[go: up one dir, main page]

RU2608797C2 - Солнечный модуль с концентратором (варианты) - Google Patents

Солнечный модуль с концентратором (варианты) Download PDF

Info

Publication number
RU2608797C2
RU2608797C2 RU2014149590A RU2014149590A RU2608797C2 RU 2608797 C2 RU2608797 C2 RU 2608797C2 RU 2014149590 A RU2014149590 A RU 2014149590A RU 2014149590 A RU2014149590 A RU 2014149590A RU 2608797 C2 RU2608797 C2 RU 2608797C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
angle
rays
cylindrical
plane
concentrator
Prior art date
Application number
RU2014149590A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014149590A (ru
Inventor
Дмитрий Семенович Стребков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority to RU2014149590A priority Critical patent/RU2608797C2/ru
Publication of RU2014149590A publication Critical patent/RU2014149590A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2608797C2 publication Critical patent/RU2608797C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла. В солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β1 для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β2, угол ϕ0 наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями, указанными в формуле изобретения, расстояние
Figure 00000043
между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению
Figure 00000044
, при котором для любых углов ϕ0 нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости. Также имеется второй вариант выполнения солнечного модуля. В результате использования изобретения повышается удельная мощность модуля и снижается его стоимость. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла.
Известен солнечный модуль с концентратором на основе параболоцилиндрических фоклинов, установленных с двух сторон по краям фотопреобразователей (Solar Tobay, Yuly/August 1997, p. 31).
Недостатком известного модуля является низкий коэффициент концентрации 2-2,5. Другим недостатком является большая высота модуля с концентратором, превышающая размер плоского модуля без концентратора в 4-6 раз.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль, содержащий концентратор энергии, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, на рабочей поверхности призмы установлены миниатюрные зеркальные экраны, выполненные в виде жалюзи из плоских зеркальных фацет, скоммутированные фотопреобразователи выполнены с двусторонней рабочей поверхностью, концентратор - в виде двух симметрично расположенных призм, имеющих общий фотопреобразователь, а на рабочей поверхности концентратора в зоне одной или обеих призм установлены миниатюрные зеркальные экраны (Патент РФ №2133415. Солнечный фотоэлектрический модуль (варианты) / Безруких П.П., Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Иродионов А.Е. // БИ. 1999. №20).
Недостатками известного солнечного модуля являются большие оптические потери в жалюзи и низкий коэффициент концентрации.
Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного модуля с концентратором, имеющего высокий оптический КПД и высокий коэффициент концентрации солнечного излучения.
В результате использования предлагаемого солнечного модуля повышается удельная мощность модуля и снижается его стоимость.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β1 для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β2, угол ϕ0 наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:
β1=2ϕ0-2θ при ϕ<ϕ0,
β1=2ϕ0+2θ при ϕ>ϕ0,
β1=2ϕ0, θ=0 при ϕ=ϕ0,
β2=arcsin[(sin β1)⋅n],
Figure 00000001
Figure 00000002
где β1 - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;
β2 - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
ϕ0 - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;
n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ0 - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,
углы β1, β2, ϕ и ϕ0 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению:
a=dsin ϕ0,
при котором для любых углов ϕ0 нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с острым углом ψ, который связан с коэффициентом преломления материала призмы n1 и углом выхода лучей β2 соотношением:
Figure 00000003
где n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
β2 - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
n1 - коэффициент преломления материала призмы.
В другом варианте солнечного модуля с концентратором модуль содержит установленные в одной плоскости вторую оптическую отклоняющую систему и второй призменный концентратор с общим двусторонним приемником, а угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей первой и второй отклоняющих оптических систем равен 2ϕ0.
Вышеуказанный технический результат достигается также тем, что в солнечном модуле с концентратором, имеющем рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β1 для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β2, угол ϕ0 наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:
β1=2ϕ0-2θ при ϕ<ϕ0,
β1=2ϕ0+2θ при ϕ>ϕ0,
β1=2ϕ0, θ=0 при ϕ=ϕ0,
β2=arcsin[(sin β1)⋅n],
Figure 00000004
Figure 00000005
где β1 - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;
β2 - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
ϕ0 - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;
n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ0 - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,
углы β1, β2, ϕ и ϕ0 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению;
a=dsin ϕ0,
при котором для любых углов ϕ0 нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с апертурным углом δ, который связан с углом β2 следующим соотношением:
β2≥90°-2δ.
