Система энергоснабжения, использующая солнечную энергию

(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 Залесский Валерий Борисович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Система энергоснабжения, использующая солнечную энергию, содержащая, по крайней мере, одну батарею солнечных элементов, трубчато соединенную с первым управляемым клапаном и электрически - с контроллером, который электрически подключен к модулю топливных элементов, второму управляемому клапану и аккумуляторной батарее, отличающаяся тем, что введены генератор метана, трубчато соединенный с первым управляемым клапаном, с набором топливных элементов и вторым управляемым клапаном радиатор-накопитель, термически соединенный с тыльной стороной батареи солнечных элементов и генератором метана турбогенератор, трубчато соединенный со вторым управляемым клапаном, по входу-выходу - с набором топливных элементов и по выходу - с генератором метана, при этом трубчатое соединение батареи солнечных элементов с первым управляемым клапаном выполнено в виде расширительного бачка. 2. Система энергоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что радиатор-накопитель выполнен в виде тепловой трубы, покрытой слоем теплоизолятора. 3. Система энергоснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что турбогенератор содержит компрессорный блок для сжатия метана.(56) 1.2011079789 (А 1). 2. Пат. России 2346356 С 2 (прототип). 3. Дан П.Д., Рей Д. А. Тепловые трубы. - Москва Энергия, 1979. 4. Власенко В.М., Юзефович Г.Е. Механизм каталитического гидрирования окислов углерода в метан // Успехи химии. - 1969. - Т. 38. - Вып. 9. - С. 1634. 5. Пат. России 2379796. Полезная модель относится к области электротехники и гелиоэнергетики, в частности к системам электрообеспечения мобильных устройств с использованием солнечных батарей. Известно солнечное устройство для зарядки аккумулятора 1, включающее вход для подключения солнечной батареи и связанный с блоком управления и зарядным блоком,предназначенным для повышения напряжения и обеспечения напряжения заряда аккумуляторной батареи, которое подается на блок переключения, связанный с аккумуляторной батареей и блоком управления, соединенным с фоточувствительным элементом, зарядным блоком и блоком охлаждения, включаемым тогда, когда температура устройства достигнет заданного значения. Устройство не обеспечивает высокий коэффициент полезного действия (КПД) и ресурс работы при передаче и хранении электрической энергии в аккумуляторной батарее,так как при выключенном блоке охлаждения отслеживание точки максимальной мощности производится для солнечной батареи, нагретой выходным током и солнечным излучением, что не позволяет направить потребителю мощность, которую реализует солнечная батарея при температуре окружающей среды. При включении блока охлаждения (при температуре устройства, превышающей 85 С) последний начинает потреблять электроэнергию и охлаждает устройство только до указанной температуры, при которой выходная мощность солнечной батареи не является максимально возможной при данной температуре окружающей среды. Изменения температуры устройства при каждом заходе солнца за облака уменьшает ресурс его работы. Наиболее близкой по технической сущности является система энергоснабжения 2,использующая солнечную энергию, содержащая, по крайней мере, одну батарею солнечных элементов устройство для подачи электролита, предназначенное для обеспечения электролитом устройство для рециркуляции электролита, которое включает в себя охладитель и первый патрубок для рециркуляции устройство для рециркуляции водорода, которое включает в себя контейнер, второй контрольный клапан и фильтр топливный элемент, который включает в себя третий контрольный клапан, первый клапан с электромагнитным управлением и второй патрубок для рециркуляции нагревательное устройство, которое включает в себя автоматический воспламенитель, аккумуляторную батарею,разъем для постоянного тока и разъем для переменного тока контроллер, заряжающий аккумуляторную батарею электрическим током, вырабатываемым батареей солнечных элементов и топливным элементом через электрическую цепь, аккумуляторную батарею,подающую хранимую электрическую энергию через электрическую цепь к контроллеру для подачи переменного и постоянного токов к разъему переменного тока и к разъему постоянного