СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК F24J2/42 F03G6/06 

Изобретение относится к области преобразования потока солнечного излучения в электрическую энергию и может быть использовано для электропитания различных потребителей: космических кораблей, фермерских хозяйств, индивидуальных строений, транспортных средств различного назначения и т.п.

Известны солнечные энергетические установки с фокусировкой излучения на полупроводниках, системой их охлаждения и получением электроэнергии (см. SU, авт. св. N 868109, М. кл. F 03 G 7/02, H 01 L 31/00, 1981).

Использование таких установок позволяет повысить плотность излучения на полупроводниковых преобразователях, получить большую удельную мощность и понизить удельную стоимость установки. Применение в этих установках системы охлаждения полупроводников, интенсивно нагревающихся излучением и омическим теплом, выделяющимся протекающим током, позволяет обеспечить их надежную работу за счет отвода тепла в окружающее пространство.

Однако при этом бесполезно теряется тепловая энергия, потери достигают 88% для кремниевых элементов и 76% для арсенид-галлиевых преобразователей.

Известна также солнечная энергетическая установка (СЭУ), содержащая приемник излучения с фокусирующими устройствами, полупроводниковые преобразователи с выходом электроэнергии потребителю и системой их охлаждения (см., например, заявку ФРГ N 2750679, М. кл. H 01 L 31/00, 1979).

К недостаткам известной СЭУ можно отнести те же, что и вышеописанные.

Задачей изобретения является полезное использование этих потерь.

В результате решения указанной задачи может быть получен технический результат, выражающийся в повышении плотности излучения на преобразователях, увеличении удельной мощности, снижении стоимости установки и повышении КПД.

Указанный технический результат достигается тем, что в солнечной энергетической установке, содержащей приемник излучения с фокусирующими устройствами и полупроводниковые преобразователи с токоприемниками, согласно изобретению система охлаждения преобразователей выполнена в виде замкнутого контура с испарителем-парогенератором, насосом и радиатором, при этом в указанном контуре смонтировано устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую, токоприемники которого подсоединены к токоприемникам полупроводниковых преобразователей. Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую может быть выполнено в виде паровой турбины, соединенной с электрогенератором. Возможно использование вместо паровой турбины парового двигателя или термоэлектрогенератора.

Из уровня техники известны СЭУ, а также солнечные электростанции, в которых с помощью системы зеркал солнечные лучи собираются в пучки и направляются на паровой котел. Образовавшийся пар используется для привода турбогенератора. Вместо парового котла иногда используют термоэлектрогенератор. В данных установках используется цикл паровой котел - турбина - генератор (см. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия. - 1977. - С.461. и Советский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия. - 1989. - С. 1253).

Следует однако заметить, что известные установки позволяют получить только основную электроэнергию. А в заявляемом изобретении привод турбины осуществляется при помощи отводящего тепла в системе охлаждения преобразователей и за счет этого удается получить дополнительную электроэнергию, которая вместе с основной повышает эффективность установки. Это является принципиальным моментом в предлагаемом изобретении.

Из уровня техники также известна СЭУ, в которой наряду с солнечными батареями используется ветровой двигатель (см. SU, авт.св. N 1687113, F 03 D 9/02, 1991). Солнечная энергетическая установка вырабатывает днем электроэнергию и передает ток на статический преобразователь, а ветровой двигатель (ВД) вырабатывает электроэнергию при наличии ветра как днем, так и ночью и передает ее на статический преобразователь. СЭУ и ВД могут работать как совместно, так и раздельно.

В заявленном изобретении дополнительный источник электроэнергии выполнен иным образом, чем и в известном устройстве.

Таким образом, из уровня техники последовательности соединения (связи) известных элементов и их конструктивного выполнения не обнаружено. Поэтому можно сделать вывод о новизне заявляемой СЭУ и ее соответствии изобретательскому уровню. Что же касается промышленной применимости, то она будет очевидна из приводимого ниже описания работы СЭУ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема солнечной энергетической установки.

