Многофункциональная солнечноэнергетическая установка

(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. Многофункциональная солнечноэнергетическая установка, содержащая оптически активный прозрачный купол, установленный над тандемной фотоэлектрической панелью,в центре которой установлена полая световодная труба с внутренней зеркальной поверхностью, вокруг которой под панелью расположены медные трубопроводы, термически связанные с ней на внешней поверхности световодной трубы в непосредственной близости к панели установлен датчик температуры, а в конце световодной трубы расположены внутри - датчик света, а с внешней стороны - кольцевая светодиодная лампа и полый цилиндрический рассеиватель, оптически связанный с ней и световодной трубой электронный блок управления, электрически связанный с пультом управления, аккумуляторными 90052013.02.28 батареями, инвертором, кольцевой светодиодной лампой, тандемной фотоэлектрической панелью, датчиками температуры и света, отличающаяся тем, что содержит оптически связанные силикатное стекло и коллектор, имеющий тепловой контакт с медными трубопроводами, и расположенные вокруг оптически активного прозрачного купола, над которым с северной стороны установлен металлический отражатель, оптически связанный с ними и выполненный в виде части конусной фигуры с радиусом основания, равным радиусу силикатного стекла, при этом плоскость тандемной фотоэлектрической панели расположена таким образом, что угол между перпендикуляром к ней и линией горизонта равен или превышает максимальный угол высоты Солнца. 2. Многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что силикатное стекло имеет площадь, превосходящую площадь коллектора, и установлено с вакуумным или газонаполненным зазором. 3. Многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что угол между образующей и плоскостью основания металлического отражателя выбран больше 45.(56) 1. Патент РФ 2282799. 2. Патент РФ на полезную модель 117589 1 (прототип). Полезная модель относится к области гелиоэнергетики, в частности к многофункциональным солнечным системам с концентраторами излучения для получения электричества, освещения, тепла, и может быть использована при создании высокоэффективных автономных источников разных типов энергий. Известна солнечная многофункциональная сильноконцентрирующая энергоустановка 1, содержащая первичный и вторичный зеркальные концентраторы, приемник, расположенный в вершине первичного концентратора перпендикулярно его оптической оси с охлаждающим устройством, причем в центральной части общего конического концентратора со сквозным отверстием перпендикулярно его оптической оси расположены первичный концентратор-параболоид и вторичный концентратор-гиперболоид с разворотом их образующих вокруг оптической оси общего конического концентратора на 360, закрепленные на нем с помощью держателей, причем приемник, расположенный в вершине первичного концентратора-параболоида, закреплен на нем с помощью держателя и имеет цилиндрическую форму, вытянутую вдоль оптической оси общего конического концентратора, а развернутые на 360 первичный концентратор-параболоид, вторичный концентратор-гиперболоид и основание общего конического концентратора закреплены на охлаждающем устройстве-радиаторе, в котором выполнены цилиндрические отверстиядырки. Устройство имеет недостаточно высокую эффективность преобразования солнечной радиации из-за потерь света в многокаскадном концентраторе, особенно в центре вторичного концентратора-гиперболоида. Более того, для работы в течение всего светового дня устройство необходимо перемещать, что снизит его надежность. Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка 2, содержащая оптически активный прозрачный купол, тандемную фотоэлектрическую панель, круглую плоскую горизонтальную заслонку и полую световодную трубу с внутренней зеркальной поверхностью, расположенные в центре устройства микродвигатель, кольцевую светодиодную лампу, аккумуляторные батареи, датчики света и температуры, электронный блок управления, электрически связанный с пультом управления, аккумуляторными батареями,2 90052013.02.28 инвертором, круговой светодиодной лампой, тандемной фотоэлектрической панелью,датчиками температуры и света бак-аккумулятор, теплообменник, циркуляционный насос с обратным клапаном шестигранные медные трубопроводы, расположенные под тандемной фотоэлектрической панелью, и полый цилиндрический отражатель круговой светодиодной лампы, причем под оптически активным куполом располагаются тандемная фотоэлектрическая панель и полая световодная труба. Устройство не обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечного света в электричество и тепло, особенно в утреннее и вечернее время суток, так как в эти моменты времени прямое излучение солнца поступает на оптически активный прозрачный купол под острым углом и значительная часть этого излучения отражается в открытое пространство. При этом наличие в установке микродвигателя и двигающихся деталей снижает время наработки на отказ, а горизонтальное размещение тандемной фотоэлектрической панели