СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
METHOD AND APPARATUS FOR STABILIZING TEMPERATURE CONDITIONS OF PHOTOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к области концентраторных солнечных фотоэлектрических преобразователей, применяемых на гелиоэнергетических установках.
Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием оптических концентраторов в многокаскадных солнечных элементах является одним из вариантов получения электроэнергии. Оптические концентраторы обеспечивают высокую степень концентрации солнечного излучения, приводят к увеличению КПД преобразователя и уменьшают площадь солнечных элементов. Выбор фотоэлементов и обеспечение их температурного режима позволяет обеспечить высокий КПД фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения. Отсутствие стабильного рабочего температурного режима приводит к отклонениям режимных параметров в гелиоэнергетических установках и, соответственно, к падению КПД установок.
Так, максимальную мощность фотоэлемента определяют при солнечной радиации близкой к максимуму 1000 Вт/м при температуре поверхности фотоэлемента +25°С, но при превышении температуры на 1 градус выше стандартной (+25°С) мощность снижается ~ на 0,48% (это ~ 0,002 в/град одного элемента). Если учесть гарантированный изготовителем рабочий температурный диапазон фотоэлемента -50°С ÷ +90°С, то потери мощности составляют ~ 30%.
Несмотря на то, что при температуре ниже +25°С выработка энергии может быть и номинально больше максимальной на те же 0,48%, но при
снижении температуры окружающей среды ниже -0°С к -40°С проявляются другие условия работы, приводящие опять к потере мощности установки.
Известен фотоэлектрический модуль (пат РФ №2395136; МКИ H01L 31/04; 15.06.2009; опубл. 20.07.2010 Бюл. №20), включающий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель с солнечными элементами, снабженными теплоотводящими основаниями.
Недостатком является отсутствие термостабилизации фотоэлектрического модуля, при этом значительная часть солнечной энергии не преобразованная в электрическую, превращается в тепло, которое от фотоэлементов передается теплоотводящим основаниям и рассеивается в окружающей среде.
Известна фотовольтаическая система, (пат.Японии 2006 183933А, 13.07.2006 JP) с плоскими фотовольтаическими элементами с нижней стороны, которые содержат охлаждающую батарею, вырабатывающую нагретую воду подаваемую потребителю тепла.
Недостатком является неуправляемый съем тепла от термоэлектрических преобразователей, что не обеспечивает стабильность работы фотовольтаической системы при выработке электромагнитной энергии.
Наиболее близким техническим решением - аналогом является фотовольтаическое устройство (пат. РФ №2462789, МКИ H01L 31/058, 01.07.2009 Бюл.№27), включающее фотовольтаические элементы, при этом под каждым фотоэлектрическим элементом расположена охлаждающая батарея, посредством которой снимаемый тепловой поток передается потребителю тепла.
Недостатком устройства - прототипа является относительно высокая температура, поддерживаемая первым тепловым насосом +60°С (+70°С), что близко к верхнему пределу рабочего температурного режима термоэлемента
и сложность системы использования тепла на теплоснабжение и (или) выработку электроэнергии.
Кроме того, в известном изобретении система охлаждения фотоэлементов не обеспечивает стабильность режимных параметров. Это приводит к тому, что при температурах ниже 0°С окружающей среды, температурный режим не поддерживается, а при температурах выше +25°С теплоотвод от фотоэлементов не регулируется. При температуре выше +90°С окружающей среды фотоэлектрический модуль прекращает работу, отключается.
Технической задачей предлагаемого технического решения, является разработка системы стабилизации температурного режима работы фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения, повышение их надежности и срока службы.
Поставленная задача в части способа решается тем, что в известном способе стабилизации температурного режима фотоэлектрического модуля, воспринимающего солнечное излучение фотоэлектрическими преобразователями, подачей теплоносителя на теплообменник и отвода теплоты от фотоэлектрических преобразователей, согласно изобретению, расходом теплоносителя управляют по температуре фотоэлектрических преобразователей, при этом температурный сигнал управления расходом теплоносителя снимают непосредственно с теплоотдающей поверхности фотоэлектрических преобразователей и передают на исполнительный механизм регулирования расхода теплоносителя.
