Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем
SOLAR MODULE WITH ASYMMETRIC PARABOLIC CYLINDRICAL CONCENTRATOR AND PHOTO RECEIVER WITH TRIANGULAR PROFILE

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами для получения электрической энергии и теплоты.
Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель, выполненный из двух разновеликих частей в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя со вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, и фотоэлектрический приемник, в котором приемник излучения выполнен из стеклянной цилиндрической трубы и встроенного внутрь плоского стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами (патент РФ №2225966, МПК F24J 2/14, опубликован 2004 г.).
Недостатками известного солнечного модуля являются сложная система фотоэлектрического приемника, что приводит к потерям солнечного излучения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник в виде полосы, установленный параллельно фокальной оси основного отражателя, в котором основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя, снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, а также третьим
зеркальным полуцилиндрическим отражателем, причем третий зеркальный отражатель снабжен устройством поворота вокруг своей оси (патент РФ №2206837, МПК F24J 2/14, опубликован 2003 г.).
Недостатками известного солнечного модуля являются:
- снижение оптического КПД модуля вследствие многократного, не менее 3-х раз на каждом концентраторе, отражения солнечных лучей от концентраторов, а также вследствие поглощения отраженных лучей при прохождении через ограждающие ФЭП стеклянные элементы, следовательно, снижение и общего КПД преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую;
- усложнение конструкции модуля;
- сложность юстировки 2-3-х концентраторов и приемников концентрированного излучения;
- затенение дополнительными концентраторами основного.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы фотоприемника солнечного модуля при средних концентрациях и оптимальном освещении фотоприемника, повышение эффективности нагрева теплоносителя (воды) и снижение стоимости вырабатываемой энергии.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается общее КПД модуля (теплового и электрического), появляется возможность более эффективной выработки тепловой энергии и нагрева теплоносителя за счет формирования оптимальной освещенности концентрированным излучением на поверхности линейчатого фотоприемника с треугольным профилем, выполненным полым для протока теплоносителя.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем, содержащем асимметричный из одной ветви параболоцилиндрического типа концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения, и линейчатый фотоприемник, расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси,
n
n
согласно изобретению, линейчатый фотоприемник выполнен полым с треугольным профилем для протока теплоносителя, а концентрированное излучение от отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной продольной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, при этом фотоприемник закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством на стойках крепления, а распределение площади профиля F и объема V фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd определяются соотношением:
n
1
1
n
n
F=Δd[h+Δh(n-1)/N+Δdtga/2], Δh=(h-h)/N, Δd=d/N, V=FL,
где n изменяется в интервалах n=1, 2, 3…N;
1
h - минимальная высота профиля фотоприемника;
h - максимальная высота профиля фотоприемника,
n
ср
вых
ср
вых
а распределение температуры нагрева теплоносителя по профилю фотоприемника определяется с учетом распределения концентрации K солнечного излучения по ширине фотоприемника d, формы профиля фотоприемника и определяется системой уравнений, соответствующей условию соответствия среднего значения распределенной температуры Т и выходной температуры теплоносителя Т (Т=Т):
n
min
max
max
min
1
cp
max
cp
вых
вх
n*=V/V, n*=V/V, ΔT=ΔT/n*, ΔT=(Т-Т),
n
пл
1
n
T*=Т+[ΔTn*f(K)],
n
г
n
n
n
кор
пл
вх
кор
пл
cp
ncp
f(K)=К/K, T=T*k-Т+Т, k=(Т+ΔT)/T*, ,
min
где V - минимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;
max
V - максимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;
вх
Т - входная температура теплоносителя;
пл
Т - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);
n
f(K)] - функция распределения концентрации по ширине фотоприемника, причем среднее значение распределенной температуры (граничное условие);
ncp
n
вых
T=ΣT/N=Т равно выходной температуре теплоносителя, а энергия нагрева теплоносителя определяется соотношением:
n
n
кор
пл
вх
где, T=T*k-Т+Т,
(Tn)
n
[λ/η] - отношение теплопроводности к вязкости воды при температуре нагрева по профилю приемника T,
(Tcp)
ср
вых
[λ/η] - отношение теплопроводности к вязкости при среднем значении температуры Т=Т воды,
cp
вых
время нагрева теплоносителя до T=Т определяется соотношением:
,
п
конв
рад;
где Р=Р-Р-Р
п
п
опт
с
пп
г.
Р - поглощенный приемником поток Р=ηЕ F К,;
конв
рад
где теплопотери в окружающую среду конвективные Р, радиационные Р;
г
К - геометрическая концентрация;
опт
η - оптический КПД;
с
Е - удельная мощность солнечного излучения;
пп
F - площадь миделя концентратора,
ср
вых
нагрев массы теплоносителя в единицу времени m* (расход) до Т=Т определяется соотношением:
m*=m/t, (m=ρ V),
где m - масса теплоносителя;
ρ - плотность теплоносителя;
V - объем нагреваемого теплоносителя в фотоприемнике,
тепловая мощность теплоносителя определяется соотношением:
т
вых
вх
Р=m*с(Т-Т),
где с - теплоемкость теплоносителя;
вх
вых
Т, Т температуры на входе и выходе фотоприемника,
т
т
c
пп
тепловой КПД модуля (коэффициент полезного использования мощности солнечного излучения) определяется соотношением: η=Р/EF.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-8.
