Способ поддержания оптимального температурного режима работы солнечного модуля и устройство для его реализации Российский патент 2021 года по МПК H01L31/52 H02S40/42 

Изобретение относится к гелиотехнике, к способам поддержания оптимального температурного режима работы фотоэлектрических элементов солнечного модуля в условиях экстремальных температур и может быть использовано для электрификации инфраструктуры сельского хозяйства.

Известно, что только 6 – 20 % падающего на фотоэлемент солнечного излучения используется для получения электричества. Остальная энергия, в большей степени, идет на нагрев фотоэлемента, происходит значительное увеличение температуры его поверхности, что, в свою очередь, негативно сказывается на его работе (Асанов М.М., Бекиров Э.А., Воскресенская С.Н. Снижение влияния нагрева поверхности фотоэлемента на эффективность его работы // Строительство и техногенная безопасность. 2014. №51. С.92-96).

Стандартные условия испытания (СУИ) (STC — Standard Test Conditions) для солнечных модулей производительностью 1 кВт/м² проводятся для температуры их эксплуатации 25 °C (Лист спецификации данных Delta Battery. URL: https://eco50.ru/solnechnye-sistemy/solnechnyebatarei/solnechnaya-batareya-delta-sm-100-12m-100-vatt-12v-mono).

В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70^оС теряя 0,07-0,09В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого модулем (http://solarmir.ru/stati/avtonomnaya-sistema/fotoelektricheskie-moduli-fem). Так, у кремниевых солнечных элементов номинальная мощность падает с каждым градусом превышения номинальной температуры на 0,43-0,47%, солнечные элементы из теллурида кадмия теряют всего 0,25% (Норкин А. Типы и особенности солнечных батарей для индивидуальной энергетической установки //FacePla.net [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.facepla.net/the-news/energy-news-mnu/2158-home-solar.html).

Известен солнечный фотоэлектрический модуль, с устройством охлаждения выполненный в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП (патент РФ №2505755, МПК F24 J2/10, G02 B5/10, опубл. 27.01.2014).

Недостатком данного солнечного модуля является сильный нагрев фотоэлементов при прохождении через них концентрированного солнечного излучения.

Известна конструкция маломощного теплофотоэлектрического приемника (ТФЭП), основные компоненты которой имеют протяженную цилиндрическую форму и представляют собой концентрически расположенные эмиттер, набор фотоэлементов и радиатор с жидкостной либо воздушной системой охлаждения фотоэлементов (патент США №6489553, МПК, опубл. 03.12.2002). Эмиттер такого ТФЭП может быть выполнен из тугоплавкого металла типа вольфрама и иметь антиотражающее покрытие. Промежуток между эмиттером и фотоэлементами может быть заполнен инертным газом для повышения теплового сопротивления и обеспечения долговременной высокотемпературной (без окисления) работы материала эмиттера и антиотражающего покрытия.

Недостатком такого ТФЭП является низкая эффективность охлаждения фотоэлементов (при диаметре окружности, на которой располагаются фотоэлементы, сравнимой с диаметром эмиттера).

Известен фотоэлектрический модуль включающий множество оптических концентраторов, фокусирующих солнечное излучение на фотоприемные площадки солнечных фотоэлементов и устанавливаемый на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла (патент US 6717045, МПК H01L 31/052, опубликован 06.04.2004).

Недостатками известного фотоэлектрического модуля являются технические сложности изготовления, монтажа и юстировки большого количества оптических деталей и, соответственно, также высокая стоимость конструкции.

