Складной теплофотоэлектрический концентраторный модуль с двусторонними фотоэлементами

Полезная модель относится к области солнечной энергетики, в частности к солнечным концентраторным модулям для получения электрической и тепловой энергии и может использоваться для автономного мобильного энергоснабжения стоянок сельскохозяйственных животных.
Известен солнечный концентраторный модуль, содержащий фотоприёмник с двухсторонней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, где приёмник установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора (патент РФ № 2488915, МПК H01L 31/042, F24J 2/42, опубл. 2013г.).
Недостатком известного концентраторного солнечного модуля является отсутствие технического решения реализации теплоизоляции, теплосъёма и циркуляции теплоносителя. Также при стационарной установке концентратора каждая сторона фотоэлементов работает в течение половины дня, то есть одновременная работа двух сторон фотоэлементов происходит только в полдень. Наряду с вышеуказанными недостатками модуль имеет большие габариты, материалоёмкость и не может быть сложен для компактного и мобильного перемещения, а тип фотоэлементов и материал их герметизации, используемые в модуле и способные работать в концентрированном солнечном потоке, не описаны.
Известен параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за Солнцем, абсорбер которого представляет собой параболоцилиндрический концентратор с малым фокусным расстоянием, причем фокусы концентратора и абсорбера не совпадают, где между ними расположен приемник с теплоносителем, а система слежения за Солнцем обеспечивает необходимую скорость вращения вокруг полярной оси и изменения высоты в течение дня с учетом времени года (патент РФ № 2300058, МПК F24J 2/14, F24J 2/18, опубл. 2007 г.).
Недостатком известной установки является необходимость её дополнительного электроснабжения для обеспечения работы системы слежения за Солнцем, так как фотоприёмник выполняет функцию исключительно теплогенерации. Также при использовании двух концентраторов от системы слежения за Солнцем необходима высокая точность слежения по двум осям, иначе выработка энергии значительно снижается. Наряду с вышеуказанными недостатками модуль имеет большие габариты и материалоёмкость с учётом системы слежения за Солнцем и не может быть сложен для компактного и мобильного перемещения.
Известна солнечная электростанция, содержащая концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения за Солнцем и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области (патент РФ № 2431787, МПК F24J 2/42, F24J 2/06, опубл. 2011 г.). Фотоприёмник имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях фотоэлементов, установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль её оси, снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты
Недостатком известной установки является затенение рабочей поверхности концентратора солнечного излучения фотоприёмником, что уменьшает количество преобразуемого солнечного излучения и выработку электроэнергии. Другим недостатком является использование только одной стороны фотоэлемента для преобразования концентрированного потока солнечного излучения. Из-за удешевления фотоэлементов в концентраторных системах целесообразно использовать для преобразования концентрированного солнечного излучения обе стороны фотоэлементов с целью увеличения удельной электрической мощности модуля и конкурентоспособности подобного рода концентраторных модулей в сравнении с планарными (плоскими) солнечными модулями. Следующим недостатком рассматриваемой установки является отсутствие теплоизоляции фотоэлементов и охлаждающего теплоносителя, что ведёт к тепловым потерям в окружающую среду и уменьшению тепловой эффективности модуля. Наряду с вышеуказанными недостатками отсутствует описание системы слежения за Солнцем, её точность и электропотребление – хотя подобная система и необходима в подобных установках, однако усложняет, утяжеляет и удорожает конструкцию. Также рассмотренная установка может применяться исключительно для стационарной энергогенерации, что сужает потенциал её использования.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели (прототипом) является солнечный модуль с концентратором, содержащий концентратор, выполненный в виде линейно-фокусирующего параболоцилиндрического зеркального отражателя, и приемник излучения  (патент РФ № 2204769 МПК F24J 2/14, опубл. 2003г.). Приёмник концентрированного солнечного излучения состоит из скоммутированных фотоэлементов с двусторонней рабочей поверхностью, которые воспринимают концентрированное солнечное излучение от концентратора. Над приёмником из скоммутированных фотоэлементов находится полоса в виде металлической пластины, которая соединена с трубой для теплоносителя. Фотоприёмник солнечного излучения находится в прозрачной оболочке в плоскости симметрии концентратора. Обе полосы в прозрачной оболочке заполнены прозрачной жидкостью и герметично соединены с трубой для теплоносителя. При нагреве фотоэлементов прозрачная жидкость, которой заполнена прозрачная оболочка, также нагревается в силу конвективных процессов и тепло от фотоэлементов передаётся к металлической пластине, соединенной с трубой с теплоносителем. Теплоноситель, прокачиваемый по трубе, обеспечивает благодаря пластине охлаждение нагретой прозрачной жидкости и самих фотоэлементов.
