Термофотоэлектрический преобразователь

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Термофотоэлектрический преобразователь, содержащий протяженный цилиндрический эмиттер и отражательные элементы, выполненные в виде зеркальных эллиптических поверхностей, первые фокусы которых находятся на оси эмиттера, а вторые - в центрах светочувствительных площадок фотоэлементов, связанных с радиаторами, отличающийся тем, что содержит механически прикрепленную к радиаторам цилиндрическую линзу Френеля, оптически связанную через первый спектроделитель с нанесенным на соответствующий сектор эмиттера поглощающим покрытием, оптически связанный с фотоэлементами второй спектроделитель, установленный между излучающим сектором эмиттера и 16817 1 2013.02.28 отражательными элементами и выполненный с возможностью пропускания излучения с рабочей для фотоэлементов длиной волны и отражения на эмиттер излучения всех остальных длин волн, а также два глухих зеркала, оптически связанных со вторым спектроделителем и соответствующими фотоэлементами, при этом фотоэлементы последовательно связаны с радиаторами через тепловые диоды и термоэлектрические преобразователи, а ось симметрии эмиттера параллельна продольной оси цилиндрической линзы Френеля и проходит через ее фокус. 2 Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что указанные глухие зеркала выполнены плоскими. Изобретение относится к области гелиотехники и может использоваться при разработке автономных источников получения электричества, выходная мощность которых не зависит от времени суток и погодных условий. Известно устройство 1, содержащее боковые стенки, верхнюю панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее внутренней поверхности, нижнюю и промежуточную панели из силикатного стекла, плосковыпуклые линзы, расположенные на внешней поверхности нижней панели и соосные с соответствующими линзами Френеля, теплоотводящие лотки с плоским дном, герметично соединенные с наружной поверхностью нижней панели, на внутренней поверхности которых установлены фотоэлементы и через центральную продольную линию которых проходят оптические оси соответствующих линз Френеля, а расстояние между нижней панелью и плоской поверхностью дна теплоотводящих лотков больше суммы толщин фотоэлементов и плосковыпуклых линз, но не превышает их фокусное расстояние, на боковых стенках непосредственно под верхней и над нижней поверхностями соответствующих панелей выполнены вентиляционные отверстия. Устройство не обладает высоким коэффициентом полезного действия (КПД) порядка 30 , так как большая часть излучения инфракрасного (ИК) диапазона и весь ультрафиолетовый диапазон солнечного излучения не преобразуются в электроэнергию. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является термофотоэлектрический преобразователь 2, состоящий из концентрически расположенных протяженного внутреннего кругового цилиндрического эмиттера, набора отражательных элементов, а также набора фотоэлементов, светочувствительная сторона которых обращена в сторону эмиттера, и радиаторов, сопряженных с фотоэлементами, причем отражательные элементы выполнены в виде азимутально повернутых друг относительно друга криволинейных зеркальных поверхностей, направляющие которых соответствуют сегментам эллипсов, первый фокус которых расположен на оси эмиттера, а вторые фокусы - в центре площадок фотоэлементов. Устройство имеет недостаточно высокую эффективность преобразования теплового излучения (инфракрасного излучения) в электрическую энергию, так как существенная часть энергии, излучаемой эмиттером, не попадает в область спектральной чувствительности фотоэлементов, а рассеивается радиаторами и отражательными элементами в окружающую среду. Техническая задача - повышение КПД за счет преобразования всего дневного спектра солнечного излучения и теплового излучения в темное время суток в электроэнергию при одновременном уменьшении количества сжигаемого невозобновляемого топлива. Поставленная техническая задача решается тем, что термофотоэлектрический преобразователь, содержащий протяженный цилиндрический эмиттер и отражательные элементы, выполненные в виде зеркальных эллиптических поверхностей, первые фокусы которых находятся на оси эмиттера, а