КОНЦЕНТРАТОРНАЯ СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ
CONCENTRATOR SOLAR PANEL

Изобретение относится к солнечной энергетике и может быть использовано в космических концентраторных солнечных энергоустановках при базировании на космическом летательном аппарате.
Известна концентраторная солнечная батарея (см. патент RU 2554674, МПК H01L 31/054, опубликован 27.06.2015), включающая асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси. Линейчатый ФЭП снабжен устройством протока теплоносителя. Форма отражающей поверхности концентратора X(Y) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности ФЭП, выполненного в виде линейки из коммутированных ФЭП и расположенного под углом к миделю концентратора. Изобретение обеспечивает работу солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерное освещение ФЭП, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения, нагрев проточного теплоносителя, повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии.
Недостатком известной концентраторной солнечной батареи являются необходимость организации теплоотвода путем циркуляции теплоносителя, а также малая компактность батареи при отсутствии конструкции складывания батареи для ее транспортировки, что ведет к увеличению массово-габаритных параметров батареи при ее базировании на космическом летательном аппарате.
Известна концентраторная солнечная батарея (см. патент RU 2740437, МПК H01L 31/02, опубликован 14.01.2021), включающая ряд концентраторных фотоэлектрических модулей с корпусами прямоугольной или квадратной формы с отбортовками для прикрепления силиконом-герметиком панелей из линз Френеля и с ФЭП, размещенными в фокусах линз Френеля. При этом концентраторная солнечная батарея установлена на механической системе ориентации на Солнце, содержащей приводы зенитального и азимутального вращения и систему слежения, оснащенную датчиками положения Солнца. Концентраторные фотоэлектрические модули сопряжены внахлест отбортовками по высоте в шахматном порядке. При этом в крайнем ряду концентраторных фотоэлектрических модулей и в рядах концентраторных фотоэлектрических модулей, параллельных крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда концентраторных фотоэлектрических модулей сопряжены внахлест вплотную. В рядах концентраторных модулей, перпендикулярных этому крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда концентраторных фотоэлектрических модулей отстоят по высоте друг от друга на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине отбортовки, силикона-герметика и панели из линз Френеля.
Недостатком известной концентраторной солнечной батареи являются большие оптические потери, связанные с низкой эффективностью линз Френеля (менее 90%), а также недостаточная компактность батареи, следствием чего усложняется ее транспортировка, что не позволяет использовать солнечную батарею для установки на космическом аппарате.
Известна комбинированная солнечно-энергетическая станция (см. патент RU 2382953, МПК F24J 2/42, опубликован 27.02.2010), включающая солнечные батареи с модульными зеркальными концентраторами солнечного излучения, размещенными на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за Солнцем, принимающими солнечное излучение ФЭП с блоком накопления электрической энергии, циркуляционные контуры теплопередачи для охлаждения ФЭП и получения тепла. ФЭП представляют собой двусторонние полупроводниковые структуры с вертикальными p-n-переходами, которые расположены в фокусе зеркальных концентраторов в заполненных теплоносителем корпусах с прозрачными окнами, при этом теплоноситель прозрачен для фотоактивного излучения и непрозрачен для нефотоактивного излучения. Зеркальные концентраторы дополнительно снабжены пленарными солнечными батареями, установленными в центральной зоне входной апертуры зеркальных концентраторов. Изобретение повышает общий КПД путем эффективного использования отводимого тепла при одновременной генерации электричества.
Недостатком известной солнечно-энергетической станции является необходимость в циркуляционных контурах теплопередачи для охлаждения ФЭП, что ведет к усложнению конструкции и недостаточной компактности станции, усложняющей процесс ее транспортировки, что важно при базировании солнечно-энергетической станции на космическом аппарате.
Известна гелиоустановка (см. патент RU 2196280, МПК F24J 2/14, F24J 2/52, опубликован 10.01.2003), содержащая один или несколько концентраторов солнечного излучения, снабженных приводом, систему слежения за Солнцем с блоком управления и неподвижно закрепленный приемник излучения. Привод выполнен с возможностью обеспечения прямолинейного возвратно-поступательного перемещения концентраторов, при этом концентраторы выполнены зеркальными с цилиндрическими поверхностями, текущее значение радиуса направляющей которых имеет отклонение от среднего значения, соответствующего радиусу окружности направляющей кругового цилиндра, не более чем на ±10%, а приемник излучения - ФЭП размещен в фокальной плоскости каждого концентратора.
