Сонячний фотоелектричний модуль з концентратором

Реферат: Сонячний фотоелектричний модуль з концентратором містить параболоциліндричний концентратор з плоских дзеркальних фацет і розташований у фокальній площині концентратора плоский лінійний фотоелектричний приймач. Параболоциліндричний концентратор виконано у вигляді дуги півпараболи, звернена до приймача поверхня якого виконана плоскими дзеркальними фацетами, розміщеними на хордах, що лінеаризують півпараболу, довжина кожної з яких, окрім першої, за умов максимального відбиття сонячних променів, зростає від осі до периферії. Фотоелектричний плоский однобічний приймач з шириною, що дорівнює фокусній відстані концентратора, розміщено горизонтально у фокусній площині останнього. UA 113259 C2 (12) UA 113259 C2 UA 113259 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області геліотехніки та може бути використаний в установках на серійних сонячних модулях горизонтального базування зі стаціонарними концентраторами для цілорічної експлуатації у стаціонарному режимі. Відомий теплофотоелектричний модуль з параболічним концентратором сонячного випромінювання [Пат. РФ 2554674, H01L 31/054, F24J 2/14, 2015], що містить напівпараболічний асиметричний концентратор і розміщений у фокальній площині концентратора лінійний двосторонній фотоелектричний приймач з пристроєм відбору тепла, при цьому для рівномірної освітленості приймача форма відбиваючої поверхні концентратора визначається системою рівнянь. Відомий високовольтний модуль складного конструктивного виконання відрізняється надмірною дорожнечею для некомерційного споживача. При цьому схемне рішення відомого теплофотоелектричного модуля обумовлює в різний час доби часткове затінення приймачем відбиваючої поверхні концентратора, що призводить до нерівномірності розподілу сонячного випромінювання і зниження ефективної потужності пристрою внаслідок незбалансованого відбору електричної складової. Крім того, ефективність роботи пристрою різко знижується через потрапляння на поверхню концентратора седиментованого пилу з атмосферного шару. Найбільш близьким за технічною суттю є фотоелектричний модуль [Пат. РФ 2188364, F24J 2/14, F24J 2/42, 2000 p.], що містить параболоциліндричний концентратор з плоских дзеркальних фацет, розміщених на дотичних до параболічного циліндра у вигляді однієї стереометричної фігури, і розташований у фокальній площині концентратора плаский лінійний двосторонній фотоелектричний приймач. Відома система з дзеркальними фацетами в кількості 10-15 одиниць потребує використання спеціальних протяжних фотоелектричних модулів і складних систем стеження за Сонцем для переорієнтації у просторі концентратора та забезпечення юстування фацет, що істотно підвищує собівартість пристрою. При цьому нерівномірність розподілу освітленості приймача через різну кратність концентрації сонячного випромінювання на окремих ділянках поверхні обумовлює нерівномірність опромінення поверхні внаслідок накладення спроектованих променів, при якому сумарна потужність модуля, зазвичай, визначається потужністю мінімально освітленого елемента. В основу винаходу поставлено задачу створення сонячного фотоелектричного модуля з концентратором шляхом виконання концентратора з розміщених на хордах, що лінеаризують півпараболу, фацет оптимальних розмірів, довжину кожної з яких, окрім першої, визначають з умов максимального відбиття сонячних променів концентратором за рівномірного освітлення поверхні горизонтально орієнтованого на південь фотоелектричного приймача при заданому співвідношенні розмірів концентратора та приймача, дотримання якого незалежно від кута установлення відбиваючої поверхні концентратора, дозволяє реалізувати рівномірне освітлення робочої поверхні приймача без затінення ділянок останньої, за рахунок чого досягнуте підвищення ефективності роботи фотоелектричного модуля з рівномірним зняттям електричної потужності незалежно від сезонної та добової зміни кута схилення Сонця та технологічності конструктивного виконання на панелях серійного виробництва. Поставлена задача вирішується тим, що у сонячному фотоелектричному модулі з концентратором, який містить параболоциліндричний концентратор з плоских дзеркальних фацет і розташований у фокальній площині концентратора плоский лінійний фотоелектричний приймач, згідно з винаходом, параболоциліндричний концентратор виконаний у вигляді дуги півпараболи, звернена до приймача поверхня якої виконана у вигляді плоских дзеркальних фацет, розміщених на хордах, що лінеаризують півпараболу, довжина кожної з фацет, окрім першої, за умов максимального відбиття сонячних променів на приймач, зростає від осі до периферії, а фотоелектричний плоский однобічний приймач з шириною, що дорівнює фокусній відстані концентратора, розміщений горизонтально у фокусній площині останнього, при цьому довжина півпараболи концентратора і ширина фотоелектричного приймача пов'язані співвідношенням  cos   1  cos   Lпар  f    ln  sin   ,  2    sin    де Lпар - довжина півпараболи концентратора; f - ширина фотоелектричного приймача, що дорівнює фокусній відстані півпараболи;  - кут розкриття півпараболи - апертурний кут концентратора, а довжина кожної з фацет визначається як t i2  x i  x i1 2  yi  yi1 2 , 1 UA 113259 C2 5 10 15 20 25 де xi та yi - абсциса та ордината верхньої точки фацети в декартовій системі координат, відповідно; xi1 та yi1 - абсциса та ордината нижньої точки фацети в декартовій системі координат, відповідно. Параболоциліндричний концентратор виконаний у вигляді дуги півпараболи, звернена до приймача поверхня якої виконана плоскими дзеркальними фацетами, для підвищення ефективності роботи фотоелектричного модуля та технологічності конструктивного виконання на панелях серійного виробництва. Фацети концентратора розміщені на хордах дуги, що лінеаризують півпараболу, довжина кожної з фацет, окрім першої, зростає від осі до периферії, для зменшення нерівномірності інсоляції відбитих сонячних променів через накладення та зменшення частки променів, відбитих за межі робочої поверхні фотоелектричного приймача, що дозволяє підвищити ефективність роботи фотоелектричного модуля з рівномірним зняттям електричної потужності незалежно від сезонної та добової зміни кута схилення Сонця. Фотоелектричний плаский однобічний приймач з шириною, що дорівнює фокусній відстані концентратора, розміщено горизонтально у фокусній площині концентратора для підвищення ефективності роботи фотоелектричного модуля при малих кутах схилення Сонця. Довжина півпараболи концентратора і ширина фотоелектричного приймача пов'язані співвідношенням:  cos   1  cos   , Lпар  f    ln  sin    2    sin    де Lпар - довжина півпараболи концентратора; f - ширина фотоелектричного приймача, що дорівнює фокусній відстані півпараболи;  - кут розкриття півпараболи - апертурний кут концентратора для уникнення затінення, що дозволяє підвищити ефективність роботи фотоелектричного модуля з рівномірним зняттям електричної потужності незалежно від сезонної та добової зміни кута схилення Сонця. Довжина кожної з фацет визначається як t i2  x i  x i1 2  yi  yi1 2 , де xi та yi - абсциса та ордината верхньої точки фацети в декартовій системі координат, 30 35 40 45 50 55 відповідно; xi1 та yi1 - абсциса та ордината нижньої точки фацети в декартовій системі координат, відповідно для запобігання накладенню відбитих променів світлового потоку на частині поверхні приймача або потраплянню за межі робочої поверхні, що