КОМБИНИРОВАННАЯ СОЛНЕЧНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
COMBINED SOLAR POWER PLANT

Настоящее изобретение относится к гелиотехнике, а именно к комбинированным солнечно-энергетическим станциям для получения тепла и электричества.
Область применения - возобновляемые источники энергии, тепло- и электроэнергетика, производство холода.
Известны технические решения по комбинированным солнечно-энергетическим системам и электростанциям, принцип которых основан на охлаждении фотоэлектрических преобразователей (ФП) или фотоэлектрических модулей с помощью воздушного или жидкостного теплоносителя. Это способствует повышению коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлектрического преобразования, а отводимое тепло при этом используется как дополнительный источник тепла. За рубежом это направление получило название PVT (photovoltaic thermal) технологий. Современный обзор работ по этой тематике приведен в PVT ROADMAP, A European guide for the development and market introduction of PV-Thermal technology, Editors: H.Zondag, M.Bakker, W. van Helden, Energy Research Centre of the Netherlands, 2006 [1].
Эти устройства также можно отнести к классу когенерационных или комбинированных систем, т.к. осуществляется одновременное производство (генерация) электричества и тепла, электричества, тепла и холода.
Основной проблемой в комбинированных электростанциях при использовании традиционных планарных фотоэлектрических преобразователей (ФП) с системой охлаждения, которая используется для получения тепла, является низкий потенциал получаемой теплоты, т.е. невысокие температуры теплоносителя, которые можно получить на выходе системы.
Известна многоцелевая солнечная станция, в которой матрица планарных ФП преобразует солнечную энергию не только в электрическую, но и в тепловую. В ней фотоэлектрические преобразователи закреплены на несущей подложке, имеющей каналы для хладагента. При этом облучение ФП происходит только с одной стороны (патент РФ №2164722. кл. H01L 31/058, опубл. 2001.03.27) [2].
Одностороннее облучение фотоэлектрического преобразователя, находящегося на теплопроводящей стенке теплоотводящего устройства с каналами охлаждения (в непрямом контакте с хладагентом), приводит к повышению теплового сопротивления при отборе тепла от них и, как следствие, к снижению эффективности их охлаждения. В результате на выходе системы получают невысокие температуры теплоносителя, что приводит к низкому коэффициенту полезного действия (КПД) энергетического выхода многоцелевой солнечной станции.
Использование концентраторов солнечного излучения позволяет повысить потенциал получаемого тепла в солнечно-энергетических станциях комбинированного типа.
Другим техническим решением является солнечная энергетическая станция (патент РФ №2286517, кл. F24J 2/42, опубл. 2006.10.27) [3], которая содержит солнечную батарею с концентраторами, выполненными в виде линз Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями. Станция размещена на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за Солнцем с возможностью перемещения ее вокруг вертикальной и горизонтальной осей.
Использование концентраторов в виде линз Френеля с системой слежения за Солнцем повышает электрический выход станции. Однако в данном техническом решении не предусмотрено использование полезного тепла, рассеиваемого ФП, что позволило бы существенно повысить КПД ее энергетического выхода.
Наиболее близким решением является комбинированная солнечно-энергетическая станция (патент РФ №2111422, кл. F24J 2/42, опубл. 1998.05.20) [4], содержащая модульные зеркальные концентраторы солнечной энергии, размещенные на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за Солнцем, солнечные батареи с принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями с блоком накопления электрической энергии, циркуляционные контуры теплопередачи для охлаждения фотоэлектрических преобразователей и получения тепла.
В генерирующей части станции используются два фотоэлектрических теплогенератора низкотемпературного и высокотемпературного солнечных коллекторов, соединенных различными циркуляционными контурами теплопередачи с циркулирующим теплоносителем, и дополнительный паросиловой блок. Фотоэлектрические преобразователи выполнены в виде широкозонных арсенид-галлиевых полупроводниковых фотоэлементов.
К недостаткам данной комбинированной солнечно-энергетической станции можно отнести ее усложненную конструкцию, что сказывается на эксплуатации станции и в конечном итоге приводит к увеличению тепловых потерь, а используемые арсенид-галлиевые ФП являются самыми дорогими из известных ФП. Они изготавливаются с использованием вредных для экологии материалов, что удорожает стоимость станции и приводит к длительным срокам ее окупаемости.
