RU2670180C1 - Solar module with asymmetric parabolic cylindrical concentrator and photo receiver with triangular profile - Google Patents
Solar module with asymmetric parabolic cylindrical concentrator and photo receiver with triangular profile Download PDFInfo
- Publication number
- RU2670180C1 RU2670180C1 RU2017117848A RU2017117848A RU2670180C1 RU 2670180 C1 RU2670180 C1 RU 2670180C1 RU 2017117848 A RU2017117848 A RU 2017117848A RU 2017117848 A RU2017117848 A RU 2017117848A RU 2670180 C1 RU2670180 C1 RU 2670180C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodetector
- coolant
- temperature
- concentrator
- profile
- Prior art date
Links
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims abstract description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 19
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 8
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
- F24S10/70—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
- F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
- F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
- Y02E10/44—Heat exchange systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами для получения электрической энергии и теплоты.The invention relates to solar engineering and the construction of solar modules with photovoltaic and thermal receivers of solar radiation and concentrators for generating electrical energy and heat.
Известен солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель, выполненный из двух разновеликих частей в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя со вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, и фотоэлектрический приемник, в котором приемник излучения выполнен из стеклянной цилиндрической трубы и встроенного внутрь плоского стеклопакета фотоэлектрического приемника с солнечными элементами (патент РФ №2225966, МПК F24J 2/14, опубликован 2004 г.).A solar module with a concentrator is known, comprising a main linearly-focusing parabolic-cylindrical mirror reflector made of two different parts in the form of one branch of a para-cylindrical reflector with a second semi-cylindrical mirror reflector, and a photoelectric receiver in which the radiation receiver is made of a glass cylindrical tube and a flat glass unit integrated inside photoelectric receiver with solar cells (RF patent No. 2225966, IPC F24J 2/14, published 2004).
Недостатками известного солнечного модуля являются сложная система фотоэлектрического приемника, что приводит к потерям солнечного излучения.The disadvantages of the known solar module are a complex system of a photovoltaic receiver, which leads to the loss of solar radiation.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный модуль с концентратором, содержащий основной линейно-фокусирующий параболоцилиндрический зеркальный отражатель и приемник в виде полосы, установленный параллельно фокальной оси основного отражателя, в котором основной зеркальный отражатель выполнен в виде одной ветви параболоцилиндрического отражателя, снабжен вторым полуцилиндрическим зеркальным отражателем, а также третьимClosest to the technical nature of the present invention is a solar module with a concentrator containing a main linear focusing parabolic cylindrical reflector and a receiver in the form of a strip mounted parallel to the focal axis of the main reflector, in which the main mirror reflector is made in the form of one branch of a parabolic cylindrical reflector, equipped with a second a semi-cylindrical mirror reflector, as well as a third
зеркальным полуцилиндрическим отражателем, причем третий зеркальный отражатель снабжен устройством поворота вокруг своей оси (патент РФ №2206837, МПК F24J 2/14, опубликован 2003 г.).semi-cylindrical reflector, and the third mirror reflector is equipped with a device for rotation around its axis (RF patent No. 2206837, IPC F24J 2/14, published 2003).
