Солнечная энергетическая установка с концентратором (варианты)
Владельцы патента RU 2372562:
Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) (RU)
Изобретение относится к области гелиотехники, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами и солнечными элементами в фокальной области. В солнечной энергетической установке с концентратором, содержащей фотоприемник из скоммутированных солнечных элементов, установленный в фокальной области концентратора, согласно изобретению солнечные элементы в фотоприемнике соединены параллельно и подключены к двум преобразователям напряжения разной мощности - малой и большой, выход преобразователя напряжения малой мощности присоединен к драйверу для управления преобразователя напряжения большой мощности, содержащего силовые транзисторы и повышающий трансформатор, к выходу которого подключен выпрямитель и аккумуляторная батарея с контроллером заряда и инвертор. По второму варианту установка содержит фотоприемник из скоммутированных солнечных элементов, установленный в фокальной области концентратора, при этом солнечные элементы в фотоприемнике коммутируют параллельно в n групп, содержащих один или несколько солнечных элементов, и каждую группу солнечных элементов фотоприемника присоединяют параллельно к входу одного из n преобразователей напряжения, а выходное напряжение преобразователя напряжения присоединяют к одному из n выпрямителей, имеющих одинаковое высокое напряжение постоянного тока, выходы всех n выпрямителей от всех n преобразователей соединяют параллельно и подключают через контроллер заряда к аккумулятору и инвертору. Изобретение должно обеспечить повышение эффективности использования солнечной энергии в солнечных энергетических установках за счет снижения коммутационных и схемных потерь, связанных с неравномерным освещением СЭ в установке и коммутацией больших токов, вырабатываемых СЭ. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области гелиотехники, в частности к солнечным энергетическим установкам с концентраторами и солнечными элементами в фокальной области.
Тенденцией солнечной фотоэлектрической энергетики является увеличение площади и КПД единичного солнечного элемента. Первые промышленные солнечные элементы (СЭ) имели площадь 10 мм2 и КПД 3…6%. В настоящее время СЭ имеют максимальную площадь 400 мм2, КПД 18% и ток до 15 А и напряжение 0,5 В при стандартном освещении (таблица).
Таблица. Площадь и КПД солнечных элементов из кремния
| Годы | 1960 | 1970 | 1980 | 1990 | 2000 | 2010 |
| Площадь СЭ, см2 | 2 | 20 | 45 | 80 | 156 | 400 |
| КПД, % | 6…8 | 8…10 | 10…12 | 12…14 | 14…16 | 16…18 |
| фото ЭДС, В | 0,5 | 0,55 | 0,58 | 0,6 | 0,62 | 0,65 |
| Ток к.з., А | 0,04 | 0,5 | 1,25 | 2,5 | 5,5 | 15 |
При концентрированном освещении ток СЭ еще более возрастает и увеличиваются коммутационные потери. Одновременно возрастают схемные потери из-за неравномерного освещения последовательно скоммутированных СЭ.
Известна солнечная энергетическая установка с концентраторами. В установке использовались параболоидные концентраторы диаметром 0,5 м и солнечные элементы (СЭ) диаметром 50 мм, установленные на тепловой трубе в фокальной области концентратора. Тепловая труба использовалась для охлаждения СЭ при концентрации 50 и токе СЭ 20 А. 128 СЭ соединялись последовательно для получения напряжения 50 В и электрической мощности 1 кВт (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Солнечная фотоэлектрическая установка со стеклянными концентраторами электрической мощностью 1 кВт, в книге «Концентраторы солнечного излучения", М., 2007, изд. ВИЭСХ, стр.38-40).
Недостатком известной установки является большой ток СЭ и большие потери на коммутацию при соединении большего числа СЭ. Другим недостатком является необходимость использования инвертора для присоединения солнечной энергетической установки к энергосистеме.
Известна солнечная энергетическая установка с концентраторами на основе стеклянных параболоторических фоконов с солнечными элементами диаметром 50 мм в фокальной области каждого фокона. Электрическая мощность установки 150 Вт, электрическая мощность одного модуля с фоконом 2,34 Вт, при токе СЭ 7,5 А (Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. Изд. ВИЭСХ, М., 2007, стр.117-123).
Недостатками известной установки являются низкое напряжение и большие токи каждого солнечного элемента в модуле и необходимость последовательной коммутации сильноточных СЭ для получения напряжения, достаточного для использования установки со стандартными характеристиками по напряжению.
