ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2172903

СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОМ

СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОМ

Имя изобретателя: Стребков Д.С.; Тверьянович Э.В.; Иродионов А.Е.; Кидяшев Ю.К.; Семененко В.Ф.; Ананенков А.Г.; Неелов Ю.В.; Якупов З.Г.; Исаева А.Н.; Данько Е.М. 
Имя патентообладателя: Стребков Дмитрий Семенович; Тверьянович Эдуард Владимирович
Адрес для переписки: 109456, Москва, 1-й Вешняковский пр-д, 2, ВИЭСХ, ОНТИ и патентования, О.В. Голубевой
Дата начала действия патента: 2000.04.07 

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электрической энергии и теплоты. В солнечном модуле с концентратором солнечной энергии, содержащем плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридиальной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины параболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения параллельно его основанию и совпадает с краем полосы приемника излучения. Изобретение позволяет повысить эффективность использования солнечной энергии и снизить стоимость получаемой электроэнергии и теплоты, а также создать эффективные гелиотехнические устройства, встроенные в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией, теплом, горячей водой, энергией для приготовления пищи и естественным солнечным освещением.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным энергетическим модулям с концентраторами для получения электрической энергии и теплоты.

Известно устройство для солнечного энергоснабжения, в котором солнечное излучение собирается вертикальным прозрачным ограждением, выполненным из набора призм, и отражается на приемник излучения, установленный на нижнем основании устройства с помощью устройства переотражения, выполненного из двух плоских зеркальных отражателей (Donald P. Bellert, США N 4074704, кл. 126-271, 21.02.1978).

Недостатком известного устройства является необходимость использования нескольких оптических устройств: призменного концентратора и двух зеркальных отражателей, что увеличивает потери излучения и увеличивает его стоимость. Другим недостатком является одностороннее освещение приемника концентрированным излучением с использованием только прямого солнечного излучения.

Диффузионная компонента солнечного излучения, которая составляет от 10 до 100% от суммарной радиации, в известном устройстве не используется.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий скоммутированные и установленные между двумя листами стекла двухсторонние солнечные элементы, в виде полос, перпендикулярных основанию модуля, с тыльной стороны которых симметрично относительно середины солнечных элементов установлена два полуцилиндрических концентратора, суммарная площадь аппаратуры которых в два раза больше площади солнечных элементов. При установке под углом к горизонту, равным широте местности и полярной ориентации оси концентраторов юг-север. Фотоэлектрический модуль работает круглый год без слежения за солнцем с теоретическим коэффициентом концентрации К=2. Фактический коэффициент концентрации с учетом косинусных потерь и потерь на отражение составляет 1,56 (I. Edmonds, Solar Energy Materials. 1990. N 21. P. 173-190).

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации и высокая стоимость модуля, практически равная стоимости фотоэлектрического модуля без концентратора. Другим недостатком является невозможность использования модуля при другой, кроме полярной, системы ориентации на Солнце, например в фотоэлектрических фасадах зданий и при ориентации восток-запад.

Еще одним из недостатков известного устройства является невозможность использования его в фасадах зданий для получения теплоты и освещения зданий естественным солнечным излучением.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии и снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты, а также создание эффективных гелиотехнических устройств, встроенных в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией, теплом, горячей водой, энергией для приготовления пищи и естественным солнечным освещением.

Указанная задача решается тем, что в солнечном модуле с концентратором солнечной энергии, содержащем плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридианальной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины параболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена, к одной из сторон защитного ограждения, параллельно его основанию, и совпадает с краем полосы приемника излучения, а угол наклона плоскости симметрии параболоцилиндрического отражателя к горизонтальной поверхности равен = 114°-ш-, если фокальная ось и приемник в северном полушарии смещены к южной стороне несимметричного отражателя, и равен = 114°-ш, если фокальная ось и приемник в северном полушарии смещены к северной стороне параболоцилиндрического отражателя, где ш- широта местности в месте установки солнечного модуля, a - апертурный угол параболоцилиндрического отражателя.

