Теплофотоэлектрический модуль с концентратором солнечного излучения

Полезная модель относится к гелиотехнике и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками и концентраторами солнечного излучения в виде параболоидов.

Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение работы солнечного тепло-фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерного освещения фотоэлектрического приемника, получение на одном ФЭП (модуле) технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования; получения горячего водоснабжения и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом теплофотоэлектрическом модуле с параболоторическим концентратором солнечного излучения, состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и тепло-фотоэлектрического приемника расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения, теплофотоэлектрический модуль содержит параболоторический концентратор и цилиндрический теплофотоэлектрический приемник с устройством охлаждения, установленный в фокальной области, концентратор, представляющий тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящий из нескольких зон (a-b, b-c, c-d), выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в двух фокальных областях из отдельных зон концентратора:

- форма отражающей поверхности зон а-b, b-с нижней части концентратора Х(У) определяется системой уравнений соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрической части тепло-фотоэлектрического приемника, выполненного в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной h _o и радиусом r_o,

, X_n=R_n-(k-1)r_o, R _n=2f_o(tg_n+cos_n), =_o/N, _n=(n-N/2), X*=2f₁Q[(1+1/Q²)½-1], Q=B/r_o, B=h_o+h, Y*=X*²/4f ₁, Y*_n=Y*n, X_n=[4f₁(Y*+Y*_n)]½, Y=P[1±(1-4R/P²)½]/2, P=L+Y_b , L=f_o+h+h_o/2,

где _n - угол (в зоне рабочего профиля концентратора а-с) между уровнем ординаты в точке координат Х_n, У_n и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f_o лучем, приходящим в фокальную область шириной h_o, расположенной на радиусе r_o цилиндрического фотоэлектрического приемника в интервалах =_o/N, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3N,

значения параметров f_o, f ₁, k выбираются в соответствии с граничными условиями,

геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника К_n в интервалах радиуса концентратора X_n=X_n-X_n-1 равна:

- форма отражающей поверхности зоны c-d верхней части концентратора Х(У) определяется системой уравнений соответствующей условию равномерной освещенности тепловой части, (торцевой поверхности) цилиндрического тепло-фотоэлектрического приемника радиусом r_o:

X_в²=4f_вY_в, X_в =R_в+r_o, X_вn=2f_в(tgy _вn+1/cosy_вn), f_в=Y_o-X _otg_в, tg_в=(Y_o-H_в)/R_o , r_oв=r_в-h/tgy_в, R_в=R_max, tgy _в=(H_в-f_в)/(r_в-r_o )=h_в/(r_в-r_oв),

где _в - угол (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) между уровнем ординаты Y=f_в и отраженным от поверхности параболы в точке координат Х_о, У_о с фокусным расстоянием f_в лучем, приходящим в фокальную область на торцевой поверхности цилиндрического тепло-фотоэлектрического приемника радиусом r_o, _n - угол (в зоне рабочего профиля концентратора c-d) между уровнем ординаты в точке координат Х=0, У=Н_в и отраженным от поверхности параболы в точке координат Х _о, У_о с фокусным расстоянием f_в лучем, приходящим в фокальную область на торцевой поверхности цилиндрического тепло-фотоэлектрического приемника радиусом r_o в интервалах r_n=r_oвn/N, где n выбирается из ряда целых чисел n=1, 2, 3N, при этом значения параметров f₁, r_ов выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности фотоэлектрического приемника К _n в интервалах радиуса концентратора X_n=X_n-X_n-1 равна:

Полезная модель относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами.

Известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде параболоида (Стребков Д.С., Росс М.Ю., Джайлани А.Т., Митина И.В. «Солнечная установка с концентратором». Патент РФ 2396493, Бюл. 22, 2010). Недостатками известных солнечных модулей, имеющих концентраторы, создающие в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы кремниевыми планарными ФЭП.

Нам более близким к предлагаемой полезной модели является солнечный фотоэлектрический модуль, состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрический преобразователя расположенного в фокальной плоскости с равномерным распределением концентрированного излучения (Арбузов Ю.Д., Бабаев Ю.А., Евдокимов В.М., Левинскас А.Л., Майоров В.А., Ясайтис Д-Ю.Ю. «Концентратор солнечной энергии». Патент СССР 1794254, 3.04.91.).

