ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2012 года по МПК H01L31/58 

Область техники

Настоящее изобретение касается фотовольтаического устройства с плоскими фотовольтаическими элементами, которые при солнечном излучении на верхнюю сторону вырабатывают электрическую энергию, которая подается в электрическую сеть и/или на электрический аккумуляторный блок, при этом под каждым из фотовольтаических элементов расположена охлаждающая батарея, которая через циркуляционный контур теплового насоса сообщается с первым тепловым насосом, при этом охлаждающая батарея подает выделяющееся при работе фотовольтаического элемента технологическое тепло на первый тепловой насос, первый тепловой насос сообщается с первым циркуляционным контуром для циркуляции среды-носителя, содержащим первую среду-носитель, в первом циркуляционном контуре для циркуляции среды-носителя расположен теплоаккумулирующий блок, содержащий теплоаккумулирующую среду, при этом тепловая энергия первой среды-носителя внутри теплоаккумулирующего блока передается теплоаккумулирующей среде, и по меньшей мере один другой циркуляционный контур потребителя тепла, содержащий вторую среду-носитель, сообщается с теплоаккумулирующим блоком, и тепловая энергия теплоаккумулирующей среды при необходимости передается второй среде-носителю указанного другого циркуляционного контура потребителя тепла.

Уровень техники

Известно применение фотовольтаических элементов для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Плоские фотовольтаические элементы таких фотовольтаических устройств монтируются, например, на ориентированных в направлении солнца поверхностях крыш зданий. К фотовольтаическим элементам подключены инверторы, которые обеспечивают возможность того, чтобы вырабатываемая фотовольтаическим элементом электрическая энергия могла подводиться электрической сети. При работе фотовольтаических элементов выделяется технологическое тепло, которым нельзя пренебречь. Так как инверторы могут работать только до определенной максимальной температуры (например, 65°), при превышении этой максимальной температуры они отключаются в целях защиты их от повреждения. От этого страдает эффективность всего устройства.

В JP 2006 183933 А описана фотовольтаическая система, которая содержит плоские фотовольтаические элементы, которые при солнечном излучении на верхнюю сторону вырабатывают электрическую энергию, и которая с нижней стороны содержит охлаждающую батарею, посредством которой выделяющаяся тепловая энергия подается тепловому контуру для получения нагретой воды, которая сохраняется в резервуаре для воды. Сохраняемая в резервуаре для воды тепловая энергия может подаваться в контур потребителя тепла.

В JP 2003336930 описана фотовольтаическая установка, в которой под фотовольтаическими элементами расположена охлаждающая батарея для отведения выделяющегося во время процесса тепла. Указанное тепло подают на тепловой насос.

В US 4002031 описана солнечная установка, в которой используются фотовольтаические элементы из арсенида галлия для получения тока. При этом применяется система линз для концентрации падающего света на фотовольтаические элементы. Технологическое тепло, выделяющееся в процессе получения тока за счет фотовольтаических элементов, также используется для получения механической энергии.

Из US 6080927 также известна солнечная установка, в которой используют технологическое тепло, выделяющееся на солнечных элементах.

Сущность изобретения

Исходя из названного уровня техники, в основу настоящего изобретения положена техническая проблема или, соответственно, задача улучшить эффективность фотовольтаического устройства вышеназванного рода.

Предлагаемое изобретением фотовольтаическое устройство отличается признаками независимого пункта 1. Предпочтительные и усовершенствованные варианты осуществления указаны в пунктах, непосредственно или опосредствованно зависимых от пункта 1.

Соответственно этому предлагаемое изобретением фотовольтаическое устройство отличается тем, что указанный другой циркуляционный контур потребителя тепла подводится к тепловому насосу, при этом к тепловому насосу подключен парогенерирующий блок, который сообщается с паровым циркуляционным контуром, при этом в паровом циркуляционном контуре расположена паровая турбина, которая нагружается полученным паром, паровая турбина подсоединена к генератору для выработки электроэнергии, паровая турбина приводит в действие агрегат для сжижения азота, который сжижает азот окружающего воздуха, причем имеется аккумулирующий блок для азота, в котором полученный жидкий азот накапливается с возможностью его забора, и паровая турбина выполнена с возможностью переключения таким образом, что она приводится в движение паром парового циркуляционного контура или азотом, забранным из аккумулирующего блока для азота, который направляется через испаритель. За счет такого выполнения становится возможным приведение паровой турбины в действие за счет ранее полученного азота ночью или в случае, когда тепло отводится каким-либо другим образом, и тем самым возможна подача тока через генератор в сеть, без необходимости в технологическом тепле от фотовольтаических элементов или если в распоряжении нет такого технологического тепла.

