СОЛНЕЧНОЕ УСТРОЙСТВО С БОКОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ
SOLAR UNIT WITH SIDE CONCENTRATION

Область техники
Настоящее раскрытие относится к чистой энергии, в частности, к солнечному устройству с боковой концентрацией.
Предпосылки создания
Популярность солнечных систем растет с повышением спроса на чистую энергию из-за обострения проблемы глобального потепления. Существующие солнечные энергетические системы можно разделить на два типа: концентрирующие и не концентрирующие свет.
Неконцентрирующая солнечная система базируется главным образом на утилизирующих световую энергию устройствах, таких как фотоэлектрические панели, непосредственно собирающие солнечный свет. Для этого требуется большое число фотоэлектрических панелей, которые занимают участок большой площади, приводя в результате к высоким стоимостям систем и низкой эффективности использования участка.
Концентрирующая свет солнечная система обычно сводит солнечный свет на утилизирующие световую энергию устройства, расположенные снизу (или в задней части), через линзы, расположенные выше (или в передней части). Это может быть хорошо для сбора световой энергии. Однако обычно концентрирующая свет солнечная система должна использоваться совместно с системой слежения за Солнцем для достижения желаемого эффекта, что не только дорого, но также не может эффективно уменьшать заполнение участка.
Следовательно, необходимо разработать концентрирующую солнечную систему, которая экономически эффективна и может помочь снизить требование к участку.
Сущность изобретения
Предлагаемое солнечное устройство с боковой концентрацией в соответствии с настоящим раскрытием может включать в себя по меньшей мере одно светоприемное устройство и две отражательные панели, при этом светоприемное устройство, которое может быть утилизирующим световую энергию устройством или комбинацией утилизирующего световую энергию устройства и светоконцентрирующего устройства, задает первый диапазон углов падения для приема солнечного света, и свет в пределах первого диапазона углов падения способен достигать первой поверхности утилизирующего световую энергию устройства. Первая отражательная панель расположена с одной стороны от светоприемного устройства, вторая отражательная панель расположена на верхней кромке первой отражательной панели, и угол, заключенный между отражающей поверхностью второй отражательной панели и отражающей поверхностью первой отражательной панели, является тупым углом, так что свет, достигающий первой и второй отражательных панелей, может, по меньшей мере частично, направляться в первый диапазон углов падения.
Предпочтительно светоприемное устройство может быть в виде комбинации утилизирующего световую энергию устройства и конической светособирающей трубки или светособирающего желоба.
С помощью солнечного устройства с боковой концентрацией в соответствии с настоящим раскрытием можно собирать световую энергию с большей площади просто за счет отражательной панели, обеспеченной сбоку от нее; следовательно, сбор световой энергии устройством может быть эффективно усовершенствован при лишь незначительном повышении стоимости. Кроме того, такое боковое концентрирование позволяет легко проектировать устройство в виде вертикальной конструкции, то есть с размером в направлении по высоте, превышающим размер в направлении по ширине (и размер в направлении по длине можно увеличивать, при необходимости), тем самым помогая уменьшить занимаемую устройством площадь. Кроме того, устройство также легко объединять, например, с сельскохозяйственными угодьями и дорогами, его, например, устанавливают на краю поля или рядом с дорогой, тем самым дополнительно улучшая показатель землепользования.
Ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи подробно описаны конкретные примеры в соответствии с настоящим раскрытием. В контексте настоящего документа используемые здесь номера по порядку или последовательные номера, такие как «первый», «второй» и т.д., являются просто иллюстративными, без каких-либо ограничительных смысловых значений. Термины, которые указывают положение, такие как «верхний», «нижний», «передний», «задний», «боковой», «верх», «низ», «поперечно», «вертикальный» и т.п., относятся только к относительным взаимным расположениям, не имея безусловных смысловых значений.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - принципиальная схема солнечного устройства с боковой концентрацией в соответствии с вариантом 1 осуществления;
Фиг. 2 - принципиальная схема концентрирующего устройства, утилизирующего световую энергию, в соответствии с настоящим раскрытием;
Фиг. 3 - принципиальная схема солнечного устройства с боковой концентрацией в соответствии с вариантом 2 осуществления;
Фиг. 4 - принципиальная схема концентрирующего с двух сторон устройства, утилизирующего световую энергию, в соответствии с настоящим раскрытием;
Фиг. 5 - принципиальная схема солнечного устройства с боковой концентрацией в соответствии с вариантом 3 осуществления;
Фиг. 6 - принципиальная схема солнечного устройства с боковой концентрацией в соответствии с вариантом 4 осуществления; и
Фиг. 7 - принципиальная схема солнечного устройства с боковой концентрацией в соответствии с вариантом 5 осуществления.
