Гелиотермоэлектростанция Российский патент 2022 года по МПК H02S10/30 H01L31/42 

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для утилизации тепловой энергии природных источников, а именно, для прямой трансформации солнечной энергии в электрическую в различных условиях.

Известна походная гелиотермоэлектростанция, включающая ковер (плоскость), собранный из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь, покрытый гидроизоляционной пленкой, внутри которой помещены фотоэлемент, присоединенный своей тыльной стороной к наружной стороне корпуса термоэлектрического преобразователя, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой таким образом, что их спаи согнуты под углом 90⁰ и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя параллельно ей, не касаясь ее, а сами парные проволочные отрезки расположены параллельно друг другу, образуя П–образные ряды, крайние проволочные отрезки крайних П–образных рядов термоэлектрических преобразователей и фотоэлементы через свои клеммы в каждом вертикальном ряду фототермоэлектрических преобразователей ковра соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы, перемычки с выходными коллекторами, выходные клеммы которых, в свою очередь, соединены с накопительным блоком [Патент РФ №2622495, МПК E 04 C2/26, 2017].

Основным недостатком известной походной гелиотермоэлектростанции является невозможность использования тепла, выделяющегося из фотоэлементов при генерации электричества, что снижает ее эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является универсальная гелиотермоэлектростанциия, содержащая прямоугольную плоскость (слоеную), собранную из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототеплотрубнотермоэлектрический преобразователь, покрытый гидроизоляционной пленкой, внутри которой помещены фотоэлемент, соединенный перемычками с коллекторами одноименных зарядов и присоединенный своей тыльной стороной к мультифитильному теплотрубному теплообменнику, состоящему из корпуса, крышка и днище которого покрыты изнутри решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, частично заполненного рабочей жидкостью, в полости корпуса решетки крышки и днища соединены между собой вертикальными фитилями, также частично заполненными рабочей жидкостью и покрытыми цилиндрическим кожухами с треугольными прорезями, выполненными на их верхних и нижних торцах и прикрепленными к крышке и днищу корпуса, причем внутренняя поверхность крышки и днища корпуса мультифитильного теплотрубного теплообменника, покрытые решеткой, составляют зоны испарения и конденсации, соответственно, а фитили образуют зону транспорта, к наружной стороне днища мультифитильного теплообменника примыкают плоские термоэлектрические преобразователи, к внешней стороне которых прижаты радиаторы, перемычки с коллекторами одноименных зарядов термоэлектрических преобразователей и фотоэлементов, в свою очередь, соединены с накопительным блоком [Патент РФ №2715356, МПК E 04 C2/26, 2020].

Основными недостатками известной универсальной гелиотермоэлектростанции являются ее повышенный вес, обусловленный использованием в ее составе тепловой трубы, который усложняет конструкцию, затрудняет ее использование для электроснабжения малых космических аппаратов и отсутствие теплозащиты пограничных торцов ее крайних элементов, что снижает ее надежность и эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение надежности и эффективности гелиотермоэлектростанции.

Технический результат достигается гелиотермоэлектростанцией, содержащей слоеную прямоугольную плоскость, собранную из фотоэлементов, покрытых сверху гидроизоляционной пленкой, которые соединены перемычками с коллекторами одноименных зарядов и уложены своей тыльной стороной на верхнюю сторону опорнотеплообменной плоскости, выполненной из механически прочного материала с высокой теплопроводностью, к нижней стороне которой приложены плоские термоэлектрические преобразователи, к тыльной стороне которых прижаты радиаторы, представляющие собой полосы в форме тавра, изготовленные из механически прочного материала с высокой теплопроводностью, пограничные торцы слоеной плоскости покрыты теплозащитной лентой, при этом термоэлектрические преобразователи также снабжены перемычками с коллекторами одноименных зарядов и наряду с одноименной электропроводкой фотоэлементов, в свою очередь, соединены с накопительным блоком.

На фиг. 1–4 представлена гелиотермоэлектростанция (ГТЭС): фиг. 1, 2 – общий вид и разрез ГТЭС; фиг. 3,4– компоновка элементов ГТЭС.

