Солнечный модуль с концентратором (варианты)
SOLAR MODULE WITH CONCENTRATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла.
Известен солнечный модуль с концентратором на основе параболоцилиндрических фоклинов, установленных с двух сторон по краям фотопреобразователей (Solar Tobay, Yuly/August 1997, p. 31).
Недостатком известного модуля является низкий коэффициент концентрации 2-2,5. Другим недостатком является большая высота модуля с концентратором, превышающая размер плоского модуля без концентратора в 4-6 раз.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль, содержащий концентратор энергии, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, на рабочей поверхности призмы установлены миниатюрные зеркальные экраны, выполненные в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, скоммутированные фотопреобразователи выполнены с двусторонней рабочей поверхностью, концентратор - в виде двух симметрично расположенных призм, имеющих общий фотопреобразователь, а на рабочей поверхности концентратора в зоне одной или обеих призм установлены миниатюрные зеркальные экраны (Патент РФ №2133415. Солнечный фотоэлектрический модуль (варианты) / Безруких П.П., Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е. // БИ. 1999. №20).
Недостатками известного солнечного модуля являются большие оптические потери в жалюзи и низкий коэффициент концентрации.
Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного модуля с концентратором, имеющего высокий оптический КПД и высокий коэффициент концентрации солнечного излучения.
В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность модуля и снижается его стоимость.
1
2
0
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β, угол ϕ наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:
1
0
0
β=2ϕ-2θ при ϕ<ϕ,
1
0
0
β=2ϕ+2θ при ϕ>ϕ,
1
0
0
β=2ϕ, θ=0 при ϕ=ϕ,
2
1
β=arcsin[(sin β)⋅n],
1
где β - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;
2
β - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
0
ϕ - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;
n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
0
θ - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,
1
2
0
а
углы β, β, ϕ и ϕ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние  между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению:
a
0
=dsin ϕ,
0
1
2
при котором для любых углов ϕ нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с острым углом ψ, который связан с коэффициентом преломления материала призмы n и углом выхода лучей β соотношением:
где n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
2
β - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
1
n - коэффициент преломления материала призмы.
0
В другом варианте солнечного модуля с концентратором модуль содержит установленные в одной плоскости вторую оптическую отклоняющую систему и второй призменный концентратор с общим двусторонним приемником, а угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей первой и второй отклоняющих оптических систем равен 2ϕ.
1
2
0
Вышеуказанный технический результат достигается также тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β, угол ϕ наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:
1
0
0
β=2ϕ-2θ при ϕ<ϕ,
1
0
0
β=2ϕ+2θ при ϕ>ϕ,
1
0
0
β=2ϕ, θ=0 при ϕ=ϕ,
2
1
β=arcsin[(sin β)⋅n],
1
где β - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;
2
β - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
0
ϕ - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;
n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
0
θ - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,
1
2
0
а
углы β, β, ϕ и ϕ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние  между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению;
a
0
=dsin ϕ,
0
2
при котором для любых углов ϕ нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с апертурным углом δ, который связан с углом β следующим соотношением:
2
β≥90°-2δ.
0
В другом варианте солнечного модуля с концентратором модуль содержит установленные в одной плоскости вторую оптическую отклоняющую систему и второй полупараболоцилиндрический концентратор с общим двусторонним приемником, а угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей первой и второй отклоняющих оптических систем равен 2ϕ.
Солнечный модуль с концентратором иллюстрируется на фиг. 1-6.
На фиг. 1 представлена схема оптической отклоняющей системы с цилиндрическими зеркальными отражателями, которые помещены в оптически прозрачную среду, и ход лучей в ней (двухмерное изображение).
На фиг. 2 представлен ход лучей в солнечном модуле с призменным концентратором с оптической отклоняющей системой в виде жалюзи из миниатюрных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду.
На фиг. 3 показан общий вид солнечного модуля с одной оптической отклоняющей системой и призменным концентратором.
На фиг. 4 показан солнечный модуль с концентратором, состоящий из первой и второй оптических отклоняющих систем в виде жалюзи из зеркальных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду, и первого и второго призменного концентратора с общим приемником.
