Комбинированный теплофотоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к комбинированным преобразователям солнечной энергии в тепловую и электрическую. Изобретение позволяет расширить диапазон работы путем регулирования температуры теплоносителя на выходе преобразователя. Преобразователь содержит абсорбер 1 с теплоносителем, поглощающее покрытие которого выполнено в виде фотоэлектрического генератора 2, выход последнего подключен через блок 3 управления к двигателю 4 насоса 5, гидравлически связанного с абсорбером. Фотоэлектрический генератор состоит из не менее двух параллельно соединенных цепочек из последовательно включенных фотоэлементов, причем часть цепочек имеет дополнительный вывод, между которым и одним из основных выводов генератора подключен регулируемый токоограничивающий элемент 6 с образованием шунтируемого и нешунтируемого участка цепочек, при этом нешунтируемый участок расположен на выходе абсорбера. Такое выполнение преобразователя позволяет получить теплоноситель с повышенной температурой, а также повысить коэффициент использования солнечной энергии за счет использования излишней мощности фотоэлектрического генератора на дополнительный нагрев теплоносителя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к комбинированным преобразователям солнечной энергии в тепловую и электрическую. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является комбинированный теплофотоэлектрический преобразователь. На фиг.1 представлена функциональная схема такого преобразователя. Комбинированный теплофотоэлектрический преобразователь состоит из абсорбера 1 с теплоносителем, поглощающее покрытие которого выполнено в виде фотоэлектрического генератора 2 из цепочки последовательно соединенных фотоэлементов (на фиг. 1 не показано), подключенного через блок 3 управления к двигателю 4 насоса 5, гидравлически связанного с абсорбером 1. Совокупность двигателя 4 и насоса 5 представляет собой электромеханический преобразователь 6. Работает известное устройство следующим образом. Блок 3 управления подключает генератор 2 к двигателю 4, когда напряжение холостого хода генератора достигнет заданного значения (порога включения), которое устанавливается в зависимости от значения температуры окружающей среды и необходимого уровня энергетической освещенности и соответствует моменту, когда тепловые потери в преобразователе становятся менее уровня поступающей солнечной энергии. Электроэнергия, вырабатываемая генератором 2, через двигатель 4 и насос 5 приводит в движение теплоноситель, обеспечивая поступление потребителю тепловой энергии. При изменении уровня (профиля) освещенности пропорционально ему изменяется мощность генератора 2, что приводит к автоматическому изменению скорости (расхода) теплоносителя через абсорбер 1, обеспечивая постоянство температуры теплоносителя на выходе абсорбера. Известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет устанавливать необходимое значение температуры теплоносителя на выходе абсорбера. Потребность такой функции возникает в следующих случаях. Во-первых, для обеспечения нужд автономного жилого дома иногда необходимо иметь большое количество теплоносителя с относительно невысокой температурой, например, для стирки белья, а иногда необходимо иметь малое количество теплоносителя с высокой температурой, например, для приготовления пищи. Во-вторых, при изменении температуры окружающей среды, например при переходе от одного сезона к другому, невозможно поддерживать одну и ту же соответствующую наиболее эффективному режиму преобразования температуру теплоносителя на выходе абсорбера, так как между тепловой и электрической характеристиками преобразователя существует обратная зависимость: с понижением температуры окружающей среды мощность фотоэлектрического генератора при одной и той же энергетической освещенности возрастает, следовательно, возрастает и скорость движения теплоносителя, а для поддержания значения температуры теплоносителя на выходе необходимо, наоборот, снижать скорость движения. Решение задачи известными методами, например установкой на выходе генератора параллельно регулятора мощности шунтирующего типа, приводит к тому, что на регуляторе рассеивается излишняя мощность генератора, из-за чего снижается общий коэффициент использования солнечной энергии, поступающей на преобразователь. Цель изобретения расширение диапазона работы комбинированного теплофотоэлектрического преобразователя путем регулирования температуры теплоносителя на выходе абсорбера при максимальном использовании солнечной энергии. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается введением нового элемента (токоограничивающего), формой выполнения фотоэлектрического генератора, взаимным расположением элементов фотоэлектрического генератора и абсорбера. На фиг. 2 показана функциональная электрогидравлическая схема предлагаемого устройства; на фиг.3 абсорбер, вид спереди; на фиг. 4 то же, вид сбоку. Комбинированный теплофотоэлектрический преобразователь энергии состоит из абсорбера (приемника солнечной энергии, солнечного коллектора) 1 с теплоносителем, поглощающее покрытие которого выполнено в виде фотоэлектрического генератора (солнечной батареи) 2, подключенного через блок 3 управления к двигателю 4 насоса 5, гидравлически связанного с абсорбером 1. Фотоэлектрический генератор 2 состоит из нескольких (по меньшей мере двух) электрически