СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ

СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ


RU (11) 2154778 (13) C1

(51) 7 F24J2/42 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 13.11.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 98121982/06 
(22) Дата подачи заявки: 1998.12.02 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1998.12.02 
(45) Опубликовано: 2000.08.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1089365 А, 30.04.1984. SU 1048260 А, 15.10.1983. SU 1620784 А1, 15.01.1991. DE 3530416 А1, 21.05.1987. 
(71) Заявитель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства 
(72) Автор(ы): Стребков Д.С.; Тверьянович Э.В. 
(73) Патентообладатель(и): Стребков Дмитрий Семенович; Тверьянович Эдуард Владимирович 
Адрес для переписки: 109456, Москва, 1-й Вешняковский пр. 2, ВИЭСХ, ОНТИ и патентования 

(54) СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ 

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. 


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 0 по отношению к нормали к поверхности 23,5o угол при вершине призмы равен 28o, а коэффициент концентрации K = 1/sin = 2,13. Другим недостатком данного конструктивного решения является большая масса призмы полного внутреннего отражения, зависящая от угла .

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 0 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 рабочую поверхность модуля, на которую падает излучение под углом входа 0, 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 с гранью переотражения и угол + с рабочей поверхностью модуля, причем угол входа 0, и двугранные углы и связаны соотношением:



где n - коэффициент преломления; - острый двухгранный угол при вершине призмы, - 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 , установлены фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью, а в плоскости грани выхода, противолежащей вершине острого двухгранного угла , 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 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 0 между лучом и вектором перпендикулярным к поверхности, на которую падает излучение.

Острый двухгранный угол есть угол между гранью переотражения 4 фокусирующей призмы 2 и устройством отражения 5.

Угол 0 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 = 8o, угол между устройством отражения 5 и гранью переотражения 4 = 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 0, (фиг. 1), входит в призму 2 под углом 1, попадает на грань переотражения 4 под углом 2, выходит из призмы 2 под углом 3, попадает на устройства отражения 5 под углом 4, отражается и попадает на грань переотражения под углом 5, преломляется в призме 2 под углом 6 и падает на рабочую поверхность призмы изнутри под углом 7, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения 7 > 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 = 8o, = 25o, n = 1,5 вышеуказанные углы имеют вид: 0 = 0, 1 = 0, 2 = 8o, 3/ = 12,2o, 4 = 37,2o, 5 = 62,2o, 6 = 35,6o, 7 = 43,6o, 7 = 43,6o, Угол 7 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 на обратный пирамидальный и конусный отражатель 13 и затем на фотопреобразователь (внутри призмы 2). Для обычного призменного концентратора (1) угол = 21o при n = 1,5. Изменение массы призменного концентратора пропорционально отношению tg1/tg2. Подставив 1 = 21o и 2 = 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 рабочую поверхность модуля, на которую падает излучение под углом входа o, 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 + с рабочей поверхностью модуля, причем угол входа o и двухгранные углы и связаны соотношением 

где n - коэффициент преломления;

- острый двухгранный угол при вершине призмы,

- 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 , 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.