close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12468

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 12468
(13) C1
(19)
F 24J 2/06
H 02N 6/00
ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
(21) Номер заявки: a 20080591
(22) 2008.05.12
(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; Зыков Григорий Люцианович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2301379 C2, 2007.
BY 9611 C1, 2007.
RU 2154243 C1, 2000.
US 4344417, 1982.
FR 2511759 A1, 1983.
BY 12468 C1 2009.10.30
(57)
1. Гелиоэнергетический модуль, содержащий солнечные панели прямоугольной формы,
установленные рядами на опорной несущей конструкции и оптически связанные с соответствующими боковыми отражателями, выполненными полупрозрачными с отражающим покрытием, селективным к диапазону длин волн преобразуемого электромагнитного
излучения, и установленными в промежутках между солнечными панелями под наклоном к
Фиг.1
BY 12468 C1 2009.10.30
их фоточувствительным поверхностям, а также тепловые коллекторы и широкоапертурный концентратор излучения, отличающийся тем, что содержит подложки, закрепленные
с тыльной стороны опорной несущей конструкции теплоизолирующими элементами под
прямым углом к поверхности солнечных панелей, ИК-фотопреобразователи, сформированные на подложках и оптически связанные с соответствующими боковыми отражателями, а также расположенные с внешней стороны подложек термоэлектрические
преобразователи, холодными спаями механически соединенные с тепловыми коллекторами, а горячими спаями приведенные в тепловой контакт с центральными частями соответствующих подложек, на свободных площадях которых сформированы матричные
преобразователи тепло-электричество, причем солнечные панели во внутренних рядах
выполнены двухсторонними, концентратор закреплен четырьмя тыльными сторонами к
внешней стороне опорной несущей конструкции, установленной перпендикулярно его
нижней поверхности, выполненной в виде плоского зеркала в форме трапеции, две боковые поверхности концентратора выполнены в виде плоских зеркал в форме прямоугольных треугольников, а верхняя поверхность - прозрачной в форме трапеции, при этом
середина передней стороны концентратора прикреплена к двум одинаковым сферическим
зеркальным отражателям с радиусом кривизны R, выбранным из условия l < R < 2l, где l длина нижней поверхности концентратора.
2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что матричные преобразователи теплоэлектричество содержат двумерный набор последовательно-параллельно электрически
связанных двухзаходных металлических спиральных плоских антенн микронных размеров с подключенными к ним нелинейными детектирующими элементами.
3. Модуль по п. 2, отличающийся тем, что нелинейные детектирующие элементы выполнены на основе резонансно-туннельных диодов.
4. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что матричные преобразователи теплоэлектричество содержат прозрачные для ИК-излучения подложки.
5. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что матричные преобразователи теплоэлектричество сформированы на тыльной стороне подложек.
6. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что боковые отражатели установлены под углом 45° к фоточувствительным поверхностям солнечных панелей.
Изобретение относится к области преобразования энергии электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне в электричество как непосредственно, так и за
счет промежуточного преобразования ее в энергию электромагнитных колебаний более
длинноволновой части спектра и может быть использовано для преобразования энергии
солнечного излучения в электричество, т.е. в гелиоэнергетике при создании автономных
источников электроэнергии.
Известно устройство [1], содержащее фотопреобразователи, оптически связанные через дополнительный концентратор - линзу Френеля - с элементами первичного концентратора, содержащего зеркальный отражатель и прозрачное ограждение, образующее двугранный угол ϕ с плоскостью зеркального отражателя, а угол падения солнечного
излучения на прозрачное ограждение β и двугранный угол ϕ связаны соотношением:
β + 2ϕ = Ψ1 = 80-90°.
Данное устройство не обеспечивает эффективную концентрацию солнечного излучения в широком диапазоне изменения углов падения солнечного излучения, не использует
энергию ИК-диапазона для генерации электроэнергии. 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.
2
BY 12468 C1 2009.10.30
Наиболее близким по технической сущности является гелиоэнергетический модуль
для принимаемого электромагнитного излучения [2], содержащий порядно расположенные на опорной несущей конструкции солнечные панели прямоугольной формы с боковыми отражателями, смонтированными наклонно к фоточувствительной поверхности
панелей в междурядных промежутках последних, при этом под боковыми отражателями
установлены тепловые коллекторы на опорной несущей конструкции, а боковые отражатели выполнены в виде полупрозрачных пластин с отражающим покрытием, селективным
к диапазону длин волн преобразуемого электромагнитного излучения.
