КОМБИНИРОВАННАЯ СОЛНЕЧНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

КОМБИНИРОВАННАЯ СОЛНЕЧНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Полезная модель относиться к гелиотехнике, а именно к комбинированным солнечно-энергетическим станциям для получения тепла и электричества. Станция содержит промышленные солнечные батареи, селективный фильтр с теплоносителем, аккумулятор тепла с теплообменником.
Известны технические решения, в которых используются воздушные или жидкостные теплоносители. Их применение способствует повышению КПД, фотопреобразования, а отводимое тепло может использоваться как дополнительный источник тепла, это, так называемая, PVT-технология. Кроме того, для уменьшения снижения КПД солнечного модуля связанного с его нагревом используются различные спектральные устройства.
Известно техническое решение (Патент RU 149536, МПК H02S10/00, опубл. 10.01.2015), в котором используется устройство типа голографических пленок, расположенных на поверхности солнечного элемента, которые отражают излучение не соответствующее спектральным характеристикам фотоэлемента.
Недостатком такого технического решения является невозможность очищения поверхностей солнечных батарей от снега и льда.
Известно также другое техническое решение (Патент RU 156898, МПК H01L31/04, опубл. 20.11.2015), в котором для очистки поверхности солнечной батареи от снега и льда в системе электроснабжения используется дополнительный аккумулятор электроэнергии, предназначенный для питания нагревателя работающего в автоматическом режиме для оттаивания снега и льда.
Наиболее близким техническим решением (Патент RU 2382953, МПК F24J2/42, опубл. 27.02.2010),  в котором используется жидкий теплоноситель, прозрачный для фотоактивного излучения с концентраторами солнечной энергии. Также в этой станции имеется аккумулятор тепла с теплообменником, который используется для нагрева холодной воды и дальнейшего ее использования. Недостатком данной конструкции является то, что солнечные элементы находятся внутри герметичных заполненных теплоносителем корпусах с прозрачными окнами, теплоноситель должен быть неагрессивным по отношению к материалу солнечных элементов и с высокими диэлектрическими свойствами. Кроме того, концентраторы солнечной энергии находятся в открытом пространстве и подвержены влиянию погоды, снежным заносам, обледенению и т.д.
°
На фиг. 1 представлена спектральная характеристика кремниевых солнечных элементов [1]. На фиг. 2 представлен спектр солнечного излучения [2].  Видно, что часть спектра солнечного излучения > 1 мкм не используется для преобразования в электрический ток, а следовательно идет на нагрев тела солнечного элемента. На фиг. 3 представлена вольт-амперная характеристика кремниевых солнечных элементов при разных температурах. Видно, что при нагреве элемента на один градус свыше 25С он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 %/градус [3]. Таким образом, ограничивая спектр солнечного излучения установкой спектрального фильтра можно снизить нагрев поверхности элемента, тем самым увеличить эффективность солнечной станции в целом.
Целью настоящей полезной модели является повышение энергетического выхода комбинированной солнечно-энергетической установки, то есть повышение общей эффективности путем уменьшения нагрева солнечных батарей при одновременной генерации электричества и тепла, автоматического очищения поверхности от снега и льда, упрощение конструкции, снижение себестоимости за счет разделения модулей теплоносителя и солнечных батарей, кроме того, упрощается ремонт и замена солнечных батарей. Поставленная цель достигается тем, что в комбинированной солнечно-энергетической установке, состоящей из солнечных батарей, элементов корпуса, аккумулятора тепла, согласно полезной модели, перед фронтальной поверхностью солнечных батарей расположен спектральный фильтр. Спектральный фильтр состоит из плоского герметичного резервуара наполненного теплоносителем, поглощающим ИК-составляющей солнечного излучения (> 1 мкм) и часть УФ-диапазона (< 0,4 мкм), имеет входной и выходной патрубки для обмена энергии теплоносителя с аккумулятором тепла.
3. Комбинированная солнечно-энергетическая установка по п.1., отличающаяся тем, что контур аккумулятора тепла снабжен реверсивным насосом для подачи теплоносителя в спектральный фильтр. Также насос прокачивает теплоноситель в обе стороны от спектрального жидкостного фильтра в зависимости от атмосферных условий.
