СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем прямого преобразования солнечного излучения и косвенного преобразования побочной теплоты, образующейся из не преобразованного солнечного излучения, и может быть использована в различных областях промышленности для получения электроэнергии.
Известен патент RU 166483 U1 «Термоэлектрический генератор», опубликованный 09.02.2016 г.
Полезная модель достигает технического результата увеличения КПД солнечной батареи при помощи эффекта Зеебека посредством установки нескольких рядов термоэлектрических генераторов Пельтье, отделенных теплоносителем от солнечных элементов, отличается тем, что термоэлектрические генераторы Пельтье разделены фазоменяющим термоаккумулирующим материалом с разными температурами экзотермического фазового перехода, использующимся для генерации электрической энергии при изменении температуры окружающей среды.
Недостатками устройства являются необходимость тщательного подбора термоаккумулирующего материала - температура экзотермического фазового перехода которого должна соответствовать климату территории, на которой установлена солнечная батарея; необходимость герметизации термоаккумулирующего материала; снижение КПД солнечной батареи из-за резкого нагрева вследствие экзотермического фазового перехода.
Также известен патент RU 135450 U1 «Термоэлектрический генератор», опубликованный 16.07.2013 г.
Полезная модель достигает технического результата увеличения КПД солнечной батареи при помощи эффекта Зеебека посредством присоединения к ней ряда термоэлектрических генераторов Пельтье, установленных отдельно от солнечных элементов, отличается тем, что термоэлектрические генераторы Пельтье находятся в контакте с кристаллогидратными солями, имеющими разные температуры фазовых переходов, причем верхняя поверхность блока термоэлектрических генераторов Пельтье воспринимает солнечную энергию, а нижняя контактирует с тепло(холод)проводящими пластинами, погруженными во второе рабочее вещество.
Недостатками устройства являются: расположение блока термоэлектрического преобразования отдельно от солнечной батареи, что лишает возможности использовать потенциал охлаждения солнечной панели от термоэлектрических генераторов Пельтье для повышения ее КПД; необходимость тщательного подбора термоаккумулирующего материала, температура фазовых переходов которого должна соответствовать климату территории, на которой установлена солнечная батарея.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по достигаемому техническому результату является патент RU 154084 U1 Генератор электрической энергии, опубликованный 17.10.2014 г., содержащий солнечную батарею, соединенную через теплопроводящую подложку с термоэлектрическими генераторами Пельтье.
Этот генератор содержит элементы полупроводниковой солнечной батареи на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами, изготовленные из полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны более 1 эВ, расположенные на первой теплопроводящей подложке, вторую теплопроводящую подложку, расположенные между подложками термоэлектрические генераторы Пельтье и соединенный с внешней стороной второй подложки радиатор, отличающийся тем, что каждый из элементов полупроводниковой солнечной батареи посредством первой теплопроводящей подложки расположен в контакте с каждым термоэлектрическим генератором Пельтье, и электрические выводы таких элементов полупроводниковой солнечной батареи выполнены раздельно.
Недостатком данной модели является сложность конструкции для монтажа за счет наличия радиаторов и оптических линз, которая не способствует значительному увеличению КПД.
Задачей заявленной полезной модели является увеличение КПД солнечных батарей.
Техническим результатом полезной модели является увеличение КПД солнечной батареи при помощи использования термоэлектрического преобразования.
Для достижения вышеупомянутого технического результата предлагается солнечная батарея с использованием термоэлектрического преобразования, состоящая из полупроводниковых элементов на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами с шириной запрещенной зоны более 1 эВ, расположенных на теплопроводящем материале, термоэлектрических генераторов Пельтье, которые расположены на теплопроводящем материале с противоположной стороны от полупроводниковых элементов, отличающаяся тем, что термоэлектрические генераторы Пельтье, выполнены в виде каскадов, каждый из которых содержит не менее двух термоэлектрических генераторов Пельтье, причем каждый последующий генератор в каскаде занимает площадь меньше предыдущего, и защитная прозрачная пластина закреплена поверх полупроводниковых элементов со стороны предназначенной для солнечного освещения.
Достижение технического результата происходит за счет следующих эффектов:
увеличение удельной мощности солнечной батареи, за счет прикрепления с тыльной стороны каскадов термоэлектрических генераторов, работающих на эффекте Зеебека;
улучшение вольтамперных характеристик солнечной батареи за счет охлаждающего эффекта каскада термоэлектрических генераторов Пельтье;
увеличение КПД солнечной батареи в комбинации с термоэлектрическими генераторами Пельтье за счет более полного преобразования мощности солнечного излучения;
расширение диапазона работы солнечной батареи в ночное время суток и в дни с неустойчивым или малым потоком мощности солнечной энергии.
На фиг. 1 - схема солнечной батареи с использованием термоэлектрического преобразования в аксонометрии,
на фиг. 2 - разрез А-А фиг 1.
Солнечная батарея с использованием термоэлектрического преобразования содержит защитную прозрачную пластину 1, закрепленную над полупроводниковыми элементами на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами с шириной запрещенной зоны более 1 эВ 2, теплопроводящий материал 3, каскады термоэлектрических генераторов Пельтье 4.
Установка работает следующим образом.
Днем полупроводниковые элементы 2 преобразуют солнечный свет в электричество, при этом происходит их нагрев. Далее тепло передается через теплопроводящий материал 3 на каскады термоэлектрических генераторов Пельтье 4, где электричество дополнительно вырабатывается от возникающей разницы температур между сторонами каскадов термоэлектрических генераторов Пельтье, обращенными к теплопроводящему материалу 3 и сторонами, обращенными в другую сторону, посредством эффекта Зеебека. Преобразование теплоты в электрический ток на каскадах термоэлектрических генераторов Пельтье 4 вызывает охлаждение теплопроводящего материала 3, что способствует охлаждению полупроводниковых элементов 2, благодаря чему уменьшается сопротивление кремниевых пластин и проводников шин. С учетом того, что КПД полупроводниковых элементов и каскадов термоэлектрических генераторов Пельтье независимы друг от друга, эффект от такого комбинирования позволяет достигнуть следующих результатов по сравнению с использованием одного термоэлектрического генератора Пельтье в одинаковых условиях.
В таблице 1 приведено сопоставление заявляемой модели с таким же устройством без использования каскадного расположения термоэлектрических генераторов в одинаковых условиях.
Таблица 1.
КПД
Температура солнечной панели
Заявляемая модель
15,5%
49°С
Солнечная батарея с использованием термоэлектрических генераторов Пельтье
14%
52°С
Как видно из таблицы 1 заявляемая модель имеет повышенный КПД за счет большего охлаждения солнечной батареи и более полного преобразования побочного тепла в электричество. Благодаря этому мощность предлагаемой солнечной батареи больше, чем мощность такой же по площади обычной солнечной батареи. Параметры эксплуатации предлагаемой солнечной батареи не отличаются от обычной. При отсутствии солнечного света установка способна вырабатывать электричество за счет разности температур между поверхностями термоэлектрических генераторов Пельтье в каскадах 4.
Промышленная применимость.
Заявляемая полезная модель может быть выполнена при помощи известных и промышленно выпускаемых технических средств и оборудования. Работа установки может быть реализована в условиях автономных электрических систем, или для выработки электроэнергии на предприятиях с большими периодами солнечной активности или при обусловленных технологически разностях температур.
Предлагаемое устройство решает проблему повышения КПД солнечных батарей за счет использования каскадов термоэлектрических генераторов Пельтье, преобразующих побочный нагрев в электрическую энергию. Использование каскадов термоэлектрических генераторов Пельтье позволяет поглощать больше тепла от солнечных батарей по сравнению с одинарными термоэлектрическими генераторами Пельтье, что приводит к более полному преобразованию энергии, с улучшением охлаждения солнечных батарей, что также повышает КПД устройства. К тому же термоэлектрические генераторы Пельтье работают от перепада температур независимо от интенсивности солнечного излучения, что позволяет получать электричество в облачную или пасмурную погоду, а также в ночное время суток, что является значительным преимуществом данной солнечной батареи по сравнению с обычными солнечными батареями.