СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ СО СТАЦИОНАРНЫМ ω-ОБРАЗНЫМ КОНЦЕНТРАТОРОМ
SOLAR MODULE WITH FIXED ω-SHAPED CONCENTRATOR

Изобретение относится к области гелиотехники и конструкции создания солнечных модулей с фотоэлектрическими или тепловыми приемниками излучения и стационарными концентраторами, допускающими эксплуатировать модули в неподвижном режиме круглый год.
Известен солнечный модуль (аналог) с концентратором (патент РФ №2191329, опубл. 20.10.2002, Бюл. №29) в котором боковая стенка концентратора выполнена из отражающего кругового цилиндра, сопрягающегося со вторичным круговым цилиндрическим отражателем, расположенным под приемником излучения с двусторонней рабочей поверхностью, причем центры обеих радиусов расположены на общей плоскости, перпендикулярной поверхности входа излучения. Концентратор выполнен асимметричным, но добавление к нему зеркально расположенной копии делает его симметричным ω-образным.
Недостатком известного технического решения является то, что концентратор требует постоянного слежения за положением Солнца на небосводе.
Известен солнечный модуль (прототип), содержащий плоскость входа излучения, выполненный из разновеликих круговых цилиндрических отражателей, сопряженных по плоскостям, на которые лежат центры окружностей, причем центр бóльшего отражателя с радиусом R лежит на оси симметрии модуля и центры меньших отражателей радиусом r лежит на расстоянии r от оси симметрии ниже плоскости приемника излучения (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович «Концентраторы солнечного излучения», М., ОНО «Типография Россельхозакадемии», 2007, с.197-198).
Известное техническое решение имеет симметричный профиль концентратора, в пределах ограниченного параметрического угла (±27,5°). Такой модуль может работать в стационарном режиме, для чего требуется расположение его в пространстве следующим образом: плоскость входа должна быть обращена к Югу и расположена под углом широты местности к горизонту, а продольная ось концентратора должна быть ориентирована Запад-Восток.
Недостатки известного технического решения следующие:
- геометрия концентратора, определяемая углами α и β, расположением центров радиусов образующих окружностей, ограничивает работу модуля в стационарном режиме в пределах небольших параметрических углов β (±27,5°), что предполагает использование модуля только при горизонтальном расположении продольной оси (ось модуля ориентирована Запад-Восток), при этом необходима принудительная циркуляция охлаждающей жидкости через горизонтально расположенный приемник излучения, что требует насосного оборудования и дополнительной трубопроводной арматуры, т.к. естественная конвекция при этом в приемнике излучения не происходит;
- расположение продольной оси модуля по экваториальной схеме (продольная оси расположена под углом широты местности к горизонтальной плоскости) позволит работать модулю в неподвижном режиме только в пределах 55° (2×27,5), что означает 3 часа 40 мин в течение световых суток, что мало и неприемлемо.
Предлагаемое изобретение позволяет решить следующую техническую задачу: дополнительно увеличить концентрацию на приемнике излучения.
1. Для достижения указанного результата солнечный модуль с ω-образным концентратором, состоящий из двух симметричных половин, каждая из которых выполнена из разновеликих круговых цилиндрических отражателей с большим радиусом R и меньшим отражателем радиусом r, и двусторонним фотоэлектрическим или тепловым приемником излучения, расположенным параллельно плоскости входа излучения, причем центр большего радиуса R окружности отражателя лежит на оси симметрии концентратора, и центры меньших радиусов r отражателей лежат в плоскостях сопряжения радиусов R и r на расстоянии r от оси симметрии ниже плоскости приемника излучения. Плоскость входа излучения проходит через центр радиусов R бóльшего отражателя, и толщина приемника излучения составляет 0,2-0,5 r. Фотоэлектрический приемник излучения состоит из прозрачной герметичной оболочки шириной не менее 2r и толщиной 0,2-0,5 r с расположенными внутри солнечными элементами с двусторонней рабочей поверхностью. Тепловой приемник излучения, выполнен виде металлического листа шириной 2r, плотно соединенного с трубой для теплоносителя диаметром 0,2-0,5 r.
Признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, состоят в том, что установка плоскости входа излучения центра радиусов большего отражателя позволяет увеличить площадь поверхности входа излучения модуля и тем самым увеличить концентрацию, при этом становится возможным значительно увеличить параметрический угол концентратора до 60° (часовой угол до 120°), что обеспечит работу концентратора при экваториальной монтировке (продольная ось модуля направлена на полюс Мира) до 8 часов при естественной циркуляции теплоносителя в приемнике излучения. Увеличение толщины приемника излучения обеспечивает гарантированное попадание солнечных лучей, параллельных плоскости входа от стенок большего отражателя с радиусом R на приемник излучения как в фотоэлектрическом варианте использования модуля, так и для тепловых модулей, используемых для нагрева теплоносителя.
