Способ и устройство стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля Российский патент 2023 года по МПК H01L31/52 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области солнечной энергетики, а именно к концентраторным солнечным фотоэлектрическим преобразователям с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую, установленным на системах охлаждения с использованием тепловой энергии с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую, и применяемым на наземных гелиоэнергетических установках, а именно солнечных батареях с теплоиспользующими модулями.

Уровень техники

Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием оптических концентраторов в многокаскадных солнечных элементах с системами утилизации тепловой энергии является одним из вариантов получения электроэнергии. Оптические концентраторы обеспечивают высокую степень концентрации солнечного излучения, приводят к увеличению КПД преобразователя и уменьшают площадь солнечных элементов. В свою очередь концентрация солнечного излучения приводит к повышению температурного уровня солнечных элементов. Для использования тепла, выделяемого фотоэлектрическими преобразователями, на них устанавливают системы охлаждения с использованием получаемой при этом тепловой энергии. Выбор фотоэлементов и обеспечение их температурного режима приводит к повышению КПД фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения. Использование полученной тепловой энергии и стабилизация их температурного режима позволит выдерживать высокий суммарный КПД преобразователей солнечного излучения. Отсутствие стабильного рабочего температурного режима фотоэлектрических преобразователей приводит к большим отклонениям в выработке электроэнергии и соответственно к падению КПД установки.

Так максимальную мощность фотоэлемента определяют при солнечной радиации близкой к максимуму 1000 Вт/м2 и при температуре поверхности фотоэлемента +25оС. Но при превышении температуры на 1 градус выше стандартной (+25оС) максимально мощность снижается ~ на 0,48% (это ~ 0,002v/градус одного элемента). Если учесть гарантированный заводской рабочий температурный диапазон фотоэлемента -50оС -:-+90оС, то потери мощности составляют ~ 30%.

При температуре ниже+25оС выработка энергии может быть и больше максимальной на те же 0,48%, но при снижении температуры окружающей среды ниже -0оС к -40оС проявляются другие условия работы, приводящие опять к потере мощности установки.

Энергетический КПД известных в настоящее время фотоэлектрических преобразователей ограничен; его повышения достигают за счет дополнительного использования тепловой энергии, не стабилизируя, однако, рабочую температуру собственно фотоэлектрического элемента, и не управляя, как правило, работой теплогенераторов, что приводит к снижению выработки электроэнергии и снижению его мощности, а также срока службы.

Известен фотоэлектрический модуль (пат. РФ №2395136; МПК H01L31/042, опубл. 20.07.2010), включающий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель с солнечными элементами, снабженными теплоотводящими основаниями.

Недостатком устройства является использование фотоэлектрического модуля, где значительная часть солнечной энергии, не преобразованная в электрическую, превращается в тепло, которое от фотоэлементов передается теплоотводящим основаниям и рассеивается в окружающей среде.

Известен фотоэлектрический модуль (пат. РФ №2307294, МПК H01L31/052, опубл. 27.09.2007), содержащий боковые стенки и фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне и солнечные фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Теплоотводящие основания выполнены в виде лотков с плоским дном. Предложенный модуль обеспечивает высокую энерго- производительность фотоэлектрического модуля.

Недостатком устройства является высокая трудоемкость установки фотоэлементов, сложность отвода и использования отводимого тепла.

Известна многоцелевая солнечная батарея (пат. РФ №2164722, МПК H01L31/058, опубл. 27.03.2001), содержащая фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) модульного типа. ФЭП каждого модуля размещены на несущей подложке с каналами для протекания хладагента, при этом модули закреплены на общих силовых подводящих и отводящих коллекторах.

Недостатком, несмотря на повышение эффективности охлаждения ФЭП и снижение массы конструкции, является отсутствие управления тепловым режимом ФЭП.

Наиболее близким техническим решением является устройство стабилизации температурного режима фотоэлектрических преобразователей, раскрытое в пат. РФ №2462789, МПК H01L 31/058, опубл. 27.09.2012, включающее фотовольтаические элементы, при этом под каждым фотоэлектрическим элементом расположена охлаждающая батарея, посредством которой снимаемый тепловой поток передается потребителю тепла.

