RU2780579C1

RU2780579C1 - Solar thermal power plant

Info

Publication number: RU2780579C1
Application number: RU2022103654A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов; Сергей Геннадьевич Емельянов; Олег Гурьевич Добросердов; Наталья Евгеньевна Семичева; Егор Андреевич Шиленков; Сергей Николаевич Фролов; Иван Алексеевич Щитов
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2022-09-27

Abstract

FIELD: thermal power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to thermal power engineering and can be used for the utilization of thermal energy from natural sources, namely for the direct transformation of solar energy into electrical energy under various conditions. The effect is achieved by a solar thermal power plant containing a layered rectangular plane assembled from photocells covered with a waterproofing film on top, which are connected by jumpers to collectors of the same charges and laid with their back side on the upper side of the support heat exchange plane, made of a mechanically strong material with high thermal conductivity, to the lower side of which flat thermoelectric converters are attached, to the back side of which radiators are pressed, which are strips in the form of a brand, made of mechanically strong material with high thermal conductivity, the boundary ends of the layered plane are covered with a heat-shielding tape, while the thermoelectric converters are also equipped with jumpers with collectors of the same charges and, along with photocells with the same electrical wiring, in turn, are connected to the storage unit.

EFFECT: increasing the reliability and efficiency of the solar thermal power plant.

1 cl, 4 dwg

Description

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.The present invention relates to thermal power engineering and can be used for the utilization of thermal energy from natural sources, namely, for the direct transformation of solar energy into electrical energy under various conditions.

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].A traveling solar thermal power plant is known, including a carpet (plane) assembled from rectangular sections, each of which is a photothermoelectric converter covered with a waterproofing film, inside of which a photocell is placed, attached with its back side to the outer side of the thermoelectric converter housing, made of a dielectric material with high thermal conductivity , in the array of which contour fittings are placed, consisting of thermionic elements, which are paired wire segments made of different metals M1 and M2, soldered at the ends to each other in such a way that their junctions are bent at an angle of 90 ⁰ and are located near the outer surface of the thermoelectric housing transducer parallel to it, without touching it, and the paired wire segments themselves are parallel to each other, forming U-shaped rows, extreme wire segments of extreme U-shaped rows of thermoelectric converters and photo elements through their terminals in each vertical row of photothermoelectric converters of the carpet are connected to each other in series through electric capacitors, jumpers with output collectors, the output terminals of which, in turn, are connected to the storage unit [RF Patent No. 2622495, IPC E 04 C2/26, 2017 ].

Основным недостатком известной походной гелиотермоэлектростанции является невозможность использования тепла, выделяющегося из фотоэлементов при генерации электричества, что снижает ее эффективность.The main disadvantage of the well-known traveling solar thermal power plant is the inability to use the heat released from photovoltaic cells when generating electricity, which reduces its efficiency.

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].Closer to the proposed invention is a universal solar thermal power plant, containing a rectangular plane (puff), assembled from rectangular sections, each of which is a photoheat-tube thermoelectric converter covered with a waterproofing film, inside which a photocell is placed, connected by jumpers to collectors of the same charges and attached with its back side to multi-wick heat-pipe heat exchanger, consisting of a housing, the cover and bottom of which are covered from the inside with a grid made of strips of capillary material partially filled with working fluid; triangular slots made on their upper and lower ends and attached to the cover and bottom of the body, and the inner surface of the cover and bottom of the body of the multi-wick heat exchanger of the heat exchanger, covered with a grid, constitute the evaporation and condensation zones, respectively, and the wicks form the transport zone, flat thermoelectric converters adjoin the outer side of the bottom of the multiwick heat exchanger, radiators are pressed to the outer side of which, jumpers with collectors of the same charges of thermoelectric converters and photocells, in their turn turn, connected to the storage unit [RF Patent No. 2715356, IPC 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.The main disadvantages of the well-known universal solar thermal power plant are its increased weight, due to the use of a heat pipe in its composition, which complicates the design, makes it difficult to use it for power supply of small spacecraft and the lack of thermal protection of the boundary ends of its extreme elements, which reduces its reliability and efficiency.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение надежности и эффективности гелиотермоэлектростанции.The technical result of the invention is to increase the reliability and efficiency of the solar thermal power plant.

