RU2775175C1 - Solar power plant with concentrator - Google Patents

Solar power plant with concentrator Download PDF

Info

Publication number
RU2775175C1
RU2775175C1 RU2021121953A RU2021121953A RU2775175C1 RU 2775175 C1 RU2775175 C1 RU 2775175C1 RU 2021121953 A RU2021121953 A RU 2021121953A RU 2021121953 A RU2021121953 A RU 2021121953A RU 2775175 C1 RU2775175 C1 RU 2775175C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
concentrator
angle
lamellae
solar
sun
Prior art date
Application number
RU2021121953A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Семенович Стребков
Наталья Сергеевна Филиппченкова
Имран Парвизович Гаджиев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2775175C1 publication Critical patent/RU2775175C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the fields of electrical engineering and solar engineering, in particular to solar power plants with solar radiation concentrators for generating electricity and heat. The expected result is achieved by the fact that in a solar power plant with a concentrator made in the form of lamellae containing a concentrator, a radiation receiver and a sun tracking device, there is a concentrator made in the form of a linear Fresnel lens made of transparent material fixed on the working side of each lamella over the entire area of the working surface, over the entire area a sealed chamber is fixed to the surface of the radiation receiver in thermal contact, connected to the concentrator and pump through a heat-insulated pipeline to the building’s heat supply system for pumping a heat carrier transparent to solar radiation, while the angle of the height of the sun h, the angle of inclination of the lamellae α, the width of the lamellae l, the minimum distance between the lamellae d are related by the ratio:
h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°,
where l is the width of the lamellae;
d is the minimum distance between the lamellae;
h is the angle of the height of the sun;
α is the angle of inclination of the lamellae relative to the entrance surface.
EFFECT: increase in efficiency.
1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения для получения электроэнергии и тепла.The invention relates to solar engineering, in particular to solar power plants with solar radiation concentrators for generating electricity and heat.

Известен фотоэлектрический модуль для энергоснабжения, в котором солнечные элементы электроизолированы от теплообменника, пространство между солнечными элементами и теплообменником, а также между стеклянным покрытием и теплообменником заполнено слоем силоксанового геля, защитное стеклянное покрытие выполнено в виде вакуумированного стеклопакета из двух стекол, теплообменник выполнен в виде герметичной камеры с патрубками для циркуляции теплоносителя, общая площадь соединенных солнечных элементов соизмерима с площадью верхнего основания корпуса теплообменника (патент РФ № 2546332, МПК H02S 10/00, H01L 31/042, опубл. 10.04.2015, бюл. № 10).A photovoltaic module for power supply is known, in which the solar cells are electrically isolated from the heat exchanger, the space between the solar cells and the heat exchanger, as well as between the glass coating and the heat exchanger, is filled with a layer of siloxane gel, the protective glass coating is made in the form of an evacuated double-glazed window of two glasses, the heat exchanger is made in the form of a sealed chambers with nozzles for circulation of the coolant, the total area of the connected solar cells is commensurate with the area of the upper base of the heat exchanger housing (RF patent No. 2546332, IPC H02S 10/00, H01L 31/042, publ. 10.04.2015, bull. No. 10).

Недостатком известного модуля является большая материалоемкость.The disadvantage of the known module is the high material consumption.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является интегрированная в здание солнечная концентраторная энергетическая установка, содержащая концентратор энергии в виде голографической линзы, в фокальной области которой установлен теплофотоэлектрический приемник, который с концентрирующей системой интегрирован в систему солнцезащитных ламелей, имеющих следящее устройство за движением солнца (Julia

Figure 00000001
, Daniel Chemisana,
Figure 00000002
Moreno, Alberto Riverola,
Figure 00000003
Atencia and
Figure 00000004
Collados. Energy Simulation of a Holographic PVT Concentrating System for Building Integration Applications. Energies 2016, 9, 577; 25 July 2016).The closest in technical essence to the proposed invention is a solar concentrator power plant integrated into a building, containing an energy concentrator in the form of a holographic lens, in the focal region of which a thermal photoelectric receiver is installed, which, with a concentrating system, is integrated into a system of sun-protection lamellas having a tracking device for the movement of the sun ( Julia
Figure 00000001
, Daniel Chemisana,
Figure 00000002
Moreno, Alberto Riverola,
Figure 00000003
Atencia and
Figure 00000004
collados. Energy Simulation of a Holographic PVT Concentrating System for Building Integration Applications. Energies 2016, 9, 577; July 25, 2016).