Данное устройство обладает низкой эффективностью преобразования электромагнитного излучения в электричество, т.к. утром и вечером угол падения электромагнитного
излучения на солнечные панели не является оптимальным. Кроме того, вся длинноволновая часть излучения (ИК-диапазон, который составляет 45 % общей энергии электромагнитных волн солнечной радиации) нагревает солнечные панели, что снижает их КПД,
либо (после прохода через боковые отражатели) нагревает тепловые коллекторы, тепло
которых посредством теплопередачи через опорную поверхность несущей конструкции
также ведет к нагреву солнечных панелей.
Техническая задача - увеличение эффективности преобразования электромагнитного
излучения в электричество.
Поставленная техническая задача решается тем, что гелиоэнергетический модуль, содержащий солнечные панели прямоугольной формы, установленные рядом на опорной
несущей конструкции и оптически связанные с соответствующими боковыми отражателями, выполненными полупрозрачными с отражающим покрытием, селективным к диапазону длин волн преобразуемого электромагнитного излучения, и установленными в
промежутках между солнечными панелями под наклоном к их фоточувствительной поверхности, а также тепловые коллекторы и широкоапертурный концентратор излучения,
содержит подложки, закрепленные с тыльной стороны несущей конструкции теплоизолирующими элементами под прямым углом к поверхности панелей, ИК-фотопреобразователи, сформированные на подложках и оптически связанные с соответствующими
боковыми отражателями, а также расположенные с внешней стороны подложек термоэлектрические преобразователи, холодными спаями механически соединенные с тепловыми коллекторами, а горячими спаями приведенные в тепловой контакт с
центральными частями соответствующих подложек, на свободных площадях которых
сформированы матричные преобразователи тепло-электричество, причем солнечные панели на внутренних рядах выполнены двухсторонними, концентратор закреплен четырьмя тыльными сторонами к внешней стороне опорной несущей конструкции,
установленной перпендикулярно его нижней поверхности, выполненной в виде плоского
зеркала в форме трапеции, две боковые поверхности концентратора выполнены в виде
плоских зеркал в форме прямоугольных треугольников, а верхняя поверхность - прозрачной в форме трапеции, при этом середина передней стороны концентратора прикреплена к
двум одинаковым сферическим зеркальным отражателям с радиусом кривизны R, выбранным из условия 1 < R< 2l, где l - длина нижней поверхности концентратора.
Для эффективного решения поставленной технической задачи матричные преобразователи тепло-электричество содержат двумерный набор последовательно-параллельно
электрически связанных двухзаходных металлических спиральных плоских антенн микронных размеров с подключенными к ним нелинейными детектирующими элементами.
Для эффективного решения поставленной технической задачи нелинейные детектирующие элементы выполнены на основе резонансно-туннельных диодов.
Для эффективного решения поставленной технической задачи матричные преобразователи тепло-электричество содержат прозрачные для ИК-излучения подложки.
Для эффективного решения поставленной технической задачи матричные преобразователи тепло-электричество сформированы на тыльной стороне подложек.
3
BY 12468 C1 2009.10.30
Для эффективного решения поставленной технической задачи боковые отражатели
установлены под углом 45° к фоточувствительным поверхностям солнечных панелей.
В предлагаемом устройстве коэффициент концентрации энергии не только коротковолновой, но и длинноволновой части спектра электромагнитных волн имеет более высокое значение, что позволяет получить эффективную генерацию электричества из энергии
ИК-диапазона в ИК-фотопреобразователях на подложках, которые нагреваются до номинальной температуры, благодаря чему происходит переизлучение ИК-электромагнитных
волн среднего и дальнего диапазонов, которые поглощаются матричными преобразователями тепло-электричество. Кроме того, матричные преобразователи тепло-электричество
каждый день после захода солнца будут генерировать электричество, поглощая ИКизлучение, поступающее из остывающих как от земной поверхности, так и окружающих
тел.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, где
1 - опорная несущая конструкция,
2 - солнечные панели,
3 - боковые отражатели,
4 - подложки,
5 - ИК-фотопреобразователи,
6 - термоэлектрические преобразователи,
7 - тепловые коллекторы,
8 - матричные преобразователи тепло - электричество,
9 - широкоапертурный концентратор,
10 - боковые поверхности широкоапертурного концентратора,
11, 12 - соответственно нижняя и верхняя поверхности широкоапертурного концентратора,
13, 14 - сферические зеркальные отражатели,
15 - теплоизолирующие элементы.
