RU2431787C2 - Солнечная электростанция - Google Patents

Солнечная электростанция Download PDF

Info

Publication number
RU2431787C2
RU2431787C2 RU2009133952/06A RU2009133952A RU2431787C2 RU 2431787 C2 RU2431787 C2 RU 2431787C2 RU 2009133952/06 A RU2009133952/06 A RU 2009133952/06A RU 2009133952 A RU2009133952 A RU 2009133952A RU 2431787 C2 RU2431787 C2 RU 2431787C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solar power
photodetector
power station
plane
station according
Prior art date
Application number
RU2009133952/06A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2009133952A (ru
Inventor
Дмитрий Семенович Стребков (RU)
Дмитрий Семенович Стребков
Михаил Иванович Осьмаков (RU)
Михаил Иванович Осьмаков
Сергей Александрович Плохих (RU)
Сергей Александрович Плохих
Original Assignee
Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)
Дмитрий Семенович Стребков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ), Дмитрий Семенович Стребков filed Critical Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)
Priority to RU2009133952/06A priority Critical patent/RU2431787C2/ru
Publication of RU2009133952A publication Critical patent/RU2009133952A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2431787C2 publication Critical patent/RU2431787C2/ru

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44Heat exchange systems

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь, к конструкции солнечных электростанций с концентраторами. В солнечной электростанции, содержащей концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области, фотоприемник выполнен в виде одной или более секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и с p-n переходами, плоскости которых параллельны двум из четырех боковых граней матрицы, и имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях матрицы, которые перпендикулярны плоскости p-n переходов, оптическая ось и фокальная плоскость концентратора перпендикулярна плоскости p-n переходов приемника, а плоскость поперечного сечения концентратора и направление потока концентрированного солнечного излучения параллельны плоскости p-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль ее оси и снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты, а плоскости p-n переходов перпендикулярны оси цилиндрической оболочки. Изобретение должно снизить стоимость установленной мощности и вырабатываемой энергии. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.
Известна солнечная электростанция (СЭС), содержащая параболоцилиндрический концентратор, одноосную систему слежения за Солнцем, трубчатый приемник с жидким теплоносителем, систему подачи теплоносителя, парогенератор и паротурбинную установку и электрогенератор. Солнечная электростанция имеет следующие параметры: концентрация солнечного излучения - 70, температура теплоносителя 400°C, ширина миделя концентратора 6 м, площадь концентраторов 510000 м2, электрическая мощность 50 МВт, стоимость 300 миллионов евро. Общая длина приемников и концентраторов 93,6 км, размеры СЭС 1,3×1,5 км2. Для перекачки 2000 м3 теплоносителя по трубчатому приемнику длиной 93,6 км СЭС затрачивает 10% своей мощности - 5 МВт. Электростанция потребляет в год 850000 м3 воды, эксплуатационные расходы составляют 5,3 млн. долл. США в год, включая зарплату 40 человек обслуживающего персонала. (Sun and Wind Energy, май 2008, с.88-90, Photon International, июнь 2009 г., с.114).
Недостатком известной солнечной электростанции с концентраторами и паротурбинными установками является низкий КПД, высокая стоимость установленной мощности и большие эксплуатационные затраты.
Известна солнечная электростанция, содержащая параболоцилиндрический фацетный концентратор, одноосную систему слежения за Солнцем и приемник на основе плоских солнечных фотоэлектрических модулей. Солнечная станция имеет геометрический коэффициент концентрации 5, реальную концентрацию 3,5, электрическую мощность 2,8 кВт, массу 600 кг. Плоскость приемников и p-n переходов фотоэлектрических модулей параллельна оптической оси концентратора и перпендикулярна потоку солнечного излучения. (Sun and Wind Energy, 2009, №2, с.93).
Недостатком известной электростанции является высокая металлоемкость и большая стоимость установки.
Задачей настоящего изобретения является снижение стоимости установленной мощности и вырабатываемой энергии.
