Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления

Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами для получения электрической и тепловой энергии.

Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий прозрачную фокусирующую призму, имеющую образующие острый угол грань 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 грань входа проходящего через фокусирующую призму излучения и грань зеркального отражения излучения и расположенной своим острым углом однонаправленно с острым углом фокусирующей призмы (авт. свид. СССР №108365, БИ).

Выполнение отражающего устройства в виде призмы позволяет ввести отраженное излучение в фокусирующую призму под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является большая масса концентратора и высокая стоимость, связанная с большой трудоемкостью его изготовления, и сложность конструкции.

Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий концентратор, выполненный в виде фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления n, имеющим образующие острый двугранный угол φ, рабочую поверхность модуля, на которую падает излучение под углом 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 отношением:

β 0 = ± arcsin { n sin [ arcsin ( 1 n sin ( arcsin ( n sin ( arcsin 1 n − ϕ ) ) ) − 2 ψ ) − ϕ ] } ,

где n - коэффициент преломления, φ - острый двугранный угол при вершине призмы, ψ - угол между гранью переотражения и зеркальным отражателем.

Для снижения потерь солнечного излучения на части грани переотражения фокусирующей призмы у грани выхода установлены фотопреобразователи с двухсторонней рабочей поверхностью, а в плоскости грани выхода от рабочей поверхности фокусирующей призмы до устройства отражения установлен зеркальный отражатель (патент РФ №2154778, БИ 2000, №23).

Известный солнечный модуль с концентратором имеет малую массу и низкую стоимость. Недостатком известного солнечного модуля с концентратором является невысокий коэффициент концентрации и низкий оптический КПД из-за потерь излучения в устройстве отражения модуля.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение оптического КПД за счет снижения потерь излучения в модуле и повышение коэффициента концентрации солнечного излучения. В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается оптический КПД модуля, снижаются оптические потери при переотражении излучения и увеличивается коэффициент концентрации солнечного излучения.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащем прозрачную фокусирующую призму с треугольным поперечным сечением, с углом входа лучей β₀ и углом полного внутреннего отражения α = arcsin 1 n , где n - коэффициент преломления призмы, имеющей грань входа и грань переотражения излучения, образующие общий двугранный угол φ, грань выхода концентрированного излучения с приемником излучения, и устройство отражения в виде зеркального отражателя, образующего с гранью переотражения острый двугранный угол ψ, который расположен однонаправленно с острым двугранным углом φ фокусирующей призмы. Концентратор выполнен из двух симметричных прозрачных фокусирующих призм, имеющих общую линию касания граней входа и выхода, ориентированную в направлении Север-Юг. Устройство отражения состоит из набора установленных на некотором расстоянии друг от друга зеркальных отражателей длиной L₀ с одинаковыми острыми углами ψ, с устройством поворота относительно грани переотражения, на поверхности грани входа установлены дополнительные зеркальные отражатели, которые наклонены к поверхности грани входа под углом 90°-δ и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота относительно поверхности грани входа, угол наклона дополнительных зеркальных отражателей к поверхности грани входа расположен разнонаправленно с острым двугранным углом φ фокусирующей призмы, оси устройства поворота дополнительного зеркального отражателя на грани входа и оси устройства поворота зеркального отражателя на устройстве переотражения с гранью переотражения находятся в одной плоскости, перпендикулярной поверхности входа, а углы φ, ψ, δ, β₀ и α связаны собой соотношениями:

arcsin = sin { arcsin [ n ⋅ sin ( arcsin sin β 0 n + φ ) + 2 ψ ] } n + φ > α

δ ≤ 1 2 arcsin = sin { arcsin [ n ⋅ sin ( arcsin sin β 0 n + φ ) + 2 ψ ] } n ,

arcsin sin 2 δ n + φ > α .

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором прозрачные фокусирующие призмы образуют пространственную оптическую структуру, которая выполнена в виде крыши солнечного дома, гелиотеплицы или зимнего сада.

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором в качестве приемника излучения в каждой фокусирующей призме установлен гибридный фотоэлектрический модуль с когенерацией электрической и тепловой энергии.

В другом варианте солнечного модуля с концентратором в качестве приемника излучения в каждой фокусирующей призме использован тепловой абсорбер для получения горячей воды и отопления.

В способе изготовления солнечного модуля с концентратором путем изготовления фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, установки приемника излучения, устройства переотражения с зеркальными отражателями из закаленного листового стекла или другого прозрачного листового материала изготавливают и герметизируют стенки полости двух фокусирующих призм с острым двугранным углом при вершине 2-15°, устанавливают фокусирующие призмы таким образом, чтобы грани входа и выхода каждой призмы при вершине имели общую линию касания, ориентированную в направлении Север-Юг, и затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой, устанавливают герметично приемник излучения и производят сборку дополнительных зеркальных отражателей с устройствами поворота на рабочей поверхности фокусирующей призмы и устройства поворота для устройства переотражения.

