Солнечный модуль и комбинированная солнечно-энергетическая установка на его основе

Изобретение относится к гелиотехнике, может быть использовано для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию и касается солнечного модуля, включающего концентратор, в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии, с контактами подключения батарей накопителей электрической и тепловой энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, при этом фотовольтаический преобразователь выполнен в виде полой трубки из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура и внутри которой циркулирует теплоноситель, а также комбинированной солнечно-энергетической установки, включающей указанные выше солнечные модули. Технический результат заключается в минимизации эксплуатационных затрат и снижении веса и габаритов конструкции. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к гелиотехнике, а именно к солнечному модулю и комбинированным солнечно-энергетическим установкам для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую с системой жидкостно-проточного теплосъема.

В последние годы получают значительное развитие системы получения энергии путем преобразования солнечной энергии в электричество и тепловую энергию.

Известен солнечный коллектор для преобразования солнечной энергии в тепловую, содержащий монолитный корпус из теплоизоляционного материала с дном, на котором выполнены углубления, прозрачное ограждение, размещенное между боковыми выступами корпуса, и абсорбер, расположенный в корпусе и прикрепленный к его дну с образованием каналов для протекания жидкого теплоносителя (RU 2134846, F24J 2/04, 28.08.1999). Однако указанный коллектор позволяет преобразовывать солнечную энергию только в тепловую энергию.

Известен многофункциональный солнечный коллектор для преобразования электромагнитного излучения солнца в тепловую и электрическую энергию, содержащий монолитный корпус из теплоизоляционного материала, прозрачное ограждение и расположенный в корпусе абсорбер (RU 2388974, F24J 2/04, 10.05.2010). При этом абсорбер может быть выполнен с селективным покрытием, нанесенным на его переднюю сторону, обращенную к прозрачному ограждению, и может быть снабжен фотоэлектрическими элементами. Корпус выполнен П-образным. В корпусе с обеих торцевых сторон установлены торцевые П-образные профили. Прозрачное ограждение размещено на боковых выступах корпуса и торцевых П-образных профилях. Корпус и прозрачное ограждение с боковых сторон охвачены внешними П-образными профилями, а с торцевых сторон - торцевыми крышками, образующими с торцевыми П-образными профилями впускную и выпускную воздушные камеры, сообщенные с внутренним объемом корпуса и внешними воздуховодами. Недостатком указанного коллектора является достаточно громоздкая конструкция.

Известна солнечно-энергетическая станция, содержащая солнечные батареи с модульными зеркальными концентраторами солнечной энергии, размещенные на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за солнцем, принимающими излучение фотовольтаическими преобразователями с блоком накопления электрической энергии, циркуляционные контуры теплопередачи для охлаждения фотовольтаических преобразователей и получения тепла (RU 2382953, F24J 2/42, 27.02.2010). Фотовольтаические преобразователи представляют собой двусторонние полупроводниковые структуры с вертикальными р-n-переходами, которые расположены в фокусе зеркальных концентраторов в заполненных теплоносителем корпусах с прозрачными окнами, при этом теплоноситель прозрачен для фотоактивного излучения и непрозрачен для нефотоактивного излучения, а зеркальные концентраторы дополнительно снабжены планарными солнечными батареями, установленными в центральной зоне входной апертуры зеркальных концентраторов.

В известном устройстве солнечная энергия поступает в фотовольтаический преобразователь через заполненный теплоносителем корпус, снабженный прозрачными окнами. Недостаток заключается в том, что рабочий элемент находится в теплоносителе, а обеспечить и поддерживать его прозрачность достаточно проблематично. Кроме того, известное устройство имеет большие габариты и вес.

Задачей, на которое направлено настоящее изобретение, является повышение потребительских свойств. Технический результат заключается в минимизации эксплуатационных затрат и снижении веса и габаритов конструкции.

В соответствии с изобретением описывается солнечный модуль, включающий концентратор, в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии, соединенный с контактами подключения батарей накопителей электрической энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, при этом фотовольтаический преобразователь выполнен в виде полой трубки из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура и внутри которой циркулирует теплоноситель.

Солнечный модуль включает концентратор, в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии. К фотовольтаическому преобразователю подключены контакты батарей накопителей электрической энергии и система жидкостно-проточного теплосъема. Фотовольтаический преобразователь выполнен в виде трубки из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура. Трубки с нанесенной полупроводниковой структурой и системой жидкостно-проточного теплосъема могут быть заключены в прозрачные оболочки, причем из пространства между внешней поверхностью трубки и оболочкой удален воздух, обеспечивая наименьшие теплопотери.

Трубки могут быть помещены в прозрачную двухслойную оболочку с вакуумной прослойкой.

Теплоноситель должен обладать достаточно высокой теплопроводностью, низкой плотностью и низкой вязкостью в рабочем интервале температур.

Описывается также комбинированная солнечно-энергетическая установка, включающая два или более размещенных на несущей конструкции указанных выше солнечных модуля, соединенных с контактами накопителей электрической энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, и объединенная единой системой управления.

