Система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию Российский патент 2024 года по МПК H02S10/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики и может быть использовано для преобразования солнечной и тепловой энергии в электрическую.

Уровень техники

Известен термоэлектрический генератор (патент RU на ПМ № 166483, публ. 27.11.2016, МПК H02S10/30, H01L31/042, H01J45/00), включающий последовательно соединенные первый блок термоэлементов (ТЭ), блок управления, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора, инвертор, первую емкость, наполненную первым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), радиатор с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ прикреплена первая емкость с первым ТАМ, способным поглощать и накапливать тепло за счет изменений температуры окружающей среды и генерировать тепло за счет экзотермического фазового перехода (ЭФП) под воздействием изменений температуры окружающей среды, солнечные батареи, солнечный коллектор (СК), наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью и имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность, вторая и третья дополнительные емкости, наполненные соответственно вторым и третьим ТАМ, а также второй, третий и четвертый блоки ТЭ, причем солнечные батареи прикреплены к верхней стороне СК, к нижней стороне СК прикреплен второй блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью.

Среди недостатков данной конструкции следует отметить относительную сложность конструкции для организации сбора энергии с использованием фотоэлектрического преобразователя и термоэлектрического устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является система сбора энергии с использованием фотоэлектрического преобразователя и термоэлектрического устройства (Lashin A., Turkestani M., Sabry M. Concentrated Photovoltaic/Thermal Hybrid System Coupled with a Thermoelectric Generator // Energies. 2019. Vol. 12. P. 2623., Figure 2, URL: https://doi.org/10.3390/en12132623), включающая фотоэлектрический преобразователь, обращенный одной стороной к солнечному концентратору, а второй стороной соединенный с горячим слоем термоэлектрического генератора на основе p-n перехода, холодный спай которого находится в контакте с теплообменным устройством, погруженным в водяную ванну с подающим и обратным трубопроводами.

Недостатками настоящего технического решения являются относительно низкая эффективность отвода тепла от теплообменного устройства в водяной ванне и, как следствие, пониженная эффективность работы фотоэлектрического преобразователя в условиях его работы при повышенном температурном режиме относительно номинального значения.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности отвода тепла от теплообменного устройства термоэлектрического генератора.

Технический результат заключается в повышении эффективности работы системы сбора энергии с использованием фотоэлектрического преобразователя и термоэлектрического генератора при повышенном температурном режиме относительно номинального значения.

Это достигается тем, что известная система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, содержащая фотоэлектрический преобразователь, обращенный рабочей стороной к солнечному концентратору, а теплообменной стороной соединенный с горячим спаем термоэлектрического генератора на основе p-n перехода, холодный спай которого находится в контакте с теплообменным устройством, погруженным в водяную ванну с подающим и обратным трубопроводами, снабжена эластичной мембраной, ударным узлом, циркуляционным насосом, теплообменником нагрузки, аккумулятором и контроллером, причем теплообменное устройство соединено с водяной ванной эластичной мембраной с возможностью его хода в вертикальном и горизонтальном направлениях, подающий и обратный трубопроводы подключены к теплообменнику нагрузки, циркуляционный насос установлен на подающем трубопроводе, а ударный узел установлен на обратном трубопроводе, термоэлектрический генератор подключен циркуляционному насосу контроллером, соединенным с аккумулятором.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.

Осуществление изобретения

Система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию содержит фотоэлектрический преобразователь 1, обращенный рабочей стороной 2 к солнечному концентратору 3, а теплообменной стороной 4 соединенный с горячим спаем 5 термоэлектрического генератора 6 на основе p-n перехода, холодный спай 7 которого находится в контакте с теплообменным устройством 8, погруженным в водяную ванну 9 с подающим 10 и обратным 11 трубопроводами. Система также содержит эластичную мембрану 12, ударный узел 13, циркуляционный насос 14, теплообменник нагрузки 15, аккумулятор 16 и контроллер 17. Причем теплообменное устройство 8 соединено с водяной ванной 9 эластичной мембраной 12 с возможностью его хода в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Подающий 10 и обратный 11 трубопроводы подключены к теплообменнику нагрузки 15. Циркуляционный насос 14 установлен на подающем трубопроводе 10, а ударный узел 13 установлен на обратном трубопроводе 11. Термоэлектрический генератор 6 подключен к циркуляционному насосу 14 контроллером 17, соединенным с аккумулятором 16.

Система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию работает следующим образом.

Сначала гидравлический контур, образованный водяной ванной 9, подающим трубопроводом 10, циркуляционным насосом 14, теплообменником нагрузки 15, ударным узлом 13 и обратным трубопроводом 11, заполняют водой до полного удаления воздуха. Фотоэлектрический преобразователь 1 соединяют с приемником электрической энергии (на чертеже не указан). Затем проводят настройку солнечного концентратора 3 для фокусировки солнечного излучения на рабочую сторону 2 фотоэлектрического преобразователя 1. В результате поступления солнечной энергии на фотоэлектрический преобразователь 1, он начинает генерировать электрическую энергию, отпускаемую потребителю в сеть, и нагревается в процессе работы. Теплота фотоэлектрического преобразователя 1 от его теплообменной стороны 4 передается горячему спаю 5 термоэлектрического генератора 6. Поскольку холодный спай 7 термоэлектрического генератора 6 соединен с теплообменным устройством 8, охлаждаемым в водяной ванне 9, то образующаяся разница температур на между горячим 5 и холодным 7 спаями термоэлектрического генератора 6 позволяет генерировать эклектический ток, который при управлении контроллером 17 питает циркуляционный насос 14 и обеспечивает запас электрической энергии в аккумуляторе 16. При включении циркуляционного насоса 14 происходит циркуляция воды в водяной ванне 9 от подающего трубопровода 10 к обратному трубопроводу 11 на вход ударного узла 13, а затем через теплообменник нагрузки 15 обратно на вход циркуляционного насоса 14.