Подробное описание
Вариант 1 осуществления
Обратимся к фиг. 1, где схематически показано одно продольное сечение солнечного устройства с боковой концентрацией в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия. Солнечная система включает в себя светоприемное устройство 110, первую отражательную панель 120 и вторую отражательную панель 130. Линия LL, показанная на данной фигуре и следующих фигурах, представляет солнечный свет, чей световой путь указан стрелками.
Светоприемное устройство 110 использует фотоэлектрическую панель 111. Фотоэлектрическая панель относится здесь в общем к любому устройству, которое непосредственно преобразует световую энергию в электрическую энергию, включая различные полупроводниковые фотоэлектрические панели, фотоэлектрические пленки, фотоэлектрические преобразующие устройства с квантовыми точками и т.п.
Первая отражательная панель 120 расположена с одной стороны от фотоэлектрической панели 111, и угол между отражающей поверхностью первой отражательной панели и фотоэлектрической панелью может быть задан как требуется, и в этом варианте осуществления угол задан как тупой угол. Вторая отражательная панель 130 расположена на верхней кромке первой отражательной панели, и угол α, заключенный между отражающей поверхностью второй отражательной панели и отражающей поверхностью первой отражательной панели, является тупым углом, так что свет, достигающий первой и второй отражательных панелей, по меньшей мере частично направляется к поверхности (передней стороне) фотоэлектрической панели. За счет выбора угла каждой отражающей поверхности как можно больше солнечного света способно достигать фотоэлектрической панели.
В этом варианте осуществления светоприемное устройство включает в себя только фотоэлектрические панели. В других вариантах осуществления светоприемное устройство может быть также утилизирующим световую энергию устройством другого типа, таким как фототермическое устройство, или комбинацией фотоэлектрической панели и фототермического устройства. Светоприемное устройство также может быть комбинацией утилизирующего световую энергию устройства и светоконцентрирующего устройства, которое может называться «концентрирующим устройством, утилизирующим световую энергию». Светоконцентрирующее устройство может быть выбрано, например, из конической светособирающей трубки и светособирающего желоба. В этом отношении коническая светособирающая трубка, которая применяет отражающую поверхность как собственную внутреннюю стенку, имеет больший верхний проем, чем проем в нижней части; и соответствующее утилизирующее световую энергию устройство расположено внизу конической светособирающей трубки. Светособирающий желоб, снабженный отражающими поверхностями на обеих боковых стенках, выполнен в форме полоски, имеющей большую ширину в верхней части, чем в нижней части; и соответствующее утилизирующее световую энергию устройство расположено в нижней части светособирающего желоба. Эти светоконцентрирующие устройства, сформированные с отражающими поверхностями, могут повышать коэффициент концентрации устройства при низкой стоимости.
Как правило, светоприемное устройство задает первый диапазон углов падения для приема солнечного света; и свет в первом диапазоне углов падения может достигать первой поверхности (которая может называться, например, «передней поверхностью») утилизирующего световую энергию устройства. Когда светоприемное устройство включает в себя только утилизирующее световую энергию устройство, первый диапазон углов падения является диапазоном, задаваемым передней поверхностью утилизирующего световую энергию устройства. Когда светоприемное устройство является концентрирующим утилизирующим световую энергию устройством, первый диапазон углов падения обычно задается входом для света (например, верхним проемом конической светособирающей трубки или светособирающего желоба) светоконцентрирующего устройства. В качестве предпочтительного варианта осуществления концентрирующее утилизирующее световую энергию устройство может включать в себя множество блоков, которые близко расположены, формируя горизонтально-рядную структуру, вертикально-рядную структуру или матричную структуру. Каждый блок включает в себя утилизирующее световую энергию устройство и коническую светособирающую трубку или светособирающий желоб. Такая конструкция уменьшает размеры одиночного блока и полезна для выдерживания оптических параметров (например, угла отражающей поверхности светоконцентрирующего устройства) и уменьшения высоты светоприемного устройства.