Установка содержит фокусирующие устройства 1, полупроводниковые преобразователи 2 с токоприемниками 3, соединенными с потребителем 4. Преобразователи 2 охлаждаются с помощью встроенного в них испарителя-парогенератора 5, в замкнутый контур которого с радиатором 6 вмонтированы электронасос 7 подачи жидкости и паровая турбина 8. Вместо последней может быть использован паровой двигатель. Паровая турбина 8 соединена с электрогенератором 9, токоприемники 10 которого подсоединены к токоприемникам 3 полупроводниковых преобразователей 2. Таким образом электрогенератор 9 работает одновременно с полупроводниковыми преобразователями 2. Вместо паровой турбины и электрогенератора возможно использование турбогенератора или термоэлектрогенератора.

Энергоустановка работает следующим образом.

Солнечное излучение фокусируется устройствами 1 на полупроводниковых преобразователях 2, которыми вырабатывается ток, идущий через токоприемники 3 потребителю и запитывающий электронасос 7, который подает жидкое рабочее тело (вода, эфир, аммиак и т.п.) в испаритель-парогенератор 5, который отводит тепло от преобразователей 2, затрачиваемое на испарение жидкого рабочего тела и перегрев пара (при необходимости). Пар подается к турбине 8 (паровому двигателю или турбогенератору, или термоэлектрогенератору), которая вращает электрогенератор 9, также работающий на потребитель 4 электроэнергии, как и полупроводниковые преобразователи 2.

После расширения на турбине (в двигателе) отработанный пар конденсируется в радиаторе 6 в жидкость, которая снова подается насосом 7 в испаритель-парогенератор 5 и т.д.

При расширении, например, насыщенного водяного пара при температуре 200^oC его адиабатная работа составляет 26% от тепла, отведенного от полупроводникового преобразователя, если температура сконденсированной жидкости составляет 50^oC, что соответствует 82% от КПД идеального цикла Карно. Если потери адиабатной работы в турбине составляют 35%, то будет получен эффективный КПД преобразования тепловой энергии 17%.

Наиболее подходящими полупроводниковыми преобразователями для t = 200^oC являются арсенид-галлиевые, выдерживающие такую температуру (для кремниевых элементов t = 50^oC). При КПД их преобразователя 24% суммарный КПД энергоустановки составит до 37%:
η_э=0,24+(1-0,24)•0,17=0,24+0,129=0,37,
что в 1,54 раза выше КПД одного полупроводникового преобразователя. При этом удельная мощность на кв.м приемника энергоустановки также повышается в 1,54 раза.

Изобретение относится к преобразованию потока солнечного излучения в электрическую энергию, необходимую для питания различных потребителей: космических кораблей, фермерских и индивидуальных крестьянских хозяйств, индивидуальных строений, транспортных средств различного назначения и т.п. В солнечной энергетической установке, содержащей приемник излучения с фокусирующими устройствами 1, полупроводниковые преобразователи 2 с токоприемниками 3, подающими электроэнергию потребителю 4, система охлаждения преобразователей 2 выполнена в виде замкнутого контура с испарителем-парогенератором 5, насосом 7 и радиатором 6. В контуре установлена паровая турбина 8, соединенная с электрогенератором 9. Вместо турбины может быть использован паровой двигатель, а вместо отдельных турбины и электрогенератора - турбогенератор или термоэлектрогенератор. Токоприемники 10 указанного устройства соединены с токоприемниками преобразователей, что позволяет повысить КПД установки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Солнечная энергетическая установка, содержащая приемник излучения с фокусирующими устройствами, полупроводниковые преобразователи с токоприемниками и систему охлаждения преобразователей, отличающаяся тем, что система охлаждения преобразователей выполнена в виде замкнутого контура с испарителем - парогенератором, насосом и радиатором, при этом в указанном контуре смонтировано устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую, токоприемники которого подсоединены к токоприемникам полупроводниковых преобразователей. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для преобразования тепловой энергии замкнутого контура охлаждения полупроводниковых преобразователей выполнено в виде паровой турбины, соединенной с электрогенератором. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для преобразования тепловой энергии замкнутого контура охлаждения полупроводниковых преобразователей выполнено в виде парового двигателя, соединенного с электрогенератором, или термоэлектрогенератора.