Коллектор линза френеля

Самый простой способ преобразования солнечной энергии в тепловую состоит в использовании линзы, подобной той, которой каждый из нас пользовался в детстве. Если кусок газетной бумаги помещался в фокусе линзы, то через некоторое время он обязательно загорался. Принцип действия коллекторов с концентраторами солнечной энергии примерно такой же: тепловоспринимающая панель монтируется в фокусе линзы большого размера или зеркального отражателя, а вся установка регулируется так, что на тепловоспринимающую поверхность постоянно поступает солнечное излучение. Чтобы точно сконцентрировать прямой поток параллельных лучей, отражающая поверхность в сечении должна иметь форму правильной параболы. В качестве концентраторов, следяющих за перемещением Солнца по небосводу, в основном используются параболоцилиндрические, имеющие форму водосточной трубы, разрезанной пополам, или параболоидные, похожие на круглую чашу. В фокусе параболоида достигается значительная степень концентрации излучения; в солнечных печах получают температуру свыше 2000°С, а на тепловых электростанциях — более 300°С. В случае параболо-цилиндра степень концентрации солнечных лучей относительно небольшая, поэтому получаемая температура составляет 100 — 200°С.

Фокусирующие солнечные коллекторы

Если использовать в качестве концентраторов солнечного излучения большие линзы, выполненные из толстого слоя стекла, то они будут тяжелыми и очень дорогими, поэтому обычно для этой цели применяют линзы Френеля, у которых профиль канавок, как у пластинок, получают теснением.

Коллектор с солнечным концентратором в виде линзы Френеля

а — общий вид; б — линза Френеля в увеличении; 1 — линза Френеля; 2 — солнечное излучение (прямой поток);
3 — собственно линза Френеля (акриловая смола); 4 — фокус (тепловоспринимающая панель)

Возникает вопрос — почему же такие высокоэффективные фокусирующие коллекторы не применяют в солнечных домах. Дело в том, что существенным недостатком таких коллектора является необходимость использования следящего устройства которое следовало бы за движением Солнца и ориентировало коллектор таким образом, чтобы сконцентрированное солнечное излучение постоянно поступало на солнечную панель. К тому же фокусирующие коллекторы гораздо дороже плоских. Кроме того, для систем теплохладоснабжения, а также горячего водоснабжения жилых домов не нужна такая высокая температура, следовательно, эти преимущества в данном случае не реализуются. Далее, коллекторы с концентраторами собирают только прямое солнечное излучение, поскольку концентрировать таким образом удается только параллельные лучи; рассеянное излучение эти коллекторы не фокусируют. В такой стране, как Япония, климат которой отличается влажностью, рассеянное излучение составляет 30-50%, поэтому в установках с концентраторами эта доля излучения не используется.

Однако у фокусирующих коллекторов есть и положительные стороны, поэтому некоторые ученые думают о способах их использования без систем слежения за Солнцем.

Такой способ обычно применяют в коллекторах с составными параболическими концентраторами (СРС) 1 . В США он уже частично используется даже в системах теплохладоснабжения. Чтобы снизить стоимость вакуумированных трубчатых коллекторов, в них нередко применяют зеркальные отражатели.

Уже давно высказываются различные мысли о возможности максимального концентрирования солнечного излучения без помощи параболоида. Однако эта проблема не решена. Только при использовании параболоида можно добиться, чтобы из фокуса излучение обратно шло параллельными лучами и наоборот — параллельные лучи собирает в фокусную линию только параболоид.

1 (СРС) — (Compound Parabolic Concentrator) — составные параболические концентраторы. В США зеркальные системы типа фоклинов и фоконов с параболическими образующими объединены в класс СРС; они являются частью более Широкого класса зеркальных и линзовых концентраторов, не создающих изображения.

phasad.ru

Коллектор линза френеля

Применение фокусирующих коллекторов

Рис. 2.1 Фокусирующие солнечные коллекторы.

