СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ
SOLAR MODULE WITH CONCENTRATOR

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электричества и/или тепла.
Известна технология EUCLIDES, по которой изготовлены линейно-фокусирующие зеркальные параболоцилиндрические концентраторы для фотоэлектрической солнечной электростанции номинальной мощностью 480 кВт. Оптическая эффективность концентратора 90% при точности слежения за Солнцем ±0,2° (G. Sala, N.B. Mason, et al. «480 kWpeak EUCLIDES Concentrator Power Plant Using Parabolic Troughs», Proc. 2nd World Conf. PVSEC, Vienna 1998, 1963-8).
Недостатком известного технического устройства является значительная неравномерность распределения солнечной радиации по поверхности фотоэлектрического приемника, что может привести к локальному перегреву, росту омических потерь и, в конечном итоге, к снижению номинальной мощности модуля (A. Luque, G. Sala, J.С. Arboiro «Electric and thermal model for non-uniformly illuminated concentration cells», Solar Energy Materials and Solar Cells, 51 (1998), 269-290).
Наиболее близким к предлагаемому устройству является фотоэлектрический модуль с солнечным концентратором фирмы Poulek Solar Ltd., отражающая поверхность которого состоит из плоских зеркальных фацет одинаковой ширины, расположенных по профилю параболоцилиндра - солнечный концентратор TRAXLE 5Х (www.solar-trackers.com).
Известное техническое решение (прототип) по сравнению с известным аналогом повышает равномерность солнечного излучения на поверхности приемника.
Основным недостатком прототипа, имеющего солнечный концентратор, образованный плоскими зеркальными фацетами, расположенными по профилю параболы, является низкий оптический кпд концентратора из-за замены оптически эффективной поверхности параболоцилиндра плоскими прямоугольными зеркалами-фацетами - в результате часть солнечных лучей, отраженных от фацет, проходит мимо приемника.
Задачей предлагаемого изобретения является получение на поверхности приемника более равномерной освещенности при сохранении высокого оптического кпд зеркальной системы. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащем приемник солнечного излучения и цилиндрический солнечный концентратор, отражающая поверхность концентратора образована прямоугольными зеркально отражающими пластинами - фацетами, которые установлены так, что солнечный луч L1, лежащий в плоскости поперечного сечения концентратора и идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце равным точности следящей системы а, после отражения на ближней к приемнику кромке фацеты, попадает на дальнюю от нее границу заданной на плоскости приемника зоны концентрированного солнечного излучения, при этом луч L2, симметричный первому лучу L1 относительно прицельного направления, отражаясь от той же кромки фацеты, попадает в зону концентрированного солнечного излучения, а ширина фацет такова, что луч L2 после отражения на противоположной кромке фацеты, попадает на ближнюю границу зоны концентрированно излучения на плоскости приемника.
При этом ближайшие к приемнику фацеты установлены так, что солнечный луч L1 прежде чем попасть на ближайшую к приемнику кромку фацеты проходит через кромку приемника.
В варианте конструкции солнечного модуля с фотоэлектрическим приемником электрически последовательно соединены только те солнечные элементы, центры которых лежат на одной прямой, параллельной образующей цилиндрического солнечного концентратора, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов содержит блокирующий диод.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5 и 6.
На фиг.1 показано поперечное сечение солнечного модуля с концентратором.
На фиг.2 представлена схема прохождения солнечных лучей.
На фиг.3 приведен вариант размещения зеркальных фацет, ближайших к приемнику солнечного излучения.
На фиг.4 представлена электрическая схема фотоэлектрического приемника из последовательно соединенных солнечных элементов с блокирующими диодами.
На фиг.5 представлен расчетный профиль (поперечное сечение) симметричного солнечного концентратора 5Х с заданной точностью слежения за Солнцем ±5°.
На фиг.6 представлен расчетный профиль (поперечное сечение) несимметричного солнечного концентратора 10Х с заданной точностью слежения за Солнцем ±0,1°.
Солнечный модуль с концентратором (фиг.1) состоит из приемника солнечного излучения 13 и цилиндрического солнечного концентратора, отражающая поверхность которого образована прямоугольными зеркально отражающими пластинами - фацетами 1-12 (n).