Технический результат достигается тем, что в солнечной электростанции, содержащей концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области, фотоприемник выполнен в виде одной или более секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и с p-n переходами, плоскости которых параллельны двум из четырех боковых граней матрицы, и имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях матрицы, которые перпендикулярны плоскости p-n переходов, оптическая ось и фокальная плоскость концентратора перпендикулярна плоскости p-n переходов приемника, а плоскость поперечного сечения концентратора и направление потока концентрированного солнечного излучения параллельны плоскости p-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль ее оси и снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты, а плоскости p-n переходов перпендикулярны оси цилиндрической оболочки.
В варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из одной секции и установлен в диаметральной плоскости внутри прозрачной цилиндрической оболочки.
В другом варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из двух скоммутированных равновеликих секций.
Еще в одном варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из трех и более скоммутированных секций.
В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде параболоцилиндрического концентратора.
В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейных линз Френеля.
В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейного зеркала Френеля.
В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде множества плоских зеркальных отражателей, установленных с тыльной стороны фотоприемника.
В варианте солнечной электростанции защитное прозрачное покрытие и прозрачная цилиндрическая оболочка выполнены из стекла.
В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.
В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена на основе очищенной воды.
В варианте солнечной электростанции теплообменник соединен с двумя контурами для прокачки охлаждающей силиконовой жидкости и воды.
В варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.
В варианте солнечной электростанции фотоприемник имеет линейную плотность размещения миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами 2000-5000 на 1 метр длины фотоприемника и напряжение 20-50 кВ на каждые 20 метров длины фотоприемника, а солнечная электростанция подключена к высоковольтной линии электропередач постоянного тока для передачи энергии на потребительскую подстанцию без дополнительных преобразующих устройств.
На фиг.1 представлена солнечная электростанция с параболоцилиндрическим концентратором, поперечное сечение, с фотоприемником в виде одной секции в диаметральной плоскости цилиндрической оболочки, на фиг.2 - поперечное сечение СЭС с фотоприемником в виде двух секций, установленных по образующей прозрачной цилиндрической оболочки; на фиг.3 - поперечное сечение СЭС с фотоприемником из пяти скоммутированных секций, плоскости p-n перехода фотоприемника перпендикулярны оси цилиндрической оболочки; на фиг.4 - продольное осевое сечение фотоприемника солнечной электростанции с системой охлаждения; на фиг.5 - схема подключения солнечной электростанции к высоковольтной линии электропередач постоянного тока.
На фиг.1 солнечная электростанция содержит параболоцилиндрический концентратор 1 с системой слежения (на фиг. не показана) и одной секции фотоприемника 2, установленного в диаметральной плоскости 3 цилиндрической стеклянной оболочки 4. Диаметральная плоскость 3 совпадает с фокальной плоскостью 5 концентратора 1. Плоскость n+-p-p+ переходов 6 перпендикулярна фокальной плоскости 5 и параллельна направлению падающих солнечных лучей i и отраженных лучей io от концентратора 1.
На фиг.2 фотоприемник 2 состоит из двух равновеликих секций 7 и 8, установленных по образующей цилиндрической оболочки 4 со стороны концентратора 1, а плоскости p-n переходов 6 секций 7 и 8 фотоприемника 2 перпендикулярны оси 9 цилиндрической оболочки 4 и параллельны потоку прямой i отраженной io солнечной радиации.
На фиг.3 фотоприемник 2 выполнен из 5 секций 10, 11, 12, 13, 14, установленных вдоль образующей цилиндрической оболочки 4, а плоскости p-n переходов 6 всех секций фотоприемника 2 перпендикулярны оси 9 цилиндрической оболочки 4 и совпадающей с ней оптической оси 15 концентратора 1 и параллельны прямой i и отраженной io от концентратора 1 солнечной радиации.