В одном из вариантов конструкции солнечного модуля с концентратором края защитного прозрачного ограждения, параллельно его основанию, совпадают с краями несимметричного отражателя, а второй край полосы приемника излучения совпадает с краем кругового цилиндрического отражателя.

Для снижения объема солнечного модуля с концентратором и температуры приемника на защитном прозрачном ограждении установлено параллельно его основанию с зазором между собой множество скоммутированных между собой параллельных полос приемников из скоммутированных солнечных элементов с двухсторонней чувствительностью, зазор между полосами много больше ширины полос, одинаково ориентированные края у каждой пары соседних полос являются краями несимметричных отражателей, фокальные оси которых параллельны основанию защитного ограждения и совпадают с двумя другими одинаково ориентированными краями у каждой пары соседних полос приемников.

Для использования солнечного модуля с концентратором на открытом воздухе плоскость симметрии параболоцилиндрического концентратора установлена под углом к горизонтальной поверхности, равным

1 = 114°-ш-8°·n,

где n - число полных месяцев до 22 июня на дату использования модуля, а приемник установлен горизонтально с северной стороны параболоцилиндрического отражателя таким образом, что по крайней мере одна из сторон основания приемника установлена в плоскости защитного ограждения отражателя и совпадает с фокальной осью параболоцилиндрического отражателя, а три другие стороны основания приемника соединены с краями сторон кругового цилиндрического отражателя, расположенных к северу от фокальной оси, с помощью зеркальных шторок, допускающих вращение солнечного модуля вокруг фокальной оси на 8o один раз в месяц при сохранении горизонтального положения приемника, а приемник содержит со стороны кругового цилиндрического отражателя на нижнем основании покрытие, поглощающее солнечное излучение.

Для получения электроэнергии в качестве приемника, солнечного модуля с концентратором установлен модуль из скоммутированных солнечных элементов.

Для получения горячей воды приемник солнечного модуля с концентратором выполнен в виде теплоизолированного бака-аккумулятора, снабженного термостойким стеклопакетом со стороны кругового цилиндрического отражателя.

Для комбинированного получения электроэнергии и теплоты в качестве покрытия бака-аккумулятора, поглощающего солнечное излучение, установлена полоса из скоммутированных солнечных элементов.

Для высокотемпературной обработки и приготовления пищи приемник выполнен в виде емкости, которая установлена на стеклопакете из термостойкого стекла в теплоизолированном ящике с теплоотражающими стенками и верхней крышкой.

Для энергоснабжения здания защитное прозрачное ограждение солнечного модуля с концентратором установлено на южном фасаде здания в межоконном пространстве в виде навесного козырька, плоскость которого наклонена к плоскости фасада под углом = ш-2-24°.

Для освещения, горячего водоснабжения, электроснабжения, отопления здания и приготовления пищи северная часть модуля и кругового цилиндрического отражателя от его края до фокальной оси расположена внутри здания со стороны южного фасада.

В другом варианте энергоснабжения здания солнечный модуль с концентратором установлен на крыше здания таким образом, что плоскость ориентированного на юг прозрачного ограждения наклонена к горизонтальной плоскости под углом = 114°-ш-2 и приемник смещен к северной части отражателя, если угол наклона оси симметрии параболоцилиндрического отражателя менее 90o и = 114°-ш-3, если равен или больше 90o, солнечный модуль с концентраторами установлен и на северном скате крыши, если 90° и плоскость прозрачного ограждения наклонена к плоскости основания крыши под углом = 114°-ш-, при этом на южном скате крыши приемник смещен к южной стороне параболоцилиндрического отражателя, а приемник на северном скате крыши смещен к северной части параболоцилиндрического отражателя.

Для естественного освещения и солнечного отопления здания с северной стороны солнечный модуль с концентратором установлен таким образом, что фокальная ось ориентированного на юг параболоцилиндрического отражателя расположена на уровне крыши параллельно плоскости северного фасада, угол наклона ската крыши к горизонтальной плоскости меньше , плоскость симметрии параболоцилиндрического отражателя составляет с плоскостью фасада угол = ш+-24°, верхняя часть параболоцилиндрического отражателя до фокальной оси расположена над зданием, а приемник выполнен в виде теплоизолированного стеклопакета и совмещен с окном здания на северном фасаде с помощью пустотелого оптического световода с зеркальными стенками.

