СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ СО СТАЦИОНАРНЫМ КОНЦЕНТРАТОРОМ
SOLAR MODULE WITH STATIONARY CONCENTRATE

Изобретение относится к области гелиотехники и касается 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 круглоцилиндрическим отражателем, установленным под приемником излучения с двусторонней рабочей поверхностью.
Основными недостатками указанного модуля с концентратором являются то, что модуль необходимо ориентировать на солнце, что усложняет конструкцию солнечной установки, удорожает ее и увеличивает эксплуатационные расходы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль, имеющий боковые отражающие круглоцилиндрические стенки радиусом R, расположенные по обе стороны от плоскости симметрии модуля, ограничивающие плоскость входа излучения в концентратор, плоскость симметрии модуля проходит через центр плоскости приемника излучения с двусторонней рабочей поверхностью шириной d и параллельной плоскости входа, и вторичные круглоцилидрические отражатели радиусом г=0,5d (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович «Концентраторы солнечного излучения», М., ОНО «Типография Россельхозакадемии», 2007, с.197-198).
Известное техническое решение по сравнению с известным аналогом имеет более высокую концентрацию, симметричный рабочий 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 прототипа следующие:
- геометрия концентратора, определяемая углами α и β, расположением центров радиусов образующих окружностей предполагает работу модуля в стационарном режиме в пределах небольших параметрических углов β (±27,5°), что предполагает использование модуля только при горизонтальном расположении продольной (ось модуля ориентирована Запад-Восток), при этом необходима принудительная циркуляция охлаждающей жидкости через приемник излучения, что требует насосного оборудования и дополнительной трубопроводной арматуры, т.к. естественная конвекция при этом не будет работать;
- 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 ч 40 мин в течении световых суток, что мало и не приемлемо.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение концентрации при параметрическом угле ±60° и установка модуля по экваториальной схеме с длительной работой в стационарном режиме.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность увелечить среднесуточную выработку энергии при возможности естественной конвекционной циркуляции охлаждающей жидкости.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом солнечном модуле со стационарным концентратором, имеющем боковые отражающие круглоцилиндрические стенки радиусом R, расположенные по обе стороны от плоскости симметрии модуля, ограничивающие плоскость входа излучения в концентратор, плоскость симметрии проходит через центр плоскости приемника излучения с двусторонней рабочей поверхностью шириной d и параллельной плоскости входа, и вторичные круглоцилидрические отражатели радиусом r=0,5d, согласно изобретению в поперечном сечении концентратора боковые отражающие стенки выполнены по окружностям радиусом R, центры которых расположены на плоскости входа, один конец окружности радиусом R проходят через крайние точки плоскости приемника излучения шириной 2d, в которых соединяются окружности боковых стенок и вторичных отражателей, и через которые проходят линии параметрических углов, составляющих с осью симметрии угол γ, точки пересечения которых с плоскостью входа являются вторым концом окружностей радиусом R, при этом центральный угол дуги радиуса R составляет величину не более 30 угловых градусов, и центры вторичных круглоцилидрических отражателей расположены по краям приемника излучения.
Центры боковых отражателей, имеющих образующие в виде окружностей радиусом R, расположены на плоскости входа излучения по разные стороны от плоскости симметрии, при этом центральный угол раскрытия каждой боковой стенки имеет угол β≤30°.
Центры радиусов вторичных отражателей находятся по краям приемника излучения.
Образующие боковых стенок и вторичных отражателей не являются сопряженными поверхностями, окружности вторичных отражателей имеют конечные точки на плоскости приемника излучения.
Линии параметрических углов, определяющие угол зрения концентратора, проведены от крайних точек плоскости входа через плоскость симметрии до крайних точек плоскости приемника излучения.
Все это позволяет увеличить параметрический угол до ±60° и сделать время работы модуля до 8 часов в сутки при экваториальной схеме ориентации.
На чертеже показано поперечное сечение солнечного модуля со стационарным концентратором и схема прохождения лучей.
