RU137601U1

RU137601U1 - LOW-VOLUME SOLAR ENERGY CONVERTER TO ELECTRICAL

Info

Publication number: RU137601U1
Application number: RU2013121678/06U
Authority: RU
Inventors: Сергей Андреевич Андреев; Юрий Александрович Судник; Антон Викторович Вагин; Дмитрий Васильевич Шибаров
Original assignee: Сергей Андреевич Андреев
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2014-02-20

Abstract

Малообъемный преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий установленные в фокусе отражателя коаксиальные трубки, внутренняя из которых имеет на внешней поверхности фотоэлементы, внешняя трубка выполнена прозрачной, а зазор между трубками заполнен жидкостью, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен термоэлектрическим преобразователем и трубопроводом, подсоединенным к концам коаксиальных трубок, термоэлектрический преобразователь закреплен в верхней части трубопровода, а выходы фотоэлементов и термоэлектрического преобразователя соединены последовательно, причем коаксиальные трубки и трубопровод размещены под углом к горизонту.A small volume solar-to-electric converter containing coaxial tubes installed in the focus of the reflector, the inside of which has photocells on the outer surface, the outer tube is transparent, and the gap between the tubes is filled with liquid, characterized in that it is additionally equipped with a thermoelectric converter and a pipe connected to the ends of the coaxial tubes, the thermoelectric converter is fixed in the upper part of the pipeline, and the outputs of the photocells and thermoelectric The transducer is connected in series, with the coaxial tubes and piping placed at an angle to the horizontal.

Description

Полезная модель относится к гелиоэнергетике, в частности, к установкам для преобразования солнечной энергии в электрическую и может быть использована в качестве энергетического источника при автономном энергообеспечении.The utility model relates to solar energy, in particular, to installations for converting solar energy into electrical energy and can be used as an energy source for autonomous energy supply.

Известен преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий установленные в фокусе отражателя коаксиальные трубки, внутренняя из которых имеет на внешней поверхности фотоэлементы, внешняя трубка выполнена прозрачной, а зазор между трубками заполнен жидкостью (см. патент РФ 2013713, F24J 2/02, F24J 2/18,опубл. 30.05.1994).A known converter of solar energy into electrical energy, containing coaxial tubes installed in the focus of the reflector, the inner of which has photocells on the outer surface, the outer tube is transparent, and the gap between the tubes is filled with liquid (see RF patent 2013713, F24J 2/02, F24J 2 / 18, published May 30, 1994).

Недостатком такого преобразователя является его низкая эффективность вследствие недостаточного охлаждения фотоэлементов (коэффициент полезного действия фотоэлементов существенно снижается при их нагреве до 60…75°C), а также неиспользования тепловой энергии, выделяемой при их работе и отводимой жидкостью. Кроме того, известный преобразователь солнечной энергии в электрическую имеет значительные габариты (занимает большой объем пространства), поскольку для охлаждения жидкости, находящейся в зазоре между трубкам, необходим дополнительный теплообменник в виде радиатора.The disadvantage of this converter is its low efficiency due to insufficient cooling of the photocells (the efficiency of the photocells decreases significantly when they are heated to 60 ... 75 ° C), as well as the non-use of thermal energy released during their operation and the liquid removed. In addition, the known converter of solar energy into electrical energy has significant dimensions (occupies a large amount of space), since an additional heat exchanger in the form of a radiator is needed to cool the liquid in the gap between the tubes.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы преобразователя солнечной энергии в электрическую за счет интенсификации охлаждения фотоэлементов и утилизации отводимой теплоты.The technical result of the proposed utility model is to increase the efficiency of the converter of solar energy into electrical energy by intensifying the cooling of solar cells and utilizing the heat removed.

Такой технический результат достигается тем, что известный преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий установленные в фокусе отражателя коаксиальные трубки, внутренняя из которых имеет на внешней поверхности фотоэлементы, внешняя трубка выполнена прозрачной, а зазор между трубками заполнен жидкостью, дополнительно оснащен термоэлектрическим преобразователем и трубопроводом, подсоединенным к концам коаксиальных трубок, термоэлектрический преобразователь закреплен в верхней части трубопровода, а выходы фотоэлементов и термоэлектрического преобразователя соединены последовательно, причем, коаксиальные трубки и трубопровод размещены под углом к горизонту.This technical result is achieved by the fact that the known converter of solar energy into electrical energy, containing coaxial tubes installed in the focus of the reflector, the inside of which has photocells on the outer surface, the outer tube is made transparent, and the gap between the tubes is filled with liquid, is additionally equipped with a thermoelectric converter and a pipeline, connected to the ends of the coaxial tubes, the thermoelectric transducer is fixed in the upper part of the pipeline, and the outputs are with a photocell entom and thermoelectric converter are connected in series, moreover, coaxial tubes and piping are placed at an angle to the horizontal.

На фиг.1 представлен общий вид малообъемного преобразователя солнечной энергии в электрическую.Figure 1 presents a General view of a low-volume Converter of solar energy into electrical energy.