На фиг. 1 представлена схема конструкции солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатой поверхности фотоприемника.
На фиг. 2 представлен ход лучей от асимметричного параболоцилиндрического концентратора до фотоприемника.
На фиг. 3 представлена расчетная форма концентратора и фотоприемника солнечного модуля.
На фиг. 4 представлена форма профиля фотоприемника солнечного модуля.
На фиг. 5 представлены графики распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.
На фиг. 6 представлены графики распределения температуры нагрева теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.
На фиг. 7 представлены графики зависимости температуры от расхода теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).
На фиг. 8 представлены графики зависимости теплового КПД от расхода теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).
Солнечный модуль на фиг. 1 состоит из асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1, закрепленного на стойках 2,
линейчатого фотоприемника 3 шириной d, длиной L, снабженного поворотным устройством 4, закрепленного на опорных стойках крепления 5, устройства протока теплоносителя 6, со штуцерами 7 для входа и выхода теплоносителя.
o
Асимметричный параболоцилиндрический концентратор 1 солнечного модуля на фиг. 2 с рабочим профилем концентрирует солнечное излучение за фокальной областью на рабочей поверхности фотоприемника 3 шириной d, длиной L; лучи от верхней части концентратора приходят на нижнюю часть, а лучи от нижней части концентратора приходят на верхнюю часть фотоприемника 3.
o
Форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнений соответствующей условию равномерной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, выполненного в виде линейки шириной d и длиной L и расположенным под углом к миделю концентратора:
n
n
n
н
o
в
н
н
X=(f-Y)/tgα,  Х=dsinβ, Y=f-Хtgβ,
в
в
н
н
a
г
o
2
Х=0, Y=Y+dcosβ, , Y=R/4f, К=R/d,
n
n
n
n
o
где α - угол (в зоне рабочего профиля концентратора) между уровнем ординаты в точке координат X,Y и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f лучом, приходящим в фокальную область на ширине d, расположенной на плоском фотоприемнике шириной d, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3…N;
о
a
н
н
ξ - угол между координатной осью 0Y и лучом отраженным от верхней точки координат Y,R концентратора приходящем в нижнюю точку координат фотоприемника Х,Y;
н
н
н
β - угол между фотоприемником и отрезком  (между нижней точкой координат фотоприемника Х,Y и фокусным расстоянием f параболы);
в
в
в
β - угол между отрезком  (между верхней точкой координат фотоприемника Х,Y и фокусным расстоянием f параболы) и поверхностью фотоприемника;
a
β - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y,R концентратора и прямой Y=f параллельной оси абсцисс;
в
n
n
n
n-1
n+1
n
при этом значения параметров f, β, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоприемника K в интервалах координатных значений концентратора ΔX=X-X и в интервалах координатных значений фотоприемника (d-d) равна:
n
n+1
n
n+1
n
K=(X-X)/(d-d)
На основании приведенных формул произведен расчет формы отражающей поверхности концентратора и координат фотоприемника - график зависимости Y(Х) (фиг. 3).
На фиг. 4 представлена форма профиля фотоприемника солнечного модуля.
На фиг. 5 представлены графики распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.
o
При уменьшении ширины d фотоприемника 3, (при уменьшении площади) происходит увеличение концентрации освещенности фотоприемника 3.
Таким образом, можно изменять концентрацию освещенности фотоприемника 3, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и фотоприемника.
Из приведенных характеристик видно, что при различном распределении концентрации освещенности по ширине фокальной области фотоприемника 3 происходит различное влияние на объемный нагрев теплоносителя в различных частях полости фотоприемника, что влияет на тепловые характеристики солнечного модуля.