Для электроснабжения и горячего водоснабжения здания при вертикальном расположении защитного покрытия солнечный модуль с концентратором выполнен в виде южного вертикального фасада здания, приемник и фокальная ось расположены в нижней части несимметричного параболоцилиндрического отражателя, угол наклона плоскости симметрии параболоцилиндрического отражателя к горизонтальной плоскости равен = 114°-ш-.

Для обеспечения непрерывной работы солнечный модуль с концентратором установлен стационарно в северном полушарии с 22 февраля по 22 октября, а апертурный угол параболоцилиндрического отражателя равен 31o.

Для обеспечения круглогодичной работы солнечного модуля с концентратором апертурный угол параболоцилиндрического отражателя 24°, а солнечный модуль снабжен устройством изменения угла наклона к горизонтальной плоскости на 24o два раза в год 22 марта и 22 сентября.

Для обеспечения непрерывной работы солнечного модуля с концентратором в течение года в режиме максимальной концентрации, ширина A полосы приемника, ширина B фокальной области параболоцилиндрического концентратора связаны соотношением A = K·B, где K = 1,4-1,6, а солнечный модуль имеет устройство изменения угла наклона к горизонтальной плоскости на 1,8o один раз в неделю.

Для обеспечения непрерывной работы солнечного модуля в течение года без слежения с наружной стороны защитного прозрачного ограждения установлено с зазором параллельно ему дополнительное защитное прозрачное ограждение, в зазоре между двумя ограждениями установлены управляемые дистанционно горизонтальные жалюзи с фацетами, которые имеют с двух сторон зеркальное покрытие, а ширина фацет в 3-4 раза превышает расстояние между фацетами.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.

общий вид солнечного модуля с концентратором и приемником в виде водонагревателя и модуля для горизонтального расположения солнечный модуль с концентратором для отопления и освещения здания, установленный в виде козырька на южном фасаде солнечный модуль с концентратором для отопления и освещения северного фасада
солнечный модуль с концентратором и приемником из солнечных элементов в виде модуля из солнечных элементов для солнечного фасада здания

На фиг. 1 представлен общий вид солнечного модуля с концентратором и приемником в виде водонагревателя и модуля для горизонтального расположения.

На фиг. 2 - солнечный модуль с концентратором и приемником из солнечных элементов в виде модуля из солнечных элементов для солнечного фасада здания.

На фиг. 3 - солнечный модуль с концентратором для отопления и освещения здания, установленный в виде козырька на южном фасаде.

На фиг. 4 - солнечный модуль с концентратором для отопления и освещения северного фасада.

солнечный модуль с концентратором для приготовления пищи и высокотемпературной обработки с периодическим слежением за Солнцем солнечный модуль, состоящий из множества концентраторов и приемников из солнечных элементов, установленных на южном фасаде здания солнечный модуль, состоящий из множества концентраторов и приемников, и с жалюзи
солнечный модуль, состоящий из множества концентраторов и приемников, в виде полос из скоммутированных солнечных элементов, установленных на крыше здания

На фиг. 5 - солнечный модуль с концентратором для приготовления пищи и высокотемпературной обработки с периодическим слежением за Солнцем.

На фиг. 6 - солнечный модуль, состоящий из множества концентраторов и приемников, в виде полос из скоммутированных солнечных элементов, установленных на крыше здания.

На фиг. 7 - солнечный модуль, состоящий из множества концентраторов и приемников из солнечных элементов, установленных на южном фасаде здания.

На фиг. 8 - солнечный модуль, состоящий из множества концентраторов и приемников, и с жалюзи.