Недостатками известного солнечного модуля являются:The disadvantages of the known solar module are:
- снижение оптического КПД модуля вследствие многократного, не менее 3-х раз на каждом концентраторе, отражения солнечных лучей от концентраторов, а также вследствие поглощения отраженных лучей при прохождении через ограждающие ФЭП стеклянные элементы, следовательно, снижение и общего КПД преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую;- a decrease in the optical efficiency of the module due to multiple, at least 3 times on each concentrator, reflection of sunlight from the concentrators, as well as due to absorption of reflected rays passing through the glass elements enclosing the photomultiplier, therefore, the overall efficiency of the conversion of solar energy to thermal and electric;
- усложнение конструкции модуля;- complication of the design of the module;
- сложность юстировки 2-3-х концентраторов и приемников концентрированного излучения;- the difficulty of adjusting 2-3 concentrators and receivers of concentrated radiation;
- затенение дополнительными концентраторами основного.- shading by additional concentrators of the main one.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы фотоприемника солнечного модуля при средних концентрациях и оптимальном освещении фотоприемника, повышение эффективности нагрева теплоносителя (воды) и снижение стоимости вырабатываемой энергии.The objective of the invention is to ensure the operation of the photodetector of the solar module at medium concentrations and optimal illumination of the photodetector, increasing the efficiency of heating the coolant (water) and reducing the cost of generated energy.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается общее КПД модуля (теплового и электрического), появляется возможность более эффективной выработки тепловой энергии и нагрева теплоносителя за счет формирования оптимальной освещенности концентрированным излучением на поверхности линейчатого фотоприемника с треугольным профилем, выполненным полым для протока теплоносителя.As a result of using the present invention, the overall efficiency of the module (thermal and electric) is increased, it becomes possible to more efficiently generate thermal energy and heat carrier due to the formation of optimal illumination by concentrated radiation on the surface of a ruled photodetector with a triangular profile made hollow for the heat carrier duct.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном модуле с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором и фотоприемником с треугольным профилем, содержащем асимметричный из одной ветви параболоцилиндрического типа концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения, и линейчатый фотоприемник, расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль цилиндрической оси,The above technical result is achieved in that in a solar module with an asymmetric parabolic-cylindrical concentrator and a photodetector with a triangular profile, containing a concentrator asymmetric from one branch of the parabolic-cylindrical type with a mirrored internal reflection surface, and a linear photodetector located in the focal region with a uniform distribution of concentrated radiation along the cylindrical axis ,
согласно изобретению, линейчатый фотоприемник выполнен полым с треугольным профилем для протока теплоносителя, а концентрированное излучение от отражающей поверхности концентратора соответствует условию равномерной продольной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, при этом фотоприемник закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством на стойках крепления, а распределение площади профиля Fn и объема Vn фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd определяются соотношением:according to the invention, the line photodetector is hollow with a triangular profile for the coolant flow, and the concentrated radiation from the reflecting surface of the concentrator corresponds to the condition of uniform longitudinal illumination of the working surface of the photodetector, while the photodetector is fixed by a device rotatable along the cylindrical axis on the mounting posts, and the distribution of the profile area F n and the volume V n of the photodetector along the working surface of length L, width d with an interval Δd are determined by the ratio:
Fn=Δd[h1+Δh(n-1)/N+Δdtga/2], Δh=(h-h1)/N, Δd=d/N, Vn=FnL,F n = Δd [h 1 + Δh (n-1) / N + Δdtga / 2], Δh = (hh 1 ) / N, Δd = d / N, V n = F n L,
где n изменяется в интервалах n=1, 2, 3…N;where n varies in the intervals n = 1, 2, 3 ... N;
h1 - минимальная высота профиля фотоприемника;h 1 - the minimum height of the profile of the photodetector;
h - максимальная высота профиля фотоприемника,h is the maximum height of the profile of the photodetector,
а распределение температуры нагрева теплоносителя по профилю фотоприемника определяется с учетом распределения концентрации Kn солнечного излучения по ширине фотоприемника d, формы профиля фотоприемника и определяется системой уравнений, соответствующей условию соответствия среднего значения распределенной температуры Тср и выходной температуры теплоносителя Твых (Тср=Твых):and the distribution of the heating temperature of the coolant along the profile of the photodetector is determined taking into account the distribution of the concentration K n of solar radiation over the width of the photodetector d, the shape of the profile of the photodetector and is determined by the system of equations corresponding to the condition for the average value of the distributed temperature T cf and the output temperature of the coolant T o (T cf = T out ):
