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.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru