RU2444809C2

RU2444809C2 - Solar photovoltaic module with concentrator

Info

Publication number: RU2444809C2
Application number: RU2010123687/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Майоров (RU); Владимир Александрович Майоров; Дмитрий Семенович Стребков (RU); Дмитрий Семенович Стребков
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2012-03-10
Also published as: RU2010123687A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: solar photovoltaic module with a concentrator has a Fresnel lens with a concentric working profile and placed in the focal plane of a photoelectric detector with a cooling device; the concentrator is composed of a serial set of sectors of the source concentric Fresnel lens, with uniform distribution of concentrated radiation on an annular focal region; the source concentric Fresnel lens consists of two zones with working profiles, one with concentration of beams from the periphery to the centre, and the other from the centre to the periphery; the working profiles alternate at different inclination through an interval Δr, with formation in the focal plane of an annular focal region of width Δr with inner radius r₀ equal to: r₀=n₀*Δr or r₀=0.5(N-1)* Δr for average value of n₀=0.5(N-1), where n₀ is selected from whole numbers n=0…N, which are multiples of Δr; the radius of the source Fresnel lens is equal to a value R=N*Δr, where N is the number of intervals of value Δr; the source lens is cut on the radius into a defined number of sectors and is a flat rectangular Fresnel lens, in which neighbouring sectors are opposite each other with uniform distribution of concentrated radiation on the linear photoelectric detector in the focal plane, and the receiver is in form of a line of assembled high-voltage photoconverters of width d≥Δr, and length L=2πr₀; the receiver is symmetrically mounted on secondary omega-shaped cylindrical parabolic concentrator of width d and length L=2πr₀. Disclosed also is a method of making a solar photovoltaic module with a concentrator by making a Fresnel lens and a photodetector with a cooling system.

EFFECT: high efficiency of conversion and low cost of the generated energy.

2 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к конструкции солнечных фотоэлектрических модулей с фотоэлектрическими приемниками солнечного излучения и концентраторами.The invention relates to solar technology, in particular to the design of solar photovoltaic modules with photovoltaic receivers of solar radiation and concentrators.

Известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде линзы Френеля (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович. Концентраторы солнечного излучения, глава 2 «Концентраторы на основе линз Френеля», стр.50-66. Известные солнечные модули имеют линзы Френеля с рабочим профилем, создающим в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы кремниевыми планарными ФЭП.Famous solar modules with photoelectric converters (PECs) and solar radiation concentrators in the form of a Fresnel lens (D. S. Strebkov, E. V. Tveryanovich. Concentrators of solar radiation, chapter 2 "Concentrators based on Fresnel lenses", p. 50-66. Known solar modules have Fresnel lenses with a working profile that creates high concentrations in the focal plane in the plane of the photoelectric converter, reaching 2,000 times or more, which cannot be used by silicon planar solar cells.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из линзы Френеля и фотоэлектрического приемника, выполненного из последовательно соединенных секторов круглого планарного ФЭП и расположенного на фокусном расстоянии с соответствующей продольной дефокусировкой фокального пятна (Тверьянович Э.В., Красина Е.А., Жуков К.В., Мусихин М.В., Невежин О.А. Исследование фотоэлектрических модулей па основе линз Френеля. Сб. Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических энергоустановок. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.33-36).Known solar photovoltaic module (prototype), consisting of a Fresnel lens and a photovoltaic receiver made of series-connected sectors of a circular planar PEC and located at the focal length with the corresponding longitudinal defocusing of the focal spot (Tveryanovich E.V., Krasina EA, Zhukov K .V., Musikhin MV, Nevezhin OA Study of photovoltaic modules based on Fresnel lenses. Sat Solar Concentrators for photovoltaic power plants. L .: Energoatomizdat, 1986, p. 33-36).