Недостатком устройства является относительно высокая температура, выдерживаемая первым тепловым насосом +60оС (+70оС), что близко к верхнему пределу рабочего температурного режима термоэлемента, а также сложность системы использования тепла на теплоснабжение и (или) выработку электроэнергии.

В известном изобретении система охлаждения фотоэлементов не обеспечивает выдержку его оптимальных режимных параметров. Это приводит к тому, что при отрицательных температурах окружающей среды температурный режим не поддерживается, а при температуре фотоэлектрических преобразователей выше Т=+25°С система охлаждения работает только до температуры поверхности фотоэлектрических преобразователей Т=+90°С.Далее система не выдерживает и отключается.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка системы охлаждения фото-термоэлектрических преобразователей солнечного излучения с целью увеличения выхода электромагнитной энергии, стабильности их работы с расширением температурного диапазона условий работы.

Технический результат заключается в повышении надежности, срока службы фотоэлектрических и термоэлектрических преобразователей фото-термоэлектрического модуля, обеспечении стабильности выходных параметров электромагнитной энергии.

Технический результат в части способа достигается тем, что в способе стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля, включающем охлаждение тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, теплоотвод от тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей осуществляют испарением теплоносителя в испарителе регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны, тепло, выделенное в конденсаторе, передают на соединенную с конденсатором горячую сторону термоэлектрического преобразователя, при этом холодную сторону термоэлектрического преобразователя охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды, при этом регулирование расхода воздушного потока осуществляют блоком управления по сигналам от датчиков температуры поверхностей фотоэлектрического, термоэлектрического преобразователей и окружающей среды.

Кроме того, отвод тепла от холодной стороны термоэлектрического преобразователя могут осуществлять испарением теплоносителя в испарителе дополнительной регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны, при этом конденсатор дополнительной регулируемой тепловой трубы охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды.

Технический результат в части устройства достигается тем, что в устройстве стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля, включающем систему охлаждения тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, система охлаждения тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей содержит регулируемую тепловую трубу, состоящую из испарителя, транспортной зоны и конденсатора, и термоэлектрический преобразователь, испаритель соединен с тыльной стороной фотоэлектрического преобразователя, конденсатор соединен с горячей стороной термоэлектрического преобразователя, холодная сторона которого выполнена с возможностью охлаждения вентилятором, установленным вместе с блоком управления потоком воздушного охлаждения холодной стороны термоэлектрического преобразователя на площадках, закрепленных на корпусе модуля, блок управления потоком воздушного охлаждения выполнен с возможностью регулирования расхода воздушного потока по сигналам от датчиков температуры поверхностей фотоэлектрического, термоэлектрического преобразователей и окружающей среды.

Кроме того, устройство может быть снабжено дополнительной регулируемой тепловой трубой, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны, при этом холодная сторона термоэлектрического преобразователя соединена с испарителем дополнительной регулируемой тепловой трубы, на внешней оребренной поверхности конденсатора которой закреплены площадки с вентилятором и блоком управления потоком воздушного охлаждения конденсатора дополнительной тепловой трубы.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

Заявленный способ стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля и устройство для его реализации поясняются схемами (фиг. 1; фиг. 2).

Осуществление изобретения

Способ и устройство стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля поясняются схемой (фиг. 1), на которой изображен фотоэлектрический преобразователь 1, соединенный своей тыльной стороной с испарителем 2 регулируемой тепловой трубы, включающей, кроме того, транспортную зону 3 и конденсатор 4, который соединен с горячей стороной (горячими спаями) 5 термоэлектрического преобразователя 6, состоящего из материалов «a» и «b», холодная сторона (холодные спаи) 7 которого выполнена с возможностью охлаждения вентилятором 8. Блок управления 9 связан с исполнительным механизмом (вентилятором) 8. Выход электроэнергии фотоэлектрического преобразователя 1 соединен с первым входом блока управления 9. Выход электроэнергии термоэлектрического преобразователя 6 соединен со вторым входом блока управления 9. Датчик фотоэлектрических преобразователей 10, датчик термоэлектрических преобразователей 11 и датчик температуры окружающей среды 12 соединены с третьим, четвертым и пятым входами блока управления 9. Площадки с вентилятором 8 и блоком управления потоком воздушного охлаждения 9 закреплены на корпусе модуля.

В качестве материалов «a» и «b», из которых состоит термоэлектрический преобразователь 6, могут быть использованы полупроводники «n» и «р» типа.

Для более эффективного охлаждения внешняя поверхность холодной стороны (холодных спаев) термоэлектрического преобразователя 6 может быть оребренной или игольчатой формы.

Способ и устройство стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля с дополнительной регулируемой тепловой трубой поясняются схемой (фиг. 2), на которой изображен фотоэлектрический преобразователь 1, соединенный своей тыльной стороной с испарителем 2 регулируемой тепловой трубы, включающей, кроме того, транспортную зону 3 и конденсатор 4, который соединен с горячей стороной (горячими спаями) 5 термоэлектрического преобразователя 6, состоящего из материалов «а» и «b», холодная сторона (холодные спаи) 7 которого соединена с испарителем 13 дополнительной регулируемой тепловой трубы, включающей, кроме того, транспортную зону 14 и конденсатор 15, имеющий внешнюю оребренную или игольчатую поверхность. Конденсатор 15 выполнен с возможностью охлаждения вентилятором 8. Блок управления 9 связан с исполнительным механизмом (вентилятором) 8. Выход электроэнергии фотоэлектрического преобразователя 1 соединен с первым входом блока управления 9. Выход электроэнергии термоэлектрического преобразователя 6 соединен со вторым входом блока управления 9. Датчик фотоэлектрических преобразователей 10, датчики термоэлектрических преобразователей 11, 16 и датчик температуры окружающей среды 12 соединены с третьим, четвертым, пятым и шестым входами блока управления 9. Площадки с вентилятором 8 и блоком управления потоком воздушного охлаждения 9 установлены на оребренной внешней поверхности конденсатора 15 дополнительной тепловой трубы.

Стабилизация температурного режима осуществляется тем, что теплоотвод от тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей 1 осуществляют испарением теплоносителя в испарителе 2 регулируемой тепловой трубы. Пар из испарителя 2 регулируемой тепловой трубы поступает через транспортную зону 3 в конденсатор 4, где конденсируется. Тепло, выделенное в конденсаторе 4, передается на соединенную с конденсатором 4 горячую сторону (горячие спаи) 5 термоэлектрического преобразователя 6, состоящего из материалов «а» и «b», холодная сторона (холодные спаи) 7 которого охлаждается регулируемым воздушным потоком, обеспечивающим постоянную разность температур между горячей и холодной сторонами термоэлектрического преобразователя. Регулирование воздушного потока осуществляют вентилятором 8, соединенным с блоком управления 9, по сигналам от датчиков преобразователей 10,11 и окружающей среды 12. Воздушный поток создают за счет энергии фотоэлектрических и (или) термоэлектрических преобразователей. Электромагнитная энергия от преобразователей суммируется в блоке управления 9. Блок управления 9 и вентилятор 8 устанавливают на площадках, наиболее удобных для крепления в зависимости от конструктивных особенностей системы охлаждения. Таким образом, поддерживается заданный температурный режим работы преобразователей.

Стабилизация температурного режима устройства с дополнительной регулируемой тепловой трубой осуществляется тем, что теплоотвод от тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей 1 осуществляют испарением теплоносителя в испарителе 2 регулируемой тепловой трубы. Пар из испарителя 2 регулируемой тепловой трубы поступает через транспортную зону 3 в конденсатор 4, где конденсируется. Тепло, выделенное в конденсаторе 4, передается на соединенную с испарителем 4 горячую сторону (горячие спаи) 5 термоэлектрического преобразователя 6, холодная сторона (холодные спаи) 7 которого соединена с испарителем 13 дополнительной регулируемой тепловой трубы, включающей, кроме того, транспортную зону 14 и конденсатор 15, имеющий внешнюю оребренную или игольчатую поверхность. Конденсатор 15 охлаждают вентилятором 8.

Наличие дополнительной регулируемой тепловой трубы позволяет поддерживать постоянную разность температур между холодной и горячей сторонами термоэлектрических преобразователей, так как они связаны с конденсатором одной тепловой трубы и испарителем дополнительной тепловой трубы, теплоносители в которых могут иметь разные температуры испарения и конденсации. Стабильность температуры фотоэлектрического преобразователя обеспечивается прямой связью фотоэлектрических преобразователей с испарителем первой тепловой трубы.

Предлагаемые способы и реализующие их устройства позволяют повысить надежность, срок службы фотоэлектрических и термоэлектрических преобразователей фото- термоэлектрического модуля за счет стабилизации температурных режимов. Стабильность температурных режимов обеспечивает стабильный уровень получаемой электромагнитной энергии. Совместное использование фотоэлектрических и термоэлектрических преобразователей в фото-термоэлектрическом модуле повышает эффективность преобразования солнечного излучения и снижает потери энергии в окружающую среду.

Перечень последовательностей нуклеотидов и (или) аминокислот (если последовательности нуклеотидов и (или) аминокислот использованы для характеристики изобретения)

Информация о результатах доклинических исследований лекарственных средств и клинических исследований лекарственных препаратов (приводится по инициативе заявителя на отдельных листах с целью изъятия при публикации сведений о выдаче патента)

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Способ стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля включает охлаждение тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, при этом теплоотвод от тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей осуществляют испарением теплоносителя в испарителе регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны. Тепло, выделенное в конденсаторе, передают на соединенную с конденсатором горячую сторону термоэлектрического преобразователя, при этом холодную сторону термоэлектрического преобразователя охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды. Регулирование расхода воздушного потока осуществляют блоком управления по сигналам от датчиков температуры поверхностей фотоэлектрического, термоэлектрического преобразователей и окружающей среды. Отвод тепла от холодной стороны термоэлектрического преобразователя могут осуществлять испарением теплоносителя в испарителе дополнительной регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны, при этом конденсатор дополнительной регулируемой тепловой трубы охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды. Также предложено устройство стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля. Технический результат заключается в повышении надежности, срока службы фотоэлектрических и термоэлектрических преобразователей фото-термоэлектрического модуля, обеспечении стабильности выходных параметров электромагнитной энергии. 2 н. и 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля, включающий охлаждение тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, отличающийся тем, что теплоотвод от тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей осуществляют испарением теплоносителя в испарителе регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны, тепло, выделенное в конденсаторе, передают на соединенную с конденсатором горячую сторону термоэлектрического преобразователя, при этом холодную сторону термоэлектрического преобразователя охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды, при этом регулирование расхода воздушного потока осуществляют блоком управления по сигналам от датчиков температуры поверхностей фотоэлектрического, термоэлектрического преобразователей и окружающей среды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отвод тепла от холодной стороны термоэлектрического преобразователя осуществляют испарением теплоносителя в испарителе дополнительной регулируемой тепловой трубы, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны, при этом конденсатор дополнительной регулируемой тепловой трубы охлаждают регулируемым воздушным потоком окружающей среды.

3. Устройство стабилизации температурного режима фото-термоэлектрического модуля, включающее систему охлаждения тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей, отличающееся тем, что система охлаждения тыльной стороны фотоэлектрических преобразователей содержит регулируемую тепловую трубу, состоящую из испарителя, транспортной зоны и конденсатора, и термоэлектрический преобразователь, испаритель соединен с тыльной стороной фотоэлектрического преобразователя, конденсатор соединен с горячей стороной термоэлектрического преобразователя, холодная сторона которого выполнена с возможностью охлаждения вентилятором, установленным вместе с блоком управления потоком воздушного охлаждения холодной стороны термоэлектрического преобразователя на площадках, закрепленных на корпусе модуля, блок управления потоком воздушного охлаждения выполнен с возможностью регулирования расхода воздушного потока по сигналам от датчиков температуры поверхностей фотоэлектрического, термоэлектрического преобразователей и окружающей среды.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что снабжено дополнительной регулируемой тепловой трубой, состоящей из испарителя, конденсатора и транспортной зоны, холодная сторона термоэлектрического преобразователя соединена с испарителем дополнительной регулируемой тепловой трубы, на внешней оребренной поверхности конденсатора которой закреплены площадки с вентилятором и блоком управления потоком воздушного охлаждения конденсатора дополнительной тепловой трубы.