Рис.2.2 Коллектор с солнечным концентратором в виде линзы Френеля: а — общий вид; б — линза Френеля в увеличении; 1 — линза Френеля; 2 — солнечное излучение (прямой поток); 3 — собственно линза Френеля (акриловая смола); 4 — фокус (тепловоспринимающая панель)

Первый способ состоит в установке оси параболо-цилиндрического зеркала по оси «восток-запад». Если зафиксировать угол наклона в соответствии с движением Солнца по сезонам, то отпадет необходимость почасового слежения за Солнцем и нужно будет ручным способом менять лишь угол наклона в соответствии с временем года.

Второй способ предполагает сделать внутреннюю часть зеркального отражения более глубокой, чем у параболоида, и Увеличить площадь тепловоспринимающей поверхности для того, чтобы солнечные лучи, отклонившиеся от главной оси, все Равно попадали на эту поверхность.

Такой способ обычно применяют в коллекторах с составными параболическими концентраторами (СРС)1. В США он уже частично используется даже в системах теплохладоснабжения. Чтобы снизить стоимость вакуумированных трубчатых коллекторов, в них нередко применяют зеркальные отражатели. Уже давно высказываются различные мысли о возможности максимального концентрирования солнечного излучения без помощи параболоида. Однако эта проблема не решена. Только при использовании параболоида можно добиться, чтобы из фокуса излучение обратно шло параллельными лучами и наоборот — параллельные лучи собирает в фокусную линию только параболоид[8].

Для оценки эффективности поглощающих покрытий применяются следующие показатели:

· коэффициент поглощения (абсорбации), а — обычно находится в пределах 0,8-0,98. Данный коэффициент представляет собой отношение поглощенной энергии к падающей;

· коэффициент излучения (эмиссии), e — обычно в пределах 0,95 — 0,02 для различных типов покрытий. Данный коэффициент представляет собой отношение излученной энергии к поглощенной;

· коэффициент селективности, a/e , применяется для сравнения характеристик различных видов поглощающих поверхностей. Чем выше значение данного коэффициента, тем лучшими характеристиками обладает поглощающая поверхность.

· Современные высокоселективные покрытия обладают очень высокими значениями коэффициента селективности, значительно повышая тем самым КПД солнечных коллекторов. К тому же, практически лишь коллекторы оснащенные покрытиями такого типа могут эффективно работать в холодный период года вследствие гораздо меньшей зависимости КПД от разницы температур.

Рис. 2.3 Тепловая эффективность различных типов коллекторов: Обозначения:1 — вакуумный трубчатый коллектор; 2 — плоский коллектор с селективным покрытием; 3 — открытый коллектор

С целью наглядного сравнения характеристик тепловой эффективности различных типов коллекторов, приведем график КПД для трех рассмотренных типов коллекторов при мощности солнечного излучения в 600 Вт/кв. м.

В настоящий момент, наиболее перспективными в условиях Украины являются плоские солнечные коллекторы горячего водоснабжения, вследствие все сезонности, простоты и надежности конструкции при невысокой цене в этом сегменте оборудования.

3. Преимущества использование солнечной энергии

1. Экономия за счет снижения потребления природного газа или электричества. Ежегодно на 1 м.кв. поверхности земли в Украине приходит от 900,00 до 1300,00 кВтч солнечной энергии. Это количество солнечной энергии в среднем соответствует энергоемкости 100,00 л дизельного топлива или 100,00 м.куб. природного газа. Бесплатную солнечную энергию можно направить на нагрев воды или на поддержку отопления. И ежегодно экономить на приготовлении горячей воды до 60…95% затрачиваемых энергоносителей, на отоплении до 30…40% энергоресурсов, на подогреве воды в бассейне до 70… 95% энергоресурсов. Ежегодную экономию от использования солнечной энергии довольно просто сосчитать. Дополнительно нужно учесть ежегодный рост тарифов на 10…40%, потерю теплотворной способности природного газа (иногда до 50%).

2. Экономия за счет перехода в другую категорию потребителей природного газа. Бытовые потребители природного газа разделены на 4 категории: до 2500,00 м.куб. в год, от 2500,00 до 6000,00 м.куб. в год, от 6000,00 до 12000,00 в год, более 12000,00 м.куб в год. Например, если потребитель в течение года израсходовал 5999,00 м.куб. газа, то он заплатит за год 6586,90 грн. (по тарифу 1,0980 грн./м.куб.). А если потребитель в течение года израсходовал 6000,00 м.куб. природного газа, то он заплатит за год 13489,20 грн. (уже по тарифу 2,2482 грн./м.куб.). Таким образом при перерасходе газа в размере 1 м.куб., потребитель переплатил за год 6902,30 грн. Использование солнечной энергии во многих случаях позволяет снизить потребление природного газа, и перейти в категорию потребителей природного газа с меньшим тарифом.