тока, при этом контроллер контролирует подключение/отключение энергии от первого и второго клапанов с электромагнитным управлением и автоматического воспламенителя посредством использования трех различных электрических цепей и, по крайней мере, четыре комплекта патрубков а также топливный элемент с устройством для рециркуляции водорода и с нагревательным устройством. Устройство имеет низкие коэффициент полезного действия и ресурс работы, так как энергия входного светового излучения, преобразующаяся в солнечных элементах в тепло,2 84912012.08.30 рассеивается через охладитель в окружающую среду, а при недостаточной солнечной радиации и тем самым снижении температуры электролита солнечной батареи приводит к ухудшению каталитических свойств электродов. Кроме того, циркуляция водорода и его накопление в контейнере накладывает определенные ограничения на безопасность эксплуатации и ресурс работы. Техническая задача - повышение коэффициента полезного действия как генерации,так и хранения электрической энергии, при одновременном увеличении безопасности и ресурса работы системы. Поставленная техническая задача решается тем, что в систему энергоснабжения, использующую солнечную энергию, содержащую, по крайней мере, одну батарею солнечных элементов, трубчато соединенную с первым управляемым клапаном и электрически с контроллером, который электрически подключен к модулю топливных элементов, второму управляемому клапану и аккумуляторной батарее, введены генератор метана, трубчато соединенный с первым управляемым клапаном, с модулем топливных элементов и вторым управляемым клапаном радиатор-накопитель, термически соединенный с тыльной стороной батареи солнечных элементов и генератором метана турбогенератор, трубчато соединенный по входу со вторым управляемым клапаном, а по выходу - с генератором метана и по входу-выходу - с набором топливных элементов, при этом трубчатое соединение батареи солнечных элементов с первым управляемым клапаном выполнено в виде расширительного бачка. Для эффективного решения поставленной технической задачи радиатор-накопитель выполнен в виде тепловой трубы, покрытой слоем теплоизолятора. Для эффективного решения поставленной технической задачи турбогенератор содержит компрессорный блок для сжатия метана. Совокупность указанных признаков позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного излучения в электричество как за счет использования непосредственно тепловой энергии батареи солнечных элементов для генерации метана, так и за счет использования тепловой энергии отходящих газов модуля топливных элементов. Сущность полезной модели поясняется фигурой, где 1 - батарея солнечных элементов,2 - расширительный бачок,3 - первый управляемый клапан,4 - радиатор-накопитель,5 - генератор метана,6 - модуль топливных элементов,7 - контроллер,8 - аккумуляторная батарея,9 - второй управляемый клапан,10 - турбогенератор. Система энергоснабжения, использующая солнечную энергию, содержит батарею солнечных элементов 1, термически связанную с радиатором-накопителем 4, и трубчато соединена в виде расширительного бачка 2 с первым управляемым клапаном 3 контроллер 7, электрически подключенный к модулю топливных элементов 6, аккумуляторной батарее 8 и батарее солнечных элементов 1 генератор метана 5, трубчато соединенный с первым управляемым клапаном 3, с модулем топливных элементов 6, со вторым управляемым клапаном 9 и термически - с радиатором-накопителем 4 турбогенератор 10, трубчато связанный с модулем топливных элементов 6 по входу-выходу, с генератором метана 5 по выходу и со вторым управляемым клапаном 9 - по входу. В конкретном исполнении батарея солнечных элементов 1 - это, как в 2, набор диэлектрических прозрачных контейнеров с электродами, стойкими к окислению и находящимися в электролите, содержащем фотокатализатор, который может активизировать или 3 84912012.08.30 ионизировать воду в электролите. Первый 3 и второй 9 управляемые клапаны - это выпускаемые промышленностью изделия, например 110 в паре с электромагнитными клапанами типа . Радиатор-накопитель 4 представляет собой тепловую трубу, как в 3,покрытую слоем теплоизолятора, например стекловаты. Генератор метана 5 - это выполненный из нержавеющей стали реактор, внутри которого расположен никель-хромовый катализатор, на котором при температуре свыше 70 С происходит