close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11981

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 11981
(13) C1
(19)
H 02N 6/00
F 24J 2/00
СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
(21) Номер заявки: a 20071272
(22) 2007.10.17
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Залесский Валерий Борисович; Есман Александр Константинович; Кулешов Владимир Константинович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2134849 C1, 1999.
RU 2133927 C1, 1999.
SU 1620784 A1, 1991.
US 5977478 A, 1999.
US 4344417 A, 1982.
BY 11981 C1 2009.06.30
(57)
Способ преобразования энергии солнца в электрический ток, в котором солнечное излучение разделяют на световые потоки видимого и инфракрасного диапазона и концентрируют их путем пропускания через призму полного внутреннего отражения с
просветляющим покрытием на поверхности, выполненную в контакте с вертикальными и
горизонтальными зеркальными отражателями таким образом, чтобы при любой высоте
солнца над горизонтом направлять не менее 90 % солнечного излучения на примыкающие
к выходной грани призмы фотопреобразователь для видимого диапазона и фотопреобразователь для инфракрасного диапазона, размещенный на термоэлектрическом преобразователе, охлаждаемом до температуры окружающей среды.
Фиг. 1
Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано при разработке
устройств преобразования солнечного излучения в электрический ток и теплоту, устанавливаемых, например, на обращенных к солнцу участках крыш зданий.
BY 11981 C1 2009.06.30
Известен способ по устройству [1], в котором выполняются следующие операции:
концентрация солнечного излучения, дополнительная концентрация солнечного излучения, генерация электрического тока или тепла.
Известно устройство [1], содержащее фотопреобразователи, оптически связанные
через дополнительный концентратор - линзу Френеля с элементами первичного концентратора, содержащим зеркальный отражатель и прозрачное ограждение, образующее
двухгранный угол ϕ с плоскостью зеркального отражателя, а угол падения солнечного
излучения на прозрачное ограждение β и двухгранный угол ϕ связаны соотношением:
β + 2ϕ = ψ1 = 80-90°.
Данный способ и реализующее его устройство не обеспечивают эффективную концентрацию солнечного излучения в широком диапазоне изменения углов падения солнечного
излучения. Кроме того, при оптимальных углах падения солнечного излучения фотопреобразователи существенно нагреваются, и КПД их работы падает, не обеспечивается одновременная генерация электрического тока и тепла, не генерируется ток при восходе и
заходе солнца.
Наиболее близким по технической сущности является способ преобразования энергии
солнечного излучения в электрический ток и теплоту [2], в котором выполняются следующие операции: концентрация солнечного излучения, разделение его как минимум на
два диапазона длин волн с помощью интерференционных зеркальных пленок и направление таким образом полученных потоков солнечного излучения на оптимизированные для
различных участков спектра фотопреобразователи, перемещение интерференционных
зеркальных пленок, каждая из которых один диапазон длин волн отражает, а другой диапазон длин волн пропускает, преобразование солнечного излучения в электрический ток с
помощью фотопреобразователей, преобразование ИК-солнечного излучения в теплоту с
помощью теплового коллектора.
Известно устройство [2] для реализации данного способа, содержащее оптически последовательно связанные: концентрирующий элемент - линзу Френеля и диспергирующий
элемент - интерференционную зеркальную пленку, германиевый фотопреобразователь
ИК-диапазона, механически соединенный с тепловым коллектором, при этом интерференционная зеркальная пленка оптически связана с кремниевым фотопреобразователем
видимого диапазона и механически перемещается между двумя шпинделями.
Указанный способ и реализующее его устройство не обеспечивают высокий коэффициент полезного действия (КПД), так как не используют часть спектра солнечного излучения с длиной волны более 1,2 мкм, а тепло нагретых элементов - фотопреобразователя
ИК-диапазона и интерференционных зеркальных пленок рассеивается в окружающую
среду. Более того, в описанном изобретении необходимо перемещать интерференционные
зеркальные пленки и устройство целиком, на что затрачивается часть выходной мощности
фотопреобразователей.
Техническая задача - повышение КПД и экономической эффективности солнечных
фотоэлектрических устройств за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов, снижения стоимости и упрощения устройства, реализующего предложенный способ.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе преобразования энергии
солнца в электрический ток, в котором солнечное излучение разделяют на световые потоки видимого и инфракрасного диапазона и концентрируют их путем пропускания через
призму полного внутреннего отражения с просветляющим покрытием на поверхности,
выполненную в контакте с вертикальными и горизонтальными зеркальными отражателями таким образом, чтобы при любой высоте солнца над горизонтом направлять не менее
90 % солнечного излучения на примыкающие к выходной грани призмы фотопреобразователь для видимого диапазона и фотопреобразователь для инфракрасного диапазона,
2
BY 11981 C1 2009.06.30
размещенный на термоэлектрическом преобразователе, охлаждаемом до температуры окружающей среды.
