразный канал для воздуха. Зигзагообразный канал, заполненный гранулированным регенеративным влагопоглощающим материалом, обеспечивает увеличение пути движения воздуха через устройство осушения из внешней атмосферы во внутреннюю среду модуля, повышает скорость и степень осушения воздуха при его взаимодействии с большим количеством гранул влагопоглощающего материала.
Выполнение влагопоглощающего материала из сферических гранул диаметром (2-5) мм с плотностью упаковки 60-70% обеспечивает свободное движение воздуха по зигзагообразному каналу устройства осушения.
Использование алюминия в качестве материала устройства осушения обеспечивает малый вес модуля и высокую теплопроводность корпуса устройства осушения, что увеличивает теплоотвод от фотопреобразователя, увеличивает температуру влагопоглощающего материала и увеличивает скорость его регенерации, при термическом нагреве.
Толщина алюминиевых перегородок 0,3-0,5 мм обеспечивает необходимый теплоотвод и прогрев устройства осушения. Толщина перегородок менее 0,3 мм приводит к снижению жесткости конструкции и к снижению теплоотвода. Толщина перегородок более 0,5 мм приводит к снижению объема устройства осушения, и тем самым к снижению объема влагопоглощающего материала.
Выполнение в тыльной панели модуля отверстия, в которое вставлен пылезащитный фильтр, обеспечивает очистку воздуха, поступающего в модуль. Выполнение в нижнем основании корпуса модуля отверстия, в которое вставлен гидрофобный фильтр, обеспечивает защиту устройства осушения от попадания капель воды. Выполнение этих отверстий примыкающими к противолежащим боковым стенкам устройства осушения позволяет образовать соответственно вход и выход зигзагообразного канала для прохода воздуха.
Сообщение концентраторного фотоэлектрического модуля и устройства осушения с внешней атмосферой через фильтры обеспечивает выравнивание давления во внутренней воздушной среде модуля при изменении температуры окружающего воздуха, что препятствует прогибу концентрической линзы Френеля, изменению расстояния между фотоэлектрическим преобразователем и линзой Френеля, расфокусировки излучения на поверхности фотоэлектрического преобразователя и падению эффективности преобразования солнечного излучения в электроэнергию. Также сообщение модуля с внешней атмосферой приводит к упрощению конструкцию концентраторного фотоэлектрического модуля, за счет отсутствия необходимости герметизации корпуса модуля.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведено схематическое изображение концентраторного фотоэлектрического модуля;
на фиг. 2 показано схематическое изображение концентраторного фотоэлектрического модуля в разрезе по А-А;
на фиг. 3 приведено схематическое изображение концентраторного фотоэлектрического модуля в разрезе по Б-Б;
на фиг. 4 приведен график зависимости относительной влажности воздуха в модуле от времени,
на фиг. 5 изображен график зависимости дефицита точки росы (разности между температурой воздуха в модуле и точкой росы) от времени.
На фиг. 1 - фиг. 3 указаны: 1 - фронтальная светопрозрачная панель модуля из просветленного стекла, 2 - тыльная алюминиевая панель модуля, 3 - боковые стенки модуля, 4 - концентрическая линза Френеля, 5 - теплопроводящая электроизолирующая плата, 6 - фотоэлектрический преобразователь, 7 - устройство осушения, 8 - влагопоглощающий материал, 9 - нижнее основание корпуса модуля, 10 - алюминиевые перегородки, 11 - зигзагообразный канал, 12 - пылезащитный фильтр, 13 - гидрофобный фильтр.
