Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ
СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ

СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами для получения тепла и электроэнергии. Концентратор выполнен в виде фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, имеет образующие острый двухгранный угол рабочую поверхность модуля и грань переотражения, а фотопреобразователи установлены под углом к этим граням и поверхностям. Устройство отражения выполнено в виде зеркала и расположено с зазором относительно фокусирующей призмы. Фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде симметричных усеченных пирамид. Между устройством отражения и фотопреобразователем размещен обратный зеркальный пирамидальный и конусный отражатель. Фотопреобразователи размещены на поверхности трубчатого приемника. В результате использования изобретения масса модуля и его стоимость снижаются на 30 - 50%. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2154778
Класс(ы) патента: F24J2/42
Номер заявки: 98121982/06
Дата подачи заявки: 02.12.1998
Дата публикации: 20.08.2000
Заявитель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
Автор(ы): Стребков Д.С.; Тверьянович Э.В.
Патентообладатель(и): Стребков Дмитрий Семенович; Тверьянович Эдуард Владимирович
Описание изобретения: Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами для получения тепла и электроэнергии.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, выполненным в виде оптически прозрачной фокусирующей призмы полного внутреннего отражения (D. R Mils, I.E.Giutronich. Ideal Prizm Solar Concentrators. Solar Energy, vol. 21, 1978, p. 423).
Фокусирующая призма с треугольным поперечным сечением имеет образующий острый угол грани входа и переотражения излучения и грань выхода концентрированного излучения, на котором установлены фотопреобразователи, а также устройства отражения излучения. Устройства отражения выполнены в виде плоского зеркала, расположенного с зазором параллельно грани переотражения излучения. Солнечное излучение проходит через фокусирующую призму, отражается плоским зеркалом и вновь возвращается в фокусирующую призму. Острый угол между гранями входа и переотражения обеспечивает условие полного внутреннего отражения на грани входа излучения, введенного в призму зеркала.
Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации. Это связано с тем, что при угле входа излучения β0 по отношению к нормали к поверхности ±23,5o угол при вершине призмы ϕ равен 28o, а коэффициент концентрации K = 1/sinϕ = 2,13. Другим недостатком данного конструктивного решения является большая масса призмы полного внутреннего отражения, зависящая от угла ϕ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция фотоэлектрического модуля с концентратором солнечного излучения, содержащем прозрачную фокусирующую призму, имеющую образующие острый угол грани входа и переотражения излучения и грань выхода концентрированного излучения и устройство отражения, расположенное относительно фокусирующей призмы с зазором со стороны грани переотражения излучения. Устройство отражения выполнено в виде по меньшей мере одной призмы с треугольным поперечным сечением, имеющей образующие острый угол грани входа, проходящего через фокусирующую призму излучения и грань зеркального отражения излучения, и расположенной своим острым углом однонаправленно с острым углом фокусирующей призмы (Жуков К.В., Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. "Концентратор солнечного излучения", патент РФ N 1089365, 1994 г.).
Выполнение отражающего устройства в виде призмы позволяет ввести отраженное излучение в фокусирующую призму под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения.
Коэффициент концентрации определяется отношением площади грани входа, которая совпадает с площадью рабочей поверхности модуля, на которую падает излучение под углом β0 к площади поверхности грани выхода излучения.
Практически достижимая степень концентрации в фотоэлектрическом модуле составит 7-8,5.
Недостатком известного фотоэлектрического модуля является большая масса концентратора и высокая стоимость, связанная с большой трудоемкостью его изготовления, и сложность конструкции.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение массы модуля и снижение его стоимости.
В результате использования предлагаемого изобретения масса модуля и его стоимость снижаются на 30-50%.