Основная идея настоящего изобретения заключается в том, чтобы отводить выделяющееся при работе фотовольтаических элементов технологическое тепло и использовать его энергию. Это, с одной стороны, дает тот эффект, что улучшается эффективность выработки электроэнергии фотовольтаическими элементами, так как отключение инверторов вследствие превышения максимальной рабочей температуры может быть практически предотвращено. Кроме того, отобранное технологическое тепло передается теплоаккумулирующему блоку, который затем снова при необходимости передает накопленное тепло различным циркуляционным контурам потребителей.

Первый тепловой насос служит для того, чтобы в теплоаккумулирующем блоке достигалась температура, равная от 60 до 70°С (Цельсия).

Для повышения эффективности по одному из предпочтительных вариантов осуществления можно расположить под охлаждающей батареей изоляционный слой.

Предпочтительно передача тепловой энергии от первой среды-носителя аккумулирующей среде-носителю осуществляется посредством первого теплообменника. Также может осуществляться передача тепловой энергии от аккумулирующей среды к другим циркуляционным контурам потребителей тепла внутри теплового аккумулятора с помощью соответственно другого, второго теплообменника.

Для управления температурным режимом в первом циркуляционном контуре для циркуляции среды-носителя особенно предпочтительно применение первого циркуляционного насоса, который предпочтительно нагружается или подключается к термостату, имеющемуся внутри первого циркуляционного контура для циркуляции среды-носителя и на теплоаккумулирующем блоке. Мощность циркуляционного насоса предпочтительно может регулироваться с возможностью варьирования.

В качестве другого циркуляционного контура потребителя тепла рассматривается, например, циркуляционный контур для отопления помещения или подготовки горячей воды.

Кроме того, указанный другой циркуляционный контур потребителя тепла может подводиться к тепловому насосу, при этом по особенно предпочтительному варианту осуществления к тепловому насосу подключен парогенерирующий блок, который сообщается с паровым циркуляционным контуром, а в паровом циркуляционном контуре расположена паровая турбина, которая нагружается вырабатываемым паром.

Паровая турбина может быть, например, подключена к генератору для выработки электроэнергии.

В одном из альтернативных предпочтительных вариантов осуществления паровая турбина приводит в действие агрегат для ожижения азота, который сжижает содержащийся в окружающем воздухе азот, при этом имеется аккумулирующий блок для азота, в котором полученный жидкий азот накапливается с возможностью забора.

Один из особенно предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением устройства отличается тем, что паровая турбина обладает возможностью переключения, таким образом, что она приводится в движение паром парового циркуляционного контура или азотом, забранным из аккумулирующего блока для азота, который направляется через испаритель. Благодаря этому варианту осуществления становится возможным приведение в действие паровой турбины ночью или в другое время, когда не происходит отбора тепла, с помощью заранее полученного азота, и таким образом может происходить отдача электроэнергии через генератор в сеть, без потребности в технологическом тепле фотовольтаических элементов или, соответственно, без наличия этого технологического тепла.

Другие варианты осуществления и преимущества изобретения следуют из признаков, перечисленных далее в пунктах, а также из приведенных ниже примеров осуществления. Признаки пунктов могут комбинироваться произвольным образом, поскольку они не являются очевидно взаимоисключающими.

Краткое описание изобретения

Изобретение, а также предпочтительные и усовершенствованные варианты его осуществления описаны более подробно и поясняются ниже с помощью изображенных на чертеже примеров. Содержащиеся в описании и на чертеже признаки в соответствии с изобретением могут применяться по отдельности или группами в произвольной комбинации.

