PL222596B1 - Lustrzany koncentrator promieniowania zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami - Google Patents

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222596 (13) B1 (51) Int.Cl.

(21) Numer zgłoszenia: 400160 _{F24J 2/10 (2}oo6.O1)

H01L 31/052 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 27.07.2012

Lustrzany koncentrator promieniowania zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 03.02.2014 BUP 03/14	(73) Uprawniony z patentu: HABRYŃ ANDRZEJ STANISŁAW, Wolbrom, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.08.2016 WUP 08/16	(72) Twórca(y) wynalazku: ANDRZEJ STANISŁAW HABRYŃ, Wolbrom, PL

PL 222 596 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest lustrzany koncentrator promieniowania, zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami i stanowi rozwiązanie problemu obniżenia kosztów konwersji promieniowania słonecznego na energię użytkową: elektryczną lub cieplną, zależnie od zastosowania kolektora cieplnego lub ogniwa fotowoltaicznego, jako konwertera rodzaju energii a także podwyższenia temperatury roboczej kolektora cieplnego i zmniejszenia gabarytów układu.

Koncentracja promieniowania słonecznego w procesach konwersji promieniowania słonecznego na energię użytkową jest stosowana od bardzo dawna i istnieje bardzo wiele rodzajów koncentratorów opisanych w literaturze, ujawnionych w patentach oraz znanych z praktycznego zastosowania. Cele stosowania koncentracji promieniowania są różne, na przykład w „piecach słonecznych” jak na przykład w Odeillo we Francji lub w Krajowym Laboratorium Energii Odnawialnej w Kolorado koncentracja promieniowania służy do czystego uzyskiwania bardzo wysokich temperatur, w których testuje się materiały termoodporne, na przykład osłony termiczne rakiet. W przypadku konwersji promieniowania słonecznego na energię cieplną użytkową do celów ogrzewania i produkcji ciepłej wody użytkowej, a tego dotyczy wynalazek, koncentracja energii prom ieniowania słonecznego służy podniesieniu temperatur roboczych dla zwiększenia użyteczności produkowanej energii cieplnej a w przypadku produkcji energii elektrycznej z użyciem ogniw fotowoltaicznych w celu zmniejszenia niezbędnej powierzchni samych ogniw fotowoltaicznych przy tej samej produkcji energii elektrycznej, co radykalnie obniża koszt całego układu i powoduje polepszenie efektu ekonomicznego produkcji energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Generalnie koncentratory dzielimy na niskiego stopnia koncentracji i wysokiego stopnia koncentracji. We wspomnianym piecu słonecznym w Kolorado poziom koncentracji dochodzi do 21000 razy, natomiast koncentratory stosowane wraz z ogniwami fotowoltaicznymi mają poziom koncentracji nie przekraczający 10 razy, gdyż przy przekroczeniu stosunkowo niskiej temperatury powierzchni fotoogniwa następuje jego uszkodzenie. Koncentratory niskiego stopnia koncentracji dzielą się na soczewkowe i zwierciadlane. Soczewki mogą być klasyczne lub soczewki Fresnela, produkowane ze szkła lub tworzyw sztucznych, ich podstawową wadą jest dość silne pochłanianie części widma słonecznego głównie zakresu podczerwieni i ultrafioletu.

Zwierciadlane koncentratory wykorzystują powierzchnie skupiające cylindryczne lub kołowe o przekroju w kształcie paraboli, łuku koła lub kombinowane a także zespoły zwierciadeł płaskich. Konkretnych rozwiązań koncentratorów zwierciadlanych jest bardzo dużo i skupiających punktowo i skupiających liniowo, a także skupiające strefowo, ich wspólnymi wadami są dość duże wymiary, zwłaszcza „głębokość” oraz silne przemieszczanie się punktu, linii lub strefy skupienia wraz z naturalną zmianą kąta padania promieni słonecznych, w wielu rozwiązaniach wręcz zamiast skupiania powoduje silne rozpraszanie promieni.

