гелиоэнергетический модуль для преобразования электромагнитного излучения от удаленного источника светового излучения (варианты)

Формула изобретения

1. Гелиоэнергетический модуль для преобразования электромагнитного излучения от удаленного источника светового излучения, содержащий порядно расположенные на опорной поверхности несущей конструкции солнечные панели с боковыми отражателями, прозрачными для ИК диапазона волн, смонтированными попарно наклонно к фоточувствительной поверхности солнечных панелей в межрядных промежутках последних, и тепловые коллекторы, размещенные под парно расположенными боковыми отражателями, отличающийся тем, что он снабжен плоскими отражающими элементами, при этом тепловые коллекторы смонтированы в срединной области наклонных отражателей, плоские отражающие элементы закреплены вдоль обращенных друг к другу боковых поверхностей солнечных панелей и попарно оптически сопряжены с тыльной стороной тепловых коллекторов.

2. Гелиоэнергетический модуль по п.1, отличающийся тем, что тыльная сторона тепловых коллекторов выполнена диффузной и со светопоглощающим покрытием.

3. Гелиоэнергетический модуль по п.1, отличающийся тем, что линейный размер k тепловых коллекторов в поперечном сечении выбран исходя из условия:

k=2S/1+2cos ,

где - угол наклона бокового отражателя к плоскости нормальной опорной поверхности несущей конструкции,

2S - суммарная проекция боковых отражателей на опорную плоскость.

4. Гелиоэнергетический модуль для преобразования электромагнитного излучения от удаленного источника светового излучения, содержащий порядно расположенные на опорной поверхности несущей конструкции солнечные панели с боковыми отражателями, прозрачными для ИК диапазона волн, смонтированными попарно наклонно к фоточувствительной поверхности солнечных панелей в межрядных промежутках последних, и коллекторы с каналами для прохода теплоносителя, размещенные под парно расположенными боковыми отражателями, отличающийся тем, что он снабжен концентратором световой энергии в виде светоотражающих элементов желобообразной формы, размещенных в межрядных промежутках солнечных панелей, тепловые коллекторы установлены в области фокальных линий концентраторов световой энергии, а на их тыльной стороне предусмотрены прозрачные окна, для прохода световой энергии в каналы для прохода теплоносителя.

5. Гелиоэнергетический модуль по п.4, отличающийся тем, что задние стенки каналов коллекторов и их прозрачные окна выполнены по коаксиально расположенным дугам, выпуклым в сторону светоотражающих элементов желобообразной формы.

6. Гелиоэнергетический модуль по п.4, отличающийся тем, что боковые стенки каналов коллекторов выполнены наклонными к продольной плоскости симметрии светоотражающих элементов желобообразной формы.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в электростанциях для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую.

Известны устройства, содержащие солнечные панели, которые осуществляют преобразование солнечной энергии в электрическую, см., например, Пат. 5647915, США, МПК Е04D 13/18; Пат. 2127008, Россия, МПК Н01L 31/05; Пат. 5697192, США, МПК Е04D 13/18, Н01L 31/048.

Недостатком таких устройств является относительная низкая эффективность использования солнечной панелей из-за низкой плотности солнечного излучения, поступающего на фоточувствительную поверхность этих панелей.

Известны фотоэлектрические модули, которые снабжены различными концентраторами, повышающими эффективность использования солнечных панелей, см., например, Пат.2137258, Россия, МПК Н01L 31/042; Пат. 2130669, Россия, МПК Н01L 31/042, 31/18; Пат. 2133415, Россия, МПК F24J 2/42, 2/08, Н02N 6/00.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению, выбранному авторами за прототип, является гелиоэнергетический модуль, содержащий порядно расположенные на опорной поверхности несущей конструкции солнечные панели с боковыми отражателями, прозрачными для ИК диапазона волн, смонтированными попарно наклонно к фоточувствительной поверхности солнечных панелей в межрядных промежутках последних, и тепловые коллекторы, размещенные под парно расположенными боковыми отражателями, см. научно-технический межотраслевой журнал «Интеграл», №2 (22), март - апрель 2005 г., стр.9-12, фото 3, 4 (заявка №2004120694/06 от 06.07.2004 г., МПК F24J 2/14, 2/42, 2/08).

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность использования солнечной энергии, связанная с относительно невысокой температурой нагрева теплоносителя, проходящего через тепловые коллекторы, обусловленной низкой плотностью ИК излучения на поглощающей поверхности тепловых коллекторов.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении эффективности использования солнечной энергии путем увеличения температуры нагрева теплоносителя на выходе тепловых коллекторов.

В соответствии с предполагаемым изобретением указанный технический результат достигается тем, что в гелиоэнергетический модуль для преобразования электромагнитного излучения от удаленного источника светового излучения, содержащий порядно расположенные на опорной поверхности несущей конструкции солнечные панели с боковыми отражателями, прозрачными для ИК диапазона волн, смонтированными попарно наклонно к фоточувствительной поверхности солнечных панелей в межрядных промежутках последних, и тепловые коллекторы, размещенные под парно расположенными боковыми отражателями, введены плоские отражающие элементы, при этом тепловые коллекторы смонтированы в срединной области наклонных отражателей, плоские отражающие элементы закреплены вдоль обращенных друг к другу боковых поверхностей солнечных панелей и попарно оптически сопряжены с тыльной стороной тепловых коллекторов.

Кроме того, тыльная сторона тепловых коллекторов выполнена диффузной и со светопоглощающим покрытием.

Кроме того, линейный размер k тепловых коллекторов в поперечном сечении выбран исходя из условия:

k=2S/1+2cos

где - угол наклона бокового отражателя к плоскости нормальной опорной поверхности несущей конструкции,

2S - проекция боковых отражателей на опорную плоскость.

В варианте исполнения гелиоэнергетический модуль для преобразования электромагнитного излучения от удаленного источника светового излучения, содержащий порядно расположенные на опорной поверхности несущей конструкции солнечные панели с боковыми отражателями, прозрачными для ИК диапазона волн, смонтированными попарно наклонно к фоточувствительной поверхности солнечных панелей в межрядных промежутках последних, и коллекторы с каналами для прохода теплоносителя, размещенные под парно расположенными боковыми отражателями, снабжен концентратором световой энергии в виде светоотражающих элементов желобообразной формы, размещенных в межрядных промежутках солнечных панелей, тепловые коллекторы установлены в области фокальных линий концентраторов световой энергии, а на их тыльной стороне предусмотрены прозрачные окна для прохода световой энергии в каналы для прохода теплоносителя.

Кроме того, задние стенки каналов коллекторов и их прозразные окна выполнены по коаксиально расположенным дугам, выпуклым в сторону светоотражающих элементов желобообразной формы.

Кроме того, боковые стенки каналов коллекторов выполнены наклонными к продольной плоскости симметрии светоотражающих элементов желобообразной формы.

На фиг.1 схематически изображен общий вид гелиоэнергетического модуля для преобразования электромагнитного излучения.

На фиг.2 показан ход солнечных лучей, поступающих на боковые отражатели, расположенные между двумя соседними солнечными панелями, и через плоские отражающие элементы, поступающие на тепловой коллектор.

На фиг.3 показан ход солнечных лучей через элементы в варианте исполнения гелиоэнергетического модуля.

Гелиоэнергетический модуль (см. фиг.1) включает в себя несущую конструкцию 1, на опорной поверхности 2 которой закреплены солнечные панели 3 прямоугольной формы с боковыми отражателями 4.

Боковые отражатели 4 смонтированы наклонно к фоточувствительной поверхности панелей 3 и установлены в межрядных промежутках панелей 3. Боковые отражатели 4 выполнены в виде полупрозрачных пластин, с отражающим покрытием селективным к диапазону длин волн преобразуемого электромагнитного излучения (отражатели 4 выполнены прозрачными для ИК диапазона спектра входного излучения).

Под боковыми отражателями 4 установлены плоские отражающие элементы 5, которые закреплены вдоль обращенных друг к другу боковых поверхностей солнечных панелей 3.