Фиг. 2 показывает продольное сечение предпочтительного концентрирующего устройства, утилизирующего световую энергию. В устройстве применяется конструкция, в которой интегрировано несколько блоков. Каждый блок A10 включает в себя светособирающий желоб в форме полоски и фотоэлектрическую панель A11, расположенную в нижней части желоба, и стенки A12, A13 желоба с обеих сторон являются отражающими поверхностями. Как правило, углы между отражающими поверхностями с обеих сторон и нижней поверхностью могут быть одинаковыми или разными, и первое подходит для случая, когда путь света перед светоконцентрирующим устройством имеет симметричную форму. Для односторонней светоконцентрирующей конструкции, показанной на фиг. 1, предпочтительно, чтобы углы между отражающими поверхностями с обеих сторон и нижней поверхностью различались, например, один был прямым углом, а другой был тупым углом.
В качестве предпочтительного варианта осуществления этот вариант осуществления может дополнительно включать в себя опорный механизм 140, на котором солнечное устройство устанавливается целиком с тем, чтобы регулировать угол наклона или ориентацию светоприемного устройства или всего солнечного устройства. В варианте осуществления, поскольку нижняя кромка первой отражательной панели жестко соединена с боковиной фотоэлектрической панели, она эквивалентна светоприемному устройству, и каждая отражательная панель сформирована как одно целое. В других вариантах осуществления светоприемное устройство может быть также независимо закрепленным на опорном механизме, без фиксации к каждой отражательной панели, так что угол наклона или ориентация светоприемного устройства могут быть отдельно отрегулированы. Дополнительно предпочтительно, чтобы в опорном механизме можно было применять следящий за Солнцем кронштейн для регулировки требуемого угла наклона или ориентации в соответствии с требованиями слежения за Солнцем.
Этот вариант осуществления обеспечивает простое вертикальное солнечное устройство с боковой концентрацией. Первая отражательная панель смонтирована с одной стороны светоприемного устройства, а вторая отражательная панель наклонно закрывает светоприемное устройство. Устройство в целом имеет преимущества низкой стоимости и экономии занимаемой площади.
Вариант 2 осуществления
Фиг. 3 схематически показывает солнечное устройство с боковой концентрацией в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего раскрытия. Обратимся к фиг. 3, где устройство включает в себя светоприемное устройство 210, первую отражательную панель 220, вторую отражательную панель 230 и опорный механизм 240.
Светоприемное устройство 210 в этом варианте осуществления, которое может принимать и утилизировать солнечный свет с обеих сторон, является двухсторонним светоприемным устройством. Оно включает в себя двухсторонние утилизирующие световую энергию устройства, например, две фотоэлектрические панели, расположенные вплотную обратными сторонами друг к другу, или двухстороннюю фотоэлектрическую панель. По сравнению с вариантом 1 осуществления светоприемное устройство в этом варианте осуществления может дополнительно задавать второй диапазон углов падения для приема солнечного света; и свет во втором диапазоне углов падения может достигать второй поверхности (которая может называться, например, «задней поверхностью») утилизирующего световую энергию устройства. Когда двухстороннее светоприемное устройство включает в себя также светоконцентрирующие устройства, они могут располагаться зеркально симметрично с обеих сторон двухстороннего утилизирующего световую энергию устройства, которое может называться «двухсторонним концентрирующим устройством, утилизирующим световую энергию».
Обратимся к фиг. 4, где схематически показано продольное сечение предпочтительного двухстороннего концентрирующего устройства, утилизирующего световую энергию (с двухсторонней концентрацией). Устройство применяет конструкцию, которая интегрирует множество блоков. Каждый блок B10 включает в себя два светособирающих желоба в форме полоски, расположенные в зеркальной симметрии, и двухстороннюю фотоэлектрическую панель B11, расположенную в нижней части желоба. Стенки B12, B12' и B13, B13' желобов, расположенные в зеркальной симметрии, являются отражающими поверхностями. Поскольку в этом варианте осуществления применена вертикальная конструкция с односторонней концентрацией света, то используются асимметричные стенки желобов, в которых углы, заключенные между B12, B12' и нижней поверхностью являются тупыми углами, и углы, заключенные между B13, B13' и нижней поверхностью, являются прямыми углами. В других вариантах осуществления, например, в качестве светоконцентрирующего устройства могут также использоваться два набора конических светособирающих трубок с зеркальной симметрией.