Недостатками известного технического решения являются:The disadvantages of the known technical solutions are:

- снижение КПД планарными кремниевыми ФЭП при высоких концентрациях солнечного излучения;- reduction in efficiency of planar silicon solar cells at high concentrations of solar radiation;

- расположение оптического фокуса на оси линзы Френеля и неоднородность распределения освещенности поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП);- the location of the optical focus on the axis of the Fresnel lens and the heterogeneity of the distribution of illumination of the surface of the photodetector limit the configuration and type of applied photoconductors (only circular planar photoconductors can be used);

- низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 В) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле, чтобы набрать напряжение 12 В и выше, приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п. Последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.- low voltages on one planar PEC (~ 0.5 V) lead to the need for sequential switching of a large number of PECs in the solar photovoltaic module in order to gain a voltage of 12 V or higher, acceptable for further use in electric batteries, DC inverters, and so on .P. Serial switching of a large number of photomultipliers reduces the reliability of the system, because failure of one element of the circuit leads to a failure of the entire circuit.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение эффективности солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и создания равномерного освещения линейчатого фотоприемника, получение на фотоприемнике технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии. В результате использования предлагаемого изобретения на поверхности приемника формируется равномерная освещенность концентрированного излучения.The objective of the invention is to increase the efficiency of the solar photovoltaic module at high concentrations and create uniform illumination of a linear photodetector, obtain a technically acceptable voltage (12 V and higher) on the photodetector, increase the conversion efficiency and reduce the cost of generated energy. As a result of using the present invention, uniform illumination of concentrated radiation is formed on the surface of the receiver.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле с концентратором, содержащем линзу Френеля и установленный в фокальной плоскости фотоэлектрический приемник с устройством охлаждения, концентратор составлен из последовательного набора секторов исходной концентрической ЛФ с равномерным распределением концентрированного излучения на кольцеобразной фокальной области; исходная концентрическая линза Френеля состоит из двух зон с рабочими профилями, одна зона с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая зона от центра к периферии; рабочие профили чередуются под разным наклоном через интервал Δr, с образованием в фокальной плоскости кольцеобразной фокальной области шириной Δr с внутренним радиусом r₀, равным r₀=n₀*Δr или r₀=0,5(N-1)*Δr при среднем значении n_o=0,5(N-1), где n_o выбирается из ряда целых чисел n=0…N, кратному Δr, радиус исходной ЛФ равен величине R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr, исходная линза разрезана по радиусу на определенное количество секторов, из которых собрана плоская линза Френеля прямоугольной формы, в которой соседние секторы установлены встречно друг другу с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатом фотоэлектрическом приемнике в фокальной плоскости; приемник выполнен в виде линейки из скоммутированных высоковольтных фотопреобразователей шириной d и длиной, равной значению L=2πr_o, приемник симметрично установлен на вторичном омегообразном параболическом концентраторе шириной d и длиной, равной значению L=2πr_o;The above technical result is achieved by the fact that in a solar photovoltaic module with a concentrator containing a Fresnel lens and a photoelectric receiver mounted in the focal plane with a cooling device, the concentrator is composed of a sequential set of sectors of the initial concentric LF with a uniform distribution of concentrated radiation on the annular focal region; the initial concentric Fresnel lens consists of two zones with working profiles, one zone with a concentration of rays from the periphery to the center, and the other zone from the center to the periphery; work profiles alternate at different slopes through the interval Δr, with the formation in the focal plane of a ring-shaped focal region of width Δr with an inner radius r ₀ equal to r ₀ = n ₀ * Δr or r ₀ = 0.5 (N-1) * Δr with an average the value of n _o = 0.5 (N-1), where n _o is selected from a series of integers n = 0 ... N, a multiple of Δr, the radius of the initial LF is equal to R = N * Δr, where N is the number of intervals of Δr, the original the lens is cut along the radius into a certain number of sectors, from which a rectangular rectangular Fresnel lens is assembled, in which neighboring sectors are set to meet of each other with a uniform distribution of radiation concentrated on the ruled photoelectric receiver in the focal plane; the receiver is made in the form of a line of switched high-voltage photoconverters with a width d and a length equal to the value L = 2πr _o , the receiver is symmetrically mounted on a secondary omega-shaped parabolic concentrator with a width d and a length equal to the value L = 2πr _o ;