На фиг.1 представлено поперечное сечение солнечного модуля со стационарным ω-образным концентратором и схема прохождения солнечных лучей. На фиг.2 показана схема прохождения солнечных лучей для фотоэлектрического модуля. На Фиг.3 показана схема прохождения лучей для теплового модуля.
1
2
3
1
Солнечный модуль с ω-образным концентратором, состоящий из двух симметричных половин Л и П, каждая из которых выполнена из разновеликих круговых цилиндрических отражателей, один из которых 1 с большим радиусом R, другой 2 - c меньшим радиусом r, и двусторонним фотоэлектрическим или тепловым приемником 3 излучения, расположенным параллельно плоскости входа излучения АБ, причем центр O большего радиуса R окружности отражателя 1 лежит на оси симметрии 4 концентратора, и центры О и О меньших радиусов r отражателей 2 лежат в плоскостях сопряжения 5 и 6 радиусов R и r на расстоянии r от оси симметрии 4 ниже плоскости приемника излучения 3. Плоскость АБ входа излучения проходит через центр O радиусов R бóльшего отражателя, и толщина S приемника излучения составляет 0,2-0,5 r. Таким образом, отражатели 1 и 2 радиусов R и r имеют точки сопряжения а и а' на плоскостях сопряжения 5 и 6.
Фотоэлектрический приемник 3 излучения состоит из прозрачной герметичной оболочки 7 шириной не менее 2r и толщиной S 0,2-0,5 r, с расположенными внутри солнечными элементами 8 с двусторонней рабочей поверхностью.
Тепловой приемник 3 излучения выполнен виде металлического листа 9 шириной 2r, плотно соединенного с трубой 10 для теплоносителя диаметром 0,2-0,5 r.
1
2
3
4
Кроме того, на фиг.1 изображено: параметрические углы β; лучи Л, Л, Л, Л в виде стрелок, демонстрирующие работу модуля. Параметрические углы β соответствуют максимальным отклонениям приходящего светового потока от оси симметрии 4.
1
2
Работает модуль следующим образом. Солнечный луч Л (фиг.1, 2) приходит на край поверхности входа АБ концентратора и попадает на верхнюю поверхность приемника излучения 3. Луч Л приходит в зону концентратора, где отраженные лучи параллельны плоскости приемника 3, но в следствии того, что приемник 3 имеет толщину, равную 0,3-0,5 r, лучи попадут в торец приемника. Если модуль предназначен для фотоэлектрического преобразования, то приемник состоит из прозрачной оболочки 7, заполненной охлаждающей жидкостью, которая омывает солнечные элементы 8, имеющие рабочие поверхности с двух сторон (сверху и снизу). Солнечное излучение, попавшее в торец приемника, пройдет внутрь к солнечным элементам, т.к. охлаждающая жидкость тоже должна быть прозрачной.
3
4
2
1
Луч Л, пришедший в другой край концентратора, отразится от поверхности большего отражателя с радиусом R и попадет на поверхность приемника излучения 3 сверху. Луч Л, пришедший на поверхность входа АБ под углом β<β, отражается от поверхности отражателя с радиусом R, затем отражается от поверхности радиуса r и попадает на прозрачную оболочку 7, затем на солнечные элементы 8 снизу.
На фиг.3 показан ход луча для солнечного модуля, предназначенного для нагрева теплоносителя, при этом приемник излучения может быть выполнен в виде металлического листа 9 шириной 2r, плотно соединенного с трубой 10 для теплоносителя диаметром 0,2-0,5 r. Таким образом, зазор для лучей, параллельных плоскости приемника, перекрывает труба с теплоносителем толщиной 0,2-0,5 r.
Можно показать, что концентрация излучения К подсчитывается по формуле
Для параметрических углов β=27,5°, 45°, 60° концентрация излучения составит соответственно К=3,16; 3; 2,15. Таким образом, предлагаемый концентратор при β=27,5° имеет концентрацию излучения на 10% выше, чем у прототипа (К=2,9).
Преимущества предлагаемого модуля состоят в том, он имеет более высокую концентрацию излучения при больших (±60°) параметрических углах β, он может устанавливаться по экваториальной схеме, когда продольная ось модуля установлена под углом широты местности, при этом в приемнике излучения охлаждающая жидкость будет циркулировать по законам свободной конвекции, поднимаясь вверх под действием нагрева без дополнительных насосов, что значительно снизит стоимость солнечной установки, уменьшит эксплуатационные расходы. При этом время работы модуля составит 120°/15 град/ч = 8 часов, при концентрации излучения 2.15.