СОЛНЕЧНЫЙ КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ (ВАРИАНТЫ)
SOLAR CONCENTRATOR MODULE (VERSIONS)

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным концентраторным модулям для получения электрической и тепловой энергии.
Известен солнечный модуль с концентратором, в котором зеркальные отражатели получены разворотом вокруг фокальной оси параболоцилиндрических отражателей, нижние края которых соединены цилиндрическим отражателем, а приемник излучения установлен в плоскости между фокальной осью и цилиндрическим отражателем (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. М., изд. ГНУ ВИЭСХ, 2007, с.180).
Недостатком известного модуля является ориентация фокальной оси на юг и малый апертурный угол 20-60°, что не позволяет в летние месяцы использовать солнечное излучение в утренние и вечерние часы.
Известен фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор солнечной энергии, выполненный в виде оптически прозрачной призмы полного внутреннего отражения, имеющей форму усеченной четырехугольной пирамиды (а.с. СССР №1620784, МКИ F24J 2/08, БИ №2, 1991 г.).
Разновеликие прямоугольные основания служат гранями входа и выхода излучения. Фотопреобразователь установлен в контакте с гранью выхода излучения, т.е. в контакте с меньшим основанием. Отношение площадей граней призмы, содержащих рабочую поверхность и солнечные элементы, определяет теоретический коэффициент концентрации солнечного фотоэлектрического модуля.
Недостатком данного конструктивного решения является односторонняя рабочая поверхность и невозможность использовать в стационарном режиме без слежения солнечную энергию в утренние и вечерние часы.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором лучистой энергии, содержащий оптически прозрачный элемент в виде призменного концентратора с входной и выходной гранями и фотопреобразователь, входная грань выполнена в форме шестиугольника. В варианте конструкции модуля используется фотопреобразователь с двухсторонней чувствительностью, который устанавливается на круглых выходных гранях двух идентичных оптических элементов солнечных фотоэлектрических модулей, направленных в противоположные стороны (Пат. РФ №2158045, 20.10.2000 г.).
Недостатком известного модуля является низкий коэффициент использования энергии Солнца тыльной поверхностью модуля в стационарном режиме без слежения за солнцем. Другим недостатком известных солнечных концентраторных модулей является использование в качестве приемников фотопреобразователей без системы охлаждения, что приводит при повышенной концентрации к их перегреву и снижению КПД и не позволяет использовать модуль в режиме когенерации для получения электрической энергии и тепла.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эффективной работы солнечного модуля в течение всего светового дня в стационарном режиме без слежения за солнцем и увеличение концентрации солнечного излучения.
Другой задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии в солнечном концентраторном модуле за счет отвода тепла от фотоприемника и использование его в режиме когенерации для производства электрической энергии и тепла.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается выработка электрической энергии и теплоты и снижается стоимость произведенной энергии.
1
2
1
2
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном концентраторном модуле, содержащем приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, приемник установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора, ветви концентратора в поперечном сечении образованы окружностями радиуса R, равного высоте Н приемника с центрами в точках O и О, расположенными по краям приемника в верхней его кромке; при этом фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей O и О параллельно верхней кромке 8 приемника, ориентированы в направлении Север-Юг и наклонены в северном полушарии к плоскости горизонта в южном направлении под углом φ=90°-α, где α - широта местности; причем в южном полушарии фокальные оси наклонены к горизонтальной поверхности в северном направлении под углом φ=90°-α, а в экваториальной зоне с широтой от 30° южной широты до 30° северной широты фокальные оси цилиндрического концентратора параллельны горизонтальной поверхности.
В варианте солнечного концентраторного модуля в качестве концентратора использован фацетный зеркальный цилиндрический отражатель.
Еще в одном варианте солнечного концентраторного модуля в качестве концентратора использован зеркальный фацетный отражатель Френеля.
В солнечном концентраторном модуле, содержащем приемник с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, приемник содержит встроенные призменные концентраторы в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями, которые наклонены к рабочей поверхности приемника под углом β=25-39°; при этом цилиндрический фацетный зеркальный отражатель выполнен из двух ветвей и имеет апертуру 120°, а призменные концентраторы установлены с двух сторон каждого солнечного элемента с двухсторонней рабочей поверхностью; причем солнечные элементы в приемнике соединены последовательно в секцию; секции соединены между собой параллельно; секции расположены параллельно фокальным осям, и каждая последовательная секция содержит развязывающий диод и соединена параллельно с другими секциями из последовательно соединенных солнечных элементов.