Недостатком рассмотренного прототипа является недостаточный для эффективной работы фотоэлементов теплообмен с теплоносителем в трубе с помощью термосифонного эффекта из-за пассивной системы теплообмена между фотоэлементами и слоем примыкающей жидкости. Также присутствуют значительные тепловые потери из-за большого числа последовательно контактирующих материалов – от нагретых фотоэлементов через герметизирующее вещество и защитное покрытие (необходимы для стабильной работы фотоэлементов) к примыкающей к фотоэлементам жидкости, поднимающейся с помощью термосифонного эффектна к металлической пластине, которая примыкает к резервуару и только затем к самому циркулирующему теплоносителю, вследствие чего происходит перегрев фотоэлементов, что снижает электрическую эффективность модуля. Следующим недостатком является отсутствие какой-либо теплоизоляции фотоэлементов и жидкости, к ним примыкающей, что значительно снижает тепловую эффективность модуля из-за тепловых потерь в окружающую среду. Наряду с отсутствием теплоизоляции фотоэлементов также отсутствует теплоизоляция резервуара для теплоносителя, что также снижает тепловую эффективность модуля. Также, присутствующий в конструкции модуля резервуар для теплоносителя, затеняет рабочую поверхность концентратора, что уменьшает его эффективную площадь и утяжеляет конструкцию модуля, вследствие чего отсутствует возможность использования модуля для переноски и мобильной транспортировки из-за больших габаритов, хрупкости конструктивных элементов и большой массы с учётом резервуара для теплоносителя. Наряду с вышеуказанными недостатками при использовании модуля не предусмотрена возможность использования нескольких фотоприёмников с возможностью регулирования освещённости на их поверхностях с помощью профиля концентратора и регулирования таким образом выработки тепловой и электрической энергии.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является получение электроэнергии и тепла для мобильного энергоснабжения стоянок сельскохозяйственных животных с возможностью установки нескольких фотоприёмников и регулировкой их освещённости с помощью профиля концентратора.
В результате использования полезной модели появляется возможность повысить эффективность использования солнечной энергии в складном мобильном модуле, снизить себестоимость получения электрической энергии и теплоты для автономного мобильного энергоснабжения стоянок сельскохозяйственных животных, за счет того, что наряду с генерацией электричества с помощью фотоэлементов потребитель также получает тепловую энергию за счет охлаждения фотоэлементов, использование концентратора снижает количество необходимых фотоэлементов.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что у складного теплофотоэлектрического концентраторного модуля с двусторонними фотоэлементами, включающего концентратор, двусторонние фотоэлементы, расположенные в фотоприемнике, и теплоноситель, согласно полезной модели, концентратор выполнен складным, оснащён шарнирами для складывания, стойками с отверстиями для фотоприёмников и ручкой-стойкой для переноски и установки модуля, и в сложенном состоянии обладает функцией защиты двусторонних фотоэлементов, а его профиль обеспечивает освещённость одной или одновременно двух приёмных поверхностей фотоприёмников с возможностью её регулирования, фотоприёмник может располагаться как один, так и совместно со вторым фотоприёмником, корпус фотоприёмника выполнен металлическим, имеет комбинированные полости для различных функций, обеспечивающий своей структурой полости для теплоносителя со входом и выходом, с возможностью непосредственного теплосъёма и теплоизоляции теплоносителя, герметизирующий компонент двусторонних фотоэлементов выполнен в виде двухкомпонентного полисилоксанового компаунда, двусторонние фотоэлементы имеют p-n переходы, параллельные потоку концентрированного солнечного излучения, теплоизоляция теплоносителя и двусторонних фотоэлементов выполнена с обеих сторон, теплоноситель омывает непосредственно загерметизированные двусторонние фотоэлементы, прозрачные закалённые стёкла обеспечивают защитные функции фотоэлементов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема складного теплофотоэлектрического концентраторного модуля с двусторонними фотоэлементами в разложенном (рабочем) виде, на фиг. 2 – складной теплофотоэлектрический концентраторный модуль с двусторонними фотоэлементами в сложенном (транспортировочном) виде, на фиг. 3 – фотоприёмник солнечного излучения складного теплофотоэлектрического концентраторного модуля с двусторонними фотоэлементами, на фиг. 4 – фотоприёмник солнечного излучения складного теплофотоэлектрического концентраторного модуля с двусторонними фотоэлементами, чертёж поперечного разреза, на фиг. 5 – увеличенный выносной элемент фотоприёмника солнечного излучения складного теплофотоэлектрического концентраторного модуля с двусторонними фотоэлементами.