Вышеуказанный результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем концентратор, выполненный в виде фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления n, имеющий образующие острый двугранный угол ϕ рабочую поверхность модуля, на которую падает излучение под углом входа β0, и грань переотражения, скоммутированные фотопреобразователи, установленные под некоторым углом к вышеуказанным граням и поверхностям, и устройство отражения излучения, выполненное в виде зеркала, расположенного с зазором относительно фокусирующей призмы со стороны грани переотражения излучения, указанное устройство отражения в виде зеркального отражателя образует острый двугранный угол ϕ с гранью переотражения и угол ϕ+Ψ с рабочей поверхностью модуля, причем угол входа β0, и двугранные углы ϕ и Ψ связаны соотношением:

где n - коэффициент преломления; ϕ - острый двухгранный угол при вершине призмы, Ψ - острый двухгранный угол между гранью переотражения и зеркальным отражателем.
Для снижения потерь солнечного излучения на части грани переотражения фокусирующей призмы, удаленной от вершины острого двухгранного угла ϕ, установлены фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью, а в плоскости грани выхода, противолежащей вершине острого двухгранного угла ϕ, от рабочей поверхности фокусирующей призмы до устройства отражения установлен зеркальный отражатель.
Для увеличения концентрации солнечной энергии фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде двух симметричных усеченных пирамид, имеющих общую плоскость симметрии, а фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью установлены на меньшем основании пирамидальной фокусирующей призмы.
Для дальнейшего увеличения концентрации солнечного излучения фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде осесимметричных усеченных конусных тел вращения, имеющих общую ось симметрии, а фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью установлены в плоскости вершины усеченного конуса со стороны грани переотражения фокусирующей призмы параллельно ее рабочей поверхности, а в плоскости верхнего основания усеченного конуса устройства переотражения установлен зеркальный отражатель.
Для дальнейшего снижения потерь солнечного излучения между устройством отражения и фотопреобразователем размещен обратный зеркальный пирамидальный и конусный отражатель, вершина которого совпадает с центром фотопреобразователя.
Для повышения эффективности фотопреобразователя обратный конусный отражатель имеет теплопроводящее соединение с устройством отражения и центральной частью фотопреобразователя.
Для дальнейшего увеличения концентрации солнечного излучения фотопреобразователи размещены на поверхности трубчатого приемника вдоль его длины от рабочей поверхности призмы до устройства отражения, а трубчатый приемник установлен в центре фокусирующей призмы перпендикулярно рабочей поверхности концентратора.
С целью снижения температуры фотопреобразователя трубчатый приемник имеет теплопроводящее соединение с устройством отражения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4.
На фиг. 1 представлен общий вид солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором (поперечное сечение) и ход лучей в нем.
На фиг. 2 - конструкция фотоэлектрического модуля с концентратором в виде усеченной пирамиды или кругового осесимметричного усеченного конуса (поперечное сечение).
На фиг. 3 - фотоэлектрический модуль с концентратором с дополнительным пирамидальным или конусным отражателем.
На фиг. 4 - солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором в виде кругового конуса и трубчатого фотоприемника.
Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит фотопреобразователи 1, фокусирующую призму 2 с рабочей поверхностью 3 и гранью переотражения 4, устройство отражения 5. Острый двухгранный угол ϕ есть угол между рабочей поверхностью 3, на которую падает излучение, и гранью переотражения 4. Угол входа (падения) солнечного излучения на рабочую поверхность 3 есть угол β0 между лучом и вектором перпендикулярным к поверхности, на которую падает излучение.
Острый двухгранный угол Ψ есть угол между гранью переотражения 4 фокусирующей призмы 2 и устройством отражения 5.
Угол β0 отсчитывается от нормали к рабочей поверхности, причем знак плюс соответствует падению луча со стороны острого двухгранного угла призмы, а знак минус - при падении излучения со стороны грани выхода призмы.
В плоскости грани выхода 6 от рабочей поверхности 3 фокусирующей призмы 2 до устройства переотражения 5 установлен зеркальный отражатель 7.