дозволяє підвищити ефективність роботи фотоелектричного модуля з рівномірним зняттям електричної потужності незалежно від сезонної та добової зміни кута схилення Сонця. На фіг. 1 подано хід променів від напівпараболічного концентратора на фотоелектричний приймач, на фіг. 2 - залежність геометричної концентрації від кута розкриття півпараболи. Сонячний фотоелектричний модуль з концентратором (фіг. 1) містить параболоциліндричний нестежачий концентратор 1, виконаний у вигляді дуги півпараболи. У фокальній площині концентратора 1 з орієнтацією на південь розміщено фотоелектричний приймач 2, виконаний у вигляді плоскої пластини горизонтального базування з однобічною робочою поверхнею. Напівпараболічний концетратор 1 установлено з кутом розкриття півпараболи до горизонтальної поверхні приймача 2 так, що фокальна вісь концентратора 1 співпадає із краєм приймача 2. Звернена до приймача 2 поверхня напівпараболічного концентратора 1 виконана у вигляді плоских дзеркальних відбиваючих фацет 3, розміщених для спрощення виконання поверхні концентратора на хордах, що лінеаризують півпараболу. Для спрощення технології виготовлення параболоциліндричного концентратора та підвищення рівномірності розподілу інтенсивності освітлення фотоприймаючої поверхні доцільне встановлення світловідбиваючих фацет з визначеними розмірами на попередньо розрахований профіль концентратора заданої довжини. Довжину ti кожної з фацет 3 визначено з умов максимальної та рівномірної концентрації відбитих від концентратора 1 променів на поверхню приймача 2. При цьому довжина кожної із фацет 3, окрім першої, розміщених у концентраторі 1 від точки 0 до периферії виконана зі зростаючим розміром для виключення затінення, оскільки, у випадку виконання фацет однакової довжини при певних кутах падіння сонячних променів на концентратор 1 після віддзеркалення має місце накладення відбитих променів світлового потоку на частині поверхні приймача 2 або частина відбитих променів потрапляє за межі робочої поверхні приймача, що призведе до нерівномірної освітленості частини поверхні 2 UA 113259 C2 5 10 15 20 25 30 35 приймача, віддаленої від точки фокуса, або до зниження ефективності роботи пристрою через втрату частини світлового потоку. При цьому на визначеній довжині дуги півпараболи розміщення фацет заданої довжини відраховують від верхньої крайньої точки дуги півпараболи, залишок довжини якої становить розмір першої фацети. Якщо концентратор, обмежений дугою півпараболи ОМ (фіг. 1), то його можна описати рівнянням y2  2  p  x  4  f  x , де p - фокальний параметр параболи; f - фокусна відстань параболи; xi та yi - абсциса та ордината верхньої точки фацети в декартовій системі координат. Граничний кут, що потрапляє до концентратора без затінення його стінкою, проходитимете по дотичній до півпараболи в точці Μ ( x n, yn ) та буде направлений під кутом граничної висоти Сонця  до осі абсцис. В зазначеній проекції ця пряма описується рівнянням y  xtg  b , де b - координата перетину дотичної з віссю ординат. Роз'язок системи таких рівнянь можна записати у вигляді f , 2 f . xn  yn  2 tg tg  Тоді, коефіцієнт геометричної концентрації, що визначений як відношення довжини концентратора до ширини приймача, має вигляд (фіг. 2) 2 . Kг0  tg Робочий кут  системи зі стаціонарним концентратором можна визначити геометрично з фіг. 1 як y tg  n  2  tg xn   arctg2  tg . Для забезпечення ефективної роботи системи з уникненням затінення поверхні приймача робочий кут  не може перевищувати h0 (град) максимальної висоти Сонця над горизонтом для заданої широти місцевості, тобто   h0 . Довжину ti і-ї фатеци з початком у точці A i1 xi1, yi1 та кінцем у точці A i x i , yi  можна записати у вигляді t i2  x i  x i1 2  yi  