Недостатком известной гелиоустановки является низкое отношение фотоактивных площадей к общей площади установки, вследствие больших зазоров между концентраторами, фокусирующих излучение на ФЭП, и вследствие этого низкий удельный энергосъем гелиоустановки.
Известна концентраторная солнечная батарея (см. заявка WO 09749956, МПК F24J 2/54, опубликована 31.12.1997), содержащая двухосевую систему слежения за Солнцем, снабженную системой дистанционного управления, и концентратор солнечного излучения, включающий основание, несущий каркас, подвижный каркас и отражатель. На каркас установлено множество вогнутых или параболоцилиндрических зеркал. Отражатель центрирован относительно фокального пятна зеркал. Отвод и накопление тепла осуществляется путем циркуляции жидкости, подводимой к отражателю с помощью насоса, которая может быть использована в дальнейшем.
Недостатком известной концентраторной солнечной батареи являются большие оптические потери при использовании комбинированной системы концентрирования солнечного излучения, включающей зеркала и отражатели с коэффициентом отражения менее 98% каждый.
Известен параболический солнечный концентраторный модуль (см. патент ЕР 1397621, МПК F24J 2/10, опубликован 17.03.2004), содержащий основание, плоскость которого ориентирована перпендикулярно направлению на Солнце, с установленными на основании одинаковыми параболоцилиндрическими отражателями, имеющими параболическое поперечное сечение и прямолинейное продольное удлинение, при этом отражатели включают отражающую поверхность из стекла, сотовый центральный сердечник из алюминия и две тонкие внешние оболочки из высокопрочного материала, изготовленные из стали, либо из алюминия.
Недостатком известного параболического солнечного концентраторного модуля является использование отражающей поверхности из стекла, так как при прохождении солнечного излучения через стекло возникают хроматические аберрации, что ведет к увеличению оптических потерь.
Известен складной теплофотоэлектрический концентраторный модуль (см. патент RU 193323, МПК H02S 10/40, H02S 30/20, F24H 1/06, H02S 40/44, опубликован 24.10.2019), содержащий концентратор параболоцилиндрического типа, двусторонние ФЭП, расположенные в фотоприемнике, и теплоноситель. Концентратор выполнен складным, оснащен цилиндрическими шарнирами для складывания, стойками с отверстиями для ФЭП и ручкой-стойкой для переноски и установки модуля. Модуль в сложенном состоянии обладает функцией защиты двусторонних ФЭП, а его профиль обеспечивает освещенность одной или одновременно двух приемных поверхностей ФЭП с возможностью ее регулирования. Фотоприемник может располагаться как один, так и совместно со вторым фотоприемником. Корпус фотоприемника выполнен металлическим, имеет комбинированные полости для различных функций, обеспечивающий своей структурой полости для теплоносителя с входом и выходом, с возможностью непосредственного теплосъема и теплоизоляции теплоносителя. Герметизирующий компонент двусторонних ФЭП выполнен в виде двухкомпонентного полисилоксанового компаунда. Двусторонние ФЭП имеют р-п-переходы, параллельные потоку концентрированного солнечного излучения. Теплоизоляция теплоносителя и двусторонних ФЭП выполнена с обеих сторон, теплоноситель омывает непосредственно загерметизированные двусторонние ФЭП, защитные функции которых обеспечивают прозрачные закаленные стекла.
Известный концентраторный модуль имеет недостаточную жесткость конструкции концентратора, наличие стыка между складными элементами концентратора приводит к возрастанию оптических потерь при концентрировании солнечного излучения на фотоприемник. Так же выбранное размещение ФЭП ведет к смещению фокуса концентратора вниз, к снижению равномерности углового распределения и к увеличению коэффициента отражения солнечного излучения.