параллельно подключенных цепочек 2₁ 2_n, включающих в себя последовательно соединенные фотоэлементы (фотоэлектрические преобразователи), часть цепочек (по крайней мере одна, как показано на фиг.2 под номером 2) имеет дополнительный вывод, между которым и одним из основных выводов генератора 2 включен регулируемый токоограничивающий элемент 6 с образованием шунтируемого 2_nш и нешунтируемого 2_nнш участков цепочки, причем нешунтируемый участок расположен на выходе абсорбера 1 (фиг.3 и 4). Поглощающий (абсорбционный) слой абсорбера 1 содержит фотоэлектрический генератор 2, причем фотоэлементы, составляющие нешунтируемую элементом 6 часть цепочек 2_nнш, имеющую дополнительный вывод, располагаются на выходе абсорбера 1. Генератор 2 может питать дополнительные потребители, ток потребления которых не изменяется во времени, например аккумуляторную батарею через стабилизатор зарядного тока (на фиг.2 не показано). Блок 3 управления может быть, например, выполнен, как указано, из конденсатора 7, обеспечивающего пусковой ток двигателя 4, порогового элемента 8, имеющего гистерезис и регулируемый порог срабатывания. Элемент 8 обеспечивает открывание ключа 9 (подключение генератора 2 к двигателю 4) при достижении определенного значения напряжения генератором 2. Совокупность двигателя 4 и насоса 5 представляет собой электромеханический преобразователь 10. Электродвигатель 4 постоянного тока в параллельным возбуждением с помощью привода связан с насосом 5, например, циркуляционного (центробежного) типа. Частота вращения электродвигателя 4 пропорциональна току в его обмотке, т.е. производительность насоса 5 зависит от величины тока, поступающего от генератора 2. Преобразователь 10 может также иметь конвертор или инвертор, включенный на его входе (на фиг. 2 не показан) и предназначенный для согласования уровня выходного напряжения генератора 2 с рабочим уровнем напряжения электродвигателя 4. Токоограничивающий элемент 6 может быть, например, выполнен в виде двухполюсного регулируемого стабилизатора тока и состоять (фиг.2) из эталонного переменного резистора 11, падение напряжения на котором при прохождении через него тока сравнивается с опорным напряжением стабилизатора 12 и по результатам сравнения устанавливается необходимое внутреннее сопротивление регулирующего элемента (транзистора) 13. Питание стабилитрона 12 осуществляется через резистор 14 от всего генератора 2. Необходимое значение тока стабилизации устанавливается с помощью величины резистора 11. Токоограничивающий элемент 6 может также быть выполнен в виде переменного резистора, но в этом случае за счет управления наблюдается некоторое снижение качества,и выбор того или иного исполнения зависит от качества или стоимости и надежности источника. Комбинированный теплофотоэлектрический преобразователь энергии работает следующим образом. Перед началом работы преобразователя исходя из требуемого значения температуры теплоносителя на выходе абсорбера 1 производится установка масштабного ограничения мощности фотоэлектрического генератора 2 (установка необходимой мощности генератора при определенной его энергетической освещенности) с помощью шунтирования части тока генератора токоограничивающим элементом 6. Количественное соответствие мощности генератора с учетом действия элемента 6 и температуры (скорости, расхода) теплоносителя на выходе конкретного абсорбера 1 может быть, например, определено по известной методике. Затем устанавливается порог включения блока 3 управления уровень энергетической освещенности, превышающий тепловые потери преобразователя. Тепловые потери зависят от температуры окружающей среды, скорости ветра, эти же факторы совместно со значением тока через элемент 6 и уровнем энергетической освещенности определенным образом влияют на выходное напряжение генератора 2, т. е. по значению напряжения на выходах генератора 2 можно определить, достаточная ли освещенность для включения преобразователя. При превышении энергетической освещенности порога включения блок 3 подключает генератор 2 к двигателю 4, который приводит в движение теплоноситель, обеспечивая поступление потребителю тепловой энергии. При изменениях уровня энергетической освещенности пропорционально ему изменяется ток генератора 2, ток через элемент 6 практически не изменяется: ток, текущий через двигатель 4, равен току генератора 2 минус ток через элемент 6, т.е. он пропорционален освещенности, что приводит к изменению скорости (расхода) теплоносителя через абсорбер 1, обеспечивая постоянство температуры теплоносителя на выходе абсорбера 1. Генератор 2 совместно с элементом 6 работает следующим образом. Генерируемый под действием поступающего излучения ток части 2_nш цепочки, имеющей дополнительный вывод, может протекать по двум ветвям в двигатель 4 и через элемент 6, так как ток фотоэлементов, на которых состоят цепочки генератора 2, при любом напряжении на них ограничен по величине (вольт-амперная характеристика и режимы работы фотоэлемента). Если через элемент 6 ток не протекает, то он весь течет в двигатель 4, если через элемент 6 течет ток, равный максимальному рабочему току цепочки 2_n, то часть 2_nнш этой цепочки находится в режиме холостого хода, и ток в двигатель 4 от этой цепочки не поступает, а при промежуточных между этими значениями тока через элемент 6 ток перераспределяется между двигателем 4 и элементом 