RU2572167C1

RU2572167C1 - Solar module with concentrator (versions)

Info

Publication number: RU2572167C1
Application number: RU2014121269/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Семенович Стребков; Анатолий Иванович Кирсанов; Анатолий Евгеньевич Иродионов; Владимир Анатольевич Панченко
Original assignee: Дмитрий Семенович Стребков; Анатолий Иванович Кирсанов
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-12-27
Also published as: RU2014121269A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: solar module has on a working surface a protective coating, a semiparabolic-cylindrical mirror reflector with a parametric angle δ with beam entrance and exit surfaces and a radiation detector in the form of a strip. The protective coating is in the form of a deflecting optical system consisting of a set of prisms with an acute angle Ψ between the beam entrance and exit surfaces. The photodetector is mounted in the focal plane between the focal axis and the vertex of the semiparabolic-cylindrical mirror reflector. The beam entrance surface of the deflecting optical system is parallel to the beam entrance surface of the semiparabolic-cylindrical mirror reflector or is inclined thereto at an angle Ψ. The beam entrance angle β₀or the angle between the beam entrance direction and the beam entrance surface of the mirror reflector

β_{0}^{/},

as well as the acute angle Ψ and the refraction index n of the material of the deflecting optical system are linked to the parametric angle δ of the reflector by corresponding relationships given in the claim.

EFFECT: high efficiency of using solar energy and low cost of producing electrical energy and heat.

4 cl, 3 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным модулям с концентраторами для получения электрической и тепловой энергии.The invention relates to solar technology, in particular to solar modules with concentrators for generating electrical and thermal energy.

Известен солнечный модуль с концентратором, выполненным в виде прозрачной фокусирующей призмы с треугольным поперечным сечением и устройства отражения проходящего через фокусирующую призму излучения, расположенного с зазором относительно фокусирующей призмы со стороны грани переотражения излучения. Устройство отражения выполнено в виде одной призмы или набора призм (авт.свид. СССР №1089365, БИ 1984, №16).A known solar module with a concentrator made in the form of a transparent focusing prism with a triangular cross section and a device for reflecting radiation passing through the focusing prism, located with a gap relative to the focusing prism from the side of the radiation re-reflection face. The reflection device is made in the form of a single prism or a set of prisms (ed. Certificate. USSR No. 1089365, BI 1984, No. 16).

Недостатком солнечного модуля с концентратором является большая масса призменного концентратора и высокая стоимость изготовления фокусирующей призмы и призмы устройства отражения.The disadvantage of a solar module with a concentrator is the large mass of the prism concentrator and the high cost of manufacturing a focusing prism and a prism of a reflection device.

Известен солнечный модуль с концентратором в виде прозрачной фокусирующей призмы и устройством отражения в виде плоского зеркального отражателя (патент РФ №2154778, БИ 2000, №23).A known solar module with a concentrator in the form of a transparent focusing prism and a reflection device in the form of a flat mirror reflector (RF patent No. 2154778, BI 2000, No. 23).

Известный солнечный модуль с концентратором имеет малую массу и низкую стоимость. Недостатком известного солнечного модуля с концентратором является невысокий коэффициент концентрации и низкий оптический КПД из-за потерь излучения в устройстве отражения модуля.Known solar module with a hub has a low weight and low cost. A disadvantage of the known solar module with a concentrator is a low concentration coefficient and low optical efficiency due to radiation losses in the reflection device of the module.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкий коэффициент концентрации и высокая стоимость модуля, практически равная стоимости фотоэлектрического модуля без концентратора.A disadvantage of the known photovoltaic module is the low concentration coefficient and the high cost of the module, almost equal to the cost of the photovoltaic module without a hub.