Совокупность указанных признаков позволяет: повысить КПД, за счет использования
части спектрального диапазона солнечного излучения с λ > 1,2 мкм, которая проходит через фотопреобразователи и нагревает термоэлектрический преобразователь, генерирующий дополнительный электрический ток, а также экономии энергии, затрачиваемой на
механическое перемещение элементов устройства; повысить экономическую эффективность солнечных фотоэлектрических устройств за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов; упростить устройства, реализующие предложенный
способ за счет исключения всех механических элементов слежения за положением солнца
путем одновременного преобразования входного солнечного излучения по углу распространения и длине волны и тем самым увеличения угловой апертуры эффективного собирания солнечного излучения.
Предлагаемый способ заключается в том, что все солнечное излучение преобразуют
или по углу распространения, или его части преобразуют одновременно по длине волны и
углу распространения, в зависимости от положения солнца над горизонтом. Полученное
солнечное излучение концентрируют путем переотражений и одновременного преобразования солнечного излучения по углу распространения и длине волны. Разделяют его как
минимум на два спектральных диапазона длин волн, в процессе которого дополнительно
концентрируют световой поток видимого диапазона, который направляют на фотопреобразователь видимого диапазона, генерирующий электрический ток. Второй спектральный
диапазон солнечного излучения направляют на фотопреобразователь ИК-диапазона, также
генерирующий электрический ток. Фотопреобразователь ИК-диапазона располагают на
термоэлектрическом преобразователе, охлаждаемом до температуры окружающей среды,
и получают дополнительный электрический ток и теплоту.
Способ реализуется устройством, разрез которого по вертикальной плоскости В-В
приведен на фиг. 1, где 1 - призма полного внутреннего отражения, 2 - горизонтальный
зеркальный отражатель, 3 - согласующий элемент, 4 - голограмма, 5 - фотопреобразователь видимого диапазона с двухсторонней чувствительностью, 6 - фотопреобразователь
ИК-диапазона, 7 - термоэлектрический преобразователь, 8 - тепловой коллектор, 9 - полупрозрачный фотолюминесцентный оптический элемент, 10 - воздушный зазор, 11 - просветляющее покрытие, 12 - теплоизолятор, 13 - плотный фотолюминесцентный
оптический элемент, 15 - фотопреобразователи видимого диапазона. Расположение толограммы - 4, фотопреобразователей видимого диапазона 5, 15 указано на разрезе А-А
фиг. 3. На фиг. 1 указан ход солнечных лучей Y, Z для различных углов склонения солнца
к горизонту и солнечного излучения X, рассеянного земной и водной поверхностями. На
фиг. 2 приведен разрез устройства по горизонтальной плоскости С-С, где указан ход солнечных лучей W, Q, R для различных положений солнца вдоль линии горизонта и расположение элементов 14 - вертикальных зеркальных отражателей.
В конкретном исполнении призма полного внутреннего отражения 1 выполнена из
стекла крон К8 с просветлением как в [3]. Горизонтальный зеркальный отражатель 2 и
вертикальные зеркальные отражатели 14 выполнены как в [1] из закаленного стекла, на
которых методами вакуумной технологии нанесены алюминиевые зеркальные слои. Согласующий элемент 3 изготовлен из обычного кварцевого стекла, на полированных торцевых гранях которого методами вакуумного распыления нанесены зеркала из алюминия.
Голограмма 4 выполнена в виде голографической трехмерной решетки из поливинилового
спирта толщиной 10 мкм, сенсибилизированного к излучению He-Cd-лазера красителем
ксиленолом оранжевым. В этом случае показатель преломления голограммы 4, выполненной на согласующем элементе 3, как на подложке, равен 1,51. Фотопреобразователь видимого диапазона с двухсторонней чувствительностью 5 и фотопреобразователь видимого
диапазона 15 выполнены как в [2] методами фотолитографии на кремниевой подложке.