6. Ток, генерируемый цепочками 2₁ 2_n-1, может протекать по двум цепям в двигатель 4 и, если от части 2_nш цепочки с отводом в двигатель 4 ток не течет (установленная величина тока ограничения больше рабочего тока цепочки 2_n) и при этом к части 2_nнш этой цепочки прикладывается внешнее напряжение смещения в прямом направлении от остальных цепочек, через последовательно соединенные элемент 6 и часть 2_nнш цепочки с отводом. В этом случае часть 2_nнш цепочки является не генератором, а потребителем электроэнергии, преобразуя используемую электрическую энергию генератора 2 в тепловую, причем преобразование это производится непосредственно на поглощающем покрытии абсорбера 1 и в наиболее эффективном месте на выходе абсорбера 1. При изменении величины тока ограничения через элемент 6 происходит перераспределение электрической мощности генератора 2 на двигатель 4, на дополнительный подогрев теплоносителя. Так как величина тока генератора 2, направляемая на преобразование в тепло, ограничивается, то уровень тока генератора 2, поступающий в двигатель 4, является разностью между генерируемым и текущим через элемент 6, т.е. он пропорционален потоку солнечного излучения. Устанавливая различную величину тока ограничения, можно при одной и той же плотности солнечного излучения обеспечить различную скорость теплоносителя, т.е. различную температуру теплоносителя. Соотношение между фотоактивной площадью цепочек без отвода и с отводом, а также положение отвода относительно цепочки выбирается исходя из следующих положений. С целью получения положительного эффекта в широком диапазоне ограничения мощности генератора 2 необходимо стремиться уменьшить площадь цепочки с отводом, но, с другой стороны, необходимо, чтобы максимальная температура разогреваемых фотоэлементов не превышала допустимой для конструкции абсорбера 1 (сами фотоэлементы допускают перегрев до нескольких сот градусов Цельсия (см.[9]), т.е. минимальная площадь определяется из уравнения теплобаланса, учитывающего поступление тепловой энергии солнца и электрической от остальных цепочек, с одной стороны, а также отдачу тепла в теплоноситель и окружающую среду с другой, при максимально допустимой температуре абсорбера 1. С целью рассеивания минимальной мощности в элементе 6 необходимо стремиться шунтировать элементом 6 минимальную часть цепочки 2_n, но, с другой стороны, необходимо учитывать, что существует минимальная величина напряжения между выводами элемента 6 (напряжение насыщения), при которой его стабилизирующие свойства теряются. Таким образом, количество фотоэлементов (N) в нешунтируемой элементом 6 части цепочки определяется из соотношения где U минимальное рабочее напряжение на выходе генератора 2, В; U_н напряжение насыщения элемента 6,В; U_xx напряжение холостого хода фотоэлемента при минимальной рабочей температуре В; R дифференциальное сопротивление фотоэлемента в режиме прямого смещения (при количестве цепочек с отводом более одной берется сопротивление параллельно соединенных преобразователей), Ом l_n-1 максимальный ток цепочек 2₁ 2_n-1, A. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключается в расширении диапазона работы за счет возможности установки необходимого значения температуры теплоносителя на выходе абсорбера при максимальном использовании солнечной энергии, поступающей на преобразователь. Полезность возможности установки температуры обоснована выше, она достигается не традиционным методом, что позволяет более полно использовать энергию солнца. Использование традиционных регуляторов электрической мощности фотоэлектрических генераторов приводит к тому, что на них рассеивается вся неиспользованная мощность генератора, а при КПД генератора, равном 10% она может доходить до 9% энергии солнца (с учетом, что при минимальной скорости теплоносителя используется 0,1 мощности генератора). Использование изобретения позволяет до 90% излишней электрической энергии или 7 8% солнечной энергии (с учетом, что фотоактивная площадь цепочек генератора с дополнительным выводом составляет 0,1 от всей площади генератора) использовать, полезно преобразовывать в тепловую энергию, причем в "концентрированном" виде (на распределенном равномерно по абсорберу) в наиболее эффективном месте на выходе абсорбера.

Формула изобретения

1. Комбинированный теплофотоэлектрический преобразователь, содержащий абсорбер с теплоносителем, поглощающее покрытие которого выполнено в виде фотоэлектрического генератора из цепочки последовательно соединенных фотоэлементов, подключенного через блок управления к двигателю насоса, гидравлически связанного с абсорбером, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона работы путем регулирования температуры теплоносителя на выходе абсорбера, преобразователь дополнительно содержит регулируемый токоограничивающий элемент, а фотоэлектрический генератор снабжен по меньшей мере одной дополнительной цепочкой, включенной параллельно основной, при этом по меньшей мере одна цепочка имеет дополнительный вывод, между которым и одним из основных выводов фотоэлектрического генератора подключен токоограничивающий элемент с образованием шунтируемого и нешунтируемого участков цепочки. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что часть покрытия, имеющая нешунтируемый участок цепочки фотоэлементов, расположена на выходе абсорбера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---