УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F24J2/42 

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для получения электрической и тепловой энергии, например, нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения и аккумулирования электроэнергии для освещения в темное время суток, работы электронасоса и т.п.

В настоящее время проблема использования экологически чистых, доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди таких источников энергии занимает солнечная энергия. Устройство для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергии, существующие в настоящее время, являются недостаточно эффективными по ряду причин.

Известно устройство для преобразования солнечной энергии, содержащее корпус, установленные на нем фотоэлементы и контур их охлаждения в виде тепловой трубы, испарительная часть которой размещена в корпусе и имеет тыльное и лицевое ограждения, последнее из которых контактирует с фотоэлементами [1].

Однако известное устройство обладает невысоким КПД из-за низкой температуры нагрева теплоносителя в результате поглощения основной части падающей на устройство солнечной энергии фотоэлементами и недостаточной интенсивности теплообмена.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для преобразования солнечной энергии, содержащее корпус, снабженный гофрированной прозрачной панелью, закрепленные на ее тыльной поверхности фотоэлементы и контур их охлаждения в виде вакуумированной тепловой трубы, испарительная часть которой размещена в корпусе и имеет тыльное и лицевое ограждения, при этом поверхность по меньшей мере одного из ограждений выполнена цилиндрической с незамкнутой криволинейной направляющей, но с по меньшей мере одной точкой излома, или поверхность тыльного ограждения выполнена сводчатой, а ее образующая ориентирована под углом к стенкам корпуса, или лицевое ограждение выполнено гофрированным, причем поверхность одного ограждения образует с одной поверхностью каналы испарительной части [2].

Однако известное устройство обладает невысоким КПД из-за невысокой температуры нагрева теплоносителя в результате поглощения большой части падающей на устройство солнечной энергии фотоэлементами и недостаточно высокой интенсивности теплообмена.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности устройства путем повышения интенсивности теплообмена при неуменьшении выработки электроэнергии.

Новый технический результат по первому варианту достигается тем, что в устройстве для преобразования солнечной энергии, содержащем корпус, установленные в нем элементы преобразования энергии и теплоприемник с лицевым волнистым и тыльным ограждениями, контактирующий с элементами для преобразования энергии, в отличие от прототипа, волнистость лицевого ограждения выполнена в виде конструкций, формирующих полость остроконечной формы, направленную вершинами в тыльную сторону, элементы для преобразования энергии выполнены в виде термоэлементов, термоэлектрическая батарея которых контактирует с внешней стороной тыльного ограждения горячими спаями, а холодные спаи выведены из корпуса.

Боковые поверхности остроконечных конструкций могут быть выполнены поглощающими.

Холодные спаи могут контактировать с охлаждающим агентом. Остроконечные конструкции могут быть выполнены в виде пирамид или конусов с наклоном боковых поверхностей к основанию пирамид или конусов не ниже 68^o.

Новый технический результат по второму варианту также достигается тем, что в устройстве преобразования солнечной энергии, содержащем корпус с волнистой панелью, установленные в нем элементы для преобразования солнечной энергии и теплоприемник с тыльным волнистым и лицевым ограждениями, последнее из которых контактирует с элементами для преобразования энергии, в отличие от прототипа, волнистая панель выполнена в виде сотовой структуры с общим плоским основанием из лицевого ограждения, элементы для преобразования энергии выполнены в виде термоэлементов, горячие спаи термоэлектрической батареи которых закреплены на внешней поверхности основания соответствующей соты, а холодные спаи выведены из корпуса.

Сотовая структура может быть выполнена в виде правильных прямых шестигранных призм с боковыми отражающими поверхностями и поглощающим основанием.

Холодные спаи могут контактировать с охлаждающим агентом.

На фиг. 1 (с остроконечными конструкциями первого варианта) и на фиг. 2 (с сотовой структурой по второму варианту) представлены принципиальные схемы устройства для преобразования солнечной энергии.

По первому варианту устройство для преобразования солнечной энергии содержит корпус 1 и теплоприемник 2 с лицевым ограждением 3, выполненным в виде конструкций 4, формирующих полости остроконечной формы, направленные вершинами в тыльную сторону, и с тыльным ограждением 5, внешняя сторона которого контактирует горячими спаями 6 термоэлектрической батареи термоэлементов 7, холодные спаи 8 которой выведены из корпуса 1 и контактируют с охлаждающим агентом 9. Боковые поверхности 10 остроконечных конструкций 4 могут быть выполнены в виде пирамид или конусов с наклоном к основанию пирамид или конусов не ниже 68^o и поглощающими.

По второму варианту устройство для преобразования солнечной энергии содержит корпус 1 с панелью, выполненной в виде сотовой структуры 11 из правильных прямых шестигранных призм 12 с боковыми отражающими поверхностями 13 и поглощающим основанием 14 из общего плоского лицевого ограждения 15 теплоприемника 2 с тыльным волнистым ограждением 16, при этом горячие спаи 6 термоэлектрической батареи термоэлементов 7 закреплены на внешней поверхности основания 14 соответствующей соты 12, а холодные спаи 8 выведены из корпуса 1 и контактируют с охлаждающим агентом 9.

Устройство для преобразования солнечной энергии по первому варианту работает следующим образом.

При попадании солнечных лучей на поверхности остроконечных конструкций 4 лицевого ограждения 3 (фиг. 1) излучение постепенно поглощается на их боковых поверхностях 10 (ступенчато) по мере переотражения луча все глубже к вершине остроконечной конструкции 4 до тех пор, пока вся лучевая энергия, попавшая в такую ловушку, не поглотится, преобразовав основную часть падающей солнечной энергии в тепловую энергию теплоносителя.

Следует отметить, что чем больше угол наклона боковых поверхностей 10 остроконечных конструкций 4, например призм или конусов, к их основанию, тем большее количество переотражений претерпевает луч внутри таких остроконечных конструкций до своего выхода из них, преобразуя при каждом последующем переотражении все большую часть лучистой, попавшей в остроконечную конструкцию 4 энергии в тепловую энергию теплоносителя. Уже после 3-4 таких переотражений большая часть лучистой энергии преобразуется в тепловую, а при больших углах наклона, когда число таких переотражений превышает десятки, остроконечные конструкции 4 становятся ловушками, близкими по свойствам к абсолютно черному телу, поглощающему всю попадающую в него энергию. Это происходит при угле наклона боковых граней 10 к основанию пирамид или конусов 68^o и выше. В случае, если боковые поверхности 10 остроконечных конструкций 4 будут выполнены поглощающими, практически полное преобразование падающей солнечной энергии в таких конструкциях 4 в тепловую энергию теплоносителя произойдет значительно быстрее, при этом тепло через лицевое ограждение 3 передается к теплоносителю.

В качестве остроконечных конструкций 4 могут быть использованы многогранные пирамиды (трех-, четырех-, пяти-, шестигранные и т.д.), конусы, а также полуовалы, параболоиды и т.п., имеющие общую опорную вершину.

Получают такие остроконечные конструкции 3 посредством, например, штамповки пуансоном с необходимым рисунком материала лицевого ограждения 3, выполненного, например, из полимера с присадками сажи (18-50 мас.%) для придания поглощающих свойств.

При этом за счет использования лицевого ограждения 3 в виде остроконечных конструкций 4 резко возрастает интенсивность теплообмена в теплоприемнике 2.

Нагретый теплоноситель поступает в систему отопления или горячего водоснабжения, омывая тыльное ограждение 5. Тепловой поток достигает горячих спаев 6 термоэлементов 7 термоэлектрической батареи, создавая в них перепад температуры. Возникающая при этом термо-ЭДС через электровыводы подается либо в аккумулятор для запасения электроэнергии, например, для освещения в ночное время суток, либо сразу на нагрузку для выполнения хозяйственных нужд, например, на насос для накачки воды из колодца для полива.

В качестве термоэлементов могут быть использованы полупроводниковые термоэлектрические пары, составленные в термоэлектрическую батарею, например, в электрическую схему ШЭ692-00-00 термоэлектрического преобразователя ТЭП-60/40. Такая термоэлектрическя батарея содержит ряд последовательно включенных термоэлементов 7, каждый из которых состоит из двух ветвей с разным типом проводимости.

Ветви термоэлементов 7 в местах их соединения образуют два ряда спаев. К ветвям термоэлемента могут быть параллельно подсоединены резервирующие сопротивления с сопротивлением в 5-10 раз большим внутреннего сопротивления каждой из ветвей, термоэлементом термоэлектрической батареи из нихромовой проволоки диаметром 0,01-0,03 мм для увеличения надежности работы термоэлектрической батареи. Количество таких термоэлементов на довольно ограниченной площади тыльного ограждения 5 корпуса 1 может составлять несколько сотен, обеспечивая съем электроэнергии силой тока 35 мА и напряжением 13 В. Причем даже при выходе из строя одновременно до 50 термоэлементов при предложенной конструкции термоэлектрической батареи снимаемые параметры составляют J = 28 мА и U = 10,25 В, могут использоваться также пленочные термоэлементы.

Для повышения выхода термо-ЭДС холодные спаи 8 термоэлементов 7, выведенные на корпуса 1, охлаждаются, например, естественным конвективным теплообменом на воздухе или вынужденной вентиляцией воздуха либо контактируют с охлаждающим агентом 9, охлаждающим холодные спаи 8. В качестве охлаждающего агента 9 в контакте с холодными спаями 8 термоэлементов 7 могут быть использованы, например, рубашка холодного теплоносителя, поступающего в теплообменник 2 для нагрева в теплоприемнике 2, либо устройство с испаряющейся жидкостью типа губки, смоченной водой, имеющее постоянно низкую температуру по сравнению с окружающей средой за счет отвода тепла от устройства и, следовательно, от холодных спаев 8, при испарении жидкости (принцип, используемый в холодильных установках). Охлаждающее устройство периодически пополняется запасом испаряемой жидкости. Могут использоваться и иные охлаждающие агенты 9.

Следует также подчеркнуть, что интенсивность теплообмена в теплоприемнике 2 устройства преобразования солнечной энергии, кроме особой конструкции лицевого и тыльного ограждения 4, 5 повышается и в результате того, что термоэлементы 7, в отличие от фотоэлементов по прототипу, не отбирают для себя части солнечной энергии, а используют тепловую энергию теплоприемника.

Устройство для преобразования солнечной энергии по второму варианту работает следующим образом.

При попадании солнечных лучей в соты в виде шестигранных призм 12 происходит их переотражение на отражающих поверхностях 13 граней призм 12 в6низ до поглощающего основания 14, на котором происходит поглощение лучевой энергии и ее частичная передача теплоносителю в виде преобразованной тепловой энергии (фиг. 2). Другая часть лучистой энергии поглощается в виде тепла на горячих спаях 6 теплоэлементов 7. При этом нагретый теплоноситель поступает в системы отопления или горячего водоснабжения, а в термоэлементах 7 термоэлектрической батареи создается перепад температуры, в результате чего образуется термо-ЭДС, как описано в первом варианте. Шестигранные призмы 12-сотовой структуры 11, как и в первом варианте. остроконечные конструкции 4, выполняют роль ловушек лучевой энергии солнца, близких по свойствам к абсолютно черному телу. Следует отметить преимущество остроконечнхы конструкций 4 и сотовой структуры 11, заключающееся в том, что солнечное излучение, попавшее в них даже под малым углом, например, при закате солнца, уже не сможет выйти обратно, а будет переотражаться вниз соответствующей конструкцией 4 или призмой 12. Таким образом, за счет использования волнистого, например сводчатой (полуцилиндрической) формы, тыльного ограждения 16 и сотовой структуры 11 повышается интенсивность теплообмена в теплоприемнике 2. Охлаждение холодных спаев 8 термоэлементов 7 термоэлектробатарей осуществляют аналогичным образом, описанным в первом варианте.

Следует подчеркнуть, что во втором варианте между горячим и холодным спаями 6, 8 будет высокая разность температур, а следовательно, и более высокая термо-ЭДС, благодаря тому, что горячие спаи 6 термоэлементов 7 термоэлектрической батареи получают тепло как от солнечного излучения напрямую, так и от теплоносителя через лицевое ограждение 15 в более нагретой части теплоприемника 2 по сравнению с частью теплоприемника 2 у тыльного ограждения, как по первому варианту.

Отличие вариантов устройства для преобразования солнечной энергии заключается в том, что по первому варианту практически вся лучистая энергия солнца, падающая на теплоприемник 2, передается теплоносителю и лишь от теплоносителя к теплоэлементам, а по второму варианту часть тепловой лучистой энергии солнца передается также к теплоэлементам, получающим в этому случае значительно большую тепловую энергию, чем по первому варианту, за счет солнца и за счет теплоносителя от более нагретого лицевого ограждения 3. Другими словами, в зависимости от того, что более необходимо - более горячая вода и меньшее количество вырабатываемой электроэнергии или менее горячая вода и большее количество вырабатываемой электроэнергии, выбирается первый или второй вариант устройства для преобразования солнечной энергии.

Однако и в первом варианте устройства для преобразования солнечной энергии, и во втором варианте количество вырабатываемой электроэнергии не меньше, чем от фотоэлементов по прототипу, благодаря возможности практически неограниченного количества их размещения (несколько сотен) как на тыльном ограждении 5 (по первому варианту), так и на лицевом ограждении 15 на основании каждой соты (шестигранной призмы) по второму варианту. В то же время интенсивность теплообмена в теплоприемнике 2 за счет как конструктивных особенностей лицевых ограждений 3 и 15, так и за счет отбора части солнечного излучения фотоэлементами с большей площадью приема (как в прототипе), повышается не менее, чем на 15%, обеспечивая повышение температуры нагрева единицы массы теплоносителя в теплообменнике равной производительности.