Известна солнечная энергетическая установка с параболоцилиндрическим концентратором. В качестве фотоприемника использованы 18 солнечных элементов, соединенных последовательно. Коэффициент концентрации 3,45, рабочее напряжение 7 В, ток нагрузки 7,2 А, электрическая мощность 50,4 Вт (Тверьянович Э.В. и др. Концентрирующий фотоэлектрический модуль для комбинированного энергоснабжения. Возобновляемая энергия, 2004 г., март, с.10-11).
Недостатками всех известных солнечных энергетических установок с СЭ является необходимость последовательной коммутации большого числа СЭ, что при неравномерном освещении СЭ в установке приводит к снижению мощности из-за коммутационных и схемных потерь.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии в солнечных энергетических установках за счет снижения коммутационных и схемных потерь, связанных с неравномерным освещением СЭ в установке и коммутацией больших токов, вырабатываемых СЭ.
Указанная цель достигается тем, что в солнечной энергетической установке с концентратором, содержащей фотоприемник из скоммутированных солнечных элементов, установленный в фокальной области концентратора, согласно изобретению солнечные элементы в фотоприемнике соединены параллельно и подключены к двум преобразователям напряжения разной мощности - малой и большой, выход преобразователя напряжения малой мощности присоединен к драйверу для управления преобразователя напряжения большой мощности, содержащего силовые транзисторы и повышающий трансформатор, к выходу которого подключен выпрямитель и аккумуляторная батарея с контроллером заряда и инвертор.
Для увеличения надежности солнечной энергетической установки с концентратором в качестве преобразователя напряжения малой мощности используется дополнительный солнечный модуль малой мощности.
Согласно второму варианту выполнения в солнечной энергетической установке с концентратором, содержащей фотоприемник из скоммутированных солнечных элементов, установленный в фокальной области концентратора, согласно изобретению солнечные элементы в фотоприемнике коммутируют параллельно в n групп, содержащих один или несколько солнечных элементов, и каждую группу солнечных элементов фотоприемника присоединяют параллельно к входу одного из n преобразователей напряжения, а выходное напряжение преобразователя напряжения присоединяют к одному из n выпрямителей, имеющих одинаковое высокое напряжение постоянного тока, выходы всех n выпрямителей от всех n преобразователей соединяют параллельно и подключают через контроллер заряда к аккумулятору и инвертору.
Для увеличения надежности солнечной энергетической установки с концентратором питание драйверов всех преобразователей напряжения осуществляют от отдельной маломощной солнечной энергетической установки или от электрической сети.
Изобретение иллюстрируется на фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 показана коммутация СЭ в солнечной энергетической установке с концентратором; на фиг.2 - блок-схема установки; на фиг.3 - электрическая схема установки.
На фиг.1(а) показана коммутация СЭ в известной солнечной энергетической установке, а на фиг 1(б) - согласно изобретению.
Солнечная энергетическая установка состоит из фотоприемника 7, выполненного из скоммутированных солнечных элементов 2 и установленных в фокальной области 3 солнечного концентратора 4. В прототипе (фиг.1(а)) солнечные элементы 2 скоммутированы последовательно, а на фиг.1(б) - согласно изобретению, параллельно.
Установка работает следующим образом. Солнечные лучи Л1 Л2, …, отражаясь от концентратора 4, создают на фотоприемнике 1 фокальное пятно из отраженных лучей Л01 Л02, … Из-за неравномерного освещения солнечных элементов 2 на фотоприемнике ток фотоприемника 1 на фиг.1(а) будет определяться током наименее освещенного СЭ, а на фиг.1(б) ток фотоприемника 7 будет равен сумме токов всех соединенных параллельно солнечных элементов 2. Однако при этом ток фотоприемника 7 на фиг.1(б) становится очень большим из-за концентрации солнечного излучения и для снижения коммутационных потерь солнечные элементы в фотоприемнике 7 коммутируют параллельно в несколько групп и каждую группу подключают к входу преобразователя напряжения, выходное напряжение каждого преобразователя выпрямляют и выходы выпрямителей присоединяют параллельно через контроллер заряда к аккумулятору и инвертору.
На фиг.2 низкое напряжение от двух групп СЭ, соединенных параллельно в фотоприемнике 7, поступает на преобразователь напряжения 5 малой мощности, от которого питается драйвер 6, управляющий мощными полевыми транзисторами 7, выходы которых подключены к повышающему трансформатору 8, выпрямителю 9. Выходы инверторов соединены параллельно и подключены к общему инвертору 10. Вместо преобразователя напряжения 5 малой мощности используют дополнительный солнечный модуль 11.
