СПОСОБ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ОТ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD OF SELF-CONTAINED SUPPLY FROM SOLAR ENERGY

Изобретение относится к гибридным преобразователям солнечной энергии и предназначено для автономного энергоснабжения мобильных, а также специальных объектов, расположенных в различных климатических зонах. В известных гибридных преобразователях используется следующая последовательность преобразования солнечного излучения:
1. Концентрация энергии.
2. Разделение на спектральные составляющие ультрафиолетового, инфракрасного и светового (видимого) диапазонов.
3. Подавление или преобразование ультрафиолетового спектра в световой спектр.
4. Подавление длинноволновой части инфракрасного диапазона волн.
5. Фотоэлектрическое преобразование видимой и коротковолновой частей спектра волн в электрическую энергию.
6. Отвод жидким теплоносителем тепла, образующегося от неполного преобразования указанных частей энергии.
7. Доставка электрической и тепловой энергий по разным физическим каналам потребителям.
С использованием всех или частичных этих действий построен целый ряд преобразователей солнечной энергии. В комбинированных (гибридных) преобразователях солнечные элементы устанавливают на теплоотводящую конструкцию, являющуюся коллектором тепловой энергии, не поглощенной солнечным элементом. Для повышения тепловых свойств был предложен тепловой концентратор. В патенте 2028557 (RU, C1 от 09.02.1995 г.) предложен концентратор с вогнутой поверхностью, в фокусе которого располагают солнечные элементы на теплоотводящих основаниях. За счет высокой концентрации солнечной энергии, наличия элемента слежения за Солнцем и эффективного отбора тепла водяным теплоносителем можно достичь достаточно высокий КПД. Но при эксплуатации не удается стабилизировать эти режимы, так как в данном способе отсутствует защита сдвига фокуса от влияния резких изменений температур и вредного воздействия ультрафиолетового излучения. Высокая теплопроводность конструкции коллектора обуславливает надежность работы солнечных элементов (СЭ). В патенте 2280216 (RU, C1 от 20.07.2006) фотоэлектрический модуль снабжен параболоцилиндрическим концентратором, в фокусе которого расположен приемник солнечной энергии, охлаждающее устройство и элемент слежения за Солнцем. За счет упрощения конструкции охлаждающего устройства получена компактность и мобильность гибридного преобразователя для применения в стационарных объектах. Для преобразования удаленного светового излучения предлагается (патент 2301379 C2 RU от 29.07.2007 г.) ряд солнечных панелей и радиаторов с концентраторами желобообразной формы, обеспечивающий за счет дополнительного тыльного нагрева коллекторов повышение эффективности преобразования солнечной энергии. Солнечные панели осуществляют прямое преобразование световой энергии видимого и УФ-диапазонов волн в электрическую, а излучение ИК-диапазона, прошедшее через отражатели и переотражаясь от концентраторов, подается на задние стенки каналов коллекторов через прозрачные окна и теплоноситель. Часть светового излучения ИК-диапазона при прохождении через теплоноситель (вода) поглощается им, осуществляя его интенсивный нагрев, а световой поток, достигший задней стенки каналов, осуществляет нагрев корпуса коллектора, который путем теплообмена осуществляет дополнительный нагрев теплоносителя. За счет применения большой преобразовательной поверхности не потребовалась установка фотоэлемента в фокус концентратора и проводить юстировку в процессе эксплуатации. Для защиты от воздействия внешней среды используют специальный каркас. Но это проводит к существенному увеличению габаритов. В авторском свидетельстве СССР (1603152 A1 SU от 30.10.1990 г.) предложен упрощенный гибридный преобразователь. В корпусе установлены фотоэлементы. Контур их охлаждения в виде тепловой трубы, испарительная часть которой выполнена в виде каналов с цилиндрической поверхностью. Тепловая труба вакуумирована, но фотоэлементы не защищены от влияния внешней среды. В патенте 1825071 (SU, F1, от 20.02.1996) теплоприемник-концентратор выполнен в виде полого усеченного шарового сектора, в фокусе которого изолированно установлен теплоэлектрический преобразователь, а внешняя сторона омывается теплоносителем. Так обеспечивается естественная конвекция воды. В результате достигается повышение КПД, так как не требуется применение насоса. Применение же сферического концентратора на мобильном объекте нецелесообразна, так как его вибрация может нарушить юстировку местоположения его фокуса. Для надежной работы при отрицательных температурах все элементы необходимо помещать в вакуумированную конструкцию. Такое увеличение габаритов неприемлимо для решения поставленной задачи.