Плоские отражающие элементы 5 попарно оптически сопряжены с тыльной стороной тепловых коллекторов 6, которые смонтированы в срединной области наклонных боковых отражателей 4. Тыльная сторона тепловых коллекторов 6 выполнена диффузной и со светопоглощающим покрытием (для увеличения коэффициента поглощения световой энергии).

Линейный размер k тепловых коллекторов 6 в поперечном сечении выбран исходя из оптимального условия;

k=2S/1+2cos

где - угол наклона бокового отражателя 4 к плоскости нормальной опорной поверхности 2 несущей конструкции 1,

2S - суммарная проекция боковых отражателей 4 на опорную плоскость 2.

Предлагаемый гелиоэнергетический модуль работает следующим образом.

После ориентации модуля в направлении источника электромагнитного излучения - Солнце (система ориентации на графических материалах условно не показана) входное излучение поступает на солнечные панели 3 и на боковые отражатели 4, которые отражают лучи видимого и ультрафиолетового диапазона на солнечные панели 3. Боковые отражатели 4 выполнены прозрачными для ИК диапазона солнечного излучения.

Ход лучей ИК диапазона, прошедших через боковые отражатели 4, показан на чертеже пунктирными линиями (см. фиг.2).

Центральная часть пучка ИК диапазона попадает на фронтальную поверхность теплового коллектора 6 и нагревает эту поверхность.

При этом боковые пучки (A₁A и D ₁D) поступают на плоские отражающие элементы 5, которые переотражают их на тыльную сторону теплового коллектора 6, выполненную диффузной и со светопоглощающим покрытием, чем осуществляют ее нагрев. Таким образом, обе поверхности теплового коллектора 6 нагреваются под действием ИК излучения, соответственно, с двух сторон происходит нагрев теплоносителя, проходящего через тепловой коллектор 6.

Так как облучаемая поверхность теплового коллектора 6 существенно меньше, чем в известном гелиоэнергетическом модуле (и дополнительно выполнена диффузной и со светопоглощающим покрытием), то пропорционально уменьшению ее площади увеличивается средняя плотность воздействующего ИК излучения, за счет чего возрастает температура нагрева теплоносителя.

На фиг.2 схематически представлено размещение теплового коллектора 6 под боковыми отражателями 4, обеспечивающее максимальную плотность излучения на поглощающей поверхности. Для достижения максимальной плотности излучения должны выполняться два условия: все входное излучение ИК диапазона волн должно попасть на поверхность теплового коллектора 6, при этом площадь его поглощающей поверхности должна быть минимизирована. В этом случае левый крайний луч A₁A на плоском отражающем элементе 5 должен попасть в левую крайнюю точку - т.Е теплового коллектора 6, а крайний правый луч D ₁D соответственно в т.F.

Соотношение между размером плоского отражающего элемента 5 и минимально возможной площадью теплового коллектора 6 можно определить из треугольника ADM (см. фиг.2). По теореме синусов имеем:

или

где m - поперечный размер плоского отражающего элемента 5,

k - поперечный размер теплового коллектора 6,

- угол наклона бокового отражателя 4 к плоскости нормальной опорной поверхности 2 несущей конструкции 1,

0,5 - угол наклона плоского отражающего элемента к опорной поверхности 2.

Из чертежа видно, что поперечный размер теплового коллектора 6 и проекции боковых отражателей 4 и плоских отражающих элементов 5 связаны зависимостью:

где 2S - суммарная проекция боковых отражателей 4.

Подставляя значение m из (3) в (4), получим:

Таким образом, оптимальный поперечный размер k теплового коллектора 6 однозначно определяется исходя из размера проекции боковых отражателей 4 и их угла наклона к нормали опорной поверхности 2. При поперечном размере коллектора 6, меньшем k, часть входного излучения ИК диапазона будет не задействована, проходя мимо его тыльной поверхности.

Вся совокупность тепловых коллекторов 6, установленных под боковыми отражателями 4, соединена между собой последовательно (или последовательно-параллельно), а через их полости пропускается вода или другой теплоноситель, после нагрева поступающий к потребителю.

Гелиоэнергетический модуль для преобразования электромагнитного излучения по варианту исполнения допускает дальнейшее уменьшение размеров тепловых коллекторов 6, что повышает плотность излучения ИК диапазона.