Для дальнейшего повышения концентрации солнечного излучения фокусирующая призма 2 и устройство отражения 5 выполнены в виде симметричных усеченных пирамид или конусов 8 и 9, имеющих соответственно плоскость или ось симметрии, а фотопреобразователь 1 установлен в плоскости грани выхода 6 вершины 10 усеченной пирамиды или конуса 8 фокусирующей призмы 2 параллельно рабочей поверхности 3. В плоскости 11 вершины усеченной пирамиды или усеченного конуса 9 устройства отражения 5 установлен зеркальный отражатель 12 (фиг. 2).
Для снижения потерь солнечного отражения 5 и фотопреобразователя 1 вместо зеркального отражателя 12 согласно фиг. 2 установлен дополнительный обратный пирамидальный или зеркальный конусный отражатель 13 (фиг. 3), вершина которого 14 совпадает с центром фотопреобразователя 1, а основание совпадает с плоскостью 11 усеченного конуса 9.
Для повышения эффективности фотопреобразователя 1 обратный пирамидальный или конусный отражатель 13 имеет теплопроводящее соединение 15 с устройством отражения 5 по основанию пирамиды или конуса 9 и с фотопреобразователем 1 в вершине пирамиды или конуса 9 (фиг. 3).
Для дальнейшего увеличения концентрации солнечного излучения фотопреобразователи 1 размещены на поверхности трубчатого приемника 16 (фиг. 4) вдоль его длины от рабочей поверхности 3 фокусирующей призмы 2 до устройства отражения 5, а трубчатый приемник 16 установлен в центре фокусирующей призмы 2 перпендикулярно ее рабочей поверхности 3. С целью снижения температуры фотопреобразователя 1 трубчатый приемник 16 имеет теплопроводящее соединение 17 с устройством отражения 5 (фиг. 4), которое выполняет функции радиатора охлаждения.
Пример конструктивного выполнения фотоэлектрического модуля с концентратором.
Длина модуля 1800 мм, ширина 400 мм. Размеры фотопреобразователя 100х50 мм, скоммутированные фотопреобразователи 1 в количестве 36 установлены в центре симметричной линейной фокусирующей призмы 2 на грани выхода 6. Фокусирующая призма имеет двухгранный угол ϕ = 8o, угол между устройством отражения 5 и гранью переотражения 4 Ψ = 25o.
Коэффициент концентрации модуля равен отношению ширины призмы 2 к ширине фотопреобразователя электрическая мощность при КПД фотопреобразователей 14%, КПД концентратора 80% составит 50 Вт.
Солнечный фотоэлектрический модуль работает следующим образом.
Солнечное излучение (луч 1) попадает на рабочую поверхность 3 фокусирующей призмы 2 под углом β0, (фиг. 1), входит в призму 2 под углом β1, попадает на грань переотражения 4 под углом β2, выходит из призмы 2 под углом β3, попадает на устройства отражения 5 под углом β4, отражается и попадает на грань переотражения под углом β5, преломляется в призме 2 под углом β6 и падает на рабочую поверхность призмы изнутри под углом β7, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения β7 > arcsin 1/n.
После полного внутреннего отражения излучение попадает на грань выхода 6 и на фотопреобразователь 1.
