Універсальна геліоенергетична установка

Універсальна геліоенергетична установка, що містить первинний дзеркальний концентратор, фотоперетворювач з охолоджуючим пристроєм, яка відрізняється тим, що фотоперетворювач розташований по геометричній осі дзеркального концентратора, а охолоджуючий пристрій виконаний у вигляді аксіально розташованого відносно фотоперетворювача спектрально селективного термоперетворювача сонячної енергії для нагрівання рідкого теплоносія. (19) (21) u201006507 (22) 28.05.2010 (24) 25.11.2010 (46) 25.11.2010, Бюл.№ 22, 2010 р. (72) ПАБАТ АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ, ПАБАТ АНАСТАСІЯ АНАТОЛІЇВНА, ЕРЬОМІНА КАТЕРИНА АНДРІЇВНА (73) ДНІПРОДЗЕРЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 3 кріплені на охолоджуючому пристрої-радіаторі, в якому виконані циліндричні отвори [патент РФ № 2282799, F24J2/18, 2006]. Недоліком сонячної багатофункціональної сильноконцентруючої енергоустановки є обмежена енергетична ефективність унаслідок застосування концентратора сонячної енергії з вельми геометрично складною поверхнею, яка важко піддається очищенню в процесі експлуатації, а також необхідність застосування охолоджуючого пристроюрадіатора, розсіючого частина концентрованої сонячної енергії для захисту від перегріву фотоперетворювачів. В основу корисної моделі поставлено завдання удосконалення сонячної багатофункціональної сильноконцентруючої енергоустановки шляхом спектрального розподілу енергії сонячної радіації за допомогою застосування розташованого уздовж осі дзеркального концентратора фотоперетворювача і аксіального розташованого охолоджуючого пристрою у вигляді спектрально селективного термоперетворювача сонячної енергії в теплову для нагрівання теплоносія, що збільшує ефективність перетворення сонячної радіації в електричну і теплову енергію і забезпечує надійний захист фотоперетворювача від перегріву. Поставлене завдання досягається тим, що в універсальній геліоенергетичній установці, яка містить первинний дзеркальний концентратор, фотоперетворювач з охолоджуючим пристроєм, фотоперетворювач розташований по геометричній осі концентратора, а охолоджуючий пристрій виконаний у вигляді аксіально розташованого відносно фотоперетворювача спектрально селективного термоперетворювача сонячної енергії для нагрівання рідкого теплоносія. Розташування фотоперетворювача уздовж осі дзеркального концентратора дозволяє збільшити енергетичні і економічні характеристики енергоустановки без збільшення найбільш дорогого елементу фотоперетворювача сонячної енергії в електричну, проте вимагає застосування спеціальних заходів захисту фотоперетворювача від перегріву. Застосування аксіально розташованого перед фотоперетворювачем спектрально селективного термоперетворювача сонячної радіації для нагрівання рідкого теплоносія сонячною енергією зменшує частку не використовуваного в процесі фотоперетворення інфрачервоного сонячного випромінювання, чим забезпечується захист фотоперетворювача від перегріву. Застосування аксіального розташованого перед фотоперетворювачем спектрально селективного термоперетворювача сонячної енергії збільшує ефективність нагрівання рідкого теплоносія сонячною енергією внаслідок особливостей спектральних характеристик селективного термоперетворювача і концентратора. Будова універсальної геліоенергетичної установки представлена на Фіг.1, спектральні енергетичні характеристики напівпровідникових і конструкційних матеріалів - на Фіг.2, залежність частки енергії інфрачервоного випромінювання від висоти Сонця над горизонтом - на Фіг.3, спектральні енергетичні характеристики сонячної радіації і 54857 4 спектрально селективного термоперетворювача сонячної енергії - на Фіг.4. Універсальна геліоенергетична установка містить дзеркальний концентратор 1 сонячної радіації, розташований по геометричній осі концентратора фотоперетворювач 2, розташований аксіально фотоперетворювачу спектрально селективний термоперетворювач 3 сонячної енергії, обладнаний трубопроводами 4 для підведення і відведення теплоносія. Працює універсальна геліоенергетична установка наступним чином. Закономірна ескалація вартості традиційних енергоносіїв і все зростаючий