В результате циркуляции воды, создаваемой циркуляционным насосом 14 обеспечивается вынужденный конвективный теплообмен от теплообменного устройства 8, расположенного в водяной ванне 9, что дополнительно увеличивает перепад температур между горячим 5 и холодным 7 спаями, увеличивая тем самым эффективность термоэлектрического генератора 6. При достижении заданной скорости циркуляции воды в работу включается ударный узел 13, который периодически перекрывает проходное сечение обратного трубопровода 11 в автоматическом самоподдерживающемся или внешне управляемом режиме (в зависимости от типа применяемой конструкции ударного узла). В автоматическом самоподдерживающемся режиме периодичность перекрытия определяется естественной сменой фаз волн при гидравлическом ударе, которая определяется гидравлическими характеристиками системы. Для внешне управляемого режима частота задается управляющим устройством (на чертеже не указано). При закрытии ударного узла 13 возникает гидравлический удар, положительная волна распространения которого обеспечивает колебательное движение теплообменного устройства 8 в вертикальном и горизонтальном направлениях за счет податливости эластичной мембраны 12. В момент, когда положительная волна гидроудара сменяется на отрицательную, наступает понижение давления, в результате которого проходное сечение ударного узла 13 открывается и циркуляция воды вновь возобновляется. В этот же момент теплообменное устройство 8 возвращается в свое исходное состояние за счет податливости эластичной мембраны 12, что обеспечивает интенсифицированный отвод тепла за счет движения теплообменного устройства 8 в водяной ванне 9. Часть тепла, воспринятого водой от теплообменного устройства 8 передается потребителю (на чертеже не указан) при помощи теплообменника нагрузки 15.

При таком интенсифицированном отводе тепла от теплообменного устройства 8 обеспечивается повышенная выработка электрической энергии от фотоэлектрического преобразователя 1 и термоэлектрического генератора 6 до тех пор, пока присутствует циркуляция воды и наличие солнечного излучения.

В результате использования данной конструкции системы сбора энергии с использованием фотоэлектрического преобразователя и термоэлектрического устройства обеспечивается повышение эффективности преобразования солнечной и тепловой энергии в электрическую, что достигается интенсификацией отвода теплоты от холодной стороны термоэлектрического генератора, а также принудительным импульсным охлаждением фотоэлектрического элемента за счет организации колебаний его поверхности, чем также обеспечивается ее постоянная очистка от коллоидных загрязнений.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, может быть использовано для преобразования солнечной и тепловой энергии в электрическую. Технический результат: повышение эффективности работы системы сбора энергии с использованием фотоэлектрического преобразователя и термоэлектрического генератора за счет повышения эффективности отвода тепла от теплообменного устройства термоэлектрического генератора. Сущность: система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию содержит фотоэлектрический преобразователь, обращенный рабочей стороной к солнечному концентратору, а теплообменной стороной соединенный с горячим спаем термоэлектрического генератора на основе p-n перехода. Холодный спай термоэлектрического генератора находится в контакте с теплообменным устройством, погруженным в водяную ванну с подающим и обратным трубопроводами. Система снабжена эластичной мембраной, ударным узлом, циркуляционным насосом, теплообменником нагрузки, аккумулятором и контроллером. Теплообменное устройство соединено с водяной ванной эластичной мембраной с возможностью его хода в вертикальном и горизонтальном направлениях. Подающий и обратный трубопроводы подключены к теплообменнику нагрузки. Циркуляционный насос установлен на подающем трубопроводе. Ударный узел установлен на обратном трубопроводе. Термоэлектрический генератор подключен к циркуляционному насосу через контроллер, соединенный с аккумулятором. 1 ил.

Система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, содержащая фотоэлектрический преобразователь, обращенный рабочей стороной к солнечному концентратору, а теплообменной стороной соединенный с горячим спаем термоэлектрического генератора на основе p-n перехода, холодный спай которого находится в контакте с теплообменным устройством, погруженным в водяную ванну с подающим и обратным трубопроводами, отличающаяся тем, что она снабжена эластичной мембраной, ударным узлом, циркуляционным насосом, теплообменником нагрузки, аккумулятором и контроллером, причем теплообменное устройство соединено с водяной ванной эластичной мембраной с возможностью его хода в вертикальном и горизонтальном направлениях, подающий и обратный трубопроводы подключены к теплообменнику нагрузки, циркуляционный насос установлен на подающем трубопроводе, а ударный узел установлен на обратном трубопроводе, термоэлектрический генератор подключен к циркуляционному насосу через контроллер, соединенный с аккумулятором.