Модульная солнечная когенерационная установка
MODULAR SOLAR COGENERATION PLANT

Изобретение относится к области гелиотехники и предназначено для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения тепловой и электрической энергией.
Известна солнечно-энергетическая установка, солнечный модуль и комбинированная солнечно-энергетическая установка на его основе, включающая концентратор в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии с контактами подключения, батарей накопителей электрической и тепловой энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, при этом фотовольтаический преобразователь выполнен в виде полой трубки из теплопроводящего материала на внешней поверхности которого нанесена полупроводниковая структура и внутри которой циркулирует теплоноситель, а также комбинированной солнечно-энергетической установки, включающей указанные выше солнечные модули [патент на изобретение РФ RU 2455584, F24J2/42, H01L31/00 Солнечный модуль и комбинированная солнечно-энергетическая установка на его основе от 10.07.2012 Бюл. №19].
Недостатком указанной солнечно-энергетической установки является наличие концентратора, требующего слежения за солнцем, трубки из теплопроводящего материала с нанесением на нее полупроводниковой структуры. Перечисленные факторы усложняют конструкцию и увеличивают стоимость при невысокой эффективности.
Известен многофункциональный солнечный коллектор для преобразования электромагнитного излучения Солнца в тепловую и электрическую энергию, содержащий монолитный корпус из теплоизоляционного материала, прозрачное ограждение и расположенный в корпусе абсорбер [RU 2388974, F24J 2/04, 10.05.2010], при этом абсорбер может быть выполнен с селективным покрытием, нанесенным на переднюю сторону, обращенную к прозрачному ограждению, и может быть снабжен фотоэлектрическими элементами.
Недостатком указанного коллектора является достаточно громоздкая конструкция.
Известна солнечно-энергетическая станция, содержащая солнечные батареи с модульными зеркальными концентраторами солнечной энергии, размещенными на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за Солнцем, принимающими излучение фотовольтаическими преобразователями с блоками накопления электрической энергии, циркуляционные контуры теплопередачи для охлаждения фотовольтаических преобразователей и получения тепла [RU 2382953, F24J 2/42, 27.02.2010]. Фотовольтаические преобразователи представляют собой двусторонние полупроводниковая структуры с вертикальными р-n переходами которые расположены в фокусе зеркальных концентраторов в заполненных теплоносителем корпусах с прозрачными окнами, при этом теплоноситель прозрачен для фотоактивного излучения и не прозрачен для нефотоактивного излучения, а зеркальные концентраторы дополнительно снабжены планарными солнечными батареями, установленными в центральной зоне входной апертуры зеркальных концентратов.
В известном устройстве солнечная энергия поступает в фотовольтаический преобразователь через заполненный теплоносителем корпус, снабженный прозрачными окнами.
Недостаток заключается в том, что рабочий элемент находится в теплоносителе, а обеспечить и поддерживать его прозрачность достаточно сложно. Кроме того, известное устройство имеет большие габариты и вес, а также наличие концентраторов, усложняющих конструкцию.
Известна гелиоустановка горячего водоснабжения, работа которой основана на термосифонном эффекте с использованием разности температур, содержащая солнечный тепловой коллектор, расположенный выше него бак-аккумулятор, прямой трубопровод, подающий воду из коллектора в бак, обратный трубопровод, отводящий воду из бака в коллектор, поплавок, размещенный в баке, патрубок слива горячей воды и регулятор расхода, причем, как минимум, участок прямого трубопровода выполнен гибким и конец его прикреплен к поплавку (патент на изобретение РФ RU 2006757, Гелиоустановка горячего водоснабжения от 10.07.1991).
К наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению можно отнести солнечные водонагреватели проточного типа, содержащие солнечный тепловой коллектор, трубопровод, по которому поступает жидкость в коллектор, трубопровод, по которому протекает жидкость из коллектора в бак-аккумулятор, в один из трубопроводов включен регулятор расхода, выполненный в виде дросселя с изменяемым проходным сечением (Танака С, Суда Р. Жилые дома с автономным солнечным теплоснабжением. - М.: Стройиздат, 1989, с. 88, рис. 3.1, д) и (Системы солнечного тепло- и хладоснабжения /P.P. Авезов, М.А. Барский-Зорин, И.М. Васильева и др.; под ред. Э.В. Саранцкого и С.А. Чистовича. - М: Стройиздат. 1990. - 328 с: ил., с. 159, рис. 6.6, а).