Известна концентраторная солнечная батарея (см. заявка US 20140078607 МПК G02B 5/10, опубликована 20.03.2014), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип.Известная концентраторная солнечная батарея-прототип включает основание, оснащенное вращательным элементом, параболоцилиндрические концентраторы с зеркальной внутренней поверхностью отражения, установленные на основании, цилиндрические направляющие которых параллельны основанию и друг другу, линейные цепочки ФЭП, установленные на верхней кромке тыльной стороны каждого последующего концентратора в фокальной линии каждого предыдущего концентратора. При этом сечение каждого параболоцилиндрического концентратора, перпендикулярное цилиндрическим направляющим, является половиной параболы. Тыльная поверхность первого концентратора и тыльная поверхность второго концентратора обращены к вращательному элементу, а фронтальные поверхности первого и второго концентраторов обращены в разные стороны, так что центр равновесия находится на вращательном элементе.
Недостатком концентраторной солнечной батареи-прототипа являются повышенные массово-габаритные параметры солнечной батареи за счет расположения вращательного элемента на светоприемной области батареи, к тому же отсутствие складной конструкции затрудняет размещение батареи на космическом летательном аппарате.
Задачей настоящего технического решения является уменьшение массово-габаритных параметров концентраторной солнечной батареи за счет эффективного использования всей площади при обеспечении возможности складывания батареи в нерабочем транспортном состоянии.
Поставленная задача достигается тем, что концентраторная солнечная батарея включает основание, параболоцилиндрические концентраторы с зеркальной внутренней поверхностью отражения, установленные на основании, цилиндрические направляющие которых параллельны основанию и друг другу, линейные цепочки фотоэлектрических преобразователей, установленные на верхней кромке тыльной стороны каждого последующего концентратора в фокальной линии каждого предыдущего концентратора, при этом сечение каждого параболоцилиндрического концентратора, перпендикулярное цилиндрическим направляющим, является половиной параболы. Новым в концентраторной солнечной батарее является то, что вершина каждого параболоцилиндрического концентратора, посредством первого цилиндрического шарнира, параллельного цилиндрической направляющей параболоцилиндрического концентратора, прикреплена к основанию, противолежащие боковые кромки каждого параболоцилиндрического концентратора посредством второго цилиндрического шарнира, параллельного цилиндрической направляющей концентратора, соединены с верхними концами двух рычагов, нижние концы которых соединены с основанием посредством первого цилиндрического шарнира предыдущего параболоцилиндрического концентратора. При этом длина рычагов равна расстоянию между первым и вторым цилиндрическими шарнирами параболоцилиндрического концентратора, а основание выполнено в виде секционного пантографа ножничного типа с количеством секций, равным удвоенному количеству параболоцилиндрических концентраторов.
Закрепление вершины каждого параболоцилиндрического концентратора, посредством первого цилиндрического шарнира, параллельного цилиндрической направляющей параболоцилиндрического концентратора, к основанию, соединение противолежащих боковых кромок каждого параболоцилиндрического концентратора посредством второго цилиндрического шарнира, параллельного цилиндрической направляющей концентратора, с верхними концами двух рычагов, нижние концы которых соединены с основанием посредством первого цилиндрического шарнира предыдущего параболоцилиндрического концентратора, а также выбор длины рычагов равным расстоянию между первым и вторым цилиндрическими шарнирами параболоцилиндрического концентратора позволяет уменьшить массово-габаритные параметры концентраторной солнечной батареи, обеспечить высокую степень подвижности параболоцилиндрических концентраторов при складывании и раскладывании солнечной батареи с одновременным увеличением жесткости конструкции солнечной батареи, что приводит к увеличению точности фокусировки солнечного излучения при раскладывании концентраторной солнечной батареи.
Выполнение основания концентраторной солнечной батареи в виде секционного пантографа ножничного типа с количеством секций, равным удвоенному количеству параболоцилиндрических концентраторов, обеспечивает упрощение конструкции складывания и раскладывания батареи при высокой степени жесткости и возможность транспортировки концентраторной солнечной батареи в компактном виде.
Использование концентраторов солнечного излучения параболоцилиндрического типа с зеркальной внутренней поверхностью ведет к снижению оптических потерь за счет высокого коэффициента отражения зеркальной поверхности (96-98%) и отсутствия хроматических аберраций, а также обеспечивает увеличение равномерности распределения солнечного излучения по поверхности линейной цепочки ФЭП.
