ЛИНЕЙНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LINEAR CONCENTRATOR OF LIGHT EMISSION

Изобретение относится к области солнечной энергетики, более конкретно - к области создания солнечных фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения, и может быть применено в наземных солнечных энергоустановках, предназначенных для систем автономного энергоснабжения в различных климатических зонах.
Известно, что применение концентраторов светового излучения (при условии согласования электрических параметров солнечных элементов с характеристиками оптической системы) позволяет не только поднять энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей, но и улучшить их энергоэкономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов [1].
При этом эффективность оптической схемы концентратора должна приближаться к максимально возможному значению. Конструкция таких устройств должна обеспечивать его долговременное эффективное функционирование в реальных условиях наземной экплуатации при максимально более низкой стоимости генерируемой электрической мощности. Кроме того, стоимость изготовления отдельных фрагментов модуля и всего модуля в целом должна соответствовать конечной коммерческой цели, то есть процесс изготовления деталей фотоэлектрического модуля и его сборка должен быть максимально технологичен и дешев.
Известен линейный концентратор светового излучения, в котором имеется периодическая система линейных рефлекторов с линейками солнечных элементов между ними [2].
c
Рефлекторы представляют собой линии зеркальных полосок заданной ширины, расположенных под определенным апертурным углом к потоку падающего на концентратор солнечного излучения. Отраженный от рефлекторов световой поток концентрируется на поверхности солнечных элементов. Недостатком такой системы является малое значение К (коэффициента концентрации потока светового излучения на поверхности солнечных элементов), которое в данном случае не превышает значения, равного 2,5.
Указанных недостатков лишен линейный концентратор светового излучения, который осуществляет концентрацию излучения на протяженную в одном направлении площадку, отстоящую на фокусном расстоянии от основной линзы Френеля, и пары боковых концентрирующих свет оптических систем [3].
Основная линза Френеля и боковые стенки модуля представляют собой протяженные фрагменты сопряженных между собой призм (до 80 штук), треугольных по сечению. Свет, падающий на боковые стенки призм, преломляется на их гранях и попадает на светоприемную или рабочую площадку концентратора, увеличивая общую освещенность последней. Такой модуль обладает большой собирающей свет поверхностью и, соответственно, трансформирует на светоприемную площадку больше солнечной энергии. Недостатком такой системы является сложность изготовления призматических фрагментов как самой линзы Френеля, так и боковых преломляющих свет стенок модуля. Большое количество треугольных протяженных призм с гранями, наклоненными под острыми углами (<<90°), технологически сложно изготавливать: всегда имеется радиус закругления грани тем больший, чем острее угол грани. Вследствие этого эффективность концентрирующей свет системы снижается за счет дополнительного рассеяния света на закругленных участках.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является линейный концентратор светового излучения в виде выпуклой линейной линзы Френеля, в фокусе которой находится приемник светового потока [4].
Такая концентрирующая свет оптическая система позволяет обеспечивать высокую степень концентрации солнечного светового потока на объекте при условии высокого качества изготовления линзы Френеля. Высокое качество обеспечивается, прежде всего, точностью изготовления преломляющих граней линзы Френеля. Чем более острые углы имеют грани линзы, тем сложнее технологически обеспечить минимальность радиуса закругления ребер призм. Так как преломляющие углы в данном варианте линзы Френеля всегда острые (<45°), то доля закруглений на гранях составляет заметную часть общей площади линзы, что выражается в падении эффективности концентрационной способности оптической системы.
Недостатком рассматриваемого концентратора является невозможность обеспечения высокой степени концентрации солнечного излучения вследствие низкой эффективности линзы Френеля.
Задачей изобретения является улучшение оптических характеристик линейного концентратора светового излучения.
Это достигается за счет того, что в линейном концентраторе светового излучения, представляющем собой протяженные фрагменты треугольных по сечению сопряженных между собой призм линейной линзы Френеля, углы вершин и впадин сопряженных граней призм имеет значения от 90° до 180°.