Солнечный модуль со стационарным концентратором имеет боковые отражающие круглоцилиндрические стенки 1, 2 радиусом R, расположенные по обе стороны от плоскости 3 симметрии модуля, ограничивающие плоскость входа 4 излучения в концентратор, плоскость симметрии 3 проходит через центр плоскости 5 приемника 6 излучения с двусторонней рабочей поверхностью шириной d и параллельной плоскости входа 4, и вторичные круглоцилидрические отражатели 7, 8 радиусом r=0,5d. В поперечном сечении концентратора боковые отражающие стенки 1, 2 выполнены по окружностям радиусом R, центры 0 которых расположены на плоскости входа 4, один конец А окружности радиусом R проходит через крайние точки плоскости 6 приемника излучения шириной 2d, в которых соединяются окружности боковых стенок 1, 2 и вторичных отражателей 7, 8, и через которые проходят одна из сторон 9, 10 параметрических углов, составляющих с осью симметрии угол γ, точки пересечения которых с плоскостью входа являются вторым концом Б окружностей радиусом R, при этом центральный угол β дуги радиуса R составляет величину не более 30 угловых градусов, и центры вторичных круглоцилидрических отражателей расположены по краям приемника излучения 6.
1
2
3
Кроме того, на чертеже изображены лучи Л и Л, наклоненные к плоскости симметрии под максимальный параметрический угол γ=60°, и схема их прохождения внутри концентратора, и луч Л, наклоненный под меньшим углом, в точках падения лучей построены нормали к отражающим поверхностям.
Работает модуль следующим образом.
1
1
2
Солнечное излучение, например луч Л, приходит под максимальным параметрическим углом γ=60° к плоскости симметрии 3, отражается от боковой стенки 2 в точке 6 и приходит в точку А′ (по построению) на границе соединения окружностей боковой стенки 1 со вторичным отражателем 7. Луч Л отражается несколько раз от стенок вторичного отражателя 7 и попадает на приемник излучения 6 благодаря тому, что радиусы вторичных отражателей исходят из крайней точки 0 приемника излучения 6.
2
Луч Л, приходящий под углом 60° в середину стенки 2, отражается и приходит в точку А′ по причине того, стенка 2 имеет малый угол раскрытия β≤30°, при таком угле раскрытия круговой отражатель ведет себя как параболический, отражая лучи в общий фокус. Далее от стенок вторичного отражателя 7 лучи после нескольких отражений попадут на приемник излучения 6.
3
Луч Л приходит под углом меньшим, чем параметрический угол, отражается от боковой стенки 2, отражается от вторичного отражателя 8 и попадает на приемник излучения 6.
Можно показать, что геометрия предлагаемого концентратора описывается следующими формулами:
Подстановка значений в формулы 1-4 при заданных d=1, β=20°, γ=60° показывают следующие значения параметров концентратора: радиус боковой стенки R=4d, концентрация излучения К=2,5, высота модуля h=1,4d, стрелка прогиба Δr=0,24d.
Для прототипа при параметрическом угле γ=60° концентрация составит К=2,16.
Если задать другие значения при d=1, например, β=20°, а параметрический угол, γ=30°, то получим следующие значения: R=14,3d, К=3,7, h=4,9d, Δr=0,86.
Преимущества предлагаемого модуля состоят в том, он имеет более высокую концентрацию излучения при больших (±60°) параметрических углах, 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 ч, при концентрации излучения 2,5.
Модули подобного типа представляют интерес для солнечных станций с фотоэлектрическими преобразователями для выработки электричества, тепло охлаждающей жидкости может полезно использоваться для промышленных и бытовых целей.
Такие модули могут использоваться в солнечных холодильных установках, в которых необходимо иметь температуру теплоносителя за 100°С.
Модули подобного типа при параметрических углах порядка 30° должны устанавливаться продольной осью горизонтально, при этом целесообразно иметь параметрический угол 30°, а не 27,5°, как в прототипе, т.к. при монтаже модулей в месте эксплуатации необходимо иметь допуск на точность установки, что обеспечивается значением угла в 30°-27,5°=2,5°.