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. The technical result is achieved by a solar thermal power plant containing a layered rectangular plane assembled from photocells covered with a waterproofing film on top, which are connected by jumpers to collectors of the same charges and laid with their back side on the upper side of the support heat exchange plane, made of a mechanically strong material with high thermal conductivity, to the lower side of which flat thermoelectric converters are attached, to the back side of which radiators are pressed, which are strips in the form of a brand, made of mechanically strong material with high thermal conductivity, the boundary ends of the layered plane are covered with a heat-shielding tape, while the thermoelectric converters are also equipped with jumpers with collectors of the same charges and, along with photocells with the same electrical wiring, in turn, are connected to the storage unit.

На фиг. 1–4 представлена гелиотермоэлектростанция (ГТЭС): фиг. 1, 2 – общий вид и разрез ГТЭС; фиг. 3,4– компоновка элементов ГТЭС.In FIG. 1–4 shows a solar thermal power plant (GTPP): fig. 1, 2 – general view and section of GTPP; fig. 3,4 - layout of GTPP elements.

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). The proposed solar thermal power plant (GTPP) contains a layered plane 1, assembled from photocells 2, covered with a waterproofing film 3, which are connected by jumpers 4 with collectors of the same charges 5, 6 and laid with their back side on the upper side of the support heat exchange plane (RTP) 7, made of mechanically durable material with high thermal conductivity, to the bottom side of which flat thermoelectric converters (TEC) 8 (for example, Peltier elements) are attached, to the back side of which radiators 9 are pressed, which are strips in the form of a brand, made of mechanically strong material with high thermal conductivity (nodes fastening elements GTES in Fig. 1–4 are not shown), the boundary ends of the layered plane 1 GTES are covered with heat-shielding tape 10, while thermoelectric converters 8 are also equipped with jumpers 4 with collectors of the same charges 5, 6 and, along with the same electrical wiring of photocells 2, in turn connected with storage block (Fig. 1–4 are not shown).

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. The number of photocells 2 included in the plane 1, TEC 8 is determined depending on the design, location of the apparatus and the required power. Plane 1 is oriented at the installation site according to sunlight and connected to the consumer (not shown in Figs. 1–4). The place of installation of the GTES can be outer space or airspace.

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. The operation of the proposed GTES is based on the property of photocells 2, when exposed to sunlight, to convert the perceived solar energy into electrical and thermal energy [A. With. USSR No. 1603152, IPC F24 J2 / 32, 1990]. At the same time, the use of OTP 7 and TEP 8 for cooling photocells 4 allows, along with their cooling, to receive additional electricity due to the effect of thermoelectricity. Since flat thermoelectric converters 8 are made in the form of Peltier elements, when their upper surfaces are heated by OTP 7 and the outer surfaces are cooled by radiators 9, different temperatures are set on them, as a result of which thermoelectricity appears in the Peltier elements [S.G. Kalashnikov. Electricity. - M: "Nauka", 1970, p. 502–506]. The four-layer layout of the GTES (top - photocell 2, middle - OTP 7, bottom - TEP 8 (Peltier elements) and radiators 9 allows you to simultaneously remove heat from photocells 2 at a given speed, heat Peltier elements 8 at the required temperature for them also at a given speed , generating additional electricity and dissipating excess heat into the environment.

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).At the same time, in order to ensure the specified time and temperature when removing heat from photocells 2, heating and cooling TEC 8, a special selection of material is made with the appropriate thermal conductivity coefficient λ and thickness δ for OTP 7, as well as the material and area of \u200b\u200bradiators 9 (radiators 9 are taken in the form strips in the form of a tee to ensure sufficient heat exchange area and rigidity of the entire structure of the puff plane 1 GTES).

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). The number of photocells 2 included in the plane 1 is determined depending on the external conditions of the GTPP installation site and the required power. The assembly of the GTES is carried out before its placement, after which the layered plane 1 is oriented at the installation site according to sunlight and connected to the consumer (not shown in Figs. 1–4).