На фиг. 1 солнечный модуль с концентратором содержит защитное прозрачное ограждение 1, вектор нормали к поверхности ограждения находится в меридиальной плоскости. Линейно-фокусирующий концентратор выполнен в виде несимметричного цилиндрического отражателя 2, состоящего из параболоцилиндрического отражателя 3 и кругового цилиндрического отражателя 4, разделенных плоскостью симметрии 5, проходящих через вершину 6 и фокальную ось F параболоцилиндрического отражателя 3. Радиус R кругового цилиндрического отражателя 4 равен расстоянию f от фокальной оси F до вершины 6 параболоцилиндрического отражателя 3. Фокальная ось F совпадает с краем приемника излучения 7, который состоит из теплоизолированного бака-аккумулятора 8, содержащего стеклопакет 9 из термостойкого стекла и солнечный фотоэлектрический модуль 10 из скоммутированных солнечных элементов, которые закреплены на поверхности бака-аккумулятора 8 со стороны кругового цилиндрического отражателя 4.

Угол наклона плоскости симметрии 5 параболоцилиндрического отражателя 3 к горизонтальной поверхности 11 составляет = 114°-ш, где ш - - широта местности в месте установки.

На фиг. 2 - солнечный модуль содержит несимметричный отражатель 2, установленный на южном фасаде здания 12. Прозрачное защитное ограждение 1 установлено параллельно фасаду здания 12 и содержит в качестве приемника модуль 10 из скоммутированных солнечных элементов с двухсторонней рабочей поверхностью. Угол наклона плоскости симметрии 5 параболоцилиндрического отражателя 3 к горизонтальной поверхности 11 равен = 114°-ш-, где - апертурный угол параболоцилиндрического отражателя.

На фиг. 3 - защитное прозрачное ограждение 1 солнечного модуля установлено на южном фасаде здания 12 в виде навесного козырька 13, плоскость которого наклонена к плоскости фасада под углом = ш-2-24°. Северная часть модуля содержит круговой цилиндрический отражатель 4 и стеклопакет 9, установленные внутри здания. Часть несимметричного отражателя 2 внутри здания 12 имеет тепловую изоляцию 14. В дополнение к стеклопакету 9, который служит для освещения и отопления здания, в качестве приемника могут быть установлены солнечный модуль 10, водонагреватель 8 или солнечная кухня.

На фиг. 4 солнечный модуль с концентратором установлен с северной стороны здания 12 для отопления и освещения здания. Фокальная ось F ориентированного на юг параболоцилиндрического отражателя 3 расположена на уровне крыши 15 параллельно плоскости северного фасада здания 12. Угол наклона ската крыши 15 к горизонтальной плоскости 11 меньше угла наклона плоскости симметрии 5 параболоцилиндрического отражателя к горизонтальной поверхности <°-ш-. Плоскость симметрии 5 составляет с плоскостью фасада угол = ш+-24°. Параболоцилиндрический отражатель 3 до фокальной оси F расположен над зданием 12, а приемник выполнен в виде теплоизолированного стеклопакета 9 и совмещен с окном 16 здания 12.

На фиг. 5 - солнечный модуль с концентратором с солнечной кухней 17 снабжен устройством 18 для изменения угла наклона к горизонтальной плоскости 11 на 24o два раза в год, 22 марта (положение 1) и 22 сентября (положение 2). Поворот модуля осуществляется вокруг фокальной оси F, при этом часть несимметричного отражателя, расположенная под приемником 17, не изменяется, так как эта часть выполнена в виде кругового цилиндрического концентратора 4. Устройство 18 может быть использовано для поворота модуля раз в неделю на 1,8o или один раз в месяц на угол ~ 8o. При слежении один раз в неделю ширина A приемника 17 может быть сделана меньше радиуса R кругового цилиндрического отражателя до величины, равной A = KB, где B - ширина фокальной области, а K = 1,4-1,6.

На фиг. 6 - солнечный модуль состоит из множеств несимметричных отражателей 2 и приемников в виде полос 10 скоммутированных солнечных элементов с двухсторонней рабочей поверхностью, установленных на крыше 15 здания 12. Плоскость ориентированного на юг защитного прозрачного ограждения наклонена к горизонтальной плоскости 11 под углом = 114°-ш-2. Угол наклона оси симметрии 5 параболоцилиндрического отражателя 2 равен = 114°-ш меньше 90o при ш>24°, поэтому полосы 10 приемников смещены к северной части защитного прозрачного ограждения 1.

