Источник электроэнергии на солнечных батареях

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ(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. Источник электроэнергии на солнечных батареях, содержащий, как минимум, одну солнечную батарею, электрически соединенную с входом блока управления и входом зарядного блока, выход которого электрически подключен к блоку переключения, выходы которого электрически соединены с аккумуляторной батареей и блоком управления, токовые выходы которого электрически подключены к зарядному блоку и аккумуляторной батарее, а управляющие - к зарядному блоку и блоку переключения блок охлаждения,отличающийся тем, что содержит нанопленку окиси кремния, нанесенную на внешнюю 84212012.08.30 поверхность защитного стекла, расположенного на лицевой стороне солнечной батареи, а блок охлаждения является пассивным и состоит из радиатора, термически связанного одной стороной через блок термоэлектрических преобразователей и блок тепловых диодов с тыльной стороной солнечной батареи, а другой стороной термически связанного с теплоносителем, при этом солнечная батарея установлена вертикально и электрически соединена с блоком термоэлектрических преобразователей, электрически соединенных с блоком управления. 2. Источник электроэнергии на солнечных батареях по п. 1, отличающийся тем, что блок охлаждения дополнительно содержит, как минимум, одну вертикально расположенную в непосредственной близости от радиатора полую трубу с покрытием, эффективно поглощающим солнечное излучение. 3. Источник электроэнергии на солнечных батареях по п. 1, отличающийся тем, что теплоносителем является вода. Полезная модель относится к области электротехники и гелиоэнергетики и может быть использована в качестве природного автономного источника электроэнергии. Известен источник электроэнергии на солнечных батареях 1, содержащий первый преобразователь постоянного напряжения, который соединен с солнечной и аккумуляторной батареями, и второй преобразователь постоянного напряжения, подключенный к потребителю постоянного тока, аккумуляторной батарее и первому преобразователю. Данное устройство не обладает высокой эффективностью заряда и хранения электрической энергии в аккумуляторной батарее, так как при нагревании солнечной батареи ее значение выходной мощности уменьшается и не достигает величины, которую реализует солнечная батарея при температуре окружающей среды и тех же уровнях освещенности. Наиболее близким по технической сущности является солнечное устройство для зарядки аккумулятора, включающее вход для подключения солнечной батареи, 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 2. Устройство имеет недостаточную эффективность преобразования солнечной энергии из-за загрязнения входной поверхности солнечных батарей и потери собственной электроэнергии при периодическом включении активного блока охлаждения, предназначенного для исключения их перегрева. Техническая задача - повышение эффективности источника электроэнергии на солнечных батареях. Поставленная техническая задача решается тем, что источник электроэнергии на солнечных батареях, содержащий, как минимум, одну солнечную батарею, электрически соединенную со входом блока управления и входом зарядного блока, выход которого электрически подключен к блоку переключения, выходы которого электрически соединены с аккумуляторной батареей и блоком управления, токовые выходы которого электри 2 84212012.08.30 чески подключены к зарядному блоку и аккумуляторной батарее, а управляющие - к зарядному блоку и блоку переключения блок охлаждения, содержит нанопленку окиси кремния, нанесенную на внешнюю поверхность защитного стекла, расположенного на лицевой стороне солнечной батареи, а блок охлаждения является пассивным и состоит из радиатора, термически связанного одной стороной через блок термоэлектрических преобразователей и блок тепловых диодов с тыльной стороной солнечной батареи, а другой стороной термически связанного с теплоносителем, при этом солнечная батарея установлена вертикально и электрически соединена с блоком термоэлектрических преобразователей, электрически соединенных с блоком управления. Для эффективного решения поставленной технической задачи блок охлаждения дополнительно содержит, как минимум, одну вертикально расположенную в непосредственной близости от радиатора полую трубу с покрытием, эффективно поглощающим солнечное излучение. Для эффективного решения поставленной технической задачи теплоносителем является вода. Совокупность указанных признаков позволяет увеличить эффективность источника электроэнергии за счет обеспечения практического использования максимального значения выходной мощности солнечной батареи. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, где представлен вертикальный разрез устройства, где 1 - пленка наночастиц окиси кремния,2 - защитное стекло,3 - солнечная батарея,4 - блок тепловых диодов,5 - блок термоэлектрических преобразователей,6 - радиатор,7 - вертикальный паз радиатора,8 - зарядный блок,9 - блок переключения,10 - аккумуляторная батарея,11 - блок управления,12 - теплоноситель,13 - пассивный блок охлаждения. На фиг. 2 показан разрез полой трубы, где 14 - полая труба,15 - покрытие. В источнике электроэнергии на солнечных батареях пленка наночастиц окиси кремния 1 расположена на внешней поверхности защитного стекла 2, герметически покрывающего солнечную батарею 3 с лицевой стороны. Пассивный блок охлаждения 13 состоит из радиатора 6, содержащего вертикальные пазы 7 и термически связанного одной стороной с тыльной стороной солнечной батареи 3 через блок термоэлектрических преобразователей 5 и блок тепловых диодов 4, а другой стороной термически связанного с теплоносителем 12. Солнечная батарея 3 установлена вертикально и электрически соединена с блоком термоэлектрических преобразователей 5, который подключен к входу блока управления 11, токовые выходы которого электрически подключены к зарядному блоку 8 и аккумуляторной батарее 10, а управляющие - к зарядному блоку 8 и блоку переключения 9. Солнечная батарея 8 электрически соединена с входами блока управления 11 и зарядного блока 8, выход которого подключен к блоку переключения 9, выходы которого электрически связаны с аккумуляторной батареей 10. Пассивный блок охлаждения 13 содержит полую трубу 4,вертикально расположенную в непосредственной близости от радиатора 6 с покрытием 15. 3 84212012.08.30 В конкретном исполнении пленка наночастиц окиси кремния 1 - это пленка коллоидного раствора (выпускаемого промышленностью), которая в процессе сушки прочно прикрепляется к родственному этой пленке стеклу, образуя сплошной слой наноразмерных бугорков, самоупорядочивающихся в структуру, не позволяющую удерживаться на ней как капелькам воды, так и частицам пыли. Защитное стекло 2 - это стандартное монолитное листовое стекло марки М 3. Солнечная батарея 3 - это набор из последовательно соединенных 36 стандартных солнечных элементов, например, на основе монокристаллического кремния, рассчитанных на заряд аккумуляторной батареи 10, состоящей из 6 стандартных аккумуляторных элементов. Полая труба 14 выполнена из алюминиевого сплава Д 16 Т с покрытием 15 типа черный никель, нанесенным гальванически. Блок тепловых диодов 4 - это набор элементов, проводящих тепло в одном направлении и выполненных на основе тепловых труб, например как в 3. Блок термоэлектрических преобразователей 5 - это стандартная батарея элементов Пельтье. Радиатор 6 выполнен из алюминиевого сплава Д 16 Т с вертикальными пазами 7, обеспечивающими увеличение его общей площади. Зарядный блок 8 - это (как в 2) схема, состоящая из двух конденсаторов, индуктивности, диода Шоттки и полевого транзистора. Блок переключения 9 - это низковольтное реле, например РС 4.524.370-25. Блок управления 13 - это (как в 2) схема,состоящая из стандартных промышленно выпускаемых радиокомпонентов. Теплоноситель 14 - это техническая вода, в том числе и выпадающая в виде осадков. Пассивный блок охлаждения 13 состоит из блоков тепловых диодов 4, термоэлектрических преобразователей 5, радиатора 6, полой трубы 14 и теплоносителя 12. Работает источник электроэнергии на солнечных батареях следующим образом. Солнечное излучение падает на пленку наночастиц окиси кремния 1 как непосредственно, так и отраженно от подстилающей поверхности. Оба эти излучения, пройдя через пленку наночастиц окиси кремния 1 и защитное стекло 2, поступают на солнечную батарею 3, поглощаются в ее фоточувствительных структурах, где происходит их преобразование в электричество с коэффициентом полезного действия данной солнечной батареи (например, для монолитных кремниевых солнечных батарей КПД составляет порядка 15-20 ). Оставшаяся часть энергии поглощается в объеме солнечной батареи 3 и преобразуется в тепло, которое через блок тепловых диодов 4 поступает на горячие спаи блока термоэлектрических преобразователей 5. Температура холодных спаев блока термоэлектрических преобразователей 5 поддерживается ниже температуры окружающей среды радиатором 6,так как радиатор 6 термически связан с теплоносителем 12 (испаряющейся водой). Полученная тепловая энергия преобразуется в блоке термоэлектрических преобразователей 5 в электричество с соответствующим коэффициентом полезного действия (для элементов Пельтье КПД составляет порядка 7-15 ). Полученное электрическое напряжение от солнечной батареи 3 и блока термоэлектрических преобразователей 5 - 1 - поступает в блок управления 11. В блоке управления 11 происходит его сравнение с напряжением 2 аккумуляторной батареи 10. Если напряжение 2 находится между допустимыми уровнями разряда и заряда аккумуляторной батареи и 12, то в блок переключения 9 подается сигнал, по которому начинается процесс зарядки аккумуляторной батареи 10. Ток заряда 1 аккумуляторной батареи 10 в блоке управления 11 измеряется и умножается на напряжение 1, т.