В варианте способа изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют дистиллированную воду с добавками для предотвращения цветения и замерзания воды.

В другом варианте способа изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют силиконовые теплоносители, например на основе полиметилсилоксановых композиций.

Еще в одном способе изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют структурированные полисилоксановые гели.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1, на которой показано поперечное сечение солнечного модуля с концентратором и ход лучей в нем.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит две фокусирующие призмы 1 и 2, каждая из которых содержит грань входа 3, которая совпадает с рабочей поверхностью 4, и грань переотражения 5, устройство отражения 6 и дополнительные зеркальные отражатели 7 на рабочей поверхности 4. Острый двугранный угол φ есть угол между рабочей поверхностью 4, на которую падает излучение, и гранью переотражения 5. Угол входа (падения) солнечного излучения на рабочую поверхность 4 есть угол β₀ между лучом и вектором n ¯ 0 , перпендикулярным к поверхности, на которую падает излучение.

Острый двугранный угол ψ есть угол между гранью переотражения 5 фокусирующей призмы 2 и устройством отражения 6. Устройство отражения 6 содержит зеркальные отражатели 8, которые наклонены под углом ψ к грани переотражения 5 и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота 9 относительно грани переотражения 6. Зеркальные отражатели 7 наклонены к рабочей поверхности под углом 90°-δ, где δ - угол между плоскостью зеркального отражателя 7 и нормалью n ¯ к рабочей поверхности 4 и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота 10 относительно рабочей поверхности модуля. Приемник 11 установлен на грани выхода 12 фокусирующей призмы 2.

В варианте конструкции солнечного модуля на грани выхода 12 фокусирующей призмы 2 установлен зеркальный отражатель, а приемник 11 с двухсторонней рабочей поверхностью расположен на грани переотражения 5 фокусирующей призмы 2 в непосредственной близости у грани выхода 12.

Приемник 1 выполнен в виде скоммутированных солнечных элементов. В варианте конструкции модуля приемник 1 представляет собой тепловой абсорбер для получения тепловой энергии. Наиболее перспективно использование гибридного приемника 1, содержащего скоммутированные солнечные элементы, установленные на тепловом абсорбере с отводом и утилизацией тепловой энергии.

Солнечный фотоэлектрический модуль работает следующим образом. Солнечное излучение - луч Л₁ падает на рабочую поверхность 4 фокусирующей призмы 1 или 2 под углом β₀ (фиг.1), входит в призму 1 или 2 под углом β₂, попадает на грань переотражения 5 под углом β₂, выходит из призмы 1 или 2 под углом β₃, попадает на зеркальный отражатель 8 под углом β₄, отражается и попадает на грань переотражения 5 под углом β₅, преломляется в фокусирующей призме 1 или 2 под углом β₆ и падает на рабочую поверхность призмы 1 или 2 изнутри под углом β₇, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения β₇>arcsin 1/n, где n - коэффициент преломления материала призмы 1 или 2. После полного внутреннего отражения излучение попадает на приемник 11.

Для лучей Л₁ с углом падения на грань входа 3 β₀>0, который равен углу между направлением луча и нормалью n к поверхности, в ходе лучей углы между нормалью к поверхности и лучом имеют следующий вид:

β 0 ≠ 0,     β 1 = arcsin ( sin β 0 n ) ,                                                                                                                   ( 1 )

β 2 = arcsin ( sin β 0 n ) + ϕ ,                                                                                                                                       ( 2 )

β 3 = arcsin { n ⋅ sin [ arcsin ( sin β 0 n ) + ϕ ] } ,                                                         ( 3 )

β 4 = arcsin { n ⋅ sin [ arcsin ( sin β 0 n ) + ϕ ] } + ψ ,                                                             ( 4 )

β 5 = arcsin { n ⋅ sin [ arcsin ( sin β 0 n ) + ϕ ] } + 2 ψ ,                                                             ( 5 )

β 6 = arcsin { { sin { arcsin [ n ⋅ sin ( arcsin sin β 0 n + ϕ ) ] } + 2 ψ n } } ,                                                             ( 6 )

β 7 = arcsin { { sin { arcsin [ n ⋅ sin ( arcsin sin β 0 n + ϕ ) ] } + 2 ψ n } } + ϕ .                                                             ( 7 )

Для β₀>0

Углы φ, ψ, β₀ и α связаны соотношением:

arcsin { { sin { arcsin [ n ⋅ sin ( arcsin sin β 0 n + φ ) ] } + 2 ψ n } } + φ > α .                                                           ( 8 )

Углы δ, β₀ и φ связаны соотношением:

δ ≥ 1 2 arcsin { n ⋅ sin [ arcsin sin β 0 n + ϕ ] } + 2 ψ .                                                                                                                                                     ( 9 ) ,

arcsin ( sin 2 δ n ) + ϕ > α .                                                                                                                                                                                                                                                 ( 10 ) .

