КОМБИНИРОВАННАЯ КОНЦЕНТРАТОРНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2016 года по МПК H02S10/30 F24J2/42 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к комбинированным концентраторным солнечным энергетическим установкам (СЭУ) с охлаждаемыми двухсторонними фотоэлектрическими солнечными модулями (ФСМ) для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую.

Уровень техники

Температура ФСМ, работающего в составе СЭУ с концентрацией солнечной энергии менее 10 000 Вт/м², в условиях, когда отсутствует искусственное охлаждение ФСМ, достаточно точно можно описать формулой:

где t - температура окружающей среды, T_NOCT - нормальная рабочая температура ФСМ, G - концентрация солнечного потока энергии.

Известны концентраторные СЭУ на двухсторонних ФСМ с концентратором солнечной энергии из плоских отражающих пластин: патент РФ №2406043 и Super TRAXLE 5Х concentrator (http://www.solar-trackers.com/). В этих СЭУ двухсторонние ФСМ установлены в фокальной плоскости плоского концентратора, с которого они принимают равномерный световой поток со значением коэффициента геометрической концентрации G≥3. Отвод тепла от ФСМ осуществляется за счет естественного охлаждения.

Недостатком этих СЭУ является значительное падение вырабатываемой мощности вследствие сильного нагрева ФСМ. Согласно формуле (1) расчетная температура Tm при температуре окружающей среды +30°C составит уже около 100°C, что приведет к падению вырабатываемой мощности более чем на 30% и превышению максимальной гарантийной температуры работы стандартного ФСМ, которая обычно не превышает +85°C.

Известна концентраторная СЭУ со значением коэффициента геометрической концентрации солнечной энергии G=7, SunPower С7 Tracker (http://us.sunpower.com/). Для отвода тепла на тыльную сторону солнечного фотоэлектрического элемента (СФЭ) в этой СЭУ припаяна медная фольга в форме токосъемных дорожек, которая в свою очередь помещена на металлический радиатор.

Недостатками СЭУ являются:

- более низкое падение мощности от температуры окружающей среды, чем у двух предыдущих СЭУ, но все же недостаточное чтобы обеспечивать высокие параметры при температурах выше +40°C;

- двухсторонние ФСМ в СЭУ работают как односторонние, что снижает эффективность работы СЭУ;

- зеркальные концентраторы имеют цилиндрическую форму и направлены выпуклостью вниз, что приводит к интенсивному скоплению в них пыли и влаги.

Наиболее близким по технической сущности решением является комбинированная солнечно-энергетическая станция (патент РФ №2382953). СФЭ с двухсторонней чувствительностью установлены в замкнутый корпус с прозрачными окнами, заполненный теплоносителем. Этот корпус помещается во второй, в котором теплоноситель циркулирует по контуру теплопередачи. Излучение СФЭ принимают с двух сторон с концентратора. Теплоноситель с поверхности СФЭ отбирает тепло, которое в циркуляционном контуре попадает потребителю.

Данная СЭУ имеет следующие недостатки:

- использование параболического концентратора приводит к необходимости иметь СФЭ маленького размера, с тем, чтобы они находились в фокусе параболического цилиндра, в противном случае резко снижается эффективность работы установки;

- в конструкции СЭУ заложено противоречие. С точки зрения повышения эффективности работы температура СФЭ должна быть как можно ниже и не превышать граничную верхнюю рабочую температуру. Для эффективной работы теплового контура эту температуру желательно иметь как можно выше;

- конструкция СЭУ очень сложная и дорогая.

Техническая задача

Техническая задача заключается в увеличении количества получаемой электрической энергии за счет уменьшения тепловых потерь прямого преобразования солнечной энергии, падающей на двухсторонние охлаждаемые ФСМ СЭУ от плоских зеркальных концентраторов, а также использования тепловой энергии, отбираемой от двухсторонних ФСМ и получаемой в результате дополнительного нагрева охлаждающей жидкости в параболическом концентраторе. Технический результат совпадает с технической задачей.