3. Экономия за счет увеличения ресурса котельного оборудования. Летний период для котлов большой мощности (40кВт и более) является наиболее “губительным” и ”напряженным”. Как правило, в это время, котел работает только в режиме приготовления горячей воды в бойлере косвенного нагрева. А это означает, что котел работает с постоянным недобором мощности — очень частые включения и выключения котла, перерасход топлива, прогорание горелки, низкий КПД работы. Как результат, снижение срока службы котельного агрегата. Использование солнечных коллекторов для приготовления горячей воды позволяет полностью остановить котел вне отопительного периода. И тем самым существенно увеличить его срок службы.

4. Высвобождение электрических мощностей. Уменьшение подводимых электрических мощностей. Снижение электрической нагрузки на сеть. Нагрев воды в гостиницах при помощи электрических бойлеров требует подведения дополнительных мощностей. Так, для гостиницы на 20 номеров, требуется дополнительно подвести или высвободить электрическую мощность в 20…40кВт. Во-первых, это связанно со значительными дополнительными затратами, а во-вторых, во многих регионах подстанции перегружены, и получить дополнительные мощности не представляется возможным. Использование солнечных коллекторов для приготовления горячей воды вместо традиционных электрических бойлеров, позволяет сократить подводимые мощности в 2…3 раза. И как минимум сэкономить на приобретении и подведении этих мощностей.

5. Экологическая составляющая. Использование экологически чистой солнечной энергии — это возможность внести свой вклад в сохранение чистоты того уголка, где живем мы, наши дети и наши друзья. Особенно важно это для крымского региона, где от чистоты окружающей среды напрямую зависит популярность нашего курорта. Использование солнечной энергии как гарантия чистоты окружающей нас природы может стать неплохим брендом для мест отдыха.

6. Снижение зависимости от поставок энергоносителей. Тепло и горячая вода — незаменимые элементы для комфортного существования любого человека. Политическая и экономическая ситуация, перегруженные и исчерпавшие свой ресурс электрические и газовые сети постоянно ставят под угрозу стабильность газо- и электроснабжения.

Использование солнечной энергии для приготовления горячей воды и поддержки отопления — это возможность постоянно иметь резерв и в значительно меньшей степени зависеть от надежности поставок традиционных энергоресурсов.

вакуумный коллектор солнечной энергия

Статья «Изобретение прозрачного концентратора»

Изобретен прозрачный концентратор солнечной энергии 21 августа 2014 года, 15:50. Ученые из Мичиганского государственного университета (США) разработали новый тип концентратора солнечной энергии: его можно помещать поверх стекла, а поскольку сам концентратор прозрачный, виду он при этом не мешает. О новой разработке рассказывает phys.org. Прозрачный люминесцентный концентратор солнечной энергии может использоваться на любой гладкой поверхности, например на окнах в высоком здании. Ученые уже некоторое время старались получать энергию с помощью солнечных элементов, расположенных вокруг люминесцентных пластмассообразных материалов. Однако до сих пор эксперименты проваливались по всем статьям и полученной энергии оказывалось мало, и материалы оказывались ярко окрашенными. Теперь же ученым впервые удалось сделать прозрачным сам люминесцентный слой, между тем как созданные учеными органические молекулы поглощают невидимые волны солнечного света. Затем этот свет переправляется к краю пластмассы, где он преобразуется в электричество с помощью тонких полосок из фотогальванических солнечных элементов. А поскольку материалы не поглощают и не излучают свет в видимом спектре, человеческому глазу они кажутся совершенно прозрачными. В идеале ученые хотят создать такие устройства для концентрации солнечной энергии, которые были бы совершенно незаметны. Напомним, что прошлой зимой в пустыне Мохаве (Калифорния, США) заработала новая система генерации солнечной электроэнергии, которую никак не назовешь незаметной. Общая мощность станции Ivanpah, занимающей площадь 13 км2, — 400 мВт1, она способна обеспечить электричеством 140 000 домов. Электростанция представляет собой около 350 000 гигантских зеркал, отражающих солнечный свет на три водонапорные башни[10]

Статья «В луганском садике запущен первый солнечный коллектор, как альтернативный источник тепла»

Открытие первого солнечного коллектора в детсаду №38 состоялось в Луганске 10 октября 2013 года с участием представителей ПРООН. Об этом сообщает корреспондент «ОстроВа».