Rozwiązanie koncentratora zwierciadlanego z kolektorem lub ogniwem fotowoltaicznym umieszczonym w dnie zwierciadła o przekroju w postaci wycinków paraboli zwany CPC - Compound Parabolic Concentrator posiada własności dobrego skupiania promieniowania na powierzchni i mało zależy od kąta padania promieni słonecznych, ale stosunek głębokości koncentratora do szerokości wynosi od 2 do 6, co powoduje konieczność rozbudowy konstrukcji samego koncentratom jak i konstrukcji wsporczej, co wpływa na ciężar, koszt i możliwości zabudowy.

Znane są także polskie zgłoszenia wynalazków wielostrefowych koncentratorów słonecznych takie jak na przykład P.393864 z 2011 r., P.393865 z 2011 r., czy amerykański patent US 6276359, oraz bardzo dużo innych rozwiązań.

Celem wynalazku jest zmniejszenie całkowitej głębokości koncentratora, przy małej wrażliwości zdolności skupiania od kąta padania promieni słonecznych oraz zmniejszenie masy układu.

Lustrzany koncentrator promieniowania zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami, według wynalazku charakteryzuje sie tym, że ma element konwertujący promieniowanie zwłaszcza słoneczne na energię użyteczną w postaci płaskiego kolektora termicznego lub płaskiego ogniwa fotowoltaicznego umieszczonego w koncentratorze powierzchnią aktywną prostopadle do kierunku źródła promieniowania, posiada symetrycznie względem środka elementu konwertującego boczne odbłyśniki oddalone od brzegów kolektora lub ogniwa fotowoltaicznego, posiadające powierzchnie o przekroju w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego w postaci wycinka łuku okręgu, albo połączonych wycinków łuku okręgu, albo wycinków paraboli, albo wycinków elipsy, albo odcinków prostych, albo kombinacji tych kształtów, przy czym osie optyczne powierzchni zwierciadlanej tych odbłyśników bocznych przy padaniu wiązki promieni prostopadłej do odcinka łączącego

PL 222 596 B1 krawędzie odpowiednich wycinków, łuków i odcinków przechodzą przez powierzchnię kolektora termicznego, albo ogniwa fotowoltaicznego zaś między odbłyśnikami i krawędziami kolektora termicznego, albo ogniwa fotowoltaicznego umieszczone są symetrycznie serie powtarzalnych modułów odbłyśników, każdy zbudowany z co najmniej dwu powierzchni zwierciadlanych o przekrojach w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego w postaci wycinków koła, albo wycinków paraboli, albo wycinków elipsy, albo odcinków prostych, albo kombinacji tych kształtów, przy czym oś optyczna płaszczyzny zwierciadlanej modułu bliższa krawędzi elementu konwertującego dla wiązki promieniowania prostopadłej do elementu konwertującego przechodzi przez powierzchnię zwierciadlaną bocznego odbłyśnika bardziej odległą od modułu odbłyśników, natomiast oś optyczna powierzchni zwierciadlanej modułu odbłyśników dalsza w stosunku do krawędzi elementu konwertującego przechodzi przez powierzchnię zwierciadlaną bocznego odbłyśnika mniej odległą od modułu odbłyśników, przy czym rzut krawędzi bocznych odbłyśników na płaszczyznę równoległą do płaszczyzn y płaskiego kolektora termicznego, albo ogniwa fotowoltaicznego ma kształty okręgu, albo prostokąta, albo wielokąta wypukłego, albo elipsy, albo owalu albo kombinacji tych figur, natomiast cały koncentrator od strony padania promieni może być przykryty pokrywą przeźroczystą.