е. вычисляется мощность электроэнергии, отбираемая от солнечной батареи 3. В процессе рассматриваемого заряда аккумуляторной батареи 10 из блока управления 11 в зарядный блок 8 также поступают электрические импульсы управления, частота и длительность которых варьируются при изменении условий работы солнечной батареи 3(температура, освещенность и т.д.). Каждому значению частотыимпульсов управления и их скважности соответствуют определенные значения амплитуд зарядного токаи напряжения . Таким образом, значению частоты 1 соответствуют значения тока заряда 1 и 4 84212012.08.30 напряжения 1 и соответственно мощности зарядки 1. При изменении этой частоты, например 121, в блоке управления 11 вычисляется знак изменения производимой электрической мощности солнечной батареей 3 при частотах импульсов управления 1, 2. Если знак изменения производимой электрической мощности положителен, то частота 2 в блоке управления 11 увеличивается, если он отрицателен - уменьшается, и тем самым осуществляется изменение положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике солнечной батареи 3. При отсутствии изменения производимой электрической мощности частота 2 остается неизменной на данном временном интервале, так как получаемая в данный момент времени мощность является максимальной при данных условиях освещения солнечной батареи 3 и нагрева блока термоэлетрических преобразователей 5. Другими словами, солнечная батарея 3 работает в режиме максимальной отдачи мощности. Такое периодическое направленное изменение частоты управляющих импульсов и их скважности позволяет итерационным путем задавать условия максимальной мощности заряда аккумуляторной батареи 10, то есть накопления электрической энергии. Через определенные интервалы непрерывной зарядки по сигналу из блока управления 11 размыкается зарядная цепь в блоке переключения 9 и аккумуляторная батарея 10 выдерживается в течение 30 с (из-за инерционности проходящих процессов в аккумуляторной батарее 10) в режиме холостого хода. Затем в блоке управления 11 измеряется 2 и после анализа результата или продолжается заряд, или прекращается при полной зарядке аккумуляторной батареи 10. В случае отсутствия солнечного излучения (в ночное время или при плотной облачности) для исключения разряда аккумуляторной батареи 10 через солнечную батарею 3 цепь заряда разрывается. Во всех режимах работы полая труба 14 (фиг. 2) нагревается как солнечным излучением, так и (или) инфракрасным излучением окружающей среды, поглощаемыми покрытием 15. Поэтому воздух, расположенный как внутри полой трубы 14, так и вне ее также нагревается и начинает двигаться вверх, ускоряя испарение теплоносителя 12 и тем самым интенсифицируя охлаждение радиатора 6, термически связанного с теплоносителем 12. В результате этого температура радиатора 6 снижается до температуры окружающей среды,а при облачности и сильном ветре может стать ниже температуры окружающей среды. При этом следует отметить, что частицы воды (дождь, туман) и других загрязнений на поверхности пленки наночастиц окиси кремния 1 касаются ее лишь незначительной частью поверхности, уменьшая тем самым силы Ван-дер-ваальса и позволяя силам поверхностного натяжения сжать их в шарики, которые легко скатываются по вертикальной поверхности, очищая тем самым лицевую сторону солнечной батареи 3. В предлагаемой полезной модели солнечное излучение преобразуется в электрическую энергию более эффективно, как за счет полезной утилизации тепла, выделяемого солнечной батарей 3, так и за счет концентрации солнечного излучения, отраженного от подстилающей поверхности, а также за счет выбора и поддержания заряда в режиме максимальной мощности при более низкой температуре солнечной батареи 3. Более того, эффективность преобразования энергии предлагаемой модели увеличивается за счет постоянного поддержания температуры радиаторов 6 около или ниже температуры окружающей среды, а также осуществления работы блока термоэлектрических преобразователей 5 и при заходах солнца за облака и горизонт, так как в эти моменты времени тепловые диоды блока 4 будут поддерживать прежнее направление теплового потока. Кроме этого,описанное устройство имеет свойство самоочищения входной апертуры, что позволяет поддерживать высокую эффективность преобразования солнечного излучения без его непродуктивного поглощения загрязнениями и без периодической дорогостоящей мойки устройства. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6