Известен солнечный модуль с концентратором солнечной энергии, содержащий плоское защитное прозрачное ограждение, нормаль к поверхности которого находится в меридиональной плоскости, и установленный на защитном прозрачном ограждении в фокусе линейно-фокусирующего цилиндрического концентратора приемник излучения в виде полосы, концентратор выполнен в виде несимметричного отражателя, состоящего из двух разновеликих частей, разделенных плоскостью симметрии, проходящей через вершину и фокальную ось отражателя, причем большая часть отражателя выполнена в виде половины параболоцилиндрического (в дальнейшем - полупараболоцилиндрического) отражателя, а меньшая часть - в виде кругового цилиндрического отражателя с радиусом, равным расстоянию от фокальной оси до вершины полупараболоцилиндрического отражателя, фокальная ось смещена к одной из сторон защитного ограждения, параллельно его основанию, и совпадает с краем полосы приемника излучения.A known solar module with a solar energy concentrator containing a flat protective transparent fence, the normal to the surface of which is in the meridional plane, and a radiation receiver mounted in the form of a strip in the focus of a linearly focusing cylindrical concentrator, the concentrator is made in the form of an asymmetric reflector, consisting of two different parts, separated by a plane of symmetry passing through the apex and the focal axis of the reflector, most of which The holder is made in the form of a half parabolic-cylindrical (hereinafter - semi-parabolic) reflector, and the smaller part is in the form of a circular cylindrical reflector with a radius equal to the distance from the focal axis to the top of the semi-parabolic cylindrical reflector, the focal axis is shifted to one side of the protective fence, parallel to its base, and coincides with the edge of the strip of the radiation receiver.

Для обеспечения непрерывной работы солнечного модуля в течение года без слежения с наружной стороны защитного прозрачного ограждения установлено с зазором параллельно ему дополнительное защитное прозрачное ограждение, в зазоре между двумя ограждениями установлены управляемые дистанционно горизонтальные жалюзи с фацетами, которые имеют с двух сторон зеркальное покрытие, а ширина фацет в 3-4 раза превышает расстояние между фацетами (прототип). (Патент РФ №2172903 от 07.04.2000, БИ 2000, №24). Недостатком известного модуля является необходимость периодического изменения угла наклона жалюзи при изменении положения солнца.To ensure continuous operation of the solar module during the year without tracking, the outer side of the protective transparent fence has an additional transparent transparent fence installed with a gap parallel to it, remotely controlled horizontal blinds with facets that have a mirror coating on both sides and are installed in the gap between the two fences facet 3-4 times the distance between the facets (prototype). (RF patent No. 2172903 dated 04/07/2000, BI 2000, No. 24). A disadvantage of the known module is the need for periodic changes in the angle of inclination of the blinds when changing the position of the sun.

Другим недостатком известного модуля являются большие косинусные потери излучения, равные 1-cos (90°-2δ), где δ - параметрический угол концентратора, связанные с отклонением плоскости симметрии полупараболоцилиндрического отражателя от нормали к рабочей поверхности модуля, и оптические потери на пропускание в горизонтальных жалюзи с фацетами. Например, при апертурном угле φ=24° косинусные потери солнечного излучения составляют 1-cos 42°=0,257, т.е. 25,7%.Another disadvantage of the known module is the large cosine radiation loss equal to 1-cos (90 ° -2δ), where δ is the parametric angle of the concentrator associated with the deviation of the plane of symmetry of the semi-parabolic cylinder reflector from the normal to the working surface of the module, and optical transmission losses in horizontal blinds with facets. For example, at an aperture angle φ = 24 °, the cosine losses of solar radiation are 1-cos 42 ° = 0.257, i.e. 25.7%.

Задачей изобретения является повышение оптического КПД за счет снижения косинусных потерь, повышение коэффициента концентрации солнечного излучения и увеличение продолжительности работы модуля в стационарном состоянии без слежения за солнцем.The objective of the invention is to increase optical efficiency by reducing cosine losses, increasing the concentration coefficient of solar radiation and increasing the duration of the module in a stationary state without tracking the sun.

Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии и снижении стоимости получения электроэнергии и теплоты.The technical result consists in increasing the efficiency of using solar energy and reducing the cost of generating electricity and heat.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащем на рабочей поверхности защитное покрытие, на которое падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с параметрическим углом δ и поверхностью входа и выхода лучей и приемник излучения в виде полосы, фокальная область полупараболоцилиндрического зеркального отражателя смещена к одной из сторон защитного покрытия и совпадает с краем полосы приемника излучения, защитное покрытие выполнено в виде прозрачной для излучения отклоняющей оптической системы из набора призм с острым углом Ψ между поверхностями входа и выхода лучей, приемник установлен в фокальной плоскости между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, поверхность входа лучей отклоняющей оптической системы параллельна поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, а угол входа лучей β₀, острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического зеркального отражателя следующим соотношением:The above technical result is achieved in that in a solar module with a concentrator containing on the working surface a protective coating on which solar radiation is incident, a semi-parabolic cylindrical reflector with a parametric angle δ and an input and output surface of the rays and a radiation receiver in the form of a strip, the focal region of the semi-parabolic cylindrical mirror the reflector is shifted to one side of the protective coating and coincides with the edge of the strip of the radiation receiver, the protective coating is made in the form of initial for the radiation of a deflecting optical system from a set of prisms with an acute angle Ψ between the surfaces of the input and output of the rays, the receiver is installed in the focal plane between the focal axis and the top of the semi-parabolic-cylindrical specular reflector, the input surface of the rays of the deflecting optical system is parallel to the input surface of the rays of the semi-para-cylindrical specular reflector, and the angle input beams β _0, acute angle Ψ and the refractive index n of the material of the deflection optical system associated with parametric angle δ oluparabolotsilindricheskogo specular reflector by the following relation:

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором концентратор выполнен из двух симметричных зеркальных полупараболоцилиндрических отражателей с общим двухсторонним приемником в плоскости симметрии, защитное покрытие выполнено из двух отклоняющих лучи встречно оптических систем, а угол между поверхностями входа двух отклоняющих оптических систем равен Q=180°-2β₀.In a design variant of a solar module with a concentrator, the concentrator is made of two symmetric mirror semi-parabolic cylindrical reflectors with a common two-sided receiver in the plane of symmetry, the protective coating is made of two deflecting optical optical systems, and the angle between the input surfaces of the two deflecting optical systems is Q = 180 ° -2β ₀ .

В солнечном модуле с концентратором, содержащем на рабочей поверхности защитное покрытие, на которое падает солнечное излучение, полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель с параметрическим углом δ и поверхностью входа и выхода лучей и приемник излучения в виде полосы, фокальная область полупараболоцилиндрического зеркального отражателя смещена к одной из сторон защитного покрытия и совпадает с краем полосы приемника излучения, защитное покрытие выполнено в виде прозрачной для излучения отклоняющей оптической системы из набора призм с острым углом Ψ между поверхностями входа и выхода лучей, приемник установлен в фокальной плоскости между фокальной осью и вершиной полупараболоцилиндрического зеркального отражателя, поверхность входа лучей отклоняющей оптической системы наклонена к поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя под углом Ψ, а угол между направлением входа лучей и поверхностью входа палупараболоцилиндрического зеркального отражателя $β_{0}^{/}$

, острый угол Ψ и коэффициент преломления n материала отклоняющей оптической системы связаны с параметрическим углом δ полупараболоцилиндрического отражателя следующим соотношением:In a solar module with a concentrator containing a protective coating on which the solar radiation is incident, a semi-parabolic cylindrical reflector with a parametric angle δ and a beam entry and exit surface and a radiation receiver in the form of a strip, the focal region of the semi-parabolic cylindrical reflector is shifted to one side of the protective coating and coincides with the edge of the strip of the radiation receiver, the protective coating is made in the form of a deflecting optical system transparent to radiation from a prism with an acute angle Ψ between the surfaces of the entrance and exit of the rays, the receiver is mounted in the focal plane between the focal axis and the top of the semi-parabolic-cylindrical specular reflector, the surface of the rays inlet of the deflecting optical system is inclined to the input surface of the rays of the semi-parabolic-cylindrical specular at an angle Ψ, and the angle between the direction of entry rays and the entrance surface of the palobara-cylindrical mirror reflector

β_{0}^{/}

, the acute angle Ψ and the refractive index n of the material of the deflecting optical system are related to the parametric angle δ of the semi-parabolic cylinder reflector by the following relation:

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором концентратор выполнен из двух симметричных зеркальных полупараболоцилиндрических отражателей с общим двухсторонним приемником в плоскости симметрии, защитное покрытие выполнено из двух отклоняющих лучи встречно оптических систем, а угол между поверхностями входа двух отклоняющих оптических систем равен $Q_{2} = 180^{\circ} - 2 β_{0}^{/}$

.In the design variant of the solar module with a concentrator, the concentrator is made of two symmetric mirror semi-parabolic cylindrical reflectors with a common two-sided receiver in the plane of symmetry, the protective coating is made of two deflecting optical optical systems, and the angle between the input surfaces of the two deflecting optical systems is

Q_{2} = 180^{\circ} - 2 β_{0}^{/}

.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3.The invention is illustrated in FIG. 1, 2, 3.