Предлагаемая гелиотермоэлектростанция (ГТЭС) содержит слоеную плоскость 1, собранную из фотоэлементов 2, покрытых сверху гидроизоляционной пленкой 3, которые соединены перемычками 4 с коллекторами одноименных зарядов 5, 6 и уложены своей тыльной стороной на верхнюю сторону опорнотеплообменной плоскости (ОТП) 7, выполненной из механически прочного материала с высокой теплопроводностью, к нижней стороне которой приложены плоские термоэлектрические преобразователи (ТЭП) 8 (например, элементы Пелтье), к тыльной стороне которых прижаты радиаторы 9, представляющие собой полосы в форме тавра, изготовленные из механически прочного материала с высокой теплопроводностью (узлы крепления элементов ГТЭС на фиг. 1–4 не показаны), пограничные торцы слоеной плоскости 1 ГТЭС покрыты теплозащитной лентой 10, при этом термоэлектрические преобразователи 8 также снабжены перемычками 4 с коллекторами одноименных зарядов 5, 6 и, наряду с одноименной электропроводкой фотоэлементов 2, в свою очередь, соединены с накопительным блоком (на фиг. 1–4 не показан).

Количество фотоэлементов 2, входящих в плоскость 1, ТЭП 8 определяется в зависимости от конструкции, расположения аппарата и требуемой мощности. Плоскость 1 ориентируют на месте установки по солнечному освещению и соединяют с потребителем (на фиг.1–4 не показан). Местом установки ГТЭС могут быть космическое или воздушное пространство.

В основу работы предлагаемой ГТЭС положено свойство фотоэлементов 2 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [А. с. СССР №1603152, МПК F24 J2/32, 1990]. При этом использование ОТП 7 и ТЭП 8 для охлаждения фотоэлементов 4 позволяет наряду с их охлаждением получать дополнительное количество электричества за счет эффекта термоэлектричества. Так как плоские термоэлектрические преобразователи 8 выполнены в виде элементов Пелтье, то при нагреве их верхних поверхностей ОТП 7 и охлаждении наружных поверхностей радиаторами 9 на них устанавливаются разные температуры, в результате чего в элементах Пелтье появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Четырехслойная компоновка ГТЭС (сверху – фотоэлемент 2, посредине – ОТП 7, снизу – ТЭП 8 (элементы Пелтье) и радиаторы 9 позволяет одновременно производить съем тепла с фотоэлементов 2 с заданной скоростью, нагревать элементы Пелтье 8 при требуемой для них температуре также с заданной скоростью, генерируя дополнительное количество электричества и отводить избыточное тепло в окружающую среду.

При этом, для обеспечения заданных времени и температуры при снятия тепла с фотоэлементов 2, нагрева и охлаждения ТЭП 8 производится специальный подбор материала с соответствующим коэффициентом теплопроводности λ и толщиной δ для ОТП 7, а также материала и площади радиаторов 9 (радиаторы 9 приняты в виде полос в форме тавра для обеспечения достаточной площади теплообмена и жесткости всей конструкции слоеной плоскости 1 ГТЭС).

Количество фотоэлементов 2, входящих в плоскость 1, определяется в зависимости от наружных условий места установки ГТЭС и требуемой мощности. Сборку ГТЭС осуществляют перед ее размещением, после чего слоеную плоскость 1 ориентируют на месте установки по солнечному освещению и соединяют с потребителем (на фиг.1–4 не показан).

ГТЭС работает следующим образом. После установки ГТЭС наружная поверхность фотоэлементов 2 нагревается солнечными лучами, генерируя электричество, а их нижняя поверхность охлаждается в результате контакта с поверхностью ОТП 7 и нагревает ее, отдавая тепло, выделившееся в результате генерации электричества. При нагреве ОТП 7 за счет ее теплопроводности происходит передача тепла ТЭП 8 (элементам Пелтье), нагревая их, в результате чего происходит равномерный нагрев их внутренней поверхности. В тоже время, так как нижняя поверхность элементов ТЭП 8 соединена с радиаторами 9, а снаружи температура среды значительно ниже и равна t_С создается значительная разность температур между температурой нижней поверхности элементов Пелтье 8 t_П и температурой среды (t_П– t_С), в результате чего между ними происходит процесс теплообмена, который в условиях космоса осуществляется, в основном, радиацией. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения в элементах Пелтье 8 вызывает в них эмиссию электронов и возникновение в них термоэлектричества. Полученное электричество в фотоэлементах 2 и термоэлектричество ТЭП 8 (элементов Пелтье) через перемычки 4 и коллекторы одноименных зарядов 5, 6 (расположение перемычек 4 и коллекторов 5, 6 на фиг. 1–4 показано условно) поступает в накопительный блок и потребителю (на фиг.1–4 не показаны).