В другом варианте солнечного модуля с концентратором модуль содержит установленные в одной плоскости вторую оптическую отклоняющую систему и второй полупараболоцилиндрический концентратор с общим двусторонним приемником, а угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей первой и второй отклоняющих оптических систем равен 2ϕ0.
Солнечный модуль с концентратором иллюстрируется на фиг. 1-6.
На фиг. 1 представлена схема оптической отклоняющей системы с цилиндрическими зеркальными отражателями, которые помещены в оптически прозрачную среду, и ход лучей в ней (двухмерное изображение).
На фиг. 2 представлен ход лучей в солнечном модуле с призменным концентратором с оптической отклоняющей системой в виде жалюзи из миниатюрных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду.
На фиг. 3 показан общий вид солнечного модуля с одной оптической отклоняющей системой и призменным концентратором.
На фиг. 4 показан солнечный модуль с концентратором, состоящий из первой и второй оптических отклоняющих систем в виде жалюзи из зеркальных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду, и первого и второго призменного концентратора с общим приемником.
На фиг. 5 показан общий вид солнечного модуля с одной оптической отклоняющей системой и с одним полупараболоцилиндрическим концентратором.
На фиг. 6 представлен солнечный модуль с концентратором, состоящий из первой и второй оптических отклоняющих систем в виде жалюзи из зеркальных цилиндрических отражателей, которые помещены в оптически прозрачную среду, и первого и второго полуцилиндрического концентратора с общим приемником.
Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит зеркальную отклоняющую периодическую оптическую систему 1 высотой h, шириной l и длиной L, состоящую из цилиндрических зеркальных отражателей 2 с радиусом кривизны R и с плоскостью 3 входа лучей шириной d, установленных под углом ϕ0. Солнечный модуль имеет рабочую поверхность 4, на которую падает излучение 5. Цилиндрические зеркальные отражатели 2 установлены друг от друга на расстоянии а под углом ϕ0 к вертикальной плоскости и помещены в оптически прозрачную среду 6 с коэффициентом преломления n.
Количество цилиндрических зеркальных отражателей 2 в отклоняющей оптической системе
Figure 00000006
. Обозначим через β1 угол выхода лучей от цилиндрических зеркальных отражателей 2 в оптической системе 1. Угол β1 отсчитывается от вертикальной плоскости. Угол β1 выбирается из условия максимального отклонения отраженного луча на выходе из системы на расстоянии ОЕ=2а.
Принимая h=1, получим:
Figure 00000007
На фиг. 2 касательная 7 в точке А и касательная 8 в точке D к цилиндрическому зеркальному отражателю 2 образуют угол θ0 с плоскостью 3 входа лучей. Обозначим через θ угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя 2 и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя 2 в точке падения лучей. Касательная 9 в точке G параллельна плоскости 3 входа лучей, поэтому в точке G θ=0. Из фиг. 2 следует, что θ0=max θ в точках А и D, в точке G θ=0, на участке AG θ<ϕ0, а на участке GD θ>ϕ0.
Радиус кривизны цилиндрического зеркального отражателя R=АО1 и высоту сегмента FG найдем из Δ O1AF: AF=AO1sinθ0, AO1=R,
Figure 00000008
,
Figure 00000009
FG=O1G-O1F,
Figure 00000010
,
Figure 00000011
.
Figure 00000012
Для лучей, нормальных к рабочей поверхности 4 модуля в точке А: β1=2ϕ-2θ0.
Подставляя β1 из (1), получим для точки А:
Figure 00000013
В точке В: β1=2ϕ+2θ0.
Figure 00000014
В точке G: θ=0, β1=2ϕ0=arctg(2tgϕ0).
Для любой точки цилиндрического зеркального отражателя 2:
Figure 00000015
где ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя 2 в точке падения лучей, углы β1, ϕ и ϕ0 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности 4 против часовой стрелки.