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).GTES works as follows. After the installation of the GTES, the outer surface of the photocells 2 is heated by the sun's rays, generating electricity, and their lower surface is cooled as a result of contact with the surface of the HTP 7 and heats it, giving off the heat released as a result of generating electricity. When heating OTP 7 due to its thermal conductivity, heat is transferred to TEC 8 (Peltier elements), heating them, resulting in uniform heating of their inner surface. At the same time, since the lower surface of the TEC elements 8 is connected to radiators 9, and outside the ambient temperature is much lower and equal to t _C , a significant temperature difference is created between the temperature of the lower surface of the Peltier elements 8 t _P and the temperature of the environment (t _P - t _C ), as a result, a process of heat exchange takes place between them, which in space is carried out mainly by radiation. The created temperature difference between the heating and cooling zones in the Peltier elements 8 causes the emission of electrons in them and the occurrence of thermoelectricity in them. The generated electricity in photocells 2 and thermoelectricity of TEC 8 (Peltier elements) through jumpers 4 and collectors of the same charges 5, 6 (the location of jumpers 4 and collectors 5, 6 in Fig. 1–4 is shown conditionally) enters the storage unit and the consumer (in Fig. .1–4 not shown).

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. At the same time, the presence of a heat-shielding tape 10 on the end edges of the layered plane 1 protects them from contact with the cooling environment and thus prevents overcooling of the GTPP end sections, which also increases the amount of electricity generated.

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. The magnitude of the difference in electric potential at the current terminals of the collectors of the same charges of a solar thermal power plant, the strength of the electric current depend on the duration and intensity of solar radiation, temperature and other characteristics of the external environment, the characteristics and number of photocells, the characteristics of the support heat exchange plane, the characteristics and number of Peltier elements and radiators.

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: As an example of the effectiveness of the proposed invention, data on the results of tests of the integration of the small spacecraft (SSC) "Ecuador-UTE" in the Moscow State University can be cited. University. M. V. Lomonosov dated 06/05/2019. A battery of photocells ZhTsPI757341.156 was used as a power supply source in this apparatus. The surface solar heating temperature averaged 100°C. The test results showed that each photocell of the battery generates electricity on average with the following parameters:

I_p, мA U_p, мВ P,мВтI _p , mA U _p , mV P, mW

480–500 2370-2400 1150-1198.480-500 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:At the same time, it is known that thermoelectric converters, for example, the American "VT-71-1.4-1.15", with similar geometric dimensions and heating temperatures, generate electricity with the following parameters:

I_max(amps) Q_max (watts) V_max(volts) DT_max(Potted)I _max (amps) Q _max (watts) V _max (volts) DT _max (Potted)

7,9 43 8,8 66.7.9 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.If the well-known power supply source of the small spacecraft in accordance with the proposed invention is provided with such a thermoelectric converter, then the results of the experiment and the given performance characteristics of the TEC "VT-71-1.4-1.15" show that the use of the proposed invention with such characteristics of photocells and thermoelectric converters will allow multiply the capacity of the GTPP for small spacecraft.

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. Thus, the proposed solar thermal power plant provides for the utilization of solar energy and the cold of the environment (air or outer space) with the production of electrical energy that can be used to service, for example, small spacecraft without fuel consumption and environmental pollution, which ultimately increases reliability and efficiency of its work.

Claims

Solar thermal power plant containing a layered rectangular plane assembled from photocells covered with a waterproofing film on top, flat thermoelectric converters, to the back of which radiators are pressed, which are strips in the form of a brand, made of mechanically strong material with high thermal conductivity, moreover, photocells and thermoelectric converters are equipped with jumpers with collectors of the same charges, which, in turn, are connected to the storage block, characterized in that the photocells are stacked with their back side on the upper side of the support heat exchange plane, made of a mechanically strong material with high thermal conductivity, to the lower side of which flat thermoelectric converters are attached, and the boundary ends of the layered plane are covered with a heat-shielding tape.