вторые - в центрах светочувствительных площадок фотоэлементов, связанных с радиаторами, содержит механически прикрепленную к радиаторам цилиндрическую линзу Френеля, оптически связанную через первый спектродели 2 16817 1 2013.02.28 тель с нанесенным на соответствующий сектор эмиттера поглощающим покрытием, оптически связанный с фотоэлементами второй спектроделитель, установленный между излучающим сектором эмиттера и отражательными элементами и выполненный с возможностью пропускания излучения с рабочей для фотоэлемента длиной волны и отражения на эмиттер излучения всех остальных длин волн, а также два глухих зеркала, оптически связанных со вторым спектроделителем и соответствующими фотоэлементами, при этом фотоэлементы последовательно связаны с радиаторами через тепловые диоды и термоэлектрические преобразователи, а ось симметрии эмиттера параллельна продольной оси цилиндрической линзы Френеля и проходит через ее фокус. Для эффективного решения поставленной технической задачи указанные глухие зеркала выполнены плоскими. Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет расширения диапазона преобразуемой энергии как солнечного излучения, так и энергии,излучаемой эмиттером, а также утилизации части теплового потока от нагреваемых фотоэлементов в электроэнергию. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлен горизонтальный разрез устройства, и фиг. 2, на которой приведен фронтальный вид, где 1 - цилиндрическая линза Френеля,2 - протяженный цилиндрический эмиттер,3 - первый спектроделитель,4 - второй спектроделитель,5 - глухие зеркала,6 - отражательные элементы,7 - фотоэлементы,8 - термоэлектрические преобразователи,9 - радиаторы,10 - тепловые диоды. В термофотоэлектрическом преобразователе цилиндрическая линза Френеля 1 оптически связана через первый спектроделитель 3 и протяженный цилиндрический эмиттер 2 со вторым спектроделителем 4, который оптически соединен с глухими зеркалами 5, отражательными элементами 6, фотоэлементами 7, при этом ось симметрии протяженного цилиндрического эмиттера 2 расположена параллельно большим сторонам цилиндрической линзы Френеля 1 и проходит через ее фокус. Отражательные элементы 6 выполнены в виде азимутально повернутых друг относительно друга криволинейных зеркальных поверхностей, направляющие которых соответствуют сегментам эллипсов, первые фокусы которых расположены на оси протяженного цилиндрического эмиттера 2, а вторые фокусы в центре фоточувствительных площадок фотоэлементов 7. Фотоэлементы 7 последовательно через соответствующие тепловые диоды 10 и термоэлектрические преобразователи 8 термически соединены с радиаторами 9 и оптически связаны непосредственно со вторым спектроделителем 4, а также с глухими зеркалами 5 и отражательными элементами 6. Цилиндрическая линза Френеля 1 механически прикреплена к радиаторам 9. В конкретном исполнении в цилиндрической линзе Френеля 1 все фокусирующие элементы выполнены из силикона, как в 1. Круговой цилиндрический эмиттер 2 - это вольфрамовая труба, на поверхности которой в секторе излучения выполнен слой фотонного кристалла, как в 2, а в секторе поглощения - поглощающее покрытие, например углеродосодержащее. Первый спектроделитель 3 выполнен методами вакуумной технологии в виде сектора стандартной стеклянной трубы, на поверхности которого расположен одномерный фотонный кристалл, то есть чередующиеся слои 2 и 2 толщиной соответственно 100 и 150 нм. Второй спектроделитель 4 выполнен методами вакуумной технологии на секторе стандартной кремниевой трубы в виде фотонного кристалла, то есть чередующихся слоеви 2 толщиной соответственно 170 и 390 нм. Глухие зерка 3 16817 1 2013.02.28 ла 5, как и остальные отражательные элементы 6, выполнены в виде зеркальных слоев,нанесенных на соответствующие поверхности деталей, изготовленных из алюминиевого сплава Д 16 Т. Фотоэлементы 7 выполнены по вакуумной технологии из узкозонного полупроводника , как в 2. Термоэлектрические преобразователи 8 - это стандартные батареи элементов Пельтье. Радиаторы 9 выполнены из алюминиевого сплава Д 16 Т и покрыты черным оксидным слоем по стандартной технологии. Тепловые диоды 10 - это элементы,проводящие тепло в одном направлении, выполненные на основе тепловых