СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2011 года по МПК F24J2/42 F24J2/06 

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.

Известна солнечная электростанция (СЭС), содержащая параболоцилиндрический концентратор, одноосную систему слежения за Солнцем, трубчатый приемник с жидким теплоносителем, систему подачи теплоносителя, парогенератор и паротурбинную установку и электрогенератор. Солнечная электростанция имеет следующие параметры: концентрация солнечного излучения - 70, температура теплоносителя 400°C, ширина миделя концентратора 6 м, площадь концентраторов 510000 м², электрическая мощность 50 МВт, стоимость 300 миллионов евро. Общая длина приемников и концентраторов 93,6 км, размеры СЭС 1,3×1,5 км². Для перекачки 2000 м³ теплоносителя по трубчатому приемнику длиной 93,6 км СЭС затрачивает 10% своей мощности - 5 МВт. Электростанция потребляет в год 850000 м³ воды, эксплуатационные расходы составляют 5,3 млн. долл. США в год, включая зарплату 40 человек обслуживающего персонала. (Sun and Wind Energy, май 2008, с.88-90, Photon International, июнь 2009 г., с.114).

Недостатком известной солнечной электростанции с концентраторами и паротурбинными установками является низкий КПД, высокая стоимость установленной мощности и большие эксплуатационные затраты.

Известна солнечная электростанция, содержащая параболоцилиндрический фацетный концентратор, одноосную систему слежения за Солнцем и приемник на основе плоских солнечных фотоэлектрических модулей. Солнечная станция имеет геометрический коэффициент концентрации 5, реальную концентрацию 3,5, электрическую мощность 2,8 кВт, массу 600 кг. Плоскость приемников и p-n переходов фотоэлектрических модулей параллельна оптической оси концентратора и перпендикулярна потоку солнечного излучения. (Sun and Wind Energy, 2009, №2, с.93).

Недостатком известной электростанции является высокая металлоемкость и большая стоимость установки.

Задачей настоящего изобретения является снижение стоимости установленной мощности и вырабатываемой энергии.

Технический результат достигается тем, что в солнечной электростанции, содержащей концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области, фотоприемник выполнен в виде одной или более секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и с p-n переходами, плоскости которых параллельны двум из четырех боковых граней матрицы, и имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях матрицы, которые перпендикулярны плоскости p-n переходов, оптическая ось и фокальная плоскость концентратора перпендикулярна плоскости p-n переходов приемника, а плоскость поперечного сечения концентратора и направление потока концентрированного солнечного излучения параллельны плоскости p-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль ее оси и снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты, а плоскости p-n переходов перпендикулярны оси цилиндрической оболочки.

В варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из одной секции и установлен в диаметральной плоскости внутри прозрачной цилиндрической оболочки.

В другом варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из двух скоммутированных равновеликих секций.

Еще в одном варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из трех и более скоммутированных секций.

В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде параболоцилиндрического концентратора.

В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейных линз Френеля.

В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейного зеркала Френеля.

В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде множества плоских зеркальных отражателей, установленных с тыльной стороны фотоприемника.

В варианте солнечной электростанции защитное прозрачное покрытие и прозрачная цилиндрическая оболочка выполнены из стекла.

В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.

В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена на основе очищенной воды.

В варианте солнечной электростанции теплообменник соединен с двумя контурами для прокачки охлаждающей силиконовой жидкости и воды.

В варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.

В варианте солнечной электростанции фотоприемник имеет линейную плотность размещения миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами 2000-5000 на 1 метр длины фотоприемника и напряжение 20-50 кВ на каждые 20 метров длины фотоприемника, а солнечная электростанция подключена к высоковольтной линии электропередач постоянного тока для передачи энергии на потребительскую подстанцию без дополнительных преобразующих устройств.

На фиг.1 представлена солнечная электростанция с параболоцилиндрическим концентратором, поперечное сечение, с фотоприемником в виде одной секции в диаметральной плоскости цилиндрической оболочки, на фиг.2 - поперечное сечение СЭС с фотоприемником в виде двух секций, установленных по образующей прозрачной цилиндрической оболочки; на фиг.3 - поперечное сечение СЭС с фотоприемником из пяти скоммутированных секций, плоскости p-n перехода фотоприемника перпендикулярны оси цилиндрической оболочки; на фиг.4 - продольное осевое сечение фотоприемника солнечной электростанции с системой охлаждения; на фиг.5 - схема подключения солнечной электростанции к высоковольтной линии электропередач постоянного тока.