Поставленная задача решается таким образом, что в заявляемом линейном концентраторе светового излучения обеспечивается высокая эффективность собирания света на рабочих площадках за счет существенно меньших радиусов скругления углов вершин и впадин сопряженных граней преломляющих призм, чем у концентратора с остроугольными призмами, при этом концентрируемое световое излучение фокусируется как минимум в двух фокусах, расположенных симметрично относительно продольной плоскости симметрии концентратора.
Сущность отличия заявляемого изобретения от прототипа поясняется фиг.1, где:
1 - падающий на концентратор поток светового излучения;
2 - преломляющие грани концентратора;
3 - преломленный поток излучения, направленный на 1-ю рабочую площадку концентраторного модуля;
4 - преломленный световой поток, направленный на 2-ю рабочую площадку концентраторного модуля;
а) - конструкция концентратора, представляющего собой сопряженные остроугольные линейные линзы Френеля;
б) - конструкция концентратора, представляющего собой сопряженные тупоугольные линейные линзы Френеля;
На фиг.2 представлена конструкция концентраторного модуля, где:
1 - падающий на концентратор поток солнечного излучения;
2 - преломляющие грани концентратора;
1
3 - преломленный световой поток, направленный на 1-ю светоприемную площадку F;
2
4 - преломленный световой поток, направленный на 2-ю светоприемную площадку F;
5 - стеклянная пластина со сформированной на ее поверхности линзой Френеля;
6 - теплопроводящее основание;
φ - угол между сопряженными гранями концентратора.
Фиг.1 схематически показывает возникновение неоднородностей оптической системы в случае изготовления традиционной линзы Френеля с треугольными в сечении оптическими фрагментами. В этом случае имеется последовательность граней с острыми (<<90°) углами при вершинах и впадинах (фиг.1а). В процессе изготовления матрицы линзы невозможно точно воспроизвести геометрически точный профиль, так что всегда имеется некоторый радиус закругления (фиг.1а). При этом, чем острее угол, тем труднее изготовить матрицу с минимальными радиусами вершин и впадин.
В процессе изготовления концентратора, когда материал концентратора (например, силикон) приходит в соприкосновение с матрицей, за счет сил поверхностного натяжения полимеризующегося материала происходит дальнейшее увеличение закруглений вершин и впадин концентратора тем большее, чем меньше угол грани. При использовании многофокусной системы (фиг.1b), когда углы граней составляют тупой угол (>90°), радиусы закруглений существенно меньше как в случае процесса изготовления матрицы, так и в процессе формирования преломляющих граней концентратора. При этом преломленные световые лучи (3) и (4) (фиг.1b) отклоняются сопряженными преломляющими гранями концентратора на разные рабочие площадки. В целом (фиг.1b) концентратор представляет собой систему граней заданной высоты, симметричную относительно центральной плоскости между двумя или более рабочими площадками.
Функционирование заявленного концентратора светового излучения поясняется фиг.2 и осуществляется следующим образом.
Падающий на поверхность концентратора солнечный свет (1) преломляется на гранях системы призм (2) и концентрируется на пространственно разделенных площадках (3) и (4), расположенных ниже концентратора в местах проекции его боковых границ на плоскость расположения рабочих площадок. Для обеспечения этих условий преломляющие грани наклонены под углами, которые обеспечивают направление света на две светоприемные площадки, расположенные симметрично относительно плоскости симметрии концентратора.
В результате такой конструкции призм линейной линзы Френеля обеспечивается улучшение оптических характеристик системы по сравнению с традиционными за счет уменьшения потерь светового потока на вершинах и впадинах призм вследствие рассеяния светового потока на закругленных участках.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено применение тупоугольных призм линейной линзы Френеля в линейных концентраторах светового излучения для двухфокусного фокусирования, поэтому все заявленные отличия данного изобретения соответствуют критерию «Изобретательский уровень».
