МАЛООБЪЕМНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Полезная модель относится к гелиоэнергетике, в частности, к установкам для преобразования солнечной энергии в электрическую и может быть использована в качестве энергетического источника при автономном энергообеспечении.
Известен преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий установленные в фокусе отражателя коаксиальные трубки, внутренняя из которых имеет на внешней поверхности фотоэлементы, внешняя трубка выполнена прозрачной, а зазор между трубками заполнен жидкостью (см. патент РФ 2013713, F24J 2/02, F24J 2/18,опубл. 30.05.1994).
Недостатком такого преобразователя является его низкая эффективность вследствие недостаточного охлаждения фотоэлементов (коэффициент полезного действия фотоэлементов существенно снижается при их нагреве до 60…75°C), а также неиспользования тепловой энергии, выделяемой при их работе и отводимой жидкостью. Кроме того, известный преобразователь солнечной энергии в электрическую имеет значительные габариты (занимает большой объем пространства), поскольку для охлаждения жидкости, находящейся в зазоре между трубкам, необходим дополнительный теплообменник в виде радиатора.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы преобразователя солнечной энергии в электрическую за счет интенсификации охлаждения фотоэлементов и утилизации отводимой теплоты.
Такой технический результат достигается тем, что известный преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий установленные в фокусе отражателя коаксиальные трубки, внутренняя из которых имеет на внешней поверхности фотоэлементы, внешняя трубка выполнена прозрачной, а зазор между трубками заполнен жидкостью, дополнительно оснащен термоэлектрическим преобразователем и трубопроводом, подсоединенным к концам коаксиальных трубок, термоэлектрический преобразователь закреплен в верхней части трубопровода, а выходы фотоэлементов и термоэлектрического преобразователя соединены последовательно, причем, коаксиальные трубки и трубопровод размещены под углом к горизонту.
На фиг.1 представлен общий вид малообъемного преобразователя солнечной энергии в электрическую.
Малообъемный преобразователь солнечной энергии в электрическую содержит отражатель 1, выполненный, например, в форме желоба с нанесенным на его внутреннюю поверхность светоотражающим покрытием. В оптическом фокусе отражателя 1 размещены коаксиальные трубки 2, включающие внешнюю трубку 3 и внутреннюю трубку 4. На внешней поверхности внутренней трубки 4 укреплены фотоэлементы 5. Внешняя трубка 3 является прозрачной. Зазор между внешней трубкой 3 и внутренней трубкой 4 заполнен прозрачной охлаждающей жидкостью. Коаксиальные трубки 2 установлены наклонно (например, под углом 40°…60°) к горизонту. Концы коаксиальных трубок 2 соединены между собой трубопроводом 6, образующим внешний замкнутый контур. При этом часть трубопровода 6, подсоединенная к верхнему концу коаксиальных трубок 2, размещена наклонно (например, под углом 10°…15°) к горизонту. В верхней части трубопровода 6 установлен термоэлектрический преобразователь 7, выполненный, например, в виде батареи термопар. Термоэлектрический преобразователь 7 должен находитсься в разнотемпературной среде: его «горячая» точка должна быть расположена в зоне нахождения охлаждающей жидкости с максимальной температурой, а «холодная» точка - при температуре окружающего воздуха. Выходы фотоэлементов 5 и термоэлектрического преобразователя 7 соединены последовательно, образуя свободными концами общий электрический выход малообъемного преобразователя солнечной энергии в электрическую, подключаемый к нагрузке.
3
3
Малообъемный преобразователь солнечной энергии в электрическую работает следующим образом. Солнечная энергия, воздействуя на коаксиальные трубки 2, проходит через прозрачную внешнюю трубку 3, попадает на отражатель 1, а затем концентрируется на внешней поверхности внутренней трубки 4, где расположены фотоэлементы 5. В фотоэлементах 5 происходит преобразование световой энергии в электрическую. При этом в фотоэлементах выделяется теплота. Эта теплота является следствием, во-первых, процессов в многослойной полупроводниковой структуре фотоэлементов 5 и, во-вторых, - результатом взаимодействия световой энергии с твердым телом (фотоэлементами 5). Охлаждающая жидкость, заполняющая зазор между внешней трубкой 3 и внутренней трубкой 4, нагревается. В результате разности плотностей горячей и холодной охлаждающей жидкости (например, плотность воды при температуре 20°C составляет 990 кг/м, а при температуре 70°С - 970 кг/м) горячая охлаждающая жидкость поднимется в верхнюю часть зазора между коаксиальными трубками 2, а холодная охлаждающая жидкость опустится в его нижнюю часть. Поскольку трубопровод 6 замыкает оба конца коаксиальных трубок 2, а верхняя его часть расположена под наклоном к горизонту, охлаждающая жидкость придет в движение, направление которого на фиг1 показано стрелкой. При этом охлаждающая жидкость с максимальной температурой будет сосредоточена в верхней части малообъемного преобразователя солнечной энергии в электрическую. Термоэлектрический преобразователь 7, находясь в разнотемпературной среде, преобразует тепловую энергию в электрическую. Эта электрическая энергия складывается с электрической энергией, преобразуемой фотоэлементами 5 из световой составляющей и, таким образом, утилизируется.
При увеличении нагрузки, подключаемой к выходу малообъемного преобразователя солнечной энергии в электрическую, величина потребляемого электрического тока возрастает. Этот ток является нагрузочным по отношению к термоэлектрическому преобразователю 7. Под влиянием тока происходит уменьшение разности температур в разнотемпературной среде расположения термоэлектрического преобразователя 7 (температура «горячей» точки уменьшается, а температура «холодной» точки увеличивается). Поскольку температура «горячей» точки определяется температурой охлаждающей жидкости, увеличение нагрузки будет способствовать интенсификации охлаждения фотоэлементов 5. Таким образом, при использовании предлагаемой полезной модели происходит саморегулирование теплового режима фотоэлементов 5. Кроме того, отсутствие необходимости в установке дополнительных теплообменных аппаратов (радиаторов охлаждения) существенно уменьшает габариты преобразователя или позволяет преобразовать большую энергию при тех же габаритах.
Эффективность заявляемой полезной модели иллюстрируется следующим примером. Для современных преобразователей световой составляющей солнечной энергии в электрическую модностью 400 кВт величина тепловых потерь составляет 12…15%. В этих преобразователях утилизации подлежат примерно 60% выделенной тепловой энергии. КПД термоэлектрических преобразователей при перепаде температур в разнотемпературной среде 50°C составляет 7%. Таким образом, общая преобразованная солнечная энергия по световой и тепловой составляющим определяется выражением:
n
n
P=P+S×Т×η×P,
n
где P - номинальная мощность фотоэлементов, P=400 кВт,
S - процент тепловых потерь, S=0,12;
T - доля утилизованной теплоты, Т=0,6;
η - КПД термоэлектрического преобразователя, η=0,07
Р=400+0,12×0,6×0,07×400=403 кВт
Помимо перечисленных преимуществ реализация заявляемой полезной модели улучшает тепловой режим работы фотоэлементов, что увеличивает продолжительность их эксплуатации.