yi1 2 , де xi та yi - абсциса та ордината верхньої точки фацети в декартовій системі координат, відповідно; xi1 та yi1 - абсциса та ордината нижньої точки фацети в декартовій системі координат, відповідно. Кут нахилу фацети i до осі абсцис ОХ можна виразити через координати точок початку та кінця y  yi1 . i  arctg i xi  xi1 Якщо сонячні промені падають на задану фацету під довільним кутом  i , то за законом відбивання світла, промінь буде відбито під кутом i . i  2i   i . Геометричне місце точок відбитого променя на поверхні приймача можна описати рівнянням 40   y  x  tg 180   i  x i  tgi  yi . Тоді, систему рівнянь, що задає геометричні параметри (профіль концентратора та фацети визначеної довжини) виконання запропонованого сонячного модуля з концентратором, представлено як 3 UA 113259 C2 5 y 2  4  f  x i  i yi  yi1 2  ti2  yi  yi1 2 ,  0  f  tg180  i   x i  tgi  yi  i  2  i   i де i - кут нахилу і-ї фацети до осі абсцис OX; ti - довжина і-ї фатеци;  i - кут падіння сонячного променя; yi , yi1 - ординати початку та кінця і-ї фатеци відповідно; xi - абсциса початку і-ї фацети; i - кут відбиття сонячного променя. При цьому перше рівняння системи визначає параметри дуги півпараболи, друге рівняння задає довжину кожної з фацет, третє - геометричне місце точок променів, відбитих від крайніх точок фацет. Довжину дуги півпораи концентратора можна знайти через визначений інтеграл Lпар  10 15 20 25 30 або yn  0 y 2 n  y  1  x' y 2 dy   1    dy  2 f  0  cos   1  cos   Lпар  f    ln  sin    2    sin    де Lпар - довжина півпараболи концентратора; f - ширина фотоелектричного приймача, що дорівнює фокусній відстані півпараболи;  - кут розкриття півпараболи - апертурний кут концентратора. Приклад конкретного виконання. Запропонований сонячний модуль з концентратором може бути реалізовано на базі серійних уніфікованих фотоелектричних сонячних елементах стандартних типорозмірів, які встановлюють на жорсткому каркасі. Проведені польові випробуваня на сонячних модулях JKM 235P-60 розміром 1650×992×45 мм з концентратором довжиною 2000 мм, виготовлених на полікристалічних кремнієвих елементах з різним типом провідності та розрахованих на максимальну напругу 149В і силу струму 7,89 А з видачею номінальної електричної потужності до 1175 Вт, доводять працездатність запропонованого пристрою. Так, робочий кут встановлення концентратора для м. Харкова, що лежить на широті 50,00, визначений через максимальну висоту Сонця у день літнього сонцестояння в астрономічний полудень, задано співвідношенням h0  90    0 , де  - широта місцевості;  0 - кут нахилу земної осі обертання до нормалі площини обертання Землі, що дорівнює 0  23,45  . Робочий кут  системи зі стаціонарним концентратором можна визначити геометрично як yn  2  tg xn   arctg2  tg . Для забезпечення ефективної роботи системи з уникненням затінення поверхні приймача робочий кут  не перевищує   h0 , Оскільки максимальна висота Сонця над горизонтом h0 (град) для Харкова становить 63,45, то апертурний кут півпараболи концентратора складе tg  35  tg     arctg   44,77 .  2  Відомо [1], що геометрична концентрація стаціонарного концентратора є величиною змінною і залежить від кута  схилення Сонця та часового кута  40 Kг  Кг0  cos   cos  . Враховуючи залежність кута  схилення Сонця від порядкового номера світлового дня від початку року з достатньо високою точністю за формулою Купера, можна отримати функцію 4 UA 113259 C2 змінення геометричної концентрації зазначеного концентратора протягом календарного року року 284  n  ,  n  23,45   sin 360    365   5 10 де 360  - значення повного оберту Землі навколо Сонця за рік; 365 - число днів у році; 284 - кількість діб від 21 березня до 31 грудня, 0  23,45  - кут нахилу умовної земної осі обертання, n - порядковий номер календарного дня від початку року. Вважаючи, що часовий кут  дорівнює 0, а кут  схилення Сонця незмінний протягом дня, функція геометричної концентрації матиме вигляд  284  n    К г  К г 0  cos 23,45  sin 360    365      тобто,  2 284  n   .   