СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND DEVICE FOR CREATION OF HIGH-EFFICIENCY SOLAR BATTERY (VERSIONS)

Изобретение относится к области электроэнергетики, точнее к возобновляемым источникам энергии, и предназначено для преобразования солнечной энергии в электрическую.
Существуют различные виды солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрическую. В них множество отдельных элементов, преобразующих непосредственно солнечную энергию в электрическую, устанавливают вплотную друг к другу, образуя плоскую поверхность (панель) солнечной батареи.
Например, известны изобретения: Пат. 2127008, Россия, МПК Н01 1.31/05; Пат. 2133415, Россия, МПК Н01 1.31/042; Пат. 5647915, США, МПК E04D 13/18. В этих изобретениях отдельные элементы, преобразующие солнечную энергию в электрическую, располагаются в одной плоскости, образуя однослойную панель, которая преобразовывает часть солнечной энергии, падающей на площадь их поверхности, в электрическую энергию.
Целью предлагаемого изобретения является способ и устройство создания высокоэффективной солнечной батареи, которая позволит получить большее количество электрической энергии по сравнению с существующими солнечными батареями при одной и той же занимаемой площади поверхности. При этом в предлагаемом изобретении могут применяться те же стандартные элементы, которые применяются в существующих солнечных батареях.
Для достижения поставленной цели по способу создания высокоэффективной солнечной батареи, состоящей из отдельных элементов и занимающей такую же площадь поверхности, как и существующие плоские солнечные батареи, согласно изобретению используется объемное расположение элементов, благодаря чему применяют большее количество элементов, направляют солнечную энергию внутрь объема солнечной батареи, осуществляют некоторое накопление ее внутри этого объема, что обеспечивает попадание повышенного потока солнечной энергии на каждый элемент, при этом воздух (газ), находящийся внутри объема, используют как для рассеяния солнечной энергии, так и для охлаждения элементов солнечной батареи до оптимальной температуры (приводя этот воздух в циркуляцию и пропуская через холодильник), при которой они вырабатывают наибольшее количество электрической энергии.
Для достижения поставленной цели в устройстве создания высокоэффективной объемной солнечной батареи по первому варианту, состоящей из отдельных элементов, занимающей такую же площадь поверхности, как и существующие солнечные батареи, согласно изобретению элементы (двусторонние) в нем расположены объемно и образуют как бы несколько «пакетов», вложенных друг в друга, в каждом из которых используется многослойное расположение элементов так, что в каждом слое элементы расположены не вплотную, а на некотором расстоянии друг от друга, например в шахматном порядке, образуя пустые участки, не занятые элементами, а сами слои расположены параллельно друг к другу таким образом, что элементы ближайших слоев смещены относительно друг друга и расположены напротив пустых участков, не занятых элементами соседнего слоя, при этом по боковым поверхностям солнечной батареи под некоторым углом к ним установлены направляющие зеркала, которые направляют падающие на них солнечные лучи внутрь объема батареи, кроме того, на боковые поверхности и поверхности оснований солнечной батареи установлены полупрозрачные зеркала или пленки, образующие замкнутый объем, и внутреннее пространство объемной солнечной батареи заполняется воздухом (газом).
В устройстве создания высокоэффективной объемной солнечной батареи по второму варианту согласно изобретению элементы (двусторонние) в нем расположены объемно и образуют «пакет», при этом в "пакете" используется многослойное расположение элементов (двусторонних) так, что каждый слой образует плоскую панель, состоящую из плотно пристыкованных элементов (двусторонних), при этом объемная батарея может состоять из одного "пакета" с параллельно расположенными слоями, а направляющие солнечные лучи зеркала могут располагаться с одной, двух или одновременно с четырех боковых поверхностей, при этом полупрозрачные зеркала (пленки) устанавливаются на все боковые поверхности и поверхности оснований, или из двух "пакетов", при этом слой второго "пакета" располагается в пространстве между слоями первого "пакета" перпендикулярно этим слоям, направляющие зеркала располагаются по бокам, поверхности которых перпендикулярны слоям второго "пакета", а полупрозрачные зеркала (пленки) устанавливаются на все боковые поверхности и поверхности оснований.
В устройстве создания высокоэффективной объемной солнечной батареи по третьему варианту, состоящей из отдельных элементов, занимающей такую же площадь поверхности, как и существующие солнечные батареи, согласно изобретению используемые двусторонние солнечные элементы, которые располагаются в виде "пчелиных сот", образуют объемную конструкцию из многогранных призм, при этом зеркала, направляющие солнечные лучи внутрь объема батареи, могут располагаться по обеим торцевым поверхностям горизонтально расположенной батареи, направляя солнечные лучи внутрь каждой из отдельных призм, а полупрозрачные зеркала (пленки) устанавливаются на все боковые поверхности и поверхности оснований, или при вертикально расположенной батареи ее верхний торец без направляющего зеркала постоянно ориентируется на попадание прямых солнечных лучей внутрь призм, а второй торец, находящийся снизу, закрывается зеркалом, которое отражает солнечные лучи внутрь каждой из призм, при этом полупрозрачные зеркала (пленки) устанавливаются на все боковые поверхности и поверхность верхнего основания.
