Устройство когенерации из солнечного излучения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО КОГЕНЕРАЦИИ ИЗ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(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. Устройство когенерации из солнечного излучения, содержащее цилиндрическую эпитаксиальную структуру, выполненную из цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала, на внешней поверхности которой расположен по крайней мере один эпитаксиальный слой из полупроводникового материала, на поверхности которого расположен внешний цилиндрический металлический контакт, а на внутренней стороне подложки - внутренний цилиндрический металлический контакт, к которым подсоединены токосъемные элементы фокусирующий отражатель, первую прозрачную фокусирующую линзу выгнутой параболоцилиндрической формы и систему циркуляции воды, проходящей через цилиндрическую полую подложку, отличающееся тем, что дополнительно содержит вторую прозрачную фокусирующую линзу аналогичную первой, которые симметрично расположены по обе стороны цилиндрической эпитаксиальной структуры,причем их плоскость симметрии проходит через ось симметрии цилиндрической эпитаксиальной структуры и перпендикулярна прямым солнечным лучам в полдень, а плоскость симметрии цилиндрической эпитаксиальной структуры совмещена с фокусами обеих прозрачных фокусирующих линз, оптические оси которых параллельны лучам Солнца утром 91882013.04.30 и вечером первую и вторую параболоцилиндрические линзы, расположенные соответственно внутри первой и второй прозрачных фокусирующих линз и оптически контактирующие с ними, а с цилиндрической эпитаксиальной структурой оптически связаны плоскими сторонами, при этом фокусирующий отражатель образован нижними участками прозрачных фокусирующих линз, выполненных зеркальными, и оптически связан с обеими параболоцилиндрическими линзами и цилиндрической эпитаксиальной структурой, а система циркуляции воды выполнена в виде трубопровода, механически связанного с цилиндрической полой подложкой через фланцы, к которым прикреплены все элементы устройства. 2. Устройство когенерации из солнечного излучения по п. 1, отличающееся тем, что коэффициент преломления первой и второй параболоцилиндрических линз равен коэффициенту преломления первой и второй прозрачных фокусирующих линз.(56) 1. Патент РФ 2443946. 2. Патент РФ 2399118 1 (прототип). Полезная модель относится к преобразователям солнечного излучения в электрическую и тепловую энергию и может быть использована для построения мобильных когенераторов. Известен солнечный модуль с -образным концентратором 1, состоящий из двух симметричных половин, каждая из которых выполнена из разновеликих круговых цилиндрических отражателей, один из которых с большим радиусоми другой с меньшим радиусом , и двусторонним фотоэлектрическим или тепловым приемником излучения,расположенным параллельно плоскости входа излучения, причем центр большего радиусаокружности отражателя лежит на оси симметрии концентратора и центры меньших радиусовотражателей лежат в плоскостях сопряжения радиусовина расстоянииот оси симметрии ниже плоскости приемника излучения, причем плоскость входа излучения проходит через центр радиусовбольшего отражателя и толщина приемника излучения составляет 0,2-0,5 г. Данное устройство имеет недостаточно высокую эффективность преобразования солнечной радиации из-за поступления излучения под острым углом к поверхности плоского фотоэлектрического приемника (особенно в утренние и вечерние часы), поглощения без фотоэлектрического преобразования излучения, поступающего на внешнюю сторону образного концентратора. Кроме этого, сложную внешнюю поверхность устройства трудно полностью очистить от снега и/или пыли, что также снижает эффективность преобразования солнечной радиации в процессе работы. Наиболее близким по технической сущности является фотоэлектрический преобразователь на основе непланарной эпитаксиальной структуры 2, содержащий корпус, в котором расположена цилиндрическая эпитаксиальная структура, выполненная из цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала, на внешней поверхности которой расположен по крайней мере один эпитаксиальный слой из полупроводникового материала, на поверхности которого расположен внешний цилиндрический металлический контакт, а на внутренней стороне подложки расположен внутренний цилиндрический металлический контакт, при этом к цилиндрическим металлическим контактам подсоединены токосъемные элементы, под цилиндрической эпитаксиальной структурой расположен фокусирующий отражатель, выполненный в виде