Солнечные элементы, не защищенные от вредного воздействия ультрафиолетовой части солнечного излучения, подвержены быстрой деградации. Основное внимание в патентных разработках уделено способом отвода тепла от солнечного элемента к теплоносителю. Так для гибридного преобразователя в патенте США (5935543 US от 10.08.1999 г.) снижение тепловых потерь достигается с помощью гофрированной формы коллектора, но СЭ при этом встроенный на поверхности коллектора подвержен воздействию солнечной радиации и ультрафиолетового излучения. Другие разработчики (патент 2365116 GB от и патент Франция 2882427 от 2006 г.) для лучшего отвода тепла предлагают панельные конструкции солнечных батарей (СБ), но также не предлагается защита от ультрафиолетового излучения (УФ). Применяя такие новые материалы, как полимерные трубы, тонкопленочные структуры, разработчикам (патент 6675880, US от 17.01.2004 г., патент 2446219 GB от 06.08.2008 г.) удалось создать гибкие и малогабаритные конструкции СБ и тепловых коллекторов. Оригинальные конструкции гибридных преобразователей приведены в патентах 2407634 GB от 04.05.2005 г. и (Франция) 2882426, в которых СЭ встроены в черепицу или плиту, отводящие охлаждающую жидкость к теплоносителю. Следует отметить, что в указанных конструкциях СЭ не защищены от солнечной радиации и УФ, которые приводят к ранней деградации СЭ. Для отвода инфракрасного излучения (ИК), то есть тепловой энергии от СЭ, предложены и другие оригинальные конструкции. Так в патенте 6057504 US от 02.05.2000 г. путем комбинации стеклянной круглой трубы с параболоидом, в фокусе которого помещен СЭ, достигается разделение спектров и на СЭ передается только энергия коротковолновой части спектра солнечного излучения, включая УФ-спектр. Два способа подавления энергии УФ-спектра разработаны в патентах 4766884 US от 30.08.1988 г. и 2392556 GB от 03.03.2004 г. Так в первом способе излучение, сфокусированное линзами, направляется на прозрачный канал с теплоаккумулирующим веществом и ИК-энергия преобразуется в тепло. Непоглощенная световая энергия воспринимается СЭ, установленным на тыльной стороне стенки канала, используется для контроля уровня освещенности канала. Во втором способе УФ-излучение блокируется корпусом коллектора, а ИК- и световая энергии разделяются дихроическим зеркалом. Во всех случаях как солнечные преобразователи, так и линзовые элементы подвергаются деградации под воздействием солнечной радиации, влиянию внешней среды и требуются большие эксплуатационные затраты. В патентах 4809675, US от 07.03.1989 г. и 5501743, US от 26.03.1996 г. предлагается с помощью множества линз направлять энергию Солнца на торцы световодов, установленных в фокусе линз. Далее она передается либо для непосредственного освещения помещения, либо для преобразования в электрическую и тепловую энергии внутри помещения. В этом случае СЭ подвержены меньшему вредному воздействию внешней среды, но требуется очищение линз от пыли и снега и неизбежна деградация линз.
Необходимо отметить следующие недостатки известных патентных разработок:
- при длительном воздействии солнечной радиации и температуры среды происходит сдвиг спектральных характеристик СЭ и снижение КПД СБ;
- солнечные элементы подвержены значительной деградации под воздействием радиационной облученности;
- при деградации поверхности линз, смещения фокуса или затенения от снега требуется проводить ремонтные работы;
- при незначительном загрязнении (около 1 г на 1 квадратный метр) снижается производительность солнечной батареи;
- значительное влияние молниевых электромагнитных полей.
