Результат интеллектуальной деятельности: СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.

Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор на основе концентрических линз Френеля, двухосную систему слежения за Солнцем и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных планарных солнечных элементов с односторонней рабочей поверхностью. Солнечная электростанция имеет следующие характеристики: коэффициент концентрации 385, электрическая мощность 5,75 кВт, КПД преобразования солнечной радиации с учетом КПД концентратора и инвертора 23,5%, стоимость 9,3 долл. США/Вт. Плоскость фотоприемников и p-n переходов фотоприемников параллельна плоскости линзы Френеля и перпендикулярна оптической оси концентратора и концентрированному потоку солнечного излучения. Стоимость фотоприемника составляет 13 долл. США за 1 см площади фотоприемника (Photon International, июль 2008 г., с. 15).

Недостатками известной электростанции являются высокая трудоемкость изготовления и большая стоимость материалов фотоприемников, содержащих галлий, германий и другие дорогостоящие материалы.

Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор с поверхностью миделя, на который поступает солнечное излучение, двухосную систему слежения и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных солнечных элементов на основе полупроводников A_III B_V. Концентратор содержит параболоидное зеркало квадратной формы, контротражатель системы Кассегрена и пирамидальный оптический элемент из стекла, на нижнем основании которого закреплен каскадный гетероструктурный солнечный элемент с односторонней рабочей поверхностью с р-n переходом, плоскость которого параллельна плоскости миделя концентратора и перпендикулярна оптической оси концентратора, потоку солнечного излучения и боковым граням оптического элемента. Параметры солнечной электростанции: концентрация 476, КПД 22,7%, площадь солнечного элемента 1 см², размеры параболоида 25×25 см, суммарная электрическая мощность 500 кВт (Photon International, ноябрь 2008 г., с. 150, 153; Sun and Wind Energy, 2008, №5, с. 130).

Недостатками известной солнечной электростанции являются большая стоимость и низкий КПД трехэлементной оптической системы: параболическое зеркало - контротражатель - оптический элемент - солнечный элемент.

Известна солнечная электростанция, содержащая концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и двусторонней рабочей поверхностью, плоскости р-n переходов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.

В варианте солнечной электростанции концентратор выполнен в виде параболоидного зеркала системы Кассегрена с гиперболическим контротражателем в фокальной области и четырехгранной призмой у вершины параболоида, в основании которой установлен фотоприемник, плоскости р-n переходов которого параллельны двум боковым граням призмы.

В варианте солнечной электростанции фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника, а теплообменник снабжен устройством для прокачки теплоносителя или радиатором воздушного охлаждения (Патент РФ №2431086, опубл. 20.03.2011 г., Бюл. №28).

Недостатком известной солнечной электростанции является снижение электрической мощности и ресурса работы фотоприемника из-за недостаточно высокой теплопроводности и старения электроизолирующего теплопроводящего клея между фотоприемником и теплообменником. Другим недостатком является снижение электрической мощности из-за схемных потерь при неравномерной освещенности фотоприемника в фокальной области концентратора.

Задачей настоящего изобретения является увеличение электрической мощности и ресурса работы солнечной электростанции.

Технический результат заключается в снижении потерь электроэнергии и увеличении КПД и срока службы солнечной электростанции.

Технический результат достигается тем, что в солнечной электростанции, содержащей концентраторы, систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и токоотводами, плоскости р-n переходов и токоотводов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты, прозрачная оболочка содержит гомогенизатор концентрированного солнечного излучения из набора плоских тонких пластин из оптически прозрачного материала, размеры поперечного сечения гомогенизатора соизмеримы с размерами рабочей поверхности фотоприемника, ширина каждой пластины равна расстоянию между токоотводами, а произведение толщины пластин на их количество определяет размер гомогенизатора вдоль плоскости р-n переходов диодных структур, а длина гомогенизатора в 2-10 раз больше размеров рабочей поверхности фотоприемника, плоскости диодных структур параллельны двум из четырех граней гомогенизатора, а устройство отвода тепла выполнено в виде тонких пластин из теплопроводящего материала, присоединенных к токоподводам каждой секции твердотельной матрицы путем пайки или сварки параллельно плоскости р-n переходов диодных структур, размер секций между пластинами теплообменника составляет 4-20 мм, а суммарная площадь пластин теплообменника при естественном охлаждении равна площади миделя концентратора.

