RU2576072C2

RU2576072C2 - Солнечный модуль с концентратором и способ его изготовления

Info

Publication number: RU2576072C2
Application number: RU2014124257/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Семенович Стребков
Original assignee: Дмитрий Семенович Стребков
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2016-02-27
Also published as: RU2014124257A

Abstract

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к солнечным модулям с концентраторами для получения электрической и тепловой энергии. В солнечном модуле, содержащем фокусирующую призму с острым углом Ψ₀, и коэффициентом преломления n₀ с эффектом полного внутреннего отражения на рабочей поверхности, на которую падает излучение, с углом входа лучей β₀ и с устройством переотражения, между приемником и фокусирующей призмой в оптическом контакте с ними установлена дополнительная прямоугольная призма, над которой и над частью рабочей поверхности фокусирующей призмы установлена отклоняющая оптическая система с поверхностями входа и выхода лучей, выполненная из множества миниатюрных призм с коэффициентом преломления n₁ и с острыми углами Ψ₁, установленными однонаправленно с острым углом Ψ₀ фокусирующей призмы. Способ изготовления солнечного модуля заключается в изготовлении фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, установке приемника излучения, устройства переотражения излучения с зеркальными отражателями, из закаленного листового стекла или другого прозрачного листового материала изготавливают и герметизируют стенки полости фокусирующей призмы с острым двухгранным углом при вершине 5-25° и дополнительной прямоугольной призмы и затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой, устанавливают герметично приемник излучения и проводят сборку оптической отклоняющей системы. Изобретение должно обеспечить повышение оптического КПД за счет снижения потерь излучения в модуле и коэффициента концентрации солнечного излучения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к солнечным модулям с концентраторами для получения электрической и тепловой энергии.

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, Б.И. 1984, №16).

Недостатком солнечного модуля с концентратором является большая масса призменного концентратора и высокая стоимость изготовления фокусирующей призмы и призмы устройства отражения.

Известен солнечный модуль с концентратором в виде прозрачной фокусирующей призмы и устройством отражения в виде плоского зеркального отражателя (прототип) (патент РФ №2154778, Б.И. 2000, №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.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение оптического КПД за счет снижения потерь излучения в модуле и повышение коэффициента концентрации солнечного излучения. В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается оптический КПД модуля, снижаются оптические потери при переотражении излучения и увеличивается коэффициент концентрации солнечного излучения.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в солнечном модуле с концентратором, содержащем фокусирующую призму с острым углом Ψ₀ и коэффициентом преломления n₀ с эффектом полного внутреннего отражения на рабочей поверхности, на которую падает излучение, с углом входа лучей β₀ и с устройством переотражения в виде зеркального отражающего покрытия на стороне, противоположной рабочей поверхности, и приемник излучения, между приемником и фокусирующей призмой в оптическом контакте с ними установлена дополнительная прямоугольная призма с коэффициентом преломления n₀ и с поперечным сечением, по ширине и высоте, равным ширине и высоте приемника, и с зеркальным отражающим покрытием на стороне, противоположной рабочей поверхности, над дополнительной прямоугольной призмой и над частью рабочей поверхности фокусирующей призмы установлена отклоняющая оптическая система с поверхностями входа и выхода лучей, выполненная из множества миниатюрных призм с коэффициентом преломления n₁ и с острыми углами Ψ₁, установленными однонаправленно с острым углом Ψ₀ фокусирующей призмы, поверхность входа лучей оптической отклоняющей системы параллельна рабочей поверхности фокусирующей призмы, общая длина солнечного модуля составляет:

где l₁ - длина фокусирующей призмы с острым углом Ψ₀,

Δ - длина оптической отклоняющей системы с острым углом Ψ₁,

Δ₁ - часть длины фокусирующей призмы, имеющей над рабочей поверхностью отклоняющую оптическую систему,

d - высота приемника излучения,

β₁ - угол преломления лучей на входе внутри фокусирующей призмы,

- угол преломления лучей на поверхности входа внутри дополнительной прямоугольной призмы, где все углы отсчитываются от вертикали к поверхности, угол входа лучей β₀ связан с углом входа лучей

следующим соотношением:

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором модуль выстроен в кровельную солнечную панель.

В варианте конструкции солнечного модуля с концентратором в качестве приемника излучения установлен гибридный фотоэлектрический модуль с когенерацией электрической и тепловой энергии.

В другом варианте конструкции солнечного модуля с концентратором в качестве приемника излучения использован тепловой абсорбер для получения горячей воды и отопления.