Установка линейных цепочек ФЭП на верхней кромке тыльной стороны каждого последующего концентратора в фокальной линии каждого предыдущего концентратора обеспечивает высокую точность фокусировки солнечного излучения на ФЭП, а также отвод тепла от ФЭП, расположенных на тыльной стороне концентраторов.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически показана часть концентраторной солнечной батареи в рабочем состоянии, вид сбоку;
на фиг. 2 изображена концентраторная солнечная батарея в рабочем состоянии в аксонометрии;
на фиг. 3 приведена концентраторная солнечная батарея в сложенном транспортном состоянии, вид сбоку;
на фиг. 4 показана концентраторная солнечная батарея в сложенном транспортном состоянии, вид снизу;
на фиг. 5 изображена концентраторная солнечная батарея в сложенном транспортном состоянии, вид в аксонометрии;
на фиг. 6 изображен вид снизу в начале раскрытия концентраторной солнечной батареи;
на фиг. 7 приведен вид снизу полностью раскрытой батареи.
Настоящая конструкция концентраторной солнечной батареи (см. фиг. 1-фиг. 2) включает основание 1, плоскость которого ориентируют перпендикулярно направлению 2 на Солнце, параболоцилиндрические концентраторы 3 с зеркальной внутренней поверхностью отражения, установлены на основании 1. Цилиндрические направляющие 4 параболоцилиндрических концентраторов 3 установлены параллельно основанию 1 и друг другу (см. фиг. 2). Сечение каждого параболоцилиндрического концентратора 3, перпендикулярное цилиндрическим направляющим 4, является половиной параболы с вершиной 5. Вершина 5 каждого параболоцилиндрического концентратора 3, посредством первого цилиндрического шарнира 6, параллельного цилиндрической направляющей 4 параболоцилиндрического концентратора 3, прикреплена к основанию 1. На верхней кромке 7 тыльной стороны каждого последующего параболоцилиндрического концентратора 3 в фокальной линии каждого предыдущего концентратора 3 установлены линейные цепочки фотоэлектрических преобразователей 8 (см. фиг. 3). Противолежащие боковые кромки 9 (см. фиг. 2) каждого параболоцилиндрического концентратора 3 посредством второго цилиндрического шарнира 10, параллельного цилиндрической направляющей 4 параболоцилиндрического концентратора 3, соединены с верхними концами двух рычагов 11. Нижние концы рычагов 11 соединены с основанием 1 посредством первого цилиндрического шарнира 6 предыдущего параболоцилиндрического концентратора 3. Длина рычагов 11 равна расстоянию между первым цилиндрическим шарниром 6 и вторым цилиндрическим шарниром 10 параболоцилиндрического концентратора 3. Основание 1 концентраторной солнечной батареи выполнено в виде секционного пантографа 12 (см. фиг. 6-фиг. 7) ножничного типа с количеством секций 13, равным удвоенному количеству параболоцилиндрических концентраторов 3.
Концентраторная солнечная батарея работает следующим образом.
В рабочем состоянии в космосе основание 1 и рычаги 11 параболоцилиндрических концентраторов 3 разложены на максимальную длину (см. фиг. 7). Плоскость основания 1 солнечной батареи ориентируют перпендикулярно направлению 2 на Солнце. Солнечное излучение отражается параболоцилиндрическими концентраторами 3 на линейные цепочки фотоэлектрических преобразователей 8, установленных на тыльной стороне последующего параболоцилиндрического концентратора 3. Фотоэлектрические преобразователи 8 осуществляют преобразование солнечного излучения в электрическую энергию.
В нерабочем транспортном состоянии секционный пантограф 12 складывают на минимальную длину, равную суммарной толщине параболоцилиндрических концентраторов 3 (см. фиг. 4-фиг. 5). При этом параболоцилиндрические концентраторы 3 и рычаги 11 прилегают друг к другу и установлены перпендикулярно к основанию 1, что обеспечивает увеличение компактности сложения батареи и ведет к снижению массово-габаритных параметров.
Результатом настоящего технического решения стало увеличение удельной (на единицу площади и веса) мощности и уменьшение массово-габаритных параметров концентраторной солнечной батареи за счет эффективного использования всей площади батареи, а также за счет компактного складывания батареи в нерабочем транспортном состоянии, что особенно важно при базировании батареи на космическом аппарате.