3
BY 11981 C1 2009.06.30
Фотопреобразователь ИК-диапазона 6, как в [2], выполнен на основе германиевого полупроводникового материала. Термоэлектрический преобразователь 7 - это батарея стандартных элементов Пельтье, на одних спаях которых расположен фотопреобразователь
ИК-диапазона 6, а вторые спаи - охлаждаются до температуры окружающей среды тепловым коллектором 8. Тепловой коллектор 8 - это радиатор с воздушным или водяным охлаждением. Полупрозрачный фотолюминесцентный оптический элемент 9 - это тонкий
слой фотолюминофора, например, микрокристаллов калийных двойных фосфатов алюминия, легированных Сr3+, равномерно расположенных в полимерном слое. Такой фотолюминофор световое излучение с длинами волн 450...650 нм преобразует в излучение с
длинами волн 700...800 нм (область чувствительности кремниевых фотопреобразователей). Воздушный зазор 10 - это слой воздуха между призмой полного внутреннего отражения 1 и полупрозрачным фотолюминесцентным оптическим элементом 9.
Толщина воздушного зазора 10 должна быть больше 10 мкм, чтобы эффективно отражать солнечное излучение ИК-диапазона. Просветляющее покрытие 11 - это многослойное антибликовое покрытие как в [3]. Теплоизолятор 12 - это кронштейн из
жесткого теплоизолирующего материала, например пенополиуретана ППУ-305А. Плотный фотолюминесцентный оптический элемент 13 содержит толстый слой фотолюминофора такого же, как полупрозрачный фотолюминесцентный оптический элемент 9.
Работает устройство следующим образом. Солнечные лучи Х2 (фиг. 1), отраженные от
земной поверхности (водной глади, окон домов, специально установленных отражателей и
т.д.) поступают внутрь призмы полного внутреннего отражения 1 через просветляющее
покрытие 11 и отражаются от горизонтальной грани G призмы полного внутреннего отражения 1. Солнечные лучи X1, параллельные лучам Х2, попадают на горизонтальную
грань G после отражения от внутренней грани призмы полного внутреннего отражения 1.
В конечном итоге, около 90 % интенсивности солнечных лучей X1, X2 поступает через согласующий элемент 3 на голограмму 4 или на фотопреобразователи видимого диапазона
15 или фотопреобразователь видимого диапазона с двухсторонней чувствительностью 5, в
которых генерируется электрический ток. Часть интенсивности солнечных лучей X1, Х2
видимого диапазона длин волн, поступивших на голограмму 4, отражается и через согласующий элемент 3 поступает также на фотопреобразователь видимого диапазона с двухсторонней чувствительностью 5 или фотопреобразователи видимого диапазона 15 фиг. 3.
А излучение ИК-диапазона солнечных лучей Х1, Х2 проходит через голограмму 4 на фотопреобразователь ИК-диапазона 6, где также генерируется электрический ток, за счет поглощенной энергии коротковолновой части ИК-диапазона (0,8-1,3 мкм). Длинноволновая
часть ИК-диапазона солнечных лучей X1, X2 (λ > 1,2 мкм) проходит сквозь него, поступает на металлическую поверхность термоэлектрического преобразователя 7, нагревает его
соответствующие спаи. А вторые спаи термоэлектрического преобразователя 7 охлаждаются тепловым коллектором 8 до температуры окружающей среды, поэтому термоэлектрический преобразователь 7 генерирует дополнительный электрический ток.
При изменении положения солнца относительно горизонта, его лучи Y1 поступают на
поверхность просветляющего покрытия 11, проходят через призму полного внутреннего
отражения 1, преломляются в ней и поступают на горизонтальный зеркальный отражатель
2, после отражения от которого они попадают через согласующий элемент 3 либо сразу,
либо после отражения от голограммы 4 на фотопреобразователи видимого диапазона 15 и
фотопреобразователь видимого диапазона с двухсторонней чувствительностью 5. Световые лучи Y2, пришедшие на поверхность полупрозрачного фотолюминесцентного оптического элемента 9, поглощаются его микроэлементами, преобразуются в длины волн
700...800 нм и за счет полного внутреннего отражения на его поверхности поступают из
правого торца полупрозрачного фотолюминесцентного оптического элемента 9 на фотопреобразователь видимого диапазона 5, генерирующего электрический ток. Часть солнечных лучей среднего угла склонения к горизонту Y2, прошедшая через полупрозрачный
4
BY 11981 C1 2009.06.30
фотолюминесцентный оптический элемент 9 без поглощения, попадает либо сразу на фотопреобразователь видимого диапазона с двухсторонней чувствительностью 5 и фотопреобразователи видимого диапазона 15, либо после согласующего элемента 3 и голограммы 4. Часть указанных солнечных лучей, соответствующая ИК-диапазону, после прохода
голограммы 4 поступает на вход фотопреобразователя ИК-диапазона 6, генерирующего
электрический ток. Солнечные лучи видимого диапазона Y1, Y2 аналогично солнечным
лучам X1, X2, преобразуются в электрический ток.