Известен способ направления подогретого теплоносителя вниз, то есть в сторону противоположную к направлению естественной конвекции по обратному термосифону, работа которого основана на использовании повышенного давления насыщенного водяного пара в теплой ветви циркуляционного контура по сравнению с давлением насыщенного пара в холодной ветви, это давление может преодолеть силы естественной конвекции и вытеснить теплый теплоноситель по теплой ветви вниз к охладителю, через охладитель и далее уже холодный теплоноситель по холодной ветви к верхней части циркуляционного контура (патент UA 15361 А, МПК F28 D 25/00,опубл. 30.06.1997).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является гибридный солнечный коллектор, где фотоэлектрические элементы охлаждаются активной системой отвода теплоты через медные трубки, встроенные в тыльную часть солнечной панели и используют отведенную теплоту для нагрева воды в системе горячего водоснабжения в здании (Sevela P. Energy Management in DTU Solar Decathlon house. Technical University of Denmark. 2012. http://zvt.abok.ru/articles/106/Gibridnii_solnechnii_kollektor). Фотоэлектрические преобразователи уложены в этиленвинилацетатную пленку, гидравлическая часть – в комбинацию из поливинилфторидной и этиленвинилацетатной пленок. Тыльная сторона панели обклеена теплоизоляцией AFarmaflex. Тепловая энергия утилизируется в баке горячего водоснабжения, за счет чего охлаждаются фотоэлектрические преобразователи и повышается КПД фотоэлектрического модуля. При невозможности дальнейшей утилизации тепловой энергии баком горячего водоснабжения охлаждение осуществлялось с помощью воды от вертикального грунтового теплообменника глубиной 120 м. В контур системы гибридного солнечного коллектора встроен дренажный бак на 100 л, заполненный на ¾ воздухом. Все трубопроводы выше дренажного бака выполняют под уклоном к нему как минимум 2 %. В идеальных условиях вода из гибридного солнечного коллектора самотеком поступает в дренажный бак, откуда попадает в бак горячего водоснабжения. Насос используется только для подъема воды в гибридный солнечный коллектор.

Недостатками известного технического решения являются сложность и материалоемкость конструкции, необходимость энергозатрат для работы насоса.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение оптимального температурного режима работы фотоэлектрических элементов в солнечном модуле с применением температуры нижних горизонтов грунта, повышения КПД солнечного модуля и снижения стоимости вырабатываемой электроэнергии в регионах с жарким климатом.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность поддерживать оптимальную температуру работы фотоэлектрических элементов и избежать искажения электрических характеристик под воздействием экстремальных температур охлаждением фотоэлектрического приемника солнечного модуля путем теплообмена между рамой (подложкой) фотоэлектрических элементов и нижним горизонтом грунта за счет разницы температур по антигравитационному теплообменному устройству с капиллярным телом с испарительно-конденсационным циклом.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе поддержания оптимального температурного режима работы солнечного модуля, включающем охлаждение фотоэлектрических элементов солнечного модуля отведением теплоты с помощью системы труб с теплоносителем, согласно изобретению, охлаждение фотоэлектрических элементов до оптимальной температуры осуществляют антигравитационным теплообменным устройством с капиллярным телом, конденсаторную часть которого погружают в нижний горизонт грунта на глубину, обеспечивающую охлаждение теплоносителя до оптимальной температуры фотоэлектрических элементов в пределах 20-30°С, а верхнюю часть теплообменного устройства с испарителем подсоединяют к подложке солнечного модуля и охлаждают фотоэлектрические элементы за счет переноса тепла паром из зоны испарения вниз в зону конденсации устройства, где теплоноситель конденсируют за счет отдачи скрытой теплоты парообразования нижнему горизонту грунта, откуда в жидком виде по капиллярному телу теплоноситель поднимается наверх в испаритель, процесс регенерации теплоносителя повторяется циклически, при этом параметры теплоносителя подбирают таким образом, чтобы температура кипения совпадала с нижней границей диапазона оптимальных для работы фотоэлектрических элементов температур, причем глубину закладки конденсаторной части теплообменного устройства выбирают таким образом, чтобы температура грунта обеспечивала охлаждение теплоносителя до оптимальной температуры фотоэлектрических элементов.

Также технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для реализации способа поддержания оптимального температурного режима работы солнечного модуля, содержащее солнечный модуль, включающий в себя фотоэлектрические элементы, согласно изобретению, снабжено антигравитационным теплообменным устройством в виде труб с капиллярным телом, при этом верхнюю часть теплообменного устройства с испарителем подсоединяют к подложке солнечного модуля, а конденсаторную часть теплообменного устройства погружают в нижний горизонт грунта на глубину с температурой грунта, обеспечивающую охлаждение теплоносителя до оптимальной температуры фотоэлектрического элемента.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства для реализации способа поддержания оптимального температурного режима работы солнечного модуля.

Устройство для реализации способа поддержания оптимального температурного режима работы солнечного модуля содержит солнечный модуль 1, состоящий из прозрачной пластины 2, подложки (теплопроводного листа) 3, фотоэлектрических элементов 4, установленных между пластиной 2 и подложкой 3, заключенными в раму 5; антигравитационное теплообменное устройство в виде труб 6 с капиллярным телом 10, верхняя часть которого является испарителем 7 и соединена с подложкой 3, а нижняя часть является конденсатором 8 и погружается в нижний горизонт грунта 9. Теплоноситель в конденсированном виде поднимается вверх в испаритель 7 по капиллярному телу 10 Теплоноситель вскипает до температуры кипения, испаряясь движется в конденсаторную часть, где конденсируется и по капиллярному телу 10 поднимается наверх в испаритель 7.

Для поддержания оптимальных температурных режимов работы солнечных модулей использующих разницу температур грунта возможно использовать теплоноситель с температурой кипения совпадающей с системами передачи тепловой энергии от солнечных элементов в нижние горизонты грунта на глубине, равную от 30 до 50 % от глубины годового прогревания грунта.

Работает устройство для реализации способа поддержания оптимального температурного режима работы солнечного модуля следующим образом.

В почву на глубину, для обеспечения оптимального температурного режима работы фотоэлемента солнечного модуля, зарывают антигравитационное теплообменное устройство с движением теплоносителя в направлении обратном по отношению к естественной конвекции. Конденсатор теплообменного устройства 8 погружают в нижний горизонт грунта 9 на глубину, обеспечивающую оптимальную температуру фотоэлемента солнечного модуля. Солнечные лучи нагревают фотоэлектрические элементы 4 и подложку 3 солнечного модуля 1, что вызывает кипение теплоносителя в испарителе 7 теплообменного контура 6, присоединенного к подложке 3 солнечного модуля 1. Под воздействием возникающей при этом разности давлений пар направляется от испарителя 7 вниз к конденсатору 8, где он охлаждается, отдавая скрытую теплоту парообразования нижнему горизонту грунта 9 с температурой, лежащей в диапазоне оптимальных температур для работы фотоэлектрического преобразователя 4. Теплоноситель в жидкой фазе по капиллярному телу 10 из конденсаторной части 8 возвращается в зону испарительной части 7. Цикл повторяется. При этом параметры теплоносителя подбираются таким образом, чтобы температура кипения совпадала с нижней границей диапазона оптимальных для работы фотоэлектрического элемента температур. Причем глубину закладки конденсаторной части 8 антигравитационного теплообменного устройства 6 выбирают таким образом, чтобы температура грунта обеспечивала охлаждение теплоносителя до температуры оптимальной для работы фотоэлектрических элементов 4. В процессе реализации способа фотоэлектрический модуль 1 охлаждается до оптимальной температуры 20-25ºС. Это приводит к повышению КПД солнечного модуля.

Пример.

В местности с жарким климатом для обеспечения оптимального температурного режима работы фотоэлектрических элементов солнечного модуля в почву на глубину 4 м зарывают антигравитационное теплообменное устройство с обратной конвекцией. Конденсатор теплообменного устройства погружают в нижний горизонт грунта на глубину, обеспечивающую оптимальную температуру фотоэлектрического элемента солнечного модуля. Солнечные лучи нагревают фотоэлектрические элементы и медную подложку солнечного модуля, что вызывает кипение фреона в испарителе теплообменного контура, присоединенного к медной подложке солнечного модуля. Под воздействием возникающей при этом разности давлений пар направляется от испарителя вниз к конденсатору, где он охлаждается, отдавая скрытую теплоту парообразования нижнему горизонту грунта с температурой, лежащей в диапазоне оптимальных температур для работы фотоэлектрических элементов 25 ^оС. Фреон в жидкой фазе по капиллярному телу из зоны конденсатора возвращается в зону испарителя. Цикл повторяется. В качестве теплоносителя используют фреон R601a.