Пример конкретного выполнения
Концентратор (5) для концентраторного модуля (фиг.2), состоящего из линеек солнечных элементов (F1) и (F2), расположенных на теплопроводящем основании (6) с местами для крепления солнечных элементов, изготавливается из силикона, прозрачного для солнечного излучения и не меняющего свои свойства в течение десятков лет (в приведенном примере это силикон марки ELASTOSIL RT-604), который после полимеризации имеет коэффициент преломления k=1,42. Концентраторный модуль, для которого изготавливается концентратор, имеет две параллельно расположенные светоприемные площадки, на которых скоммутированны цепочки кремниевых солнечных элементов. Длина каждой цепочки элементов - 500 мм, ширина - 10 мм. Расстояние между центральными линиями светоприемных площадок L составляет L=100 мм, расстояние Н от плоскости концентратора до плоскости светоприемной площадки Н=100 мм.
Для расчета конструкции концентратора принимаем высоту сопряженных граней рельефа концентратора h постоянной и равной h=1 мм. Рассчитанное количество граней концентратора и величины вершинных углов φ преломляющих свет граней концентратора при заданных параметрах L, Н и h будут иметь значения, представленные в Таблице.
Таблица
№ грани (от плоскости симметрии концентратора)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
φ (угол грани) град
99.35
99.35
99.9
100.53
101.34
102.35
103.58
105.58
109.88
111.46
114.77
119.18
119.18
126.61
ПРИМЕЧАНИЕ: в таблице представлены данные расчета для правой части концентратора относительно его продольной плоскости симметрии. Для левой части концентратора данные зеркально-симметричны.
Значения углов φ соответствуют концентратору из силикона, сформированному на стекле, с показателем преломления k=1,42.
Для придания силикону формы многофокусной линзы Френеля используют металлическую пресс-форму, поверхность которой обработана по 14 классу, с рельефом, представляющим собой зеркальное отражение преломляющих граней концентратора. В подготовленную пресс-форму предварительно укладывают закаленное стекло (5) толщиной 2 мм, с коэффициентом прозрачности в диапазоне длин волн от 0,3 до 1,2 мкм не менее 96%. Стекло используется в качестве основания для крепления силикона (в примере использовано стекло марки «PILKINTON»). Поверхность стекла предварительно обрабатывают адгезивом, заливают в пресс-форму силикон и в течение 20-24 часов осуществляют полимеризацию силикона.
По истечении указанного времени пресс-форму разбирают, извлекают из нее стекло со сформированным на его поверхности концентратором (линейной линзой Френеля) и монтируют концентратор в концентраторный модуль.
2
Контроль электрофизических параметров смонтированного концентраторного модуля на тестере марки ST-1000 показывает, что мощность Р солнечных элементов в модуле составляет ~0,13 Вт/см, что оказывается на 8-12% выше, чем при использовании традиционного концентратора, выполненного на основе остроугольных призм.
При этом оптическая эффективность концентратора (т.е. отношение плотности светового потока на светоприемной площадке к плотности падающего на концентратор светового потока) оказывается равной 93%, в то время как измеренная оптическая эффективность концентратора на основе остроугольных призм оказалась равной 86%.
Таким образом, конструкция многофокусного линейного концентратора светового излучения с реализацией преломляющих граней в виде системы тупых углов позволяет существенно повысить оптическую эффективность концентратора, а также концентраторного модуля в целом, что обеспечивается более совершенной формой преломляющих граней по сравнению с известными аналогами.
Источники информации:
1. А.В.Мальцева. «Концентраторы солнечного излучения в энергетике». - Журнал «Энергия» (издание Российской Академии Наук), Москва, 2005 г., №7, с.16-24.
2. Патент США, МПК: H01L 31/045, №6,528,716 от 04 марта 2003 г.
3. Патент США, МПК: F24J 3/02, №4,022,186 от 10 мая 1997 г.
4. Патент США, МПК: H01L 31/052, №5,344,497 от 06 сентября 1994 г. - прототип.