труб, например, как в 3. Работает термофотоэлектрический преобразователь следующим образом. Весь спектр солнечного излучения поступает нормально во входную апертуру цилиндрической линзы Френеля 1 (фиг. 1) и сфокусированное ею солнечное излучение через первый спектроделитель 3 на углеродосодержащее покрытие поглощающего сектора протяженного цилиндрического эмиттера 2, в котором это излучение поглощается. В результате этого протяженный цилиндрический эмиттер 2 нагревается до температуры 11001200 С при соответствующих концентрациях солнечного излучения. Слой фотонного кристалла, находящийся на поверхности излучающей части протяженного цилиндрического эмиттера 2, эффективно начинает излучать набор спектральных компонент с максимальной интенсивностью в окрестности длины волны 1,7 мкм, соответствующей области спектральной чувствительности фотоэлементов 7. Это излучение из окрестности длины волны 1,7 мкм проходит через второй спектроделитель 4, в то время как остальные спектральные компоненты,излучаемые протяженным цилиндрическим эмиттером 2, отражаются вторым спектроделителем 4 в обратном направлении, для поддержания указанного температурного режима в устройстве. Прошедшее через второй спектроделитель 4 излучение, поступает на отражательные элементы 6, глухие зеркала 5, после отражения от которых это излучение попадает на фотоэлементы 7, при этом благодаря тому, что первые фокусы сегментов эллипсов (составляющих отражательные элементы 6) расположены на оси эмиттера, а вторые фокусы - в центре площадок фотоэлементов 7, на них поступает все указанное излучение. Одна часть энергии этого излучения (до 27 ) в фотоэлементах 7 преобразуется в электричество, а вторая нагревает их из-за рекомбинации носителей, поглощения в выходных сопротивлениях фотоэлементов 7. Поэтому они в процессе работы разогреваются и происходит передача тепловой энергии тепловым диодам 10, термически связанным с ними. Этот тепловой поток через термоэлектрические преобразователи 8 поступает на радиаторы 9. В результате этого появляется разность температур на горячих спаях термоэлектрических преобразователей 8 относительно их холодных спаев, температура которых поддерживается радиаторами 9 близкой к температуре окружающей среды. Поэтому термоэлектрические преобразователи 8 начинают генерировать дополнительное электричество. При наличии облачности и снижении интенсивности световых потоков в устройстве,тепловые диоды 10 поддерживают одно направление распространения тепла и тем самым стабилизируют процесс выработки электричества. В случае отсутствия солнечного излучения внутрь протяженного цилиндрического эмиттера 2 подается горящее топливо (газ, солярка и т.д.), которое нагревает его до требуемой температуры, и процесс генерации электричества происходит аналогично вышеописанному. В этом режиме работы первый спектроделитель 3 основную часть теплового излучения, поступающего от протяженного цилиндрического эмиттера 2, включая и излучение в окрестности длины волны 1,7 мкм, отражает в обратном направлении к поверхности протяженного цилиндрического эмиттера 2, поддерживая температурный режим устройства. В обоих описанных режимах работы термофотоэлектрического преобразователя излучение, распространяющееся вдоль протяженного цилиндрического эмиттера 2, отражается обратно от отражательных элементов 6, расположенных на торцевых частях устройства(фиг. 2) и таким образом поддерживается температура протяженного цилиндрического эмиттера 2. В предлагаемом устройстве коэффициент полезного действия повышается как за счет расширения преобразуемого спектра солнечного излучения, так и за счет разделения спектра теплового излучения с целью повторного использования для нагревания протяженного цилиндрического эмиттера 2 той части спектра, которая не преобразуется фотоэлементами 7. Более того, эффективность преобразования электромагнитного излучения в электричество увеличивается также и за счет использования части однонаправленного теплового потока охлаждения фотоэлементов 7. Источники информации 1. Международная заявка 2006049524. 2005. 2. Патент России 2351039, 2009. 3. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. - М. Энергия, 1979. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5