На фиг. 1 - общий вид солнечного модуля с концентратором, у которого поверхность входа лучей оптической отклоняющей системы параллельна поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя. На фиг. 2 - солнечный модуль с концентратором, у которого поверхность входа лучей оптической отклоняющей системы наклонена к поверхности входа лучей полупараболоцилиндрического зеркального отражателя под углом Ψ. На фиг. 3 - солнечный модуль с концентратором, состоящий из двух отклоняющих оптических систем и двух полупараболоцилиндрических зеркальных отражателей с общим двухсторонним приемником.In FIG. 1 is a general view of a solar module with a concentrator, in which the input surface of the rays of the optical deflecting system is parallel to the input surface of the rays of the semi-parabolic cylindrical mirror reflector. In FIG. 2 - a solar module with a concentrator, in which the input surface of the rays of the optical deflecting system is inclined to the input surface of the rays of the semi-parabolic cylindrical reflector at an angle Ψ. In FIG. 3 - a solar module with a concentrator, consisting of two deflecting optical systems and two semi-parabolic cylindrical reflectors with a common two-sided receiver.

Солнечный модуль с концентратором на фиг. 1 содержит полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 с параметрическим углом δ с поверхностью входа лучей 2, ширина которой равна D. Приемник 3 в виде полосы шириной d=OF установлен в фокальной плоскости OF между фокальной осью F и вершиной О полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1. На поверхности входа лучей 2 установлено защитное покрытие в виде прозрачной отклоняющей оптической системы 4 с поверхностью входа 5 и выхода лучей 6 из набора призм 7 с острым углом Ψ и коэффициентом преломления n. Поверхность входа 5 оптической отклоняющей системы 4 параллельна поверхности входа 2 лучей зеркального отражателя 1. The solar module with the concentrator in FIG. 1 contains a semi-parabolic cylindrical reflector 1 with a parametric angle δ with an input surface of rays 2 whose width is D. A receiver 3 in the form of a strip of width d = OF is mounted in the focal plane OF between the focal axis F and the vertex O of the semi-parabolic cylindrical reflector 1. On the input surface of rays 2, a protective coating is installed in the form of a transparent deflecting optical system 4 with an input surface 5 and an exit of rays 6 from a set of prisms 7 with an acute angle Ψ and a refractive index n. The surface of the entrance 5 of the optical deflecting system 4 is parallel to the surface of the entrance 2 of the rays of the mirror reflector 1.

На фиг. 1 показан ход лучей в солнечном модуле с концентратором, где β₀ - угол входа лучей на поверхности входа 5 отклоняющей оптической системы 4, β₁- угол преломления лучей в поверхности входа 5 внутри отклоняющей оптической системы 4, β₂ - угол между лучом нормалью к поверхности выхода 6 лучей внутри отклоняющей оптической системы 4, β₃ - угол выхода лучей на поверхности выхода 5 снаружи отклоняющей оптической системы 4, β₄ - угол входа лучей у поверхности входа 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1.In FIG. 1 shows the path of rays in a solar module with a concentrator, where β ₀ is the angle of entry of rays on the input surface 5 of the deflecting optical system 4, β ₁ is the angle of refraction of rays in the surface of the input 5 inside the deflecting optical system 4, β ₂ is the angle between the beam normal to the exit surface of 6 rays inside the deflecting optical system 4, β ₃ is the exit angle of the rays on the exit surface 5 outside the deflecting optical system 4, β ₄ is the angle of entry of the rays at the entrance surface 2 of the semi-parabolic cylindrical reflector 1.