На фиг. 5 показан общий вид солнечного модуля с одной оптической отклоняющей системой и с одним полупараболоцилиндрическим концентратором.
На фиг. 6 представлен солнечный модуль с концентратором, состоящий из первой и второй оптических отклоняющих систем в виде жалюзи из зеркальных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду, и первого и второго полуцилиндрического концентратора с общим приемником.
0
0
а
Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит зеркальную отклоняющую периодическую оптическую систему 1 высотой h, шириной l и длиной L, состоящую из цилиндрических зеркальных отражателей 2 с радиусом кривизны R и с плоскостью 3 входа лучей шириной d, установленных под углом ϕ. Солнечный модуль имеет рабочую поверхность 4, на которую падает излучение 5. Цилиндрические зеркальные отражатели 2 установлены друг от друга на расстоянии  под углом ϕ к вертикальной плоскости и помещены в оптически прозрачную среду 6 с коэффициентом преломления n.
1
1
1
а
Количество цилиндрических зеркальных отражателей 2 в отклоняющей оптической системе . Обозначим через β угол выхода лучей от цилиндрических зеркальных отражателей 2 в оптической системе 1. Угол β отсчитывается от вертикальной плоскости. Угол β выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии ОЕ=2.
Принимая h=1, получим:
0
0
0
0
На фиг. 2 касательная 7 в точке А и касательная 8 в точке D к цилиндрическому зеркальному отражателю 2 образуют угол θ с плоскостью 3 входа лучей. Обозначим через θ угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя 2 и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя 2 в точке падения лучей. Касательная 9 в точке G параллельна плоскости 3 входа лучей, поэтому в точке G θ=0. Из фиг. 2 следует, что θ=max θ в точках А и D, в точке G θ=0, на участке AG θ<ϕ, а на участке GD θ>ϕ.
1
1
1
0
1
Радиус кривизны цилиндрического зеркального отражателя R=АО и высоту сегмента FG найдем из Δ OAF: AF=AOsinθ, AO=R, ,
1
1
FG=OG-OF, , .
1
0
Для лучей, нормальных к рабочей поверхности 4 модуля в точке А: β=2ϕ-2θ.
1
Подставляя β из (1), получим для точки А:
1
0
В точке В: β=2ϕ+2θ.
1
0
0
В точке G: θ=0, β=2ϕ=arctg(2tgϕ).
Для любой точки цилиндрического зеркального отражателя 2:
1
0
где ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя 2 в точке падения лучей, углы β, ϕ и ϕ отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности 4 против часовой стрелки.
0
0
0
а
При расчете оптической отклоняющей периодической системы 1 на фиг. 1, 2 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех цилиндрических зеркальных отражателей 2 при любом угле ϕ. Это означает, что при увеличении ϕ и постоянной ширине d цилиндрического зеркального отражателя 2 растет расстояние =tgϕ, между цилиндрическими зеркальными отражателями.
1
Из фиг. 2 и формул (6) следует, что угол выхода лучей β изменяется при отражении лучей от различных участков цилиндрического зеркального отражателя 2.
- угол выхода лучей при отражении от нижнего края (точка D) цилиндрического зеркального отражателя 2,
- угол выхода лучей при отражении от верхнего края (точка А) цилиндрического зеркального отражателя 2.
Оптическая отклоняющая система 1 из цилиндрических зеркальных отражателей 2 обеспечивает 100%-е переотражение излучения 5, поступающего на рабочую поверхность 4 солнечного модуля с концентратором.
2
Обозначим через β угол выхода лучей из оптической отклоняющей системы 1, которая содержит прозрачную среду 6, с коэффициентом преломления n.
2
Угол β отсчитывается от вертикали против часовой стрелки.
Обозначим
,
2
3
2
5
4
6
4
min
min
На фиг. 2 и 3 призменный концентратор 10 выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с коэффициентом преломления n и с острым углом ψ и отделен от отклоняющей оптической системы 1 с помощью воздушного промежутка 11. Луч, выходящий из оптической отклоняющей системы 1 под углом β, поступает на поверхность входа 12 призменного концентратора 10 под углом β=β. Излучение входит в призменный концентратор 10 под углом , поступает на грань переотражения 13 под углом β=β+ψ, отражается от грани переотражения 13 и поступает на поверхность входа 12 под углом β=β+2ψ, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения .
2
1
min
Из (9) получаем соотношение между ψ, β и n:
Все входящие лучи, удовлетворяющие условию (1), (6), (8) и (10), будут поступать на приемник 14.
Коэффициент концентрации к=ctg ψ.
0
В варианте солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 первый 15 и второй 16 призменные концентраторы с острыми углами ψ имеют общий двусторонний приемник 17, рабочую поверхность 18, на которой установлены первая 19 и вторая 20 отклоняющие лучи встречно оптические системы, поверхности входа 21 и 22 лучей призменных концентраторов 15 и 16 находятся в одной плоскости, а угол между плоскостями входа 23 и 24 цилиндрических зеркальных отражателей 25 и 26 составляет 2ϕ. Призменные концентраторы 15, 16 установлены таким образом, что их отраженные потоки излучения направлены навстречу друг другу и поступают на общий двусторонний приемник излучения 17, установленный на опорном устройстве 27 со слежением за солнцем по одной оси.
Коэффициент концентрации для солнечного модуля с двумя призменными концентраторами 15 и 16 и с двусторонним приемником 17 (фиг. 4) составляет:
к=2ctg ψ.
2
2
Солнечный модуль с концентратором на фиг. 5 содержит полупараболоцилиндрический концентратор 28 с параметрическим углом δ, фокальной осью F и вершиной O с поверхностью входа 29 лучей, которая параллельна рабочей поверхности 4 солнечного модуля с концентратором. Приемник 30 установлен между фокальной осью F и вершиной O полупараболоцилиндрического концентратора 28.
2
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 5 отклоняющая оптическая система шириной L=АС создает на поверхности входа 29 лучей полупараболоцилиндрического концентратора 28 поток лучей с углом β, .
Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором при нормальном падении излучения 5 на рабочую поверхность 4 равен:
.
Параметрический угол δ определяется из условия:
,
.
0
На фиг. 6 солнечный модуль с концентратором содержит первую 31 и вторую 32 отклоняющие лучи встречно оптические системы, у которых угол между поверхностями входа 33 и 34 цилиндрических зеркальных отражателей двух отклоняющих оптических систем составляет 2ϕ. Солнечный модуль содержит первый 35 и второй 36 полупараболоцилиндрические концентраторы с общей фокальной осью F, общим двухсторонним приемником 37, у которых поверхности входа 38 и 39 находятся в одной плоскости. Линии 40 и 41, которые являются касательными к поверхности полупараболоцилиндрических концентраторов 35 и 36 у поверхностей входа 38 и 39 и внешними границами апертурных углов, образуют между собой угол 180° - 2δ. Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором на фиг. 6 равен:
.
Примеры выполнения солнечного модуля с концентратором
0
0
0
0
1
1
а
min
max
Пример 1. На фиг. 1, 2, 3 отклоняющая оптическая система 1 состоит из 273 цилиндрических зеркальных отражателей 2 размером плоскости входа d=15 мм. Угол наклона плоскости входа 3 цилиндрических зеркальных отражателей ϕ=18,5°, расстояние между цилиндрическими зеркальными отражателями =d⋅sinϕ=4,76 мм, радиус кривизны R=267,78 мм, высота сегмента 0,104 мм, угол входа лучей β=0°, θ=1,605°, углы выхода лучей β=35,79°, β=40,21°.
Углы выхода лучей из оптической отклоняющей системы с оптической средой из стекла с коэффициентом преломления n=1,51:
,
.
Угол полного внутреннего отражения для стекла:
.
1
Острый угол в призменном концентраторе 10 из стекла (n=1,51):
.
Коэффициент концентрации для солнечного модуля с концентратором на фиг. 1, 2, 3:
к=ctgψ=20,15.