Недостатками известного солнечного фотоэлектрического модуля являются:

- снижение КПД планарными кремниевыми фотоэлектрическими приемниками ФЭП при высоких концентрациях солнечного излучения;

- расположение оптического фокуса на оси фотоэлектрического модуля и концентрическое распределение освещенности поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП);

- низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 В) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле, чтобы набрать напряжение 12 В и выше, приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п. Последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.

Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение работы солнечного тепло-фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерного освещения фотоэлектрического приемника, получение на одном ФЭП (модуле) технически приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования; получения горячего водоснабжения и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемой полезной модели - на боковой поверхности цилиндрического тепло-фотоэлектрического приемника с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями формируется равномерная освещенность концентрированного излучения; на торцевой поверхности цилиндрического тепло-фотоэлектрического приемника формируется освещенность концентрированного излучения для нагрева проточной воды.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом теплофотоэлектрическом модуле с концентратором солнечного излучения, состоящем из параболоидного концентратора и теплофотоэлектрического приемника расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения, согласно изобретению, теплофотоэлектрический приемник выполнен цилиндрическим с устройством охлаждения и установлен в фокальной области, а параболоидный концентратор представляет собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоит из нескольких зон (a-b, b-c, c-d) и выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в двух фокальных областях из отдельных зон концентратора, при этом форма отражающей поверхности зоны b-c концентратора Х(Y) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрической части цилиндрического теплофотоэлектрического приемника, выполненного из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей длиной h_o и радиусом r_o, Y_n =R_n²/4f_o,

где Y_n - ордината рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке n, которая выбирается из ряда целых чисел n=1,2,3N, R_n - радиус рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке n, f_o - фокусное расстояние рассчитываемой параболы;

X_n =R_n-(k-1)r_o,

где Х_n - абсцисса рассчитываемой параболы, k - произвольный коэффициент;

Rn=2fo( tg_n+cos_n),

где n - угол между уровнем ординаты в точке координат Хn,Уn и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f_о лучем, приходящим в фокальную область, расположенной на радиусе r_o цилиндрического теплофотоэлектрического приемника;

_n=_о(n-N/2)/N,

где _o - угол между отраженным лучем в точке b и отраженным лучем в точке с поверхности параболы ,

форма отражающей поверхности зоны a-b, концентратора Х(Y) определяется системой уравнений

X*_n²=4f₁Y* _n,

где Х*_n - абсцисса рассчитываемой параболы в точке n, где n выбирается из ряда целых чисел n=1,2,3N, f₁ - фокусное расстояние рассчитываемой параболы, , Y*_n - ордината рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке n по формуле

Y*_n = {[f₁Q²(1+1/Q ²)^1/2 - 1] + n P/2[1+(1 - 4R/P² )^1/2]}, где

Q - параметр соответствующий значению

Q=(h_o -h)/r_o,

где h_o -длина, r_o - радиус теплофотоэлектрического приемника, h - расстояние от торцевой поверхности теплофотоэлектрического приемника до фокуса рассчитываемой параболы, Р - параметр соответствующий значению

P =Y_b+f_o+h+h _o/2,

где Y_b - ордината в точке координат Хb, Yb параболы с фокусным расстоянием f_о , R - параметр, соответствующий значению

R =Y _c(f_o+h+h_o/2) - X_c²/4,

где Y_c - ордината, Х_с- абсцисса в точке координат Хc, Yc параболы с фокусным расстоянием f_о,

геометрическая концентрация освещенности K_n теплофотоэлектрического приемника рассчитывается по формуле

K_n =(R_n+1²-R_n²) n/ d₀,

где R_n - радиус параболоидной поверхности концентратора в точке n,

R_n+1 радиус рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке n+1,

d₀ = r₀ h₀

форма отражающей поверхности зоны c-d концентратора Х(Y) определяется системой уравнений соответствующей условию равномерной освещенности тепловой части (торцевой поверхности) цилиндрического теплофотоэлектрического приемника радиусом r_в :