Углы β₀, β₁, β₂, β₃ и β₄ являются углами между направлениями лучей и нормалью к соответствующей поверхности. Поскольку поверхность входа 2 лучей параллельна поверхности входа 5 лучей, угол β₀, ответственный за косинусные потери, равен углу между направлением лучей входа в солнечный модуль с концентратором и поверхностью входа 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1The angles β ₀ , β ₁ , β ₂ , β ₃ and β ₄ are the angles between the directions of the rays and the normal to the corresponding surface. Since the surface of the entrance of 2 rays is parallel to the surface of the entrance of 5 rays, the angle β ₀ , which is responsible for cosine losses, is equal to the angle between the direction of the rays of the entrance to the solar module with the concentrator and the surface of the entrance 2 of the semi-parabolic cylinder reflector 1

Косинусные потери за счет отклонения потока солнечного излучения от нормали к поверхности входа лучей 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1:Cosine losses due to deviation of the solar radiation flux from the normal to the input surface of the rays 2 of the semi-parabolic cylindrical mirror reflector 1:

Расчеты по формулам (1)-(7) для δ=26,1° приведены в таблице 1.Calculations according to formulas (1) - (7) for δ = 26.1 ° are given in table 1.

Согласно таблице 1 предлагаемая конструкция солнечного модуля с концентратором позволяет уменьшить косинусные потери по сравнению с прототипом с 21% (Ψ=0) до 7% при Ψ=20° и до 1,4% при Ψ=32°. Эффективный апертурный угол солнечного модуля с концентратором увеличивается с δ до величины $\frac{90^{\circ} - β_{0}}{2}$

.Для Ψ=24° β₀=17,8°, эффективный апертурный угол солнечного модуля с концентратором увеличивается с δ=26,1 до

\frac{90^{\circ} - 1 β_{0}}{2} = 36^{\circ}

, что при изменении солнечного склонения на 7,83° в месяц соответствует увеличению продолжительности работы в стационарном режиме на

\frac{{26,1}^{\circ}}{{7,83}^{\circ}} \cdot 2 = 6,7

месяца до

\frac{36^{\circ}}{{7,83}^{\circ}} \cdot 2 = 9,2

месяца.According to table 1, the proposed design of a solar module with a concentrator can reduce cosine losses compared with the prototype from 21% (Ψ = 0) to 7% at Ψ = 20 ° and up to 1.4% at Ψ = 32 °. The effective aperture angle of the solar module with the concentrator increases from δ to

\frac{90^{\circ} - β_{0}}{2}

. For Ψ = 24 ° β ₀ = 17.8 °, the effective aperture angle of the solar module with the concentrator increases from δ = 26.1 to

\frac{90^{\circ} - one β_{0}}{2} = 36^{\circ}

that when the solar declination changes by 7.83 ° per month corresponds to an increase in the duration of stationary operation by

\frac{{26.1}^{\circ}}{{7.83}^{\circ}} \cdot 2 = 6.7

months to

\frac{36^{\circ}}{{7.83}^{\circ}} \cdot 2 = 9.2

months.

На фиг. 2 отклоняющая оптическая система 8 выполнена в виде одной призмы 9, поверхность входа 10 которой наклонена к поверхности входа лучей 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1 под углом Ψ, а поверхность выхода 11 лучей отклоняющей оптической системы 8 параллельна поверхности 2 входа лучей зеркального отражателя 1. Угол $β_{0}^{/}$

, ответственный за косинусные потери, является углом между направлением β₀ лучей на поверхности входа 10 лучей отклоняющей оптической системы 8 и нормалью к поверхности входа 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1.In FIG. 2, the deflecting optical system 8 is made in the form of a single prism 9, the input surface 10 of which is inclined to the input surface of the rays 2 of the semi-parabolic cylindrical reflector 1 at an angle Ψ, and the exit surface 11 of the rays of the deflecting optical system 8 is parallel to the input surface 2 of the rays of the reflector 1. Angle

β_{0}^{/}

responsible for cosine losses is the angle between the direction β _{0 of the} rays on the input surface 10 of the rays of the deflecting optical system 8 and the normal to the surface of the input 2 of the semi-parabolic cylinder reflector 1.

На фиг. 2 углы β₀, $β_{0}^{/}$

, β₁, β₂, β₃ и β₄ связаны соотношениями:In FIG. 2 angles β ₀ ,

β_{0}^{/}

, β ₁ , β ₂ , β ₃ and β ₄ are related by the relations:

Из (8)-(13) определим общее соотношение между $β_{0}^{/}$

, Ψ и δ:From (8) - (13) we define the general relation between

β_{0}^{/}

, Ψ and δ:

Результаты расчета по формулам (8)-(14) для δ=26,1° приведены в табл. 2.The calculation results according to formulas (8) - (14) for δ = 26.1 ° are given in table. 2.