Простая малогабаритная конструкция теплового коллектора гибридного преобразователя предложена в авторском свидетельстве СССР (1603152 A1 от 30.10.1990 г.), в котором нет концентрации солнечной энергии, а в охлаждающем контуре солнечного элемента используется процесс абсорбции жидкого теплоносителя, приводящий к дополнительному накоплению тепловой энергии. В патенте (RU, 2307294, C9 от 27.09.2007 г.) предложен фотоэлектрический способ, предназначенный для систем автономного энергоснабжения объектов, работающих в различных климатических зонах. Фотомодули располагают в фокальной среде линзового концентратора, который с теплоотводящими основаниями устанавливают на тыльной стороне панелей из силикатного стекла, образующих герметичную конструкцию. Поэтому достигнута высокая степень защиты от колебаний внешней температуры, УФ-излучения, влажности, давления, ветра, пыли, града. Такой модуль целесообразно использовать в стационарных достаточно мощных генераторах электрической и тепловой энергии. Из-за герметичности конструкции важнейшим требованием является теплоотвод от фотомодулей. Этот способ невозможно реализовать в малогабаритных преобразователях.
Наиболее близкий способ (прототип) к предлагаемому способу гибридного преобразования приводится в патенте России (2538152, RU F24J 2/00 от 10.01.2015 г.). Рассеянное солнечное излучение проходит защитную фильтрацию, проникает и улавливается в теплоизолированном объеме для фотопреобразования в электрическую энергию с выделением и интенсивным накоплением тепловой энергии, нагрева с абсорбцией теплоносителя, обеспечивающей его турбулентное движение. Но в прототипе нет, как и в указанных выше аналогах (1603152, 2307294), операций по спектральному разделению солнечной энергии с целью устранения вредного воздействия на солнечные элементы и повышения эффекта преобразования.
Необходимо отметить, что в прототипе и аналогах предусматривается доставка потребителю каждого вида энергии по двум различным физическим каналам.
При широком применении солнечных батарей возникнет проблема утилизации из-за токсичности кремния, содержащегося в солнечных элементах.
В связи с этим в настоящее время интенсивно проводятся работы по совершенствованию характеристик солнечных коллекторов.
Объект изобретения
Задачей данного изобретения является создание способа светотеплового преобразования солнечной энергии, который обеспечит снижение влияния внешней среды на характеристики гибридного солнечного преобразователя.
Согласно изобретению способ автономного энергоснабжения от солнечной энергии мобильных транспортных и стационарных объектов включает в себя непосредственное нагревание термоаккумулирующей жидкости с получением турбулентной циркуляции, при этом используется смесь незамерзающей светопрозрачной жидкости с люминофорными частицами, преобразующими солнечную энергию в световую энергию, накапливающие и переносящие ее одновременно с накопленной тепловой энергией под воздействием указанной циркулирующей жидкости к потребителям.