Zastosowanie wynalazku umożliwi budowę instalacji przekształcania energii promieniowania słonecznego na energię użyteczna lżejszych niż dotychczasowe, z mniejszą zależnością uzysku energii od kąta padania promieni słonecznych oraz z możliwością wykorzystania modułów koncentratorów jako elementów konstrukcji obiektów np. jako ogrodzenia, pokrycia dachowe, balustrady lub panele ścienne.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój pionowy koncentratora w pierwszym wykonaniu, fig. 2 przedstawia przekrój pionowy koncentratora w drugim wykonaniu, umieszczonego w obudowie, fig. 3 przedstawia przekrój pionowy koncentratora w pierwszym wykonaniu umieszczonego w obudowie, fig. 4 przedstawia przekrój pionowy koncentratora w wykonaniu trzecim, fig. 5 przedstawia przekrój pionowy koncentratora w wykonaniu czwartym, fig. 6 przedstawia przekrój pionowy koncentratora w wykonaniu piątym.

Koncentrator w wykonaniu pierwszym (fig. 1) posiada element konwertujący 1 w postaci kolektora termicznego lub ogniwa fotowoltaicznego, dwa odbłyśniki boczne 4, dwa moduły odbłyśnika 3, a na odbłyśnikach posiada powierzchnie zwierciadlane dalsze 4 od krawędzi elementu konwertującego 1, powierzchnie zwierciadlane bliższe 5, od krawędzi elementu konwertującego 1 powierzchnie odbłyśników bocznych zewnętrze 6 i powierzchnie odbłyśników bocznych wewnętrzne 7.

Koncentrator w drugim wykonaniu (fig. 2) umieszczony w obudowie, posiada dwa moduły odbłyśników z parami powierzchni o przekrojach w postaci wycinków parabol albo elips, albo łuków 8 i dwa moduły odbłyśnika w postaci pary odcinków prostych 16. Przy czym koncentrator w wykonaniu pierwszym umieszczony w obudowie, posiada przeźroczystą pokrywę 10 obudowy 9.

Koncentrator w wykonaniu trzecim (fig. 4) posiada odbłyśniki boczne z powierzchnią odbijającą o przekroju w postaci łuku albo odcinka paraboli, albo odcinka elipsy 11.

Koncentrator w wykonaniu czwartym (fig. 5) posiada odbłyśniki boczne z powierzchnią odb ijającą o przekroju w postaci odcinka prostego 12 lub odbłyśniki boczne z powierzchnią odbijającą o przekroju w postaci dwóch odcinków prostych 13 usytuowanych wzajemnie do siebie pod kątem rozwartym.

Koncentrator w wykonaniu piątym (fig. 6), posiada moduły odbłyśników z powierzchniami odbijającymi o przekroju w postaci odcinków prostych 14 lub moduły odbłyśników z powierzchniami odbijającymi o przekroju w postaci połączonych wycinków łuku albo paraboli albo elipsy i odcinka prostej 15.

Przykład stosowania widoczny na fig. 3 i fig. 1, gdzie w obudowie 9 umieszczono kolektor termiczny oraz koncentrator promieniowania składający się z odbłyśników bocznych (2) o przekroju powierzchni odbijających w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni kolektora termicznego (1) w postaci połączonych dwóch łuków okręgu (6) i (7), oraz umieszczonych między odbłyśnikami bocznymi (2) czterech modułów odbłyśników (3) pod dwa moduły między krawędzią kolektora termicznego (1) i powierzchnią odbijającą bocznego odbłyśnika (2), całość zaś koncentratora jest przykryta pokrywą przeźroczystą (10).