X² _в4f_вY_{в ,}

где Y _в - ордината, Х_в - абсцисса рассчитываемой параболы в точке n

f_в - фокусное расстояние параболы ;

X_вn=2 f_в(tg_вn+1/cos_вn),

где _вn - угол между уровнем ординаты в Y=f_в и отраженным от поверхности параболы, приходящим в n - ю фокальную область в пределах значений радиуса от 0 до r_ов - радиус фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника в интервалах r_n=r_oвn/N, где n выбирается из ряда целых чисел n=1,2,3N;

f_в=Y₀-X ₀tg_в,

где _в - угол между уровнем ординаты Y=f_в и отраженным от поверхности параболы в точке координат Х ₀,У₀ с фокусным расстоянием f_в лучем, приходящим в фокальную область на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника радиусом r_о;

tg_в=(Y₀-H_в)/R₀ ,

где H_в - уровень расположения торцевой части теплофотоэлектрического приемника в координатах Х,У, R ₀- радиус рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке с;

r_oв=r _в-(H-f_в)/tg _в,

где r_ов - радиус фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника, r_в - расстояние от оси ОУ до фокусного расстояния рассчитываемой параболы, _в - угол между уровнем ординаты в Y=f_в и отраженным от поверхности параболы в точке координат Хd,Уd с фокусным расстоянием f_в лучем, приходящим в центр фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического тепло-фотоэлектрического приемника;

при этом значения параметров f_в, r_oв выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника K_n в интервалах радиуса концентратора X_n=X_n - X_n-1 рассчитывается по формуле

K_n=(R² _n+1-R²_n)/(r_n+1+r_n ) r_n,

где R_n - радиус параболоидной поверхности концентратора в точке n, R_n+1 - радиус параболоидной поверхности концентратора в точке n+1, r_n - радиус фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического тепло-фотоэлектрического приемника в точке n, r_n+1 - радиус фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника в точке n+1, r_n соответствует значению r_n = r_n+1- r_n.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5.

На фиг.1 представлена схема конструкции тепло-фотоэлектрического модуля с составным параболоидным концентратором с равномерным распределением концентрированного излучения на двух поверхностях теплофотоэлектрического приемника.

На фиг.2 представлен ход лучей от параболоидного концентратора до теплофотоэлектрического приемника.

На фиг.3 представлена форма отражающей поверхности нижней части параболоидного концентратора.

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности на фотоэлектрической части теплофотоэлектрического приемника модуля от ширины фокальной области на боковой поверхности цилиндра.

На фиг.5 представлена форма отражающей поверхности верхней части параболоидного концентратора.

На фиг.6 представлен график распределения концентрации освещенности на тепловой части теплофотоэлектрического приемника модуля от ширины фокальной области на боковой поверхности фотоприемника.

Фотоэлектрический модуль на фиг.1 состоит из составного параболоидного концентратора, нижняя часть 1 которого создает фокальную область на поверхности теплофотоэлектрического модуля 2 на его цилиндрической фотоэлектрической части 3 высотой h _o, радиусом r_o; верхняя часть 4 создает фокальную область на тепловой части торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника 5 радиусом r_o и расположенного в нижней части устройством охлаждения 6.

Параболоидный концентратор теплофотоэлектрического модуля на фиг.2 состоит из трех зон с рабочими профилями: - зоны а-b и b-с нижней части 1 концентратора, концентрирует солнечное излучение в фокальной области на боковой поверхности теплофотоэлектрического приемника 2 его цилиндрической фотоэлектрической части 3 высотой h_o, радиусом r_o; - зона с-d верхней части 4 концентратора концентрирует солнечное излучение в фокальной области на торцевую поверхность 5 теплофотоэлектрического приемника 3.

На основании приведенных формул произведен расчет формы отражающей поверхности нижней части концентратора 1 - график зависимости Х(У) (фиг.3) и верхней части концентратора 4 - график зависимости Х(У) (фиг.5).