В способе изготовления солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором путем изготовления линзы Френеля и фотоприемника с системой охлаждения изготавливают исходную концентрическую линзу Френеля с кольцеобразной фокальной областью с внутренним радиусом r_о и шириной кольца Δr путем создания в линзе Френеля двух зон с рабочими профилями, одна зона с концентрацией лучей, направленных от периферии к центру симметрии линзы, а вторая зона с концентрацией лучей, направленных от центра симметрии к периферии; затем исходную линзу разрезают по радиусам на сектора и собирают из секторов прямоугольную линзу таким образом, чтобы соседние секторы в прямоугольной линзе были установлены встречно друг другу, а кольцеобразное фокальное пятно исходной концентрической линзы преобразуют в прямоугольное фокальное пятно с равномерным распределением концентрированного излучения на поверхности прямоугольного приемника; приемник изготавливают из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей шириной d≥Δr_γ и длиной, равной длине прямоугольного фокального пятна, приемник симметрично устанавливают на вторичном параболоцилиндрическом концентраторе шириной d и длиной, равной значению L=2πr_o;In the method of manufacturing a solar photovoltaic module with a concentrator by manufacturing a Fresnel lens and a photodetector with a cooling system, an initial concentric Fresnel lens with an annular focal region with an inner radius r _about and a ring width Δr is made by creating two zones with working profiles in the Fresnel lens, one zone with concentration rays directed from the periphery to the center of symmetry of the lens, and a second zone with a concentration of rays directed from the center of symmetry to the periphery; then the source lens is cut into radii into sectors and a rectangular lens is assembled from the sectors so that adjacent sectors in the rectangular lens are mounted opposite each other, and the annular focal spot of the original concentric lens is converted into a rectangular focal spot with a uniform distribution of concentrated radiation on the surface of the rectangular receiver ; the receiver is made of commutated high-voltage photoelectric converters with a width of d≥Δr _γ and a length equal to the length of a rectangular focal spot, the receiver is mounted symmetrically on a secondary parabolic cylindrical hub with a width of d and a length equal to L = 2πr _o ;

В солнечном фотоэлектрическом модуле с концентратором, содержащим линзу Френеля, и установленный в фокальной плоскости фотоэлектрический приемник с устройством охлаждения концентратор составлен из последовательного набора секторов исходной концентрической ЛФ с равномерным распределением концентрированного излучения на кольцеобразной фокальной области; исходная концентрическая линза Френеля состоит из двух зон с рабочими профилями, одна зона с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая зона от центра к периферии; рабочие профили чередуются под разным наклоном через интервал Δr с образованием в фокальной плоскости кольцеобразной фокальной области шириной Δr с внутренним радиусом r₀, равным: r₀=n₀*Δr или r₀=0,5(N-1)*Δr при среднем значении n_o=0,5(N-1), где n_o выбирается из ряда целых чисел n=0…N, кратному Δr, радиус исходной ЛФ равен величине R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr, исходная линза разрезана по радиусу на определенное количество секторов и представляет собой плоскую линзу Френеля прямоугольной формы, в которой соседние секторы в прямоугольной линзе были установлены встречно друг другу с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатом фотоэлектрическом приемнике в фокальной плоскости; приемник выполнен в виде линейки из скоммутированных высоковольтных фотопреобразователей шириной Δr и длиной, равной значению L=2πr_o, приемник, симметрично установленный на вторичном омегообразном параболоцилиндрическом концентраторе шириной d и длиной, равной значению L=2πr_o;In a solar photovoltaic module with a concentrator containing a Fresnel lens, and a focal plane photoelectric receiver with a cooling device, the concentrator is composed of a sequential set of sectors of the initial concentric LF with a uniform distribution of concentrated radiation on the annular focal region; the initial concentric Fresnel lens consists of two zones with working profiles, one zone with a concentration of rays from the periphery to the center, and the other zone from the center to the periphery; work profiles alternate at different slopes over the interval Δr with the formation in the focal plane of an annular focal region of width Δr with an internal radius r ₀ equal to: r ₀ = n ₀ * Δr or r ₀ = 0.5 (N-1) * Δr with an average the value of n _o = 0.5 (N-1), where n _o is selected from a series of integers n = 0 ... N, a multiple of Δr, the radius of the initial LF is equal to R = N * Δr, where N is the number of intervals of Δr, the original the lens is cut radially into a certain number of sectors and is a rectangular rectangular Fresnel lens in which neighboring sectors are in a rectangular Nze installed opposite to each other with a uniform distribution of radiation concentrated on the ruled photoelectric receiver in the focal plane; the receiver is made in the form of a line of switched high-voltage photoconverters with a width Δr and a length equal to the value L = 2πr _o , a receiver symmetrically mounted on a secondary omega-shaped parabolic cylindrical hub with a width d and a length equal to the value L = 2πr _o ;

