RU2168679C1

RU2168679C1 - Solar photoelectric module with concentrator

Info

Publication number: RU2168679C1
Application number: RU2000101401/06A
Authority: RU
Inventors: Д.С. Стребков; Э.В. Тверьянович; С.Н. Кивалов; П.П. Безруких
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: solar engineering for power generation. SUBSTANCE: photoconverter and radiation input surface of prism are built integral with optical wedge radiation output surface; side reflecting walls of prism are integrated with lower part of optical wedge side reflecting walls; prism radiation input surface is arranged over two circular cylindrical surfaces having common line of intersection on symmetry plane of concentrator and line of intersection with side reflecting walls of optical wedge to form acute angles at tops. EFFECT: reduced size and weight of concentrator and module as a whole; reduced material input. 1 dwg

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества. The invention relates to solar technology, in particular to solar photovoltaic modules with solar concentrators for generating electricity.

Известен фотоэлектрический модуль, состоящий из концентратора, выполненного в виде двух треугольных призм с боковыми отражающими стенками и общей поверхностью выхода излучения, где может быть установлен фотопреобразователь (авторское свидетельство СССР N 1141368, опубл. 23.02.85 бюл. N7). A known photovoltaic module consisting of a concentrator made in the form of two triangular prisms with side reflective walls and a common radiation exit surface where a photoconverter can be installed (USSR author's certificate N 1141368, publ. 23.02.85 bul. N7).

Модуль с описанным концентратором, выполненный в виде протяженных призм, ориентированных по сторонам света Запад- Восток, может работать в течение года в стационарном режиме или требует поворота вокруг оси Запад-Восток на небольшой угол. The module with the described hub, made in the form of long prisms oriented to the cardinal directions West-East, can operate in the stationary mode for a year or require rotation around the West-East axis by a small angle.

Недостаток известного решения: большие светопотери модуля из-за того, что луч все расстояние в концентраторе проходит внутри плотного оптического материала, который в любом случае имеет поглощение выше воздуха. Кроме того, подобный концентратор требует для изготовления большое количество оптического материала для изготовления призм, это увеличивает его стоимость. A disadvantage of the known solution: large light losses of the module due to the fact that the beam travels the entire distance in the hub inside the dense optical material, which in any case has absorption above air. In addition, such a hub requires a large amount of optical material for the manufacture of prisms for manufacturing, this increases its cost.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), выполненный на основе цилиндрического фоклина, имеющего две симметричные отражающие боковые стенки с поверхностью выхода, на которой установлена оптически прозрачная призма, имеющая две боковые отражающие стенки, поверхность входа и поверхность выхода излучения, на которую установлен фотопреобразователь (патент РФ N 2134849, публикация 20.08.1999, бюл. 23). Known solar photovoltaic module (prototype), made on the basis of a cylindrical foklin having two symmetric reflective side walls with an exit surface on which an optically transparent prism is installed, having two side reflective walls, an entrance surface and a radiation exit surface on which the photoconverter is installed (patent RF N 2134849, publication 08/20/1999, bull. 23).

Недостатком известного решения является большая материалоемкость оптически прозрачной призмы, что увеличивает габариты модуля и его вес. A disadvantage of the known solution is the high material consumption of the optically transparent prism, which increases the dimensions of the module and its weight.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного концентратора, позволяющего уменьшить габариты и вес модуля. The objective of the invention is the creation of a compact hub, which allows to reduce the size and weight of the module.

Указанный технический эффект достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле с концентратором, содержащем концентратор на основе цилиндрического фоклина, имеющего две отражающие симметричные цилиндрические боковые стенки и расположенную между ними поверхность выхода излучения, на которой установлена оптически прозрачная призма, имеющая две боковые отражающие стенки и поверхность выхода излучения с установленным на ней фотопреобразователем, фотопреобразователь и поверхность выхода излучения из призмы совмещены с поверхностью выхода излучения из фоклина, боковые отражающие стенки призмы совмещены с нижней частью боковых отражающих стенок фоклина, поверхность входа излучения в призму выполнена по двум круговым цилиндрическим поверхностям, имеющим общую линию пересечения на плоскости симметрии концентратора и линии пересечения с боковыми отражающими стенками фоклина с образованием острых углов при вершинах. The indicated technical effect is achieved in that in a solar photovoltaic module with a concentrator containing a concentrator based on a cylindrical foclin, having two reflecting symmetrical cylindrical side walls and a radiation exit surface located between them, on which an optically transparent prism is installed, having two side reflective walls and a surface the radiation output with a photoconverter installed on it, the photoconverter and the surface of the radiation exit from the prism are aligned with the top the radiation exit from the foclin, the side reflective walls of the prism are aligned with the lower part of the side reflective walls of the foclin, the surface of the radiation input into the prism is made on two circular cylindrical surfaces having a common intersection line on the symmetry plane of the concentrator and the intersection line with the side reflective walls of the foclin with the formation of sharp angles at the peaks.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где представлены поперечное сечение модуля и схема прохождения солнечных лучей. The invention is illustrated in the drawing, which shows the cross section of the module and the scheme of passage of sunlight.

Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор на основе цилиндрического фоклина 1, имеющего две отражающие симметричные цилиндрические боковые стенки 2, 3 и расположенную между ними поверхность выхода излучения 4, на которой установлена оптически прозрачная призма 5, имеющая две боковые отражающие стенки 6, 7 и поверхность выхода излучения 4 с установленным на ней фотопреобразователем 8. Поверхность выхода излучения 4 из фоклина 1 и из призмы 5 с фотопреобразователем 8 является общей, боковые отражающие стенки 6 и 7 призмы 5 совмещены с нижней частью боковых отражающих стенок 2 и 3 фоклина 1, поверхность входа излучения в призму выполнена по двум круговым цилиндрическим поверхностям 9, 10, имеющим общую линию пересечения 11 на плоскости симметрии 12 концентратора и линии пересечения 13, 14 с боковыми стенками 2 и 3 фоклина 1 с образование острых углов β при вершинах 13 и 14. A solar photovoltaic module comprising a concentrator based on a cylindrical foclin 1 having two reflecting symmetrical cylindrical side walls 2, 3 and a radiation exit surface 4 located between them, on which an optically transparent prism 5 is installed, having two lateral reflecting walls 6, 7 and an exit surface radiation 4 with a photoconverter installed on it 8. The output surface of radiation 4 from foclin 1 and from prism 5 with photoconverter 8 is common, the side reflecting walls 6 and 7 of prism 5 are compatible puppies with the lower part of the side reflective walls 2 and 3 of the foclin 1, the surface of the radiation input into the prism is made on two circular cylindrical surfaces 9, 10, having a common intersection line 11 on the symmetry plane 12 of the concentrator and the intersection line 13, 14 with side walls 2 and 3 foclin 1 with the formation of acute angles β at peaks 13 and 14.

Кроме того, на чертеже изображено: D - размер поверхности входа излучения в фоклин 1; d - размер поверхности 4 выхода излучения; H - высота фоклина 1; F₁ и F₂ - точки оптических фокусов парабол, образующих боковые стенки 2 и 3 фоклина 1; δ - апертурный угол; ψ - угол наклона ветви параболы в вершинах 13 и 14. Также даны схемы хода лучей L₁, L₂.In addition, the drawing shows: D is the size of the surface of the input of radiation in foklin 1; d is the size of the surface 4 of the radiation output; H is the focline height 1; F ₁ and F ₂ are the optical focal points of the parabolas forming the side walls 2 and 3 of focline 1; δ is the aperture angle; ψ is the angle of inclination of the parabola branch at the vertices 13 and 14. Also given are the ray paths L ₁ , L ₂ .

Работает модуль следующим образом. The module works as follows.

При установке плоскость поверхности входа D располагают под углом широты местности к горизонтальной плоскости. When installing the plane of the surface of the entrance D is placed at an angle of latitude to the horizontal plane.

При максимальном отклонении излучения от плоскости симметрии концентратора, луч L₁ отражается стенками фоклина в соответствующие оптические фокусы образующих парабол F₁ и F₂. После отражения луч попадает на поверхность входа излучения 9 призмы 5, преломляется, отражается от стенки 6 и приходит к поверхности 9 под углом полного внутреннего отражения Φ, после чего отражается на поверхность выхода излучения 4, где установлен фотопреобразователь 8.At the maximum deviation of radiation from the plane of symmetry of the concentrator, the beam L _{1 is} reflected by the foclin walls into the corresponding optical foci forming parabolas F ₁ and F ₂ . After reflection, the beam hits the surface of the radiation input 9 of the prism 5, is refracted, reflected from the wall 6 and comes to the surface 9 at the angle of total internal reflection Φ, after which it is reflected on the radiation exit surface 4, where the photoconverter 8 is installed.

