RU2188364C2

RU2188364C2 - Solar energy module

Info

Publication number: RU2188364C2
Application number: RU2000121364/06A
Authority: RU
Inventors: С.С. Анисимова; В.И. Шадрин
Original assignee: Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика"
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2000-08-16
Publication date: 2002-08-27

Abstract

FIELD: solar power solar power stations for conversion of solar light energy into electrical energy; individual power units. SUBSTANCE: solar energy module consists of photoelectric transducer 4, flat mirror bevels 3 and load-bearing structure 1, locking member 2 with mounting seats for securing set of flat mirror bevels mounted on load-bearing structure whose mounting seats are made over rectilinear generatrix of parabolic cylinder; they are just faces made over said parabolic supporting cylinder in parallel with its axis; each face is chord of generatrix of parabola of said cylinder in section perpendicular to axis of supporting parabolic cylinder; centers of all chords from locus which is guide parabola of inner parabolic cylinder in parallel with supporting cylinder and shifted along axis of guide parabola of said supporting cylinder in way of its focus; axis of photoelectric transducer lies in focus of inner parabolic cylinder. EFFECT: increased coefficient of concentration of reflected solar radiation on photosensitive surface of transducer. 2 dwg

Description

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в солнечных электростанциях для преобразования солнечной световой энергии в электрическую, а кроме того, может быть использовано в качестве энергетической установки индивидуального пользования. The invention relates to solar energy and can find application in solar power plants for converting solar light energy into electrical energy, and in addition, can be used as a power plant for individual use.

Известны различные установки, состоящие из фотоэлектрических преобразователей прямого действия, несущих конструкций и блока слежения за Солнцем [1], [2] и [3]. Various installations are known, consisting of direct-action photovoltaic converters, load-bearing structures, and a sun tracking unit [1], [2] and [3].

Недостатком таких устройств является их высокая стоимость, поскольку при относительно низком КПД прямого фотоэлектрического преобразования (около 15%) для получения на такой установке электрической энергии в количествах, представляющих интерес для потребителя, необходимо использовать фотопреобразователи с чувствительными площадками больших размеров, а удельная стоимость таких преобразователей сравнительно высока. The disadvantage of such devices is their high cost, since with a relatively low direct photoelectric conversion efficiency (about 15%), to obtain electric energy in such an installation in quantities that are of interest to the consumer, it is necessary to use photoconverters with sensitive areas of large sizes, and the unit cost of such converters relatively high.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению, выбранным авторами за прототип, является гелиоэнергетический модуль, состоящий из фотоэлектрического преобразователя, плоских зеркал и несущей конструкции [5]. The closest in technical essence to the present invention, selected by the authors for the prototype, is a solar energy module consisting of a photoelectric converter, flat mirrors and a supporting structure [5].

В этом модуле на фоточувствительную поверхность преобразователя попадает не только прямое солнечное излучение, но и излучение, отраженное от плоских зеркал, установленных под углом к фоточувствительной поверхности этого преобразователя. Очевидно, что при сохранении выходной электрической мощности установки размеры фоточувствительной поверхности преобразователя в этом случае уменьшаются и соответственно уменьшается и стоимость модуля. In this module, not only direct sunlight, but also radiation reflected from flat mirrors mounted at an angle to the photosensitive surface of this converter gets onto the photosensitive surface of the converter. Obviously, while maintaining the output electric power of the installation, the dimensions of the photosensitive surface of the converter in this case are reduced and, accordingly, the cost of the module is reduced.

