Устройство преобразования энергии солнечного электроманитного излучения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(72) Авторы Кулешов Владимир Константинович Ролич Олег Чеславович Лисовский Владислав Васильевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(57) 1. Устройство преобразования энергии солнечного электромагнитного излучения,устанавливаемое на строении или конструкции, содержащее панель с солнечными элементами и тепловой коллектор, отбор тепла от которого осуществляется жидкостью, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, два вертикально расположенных металлических штыря, механически и термически связанных с панелью с солнечными элементами, а оптически - со складывающимися концентраторами, которые механически соединены между собой, а оптически связаны с панелью с солнечными элементами, расположенной на батарее термоэлектрических преобразователей, которая термически связана с тепловым коллектором, охлаждающая жидкость последнего заключена внутри пластиковых труб и резервуаров, равномерно распределяемых в помещении строения или 16403 1 2012.10.30 конструкции, причем складывающиеся концентраторы расположены, по меньшей мере, с трех сторон панели с солнечными элементами и закреплены на ней для защиты поверхности панели с солнечными элементами, складывающиеся концентраторы и панель с солнечными элементами расположены под углом к горизонту, при этом металлические штыри заземлены, соединены между собой балкой с остриями, направленными вертикально вверх, причем, по меньшей мере, один складывающийся концентратор соединен металлическими штырями с панелью с солнечными элементами, для которой он является навесом, защищающим ее от вертикально падающего снега, при этом металлические штыри выполнены из черненой стали с площадью прямоугольного поперечного сечения не менее 15 мм 2, а балка с остриями выполнена из стали с площадью прямоугольного поперечного сечения не менее 180 мм 2. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что установлено на склоне крыши или части строения, или части конструкции, обращенной к югу. Изобретение относится к области преобразования энергии электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне в электричество как непосредственно, так и за счет промежуточного преобразования ее в тепловую энергию и может быть использовано для эффективного преобразования энергии солнечного излучения в электричество, т.е. в гелиоэнергетике при создании автономных источников электроэнергии. Известно устройство, содержащее стеклянные черепицы крыши, которые оптически связаны с полупроводниковыми элементами термоэлектрического преобразования энергии солнечного излучения в электричество, причем профиль стеклянных черепиц крыши обеспечивает сбор (концентрацию) солнечного излучения и защиту полупроводниковых элементов термоэлектрического преобразования от ветра, дождя и снега 1. Устройство не обладает высокой эффективностью преобразования энергии солнечного электромагнитного излучения в электричество, так как в рассматриваемом устройстве не создается значительная разность температур на разных спаях полупроводниковых элементов термоэлектрического преобразования, и поэтому КПД его не достигает 18 . Кроме того, рассматриваемое устройство не является надежным, ведь его могут разрушить гроза и пожар. Наиболее близкой по технической сущности является гибридная система электропитания, объединяющая панель с солнечными элементами (СЭ) и тепловой коллектор и содержащая металлическую пластину, на верхней поверхности которой в качестве теплового коллектора, отбор тепла от которого осуществляется либо жидкостью, либо потоком воздуха, в этом случае гибридная система содержит ребра охлаждения. В гибридной системе можно использовать СЭ как с одним, так и с несколькими - переходами. Устройство не обладает высокой эффективностью преобразования энергии солнечного электромагнитного излучения в электричество, так как часть энергии видимого диапазона (0,40,75 мкм) и вся энергия ИК-излучения (0,754 мкм) переходят в тепловой коллектор без генерации тока. Кроме того, рассматриваемое устройство не является надежным, ведь его работоспособность могут нарушить гроза, пожар или слой выпавшего снега. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию при одновременном повышении надежности работы устройства. Поставленная задача достигается тем, что устройство преобразования энергии солнечного электромагнитного излучения, устанавливаемое на строении или конструкции,содержащее панель с солнечными элементами и тепловой коллектор, отбор тепла от которого осуществляется жидкостью, согласно изобретению, содержит, по меньшей мере, два 2 16403 1 2012.10.30 вертикально расположенных металлических штыря, механически и термически связанных с панелью с солнечными элементами, а оптически - со складывающимися концентраторами, которые механически соединены между собой, а оптически связаны с панелью с солнечными элементами, расположенной на батарее термоэлектрических преобразователей,которая термически связана с тепловым коллектором, охлаждающая жидкость последнего заключена внутри пластиковых труб и резервуаров, равномерно распределяемых в помещении строения или конструкции, причем складывающиеся концентраторы расположены,по меньшей мере, с трех сторон панели с солнечными элементами и закреплены на ней для защиты поверхности панели с солнечными элементами, складывающиеся концентраторы и панель с солнечными элементами расположены под углом к горизонту, при этом металлические штыри заземлены, соединены между собой балкой с остриями, направленными вертикально вверх, причем, по меньшей мере, один складывающийся концентратор соединен металлическими штырями с панелью с солнечными элементами, для которой он является навесом, защищающим ее от вертикально падающего снега, при этом металлические штыри выполнены из черненой стали с площадью прямоугольного поперечного сечения не менее 15 мм 2, а балка с остриями выполнена из стали с площадью прямоугольного поперечного сечения не менее 180 мм 2. Данное устройство преобразования энергии солнечного электромагнитного излучения установлено на склоне крыши или части строения, или части конструкции, обращенной к югу. В предлагаемом устройстве коэффициент концентрации солнечной энергии даже при плоских зеркальных концентраторах достигает значения 4 и в комплексе с набором остальных признаков позволяет днем самоосвобождаться от снега, не подвергаться воздействию гроз, иметь более высокий КПД преобразования энергии солнечного электромагнитного излучения в электричество, а при появлении огня - заливать его охлаждающей жидкостью коллектора. Сущность изобретения поясняется на общей схеме расположения элементов устройства - фиг. 1 и его видах А, Б - фиг. 2, 3, где 1 - панель с солнечными элементами, 2 - тепловой коллектор, 3 - металлические штыри, 4 - балка с остриями, 5 - концентраторы, 6 батарея термоэлектрических преобразователей, 7 - пластиковые трубы, 8 - резервуары,солнечное излучение. В заявляемом устройстве под углом 90 градусов к среднему углу солнцестояния расположена панель с солнечными элементами 1, термически и механически связанная с металлическими штырями 3, батареей термоэлектрических преобразователей 6, а оптически - с концентраторами 5. Металлические штыри 3 заземлены и механически соединяют с панелью солнечных элементов 1 как минимум один концентратор 5, расположенный над ней и защищающий ее от вертикально падающего снега. Батарея термоэлектрических преобразователей 6 термически связана с тепловым коллектором 2, отбор тепла от которого осуществляется жидкостью, находящейся в пластиковых трубах 7 и резервуарах 8,равномерно распределенных в помещении или конструкции, на которой располагается устройство преобразования энергии солнечного электромагнитного излучения. Металлические штыри 3 оптически связаны с концентраторами 5, а механически - с балкой 4 с остриями и заземлены. Концентраторы 5 расположены как минимум с трех сторон панели с солнечными элементами 1, закреплены на ней и соединены между собой. В конкретном исполнении панель с солнечными элементами 1 выполнена из одно- или многослойных фотовольтаических ячеек на основе кремния или арсенида галлия. Тепловой коллектор 2 - это тонкостенный медный корпус, внутри которого размещены пластиковые трубы 7, имеющие тепловой контакт с корпусом. Металлические штыри 3 - это штыри прямоугольного сечения с площадью поперечного сечения 15 мм 2, выполненные из стали 3 и покрытые слоем черного окисла. Балка с остриями 4 - это прямоугольный стальной пруток, механически соединяющий металлические штыри 