Показано:

фиг.1 - сильно схематизированное фотовольтаическое устройство с первым циркуляционным контуром для циркуляции среды-носителя, которому передается технологическое тепло фотовольтаического устройства и который накапливает это технологическое тепло внутри аккумулирующего блока, при этом к аккумулирующему блоку подключен по меньшей мере один другой циркуляционный контур потребителя тепла, и

фиг.2 - сильно схематизированное фотовольтаическое устройство, показанное на фиг.1, при этом перед первым циркуляционным контуром для циркуляции среды-носителя включен первый тепловой насос и подключены другие циркуляционные контуры потребителей тепла в количестве трех для отопления помещения, теплового насоса и подготовки горячей воды, при этом тепловой насос подключен к парогенерирующему блоку, пар из которого подается к паровой турбине.

Варианты осуществления изобретения

На фиг.1 сильно схематизированно представлено фотовольтаическое устройство 10 с изображенным в качестве примера фотовольтаическим элементом 12, который с верхней стороны испытывает воздействие солнечных лучей S. Фотовольтаический элемент 12 соединен с возможностью проведения тока с инвертором 16, который отдает вырабатываемую фотовольтаическим элементом 12 электрическую энергию в изображенную на фиг.1 символически электрическую сеть.

С нижней стороны фотовольтаического элемента 12 расположена охлаждающая батарея 20, которая сообщается через циркуляционный контур 34 теплового насоса с первым тепловым насосом 36. Первый, сильно схематично изображенный на фиг.1, тепловой насос 36 также включен в первый циркуляционный контур 22 для циркуляции среды-носителя, снабженный подающим трубопроводом V1 и обратным трубопроводом R1, при этом первый циркуляционный контур 22 для циркуляции среды-носителя в отдельных областях проложен внутри наполненного теплоаккумулирующей средой теплоаккумулирующего блока 24. Первый тепловой насос 36 служит для того, чтобы в теплоаккумулирующем блоке 24 достигалась температура, равная от 60 до 70°С (Цельсия).

Внутри теплоаккумулирующего блока 24 циркуляционный контур 22 для циркуляции среды-носителя снабжен первым теплообменником 28.

К теплоаккумулирующему блоку 24 на фиг.1 схематично подключен другой циркуляционный контур 30 потребителя тепла, снабженный своим подающим трубопроводом V2 и своим отводящим трубопроводом R2, при этом указанный другой циркуляционный контур 30 потребителя тепла внутри теплоаккумулирующего блока 24 снабжен вторым теплообменником 32.

При эксплуатации фотовольтаического устройства 10 оно работает следующим образом. Находящееся в фотовольтаическом элементе 12 технологическое тепло передается через охлаждающую батарею 20 первой среде-носителю первого циркуляционного контура 22 для циркуляции среды-носителя. Через первый теплообменник 28 тепловая энергия первой среды-носителя внутри теплоаккумулирующего блока 24 передается теплоаккумулирующей среде.

Посредством второго теплообменника 32 тепловая энергия теплоаккумулирующей среды теплоаккумулирующего блока 24 при необходимости передается второй среде-носителю второго циркуляционного контура 30 потребителя.

Благодаря такой системе, с одной стороны, используется технологическое тепло фотовольтаического элемента 12, и одновременно фотовольтаический элемент 12 охлаждается, так что можно практически избежать выхода из строя или, соответственно, отключения инвертора 16 вследствие слишком высокой температуры.

На фиг.2 сильно схематично изображено фотовольтаическое устройство, показанное на фиг.1, с другими элементами, при этом имеется всего три других циркуляционных контура 30.1, 30.2, 30.3 потребителей тепла, которые соответственно внутри теплоаккумулирующего блока 24 снабжены соответствующими вторыми теплообменниками 32.1, 32.2, 32.3. Одинаковые конструктивные элементы обозначены одними и теми же позициями и повторно не поясняются.

В подающий трубопровод V1 первого циркуляционного контура 22 для циркуляции среды-носителя включен регулируемый по мощности циркуляционный насос 18 с установленным после него обратным клапаном 54. Кроме того, имеется термостат 56, который измеряет температуру в подающем трубопроводе V1, в отводящем трубопроводе R1 первого циркуляционного контура 22 для циркуляции среды-носителя и температуру аккумулирующей среды внутри теплоаккумулирующего блока 24, и при этом мощность циркуляционного насоса 18 устанавливается в зависимости от измеренной температуры. Термостат 56 контролирует также максимально допустимую температуру.

В отводящий трубопровод R1 первого циркуляционного контура 22 для циркуляции среды-носителя подключен также расширительный резервуар 28 с предвключенным редукционным клапаном 60.

В правой верхней области внутри теплоаккумулирующего блока 24 имеется первый второй теплообменник 32.1 первого другого циркуляционного контура 30.1 потребителя тепла, который, например, применяется для отопления помещения. Под ним расположен второй второй теплообменник 32.2 второго другого циркуляционного контура 30.2 потребителя тепла (циркуляционный контур для циркуляции хладагента), который принадлежит тепловому насосу 40.

Наконец, под ним имеется третий второй теплообменник 32.3, который ведет к третьему другому циркуляционному контуру 30.3 потребителя тепла, который, например, применяется для подготовки горячей воды. Подающие и отводящие трубопроводы трех других циркуляционных контуров потребителей тепла обозначены соответственно V21, V22, V23 или, соответственно, R21, R22, R23. К теплоаккумулирующему блоку 24 подключен другой расширительный резервуар 72.

Подающий трубопровод V22 второго другого циркуляционного контура 30.2 потребителя тепла внутри теплового насоса 40 подводится к компрессору 62, при этом между входом и выходом компрессора 62 включен байпасный клапан 64. Далее по ходу второго циркуляционного контура 30.2 потребителя тепла он подводится к парогенерирующему блоку 42, при этом температура второй среды-носителя (хладагента) второго циркуляционного контура 30.2 потребителя тепла передается через третий теплообменник 66 находящейся под давлением паровой среде парогенерирующего блока 42. К парогенерирующему блоку подключен паровой циркуляционный контур 44 с подающим трубопроводом V4 и отводящим трубопроводом R4. Через отводящий трубопровод R2 вторая среда-носитель другого второго циркуляционного контура 30.2 потребителя тепла снова подается к теплообменнику 32.2. В отводящем трубопроводе R22 второго другого циркуляционного контура 30.2 потребителя тепла расположен расширительный клапан.

Подающий трубопровод V4 парового циркуляционного контура 44 направляется к паровой турбине 46, и затем образовавшийся конденсат направляется в накопитель 68 конденсата.

Насос 70 в отводящем трубопроводе R4 парового циркуляционного контура 44 направляет конденсат обратно в парогенерирующий блок 42.

Паровая турбина 46 приводит в действие генератор 48, который отдает вырабатываемую электрическую энергию в сеть.

Альтернативно (штриховое изображение на фиг.2) или дополнительно паровая турбина 46 может приводить в движение агрегат 50 для сжижения азота, который забирает азот из окружающего воздуха и сжижает его. Затем жидкий азот помещается в аккумулирующий блок 52 для азота с возможностью его забора. Жидкий азот может, например, применяться для привода азотных двигателей, при этом такие азотные двигатели являются очень экологичными, так как не образуется газов, загрязняющих окружающую среду.

Паровая турбина 46 выполнена так, что она может эксплуатироваться попеременно с паром парового циркуляционного контура 44 или с азотом. Для этого паровая турбина 46 выполнена с возможностью переключения в отношении выбора рабочей среды. На фиг.2 паровая турбина 46 через испаритель 76 соединена с аккумулирующим блоком 52 для азота. Конструктивные элементы управления, которые управляют процессом переключения, на фиг.2 не изображены. Благодаря переключаемой паровой турбине 46 возможно, что ночью, то есть при неактивных фотовольтаических элементах 12, или в другое время, когда отбора тепла не происходит, генератором 48 вырабатывается электрический ток, который отдается в сеть.

В изображенном примере осуществления показаны три примера подключаемых к теплоаккумулирующему блоку 24 циркуляционных контуров 30.1, 30.2, 30.3 потребителей. Не представляет собой проблемы предусмотреть еще большее количество циркуляционных контуров потребителей тепла для других целей.

Изображенное фотовольтаическое устройство 10 обладает значительно лучшей эффективностью по сравнению с известными фотовольтаическими устройствами. Наряду с более долгим возможным сроком эксплуатации фотовольтаического устройства как такового (превышение максимальной температуры, выводящее из строя инвертор, предотвращается) выделяющееся технологическое тепло используется для других циркуляционных контуров потребителей тепла.