Малообъемный преобразователь солнечной энергии в электрическую содержит отражатель 1, выполненный, например, в форме желоба с нанесенным на его внутреннюю поверхность светоотражающим покрытием. В оптическом фокусе отражателя 1 размещены коаксиальные трубки 2, включающие внешнюю трубку 3 и внутреннюю трубку 4. На внешней поверхности внутренней трубки 4 укреплены фотоэлементы 5. Внешняя трубка 3 является прозрачной. Зазор между внешней трубкой 3 и внутренней трубкой 4 заполнен прозрачной охлаждающей жидкостью. Коаксиальные трубки 2 установлены наклонно (например, под углом 40°…60°) к горизонту. Концы коаксиальных трубок 2 соединены между собой трубопроводом 6, образующим внешний замкнутый контур. При этом часть трубопровода 6, подсоединенная к верхнему концу коаксиальных трубок 2, размещена наклонно (например, под углом 10°…15°) к горизонту. В верхней части трубопровода 6 установлен термоэлектрический преобразователь 7, выполненный, например, в виде батареи термопар. Термоэлектрический преобразователь 7 должен находитсься в разнотемпературной среде: его «горячая» точка должна быть расположена в зоне нахождения охлаждающей жидкости с максимальной температурой, а «холодная» точка - при температуре окружающего воздуха. Выходы фотоэлементов 5 и термоэлектрического преобразователя 7 соединены последовательно, образуя свободными концами общий электрический выход малообъемного преобразователя солнечной энергии в электрическую, подключаемый к нагрузке.A small-volume converter of solar energy into electrical energy contains a reflector 1, made, for example, in the form of a gutter with a reflective coating deposited on its inner surface. In the optical focus of the reflector 1, coaxial tubes 2 are placed, including an outer tube 3 and an inner tube 4. On the outer surface of the inner tube 4, photocells 5 are mounted. The outer tube 3 is transparent. The gap between the outer tube 3 and the inner tube 4 is filled with a clear coolant. Coaxial tubes 2 are installed obliquely (for example, at an angle of 40 ° ... 60 °) to the horizon. The ends of the coaxial tubes 2 are interconnected by a pipe 6, forming an external closed loop. In this case, a part of the pipeline 6 connected to the upper end of the coaxial tubes 2 is placed obliquely (for example, at an angle of 10 ° ... 15 °) to the horizon. In the upper part of the pipeline 6, a thermoelectric converter 7 is installed, made, for example, in the form of a thermocouple battery. The thermoelectric transducer 7 should be in a different temperature environment: its “hot” point should be located in the zone of coolant at maximum temperature, and the “cold” point should be at ambient temperature. The outputs of the photocells 5 and the thermoelectric transducer 7 are connected in series, forming the free ends of the common electrical output of the low-volume solar energy to electric converter connected to the load.

Малообъемный преобразователь солнечной энергии в электрическую работает следующим образом. Солнечная энергия, воздействуя на коаксиальные трубки 2, проходит через прозрачную внешнюю трубку 3, попадает на отражатель 1, а затем концентрируется на внешней поверхности внутренней трубки 4, где расположены фотоэлементы 5. В фотоэлементах 5 происходит преобразование световой энергии в электрическую. При этом в фотоэлементах выделяется теплота. Эта теплота является следствием, во-первых, процессов в многослойной полупроводниковой структуре фотоэлементов 5 и, во-вторых, - результатом взаимодействия световой энергии с твердым телом (фотоэлементами 5). Охлаждающая жидкость, заполняющая зазор между внешней трубкой 3 и внутренней трубкой 4, нагревается. В результате разности плотностей горячей и холодной охлаждающей жидкости (например, плотность воды при температуре 20°C составляет 990 кг/м³, а при температуре 70°С - 970 кг/м³) горячая охлаждающая жидкость поднимется в верхнюю часть зазора между коаксиальными трубками 2, а холодная охлаждающая жидкость опустится в его нижнюю часть. Поскольку трубопровод 6 замыкает оба конца коаксиальных трубок 2, а верхняя его часть расположена под наклоном к горизонту, охлаждающая жидкость придет в движение, направление которого на фиг1 показано стрелкой. При этом охлаждающая жидкость с максимальной температурой будет сосредоточена в верхней части малообъемного преобразователя солнечной энергии в электрическую. Термоэлектрический преобразователь 7, находясь в разнотемпературной среде, преобразует тепловую энергию в электрическую. Эта электрическая энергия складывается с электрической энергией, преобразуемой фотоэлементами 5 из световой составляющей и, таким образом, утилизируется.A small converter of solar energy into electrical energy operates as follows. Solar energy, acting on coaxial tubes 2, passes through a transparent outer tube 3, enters the reflector 1, and then concentrates on the outer surface of the inner tube 4, where photocells 5 are located. In photocells 5, light energy is converted into electrical energy. In this case, heat is generated in the photocells. This heat is the result, firstly, of processes in the multilayer semiconductor structure of photocells 5 and, secondly, the result of the interaction of light energy with a solid (photocells 5). The coolant filling the gap between the outer tube 3 and the inner tube 4 is heated. As a result of the density difference between the hot and cold coolant (for example, the density of water at a temperature of 20 ° C is 990 kg / m ³ , and at a temperature of 70 ° C - 970 kg / m ³ ), the hot coolant rises to the top of the gap between the coaxial tubes 2, and cold coolant will sink into its lower part. Since the pipeline 6 closes both ends of the coaxial tubes 2, and its upper part is inclined to the horizon, the coolant will come into motion, the direction of which in Fig. 1 is shown by an arrow. In this case, the coolant with the maximum temperature will be concentrated in the upper part of the low-volume converter of solar energy into electrical energy. Thermoelectric Converter 7, while in a different temperature medium, converts thermal energy into electrical energy. This electrical energy is added to the electrical energy converted by the photocells 5 from the light component and is thus disposed of.