Сегодня прошло торжественное открытие солнечного коллектора в детском саду №38 (ул. Газопроводная, г. Луганск). На мероприятие была приглашена Постоянный координатор ООН/Постоянный представитель ПРООН в Украине Алессандра Тисо, которая впервые посещает Луганск и область в рамках своего официального визита в Восточные регионы Украины.

В открытии также приняли участие заместитель мэра Луганска Марина Воротникова и начальник городского управления образования Валентина Кияшко, а также менеджер проекта ПРООН «Программа Устойчивого Развития Луганской области» Александр Северин и представители родительского комитета детского сада.

«В рамках проекта на территории детского сада установлен солнечный вакуумный коллектор Atmosfera CBK — Standart -20. Помещение детского ясли-сада оборудованы гелиосистемой для обеспечения автономного горячего водоснабжения здания детсада. Гелиосистема представляет собой оборудование для нагрева воды , в состав которой входят солнечные коллекторы , система управления с насосом и бак — аккумулятор . Принцип действия заключается в следующем : в солнечном коллекторе система управления с насосом обеспечивает циркуляцию коллекторного жидкости ( пропиленгликоль ) внутри оборудования. В хорошо изолированном баке — аккумуляторе тепло жидкости передается воде (теплообменник ) . Таким образом , нагретая вода сохраняет тепло и ночью , и в дождь , а по необходимости может догреваться резервным электрическим тэном», — рассказал член Национального исполнительного комитета ПМГ ГЭФ ПРООН Владимир Ширяев.

Внедрение проекта позволит сэкономить 500 кВт электроэнергии в месяц. Проект «Использование альтернативной энергии для улучшения жизни общества» внедряется общественной организацией «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МИР» и направлен на повышение осведомленности общества по вопросам использования возобновляемых источников энергии, а именно энергии солнца и противодействия изменениям климата, в дальнейшем будет способствовать повышению энергоэффективности как на локальном, региональном, так и на национальном уровне.

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанной на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

studbooks.net

Солнечная печь из линзы френеля

Уверен, что каждый из нас в детстве, при помощи увеличительного стекла пытался разводить огонь и выжигать надписи на дощечке. И все мы понимали, что нагрев происходил за счет фокусировки солнечных лучей в единой точке. А не задавали ли вы себе вопрос, а что если использовать увеличительное стекло больших размеров?

Могу вам ответить на этот вопрос, чем больше увеличительное стекло, тем больше температура в точке фокуса, и тем больше возможностей открывается перед нами. К примеру, можно изготовить печь, для приготовления еды на солнце.

Но если вы помните, линза изготавливается из стекла, и больший размер подразумевает увеличение толщины, а значит и веса этой линзы. Поскольку большие линзы не пользуются популярностью, то мало того что их нигде не найдешь, так еще и стоят они бешеных денег.

На данный момент, большей популярностью пользуются линзы Френеля, которые могут иметь большие размеры, но при этом иметь толщину всего несколько миллиметров. Причем материал изготовления линзы Френеля может быть пластик, что, несомненно, сказывается на стоимости линзы в сторону удешевления.

Но опять, же встает вопрос, где взять линзу Френеля больших размеров?
1. Линзу Френеля можно купить через зарубежные интернет магазины (Таобао, Алиэкспресс, Ebay и т.д.).
2. Линзу Френеля можно достать из старого (нерабочего) проекционного телевизора, на барахолке радиорынка.

В данном случае, размер линзы Френеля равен размеру экрана проекционного телевизора.

