Комбинированный преобразователь солнечной энергии

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ сквозные отверстия, соединяющие камеру с каналами для ввода и вывода жидкого теплоносителя, отличающийся тем, что расстояние между фронтальной и тыльной пластинами составляет 1,5-2,5 мм, предпочтительно 2 мм,фотопреобразователь на локальных участках закреплен на тыльной пластине с зазором, величина которого меньше зазора между фотопреобразователем и фронтальной пластиной,рабочая камера заполнена жидким теплоносителем,инертным по отношению к контактирующим с ним конструкционным элементам и оптически прозрачным в области чувствительности солнечных элементов и поглощающим в инфракрасной области за фундаментальным краем поглощения материала солнечных элементов, а величина показателя преломления теплоносителя находится в промежутке между его значениями для фронтальной пластины и фронтальной поверхности солнечных элементов, причем тыльная пластина выполнена из гидрофобного теплоизолирующего материала, а каналы для ввода и вывода теплоносителя и отверстия, соединяющие каналы с рабочей камерой выполнены в тыльной пластине так, что их стенками служит теплоизолирующий материал тыльной пластины, причем отверстия расположены вдоль длинных сторон тыльной пластины, а проходное сечение каждого из каналов больше проходного сечения каждого из отверстий. Данная конструкция обеспечивает более эффективное преобразование энергии солнечного излучения по сравнению с прототипом.(72) Антощенко Владимир Степанович Францев Юрий Валерьевич Лаврищев Олег Александрович Антощенко Евгений Владимирович(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Научноисследовательский институт экспериментальной и теоретической физики Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет им. Аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ(57) Предлагается комбинированный преобразователь солнечной энергии, состоящий из герметичной рабочей камеры прямоугольной формы, образованной фронтальной прозрачной пластиной и тыльной пластиной, соединенными по периметру герметизирующей прокладкой,фотопреобразователя на основе негерметизированных солнечных элементов,расположенного внутри рабочей камеры параллельно фронтальной пластине с зазором к ней и закрепленного на тыльной пластине, причем по двум противоположным сторонам камеры в тыльной пластине равномерно расположены Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии, в частности, к комбинированным тепло-фотоэлектрическим солнечным модулям. На сегодняшний день известны три типа устройств,предназначенных для прямого преобразования солнечной энергии. Это тепловые коллекторы,фотоэлектрические модули и комбинированные системы для одновременного получения тепла и электричества. Последние обладают наибольшей эффективностью преобразования, которая может приближаться к 80. Комбинированные системы подразделяются по типу теплоносителя (воздушный или жидкостный) и по конструкции теплоотводящего устройства. В простейшем случае комбинированная установка состоит из стандартной фотоэлектрической батареи и расположенного снизу теплового коллектора. Из-за плохого теплового контакта в таких устройствах эффективность преобразования невысока, однако она выше, чем суммарная энергия,получаемая от отдельно расположенных преобразователей того же размера, вследствие двукратного снижения площади комбинированной системы. В более совершенных системах дополнительное повышение эффективности преобразования достигается за счет минимизации теплового сопротивления между охлаждающей средой и солнечными элементами, в результате чего последние смогут работать при более низкой температуре, и, следовательно, с большей эффективностью. Тепловое сопротивление фотоэлектрического модуля определяется наличием ламинирующего слоя или других конструктивных элементов, защищающих солнечные элементы от воздействия внешней среды и ухудшающих теплоотвод. Известен комбинированный преобразователь солнечной энергии,состоящий из фотоэлектрического модуля и примыкающего к нему снизу теплового коллектора, состоящего из медной пластины с припаянной к ней медной трубкой круглого сечения, свободные концы которой подсоединяют к системе циркуляции теплоносителя. Медная пластина прижата к тыльной стороне фотоэлектрического модуля, покрытой защитным слоем герметика. Для снижения тепловых потерь из-за рассеяния тепла, коллектор с тыльной стороны закрыт теплоизолирующей пластиной(////--С). Известен комбинированный преобразователь солнечной энергии,состоящий из фотоэлектрического модуля и примыкающего к нему снизу теплового коллектора, в нижней и верхней частях которого расположены горизонтальные патрубки для ввода и вывода теплоносителя,гидравлически соединенные вертикальными отрезками медных трубок прямоугольного сечения,равномерно распределенными по тыльной поверхности модуля. Для снижения потерь тепла на тыльной стороне коллектора смонтирована теплоизолирующая 2 пластина (, . 