Недостатками известных солнечных энергетических установок является низкая удельная мощность приемника солнечного излучения.The disadvantages of the known solar power plants is the low specific power of the receiver of solar radiation.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД солнечной энергетической установки с концентратором, снижение стоимости получаемой электроэнергии и теплоты.The objective of the invention is to increase the efficiency of a solar power plant with a concentrator, reduce the cost of electricity and heat received.

В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается производство электроэнергии и теплоты и увеличивается время работы солнечной энергетической установки с концентратором. Повышается коэффициент использования установленной мощности, увеличивается эффективность преобразования солнечной энергии, снижаются тепловые потери, увеличивается среднегодовая выработка тепловой энергии, снижается ее себестоимость за счет того, что на рабочей стороне солнечной энергетической установки с концентратором по всей площади рабочей поверхности закреплен концентратор, выполненный в виде линейной линзы Френеля из прозрачного материала, соединенной с насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя.As a result of using the proposed invention, the production of electricity and heat increases and the operating time of a solar power plant with a concentrator increases. The utilization factor of installed capacity increases, the efficiency of solar energy conversion increases, heat losses decrease, the average annual production of thermal energy increases, its cost decreases due to the fact that on the working side of the solar power plant with a concentrator, a concentrator is fixed over the entire area of the working surface, made in the form of a linear Fresnel lens made of transparent material, connected to the pump through a heat-insulated pipeline to the heat supply system of the building for pumping a coolant transparent to solar radiation.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой солнечной энергетической установке с концентратором, выполненной в виде ламелей, содержащих концентратор, приемник излучения и устройство слежения за солнцем, согласно изобретению, на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности закреплен концентратор, выполненный в виде линейной линзы Френеля из прозрачного материала, по всей площади поверхности приемника излучения в тепловом контакте закреплена герметичная камера, соединенная с концентратором и насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением:The above technical result is achieved by the fact that in the proposed solar power plant with a concentrator, made in the form of lamellas containing a concentrator, a radiation receiver and a sun tracking device, according to the invention, on the working side of each lamella, a concentrator is fixed over the entire area of the working surface, made in the form linear Fresnel lens made of a transparent material, a sealed chamber is fixed in thermal contact over the entire surface area of the radiation receiver, connected to the concentrator and the pump through a heat-insulated pipeline to the heat supply system of the building for pumping a coolant transparent to solar radiation, while the angle of the sun's height h, the angle of inclination of the lamellae α, lamella width l, minimum distance between lamellas d are related by:

h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°,h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°,

где l - ширина ламелей; where l is the width of the lamellas;

d - минимальное расстояние между ламелями; d - minimum distance between lamellas;

h - угол высоты солнца;h is the angle of the sun's height;

α - угол наклона ламелей относительно поверхности входа.α - the angle of inclination of the lamellas relative to the entrance surface.

В варианте солнечной энергетической установки с концентратором, линейная линза Френеля для прокачки теплоносителя выполнена из оптически прозрачного поликарбоната.In the variant of the solar power plant with a concentrator, the linear Fresnel lens for pumping the coolant is made of optically transparent polycarbonate.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид солнечной энергетической установки с концентратором, на фиг. 2 представлено поперечное сечение солнечной энергетической установки с концентратором, на фиг.3 показана солнечная энергетическая установка с концентратором с системой теплоснабжения здания.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a general view of a solar power plant with a concentrator, Fig. 2 shows a cross section of a solar power plant with a concentrator, Fig. 3 shows a solar power plant with a concentrator with a building heating system.