Конструкция концентраторного фотоэлектрического модуля (см. фиг. 1 - фиг. 3) включает фронтальную светопрозрачную панель 1 из, например, просветленного стекла, тыльную алюминиевую панель 2, боковые стенки 3 из алюминия, создающие жесткий каркас корпуса модуля. На внутренней поверхности фронтальной светопрозрачной панели 1 сформирована концентрическая линза Френеля 4. На внутренней поверхности тыльной алюминиевой панели 2 закреплена теплопроводящая электроизолирующая плата 5, на плате 5 смонтирован фотоэлектрический преобразователь 6, установленный в фокусе линзы Френеля 4. На внешней поверхности тыльной алюминиевой панели 2 расположено устройство 7 осушения, заполненное гранулами регенеративного влагопоглощающего материала 8. Устройство 7 осушения выполнено в форме прямоугольного параллелепипеда, образованного тыльной алюминиевой панелью 2 и нижним основанием 9 корпуса модуля, Объем устройства 7 осушения составляет (20-30)% объема модуля над его тыльной панелью 2. Внутри устройства 7 параллельно его двум противоположным боковым стенкам 3 установлены алюминиевые герметичные перегородки 10, толщиной d=(0,3-0,5) мм. Торцы герметичных перегородок 10 в шахматном порядке отстоят с зазором от противолежащих боковых стенок 3 модуля, образуя зигзагообразный канал 11 для воздуха (см. фиг. 3). Выполнение регенеративного влагопоглощающего материала 8, например, из силикагеля обеспечивает высокую степень и скорость осушения воздуха и позволяет проводить регенерацию влагопоглощающего материала 8 при рабочих температурах (30-80)°С модуля. В отверстие тыльной алюминиевой панели 2 вставлен пылезащитный фильтр 12, а в отверстие нижнего основания 9 вставлен гидрофобный фильтр 13, при этом фильтры 12 и 13 установлены примыкающими к противоположным боковым стенкам 3 и соединены упомянутым зигзагообразным каналом 11.
Заявляемый концентраторный фотоэлектрический модуль работает следующим образом.
Солнечное излучение, попадая на фронтальную светопрозрачную панель 1, фокусируется концентрической линзой Френеля 4 на фотоэлектрический преобразователь 6, закрепленный на теплопроводящей электроизолирующей плате 5, обеспечивающей теплоотвод от фотоэлектрического преобразователя 6. Часть поступающей солнечной энергии превращается в тепловую, нагревая фотоэлектрический преобразователь 6, теплопроводящую электроизолирующую плату 5, и устройство 7 осушения, а также воздух во внутреннем объеме модуля. Нагрев воздуха обуславливает повышение давления внутри модуля и его выдавливание из модуля через пылезащитный фильтр 12 в устройство 7 осушения с регенеративным влагопоглощающим материалом 8. Выходящий из внутренней воздушной среды модуля нагретый воздух осушает влагопоглощающий материал 8, регенерируя его, и выходит через фильтр 13 во внешнюю атмосферу. Нагрев устройства 7 осушения приводит к дополнительному нагреву регенеративного влагопоглощающего материала 8 и увеличению скорости его регенерации. При снижении интенсивности солнечного излучения (при заходе Солнца за облака или за горизонт) происходит снижение температуры и падение давления внутренней воздушной среды в объеме модуля, что приводит к втягиванию воздуха в устройство 7 осушения с регенеративным влагопоглощающим материалом 8 из внешней атмосферы через гидрофобный фильтр 13, обеспечивающим защиту от попадания капель воды в устройство 7 осушения. Длина пути движения воздуха в устройстве 7 осушения увеличена за счет наличия перегородок 10, задающих направление его движения. Увеличение длины пути воздуха в устройстве 7 осушения приводит к повышению степени и увеличению скорости осушения воздуха при его взаимодействии с большим количеством гранул регенеративного влагопоглощающего материала 8. Осушенный воздух поступает во внутреннюю среду модуля через фильтр 12. Таким образом, происходит быстрое снижение влажности во внутренней воздушной среде модуля: например, при относительной влажности окружающей среды RH=(80-90)% при температуре воздуха (25-30)°С, относительная влажность воздуха в модуле составляет RH=(20-28)% в рабочем режиме модуля при перепадах температур (30-65)°С (см. фиг. 4). Значение дефицита точки росы (разности между температурой воздуха в модуле и точкой росы) dT=(14-16)°С в рабочем режиме работы модуля (см. фиг. 5), что свидетельствует о надежности работы устройства осушения.
Разработанная конструкция концентраторного фотоэлектрического модуля обеспечивает увеличение энерговыработки модулем за счет увеличения скорости осушения воздуха, поступающего в модуль из внешней атмосферы. Устройство осушения предотвращает выпадение конденсата на поверхности линз Френеля и на поверхности фотоэлектрического преобразователя из воздуха во внутреннем объеме модуля. Устройство осушения конструктивно простое и интегрировано в конструкцию концентраторного фотоэлектрического модуля, не уменьшает площадь фоточувствительной фронтальной поверхности модуля, фокусирующей солнечное излучение на фотоэлектрический преобразователь, и является энергонезависимым, то есть не использует для своего функционирования электроэнергию.