Решение

Для решения данной задачи предлагается солнечная энергетическая установка, содержащая по крайней мере один двухсторонний ФСМ с системой жидкостного охлаждения, плоский зеркальный концентратор, параболический зеркальный концентратор, теплообменник с системой циркуляции жидкости в контуре, однонаправленные клапаны, систему слежения за солнцем. Система охлаждения представляет собой единый циркуляционный контур, разделенный функционально на два участка. Одна часть контура представляет собой объем, расположенный внутри ФСМ над поверхностями панели с двухсторонними СФЭ, ограниченный прозрачными стеклянными листами. Вторая часть контура проходит через фокус параболического зеркального концентратора. Таким образом, функциональное назначение охлаждающей жидкости на этих участках будет различным. На первом участке в объеме ФСМ жидкость будет, протекая по ФСМ снизу вверх за счет конвекции, отбирать тепло от СФЭ, обеспечивая температуру в рабочих пределах - как правило, не более 85°C. Проходя через параболический концентратор, жидкость дополнительно нагревается и попадает далее в теплообменник. После теплообменника охлажденная жидкость вновь подается с помощью системы циркуляции в объем ФСМ. Для предотвращения взаимного влияния жидкости от разных ФСМ в циркуляционном контуре на выходе каждого ФСМ установлены однонаправленные клапаны.

В качестве возможной реализации решения предлагается установка, в которой часть контура охлаждения внутри ФСМ представляет собой объем над поверхностями панели с двухсторонними СФЭ, ограниченный прозрачными стеклянными листами, причем стеклянные листы соединены между собой рядом проставок через отверстия на участках панели, свободных от СФЭ. Между стеклянными листами и панелью с обеих сторон между проставками установлены разделительные пластины для организации эффективного охлаждения потоками жидкости СФЭ. Место ввода охлаждающей жидкости в ФСМ расположено в самой низкой точке, а вывода - в самой высокой точке ФСМ относительно уровня земли.

В качестве возможной реализации решения предлагается установка, в которой спектр пропускания охлаждающей жидкости совпадает с фотоактивной частью спектра поглощения ФСМ и лежит в пределах от 400 до 1200 нм.

В качестве возможной реализации решения предлагается солнечная энергетическая установка, включающая по крайней мере один двухсторонний фотоэлектрический солнечный модуль (ФСМ) с системой жидкостного охлаждения, плоский зеркальный концентратор, однонаправленные клапаны, отличающаяся тем, что содержит алюминиевую рамку для циркуляции охлаждающей жидкости по ФСМ, содержащую полость внутри профиля рамки, причем полость соединятся с выходным каналом в верхней части ФСМ, чтобы охлаждающая жидкость поступала в рамку с поверхности панели СФЭ, полость также соединяется через входной канал с нижней частью ФСМ, при этом расстояние между входным и выходным каналами должно быть не менее 0,5 м относительно уровня земли, причем рамка выполнена с возможностью максимального теплообмена с окружающей средой на участках, на которых по профилю рамки проходит охлаждающая жидкость.

Описание чертежей

На фиг. 1 представлена конструкция СЭУ в изометрии.

На фиг. 2 представлена конструкция СЭУ сбоку.

На фиг. 3 представлен вид спереди ФСМ СЭУ и сечение ФСМ СЭУ.

На фиг. 4 представлен вид спереди ФСМ СЭУ, работающей в автономном режиме, и сечение ФСМ СЭУ, работающей в автономном режиме.