Гелиоэнергетический модуль по другому варианту исполнения (фиг.3) включает в себя расположенные на опорной поверхности 2 несущей конструкции 1 солнечные панели 3 с боковыми наклонными отражателями 4, прозрачными для солнечного излучения ИК диапазона длин волн, смонтированными попарно в межрядных промежутках солнечных панелей 3 наклонно к их рабочей поверхности. Коллекторы 6(1) с каналами 7 для прохода теплоносителя 8 размещены под попарно расположенными боковыми отражателями 4 в области фокальных линий концентраторов 5(1) световой энергии в виде светоотражающих элементов желеобразной формы, смонтированных в межрядных промежутках солнечных панелей 3.

На тыльной стороне коллекторов 6(1) предусмотрены прозрачные окна 9 для прохода световой энергии и ее подачи через теплоноситель 8 на дальние от концентраторов 5(1) внутренние стенки каналов 7. Внутренняя поверхность вышеуказанных стенок для оптимизации условий теплообмена (за счет повышения коэффициента поглощения световой энергии) может быть выполнена диффузной и со светопоглощающим покрытием. Такую поверхность можно получить следующим образом: изготавливают из меди или медного сплава (например, Л63 или ЛС59) корпус теплового коллектора 6(1), затем пескоструят крупнозернистым песком внутреннюю поверхность канала 7 коллектора 6(1) и наносят светопоглощающее покрытие путем хромового, черного, катодного восстановления (например, Н6.Х3.4).

Боковые стенки каналов 7 коллектора 6(1) смонтированы наклонно к продольной плоскости А симметрии концентраторов 5(1), а прозрачные окна 9 и задние стенки каналов 7 выполнены по коаксиально расположенным дугам, выпуклым в сторону концентраторов 5(1) (для уменьшения рассеивания световой энергии).

Функционирование модуля осуществляется следующим образом. После ориентации модуля на источник электромагнитного излучения (Солнце) световое излучение подается на солнечные панели 3 и боковые отражатели 4, прозрачные для ИК диапазона волн.

Солнечные панели 3 осуществляют прямое преобразование световой энергии видимого и УФ диапазонов волн в электрическую, а излучение ИК диапазона, прошедшее через отражатели 4 и переотражаясь от концентраторов 5(1), подается на задние стенки каналов 7 коллекторов 6(1) через прозрачные окна 9 и теплоноситель 8 (см. фиг.3).

Часть светового излучения ИК диапазона при прохождении через теплоноситель 8 (вода) поглощается им, осуществляя его интенсивный нагрев, а световой поток, достигший задней стенки каналов 7, осуществляет нагрев корпуса коллекторов 6(1), которые путем теплообмена осуществляют дополнительный нагрев теплоносителя 8.

После нагрева теплоносителя 8 осуществляется его подача потребителю.

Из вышеприведенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущества по сравнению с известным, за счет особого расположения основных функциональных узлов производится дополнительный нагрев тыльной поверхности теплового коллектора. Кроме того, за счет уменьшения поглощающей поверхности коллектора при сохранении энергии входного потока увеличивается плотность ИК излучения на этой поверхности, что позволяет повысить t° теплоносителя.

Как видно из уравнения (5), поперечный размер одной стороны коллектора k, например, при угле наклона бокового отражателя =30° составит 0,73S, соответственно сумма фронтальной и тыльной поверхностей составит 1,46S против 4S в известном устройстве, что приводит к увеличению плотности светового потока и соответствующему увеличению нагрева поглощающей поверхности в 2,75 раза.

В гелиоэнергетическом модуле по варианту исполнения уменьшение площади поглощающей поверхности коллектора еще более существенно.

Следовательно, предложенные технические решения при использовании дают технический результат, заключающийся в повышении эффективности использования солнечной энергии путем увеличения температуры нагрева теплоносителя на выходе тепловых коллекторов.

По материалам заявки на предприятии в настоящее время изготовлены макетные образцы установки, которые при испытаниях подтвердили достижение вышеуказанного технического результата.