При отсутствии дополнительных зеркальных отражателей 7 появляются неработающие зоны 13 на рабочей поверхности 4, которые возникают при возвращении лучей от зеркального отражателя 8 к фокусирующей призме (луч β₅ на фиг.1), снижают оптический КПД солнечного модуля с концентратором. В предлагаемом солнечном модуле с концентратором оптические потери из-за неработающих зон 13 отсутствуют, так как по всей площади этих неработающих зон 13 на рабочей поверхности 4 установлены дополнительные зеркальные отражатели 7, направляющие лучи под углом 2δ=β₅ к рабочей поверхности 4 фокусирующей призмы 2. Длина зеркальных отражателей 7 выбирается из условия, что луч, отраженный от конца отражателя 7, попадал на рабочую поверхность 4 фокусирующей призмы 2 у основания соседнего зеркального отражателя 7 или у приемника 11.

Для изготовления солнечного модуля с концентратором из закаленного стекла толщиной 3 мм изготавливают и герметизируют стенки полости двух фокусирующих призм 1 и 2 с двугранным углом φ при вершине, устанавливают фокусирующие призмы таким образом, чтобы грани входа и выхода каждой призмы при вершине имели общую линию касания, ориентированную в направлении Север-Юг, а затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой.

При использовании в качестве оптически прозрачной среды дистиллированной воды уменьшение тока солнечного элемента I_(Х) при увеличении толщины слоя воды х описывается соотношением:

I ( x ) = I 0 ℓ − к 0 х ,

где I₀ - ток солнечного элемента в приповерхностном слое воды, к₀ - коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения воды к₀, измеренный кремниевым солнечным элементом, составляет 0,025 см^-1, при этом средняя толщина слоя воды, в которой ток солнечного элемента уменьшался в l=2,73 раза, составляет 40 см. При длине фокусирующей призмы 2 на фиг.1 0,5 м длина пути луча Л₁ внутри фокусирующей призмы 2 составляет 24 см. Поток фотоактивного излучения на приемнике I = I 0 ℓ − 0.6 = I 0 1,82 уменьшается в 1,82 раза. Таким образом, на приемник поступает 55,5% энергии излучения, а 45, 5% солнечного излучения поглощается внутри фокусирующей призмы 2. Поглощенная энергия, в основном в длинноволновой части спектра, используется для повышения температуры воды. Солнечное излучение в коротковолновой части спектра концентрируется в фокусирующей призме, поглощается в приемнике 11 и преобразуется в электрическую энергию в солнечных элементах. Таким образом, обеспечивается энергоэффективное преобразование солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию в гибридном приемнике или только в тепловую энергию для горячего водоснабжения и отопления в приемнике с тепловым абсорбером.

Если использовать полиметилсилоксановые жидкости, более 90% солнечного излучения будет поглощаться в приемнике за счет низкого коэффициента поглощения излучения в жидкости. При использовании в качестве оптически прозрачной среды структурированного полисилоксанового геля его заливают в полость фокусирующих призм 1 и 2 в жидком виде, а потом проводят его отверждение - структурирование. В этом случае высокая прозрачность полисилоксанового геля и отсутствие утечек геля при случайной разгерметизации полости фокусирующей линзы обеспечивает высокий оптический КПД и большой срок службы солнечного модуля с концентратором.

Объем оптически прозрачной среды внутри полости фокусирующей призмы зависит от размера солнечного модуля и угла φ. Для солнечного модуля с концентратором размером длиной 0,5, шириной 1,2 м объем оптически прозрачной среды составит для угла φ=8°22,5 л, для φ=3°8,4 л.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом. В первой половине дня после восхода солнца работает фокусирующая призма 1 с восточной стороны модуля, а во второй половине дня работает фокусирующая призма 2 с западной стороны. В полдень работают одновременно обе фокусирующие призмы без помощи зеркальных отражателей 5 и 7, при этом дополнительные зеркальные отражатели 7 ориентированы параллельно потоку солнечного излучения. При угле наклона грани входа к горизонтальной поверхности 60° солнечный модуль начинает работу при высоте солнца над горизонтом 30° и работает при перемещении солнца в течение 120°, что соответствует 8 часам солнечного сияния 22.03 и 22:09.

Плоскости зеркальных отражателей ориентированы в направлении Север-Юг, а ежедневное перемещение солнца компенсируется поворотом зеркальных отражателей в соответствии с формулами (8) и (9).