В способе изготовления солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором путем изготовления линзы Френеля и фотоприемника с системой охлаждения изготавливают исходную концентрическую линзу Френеля с кольцеобразной фокальной областью с внутренним радиусом r_o и шириной кольца Δr путем создания в линзе Френеля двух зон с рабочими профилями, одна зона с концентрацией лучей, направленных от периферии к центру симметрии линзы, а вторая зона с концентрацией лучей, направленных от центра симметрии к периферии; затем исходную линзу разрезают по радиусам на сектора и собирают из секторов прямоугольную линзу таким образом, чтобы соседние секторы в прямоугольной линзе были установлены встречно друг другу, а кольцеобразное фокальное пятно исходной концентрической линзы преобразуют в прямоугольное фокальное пятно с равномерным распределением концентрированного излучения на поверхности прямоугольного приемника; приемник изготавливают из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей шириной d≥Δr_γ и длиной, равной длине прямоугольного фокального пятна, приемник симметрично устанавливают на вторичном параболоцилиндрическом концентраторе шириной d и длиной, равной значению L=2πr_o.In the method of manufacturing a solar photovoltaic module with a concentrator by manufacturing a Fresnel lens and a photodetector with a cooling system, an initial concentric Fresnel lens with an annular focal region with an inner radius r _o and a ring width Δr is made by creating two zones with working profiles in the Fresnel lens, one zone with concentration rays directed from the periphery to the center of symmetry of the lens, and a second zone with a concentration of rays directed from the center of symmetry to the periphery; then the source lens is cut into radii into sectors and a rectangular lens is assembled from the sectors so that adjacent sectors in the rectangular lens are mounted opposite each other, and the annular focal spot of the original concentric lens is converted into a rectangular focal spot with a uniform distribution of concentrated radiation on the surface of the rectangular receiver ; the receiver is made of commutated high-voltage photoelectric converters with a width of d≥Δr _γ and a length equal to the length of a rectangular focal spot, the receiver is symmetrically mounted on a secondary parabolic-cylindrical hub with a width of d and a length equal to L = 2πr _o .

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.The invention is illustrated in figures 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.

На фиг.1 представлена схема конструкции фотоэлектрического модуля с прямоугольной линзой Френеля с равномерным распределением концентрированного излучения на прямоугольном приемнике.Figure 1 presents a design diagram of a photovoltaic module with a rectangular Fresnel lens with a uniform distribution of concentrated radiation on a rectangular receiver.

На фиг.2 представлена схема конструкции фотоэлектрического модуля с прямоугольной линзой Френеля с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатом приемнике, симметрично установленным на вторичном омегообразном параболоцилиндрическом концентраторе.Figure 2 presents the design diagram of a photovoltaic module with a rectangular Fresnel lens with a uniform distribution of concentrated radiation on a line receiver, symmetrically mounted on a secondary omega-shaped parabolic cylinder concentrator.

На фиг.3 представлена исходная концентрическая линза Френеля, разрезанная по радиусу на определенное количество идентичных частей.Figure 3 presents the original concentric Fresnel lens, cut along the radius into a certain number of identical parts.

На фиг.4 показан ход лучей от линзы Френеля до приемника.Figure 4 shows the path of the rays from the Fresnel lens to the receiver.

На фиг.5 показан ход лучей в линзе Френеля с учетом параметрического угла γ.Figure 5 shows the path of the rays in the Fresnel lens, taking into account the parametric angle γ.

На фиг.6 представлены величины смещения полосы освещенности приемника Δ_N в зависимости от изменения параметрического угла y.Figure 6 presents the magnitude of the shift of the illumination band of the receiver Δ _N depending on the change in the parametric angle y.

На фиг.7 представлены величины смещения полосы освещенности приемника Δ_N и Δ, в зависимости от изменения ширины полосы освещенности Δr на поверхности приемника излучения.7 shows the magnitude of the shift of the illumination bandwidth of the receiver Δ _N and Δ, depending on the change in the bandwidth of the illumination bandwidth Δr on the surface of the radiation receiver.