В данной комбинированной солнечно-энергетической станции также используется одностороннее облучение фотоэлектрических преобразователей, монтируемых на поверхности металлической трубы, имеющей вдоль оси плоскую площадку, снабженную адгезивно связанной токоизолирующей пленкой пластинки преобразователя, также адгезивно соединенного с изолирующей пленкой и трубой, в которой циркулирует охлаждающий теплоноситель, что приводит к повышению теплового сопротивления при отборе тепла от них и, как следствие, к снижению эффективности их охлаждения.
В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения энергетического выхода солнечно-энергетической станции, т.е., в конечном счете, эффективности использования солнечной энергии.
Техническим результатом является повышение энергетического выхода комбинированной солнечно-энергетической станции и т.о. повышения общего КПД путем эффективного использования отводимого тепла при одновременной генерации электричества, полезного тепла (холода), применения зеркальных концентраторов, обеспечивающих двухстороннюю засветку ФП, и упрощение конструкции станции за счет ее модульного исполнения, что ведет к снижению ее стоимости изготовления.
Технический результат достигается тем, что в комбинированной солнечно-энергетической станции, содержащей солнечные батареи с модульными зеркальными концентраторами солнечной энергии, размещенными на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за Солнцем, принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями с блоком накопления электрической энергии, циркуляционные контуры теплопередачи для охлаждения фотоэлектрических преобразователей и получения тепла, новым является то, что фотоэлектрические преобразователи представляют собой двухсторонние полупроводниковые структуры с вертикальными p-n-переходами, которые расположены в фокусе зеркальных концентраторов в заполненных теплоносителем корпусах с прозрачными окнами, в непосредственном контакте с теплоносителем, при этом теплоноситель прозрачен для фотоактивного излучения и непрозрачен (поглощает) для нефотоактивного излучения, а зеркальные концентраторы дополнительно снабжены планарными солнечными батареями, установленными в центральной зоне входной апертуры зеркальных концентраторов.
В один из циркуляционных контуров теплопередачи введен теплообменник абсорбционного холодильника.
В качестве теплоносителя для фотоэлектрических преобразователей выбрана оптически прозрачная, химически нейтральная, диэлектрическая, с высокой теплопроводностью жидкость, являющаяся теплоносителем циркуляционного контура теплопередачи.
В качестве теплоносителя для фотоэлектрических преобразователей выбрана жидкость в виде суспензии с дисперсными частицами, поглощающими свет в нефотоактивной части инфракрасного спектра.
В качестве теплоносителя для фотоэлектрических преобразователей выбрана жидкость с добавками красителей, поглощающими свет в нефотоактивной части инфракрасного спектра.
Замкнутый корпус с прозрачными окнами, заполненный теплоносителем, в котором расположены фотоэлектрические преобразователи, в свою очередь находится во втором корпусе с прозрачными окнами с теплоносителем циркуляционного контура теплопередачи.
Использование предлагаемых фотоэлектрических преобразователей позволяет принимать излучение от зеркальных концентраторов с двух сторон, т.к. они имеют двухстороннюю чувствительность и расположены в их фокусе. Помимо этого ФП, находясь в непосредственном контакте с теплоносителем, отдают избыточное тепло двумя сторонами, что повышает их КПД.
Для полного использования входной апертуры зеркальные концентраторы дополнительно снабжены планарными солнечными батареями, установленными в центральной - нерабочей зоне входной апертуры каждого зеркального концентратора, которые генерируют энергию, расходуемую для собственных нужд, т.е. на систему слежения, аппаратуру контроля и управления.
В качестве теплоносителя для фотоэлектрических преобразователей выбрана химически нейтральная, диэлектрическая, с высокой теплопроводностью жидкость. Данная жидкость может быть в виде суспензии с дисперсными частицами, поглощающими свет в нефотоактивной части инфракрасного спектра, или жидкости с добавками красителей, также поглощающими свет в нефотоактивной части инфракрасного спектра. Таким образом, теплоноситель играет дополнительную роль селективного фильтра, пропускающего только фотоактивное излучение и улавливающего нефотоактивное излучение, облегчая процесс охлаждения и отбор тепла от ФП для последующего использования.
Обычно ФП защищают от воздействия внешних факторов при помощи технологии ламинирования с помощью пленочных покрытий типа этиленвинилацетат, тедлар, майлар, которые при длительном использовании под действием ультрафиолетового излучения темнеют, тем самым снижая оптическое пропускание. С течением времени также происходит деламинация (отслоение защитных покрытий), что в конечном итоге приводит к коррозии, отслоению контактов и выходу ФП из строя.