n*=Vn/Vmin, n*max=Vmax/Vmin, ΔT1=ΔTcp/n*max, ΔTcp=(Твых-Твх),n * = V n / V min , n * max = V max / V min , ΔT 1 = ΔT cp / n * max , ΔT cp = (T out -T in )
T*n=Тпл+[ΔT1n*f(Kn)],T * n = T PL + [ΔT 1 n * f (K n )],
f(Kn)=Кг/Kn, Tn=T*nkкор-Тпл+Твх, kкор=(Тпл+ΔTcp)/T*ncp, ,f (K n ) = K g / K n , T n = T * n k cor -T pl + T in , k cor = (T pl + ΔT cp ) / T * ncp , ,
где Vmin - минимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;where V min is the minimum value of the volume of the photodetector along the working surface of length L, width d with an interval Δd in the intervals n = 1, 2, 3 ... N;
Vmax - максимальное значение объема фотоприемника вдоль рабочей поверхности длиной L, шириной d с интервалом Δd в интервалах n=1, 2, 3…N;V max - the maximum value of the volume of the photodetector along the working surface of length L, width d with an interval Δd in the intervals n = 1, 2, 3 ... N;
Твх - входная температура теплоносителя;T I - the input temperature of the coolant;
Тпл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);T PL - melting point, K (phase transition solid / f);
f(Kn)] - функция распределения концентрации по ширине фотоприемника, причем среднее значение распределенной температуры (граничное условие);f (K n )] is the distribution function of the concentration over the width of the photodetector, and the average value of the distributed temperature (boundary condition);
Tncp=ΣTn/N=Твых равно выходной температуре теплоносителя, а энергия нагрева теплоносителя определяется соотношением:T ncp = ΣT n / N = T o is equal to the output temperature of the coolant, and the heating energy of the coolant is determined by the ratio:
где, Tn=T*nkкор-Тпл+Твх,where, T n = T * n k cor -T pl + T I ,
[λ/η](Tn) - отношение теплопроводности к вязкости воды при температуре нагрева по профилю приемника Tn,[λ / η] (Tn) is the ratio of thermal conductivity to viscosity of water at a heating temperature along the receiver profile T n ,
[λ/η](Tcp) - отношение теплопроводности к вязкости при среднем значении температуры Тср=Твых воды,[λ / η] (Tcp) - the ratio of thermal conductivity to viscosity at an average temperature T c = T out water,
время нагрева теплоносителя до Tcp=Твых определяется соотношением:the heating time of the coolant to T cp = T o is determined by the ratio:
, ,
где Р=Рп-Рконв-Ррад; where P = P p -P conv- P rad;
Рп - поглощенный приемником поток Рп=ηоптЕс Fпп Кг.,;P p - absorbed by the receiver stream P p = η opt E with F PP K g ;
где теплопотери в окружающую среду конвективные Рконв, радиационные Ррад;where the heat loss to the environment is convective P conv , radiation P rad ;
Кг - геометрическая концентрация;To g - geometric concentration;
ηопт - оптический КПД;η opt - optical efficiency;
Ес - удельная мощность солнечного излучения;E with - the specific power of solar radiation;
Fпп - площадь миделя концентратора,F PP - the area of the midsection of the concentrator,
нагрев массы теплоносителя в единицу времени m* (расход) до Тср=Твых определяется соотношением: heating the mass of the coolant per unit time m * (flow) to T cf = T o is determined by the ratio:
m*=m/t, (m=ρ V),m * = m / t, (m = ρ V),
где m - масса теплоносителя;where m is the mass of the coolant;
ρ - плотность теплоносителя;ρ is the density of the coolant;
V - объем нагреваемого теплоносителя в фотоприемнике,V is the volume of the heated coolant in the photodetector,
тепловая мощность теплоносителя определяется соотношением:thermal power of the heat carrier is determined by the ratio:
Рт=m*с(Твых-Твх),P t = m * s (T out -T in ),
где с - теплоемкость теплоносителя;where c is the heat capacity of the coolant;
Твх, Твых температуры на входе и выходе фотоприемника,T I , T o temperature at the inlet and outlet of the photodetector,
тепловой КПД модуля (коэффициент полезного использования мощности солнечного излучения) определяется соотношением: ηт=Рт/EcFпп.the thermal efficiency of the module (the efficiency of the solar radiation power) is determined by the ratio: η t = P t / E c F pp .
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-8.The invention is illustrated in FIG. 1-8.
На фиг. 1 представлена схема конструкции солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором с равномерным распределением концентрированного излучения на линейчатой поверхности фотоприемника.In FIG. Figure 1 shows the design diagram of a solar module with an asymmetric parabolic cylinder concentrator with a uniform distribution of concentrated radiation on the ruled surface of the photodetector.
На фиг. 2 представлен ход лучей от асимметричного параболоцилиндрического концентратора до фотоприемника.In FIG. Figure 2 shows the path of rays from an asymmetric parabolic-cylindrical concentrator to a photodetector.
На фиг. 3 представлена расчетная форма концентратора и фотоприемника солнечного модуля.In FIG. Figure 3 shows the design form of the concentrator and photodetector of the solar module.
На фиг. 4 представлена форма профиля фотоприемника солнечного модуля.In FIG. 4 shows the profile shape of the photodetector of the solar module.
