КОМБИНИРОВАННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ТЕПЛА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ЖИЛЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

1. Генератор (100) на солнечной энергии, содержащий:
солнечную панель (102), имеющую верхнюю поверхность (105) и нижнюю поверхность (106) и выполненную с возможностью генерировать электрическую энергию из солнечной энергии (109);
термоэлектрическое устройство (103), примыкающее к солнечной панели (102) и расположенное ниже солнечной панели, причем термоэлектрическое устройство (103) содержит горячий спай (107) и холодный спай (108) и горячий спай (107) находится в тесной тепловой связи с нижней поверхностью (106) солнечной панели (102), при этом термоэлектрическое устройство (103) выполнено с возможностью вырабатывать электрическую энергию, когда горячий спай (107) имеет более высокую температуру, чем холодный спай (108); и
один или более электрических соединительных элементов для электрического соединения с солнечной панелью (102) и отвода от нее электрической энергии, и для электрического соединения с термоэлектрическим устройством (103) и отводом от него электрической энергии;
при этом термоэлектрическое устройство (103) содержит ветви (219) n-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (107) к холодному спаю (108) посредством теплопроводности, и ветви (220) p-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (107) к холодному спаю (108) посредством теплопроводности;
ветви (219) n-типа содержат один или более сегментов полупроводниковых материалов, легированных донорной примесью,
ветви (220) p-типа содержат один или более сегментов полупроводниковых материалов, легированных акцепторной примесью,
причем по меньшей мере один из сегментов выполнен из нанокомпозиционного материала, в котором квантовая локализация носителей значительно уменьшает теплопроводность сегмента.
2. Генератор (100) на солнечной энергии по п.1, дополнительно содержащий систему (101) концентрации солнечной энергии, конфигурированную для концентрации солнечного света (109) на верхней поверхности солнечной панели (102), при этом указанная система (101) имеет максимальный коэффициент f концентрации солнечной энергии.
3. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, в котором величина коэффициента f составляет 100 или более.
4. Генератор (100) на солнечной энергии по п.3, в котором солнечная панель (102) содержит тонкопленочные однопереходные или двухпереходные солнечные элементы, при этом самый верхний переход полупроводникового материала в солнечных элементах имеет ширину запрещенной энергетической зоны более 1,8 эВ в случае одного перехода или 2,0 эВ в случае двух переходов.
5. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, характеризующийся тем, что спроектирован, исходя из величины f и термического сопротивления термоэлектрического устройства (103) так, чтобы солнечная панель (102) нагревалась до температуры выше 675 К под действием солнечного света при функционировании в условиях окружающей среды на земной поверхности, при поддержании температуры холодного спая (108) ниже 100°С с помощью теплоотвода (104).
6. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, дополнительно содержащий теплоотвод (104), находящийся в контакте с холодным спаем (108), при этом в указанном генераторе (100) электрической энергии, в частности, коэффициент f, толщина и теплопроводность термоэлектрического устройства (103), размер и вид теплоотвода (104), а также материалы конструкции спроектированы и приспособлены для обеспечения непрерывной работы указанного генератора (100) в условиях внешней среды и солнечного климата на земной поверхности при повышении температуры солнечной панели (102) до температуры, при которой термоэлектрическое устройство (103) вырабатывает по меньшей мере в два раза больше электрической энергии, чем солнечная панель (102).
7. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, дополнительно содержащий теплоотвод (104), находящийся в контакте с холодным спаем (108), при этом в указанном генераторе (100), в частности, коэффициент f, толщина и теплопроводность термоэлектрического устройства (103), размер и вид теплоотвода (104), а также материалы конструкции спроектированы и приспособлены для обеспечения непрерывной работы указанного генератора (100) в условиях внешней среды и солнечного климата на земной поверхности при повышении температуры солнечной панели (102) до температуры, равной по меньшей мере 575 К.
8. Генератор (100) на солнечной энергии по п.1, в котором ветвь n-типа (219) и/или ветвь p-типа (220) содержит два сегмента (219а, 219b, 219с, 220а, 220с) из различных композиционных материалов, причем каждый композиционный материал имеет диапазон рабочей температуры, в котором его термоэлектрическая добротность превышает добротность другого материала.
9. Генератор (100) на солнечной энергии по п.1, дополнительно содержащий теплоотвод (104), находящийся в контакте с холодным спаем (108), при этом указанный теплоотвод (104) содержит трубопроводы (979) горячей воды, бак (974) с горячей водой и замкнутый контур (974, 979, 978) циркуляции воды между баком (974) с горячей водой и холодным спаем (108).
10. Генератор (100) на солнечной энергии по п.9, дополнительно содержащий солнечный коллектор (971) и одно или более оптических волокон (972), конфигурированных для передачи солнечной энергии от солнечного коллектора (971) к солнечной панели (102), при этом солнечная панель (102), термоэлектрическое устройство (103) и бак (974) с горячей водой размещены в жилом или промышленном здании (973), спроектированном для использования горячей воды из указанного бака (974).
11. Генератор (100) на солнечной энергии по п.10, дополнительно содержащий систему (980) для смешивания воды, соединенную с баком (974) с горячей водой и источником (981) подачи холодной воды, при этом указанная смесительная система (980) выполнена с возможностью отвода воды по отдельности из бака (974) с горячей водой и от источника подачи (981) холодной воды и для подачи смешанной воды (982), отведенной от этих источников (974, 981), кроме того, смесительная система (980) выполнена с возможностью автоматического регулирования коэффициента смешения воды, отводимой из бака (974), и воды, поступающей из источника (981) подачи холодной воды, что необходимо для поддержания воды, поступающей из системы (982) смешения, при температуре ниже заданной максимальной температуры.
