солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором

Формула изобретения

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий концентратор в виде цилиндрического фоклина с поверхностью выхода излучения, на которой установлен оптический элемент в виде призмы с фотопреобразователем на ее поверхности выхода, отличающийся тем, что поверхность выхода излучения из фоклина и призмы является общей и на ней установлен фотопреобразователь, боковые поверхности оптически прозрачной призмы имеют симметричный изгиб, определяемый разными углами ₁,₂ при вершинах треугольников, образующих ее боковые поверхности, при этом ₂> ₁.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения электричества и тепла.

Известен фотоэлектрический модуль, выполненный в виде призматического концентратора, представляющего собой треугольную неподвижную призму, основание которой является поверхностью выхода излучения, где установлены фотопреобразователи (Гелиотехника, N 5, 1987, с.21-26). Призма в сечении представляет собой треугольник с углом при вершине . Работает эта призма следующим образом: солнечное излучение попадает на боковые грани призмы, преломляется и приходит на вторую грань призмы под углами полного внутреннего отражения, для чего угол при вершине подбирается определенной величины с учетом величины положения солнца. Отразившись от противоположной грани, луч попадает на основание призмы, где расположен солнечный элемент. Такой концентратор может работать длительное время в неподвижном режиме.

Недостатками известного решения являются невысокие концентрации на солнечном элементе, т.к. угол приходится брать достаточно большим, и большая неравномерность освещенности солнечного элемента в течение дня или сезона в зависимости от положения солнца на небосводе. Неравномерная освещенность солнечных элементов снижает их КПД.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный фотоэлектрический модуль, выполненный в виде концентратора на основе цилиндрического фоклина и оптического элемента в виде призмы, установленного на поверхности выхода излучения из фоклина (патент РФ N 2134849, выдан 20 августа 1999 г). Обе отражающие цилиндрические поверхности фоклина выполнены в виде параболических поверхностей, которые продольной плоскостью симметрии ориентированы с запада на восток, и плоскость симметрии установлена под углом широты местности (где используется фоклин) к горизонтальной поверхности. На поверхности выхода фоклина установлена поверхность входа трапециевидной формы, боковые поверхности которой выполнены отражающими, и фотопреобразователь установлен на меньшем основании трапеции, являющемся поверхностью выхода призмы и всего концентратора. Работает модуль следующим образом: солнечное излучение попадает на отражающие стенки фоклина, отражается, приходит на поверхность входа трапециевидной призмы, проходит ее, переотражаясь внутри, на фотопреобразователь. Такой модуль при апертурном угле 24^o обеспечивает концентрацию солнечного излучения в стационарном положении круглый год.

Недостатком известного технического решения является низкий оптический КПД системы из-за многократных отражений солнечного излучения от стенок фоклина и трапециевидной призмы. Кроме того, при отклонении лучей от оси симметрии концентратора на предельный апертурный угол 24^o освещенность фотопреобразователя имеет крайне неравномерный характер, что ухудшает КПД фотопреобразователя и уменьшает выработку электроэнергии.

Задачей изобретения является повышение КПД преобразования солнечного излучения в электричество за счет повышения оптического КПД концентратора и КПД фотопреобразователя за счет его равномерного облучения концентрированным излучением. Повышение суммарного КПД модуля ведет к увеличению вырабатываемой электроэнергии с единицы поверхности входа модуля и удешевлению ее стоимости.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем концентратор на основе цилиндрического фоклина с поверхностью выхода излучения, на которой установлена входная поверхность оптически прозрачной призмы с фотопреобразователем на ее поверхности выхода, поверхность выхода излучения у фоклина и призмы является общей и на ней установлен фотопреобразователь, боковые поверхности призмы имеют симметричный изгиб, определяемый разными углами ₁,₂ при вершинах треугольников, образующих ее боковые поверхности, при этом ₂> ₁.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображен солнечный фотоэлектрический модуль, на фиг. 2 - его общий вид.

На фиг. 1 показан солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор на основе цилиндрического фоклина 1 с поверхностью выхода излучения 2, на которой установлен оптический элемент в виде призмы 3 с фотопреобразователем 4. Поверхность выхода излучения из фоклина 1 и призмы 3 является общей и на ней установлен фотопреобразователь 4. Боковые поверхности 5 оптически прозрачной призмы 3 имеют симметричный изгиб ab, определяемый разными углами ₁,₂ при вершинах треугольников, образующих ее боковые стороны, причем ₂> ₁.

Кроме того, на фиг. 1 показаны высота оптически прозрачной призмы H; высота фоклина h; апертурный угол фоклина ; размер d поверхности выхода 2 излучения; размер d₁ в сечении ab в месте перегиба боковых поверхностей оптически прозрачной призмы 3; ось симметрии модуля OO₁. Лучи L₁ и L₂ демонстрируют принципы работы модуля.

Работает модуль следующим образом: плоскость, в которой установлена поверхность входа D, устанавливается под углом географической широты местности к горизонту. Тогда максимальный апертурный угол для всех времен года составит 23,5^o.

Рассмотрим схему прохождения лучей L₁, L₂ через концентратор.

Луч L₁ (для прицельного положения на солнце): луч попадает на отражающие стенки фоклина 1, отражается и попадает на фотопреобразователь 4. В этом случае светопропускание концентратора составит:

₁= _отрф= 0,90,96 = 0,86,

где _отр - коэффициент отражения, принятый равным 0,9; _ф - пропускание при френелевском отражении при переходе света из воздуха в оптически прозрачный материал, принятое равным 0,96.

Луч L₂ (для отклонения излучения от оси симметрии OO₁ на углы, близкие к предельным): все лучи попадают на боковые поверхности призмы 5, улавливаются ею и направляются на фотопреобразователь 4. В этом случае светопропускание концентратора составит:

₁= _пропф= 0,960,96 = 0,92,

где _проп - коэффициент пропускания призмы, принятый равным 0,96; _ф - пропускание при френелевском отражении при переходе света из воздуха в оптически прозрачный материал, принятое равным 0,96.

При других отклонениях лучей в разной степени присутствуют оба режима работы модуля, что дает светопропускание концентратора в пределах от 0,86 до 0,92. При этом первое френелевкое отражение от боковых поверхностей призмы 5 переотражается поверхностями цилиндрического фоклина 1 обратно в призму, что позволяет уменьшить френелевское отражение от боковых поверхностей призмы в 2 раза, тем самым увеличить оптический КПД концентратора до 0,88 - 0,94.

Для сравнения светопропускание прототипа составляет:

₁= _пропф²_отр= 0,990,960,81 = 0,77

при тех же значениях, входящих в формулы коэффициентов.

Пример конкретного выполнения.

Призма 3 выполнена из оптически прозрачного материала с коэффициентом преломления n = 1,49 и собрана из двух равнобедренных треугольников с углами при вершинах ₁= 5, ₂= 20. Основание нижнего треугольника, которое является поверхностью выхода излучения из призмы, d = d₂ = 1 см, а основание верхнего треугольника, совпадающее с сечением ab в месте перегиба боковых поверхностей призмы, ab = d₁ = 0,8 d = 0,8 см. Общая высота призмы составляет H = 11 см.

К поверхности выхода излучения 2 призмы примыкает цилиндрический фоклин 1 с параметрическим углом = 24. Высота фоклина h находится в пределах от 0,5H до 0,7H.

На поверхности выхода 2 призмы установлен фотоэлектрический преобразователь 4. Геометрическая концентрация модуля составляет 3,9 крат, а реальная концентрация изменяется от 3,4 до 3,6 крат.