На фиг.8 показано распределение освещенности по ширине освещаемой поверхности приемника излучения при параметрическом угле y=1°.On Fig shows the distribution of illumination over the width of the illuminated surface of the radiation receiver at a parametric angle y = 1 °.

На фиг.1 представлен фотоэлектрический модуль, содержащий прямоугольную линзу Френеля 1, составленную из последовательного набора секторов 2 исходной концентрической ЛФ 3 с равномерным распределением концентрированного излучения в фокальном пятне 4 и линейчатый фотоэлектрический приемник 5 из высоковольтных фотопреобразователей в фокальной плоскости 6 с устройством охлаждения 7;Figure 1 shows a photovoltaic module containing a rectangular Fresnel lens 1 composed of a sequential set of sectors 2 of the initial concentric LF 3 with a uniform distribution of concentrated radiation in the focal spot 4 and a line photoelectric detector 5 of high-voltage photoconverters in the focal plane 6 with a cooling device 7;

Линейчатый фотоэлектрический приемник состоит из высоковольтных фотопреобразователей в фокальной плоскости и симметрично установлен на вторичном омегообразном параболоцилиндрическом концентраторе 8;The linear photoelectric receiver consists of high-voltage photoconverters in the focal plane and is symmetrically mounted on a secondary omega-shaped parabolic-cylindrical hub 8;

Исходная концентрическая линза Френеля 3 состоит из двух зон с рабочими профилями, одна зона 9 с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая зона 10 - от центра симметрии 11 к периферии; солнечное излучение, проходящее сквозь ЛФ, преломляется на рабочих поверхностях, чередующихся под разными углами наклона через интервал Δr, складываясь в фокальной плоскости в кольцеобразное концентрированное световое пятно 4 шириной Δr с внутренним радиусом r₀, равным r₀=n₀*Δr или r₀=0,5(N-1)*Δr при среднем значении параметра n_o=0,5(N-1), где n_o выбирается из ряда целых чисел n=0…N, кратному Δr, радиус исходной линзы Френеля (ЛФ) равен величине R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr.The initial concentric Fresnel lens 3 consists of two zones with working profiles, one zone 9 with a concentration of rays from the periphery to the center, and the other zone 10 - from the center of symmetry 11 to the periphery; the solar radiation passing through the LF is refracted on the working surfaces alternating at different tilt angles through the interval Δr, folding in the focal plane into a ring-shaped concentrated light spot 4 of width Δr with an internal radius r ₀ equal to r ₀ = n ₀ * Δr or r ₀ = 0.5 (N-1) * Δr with an average value of the parameter n _o = 0.5 (N-1), where n _o is selected from a series of integers n = 0 ... N, a multiple of Δr, the radius of the original Fresnel lens (LF ) is equal to R = N * Δr, where N is the number of intervals of Δr.

Основные расчетные соотношения хода лучей от линзы Френеля 3 до приемника с учетом параметрического угла γ:The main calculated ratios of the ray path from the Fresnel lens 3 to the receiver, taking into account the parametric angle γ:

где β_n - угол между лучом, перпендикулярным наружной плоскости ЛФ, и преломленным лучом, попадающим на приемник, расположенным на радиусе Rno; j_1n - угол между лучом, перпендикулярным наружной плоскости ЛФ, и лучом, перпендикулярным к рабочей плоскости, расположенным на радиусе Rn; j_2n - угол между лучом, перпендикулярным к рабочей плоскости линзы Френеля, и преломленным лучом, попадающим на приемник, расположенным на радиусе Rno=r₀.where β _n is the angle between the beam perpendicular to the outer plane of the LF and the refracted beam incident on the receiver located at a radius Rno; j _1n is the angle between the beam perpendicular to the outer plane of the LF and the beam perpendicular to the working plane located on the radius Rn; j _2n is the angle between the beam perpendicular to the working plane of the Fresnel lens and the refracted beam incident on the receiver located at a radius Rno = r ₀ .