На фиг.4 представлен график распределения концентрации освещенности (от зон а-b, b-с нижней части концентратора 1) на боковой поверхности цилиндрического фотоэлектрического приемника 3 от ширины фокальной области (от 0 до h_o) в относительных единицах (от 0 до 1).

На фиг.6 представлен график распределения концентрации освещенности (от зон c-d верхней части концентратора 4) на торцевой поверхности цилиндрического фотоэлектрического приемника 5 от ширины фокальной области (от 0 до h_o ) в относительных единицах (от 0 до 1).

При уменьшении высоты h_o фотоэлектрического приемника 3, т.е. при уменьшении площади фотоэлектрического преобразователей происходит увеличение концентрации освещенности фотоэлектрического приемника 3.

Таким образом, можно изменять концентрацию освещенности фотоэлектрического приемника 3, не меняя габаритных размеров концентратора 1 и выбранный тип фотоэлектрических преобразователей.

Из приведенных характеристик видно, что изменение концентрации освещенности по ширине фокальной области тепло-фотоэлектрического преемника 2 не превышает 40%, что не влияет на электрофизические и тепловые характеристики солнечного модуля.

Работает солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение попадает на поверхность параболоидного концентратора, отражается под углами наклона , , ориентированные в своих зонах (a-b, b-c, c-d) таким образом, чтобы они обеспечивали равномерную концентрацию лучей:

- на фотоэлектрической части 3 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля выполненного в виде цилиндра радиусом r_o из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей высотой h_o с устройством охлаждения 6;

- на тепловой части 5 цилиндрического теплофотоэлектрического приемника 2 модуля радиусом r_o, нагревая проточную воду устройства охлаждения 6.

Пример выполнения теплофотоэлектрического модуля с параболоидным концентратором солнечного излучения.

Концентратор с максимальным радиусом R_max⁼500 мм, минимальным радиусом R_min =67 мм и высотой 545,6 мм выполнен из алюминиевого листа толщиной 0,5 мм с зеркально отражающей внутренней поверхностью с рабочим профилем:

в зонах а-b, b-с нижней части концентратора 1 обеспечивающих равномерную концентрацию лучей теплофотоэлектрического приемника 2 модуля на его фотоэлектрической части 3, выполненного в виде цилиндра радиусом r_о=60 мм из скоммутированных высоковольтных ФЭП высотой h_o=60 мм шириной r=10 мм и, закрепленного на цилиндрическом устройстве охлаждения 6. Концентрация освещенности на поверхности фотоэлектрической части 3 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля составляет К=16 крат;

в зоне c-d верхней части концентратора 4 обеспечивающим равномерную концентрацию лучей на тепловой части 5 тепло-фотоэлектрического приемника 2 модуля. Средняя концентрация освещенности на тепловой части 5 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля составит К=72 крат. Таким образом, предложенный тепло-фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с высоковольтными фотоэлектрическими преобразователями и параболоидным концентратором обеспечивает: достаточно равномерное распределение освещенности со средней концентрацией К=16 крат на фотоэлектрической части 3 теплофотоэлектрического приемника 2 модуля из последовательно-параллельно соединенных высоковольтных ФЭП повышая напряжение и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую; и достаточно равномерное распределение освещенности тепловой части 5 тепло-фотоэлектрического приемника 2 модуля со средней концентрацией К=72 крат, нагревая проточную воду и тем самым повышая общий КПД преобразования солнечной энергии теплофотоэлектрического модуля.

Теплофотоэлектрический модуль с концентратором солнечного излучения, состоящий из параболоидного концентратора и теплофотоэлектрического приемника, расположенного в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения, отличающийся тем, что теплофотоэлектрический приемник выполнен цилиндрическим с устройством охлаждения и установлен в фокальной области, а параболоидный концентратор представляет собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоит из нескольких зон (a-b, b-c, c-d) и выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в двух фокальных областях из отдельных зон концентратора, при этом форма отражающей поверхности зоны b-c концентратора Х(Y) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрической части цилиндрического теплофотоэлектрического приемника, выполненного из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей длиной h_o и радиусом r_o , ,