Поставленная цель по созданию устройства объемной солнечной батареи достигается следующим образом (рис.1-6).
Используется объемное расположение элементов, например, в виде куба или параллелепипеда, который может быть образован одним (рис.1), двумя (рис.2) или несколькими (рис.3) "пакетами" элементов, которые как бы вложены друг в друга.
На рис.1 схематично показана солнечная батарея, образующая как бы один «пакет», который состоит из отдельных слоев, параллельных друг другу (на рис.1 слои 1). При этом элементы 2 в слоях располагаются не вплотную, а на некотором расстоянии друг от друга, например, в шахматном порядке, образуя пустые участки 3, не занятые элементами.
На рис.2 приводится схема объемной солнечной батареи, состоящая из двух «пакетов» с взаимно перпендикулярными слоями. Здесь (как и на рис.1) 1 - горизонтальный слои первого «пакета», 2 - элементы горизонтальных слоев первого «пакета», 3 - пустые участки горизонтальных слоев первого «пакета», 4 - элементы вертикальных слоев, которые в сумме образуют второй «пакет» с вертикальными параллельными слоями и которые перпендикулярны горизонтальным слоям первого «пакета». При этом элементы 4 второго «пакета» располагаются в пустых участках 3 слоев первого «пакета».
На рис.3 приводится схема объемной солнечной батареи, которая может состоять из трех и более «пакетов». Здесь 1 - горизонтальные слои первого «пакета, 2 - элементы горизонтальных слоев первого «пакета», 3 - пустые участки горизонтальных слоев первого «пакета», 4 - элементы вертикальных слоев второго «пакета», 5 - элементы вертикального слоя, которые в сумме образуют третий «пакет». Элементы 5 третьего «пакета» пересекаются с элементами 4 второго «пакета». При этом вертикальные слои третьего «пакета» перпендикулярны слоям первого «пакета». 6 - это зеркала, расположенные под некоторым углом к граням солнечной батареи и направляющие падающую на них солнечную энергию внутрь солнечной батареи. 7 - полупрозрачная пленка или зеркало, которое устанавливается по всем граням солнечной батареи и образует замкнутый объем, внутри которого находится солнечная батарея. При этом их зеркальная поверхность направлена внутрь объема. На рис.1 и рис.2 для простоты не показаны направляющие зеркала 6 и полупрозрачная пленка (зеркало 7).
Таким образом, каждый "пакет" состоит из многослойно расположенных элементов. Элементы в слоях располагаются не вплотную, а на некотором расстоянии друг от друга, например, как было отмечено, в шахматном порядке, образуя пустые участки, не занятые элементами. Слои в каждом "пакете" располагаются параллельно друг к другу, а элементы ближайших слоев смещены относительно друг друга и располагаются напротив пустых участков, не занятых элементами соседнего слоя (рис.1). Если используются два "пакета", то слои "пакетов" взаимно перпендикулярны (рис.2). При использовании трех и более "пакетов" слои этих "пакетов" перпендикулярны слоям первого "пакета", поверхность которого ориентирована на попадание прямых солнечных лучей, а сами элементы вторых, третьих и т.д. "пакетов" пересекаются, образуя как бы "ячейку" из пересекающихся элементов (рис.3).
Как было отмечено, по бокам объемной солнечной батареи, наклонно к ним устанавливаются зеркала 6 (рис.3), которые направляют падающие на них солнечные лучи внутрь солнечной батареи по всей ее высоте. (На рис.1 и рис.2 не показаны.)
Во внутреннем объеме солнечной батареи находится воздух (газ).
На участках поверхности отдельных элементов, не занятых слоем, непосредственно преобразующим солнечную энергию в электрическую, проделан ряд отверстий, диаметр которых равен длине волны падающего на них солнечного луча или выполнена дифракционная решетка, проходя через которую солнечные лучи дифрагируют и попадают на элементы следующего слоя (не показаны).
По боковым поверхностям и поверхностям оснований солнечной батареи устанавливается полупрозрачная пленка или зеркало 7 (рис.3), зеркальная поверхность которой направлена внутрь солнечной батареи, и которые образуют замкнутый объем, внутри которого находится батарея. (На рис.1 и рис.2 не показаны.)
Предлагаемый вариант солнечной батареи при одной и той же занимаемой площади поверхности, что и существующие плоские солнечные батареи, и выполненная с использованием одних и тех же стандартных элементов, будет вырабатывать больше электрической энергии по сравнению с существующими благодаря следующему.