Складной теплофотоэлектрический концентраторный модуль с двусторонними фотоэлементами состоит из складного концентратора 1 с изменяемой геометрией профиля, изготовленного из светоотражающего материала, например, алюминиевого листа Alanod. Концентратор 1 снабжён шарнирными устройствами 2 и 3, позволяющими вращаться и складываться в транспортировочное положение четырём листам концентратора 1. Концентратор 1 состоит из двух симметричных параболоцилиндрических профилей, которые в свою очередь состоят также из двух частей, которые складываются с помощью шарнирных устройств 2 и 3 для защиты фотоприёмников 4 и транспортировки. Фотоприёмники 4 находятся в фокальной области параболоцилиндрического концентратора 1. Благодаря изменяемой геометрии профиля концентратора 1, его фокальная область может находиться как одновременно на обоих фотоприёмниках 4, так и на одном нижнем фотоприёмнике 4, что увеличивает поток концентрированного солнечного излучения на его лучевоспринимающую поверхность в два раза и, соответственно, увеличится выработка тепло- и электроэнергии, а масса и материалоёмкость модуля таким образом уменьшается. Профиль концентратора 1 изготовлен таким образом, что каждый из четырёх листов обеспечивает отражение и концентрацию солнечного излучения с равномерной освещённостью на поверхностях фотоприёмников 4, которые крепятся к концентратору 1 с помощью двух стоек 5 с отверстиями для установки фотоприёмников 4. В нижней части концентратора 1 предусмотрена транспортировочная ручка-стойка 6, которая при установке модуля в рабочее положение раскладывается и устанавливается под углом, необходимым для фокусирования солнечного излучения на фотоприёмниках 4. Фотоприёмник 4 состоит из корпуса 7 сложной формы, который может быть изготовлен из металла или пластика и имеет отверстия для подвода 8 и отвода 9 теплоносителя 10, которым может быть вода или воздух. В центре корпуса 7 вдоль оси его симметрии крепятся фотоэлементы 11 с двусторонней фоточувствительностью, которые могут быть планарного или матричного типов. Фотоэлементы 11 загерметизированны с двух фоточувствительных сторон с помощью тонкого слоя прозрачного двухкомпонентного полисилоксанового компаунда 12, который обеспечивает работу на уровне номинальной мощности в потоке концентрированного солнечного излучения продолжительное время (по сравнению с этиленвинилацетатными плёнками). Герметизацию двухкомпонентного полисилоксанового компаунда 12 с фотоэлементами 11 с обеих сторон обеспечивают тонкие прозрачные полимерные плёнки 13, которые могут быть изготовлены из полиэтилена. Прозрачные плёнки 13 непосредственно омываются теплоносителем 10, благодаря чему происходит постоянный тепловой контакт и съём тепла, что благоприятно сказывается на тепловом состоянии фотоэлементов 11, а также электрической и тепловой эффективности модуля. В свою очередь теплоноситель 10 с двух сторон модуля ограничен тонкими прозрачными полимерными плёнками 14, которые могут быть изготовлены из полиэтилена, что обеспечивает малый вес модуля. Теплоизоляция теплоносителя 10 обеспечивается с помощью газовых полостей 15, которые могут быть заполнены воздухом или другим газом с низкой теплопроводностью и большой прозрачностью, что обеспечивает высокую тепловую эффективность модуля и малые тепловые потери в окружающую среду. Газовые полости 15 в свою очередь ограничены от окружающей среды прозрачными защитными покрытиями 16, которые крепятся к корпусу 7 с двух его сторон. Прозрачные защитные покрытия 16 могут быть изготовлены из закалённого стекла с высокой степенью прозрачности, что обеспечивает высокую оптическую эффективность, высокую теплоизоляцию и защиту хрупких фотоэлементов 11. В конструкции модуля предусмотрена возможность складывания концентратора 1 с помощью шарниров 2 и 3 с образованием защитной оболочки для фотоприёмников 4 и уменьшением габаритов модуля с целью дальнейшей транспортировки. Таким образом, концентратор 1 кроме функции концентрирования солнечного излучения имеет также защитную функцию.
Благодаря применению двустороннего охлаждения фотоэлементов 11, обеспечивается эффективный теплоотвод, увеличивается общая эффективность модуля и снижается стоимость энергии. Малые зазоры для теплоносителя 10 позволяют более эффективно отводить тепловую энергию с обеих сторон фотоэлементов 11. При использовании одноконтурной системы охлаждения, тепловая эффективность модуля стабильно остаётся на высоком уровне. Теплоизоляция теплоносителя 10 с обеих сторон модуля обеспечивает высокую тепловую эффективность модуля и уменьшение тепловых потерь в окружающую среду. В качестве прозрачных защитных элементов 16 фотоэлементов 11 использованы закалённые стёкла, которые одновременно является компонентами теплоизоляции, ограничивающими газовые теплоизоляционные полости 15.