2
2
12. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, в котором коэффициент концентрации f равен 10 или более, при этом система (101) концентрации солнечной энергии выполнена с возможностью обеспечивать направленный к солнечной панели (102) поток солнечного излучения, превышающий 10 кВт/м, в условиях безоблачного неба при расположении Солнца в зените; горячий спай (107) термоэлектрического устройства (103) находится в плотном тепловом контакте с нижней поверхностью (106) солнечной панели (102), при этом система выполнена с возможностью передачи теплоты через термоэлектрическое устройство (103) в качестве основного пути охлаждения солнечной панели (102) во время установившегося режима работы, причем термоэлектрическое устройство (103) имеет коэффициент передачи теплоты между его горячим и холодным спаями (107, 108) меньше, чем (f/100) кВт на м (площади солнечной панели (102)) на градус Кельвина при комнатной температуре, при этом система выполнена с возможностью работы с солнечной панелью (102) в устойчивом режиме при температуре на 100 К или более превышающей температуру холодного спая (102) в солнечные дни.
13. Генератор (100) на солнечной энергии по п.12, в котором коэффициент концентрации f равен 100 или более.
14. Генератор (100, 200) на солнечной энергии по п.1, характеризующийся тем, что содержит слои полупроводникового материала, выращенные на элементах термоэлектрического устройства (203), или термоэлектрическое устройство (203) содержит слои полупроводникового материала, выращенные на элементах фотоэлектрического устройства (202).
15. Генератор (100, 200) на солнечной энергии по п.1, в котором термоэлектрическое устройство (203) имеет поперечное сечение (А-А'), параллельное нижней поверхности (106) солнечной панели (202), площадь которого приблизительно равна площади нижней поверхности солнечной панели (202), при этом указанное поперечное сечение проходит через ветви (219, 220) термоэлектрического устройства (203), причем ветви (219, 220) занимают менее 10% указанного поперечного сечения, а более 90% поперечного сечения приходится на материал (222) с хорошими теплоизоляционными свойствами, выбранный из группы, включающей вакуум, газ и аэрогель, причем теплоизоляционный материал заполняет объем между ветвями (219, 220).
16. Генератор (100, 200) на солнечной энергии, содержащий:
солнечную панель (202), имеющую верхнюю поверхность (105), нижнюю поверхность (106) и выполненную с возможностью генерирования электрической энергии из солнечного света (109);
термоэлектрическое устройство (203), прилегающее к солнечной панели (202) и расположенное ниже солнечной панели, при этом указанное устройство содержит горячий спай (207), холодный спай (208), причем горячий спай (207) находится в тесной тепловой связи с нижней стороной (106) солнечной панели (202), при этом указанное термоэлектрическое устройство (203) выполнено с возможностью генерирования электрической энергии, когда горячий спай (207) имеет более высокую температуру, чем холодный спай (208); и
один или более электрических соединительных элементов для электрического соединения с солнечной панелью (202) и отвода электрической энергии от солнечной панели, а также для электрического соединения с термоэлектрическим устройством (203) и отводом от него электрической энергии;
при этом термоэлектрическое устройство (203) содержит ветви (219) n-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (207) к холодному спаю (208) посредством теплопроводности, и ветви (220) p-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (207) к холодному спаю (208) посредством теплопроводности;
при этом ветви (219) n-типа содержат один или более сегментов полупроводникового материала, легированного донорной примесью;
ветви (220) p-типа содержат один или более сегментов полупроводникового материала, легированного акцепторной примесью;
причем солнечная панель (202) содержит слои полупроводникового материала, выращенные на элементах термоэлектрического устройства (203), или термоэлектрическое устройство (203) содержит слои полупроводникового материала, выращенные на элементах фотоэлектрического устройства.
17. Генератор (100, 200) на солнечной энергии содержащий:
солнечную панель (202), имеющую верхнюю поверхность (105) и нижнюю поверхность (106) и выполненную с возможностью генерирования электрической энергии из солнечного света (109);
термоэлектрическое устройство (203), прилегающее к солнечной панели (202) и расположенное ниже солнечной панели, при этом указанное устройство (203) содержит горячий спай (207) и холодный спай (208), причем горячий спай (207) находится в тесной тепловой связи с нижней стороной (106) солнечной панели (202), при этом указанное термоэлектрическое устройство (203) выполнено с возможностью генерирования электрической энергии, когда горячий спай (207) имеет более высокую температуру, чем холодный спай (208);
один или более электрических соединительных элементов для электрического соединения с солнечной панелью (202) и отвода электрической энергии от солнечной панели, а также для электрического соединения с термоэлектрическим устройством (203) и отводом от него электрической энергии;
при этом термоэлектрическое устройство (203) содержит ветви (219) n-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (207) к холодному спаю (208) посредством теплопроводности, и ветви (220) p-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (207) к холодному спаю (208) посредством теплопроводности;
при этом ветви (219) n-типа содержат один или более сегментов полупроводникового материала, легированного донорной примесью;
ветви (220) p-типа содержат один или более сегментов полупроводникового материала, легированного акцепторной примесью;
термоэлектрическое устройство (203) имеет поперечное сечение (А-А'), параллельное нижней поверхности (106) солнечной панели (202), площадь которого приблизительно равна площади нижней поверхности (106) солнечной панели (202); при этом указанное поперечное сечение проходит через ветви (219, 220) термоэлектрического устройства (203);
причем ветви (219, 220) занимают менее 10% поперечного сечения, а более 90% поперечного сечения приходится на материал (222) с хорошими теплоизоляционными свойствами, выбранный из группы, включающей вакуум, газ и аэрогель, причем теплоизоляционный материал заполняет объем между ветвями (219, 220).