При углах падения солнечных лучей Y1 близким к углам падения солнечных лучей X1
преобразование их энергии осуществляется аналогично, т.е. также порядка 90 % солнечных лучей Y1, Y2 участвует в преобразовании солнечной энергии в электрический ток и
теплоту.
Солнечные лучи Z1, соответствующие положению солнца в зените, поступают на
призму полного внутреннего отражения 1 через просветляющее покрытие 11, преломляются в ней и поступают на горизонтальный зеркальный отражатель 2. После отражения от
которого поступают на фотопреобразователь видимого диапазона с двухсторонней чувствительностью 5 или на фотопреобразователи видимого диапазона 15 или на голограмму 4.
В случае отражения солнечных лучей Z1 от внутренней грани призмы полного внутреннего отражения 1 они участвуют в преобразовании энергии солнца в электрический ток и
теплоту аналогично описанному выше. Солнечные лучи Z2, поступающие в полупрозрачный фотолюминесцентный оптический элемент 9 и поглощенные в нем, преобразуются в
длины волн 700...800 нм и после полного внутреннего отражения на поверхностях указанного элемента поступают через его правый торец на поверхность фотопреобразователя
видимого диапазона 5 или внутрь призмы полного внутреннего отражения 1. Солнечные
лучи Z2, прошедшие внутрь устройства (не поглощенные фотолюминофорными микрочастицами), участвуют в преобразовании энергии солнца в электрический ток и теплоту
аналогично лучам Y2.
Солнечные лучи Z3, пришедшие на поверхность плотного фотолюминесцентного оптического элемента 13, проникают внутрь последнего, поглощаются полностью микроэлементами фотолюминофора, преобразуются в длины волн 700...800 нм и полностью
рассеиваются внутри плотного фотолюминесцентного оптического элемента 13. За счет
полного внутреннего отражения на его поверхности солнечное излучение указанных длин
волн поступает из левого торца плотного фотолюминесцентного оптического элемента 13
на фотопреобразователь видимого диапазона 5, генерирующий электрический ток.
Концентрация солнечных лучей в горизонтальной плоскости (фиг. 2) происходит за
счет того, что большая часть солнечных лучей либо Q+R, либо R+W (либо первая, либо
вторая четверть дня) за счет переотражений солнечных лучей Q и R или лучей R и W от
вертикальных зеркальных отражателей 14 поступает в конечном итоге через согласующий
элемент 3 и голограмму 4 аналогично вышеописанному на фотопреобразователь видимого
диапазона с двухсторонней чувствительностью 5 и фотопреобразователи видимого диапазона 15, и (или) фотопреобразователь ИК-диапазона 6, где генерируют электрический ток.
Длинноволновые части ИК лучей R, W, Q (λ > 1,2 мкм) в термоэлектрическом преобразователе 7 генерируют дополнительный электрический ток аналогично выше описанному.
Эффективность сбора солнечных лучей в предлагаемом устройстве в полдень на несколько процентов меньше, чем утром. Однако это делает тепловую нагрузку на фотопреобразователи ИК-диапазона более равномерной в течение дня. Коэффициент
концентрации К1 солнечного излучения в первом каскаде устройства - призма полного
внутреннего отражения и горизонтальный зеркальный отражатель 2 при двухгранном угле
между ними d = 11° и при угле i падения солнечного света на внутреннюю наклонную
грань призмы полного внутреннего отражения 1: равном 65°, может достигать значения
К1 = 5. Коэффициент концентрации К2 солнечного излучения видимого диапазона с помощью голограммы 4 может достигать величины К2 = 10. С учетом того, что описанное
5
BY 11981 C1 2009.06.30
устройство собирает свет, рассеянный и земной поверхностью, и атмосферой, оно может
обеспечить эффективную генерацию тока и тепла при полной облачности.
Источники информации:
1. Патент России 21325909, 1998.
2. RU 2134849 C1, 1999.
3. Коноплев Ю.Н., Мамаев Ю.А., Старостин В.Н. Широкополосные просветляющие
покрытия на стекле при наклонном падении света // Оптика и спектроскопия. - 1997. Т. 82. - № 1. - С. 175-176.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
262 Кб
Теги
by11981, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа