ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С ПАРАБОЛОТОРИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОМ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами.
Известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде параболоида (Стребков Д.С., Росс М.Ю., Джайлани А.Т., Митина И.В. «Солнечная установка с концентратором» Патент РФ №2396493, Бюл. №22, 2010).
Недостатками известных солнечных модулей, имеющих концентраторы, создающие в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы кремниевыми планарными ФЭП.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является солнечный фотоэлектрический модуль, состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрический преобразователя расположенного в фокальной плоскости с равномерным распределением концентрированного излучения (Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскас А.Л., Майоров ВА., Ясайтис Д-Ю.Ю. «Концентратор солнечной энергии». Патент СССР №1794254, 3.04.91.).
Недостатками известного солнечного фотоэлектрического модуля являются:
- снижение КПД планарными кремниевыми фотоэлектрическими приемниками ФЭП при высоких концентрациях солнечного излучения;
- расположение оптического фокуса на оси фотоэлектрического модуля и концентрическое распределение освещенности поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП);
- низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 В) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле, чтобы набрать напряжение 12 В и выше, приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п.
Последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.
Задачей предлагаемой полезной модели является выработка электрической и тепловой энергии и обеспечение более эффективной работы солнечного теплофотоэлектрического модуля при высоких концентрациях за счет равномерного освещения солнечным излучением фотоэлектрического приемника.
В результате использования предлагаемой полезной модели осуществляется получение на одном фотоэлектрическом преобразователе (модуле) технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД фотоэлектрического преобразования; получение горячего водоснабжения и снижение стоимости вырабатываемой энергии, на боковой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями формируется равномерная освещенность концентрированного излучения; на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника формируется освещенность концентрированного излучения для нагрева проточной воды.
о
о
о
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый теплофотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором солнечного излучения, содержащий концентратор и фотоэлектрический приемник расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения, содержит параболоторический концентратор и цилиндрический теплофотоэлектрический приемник с устройством протока воды, который установлен в фокальной области, а концентратор, представляет собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения и выполнен составным по принципу собирания отраженных от отдельных частей концентратора лучей в двух фокальных областях, при этом нижняя часть концентратора концентрирует солнечное излучение, в соответствии с условием равномерной освещенности поверхности фотоэлектрической части теплофотоэлектрического приемника, выполненного в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей длиной h и радиусом r, а верхняя часть концентратора концентрирует солнечное излучение в соответствии с условием равномерной освещенности тепловой части теплофотоэлектрического приемника (торцевой поверхности) цилиндрического теплофотоэлектрического приемника радиусом r, устройство протока воды представляет собой внутреннюю полость цилиндрического теплофотоэлектрического приемника, в которую коаксиально вставлен полый цилиндр с воронкой на верхнем торце для слива воды.
На боковой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями формируется равномерная освещенность концентрированного излучения; на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника формируется освещенность концентрированного излучения для нагрева проточной воды.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, 2, 3, 4.
На фиг.1 представлена схема конструкции теплофотоэлектрического модуля с составным параболоторическим концентратором солнечного излучения.
На фиг.2 представлена схема конструкции цилиндрического теплофотоэлектрического приемника с системой протока воды.
На фиг.3 представлены графики зависимости температуры нагрева воды на выходе теплофотоэлектрического приемника от расхода проточной воды при разной мощности концентрированного излучения.
На фиг.4 представлены графики зависимости температуры нагрева воды - на боковой (фотоэлектрической) и - торцевой (тепловой) частях системы протока воды теплофотоэлектрического приемника от расхода проточной воды.
о
о
о
Теплофотоэлектрический модуль содержит составной параболоторический концентратор 1, нижняя часть параболоторического концентратора 2 создает фокальную область на поверхности теплофотоэлектрического приемника 3 на его цилиндрической фотоэлектрической части 4 высотой h, радиусом r; верхняя часть параболоторического концентратора 5 создает фокальную область на тепловой части цилиндрического теплофотоэлектрического приемника торцевой поверхности 6 радиусом r и устройством протока воды, где вход холодной воды осуществляется через патрубок 7, а выход теплой воды через патрубок 8.
о
о
Теплофотоэлектрический приемник 3 с системой протока воды на фиг.2 состоит из алюминиевого цилиндра, на котором расположена фотоэлектрическая часть 4 с закрепленными высоковольтными ФЭП на боковой поверхности длиной h и радиусом r, а также тепловая часть 6 (торцевая поверхность). Во внутреннюю полость цилиндрического теплофотоэлектрического приемника 3 вставлен полый цилиндр 9 с входом холодной воды через патрубок 7, с воронкой 10 на верхнем торце и выходом теплой воды через патрубок 8.
