ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОРОМ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
THERMAL PHOTOELECTRIC MODULE WITH PARABOLIC-CYLINDER CONCENTRATOR OF SOLAR RADIATION AND METHOD OF MAKING SAME

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами.
Известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде параболоцилиндра (Д.С. Стребков, Э.В. Тверьянович. «Концентраторы солнечного излучения», глава 7 «Варианты стационарных параболоцилиндрических концентраторов», стр. 180-215). Известные солнечные модули имеют концентраторы, создающие в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы кремниевыми планарными ФЭП.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрического преобразователя, расположенного в фокальной плоскости с равномерным распределением концентрированного излучения (Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскас А.Л., Майоров В.А., Ясайтис Д-Ю.Ю. «Концентратор солнечной энергии». Патент СССР №1794254, 3.04.91).
Недостатками известного солнечного фотоэлектрического модуля являются:
- снижение КПД планарными кремниевыми фотоэлектрическими приемниками ФЭП при высоких концентрациях солнечного излучения;
- расположение оптического фокуса на оси фотоэлектрического модуля и концентрическое распределение освещенности по поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП);
- низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 В) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле, чтобы набрать напряжение 12 В и выше, приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п.
Последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного теплофотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерного освещения фотоэлектрического приемника, получение на одном ФЭП (модуле) технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования; получения горячего водоснабжения и снижения стоимости вырабатываемой энергии.
В результате использования предлагаемого изобретения на поверхности линейчатого теплофотоэлектрического приемника с фотоэлектрическими преобразователями с устройством проточной воды формируется равномерная освещенность концентрированного излучения, вырабатывая электроэнергию и нагревая проточную воду.
o
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом теплофотоэлектрическом модуле с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящем из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси, солнечный теплофотоэлектрический модуль содержит асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический приемник, имеющий в продольном направлении зеркальные вторичные отражатели, закрепленные на устройстве протока теплоносителя треугольной формы сечения, а форма отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника, выполненного в виде линейки из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей шириной d и длиной L и расположенного под углом к миделю концентратора, определяется системой уравнений:
B
B
B
B
B
B
B
B
н
o
н
н
н
н
н
н
н
n
n
2
hsinξ*=d/sin(φ+γ), θ=φ+j, X*=hcosφ, Y*=Y-hsinφ, h/sinγ=Y/sin(φ+γ), β*=β+γ, h/sinγ=L/sin(α*+β+γ), h/sinξ=d/sin[π-(δ+ξ)], δ=π/2-j+α*, X*=X-hcos(j-ξ), Y*=Y-hsin(j-ξ), X =4fY,
B
где h - ширина верхнего отражателя, расположенного под углом θ над линейкой шириной d из скоммутированных ФЭП и длиной L;
в
в
ξ* - предельный угол между фотоприемником и отраженным от верхнего отражателя точки координат Х*, Y*;
φ - угол между верхним отражателем и координатной осью OY;
γ - угол отклонения (параметрический угол) солнечного излучения от нормали к миделю концентратора в направлении? перпендикулярном к фотоприемнику;
j - угол между фотоприемником и координатной осью OY;
в
Y - верхняя ордината фотоприемника;
a
H
β - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y, R концентратора и прямой Y (нижней ординаты фотоприемника), параллельной оси абсцисс;
a
H
β* - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Y, R концентратора и прямой Y* (нижней ординаты вторичного отражателя), параллельной оси абсцисс;
H
α* - угол между нижним отражателем и прямой Y (нижней ординаты фотоприемника), параллельной оси абсцисс;
н
h - ширина верхнего отражателя, расположенного под углом δ под линейкой шириной d из скоммутированных ФЭП и длиной L;
o
a
H
H
L - длина отраженного луча от верхней точки координат Y, R концентратора и пришедшего в нижнюю точку фотоприемника с координатами X,Y;
н
н
ξ - предельный угол между фотоприемником и отраженным лучом от нижнего отражателя в точке координат X*,Y*;
n
n
X,Y - абсцисса и ордината в точке n параболы с фокусным расстоянием f, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3 … N,
n
n
n
n-1
n+1
n
При этом геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника K в интервалах координатных значений концентратора ΔX=X-X и в интервалах координатных значений фотоприемника (d-d) равна:
n
n+1
n
n+1
n
K=(X-X)/(d-d).