где β_y - угол между лучом, перпендикулярным наружной плоскости ЛФ, и преломленным лучом, попадающим на приемник; j_y2 - угол между преломленным рабочей плоскостью ЛФ лучом, попадающим на приемник, и прямой, перпендикулярной к рабочей плоскости, расположенным на радиусе Rn;where β _y is the angle between the beam perpendicular to the outer plane of the LF and the refracted beam incident on the receiver; j _y2 is the angle between the refracted working plane of the LF beam incident on the receiver and a straight line perpendicular to the working plane located on the radius Rn;

где j₁ - угол между лучом, преломленным наружной плоскостью ЛФ, и прямой, перпендикулярной к наружной плоскости; j_y1 - угол между лучем, преломленным наружной плоскостью ЛФ, и прямой, перпендикулярной к рабочей плоскости, расположенным на радиусе Rn;where j ₁ is the angle between the beam refracted by the outer plane of the LF and the straight line perpendicular to the outer plane; j _y1 is the angle between the beam refracted by the outer plane of the LF and the straight line perpendicular to the working plane located on the radius Rn;

где γ - параметрический угол (угол отклонения от нормального падения солнечного излучения на наружную поверхность ЛФ, при котором не изменяются энергетические параметры модуля).where γ is the parametric angle (the angle of deviation from the normal incidence of solar radiation on the outer surface of the LF, at which the energy parameters of the module do not change).

где n_γ0 - смещенный параметр величины относительно n_o=0,5(N-1).where n _γ0 is the displaced parameter of magnitude relative to n _o = 0.5 (N-1).

Величина смещения n-ой составляющей светового пятна Δ_n равна:The displacement of the n-th component of the light spot Δ _n is equal to:

Величина смещения ширины n-ой составляющей светового пятна δ_n равна:The magnitude of the shift in the width of the n-th component of the light spot δ _n is equal to:

Величина ширины светового пятна Δr_γ равна:The magnitude of the width of the light spot Δr _γ is equal to:

Величина ширины светового пятна с максимальным значением концентрации светового пятна Δr_к равна:The magnitude of the width of the light spot with a maximum value of the concentration of the light spot Δr _k is equal to:

Ширина приемника d должна соответствовать значению d≥Δr_γ.The receiver width d must correspond to the value d≥Δr _γ .

Максимальная величина смещения светового пятна Δ равна:The maximum value of the shift of the light spot Δ is equal to:

Концентрация освещенности на приемнике Kn от каждой рабочей плоскости ЛФ равна:The illumination concentration at the receiver Kn from each working plane of the LF is:

Концентрация освещенности на приемнике K_yn от каждой рабочей плоскости ЛФ с учетом взаимных перекрытий равна:The concentration of illumination at the receiver K _yn from each working plane of the LF taking into account the mutual overlap is equal to:

Распределение концентрации освещенности K_δ в интервалах значений величин смещения ширины n-ой, составляющей светового пятна δ_n, равно:The distribution of the concentration of illumination K _δ in the intervals of the values of the shift of the width of the n-th component of the light spot δ _n is:

Распределение концентрации освещенности K по радиусу приемника рассчитывается с учетом величины ширины светового пятна Δr_k с максимальным значением концентрации светового пятна.The distribution of the illumination concentration K along the radius of the receiver is calculated taking into account the magnitude of the width of the light spot Δr _k with the maximum value of the concentration of the light spot.

На основании приведенных формул произведен расчет зависимости геометрической концентрации модуля от ширины (площади) светового пятна (фиг.4).Based on the above formulas, the dependence of the geometric concentration of the module on the width (area) of the light spot is calculated (Fig. 4).

При уменьшении внутреннего радиуса светового пятна r₀ от R до 0 (при постоянном значении Δr), т.е. при уменьшении площади светового пятна происходит увеличение геометрической концентрации модуля Kn_o.With a decrease in the inner radius of the light spot r ₀ from R to 0 (at a constant value of Δr), i.e. as the light spot area decreases, the geometric concentration of the Kn _o module increases.

Таким образом, можно изменять геометрическую концентрацию модуля, не меняя габаритных размеров линзы Френеля и выбранный тип приемника.Thus, it is possible to change the geometric concentration of the module without changing the overall dimensions of the Fresnel lens and the selected type of receiver.