На фиг. 5 представлены графики распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.In FIG. Figure 5 shows the distribution of the illumination concentration on the working surface of the module photodetector over the width d of the focal region.
На фиг. 6 представлены графики распределения температуры нагрева теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.In FIG. Figure 6 shows graphs of the distribution of the heating temperature of the coolant of the module for various functions of the distribution of the concentration of illumination on the working surface of the photodetector of the module over the width d of the focal region.
На фиг. 7 представлены графики зависимости температуры от расхода теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).In FIG. Figure 7 presents graphs of the temperature versus the flow rate of the coolant of the module for various functions of the distribution of the concentration of illumination on the working surface of the photodetector of the module (experimental data are indicated by dots).
На фиг. 8 представлены графики зависимости теплового КПД от расхода теплоносителя модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).In FIG. Figure 8 shows graphs of the dependence of thermal efficiency on the flow rate of the coolant of the module for various functions of the distribution of the concentration of illumination on the working surface of the photodetector of the module (experimental data are indicated by dots).
Солнечный модуль на фиг. 1 состоит из асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1, закрепленного на стойках 2,The solar module in FIG. 1 consists of an asymmetric parabolic-
линейчатого фотоприемника 3 шириной d, длиной L, снабженного поворотным устройством 4, закрепленного на опорных стойках крепления 5, устройства протока теплоносителя 6, со штуцерами 7 для входа и выхода теплоносителя.
Асимметричный параболоцилиндрический концентратор 1 солнечного модуля на фиг. 2 с рабочим профилем концентрирует солнечное излучение за фокальной областью на рабочей поверхности фотоприемника 3 шириной do, длиной L; лучи от верхней части концентратора приходят на нижнюю часть, а лучи от нижней части концентратора приходят на верхнюю часть фотоприемника 3.The asymmetric
Форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определяется системой уравнений соответствующей условию равномерной освещенности рабочей поверхности фотоприемника, выполненного в виде линейки шириной do и длиной L и расположенным под углом к миделю концентратора:The shape of the reflective surface of the concentrator X (Y) is determined by a system of equations corresponding to the condition of uniform illumination of the working surface of the photodetector, made in the form of a ruler of width d o and length L and located at an angle to the center of the concentrator:
Xn=(f-Yn)/tgαn, Хн=dosinβв, Yн=f-Хнtgβ,X n = (fY n ) / tgα n , X n = d o sinβ in , Y n = f-X n tgβ,
Хв=0, Yв=Yн+dcosβн, , Ya=R2/4f, Кг=R/do, X in = 0, Y in = Y n + dcosβ n , , Y a = R 2 / 4f, K g = R / d o ,
где αn - угол (в зоне рабочего профиля концентратора) между уровнем ординаты в точке координат Xn,Yn и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f лучом, приходящим в фокальную область на ширине dn, расположенной на плоском фотоприемнике шириной do, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3…N;where α n is the angle (in the area of the working profile of the concentrator) between the ordinate level at the coordinate point X n , Y n and the beam reflected from the surface of the parabola with focal length f, coming into the focal region at a width d n located on a flat photodetector with a width d o , where n is selected from a series of integers n = 1, 2, 3 ... N;
ξо - угол между координатной осью 0Y и лучом отраженным от верхней точки координат Ya,R концентратора приходящем в нижнюю точку координат фотоприемника Хн,Yн;ξ about is the angle between the coordinate axis 0Y and the beam reflected from the upper coordinate point Y a , R of the concentrator arriving at the lower coordinate point of the photodetector X n , Y n ;
βн - угол между фотоприемником и отрезком (между нижней точкой координат фотоприемника Хн,Yн и фокусным расстоянием f параболы);β n - the angle between the photodetector and the segment (between the lower coordinate point of the photodetector X n , Y n and the focal length f of the parabola);
βв - угол между отрезком (между верхней точкой координат фотоприемника Хв,Yв и фокусным расстоянием f параболы) и поверхностью фотоприемника;β in - the angle between the segment (between the upper coordinate point of the photodetector X в , Y в and the focal length f of the parabola) and the surface of the photodetector;
β - угол между лучом, отраженным от верхней точки координат Ya,R концентратора и прямой Y=f параллельной оси абсцисс;β is the angle between the beam reflected from the upper coordinate point Y a , R of the concentrator and the straight line Y = f parallel to the abscissa axis;
при этом значения параметров f, βв, k выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоприемника Kn в интервалах координатных значений концентратора ΔXn=Xn-Xn-1 и в интервалах координатных значений фотоприемника (dn+1-dn) равна:the values of the parameters f, β in , k are selected in accordance with the boundary conditions, and the geometric concentration of the illumination of the photodetector K n in the intervals of the coordinate values of the concentrator ΔX n = X n -X n-1 and in the intervals of the coordinate values of the photodetector (d n + 1 -d n ) is equal to:
Kn=(Xn+1-Xn)/(dn+1-dn)K n = (X n + 1 -X n ) / (d n + 1 -d n )
На основании приведенных формул произведен расчет формы отражающей поверхности концентратора и координат фотоприемника - график зависимости Y(Х) (фиг. 3).Based on the above formulas, the shape of the reflecting surface of the concentrator and the coordinates of the photodetector are calculated — a graph of the dependence Y (X) (Fig. 3).
