Так как фоконы относятся к зеркальным концентраторам, то основными требованиями при разработке технологии их изготовле­ния являются обеспечение высококачественной отражающей по­верхности и защита зеркального слоя. В решении этой задачи были реализованы следующие пути: разработка стеклянных фоконов, раз­работка металлических фоконов с возможной герметизацией внут­ренней отражающей поверхности, гальванопластика алюминия. На рис. 5.4 приведены фотоэлектрические модули на основе фоконов разного типа [5.5].

Предложенные В. К. Барановым в Государственном оптиче­ском институте (г. Санкт-Петербург) параболоторические фоконы (отражающие стенки в виде поверхностей вращения) и фоклины (корытообразные стенки) относятся к зеркальным низкопотенциаль­ным концентраторам [5.1].

Отличительной особенностью этого типа концентраторов яв­ляется то, что они не создают изображения источника света и кон­центрируют весь световой поток, пришедший на поверхность входа в пределах двойного параметрического угла, на поверхности выхо­да. Таким образом фоконы (фоклины) могут концентрировать сол­нечное излучение в широком диапазоне угловых рассогласований от «прицельного положения», что уменьшает требования к точности
изготовления солнечных станций (механизмов привода, жесткости несущих конструкций, согласованности установки модулей на об­щей раме) и удешевляет их стоимость.

Принципы формообразования профиля отражающей поверх­ности парабодоторических фоконов (в дальнейшем «фоконов», в случае необходимости специфические признаки фоклинов будут оговариваться) приведены на рис. 5.1. Внеосевой участок параболы АА с осью PN и фокусом в точке F располагается таким образом, чтобы точка F являлась одновременно точкой, ограничивающей вы­ходное сечение d. Вращение участка параболы AjA вокруг оси сим­метрии ОіО образует поверхность фокона (фотометрического ко­нуса), плоскопараллельное перемещение отрезка образует поверх­ность фоклина. Основные геометрические соотношения получаемо­го профиля:

d = D sin а;

Н = 0,5 (d + D) ctg а; f = 0,5 (1+sina) d,

где D, d — диаметры поверхностей входа и выхода; а — параметриче­ский угол; Н — глубина фокона; f — фокусное расстояние образую­щей параболы.

Йр1

Ш

Геометрическая концентрация излучения на выходном отвер­стии фоконов:

К = l/sin2a. (5.4)

Концентрация фоклинов:

К = 1/sina.

Построение профилей фоконов сводится к предварительному габаритному расчету по (5.1 — 5.3) и последующему построению профиля, что удобно делать при помощи радиус-векторов р, длина которых определяется из выражения:

р = 2f / (1+cos Р), (5.6)

где р — меняющееся значение полярного угла радиуса-вектора с цен­тром В T. F, pmin= 90 — а, Ртах = 2Р min.

Одним из недостатков фоконов (фоклинов) как концентраторов являются относительно большие значения величины Н, что затрудня­ет их изготовление, увеличивает материалоемкость. Укорочение про­изводят со стороны поверхности входа D [5.3]. Преимущество укоро­ченных профилей состоит в том, что глубина профиля уменьшается значительно при незначительном уменьшении концентрации, можно получить одну и ту же концентрацию при разных параметрических углах. Например концентрацию 5 можно получить для фокона с па­раметрическим углом 24° (Hj = 0,52 Н) и для фокона с пара­метрическим углом 20° (Ні = 0,3 Н), что изображено на рис. 5.3.

Существенными отличиями фоконов и фоклинов от других типов отражающих и линзовых концентраторов являются: 1) дли­тельная работа в пределах параметрического угла концентратора без слежения за положением Солнца; 2) возможность использования некоторой части рассеянного излучения вокруг солнечного диска. Этот фактор необходимо учитывать при выборе конкретного типа концентраторов для СФЭС, т. к. суммарная выработка энергии на концентраторах типа фоконов и фоклинов существенно увеличива­ется по сравнению, например, с параболическими концентраторами, концентрирующими только прямую солнечную радиацию. Осве­щенность СЭ в этих концентраторах за счет рассеяния околосолнеч­ными зонами небосвода может увеличиться по сравнению с прямой солнечной радиацией на 10 — 15 %.

Концентраторы этого типа эффективно могут быть использо­ваны также как вторичные отражатели, увеличивающие концентра­цию светового потока от первичного зеркала.

Небольшие и сравнительно равномерные концентрации на по­верхности выхода позволяют осуществить пассивный отвод тепла от СЭ за счёт тыльной металлической подложки, с которой СЭ должны иметь хороший тепловой контакт. Компоновка такого модуля при­ведена на рис. 4.17.

Рассмотрены вопросы создания модуля со следующими пара­метрами: ширина СЭ 2Ь=10 мм, ширина входной поверхности 35 мм, высота 40 мм, толщина алюминиевого листа-радиатора 3 мм.