Новизна предлагаемого способа состоит в том, что при облучении солнечным излучением коллектора, который соединен с кольцевым каналом, и принудительной циркуляции в нем смеси жидкости с люминофорами происходит одновременный в общем физическом канале перенос световой энергии, накопленной в люминофорах, и тепловой энергии, аккумулированной в жидкости, к заданным объектам. Таким образом достигается значительное упрощение и уменьшение габаритов конструкции, сокращение затрат на обслуживание светотепловой преобразовательной установки, так как при старении люминофоров производится просто их замена на новые люминофоры. Люминофорные частицы являются широкоугольными собирателями и накопителями прямого, рассеянного и отраженного солнечного излучения. Техническая реализация конструкции теплового коллектора в зависимости от энергетических требований возможна в различных вариантах. Для маломощных преобразователей эффективным может быть плоский прозрачный коллектор, состоящий из нескольких трубных элементов, например, синусоидальной или иной формы, соединенных между собой параллельно. Увеличение эффективности поглощения солнечной энергии как жидкостью, так и люминофором достигается увеличением площади поверхности коллектора. Для стационарных объектов такое устройство может представлять многоэлементный коллектор с цилиндрической поверхностью, в котором циркулирует смесь жидкости с люминофором. Для снижения стоимости трубы коллектора могут быть изготовлены из пластмассового материала. Эффективность преобразования солнечной энергии зависит [1] от близости спектральных характеристик жидкости и люминофора и световых характеристик люминофора. С целью преобразования полного спектра (включая ультрафиолетовый, инфракрасный) солнечного излучения необходимо смешивать разные типы люминофорных частиц. В качестве жидкостей целесообразно выбирать такие незамерзающие светопрозрачные жидкости, как глицерин, технические масла, этиленглюколь. Для подтверждения практической реализации светотеплового преобразователя проведены исследования (А.Б. Поллер. О построении светотеплового люминисцентного преобразователя солнечной энергии. Гео-Сибирь-2010, Т.5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2.: Сб. матер. VII Межд. науч. конгресса Гео-Сибирь-2010, 19-29 2010 г. Новосибирск: СГГА, 2010, с. 50-55) [1] энергетических характеристик светонакапливающего люминофора (ФВ-490Д), смеси частиц люминофора с жидкостями и оценивались тепловые характеристики таких смесей. Наилучшие характеристики светоотдачи оказались у смеси глицерина с люминофором. Получены характеристики устойчивого теплового равновесия в кольцевом канале для разных смесей. Полное время послесвечения отдельных зерен люминофоров может составлять (Б.В. Поллер, В.К. Попков, А.Б. Поллер. О системе управления преобразователем солнечной энергии с использованием люминофорных устройств. Проблемы оптимизации сложных систем. Труды межд. школы семинара. СОАН, Новосибирск. 2010 г. С. 335-340) [2] от десятков минут до нескольких часов. На основе этих исследований предлагается способ автономного энергоснабжения маломощных объектов. На Фиг.1 показан один пример реализации способа получения как тепловой (коллектор-2), так и световой энергий (от солнца-1) и доставки по общему жидкостному каналу (3) к заданному объекту с помощью циркуляции, например, насосом (5), смеси жидкости и светонакапливающего люминофора (8). Отвод тепловой энергии из общего канала (3) производится путем подключения к нему светотеплового радиатора-6 и аккумулятора (4). Аккумулятор при длительном затенении теплового коллектора подогревает остывшую жидкость. Индуцируемая частицами люминофора световая энергия (7) может восприниматься светочувствительным прибором или сквозь прозрачные участки светотеплового радиатора (6).
Проводились [1] эксперименты по облучению смесей различных жидкостей с люминофором световым излучением от ртутной лампы (Дрл-150). Частицы люминофора в жидкости после накопления света и тепла перемещались в потоке жидкости под действием компрессора в зону освещения и обогрева. Весовая концентрация частиц люминофора в смеси с глицерином составляла около 1% и при этом скорость движения частиц около 0,5 м/с при мощности компрессора около 4 Вт. Наибольшая скорость движения частиц люминофора достигалась в смеси с водой. Полученные данные подтверждают изобретательский уровень заявляемого способа. Промышленная применимость заявляемого способа обоснована возможной реализацией следующей конструкцией мобильного устройства. С целью уменьшения габаритов и достижения движения теплоносителя целесообразно использовать подобно, как в прототипе, турбулентный режим нагревания смеси жидкости с люминофором. Для этого следует светопрозрачный коллектор установить в герметизированный светопрозрачный корпус. При пониженной освещенности коллектора поддержание его рабочего процесса возможно за счет тепла, выделяемого в процессе преобразования люминофором рассеянного солнечного излучения и искусственных источников света. Светопрозрачный корпус сочленяют с теплоизолированным каналом, который у потребителя соединяют с светотеплорадиатором-аккумулятором. От тепловой и световой энергии (7), излучаемые светотеплорадиатором, обогревается и освещается помещение. Аккумулятор поддерживает температуру теплоносителя в периоды отсутствия облученности коллектора.