В заявленном устройстве под углом 90° к опорной несущей конструкции 1 расположены солнечные панели 2 прямоугольной формы, оптически связанные с боковыми отражателями 3, смонтированными наклонно под углом 45° к фоточувствительной
поверхности солнечных панелей 2 прямоугольной формы и оптически связанными с ИКфотопреобразователями 5, сформированными на подложках 4, закрепленных теплоизолирующими элементами 15 с тыльной стороны опорной поверхности несущей конструкции
1 параллельно ей. Центральные части подложек 4 с внешней стороны имеют тепловой
контакт с термоэлектрическими преобразователями 6, механически соединенными с тепловыми коллекторами 7. На оставшихся свободных площадях поверхности подложек 4
выполнены матричные преобразователи тепло-электричество 8. С передней стороны
опорной поверхности несущей конструкции 1 прикреплен широкоапертурный концентратор 9, который содержит: две боковые поверхности 10, выполненные из плоских зеркал в
форме прямоугольных треугольников, нижнюю поверхность 11, выполненную из плоского зеркала в форме трапеции, верхнюю поверхность 12, выполненную прозрачной в форме
трапеции. Широкоапертурный концентратор 9 закреплен четырьмя тыльными сторонами
к опорной несущей конструкции 1, а передней стороной прикреплен по центру к двум
одинаковым сферическим зеркальным отражателям 13, 14 с радиусом кривизны R, выбранным из условия: l < R < 2l, где l - длина нижней поверхности 11 широкоапертурного
концентратора 9.
В конкретном исполнении опорная несущая конструкции 1 - это каркас, относительно
которого крепятся основные узлы устройства: солнечные панели 2 прямоугольной формы
горизонтально под углом 90° к лицевой поверхности каркаса, боковые отражатели 3 под
углом 45° к солнечным панелям 2, подложки 4 к тыльной стороне каркаса. Солнечные панели прямоугольной формы 2 - это выполненные из кремния прямоугольные фотоэлек4
BY 12468 C1 2009.10.30
трические преобразователи видимого диапазона длин волн. Боковые отражатели 3 - это
нанесенные на стеклянные подложки селективные отражающие пленки, как в [2]. Они
пропускают ИК-спектральный диапазон, а видимый свет отражают. ИК-фотопреобразователи 5 - это выполненные на основе узкозонного полупроводника элементы генерации электричества, как в [3]. Термоэлектрические преобразователи 6 - это стандартные
элементы Пельтье. Тепловые коллекторы 7 - это тепловые охлаждающие радиаторы с
циркуляцией жидкости, например воды или масла. Матричные преобразователи тепло электричество 8 - это двумерный набор двухзаходных металлических спиральных антенн
микронных размеров, выполненных на диэлектрике и нагруженных на нелинейные детектирующие элементы - резонансно-туннельные диоды [4]. Широкоапертурный концентратор 9 состоит из двух боковых поверхностей 10, выполненных из плоских зеркал (пленки
алюминия толщиной около 1 мкм на стеклянной подложке) в форме прямоугольных треугольников, нижней поверхности 11, выполненной из плоского зеркала (пленки алюминия
толщиной около 1 мкм на стеклянной подложке) в форме трапеции, верхней поверхности
12, выполненной прозрачной в форме трапеции, как в [1]. Сферические зеркальные отражатели 13, 14 - это зеркала из пленки алюминия толщиной около 1 мкм, нанесенного методами вакуумной технологии на диэлектрические подложки сферической формы.
Теплоизолирующие элементы 15 выполнены из пористого кремния.
Работает устройство следующим образом. Утром (фиг. 1, проекция лучей I) или вечером (фиг. 1, проекция лучей II), когда угол, определяющий высоту Солнца над линией горизонта, мал, собранное сферическими зеркальными отражателями 13 или 14 в
сходящийся пучок солнечное излучение проходит через верхнюю поверхность 12 широкоапертурного концентратора 9 и после взаимодействия с боковыми отражателями 3 разделяется на две части: видимый диапазон, который отражается и поступает на солнечные
панели 2, и ИК-диапазон, который проходит без изменения направления распространения
на ИК-фотопреобразователи 5. В солнечных панелях 2 энергия излучения видимой части
солнечной радиации преобразуется в электричество. В ИК-фотопреобразователях 5 до
49 % энергии излучения Солнца ИК-диапазона преобразуется в дополнительное (по сравнению с прототипом) электричество. Остальные 51 % энергии ИК-диапазона нагревают
подложки 4 и особенно ее центральную часть, так как теплообмен ее с окружающей средой гораздо хуже по сравнению с краями. Тепловой поток от центральных частей подложек 4 нагревает термоэлектрические преобразователи 6, которые при наличии разности
температур на их холодных и горячих спаях вырабатывают также дополнительное электричество. Тепловые коллекторы 7 поддерживают указанную разность температур, одновременно создавая оптимальный температурный режим на всей поверхности подложек 4.