3, . 4,2014, . 385-389). Недостатками данных устройств являются их высокая стоимость и большой вес, определяемые использованием медных коллекторов, а также сложность конструкции и трудоемкость сборки. Другим их недостатком является высокое тепловое сопротивление между фотоэлектрическим модулем и коллектором,обусловленное наличием диэлектрических элементов модуля,увеличивающих разницу температур между охлаждающей жидкостью и солнечными элементами модуля. Наиболее близким по технической сущности является устройство Фотопреобразователь концентрированного излучения (Инновационный патент РК, 27952, бюл. 12, 25.12.2013, авторы Антощенко , Лаврищев О.А., Францев Ю.В.,Антощенко Е.В.), выбранное за прототип, состоящее из герметичной рабочей камеры прямоугольной формы, образованной фронтальной прозрачной пластиной и тыльной пластиной, соединенных по периметру герметизирующей прокладкой, внутри которой с зазором к фронтальной пластине расположен фотопреобразователь на основе негерметизированных кремниевых солнечных элементов, закрепленный на тыльной пластине. По двум противоположным сторонам в тыльной пластине выполнены равномерно расположенные сквозные отверстия, связывающие рабочую камеру с каналами для ввода и вывода жидкого теплоносителя,расположенными снизу и образованными тыльной пластиной, вертикальными стенками гидрофобной теплоизолирующей пластины,дополнительной герметизирующей прокладкой и дополнительной пластиной,установленной снизу и примыкающей к дополнительной прокладке и теплоизолирующей пластине. Недостатками данного устройства являются относительно низкая электрическая эффективность,повышенный вес, недостаточная надежность,обусловленная наличием в устройстве большого числа герметизирующих элементов и высокая стоимость вследствие сложности его сборки. Задачами изобретения являются повышение эффективности и надежности устройства, а также снижение его веса и стоимости. Технический результат достигается тем, что в комбинированном преобразователе солнечной энергии, состоящем из герметичной рабочей камеры прямоугольной формы, образованной фронтальной прозрачной пластиной и тыльной пластиной,соединенными по периметру герметизирующей прокладкой, фотопреобразователя на основе негерметизированных солнечных элементов,расположенного внутри рабочей камеры параллельно фронтальной пластине с зазором к ней и закрепленного на тыльной пластине, причем по двум противоположным сторонам камеры в тыльной пластине равномерно расположены сквозные отверстия, соединяющие камеру с каналами для ввода и вывода жидкого теплоносителя, расстояние между фронтальной и тыльной пластинами составляет 1,5-2,5 мм,предпочтительно 2 мм, фотопреобразователь на локальных участках закреплен на тыльной пластине с зазором, величина которого меньше зазора между фотопреобразователем и фронтальной пластиной,рабочая камера заполнена жидким теплоносителем,инертным по отношению к контактирующим с ним конструкционным элементам и оптически прозрачным в области чувствительности солнечных элементов и поглощающим в инфракрасной области за фундаментальным краем поглощения материала солнечных элементов, а величина показателя преломления теплоносителя находится в промежутке между его значениями для фронтальной пластины и фронтальной поверхности солнечных элементов, причем тыльная пластина выполнена из гидрофобного теплоизолирующего материала, а каналы для ввода и вывода теплоносителя и отверстия, соединяющие каналы с рабочей камерой выполнены в тыльной пластине так, что их стенками служит теплоизолирующий материал тыльной пластины, причем отверстия расположены вдоль длинных сторон тыльной пластины, а проходное сечение каждого из каналов больше проходного сечения каждого из отверстий. Преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с прототипом является то, что заполнение рабочей камеры жидкостью, инертной по отношению к контактирующим с ней конструкционным элементам, позволяет защитить с двух сторон открытую поверхность солнечных элементов от атмосферы воздуха и исключить их деградацию в процессе работы. Кроме того, в отличие от обычных методов защиты солнечных элементов фотопреобразователей,например,методом термовакуумного ламинирования пленкой,которая деградирует в процессе эксплуатации,ухудшая электрические характеристики фотопреобразователя и не может быть заменена на новую, использование жидкого теплоносителя позволяет легко заменить его при снижении прозрачности. Совокупность оптических свойств используемой жидкости позволяет повысить электрическую эффективность устройства за счет высокой прозрачности в видимой области спектра и снижения потерь на отражение света от тыльной поверхности фронтальной пластины благодаря промежуточному значению ее коэффициента преломления. Применение теплоносителя с высоким поглощением в инфракрасной области спектра за фундаментальным краем поглощения материала солнечных элементов позволяет эффективно накапливать тепловую энергию с последующим ее отводом в теплообменник. Выбор расстояния между фронтальной и тыльной пластинами 1,5-2,5 мм, предпочтительно 2 мм,обусловлен компромиссом между стремлением уменьшить вес устройства (массу теплоносителя, заполняющего рабочую камеру) и увеличить поглощение солнечного излучения теплоносителем в инфракрасной области. Наличие зазоров между фотопреобразователем и фронтальной и тыльной пластинами, помимо герметизирующего эффекта, позволяет улучшить охлаждение солнечных элементов прокачиваемой жидкостью, а более высокая величина зазора с фронтальной пластиной позволяет улучшить прокачку жидкости (увеличить скорость течения) у поверхности солнечных элементов, где расположен р-п-переход, температура которого определяет электрическую эффективность работы фотопреобразователя. При этом скорость прокачки теплоносителя у тыльной стороны фотопреобразователя будет ниже вследствие гидродинамического торможения в более узком зазоре. Изготовление тыльной пластины из гидрофобного теплоизолирующего материала, а также выполнение каналов для ввода и вывода жидкого теплоносителя и отверстий, соединяющих каналы с рабочей камерой непосредственно в теплоизолирующей пластине, стенками каналов и отверстий служит сам теплоизолирующий материал тыльной пластины, что позволяет существенно упростить конструкцию преобразователя и снизить его вес. Расположение соединительных отверстий вдоль длинных сторон тыльной пластины позволяет снизить перепад давлений в верхней и нижней частях камеры и, таким образом, снизить затраты энергии на прокачку жидкости, а выполнение проходного сечения каждого из каналов больше проходного сечения каждого из отверстий позволяет достичь равномерного протекания теплоносителя внутри рабочей камеры, повысить однородность температуры солнечных элементов фотоэлектрического модуля и, таким образом,дополнительно поднять его эффективность. На фиг.1 дан чертеж комбинированного преобразователя солнечной энергии (вид сверху). На фиг.2 приведен чертеж комбинированного преобразователя солнечной энергии по разрезу А-А(см. фиг.1). На фиг.3 приведены отдельные детали в порядке монтажа комбинированного преобразователя солнечной энергии. На фиг.4 показан комбинированный преобразователь солнечной энергии в сборе. На фиг.5 приведена зависимость оптического пропускания пропиленгликоля, выбранного в качестве теплоносителя 1- пропиленгликоль толщиной 0,02 мм между 2-мя стеклами толщиной 2 мм каждое 2- пропиленгликоль толщиной 1 мм 3- пропиленгликоль толщиной 1 мм между 2-мя стеклами толщиной 2 мм каждое. На фиг.6 приведена фотография опытного образеца комбинированного преобразователя солнечной энергии с пиковой электрической мощностью 25 Вт и тепловой мощностью 80 Вт. Комбинированная солнечная батарея состоит фотоэлектрического преобразователя 1,расположенного внутри герметичной рабочей камеры прямоугольной формы, заполненной жидким теплоносителем 2, имеющей узлы ввода и вывода теплоносителя. Рабочая камера содержит 3 фронтальную прозрачную пластину 3, тыльную теплоизолирующую пластину 4 и расположенную между ними по периметру герметизирующую прокладку 5. Преобразователь 1 присоединен к тыльной пластине 4 на локальных участках 6,образуя с ней зазор. Узлы ввода теплоносителя в рабочий объем и вывода из него выполнены в тыльной пластине 4 и состоят из каналов 7 и отверстий 8, соединяющих каналы 7 с рабочей камерой. Штуцеры 9 и 10 служат для подключения к системе циркуляции теплоносителя. Комбинированный преобразователь солнечной энергии работает следующим образом. Преобразователь устанавливают в направлении на солнце так, чтобы каналы были сориентированы вдоль линии горизонта, и подача теплоносителя осуществлялась снизу. Солнечное излучение,прошедшее через фронтальную пластину 3 поглощается заполняющим рабочую камеру теплоносителем 2, и фотопреобразователем 1. Часть излучения с энергией больше ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлены солнечные элементы фотопреобразователя,преобразуется в электрическую энергию. При подключении нагрузки в ней выделяется электрическая