При этом, наличие теплозащитной ленты 10 на торцевых кромках слоеной плоскости 1 предохраняет их от контакта с охлаждающей внешней средой и таким образом предотвращает переохлаждение крайних участков ГТЭС, что также повышает количество вырабатываемого электричества.

Величина разности электрического потенциала на токовыводах коллекторов одноименных зарядов гелиотермоэлектростанции, сила электрического тока зависят от продолжительности и интенсивности солнечного облучения, температуры и других характеристик наружной среды, характеристик и количества фотоэлементов, характеристик опорнотеплообменной плоскости, характеристик и количества элементов Пелтье и радиторов.

В качестве примера эффективности предлагаемого изобретения можно привести данные по результатам испытаний интеграции малого космического аппарата (МКА) «Ecuador-UTE» в Московском гос. университете им. М. В. Ломоносова от 05.06.2019. В качестве источника электроснабжения в этом аппарате использовалась батарея фотоэлементов ЖЦПИ757341.156. Температура солнечного нагрева поверхности составляла в среднем 100°С .Результаты испытаний показали, что каждый фотоэлемент батареи в среднем вырабатывает электроэнергию следующих параметров:

I_p, мA U_p, мВ P,мВт

480–500 2370-2400 1150-1198.

В тоже время, известно, что термоэлектрические преобразователи, например, американский «VT-71-1,4-1,15», при сходных геометрических размерах и температурах нагрева вырабатывает электроэнергию следующих параметров:

I_max (amps) Q_max (watts) V_max(volts) DT_max (Potted)

7,9 43 8,8 66.

Eсли известный источник электроснабжения МКА в соответствии с предлагаемым изобретением снабдить таким термоэлектрическим преобразователем, то результаты эксперимента и приведенные рабочие характеристики ТЭП «VT-71-1,4-1,15» показывают, что использование предлагаемого изобретения с таким характеристиками фотоэлементов и термоэлектрических преобразователей позволит многократно увеличить мощность ГТЭС для МКА.

Таким образом, предлагаемая гелиотермоэлектростанция обеспечивает утилизацию солнечной энергии и холода окружающей среды (воздушного или космического пространства) с получением электрической энергии, которую можно использовать для обслуживания, например, малых космических аппаратов без затраты топлива и загрязнения окружающей среды, что, в конечном счете, повышает надежность и эффективность ее работы.

Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для утилизации тепловой энергии природных источников, а именно для прямой трансформации солнечной энергии в электрическую в различных условиях. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности гелиотермоэлектростанции. Технический результат достигается гелиотермоэлектростанцией, содержащей слоеную прямоугольную плоскость, собранную из фотоэлементов, покрытых сверху гидроизоляционной пленкой, которые соединены перемычками с коллекторами одноименных зарядов и уложены своей тыльной стороной на верхнюю сторону опорнотеплообменной плоскости, выполненной из механически прочного материала с высокой теплопроводностью, к нижней стороне которой приложены плоские термоэлектрические преобразователи, к тыльной стороне которых прижаты радиаторы, представляющие собой полосы в форме тавра, изготовленные из механически прочного материала с высокой теплопроводностью, пограничные торцы слоеной плоскости покрыты теплозащитной лентой, при этом термоэлектрические преобразователи также снабжены перемычками с коллекторами одноименных зарядов и наряду с одноименной электропроводкой фотоэлементов, в свою очередь, соединены с накопительным блоком. 4 ил.

Гелиотермоэлектростанция, содержащая слоеную прямоугольную плоскость, собранную из фотоэлементов, покрытых сверху гидроизоляционной пленкой, плоских термоэлектрических преобразователей, к тыльной стороне которых прижаты радиаторы, представляющие собой полосы в форме тавра, изготовленные из механически прочного материала с высокой теплопроводностью, причем фотоэлементы и термоэлектрические преобразователи снабжены перемычками с коллекторами одноименных зарядов, которые, в свою очередь, соединены с накопительным блоком, отличающаяся тем, что фотоэлементы уложены своей тыльной стороной на верхнюю сторону опорнотеплообменной плоскости, выполненной из механически прочного материала с высокой теплопроводностью, к нижней стороне которой приложены плоские термоэлектрические преобразователи, а пограничные торцы слоеной плоскости покрыты теплозащитной лентой.