На фиг. 4 представлена форма профиля фотоприемника солнечного модуля.In FIG. 4 shows the profile shape of the photodetector of the solar module.
На фиг. 5 представлены графики распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.In FIG. Figure 5 shows the distribution of the illumination concentration on the working surface of the module photodetector over the width d of the focal region.
При уменьшении ширины do фотоприемника 3, (при уменьшении площади) происходит увеличение концентрации освещенности фотоприемника 3.With a decrease in the width d o of the photodetector 3, (with a decrease in the area), the illumination concentration of the
Таким образом, можно изменять концентрацию освещенности фотоприемника 3, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и фотоприемника.Thus, it is possible to change the concentration of illumination of the
Из приведенных характеристик видно, что при различном распределении концентрации освещенности по ширине фокальной области фотоприемника 3 происходит различное влияние на объемный нагрев теплоносителя в различных частях полости фотоприемника, что влияет на тепловые характеристики солнечного модуля.It can be seen from the above characteristics that, for a different distribution of the light concentration over the width of the focal region of the
Расчет тепло-массо переноса осуществлялся в соответствии с общими теплотехническими формулами:Calculation of heat and mass transfer was carried out in accordance with the general heat engineering formulas:
Qпп=ηоптR Fпп Кгеом, N=QФЭ ηФЭ. α=5,7+3,8 V, Qрад=εσ(Tc 4-Ta 4)F, Q=Qпп-N-Qконв-Qрад. m=Q/cp(tвых-tвх), W=m/γFпс, Re=wdэкв/ν, αж=Nu λж/dэкв, Qв=αж(tc-tж)F, η=ηo[1-k(Tf-To)],Q pp = η opt RF pp To geom , N = Q FE η FE . α = 5.7 + 3.8 V, Q rad = εσ (T c 4 -T a 4 ) F, Q = Q pp -NQ conv -Q rad . m = Q / c p (t -t Rin O), W = m / γF ps, Re = wd eq / ν, α w = Nu λ g / d eq, Q a = α x (t c -t x) F, η = η o [1-k (T f -T o )],
где Qпп - поглощенный поток приемником, ηопт - оптический КПД, R - прямая солнечная радиация, Fпп - площадь приемной поверхности, Кгеом - геометрическая концентрация, N - мощность электрическая, ηФЭ - КПД ФЭ QФЭ - поглощенный поток фотоэлементами, Qконв - конвективные теплопотери, α - коэффициент теплоотдачи, tc, °C - средняя температура стенки приемника, ta, °C -_температура среды, V - скорость ветра, Qрад - радиационные теплопотери,_ε - степень черноты стенки, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Тс, К - средняя температура стенки приемника, Та, К -_температура среды,_Q - поток для охлаждения теплоносителем, m - массовый расход воды, ср - удельная теплоемкость, tвых, tвх - температура воды на выходе и входе приемника, W - скорость потока воды, γ - плотность воды, Fпс - площадь поперечного сечения приемника, dэкв - эквивалентный диаметр поперечного сечения приемника, v - коэффициент кинематической вязкости воды, Re - число Рейнольдса, Nu - число Нуссельта, αж - коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, tж - средняя температура воды, λж - коэффициент теплопроводности воды, Qв - тепловой поток, отводимый водой, ηt - зависимость к.п.д. ФЭ от температуры, η0 - к.п.д. ФЭ при стандартной температуре T0=298 K, Tƒ - температура ФЭ, k - температурный коэффициент.wherein Q claims - absorbed receiver stream, η opt - optical efficiency, R - the direct solar radiation, F nn - receiving surface area, K Geom - geometric concentration, N - power electric, η PV - the efficiency of the PV Q PV - absorbed flow photocells Q Conv is convective heat loss, α is the heat transfer coefficient, t c , ° C is the average temperature of the receiver wall, t a , ° C is the temperature of the medium, V is the wind speed, Q rad is the radiation heat loss, _ε is the degree of blackness of the wall, σ is Stefan-Boltzmann constant, T c, K - average temperature of the wall of the receiver, and T, K -_tempe Atur medium, _Q - flow for cooling the coolant, m - mass flow rate of water to p - specific heat, t O, t Rin - water temperature at the exit and the receiver input, W - water flow rate, γ - density of water, F ps - receiver cross-sectional area, d equiv - equivalent diameter of the receiver cross-section, v - coefficient of kinematic viscosity of water, Re - Reynolds number, Nu - Nusselt number, α w - heat transfer coefficient from wall to water, t w - average water temperature, λ w - water heat transfer coefficient, Q a - heat flux distilled water second, η t - dependence of efficiency PV from temperature, η 0 - efficiency PV at a standard temperature T 0 = 298 K, T ƒ - PV temperature, k - temperature coefficient.
