Гибридная система электропитания

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(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. Гибридная система электропитания, содержащая панель с солнечными элементами и тепловой коллектор, отбор тепла от которого осуществляется жидкостью, отличающаяся тем, что в нее введены, как минимум, два вертикально расположенных, черненых металлических штыря, механически и термически связанных с панелью солнечных элементов, а оптически - со складывающимися концентраторами, которые механически соединены между собой, а оптически связаны с панелью солнечных элементов, расположенной на батарее термоэлектрических преобразователей, которая термически связана с тепловым коллектором, охлаждающая жидкость последнего заключена внутри пластиковых труб и резервуаров, равномерно распределенных в помещении или конструкции, на которой располагается гибридная система электропитания, причем складывающиеся концентраторы расположены, как минимум, с трех сторон панели солнечных элементов и закреплены на ней для защиты ее поверхности, а угол наклона складывающихся концентраторов 68432010.12.30 и солнечных элементов к горизонту определяется средним углом солнцестояния, при этом металлические штыри заземлены, соединены между собой балкой с остриями, направленными вертикально вверх, и эти металлические штыри механически соединяют, как минимум, один складывающийся концентратор с панелью солнечных элементов, для которой он является навесом и защищает ее от вертикально падающего снега. 2. Гибридная система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что металлические штыри выполнены из черненой стали с сечением не менее 15 мм 2. 3. Гибридная система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что концентраторы выполнены складывающимися. 4. Гибридная система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что балка с остриями выполнена из стали с площадью прямоугольного поперечного сечения не менее 180 мм 2.(56) 1.2007199001 А 2. 2. Заявка Великобритании 2446219, 2008. Полезная модель 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 использована для эффективного преобразования энергии солнечного излучения в электричество,т.е. в гелиоэнергетике при создании автономных источников электроэнергии. Известно устройство 1, 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. 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 достигнет 18 . Кроме этого, рассматриваемое устройство не является надежным, ведь его могут разрушить гроза или пожар. Наиболее близкой по технической сущности является гибридная система электропитания 2, объединяющая панель с солнечными элементами (СЭ) и тепловой коллектор и содержащая металлическую пластину, на верхней поверхности которой формируется тонкопленочный СЭ, а нижняя используется 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 этого, рассматриваемое устройство не является надежным,ведь его работоспособность могут нарушить гроза, пожар или слой выпавшего снега. Техническая задача - повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию при одновременном повышении надежности работы устройства. Поставленная техническая задача решается тем, что в гибридную систему электропитания, содержащую панель с солнечными элементами и тепловой коллектор, отбор тепла от которого осуществляется жидкостью, введены как минимум два вертикально расположенных, черненых металлических штыря, механически и термически связанных с пане 2 68432010.12.30 лью солнечных элементов, а оптически - с концентраторами, которые механически соединены между собой, а оптически связаны с панелью солнечных элементов, расположенной на батарее термоэлектрических преобразователей, которая термически связана с тепловым коллектором, охлаждающая жидкость последнего заключена внутри пластиковых труб и резервуаров, равномерно распределенных в помещении или конструкции, на которой располагается гибридная система электропитания, причем концентраторы расположены, как минимум, с трех сторон панели солнечных элементов и закреплены на ней для защиты ее поверхности, а угол наклона концентраторов и солнечных элементов к горизонту определяется средним углом солнцестояния, при этом металлические штыри заземлены, соединены между собой балкой с остриями, направленными вертикально вверх, и эти металлические штыри механически соединяют, как минимум, один концентратор с панелью солнечных элементов, для которой он является навесом и защищает ее от вертикально падающего снега, дождя. Для эффективного решения поставленной технической задачи металлические штыри выполнены из черненой стали с сечением не менее 15 мм 2. Для эффективного решения поставленной технической задачи устройство располагается на южных склонах крыш или других частях строений, обращенных к югу. Для эффективного решения поставленной технической задачи концентраторы выполнены складывающимися. Для эффективного решения поставленной технической задачи балка с остриями выполнена из стали с площадью прямоугольного поперечного сечения не менее 180 мм 2. 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 полезной модели 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 заявленном 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 гибридная система электропитания. 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. 3 68432010.12.30 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 и покрытые слоем черного окисла. Балка с остриями 4 - это прямоугольный стальной пруток, механически соединяющий металлические штыри 3, к которой приварены заостренные стальные выступы. Поперечное сечение балки 4 с остриями не менее 180 мм 2. Концентраторы 5 - это плоские зеркала, выполненные из полированного с одной стороны листа сплава Д 16 , на полированную поверхность которого методами вакуумной технологии нанесен слой алюминия толщиной 1 мкм. В одном из вариантов исполнения концентраторы крепятся 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, либо 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 приведут 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). 4 68432010.12.30 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 (полиэтиленовые) пластиковые трубы 7 и резервуары 8 при температуре, большей 100 С, уже начинают плавиться и лить жидкость (воду или неконцентрированный антифриз) вниз, в возгораемое помещение. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5