екологічний збиток від їх використання сприяє стрімкому розвитку альтернативних енергетичних технологій, зокрема, геліоенергетики. Внаслідок недостатньої природної щільності сонячної енергії, площі, займані геліофотоелектричними і геліотермічними перетворювачами вже виявляються критичними для країн і регіонів зі значною часткою геліоенергетики у загальному енергетичному балансі, що визначає актуальність розробки і створення ефективних універсальних геліоенергетичних установок. Ефектівність будь-якої геліоенергетичної установки визначається насамперед рівнем утилізації сонячної енергії і не перевищує 15 – 18% для геліофотоенергетики і 40 – 60% для геліотермоенергетики, що пояснюється особливістю фізичних процесів взаємодії сонячної радіації з напівпровідниковими і конструкційними матеріалами геліоустановок. Енергетична ефективність комерційно доцільних кремнієвих фотоперетворювачів з ефективною довжиною хвилі =0,8мкм (Фіг.2, графік 4) не перевищує 15-18% і унаслідок дорожнечі кремнієвих фотоперетворювачів вимагає застосування концентраторів сонячної радіації. Традиційно використовувана у пристроях геліотермоенергетики для нагрівання теплоносія сонячною енергією металева арматура обмежує енергетичну ефективність унаслідок селективності коефіцієнта віддзеркалення металів, що становить 30-50% у видимій області спектру та досягає 95% в інфрачервоній області (Фіг.2, графіки 1,2,3), проте в спектрі сонячної радіації частка інфрачервоного випромінювання залежно від висоти Сонця над горизонтом складає від 80% до 50% навіть при нормальному падінні випромінювання (Фіг.3). Сонячна радіація концентрується дзеркальним концентратором 1 і спрямовується на аксіально розташований перед фотоперетворювачем 2 спектрально селективний термоперетворювач 3 сонячної енергії, обладнаний трубопроводами 4 для підведення і відведення теплоносія. Внаслідок селективності спектральної характеристики металевого, наприклад, мідного, дзеркального концентратора 1 (Фіг.2, графіки 1,2,3) ефективність геліоенергетичної установки істотно підвищується перш за все внаслідок використання енергії інфрачервоного випромінювання Сонця у вранішні та вечірні години (Фіг.3). Власна спектральна характеристика спектрально селективного термоперетворювача 3 сонячної енергії (Фіг.4, графік 3) при використанні як теплоносія води або водного розчину, наприклад, етиленгліколю має 5 54857 мінімум поглинання в області видимого спектру товщина половинного поглинання випромінювання з довжиною хвилі =0,5мкм становить для води 0,47м - і максимум в області ,=1,5-3мкм інфрачервоного випромінювання, що підвищує ефективність нагрівання теплоносія і одночасно значно зменшує рівень не використовуваного для фотоперетворення інфрачервоного випромінювання практично не зменшуючи рівень випромінювання з довжиною хвилі =0,8мкм, чим виключається можливість перегріву фотоперетворювача. Сонячне випромінювання видимого і ближнього інфрачервоного діапазонів з довжиною хвилі =0,4-1,2мкм, яке проходить через спектрально селективний термоперетворювач 3, перетворюється фотоперетворювачем 2 в електричну енергію, а спектральна характеристика термоперетворювача 3 дозволяє використовувати поки що надто дорогі інноваційні фотоперетворювачі з ефективною до Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 6 вжиною хвилі у вказаному діапазоні, що додатково збільшує ефективність універсальної геліоенергетичної установки. Циркуляція теплоносія через трубопроводи 4 забезпечує підтримку температури теплоносія на рівні 50-70 С, що забезпечує надійний захист фотоперетворювача від перегріву і достатньо для побутових потреб. Таким чином, універсальна геліоенергетична установка дійсно збільшує ефективність перетворення сонячної радіації в електричну і теплову енергію і забезпечує надійний захист фотоперетворювача від перегріву за допомогою застосування розташованого уздовж осі концентратора фотоперетворювача і аксіально розташованого охолоджуючого пристрою у вигляді спектрального селективного термоперетворювача, який перетворює енергію сонячної радіації інфрачервоного діапазону у теплову для нагрівання рідкого теплоносія. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601