Взаимное расположение первой отражательной панели 220 и второй отражательной панели 230 в этом варианте осуществления аналогично взаимному расположению в варианте 1 осуществления, но между светоприемным устройством 210 и отражающей поверхностью первой отражательной панели имеется зазор. По сравнению с вариантом 1 осуществления этот вариант осуществления дополнительно включает в себя третью отражательную панель 250, которая расположена на нижней кромке первой отражательной панели таким образом, что свет, достигающий первой отражательной панели или второй отражательной панели, по меньшей мере частично отражается третьей отражательной панелью и направляется во второй диапазон углов падения, что делает обе стороны светоприемного устройства способными принимать солнечный свет. Это может не только повышать коэффициент концентрации устройства, то также улучшать угол падения некоторой части света (такого как свет, облучающий заднюю поверхность), тем самым повышает эффективность утилизации световой энергии.
Светоприемное устройство 210 смонтировано на третьей отражательной панели 250 с помощью опорного механизма 240, и угол наклона или ориентация могут регулироваться независимо.
В качестве предпочтительного варианта осуществления этот вариант осуществления может дополнительно включать в себя покровную пластину 260 для придания солнечному устройству формы замкнутой полости, и каждая отражающая поверхность и светоприемное устройство расположены в полости во избежание запыления. Как правило, по меньшей мере часть покровной пластины является прозрачной и располагается на пути света, когда солнечный свет падает на утилизирующее световую энергию устройство. Определенно, что прозрачной может быть также вся покровная пластина. В этом варианте осуществления передняя накладка 261 покровной пластины солнечного устройства является прозрачной, и покровные пластины с обеих сторон могут быть прозрачными или непрозрачными. Дополнительно предпочтительно, чтобы прозрачная покровная пластина могла быть по меньшей мере частично образована линзой Френеля. Например, верхняя часть передней накладки 261 покровной пластины (то есть, часть вблизи второй отражательной панели 230) может быть линзой Френеля, содействующей отклонению света вниз, тем самым увеличивая угол α между первой и второй отражательными панелями для повышения коэффициента концентрации системы. Используемую линзу Френеля можно выбрать из следующих типов: линзы, имеющей одностороннюю зубчатую поверхность, линзы, имеющей двухсторонние зубчатые поверхности, линзы, имеющей профиль зубчатой поверхности с круговой симметрией, и линзы, имеющей линейный профиль зубчатой поверхности.
По сравнению с открытой конструкцией по варианту 1 осуществления закрытую конструкцию, принятую в этом варианте осуществления, легче чистить от пыли, и двухсторонняя светоприемная конструкция может иметь более высокую эффективность утилизации световой энергии.
Вариант 3 осуществления
Фиг. 5 схематически показывает солнечное устройство с боковой концентрацией в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего раскрытия. Обратимся к фиг. 5, где устройство включает в себя светоприемное устройство 310, первую отражательную панель 320, вторую отражательную панель 330, третью отражательную панель 350, опорный механизм 340 и покровную пластину 360.
Взаимное расположение светоприемного устройства и первой, второй и третьей отражательных панелей в этом варианте осуществления аналогично взаимному расположению в варианте 2 осуществления, и прозрачная покровная пластина 360 герметизирует все солнечное устройство в замкнутой полости. Отличие от варианта 2 осуществления заключается в том, что солнечное устройство по этому варианту осуществления установлено как одно целое на опорном механизме 340.
Кроме того, по сравнению с вариантом 2 осуществления этот вариант осуществления дополнительно включает в себя четвертую отражательную панель 370, расположенную с другой стороны от светоприемного устройства 310, при этом другая сторона отличается от стороны, на которой расположена первая отражательная панель 320. Кроме того, угол наклона отражающей поверхности четвертой отражательной панели относительно светоприемного устройства обеспечивает, чтобы свет, достигающий четвертой отражательной панели, по меньшей мере частично направлялся в первый диапазон углов падения.
Оба варианта 1 и 2 осуществления применяют одностороннюю светоконцентрирующую конструкцию. Однако в этом варианте осуществления с другой стороны утилизирующего световую энергию устройства расположена четвертая отражательная панель, и поэтому сформирована двухсторонняя светоконцентрирующая конструкция, которая может дополнительно повышать коэффициент концентрации системы.