Из сравнения результатов расчета в таблицах 1 и 2 следует, что расположение призменных отражателей согласно фиг. 1 является предпочтительным, так как при одинаковом угле Ψ увеличивает угловую апертуру солнечного модуля с концентратором на большую величину по сравнению с фиг. 2 при значительно меньших косинусных потерях.From a comparison of the calculation results in tables 1 and 2, it follows that the location of the prism reflectors according to FIG. 1 is preferable, since at the same angle Ψ it increases the angular aperture of the solar module with the concentrator by a larger value compared to FIG. 2 with significantly smaller cosine losses.

На фиг. 3 солнечный модуль с концентратором содержит две отклоняющие оптические системы 12 и 13 и два полупараболоцилиндрических зеркальных отражателя 14 и 15, у которых поверхность входа 16 отклоняющей оптической системы 12 параллельна поверхности входа 17 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 14, а поверхность входа 18 отклоняющей оптической системы 13 параллельна поверхности входа 19 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 15. Угол между поверхностями входа 16 и 18, 17 и 19 равен Q₁=180°-2β₀. Солнечный модуль с концентратором на фиг. 3 имеет общую фокальную ось F и двухсторонний общий приемник 20, установленный в плоскости симметрии 21 солнечного модуля, проходящей через общую фокальную ось F.In FIG. 3, the solar module with a hub contains two deflecting optical systems 12 and 13 and two semi-parabolic cylindrical reflectors 14 and 15, in which the input surface 16 of the deflecting optical system 12 is parallel to the input surface 17 of the semi-parabolic cylindrical reflector 14, and the input surface 18 of the deflecting optical system 13 is parallel to the surface the input 19 of the semi-parabolic cylindrical mirror reflector 15. The angle between the surfaces of the input 16 and 18, 17 and 19 is equal to Q ₁ = 180 ° -2β ₀ . The solar module with the concentrator in FIG. 3 has a common focal axis F and a two-sided common receiver 20 mounted in the plane of symmetry 21 of the solar module passing through the common focal axis F.

Коэффициент концентрации солнечного модуля с концентратором с учетом косинусных потерь равен:The concentration coefficient of the solar module with the concentrator, taking into account cosine losses, is equal to:

Солнечные модули на фиг. 1 и 2 могут работать в стационарном режиме без слежения за солнцем, при этом они в пределах апертурного угла δ концентрируют как прямую, так и рассеянную солнечную радиацию. Солнечный модуль на фиг. 3 также концентрирует прямую и рассеянную солнечную радиацию, но требует слежения за солнцем, так как отклоняющие оптические системы 12 и 13 и полупараболоцилиндрические отражатели 14 и 15 установлены встречно для собирания лучей на общем двухстороннем приемнике 20. При этом коэффициент концентрации солнечного излучения увеличивается в два раза по сравнению с солнечным модулем с концентратором на фиг. 1.The solar modules in FIG. 1 and 2 can operate in a stationary mode without tracking the sun, while they concentrate both direct and scattered solar radiation within the aperture angle δ. The solar module in FIG. 3 also concentrates direct and scattered solar radiation, but requires tracking the sun, since the deflecting optical systems 12 and 13 and the semi-parabolic cylindrical reflectors 14 and 15 are installed counterclockwise to collect the rays on a common two-sided receiver 20. In this case, the concentration coefficient of solar radiation doubles compared to the solar module with the concentrator in FIG. one.