При расчете оптической отклоняющей периодической системы 1 на фиг. 1, 2 принимается, что точки В и D находятся на одной вертикали к поверхности для всех цилиндрических зеркальных отражателей 2 при любом угле ϕ0. Это означает, что при увеличении ϕ0 и постоянной ширине d цилиндрического зеркального отражателя 2 растет расстояние а=tgϕ0, между цилиндрическими зеркальными отражателями.
Из фиг. 2 и формул (6) следует, что угол выхода лучей β1 изменяется при отражении лучей от различных участков цилиндрического зеркального отражателя 2.
Figure 00000016
Figure 00000017
- угол выхода лучей при отражении от нижнего края (точка D) цилиндрического зеркального отражателя 2,
Figure 00000018
- угол выхода лучей при отражении от верхнего края (точка А) цилиндрического зеркального отражателя 2.
Оптическая отклоняющая система 1 из цилиндрических зеркальных отражателей 2 обеспечивает 100%-е переотражение излучения 5, поступающего на рабочую поверхность 4 солнечного модуля с концентратором.
Обозначим через β2 угол выхода лучей из оптической отклоняющей системы 1, которая содержит прозрачную среду 6, с коэффициентом преломления n.
Figure 00000019
Угол β2 отсчитывается от вертикали против часовой стрелки.
Обозначим
Figure 00000020
,
Figure 00000021
На фиг. 2 и 3 призменный концентратор 10 выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с коэффициентом преломления n и с острым углом ψ и отделен от отклоняющей оптической системы 1 с помощью воздушного промежутка 11. Луч, выходящий из оптической отклоняющей системы 1 под углом β2 min, поступает на поверхность входа 12 призменного концентратора 10 под углом β3=β2 min. Излучение входит в призменный концентратор 10 под углом
Figure 00000022
, поступает на грань переотражения 13 под углом β5=β4+ψ, отражается от грани переотражения 13 и поступает на поверхность входа 12 под углом β6=β4+2ψ, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения
Figure 00000023
.
Figure 00000024
Из (9) получаем соотношение между ψ, β2 min и n1:
Figure 00000025
Все входящие лучи, удовлетворяющие условию (1), (6), (8) и (10), будут поступать на приемник 14.
Коэффициент концентрации к=ctg ψ.
В варианте солнечного модуля с концентратором на фиг. 4 первый 15 и второй 16 призменные концентраторы с острыми углами ψ имеют общий двусторонний приемник 17, рабочую поверхность 18, на которой установлены первая 19 и вторая 20 отклоняющие лучи встречно оптические системы, поверхности входа 21 и 22 лучей призменных концентраторов 15 и 16 находятся в одной плоскости, а угол между плоскостями входа 23 и 24 цилиндрических зеркальных отражателей 25 и 26 составляет 2ϕ0. Призменные концентраторы 15, 16 установлены таким образом, что их отраженные потоки излучения направлены навстречу друг другу и поступают на общий двусторонний приемник излучения 17, установленный на опорном устройстве 27 со слежением за солнцем по одной оси.
Коэффициент концентрации для солнечного модуля с двумя призменными концентраторами 15 и 16 и с двусторонним приемником 17 (фиг. 4) составляет:
к=2ctg ψ.
Солнечный модуль с концентратором на фиг. 5 содержит полупараболоцилиндрический концентратор 28 с параметрическим углом δ, фокальной осью F и вершиной O2 с поверхностью входа 29 лучей, которая параллельна рабочей поверхности 4 солнечного модуля с концентратором. Приемник 30 установлен между фокальной осью F и вершиной O2 полупараболоцилиндрического концентратора 28.
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 5 отклоняющая оптическая система шириной L=АС создает на поверхности входа 29 лучей полупараболоцилиндрического концентратора 28 поток лучей с углом β2,
Figure 00000026
.
Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором при нормальном падении излучения 5 на рабочую поверхность 4 равен:
Figure 00000027
.
Параметрический угол δ определяется из условия:
Figure 00000028
,
Figure 00000029
.