Зависимость теплопроводности воды от температуры нагрева λ=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:The dependence of the thermal conductivity of water on the heating temperature λ = f (T) was obtained in accordance with the developed system of equations:
где для воды - отношение температуры плавления (К) к температуре нагрева воды (К);where for water - the ratio of the melting temperature (K) to the temperature of water heating (K);
- значение коэффициента при температуре кипения (фазового перехода ж/пар) воды Т*=Тк, (K), - coefficient value at the boiling point (phase transition w / steam) of water T * = T k , (K),
где Тпл - температура плавления, К (фазового перехода тв/ж);where T PL is the melting temperature, K (phase transition solid / f);
ΔT - температура нагрева воды, С;ΔT is the temperature of water heating, C;
Т*=Тпл+ΔТ - температура нагрева воды, К;T * = T pl + ΔT - temperature of water heating, K;
λо - теплопроводность воды (льда) при температуре плавления;λ about - thermal conductivity of water (ice) at the melting temperature;
λt - теплопроводность воды при температуре нагрева.λ t - thermal conductivity of water at a heating temperature.
Зависимость динамической вязкости воды от температуры нагрева η=f(T), получена в соответствии с разработанной системой уравнений:The dependence of the dynamic viscosity of water on the heating temperature η = f (T) was obtained in accordance with the developed system of equations:
где ηo - динамическая вязкость воды при температуре плавления;where η o is the dynamic viscosity of water at the melting temperature;
η - динамическая вязкость воды при температуре нагрева;η is the dynamic viscosity of water at a heating temperature;
Тпл - температура плавления, К;T PL - melting point, K;
ΔT - температура нагрева теплоносителя, С;ΔT - heating medium temperature, С;
Т*=Тпл+ΔТ - температура нагрева теплоносителя (К);T * = T pl + ΔT - heating temperature of the coolant (K);
- отношение температуры плавления (К) к температуре нагрева теплоносителя (К). - the ratio of the melting temperature (K) to the heating temperature of the coolant (K).
На основании приведенных формул произведен расчет зависимости характеристик солнечного модуля КПД η(T), расхода воды m(Т) от температуры.Based on the above formulas, the dependence of the characteristics of the solar efficiency module η (T) , water consumption m (T) on temperature is calculated.
На фиг. 6 представлены графики распределения температуры нагрева воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля по ширине d фокальной области.In FIG. Figure 6 shows graphs of the distribution of the module water heating temperature for various functions of the distribution of the illumination concentration on the working surface of the module photodetector over the width d of the focal region.
На фиг. 7 представлены графики зависимости температуры от расхода воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).In FIG. Figure 7 shows plots of the temperature versus module water consumption for various functions of the distribution of the illumination concentration on the working surface of the module photodetector (dots indicate experimental data).
На фиг. 8 представлены графики зависимости теплового КПД от расхода воды модуля при различных функциях распределения концентрации освещенности на рабочей поверхности фотоприемника модуля (точками обозначены экспериментальные данные).In FIG. Figure 8 shows graphs of the dependence of thermal efficiency on module water flow for various functions of the distribution of illumination concentration on the working surface of the module photodetector (dots indicate experimental data).
Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.A solar thermal photovoltaic module with a hub operates as follows.
Солнечное излучение, попадая на рабочую поверхность асимметричного параболоцилиндрического концентратора 1 солнечного модуля (фиг. 1), отражается под расчетными углами наклона таким образом, чтобы ониSolar radiation, falling on the working surface of the asymmetric
обеспечивали равномерную концентрацию лучей на фотоприемнике 3 модуля, выполненного в виде линейки шириной do и длиной L, а устройство протока теплоносителя 6 выполнено в виде трубопровода с треугольным в поперечном сечении профилем, в котором нагревается теплоноситель (вода).provided a uniform concentration of rays on the
Регулируя скорость протока и расход теплоносителя, можно оптимизировать нагрев теплоносителя, тепловой КПД (коэффициент преобразования солнечной энергии в тепловую) солнечного модуля.By adjusting the flow rate and the flow rate of the coolant, it is possible to optimize the heating of the coolant, thermal efficiency (coefficient of conversion of solar energy into thermal) of the solar module.
Пример выполнения солнечного теплового модуля с ассиметричным параболоцилиндрическим концентраторомAn example of a solar thermal module with an asymmetric parabolic cylinder concentrator
Концентратор 1 (фиг. 1) длиной L=700 мм, шириной Rмах=660 мм, высотой 350 мм выполнен из алюминиевого листа толщиной 0,3 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью закреплен на стойках 2, с расчетным рабочим профилем, обеспечивающим равномерную концентрацию лучей в продольном направлении линейчатого фотоприемника 3 модуля шириной ho=66 мм, длиной L=700 мм, с устройством протока теплоносителя 6, выполненного в виде трубопровода с треугольным профилем размером 80×80×10 мм и длиной L=700 мм, со штуцерами 6 для входа и выхода теплоносителя и закрепленного на стойках.The hub 1 (Fig. 1) with a length of L = 700 mm, a width of R max = 660 mm, a height of 350 mm is made of an aluminum sheet with a thickness of 0.3 mm with a mirror-reflecting inner surface mounted on
Средняя концентрация освещенности на поверхности фотоприемника модуля составляет К~10 крат.The average concentration of illumination on the surface of the photodetector module is K ~ 10 times.
С целью регулирования (оптимизации при различных углах поворота фотоприемника βв относительно ординаты 0Y) распределения концентрации освещенности по ширине фокального пятна линейчатый полый фотоприемник треугольной формы в поперечном сечении для протока теплоносителя закреплен поворотным вдоль цилиндрической оси устройством 4 на стойках крепления 5.For the purpose of regulation (optimization at various angles of rotation of the photodetector β in relation to the ordinate 0Y) of the distribution of the light concentration over the width of the focal spot, a ruled hollow photodetector of a triangular shape in cross section for the coolant flow is secured by a
Таким образом, предложенный модуль солнечного концентрированного излучения с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 1 обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К~10 крат на рабочей поверхности фотоприемника 3 модуля, повышая КПД преобразования солнечной энергии в тепловую за счет оптимизации распределения концентрации освещенности по ширине фокального пятна линейчатого полого фотоприемника треугольной формы для протока теплоносителя.Thus, the proposed module of concentrated solar radiation with an asymmetric
На основании приведенных расчетов в зависимости от натурных условий - плотности потока солнечного излучения, скорости ветра, температуры среды; конструктивных параметров модуля - формы и размеров концентратора и фотоприемника, оптического КПД, применяемых материалов, расхода теплоносителя (воды), - можно прогнозировать выходные энергетические параметры и эффективность работы модуля в целом.Based on the above calculations, depending on the natural conditions - the flux density of solar radiation, wind speed, ambient temperature; the design parameters of the module — the shape and dimensions of the concentrator and the photodetector, the optical efficiency, the materials used, the flow rate of the coolant (water) —it can predict the output energy parameters and the overall performance of the module.