Фотоэлектрический приемник 2 на фиг.4 установлен вдоль оптической оси 15 концентратора 1 и оси 9 в цилиндрической стеклянной оболочке 4. Фотоприемник 2 состоит из секций 16 последовательно скоммутированных матричных солнечных элементов 17, каждый из которых содержит диодную n+-p-p+ структуру 18. Плоскости p-n переходов 6 в диодной структуре параллельны падающему i и отраженному излучению io. Фотоприемник 2 имеет защитное покрытие 19 из стекла, которое присоединено к фотоприемнику 2 с помощью оптического прозрачного клея (на фиг. не показано). Токовыводы 20 фотоприемника 2 присоединены к крайним выводам секций 16 матричных солнечных элементов 17. Свободное от фотоприемника 2 пространство в цилиндрической стеклянной оболочке 4 заполнено кремнийорганической охлаждающей жидкостью 21. Устройство охлаждения фотоприемника 2 состоит из трубопроводов 22, присоединенных к началу 23 и концу 24 цилиндрической оболочки 4, насоса 25 и теплообменника 26, к которому подключен водяной контур 27.
В другом варианте исполнения теплообменник присоединен к воздушному радиатору.
На фиг.5 секции 16 из матричных солнечных элементов 17 и диодные структуры 18 соединены последовательно с помощью контактов 28 и имеют линейную плотность размещения миниатюрных солнечных элементов 3000 м-1 вдоль фотоприемника 2 и напряжение 35 кВ на каждые 20 м длины фотоприемника 2. Токовыводы 20 фотоприемника 2 солнечной электростанции через измерительный управляющий блок 29 и выключатель 30 присоединен к высоковольтной линии 31 постоянного тока напряжением 110-750 кВ, которая может быть выполнена как в воздушном, так и в кабельном исполнении.
Пример выполнения солнечной электростанции (СЭС)
СЭС имеет параболоцилиндрический концентратор длиной 150 м, размерами миделя воспринимающей поверхности 6 м×150 м. В фокальной области вдоль оптической оси 15 установлены секции фотоприемника 2 на основе матричных солнечных элементов размерами 0,06 м × 150 м, у которых плоскости p-n переходов 6 перпендикулярны оптической оси концентратора 5 и параллельны падающей i и отраженной io солнечной радиации. Фотоприемник 2 заключен в прозрачную стеклянную оболочку 4 внешним диаметром 70 мм, которая заполнена кремнийорганическим теплоносителем 21. Концентратор 1 ориентирован с севера на юг, имеет коэффициент концентрации 70. СЭС имеет пиковую мощность 150 кВт при освещенности 1 кВт/м2, температуре 25°C и КПД 20%. Напряжение на выходе матричных солнечных элементов составляет 1800 B на 1 погонный метр длины фотоприемника. Напряжение на выходе СЭС от 500 B до 270 кВ в зависимости от числа параллельно и последовательно соединенных секций фотоприемника 2.
Расположение плоскости p-n переходов 6 параллельно концентрированному потоку io солнечного излучения позволяет получить два важных преимущества СЭС по сравнению с известной конструкцией.
Поток io отраженного концентрированного излучения в фотоприемнике ортогонален потоку Iф генерированных излучением носителей заряда через p-n переходы 6, что позволяет снизить оптические потери в легированном слое и в базовой области секций фотоприемника 2 и улучшить условия отвода тепла за счет использования металлических контактов 28, расположенных по всей площади p-n переходов 6, в качестве теплопроводящих слоев для отвода тепла из объема фотоприемника 2 к обеим рабочим поверхностям. Инфракрасная составляющая отраженного концентрированного потока излучения io за краем полосы поглощения с длиной волны более 1,12 мкм для секций кремниевого фотоприемника 2 проходит параллельно плоскости p-n переходов 6 через объем фотоприемника 2 без существенного поглощения, что также примерно на 20% снижает затраты на охлаждение фотоприемника 2. Наличие просветляющего покрытия на обеих рабочих поверхностях фотоприемника 2 снижает потери на отражение и увеличивает пропускание нефотоактивной части спектра падающего прямого и отраженного концентрированного солнечного излучения io.
Удельная мощность на известной паротурбинной СЭС на 1 м2 площади земли 25 Вт/м2, на 1 погонный метр приемника 537 Вт/м.
Рассчитаем пиковую электрическую мощность СЭС согласно изобретению:
Pэл=E0·ηопт·ηэл·Sмиделя,
где E0 - стандартная солнечная радиация;
ηопт - оптический КПД СЭС;
ηэл. фп - электрический КПД фотоприемника.
Принимая E0=1 кВт/м2, ηопт=0,85, ηэл. фп=0,2, Sмиделя=6 м2 на один погонный метр СЭС, получим Рэл=1,02 кВт/м, что почти в 2 раза выше, чем у паротурбинной СЭС с концентраторами.
Из других преимуществ предлагаемой СЭС отметим сокращение потребления воды в объеме 850000 м3/год, отсутствие необходимости в котле-парогенераторе и паротурбинном энергоблоке, возможность быстрого ввода в эксплуатацию СЭС в виде отдельных энергоблоков мощностью 150 кВт длиной 150 м с автономным слежением за Солнцем.
Еще одним преимуществом СЭС является генерация высокого напряжения 1800 B на 1 погонный метр или 270 кВ на 1 энергоблок длиной 150 м и передача электрической энергии к месту потребления по высоковольтным линиям постоянного тока без использования преобразователей и трансформаторов высокого напряжения на передающей подстанции.