Так как вся поверхность подложек 4 при наличии солнечной радиации нагревается, то ее
тыльная часть переизлучает ИК-поток электромагнитного излучения в среднем и дальнем
диапазонах. Это излучение, а также излучение окружающих тел поглощается матричными
преобразователями тепло-электричество 8, и соответственно получается также дополнительное электричество. При средних углах склонения Солнца над линией горизонта его
излучение через верхнюю поверхность 12 широкоапертурного концентратора 9 поступает
на одну из боковых поверхностей 10 (фиг. 1, проекция лучей III или IV) и, отражаясь от
них, поступает на боковые отражатели 3, и далее, как в вышеописанном случае, происходит преобразование электромагнитного излучения видимого диапазона в солнечных панелях 2, а ИК-диапазон преобразуется как в ИК-фотопреобразователях 5, так и в матричных
преобразователях тепло -электричество 8. Поток тепловой энергии от подложек 4 преобразуется в термоэлектрических преобразователях 6 в электричество. Средний угол склонения Солнца над линией горизонта может приводить к отражению лучей (фиг. 2,
проекция лучей V) от нижней поверхности 11 широкоапертурного концентратора 9, которые аналогично вышеописанному случаю поступают на боковые отражатели 3 и преобразуются в электричество. При большом угле склонения Солнца над линией горизонта
5
BY 12468 C1 2009.10.30
(фиг. 2, проекция лучей VI) солнечное излучение, пройдя через верхнюю поверхность 12
широкоапертурного концентратора 9 и отразившись от нижней поверхности 11, попадает
обратно на верхнюю поверхность 12 с внутренней стороны. Для этих лучей угол падения
принимает такое значение, что рассматриваемый луч VI отражается от верхней поверхности 12 и аналогично вышеописанным случаям (I-V лучи) попадает на боковые отражатели
3 под углом, близким к 45°. В то же время для лучей (фиг. 2, проекция лучей VII, VIII),
которые попадают на верхнюю поверхность 12 в непосредственной близости к лицевой
поверхности опорной несущей конструкции 1, типичный ход лучей изменяется. Лучи VII
сразу после прохождения верхней поверхности 12 попадают на солнечные панели прямоугольной формы 2 под углом, близким к 90°, и проходят их без разделения на спектральные диапазоны и далее поступают на солнечные панели 2. А лучи VIII после отражения от
нижней поверхности 11 сразу попадают на солнечные панели 2. Рассматриваемые лучи
VII, VIII преобразуются в электричество так же, как и в прототипе, т.е. преобразуется
только энергия электромагнитного излучения видимого диапазона длин волн.
В предлагаемом изобретении преобразуется в электричество более широкий спектральный диапазон электромагнитного излучения, а именно: видимая часть спектра излучения, ИК-спектральный диапазон, часть теплового потока от нагретых подложек ИКфотопреобразователей 5 (8-9 % - КПД элементов Пельтье, из которых выполнены термоэлектрические преобразователи 6), а также переизлучаемая часть тепла элементов устройства, земной поверхности и окружающих тел как днем, так и после захода Солнца. Кроме
того, теплоизолирующие элементы 15 ограничивают процесс теплопередачи от подложек
4 к солнечным панелям прямоугольной формы 2, тем самым поддерживается номинальное
значение их КПД в безоблачные дни.
Источники информации:
1. Патент России 21325909, 1998.
2. Патент RU 2301379 С2, 2007.
3. Хвостиков В.П., Растегаева И.Г., Хвостикова О.А. и др. Высокоэффективные (49 %)
мощные фотоэлементы на основе антимонида галлия // Физика и техника полупроводников. - 2006. - Т. 40, вып. 10. - C. 1275-1279.
4. L.G. Sollner, W.D. Goodhue et all. Resonant tunneling through quantum wells at frequencies up to 2.5 THz. Appl. Phys. Lett. 43 (6), 1983, N 15, hh. 588-590.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
240 Кб
Теги
патент, by12468
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа