ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к средствам преобразования светового излучения в электрическую энергию.
Термофотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения является фундаментальной проблемой, находящейся на стыке физики конденсированных сред, энергетики и физикохимии (см., например, патент на полезную модель РФ №7185). В солнечных термофотоэлектрических (СТФЭ) системах тепловое излучение, образующееся в результате разогрева материала эмиттера (излучателя) до высокой температуры концентрированным солнечным излучением, преобразуется в электрическую энергию с помощью фотоэлементов, чувствительных в инфракрасной области спектра. Ширина запрещенной зоны и структура солнечного термофотоэлектрического элемента могут быть согласованы для преобразования конкретного спектра излучения при определенной температуре. В солнечной ТФЭ системе в отличие от обычных солнечных элементов возможно использование селективных фильтров, отражающих неиспользованное фотоэлементом излучение обратно к эмиттеру, что позволяет поднять температуру эмиттера и создает перспективы для увеличения суммарного КПД солнечной термофотоэлектрической системы.
2
2
Использование в ТФЭ системе в качестве источника тепла вместо сжигаемого топлива концентрированного солнечного излучения перспективно для увеличения эффективности ТФЭ преобразования с сохранением всех преимуществ преобразователей солнечного излучения. Благодаря тому, что при ТФЭ преобразовании источник излучения может быть максимально приближен к фотоэлементу, а также созданию высокоэффективных фотопреобразователей и согласованных с ними по спектру излучателей становится возможным достижение электрической мощности до 10 Вт/см. Таким образом, реально достижимый удельный энергосъем с поверхности фотопреобразователя в солнечном ТФЭ генераторе лежит в диапазоне 20-100 кВт·час/см в год, что в несколько сот раз превышает средний удельный энергосъем с поверхности наземных солнечных батарей.
В настоящее время предпочтительная область применения фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) - искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды и другие космические летательные аппараты (ЮТА) (см., например, патент на полезную модель РФ №129081). К достоинствам ФЭП следует отнести большой срок службы, достаточную аппаратурную надежность, отсутствие расхода активного вещества или топлива, к недостаткам: необходимость устройств для ориентации на Солнце, сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛА на орбиту, неработоспособность в отсутствие освещения, относительно большие площади облучаемых поверхностей. Для современных ФЭП характерны удельная масса 20-60 кг на каждый кВт вырабатываемой мощности без учета механизмов разворота и автоматов слежения, при этом КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых ФЭ равен  η≈0,1÷0,2, для каскадных ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов η÷0,3 при двухслойном и η≈0,35÷0,4 - при трехслойном исполнении. /Для перспективных АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников - арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать η≈0,3÷0,4.
Задача, решаемая заявленной конструкцией состоит в генерации электрической энергии под действием солнечного или иного оптического излучения, а достигаемый при этом технический результат состоит в повышении к.п.д. преобразования энергии излучения в электрическую энергию.
Для достижения поставленного результата предлагается термофотоэлектрический генератор электрической энергии, содержащий элементы полупроводниковой солнечной батареи на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами, изготовленные из полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны боле 1 эв, расположенные на первой теплопроводящей подложке, вторую теплопроводящую подложку, расположенные между подложками элементы Пельтье, и соединенный с внешней стороной второй подложки радиатор, при этом каждый из элементов полупроводниковой солнечной батареи посредством первой теплопроводящей подложки расположен в контакте с каждым элементом Пельтье, и электрические выводы таких элементов выполнены раздельно, позволяют работать элементам независимо друг от друга с целью получения высокого к.п.д. преобразования.
Генерации электрической энергии под действием солнечного или иного оптического излучения в рамках заявленной конструкции обеспечивается плотным контактом элементов полупроводниковой солнечной батареи с элементами Пельтье, а раздельные электрические выводы позволяют работать элементам независимо друг от друга, обеспечивая получение высокого к.п.д. преобразования.
Заявленный термофотоэлектрический (ТФЭ) генератор предназначен для генерации электрической энергии под действием солнечного или иного оптического излучения, а его принципиальная схема представлена на рис. 1.
h
c
h
c
С помощью оптических линз 1 солнечное излучение фокусируется на первую подложку 3, обладающую высокими теплопроводностью, теплоемкостью и коэффициентом поглощения в широкой области спектра. Подложка 3 с двух сторон покрыта тонким слоем электрического изолятора, а на ее верхней поверхности (т.е. обращенной к линзе) расположены полупроводниковые элементы 2 из гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами с шириной запрещенной боле 1 эв (локальные металлические площадки). В качестве материала подложки используется полуизолирующий полупроводник, например кремний, медь или алюминий. Верхняя поверхность подложки 3 покрыта антиотражающим диэлектрическим покрытием с большим коэффициентом поглощения излучения. К обратной стороне первой подложки 3, со стороны локальных площадок, электрически присоединены Пельтье-термоэлементы 4 n- и p- типа проводимости. Второй стороной термоэлементы присоединены к внутренней стороне второй подложки 3′. За счет нагрева излучением первой подложки, температура спаев в зонах «подложка 3 - термоэлементы» на обратной стороне такой подложки будет больше, чем у спаев в зоне «термоэлемент - подложка 3′», в следствии чего на электрических выводах возникнет напряжение - на 2 от фотоэлементов и на 4 от элементов Пельтье согласно рис.1, соответственно. Чем выше разница температур ΔT=T-T (где T - температура горячих спаев в зоне «подложка 3 - термоэлементы», T - температура холодных спаев в зоне «термоэлемент - подложка 3′»), тем больше напряжение. Для поддержания максимально возможной разницы температур ко второй подложке 3′ присоединен радиатор 5. В условиях космоса охлаждение второй подложки возможно только за счет оптического излучения ее поверхности и радиатора. Если принять коэффициент излучательной способности радиатора ε=1, то по закону Стефана-Больцмана излучаемая мощность P дается выражением:
-12
2
4
где: δ=5,67∗10 Вт/см∗К;
2
S - площадь излучающей поверхности, см;
c
T - температура излучающей поверхности в зоне «термоэлемент - подложка 3′», К.
2
h
c
max
Для примера при P=0,5 Вт, T=194°К необходимая площадь поверхности радиатора S=62 см. Предположим, что на поверхностях поддерживается условие постоянных значений температур T горячих спаев термоэлементов на первой подложке и температуры холодных спаев T на второй подложке и радиаторе. Тогда справедливо выражение для расчета максимально достижимого к.п.д. η рассмотренного термоэлектрического генератора:
где z - величина добротности [1].
н
внут
При отношении сопротивлений нагрузки R и внутреннего сопротивления цепи последовательно соединенных термоэлементов R.
h
c
2
3
max
-3
Для примера возьмем T=510°К, T=160°К, тогда для термоэлементов на основе BiTez=2,9∗10. Расчет дает следующую величину η=20%.
В случае установки на верхней подложке солнечных концентраторов, например, параболических зеркал и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников - арсенидов галлия и алюминия, расчет дает к.п.д. равный порядка 30%. При этом выделяемое тепло ФЭП за счет концентрированной энергии солнечного освещения также будет передоватся на элементы Пельтье. Таким образом, общий к.п.д. преобразования может достичь 50%.
Литература:
[1] - Е.Г. Покорный, А.Г. Щербина в книге «Расчет полупроводниковых охлаждающих устройств» стр. 30-31, издательство «Наука», Ленинградское отделение, Ленинград 1969 г.