Claims (14)

1. Солнечная электростанция, содержащая концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен в виде одной или более секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и с p-n переходами, плоскости которых параллельны двум из четырех боковых граней матрицы, и имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях матрицы, которые перпендикулярны плоскости p-n переходов, оптическая ось и фокальная плоскость концентратора перпендикулярна плоскости p-n переходов приемника, а плоскость поперечного сечения концентратора и направление потока концентрированного солнечного излучения параллельно плоскости p-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль ее оси и снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты, а плоскости p-n переходов перпендикулярны оси цилиндрической оболочки.
2. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен из одной секции и установлен в диаметральной плоскости внутри прозрачной цилиндрической оболочки.
3. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен из двух скоммутированных равновеликих секций.
4. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен из трех и более скоммутированных секций.
5. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде параболоцилиндрического концентратора.
6. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейных линз Френеля.
7. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейного зеркала Френеля.
8. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде множества плоских зеркальных отражателей, установленных с тыльной стороны фотоприемника.
9. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что защитное прозрачное покрытие и прозрачная цилиндрическая оболочка выполнены из стекла.
10. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.
11. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость выполнена на основе очищенной воды.
12. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник соединен с двумя контурами для прокачки охлаждающей силиконовой жидкости и воды.
13. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.
14. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник имеет линейную плотность размещения миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами 2000-5000 на 1 м длины фотоприемника и напряжение 20-50 кВ на каждые 20 м длины фотоприемника, а солнечная электростанция подключена к высоковольтной линии электропередач постоянного тока для передачи энергии на потребительскую подстанцию без дополнительных преобразующих устройств.
RU2009133952/06A 2009-09-11 2009-09-11 Солнечная электростанция RU2431787C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009133952/06A RU2431787C2 (ru) 2009-09-11 2009-09-11 Солнечная электростанция

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009133952/06A RU2431787C2 (ru) 2009-09-11 2009-09-11 Солнечная электростанция

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009133952A RU2009133952A (ru) 2011-03-20
RU2431787C2 true RU2431787C2 (ru) 2011-10-20

Family

ID=44053380

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009133952/06A RU2431787C2 (ru) 2009-09-11 2009-09-11 Солнечная электростанция

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2431787C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2615243C2 (ru) * 2015-06-24 2017-04-04 Дмитрий Семенович Стребков Солнечная электростанция

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2615243C2 (ru) * 2015-06-24 2017-04-04 Дмитрий Семенович Стребков Солнечная электростанция

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009133952A (ru) 2011-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8952238B1 (en) Concentrated photovoltaic and solar heating system
US9605877B2 (en) Compact parabolic solar concentrators and cooling and heat extraction system
Manokar et al. Performance analysis of parabolic trough concentrating photovoltaic thermal system
EP2513570A1 (en) Solar power generator module
KR101997761B1 (ko) 집광형 및 평판형 하이브리드 태양전지를 이용한 태양광 및 태양열 복합발전시스템 및 발전방법
WO2012076847A1 (en) Solar energy apparatus with a combined photovoltaic and thermal power generation system
RU2431787C2 (ru) Солнечная электростанция
US20180083572A1 (en) Non-concentrated photovoltaic and concentrated solar thermal hybrid devices and methods for solar energy collection
CN114631259A (zh) 聚光光伏-热功率系统的混合接收器及相关方法
Saito et al. Development of concentrator photovoltaic system
RU2431086C2 (ru) Солнечная электростанция (варианты)
CN104913513A (zh) 太阳能光伏、光热发电系统
RU193323U1 (ru) Складной теплофотоэлектрический концентраторный модуль с двусторонними фотоэлементами
Stalcup et al. On-grid performance of REhnu’s 8-mirror CPV-T tracker
Murodv et al. Combined thermophoto electric installation for increasing the efficiency of a solar power installation
RU2455584C1 (ru) Солнечный модуль и комбинированная солнечно-энергетическая установка на его основе
Karp Concentrating solar power: progress and trends
US20090178705A1 (en) Multi-cores stack solar thermal electric generator
RU189397U1 (ru) Комбинированное солнечно-энергетическое устройство
RU2797327C1 (ru) Солнечно-энергетическая станция
US8853522B1 (en) Concentrated photovoltaic and solar heating system
RU2615242C2 (ru) Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения
Chitransh et al. Generation of electricity from solar energy
Davidyuk et al. Effect of secondary lens concentrators on the output parameters of solar modules with cascade photovoltaic converters
US20220310864A1 (en) Spectrum-splitting concentrator photovoltaic module with direct fluid cooling, and associated methods

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110912

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20140810

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150912