На фиг. 6 солнечный модуль с концентратором содержит первую 31 и вторую 32 отклоняющие лучи встречно оптические системы, у которых угол между поверхностями входа 33 и 34 цилиндрических зеркальных отражателей двух отклоняющих оптических систем составляет 2ϕ0. Солнечный модуль содержит первый 35 и второй 36 полупараболоцилиндрические концентраторы с общей фокальной осью F, общим двухсторонним приемником 37, у которых поверхности входа 38 и 39 находятся в одной плоскости. Линии 40 и 41, которые являются касательными к поверхности полупараболоцилиндрических концентраторов 35 и 36 у поверхностей входа 38 и 39 и внешними границами апертурных углов, образуют между собой угол 180° - 2δ. Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором на фиг. 6 равен:
Figure 00000030
.
Примеры выполнения солнечного модуля с концентратором
Пример 1. На фиг. 1, 2, 3 отклоняющая оптическая система 1 состоит из 273 цилиндрических зеркальных отражателей 2 размером плоскости входа d=15 мм. Угол наклона плоскости входа 3 цилиндрических зеркальных отражателей ϕ0=18,5°, расстояние между цилиндрическими зеркальными отражателями а=d⋅sinϕ0=4,76 мм, радиус кривизны R=267,78 мм, высота сегмента 0,104 мм, угол входа лучей β0=0°, θ0=1,605°, углы выхода лучей β1 min=35,79°, β1 max=40,21°.
Углы выхода лучей из оптической отклоняющей системы с оптической средой из стекла с коэффициентом преломления n=1,51:
Figure 00000031
,
Figure 00000032
.
Угол полного внутреннего отражения для стекла:
Figure 00000033
.
Острый угол в призменном концентраторе 10 из стекла (n1=1,51):
Figure 00000034
.
Коэффициент концентрации для солнечного модуля с концентратором на фиг. 1, 2, 3:
к=ctgψ=20,15.
Приемник 14 имеет размеры 6,25×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 625×31,25 мм. Геометрический коэффициент концентрации к=20,15, оптический КПД 85%, КПД приемника 15%, КПД модуля 12,75%. Размеры модуля 1300×1250 мм. Площадь модуля 1,635 м2. Пиковая электрическая мощность 208,46 Вт при освещенности 1 кВт/м2 и температуре 25°С.
Для солнечного модуля на фиг. 4 коэффициент концентрации к=40,3, размеры модуля 2600×1250 мм, размеры двустороннего приемника 17 625×1250 мм, пиковая электрическая мощность 416,92 Вт.
Пример 2. На фиг. 5 отклоняющая оптическая система 1 состоит из 273 цилиндрических зеркальных отражателей 2 размером плоскости входа d=15 мм. Угол наклона плоскости входа 3 цилиндрических зеркальных отражателей ϕ0=18,5°, расстояние между цилиндрическими зеркальными отражателями а=d⋅sinϕ0=4,76 мм, радиус кривизны R=267,78 мм, высота сегмента 0,104 мм, угол входа лучей β0=0°, θ0=1,605°, углы выхода лучей β1 min=35,79°, β1 max=40,21°. Углы выхода лучей из оптической отклоняющей системы с оптической средой из стекла n=1,5:
Figure 00000035
,
Figure 00000036
.
Апертурный угол полупараболоцилиндрического концентратора 28 δ=14°, зеркальные отражатели концентратора 28 выполнены из полированного алюминия. Геометрический коэффициент концентрации к=17,09, оптический КПД модуля 80%, Приемник 30 имеет размеры 75×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 75×31,25 мм. КПД приемника 16%, КПД модуля 12,8%. Размеры модуля 1300×1250 мм. Площадь модуля 1,635 м2. Пиковая электрическая мощность 209,28 Вт при освещенности 1 кВт/м2 и температуре 25°С.
Для солнечного модуля на фиг. 6 коэффициент концентрации к=34,18, размеры модуля 2600×1250 мм, размеры двустороннего приемника 37 675×1250 мм, пиковая электрическая мощность 418,56 Вт.
Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1, 2, 3). Солнечное излучение 5 поступает по нормали на рабочую поверхность 4 солнечного модуля с концентратором, отражается от цилиндрических зеркальных отражателей 2 под углом β1, выходит под углом β2 из отклоняющей оптической системы 1 и через воздушный промежуток 11 поступает под углом β3=β2 на поверхность входа 12 в призменный концентратор 10 и концентрируется на приемнике 14.
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 4 солнечное излучение 5 концентрируется на двустороннем приемнике 17.