Поскольку, линза Френеля в телевизорах тонкая и пластичная, то для ее использования необходимо соорудить жесткую рамку из дерева или алюминиевого профиля. Для установки линзы понадобится тренога, которую опять же можно сделать из деревянных брусьев.

Максимальная температура в точке фокуса может достигать 1000 градусов, поэтому сковородку необходимо располагать, немного выше или ниже точки фокуса, таким образом регулируя температуру нагрева.

Но хочу, предостеречь, что необходимо аккуратно обращаться с такой печкой, чтобы не нанести вреда самому себе и окружающим. И для наглядности, предлагаю посмотреть видео, которое демонстрирует всю мощь этой солнечной печки.

поделиться с друзьями >>>

www.solarsistem.ru

ПРИМЕНЕНИЕ ФОКУСИРУЮЩИХ КОЛЛЕКТОРОВ

Самый простой способ преобразования солнечной энергии в тепловую состоит в использовании линзы, подобной той, кото­рой каждый из нас пользовался в детстве. Если кусок газетной бумаги помещался в фокусе линзы, то через некоторое время он обязательно загорался. Принцип действия коллекторов с кон­центраторами солнечной энергии примерно такой же: тепловос — принимающая панель монтируется в фокусе линзы большого размера или зеркального отражателя, а вся установка регули­руется так, что на тепловоспринимающую поверхность постоян­но поступает солнечное излучение. Чтобы точно сконцентриро­вать прямой поток параллельных лучей, отражающая поверх­ность в сечении должна иметь форму правильной параболы. В качестве концентраторов, следяющих за перемещением Солнца по небосводу, в основном используются параболоцилиндричес — кие, имеющие форму водосточной трубы, разрезанной пополам, или параболоидные, похожие на круглую чашу. В фокусе парабо­лоида достигается значительная степень концентрации излуче­ния; в солнечных печах получают температуру свыше 2000°С, а на тепловых электростанциях — более 300°С. В случае параболо — цилиндра степень концентрации солнечных лучей относительно небольшая, поэтому получаемая температура составляет 100— 200°С (см. рис. 2.21).

Если использовать в качестве концентраторов солнечного излучения большие линзы, выполненные из толстого слоя стекла, то они будут тяжелыми и очень дорогими, ПОЭТОМ> обычно для этой цели применяют линзы Френеля, у которыз профиль канавок, как у пластинок, получают теснением (рис

Возникает вопрос — почему же такие высокоэффективные фокусирующие коллекторы не применяют в солнечных домах’ Дело в том, что существенным недостатком таких коллекторої является необходимость использования следящего устройства которое следовало бы за движением Солнца и ориентировалс

РИС. 2.21. ФОКУСИРУЮЩИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ 52

РИС. 2.22. КОЛЛЕКТОР С СОЛНЕЧНЫМ КОНЦЕНТРАТОРОМ в ВИДЕ ЛИНЗЫ ФРЕНЕЛЯ

А — общий вид; б — линза Френеля в увеличении; 1 — линза Фре­неля; 2 — солнечное излучение (прямой поток); 3 — собственно линза Френеля (акриловая смола); 4 — фокус (тепловоспринимаю — щая панель)

Коллектор таким образом, чтобы сконцентрированное солнеч­ное излучение постоянно поступало на солнечную панель. К тому же фокусирующие коллекторы гораздо дороже плоских. Кроме того, для систем теплохладоснабжения, а также горячего водоснабжения жилых домов не нужна такая высокая темпера­тура, следовательно, эти преимущества в данном случае не реализуются. Далее, коллекторы с концентраторами собирают только прямое солнечное излучение, поскольку концентриро­вать таким образом удается только параллельные лучи; рассеян­ное излучение эти коллекторы не фокусируют. В такой стране, как Япония, климат которой отличается влажностью, рассеян­ное излучение составляет 30-50%, поэтому в установках с кон­центраторами эта доля излучения не используется.

Однако у фокусирующих коллекторов есть и положительные стороны, поэтому некоторые ученые думают о способах их ис­пользования без систем слежения за Солнцем.

Первый способ состоит в установке оси параболо-цилинд- рического зеркала по оси «восток-запад». Если зафиксировать угол наклона в соответствии с движением Солнца по сезонам, то отпадет необходимость почасового слежения за Солнцем и нужно будет ручным способом менять лишь угол наклона в соответствии с временем года.