3, к которому приварены заостренные стальные выступы. Поперечное сечение балки 4 с остриями не менее 3 16403 1 2012.10.30 180 мм 2. Концентраторы 5 - это плоские зеркала, выполненные из полированного с одной стороны листа сплава Д 16 Т, на полированную поверхность которого методами вакуумной технологии нанесен слой алюминия толщиной 1 мкм. В одном из вариантов исполнения концентраторы присоединены к панели с солнечными элементами 1 посредством механически связанных шарниров и складываются на нее перед грозой или ураганом. Батарея термоэлектрических преобразователей 6 - это набор стандартных термоэлементов,например Пельтье, согласованный по габаритам с панелью с солнечными элементами 1 и тепловым коллектором 2. Пластиковые трубы 7 и резервуары 8 выполнены из легкоплавкого полимера, например полиэтилена. Работает устройство следующим образом. При среднем угле солнцестояния (фиг. 1) солнечное излучениепараллельно поступает на панель с солнечными элементами 1, на металлические штыри 3, на все концентраторы 5. При этом солнечное излучение, отраженное от зеркальной поверхности концентраторов 5, попадает либо на панель с солнечными элементами 1, на металлические штыри 3, так как последние занимают часть входной апертуры панели с солнечными элементами 1. Таким образом, на поверхности панели с солнечными элементами 1 и металлических штырей 3 попадает концентрированное солнечное излучение с плотностью энергии более 2 кВт/м 2. Поэтому если ночью выпал снег и ветер закрыл снегом всю фоточувствительную поверхность панели с солнечными элементами 1, то верхние части металлических штырей 3 будут нагреваться,в том числе и от солнечного излучения, отраженного от снега. Таяние снега вокруг металлических штырей 3, а также тепловой контакт их и панели с солнечными элементами 1(указанные элементы устройства соединены термически) в конечном итоге приведет к более быстрому освобождению панели с солнечными элементами 1 от снега, чем одно лишь тепловое воздействие одних металлических штырей 3, так как каждый свободный участок панели с солнечными элементами 1 преобразует в электричество не более 35 энергии солнечного излучения, остальная солнечная энергия выделяется в виде тепла на металлических тыльных контактах панели с солнечными элементами 1 (тыльные контакты нагреваются выходным током, инфракрасным излучением, не преобразованным в электричество видимым солнечным излучением). Если устройство размещено на крыше жилого дома, то освобождение от снега произойдет еще быстрее, так как в теплом помещении нагревается жидкость в резервуарах 8, путем конвекции тепло поступает в тепловой коллектор 2, из которого теплопередачей - в батарею термоэлектрических преобразователей 6 и в панель с солнечными элементами 1. После освобождения от снега панель с солнечными элементами 1 начинает генерировать электричество всей своей поверхностью, при этом (как отмечалось выше) до 65 солнечной энергии выделяется в виде тепла (поглощение инфракрасного и видимого солнечного излучения, нагрев выходных токовых шин). В результате нагревается панель с солнечными элементами 1, особенно ее нижняя, тыловая часть, которая соединена с горячими спаями батареи термоэлектрических преобразователей 6, в то время как ее холодные спаи поддерживаются при температуре жидкости, циркулирующей в тепловом коллекторе 2. Наличие постоянной разности температур на сторонах батареи термоэлектрических преобразователей 6 приводит к генерации на выходе последней дополнительного электричества, энергия которого может быть приплюсована к выходной энергии панели с солнечными элементами 1 (путем их последовательного или параллельного электрического соединения). Таким образом, в предлагаемом устройстве комплекс его признаков позволяет самоосвобождаться от снега в солнечный день, защитить дорогостоящую панель с солнечными элементами 1 от воздействия гроз и штормового ветра в положении концентраторов, сложенных на поверхность батареи, иметь более высокий КПД преобразования энергии солнечного электромагнитного излучения в электричество, а при появлении огня - заливать его охлаждающей жидкостью коллектора 2 и резервуаров 8, так как пластиковые (полиэтиленовые)трубы 7 и резервуары 8 при температуре, большей 100 С, уже начинают пла 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5