Решение задачи термостабилизации СЭ с указанными пара­метрами показало, что при температуре воздуха 30°С температура на СЭ составит 75°С [4.16]. Электрическая мощность такого модуля может составить 82 — 84 Вт/м2 при воспринимающей поверхности при стандартных условиях облучения, т = 0,68 — 0,7, КПДСэ=0,12.

Модуль был смоделирован: призма изготовлена из листового орг. стекла, внутрь которого заливалось вазелиновое масло с коэф­фициентом преломления, близким к орг. стеклу (1,49). Эксперимен­тальное распределение облучённости поверхности выхода измеря­лось по 10 точкам с помощью СЭ толщиной 1 мм, который переме­щался поперек поверхности.

Результаты измерения приведены на рис. 4.18.

Выводы по главе 4

Предложены и аналитически исследованы призмоконы различных

типов.

Разработана методика определения светопотерь в призмоконах. Наиболее простыми, компактными и эффективными в работе явля­ются призмоконы на основе трапецеидальных призм, которые работают при больших углах рассогласования от прицельного положения на Солнце и имеют малые светопотери.

Наибольшие концентрации (8 и более) можно получить на составных призмоконах, но при этом они обладают большими светопотерями.

Подробно исследован V-образный призм окон, обеспечивающий круглогодичную работу в стационарном режиме с весьма незначительными изменениями в облучённости СЭ на выходе.

На основе предложенных призмоконов были изготовлены и исследо­ваны фотоэлектрические модули, показавшие удовлетворительные резуль­таты (например, модули с трапецеидальным призмоконом), причём, при использовании оптического стекла со светопропусканием 0,9 и КПД СЭ 15% можно получить с 1 м2 мощность 130 Вт с уменьшением количества СЭ в 1,5-1,9 раз.

Основным недостатком призмоконов как класса концентраторов сол­нечного излучения являются большие светопотери в прозрачном материале призм, большой расход прозрачного материала (стекла или орг. стекла), относительно высокие весовые характеристики.

Схема фотоэлектрического модуля с призмоконом на основе зеркала Френеля [4.13] изображена на рис. 4.15. Работает призмокон следующим образом: излучение проходит прозрачное покрытие 1, жидкость заполняющую внутреннюю полость 2 призмокона, попа­дает на зеркало Френеля 4, рабочие грани которого обеспечивают отражение излучения от входной поверхности 1 под углом полного внутреннего отражения и попадание на СЭ, установленный на зад­ней поверхности призмокона. Расположение СЭ непосредственно в жидкости обеспечивает надёжное его охлаждение. На рис. 4.16 при­ведён макет модуля и его характеристики.

Рис. 4.16. Макетный образец модуля на призмоконе с зерка­лом Френеля: диаметр описан­ной окружности шестигранника 260 мм, толщина 20 мм, диа­метр СЭ 50 мм, рабочая пло­щадь зеркала Френеля 285 см2, жидкость — кремнийорганиче — ская, концентрация излучения

14,5, электрическая мощность при КПД СЭ 12%-2,9 Вт

Модуль изображён на рис. 4.5, Г. Отличительной особенностью этого призмокона является полное использование приходящего на входное сечение солнечного излучения за счёт наличия конических поверхностей в углах квадрата. Призмокон был выполнен из органиче­ского стекла с напылением отражающего слоя из алюминия.

Параметры изготовленного образца: размеры призмокона (входное сечение) — квадрат 48×48 мм; размеры СЭ на выходном се­чении — 20×20 мм; высота призмокона -11,5 мм, угол при вершине плоских граней а° = 23°, при вершине конуса а = 26°; площадь входа излучения 23 см2 , площадь СЭ 4 см2, концентрация излучения 5,76, оптический КПД 0,8, коэффициент использования площади 0,95. Рас­чётная мощность с 1 м2 при КПД СЭ 15% (Е0 = 1000 Вт/м2) составля­ет 116 Вт/м2.

На рис. 4.14 при­ведена реакция рассмат­риваемого призмокона на угловые дефокусировки. Таким образом, для дан­ного призмокона откло­нение от «прицельного» направления на Солнце на 8 угловых градусов приводит к 10% потери мощности.

Рис. 4.14. Изменение мощ-
ности модульной ячейки
с квадратным призмоконом
при угловых дефокусировках
в относительных единицах

4.5.1. Модули на основе трапецеидальных линейных призмоконов

На рис. 4.11 представлен линейный призмокон на основе тра­пеции с параметрами: ширина входного сечения 36 мм, толщина — 6 мм, длина 415 мм, материал стекло п =1,52, ширина выходного сечения с СЭ — 18 мм, угол а = 28°, концентрация излучения 2; оп­тический КПД — 0,71 (оконное стекло); коэффициент использования поверхности 0,98, продольная дефокусировка ± 60°, поперечная при потери 10% мощности ±15° (рис. 4.12) электрическая мощность при КПД СЭ 10,5 % N3 = 0,91 Вт (Е0 = 1000 Вт/м2); удельная мощность с 1 м2 составило в эксперименте 87 Вт.

. / град.