Вследствие повышения коэффициента концентрации, может создаваться более высокая температура, когда утилизирующее световую энергию устройство применяет в светоприемном устройстве фотоэлектрическую панель. Следовательно, в качестве предпочтительного варианта осуществления этот вариант осуществления дополнительно включает в себя по меньшей мере одну пластину (ребро) 312 охлаждения. Каждая пластина охлаждения термически связана с фотоэлектрической панелью и расположена вертикально относительно фотоэлектрической панели таким образом, что каждая пластина охлаждения смонтирована на по меньшей мере одной поверхности фотоэлектрической панели (включая пересечение фотоэлектрической панели и формирование конструкции «крест-накрест» с её передней и задней поверхностями), тем самым решая задачу теплоотдачи фотоэлектрической панели. Чтобы исключить негативное влияние использование солнечного света, обе из передней и задней поверхности пластины охлаждения являются зеркальными поверхностями; например, с использованием металлической пластины охлаждения, покрытой зеркально-отражающими пленками.
Вариант 4 осуществления
Фиг. 6 схематически показывает солнечное устройство с боковой концентрацией в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего раскрытия. Обратимся к фиг. 6, где устройство включает в себя светоприемное устройство 410, первую отражательную панель 420, вторую отражательную панель 430, третью отражательную панель 450, четвертую отражательную панель 470, опорный механизм 440 и покровную пластину 460.
Взаимное расположение светоприемного устройства и первой, второй, третьей и четвертой отражательных панелей в этом варианте осуществления аналогично взаимному расположению в варианте 3 осуществления, при этом солнечное устройство целиком установлено на опорном механизме 440. Различие между ними состоит в том, что в этом варианте осуществления применяется двухсторонне-симметричная отражательная конструкция. В частности, светоприемное устройство 410 закреплено на третьей отражательной панели 450 по существу горизонтально, и этот вариант осуществления дополнительно включает в себя пятую отражательную панель 480, расположенную на верхней кромке четвертой отражательной панели. Угол между отражающей поверхностью пятой отражательной панели и отражающей поверхностью четвертой отражательной панели является тупым углом, так что свет, достигающий пятой отражательной панели, по меньшей мере частично отражается четвертой отражательной панелью и направляется в первый диапазон углов падения или второй диапазон углов падения (то есть к передней или задней поверхности светоприемного устройства).
Прозрачная покровная пластина 460 герметизирует всё солнечное устройство в замкнутой полости. Покровная пластина 460 предпочтительно включает в себя прозрачную верхнюю накладку 461, образованную линзой Френеля для повышения коэффициента концентрации света.
В других вариантах осуществления с каждой стороны светоприемного устройства может быть дополнительно обеспечена по меньшей мере одна отражательная панель, в результате чего солнечное устройство в целом имеет форму чаши. Чашеобразное солнечное устройство может обеспечивать высокий коэффициент концентрации. В связи с этим утилизирующее световую энергию устройство в светоприемном устройстве может быть фототермическим утилизирующим устройством, в частности, фототермическим утилизирующим устройством с накопителем тепловой энергии.
Все солнечные устройства с боковой концентрацией в примерах 1-3 являются асимметричными и вертикальными, которые больше подходят для установки в регионах средних и высоких широт. Солнечное устройство по этому варианту осуществления применяет симметричную конструкцию с двухсторонней концентрацией, которая подходит для установки вблизи экватора и достигает более высокой экономической эффективности.
Вариант 5 осуществления
Фиг. 7 схематически показывает солнечное устройство с боковой концентрацией в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего раскрытия. Обратимся к фиг. 7, где устройство включает в себя фотоэлектрическую панель 510, первую отражательную панель 520, вторую отражательную панель 530, опорный механизм 540 и покровную пластину 560.
Фотоэлектрическая панель 510 расположена по существу горизонтально, первая отражательная панель 520 расположена с одной стороны фотоэлектрической панели 510 под острым углом, и вторая отражательная панель простирается под тупым углом от верхней кромки первой отражательной панели. Покровная пластина 560 герметизирует все солнечное устройство в по существу прямоугольной полости. Передняя накладка 561 покровной пластины является прозрачной накладкой, и верхняя часть 5611 передней накладки является линзой Френеля. Опорный механизм 540 является следящим за Солнцем кронштейном, способным поворачиваться в направлении Солнца.
Солнечное устройство по этому варианту осуществления можно использовать для изготовления солнечного кирпича или солнечной стены.
Принцип и способы реализации настоящего раскрытия описаны выше со ссылкой на конкретные варианты осуществления, которые представлены просто с целью понимания настоящего раскрытия и не должны истолковываться как ограничивающие настоящее раскрытие. Специалистам в данной области техники можно будет создать варианты на основе идеи настоящего раскрытия.