На фиг. 7 - солнечный модуль состоит из множества несимметричных отражателей 2 и приемников 10 из скоммутированных солнечных элементов с двухсторонней рабочей поверхностью, установленных на защитном прозрачном ограждении 1 на южном фасаде здания 12. Приемник 10 смещен к нижней части не симметричного отражателя 2, а угол = 114°-ш-.

На фиг. 8 - в солнечном модуле с концентратором с наружной стороны защитного прозрачного ограждения 1 установлено параллельно ему дополнительное защитное прозрачное ограждение 19, в зазоре между двумя ограждениями 1 и 19 установлены управляемые дистанционно горизонтальные жалюзи 17 с фацетами 18 с зеркальным покрытием. Ширина фацет l в 3-4 раза превышает расстояние между фацетами d. Над приемниками 10 фацеты 18 не устанавливают. В случае вертикального расположения модуля в виде солнечного фасада (фиг. 2) жалюзи устанавливают внутри прозрачного ограждения 1 и в этом случае дополнительное прозрачное ограждение 16 не используется.

Примеры конкретного выполнения солнечного модуля с концентратором

Пример 1. Солнечный модуль с концентратором для нагрева воды имеет защитное прозрачное ограждение 1 шириной H=2,05 см. Края несимметричного отражателя 2 совпадают с краями защитного ограждения. Несимметричный отражатель 2 состоит из полупараболоцилиндрического отражателя 3 с апертурным углом = 31° с шириной по защитному ограждению 1 158 см и фокусным расстоянием 42,5 см и кругового цилиндрического отражателя 4 радиусом R = 42,5 см и шириной по защитному ограждению 1 42,5 см. Осевая линия кругового цилиндрического отражателя 4 совпадает с фокальной линией F полупараболоцилиндрического отражателя 3. Защитное ограждение установлено горизонтально под углом к горизонтальной плоскости 11 = -2. Угол наклона плоскости симметрии 5 полупараболического отражателя 3 равен = 114°-ш. Для широты г. Москвы ш= 56°, = 58°, = 31°, = -3°. Знак минус означает, что защитное ограждение 1 наклонено к югу под углом к горизонту 3o. Принимаем ширину водонагревателя, равной ширине R защитного ограждения, от фокальной оси F до края кругового цилиндрического отражателя 4. В этом случае максимально возможный коэффициент концентрации солнечного модуля K = H/R cos. Где - угол между нормалью n к поверхности защитного ограждения 1 и плоскостью симметрии 5 параболоцилиндрического отражателя 3 = 90°-2.

При H = 205 см, R = 42,5 см = 31°, = 28°, cos = 0,9. Коэффициент концентрации K = 4,36 в 2,18 раза превышает коэффициент концентрации известного модуля с круговыми цилиндрическими отражателями. Принимая длину L солнечного модуля и водонагревателя 1,5 м, получим пиковую тепловую мощность при освещенности 1000 Вт/м2 Pтепл= HLcos1 кВт/м2 = 2,77 кВт.

Пример 2. Солнечный модуль с концентратором для электроснабжения содержит защитное прозрачное ограждение 1 шириной 86 см, под которым расположены полупараболоцилиндрический отражатель 3 шириной по защитному ограждению 73,75 см с апертурным углом = 24° и круговой цилиндрический отражатель 4 с радиусом 12,25 см и шириной по защитному ограждению 12,25 см. На защитном прозрачном ограждении 1 со стороны кругового цилиндрического отражателя 4 установлены 18 скоммутированных солнечных элементов 10 размером 125х62,5 мм общей длиной 135 см.

Солнечные элементы 10 имеют двустороннюю рабочую поверхность и герметизированы с одной стороны слоем стекла защитного прозрачного ограждения 1, а с другой стороны полосой стекла размером 13,5х135 см, приклеенного к защитному прозрачному ограждению 1. По сравнению с известным модулем, где солнечные элементы закреплены между двумя листами стекла по всей площади защитного ограждения, в предлагаемой конструкции модуля расход стекла снижен на 30%.

Длина несимметричного отражателя 2L = 160 см выбирается из условия обеспечения работы модуля при косых лучах.

Угол наклона плоскости симметрии 5 параболоцилиндрического отражателя 3 к горизонтальной поверхности для широты Москвы ш= 56° = 114°-ш= 58°.