где Y_n - ордината рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке n, которая выбирается из ряда целых чисел n=1,2,3N, R_n - радиус рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке n, f_o - фокусное расстояние рассчитываемой параболы;

X_n=R _n-(k-1)r_o,

где X_n - абсцисса рассчитываемой параболы, k - произвольный коэффициент;

R_n=2fo(tg_n+cos_n),

где _n - угол между уровнем ординаты в точке координат X_n, Y_n и отраженным от поверхности параболы с фокусным расстоянием f_o лучем, приходящим в фокальную область, расположенной на радиусе r_o цилиндрического теплофотоэлектрического приемника;

_n=_о(n-N/2)/N,

где _o - угол между отраженным лучем в точке b и отраженным лучем в точке с поверхности параболы,

форма отражающей поверхности зоны a-b концентратора Х(Y) определяется системой уравнений

X*_n²=4f₁Y* _n,

где Х* _n - абсцисса рассчитываемой параболы в точке n, где n выбирается из ряда целых чисел n=1,2,3N, f₁ - фокусное расстояние рассчитываемой параболы,, Y*_n - ордината рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке n по формуле

,

где Q - параметр соответствующий значению

Q=(h_o-h)/r_o,

где h_o -длина, r_o - радиус теплофотоэлектрического приемника, h - расстояние от торцевой поверхности теплофотоэлектрического приемника до фокуса рассчитываемой параболы, Р - параметр соответствующий значению

P=Y_b+f_o+h+h_o/2,

где Y_b - ордината в точке координат X_b , Y_b параболы с фокусным расстоянием f_o ,

R - параметр, соответствующий значению

,

где Y_c - ордината, Х_с - абсцисса в точке координат X_c, Y_c параболы с фокусным расстоянием f_o,

геометрическая концентрация освещенности K_n теплофотоэлектрического приемника рассчитывается по формуле

,

где R_n - радиус параболоидной поверхности концентратора в точке n,

R_n+1 - радиус рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке n+1,

d ₀=r₀h₀

форма отражающей поверхности зоны c-d концентратора Х(Y) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности тепловой части (торцевой поверхности) цилиндрического теплофотоэлектрического приемника радиусом r_в:

,

где Y_в - ордината, Х_в - абсцисса рассчитываемой параболы в точке n,

f_в - фокусное расстояние параболы;

X_вn=2f_в(tg_вn+1/cos_вn),

где _вn - угол между уровнем ординаты в Y=f_в и отраженным от поверхности параболы, приходящим в n-ю фокальную область в пределах значений радиуса от 0 до r_ов - радиус фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника в интервалах r_n=r_oвn/N, где n выбирается из ряда целых чисел n=1,2,3N;

f_в=Y₀-X₀tg_в,

где _в - угол между уровнем ординаты Y=f_в и отраженным от поверхности параболы в точке координат Х ₀,У₀ с фокусным расстоянием f_в лучем, приходящим в фокальную область на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника радиусом r_о;

tg_в=(Y₀-H_в)/R₀ ,

где H_в - уровень расположения торцевой части теплофотоэлектрического приемника в координатах Х,У, R₀ - радиус рассчитываемой параболоидной поверхности концентратора в точке с;

r_oв=r_в-(H-f_в )/tg_в,

где r_ов - радиус фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника, r_в - расстояние от оси ОУ до фокусного расстояния рассчитываемой параболы, _в - угол между уровнем ординаты в Y=f_в и отраженным от поверхности параболы в точке координат Х_d,Y_d с фокусным расстоянием f_в лучем, приходящим в центр фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника;

при этом значения параметров f_в, r_oв выбираются в соответствии с граничными условиями, а геометрическая концентрация освещенности торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника K_n в интервалах радиуса концентратора X_n=X_n-X_n-1 рассчитывается по формуле

,

где R_n - радиус параболоидной поверхности концентратора в точке n, R_n+1 - радиус параболоидной поверхности концентратора в точке n+1, r_n - радиус фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника в точке n, r_n+1 - радиус фокальной области на торцевой поверхности цилиндрического теплофотоэлектрического приемника в точке n+1, r_n соответствует значению r_n=r_n+1-r_n.