Солнечный модуль с концентратором работает следующим образом (фиг. 1). Солнечное излучение поступает под углом β₀ на поверхность 1 входа лучей 5 отклоняющей оптической системы 4 из набора призм 7 с острым углом Ψ с коэффициентом преломления n, входит в призму под углом β₁, выходит из призмы под углом β₃ и поступает на поверхность входа 2 полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1 под углом β₄, отражается от полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1 и поступает на приемник 3 при условии β₄≥90°-2δ.A solar module with a hub operates as follows (Fig. 1). Solar radiation enters at an angle β ₀ to the surface 1 of the input of rays 5 of the deflecting optical system 4 from a set of prisms 7 with an acute angle Ψ with a refractive index n, enters the prism at an angle β ₁ , leaves the prism at an angle β _3, and enters the entrance surface 2 of a semi-para-cylindrical mirror reflector 1 at an angle β ₄ , is reflected from a semi-para-cylindrical mirror reflector 1 and arrives at receiver 3 under the condition β ₄ ≥90 ° -2δ.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором. Отклоняющая оптическая система 4 состоит из набора призм с острым углом Ψ=24°, D=0,550 м, длиной 4,25 м. Угол входа лучей β₀=17,8°, угол β₄=37,8°, апертурный угол полупараболоцилиндрического зеркального отражателя 1δ=26,1°, зеркальный отражатель 1 выполнен из стеклянных фацет. Приемник 3 имеет размеры 125×1250 мм, состоит из 36 кремниевых солнечных элементов размером 125×31,25 мм, соединенных последовательно. Геометрический коэффициент концентрации к=4,92, косинусные потери 4,8%, оптический КПД 80%, КПД приемника 15%. Площадь модуля 0,6875 м². Общий КПД модуля 11,946%. Пиковая электрическая мощность 82,13 Вт при освещенности 1 кВт·м² и температуре 25°С.An example of a solar module with a hub. The deflecting optical system 4 consists of a set of prisms with an acute angle Ψ = 24 °, D = 0.550 m, length 4.25 m. The angle of entry of the rays β ₀ = 17.8 °, the angle β ₄ = 37.8 °, the aperture angle of the semi-parabolic mirror reflector 1δ = 26.1 °, mirror reflector 1 is made of glass facets. The receiver 3 has dimensions 125 × 1250 mm, consists of 36 silicon solar cells measuring 125 × 31.25 mm, connected in series. Geometric concentration coefficient k = 4.92, cosine losses 4.8%, optical efficiency 80%, receiver efficiency 15%. The area of the module is 0.6875 m ² . The overall efficiency of the module is 11.946%. Peak electric power 82.13 W at an illumination of 1 kW · m ² and a temperature of 25 ° C.

Солнечные планарные кремниевые модули в 2014 г. продавались по заводской цене 0,945 долл./Вт в Германии и 0,792 долл./Вт в Китае (Beate Knoll, Anne Kreutzmanna. Pain threshold reached. Photon International, March 2014, p. 40-44). При среднем КПД 15% стоимость модулей составляет 141,75 долл./м² в Германии и 118,8 долл./м² в Китае. Несмотря на то, что стоимость установленной мощности солнечных энергоустановок ниже стоимости угольных и атомных электростанций, стоимость электрической энергии, вырабатываемой солнечными энергоустановками, превышает стоимость электрической энергии от традиционных источников энергии. Основная причина - низкий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) солнечных энергоустановок от 0,114 в Германии до 0,17 в Анапе (Россия) и 0,25 в экваториальных странах. Чтобы компенсировать низкий КИУМ, необходимо дальнейшее снижение стоимости солнечных модулей и использование солнечных концентраторов.Solar planar silicon modules were sold at a factory price of $ 0.945 / W in Germany and $ 0.792 / W in China in 2014 (Beate Knoll, Anne Kreutzmanna. Pain threshold reached. Photon International, March 2014, p. 40-44) . With an average efficiency of 15%, the cost of the modules is $ 141.75 / m ² in Germany and $ 118.8 / m ² in China. Despite the fact that the cost of installed capacity of solar power plants is lower than the cost of coal and nuclear power plants, the cost of electric energy generated by solar power plants exceeds the cost of electric energy from traditional energy sources. The main reason is the low installed capacity utilization factor (KIUM) of solar power plants from 0.114 in Germany to 0.17 in Anapa (Russia) and 0.25 in equatorial countries. To compensate for the low KIUM, it is necessary to further reduce the cost of solar modules and the use of solar concentrators.