На основании предложенной системы уравнений определяется зависимость температуры нагрева проточной воды от конструктивных параметров параболоторического концентратора, теплофотоэлектрического приемника, системы протока воды, расхода проточной воды:
ц
р
вых ц
вх
вых ц
вх
1
2
1
вых ц
вх
ж
ж
ж
ст
воды
конв
изл
цил
конв
возд
ст
а
возд
воды
ст
сред
w
вых ц
торц
р
3
2
n
0,25
m=P/c(t-t); W=m/(ρF); Re=wl/ν Gr=gβ(t-t)l/ν, β=(ρ-ρ)/ρ(t-t)]; Nu=B(Gr/Pr)(Pr/Pr); α=Nuλ/l; Q+Q+Q=P; Q=α(t-t)F; ; Q=α(t-t)F; t=t+0,8P/(cm)б,
вых ц
ст
w
воды
конв
изл
а
возд
ц
торц
где ρ - плотность воды, F - площадь поперечного сечения протока воды; Re - число Рейнольдса; l - высота цилиндра; ν - кинематическая вязкость воды; Рr - число Прандтля; Gr - число Грасгофа; Nu - число Нуссельда; t - температура воды на выходе из кольцевого зазора цилиндрической части приемника; где t и F - температура и площадь цилиндрической стенки, соприкасающейся с водой, W - средняя по сечению скорость потока; g - ускорение земного притяжения, β - температурный коэффициент объемного расширения воды. α - коэффициент теплоотдачи; Q - тепловой поток, уносимый водой в кольцевом зазоре; Q и Q - тепловые потери боковой поверхности цилиндра в окружающую среду конвекцией и излучением; Т - абсолютные температуры излучающей поверхности и окружающей среды; F - площадь поверхности теплосброса; ε - степень черноты; σ - постоянная Стефана-Больцмана; λ - коэффициент теплопроводности воды при средней температуре; Р - тепловой поток цилиндрической поверхности приемника; Р - тепловой поток торцевой поверхности приемника. Индексы «ж» и «ст» относятся к жидкости и стенке.
На основании приведенных формул произведен расчет зависимости температуры нагрева воды на выходе системы протока воды теплофотоэлектрического приемника от расхода проточной воды при разной мощности концентрированного излучения (фиг.3), а также расчет зависимости температуры нагрева воды - на боковой (фотоэлектрической) и - торцевой (тепловой) частях системы протока воды теплофотоэлектрического приемника от расхода проточной воды (фиг.4).
Работает теплофотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором солнечного излучения следующим образом.
о
о
Солнечное излучение, попадая на поверхность параболоторического концентратора 1 от нижней его составной части 2, отражается таким образом, чтобы обеспечивалась достаточно равномерная концентрация лучей на фотоэлектрической части 4 теплофотоэлектрического приемника 3 модуля, который выполнен в виде цилиндра радиусом r из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей высотой h с устройством ввода проточной воды 7, нагревая при этом воду между внутренней поверхностью цилиндра с закрепленными высоковольтными фотоэлектрических преобразователей 5 и внешней поверхностью полого цилиндра 9 (в кольцевом зазоре) до температуры не снижающей их эффективную работу;
о
Солнечное излучение, попадая на поверхность параболоторического концентратора 1 от верхней его составной части 5, отражается таким образом, чтобы обеспечивалась достаточно равномерная концентрация лучей на тепловой части 6 цилиндрического теплофотоэлектрического приемника 3 радиусом r, нагревая проточную воду, проходящую через воронку 10 и выходящую через патрубок 8, до определенной температуры.
Пример выполнения теплофотоэлектрического модуля с параболоторическим концентратором солнечного излучения.
мах
min
Концентратор 1 с максимальным радиусом R=500 мм, минимальным радиусом R=67 мм и высотой 545,6 мм выполнен составным из двух частей из алюминиевого листа толщиной 0,5 с зеркально отражающей рабочей поверхностью:
нижняя часть концентратора 2 обеспечивает равномерную концентрацию лучей теплофотоэлектрического приемника 3 модуля на его фотоэлектрической части 4, выполненного в виде цилиндра диаметром 110 мм и высотой 90 мм. На боковай поверхности цилинлра закреплены скоммутированные высоковольтные фотоэлектрические преобразователи высотой 60 мм, шириной 10 мм.
Концентрация освещенности на поверхности фотоэлектрической части 4 теплофотоэлектрического приемника 3 модуля составляет К=16 крат;
верхняя часть концентратора 5 обеспечивает равномерную концентрацию лучей на тепловой части 6 теплофотоэлектрического приемника 3 модуля. Средняя концентрация освещенности на тепловой части 6 тепло-фотоэлектрического приемника 2 модуля составит К=72 крат.
o
о
Теплофотоэлектрический приемник 3 с устройством протока воды состоит из из скоммутированных высоковольтных ФЭП высотой h=60 мм, шириной 10 мм, закрепленных теплопроводящим клеем на боковой поверхности алюминиевого цилиндра радиусом r=60 мм и высотой 90 мм. Во внутреннюю полость цилиндрического теплофотоэлектрического приемника вставлен полый цилиндр 8 диаметром 50 мм и высотой 80 мм с воронкой 9 на верхнем торце для слива воды.
Таким образом, предложенный теплофотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями и составным параболоторическим концентратором обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К=16 крат на фотоэлектрической части 4 теплофотоэлектрического приемника 3 модуля из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных ФЭП повышая напряжение и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую; и достаточно равномерное распределение освещенности тепловой части 6 теплофотоэлектрического приемника 3 модуля со средней концентрацией К=72 крат, нагревая проточную воду и тем самым повышая общий КПД преобразования солнечной энергии теплофотоэлектрического модуля.