При увеличении нагрузки, подключаемой к выходу малообъемного преобразователя солнечной энергии в электрическую, величина потребляемого электрического тока возрастает. Этот ток является нагрузочным по отношению к термоэлектрическому преобразователю 7. Под влиянием тока происходит уменьшение разности температур в разнотемпературной среде расположения термоэлектрического преобразователя 7 (температура «горячей» точки уменьшается, а температура «холодной» точки увеличивается). Поскольку температура «горячей» точки определяется температурой охлаждающей жидкости, увеличение нагрузки будет способствовать интенсификации охлаждения фотоэлементов 5. Таким образом, при использовании предлагаемой полезной модели происходит саморегулирование теплового режима фотоэлементов 5. Кроме того, отсутствие необходимости в установке дополнительных теплообменных аппаратов (радиаторов охлаждения) существенно уменьшает габариты преобразователя или позволяет преобразовать большую энергию при тех же габаритах.With an increase in the load connected to the output of a small-volume converter of solar energy into electrical energy, the amount of consumed electric current increases. This current is load-bearing with respect to the thermoelectric converter 7. Under the influence of the current, the temperature difference in the different-temperature medium of the arrangement of the thermoelectric converter 7 decreases (the temperature of the hot spot decreases, and the temperature of the cold point increases). Since the temperature of the "hot" point is determined by the temperature of the coolant, an increase in the load will contribute to the intensification of cooling of the solar cells 5. Thus, when using the proposed utility model, the thermal regime of the solar cells is self-regulated 5. In addition, the absence of the need to install additional heat exchangers (cooling radiators) reduces the dimensions of the converter or allows you to convert more energy with the same dimensions.

Эффективность заявляемой полезной модели иллюстрируется следующим примером. Для современных преобразователей световой составляющей солнечной энергии в электрическую модностью 400 кВт величина тепловых потерь составляет 12…15%. В этих преобразователях утилизации подлежат примерно 60% выделенной тепловой энергии. КПД термоэлектрических преобразователей при перепаде температур в разнотемпературной среде 50°C составляет 7%. Таким образом, общая преобразованная солнечная энергия по световой и тепловой составляющим определяется выражением:The effectiveness of the claimed utility model is illustrated by the following example. For modern converters of the light component of solar energy into electrical modality of 400 kW, the value of heat loss is 12 ... 15%. In these converters, approximately 60% of the thermal energy released is reclaimed. The efficiency of thermoelectric converters at a temperature difference of 50 ° C in a different temperature medium is 7%. Thus, the total converted solar energy in terms of light and heat components is determined by the expression:

P=P_n+S×Т×η×P_n,P = P _n + S × T × η × P _n ,

где P_n - номинальная мощность фотоэлементов, P=400 кВт,where P _n is the rated power of the solar cells, P = 400 kW,

S - процент тепловых потерь, S=0,12;S is the percentage of heat loss, S = 0.12;

T - доля утилизованной теплоты, Т=0,6;T is the fraction of heat utilized, T = 0.6;

η - КПД термоэлектрического преобразователя, η=0,07η is the efficiency of the thermoelectric converter, η = 0.07

Р=400+0,12×0,6×0,07×400=403 кВтP = 400 + 0.12 × 0.6 × 0.07 × 400 = 403 kW

Помимо перечисленных преимуществ реализация заявляемой полезной модели улучшает тепловой режим работы фотоэлементов, что увеличивает продолжительность их эксплуатации.In addition to the listed advantages, the implementation of the claimed utility model improves the thermal regime of the solar cells, which increases the duration of their operation.

Claims

A small volume solar-to-electric converter containing coaxial tubes installed in the focus of the reflector, the inner of which has photocells on the outer surface, the outer tube is transparent, and the gap between the tubes is filled with liquid, characterized in that it is additionally equipped with a thermoelectric converter and a pipe connected to the ends of the coaxial tubes, the thermoelectric converter is fixed in the upper part of the pipeline, and the outputs of the photocells and thermoelectric The transducer is connected in series, with the coaxial tubes and piping placed at an angle to the horizontal.