выгнутой пластины параболоцилиндрической формы, на внутренней поверхности которой нанесен отражающий слой, а над цилиндрической эпитаксиальной структурой расположена прозрачная фокусирующая линза 2 91882013.04.30 выгнутой параболоцилиндрической формы, закрепленная на фокусирующем отражателе,диаметр которой меньше диаметра фокусирующего отражателя, при этом устройство снабжено системой циркуляции воды, проходящей через внутреннюю полость фотоэлектрического преобразователя на основе непланарной эпитаксиальной структуры. Устройство не обладает высокой эффективностью преобразования солнечной радиации, так как линза, полученная из выгнутой плоской пластины, обладает незначительными способностями концентрировать излучение, а солнечное излучение, поступающее утром и вечером на внешнюю сторону фокусирующего отражателя, не используется в процессе когенерации. Более того, на внешней горизонтальной поверхности устройства могут задерживаться пыль и (или) снег снижая тем самым его эффективность. Техническая задача - повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электричество и тепло. Поставленная техническая задача решается тем, что устройство когенерации из солнечного излучения, содержащее цилиндрическую эпитаксиальную структуру, выполненную из цилиндрической полой подложки из полупроводникового материала, на внешней поверхности которой расположен по крайней мере один эпитаксиальный слой из полупроводникового материала, на поверхности которого расположен внешний цилиндрический металлический контакт, а на внутренней стороне подложки - внутренний цилиндрический металлический контакт, к которым подсоединены токосъемные элементы фокусирующий отражатель, первую прозрачную фокусирующую линзу выгнутой параболоцилиндрической формы и систему циркуляции воды, проходящей через цилиндрическую полую подложку, дополнительно содержит вторую прозрачную фокусирующую линзу аналогичную первой, которые симметрично расположены по обе стороны цилиндрической эпитаксиальной структуры, причем их плоскость симметрии проходит через ось симметрии цилиндрической эпитаксиальной структуры и перпендикулярна прямым солнечным лучам в полдень, а плоскость симметрии цилиндрической эпитаксиальной структуры совмещена с фокусами обеих прозрачных фокусирующих линз, оптические оси которых параллельны лучам Солнца утром и вечером первую и вторую параболоцилиндрические линзы, расположенные соответственно внутри первой и второй прозрачных фокусирующих линз и оптически контактирующие с ними, а с цилиндрической эпитаксиальной структурой оптически связаны плоскими сторонами, при этом фокусирующий отражатель образован нижними участками прозрачных фокусирующих линз, выполненных зеркальными, и оптически связан с обеими параболоцилиндрическими линзами и цилиндрической эпитаксиальной структурой, а система циркуляции воды выполнена в виде трубопровода, механически связанного с цилиндрической полой подложкой через фланцы, к которым прикреплены все элементы устройства. Для эффективного решения поставленной технической задачи коэффициент преломления первой и второй параболоцилиндрических линз равен коэффициенту преломления первой и второй прозрачных фокусирующих линз. Совокупность указанных признаков позволяет решить поставленную техническую задачу за счет повышения степени концентрации прямого и рассеянного солнечного излучении в утренние и вечерние часы на цилиндрическую эпитаксиальную структуру. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлено сечение устройства перпендикулярно оси симметрии, где 1 - цилиндрическая эпитаксиальная структура,2 - цилиндрическая полая подложка,3 - эпитаксиальный слой,4 - внешний цилиндрический металлический контакт,5 - внутренний цилиндрический металлический контакт,6 - фокусирующий отражатель,7 - первая прозрачная фокусирующая линза,3 91882013.04.30 8 - вторая прозрачная фокусирующая линза,9 - первая параболоцилиндрическая линза,10 - вторая параболоцилиндрическая линза. На фиг. 2 представлено вертикальное сечение устройства, где 11 - трубопровод циркуляции воды,12 - фланцы корпуса. Устройство когенерации из солнечного излучении содержит цилиндрическую эпитаксиальную структуру 1, выполненную из цилиндрической полой подложки 2, на внешней поверхности которой расположен эпитаксиальный слой 3, на поверхности которого расположен внешний цилиндрический металлический контакт 4, а на внутренней стороне подложки 2 расположен внутренний цилиндрический металлический контакт 5 первую 7 и вторую 8 прозрачные фокусирующие линзы выгнутой параболоцилиндрической формы,которые симметрично расположены