Детальное описание решения

Для решения описанной задачи предлагается солнечная энергетическая установка, содержащая по крайней мере один двухсторонний ФСМ с системой жидкостного охлаждения, плоский зеркальный концентратор, параболический зеркальный концентратор, теплообменник с системой циркуляции жидкости в контуре, однонаправленные клапаны, систему слежения за солнцем. Система охлаждения представляет собой единый циркуляционный контур, разделенный функционально на два участка. Одна часть контура представляет собой объем, расположенный внутри ФСМ над поверхностями панели с двухсторонними СФЭ, ограниченный прозрачными стеклянными листами. Вторая часть контура проходит через фокус параболического зеркального концентратора. Таким образом, функциональное назначение охлаждающей жидкости на этих участках будет различным. На первом участке в объеме ФСМ жидкость будет, протекая по ФСМ снизу вверх, отбирать тепло от СФЭ, обеспечивая их температуру в рабочих пределах не более 85°C. Проходя через параболический концентратор жидкость дополнительно нагревается и попадает далее в теплообменник. После теплообменника охлажденная жидкость вновь подается с помощью системы циркуляции в объем ФСМ. Для предотвращения взаимного влияния жидкости от разных ФСМ в циркуляционном контуре на выходе каждого ФСМ установлены однонаправленные клапаны.

Такое построение СЭУ позволяет решить две задачи, которые повышают эффективность получения солнечной электрической и тепловой энергии.

1. В данной СЭУ двухсторонние ФСМ могут иметь значительные размеры и высокую удельную пиковую мощность более 450 Вт/м² даже при высоких температурах окружающей среды.

2. Второй параболический зеркальный концентратор осуществляет слежение за солнцем с помощью той же системы, которая обеспечивает слежение за солнцем ФСМ СЭУ, и на организацию этого слежения не требуется дополнительных затрат.

СЭУ осуществляет слежение за положением солнца в полярной системе координат. СЭУ состоит по крайней мере из одного двухстороннего ФСМ 1 с жидкостным охлаждением, на обе стороны которого подается симметрично солнечная энергия от концентратора из плоских зеркал 2. Выходящая из ФСМ нагретая охлаждающая жидкость поступает в трубопровод 3, часть которого находится в фокусе параболического зеркального концентратора 4, расположенного над ФСМ, в котором жидкость дополнительно нагревается солнечной энергией и поступает в теплообменник с системой циркуляции жидкости 5, где жидкость охлаждается, отдавая тепло, и возвращается в ФСМ. В трубопроводе на выходе каждого ФСМ установлены однонаправленные клапаны 6 для предотвращения взаимного влияния жидкости от разных ФСМ.

В качестве возможной реализации решения предлагается установка, в которой в центре объема ФСМ, заполненного жидкостью, находится панель 7 из как минимум двух тонких прозрачных пленок 17, защищающих двухсторонние СФЭ от воздействия охлаждающей жидкости. Объем ФСМ ограничен двумя тонкими стеклянными листами 8. Для компенсации давления жидкости и обеспечения геометрических размеров ФСМ стеклянные листы соединены между собой проставками 9 через отверстия на участках панели, свободных от СФЭ. Между стеклянными листами и панелью с обеих сторон между проставками установлены разделительные пластины 10 для организации эффективного охлаждения СФЭ. Место ввода охлаждающей жидкости в ФСМ расположено в самой низкой точке, а вывода - в самой высокой точке ФСМ относительно уровня земли и выполнено в виде штуцеров 11 и 12.

В качестве возможной реализации решения предлагается установка, в которой спектр пропускания охлаждающей жидкости совпадает с фотоактивной частью спектра поглощения ФСМ. Например, лежит в пределах от 400 до 1200 нм.