Угол наклона плоскости защитного ограждения 1 к горизонтальной поверхности составляет

= 114°-ш-2 = 114°-56°-48°= 11°.

Это означает, что южный край защитного ограждения 1 будет выше северного и нейтраль n плоскости ограждения будет находиться в меридианальной плоскости со сдвигом к северу от нормали к земле на 11o.

Максимальный коэффициент концентрации

K = H/Rcos(90°-2) = 86/125cos42°= 5,44.

Пиковая электрическая мощность модуля при КПД 12% составит

Pэл = 0,86 м · 1,35 м · 1000 Вт/м2 · 0,12 · cos 42o = 109 Вт.

Пример 3. Солнечный модуль с концентратором установлен вертикально на южном фасаде здания 12. Защитное прозрачное ограждение имеет ширину 2,5 м, на которой размещены в 10 рядов несимметричные отражатели шириной H = 24 см. Каждый несимметричный отражатель состоит из полупараболоцилиндрического отражателя с апертурным углом 31o и расположенного под ним кругового цилиндрического отражателя радиусом R=5,0 см. Фокальная ось F каждого параболоцилиндрического отражателя параллельна основанию фасада и расположена на защитном ограждении на расстоянии 19 см от верхнего края параболоцилиндрического отражателя. Солнечные элементы размером 50х100 мм с двусторонней рабочей поверхностью расположены на защитном ограждении между фокальной осью и нижним краем кругового цилиндрического концентратора.

Ось симметрии параболоцилиндрического отражателя наклонена к горизонтальной плоскости под углом

= 114°-ш-.

Для Москвы ш= 56°

= 114°-56°-31°= 27°.

Максимальный коэффициент концентрации

К = H/R cos 27o = 24/5 cos 27o = 4,28.

Длина защитного прозрачного ограждения составляет 200 мм. Количество солнечных элементов в одном ряду 18, общее количество солнечных элементов в модуле равно 180 и эти солнечные элементы скоммутированы последовательно по 36 элементов в пять параллельных электрических цепей.

Наклон прозрачного ограждения к горизонтальной плоскости составляет = 114°-ш+ = 89°.

Для обеспечения угла наклона защитного прозрачного ограждения 90o при широте местности 56o апертурный угол параболоцилиндрического отражателя необходимо выбрать = 32°

Максимальная электрическая мощность модуля при освещенности 1 кВт/м2 и КПД 12%

Pэл = 2,40·1,80·1 кВт/м2·0,12·cos 27o = 0,460 кВт.

Модуль установлен на фасаде таким образом, что касательная к верхней части полупараболоцилиндрического отражателя имеет угол наклона к горизонтальной плоскости 58o, соответствующий высоте солнца над горизонтом в полдень 22.06. Солнечный модуль с апертурным углом = 31° работает в стационарном режиме без слежения за солнцем с 22.02 до 22.10, что в условиях выше 56o северной широты дает возможность использовать от 85 до 100% годового поступления солнечной энергии.

Пример 4. Солнечный модуль с концентратором содержит множество несимметричных отражателей 2, установленных на защитном прозрачном ограждении 1 рядов, параллельных основанию, таким образом, что фокальные оси F и приемников 10 в виде полос из скоммутированных солнечных элементов смещены к северной части несимметричных отражателей 2. Параболоцилиндрические отражатели 3 имеют апертурный угол = 31°. Размеры несимметричных отражателей в модуле выбраны такие же, как в примере 3. Плоскость симметрии 5 параболоцилиндрических отражателей 3 наклонена к горизонтальной плоскости 11 под углом = 20°. Плоскость защитного прозрачного ограждения 1 наклонена к горизонтальной поверхности 11 под углом 42o.

Модуль установлен на широте Москвы ш= 56°. Над защитным прозрачным ограждением 1 установлено дополнительное прозрачное ограждение 19 с зазором 40 мм, между ограждениями 1 и 16 установлены наклонные горизонтальные жалюзи 17 с зеркальными фацетами 18. Ширина фацет 18 l равна 35 мм, а расстояние между фацетами d = 10 мм. Фацеты установлены под углом 19o к потоку солнечного излучения и отраженный луч составляет с падающим излучением угол 38o.