В варианте предлагаемого решения ФП могут располагаться в двух корпусах с прозрачными окнами с двух сторон, которые заполнены теплоносителем. В первом корпусе теплоноситель неподвижен, и это обеспечивает отсутствие механического воздействия на поверхность фотоэлектрических преобразователей, тем самым создавая благоприятные условия, которые препятствуют возникновению процессов деградации контактов. Во втором корпусе теплоноситель подвижен и является переносчиком тепла циркуляционного контура теплопередачи. В этом контуре можно использовать дистиллированную воду с добавками, обеспечивающими поглощение инфракрасного нефотоактивного излучения.
При использовании в одном из циркуляционных контуров теплопередачи теплообменника абсорбционного холодильника станция может дополнительно вырабатывать холод.
Предлагаемая станция, используя систему охлаждения и утилизации теплоты от фотоэлектрических преобразователей, позволяет получать электричество, тепло и холод.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5.
На фиг.1 приведена структурная функциональная блок-схема построения комбинированной солнечно-энергетической станции с генерацией тепла и электричества.
На фиг.2 приведена структурная функциональная блок-схема построения комбинированной солнечно-энергетической станции с генерацией тепла, электричества и холода.
На фиг.3 схематично изображена система охлаждения и утилизации теплоты.
На фиг.4 схематично изображен вариант системы охлаждения.
На фиг.5 изображен общий вид конкретного примера выполнения комбинированной солнечно-энергетической станции.
Комбинированная солнечно-энергетическая станция (фиг.1, 5), содержащая модульные зеркальные концентраторы солнечной энергии 1, солнечные батареи с принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями 2, размещенными на несущей конструкции 3, оснащенной системой слежения за Солнцем 4, с блоком накопления электрической энергии 5, циркуляционные контуры теплопередачи 6, 7 (фиг.3, 4) с циркуляционными насосами и теплообменником 8 для охлаждения фотоэлектрических преобразователей и получения тепла. Фотоэлектрические преобразователи представляют собой двухсторонние полупроводниковые структуры с вертикальными p-n-переходами (стрелками на фиг.1, 2, 3, 4 показано солнечное излучение, падающее на фотоэлектрические преобразователи с двух сторон), которые расположены в фокусе зеркальных концентраторов в заполненном теплоносителем корпусе 9 с прозрачными окнами. При этом зеркальные концентраторы дополнительно снабжены планарными солнечными батареями 10, установленными в центральной зоне входной апертуры каждого зеркального концентратора. Это необходимо для более полного использования их входной апертуры. При расположении зеркальных отражателей в центральной области зеркальных концентраторов происходит отражение солнечного излучения от их поверхности со слишком большими углами прихода излучения на фотоэлектрические преобразователи, в результате чего часть отраженного солнечного излучения попадает в торец ФП и в этом месте зеркальные отражатели используются неэффективно. Установка планарных солнечных батарей исключает неэффективное использование центральной области зеркальных концентраторов.
При необходимости получения холода в один из циркуляционных контуров 7 теплопередачи вводится теплообменник 11 абсорбционного холодильника 12, что в условиях жаркой погоды и южных климатических поясах является важным преимуществом комбинированной солнечно-энергетической станции (фиг.2).
В качестве теплоносителя для фотоэлектрических преобразователей выбрана химически нейтральная (с неагрессивными свойствами по отношению к кремнию и металлической контактной системе фотоэлектрических преобразователей), диэлектрическая, с высокой теплопроводностью жидкость, являющаяся теплоносителем циркуляционного контура теплопередачи 6.
На фиг.4 показан вариант системы охлаждения, в которой фотоэлектрические преобразователи 2 находятся в замкнутом корпусе 13 с прозрачными окнами, заполненном неподвижным теплоносителем, и этот замкнутый корпус в свою очередь находится в корпусе 9 с прозрачными окнами с теплоносителем циркуляционного контура теплопередачи 6.
Циркуляционный контур теплопередачи 7 соединен своим выходом с блоком - аккумулятором тепла 14, который в свою очередь соединен с потребителем тепла 15, например с системой теплоснабжения или предварительного подогрева.