cos 23,45  sin 360    tg0 365      Інтегральну інтенсивність сонячного випромінювання, що потрапляє на поверхню фотоелектричного приймача, буде визначено з суми безпосередньо сонячного випромінювання на горизонтальну площину (поверхню) фотоелемента Ігор та інтенсивності відбитого Кг  15 випромінювання від концентратора Ікон І  Ігор  Ікон . В свою чергу, інтенсивність сфокусованого концентратором випромінювання у випадку для Харкова може бути представлено у вигляді Ікон  Ів ер  К г 0   , 20 де Ів ер - інтенсивність сонячного випромінювання на вертикальну поверхню в період 0  h0   ;  - оптичний ККД концентратора, що залежить від матеріалу покриття концентратора та його технологічного виконання. Дані про сумарні місячні норми сонячної інсоляції для м. Харкова з розрахованим коефіцієнтом геометричної концентрації (Таблиця). 25 Таблиця Місяці Розрахунковий день Геометричний коеф. концентрації Інсоляція на схилену 44 град, 2 кВт*год./м Інсоляція на гор, кВт*год./м Інсоляція на верт 2 кВт*год./м Сумарна інсоляція 2 на ФЕП, кВт*год./м 30 І ІІ III IV V VI VII VIII IX X XI XII Рік 17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344 365 1,868 1,95 1,998 1,974 1,894 1,84 1,92 46,3 71,4 113,9 162,2 200,8 210,5 214,3 202,7 169,9 119,7 59,9 32,8 1431,4 36,9 56,8 94,6 94,9 108, 9 101,4 1,84 1,864 1,946 1,998 1,972 1,892 117,6 166,8 163,8 172,4 151,3 104,7 65,1 35,7 27,9 1193,6 85,5 89,0 68,1 75,0 1088,3 94,6 83,7 91,8 99,5 96,0 226,6 274, 7 297,3 288,6 299,2 281,0 300,9 290,6 296,7 243,0 171,9 177,9 3286,4 Запропонований сонячний модуль з концентратором може бути застосовано як для відбору з прямим використанням постійного струму споживачами, так і для використання з акумулюванням накопичувачами для покриття пікових навантажень електромережі або для живлення з перетворенням у змінний струм напругою 220 В. Джерела інформації: 1. Стребков Д.С, Тверьянович Э.В. "Концентраторы солнечного излучения" ГНУ ВИЭСХ, Москва 2007 г. 35 5 UA 113259 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Сонячний фотоелектричний модуль з концентратором, що містить параболоциліндричний концентратор з плоских дзеркальних фацет і розташований у фокальній площині концентратора плоский лінійний фотоелектричний приймач, який відрізняється тим, що параболоциліндричний концентратор виконано у вигляді дуги півпараболи, звернена до приймача поверхня якого виконана плоскими дзеркальними фацетами, розміщеними на хордах, що лінеаризують півпараболу, довжина кожної з яких, окрім першої, за умов максимального відбиття сонячних променів, зростає від осі до периферії, а фотоелектричний плоский однобічний приймач з шириною, що дорівнює фокусній відстані концентратора, розміщено горизонтально у фокусній площині останнього, при цьому довжина півпараболи концентратора і ширина фотоелектричного приймача пов'язані співвідношенням  cos   1  cos   Lпар  f   ln  sin   ,  2    sin    де L пар - довжина півпараболи концентратора; f - ширина фотоелектричного приймача, що дорівнює фокусній відстані півпараболи;  - кут розкриття півпараболи - апертурний кут концентратора, а довжина кожної з фацет визначається як t i2  x i  x i1 2  y i  y i1 2 , 20 де xi та yi - абсциса та ордината верхньої точки фацети в декартовій системі координат, відповідно; xi1 та yi1 - абсциса та ордината нижньої точки фацети в декартовій системі координат, відповідно. 6 UA 113259 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7