мощность. Часть энергии не преобразованной в электричество выделяется в виде тепла, и передается жидкому теплоносителю,заполняющему рабочую камеру и циркулирующему через теплообменник,помещенный в теплоизолированную емкость с водой (не показаны). Нагретый теплоноситель поступает из рабочей камеры через отверстия 8, канал 7 и штуцер 10 верхней части преобразователя на вход теплообменника, охлаждается водой и с выхода теплообменника охлажденный теплоноситель подается через штуцер 9 в канал 7 и через отверстия 8 в рабочую камеру, где протекая в зазорах вдоль лицевой и тыльной сторон фотопреобразователя 1 дополнительно нагревается. Был изготовлен опытный образец комбинированного преобразователя солнечной энергии размером 27053035 мм 3 (Фиг.6). В качестве фронтальной пластины использовалось стекло толщиной 2 мм. Тыльная пластина с выполненными в ней каналами и соединительными отверстиями была изготовлена из теплоизолирующего материала(пенопласт плотностью 100 кг/м 3 толщиной 3 см). Восемь монокристаллических кремниевых солнечных элементов размером 125125 мм 2 и толщиной 150 мкм, размещенных в 2 ряда по 4 элемента, были соединены в последовательную электрическую цепь и закреплены на теплоизолирующей пластине нейтральным силиконовым герметиком,нанесенным в местах электрических перемычек так,чтобы между тыльной пластиной и солнечными элементами образовался зазор толщиной 0,5 мм. Токосъемные шины были выведены на тыльную сторону теплоизолирующей пластины. Фронтальное стекло устанавливалось над теплоизолирующей пластиной с зазором 2 мм, который по периметру заполнялся на глубину 5 мм силиконовым 4 герметиком,образуя после полимеризации герметичную прокладку. В отверстия каналов герметично монтировались штуцера для соединения с теплообменником. Теплообменник соединялся с комбинированным преобразователем солнечной энергии с помощью силиконовых шлангов и помещался в теплоизолированную емкость с водой. В качестве теплоносителя использовался пропиленгликоль,который полностью удовлетворяет заявленным в формуле изобретения требованиям по оптическим (см. фиг.5) и технологическим характеристикам. Испытание коррозионной стойкости деталей преобразователя,включая солнечные элементы, проводилось в течение 2-х лет и не показало ухудшения эксплуатационных характеристик устройства. Пиковая электрическая мощность опытного образца преобразователя при стандартных условиях составила 25 Вт, а тепловая - 80 Вт. Таким образом,за 8 часов работы может быть получено 200 Втч электрической энергии и более 600 Втч тепловой энергии. Этой электрической энергии достаточно для освещения светодиодными лампами небольшого коттеджа и использования мультимедийных устройств в течение 4-6 часов. Полученной тепловой энергии достаточно для нагрева 20 литров воды от 20 до 50 С и ее использования для бытовых нужд. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Комбинированный преобразователь солнечной энергии, состоящий из герметичной рабочей камеры прямоугольной формы, образованной фронтальной прозрачной пластиной и тыльной пластиной,соединенными по периметру герметизирующей прокладкой, фотопреобразователя на основе негерметизированных солнечных элементов,расположенного внутри рабочей камеры параллельно фронтальной пластине с зазором к ней и закрепленного на тыльной пластине, причем по двум противоположным сторонам камеры в тыльной пластине равномерно расположены сквозные отверстия, соединяющие камеру с каналами для ввода и вывода жидкого теплоносителя, отличающийся тем, что расстояние между фронтальной и тыльной пластинами составляет 1,5-2,5 мм, предпочтительно 2 мм,фотопреобразователь на локальных участках закреплен на тыльной пластине с зазором, величина которого меньше зазора между фотопреобразователем и фронтальной пластиной,рабочая камера заполнена жидким теплоносителем,инертным по отношению к контактирующим с ним конструкционным элементам и оптически прозрачным в области чувствительности солнечных элементов и поглощающим в инфракрасной области за фундаментальным краем поглощения материала солнечных элементов, а величина показателя преломления теплоносителя находится в промежутке между его значениями для фронтальной пластины и фронтальной поверхности солнечных элементов, причем тыльная пластина выполнена из гидрофобного теплоизолирующего материала, а каналы для ввода и вывода теплоносителя и отверстия, соединяющие каналы с рабочей камерой выполнены в тыльной пластине так, что их стенками служит теплоизолирующий материал тыльной пластины, причем отверстия расположены вдоль длинных сторон тыльной пластины, а проходное сечение каждого из каналов больше проходного сечения каждого из отверстий.