Работа СЭУ может быть организована в автономном режиме охлаждения ФСМ без отбора и использования тепла. В этом случае из состава СЭУ исключаются параболический концентратор и теплообменник с системой циркуляции жидкости. ФСМ для такой СЭУ отличаются тем, что в алюминиевом обрамлении 13 ФСМ выполнена полость 16, образующая с объемом ФСМ между стеклами замкнутый герметичный циркуляционный контур, для движения в нем охлаждающей жидкости под действием гравитационных сил. При этом форма и площадь обрамления выбираются таким образом, чтобы жидкость, попадая в полость через канал 14 в верхней точке ФСМ, успевала охладиться в канале алюминиевого обрамления и поступить в объем ФСМ через аналогичный канал в нижней точке ФСМ с температурой, которая не позволяет гибкой панели с двухсторонними СФЭ нагреваться выше максимально допустимой рабочей температуры. Конструкция такого ФСМ (фиг. 3) отличается тем, что в обрамлении отсутствуют штуцера входа и выхода охлаждающей жидкости, а вместо штуцера выхода охлаждающей жидкости установлен расширительный бачок 15, который необходим для компенсации изменения объема жидкости в результате циклов нагрева-охлаждения. В обрамлении ФСМ 13 выполнена полость 16, в которую жидкость попадает через канал 14 в верхней и нижней точке ФСМ в обрамлении. Площадь канала выбирается исходя из скорости движения жидкости в ФСМ.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к комбинированным концентраторным солнечным энергетическим установкам с охлаждаемыми двухсторонними фотоэлектрическими солнечными модулями (ФСМ) для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую. Сущностью изобретения является солнечная энергетическая установка, содержащая по крайней мере один двухсторонний ФСМ с системой жидкостного охлаждения, плоский зеркальный концентратор, параболический зеркальный концентратор, теплообменник с системой циркуляции жидкости в контуре, однонаправленные клапаны, систему слежения за солнцем, при этом система охлаждения содержит замкнутый циркуляционный контур, причем часть контура расположена внутри ФСМ над поверхностями панели с двухсторонними солнечными элементами для их охлаждения, а часть контура проходит через фокус параболического зеркального концентратора для дополнительного нагрева жидкости, поступающей в теплообменник. Технический результат состоит в увеличении количества получаемой электрической энергии за счет уменьшения тепловых потерь прямого преобразования солнечной энергии, падающей на двухсторонние охлаждаемые ФСМ от плоского зеркального концентратора, а также использования тепловой энергии, отбираемой от двухсторонних ФСМ и получаемой в результате дополнительного нагрева охлаждающей жидкости в параболическом концентраторе. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Солнечная энергетическая установка, содержащая по крайней мере один двухсторонний фотоэлектрический солнечный модуль (ФСМ) с системой жидкостного охлаждения, плоский зеркальный концентратор, теплообменник с системой циркуляции жидкости, однонаправленные клапаны, систему слежения за солнцем, отличающаяся тем, что дополнительно содержит параболический зеркальный концентратор, а система охлаждения содержит замкнутый циркуляционный контур, причем часть контура расположена внутри ФСМ над поверхностями панели с двухсторонними солнечными фотоэлектрическими элементами (СФЭ) для их охлаждения, а часть контура проходит через фокус параболического зеркального концентратора для дополнительного нагрева жидкости, поступающей в теплообменник.

2. Солнечная энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что часть контура охлаждения внутри ФСМ представляет собой объем над поверхностями панели с двухсторонними СФЭ, ограниченный прозрачными стеклянными листами, причем стеклянные листы соединены между собой рядом проставок через отверстия на участках панели, свободных от СФЭ, при этом между стеклянными листами и панелью с обеих сторон между проставками установлены разделительные пластины для организации эффективного охлаждения потоками жидкости СФЭ, а место ввода охлаждающей жидкости в ФСМ расположено в самой низкой точке, а вывода - в самой высокой точке ФСМ относительно уровня земли.

3. Солнечная энергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что спектр пропускания охлаждающей жидкости совпадает с фотоактивной частью спектра поглощения ФСМ и лежит в пределах от 400 до 1200 нм.

4. Солнечная энергетическая установка, включающая по крайней мере один двухсторонний фотоэлектрический солнечный модуль (ФСМ) с системой жидкостного охлаждения, плоский зеркальный концентратор, однонаправленные клапаны, отличающаяся тем, что содержит алюминиевую рамку для циркуляции охлаждающей жидкости по ФСМ, содержащую полость внутри профиля рамки, причем полость соединятся с выходным каналом в верхней части ФСМ, чтобы охлаждающая жидкость поступала в рамку с поверхности панели солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ), полость также соединяется через входной канал с нижней частью ФСМ, при этом расстояние между входным и выходным каналами должно быть не менее 0,5 м относительно уровня земли, причем рамка выполнена с возможностью максимального теплообмена с окружающей средой на участках, на которых по профилю рамки проходит охлаждающая жидкость.