В варианте солнечного концентраторного модуля в качестве концентратора с зеркальными отражателями использован фацетный цилиндрический зеркальный отражатель.
Еще в одном варианте солнечного концентраторного модуля в качестве концентратора с зеркальными отражателями использован зеркальный фацетный отражатель Френеля.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлено поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с двухсторонним приемником и линейным цилиндрическим концентратором с апертурой 120°.
На фиг.2 показано поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с двухсторонним приемником и концентратором в виде зеркальных отражателей Френеля с апертурой 180°.
На фиг.3 показано поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с приемником с двухсторонней рабочей поверхностью со встроенными призменными концентраторами в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями и цилиндрическим фацетным концентратором.
На фиг.4 представлено продольное сечение солнечного концентраторного модуля с двухсторонним приемником со встроенными призменными концентраторами в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями и цилиндрическим фацетным концентратором.
1
2
1
2
На фиг.1 приемник с двусторонней рабочей поверхностью 2 и 3 установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора 5, ветви 6 и 7 которого в поперечном сечении образованы окружностями радиуса R, равного высоте Н приемника 1 с центрами в точках O и О, расположенными по краям приемника в верхней его кромке; при этом фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей O и О параллельно верхней кромке 8 приемника, ориентированы в направлении Север-Юг и наклонены в северном полушарии к плоскости горизонта в южном направлении под углом φ=90°-α, где α - широта местности; причем в южном полушарии фокальные оси наклонены к горизонтальной поверхности в северном направлении под углом φ=90°-α, а в экваториальной зоне с широтой от 30° южной широты до 30° северной широты фокальные оси цилиндрического концентратора параллельны горизонтальной поверхности 11.
<mrow><mtext>L</mtext><mo>=</mo><mtext>H</mtext><mo>⋅</mo><mtext>ctg</mtext><mfrac><mrow><mtext>180</mtext><mo>−</mo><mtext>γ</mtext></mrow><mtext>2</mtext></mfrac></mrow>
Два солнечных концентраторных модуля, расположенные рядом с приемниками 1 и 12 в параллельных плоскостях, удалены друг от друга на расстояние L.
где γ - апертурный угол, Н - высота приемника.
<mrow><mi>ψ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>180</mn><mo>−</mo><mi>γ</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Угол
определяет высоту солнца над горизонтом, при котором освещается полностью одна из рабочих поверхностей приемника.
0
0
0
1
2
1
2
На фиг.2 приемник 1 с двухсторонней рабочей поверхностью 2 и 3 установлен на опорах 13 над горизонтальной поверхностью 11 на высоте Н от горизонтальной поверхности 11. Плоскость приемника 1 ориентирована в направлении Север-Юг. Солнечный концентраторный модуль содержит зеркальные отражатели Френеля 14 и 15, 17 и 18, расположенные симметрично по обе стороны приемника 1. Высота h зеркальных отражателей Френеля над горизонтальной поверхностью 11 не превышает высоту Н опоры 13 приемника 1. h≤Н. Поперечное сечение зеркальных отражателей Френеля 14 и 15 образовано окружностями радиусом R, а поперечное сечение зеркальных отражателей 17 и 18 образовано окружностями радиусом R с центрами в точках O и О, расположенных по краям верхней кромки 8 приемника 1.
1
2
1
2
Зеркальные отражатели Френеля 14, 15, 17, 18 выполнены в виде хорд окружностей с радиусом R, R. На фиг.2 показано в качестве примера две окружности с радиусом R, R и хордами в виде линейных зеркальных отражателей 14, 15, 17, 18, но в реальных конструкциях в соответствии с пожеланиями изготовителя их может быть несколько десятков.
Солнечный концентраторный модуль на фиг.2 при установке приемника 1 в один ряд имеет апертуру, равную 180°, т.е. работает полный световой день. При установке нескольких концентраторных модулей с параллельным расположением приемников расстояние L между ними определяется путем выбора угла Ψ, соответствующего высоте солнца над горизонтом при полном освещении приемника с учетом затенения его соседними приемниками.