На фиг.5 приведены зависимости распределения концентрации освещенности по ширине светового пятна, имеющего различные величины Δr. Из приведенных характеристик видно, что концентрация освещенности по ширине светового пятна на приемнике не изменяется. При уменьшении ширины радиуса Δr (уменьшении площади приемника) происходит увеличение геометрического теоретического коэффициента концентрации модуля.Figure 5 shows the dependence of the distribution of the concentration of illumination along the width of the light spot having different values of Δr. From the above characteristics it is seen that the concentration of illumination along the width of the light spot at the receiver does not change. With a decrease in the width of the radius Δr (decrease in the area of the receiver), the geometric theoretical coefficient of concentration of the module increases.

Таким образом, можно задавать геометрическую концентрацию модуля, не изменяя габаритных размеров линзы Френеля 3.Thus, it is possible to set the geometric concentration of the module without changing the overall dimensions of the Fresnel lens 3.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором. Исходная концентрическая линза Френеля 3 радиусом R=15 см выполнена из пластмассы с коэффициентом преломления n₁₂=1,5; рабочий профиль линзы состоит из чередующихся концентрических призм шириной Δr=1 см с углами наклона, обеспечивающих концентрацию лучей в фокальной плоскости 6 в кольцеобразное концентрированное световое пятно 4 шириной Δr=1 см с внутренним радиусом r₀=7 см.An example of a solar module with a hub. The initial concentric Fresnel lens 3 of radius R = 15 cm is made of plastic with a refractive index of n ₁₂ = 1.5; the working profile of the lens consists of alternating concentric prisms with a width of Δr = 1 cm with tilt angles that ensure the concentration of rays in the focal plane 6 into a ring-shaped concentrated light spot 4 with a width of Δr = 1 cm with an internal radius of r ₀ = 7 cm.

Прямоугольный концентратор 1 составлен из последовательного набора секторов 2 исходной концентрической ЛФ 3, разрезанной по радиусу на 30 идентичных частей, обеспечивающей равномерное распределение концентрированного солнечного излучения в кольцеобразном световом пятне 10 шириной Δr с внутренним радиусом r₀ в фокальной плоскости 6. Линейчатый фотоэлектрический приемник 5 состоит из высоковольтных фотопреобразователей (ФЭП) шириной Δr=1 см, закрепленных на устройстве охлаждения 7 на расстоянии H=28,6 см. Концентрация освещенности на поверхности фотоэлектрического приемника 5 равна 15 крат. Ширина прямоугольного концентратора 1 равна 15 см, длина - 47 см, ширина приемника 5 равна 2 см, длина - 47 см, высота модуля - 30 см. Вторичный отражающий ω-образный цилиндрический концентратор 8, поперечное сечение которого выполнено по окружности с радиусом 2 см, с воспринимающей излучение плоскостью, в центре которой расположен фотоприемник 5 с двусторонней рабочей поверхностью.Rectangular concentrator 1 is composed of a sequential set of sectors 2 of the initial concentric LF 3, cut along a radius into 30 identical parts, providing a uniform distribution of concentrated solar radiation in an annular light spot 10 of width Δr with an internal radius r ₀ in the focal plane 6. The line photoelectric detector 5 consists of from high-voltage photoconverters (PEC) with a width Δr = 1 cm, mounted on the cooling device 7 at a distance of H = 28.6 cm. The concentration of illumination on the surface ti photoelectric detector 5 is equal to 15 times. The width of the rectangular concentrator 1 is 15 cm, the length is 47 cm, the width of the receiver 5 is 2 cm, the length is 47 cm, the height of the module is 30 cm. The secondary reflecting ω-shaped cylindrical concentrator 8, the cross section of which is made in a circle with a radius of 2 cm , with a plane receiving radiation, in the center of which there is a photodetector 5 with a two-sided working surface.

Таким образом, предложенный фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с прямоугольной линзой Френеля 1 обеспечивает равномерное распределение освещенности на линейчатом фотоэлектрическом приемнике 5 из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных ФЭП, тем самым повышая напряжение модуля и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.Thus, the proposed photovoltaic module of solar concentrated radiation with a rectangular Fresnel lens 1 provides a uniform distribution of illumination on a line photoelectric receiver 5 from series-parallel connected high-voltage photovoltaic cells, thereby increasing the voltage of the module and the efficiency of converting solar energy into electrical energy.

Работает солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.A solar photovoltaic module with a hub operates as follows.