Солнечная энергетическая установка с концентратором на фиг. 1 содержит ламели 1 шириной l, на которые падает солнечное излучение 2, ламели 1 устанавливаются по вертикали на расстоянии d под углом α относительно поверхности входа, встроены в фасад здания 3 и имеют систему слежения 4 за солнцем для синхронного перемещения всех ламелей 1 вокруг горизонтальной оси 5.The solar power plant with the concentrator in Fig. 1 contains lamellas 1 of width l, on which solar radiation 2 falls, lamellas 1 are installed vertically at a distance d at an angle α relative to the entrance surface, built into the facade of the building 3 and have a sun tracking system 4 for synchronous movement of all lamellas 1 around the horizontal axis 5.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение ламели 1 солнечной энергетической установки с концентратором, которая состоит из концентратора 6, выполненного в виде линзы из прозрачного материала, последовательно скоммутированных солнечных элементов 7, электроизолированных с помощью слоя силиконового геля 8, фторсополимерной пленки 9 для покрытия тыльной части солнечных элементов 7, по всей площади поверхности солнечных элементов 7 в тепловом контакте закреплена герметичная камера 10 для прокачки прозрачного для солнечного излучения 2 теплоносителя 11. Герметичная камера 10 объединена в одном корпусе с линзой концентратора 6. Для теплоснабжения концентратор 6 соединен с насосом 12 через теплоизолированный трубопровод 13 к системе теплоснабжения 14 (фиг. 3).In FIG. 2 shows a cross-section of the lamella 1 of a solar power plant with a concentrator, which consists of a concentrator 6, made in the form of a lens of a transparent material, solar cells 7 connected in series, electrically insulated with a layer of silicone gel 8, a fluorocopolymer film 9 to cover the back of the solar cells 7 , over the entire surface area of the solar cells 7, a sealed chamber 10 is fixed in thermal contact for pumping a coolant 11 transparent to solar radiation 2. The sealed chamber 10 is combined in one housing with the lens of the concentrator 6. For heat supply, the concentrator 6 is connected to the pump 12 through a heat-insulated pipeline 13 to heating system 14 (Fig. 3).

Солнечная энергетическая установка с концентратором встроена в фасад здания и работает следующим образом.A solar power plant with a concentrator is built into the facade of the building and works as follows.

Солнечное излучение 2 под углом высоты солнца h поступает на синхронно работающие ламели 1, встроенные в фасад здания 3 и имеющие систему слежения 4 за солнцем для синхронного перемещения вокруг горизонтальной оси 5. Расстояние d по вертикали между ламелями 1, ширина l ламелей 1 и угол наклона α ламелей 1 относительно поверхности входа солнечного энергетического модуля выбираются в соответствии с выражением (1) в зависимости от значения угла высоты солнца h, характеризующего высоту солнца над горизонтом. Угол наклона α ламелей 1 относительно поверхности входа солнечной энергетической установка с концентратором корректируется в течение дня с помощью системы слежения 4 в зависимости от значений угла высоты солнца h.Solar radiation 2 at the angle of the sun's height h enters the synchronously operating lamellas 1, built into the facade of the building 3 and having a sun tracking system 4 for synchronous movement around the horizontal axis 5. The vertical distance d between the lamellas 1, the width l of the lamellas 1 and the angle of inclination α lamellas 1 relative to the input surface of the solar energy module are selected in accordance with expression (1) depending on the value of the angle of the sun's height h, characterizing the height of the sun above the horizon. The angle of inclination α of the lamellas 1 relative to the input surface of the solar power plant with the concentrator is corrected during the day using the tracking system 4 depending on the values of the angle of the sun's height h.