Солнечный модуль может работать без фацет при углах падения солнечного излучения 11 - 20o, что соответствует работе солнечного модуля на широте 56o с 15 ноября по 1 февраля.

В диапазоне углов наклона солнечного излучения к горизонту 11o-58o жалюзи 17 обеспечивают фокусировку солнечного излучения в фокальной области полупараболоцилиндрического отражателя 3, что позволяет увеличить коэффициент концентрации, уменьшить апертурный угол концентратора, размеры приемника излучения и снизить его стоимость.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом.

Суммарное солнечное излучение в пределах апертурного угла поступает на отражающие поверхности параболоцилиндрического и кругового цилиндрического отражателя и фокусируется на приемнике. Переотраженное излучение, используемое приемником, суммируется с излучением, поступающим непосредственно на вторую поверхность приемника. Выполнение модуля в виде составного концентратора из двух отражающих поверхностей параболоцилиндрического и кругового цилиндрического концентратора позволяет увеличить удельную мощность приемника и концентрацию более чем в 2 раза по сравнению с концентратором на основе кругового цилиндрического отражателя и использовать солнечный модуль для энергоснабжения и освещения зданий и создания автономных энергетических установок.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридиональной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, отличающийся тем, что концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершины и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического отражателя, а меньшая часть в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины параболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения параллельно его основанию и совпадает с краем полосы приемника излучения, а угол наклона плоскости симметрии параболоцилиндрического отражателя к горизонтальной поверхности равен

= 114°-ш-,

если фокальная ось и приемник в северном полушарии смещены к южной стороне несимметричного отражателя, и равен

= 114°-ш,

если фокальная ось и приемник в северном полушарии смещены к северной стороне несимметричного отражателя, где ш- широта местности в месте установки комбинированного солнечного модуля;

- апертурный угол параболоцилиндрического отражателя.

2. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что края защитного прозрачного ограждения, параллельные его основанию, совпадают с краями несимметричного отражателя, а второй край полосы приемника излучения совпадает с краем кругового цилиндрического отражателя.

3. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что на защитном ограждении установлено параллельно его основанию с зазором между собой множество скоммутированных между собой параллельных полос приемников из скоммутированных солнечных элементов с двухсторонней чувствительностью, зазор между полосами много больше ширины полос, одинаково ориентированные края у каждой пары соседних полос являются краями несимметричных отражателей, фокальные оси которых параллельны основанию защитного ограждения и совпадают с двумя другими одинаково ориентированными краями у каждой пары соседних полос приемников.

4. Солнечный модуль с концентратором по пп.1 и 2, отличающийся тем, что плоскость симметрии параболоцилиндрического концентратора установлена под углом к горизонтальной поверхности, равным

1 = 114°-ш-8°·n,

где n - число полных месяцев до 22 июня на дату использования модуля,

а приемник установлен горизонтально с северной стороны параболоцилиндрического отражателя таким образом, что по крайней мере одна из сторон основания приемника установлена в плоскости защитного ограждения отражателя и совпадает с фокальной осью параболоцилиндрического отражателя, а три другие стороны основания приемника соединены с краями сторон кругового цилиндрического отражателя, расположенных к северу от фокальной оси, с помощью зеркальных шторок, допускающих вращение солнечного модуля вокруг фокальной оси на 8o один раз в месяц при сохранении горизонтального положения приемника, а приемник содержит со стороны кругового цилиндрического отражателя на нижнем основании покрытие, поглощающее солнечное излучение.

5. Солнечный модуль с концентратором по пп.1, 2, 4, отличающийся тем, что в качестве приемника установлен модуль из скоммутированных солнечных элементов.

6. Солнечный модуль с концентратором по пп.1, 2, 4, отличающийся тем, что приемник выполнен в виде теплоизолированного бака-аккумулятора, снабженного термостойким стеклопакетом со стороны кругового цилиндрического отражателя.