Если солнечное излучение поступает по нормали к рабочей поверхности модуля, то для концентратора с ϕ = 8o, Ψ = 25o, n = 1,5 вышеуказанные углы имеют вид: β0 = 0, β1 = 0, β2 = 8o, β3/ = 12,2o, β4 = 37,2o, β5 = 62,2o, β6 = 35,6o, β7 = 43,6o, β7 = 43,6o, Угол β7 больше угла полного внутреннего отражения. Луч 2 на фиг. 1 преломлен фокусирующей призмой 2 и отражение от устройства отражения 5 попадает на фотопреобразователь 1 со стороны, противоположной рабочей поверхности 3 модуля луча 3 на фиг. 2, после отражения от зеркального отражателя 12. Луч 4 на фиг. 3 попадает на фотопреобразователь 1 со стороны, противоположной рабочей поверхности 3, после отражения от пирамидального или конусного отражателя 13. Луч на фиг. 4 после преломления в призме 2 отражается от устройства отражения 5 и после преломления призмой 2 попадает на фотопреобразователь 1 на трубчатом приемнике 15 внутри призмы 2. Луч 6 на фиг. 4 после преломления призмой и отражения от устройства отражения 5 попадает под углом ϕ на обратный пирамидальный и конусный отражатель 13 и затем на фотопреобразователь (внутри призмы 2). Для обычного призменного концентратора (1) угол ϕ = 21o при n = 1,5. Изменение массы призменного концентратора пропорционально отношению tgϕ1/tgϕ2. Подставив ϕ1 = 21o и ϕ2 = 8o, получим tg21/tg8 = 0,384/0,14 = 2,73. Таким образом, данный фотоэлектрический модуль в 2,73 раза легче модуля с обычным призменным концентратором (1) и в 1,6 раза легче прототипа.
Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором имеет малую массу, высокую эффективность, низкую стоимость, прост в изготовлении и может быть использован для получения тепла и электроэнергии как в автономных установках со слежением за солнцем, так и в энергоанчевых зданиях в качестве элемента фотоэлектрического фасада здания или солнечной крыши.
Формула изобретения: 1. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий скоммутированные фотопреобразователи и концентратор, выполненный в виде фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления n, имеющей образующие острый двухгранный угол ϕ рабочую поверхность модуля, на которую падает излучение под углом входа βo, и грань переотражения и устройство отражения излучения, выполненное в виде зеркала, расположенное с зазором относительно фокусирующей призмы со стороны грани переотражения излучения, отличающийся тем, что устройство отражения образует острый двухгранный угол с гранью переотражения и угол ϕ + Ψ с рабочей поверхностью модуля, причем угол входа βo и двухгранные углы ϕ и Ψ связаны соотношением
где n - коэффициент преломления;
ϕ - острый двухгранный угол при вершине призмы,
Ψ - острый двухгранный угол между гранью переотражения и зеркальным отражателем.
2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что на части грани переотражения фокусирующей призмы, удаленной от вершины острого двухгранного угла ϕ, установлены фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью, а в плоскости грани выхода от рабочей поверхности фокусирующей призмы до устройства отражения установлен зеркальный отражатель.
3. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором по пп.1 и 2, отличающийся тем, что фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде двух симметричных усеченных пирамид, имеющих общую плоскость симметрии, а фотопреобразователь с двухсторонней рабочей поверхностью установлены на меньшем основании пирамидальной фокусирующей призмы.
4. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 2, отличающийся тем, что фокусирующая призма и устройство отражения выполнены в виде осесимметричных усеченных конусных тел вращения, имеющих общую ось симметрии, а фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью установлены в плоскости вершины усеченного конуса со стороны грани переотражения фокусирующей призмы параллельно ее рабочей поверхности, а в плоскости верхнего основания усеченного конуса устройства отражения установлен зеркальный отражатель.
5. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 - 4, отличающийся тем, что между устройством отражения и фотопреобразователем размещен обратный пирамидальный или конусный зеркальный отражатель, вершина которых совпадает с центром фотопреобразователя.
6. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 5, отличающийся тем, что обратный зеркальный пирамидальный или конусный зеркальный отражатель имеет теплопроводящее соединение с устройством отражения и центральной частью фотопреобразователя.
7. Солнечный фотоэлектрический модуль по пп.1 и 4, отличающийся тем, что фотопреобразователи размещены на поверхности трубчатого приемника вдоль его длины от рабочей поверхности фокусирующей призмы до устройства отражения, а трубчатый приемник установлен в центре фокусирующей призмы перпендикулярно рабочей поверхности концентратора.