В варианте солнечной электростанции пластины теплообменника выполнены из металла, например из меди, толщиной 0,05-0,5 мм.

В другом варианте солнечной электростанции пластины теплообменника выполнены из теплопроводящей керамики, например из нитрида алюминия.

Еще в одном варианте солнечной электростанции пластины теплообменника выполнены из двух разнородных материалов: у токоподводов секций пластины теплообменника выполнены из металла, например из меди, толщиной 0,1-0,5 мм, а на расстоянии 1-5 мм от секции пластины теплообменника выполнены из теплопроводящей керамики, причем два разнородных материала соединены между собой путем пайки или сварки.

В варианте устройства солнечной электростанции пластины теплообменника выполнены из двух металлических частей, которые соединены электроизолирующей прокладкой из теплопроводящей керамики, например нитрида алюминия, путем пайки или сварки.

Изобретение иллюстрируется на фиг. 1-5, где на фиг. 1 представлена оптическая схема солнечной электростанции с концентратором на основе линзы Френеля и ход лучей; на фиг. 2 - поперечное сечение гомогенизатора; на фиг. 3 - оптическая схема солнечной электростанции с параболическим концентратором и ход лучей; на фиг. 4 - фотоприемник с устройством теплоотвода с теплообменниками из двух разнородных материалов; на фиг. 5 - фотоприемник с устройством теплоотвода с теплообменниками из двух металлических частей, которые соединены электроизолирующей вставкой из теплопроводящей керамики.

На фиг. 1 солнечная электростанция содержит концентратор 1 на основе концентрической линзы Френеля, фотоприемник 2 в виде секций 3 твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов 4 с диодной структурой n⁺-р-р⁺ или р⁺-n-n⁺, плоскости р-n переходов 5 и изотипных переходов р-р⁺ или n-n⁺ 6 параллельны двум граням 7 фотоприемника 2 и перпендикулярны рабочей поверхности 8 фотоприемника 2, плоскости миделя 9 и фокальной плоскости 10 концентратора 1, оптическая ось 11 концентратора 1 и поток солнечного излучения 12 на входе в концентратор 1 параллельны плоскости р-n переходов 5 фотоприемника 2. Фотоприемник 2 установлен в прозрачной для солнечного излучения 12 оболочке 13 и содержит гомогенизатор 14 сконцентрированного солнечного излучения 15, размеры поперечного сечения a и b гомогенизатора 14 соизмеримы с размерами рабочей поверхности 8 фотоприемника 2, а длина гомогенизатора 14 в 2-10 раз больше размеров рабочей поверхности фотоприемника 2:

, .

Плоскости р-n переходов 5 параллельны двум граням 16 гомогенизатора 14. Входной торец 17 гомогенизатора 14 установлен в фокальной плоскости 10 на оптической оси 11 концентратора 1. Устройство теплоотвода 18 выполнено в виде тонких пластин 19 из теплопроводящего материала, присоединенных к токоподводам 20 каждой секции 3 путем пайки или сварки параллельно плоскости р-n переходов 5, размер секций 3d между пластинами 18 составляет d=4-20 мм, а суммарная площадь S_т пластин 18 теплообменника 17 при естественном охлаждении равна площади S_м миделя 9 концентратора 1. Площадь миделя 9 S_м равна произведению площади S_ф фотоприемника 2 на коэффициент концентрации к:

S_м=кS_ф.

Поэтому площадь S_т теплообменника 17 равна:

S_т=S_м=кS_ф.