Фотовольтаическое устройство (10) с плоскими фотовольтаическими элементами (12), которые при солнечном излучении (S) на верхнюю сторону вырабатывают электрическую энергию, которая подается в электрическую сеть (14) и/или на электрический аккумуляторный блок, отличающееся тем, что под каждым из фотовольтаических элементов (12) расположена охлаждающая батарея (20), которая через циркуляционный контур теплового насоса сообщается с первым тепловым насосом, при этом охлаждающая батарея (20) подает выделяющееся при работе фотовольтаического элемента (12) технологическое тепло на первый тепловой насос, первый тепловой насос сообщается с первым циркуляционным контуром (22) для циркуляции среды-носителя, содержащим первую среду-носитель, в первом циркуляционном контуре (22) для циркуляции среды-носителя расположен теплоаккумулирующий блок (24), содержащий теплоаккумулирующую среду, при этом тепловая энергия первой среды-носителя внутри теплоаккумулирующего блока (24) передается теплоаккумулирующей среде, и по меньшей мере один другой циркуляционный контур (30) потребителя тепла, содержащий вторую среду-носитель, сообщается с теплоаккумулирующим блоком (24), и тепловая энергия теплоаккумулирующей среды при необходимости передается второй среде-носителю указанного другого циркуляционного контура (30) потребителя тепла. Изобретение обеспечивает улучшение эффективности фотовольтаического устройства. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фотовольтаическое устройство (10) с плоскими фотовольтаическими элементами (12), которые при солнечном изучении (S) на верхнюю сторону вырабатывают электрическую энергию, которая подается в электрическую сеть (14) и/или на электрический аккумуляторный блок, при этом
под каждым из фотовольтаических элементов (12) расположена охлаждающая батарея (20), которая через циркуляционный контур (34) теплового насоса сообщается с первым тепловым насосом (36), при этом охлаждающая батарея (20) подает выделяющееся при работе фотовольтаического элемента (12) технологическое тепло на первый тепловой насос (36),
первый тепловой насос (36) сообщается с первым циркуляционным контуром (22) для циркуляции среды-носителя, содержащим первую среду-носитель,
в первом циркуляционном контуре (22) для циркуляции среды-носителя расположен теплоаккумулирующий блок (24), содержащий теплоаккумулирующую среду, при этом тепловая энергия первой среды-носителя внутри теплоаккумулирующего блока (24) передается теплоаккумулирующей среде, и
по меньшей мере один другой циркуляционный контур (30) потребителя тепла, содержащий вторую среду-носитель, сообщается с теплоаккумулирующим блоком (24), и тепловая энергия теплоаккумулирующей среды при необходимости передается второй среде-носителю указанного другого циркуляционного контура (30) потребителя тепла, отличающееся тем, что
указанный другой циркуляционный контур (30.2) потребителя тепла подводится к тепловому насосу (40),
к тепловому насосу (40) подключен парогенерирующий блок (42), который сообщается с паровым циркуляционным контуром (44), при этом в паровом циркуляционном контуре (44) расположена паровая турбина (46),
паровая турбина (46) приводит в действие генератор (48) для выработки электроэнергии,
паровая турбина (46) приводит в действие агрегат (50) для сжижения азота, который сжижает азот окружающего воздуха, причем имеется аккумулирующий блок (52) для азота, в котором полученный жидкий азот накапливается с возможностью его забора, и
паровая турбина (46) выполнена с возможностью переключения таким образом, что она приводится в движение паром парового циркуляционного контура (44) или азотом, забранным из аккумулирующего блока (52) для азота, который направляется через испаритель (76).

2. Фотовольтаическое устройство по п.1, отличающееся тем, что под охлаждающей батареей (20) расположен изоляционный слой (26).

3. Фотовольтаическое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый циркуляционный контур (22) для циркуляции среды-носителя внутри теплоаккумулирующего блока (24) снабжен первым теплообменником (28).

4. Фотовольтаическое устройство по п.1, отличающееся тем, что другой циркуляционный контур (30) потребителя тепла внутри теплоаккумулирующего блока (24) снабжен вторым теплообменником (32).

5. Фотовольтаическое устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри первого циркуляционного контура (22) для циркуляции носителя имеется первый циркуляционный насос (18).

6. Фотовольтаическое устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный другой циркуляционный контур (30.1) потребителя тепла применяется в отоплении помещения.

7. Фотовольтаическое устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный другой циркуляционный контур (30.3) потребителя тепла применяется в системе подготовки горячей воды.