Недостатком такого гелиоэнергетического модуля является относительно низкая концентрация солнечного излучения на фоточувствительной поверхности преобразователя. The disadvantage of such a solar energy module is the relatively low concentration of solar radiation on the photosensitive surface of the converter.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в увеличении коэффициента концентрации отраженного солнечного излучения на фоточувствительной поверхности преобразователя. Using the present invention, a technical result is achieved, consisting in increasing the concentration coefficient of reflected solar radiation on the photosensitive surface of the transducer.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в предлагаемый гелиоэнергетический модуль, состоящий из протяженного фотоэлектрического преобразователя, плоских зеркальных фацет и несущей конструкции, введены фиксирующие элементы с посадочными местами для крепления набора плоских зеркальных фацет, установленные на несущей конструкции, посадочные места которых выполнены по прямолинейной образующей опорного параболического цилиндра и представляют собой грани, нанесенные по этому опорному параболическому цилиндру параллельно его оси, причем каждая грань в сечении, перпендикулярном оси опорного параболического цилиндра, является хордой образующей параболы этого цилиндра, а середины всех хорд образуют геометрическое место точек, являющееся направляющей параболой внутреннего параболического цилиндра, параллельного опорному и смещенному вдоль оси направляющей параболы этого опорного цилиндра в направлении ее фокуса, при этом ось протяженного фотоэлектрического преобразователя расположена в фокусе внутреннего параболического цилиндра. In accordance with the invention, the technical result is achieved by the fact that in the proposed solar energy module, consisting of an extended photovoltaic converter, flat mirror facets and a supporting structure, fixing elements with seats for fixing a set of flat mirror facets mounted on a supporting structure are introduced, the seats of which are made along the rectilinear generatrix of the support parabolic cylinder and are faces applied along this support pair bolic cylinder parallel to its axis, each face in the section perpendicular to the axis of the supporting parabolic cylinder, is the chord of the parabolic generatrix of this cylinder, and the midpoints of all chords form the geometrical place of the points, which is the guiding parabola of the inner parabolic cylinder parallel to the supporting and offset along the axis of the guiding parabola of this the reference cylinder in the direction of its focus, while the axis of the extended photoelectric transducer is located in the focus of the internal parabolic th cylinder.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый гелиоэнергетический модуль; на фиг. 2 приведена схема, поясняющая принцип союстировки набора плоских зеркальных фацет с фотоэлектрическим преобразователем. In FIG. 1 schematically depicts the proposed solar energy module; in FIG. 2 is a diagram explaining the principle of alignment of a set of flat mirror facets with a photoelectric converter.

Гелиоэнергетический модуль состоит из несущей конструкции 1, на которой установлены фиксирующие элементы 2 с посадочными местами для крепления набора плоских зеркальных фацет 3, образующих параболический цилиндр, в фокусе которого расположен протяженный фотоэлектрический преобразователь 4. The solar energy module consists of a supporting structure 1, on which fixing elements 2 are installed with seats for mounting a set of flat mirror facets 3 forming a parabolic cylinder, in the focus of which is an extended photoelectric converter 4.

Предложенный гелиоэнергетический модуль работает следующим образом. The proposed solar energy module works as follows.

По сигналу рассогласования блок наведения (на фиг. 1 не показан) производит ориентацию гелиоэнергетического модуля на Солнце по углу места. According to the mismatch signal, the guidance unit (not shown in Fig. 1) orientates the solar energy module on the Sun in elevation.

Известно, что для того чтобы солнечное излучение, отраженное от зеркальной поверхности, попадало на фоточувствительную поверхность фотоэлектрического преобразователя, эта поверхность должна иметь форму параболы, а фотоэлемент должен находиться в ее фокусе. То есть при протяженном фотоэлектрическом преобразователе отражательная поверхность должна иметь форму параболического цилиндра, а фотоэлектрический преобразователь должен быть расположен вдоль оси этого параболического цилиндра. It is known that in order for solar radiation reflected from the mirror surface to fall on the photosensitive surface of the photoelectric converter, this surface must have the shape of a parabola, and the photocell must be in its focus. That is, with an extended photoelectric converter, the reflective surface should be in the shape of a parabolic cylinder, and the photoelectric converter should be located along the axis of this parabolic cylinder.

В предлагаемом гелиоэнергетическом модуле посадочные места для установки плоских зеркальных фацет 3 расположены по хордам направляющей параболы. Фрагмент направляющей параболы АА с установленными на ней двумя плоскими зеркальными фацетами I и II изображен на фиг. 2. In the proposed solar energy module, the seats for installing flat mirror facets 3 are located along the chords of the guide parabola. A fragment of the guide parabola AA with two flat mirror facets I and II mounted on it is shown in FIG. 2.

