Солнечный модуль с концентратором
SOLAR MODULE WITH CONCENTRATOR

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электроэнергии и тепла.
Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий голографическую сетку, разделяющую падающий спектр солнечного излучения на видимый и инфракрасный диапазон, а также линзу Френеля, концентрирующую видимый спектр на фотоэлектрический преобразователь, а инфракрасный спектр - на теплообменник (Xia, X.W.; Parfenov, A.V.; Aye, T.M.; Shih, M.-Y. Efficient hybrid electric and thermal energy generation. In Proceedings of SPIE, San Diego, CA, USA, 22-24 August 2011).
Недостатками известного модуля являются потери на френелевское отражение, высокая материалоемкость.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль, содержащий концентратор и приемник солнечного излучения, на рабочей поверхности концентратора установлена отклоняющая оптическая система из основных зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, на выходе оптической системы установлены дополнительные зеркальные отражатели (патент РФ № 2576739, МПК H02S 10/30, F24J 2/42, опубл. 19.05.2014 г., Бюл. 33).
Недостатками известного солнечного модуля являются низкий коэффициент концентрации и высокие оптическое потери.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента концентрации солнечного модуля и снижение оптических потерь.
В результате использования предлагаемого солнечного модуля с концентратором повышается удельная мощность приемника за счет отсутствия потерь энергии на блокировку и затенение в отклоняющей оптической системе, состоящей из плоских зеркальных отражателей.
1
2
2
2
3
1
2
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система из зеркальных отражателей, выполненных в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая углы входа β и выхода лучей β, согласно изобретению, концентратор содержит две круговые отклоняющие оптические системы, каждая отклоняющая оптическая система выполнена из n=1,2,3…m, где n - натуральное число кольцеобразных зеркальных фацет, имеющих форму усеченного конуса, угол выхода лучей β первой круговой отклоняющей оптической системы является углом входа лучей второй круговой отклоняющей оптической системы, углы выхода β и выхода лучей β лучей первой и второй круговой отклоняющей оптической системы и углы ϕ и ϕ наклона кольцеобразных зеркальных фацет первой и второй круговой отклоняющей оптической системы связаны соотношением:
2
1
β = ϕ,
3
2
1
1
β=2ϕ - ϕ+arctg(2tgϕ),
1
2
1
1
1
1
1
1
2
где ϕ и ϕ - углы наклона кольцеобразных зеркальных фацет, отсчитывающиеся от вертикали к рабочей поверхности в плоскости осевого сечения против часовой стрелки, расстояние а между кольцеобразными зеркальными фацетами и ширина кольцеобразных фацет d первой круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению а= dsin ϕ, при котором для любых углов ϕнижняя грань первой круговой отклоняющей оптической системы и верхняя грань второй круговой отклоняющей оптической системы находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности, ширина dкольцеобразных зеркальных фацет второй круговой отклоняющей оптической системы удовлетворяет соотношению:
2
1
1
1
2
d=d·tg β·cos ϕ/sin ϕ,
1
2
1
2
0
0
где d - ширина кольцеобразных зеркальных фацет первой круговой отклоняющей оптической системы, а приемник излучения в виде цилиндра высотой H=D/2·ctg β установлен по ходу лучей β, β осесимметрично вдоль оси симметрии первой и второй круговой отклоняющей оптической системы диаметром D, поверхность входа лучей образует обратный конус с вершиной на оси симметрии круговой отклоняющей оптической системы с углом при вершине обратного конуса в осевом сечении, равным 180°-2β, где β- угол между образующей обратного конуса и основанием обратного конуса, совпадающем с миделем концентратора и с рабочей поверхностью солнечного модуля.
1
2
В варианте солнечном модуле с концентратором углы β и β выхода лучей первой и второй отклоняющей оптической системы одинаковые для всех кольцеобразных зеркальных фацет.
1
2
В другом варианте солнечного модуля с концентратором углы β и β выхода лучей первой и второй отклоняющей оптической системы увеличивается при удалении кольцеобразных зеркальных фацет от центра симметрии модуля с уменьшением высоты H приемника излучения в фокальной области.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая схема солнечного модуля с концентратором и ход лучей в нем (осевое сечение), на фиг. 2 вид в плане солнечного модуля с концентратором.