На фиг.1 солнечная электростанция содержит параболоцилиндрический концентратор 1 с системой слежения (на фиг. не показана) и одной секции фотоприемника 2, установленного в диаметральной плоскости 3 цилиндрической стеклянной оболочки 4. Диаметральная плоскость 3 совпадает с фокальной плоскостью 5 концентратора 1. Плоскость n⁺-p-p⁺ переходов 6 перпендикулярна фокальной плоскости 5 и параллельна направлению падающих солнечных лучей i и отраженных лучей i_o от концентратора 1.

На фиг.2 фотоприемник 2 состоит из двух равновеликих секций 7 и 8, установленных по образующей цилиндрической оболочки 4 со стороны концентратора 1, а плоскости p-n переходов 6 секций 7 и 8 фотоприемника 2 перпендикулярны оси 9 цилиндрической оболочки 4 и параллельны потоку прямой i отраженной i_o солнечной радиации.

На фиг.3 фотоприемник 2 выполнен из 5 секций 10, 11, 12, 13, 14, установленных вдоль образующей цилиндрической оболочки 4, а плоскости p-n переходов 6 всех секций фотоприемника 2 перпендикулярны оси 9 цилиндрической оболочки 4 и совпадающей с ней оптической оси 15 концентратора 1 и параллельны прямой i и отраженной i_o от концентратора 1 солнечной радиации.

Фотоэлектрический приемник 2 на фиг.4 установлен вдоль оптической оси 15 концентратора 1 и оси 9 в цилиндрической стеклянной оболочке 4. Фотоприемник 2 состоит из секций 16 последовательно скоммутированных матричных солнечных элементов 17, каждый из которых содержит диодную n⁺-p-p⁺ структуру 18. Плоскости p-n переходов 6 в диодной структуре параллельны падающему i и отраженному излучению i_o. Фотоприемник 2 имеет защитное покрытие 19 из стекла, которое присоединено к фотоприемнику 2 с помощью оптического прозрачного клея (на фиг. не показано). Токовыводы 20 фотоприемника 2 присоединены к крайним выводам секций 16 матричных солнечных элементов 17. Свободное от фотоприемника 2 пространство в цилиндрической стеклянной оболочке 4 заполнено кремнийорганической охлаждающей жидкостью 21. Устройство охлаждения фотоприемника 2 состоит из трубопроводов 22, присоединенных к началу 23 и концу 24 цилиндрической оболочки 4, насоса 25 и теплообменника 26, к которому подключен водяной контур 27.

В другом варианте исполнения теплообменник присоединен к воздушному радиатору.

На фиг.5 секции 16 из матричных солнечных элементов 17 и диодные структуры 18 соединены последовательно с помощью контактов 28 и имеют линейную плотность размещения миниатюрных солнечных элементов 3000 м^-1 вдоль фотоприемника 2 и напряжение 35 кВ на каждые 20 м длины фотоприемника 2. Токовыводы 20 фотоприемника 2 солнечной электростанции через измерительный управляющий блок 29 и выключатель 30 присоединен к высоковольтной линии 31 постоянного тока напряжением 110-750 кВ, которая может быть выполнена как в воздушном, так и в кабельном исполнении.

Пример выполнения солнечной электростанции (СЭС)

СЭС имеет параболоцилиндрический концентратор длиной 150 м, размерами миделя воспринимающей поверхности 6 м×150 м. В фокальной области вдоль оптической оси 15 установлены секции фотоприемника 2 на основе матричных солнечных элементов размерами 0,06 м × 150 м, у которых плоскости p-n переходов 6 перпендикулярны оптической оси концентратора 5 и параллельны падающей i и отраженной i_o солнечной радиации. Фотоприемник 2 заключен в прозрачную стеклянную оболочку 4 внешним диаметром 70 мм, которая заполнена кремнийорганическим теплоносителем 21. Концентратор 1 ориентирован с севера на юг, имеет коэффициент концентрации 70. СЭС имеет пиковую мощность 150 кВт при освещенности 1 кВт/м², температуре 25°C и КПД 20%. Напряжение на выходе матричных солнечных элементов составляет 1800 B на 1 погонный метр длины фотоприемника. Напряжение на выходе СЭС от 500 B до 270 кВ в зависимости от числа параллельно и последовательно соединенных секций фотоприемника 2.

Расположение плоскости p-n переходов 6 параллельно концентрированному потоку i_o солнечного излучения позволяет получить два важных преимущества СЭС по сравнению с известной конструкцией.