Фотоэлементы 11 могут быть выполнены в виде нескольких секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных фотоэлементов с p-n переходами, плоскости которых параллельны боковым граням матрицы, а фокальная плоскость концентратора 1 перпендикулярна плоскости p-n переходов фотоэлементов 11. Такое расположение p-n переходов улучшает условия отвода тепла за счёт использования металлических контактов, расположенных по всей площади p-n переходов, в качестве теплопроводящих слоев для отвода тепла из объема фотоэлементов 11 к обеим рабочим поверхностям. Инфракрасная составляющая концентрированного потока солнечного излучения за краем полосы поглощения с длиной волны более 1,1 мкм для фотоэлементов 11 проходит параллельно плоскости p-n переходов через объем фотоэлементов 11 без существенного поглощения, что снижает нагрев фотоэлементов 11 и улучшает их электрическую эффективность. Причём высокая эффективность матричных фотоэлементов 11 сохраняется при преобразовании концентрированного солнечного излучения и увеличении рабочей температуры. За счёт использования подобного рода матричных фотоэлементов 11 удаётся получить высокое напряжение постоянного тока около 1500 B с 1 метра длины фотоприёмника 4 и обеспечить передачу электроэнергии по высоковольтным линиям постоянного тока без использования преобразователей и трансформаторов высокого напряжения на передающей подстанции в случае использования модуля в качестве стационарной энергостанции.
В складном теплофотоэлектрическом концентраторном модуле предусмотрена возможность регулирования потока концентрированного солнечного излучения, падающего на фотоприёмники 4, в зависимости от необходимой выработки тепло- и электроэнергии благодаря изменяемой геометрии профиля концентратора 1, изменение которой обеспечивается с помощью поворотной конструкции концентратора 1, которая обеспечивается шарнирами 2. При использовании одного нижнего фотоприёмника 4 концентрация может быть увеличена в два раза (до 6 крат) по сравнению с применением двух фотоприёмников 4, что увеличит температуру теплоносителя и выработку электроэнергии. Такое решение целесообразно использовать при использовании матричных фотоэлементов 11, которые сохраняют высокую электрическую эффективность при больших концентрациях солнечного излучения. В рассмотренном варианте модуля происходит удешевление конструкции за счёт использования только одного фотоприёмника 4 вместо двух, а также снижается масса модуля, что актуально при мобильном использовании модуля. При использовании фотоэлементов 11 планарного типа целесообразно применять два фотоприёмника 4 с проектной степенью концентрации солнечного излучения (около 3 крат).
Работает предлагаемый складной теплофотоэлектрический концентраторный модуль с двусторонними фотоэлементами следующим образом.
Из транспортировочного положения модуля концентратор солнечного излучения 1 с помощью шарнирных устройств 2 и 3 раскладывается в рабочее положение и устанавливается под необходимым углом к Солнцу с помощью ручки-стойки 6 таким образом, чтобы концентрированное солнечное излучение освещало рабочие поверхности фотоприёмников 4. В стойках 5 для фотоприёмников 4 может быть установлен один нижний фотоприёмник 4 с фотоэлементами 11 матричного типа с p-n переходами, расположенными параллельно концентрированному солнечному потоку, или два фотоприёмника 4 с фотоэлементами 11 планарного типа, где p-n переходы перпендикулярны концентрированному солнечному потоку. При использовании одного нижнего фотоприёмника 4 верхние листы концентратора 1 с помощью шарниров 2 поворачиваются таким образом, чтобы освещение концентрированным солнечным излучением переместилось на нижний фотоприёмник 4, который освещается только нижними листами концентратора 1. Входящие в состав фотоприёмника 4, фотоэлементы 11 загерметизированы с помощью двухкомпонентного полисилоксанового компаунда 12 и прозрачных полимерных плёнок 13. При освещении концентрированным солнечным излучением фотоэлементы 11 поглощают ту часть солнечного спектра, которая необходима им для фотоэлектрического преобразования и выработки электроэнергии, и одновременно отдают тепловую энергию для нагрева теплоносителя 10, так как не вся поглощённая фотоэлементами 11 энергия солнечного излучения участвует в генерации электричества. Теплоноситель 10, омывая обе поверхности прозрачных полимерных плёнок 13, охлаждает их, двухкомпонентный полисилоксановый компаунд 12 и фотоэлементы 11, за счёт чего увеличивается электрическая эффективность работы фотоэлементов 11, общая эффективность модуля и суммарная выработка энергии, а нагретый теплоноситель 10 может использоваться потребителем. Поступление теплоносителя 10 в полости корпуса 7 обеспечивается с помощью входного отверстия 8, а его выход с принятой тепловой энергией обеспечивается с помощью отверстия 9. При одновременной работе двух фотоприёмников 4 движение теплоносителя 10 происходит синхронно в одном направлении в каждом из фотоприёмников 4.