При повороте луча на ±24° от нормального положения зеркальные отражатели поворачиваются на ±12°. На фиг.1 показан ход лучей в фокусирующих призмах 1 и 2 при β₀=0. Геометрический коэффициент концентрации k=ctgφ для одной фокусирующей призмы 1 или 2 с фотоприемником 11. При δ=31,5°, φ=8° и ψ=25°, при этом геометрический коэффициент концентрации составляет k=ctg8°=7,15.

Солнечный модуль с концентратором может быть использован в качестве крыши солнечного дома, гелиотеплицы или зимнего сада.

Конструкция и технология изготовления солнечного модуля с концентратором позволяет в 5-10 раз снизить потребление металла для абсорберов по сравнению с известными солнечными коллекторами и в 5-10 раз снизить площадь солнечных элементов по сравнению с солнечными планарными модулями без концентраторов.

Солнечный 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 энергоактивных зданиях в качестве элемента фотоэлектрического фасада здания или солнечной крыши.

1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий прозрачные фокусирующие призмы с треугольным поперечным сечением, с углом входа лучей β₀ и углом полного внутреннего отражения α = arcsin 1 n , где n - коэффициент преломления призмы, имеющей грань входа и грань переотражения излучения, образующие общий двугранный угол φ, грань выхода концентрированного излучения с приемником излучения, и устройство отражения в виде зеркального отражателя, образующего с гранью переотражения острый двугранный угол ψ, который расположен однонаправленно с острым двугранным углом φ фокусирующей призмы, отличающийся тем, что концентратор выполнен из двух симметричных прозрачных фокусирующих призм, имеющих общую линию касания граней входа и выхода, ориентированную в направлении Север-Юг, устройство отражения каждой фокусирующей призмы состоит из набора установленных на некотором расстоянии друг от друга зеркальных отражателей длиной L₀ с одинаковыми острыми углами ψ, с устройством поворота относительно грани переотражения, на поверхности грани входа установлены дополнительные зеркальные отражатели, которые наклонены к поверхности грани входа под углом 90°-δ и выполнены в виде жалюзи с устройством поворота относительно поверхности грани входа, угол наклона дополнительных зеркальных отражателей к поверхности грани входа расположен разнонаправленно с острым двугранным углом φ фокусирующей призмы, оси устройства поворота дополнительного зеркального отражателя на грани входа и оси устройства поворота зеркального отражателя на устройстве переотражения с гранью переотражения находятся в одной плоскости, перпендикулярной поверхности входа, а углы φ, ψ, δ, β₀ и α связаны собой соотношениями: arcsin = sin { arcsin [ n ⋅ sin ( arcsin sin β 0 n + ϕ ) + 2 ψ ] } n + ϕ > α δ ≥ 1 2 arcsin = sin { arcsin [ n ⋅ sin ( arcsin sin β 0 n + ϕ ) + 2 ψ ] } n , arcsin sin 2 δ n + ϕ > α .

2. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что прозрачные фокусирующие призмы образуют пространственную оптическую структуру, которая выполнена в виде крыши солнечного дома, гелиотеплицы или зимнего сада.

3. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что в качестве приемника излучения в каждой фокусирующей призме установлен гибридный фотоэлектрический модуль с когенерацией электрической и тепловой энергии.

4. Солнечный модуль с концентратором по п.1, отличающийся тем, что в качестве приемника излучения в каждой фокусирующей призме использован тепловой абсорбер для получения горячей воды и отопления.

5. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором путем изготовления фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, установки приемника излучения, устройства переотражения излучения с зеркальными отражателями и дополнительными зеркальными отражателями на рабочей поверхности с устройствами поворота, отличающийся тем, что из закаленного листового стекла или другого прозрачного листового материала изготавливают и герметизируют стенки полости двух фокусирующих призм с острым двугранным углом при вершине 2-15°, устанавливают фокусирующие призмы таким образом, чтобы грани входа и выхода каждой призмы при вершине имели общую линию касания, ориентированную в направлении Север-Юг, и затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой, устанавливают герметично приемник излучения и проводят сборку дополнительных зеркальных отражателей с устройствами поворота на рабочей поверхности фокусирующей призмы и устройства поворота для устройства переотражения излучения.

6. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором по п.5, отличающийся тем, что в качестве оптически прозрачной среды используют дистиллированную воду с добавками для предотвращения цветения и замерзания воды.

7. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором по п.5, отличающийся тем, что в качестве оптически прозрачной среды используют силиконовые теплоносители, например на основе полиметилсилоксановых композиций.

8. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором по п.5, отличающийся тем, что в качестве оптически прозрачной среды используют структурированные полисилоксановые гели.