Поток i_o отраженного концентрированного излучения в фотоприемнике ортогонален потоку I_ф генерированных излучением носителей заряда через p-n переходы 6, что позволяет снизить оптические потери в легированном слое и в базовой области секций фотоприемника 2 и улучшить условия отвода тепла за счет использования металлических контактов 28, расположенных по всей площади p-n переходов 6, в качестве теплопроводящих слоев для отвода тепла из объема фотоприемника 2 к обеим рабочим поверхностям. Инфракрасная составляющая отраженного концентрированного потока излучения i_o за краем полосы поглощения с длиной волны более 1,12 мкм для секций кремниевого фотоприемника 2 проходит параллельно плоскости p-n переходов 6 через объем фотоприемника 2 без существенного поглощения, что также примерно на 20% снижает затраты на охлаждение фотоприемника 2. Наличие просветляющего покрытия на обеих рабочих поверхностях фотоприемника 2 снижает потери на отражение и увеличивает пропускание нефотоактивной части спектра падающего прямого и отраженного концентрированного солнечного излучения i_o.

Удельная мощность на известной паротурбинной СЭС на 1 м² площади земли 25 Вт/м², на 1 погонный метр приемника 537 Вт/м.

Рассчитаем пиковую электрическую мощность СЭС согласно изобретению:

P_эл=E₀·η_опт·η_эл·S_миделя,

где E₀ - стандартная солнечная радиация;

η_опт - оптический КПД СЭС;

η_{эл. фп} - электрический КПД фотоприемника.

Принимая E₀=1 кВт/м², η_опт=0,85, η_{эл. фп}=0,2, S_миделя=6 м² на один погонный метр СЭС, получим Р_эл=1,02 кВт/м, что почти в 2 раза выше, чем у паротурбинной СЭС с концентраторами.

Из других преимуществ предлагаемой СЭС отметим сокращение потребления воды в объеме 850000 м³/год, отсутствие необходимости в котле-парогенераторе и паротурбинном энергоблоке, возможность быстрого ввода в эксплуатацию СЭС в виде отдельных энергоблоков мощностью 150 кВт длиной 150 м с автономным слежением за Солнцем.

Еще одним преимуществом СЭС является генерация высокого напряжения 1800 B на 1 погонный метр или 270 кВ на 1 энергоблок длиной 150 м и передача электрической энергии к месту потребления по высоковольтным линиям постоянного тока без использования преобразователей и трансформаторов высокого напряжения на передающей подстанции.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь, к конструкции солнечных электростанций с концентраторами. В солнечной электростанции, содержащей концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области, фотоприемник выполнен в виде одной или более секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и с p-n переходами, плоскости которых параллельны двум из четырех боковых граней матрицы, и имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях матрицы, которые перпендикулярны плоскости p-n переходов, оптическая ось и фокальная плоскость концентратора перпендикулярна плоскости p-n переходов приемника, а плоскость поперечного сечения концентратора и направление потока концентрированного солнечного излучения параллельны плоскости p-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль ее оси и снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты, а плоскости p-n переходов перпендикулярны оси цилиндрической оболочки. Изобретение должно снизить стоимость установленной мощности и вырабатываемой энергии. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Солнечная электростанция, содержащая концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен в виде одной или более секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и с p-n переходами, плоскости которых параллельны двум из четырех боковых граней матрицы, и имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях матрицы, которые перпендикулярны плоскости p-n переходов, оптическая ось и фокальная плоскость концентратора перпендикулярна плоскости p-n переходов приемника, а плоскость поперечного сечения концентратора и направление потока концентрированного солнечного излучения параллельно плоскости p-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль ее оси и снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты, а плоскости p-n переходов перпендикулярны оси цилиндрической оболочки.

2. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен из одной секции и установлен в диаметральной плоскости внутри прозрачной цилиндрической оболочки.

3. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен из двух скоммутированных равновеликих секций.

4. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен из трех и более скоммутированных секций.

5. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде параболоцилиндрического концентратора.

6. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейных линз Френеля.

7. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейного зеркала Френеля.

8. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде множества плоских зеркальных отражателей, установленных с тыльной стороны фотоприемника.

9. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что защитное прозрачное покрытие и прозрачная цилиндрическая оболочка выполнены из стекла.

10. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.

11. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость выполнена на основе очищенной воды.

12. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник соединен с двумя контурами для прокачки охлаждающей силиконовой жидкости и воды.

13. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.

14. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник имеет линейную плотность размещения миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами 2000-5000 на 1 м длины фотоприемника и напряжение 20-50 кВ на каждые 20 м длины фотоприемника, а солнечная электростанция подключена к высоковольтной линии электропередач постоянного тока для передачи энергии на потребительскую подстанцию без дополнительных преобразующих устройств.