Луч L₂, параллельный плоскости симметрии 12, попадает сразу на призму 5, преломляется на ее поверхности входа 10, отражается от боковой стенки 7 и попадает на фотопреобразователь 8.The beam L ₂ , parallel to the plane of symmetry 12, immediately hits the prism 5, is refracted on its surface of the entrance 10, is reflected from the side wall 7 and falls on the photoconverter 8.

Для того, чтобы луч L₁ после отражения от стенки 6 попал на поверхность входа 9 под углом полного внутреннего отражения Φ, необходимо, чтобы острые углы β при вершинах 13 и 14 были выбраны в соответствии и условием на полное внутреннее отражение в вершинах, которое задается формулой:

Все лучи, пришедшие на фоклин 1 под углами, меньшими чем угол δ, будут укладываться в одну из вышеприведенных схем хода луча.In order for the ray L ₁ after reflection from the wall 6 to hit the entrance surface 9 at an angle of total internal reflection Φ, it is necessary that the acute angles β at vertices 13 and 14 be selected in accordance with the condition for the total internal reflection at the vertices, which is specified the formula:

All rays arriving at foclin 1 at angles smaller than angle δ will fit into one of the above beam paths.

Пример конкретного выполнения фотоэлектрического модуля с концентратором. An example of a specific implementation of a photovoltaic module with a hub.

Призма выполнена из стекла с коэффициентом преломления n=1.5. Размер фотоэлемента d=10 мм. Высота призмы h_пр=9.8 мм, а высота всего модуля с учетом высоты фоклина составляет H=77 мм. При этом площадь сечения призмы составляет S_пр=0.49 cм², а концентрация K=D/d==3.7 крат. Оптический КПД модуля составляет 85%.The prism is made of glass with a refractive index of n = 1.5. The size of the photocell d = 10 mm. The height of the prism h _pr = 9.8 mm, and the height of the entire module, taking into account the height of the foclin, is H = 77 mm. The cross-sectional area of the prism is S _ol = 0.49 cm ² , and the concentration K = D / d == 3.7 times. The optical efficiency of the module is 85%.

В сравнении с прототипом при том же размере фотоэлемента d=10 мм. Размеры призмы: h_пр=4.1 мм, размер принимающей поверхности α_верхн =25 мм. Тогда высота фоклина H_фокл=89 мм, а высота всего модуля H=h_пр+H_фокл=93.1 мм. При этом площадь сечения призмы составляет S_пр=0.7 см², а концентрация K=D/d=4.5 крат. Оптический КПД модуля составляет 77%.In comparison with the prototype with the same size of the photocell d = 10 mm The size of the prism: h _CR = 4.1 mm, the size of the receiving surface α _top = 25 mm Then the foclin height H _focl = 89 mm, and the height of the entire module H = h _pr + H _focl = 93.1 mm. The cross-sectional area of the prism is S _ol = 0.7 cm ² , and the concentration K = D / d = 4.5 times. The optical efficiency of the module is 77%.

Таким образом, повышается оптический КПД, габариты модуля уменьшаются по сравнению с прототипом на 20%, а материалоемкость призмы, используемой в модуле, уменьшается на 30%. Thus, the optical efficiency is increased, the dimensions of the module are reduced compared to the prototype by 20%, and the material consumption of the prism used in the module is reduced by 30%.

Claims

A solar photovoltaic module with a concentrator, comprising a concentrator based on a cylindrical foclin having two reflective symmetrical cylindrical side walls and a radiation exit surface located between them, on which an optically transparent prism is installed, having two lateral reflective walls and a radiation exit surface with a photoconverter installed on it, characterized in that the surface of the radiation exit from the foclin and from the prism with the photoconverter is common, side reflective Tenkai prisms are aligned with a lower portion of the side focline reflecting walls, the radiation entrance surface of the prism is formed by two circular cylindrical surfaces having a common line of intersection of the plane of symmetry of the hub and the line of intersection with the side walls focline to form acute angles at the vertices.