исключает работу устройства при наличии осадков в виде снега, пыли. Техническая задача - увеличение эффективности преобразования солнечного света в электричество и тепло при одновременном повышении надежности. Поставленная техническая задача решается тем, что многофункциональная солнечноэнергетическая установка, содержащая оптически активный прозрачный купол, установленный над тандемной фотоэлектрической панелью, в центре которой установлена полая световодная труба с внутренней зеркальной поверхностью, вокруг которой под панелью расположены медные трубопроводы, термически связанные с ней на внешней поверхности световодной трубы в непосредственной близости к панели установлен датчик температуры, а в конце световодной трубы расположены внутри - датчик света, а с внешней стороны - кольцевая светодиодная лампа и полый цилиндрический рассеиватель, оптически связанный с ней и световодной трубой электронный блок управления, электрически связанный с пультом управления, аккумуляторными батареями, инвертором, кольцевой светодиодной лампой, тандемной фотоэлектрической панелью, датчиками температуры и света, содержит оптически связанные силикатное стекло и коллектор, имеющий тепловой контакт с медными трубопроводами, и расположенные вокруг оптически активного прозрачного купола, над которым с северной стороны установлен металлический отражатель,оптически связанный с ними и выполненный в виде части конусной фигуры с радиусом основания, равным радиусу силикатного стекла, при этом плоскость тандемной фотоэлектрической панели расположена таким образом, что угол между перпендикуляром к ней и линией горизонта равен или превышает максимальный угол высоты Солнца. Для эффективного решения поставленной технической задачи силикатное стекло имеет площадь, превосходящую площадь коллектора, и установлено с вакуумным или газонаполненным зазором. Для эффективного решения поставленной технической задачи угол между образующей и плоскостью основания металлического отражателя выбран больше 45. Совокупность указанных признаков позволяет повысить эффективность преобразования электромагнитного излучения солнца в электрическую и тепловую энергию за счет снижения отраженной части этого излучения и увеличения площади, с которой оно собирается, при одновременной защите от внешних воздействий (молний, осадков в виде снега и пыли). Сущность полезной модели поясняется сечением устройства (фиг. 1) и видом сверху(фиг. 2), где 1 - металлический отражатель,2 - оптически активный прозрачный купол,3 - тандемная фотоэлектрическая панель,4 - полая световодная труба,5 - кольцевая светодиодная лампа,6 - аккумуляторные батареи,3 90052013.02.28 7 - датчик света,8 - датчик температуры,9 - электронный блок управления,10 - пульт управления,11 - медные трубопроводы,12 - полый цилиндрический рассеиватель,13 - силикатное стекло,14 - коллектор,15 - инвертор. Многофункциональная солнечноэнергетическая установка содержит оптически активный прозрачный купол 2, установленный над тандемной фотоэлектрической панелью 3, в центре которой установлена полая световодная труба 4 с внутренней зеркальной поверхностью, вокруг которой под панелью 3 расположены медные трубопроводы 11. На внешней поверхности световодной трубы 4 в непосредственной близости к панели 3 установлен датчик температуры 8, а в конце световодной трубы 4 расположены внутри датчик света 7, а с внешней стороны - кольцевая светодиодная лампа 5 и полый цилиндрический рассеиватель 12, оптически связанный с ней и световодной трубой 4. Электронный блок управления 9 электрически связан с пультом управления 10,аккумуляторными батареями 6, инвертором 15, кольцевой светодиодной лампой 5, тандемной фотоэлектрической панелью 3, датчиками температуры 8 и света 7. Оптически связанные коллектор 14 и силикатное стекло 13 расположены вокруг оптически активного прозрачного купола 2, над которым с северной стороны установлен металлический отражатель 1, оптически связанный с ними, при этом плоскость тандемной фотоэлектрической панели 3 расположена таким образом, что угол между перпендикуляром к ней и линией горизонта равен или превышает максимальный угол высоты Солнца. В конкретном исполнении металлический отражатель 1 представляет собой меньшую часть конусной фигуры (фиг. 2) и выполнен из стали 15 ХСНД, на внутреннюю сторону его нанесена зеркальная пленка алюминия, а внешняя сторона зачернена. Оптически активный прозрачный купол 2 - это фокусирующий мениск, изготовленный по стандартной оптической технологии из легкого крона. Тандемная фотоэлектрическая панель 3 выполнена из двухслойных фотовольтаических ячеек на основе кремния, как в 2. Полая световодная труба 4 - это отрезок стандартного световода, например , диаметром 250 мм или пластиковая труба любого диаметра, покрытая изнутри отражающей пленкойконцерна ЗМ. Кольцевая светодиодная лампа 5 выполнена на основе стандартных светодиодов белого свечения. Аккумуляторные батареи 6 - это набор из стандартных аккумуляторных элементов. Датчик света 7, стандартный корпусированный фотодиод,например ФД 10. Датчик температуры 8 - серийно выпускаемый