В процессе реализации предлагаемого способа фотоэлектрические элементы охлаждают до оптимальной температуры 25ºС, что приводит к повышению КПД солнечного модуля на 30 % .

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для электрификации инфраструктуры сельского хозяйства. Охлаждение фотоэлектрических элементов до оптимальной температуры осуществляют антигравитационным теплообменным устройством с капиллярным телом, конденсаторную часть которого погружают в нижний горизонт грунта на глубину, обеспечивающую охлаждение теплоносителя до оптимальной температуры фотоэлектрических элементов в пределах 20-30°С, а верхнюю часть теплообменного устройства с испарителем подсоединяют к подложке солнечного модуля и охлаждают фотоэлектрические элементы за счет переноса тепла паром из зоны испарения вниз в зону конденсации устройства, где теплоноситель конденсируют за счет отдачи скрытой теплоты парообразования нижнему горизонту грунта, откуда в жидком виде по капиллярному телу теплоноситель поднимается наверх в испаритель, процесс регенерации теплоносителя повторяется циклически, при этом параметры теплоносителя подбирают таким образом, чтобы температура кипения совпадала с нижней границей диапазона оптимальных для работы фотоэлектрических элементов температур, причем глубину закладки конденсаторной части теплообменного устройства выбирают таким образом, чтобы температура грунта обеспечивала охлаждение теплоносителя до оптимальной температуры фотоэлектрических элементов. Изобретение обеспечивает возможность поддерживать оптимальную температуру работы фотоэлектрических элементов и избежать искажения электрических характеристик под воздействием экстремальных температур охлаждением фотоэлектрического приемника солнечного модуля путем теплообмена между рамой (подложкой) фотоэлектрического элемента и нижним горизонтом грунта за счет разницы температур по теплообменному устройству с испарительно-конденсационным циклом. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ поддержания оптимального температурного режима работы солнечного модуля, включающий охлаждение фотоэлектрических элементов солнечного модуля отведением теплоты с помощью системы труб с теплоносителем, отличающийся тем, что охлаждение фотоэлектрических элементов до оптимальной температуры осуществляют антигравитационным теплообменным устройством с капиллярным телом, конденсаторную часть которого погружают в нижний горизонт грунта на глубину, обеспечивающую охлаждение теплоносителя до оптимальной температуры фотоэлектрических элементов в пределах 20-30°С, а верхнюю часть теплообменного устройства с испарителем подсоединяют к подложке солнечного модуля и охлаждают фотоэлектрические элементы за счет переноса тепла паром из зоны испарения вниз в зону конденсации устройства, где теплоноситель конденсируют за счет отдачи скрытой теплоты парообразования нижнему горизонту грунта, откуда в жидком виде по капиллярному телу теплоноситель поднимается наверх в испаритель, процесс регенерации теплоносителя повторяется циклически, при этом параметры теплоносителя подбирают таким образом, чтобы температура кипения совпадала с нижней границей диапазона оптимальных для работы фотоэлектрических элементов температур, причем глубину закладки конденсаторной части теплообменного устройства выбирают таким образом, чтобы температура грунта обеспечивала охлаждение теплоносителя до оптимальной температуры фотоэлектрических элементов.

2. Устройство для реализации способа поддержания оптимального температурного режима работы солнечного модуля по п.1, содержащее солнечный модуль, включающий в себя фотоэлектрические элементы, подложку, прозрачную пластину, отличающееся тем, что снабжено антигравитационным теплообменным устройством в виде труб с капиллярным телом, при этом верхнюю часть теплообменного устройства с испарителем подсоединяют к подложке солнечного модуля, а конденсаторную часть теплообменного устройства погружают в нижний горизонт грунта на глубину с температурой грунта, обеспечивающую охлаждение теплоносителя до оптимальной температуры фотоэлектрического элемента.