Второй способ предполагает сделать внутреннюю часть зер­кального отражения более глубокой, чем у параболоида, и Увеличить площадь тепловоспринимающей поверхности для того, чтобы солнечные лучи, отклонившиеся от главной оси, все Равно попадали на эту поверхность.

Такой способ обычно применяют в коллекторах с составными параболическими концентраторами (СРС)1. В США он уже час-

— (Compound Parabolic Concentrator) — составные параболические кон­центраторы. В США зеркальные системы типа фоклинов и фоконов с параболи­ческими образующими объединены в класс СРС; они являются частью более Широкого класса зеркальных и линзовых концентраторов, не создающих изобра­жения. (Примеч. пер.)-

Тично используется даже в системах теплохладоснабжения. Чтобы снизить стоимость вакуумированных трубчатых коллек­торов, в них нередко применяют зеркальные отражатели.

Уже давно высказываются различные мысли о возможности максимального концентрирования солнечного излучения без помощи параболоида. Однако эта проблема не решена. Только при использовании параболоида можно добиться, чтобы из фо­куса излучение обратно шло параллельными лучами и наобо­рот — параллельные лучи собирает в фокусную линию только па­раболоид.

msd.com.ua

Солнечный фотоэлектрический модуль

Владельцы патента RU 2411422:

Изобретение относится к гелиотехнике и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими приемниками излучения и концентраторами солнечного излучения в виде линз Френеля. Солнечный фотоэлектрический модуль содержит концентратор солнечного излучения в виде линзы Френеля с концентрическим рабочим профилем, в фокальной плоскости линзы установлен фотопреобразователь, перед которым по ходу солнечных лучей расположен вторичный отражатель, фотопреобразователь установлен на плоскости охлаждающего устройства. Линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного квадратного фотопреобразователя, причем фокусы расположены на диагоналях фотопреобразователя между центральной точкой и вершинами его квадрата, и расстояния между фокусами этих зон не более 0,5 d, где d — диаметр фокального пятна от соответствующей периферийной зоны линзы Френеля, при этом зоны линзы имеют одинаковые площади миделей, и выходное отверстие вторичного отражателя имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади фотопреобразователя. Изобретение должно увеличить КПД модуля и снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии. 2 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими приемниками излучения и концентраторами солнечного излучения в виде линз Френеля (ЛФ).

Известны солнечные модули с фотопреобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде линзы Френеля (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович. «Концентраторы солнечного излучения», глава 2, «Концентраторы на основе концентрических линз Френеля», стр.50-66). В главе описаны устройство, расчет основных характеристик ЛФ, имеющих концентрический рабочий профиль (мини-призмы рабочего профиля линзы расположены по концентрическим окружностям), создающий в плоскости фотопреобразователя точечный оптический фокус. Линзы Френеля создают высокие концентрации в плоскости оптического фокуса (фокальной плоскости), достигающие 2000 крат и более. Но для фотоэлектрических модулей с кремниевыми ФЭП такие высокие концентрации не нужны, поэтому ФЭП устанавливают в плоскостях дефокусировки, расположенных ближе к линзе, где концентрация достигает 10-40 крат. В этом случае распределение плотности облучения по поверхности ФЭП не играет существенной разницы, т.к. в фокальной плоскости установлен планарный ФЭП, при этом разные участки ФЭП, оказавшиеся при разных плотностях освещенности, могут рассматриваться как параллельно соединенные, работающие на общие выходные шинки ФЭП.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль с линзой Френеля (прототип), состоящий из линзы Френеля, в фокусе которой установлен ФЭП со вторичным отражателем, для большего собирания энергии в фокальном пятне (РЖ «Энергетика», Генераторы прямого преобразования, №5, 1985 г., реферат 5Ф259, стр.32).

Недостатками известного технического решения являются следующие.

— Низкие концентрации на кремниевых планарных ФЭП в силу их физических особенностей, в результате чего количество дорогостоящих ФЭП на единицу установленной мощности снижается незначительно.