Во-первых, количество элементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую энергию, данной объемной солнечной батареи намного больше, чем в существующих плоских батареях. Соответственно, вырабатываемая суммарная электрическая энергия элементами объемной солнечной батареи будет также намного больше, чем суммарная электрическая энергия, вырабатываемая элементами существующих плоских батарей.
Во-вторых, на каждый элемент объемной солнечной батареи будет попадать больший поток солнечной энергии по сравнению с существующими батареями, т.к.:
- внутрь солнечной батареи по всей ее высоте попадают солнечные лучи, отраженные от зеркал, расположенных наклонно к боковым поверхностям этой батареи;
- полупрозрачное зеркало или пленка, которая устанавливается по всем граням наружной поверхности солнечной батареи, и у которых зеркальная поверхность направлена внутрь батареи, пропускает солнечные лучи только внутрь батареи, а в обратном направлении они отражаются от зеркальной поверхности и возвращаются внутрь, что способствует накоплению и увеличению солнечной энергии внутри объема солнечной батареи;
- на краях элементов и на малых отверстиях (или на дифракционной решетке этих элементов) солнечные лучи будут дифрагировать и попадать на следующие слои;
- воздух (газ), находящийся в объеме солнечной батареи, рассеивает солнечную энергию и способствует попаданию солнечной энергии на все элементы внутри солнечной батареи.
Таким образом, суммарный поток солнечной энергии, падающий на каждый элемент в объемной солнечной батарее, намного больше по сравнению с существующими, и соответственно вырабатываемая каждым элементом электрическая энергия также будет больше.
В-третьих, воздух, находящийся внутри солнечной батареи, используется также для охлаждения элементов батареи до оптимальной температуры, при которой вырабатывается наибольшее количество электрической энергии, и поддержания этой температуры. Для этого воздух приводится в принудительную циркуляцию с помощью вентилятора (не показан), пропускается через холодильник (не показан) и охлажденный вновь попадает внутрь солнечной батареи.
Следует отметить, что объемное расположение элементов позволяет использовать двусторонние солнечные элементы, что дает возможность при одной и той же интенсивности падающего света увеличить выход электрической энергии с одного элемента по сравнению с односторонними элементами, которые используются в существующих плоских солнечных батареях.
Другой, более простой способ создания объемной солнечной батареи, отличающийся от вышеприведенного, - это то, что в "пакете" используется многослойное расположение двухсторонних элементов так, что каждый слой образует плоскую панель, состоящую из плотно пристыкованных двусторонних элементов. Эта объемная солнечная батарея может состоять из одного "пакета" с несколькими параллельно расположенными слоями (рис.4), или из двух "пакетов" с несколькими взаимно перпендикулярными слоями (рис.5), в которых отсутствуют пустые участки 3. Когда используется один "пакет", то зеркала, направляющие солнечные лучи внутрь солнечной батареи, могут располагаться с одной, двух или одновременно с четырех боковых сторон (на рис.4 не показаны). При использовании двух "пакетов" элементы слоев второго "пакета" располагаются в пространстве между слоями первого "пакета", перпендикулярно к ним. Это хорошо видно из рис.5. Здесь 1 - это горизонтальные слои первого «пакета» с элементами 2, которые пристыкованы друг с другом вплотную. Элементы 4 - вертикальные слои второго «пакета», которые перпендикулярны слоям первого «пакета». В данном случае направляющие солнечные лучи зеркала 6 располагаются по боковым поверхностям, плоскости которых перпендикулярны слоям второго "пакета", т.е. с двух сторон объемной солнечной батареи.
Можно рассмотреть еще один способ создания объемной солнечной батареи, отличающийся от предыдущих тем, что двусторонние солнечные элементы располагаются в виде "пчелиных сот" 8 (рис.6), образуя объемную конструкцию из пристыкованных друг к другу многогранных призм, боковые поверхности которых представляют двусторонние солнечные элементы. При этом солнечная батарея может располагаться как горизонтально (не показаны), так и вертикально (рис.6). При горизонтальном расположении батареи зеркала, направляющие солнечные лучи внутрь объема этой батареи, располагаются по обеим торцевым поверхностям. При вертикальном расположении батареи его верхний торец, без направляющего зеркала, ориентируется постоянно на прямые солнечные лучи, а второй торец, находящийся снизу, закрывается зеркалом 6, который отражает солнечные лучи, вовнутрь каждой из призм.
Таким образом, объемная солнечная батарея (и различные ее варианты) будет эффективней и вырабатывать намного большее количество электрической энергии по сравнению с существующими солнечными батареями благодаря четырем составляющим: большему количеству элементов при одной и той же занимаемой площади поверхности; использованию двусторонних солнечных элементов; большему потоку солнечной энергии, падающей на каждый из элементов; охлаждению элементов до оптимальной температуры, при которой вырабатывается наибольшее количество электрической энергии.