Блок накопления электрической энергии 5 соединен с распределительно-преобразовательным устройством 16, включающим инвертор(ы), контроллер(ы) и соответствующие распределительные цепи (не показаны), работающим на потребителя 17, систему автоматического управления и контроля параметров 18 комбинированной солнечно-энергетической станции.
Комбинированная солнечно-энергетическая станция может дополнительно включать электролизер, обратимый топливный элемент, блок накопления водорода, водородную горелку (не показаны),
На фиг.5 изображен пример выполнения комбинированной солнечно-энергетической станции, где показаны модульные зеркальные концентраторы 1 в количестве 16 штук с солнечными батареями, размещенными на несущей конструкции 3, оснащенной системой слежения за Солнцем, а также с солнечными батареями для собственных нужд 10, блоками накопления электрической энергии 5, при этом аккумулятор тепла и система автоматического управления и контроля параметров размещены в специальном отсеке 20.
Комбинированная солнечно-энергетическая станция работает следующим образом.
Солнечное излучение собирается модульным зеркальным концентратором 1, состоящим, например, из плоских фацет, направляющих солнечное излучение с двух сторон на фотоэлектрические преобразователи 2, имеющие вертикальные p-n-переходы, представляющие собой одновременно фотоэлектрический и тепловой приемник, который находится непосредственно в охлаждающей жидкости - теплоносителе. При этом зеркальный концентратор 1 с фотоэлектрическими преобразователями и системой слежения за Солнцем 4 располагаются на несущей конструкции 3 (фиг.1, 5). Блок накопления электрической энергии 5 (фиг.1, 2) с согласующим зарядным устройством (не показано) аккумулирует генерируемую фотоэлектрическими преобразователями электрическую энергию с помощью электрических аккумуляторов или преобразует ее в водород, получаемый электролизером путем гидролиза воды или топливным элементом. Распределительно-преобразовательное устройство 16 выдает заданное постоянное или переменное напряжение в зависимости от нужд потребителя электроэнергии 17. Тепло, отдаваемое фотоэлектрическими преобразователями, нагревает жидкостной теплоноситель, который при помощи циркуляционного насоса 21 через первичную петлю теплообмена 6 (фиг.1, 3, 4) поступает в теплообменник 8. Из теплообменника с помощью циркуляционного насоса 22 нагретый теплоноситель (здесь может использоваться традиционный теплоноситель, например вода) поступает в блок аккумулирования тепла 14 по вторичной петле теплообмена 7 и отдает свое тепло потребителю тепла 15 (фиг.1), или через вторичную петлю теплообмена нагретый теплоноситель отдает тепло в теплообменник 11 абсорбционного холодильника 12, производящего холод, потребителю холода (не показано). Может быть и третий вариант, когда тепло одновременно поступает потребителю тепла 15 и в теплообменник 11 (фиг.2). Система автоматического управления и контроля параметров 18 (фиг.1, 2) и распределительно-преобразовательное устройство 16 управляют работой блоков комбинированной солнечно-энергетической станции, контролируют ее параметры и определяют приоритетное распределение электрической энергии, теплоты и холода. Система автоматического управления и контроля параметров 18 обеспечивает также контроль и управление системой слежения 4 за Солнцем, использующей энергию, получаемую планарными солнечными батареями для собственных нужд 10. Система 18 работает как обычная стандартная система автоматического управления и контроля параметров: получая информацию от датчиков температуры, скорости потоков теплоносителя и т.д., а также сигналы от системы слежения за Солнцем по заданному алгоритму, анализирует их и посылает сигналы на исполнительные устройства (насосы, двигатели и т.п.).
В приведенном конкретном примере (фиг.3, 4) плоские зеркальные фацеты обеспечивают равномерную двухстороннюю засветку фотоэлектрических преобразователей. ФП помещены в корпус с прозрачными окнами с двух сторон и омываются теплоносителем - неагрессивной жидкостью для кремния и контактной системы фотоэлектрических преобразователей (например, полиметилсилоксаном). При этом обеспечивается прямоконтактный двухсторонний съем тепла. Теплоноситель первого циркуляционного контура, омывающий фотоэлектрические преобразователи для интенсификации теплообмена с двух сторон, одновременно играет роль светофильтра, прозрачного в спектральной области чувствительности кремниевых фотоэлектрических преобразователей и не прозрачного для нефотоактивного излучения за краем поглощения кремния. В других вариантах жидкость может иметь добавки в виде суспензии частиц или красителей, обеспечивающих более интенсивное поглощение нефотоактивной - инфракрасной части спектра, например частицы сульфата бария.