В способе изготовления солнечного модуля с концентратором путем изготовления фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, установки приемника излучения, устройства переотражения излучения с зеркальными отражателями, из закаленного листового стекла или другого прозрачного листового материала изготавливают и герметизируют стенки полости фокусирующей призмы с острым двухгранным углом при вершине 5-25° и дополнительной прямоугольной призмы и затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой, устанавливают герметично приемник излучения и проводят сборку оптической отклоняющей системы на части рабочей поверхности фокусирующей призмы и над всей поверхностью дополнительной прямоугольной призмы.

В варианте способа изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют дистиллированную воду с добавками для предотвращения цветения и замерзания воды.

В другом варианте способа изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют силиконовые теплоносители, например на основе полиметилсилоксановых композиций.

В другом варианте способа изготовления солнечного модуля с концентратором в качестве оптически прозрачной среды используют структурированные полисилоксановые гели.

В варианте способа изготовления солнечного модуля с концентратором полости фокусирующей призмы и дополнительной прямоугольной призмы с приемником и отклоняющей оптической системой встраивают в кровельную солнечную панель.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 показано поперечное сечение солнечного модуля с концентратором и ход лучей в нем, на фиг. 2 - ход лучей в отклоняющей оптической системе.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит приемник 1, фокусирующую призму 2 из материала с коэффициентом преломления n₀, с гранью входа 3, которая совпадает с рабочей поверхностью 4, устройство переотражения 5 с зеркальным отражающим покрытием 6 и дополнительную прямоугольную призму 7 с коэффициентом преломления n₀ с поверхностью входа 8. Острый двухгранный угол Ψ₀ есть угол между рабочей поверхностью 4, на которую падает излучение, и устройством переотражения 5. Угол входа (падения) солнечного излучения на рабочую поверхность 4 есть угол β₀ между лучом и вектором

\bar{n}

, перпендикулярным к поверхности, на которую падает излучение.

Над прямоугольной призмой 7 установлена оптическая отклоняющая система 9, выполненная из множества миниатюрных призм 10 с коэффициентом преломления n₁ с острым углом Ψ₁, установленных однонаправленно с острым углом Ψ₀ фокусирующей призмы 2. Оптическая отклоняющая система 9 имеет поверхность входа 11 лучей, которая параллельна рабочей поверхности 4, и поверхность выхода лучей 12. На фиг. 1 показан ход лучей в солнечном модуле с концентратором, где β₀ - угол входа лучей, β - угол преломления лучей у грани входа 3 внутри фокусирующей призмы 2, β₂ - угол прихода луча на устройство переотражения 5, β₃ - угол отражения лучей от зеркального отражающего покрытия 6, β₄ - угол падения лучей на грань входа 3 изнутри фокусирующей призмы 2. Углы β₀, β₁, β₂, β₃, β₄ и Ψ₀ выбираются из условия, что β₄≤α, α=α_n+δ, где

- угол полного внутреннего отражения, δ - малая величина угла, гарантирующая полное внутреннее отражение, δ=2°-3°.

β₂=β₃=β₁+ψ₀.

β₄=β₃+ψ=β₁+2ψ₀.

Длина фокусирующей призмы 2:

l₁=d·ctgΨ₀.

Δ₁ определяет расстояние от места входа 13 крайнего луча β₀, который после преломления под углом β₁ попадает на место пересечения 14 устройства переотражения 5 с плоскостью сопряжения 15 фокусирующей призмы 2 и прямоугольной призмы 7.

Δ₁=d·tgΔ₁.

Оптическая отклоняющая система (ООС) 9 на фиг. 2 имеет угол входа лучей β₀, угол преломления лучей β₅ у поверхности входа 11 внутри ООС, угол β₆ падения лучей на поверхность выхода 12 внутри OOC, β₇ - угол выхода лучей из поверхности выхода 12 снаружи OOC, угол β₈ входа лучей на поверхности входа 8 прямоугольной призмы 7,

- угол преломления лучей в прямоугольной призме 7.

β₆=β₁+ψ₁.

β₈=β₃-ψ₁.

Угол входа лучей β₀ в OOC и угол преломления лучей

на поверхности входа прямоугольной призмы связаны соотношением:

Длина OOC Δ равна расстоянию от места входа 13 крайнего луча β₀ до приемника 1:

Δ=2d·tgβ₁.

Общая длина солнечного модуля равна:

Коэффициент концентрации:

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором

Устройство переотражения 5 и стенки солнечного модуля с концентратором выполнены из полированного алюминия и заполнены полисилоксановым гелем с коэффициентом преломления n=1,36. Рабочая поверхность 4 модуля выполнена из закаленного стекла толщиной 3,2 мм. Начальный угол входа лучей

Принимаем угол, обеспечивающий полное внутреннее отражение, α=50°. Острый угол Ψ₀ фокусирующей призмы 2:

Приемник 1 имеет высоту d=42 мм. Длина фокусирующей призмы 2:

l₁=d·ctgΨ₀=135,9 мм.