— Низкие напряжения на одном планарном ФЭП (

0,5 В) требуют необходимости объединять солнечные фотоэлектрические модули в длинные последовательные электрические цепи, чтобы набрать напряжение (12 В и более), приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п. Длинные цепочки последовательных соединений всегда уменьшают надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к выходу всей цепи.

— Невозможность создать высокие концентрации на кремниевых ФЭП приводит к утрате возможности повысить КПД ФЭП за счет повышения плотности светового потока.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерном освещении ФЭП, получение на одном ФЭП (модуле) приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии.

Для достижения указанных целей в солнечном фотоэлектрическом модуле линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного квадратного фотопреобразователя, причем фокусы расположены на диагоналях фотопребразователя между центральной точкой и вершинами его квадрата, и расстояния между фокусами периферийных зон не более 0,5 d, где d — диаметр фокального пятна от соответствующей периферийной зоны линзы Френеля, при этом зоны линзы имеют одинаковые площади миделей, и выходное отверстие вторичного отражателя имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади фотопреобразователя.

Следует отметить, что высоковольтные фотопреобразователи состоят из множества одинаковых тонких планарных ФЭП, соединенных последовательно между собой, поэтому конфигурация поверхности, воспринимающей падающее излучение, в силу своих конструктивных особенностей может быть только прямоугольной или квадратной, что накладывает особые требования на распределение освещенности.

Признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, заключаются в следующем.

Линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного фотопреобразователя, причем каждая зона линзы имеет концентрический рабочий профиль, создающий точечный фокус.

Фокусы каждой зоны ЛФ расположены следующим образом: фокусы расположены на диагоналях фотопребразователя между центральной точкой и вершинами его квадрата, и расстояния между фокусами этих зон не более 0,5 d, где d — диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы Френеля. Такое расположение фокусов определяется тем, что высоковольтный ФЭП имеет квадратную форму и состоит из множества спаянных последовательно тонких пластинок ФЭП, которые должны освещаться равным световым потоком по всей поверхности. При неравномерной освещенности высоковольтные ФЭП будет иметь ток, соответствующий участку ФЭП с наименьшей освещенностью, что снизит КПД ФЭП. Четыре фокуса от зон ЛФ с одинаковыми площадями более равномерно освещают квадратную площадку, чем один фокус от целиковой, не разделенной на зоны ЛФ.

Перед ФЭП расположен вторичный отражатель, имеющий квадратную поверхность выхода излучения, равную или большую, чем площадь ФЭП.

На фиг.1а показано: общий вид солнечного модуля с высоковольтным фотопреобразователем и линзой Френеля.

На фиг.1б показан в увеличенном масштабе вид на высоковольтный фотопреобразователь и схема расположения оптических фокусов от зон линзы Френеля.

На фиг.2а, б показаны: оптическая схема работы ЛФ и принципы формирования равномерной освещенности ФЭП: (а) — по сечению А-А линзы Френеля и ФЭП; (б) — по диагональному сечению Б-Б линзы и ФЭП.

Кроме того, на фиг.2а, б показаны эпюры распределения освещенности Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 на поверхности ФЭП от разных зон линзы Френеля.

Солнечный модуль с высоковольтным фотопреобразователем (ФЭП) состоит из концентратора солнечного излучения в виде линзы Френеля (ЛФ) с концентрическим рабочим профилем, в фокальной плоскости 5 линзы установлен высоковольтный фотопреобразователь ФЭП, перед которым по ходу солнечных лучей расположен вторичный отражатель ВО, фотопреобразователь ФЭП установлен на плоскости 5 охлаждающего устройства 6. Линза Френеля состоит из четырех зон 1, 2, 3, 4 рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус F1, F2, F3, F4 в плоскости высоковольтного квадратного фотопреобразователя (ФЭП), причем фокусы F1, F2, F3, F4 расположены на диагоналях ав и бг фотопребразователя (ФЭП) между центральной точкой ОФЭП и вершинами абвг его квадрата, и расстояния между фокусами F1, F2, F3, F4 этих зон 1, 2, 3, 4 не более 0,5 d, где d — диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы Френеля, при этом зоны 1, 2, 3, 4 линзы ЛФ имеют одинаковые площади миделей, и выходное отверстие вторичного отражателя ВО имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади фотопреобразователя ФЭП.