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 5 солнечное излучение поступает по нормали на рабочую поверхность 4 модуля и в оптическую отклоняющую систему 1, отражается от цилиндрических зеркальных отражателей 2 под углом β1, выходит под углом β2 в воздушный промежуток 11, поступает под углом β3=β2 на поверхность входа 29 полупараболоцилиндрического концентратора 28, отражается от полупараболоцилиндрической поверхности концентратора и поступает на приемник 30 при условии:
Figure 00000037
.
Лучи с углами
Figure 00000038
собираются в области, близкой к фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 28.
В связи с тем, что лучи, выходящие из оптической отклоняющей системы, не параллельны, а образуют расходящийся поток с углами выхода в диапазоне
Figure 00000039
, излучение будет концентрироваться не в фокальной оси F полупараболоцилиндрического концентратора 28, а равномерно распределяться по всей площади фотоприемника 30, что улучшает условия теплоотвода от поверхности фотоприемника и снижает потери от неравномерного освещения.
В солнечном модуле с концентратором на фиг. 6 солнечное излучение концентрируется с двух сторон на приемнике 37, в результате коэффициент концентрации увеличивается в два раза по сравнению с солнечным модулем с концентратором на фиг. 5.
Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 10-12 из условия воздушного или водяного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Такие солнечные модули с концентраторами могут быть использованы со следящими системами для установки на крышах зданий или на земле. При стоимости зеркальных отражателей 30 долл./м2, концентрации 5, оптическом КПД 0,85 и электрическом КПД 15% стоимость солнечного модуля с концентратором составит 86,58 долл./м2, 0,378 долл./Вт, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля.
По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет нулевые косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость. Приемники 14, 17 и 30 могут быть выполнены с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и горячей воды или горячего воздуха.

Claims (40)

1. Солнечный модуль с концентратором, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, отличающийся тем, что зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β1 для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β2, угол ϕ0 наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:
β1=2ϕ0-2θ при ϕ<ϕ0,
β1=2ϕ0+2θ при ϕ>ϕ0,
β1=2ϕ0, θ=0 при ϕ=ϕ0,
β2=arcsin[(sin β1)⋅n],
Figure 00000040
,
Figure 00000041
,
где β1 - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;
β2 - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
ϕ0 - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;
n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ0 - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя,
углы β1, β2, ϕ и ϕ0 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению:
a=dsin ϕ0,
при котором для любых углов ϕ0 нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения с острым углом ψ, который связан с коэффициентом преломления материала призмы n1 и углом выхода лучей β2 соотношением:
Figure 00000042
,
где n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
β2 - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
n1 - коэффициент преломления материала призмы.
2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что модуль содержит установленные в одной плоскости вторую оптическую отклоняющую систему и второй призменный концентратор с общим двусторонним приемником, а угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей первой и второй отклоняющих оптических систем равен 2ϕ0.
3. Солнечный модуль с концентратором, имеющий рабочую поверхность, на которую падает солнечное излучение, концентратор и приемник излучения, на рабочей поверхности установлена отклоняющая оптическая система, выполненная в виде жалюзи из зеркальных фацет, имеющая поверхности входа и выхода лучей, отличающийся тем, что зеркальные фацеты выполнены в виде цилиндрических зеркальных отражателей с радиусом кривизны R и плоскостью входа лучей шириной d и помещены в оптически прозрачную среду с коэффициентом преломления n, угол выхода лучей β1 для цилиндрических зеркальных отражателей, угол выхода лучей отклоняющей оптической системы β2, угол ϕ0 наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей и их радиус кривизны R при нормальном падении лучей на рабочую поверхность модуля связаны соотношениями:
β1=2ϕ0-2θ при ϕ<ϕ0,
β1=2ϕ0+2θ при ϕ>ϕ0,
β1=2ϕ0, θ=0 при ϕ=ϕ0,
β2=arcsin[(sin β1)⋅n],
Figure 00000040
,
Figure 00000041
,
где β1 - угол выхода лучей для цилиндрических зеркальных отражателей;
β2 - угол выхода лучей отклоняющей оптической системы;
ϕ0 - угол наклона плоскости входа лучей цилиндрических зеркальных отражателей;
n - коэффициент преломления оптической прозрачной среды;
ϕ - угол наклона касательной плоскости к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ - угол между плоскостью входа лучей цилиндрического зеркального отражателя и касательной плоскостью к поверхности цилиндрического зеркального отражателя в точке падения лучей;
θ0 - угол между плоскостью входа лучей и касательной плоскостью на краях цилиндрического зеркального отражателя, углы β1, β2, ϕ и ϕ0 отсчитываются от вертикали к рабочей поверхности против часовой стрелки, расстояние а между цилиндрическими зеркальными отражателями на рабочей поверхности и ширина поверхности входа цилиндрических зеркальных отражателей удовлетворяет соотношению;
a=dsin ϕ0,
при котором для любых углов ϕ0 нижняя грань цилиндрического зеркального отражателя и верхняя грань следующего цилиндрического зеркального отражателя находятся в одной вертикальной плоскости, а концентратор выполнен в виде полупараболоцилиндрического зеркального отражателя с апертурным углом δ, который связан с углом β2 следующим соотношением:
β2≥90°-2δ.