На фиг.3 с фотоприемника 1 низкое напряжение поступает через клеммы 12 и 13 на преобразователь напряжения 5 малой мощности, к выходному ключу 14 которого подключается низковольтная обмотка 15 повышающего трансформатора 16. Повышенное напряжение с обмотки 17 трансформатора выпрямляется диодом 18 и конденсатором 19, вход обратной связи 20 преобразователя 5 используется для стабилизации выпрямленного напряжения. Этим напряжением питается драйвер 6, управляющий мощными транзисторами 7 и 27, к стокам которых подключены низковольтная обмотка силового трансформатора 8, с обмотки 22 силового трансформатора повышенное напряжение выпрямляется выпрямителем 9 и конденсатором 23 и подается на выходные клеммы 24, 25, вход обратной связи 26 драйвера 6 используется для стабилизации выходного напряжения. Таким образом, низкое напряжение солнечной батареи 0,5…2,0 В преобразуется в повышенное с высоким КПД.
В варианте солнечной энергетической установки вместо повышающего преобразователя 5 малой мощности для питания драйвера 6 используется дополнительный маломощный модуль 11 (фиг.2) с необходимым для питания драйвера 6 напряжением.
В другом варианте к выходу преобразователя 24, 25 подключается аккумуляторная батарея с контроллером заряда.
В третьем варианте к выходам 24, 25 подключается электронный преобразователь 220 В с частотой 50 Гц, таким образом, с солнечной батареи можно сразу получать стандартное напряжение.
Пример выполнения солнечной энергетической установки с концентратором.
Фотоприемник собирается из параллельных групп элементов 2, состоящих из двух последовательно включенных элементов, генерирующих напряжение 1 В. Преобразователь 5 малой мощности выполнен на микросхеме КР1446ПН1Е, преобразующей напряжение 1 В постоянного тока в напряжение 5 В постоянного тока. От напряжения 5 В питается драйвер 6, выполненный на микросхеме LM3524D, который управляет силовыми транзисторами 7,21 типа IRF1405 с низким внутренним сопротивлением 5 мОм, выпрямительные диоды 22 типа SK32 с напряжением падения 0,5 В, включенные по схеме с двухполупериодным выпрямлением. КПД преобразователя при этом равен:
,
где Рмпр - мощность преобразователя напряжения малой мощности = 0,02 Вт; Рвых - выходная мощность преобразователя; Rтранз - внутреннее сопротивление силовых транзисторов = 0,005 Ом; Uсб - напряжение солнечной батареи = 1 В; ηтр - КПД силового трансформатора = 0,98; Iвых - выходной ток преобразователя; Uд - напряжение падения выпрямительных диодов = 0,5 В,
Так, при выходной мощности 20 Вт и выходном напряжении 15 В и напряжении солнечной батареи 1 В КПД преобразователя равен 85%.
1. Солнечная энергетическая установка с концентратором, содержащая фотоприемник из скоммутированных солнечных элементов, установленный в фокальной области концентратора, отличающаяся тем, что солнечные элементы в фотоприемнике соединены параллельно и подключены к двум преобразователям напряжения разной мощности - малой и большой, выход преобразователя напряжения малой мощности присоединен к драйверу для управления преобразователя напряжения большой мощности, содержащего силовые транзисторы и повышающий трансформатор, к выходу которого подключен выпрямитель и аккумуляторная батарея с контроллером заряда и инвертор.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве преобразователя напряжения малой мощности используется дополнительный солнечный модуль малой мощности.
3. Солнечная энергетическая установка с концентратором, содержащая фотоприемник из скоммутированных солнечных элементов, установленный в фокальной области концентратора, отличающаяся тем, что солнечные элементы в фотоприемнике коммутируют параллельно в n групп, содержащих один или несколько солнечных элементов, и каждую группу солнечных элементов фотоприемника соединяют параллельно к входу одного из n преобразователей напряжения, а выходное напряжение преобразователя напряжения присоединяют к одному из n выпрямителей, имеющих одинаковое высокое напряжение постоянного тока, выходы всех n выпрямителей от всех n преобразователей соединяют параллельно и подключают через контроллер заряда к аккумулятору и инвертору.
4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что питание драйверов всех преобразователей напряжения осуществляют от отдельной маломощной солнечной энергетической установки или от электрической сети.