На основании вышеизложенного заявленное устройство для преобразования солнечной энергии обеспечивает достижение следующего технического результата.

1. Повышение эффективности устройства путем повышения интенсивности теплообмена не менее, чем на 15% при неуменьшении выработки электроэнергии благодаря выполнению лицевого ограждения в виде множества пустотелых остроконечных конструкций с поглощающей поверхностью или в виде сотовой структуры с поглощающим основанием, а также за счет того, что вся падающая солнечная энергия передается теплоносителю, а не забирается элементами для преобразования энергии.

2. Обеспечивается повышение температуры теплоносителя (воды) для хозяйственных и бытовых нужд и, как следствие, уменьшение его расхода.

3. Обеспечивается повышенная выработка электроэнергии (по второму варианту) за счет более высокой разности температур в термоэлементах термоэлектрической батареи благодаря нагреву горячих спаев как солнечной энергией, так и теплоносителем через лицевое ограждение.

В настоящее время на предприятии ГП "НПО Астрофизика" выпущены конструкторская документация на предлагаемое устройство для преобразования солнечной энергии, на основании которой изготовлены модельные образцы вариантов устройства и проведены предварительные испытания.

Использование: для получения электрической и тепловой энергии, например, нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения и аккумулирования электроэнергии для освещения в темное время суток, работы насоса и т. п. Сущность: в устройстве для преобразования солнечной энергии, содержащем корпус, установленные в нем элементы преобразования энергии и теплоприемник с лицевым волнистым и тыльным ограждениями, контактирующий с элементами для преобразования энергии, волнистость лицевого ограждения выполнена в виде конструкций, формирующих полости остроконечной формы, направленные вершинами в тыльную сторону, элементы для преобразования энергии выполнены в виде термоэлементов, термоэлектрическая батарея которых контактирует с внешней стороной тыльного ограждения горячими спаями, а холодные спаи выведены из корпуса. Боковые поверхности остроконечных конструкций могут быть выполнены поглощающими. Холодные спаи могут контактировать с охлаждающим агентом. Остроконечные конструкции могут быть выполнены в виде пирамид или конусов не ниже 68^o. По второму варианту в устройстве преобразования солнечной энергии, содержащем корпус с волнистой панелью, установленные в нем элементы для преобразования солнечной энергии и теплоприемник с тыльным волнистым и лицевым ограждениями, последнее из которых контактирует с элементами для преобразования энергии, волнистая панель выполнена в виде сотовой структуры с общим плоским основанием из лицевого ограждения, элементы для преобразования энергии выполнены в виде термоэлементов, горячие спаи термоэлектрической батареи которых закреплены на внешней поверхности основания соответствующей соты, а холодные спаи выведены из корпуса. Сотовая структура может быть выполнена в виде правильных прямых шестигранных призм с боковыми отражающими поверхностями и поглощающим основанием. Холодные спаи могут контактировать с охлаждающим агентом. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для преобразования солнечной энергии, содержащее корпус, установленные в нем элементы преобразования энергии и теплоприемник с лицевым волнистым и тыльным ограждениями, контактирующий с элементами для преобразования энергии, отличающееся тем, что волнистость лицевого ограждения выполнена в виде конструкций, формирующих полость остроконечной формы, направленные вершинами в тыльную сторону, элементы для преобразования энергии выполнены в виде термоэлементов, термоэлектрическая батарея которых контактирует с внешней стороной тыльного ограждения горячими спаями, а холодные спаи выведены из корпуса. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковые поверхности остроконечных конструкций выполнены поглощающими. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что холодные спаи контактируют с охлаждающим агентом. 4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что остроконечные конструкции выполнены в виде пирамид или конусов с наклоном боковых поверхностей к основанию пирамид или конусов не ниже 68^o. 5. Устройство для преобразования солнечной энергии, содержащее корпус с волнистой панелью, установленные в нем элементы для преобразования солнечной энергии и теплоприемник с тыльным волнистым и лицевым ограждениями, последнее из которых контактирует с элементами для преобразования энергии, отличающееся тем, что волнистая панель выполнена в виде сотовой структуры с общим плоским основанием из лицевого ограждения, элементы для преобразования энергии выполнены в виде термоэлементов, горячие спаи термоэлектрической батареи которых закреплены на внешней поверхности основания соответствующей соты, а холодные спаи выведены из корпуса. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что сотовая структура выполнена в виде правильных прямых шестигранных призм с боковыми отражающими поверхностями и поглощающим основанием. 7. Устройство по пп.5 и 6, отличающееся тем, что холодные спаи контактируют с охлаждающим агентом.