На этом фрагменте C₁C₁ и С₂С₂ представляют собой хорды направляющей параболы АА и являются посадочными местами для плоских фацет I и II. Принципиальной особенностью этих хорд направляющей параболы является то, что если через середину каждой хорды провести линию, параллельную оси параболы, линии E₁E₁ и Е₂Е₂, то расстояния Δ по этой линии от середины хорды до параболы для всех хорд равны (см. фиг. 2).In this fragment, C ₁ C ₁ and C ₂ C ₂ are the chords of the guiding parabola AA and are seats for flat facets I and II. The fundamental feature of these chords of the guiding parabola is that if a line parallel to the axis of the parabola and lines E ₁ E ₁ and E ₂ E _{2 are} drawn through the middle of each chord, then the distances Δ along this line from the middle of the chord to the parabola are equal for all chords (see Fig. 2).

В предлагаемом модуле каждая из плоских протяженных зеркальных фацет 3 крепится по своим сторонам на двух боковых "граненых" параболических цилиндрах фиксирующих элементов 2, представляющих собой одну стереометрическую фигуру. In the proposed module, each of the flat extended mirror facets 3 is mounted on its sides on two lateral "faceted" parabolic cylinders of the fixing elements 2, which are one stereometric figure.

Посадочные грани, используемые для крепления плоских зеркальных фацет 3, нанесены вдоль поверхностей этих параболических цилиндров таким образом, чтобы при установке каждой из фацет ее центральная точка совмещалась с серединой хорды, лежащей в основании этой грани (см. фиг. 1). The landing faces used to attach the flat mirror facets 3 are plotted along the surfaces of these parabolic cylinders so that when each facet is installed, its center point is aligned with the middle of the chord lying at the base of this face (see Fig. 1).

На основании одного из основных свойств параболы [4], заключающегося в том, что ее диаметр делит пополам хорды, параллельные касательной параболы, проведенной в конце диаметра, легко показать, что середины всех хорд O₁, О₂, . . . лежат на одной новой параболе ВВ (см. фиг. 2), смещенной относительно направляющей параболы вдоль ее оси на величину Δ, а сами эти хорды являются касательными к этой новой параболе.Based on one of the main properties of a parabola [4], which consists in the fact that its diameter bisects the chords parallel to the tangent parabola drawn at the end of the diameter, it is easy to show that the midpoints of all chords are O ₁ , O ₂ ,. . . lie on one new explosive parabola (see Fig. 2), offset from the guide parabola along its axis by Δ, and these chords themselves are tangent to this new parabola.

Следовательно, все плоские зеркальные фацеты 3, установленные на посадочных гранях, расположены по касательной к одной параболе и касаются этой параболы своей центральной осью. Consequently, all flat mirror facets 3 mounted on the landing faces are located tangentially to one parabola and touch this parabola with their central axis.

При этом очевидно, что после завершения ориентации гелиоэнергетического модуля на Солнце центральные оси всех солнечных пучков, отраженных от зеркальных фацет 3, пройдут через фокус смещенного параболического цилиндра. Следовательно, ось протяженного фотоэлектрического преобразователя 4 расположена в фокусе смещенного параболического цилиндра. Moreover, it is obvious that after the orientation of the solar energy module on the Sun is completed, the central axes of all solar beams reflected from the mirror facets 3 will pass through the focus of the displaced parabolic cylinder. Therefore, the axis of the extended photoelectric transducer 4 is located in the focus of the biased parabolic cylinder.

Согласование ширины плоских протяженных зеркальных фацет с шириной протяженного фотоэлектрического преобразователя, а также ориентацию его фоточувствительной поверхности относительно оси параболы следует производить, исходя из простых соотношений линейной геометрической оптики таким образом, чтобы исключить виньетирование наклонных лучей, отраженных от периферийных фацет, установленных по краям параболического цилиндра. Coordination of the width of flat extended mirror facets with the width of an extended photoelectric transducer, as well as the orientation of its photosensitive surface relative to the axis of the parabola, should be based on simple ratios of linear geometric optics in such a way as to exclude the vignetting of oblique rays reflected from peripheral facets installed along the edges of the parabolic cylinder .