В зимних условиях, когда эффективность солнечных батарей снижается из-за заносов снегом или обледенения светоприемых поверхностей солнечной установки целесообразно реверсировать поток теплоносителя в контуре аккумулятора теплообменника для подачи нагретого теплоносителя для оттаивания наледи или снега, в отличие от летного режима, когда необходимо отвести часть тепловой энергии не участвующей в преобразовании энергии в электрический ток и использовать полученное тепло для нагрева, например, холодной воды.
Полезная модель поясняется рисунками:
Фиг. 1 – Спектральная характеристика кремниевых солнечных элементов;
Фиг. 2 – Распределение энергии солнечного излучения по спектру в области длин волн 2000-30 000 Å;
Фиг. 3 – Вольт-амперная характеристика кремниевых солнечных элементов при разных температурах;
Фиг. 4 – Функциональная блок-схема комбинированной солнечно-энергетической установки, где 1 – жидкостный спектральный фильтр, 2 – солнечная батарея, 3 – зажимы , 4 – трубопровод, 5 –аккумулятор тепла с теплообменником и реверсивным насосом
Сущность полезной модели поясняется фигурой 4. На фигуре 4 приведена функциональная блок-схема комбинированной солнечно-энергетической установки, содержащая жидкостный спектральный фильтр, промышленную солнечную батарею, реверсивный насос, аккумулятор тепла с теплообменником. Фильтр представляет собой плоский герметичный резервуар с размерами равными размерам промышленной солнечной батареи, прозрачный для всего диапазона солнечного излучения. Крепление фильтра с солнечной батареей осуществляется с помощью зажимов непосредственно соприкасающимися плоскими поверхностями для дополнительной контактной передачи тепла от рабочей поверхности батареи к фильтру, так как эффективность кремниевой батареи составляет примерно 16-19 %, а значит около 80 % энергии излучения видимого диапазона превращается в тепло в теле солнечных элементов. Теплоноситель представляет собой жидкость с высокой теплопроводностью и со спектральным поглощением > 1 мкм и часть УФ-диапазона < 0,4 мкм.
Комбинированная солнечная энергетическая установка работает следующим образом. Солнечное излучение, проходя через спектральный жидкостный фильтр, теряет часть излучение не фотоактивную для солнечных элементов (< 0,4 мкм и > 1 мкм) и нагревает теплоноситель внутри корпуса фильтра. Прошедшее излучение поглощается поверхностью солнечной батареи и преобразуется в электрический ток порядка 16-19 %. Около 80 % солнечной энергии прошедшей через солнечный фильтр превращается в тепло в фоточувствительных слоях солнечных элементов. Это тепло передается спектральному фильтру за счет поверхностного контакта солнечной батареи с корпусом спектрального фильтра. Реверсивный насос прокачивает теплоноситель через фильтр и аккумулятор тепла с теплообменником. В зависимости от времени года насос может обеспечить обратную подачу нагретого теплоносителя от аккумулятора тепла к фильтру для оттаивания наледи льда или снега в зимний период или нагрева воды для дальнейшего использования в летний период.
При конкретном исполнении в качестве теплоносителя может быть использована, например, дистиллированная вода. В качестве солнечных батарей могут быть использованы любые промышленно выпускаемые плоские кремниевые батареи, так как изменения конструкции последних не требуется, что удобно при ремонте или профилактическом  обслуживании.
Таким образом, предложенное техническое решение имеет простую конструкцию, позволяет повысить энергетический выход комбинированной солнечно-энергетической установки, т.е. повысить общую эффективность ее работы, обеспечивает очистку рабочих поверхностей от снега и льда, упрощает ремонт и замену солнечных батарей.
Литература
1. Изменение спектральной чувствительности и КПД солнечных элементов под влиянием света, температуры и корпускулярного обличения [Электронный ресурс] : BankSolar – URL: http://banksolar.ru.
2. К границам пространства З. Бургeсc :  пер. с англ. / С. И. Кузнецова, Н. А. ЗАКСА ; под ред. Д. Л. Тимрота. – Издательство иностранной литературы.  Москва. – 1957. – 223 c.
3. Солнечные элементы [Электронный ресурс] : Solar Battery – URL: http://solbat.narod.ru.