гидрирование двуокиси углерода в метан 4. Модуль топливных элементов 6 - это ряд твердооксидных топливных элементов с камерой сгорания на выходе, как в 5. Контроллер 7 - это, как в прототипе, электронное устройство, подающее сигналы на первый 3 и второй 9 управляемые клапаны, а также осуществляющее зарядку стандартной аккумуляторной батареи 8. Турбогенератор 10 в наиболее эффективном варианте выполнения - это газовая турбина,механически связанная с электрогенератором и содержащая воздушный компрессор и теплообменник, как в 5, а также укомплектованный стандартным блоком для сжатия метана. В устройстве не требуются газоочистные элементы, так как в нем генерируются и используются чистые водород и метан. Работает система электроснабжения, использующая солнечную энергию, следующим образом. Солнечная радиация и отраженное излучение от подстилающей поверхности поступают на лицевую сторону батареи солнечных элементов 1. Под действием этой энергии происходит нагревание батареи солнечных элементов 1 и радиатора-накопителя 4,термически связанного с ней. При достижении температуры, достаточной для возбуждения химической реакции, в присутствии фотокатализатора в электролите батареи солнечных элементов 1 начинается процесс ионизации. Полученные носители электрических зарядов разделяются по электродам, возле которых выделяются соответственно кислород и водород, создавая на выходе батареи солнечных элементов 1 электрическое напряжение,поступающее на контроллер 7. Когда напряжение на выходе батареи солнечных элементов 1 достигнет номинального значения, контроллер 7 открывает первый управляющий клапан 3, обеспечивая поступление в генератор метана 5водорода, где он адсорбируется на никель-хромовом катализаторе. Как только генератор метана 5, имеющий тепловой контакт с радиатором-накопителем 4, нагревается от него до температуры 70 С, то двуокись углерода, поступающая в генератор метана 5 от работающего турбогенератора 10,вступает в реакцию гидрирования. В результате этой химической реакции образуется метан при одновременном поглощении соответствующей тепловой энергии. Полученный метан поступает в модуль топливных элементов 6, где в результате каталитического электрохимического окисления с подогретым воздухом, поступающим от турбогенератора 10,происходит генерация электрического напряжения, которое также подается в контроллер 7. Нагретые в процессе окисления отходящие газы на выходе модуля топливных элементов 6 дожигаются и поступают в турбогенератор 10 для вращения газовой турбины. При этом следует отметить, что в те моменты времени, когда мощность электроэнергии, поступающей от батареи солнечных элементов 1 и модуля топливных элементов 6 превышает мощность потребления контроллером 7, то этот излишек энергии контроллер 7 направляет на зарядку аккумуляторной батареи 8. А в случае, когда электрическое напряжение, генерируемое батареей солнечных элементов 1, превышает свое номинальное значение, то контроллер 7 открывает второй управляемый клапан 9 и избыток метана начинает поступать в турбогенератор 10 для сжатия, накопления и генерации электричества за счет сжигания метана в турбогенераторе. Излишек электролита, образовавшийся в батареи солнечных элементов 1 за счет нагревания, поступает в расширительный бачок 2 и при охлаждении возвращается обратно. В заявляемой полезной модели эффективность преобразования солнечного излучения в электричество увеличивается как за счет использования тепловой энергии батареи солнечных элементов 1 для генерации метана, тепловой энергии выхлопных газов турбогенератора 10, так и за счет использования турбогенератором 10 горячих отходящих газов 4 84912012.08.30 модуля топливных элементов 6. Процесс выработки электричества стабилизируется и при наличии облачности, так как тепловая энергия, накопленная в радиаторе-накопителе 4,поддерживает генерацию метана и работу модуля топливных элементов 6. Таким образом,тепловая энергия батареи солнечных элементов 1 не рассеивается в окружающую среду, а обеспечивает генерацию дополнительного электричества. При этом одновременно увеличивается безопасность и ресурс работы системы за счет исключения элементов хранения и рециркуляции водородного газа, так как в настоящее время пока отсутствуют эффективные и надежные способы хранения водорода. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5