Отклоняющая оптическая система (OOC) 9 выполнена из стекла с коэффициентом преломления n₁=1,51 и имеет острый угол Ψ₁=20°, угол входа лучей β₀=21,55°, угол входа лучей в прямоугольную призму 7 β₈=37,8°. Угол преломления лучей у поверхности входа прямоугольной призмы:

Длина OOC 9 Δ=2dtg26,79°=42,41 мм.

Длина Δ₁=dtgβ₁=42·tg15,67=11,78 мм.

Общая длина солнечного модуля:

L=l₁+Δ-Δ₁=135,9+42,41-11,78=166,59 мм.

Общий коэффициент концентрации:

Солнечный модуль с концентратором работает в диапазоне углов входа лучей θ=90°-β₀-Ψ₀=50,79°, что превышает годовой угол склонения Солнца 47,5°. Таким образом, солнечный модуль с концентратором не требует корректировки по склонению за Солнцем, однако для снижения косинусных потерь рекомендуется сезонная корректировка положения модуля 22 марта весной и 22 сентября осенью.

Приемник 1 выполнен в виде скоммутированных солнечных элементов. В варианте конструкции модуля приемник 1 представляет собой тепловой абсорбер для получения тепловой энергии. Наиболее перспективно использование гибридного приемника 1, содержащего скоммутированные солнечные элементы, установленные на тепловом абсорбере с отводом и утилизацией тепловой энергии.

Солнечный фотоэлектрический модуль работает следующим образом. Солнечное излучение луч Л₁ падает на рабочую поверхность 4 фокусирующей призмы 2 под углом β₀ (фиг. 1), входит в призму 2 под углом β₁, попадает на грань переотражения 5 под углом β₂=β₃, отражается и попадает на рабочую поверхность призмы 2 изнутри под углом β₄, который должен быть больше угла полного внутреннего отражения β₄>arcsin 1/n, где n - коэффициент преломления материала призмы 2. После полного внутреннего отражения и переотражения излучение попадает на приемник 1.

Солнечное излучение луч Л₂ на фиг. 1 и Л₃ на фиг. 2 попадает на поверхность входа оптической отклоняющей системы 9 под углом β₀, входит в призму 10 под углом β₅, попадает на поверхность выхода 11 изнутри призмы 10 под углом β₆, выходит из призмы 10 под углом β₇, поступает на поверхность входа 8 прямоугольной призмы 7 под углом β₈, входит в прямоугольную призму 7 под углом

, отражается от устройства переотражения 5 под углом

и поступает на приемник 1 при условии

Для изготовления солнечного модуля с концентратором из отражающего материала толщиной 3-5 мм изготавливают и герметизируют дно и стенки полости фокусирующей призмы 2 с двухгранным углом при вершине 5-30° и прямоугольной призмы 7, а затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой. При использовании в качестве оптически прозрачной среды дистиллированной воды уменьшение тока солнечного элемента I_(x) при увеличении толщины слоя воды x описывается соотношением:

где I₀ - ток солнечного элемента в приповерхностном слое воды.

Коэффициент поглощения воды, измеренный кремниевым солнечным элементом, составляет 0,025 см^-1, при этом средняя толщина слоя воды, в которой ток солнечного элемента уменьшался в е=2,73 раза, составляет 40 см. При длине фокусирующей призмы 2 на фиг. 1 0,5 м, длина пути луча Л₁ внутри фокусирующей призмы 2 составляет 24 см. Поток фотоактивного излучения на приемнике

уменьшается в 1,82 раза. Таким образом, на приемник поступает 55,5% энергии излучения, а 45,5% солнечного излучения поглощается водой внутри фокусирующей призмы 2. Поглощенная энергия, в основном в длинноволновой части спектра, используется для повышения температуры воды. За счет конвекции горячая вода нагревает приемник. Солнечное излучение в коротковолновой части спектра концентрируется в фокусирующей и прямоугольной призме, поглощается в приемнике и преобразуется в электрическую энергию в солнечных элементах. Таким образом, обеспечивается энергоэффективное преобразование солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию в гибридном приемнике или только в тепловую энергию для горячего водоснабжения и отопления в приемнике с тепловым абсорбером.

Если использовать полиметилсилоксановые жидкости, более 90% солнечного излучения будет поглощаться в приемнике за счет низкого коэффициента поглощения излучения в жидкости. При использовании в качестве оптически прозрачной среды структурированного полисилоксанового геля его заливают в полость фокусирующей призмы 2 и прямоугольной призмы 7 в жидком виде, а потом проводят его отверждение - структурирование. В этом случае высокая прозрачность полисилоксанового геля и отсутствие утечек геля при случайной разгерметизации полости фокусирующей линзы обеспечивает высокий оптический КПД и большой срок службы солнечного модуля с концентратором.