Основные требования к солнечным модулям с концентраторами из кремния: коэффициент концентрации не более 4-5 из условия естественного охлаждения модулей и использование рассеянного излучения в пределах апертурного угла концентратора. Солнечные модули с концентраторами на фиг. 1, 2 могут быть использованы в стационарном исполнении для крыш и фасадов домов и на фиг. 3 со следящими системами для установки 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 для Германии 86,58 долл./м², 0,378 долл./Вт, т.е. снизится в 2,5 раза, при этом стоимости концентратора и приемника будут примерно равны и составлять по 50% от стоимости модуля. Стоимость солнечного модуля с концентратором для Китая составит 52 долл./м², 0,349 долл./Вт, т.е. снизится в 2,27 раза по сравнению с солнечным модулем без концентратора.The main requirements for solar modules with silicon concentrators are: a concentration coefficient of not more than 4-5 from the conditions of natural cooling of the modules and the use of scattered radiation within the aperture angle of the concentrator. The solar modules with concentrators in FIG. 1, 2 can be used in a stationary version for roofs and facades of houses, and in FIG. 3 with tracking systems for installation on the ground. If the cost of mirror reflectors is $ 30 / m ² , concentration 5, optical efficiency 0.85 and electrical efficiency 15%, the cost of a solar module with a concentrator for Germany will be $ 86.58 / m ² , $ 0.378 / W, i.e. . will decrease by 2.5 times, while the cost of the hub and receiver will be approximately equal and amount to 50% of the module cost. The cost of a solar module with a hub for China will be $ 52 / m ² , $ 0.349 / W, i.e. will decrease 2.27 times compared to a solar module without a hub.

По сравнению с прототипом солнечный модуль с концентратором имеет небольшие косинусные потери, большой срок службы и низкую стоимость. Приемник 3 и 20 может быть выполнен с устройством отвода тепла для получения электроэнергии и (или) горячей воды.Compared with the prototype, a solar module with a hub has small cosine losses, a long service life and low cost. The receiver 3 and 20 can be made with a heat removal device for generating electricity and (or) hot water.

Claims

1. A solar module with a concentrator containing a protective coating on which the solar radiation is incident, a semi-parabolic cylindrical reflector with a parametric angle δ with an input and output surface of the rays and a radiation receiver in the form of a strip, the focal region of the semi-parabolic cylindrical reflector is shifted to one side protective coating and coincides with the edge of the strip of the radiation receiver, characterized in that the protective coating is made in the form of a transparent deflecting radiation deflecting system from a set of prisms with an acute angle Ψ between the input and output surfaces of the rays, the receiver is mounted in the focal plane between the focal axis and the apex of the semi-parabolic-cylindrical reflector, the input surface of the rays of the deflecting optical system is parallel to the input surface of the rays of the semi-para-cylindrical reflector, and the angle of entry of rays β ₀ , the acute angle Ψ and the refractive index n of the material of the deflecting optical system are related to the parametric angle δ of the semi-parabolic cylinder mirrors Nogo reflector by the following relation:

2. A solar module with a concentrator according to claim 1, characterized in that the concentrator is made of two symmetric mirrored semi-parabolic cylindrical reflectors with a common two-sided receiver in the plane of symmetry, the protective coating is made of two counter-deflecting optical beams, and the angle between the input surfaces of two deflecting optical systems is equal to Q = 180 ° -2β ₀ .

3. A solar module with a concentrator, containing on the working surface a protective coating on which solar radiation is incident, a semi-parabolic cylindrical reflector with a parametric angle δ and a beam entry and exit surface and a radiation receiver in the form of a strip, the focal region of the semi-parabolic cylindrical reflector is shifted to one side protective coating and coincides with the edge of the strip of the radiation receiver, characterized in that the protective coating is made in the form of a transparent deflecting radiation deflecting system from a set of prisms with an acute angle Ψ between the surfaces of the entrance and exit of the rays, the receiver is mounted in the focal plane between the focal axis and the top of the semi-parabolic cylindrical reflector, the input surface of the rays of the deflecting optical system is inclined to the input surface of the rays of the semi-parabolic cylindrical reflector at an angle Ψ, and the angle between the direction of the entrance of the rays and the entrance surface of the semi-parabolic-cylindrical specular reflector

4. A solar module with a hub according to claim 3, characterized in that the hub is made of two symmetric mirrored semi-parabolic cylindrical reflectors with a common two-sided receiver in the plane of symmetry, the protective coating is made of two deflecting optical optical systems, and the angle between the input surfaces of the two deflecting optical systems equals

.