Способ и устройство стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей
Владельцы патента RU 2791856:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") (RU)
Изобретение относится к области солнечной энергетики. Способ стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей включает охлаждение тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, при этом теплоотвод от тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей осуществляют испарением теплоносителя в испарителе регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны. Внешнюю поверхность конденсатора тепловой трубы охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды, а регулирование расхода воздушного потока осуществляют блоком управления по сигналам от датчика температуры окружающей среды и датчика температуры фотоэлектрических преобразователей. Также предложено устройство стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей. Изобретение обеспечивает повышение надежности, срока службы фотоэлектрических преобразователей, обеспечение стабильности выходных параметров. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области солнечной энергетики, а именно к концентраторным солнечным фотоэлектрическим преобразователям с прямым преобразованием солнечной энергии в электромагнитную с использованием систем охлаждения и применяемым на наземных гелиоэнергетических установках.
Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием оптических концентраторов в многокаскадных солнечных элементах с системами утилизации тепловой энергии является одним из вариантов получения электроэнергии. Оптические концентраторы обеспечивают высокую степень концентрации солнечного излучения, приводят к увеличению КПД преобразователя и уменьшают площадь солнечных элементов. В свою очередь концентрация солнечного излучения приводит к повышению температурного уровня солнечных элементов. Для создания необходимого температурного режима работы фотоэлектрических преобразователей используют различные системы охлаждения. Правильный выбор фотоэлементов и обеспечение их температурного режима приводит к повышению КПД фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения. Стабилизация их температурного режима позволит выдерживать высокий суммарный КПД преобразователей солнечного излучения. Отсутствие стабильного рабочего температурного режима фотоэлектрических преобразователей приводит к отклонениям параметров получаемой от фотоэлектрических преобразователей электромагнитной энергии и соответственно к падению КПД установки.
Так максимальную мощность фотоэлемента определяют при солнечной радиации близкой к максимуму 1000 Вт/м2 и при температуре поверхности фотоэлемента +25°С. Но при превышении температуры на 1 градус выше стандартной (+25°С) максимально мощность снижается ~ на 0,48% (это ~ 0,002 v/градус одного элемента). Если учесть гарантированный заводской рабочий температурный диапазон фотоэлемента -50°С -:- +90°С, то потери мощности составляют ~ 30%.
При температуре ниже +25°С выработка энергии может быть и больше максимальной на те же 0,48%, но при снижении температуры окружающей среды ниже -0°С к -40°С проявляются другие условия работы, приводящие опять к потере мощности установки.
Энергетический КПД известных в настоящее время фотоэлектрических преобразователей ограничен; его повышения достигают за счет охлаждения, не стабилизируя, однако, рабочую температуру собственно фотоэлектрического элемента, что приводит к существенной нестабильности параметров получаемой электромагнитной энергии, снижению КПД установки, а также срока службы.
Известен фотоэлектрический модуль (пат. РФ №2395136, МПК H01L 31/04, опубл. 20.07.2010), включающий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель с солнечными элементами, снабженными теплоотводящими основаниями.
Недостатком устройства является использование фотоэлектрического модуля, где значительная часть солнечной энергии, не преобразованная в электрическую, превращается в тепло, которое от фотоэлементов передается теплоотводящим основаниям и рассеивается в окружающей среде.
Известен фотоэлектрический модуль (пат. РФ №2307294, МПК H01L 31/052, опубл. 27.09.2007), содержащий боковые стенки и фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне и солнечные фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Теплоотводящие основания выполнены в виде лотков с плоским дном. Предложенный модуль обеспечивает высокую энерго- производительность фотоэлектрического модуля.
Недостатком устройства является высокая трудоемкость установки фотоэлементов, сложность и нестабильность отвода тепла.
Известна многоцелевая солнечная батарея (пат. РФ №2164722, МПК H01L 31/058, опубл. 27.03.2001), содержащая фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) модульного типа. ФЭП каждого модуля размещены на несущей подложке с каналами для протекания хладагента, при этом модули закреплены на общих силовых подводящих и отводящих коллекторах.
Недостатком, несмотря на повышение эффективности охлаждения ФЭП и снижение массы конструкции, является отсутствие управления тепловым режимом ФЭП.
Наиболее близким техническим решением является устройство стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей, раскрытое в пат. РФ №2462789, МПК H01L 31/058, опубл. 27.09.2012, включающее фотовольтаические элементы, при этом под каждым фотоэлектрическим элементом расположена охлаждающая батарея, посредством которой снимаемый тепловой поток передается потребителю тепла.
Недостатком устройства является относительно высокая температура, выдерживаемая первым тепловым насосом +60°С (+70°С), что близко к верхнему пределу рабочего температурного режима термоэлемента, а также сложность системы теплоиспользования на выработку электроэнергии.
В известном изобретении система охлаждения фотоэлементов не обеспечивает выдержку его оптимальных режимных параметров. Это приводит к тому, что при отрицательных температурах окружающей среды температурный режим не поддерживается, а при температуре фотоэлектрических преобразователей выше Т=+25°С система охлаждения работает только до температуры поверхности фотоэлектрических преобразователей Т=+90°С. Далее система не выдерживает и отключается.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка системы охлаждения фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения с целью стабилизации температурного режима их работы при изменении потока солнечного излучения и изменении рабочих условий, позволяющей стабилизировать поток электромагнитной энергии, получаемой в фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии.
Технический результат заключается в повышении надежности, срока службы фотоэлектрических преобразователей, обеспечении стабильности выходных параметров электромагнитной энергии.
Технический результат в части способа достигается тем, что в способе стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей энергии путем охлаждения их тыльной стороны теплоотвод от тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей осуществляют испарением теплоносителя в испарителе регулируемой тепловой трубы, при этом внешнюю поверхность конденсатора тепловой трубы охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды, создаваемым за счет энергии фотоэлектрических преобразователей, регулирование расхода воздушного потока осуществляют блоком управления по сигналам от датчика температуры окружающей среды и датчика температуры фотоэлектрических преобразователей
Технический результат в части устройства достигается тем, что в устройстве стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей, включающем систему охлаждения тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, система охлаждения тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей содержит регулируемую тепловую трубу, состоящую из испарителя, транспортной зоны и конденсатора, испаритель соединен с тыльной стороной фотоэлектрического преобразователя, на внешней оребренной поверхности конденсатора закреплены площадки с вентилятором и блоком управления потоком воздушного охлаждения конденсатора тепловой трубы, осуществляющим регулирование расхода воздушного потока по сигналам от датчика температуры окружающей среды и датчика температуры фотоэлектрических преобразователей.
Заявляемый способ стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей и устройство для его реализации поясняется схемой, на которой изображен фотоэлектрический преобразователь 1, соединенный своей тыльной стороной с испарителем регулируемой тепловой трубы 2, конденсатор 3 с ребрами 4 на его внешней стороне, вентилятор 5, выполненный с возможностью охлаждения регулируемым воздушным потоком конденсатора 3 и соединенный с блоком управления 6. Выход электроэнергии фотоэлектрического преобразователя 1 соединен с первым входом блока управления 6. Датчик фотоэлектрических преобразователей 7 и датчик температуры окружающей среды 8 соединены со вторым и третьим входами блока управления 6. Между испарителем 2 и конденсатором 3 расположена транспортная зона 9. Ребра 4 на внешней поверхности конденсатора 3 могут быть плоской, игольчатой или ячеистой формы. Площадки с вентилятором 5 и блоком управления 6 закреплены на внешней оребренной поверхности конденсатора 3 тепловой трубы.
Стабилизация температурного режима фотоэлектрических преобразователей 1 осуществляется тем, что тыльную сторону фотоэлектрических преобразователей соединяют с испарителем 2 регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя 2, конденсатора 3, транспортной зоны 9. Пар из испарителя 2 регулируемой тепловой трубы поступает через транспортную зону 9 в конденсатор 3, где конденсируется. Для повышения эффективности работы тепловой трубы внешнюю поверхность конденсатора 3 с ребрами 4 охлаждают регулируемым воздушным потоком, создаваемым вентилятором 5 блока управления 6. При этом регулирование расхода воздушного потока от вентилятора 5 блоком управления 6 происходит от сигналов датчика температуры окружающей среды 8 и датчика температуры фотоэлектрических преобразователей 7. Воздушный поток окружающей среды создают за счет энергии фотоэлектрических преобразователей 1. Блок управления 6 и вентилятор 5 устанавливают на площадках, наиболее удобных для крепления в зависимости от конструктивных особенностей системы охлаждения.
Форма ребер на внешней поверхности конденсатора выбирается из расчета эффективности теплообмена и сложности технологии изготовления.
Таким образом, поддерживается заданный температурный режим работы фотоэлектрических преобразователей 1.
Применение предлагаемого способа стабилизации температурного режима работы фотоэлектрических преобразователей и устройства для его реализации позволит повысить надежность, срок службы фотоэлектрических преобразователей, обеспечит стабильность выходных параметров электромагнитной энергии.
1. Способ стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей, включающий охлаждение тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, отличающийся тем, что теплоотвод от тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей осуществляют испарением теплоносителя в испарителе регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны, при этом внешнюю поверхность конденсатора тепловой трубы охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды, при этом регулирование расхода воздушного потока осуществляют блоком управления по сигналам от датчика температуры окружающей среды и датчика температуры фотоэлектрических преобразователей.
2. Устройство стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей, включающее систему охлаждения тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, отличающееся тем, что система охлаждения тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей содержит регулируемую тепловую трубу, состоящую из испарителя, транспортной зоны и конденсатора, испаритель соединен с тыльной стороной фотоэлектрического преобразователя, на внешней оребренной поверхности конденсатора закреплены площадки с вентилятором и блоком управления потоком воздушного охлаждения конденсатора тепловой трубы, осуществляющим регулирование расхода воздушного потока по сигналам от датчика температуры окружающей среды и датчика температуры фотоэлектрических преобразователей.