Солнечное излучение, попадая на поверхность прямоугольной линзы Френеля 1, составленной из последовательного набора секторов 2 исходной концентрической ЛФ 3, преломляется на ее рабочих профилях, изготовленных с интервалами Δr и углами наклона j_1n и ориентированных в своих зонах таким образом, чтобы одна зона 9 обеспечивала концентрацию лучей в фокальной плоскости от периферии к центру, а другая зона 10 - от центра симметрии 11 исходной линзы 3 к периферии под углами βn.Solar radiation falling on the surface of a rectangular Fresnel lens 1 composed of a sequential set of sectors 2 of the initial concentric LF 3 is refracted on its working profiles made with intervals Δr and tilt angles j _1n and oriented in their zones so that one zone 9 provides the concentration of rays in the focal plane from the periphery to the center, and the other zone 10 from the center of symmetry 11 of the original lens 3 to the periphery at angles βn.

Таким образом, на поверхности линейчатого высоковольтного фотоэлектрического преобразователя 5 шириной Δr и длиной, равной длине прямоугольного концентратора сформирована равномерная освещенность концентрированного излучения.Thus, on the surface of the linear high-voltage photovoltaic converter 5 of width Δr and a length equal to the length of the rectangular concentrator, uniform illumination of concentrated radiation is formed.

При отклонении нормально падающего солнечного излучения на поверхность прямоугольной линзы Френеля 1 в пределах параметрического угла γ преломленные лучи, отражаясь от внутренней поверхности ω-образного концентратора 8, приходят на тыльную сторону фотоприемника не уменьшая, тем самым, общей освещенности концентрированного излучения на фотоприемнике.When the normally incident solar radiation deviates to the surface of a rectangular Fresnel lens 1 within the parametric angle γ, the refracted rays, reflected from the inner surface of the ω-shaped concentrator 8, come to the back of the photodetector without thereby reducing the overall illumination of the concentrated radiation on the photodetector.

Claims

1. A solar photovoltaic module with a concentrator, comprising a Fresnel lens with a concentric working profile and a focal plane mounted photoelectric receiver with a cooling device, characterized in that the concentrator is composed of a sequential set of sectors of the initial concentric LF with a uniform distribution of concentrated radiation on the annular focal region; the initial concentric Fresnel lens consists of two zones with working profiles, one zone with a concentration of rays from the periphery to the center, and the other zone from the center to the periphery; work profiles alternate at different slopes through the interval Δr with the formation in the focal plane of an annular focal region of width Δr with an internal radius r ₀ equal to r ₀ = n ₀ · Δr or r ₀ = 0.5 (N-1) · Δr with an average value n ₀ = 0.5 (N-1), where n ₀ is selected from a series of integers n = 0 ... N, a multiple of Δr, the radius of the initial LF is equal to R = N · Δr, where N is the number of intervals of Δr, the original lens cut along the radius by a certain number of sectors, from which a flat rectangular Fresnel lens is assembled, in which neighboring sectors are installed opposite to each other with a uniform distribution of radiation concentrated on the ruled photoelectric receiver in the focal plane, while the receiver is in the form of switched line of high photovoltaic d≥Δr _γ width and length equal to the value L = 2πr _0; the receiver is symmetrically mounted on a secondary omega-shaped parabolic-cylindrical hub with a width d and a length equal to the value L = 2πr ₀ .

2. A method of manufacturing a solar photovoltaic module with a concentrator by manufacturing a Fresnel lens and a photodetector with a cooling system, characterized in that the original Fresnel concentric lens with an annular focal region with an inner radius r ₀ and a ring width Δr is made by creating two zones with working lenses in the Fresnel lens profiles, one zone with a concentration of rays directed from the periphery to the center of symmetry of the lens, and a second zone with a concentration of rays directed from the center of symmetry to the periphery; then the source lens is cut into radii into sectors and a rectangular lens is assembled from the sectors so that neighboring sectors in the rectangular lens are mounted opposite each other, and the annular focal spot of the original concentric lens is converted into a rectangular focal spot with a uniform distribution of concentrated radiation on the surface of the rectangular receiver ; the receiver is made of commutated high-voltage photoelectric converters with a width of d≥Δr _γ and a length equal to the length of a rectangular focal spot, symmetrically mounted on a secondary parabolic-cylindrical hub with a width of d and a length equal to L = 2πr ₀ .