по обе стороны цилиндрической эпитаксиальной структуры 1, плоскость симметрии которых проходит через ось симметрии цилиндрической эпитаксиальной структуры 1 и перпендикулярна прямым солнечным лучам в полдень, а плоскость симметрии цилиндрической эпитаксиальной структуры 1 совмещена с фокусами прозрачных фокусирующих линз 7, 8, оптические оси которых параллельны лучам Солнца утром и вечером первую 9 и вторую 10 параболоцилиндрические линзы, расположенные соответственно внутри первой 7 и второй 8 прозрачных фокусирующих линз и оптически контактирующие с ними, а с цилиндрической эпитаксиальной структурой 1 оптически связаны плоскими сторонами фокусирующий отражатель 6, образованный нижними зеркальными участками прозрачных фокусирующих линз 7, 8 и оптически связанный с обеими параболоцилиндрическими линзами 9, 10 и цилиндрической эпитаксиальной структурой 1 трубопровод циркуляции воды 11, механически связанный с фланцами 12, к которым прикреплены все детали устройства. В конкретном исполнении цилиндрическая эпитаксиальная структура 1 выполнена из цилиндрической полой подложки 2 из кремния -типа толщиной 600 мкм, на которой последовательно нанесены эпитаксиальный слой 3 из кремния -типа толщиной 2 мкм,внешний цилиндрический металлический контакт 4 из серебра. Внутри цилиндрической полой подложки 2 выполнен внутренний цилиндрический металлический контакт 5 из алюминия, как в 2. Фокусирующий отражатель 6 - это пленка алюминия толщиной 0,5 мкм, нанесенная методами фотолитографии на нижние участки первой 7 и второй 8 прозрачных фокусирующих линз (фиг. 1). Первая 7 и вторая 8 прозрачные фокусирующие линзы выполнены в виде выгнутых пластин параболоцилиндрической формы, как в 2. Первая 9 и вторая 10 параболоцилиндрические линзы выполнены заливкой и полимеризацией смеси, состоящей по меньшей мере из двух диэлектрических жидкостей (например эпоксидных смол) во внутренние полости первой 7 и второй 8 прозрачных фокусирующих линз. Трубопровод циркуляции воды 11 выполнен из маслостойкой резины. Фланцы 12 изготовлены из нержавеющей стали. Работает устройство когенерации из солнечного излучения следующим образом. Утром или вечером, когда Солнце находится над линией горизонта, прямое солнечное излучение(лучи ,- фиг. 1) , пройдя последовательно через первую прозрачную фокусирующую линзу 7, первую параболоцилиндрическую линзу 9 или соответственно через вторую прозрачную фокусирующую линзу 8, вторую параболоцилиндрическую линзу 10, концентрируется на цилиндрической эпитаксиальной структуре 1. Одновременно рассеянное солнечное излучение, отраженное от плоских частей первой 9 и второй 10 параболоцилиндрических линз (луч- фиг. 1), а также фокусирующего отражателя 6 (лучи , , , фиг. 1, 2), поступает также на цилиндрическую эпитаксиальную структуру 1. В середине дня прямое солнечное излучение концентрируется первой 7 и второй 8 прозрачными фокусирующими линзами (лучи ,- фиг. 1) на поверхность цилиндрической эпитаксиальной структуры 1. Одновременно рассеянное солнечное излучение проходит на поверхность цилинд 4 91882013.04.30 рической эпитаксиальной структуры 1 аналогично вышеуказанному, с той лишь разницей,что и прямые солнечные лучи в течение дня могут проходить по траекториям лучей , , , а также(фиг. 1, 2). Последний из указанных лучей последовательно преломляется в первой прозрачной фокусирующей линзе 7, первой параболоцилиндрической линзе 9 и отражается от фокусирующего отражателя 6. Таким образом, процесс когенерации прямого и рассеянного солнечного излучения осуществляется в течение всего светового дня. При этом нагревание цилиндрической эпитаксиальной структуры 1 осуществляется как непосредственно излучением, так и электрическим током, протекающим через цилиндрическую полую подложку 2, эпитаксиальный слой 3, внешний 4 и внутренний 5 цилиндрические металлические контакты. Более того, в процессе нагревания участвуют также рекомбинирующие носители зарядов. Через внутренний цилиндрический металлический контакт 5 тепловая энергия от цилиндрической эпитаксиальной структуры 1 передается теплоносителю (воде), обеспечивая тем самым его циркуляцию. Повышение эффективности преобразования солнечной радиации в электричество и тепло в предлагаемой модели достигается за счет повышения как степени концентрации солнечного излучения в утренние и вечерние часы, так и сбора солнечного излучения. А отсутствие на внешней стороне устройства плоских поверхностей уменьшает его загрязнение и тем самым повышает его эффективность в процессе эксплуатации. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5