7. Солнечный модуль с концентратором по пп.1, 2, 4, 6, отличающийся тем, что в качестве покрытия приемника в виде бака-аккумулятора, поглощающего солнечное излучение, установлена полоса скоммутированных солнечных элементов.

8. Солнечный модуль по пп.1, 2, 4, отличающийся тем, что приемник выполнен в виде емкости для высокотемпературной обработки и приготовления пищи, которая установлена на стеклопакете из термостойкого стекла в теплоизолированном ящике с теплоотражающими стенками и верхней крышкой.

9. Солнечный модуль с концентратором по пп.1-8, отличающийся тем, что защитное ограждение установлено на южном фасаде здания в межоконном пространстве в виде навесного козырька, плоскость которого наклонена к плоскости фасада под углом.

= ш-2-24°.

10. Солнечный модуль с концентратором по пп.1, 2, 4 - 9, отличающийся тем, что северная часть модуля и кругового цилиндрического отражателя от его края до фокальной оси расположена внутри здания со стороны южного фасада.

11. Солнечный модуль с концентратором по пп.1-8, отличающийся тем, что модуль установлен на южном скате крыши здания, плоскость ориентированного на юг прозрачного ограждения наклонена к горизонтальной плоскости под углом = 114°-ш-2 и приемник смещен к северной части отражателя, если угол наклона оси симметрии параболоцилиндрического отражателя менее 90o, и = 114°-ш-3, если 90°, солнечный модуль с концентраторами установлен и на северном скате крыши, если равен или больше 90o и плоскость прозрачного ограждения наклонена к плоскости основания крыши под углом = 114°-ш-, при этом на южном скате крыши приемник смещен к южной стороне параболоцилиндрического отражателя, а приемник на северном скате крыши смещен к северной части параболоцилиндрического отражателя.

12. Солнечный модуль с концентратором по пп.1-8, отличающийся тем, что фокальная ось ориентированного на юг параболоцилиндрического отражателя расположена на уровне крыши параллельно плоскости северного фасада, угол наклона ската крыши к горизонтальной плоскости меньше , а плоскость симметрии параболоцилиндрического отражателя составляет с плоскостью фасада угол = ш+-24°, верхняя часть параболоцилиндрического отражателя до фокальной оси расположена над зданием, а приемник выполнен в виде теплоизолированного стеклопакета и соединен окном здания на северном фасаде с помощью пустотелого оптического световода с зеркальными стенками.

13. Солнечный модуль с концентратором по пп.1-3, отличающийся тем, что защитное прозрачное ограждение выполнено в виде южного вертикального фасада здания, приемник и фокальная ось расположены в нижней части несимметричного параболоцилиндрического отражателя, а угол наклона плоскости симметрии параболоцилиндрического отражателя к горизонтальной плоскости равен = 114°-ш-.

14. Солнечный модуль с концентратором по пп.1-13, отличающийся тем, что модуль установлен стационарно в северном полушарии с 22 февраля по 22 октября, а апертурный угол несимметричного параболоцилиндрического отражателя равен 31o.

15. Солнечный модуль с концентратором по пп.1-3, 5-13, отличающийся тем, что апертурный угол параболоцилиндрического отражателя равен 24o, а солнечный модуль снабжен устройством изменения угла наклона к горизонтальной плоскости на 24o два раза в год 22 марта и 22 сентября.

16. Солнечный модуль с концентратором по пп.1-3, 5-13, отличающийся тем, что ширина А полосы приемника и ширина В фокальной области несимметричного цилиндрического концентратора связаны соотношением А = К х В, где К = 1,2 - 1,6, а солнечный модуль снабжен устройством изменения угла наклона к горизонтальной плоскости на 1,8o один раз в неделю.

17. Солнечный модуль с концентратором по пп.1-3, 5-13, отличающийся тем, что с наружной стороны защитного прозрачного ограждения установлено с зазором параллельно ему дополнительное защитное прозрачное ограждение, в зазоре между двумя ограждениями установлены управляемые дистанционно горизонтальные жалюзи с фацетами, которые имеют с двух сторон зеркальное покрытие, а ширина фацет в 3-4 раза превышает расстояние между фацетами.

 

Версия для печати
Дата публикации 24.03.2007гг


вверх