На фиг. 2 показано поперечное сечение гомогенизатора 14. Гомогенизатор 14 содержит набор тонких пластин 21 из оптического стекла. Ширина а каждой пластины 21 равна расстоянию между токовыводами 22 фотоприемника 2, а плоскости пластин 21 перпендикулярны плоскости р-n переходов 5 и изотипных переходов 6 фотоприемника 2. Размер b поперечного сечения гомогенизатора 14 равен произведению количества n пластин 21 на их толщину с:b=c⋅n.

На фиг. 3 концентратор 1 выполнен в виде параболоцилиндрического концентратора 23, а фотоприемник 2 с гомогенизатором 14 установлен над параболическим концентратором 23.

На фиг. 4 устройство теплоотвода 18 содержит пластины теплообменника, выполненные из двух разнородных материалов: у токоподводов секций 20 пластины 24 выполнены из металла, например меди, а на расстоянии 1-5 мм от секции пластины 25 теплообменника выполнены из теплопроводящей керамики, пластины 24 и 25 соединены между собой путем пайки или сварки.

На фиг. 5 пластины 24 и 26 теплообменника выполнены из меди и соединены между собой электроизолирующей прокладкой 27 из теплопроводящей керамики.

Солнечная электростанция работает следующим образом.

Солнечное излучение 12 после концентратора 1 поступает на входной торец 17 гомогенизатора 14 в виде сконцентрированного излучения 15. За счет эффекта многократного полного внутреннего отражения от стенок пластин 21 гомогенизатора 14 неравномерно распределенное сконцентрированное излучение 15 в фокальной плоскости 10 на входном торце 17 поступает на фотоприемник 2 в виде равномерно распределенного по площади фотоприемника 2 потока излучения. Распространение излучения в направлении, перпендикулярном плоскости пластин 21, затруднено из-за эффекта полного внутреннего отражения внутри каждой пластины 21. Фотоприемник 2 преобразует равномерно распределенное концентрированное излучение 15 в электрическую энергию с высоким КПД η_ф из-за отсутствия схемных потерь в фотоприемнике 2, связанных с неравномерным освещением последовательно соединенных солнечных элементов 4 в фотоприемнике 2.

Часть энергии сконцентрированного солнечного излучения 15, пропорциональная 1-η_ф, преобразуется в тепло в секциях 3 и поступает в устройство теплоотвода 18, и через пластины теплообменника 19 рассеивается в окружающей среде за счет конвекции и излучения. При естественном охлаждении и выполнении условия S_м=S_т=кS_ф температура фотоприемника 2 при концентрации к=5-500 не превысит 80°С. Площадь S_т пластин 19 теплообменника может быть уменьшена при использовании воздушного принудительного охлаждения с помощью вентилятора или при водяном охлаждении пластин 19, 24, 25, 26 (на фиг. не показано), при этом для изоляции секций 3 от окружающей среды, например воды, используют пластины 25 из керамики или изолирующие вставки 27 из керамики.

Пример выполнения солнечной электростанции.

Концентратор 1 на фиг. 1 выполнен из линзы Френеля размером 400×400 мм, фотоприемник 2 имеет размеры 40×40 мм, коэффициент концентрации к=100. Размер секции 3 между двумя пластинами 19 равен 5 мм, количество пластин 9, размеры пластин 130×130×0,1 мм, общая площадь пластин 0,169 м², размеры гомогенизатора 14 - 40×40×320 мм. Гомогенизатор 14 состоит из 40 пластин 21 из оптического стекла размером 40×1×130 мм. Электрическая мощность 24 Вт, рабочее напряжение 96 В, КПД 15%, температура фотоприемника 2 при естественном охлаждении 80°C, при воздушном охлаждении с помощью вентилятора 40°C.

Использование гомогенизатора 14 концентрированного солнечного излучения 15 и устройства теплоотвода 18 увеличивает электрическую мощность солнечной электростанции и ресурс работы за счет снижения схемных потерь в фотоприемнике 2 и снижения температуры фотоприемника 2 при работе с концентратором солнечного излучения.