1
2
3
1
2
2
2
3
1
2
Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит рабочую поверхность 1, на которую падает солнечное излучение 2, первую отклоняющую осесимметричную оптическую систему 3 с внешним диаметром D и осью симметрии 4 и вторую оптическую отклоняющую систему 5, выполненных в виде жалюзи из n=1,2,3…m, где n - натуральное число, кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, имеющих форму усеченного конуса, приемник солнечного излучения 8 в виде цилиндра диаметром d высотой H. Обозначим через β, β и βугол входа лучей и выхода лучей от кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7 в первой и второй отклоняющей оптической системе, d - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 6 первой отклоняющей оптической системы 3, d - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 7 второй отклоняющей оптической системы 5. Угол выхода лучей β первой отклоняющей оптической системы 3 является углом входа лучей второй отклоняющей оптической системы 5, углы выхода β и выхода лучей β лучей первой и второй отклоняющей оптической системы 3 и углы ϕ и ϕ наклона зеркальных фацет 6 и 7 первой и второй отклоняющей оптической системы связаны соотношением:
2
1
β = ϕ,
3
2
1
1
β=2ϕ - ϕ+arctg(2tgϕ),
1
2
1
1
1
1
1
1
2
где ϕ и ϕ - углы наклона кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, отсчитывающиеся от вертикали 9 к рабочей поверхности 1 в плоскости осевого сечения против часовой стрелки. Расстояние а между кольцеобразными зеркальными фацетами 6 и 7 и ширина кольцеобразных фацет d первой отклоняющей оптической системы 3 удовлетворяет соотношению а= dsin ϕ, при котором для любых углов ϕнижняя грань 10 первой отклоняющей оптической системы 3 и верхняя грань 11 второй отклоняющей оптической системы 5 находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности 12, ширина dкольцеобразных зеркальных фацет 7 второй отклоняющей оптической системы 5 удовлетворяет соотношению:
2
1
1
1
2
d=d·tg β·cos ϕ/sin ϕ
1
где d - ширина кольцеобразных зеркальных фацет 6 первой отклоняющей оптической системы 3.
2
1
2
Приемник излучения 8 в виде цилиндра диаметром d и высотой  H=D/2·ctg β  установлен по ходу лучей β, β осесимметрично вдоль оси симметрии 4 первой и второй отклоняющей оптической системы диаметром D.
1
1
1
1
1
1
На фиг.2 отклоняющие оптические системы 3 и 5 диаметром D выполнены в виде жалюзи из кольцеобразных зеркальных фацет 6 и 7, имеющих форму усеченного конуса. Расстояние а между кольцеобразными зеркальными фацетами 6 и ширина кольцеобразных фацет 6 d первой отклоняющей оптической системы 3 удовлетворяет соотношению а= dsin ϕ, при котором для любых углов ϕнижняя грань 10 первой отклоняющей оптической системы 3 и верхняя грань 11 второй отклоняющей оптической системы 5 находятся в одной вертикальной цилиндрической поверхности 12.
Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором равен
вх
ФП
2
2
k=S’/S=πD/4/2πd·H=D/4·d·ctg β
где D - диаметр модуля с концентратором, d - диаметр приемника излучения, H - высота приемника излучения.
Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.
1
2
3
Солнечное излучение 2, параллельное оптической оси солнечного модуля с концентратором, поступает на зеркальные фацеты 6 первой отклоняющей оптической системы 3 под углом β, после отражения под углом βпоступает на приемник солнечного излучения 8. Солнечное излучение 2, для которого первая отклоняющая система 3 является прозрачной, поступает на зеркальные фацеты 4 второй отклоняющей оптической системы 5 и после отражения от второй отклоняющей оптической системы 5 под углом β попадает на рабочую поверхность приемника солнечного излучения 8.
Пример солнечного модуля с концентратором.
2
2
Солнечный модуль с концентратором диаметром D = 10 м, диаметром фотоприемника d=0,1 м при угле β= 30°, ctg β=√3, имеет коэффициент концентрации k=1/(4·0,1·√3)=14,45.
Солнечный модуль с концентратором имеет нулевые потери на пропускание и блокировку солнечных лучей и высокий коэффициент концентрации. Выполнение модуля в виде составного концентратора из двух отклоняющих оптических систем с кольцеобразными зеркальными отражателями позволяет увеличить концентрацию солнечного излучения и удельную мощность солнечного модуля с концентратором и сократить оптические потери по сравнению с солнечным модулем с концентратором на основе линейных жалюзийных гелиостатов.