Последовательно соединенные электроизолированные с помощью слоя силиконового геля 8 и покрытые с тыльной части фторсополимерной пленки 9 солнечные элементы 7 расположены таким образом, что, поглощая ту часть солнечного спектра, которая необходима им для фотоэлектрического преобразования и выработки электроэнергии, они, в свою очередь, отдают тепловую энергию для нагрева теплоносителя 11 в герметичной камере 10, закрепленной по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянным защитным покрытием 6. Теплоноситель 11, циркулирует в системе теплоснабжения 14 по трубопроводу 13 с помощью насоса 12 через герметичную камеру 10, охлаждает солнечные элементы 7, за счет чего повышается эффективность их работы, увеличивается общий КПД солнечного энергетического модуля, увеличивается суммарная выработка электроэнергии, а нагретый теплоноситель используется. Выполнение модуля в виде синхронно работающих ламелей позволяет увеличить время работы и удельную мощность солнечного энергетического модуля.Solar cells 7 connected in series, electrically insulated with a layer of silicone gel and coated from the back with a fluorocopolymer film 9, are located in such a way that, absorbing that part of the solar spectrum that they need for photoelectric conversion and generating electricity, they, in turn, give off heat energy for heating the coolant 11 in a sealed chamber 10 fixed over the entire area of the working surface in thermal contact with a glass protective coating 6. The coolant 11 circulates in the heat supply system 14 through the pipeline 13 using a pump 12 through the sealed chamber 10, cools the solar cells 7, due to which the efficiency of their work increases, the overall efficiency of the solar energy module increases, the total electricity generation increases, and the heated coolant is used. The implementation of the module in the form of synchronously operating lamellas allows you to increase the operating time and specific power of the solar energy module.

Пример выполнения солнечного энергетической установки с концентратором.An example of a solar power plant with a concentrator.

Солнечная энергетическая установка с концентратором встроена в южный фасад здания. Размеры: высота 6 м, длина 10 м, расстояние между ламелями d составляет 0,2 м. Пиковая электрическая мощность солнечной энергетической установки с концентратором составляет 15 кВт, тепловая - 30 кВт.A solar power plant with a concentrator is built into the southern facade of the building. Dimensions: height 6 m, length 10 m, the distance between the lamellas d is 0.2 m. The peak electric power of the solar power plant with a concentrator is 15 kW, the thermal power is 30 kW.

В таблице 1 представлены результаты компьютерного моделирования годовых сумм инсоляции в целом за год в кВт⋅ч/м2 при различной ориентации солнечных модулей для г. Перово (Крым).Table 1 presents the results of computer simulation of annual insolation amounts for the whole year in kWh/m 2 with different orientation of solar modules for the city of Perovo (Crimea).

Расчётные годовые значения инсоляции (кВт⋅ч/м2)Estimated annual insolation values (kW⋅h/m 2 )

в окрестностях г. Перово (Республика Крым)in the vicinity of Perovo (Republic of Crimea)

Угол установки модуля к горизонту, град.Module installation angle to the horizon, deg. 9090 8585 8080 7575 Плоский модульflat module 1073,01073.0 1172,01172.0 1264,41264.4 1348,41348.4 l = 2 мl = 2 m 1822,51822.5 2278,62278.6 2617,72617.7 3299,33299.3 l = 5 мl = 5 m 2079,82079.8 2600,32600.3 2987,22987.2 3200,33200.3 l = 20 мl = 20 m 2180,62180.6 2726,32726.3 3132,03132.0 3355,43355.4

Интеграция солнечного энергетического модуля в южный фасад здания позволяет сократить влияние солнечного излучения в летнее время и увеличить его доступ зимой, что в среднем на 30-40% сокращает потребление электроэнергии на кондиционирование и отопление.The integration of a solar energy module into the southern facade of the building allows to reduce the influence of solar radiation in summer and increase its access in winter, which on average reduces electricity consumption for air conditioning and heating by 30-40%.

Claims (7)