терморезистор. Электронный блок управления 9 выполнен, как в 2, и представляет собой набор стандартных цифровых и аналоговых микросхем, реализующих алгоритмы работы устройства. Пульт управления 10 выполнен из сенсорных переключателей, положение которых задает конкретный алгоритм функционирования многофункциональной солнечноэнергетической установки. Медные трубопроводы 11 - это стандартные изделия из меди, имеющие внешний диаметр, например, 10 мм. Полый цилиндрический рассеиватель 12 - это прозрачный пластиковый корпус, имеющий шероховатую рассеивающую внешнюю поверхность. Силикатное стекло 13 представляет собой кольцо, выполненное из стандартного силикатного стекла толщиной 4-6 мм, и вместе с зазором является теплоизолятором. Коллектор 14 - это металлическая пластина, на одну из сторон которой гальванически нанесена пленка типа черный никель. Инвертор 15 - стандартное электронное изделие требуемой мощности. Работает многофункциональная солнечноэнергетическая установка следующим образом. В утреннее или вечернее время, когда угол, определяющий высоту Солнца над линией горизонта, мал, солнечное излучение, пройдя через силикатное стекло 13, поступает на 4 90052013.02.28 коллектор 14 непосредственно (фиг. 1, 2, солнечный луч ) или после отражения от металлического отражателя (фиг. 1, 2, солнечный луч ). В это же время солнечное излучение, пройдя через оптически активный прозрачный купол 2, непосредственно поступает в полую световодную трубу 4 (фиг. 1, 2, солнечный луч ) и на тандемную фотоэлектрическую панель 3 (фиг. 1, 2, солнечный луч ), на которую оно попадает также после отражения от металлического отражателя 1 (фиг. 1, 2, солнечный луч ). В рассматриваемые моменты времени часть солнечного излучения поступает на поверхность оптически активного прозрачного купола 2 под углом, близким к нормальному (фиг. 1, 2, солнечный луч ). В середине дня солнечное излучение попадает на поверхности оптически активного прозрачного купола 2 и силикатного стекла 13 в основном непосредственно, без отражения от металлического отражателя 1 (фиг. 1, 2, солнечные лучи , , , ), и освещает тандемную фотоэлектрическую панель 3 и коллектор 14, а также проходит в полую световодную трубу 4 (фиг. 1, 2, солнечный луч ). Солнечное излучение с выхода полой световодной трубы 4 поступает на полый цилиндрический рассеиватель 12, который создает равномерное естественное освещение. В течение всего светового дня мощность солнечного излучения, поступившего на тандемную фотоэлектрическую панель 3 и поглощенного ею, преобразуется в электричество, которое в электронном блоке управления 9 используется для зарядки аккумуляторных батарей 6. Ток, протекающий через тандемную фотоэлектрическую панель 3, и рекомбинация носителей заряда в ней приводят к ее разогреву. Эта полученная тепловая энергия нагревает жидкий теплоноситель в медных трубопроводах 11. Кроме того, одновременно мощность солнечного излучения, поступившего на коллектор 14, нагревает его и дополнительно теплоноситель в медных трубопроводах 11. В результате медные трубопроводы 11 нагреваются по всей их длине и жидкий теплоноситель в них начинает двигаться, поднимаясь вверх и нагревая все элементы крыши, рядом с которыми он проходит. Таким образом в течение светового дня происходит самоочищение устройства от снега. В темное время суток, при подаче соотвествующего сигнала из пульта управления 10 и наличии логического уровня темно,сформированного в электронном блоке управления 10 из выходного тока датчиком света 7, электричество, запасенное днем в аккумуляторных батареях 6, используется для включения кольцевой светодиодной лампы 5, излучение которой равномерно распределяется на выходе с помощью полого цилиндрического рассеивателя 12, как в 2. По сигналу с пульта управления 10 электрическая энергия, запасенная днем в аккумуляторных батареях 6, через инвертор 15 преобразуется в сетевое электрическое напряжение для соответствующего использования. Выходной сигнал датчика температуры 8 в электронном блоке управления 9 выводится на индикатор и служит для контроля температурного режима работы тандемной фотоэлектрической панели 3 и всего устройства. В предлагаемой полезной модели увеличение эффективности преобразования солнечного света в электричество и тепло достигается за счет исключения потерь на отражение солнечного излучения при малых углах высоты Солнца и повышения коэффициента полезного действия преобразования солнечной энергии в тепловую, обеспечивающего самоочищение устройства от снега. Расположение конусного металлического отражателя над оптически активным прозрачным куполом и силикатным стеклом позволяет исключить влияние снега и пыли на надежность работы устройства, так как на вертикальных участках внешней поверхности оптически активного прозрачного купола, близких к вертикальным, снег и пыль не задерживаются из-за расположения его под углом к горизонту. Более того, выполнение вершины конусного металлического отражателя в виде острия служит молниеотводом и тем самым исключает поражебние устройства молнией. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6