Расчет тепло-массо переноса осуществлялся в соответствии с общими теплотехническими формулами:
пп
опт
пп
геом
ФЭ
ФЭ
рад
c
a
пп
конв
рад
p
вых
вх
пс
экв
ж
ж
экв
в
ж
c
ж
o
f
o
4
4
Q=ηR F К, N=Q η.  α=5,7+3,8 V, Q=εσ(T-T)F, Q=Q-N-Q-Q. m=Q/c(t-t), W=m/γF, Re=wd/ν, α=Nu λ/d, Q=α(t-t)F, η=η[1-k(T-T)],
пп
опт
пп
геом
ФЭ
ФЭ
конв
c
a
рад
с
а
р
вых
вх
пс
экв
ж
ж
ж
в
t
0
0
ƒ
где Q - поглощенный поток приемником, η - оптический КПД, R - прямая солнечная радиация, F - площадь приемной поверхности, К - геометрическая концентрация, N - мощность электрическая, η - КПД ФЭ Q - поглощенный поток фотоэлементами, Q - конвективные теплопотери, α - коэффициент теплоотдачи, t, °C - средняя температура стенки приемника, t, °C -_температура среды, V - скорость ветра, Q - радиационные теплопотери,_ε - степень черноты стенки, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Т, К - средняя температура стенки приемника, Т, К -_температура среды,_Q - поток для охлаждения теплоносителем, m - массовый расход воды, с - удельная теплоемкость, t, t - температура воды на выходе и входе приемника, W - скорость потока воды, γ - плотность воды, F - площадь поперечного сечения приемника, d - эквивалентный диаметр поперечного сечения приемника, v - коэффициент кинематической вязкости воды, Re - число Рейнольдса, Nu - число Нуссельта, α - коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, t - средняя температура воды, λ - коэффициент теплопроводности воды, Q - тепловой поток, отводимый водой, η - зависимость к.п.д. ФЭ от температуры, η - к.п.д. ФЭ при стандартной температуре T=298 K, T - температура ФЭ, k - температурный коэффициент.
Зависимость теплопроводности воды от температуры нагрева λ=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:
где для воды  - отношение температуры плавления (К) к температуре нагрева воды (К);
к
- значение коэффициента  при температуре кипения (фазового перехода ж/пар) воды Т*=Т, (K),
пл
где Т - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);
ΔT - температура нагрева воды, С;
пл
Т*=Т+ΔТ - температура нагрева воды, К;
о
λ - теплопроводность воды (льда) при температуре плавления;
t
λ - теплопроводность воды при температуре нагрева.
Зависимость динамической вязкости воды от температуры нагрева η=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:
o
где η - динамическая вязкость воды при температуре плавления;
η - динамическая вязкость воды при температуре нагрева;
пл
Т - температура плавления, К;
ΔT - температура нагрева теплоносителя, С;
пл
Т*=Т+ΔТ - температура нагрева теплоносителя (К);
- отношение температуры плавления (К) к температуре нагрева теплоносителя (К).
(T)
(Т)
На основании приведенных формул произведен расчет зависимости характеристик солнечного модуля КПД η, расхода воды m от температуры.
На фиг. 6 представлены графики распределения температуры нагрева воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.
На фиг. 7 представлены графики зависимости температуры от расхода воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).
На фиг. 8 представлены графики зависимости теплового КПД от расхода воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).
Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.
Солнечное излучение, попадая на рабочую поверхность асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1 солнечного модуля (фиг. 1), отражается под расчетными углами наклона таким образом, чтобы они
o
обеспечивали равномерную концентрацию лучей на фотоприемнике 3 модуля, выполненного в виде линейки шириной d и длиной L, а устройство протока теплоносителя 6 выполнено в виде трубопровода с треугольным в поперечном сечении профилем, в котором нагревается теплоноситель (вода).
Регулируя скорость протока и расход теплоносителя, можно оптимизировать нагрев теплоносителя, тепловой КПД (коэффициент преобразования солнечной энергии в тепловую) солнечного модуля.
Пример выполнения солнечного теплового модуля с ассиметричным параболоцилиндрическим концентратором
мах
o
Концентратор 1 (фиг. 1) длиной L=700 мм, шириной R=660 мм, высотой 350 мм выполнен из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью закреплен на стойках 2, с расчетным рабочим профилем, обеспечивающим равномерную концентрацию лучей в продольном направлении линейчатого фотоприемника 3 модуля шириной h=66 мм, длиной L=700 мм, с устройством протока теплоносителя 6, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем размером 80×80×10 мм и длиной L=700 мм, со штуцерами 6 для входа и выхода теплоносителя и закрепленного на стойках.
Средняя концентрация освещенности на поверхности фотоприемника модуля составляет К~10 крат.
в
С целью регулирования (оптимизации при различных углах поворота фотоприемника β относительно ординаты 0Y) распределения концентрации освещенности по ширине фокального пятна линейчатый полый фотоприемник треугольной формы в поперечном сечении для протока теплоносителя закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством 4 на стойках крепления 5.
Таким образом, предложенный модуль солнечного концентрированного излучения с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 1 обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К~10 крат на рабочей поверхности фотоприемника 3 модуля, повышая КПД преобразования солнечной энергии в тепловую за счет оптимизации распределения концентрации освещенности по ширине фокального пятна линейчатого полого фотоприемника треугольной формы для протока теплоносителя.
На основании приведенных расчетов в зависимости от натурных условий - плотности потока солнечного излучения, скорости ветра, температуры среды; конструктивных параметров модуля - формы и размеров концентратора и фотоприемника, оптического КПД, применяемых материалов, расхода теплоносителя (воды), - можно прогнозировать выходные энергетические параметры и эффективность работы модуля в целом.