Работает солнечный модуль с высоковольтным фотопреобразователем (ФЭП) следующим образом. Прямое солнечное излучение падает перпендикулярно миделю ЛФ (стрелка на фиг.1а) и концентрируется на фокальной плоскости 5, при этом по свойству концентрических ЛФ каждая зона 1, 2, 3, 4 создает на плоскости 5 фокальные пятна вокруг соответствующих точек F1, F2, F3, F4 фокуса. Таким образом, ЛФ имеет не одну точку фокуса на плоскости 5, а четыре точки F1, F2, F3, F4, расположенные на диагоналях абвг квадрата ФЭП, и расстояния между фокусами F1, F2, F3, F4 этих зон 1, 2, 3, 4 не более 0,5 d, где d — диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы ЛФ. Такое расположение достигается тем, что зоны ЛФ также смещены относительно друг друга на величину 0,5 d. На фиг.1б в увеличенном виде изображен ФЭП и расположение зональных фокусов F1, F2, F3, F4, окружности вокруг фокусов обозначают диаметры фокальных пятен, которые выходят за пределы ФЭП.

На фиг.2а, б представлены эпюры Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 распределения плотности освещенности от зон 1, 2, 3, 4 на плоскости 5. На фиг.2а показаны эпюры освещенности от зон 1 и 4 по сечению А-А, из которых следует, что эпюры Ф1 и Ф4 вокруг фокусов F1 и F4 перекрывают друг друга таким образом, что суммарное распределение освещенности ФΣ в пределах ФЭП создает почти равномерную освещенность. При этом провал между эпюрами Ф1 и Ф4 заполняется зоной перекрытия (на фиг.2а крестообразная штриховка).

На фиг.2б представлена схема прохождения лучей света через ЛФ и формирование равномерной освещенности на ФЭП в диагональном сечении Б-Б. При этом центральная часть ФЭП вокруг точки ОФЭП (на фиг.1б затемненная часть) одновременно перекрывается фокальными пятнами от всех зон, что создает достаточную освещенность и выравнивает суммарную ФΣ. Для того чтобы максимально использовать световой поток от ЛФ, перед ФЭП установлен вторичный отражатель ВО, который направляет часть светового потока, выходящего за пределы (фиг.1б), на ФЭП.

Таким образом, предложенный солнечный фотоэлектрический модуль с высоковольтным фотопреобразователем и линзой Френеля обеспечивает более равномерное распределение освещенности на ФЭП, чем обычная линза с одним фокусом, тем самым повышая КПД преобразования.

Подобный модуль был изготовлен и проведены натурные испытания в солнечном излучении. Линза имела 4 зоны, смещенные на встречу друг друга на 2,5 мм, размеры линзы 275×275 мм, фокусное расстояние до ФЭП составляло 279 мм. Высоковольтный ФЭП имел размер 10×10 мм и состоял из 32 элементарных ФЭП толщиной 0,31 мм, соединенных последовательно. Высоковольтный ФЭП в прямом солнечном потоке показал напряжение 16 В при КПД 14%, в составе модуля с ЛФ напряжение возросло до 18 В и КПД увеличился до 19%.

Увеличение КПД модуля на 5% означает выработку электроэнергии на 35% больше и соответствующее снижение стоимости вырабатываемой энергии.

Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий концентратор солнечного излучения в виде линзы Френеля с концентрическим рабочим профилем, в фокальной плоскости линзы установлен фотопреобразователь, перед которым по ходу солнечных лучей расположен вторичный отражатель, фотопреобразователь установлен на плоскости охлаждающего устройства, отличающийся тем, что линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного квадратного фотопреобразователя, причем фокусы расположены на диагоналях фотопреобразователя между центральной точкой и вершинами его квадрата, и расстояния между фокусами этих зон не более 0,5 d, где d — диаметр фокального пятна от соответствующей периферийной зоны линзы Френеля, при этом зоны линзы имеют одинаковые площади миделей, и выходное отверстие вторичного отражателя имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади фотопреобразователя.

www.findpatent.ru