В варианте системы охлаждения, показанном на фиг.4, фотоэлектрические преобразователи расположены в замкнутом корпусе с прозрачными окнами с неподвижным жидкостным теплоносителем, а этот корпус расположен во втором корпусе с жидкостным теплоносителем, формирующим первичную цепь теплообмена. Это позволяет обеспечить отсутствие механического взаимодействия с протекающей для теплообмена жидкостью, тем самым обеспечивая достаточный теплообмен и благоприятные условия, препятствующие возникновению процессов деградации контактов. При этом уже во вторичном контуре теплообмена в качестве жидкостного теплоносителя можно использовать более дешевый хладагент, например дистиллированную воду с добавками, обеспечивающими поглощение инфракрасного нефотоактивного излучения теплоносителем.
Включение в состав комбинированной солнечно-энергетической станции холодильников абсорбционного типа (или термоэлектрических холодильников) позволяет использовать такие преимущества, как бесшумность работы, отсутствие запорных вентилей и движущихся частей, что увеличивает долговечность ее работы. Использование холодильников для генерации холода целесообразно осуществлять в южных климатических поясах, когда пики жаркой погоды совпадают с увеличением потребности в холоде.
Известно, что КПД гетероструктурных арсенид-галлиевых фотоэлектрических преобразователей доходит до 35-40%, а их максимальная рабочая температура - до +150°С, в отличие от +(60-70)°С - как у обычных кремниевых ФП. Но в представленном изобретении использование предлагаемых кремниевых фотоэлектрических преобразователей позволяет повысить рабочие температуры до 120°С по сравнению с обычными кремниевыми ФП. Используя фотоэлектрические преобразователи с КПД около 20%, а также двухстороннее освещение, можно достичь двукратного повышения энергетического выхода с одного ФП при более простой технологии их изготовления. Включение в состав комбинированной солнечно-энергетической станции электролизера для разложения воды на водород и кислород позволяет оптимизировать время работы абсорбционного холодильника использованием запасенного водорода в водородной горелке абсорбционного холодильника при отсутствии солнечного излучения.
Интенсивный прямоконтактный двухсторонний съем тепла от нагреваемых ФП способствует повышению их КПД. Выход тепла, получаемого при охлаждении фотоэлектрических преобразователей, в 2-3 раза превышает генерируемую электрическую энергию, что в целом ведет к существенному повышению энергетического выхода комбинированной солнечно-энергетической станции.
Предлагаемое техническое решение позволяет использовать для охлаждения фотоэлектрических преобразователей самые современные методы, такие как, например, технологию прямого теплообмена ударной струей, используемую для охлаждения компьютерных чипов.
Использование кремниевых ФП по сравнению с арсенид-галлиевыми ФП приводит к меньшей стоимости оборудования, меньшим срокам окупаемости комбинированной солнечно-энергетической станции и имеет еще важное преимущество, связанное также с большей доступностью кремния и ресурсов для его производства,
Преимуществом данного изобретения является повышение энергетического выхода комбинированной солнечно-энергетической станции и, соответственно, ее КПД, включающего одновременную генерацию электричества, тепла и холода при одновременном снижении стоимости изготовления за счет упрощения конструкции (отсутствие таких сложных агрегатов, как турбина, уменьшение количества контуров теплообмена - до двух), использования эффективного приема излучения, эффективного охлаждения и использования отводимого тепла. Все это ведет к повышению надежности в эксплуатации предлагаемой станции.
Энергетический, экологический и технический результаты предлагаемого технического решения - повышение эффективности использования солнечной энергии и экологической чистоты окружающей среды.
Список литературы
1. PVT ROADMAP, A European guide for the development and market introduction of PV-Thermal technology, Editors: H.Zondag, M.Bakker, W. van Helden, Energy Research Centre of the Netherlands, 2006.
2. Многоцелевая солнечная батарея, патент РФ №2164722, кл. H01L 31/058, опубл. 27.03.2001.
3. Солнечная фотоэлектрическая установка, патент РФ №2286517, кл. F24J 2/42, опубл. 27.10.2006.
4. Солнечная комбинированная электростанция, патент РФ №2111422, кл. F24J 2/42, опубл. 20.05.1998 (прототип).