Поставленная задача в части устройства решается тем, что в известном устройстве стабилизации температурного режима фотоэлектрического модуля, содержащем фотоэлектрический модуль, фотоэлектрические преобразователи которого установлены на теплоотводящей поверхности теплообменника, согласно изобретению, термочувствительный элемент стабилизации температурного режима расположен на внутренней, оребренной поверхности теплообменника, на охлаждаемой стороне
фотоэлектрических преобразователей фотоэлектрического модуля и соединен рычажным механизмом с клапаном регулятора расхода теплоносителя, который установлен на входе в теплообменник.
Кроме того, фотоэлектрические преобразователи с различными спектральными характеристиками расположены на охлаждаемой стороне фотоэлектичсских преобразователей на раздельных теплообменниках с теплоотводящими основаниями, расположенными в одной плоскости, при этом клапан регулятора расхода теплоносителя связан с термочувствительным элементом на данном фотоэлектрическом преобразователе независимо от другого фотоэлектрического преобразователя.
Заявляемые способ и устройство стабилизации температурного режима фотоэлектрического модуля поясняются рисунками: на фиг. 1 представлено поперечное сечение фотоэлектрического модуля с установленным на нем устройством термостабилизации фотоэлектрических преобразователей;
на фиг. 2 показано поперечное сечение устройства охлаждения с термочувствительным элементом, установленным в теплообменнике и регулирующим устройством, расположенным вне канала;
на фиг. 3 изображено поперечное сечение параллельно работающих устройств охлаждения фотоэлектрических преобразователей с различными спектральными характеристиками, расположенными на отдельных теплоотводящих основаниях.
На фиг. 1 показана система регулирования температуры фотоэлектрических преобразователей 1, установленных на теплоотводящей поверхности теплообменника 4, на внутренней стороне которого установлен термочувствительный элемент 2. Термочувствительный элемент 2 связан рычажным приводом и опорой 3 с клапаном регулятора расхода теплоносителя, которые установлены на внутренней поверхности теплообменника 4. Теплообменник 4 закреплен на корпусе
фотоэлектрического модуля 5. Трубопроводы 6 и 7 служат для ввода и вывода теплоносителя из теплообменника 4. На внутренней поверхности теплообменника 4 установлены ребра 8, направляющие потоки теплоносителя. На подающем трубопроводе 6 установлен клапан 9, регулирующий расход теплоносителя.
На фиг. 2 показана система регулирования температуры фотоэлектрических преобразователей 1 с гидравлическим приводом от термочувствительного элемента 10, установленного на внутренней поверхности теплообменника 4 с оребрением 8 на стороне фотоэлектрических преобразователей 1. Термочувствительный элемент 10 связан с регулирующим клапаном 11 импульсной трубкой 12. Регулирующий клапан 11 установлен на подающем трубопроводе 6 теплообменника 4.
На фиг. 3 показана раздельная система регулирования температуры фотоэлектрических преобразователей 1 с различными спектральными характеристиками, клапанами 9. При этом фотоэлектрические преобразователи 1 расположены на теплообменниках 4, в которых расположены термочуствительные элементы 2, связанные приводами 13 с регулирующими клапанами 9. Теплообменники 4 с установленными на них трубопроводами подачи 6 и отвода 7 теплоносителя разделены перегородками 14.
Регулирование температуры фотоэлектрических преобразователей 1 (фиг. 1) производит блок регулирования, содержащий термочувствительный элемент 2 и рычажный привод 3 с клапаном 9. Термочувствительный элемент 2, рычажный привод с опорой 3 и клапан 9 установлены внутри корпуса теплообменника 4 выполняющего роль теплоотводящей опоры фотоэлектрических преобразователей 1. Теплообменник 4 закреплен на корпусе фотоэлектрического модуля 5 на тыльной стороне фотоэлектрических преобразователей 1.