2
2
Приемник 14 имеет размеры 6,25×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 625×31,25 мм. Геометрический коэффициент концентрации к=20,15, оптический КПД 85%, КПД приемника 15%, КПД модуля 12,75%. Размеры модуля 1300×1250 мм. Площадь модуля 1,635 м. Пиковая электрическая мощность 208,46 Вт при освещенности 1 кВт/м и температуре 25°С.
Для солнечного модуля на фиг. 4 коэффициент концентрации к=40,3, размеры модуля 2600×1250 мм, размеры двустороннего приемника 17 625×1250 мм, пиковая электрическая мощность 416,92 Вт.
0
0
0
0
1
1
а
min
max
Пример 2. На фиг. 5 отклоняющая оптическая система 1 состоит из 273 цилиндрических зеркальных отражателей 2 размером плоскости входа d=15 мм. Угол наклона плоскости входа 3 цилиндрических зеркальных отражателей ϕ=18,5°, расстояние между цилиндрическими зеркальными отражателями =d⋅sinϕ=4,76 мм, радиус кривизны R=267,78 мм, высота сегмента 0,104 мм, угол входа лучей β=0°, θ=1,605°, углы выхода лучей β=35,79°, β=40,21°. Углы выхода лучей из оптической отклоняющей системы с оптической средой из стекла n=1,5:
,
.
2
2
Апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора 28 δ=14°, зеркальные отражатели концентратора 28 выполнены из полированного алюминия. Геометрический коэффициент концентрации к=17,09, оптический КПД модуля 80%, Приемник 30 имеет размеры 75×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 75×31,25 мм. КПД приемника 16%, КПД модуля 12,8%. Размеры модуля 1300×1250 мм. Площадь модуля 1,635 м. Пиковая электрическая мощность 209,28 Вт при освещенности 1 кВт/м и температуре 25°С.
Для солнечного модуля на фиг. 6 коэффициент концентрации к=34,18, размеры модуля 2600×1250 мм, размеры двустороннего приемника 37 675×1250 мм, пиковая электрическая мощность 418,56 Вт.
1
2
3
2
Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1, 2, 3). Солнечное излучение 5 поступает по нормали на рабочую поверхность 4 солнечного модуля с концентратором, отражается от цилиндрических зеркальных отражателей 2 под углом β, выходит под углом β из отклоняющей оптической системы 1 и через воздушный промежуток 11 поступает под углом β=β на поверхность входа 12 в призменный концентратор 10 и концентрируется на приемнике 14.
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 4 солнечное излучение 5 концентрируется на двустороннем приемнике 17.
1
2
3
2
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 5 солнечное излучение поступает по нормали на рабочую поверхность 4 модуля и в оптическую отклоняющую систему 1, отражается от цилиндрических зеркальных отражателей 2 под углом β, выходит под углом β в воздушный промежуток 11, поступает под углом β=β на поверхность входа 29 полупараболоцилиндрического концентратора 28, отражается от полупараболоцилиндрической поверхности концентратора и поступает на приемник 30 при условии: .
Лучи с углами  собираются в области, близкой к фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 28.
В связи с тем, что лучи, выходящие из оптической отклоняющей системы, не параллельны, а образуют расходящийся поток с углами выхода в диапазоне , излучение будет концентрироваться не в фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 28, а равномерно распределяться по всей площади фотоприемника 30, что улучшает условия теплоотвода от поверхности фотоприемника и снижает потери от неравномерного освещения.
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 6 солнечное излучение концентрируется с двух сторон на приемнике 37, в результате коэффициент концентрации увеличивается в два раза по сравнению с солнечным модулем с концентратором на фиг. 5.
2
2
Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 10-12 из условия воздушного или водяного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Такие солнечные модули с концентраторами могут быть использованы со следящими системами для установки на крышах зданий или на земле. При стоимости зеркальных отражателей 30 долл./м, концентрации 5, оптическом КПД 0,85 и электрическом КПД 15% стоимость солнечного модуля с концентратором составит 86,58 долл./м, 0,378 долл./Вт, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля.
По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет нулевые косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость. Приемники 14, 17 и 30 могут быть выполнены с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и горячей воды или горячего воздуха.