Суть описываемого изобретения заключается в совмещении поверхностей фотовольтаического преобразования и поглощения тепла, при этом работает единый фотоэлектрический и теплособирательный рабочий элемент, освещаемый концентрированным солнечным излучением и представляющий собой полую трубку различного профиля из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура и внутри которой циркулирует теплоноситель. Концентратор может представлять собой зеркальный концентратор солнечного излучения, например, параболоцилиндрического типа. Уровень концентрирования световой энергии определяется соотношением радиусов зеркала и рабочего элемента.

Изобретение позволяет генерировать электрическую и тепловую энергию, приводит к практически полному полезному использованию энергии солнечного излучения и концентрированию солнечной энергии в 5-10 «солнц». Тепло может непосредственно использоваться для обогрева или охлаждения помещения или аккумулироваться в накопительном баке или в системном накопителе тепла с фазовым переходом. Снимаемая с фотовольтаического преобразования электрическая энергия может непосредственно использоваться или аккумулироваться в различного типа накопителях электрической энергии.

Система позволяет генерировать электрическую и тепловую энергию с температурой энергоносителя 40-160°С, получать электроэнергию до 150 Вт/м² плоской освещаемой поверхности. Температура теплоносителя определяется интенсивностью светового потока и скоростью прокачки теплоносителя.

Изобретение позволяет существенно уменьшить объем используемого полупроводникового материала и снизить стоимость преобразователя. КПД преобразования солнечного излучения в энергию составляет 10-15%.

Использование комбинированного фотоэлектрического и теплового преобразователя позволяет концентрировать в тепло оставшиеся 85-90% энергии солнечного излучения и использовать это тепло для различных практических нужд.

Описываемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами. На фиг.1 изображен солнечный модуль, вид спереди; на фиг.2 - вид сбоку; на фиг.3 и 4 - сечение трубки фотовольтаического преобразователя с системой жидкостно-проточного теплосъема.

Солнечный модуль с фотовольтаическим преобразователем и системой жидкостно-проточного теплосъема (фиг.1, 2) содержит корпус 1 с теплоизоляцией 2. Внутри корпуса установлены отражатели 3 со светоотражающим покрытием, в фокусе которых находятся фотовольтаические преобразователи 4 с трубками 5 из теплопроводящего материала, например, меди. Количество трубок 5 с фотовольтаическим преобразователем 4 может быть от одной до нескольких штук в зависимости от необходимой мощности солнечного модуля. Трубки 5 могут быть соединены последовательно, параллельно, попарно и т.д. для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя 6 (на фиг.1 не указано). Корпус 1 закрыт прозрачным экраном 7. Подключение трубок 5 фотовольтаического преобразователя 4 к системе жидкостно-проточного теплосъема осуществляется через входной 8 и выходной 9 патрубки, расположенные на торце корпуса 1. Корпус 1 содержит разъем 10 для подключения фотовольтаического преобразователя 4 к блоку накопления электрической энергии. Фотовольтаический преобразователь представляет собой трубку 5 из хорошо теплопроводящего материала, на внешнюю поверхность которого нанесен слой полупроводниковой структуры 11. На фиг.3 трубка 5 окружена прозрачной газонепроницаемой оболочкой 12, из пространства между ними 13 удален воздух, т.е. оно вакуумировано. Оболочка 12 выполнена из прозрачного материала, например, стекла. Трубка 5 может быть заключена в двухслойную прозрачную оболочку 14 с вакуумом 13 между слоями (фиг.4).

В начале работы тепловой солнечный модуль заполняют жидким теплоносителем 6 и обеспечивают его циркуляцию через трубки 5 фотовольтаического преобразователя 4 и через систему жидкостно-проточного теплосъема с помощью входного и выходного патрубков 8 и 9 соответственно. Солнечные лучи, проходя через прозрачный экран 7 и сфокусированные отражателями 3, попадают на фотовольтаический преобразователь 4, представляющий собой трубу 5 со слоем полупроводниковой структуры 11. В результате часть энергии преобразуется в электричество и через разъем 10 поступает в блок накопления электрической энергии, а другая часть в виде тепловых потерь нагревает циркулирующий через фотовольтаический преобразователь 4 теплоноситель 6, который, в свою очередь поступая в систему жидкостно-проточного теплосъема через патрубок 8, нагревает окружающее пространство и через патрубок 9 снова поступает в трубки 5 фотовольтаического преобразователя 4 (фиг.1).

Солнечный модуль использует совместно фотовольтаический и тепловой преобразователь, что позволяет минимизировать эксплуатационные затраты.

В устройстве применена модульная конструкция, что ведет к снижению габаритов и веса конструкции.

1. Солнечный модуль, включающий концентратор, в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии, соединенный с контактами подключения батарей накопителей электрической энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, при этом фотовольтаический преобразователь выполнен в виде полой трубки из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура, и внутри которой циркулирует теплоноситель.

2. Солнечный модуль по п.1, где указанная полая трубка заключена внутри прозрачной оболочки с зазором, причем из зазора между внешней поверхностью трубки и оболочкой удален воздух.

3. Солнечный модуль по п.1 или 2, где указанная полая трубка заключена внутри прозрачной двухслойной вакуумированной оболочки.

4. Комбинированная солнечно-энергетическая установка, включающая два или более размещенных на несущей конструкции солнечных модуля по п.1, соединенных с контактами накопителей электрической энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, и объединенная единой системой управления.