10 20 ЗО 40 50

Рис. 4.13. Блок фотоэлектрических модулей по рис. 4.11
пиковой мощностью 9 Вт, 12 В

При использовании оптического стекла с КПД пропускания 0,9 и КПД СЭ 15% можно получить сім2 мощность 130 Вт с умень­шением количества СЭ в 1,5- 1,9 раз.

Блок модулей на основе этого типа призмоконов представлен нарис. 4.13.

Призмокон, изображенный на рис. 4.9, представляет собой V-образную призму, на тыльные стороны боковых граней которой нанесены отражающие слои [4.13, 4.14, 4.15]. Углы р и у подбира­ются таким образом, чтобы при отклонении лучей от оси симметрии в пределах угла 5 > ± 24° световой поток приходил на поверхность выхода, где установлены СЭ.

Зная параметры Ь, (3, 5 и коэффициент преломления п материа­ла призм, можно вычислить основные размеры призмокона.

. ( ( і Yj

у = arcsm nsm arcsm—2/? + S, К V n ))

ho = b x tg( arcsin 1/n + у — л/2),

/ Рис. 4.10. Распределение облучённости в фокальной плоскости „ 1‘, при разных углах отклонения излучения от плоскости Симметрии

Геометрическая концентрация определяется по формуле: К = а / Ь. Максимальная концентрация при п = 1.49 достигается при Р ~ 8° и составляет К — 3,18.

Улучшить этот результат можно за счёт высоты ho средней части призмокона, при этом возникают незначительные потери, но концентрация при этом достигает К = 3,5-3,7.

Концентрация призмокона определяется по формуле

Креал = К х X х COS 5,

где К — геометрическая концентрация, х — коэффициент светопро — пускания, который определяется по формуле:

X = X] X Х2 х Тз X Т4,

где Ті — светопропускание с учётом френелевских потерь; т2 — отра­жение от заднего слоя; х3 — светопропускание материала призмоко­на; х4 — коэффициент возможных допустимых потерь из-за увеличе­ния размера ho.

В таблице 4.1 приведены данные по коэффициентам светопропускания и концентрациям при угловых дефокуси­ровках V-образного призмокона (геометрическая концентра­ция 3,5).

Распределение концентрации энергии на выходе для разных § приведено на рис. 4.10.

На рис. 4.4, ж изображён призмокон, используемый в качестве вторичного концентратора [4.11]. Работает такой концентратор сле­дующим образом. Излучение отразившись от основного концентра­тора, например параболоидного, направляется в фокус, расположен­ный внутри призмокона, выполненного в виде световода с внутрен­ним светоотражающим конусом. Излучение проходит стенки свето­вода, отражается на внутреннем конусе, и попадает на стенки свето­вода под углами, большими, чем угол полного внутреннего изобра­жения. В результате переотражений световой поток достигает по­верхности световода, где установлен СЭ. В этой схеме можно эф­фективно использовать поверхность концентратора, особенно, если она выполнена из металла, в качестве радиатора охлаждения СЭ.

Подобное использование призмоконов имеет положительные сторо­ны: решает проблему усреднения освещённости на СЭ от высокопо­тенциальных концентраторов, упрощает вопросы юстировки моду­лей, слежения за Солнцем, замены модулей при эксплуатации. Ока­зался трудноразрешимым вопрос охлаждения самого световода со стороны входа излучения (вогнутого конуса), для чего призмокон выполнялся пустотелым, заполненным прозрачной жидкостью и компенсаторами температурного расширения за счёт металлических сильфонов. Однако это не решало вопроса естественной циркуляции жидкости в призмоконе. Для его решения была предложена схема охлаждения за счёт циркуляции жидкости [4.12], представленная на рис. 4.8.

Работает схема охлаждения следующим образом: излучение от отражателя 1 попадает в наполненную жидкостью колбу 3, на вторичный отражатель 7, нагревает его до образования пара внутри колбы вторичного отражателя. Пар поднимается вверх, засасывая с собой охлаждённую жид­кость снизу от СЭ 16. Жид­кость совместно с паром вы­ходит из трубки 13, попадает в полость 8, далее охлаждает­ся и через зазор 12, продол­жая охлаждаться, направля­ется к СЭ 16. Таким образом,

внутренней жидкости охлаждение ражателя 7.

Призмокон, изображённый на рис. 4.4, е, предназначен для комбинированных солнечных установок для выработки электриче­ства и тепла [4.10]. Принцип его работы в следующем. Три призмы установлены вокруг прозрачной трубы с прозрачным теплоносите­лем, СЭ с двухсторонней фоточувствительностью расположен по оси симметрии концентратора. Боковые призмы имеют тыльный от­ражающий слой, центральная призма — без отражающего слоя. Предполагается, что продольные оси труб этих призмоконов уста­навливаются под углом к горизонту, соответствующим широте ме­стности. В этом случае Солнце будет освещать утром, например, левую и центральную призмы, днём — обе боковые призмы, вечером — правую и центральную призму. Таким образом будет поддержи­ваться концентрация, равная световому сечению концентратора в данный момент, отнесённая к площади СЭ.