В отличие от известного гелиоэнергетического модуля, в котором на фоточувствительную поверхность фотоэлектрического преобразователя поступает отраженное солнечное излучение от двух плоских боковых фацет, в предлагаемом устройстве количество плоских зеркальных фацет ограничивается только соотношением между размером параболического цилиндра и шириной отдельных плоских зеркальных фацет, которая, в свою очередь, согласована с шириной протяженного фотоэлектрического преобразователя. Их количество может достигать 10-15 шт., при этом соответственно увеличивается и коэффициент концентрации солнечного излучения на фоточувствительной поверхности преобразователя. In contrast to the known solar energy module, in which reflected solar radiation from two flat side facets is received on the photosensitive surface of the photoelectric converter, in the proposed device the number of flat mirror faces is limited only by the ratio between the size of the parabolic cylinder and the width of the individual flat mirror facets, which, in turn, , consistent with the width of the extended photoelectric converter. Their number can reach 10-15 pieces, while the concentration coefficient of solar radiation on the photosensitive surface of the converter increases accordingly.

Следует отметить, что увеличение числа плоских зеркальных фацет не усложняет юстировку каждой фацеты относительно фоточувствительной поверхности преобразователя, так как при этом не требуется никакого дополнительного изменения положения плоских зеркальных фацет относительно касательных к параболическому цилиндру. Взаимная юстировка плоских зеркальных фацет и фотоэлектрического преобразователя производится автоматически в процессе сборки и установки фацет на посадочные грани несущих параболических цилиндров, изготовленных, как было описано выше. It should be noted that an increase in the number of planar mirror faces does not complicate the alignment of each facet relative to the photosensitive surface of the transducer, since it does not require any additional change in the position of the flat mirror facets relative to tangents to the parabolic cylinder. Mutual alignment of the flat mirror facets and the photoelectric converter is carried out automatically during assembly and installation of the facets on the landing faces of the bearing parabolic cylinders made as described above.

В настоящее время по материалам заявки изготовлен опытный образец гелиоэнергетического модуля и проводятся его натурные испытания на солнечном полигоне предприятия в поселке Грибаново Моск. области. At present, based on the application materials, a prototype solar power module has been manufactured and its field tests are being conducted at the solar test site of the enterprise in the village of Gribanovo Mosk. area.

Источники информации
1. Пат. США 5647915, МПК Е 04 D 13/18.Sources of information
1. Pat. U.S. 5647915, IPC E 04 D 13/18.

2. Пат. России 2127470, МПК Н 01 L 31/04. 2. Pat. Russia 2127470, IPC Н 01 L 31/04.

3. Пат. России 2127008, МПК Н 01 L 31/05. 3. Pat. Russia 2127008, IPC Н 01 L 31/05.

4. Бронштейн И. Н. , Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: ФМ, 1983. 4. Bronstein I.N., Semendyaev K.A. Math reference. M .: FM, 1983.

5. Пат. России 2133415, МПК F 24 J 2/42, 2/08, Н 02 N 6/00 - прототип. 5. Pat. Russia 2133415, IPC F 24 J 2/42, 2/08, H 02 N 6/00 - prototype.

Claims

A solar energy module consisting of an extended photoelectric converter, flat mirror facets and a supporting structure, characterized in that fixing elements with seats for fixing a set of flat mirror facets mounted on a supporting structure, the seats of which are made along the rectilinear generatrix of the supporting parabolic cylinder, are inserted into it and represent the faces deposited along this supporting parabolic cylinder parallel to its axis, with each face in cross section, p perpendicular to the axis of the supporting parabolic cylinder, is the chord of the parabolic generatrix of this cylinder, and the midpoints of all chords form the geometric locus of the points, which is the guiding parabola of the inner parabolic cylinder parallel to the support and offset along the axis of the parabola of this supporting cylinder in the direction of its focus, while the axis of the extended photoelectric the transducer is located in the focus of the inner parabolic cylinder.