Изменение температуры фотоэлектрических преобразователей 1 (фиг. 1) воздействует на термочувствительный элемент 2, который приводит
к действию рычажный привод 3, связанный с клапаном 9, влияющим на расход охлаждающей жидкости, пропускаемой через теплообменник 4. Таким образом, регулируя расход охлаждающей жидкости, устройство обеспечивает поддержание оптимального рабочего температурного уровня фотоэлектрических преобразователей 1.
При технологической необходимости клапан 9 может быть установлен на выводе 7 теплоносителя. Для повышения эффективности системы регулирования температуры фотоэлектрических преобразователей 1 и условий теплосъема теплоотводящая поверхность 8 теплообменника 4, закрепленного на корпусе фотоэлектрического модуля 5, выполнена в виде оребренных по направлению движения теплоносителя каналов.
На фиг. 2 показана система регулирования температуры фотоэлектрических преобразователей 1 с регулирующим клапаном 11 с гидравлическим приводом от термочувствительного элемента 10, установленного на теплоотводящей оребренной или иной формы поверхности 8 теплоотводящего основания фотоэлектрических преобразователей 1 в теплообменнике 4. Импульсная трубка 12 от термочувствительного элемента 10 выведена из корпуса теплообменника 4 наружу к месту установки регулирующего клапана 11. Регулирующий клапан 11 с гидравлическим приводом установлен на внешнем участке трубы 6 подводящей теплоноситель к теплообменнику 4, на поверхности которого закреплены фотоэлектрические преобразователи 1.
На фиг. 3 показаны разделенные системы регулирования рабочей температуры участков фотоэлектрических преобразователей 1 с различными спектральными характеристиками.
Фотоэлектрические преобразователи 1 расположены на теплоотводящих основаниях теплообменников 4, установленных на корпусе фотоэлектрического модуля 5. От термочувствительных элементов 2 приводами 13 усилие передается на клапана 9, исполнительного механизма регулятора температуры 2 теплообменников 4. Теплообменники 4
обеспечивают оптимальный температурный режим каждого фотоэлектрического преобразователя 1 независимо от другого. Отдельное регулирование рабочей температуры каждого фотоэлектрического преобразователя 1, соответствующего участка солнечного спектра позволяет за счет стабилизации их рабочей температуры обеспечить оптимальную работу всего фотоэлектрического модуля.
Распределение охлаждающей среды и выравнивание температурного поля по поверхности фотоэлектрического преобразователя 1 осуществляется выбором формы и площади поверхности теплосъема в теплообменнике 4. Форма внутренней охлаждающей поверхности 8 теплообменника 4 может быть выбрана таким образом, чтобы распределением потока теплоносителя выровнять условия работы каждого участка фотоэлектрического преобразователя 1 и равномерно распределить теплосъем по всему модулю 5.
При установке общего регулятора расхода охладителя термочувствительный элемент 2 устанавливают в точке с более высокой температурой и на элементе с наибольшей температурной зависимостью. При раздельном охлаждении фотоэлектрических преобразователей 1 точка установки термочувствительного элемента 2 и точки подачи и отвода теплоносителя определяется для каждого типа фотоэлектрических преобразователей 1 отдельно.
Место установки термочувствительного элемента 2 на поверхности фотоэлектрических преобразователей 1 выбирается исходя из условий теплосъема в данной установке. Для улучшения условий теплосъема выбирают теплоотводящие поверхности 8, обеспечивающие распределение потока теплоносителя в наиболее труднодоступные участки теплообменника.
Предлагаемый способ и устройство термостабилизации фотоэлектрических преобразователей с различными спектральными характеристиками, воспринимающими различные участки солнечного спектра, приводит к сглаживанию неравномерности температурного режима
работы фотоэлектрических преобразователей и повышает их надежность и срок службы и позволит более эффективно использовать установленные фотоэлектрические преобразователи. В предлагаемом устройстве тепловая энергия, полученная в системе стабилизации температурного режима фотоэлектрического модуля может быть дополнительно использована. Система дополнительного и, в том числе, раздельного охлаждения фотоэлектрических преобразователей позволит увеличить КПД и их срок службы. При этом упрощается технология изготовления, обеспечивается стабильность работы фотоэлектрического модуля и повышается эффективность работы при снижении стоимости изготовления и эксплуатации.