Объем оптически прозрачной среды внутри полости фокусирующей призмы 2 и прямоугольной призмы 7 зависит от размера солнечного модуля и угла Ψ. Для солнечного модуля с концентратором размером длиной 0,5 м, шириной 1,2 м объем оптически прозрачной среды составит для угла Ψ₀=8° 22,5 л.

Конструкция и технология изготовления солнечного модуля с концентратором позволяет в 4 раза снизить потребление металла для абсорберов по сравнению с известными солнечными коллекторами и в 4 раза снизить площадь солнечных элементов по сравнению с солнечными планарными модулями без концентраторов. Солнечный модуль с концентратором может быть использован в составе солнечной электростанции с системой слежения за Солнцем. При слежении за Солнцем вырабатываемая энергия увеличивается на 20-25%.

Геометрический коэффициент концентрации

для одного солнечного модуля с концентратором с односторонним фотоприемником и k=2 k для двух солнечных модулей с концентратором с общим двухсторонним приемником. При стационарном расположении солнечного модуля плоскости зеркальных отражателей ориентированы в направлении Восток - Запад, а годовое склонение Солнца для снижения косинусных потерь компенсируется поворотом модуля 2 раза в год весной и осенью.

Солнечный модуль с концентратором имеет малую массу, высокую эффективность, низкую стоимость, прост в изготовлении и может быть использован для получения тепла и электроэнергии как в автономных установках со слежением за Солнцем, так и в энергоактивных зданиях в качестве элемента солнечного фасада здания или солнечной крыши.

Claims

1. Солнечный модуль с концентратором, содержащий фокусирующую призму с острым углом Ψ₀ и коэффициентом преломления n₀ с эффектом полного внутреннего отражения на рабочей поверхности, на которую падает излучение, с углом входа лучей β₀ и с устройством переотражения в виде зеркального отражающего покрытия на стороне, противоположной рабочей поверхности, и приемник излучения, отличающийся тем, что между приемником и фокусирующей призмой в оптическом контакте с ними установлена дополнительная прямоугольная призма с коэффициентом преломления n₀ и с поперечным сечением, по ширине и высоте равным ширине и высоте приемника, и с зеркальным отражающим покрытием на стороне, противоположной рабочей поверхности, над дополнительной прямоугольной призмой и над частью рабочей поверхности фокусирующей призмы установлена отклоняющая оптическая система с поверхностями входа и выхода лучей, выполненная из множества миниатюрных призм с коэффициентом преломления n₁ и с острыми углами Ψ₁, установленными однонаправленно с острым углом Ψ₀ фокусирующей призмы, поверхность входа лучей оптической отклоняющей системы параллельна рабочей поверхности фокусирующей призмы, общая длина солнечного модуля составляет:

где l₁ - длина фокусирующей призмы с острым углом Ψ₀,
Δ - длина оптической отклоняющей системы с острым углом Ψ_1,
Δ₁ - часть длины фокусирующей призмы, имеющей над рабочей поверхностью отклоняющую оптическую систему,
d - высота приемника излучения,
β₁ - угол преломления лучей на входе внутри фокусирующей призмы,

следующим соотношением:

2. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что модуль выстроен в кровельную солнечную панель.

3. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что в качестве приемника излучения установлен гибридный фотоэлектрический модуль с когенерацией электрической и тепловой энергии.

4. Солнечный модуль с концентратором по п. 1, отличающийся тем, что в качестве приемника излучения использован тепловой абсорбер для получения горячей воды и отопления.

5. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором путем изготовления фокусирующей призмы из оптически прозрачного материала, установки приемника излучения, устройства переотражения излучения с зеркальными отражателями, отличающийся тем, что из закаленного листового стекла или другого прозрачного листового материала изготавливают и герметизируют стенки полости фокусирующей призмы с острым двухгранным углом при вершине 5-25° и дополнительной прямоугольной призмы и затем заполняют полученную полость оптически прозрачной средой, устанавливают герметично приемник излучения и проводят сборку оптической отклоняющей системы на части рабочей поверхности фокусирующей призмы и над всей поверхностью дополнительной прямоугольной призмы.

6. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором по п. 5, отличающийся тем, что в качестве оптически прозрачной среды используют дистиллированную воду с добавками для предотвращения цветения и замерзания воды.

7. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором по п. 5, отличающийся тем, что в качестве оптически прозрачной среды используют силиконовые теплоносители, например на основе полиметилсилоксановых композиций.

8. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором по п. 5, отличающийся тем, что в качестве оптически прозрачной среды используют структурированные полисилоксановые гели.

9. Способ изготовления солнечного модуля с концентратором по п. 5 или 8, отличающийся тем, что полости фокусирующей призмы и дополнительной прямоугольной призмы с приемником и отклоняющей оптической системой встраивают в кровельную солнечную панель.