Недостатком таких установок является то, что дроссель не позволяет автоматически регулировать поток жидкости в зависимости от изменения солнечного излучения, приходящего на приемную поверхность солнечного теплового коллектора, а также то, что установка применяется только для производства тепловой энергии, и нет возможности использования приходящей солнечной радиации для выработки электроэнергии.
Известна когенерационная фотоэлектрическая тепловая система, в которой фотоэлектрический тепловой модуль, расположенный уровнем ниже солнечного теплового коллектора и соединенный последовательно с ним обеспечивает получение тепловой и электрической энергии в режиме естественной циркуляции теплоносителя с управлением циркуляцией с помощью соленоидного клапана (патент на изобретение РФ RU 2509268, Когенерационная фотоэлектрическая тепловая система от 10.03.2014).
Недостаток такой конструкции состоит в сниженном КПД по сравнению с установками с принудительной циркуляцией.
Известно изобретение, включающее концентратор, в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии, с контактами подключения батарей накопителей электрической и тепловой энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, при этом фотовольтаический преобразователь выполнен в виде полой трубки из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура и внутри которой циркулирует теплоноситель.
Недостатком является криволинейная поверхность фотопанели, ограничивающая типы используемых модулей, а также наличие концентратора, удорожающего установку и приводящего к сильному росту температуры фотоэлементов (патент на изобретение РФ RU 2455584, Солнечный модуль и комбинированная солнечно-энергетическая установка на его основе от 10.07.2012).
Наиболее близким к предлагаемой установке является изобретение, в котором описан способ производства комбинированных солнечных панелей и самим панелям, произведенным с помощью упомянутого способа (патент на изобретение РФ RU 2427766, Способ производства комбинированных солнечных панелей фотоэлектрического и теплового типа и соответствующая солнечная панель от 17.04.2008), отличием которого от предлагаемой заявителем установки является отсутствие модульности и необходимость использования высокотехнологичного оборудования для сборки фотоэлектрического теплового модуля.
Задачей предлагаемого изобретения является производство электрической и тепловой энергии, а также повышение эффективности преобразования солнечного излучения фотопанелью по сравнению с обычным фотоэлектрическим модулем при снижении ее температуры теплоносителем, циркулирующим по каналам абсорбера солнечного коллектора и при сохранении модульности электрической и тепловой частей установки.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность использовать производимую электрическую и тепловую энергию для снабжения индивидуальных и сельскохозяйственных потребителей и для различных объектов социальной инфраструктуры.
Изобретательский уровень технического решения заключается в том, что модульная солнечная когенерационная установка может работать в двух режимах: режиме когенерационной установки, в котором фотопанель прижата к абсорберу солнечного коллектора через термоинтерфейс и в независимом режиме, в котором фотопанель сдвинута с помощью специальных шарниров и располагается в плоскости, параллельной плоскости абсорбера, не затеняя его. В первом режиме обеспечивается охлаждение фотопанели циркулирующим в каналах абсорбера теплоносителем, что приводит к увеличению эффективности преобразования солнечного света фотоэлементами, однако при этом происходит падение тепловой производительности солнечного коллектора приблизительно на 10%. В независимом режиме фотопанель работает без принудительного охлаждения, и ее температура повышается на 12-14°С, однако повышается тепловая производительность установки.
Поставленная задача решается тем, что модульная солнечная когенерационная установка состоящая из по крайней мере одного солнечного теплового коллектора с плоским металлическим абсорбером, подводящим и отводящим трубопроводами, соединенными с теплоизолированным баком-аккумулятором в котором находится теплообменник двухконтурной гидравлической системы горячего водоснабжения, циркуляционным насосом, модульной фотоэлектрической панелью, размеры которой совпадают с размерами абсорбера, состоящей из стекла с низким содержанием железа и включающей герметизированные оптически прозрачным силиконовым герметиком фотоэлементы, спаянные в солнечную батарею, а также опорными стойками для поддержания конструкции конегерационного устройства, отличающегося модульностью, состоящей в том, что фотоэлектрическая панель может быть отсоединена от абсорбера, к которому она крепится с помощью зажимов струбцинного типа, и с помощью шарниров сдвинута в плоскости, параллельной абсорберу и использована одновременно с ним для изменения соотношения между количеством тепловой и электрической энергией, выдаваемыми установкой.
На фиг. 1 представлен солнечный тепловой коллектор с отводящими трубами и модульной фотоэлектрической панелью.
На фиг. 2 показана вертикальная структура теплового фотоэлектического модуля.