1. Солнечная энергетическая установка с концентратором, выполненная в виде ламелей, содержащих концентратор, приемник излучения и устройство слежения за солнцем, отличающаяся тем, что на рабочей стороне каждой ламели по всей площади рабочей поверхности закреплен концентратор, выполненный в виде линейной линзы Френеля из прозрачного материала, по всей площади поверхности приемника излучения в тепловом контакте закреплена герметичная камера, соединенная с концентратором и насосом через теплоизолированный трубопровод к системе теплоснабжения здания для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, при этом угол высоты солнца h, угол наклона ламелей α, ширина ламелей l, минимальное расстояние между ламелями d связаны соотношением:1. A solar power plant with a concentrator, made in the form of lamellas containing a concentrator, a radiation receiver and a sun tracking device, characterized in that on the working side of each lamella, a concentrator is fixed over the entire working surface area, made in the form of a linear Fresnel lens made of transparent material , a sealed chamber is fixed in thermal contact over the entire surface area of the radiation receiver, connected to the concentrator and the pump through a heat-insulated pipeline to the heat supply system of the building for pumping a coolant that is transparent to solar radiation, while the angle of the sun's height h, the angle of inclination of the lamellas α, the width of the lamellas l, the minimum distance between the lamellas d are related by the relation: h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°, h=2α+arctg(sinα/(d/l-cosα))-180°, где l – ширина ламелей;where l is the lamella width; d – минимальное расстояние между ламелями; d is the minimum distance between the lamellas; h – угол высоты солнца; h is the angle of the sun's height; α – угол наклона ламелей относительно поверхности входа.α is the angle of inclination of the slats relative to the entrance surface. 2. Солнечная энергетическая установка с концентратором по п.1, отличающаяся тем, что линейная линза Френеля для прокачки теплоносителя выполнена из оптически прозрачного поликарбоната.2. A solar power plant with a concentrator according to claim 1, characterized in that the linear Fresnel lens for pumping the coolant is made of optically transparent polycarbonate.
RU2021121953A 2021-07-23 Solar power plant with concentrator RU2775175C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2775175C1 true RU2775175C1 (en) 2022-06-28

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2199704C2 (en) * 2001-04-12 2003-02-27 Соболев Валериан Маркович Heliopower plant
RU2546332C1 (en) * 2013-12-11 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ФГБНУ ВИЭСХ) Hybrid photo electric module
RU2694066C1 (en) * 2018-10-04 2019-07-09 Дмитрий Семенович Стребков Solar house
EP2518780B1 (en) * 2009-12-25 2020-02-26 Changzhou Hetong Purun Energy Technology, Co. Ltd. Solar photovoltaic cell high efficiency radiating device and combination heat power system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2199704C2 (en) * 2001-04-12 2003-02-27 Соболев Валериан Маркович Heliopower plant
EP2518780B1 (en) * 2009-12-25 2020-02-26 Changzhou Hetong Purun Energy Technology, Co. Ltd. Solar photovoltaic cell high efficiency radiating device and combination heat power system
RU2546332C1 (en) * 2013-12-11 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ФГБНУ ВИЭСХ) Hybrid photo electric module
RU2694066C1 (en) * 2018-10-04 2019-07-09 Дмитрий Семенович Стребков Solar house

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Building integrated solar concentrating systems: A review
Herez et al. Review on photovoltaic/thermal hybrid solar collectors: Classifications, applications and new systems
Sharaf et al. Concentrated photovoltaic thermal (CPVT) solar collector systems: Part II–Implemented systems, performance assessment, and future directions
US8952238B1 (en) Concentrated photovoltaic and solar heating system
CA2783457C (en) Concentrated photovoltaic and thermal system
RU2694066C1 (en) Solar house
KR20110068840A (en) Utilizing reflected light type solar module system
Tripanagnostopoulos New designs of building integrated solar energy systems
JP2013194936A (en) Linear solar collecting device and solar collecting power generation system
RU2775175C1 (en) Solar power plant with concentrator
RU2762310C1 (en) Solar energy module built into the building facade
US20130340431A1 (en) Method and apparatus for collecting solar thermal energy
RU2755657C1 (en) Solar hybrid power installation for buildings
RU2172903C1 (en) Solar module with concentrator
WO2017099615A1 (en) The photovoltaic module with a cooling system
WO2017168277A1 (en) Hybrid solar roof panel
RU2225966C1 (en) Solar unit with concentrator
RU2763781C1 (en) Hybrid solar module
RU2731162C1 (en) Hybrid photoelectric module
Yousef et al. Development of solar thermal energy systems
RU188073U1 (en) Thermophotoelectric planar roofing panel
RU2576072C2 (en) Solar module with concentrator and method of making same
US11118814B2 (en) Solar collector with reflecting surfaces
RU2338129C1 (en) Solar house (versions)
RU2755204C1 (en) Solar house