На фиг.3, 4 приемник с двухсторонней рабочей поверхностью содержит встроенные призменные концентраторы 25 и 26 в виде четырехгранной пирамиды с четырьмя боковыми отражающими поверхностями 27, 28, 29, 30, которые наклонены к рабочей поверхности 2 и 3 приемника 1 под углом β=25-39°. Цилиндрический фацетный зеркальный отражатель выполнен из двух ветвей 31 и 32 и имеет апертуру 120°.
Призменные концентраторы 25 и 26 установлены с двух сторон каждого солнечного элемента 33 с двухсторонней рабочей поверхностью. На фиг.6 солнечные элементы 33 в приемнике соединены последовательно в секцию 34; секции соединены между собой параллельно. Секции расположены параллельно фокальным осям 21 и 22. Каждая последовательная секция 34 содержит развязывающий диод 35 и соединена параллельно с другими секциями из последовательно соединенных солнечных элементов 33.
Солнечный концентраторный модуль работает следующим образом.
Солнечное излучение попадает на концентратор, отраженное концентрированное излучение приходит на приемник с двусторонней рабочей поверхностью. Если концентратор установлен стационарно, в первой половине дня работает одна ветвь концентратора со стороны приемника, во второй половине дня - другая ветвь концентратора и другая сторона приемника. В полуденные часы концентратор обеспечивает освещение двух рабочих поверхностей приемника.
1
2
2
2
Пример 1 выполнения солнечного концентраторного модуля. Фотоприемник (фиг.1) размером 1,2 м × 2,5 м содержит 8 параллельных секций 34, в каждой из которых последовательно соединены 36 двусторонних солнечных элементов 33 размером 125×61,25 мм, каждая секция имеет развязывающие диоды 35. Концентратор с размерами миделя 2,1×2,5 м выполнен из двух ветвей, поперечное сечение представляет собой окружности, равные высоте приемника 1,2 м, радиусом Н=1,8 м с центром в точках O и О, расположенных по краям приемника в верхних его точках. Угловая апертура солнечного концентраторного модуля составляет 120°, геометрический коэффициент концентрации в полдень равен k=1,75. Площадь фотоприемника 3 м, пиковая электрическая мощность фотоприемника при стандартной освещенности 1 кВт/м и температуре 25°С составляет 450 Вт, КПД 15%, пиковая электрическая мощность солнечного концентраторного модуля при оптическом КПД концентратора 0,88 и геометрическом коэффициенте концентрации 1,75 составляет 693 Вт. Солнечный концентраторный модуль с угловой апертурой 120° работает 8 часов в сутки.
0
0
1
2
Пример 2. Солнечный концентраторный модуль (фиг.2) содержит зеркальные отражатели Френеля 14 и 15, 17 и 18 с общей апертурой 14,4 м, расположенные симметрично. Размеры фотоприемника 2,1×2,5 м аналогично примеру 1 по обе стороны приемника. Высота зеркальных отражателей Френеля над горизонтальной поверхностью 11 равна высоте Н опоры 13 фотоприемника и равна h=Н=1,5 м. Поперечное сечение зеркальных отражателей Френеля 14 и 15 образовано окружностями R=4,2 м. Поперечное сечение зеркальных отражателей Френеля 17 и 18 образовано окружностями радиусом R=9,6 м. Угловая апертура модуля равна 180°, время работы 12 часов в сутки. Пиковая электрическая мощность солнечного концентраторного модуля в полдень при геометрическом коэффициенте концентрации k=4,6, оптическом КПД 0,88 составляет 1,8 кВт.
Общий геометрический коэффициент концентрации для солнечного концентраторного модуля составляет k=6 для фиг.3. Предлагаемая конструкция солнечного концентраторного модуля позволяет производить электрическую энергию в течение 8-12 часов в сутки в объеме, превышающем производство электрической энергии солнечным фотоэлектрическим модулем с системой слежения. Стационарное исполнение солнечного концентраторного модуля повышает надежность электроснабжения, а использование стационарных неследящих концентраторов позволяет снизить расход полупроводниковых материалов и стоимость вырабатываемой электроэнергии.