o
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления теплофотоэлектрического модуля с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения, состоящего из параболоцилиндрического концентратора и линейчатого фотоэлектрического приемника с устройством протока воды, параболоцилиндрический концентратор изготавливают из тонкого алюминиевого листа с зеркально отражающей рабочей поверхностью, который тыльной стороной закрепленными вдоль ребрами жесткости длиной L крепится в симметрично расположенные прорези стойки с лекально изготовленными поверхностями, профиль которых соответствует условию равномерной освещенности концентратором поверхности теплофотоэлектрического приемника, состоящего из соединенных последовательно-параллельно фотоэлектрических преобразователей в виде линейки шириной d и длиной L, и закрепляют теплопроводящим и электроизоляционным клеевым составом на устройстве протока теплоносителя, выполненного из тонкого алюминиевого листа в виде канала треугольной формы сечения, закрепленного на стойке концентратора, а вторичные отражатели изготавливают из тонкого алюминиевого листа с зеркально отражающей рабочей поверхностью, которые закрепляют на устройстве протока теплоносителя вдоль линейчатого фотоэлектрического приемника
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлена схема конструкции теплофотоэлектрического модуля с параболоцилиндрическим концентратором с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатой поверхности теплофотоэлектрического приемника.
На фиг. 2 представлен ход лучей от параболоцилиндрического концентратора до тепло-фотоэлектрического приемника с вторичными отражателями.
На фиг. 3 представлена расчетная форма модуля.
B
H
На фиг. 4 представлен график зависимостей величин ширины верхнего h и нижнего h отражателей от параметрического угла γ.
o
Теплофотоэлектрический модуль на фиг. 1 состоит из: асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1, закрепленного посредством ребер жесткости 2 на стойках 3; теплофотоэлектрического приемника 4, состоящего из линейчатого фотоэлектрического приемника 5 шириной d, длиной L, расположенных вдоль фотоэлектрического приемника вторичных отражателей 6, устройства протока теплоносителя 7 со штуцерами 8 для входа и выхода теплоносителя и закрепленного на стойках 9.
o
Параболоцилиндрический концентратор 1 теплофотоэлектрического модуля на фиг. 2 с рабочим профилем концентрирует солнечное излучение в фокальной области на поверхности фотоэлектрического приемника 5 шириной d, длиной L; лучи от верхней части концентратора приходят на нижнюю часть, а лучи от нижней части концентратора приходят на верхнюю часть фотоэлектрического приемника 5.
На основании приведенных формул произведены:
расчет формы отражающей поверхности концентратора - график зависимости Х(У) (фиг. 3);
расчет координатного расположения (профиля) отражателей относительно фотоприемника;
B
Н
расчет зависимостей величин ширины верхнего h и нижнего h отражателей, представленного на фиг. 4 от параметрического угла γ.
Из приведенных характеристик видно, что изменение ориентации модуля в пределах параметрического угла не меняет концентрацию освещенности по ширине фокальной области теплофотоэлектрического преемника 2 и не влияет на электрофизические и тепловые характеристики солнечного модуля.
Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.
o
o
Солнечное излучение, попадая на поверхность параболоцилиндрического концентратора 1, отражается под углами наклона таким образом, чтобы они обеспечивали равномерную концентрацию лучей на фотоэлектрической части 3 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля, выполненного в виде линейки шириной d и длиной L из скоммутированных параллельно-последовательно фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) высотой d, с устройством протока теплоносителя 7, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем, нагревая теплоноситель. Расположенные вдоль фотоэлектрического приемника 3 два вторичных отражателя 6 отражают на ФЭП вышедшее за пределы фотоприемника солнечное излучение от концентратора.
Регулируя скорость протока теплоносителя, можно оптимизировать нагрев фотопреобразователей и теплоносителя, повышая КПД модуля.
Пример выполнения солнечного теплофотоэлектрического модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором
мах
o
Концентратор 1 с максимальным размером миделя R=900 мм, высотой 500 мм выполнен из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью, закрепленного посредством ребер жесткости 2 размером 8×700 мм и толщиной 1 мм в прорезях стоек 3, с рабочим профилем, обеспечивающим равномерную концентрацию лучей линейчатого теплофотоэлектрического приемника 4 модуля на его фотоэлектрической части 5, состоящий из: параллельно-последовательно скоммутированных фотоэлектрических преобразователей шириной d=80 мм, длиной L=700 мм, расположенных вдоль ФЭП двух вторичных отражателей 6, изготовленных из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью размерами 20×700 мм, которые закреплены на устройстве протока теплоносителя 7, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем размером 80×80×10 мм и длиной L=700 мм, со штуцерами 8 для входа и выхода теплоносителя и закрепленного на стойках 9.
Концентрация освещенности на поверхности фотоэлектрической части теплофотоэлектрического приемника модуля составляет К=10 крат.
Таким образом, предложенный теплофотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с фотоэлектрическими преобразователями и параболоцилиндрическим концентратором 1 обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К=10 крат на фотоэлектрической части 5 теплофотоэлектрического приемника 4 модуля из последовательно-параллельно соединенных ФЭП, повышая напряжение и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую; нагревая проточный теплоноситель устройства охлаждения 4, тем самым повышая общий КПД преобразования солнечной энергии теплофотоэлектрического модуля.