Фацеты установлены так, что солнечный луч L1 (фиг.2), лежащий в плоскости поперечного сечения концентратора и идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце 14 равным точности следящей системы а, после отражения на ближней к приемнику кромке фацеты А, попадает на дальнюю от нее границу С зоны концентрированного солнечного излучения CD, а ширина фацет такова, что луч L2, симметричный первому лучу L1 относительно прицельного направления 14, после отражения на противоположной кромке фацеты В, попадает на ближнюю границу D зоны концентрированно излучения на плоскости приемника.
Ближайшие к приемнику фацеты 1 (фиг.3) преимущественно установлены так, что солнечный луч L1 прежде чем попасть на ближайшую к приемнику кромку фацеты М проходит через кромку приемника F.
В варианте конструкции солнечного модуля с фотоэлектрическим приемником 13 (фиг.4) электрически последовательно соединены только те солнечные элементы 15, центры которых лежат на одной прямой, параллельной образующей цилиндрического солнечного концентратора 17, и каждый ряд последовательно соединенных солнечных элементов 15 содержит блокирующий диод 16.
Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.
Луч L1 (фиг.2), идущий с отклонением от прицельного направления на Солнце 14 равным точности следящей системы а и приходящий на кромку А зеркальной фацеты, после отражения попадает на дальнюю границу С заданной на плоскости приемника 13 зоны концентрированного солнечного излучения CD. При смещении направления солнечного луча от L1 к L2 (другой границе предельного отклонения от прицельного положения), отраженный луч смещается по поверхности приемника к его ближней кромке, но не выходит за пределы заданной зоны концентрированного излучения CD, поскольку ширина фацеты АВ такова, что луч L2, даже отражаясь на ее противоположной кромке В, попадает на границу заданной зоны D.
В свою очередь, солнечные лучи в интервале направлений L1-L2, отражаясь на кромке фацеты В, смещаются, вслед за увеличением угла падения, к дальней кромке приемника 13, но не переходят за заданную границу С, так как максимальное смещение отраженного луча соответствует направлению L1, а этот луч, достигает крайней границы заданной зоны С только отражаясь на противоположной кромке фацеты А.
Таким образом, при любых возможных отклонениях солнечных лучей от прицельного положения, отраженные от фацет лучи не выходят за пределы заданной области концентрированного солнечного излучения CD на поверхности приемника 13.
Рассчитаны профили солнечных модулей с цилиндрическими фацетными концентраторами для заданных коэффициентов концентрации, размеров приемника и точности слежения за Солнцем.
На фиг.5 представлен расчетный профиль симметричного солнечного концентратора с геометрическим коэффициентом концентрации 5 и заданной точностью слежения за Солнцем ±5°.
На фиг.6 - несимметричный солнечный концентратор с геометрическим коэффициентом концентрации 10 и заданной точностью слежения ±0,1°. Плоскость приемника повернута относительно прицельного направления (в данном случае угол 75°) для уменьшения среднего угла падения отраженных солнечных лучей на его поверхность, что повышает оптическую эффективность приемника излучения.
В таблице приведены ширина каждой зеркальной фацеты и угол относительно прицельного направления. Ширина преемника в солнечном модуле с симметричным концентратором (фиг.5) равна 540 мм, а в модуле с несимметричным (фиг.6) - 270 мм.
Геометрия отражателя зависит, в том числе, от заданной точности слежения за Солнцем и чем она выше, тем выше равномерность освещения приемника излучения - при точности слежения выше ±0,1° освещение приемника практически равномерно, что позволит использовать в качестве приемника не только тепловые коллекторы, но и фотоэлектрические преобразователи без снижения эффективности и без риска образования горячих пятен и локального перегрева.
Кроме того, применение разработанного солнечного концентратора позволяет повысить оптический кпд модуля на 20-30% по сравнению с прототипом.
Номер пластины
Концентрация 5Х Y=1617 мм; Х=128 мм
Концентрация 10Х Y=2183 мм; Х=258 мм
Ширина пластины, мм
Угол наклона, градус
Ширина пластины, мм
Угол наклона, градус
1
249
85,6
238
86,8
2
229
81,5
241
83,8
3
200
77,9
242
80,7
4
169
75,0
242
77,7
5
138
72,6
239
74,9
6
109
70,8
235
72,2
7
86
69,4
228
69,7
8
67
68,3
222
67,3
9
214
65,1
10
206
63,2
11
197
61,4
12
189
59,7
Предлагаемое устройство может быть реализовано в солнечных энергосистемах для выработки электроэнергии и/или тепла.