На фиг. 3 представлена экспериментальная установка.
На фиг. 4 показаны результаты натурных испытаний модульной солнечной когенерационной установки.
Устройство содержит солнечный тепловой коллектор 1 (фиг. 1), с плоским металлическим абсорбером, подводящим и отводящим трубопроводами 2 (фиг. 1), которые соединены с теплоизолированным баком-аккумулятором 3 (фиг. 3), в котором может находиться теплообменник двухконтурной гидравлической системы горячего водоснабжения 4 (фиг. 3), циркуляционным насосом 5 (фиг. 3), модульной фотоэлектрической панелью 6 (фиг. 1), размеры которой совпадают с размерами абсорбера 7 (фиг. 2), состоящей из стекла 8 (фиг. 2) с низким содержанием железа и герметизированные оптически прозрачным силиконовым герметиком фотоэлементы 9 (фиг. 2), спаянные в солнечную батарею, а также опорными стойками для поддержания конструкции 10 (фиг. 4).
Теплоизоляция термоизолом трубопроводов и термоизоляция абсорбера в ящике 11 (фиг. 2) солнечного коллектора односторонне фольгированным пенофолом 12 (Фиг. 2) препятствует потерям тепла, увеличивает температуру абсорбера и приводит к лучшей теплоотдаче от абсорбера к теплоносителю.
Фотоэлементы солнечной батареи 9 (фиг. 2) выкладываются на специальное стекло 8 (фиг. 2) в спаянном виде и заливаются прозрачным силиконовым герметиком 13 (фиг. 2), например, Силагерм-2106. При этом с внутренней стороны фотопанели 6 (фиг. 1) образуется совершенно гладкий слой застывшего герметика, который покрывается тонким слоем термопасты КПТ-8 14 (фиг. 2) и прижимается к абсорберу солнечного коллектора 7 (фиг. 2) с помощью зажимов струбцинного типа 15 (фиг. 2).
Работает модульная солнечная когенерационная установка следующим образом. В режиме когенерации, при установленной на абсорбере фотопанели 6 (фиг. 1) падающее солнечное излучение поглощается фотоэлементами 9 (фиг. 2) и частично превращается в электричество, а частично идет на нагрев фотопанели 6 (фиг. 1). В дальнейшем тепло передается абсорберу солнечного коллектора 7 (фиг. 2), а от него через теплообменные трубы 16 (фиг. 2), циркуляция в которых обеспечивается насосом 5 (фиг. 3), передается теплоносителю и попадает в теплоизолированный бак-аккумулятор 3 (фиг. 3) из которого тепло может отбираться как непосредственно (при одноконтурной системе), так и через внутренний теплообменник 4 (фиг. 3) (в двухконтурной системе). Электрическая энергия, генерируемая солнечной панелью 6 (фиг. 1) может быть использована как для собственных нужд установки (для работы циркуляционного насоса 5 (фиг. 3)), так и непосредственно для потребителей или для зарядки аккумуляторов.
Экспериментальная установка, показанная на фиг. 4 содержит солнечный тепловой коллектор 1 (фиг. 4) с плоским металлическим абсорбером, подводящими и отводящими теплоизолированными трубопроводами 2 (фиг. 4) которые соединены с теплоизолированным баком-аккумулятором 3 (фиг. 4), циркуляционный насос 5 (фиг. 4), обеспечивающий подачу теплоносителя, модульную фотоэлектрическую панель 6 (фиг. 4) размеры которой совпадают с размерами абсорбера, состоящую из стекла 8 (фиг. 2) с низким содержанием железа и герметизированные оптически прозрачным силиконовым герметиком фотоэлементы 9 (фиг. 2), спаянные в солнечную батарею 6 (фиг. 4), а также опорными стойками 10 (фиг. 4) для поддержания конструкции.
Результаты натурных испытаний солнечной когенерационной установки показаны на Фиг. 5. Для сравнения выбраны два экспериментальных дня, совпадающие по погодным условиям и инсоляции. Тепловая эффективность когенерационной установки немного ниже, чем у классического солнечного коллектора в начале дня, когда температура абсорбера еще сравнительно низкая, но по мере прогрева установки тепловая эффективность гибридного коллектора начинает превосходить классический абсорбер без остекления за счет роста сопротивления теплоотдачи с его лицевой стороны. Общая электрическая и тепловая эффективность когенерационной установки превосходит классический солнечных коллектор на величину от 7% до 22% в зависимости от температуры коллектора и теплоносителя в баке-аккумуляторе.