PL 222 596 B1

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Lustrzany koncentrator promieniowania zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami, znamienny tym, że ma element konwertujący promieniowanie, zwłaszcza słoneczne na energię użyteczną w postaci płaskiego kolektora termicznego albo płaskiego ogniwa fotowoltaicznego (1) umieszczonego w koncentratorze powierzchnią aktywną prostopadle do kierunku źródła promieniowania, posiada symetrycznie względem środka elementu konwertującego (1 boczne odbłyśniki (2) oddalone od elementu konwertującego (1) z powierzchniami odbijającymi o przekroju w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego (1) w postaci połączonych wycinków łuku okręgu (6) albo paraboli (7), przy czym osie optyczne powierzchni zwierciadlanej tych odbłyśników bocznych przy padaniu wiązki promieni prostopadłej do odcinka łączącego krawędzie odpowiednich łuków przechodzą przez powierzchnię elementu konwertującego (1), zaś między odbłyśnikami (2) i krawędziami elementu konwertującego (1) umieszczone są symetrycznie serie powtarzalnych modułów odbłyśników (3), każdy zbudowany z, co najmniej dwu powierzchni zwierciadlanych o przekrojach płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego (1) w postaci wycinków okręgu, przy czym oś optyczna płaszczyzny zwierciadlanej (4) modułu bliższej krawędzi elementu konwertującego (1) dla wiązki promieniowania prostopadłej do elementu konwertującego (1) przechodzi przez powierzchnię zwierciadlaną bocznego odbłyśnika (2) bardziej odległą od modułu odbłyśnika (3), natomiast oś optyczna powierzchni zwierciadlanej (5) modułu odbłyśnika (3), dalsza w stosunku do krawędzi elementu konwertującego (1) przechodzi przez powierzchnię zwierciadlaną bocznego odbłyśnika (2) mniej odległą od modułu odbłyśnika (3).
2. 2. Lustrzany koncentrator promieniowania, zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne odbłyśniki (11) oddalone od brzegów elementu konwertującego (1) posiadają powierzchnie odbijające o przekroju w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego (1) w postaci wycinków paraboli albo okręgu albo elipsy.
3. 3. Lustrzany koncentrator promieniowania zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne odbłyśniki (12) oddalone od brzegów elementu konwertującego (1) posiadają powierzchnie odbijające o przekroju w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego (1) w postaci odcinków prostej, przy czym osie optyczne powierzchni zwierciadlanej tych odbłyśników bocznych przy padaniu wiązki promieni prostopadłej do ich powierzchni przechodzą przez powierzchnię elementu konwertującego (1).
4. 4. Lustrzany koncentrator promieniowania zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami według zastrz. 1, znamienny tym, że boczne odbłyśniki (13) oddalone od brzegów elementu konwertującego (1) posiadają powierzchnie odbijające o przekroju w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego (1) w postaci kilku połączonych odcinków prostej, przy czym osie optyczne powierzchni zwierciadlanych tych odbłyśników bocznych przy padaniu wiązki promieni prostopadłej do ich powierzchni przechodzą przez powierzchnię elementu konwertującego (1).
5. 5. Lustrzany koncentrator promieniowania, zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami według zastrz. 1, znamienny tym, że powtarzalne moduły odbłyśników (8) składają się z modułów odbłyśników (3) i połączonych z nimi modułów składających się z dwu powierzchni zwierciadlanych o przekroju w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni elementu konwertującego (1) w postaci, co najmniej dwu połączonych odcinków prostych.
6. 6. Lustrzany koncentrator promieniowania, zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada powtarzalne moduły odbłyśników (15), każdy posiadający dwie powierzchnie zwierciadlane o przekrojach w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego (1) w postaci połączonych wycinka okręgu i odcinka prostej, albo paraboli i odcinka prostej.
7. 7. Lustrzany koncentrator promieniowania. zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada powtarzalne moduły odbłyśników (14) każdy posiadający dwie powierzchnie zwierciadlane o przekrojach w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elementu konwertującego (1) w postaci połączonych odcinków prostej.
8. 8. Lustrzany koncentrator promieniowania, zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami według zastrz. 1, znamienny tym, że cały koncentrator przykryty jest od strony źródła promieniowania pokrywą przeźroczystą (10).

   PL 222 596 B1
9. 9. Lustrzany koncentrator promieniowania, zwłaszcza słonecznego z wielostrefowymi odbłyśnikami według zastrz. 1, znamienny tym, że rzut krawędzi bocznych odbłyśników na płaszczyznę równoległą do płaszczyzny konwertora promieniowania (1 ma kształty okręgu, albo prostokąta, albo wielokąta wypukłego, albo elipsy, albo owalu.