Claims (39)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017117848A RU2670180C1 (en) | 2017-05-23 | 2017-05-23 | Solar module with asymmetric parabolic cylindrical concentrator and photo receiver with triangular profile |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017117848A RU2670180C1 (en) | 2017-05-23 | 2017-05-23 | Solar module with asymmetric parabolic cylindrical concentrator and photo receiver with triangular profile |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2670180C1 true RU2670180C1 (en) | 2018-10-18 |
Family
ID=63862454
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017117848A RU2670180C1 (en) | 2017-05-23 | 2017-05-23 | Solar module with asymmetric parabolic cylindrical concentrator and photo receiver with triangular profile |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2670180C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2206837C2 (en) * | 2001-01-19 | 2003-06-20 | Стребков Дмитрий Семенович | Solar module with concentrator (alternatives) |
US20090199892A1 (en) * | 2005-05-31 | 2009-08-13 | Farquhar Roger A | Solar earth module |
US20130192226A1 (en) * | 2012-01-05 | 2013-08-01 | Norwich Technologies, Inc. | Cavity Receivers for Parabolic Solar Troughs |
RU2554674C2 (en) * | 2013-09-13 | 2015-06-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ФГБНУ ВИЭСХ) | Thermal photoelectric module with parabolic-cylinder concentrator of solar radiation |
-
2017
- 2017-05-23 RU RU2017117848A patent/RU2670180C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2206837C2 (en) * | 2001-01-19 | 2003-06-20 | Стребков Дмитрий Семенович | Solar module with concentrator (alternatives) |
US20090199892A1 (en) * | 2005-05-31 | 2009-08-13 | Farquhar Roger A | Solar earth module |
US20130192226A1 (en) * | 2012-01-05 | 2013-08-01 | Norwich Technologies, Inc. | Cavity Receivers for Parabolic Solar Troughs |
RU2554674C2 (en) * | 2013-09-13 | 2015-06-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ФГБНУ ВИЭСХ) | Thermal photoelectric module with parabolic-cylinder concentrator of solar radiation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Verma et al. | A comprehensive analysis on advances in application of solar collectors considering design, process and working fluid parameters for solar to thermal conversion | |
US4238246A (en) | Solar energy system with composite concentrating lenses | |
US8952238B1 (en) | Concentrated photovoltaic and solar heating system | |
Wang et al. | Optical analysis of solar collector with new V-shaped CPC | |
US20120031095A1 (en) | Absorber pipe for the trough collector of a solar power plant | |
CA2409341C (en) | Radiant energy absorbers | |
WO2009108896A1 (en) | Concentrators for solar power generating systems | |
Sen et al. | Linear Fresnel mirror solar concentrator with tracking | |
Sridhar et al. | Performance of cylindrical parabolic collector with automated tracking system | |
RU2670180C1 (en) | Solar module with asymmetric parabolic cylindrical concentrator and photo receiver with triangular profile | |
Senthil et al. | Effect of once-through and recirculated fluid flow on thermal performance of parabolic dish solar receiver | |
Çetiner | Experimental and theoretical analyses of a double-cylindrical trough solar concentrator | |
US20180040794A1 (en) | Realizing the Dream of Green Energy and Making the Impossible Possible | |
Senthilkumar et al. | Design and development of a three dimensional compound parabolic concentrator and study of optical and thermal performance | |
Rajashekaraiah et al. | Optimizing the efficiency of solar flat plate collector with trapezoidal reflector | |
Maiorov et al. | Study of thermal characteristics of a heating module with parabolic trough concentrator and linear wedge-like photoelectric receiver | |
Yousef et al. | Development of solar thermal energy systems | |
CN210801629U (en) | Semicircular heat collecting tube with fins and large-opening high-condensing-ratio groove type condensing and heat collecting system | |
US20120272949A1 (en) | Parametric cylindrical solar collector having an optimised secondary reconcentrator and method for designing same | |
Cuce et al. | Performance analysis of fresnel lens driven hot water/steam generator for domestic and industrial use: A CFD research | |
Kalidasan et al. | Absorber tube with internal pin-fins for solar parabolic trough collector | |
Kumar Sahu et al. | Experimental investigations of stagnation temperature and overall heat transfer coefficient of flat receiver for solar parabolic dish concentrator system | |
RU2615242C2 (en) | Solar module havng asymmetric cylindrical parabolic solar radiation concentrator | |
Kulkarni et al. | Enhancing Performance of Solar Line Concentrator System Using Variable Concentration Ratio | |
Muthusamy | A comparative study on optical and thermal performance of parabolic trough concentrator using a bundle of absorber tubes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190524 |