4. Солнечный модуль с концентратором по п. 3, отличающийся тем, что модуль содержит установленные в одной плоскости вторую оптическую отклоняющую систему и второй полупараболоцилиндрический концентратор с общим двусторонним приемником, а угол между поверхностями входа цилиндрических зеркальных отражателей первой и второй отклоняющих оптических систем равен 2ϕ0.
RU2014149590A 2014-12-10 2014-12-10 Солнечный модуль с концентратором (варианты) RU2608797C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014149590A RU2608797C2 (ru) 2014-12-10 2014-12-10 Солнечный модуль с концентратором (варианты)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014149590A RU2608797C2 (ru) 2014-12-10 2014-12-10 Солнечный модуль с концентратором (варианты)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014149590A RU2014149590A (ru) 2016-07-10
RU2608797C2 true RU2608797C2 (ru) 2017-01-24

Family

ID=56372349

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014149590A RU2608797C2 (ru) 2014-12-10 2014-12-10 Солнечный модуль с концентратором (варианты)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2608797C2 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5877874A (en) * 1995-08-24 1999-03-02 Terrasun L.L.C. Device for concentrating optical radiation
RU2133415C1 (ru) * 1998-04-29 1999-07-20 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Солнечный фотоэлектрический модуль (варианты)
RU2503895C2 (ru) * 2011-09-08 2014-01-10 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления (варианты)
RU2520803C2 (ru) * 2012-05-15 2014-06-27 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5877874A (en) * 1995-08-24 1999-03-02 Terrasun L.L.C. Device for concentrating optical radiation
RU2133415C1 (ru) * 1998-04-29 1999-07-20 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Солнечный фотоэлектрический модуль (варианты)
RU2503895C2 (ru) * 2011-09-08 2014-01-10 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления (варианты)
RU2520803C2 (ru) * 2012-05-15 2014-06-27 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014149590A (ru) 2016-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10020413B2 (en) Fabrication of a local concentrator system
WO2007084518A2 (en) A hybrid primary optical component for optical concentrators
TW201110386A (en) Non-imaging light concentrator
US20110197968A1 (en) Solar collector panel
US20150009568A1 (en) Light collection system and method
CN104143954B (zh) 一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器
RU2154778C1 (ru) Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором
RU2503895C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления (варианты)
WO2015061909A1 (en) Optical concentrator/diffuser using graded index waveguide
RU2576742C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором
RU2608797C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором (варианты)
RU2576752C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором
RU2154243C1 (ru) Солнечная энергетическая установка
RU2154244C1 (ru) Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором
RU2599076C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором
JP6351459B2 (ja) 太陽電池モジュール
RU2576739C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором
US20100307480A1 (en) Non-tracking solar collectors
RU2557272C1 (ru) Кровельная солнечная панель
RU2576072C2 (ru) Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления
RU2580462C1 (ru) Солнечный модуль с концентратором
RU2572167C1 (ru) Солнечный модуль с концентратором (варианты)
CN107023802B (zh) 一种高效率的面板式自然光收集器
WO2014116498A1 (en) Solar waveguide concentrator
RU2645800C1 (ru) Солнечный модуль с концентратором

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170211