Пристрій перетворення енергії сонячного випромінювання

Реферат: Пристрій перетворення енергії сонячного випромінювання, який містить концентратор випромінювання, активний спектральний перетворювач та об'єднувач випромінювання, причому в нього введено фотоелектричний перетворювач на основі концентраторного III V фотоелектричного елемента на базі напівпровідникових гетероструктур типу A B : GaAs або InGaAs, або AlGaAs, або GaAsP, або GaN, або їх твердих розчинів в різних пропорціях, який через об'єднувач випромінювання оптично з'єднано з активним спектральним перетворювачем, а як концентратор випромінювання використовується двоелементна концентруюча система із послідовно з'єднаним головним концентруючим елементом з центральним отвором та доконцентратором, які оптично з'єднані із активним спектральним перетворювачем, який розміщений в оптичному резонаторі на базі дзеркал зворотного зв'язку, причому як активний спектральний перетворювач, так і концентраторний фотоелектричний елемент з'єднані із системою відведення тепла, а вихід концентраторного фотоелектричного елемента є електричним виходом пристрою перетворення енергії сонячного випромінювання. UA 88395 U (12) UA 88395 U UA 88395 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до оптико-електронних систем, альтернативних джерел енергії і може знайти використання в задачах створення більш ефективних відновлювальних альтернативних джерел енергетичних ресурсів. Відомий спосіб перетворення сонячної енергії (Патент Росії (RU) №2002125301/06, МПК F24J2/00, F24J2/42 від 2002.09.12), який містить тверді та рідкі середовища, що відділені від оточуючого середовища світлопроникним теплоізолюючим матеріалом та шаром повітря, повітрозагороджуючі засоби, вітротурбіну та повітровідвідну тягову трубу. Недоліком способу є неможливість використання повного потенціалу перетвореної енергії та як наслідок - низький ККД за рахунок перетворення світлової енергії у електричну стандартними, менш ефективними фотоелектричними перетворювачами. Відомий світловий електрогенератор і перетворювач світлової енергії (Патент України (UA) №51573 А, МПК (2006) С09К 11/06 від 03.07.2002), що містить чарунку, фотоприймач і перетворювач світлової енергії. Недоліком є низька ефективність перетворення (ККД) за рахунок перетворення світлової енергії у електричну із великим відсотком втрат за допомогою менш ефективних фотоелектричних перетворювачів. Відома сонячна установка (Патент Росії (RU) №2004114515/06, F24J2/18 від 5.12.2004р), яка містить дводзеркальну концентровану систему із головним дзеркалом із центральним отвором і доконцентратором із частково прозорим дзеркальним покриттям, фотоелектричний перетворювач сонячної енергії і систему відведення тепла від фотоелектричного перетворювача. Недоліком є низька ефективність (ККД) за рахунок перетворення світлової енергії у електричну із великим відсотком втрат за допомогою менш ефективних фотоелектричних перетворювачів. Найбільш близьким до запропонованого є пристрій уніфікованої трансформації довжин хвиль (Патент України (UA) №30602 U, МПК F24J2/06 (2006) від 11.03.2008), який містить стандартну відбиваючу дзеркальну підсистему (в подальшому - концентратор випромінювання), активний спектральний перетворювач, підсилювач випромінювання та об'єднувач випромінювання, причому сонячне світло, підсилюючись за допомогою відбиваючої дзеркальної системи, потрапляє на активний спектральний перетворювач, що з'єднаний із підсилювачем випромінювання, вихід якого підключений до об'єднувача випромінювання. Недоліками вказаного пристрою є обмежені функціональні можливості і сфера використання за рахунок неможливості використання вихідної електричної енергії - як найбільш традиційного поширеного виду енергії. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ефективності перетворення сонячної енергії в електричну, за рахунок використання концентраторного (CPV) фотоелектричного перетворювача, а також розширення функціональних можливостей і сфери використання за рахунок використання в якості вихідної енергії - електроенергії, яка є традиційним і найбільш поширеним видом енергетичних ресурсів. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій перетворення енергії сонячного випромінювання, який містить концентратор випромінювання, активний спектральний перетворювач та об'єднувач випромінювання, введено фотоелектричний перетворювач на основі концентраторного фотоелектричного елемента на базі напівпровідникових III V гетероструктур типу A B : GaAs, або InGaAs, або AlGaAs, або GaAsP, або GaN, або їх твердих розчинів в різних пропорціях, який через об'єднувач випромінювання оптично з'єднано з активним спектральним перетворювачем, а як концентратор випромінювання використовується двоелементна концентруюча система із послідовно з'єднаним головним концентруючим елементом з центральним отвором та доконцентратором, які оптично з'єднані із активним спектральним перетворювачем, який розміщений в оптичному резонаторі на базі дзеркал зворотного зв'язку, причому як активний спектральний перетворювач, так і концентраторний фотоелектричний елемент з'єднані із системою відведення тепла, а вихід концентраторного фотоелектричного елемента є електричним виходом пристрою перетворення енергії сонячного випромінювання. Пристрій перетворення енергії сонячного випромінювання містить концентратор випромінювання 1 з послідовно з'єднаним головним концентруючим елементом 2 з центральним отвором 3 та доконцентратором 4, активний спектральний перетворювач 5 та об'єднувач випромінювання 6, фотоелектричний перетворювач 7 (виконаний на основі концентраторного фотоелектричного елемента на базі напівпровідникових гетероструктур типу III V A B ), який через об'єднувач випромінювання 6 оптично з'єднано з активним спектральним перетворювачем 5, концентратор випромінювання 1 оптично з'єднаний із активним 1 UA 88395 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 спектральним перетворювачем 5, який розміщений в оптичному резонаторі 8 (виконаний на базі дзеркал зворотного зв'язку). Активний спектральний перетворювач 5 та концентраторний фотоелектричний елемент 7 з'єднані із системою відведення тепла 9, а вихід концентраторного фотоелектричного елемента 7 є електричним виходом 10 пристрою перетворення енергії сонячного випромінювання. На кресленні зображено схему пристрою перетворення енергії сонячного випромінювання. Пристрій перетворення енергії сонячного випромінювання працює наступним чином. Сонячне випромінювання з різними спектральними діапазонами і довжинами хвиль ( j   j1.. jn ) розповсюджуються у просторі і проходять через земну атмосферу, де частково поглинаються і потрапляють на концентратор 1. Спочатку випромінювання потрапляє на головний концентруючий елемент 2, який має порівняно більшу активну площу. Головний концентруючий елемент 2 концентрує сонячне оптичне випромінювання згідно з законами і принципами геометричної оптики на доконцентратор 4, який має меншу активну площу поверхні і додатково концентрує вхідне випромінювання із концентруючого елемента 2 та направляє його через центральний отвір 3 головного концентруючого елемента 2 на активний спектральний перетворювач 5. При цьому здійснюється концентрація оптичного сонячного випромінювання на меншу робочу площу, що забезпечує підвищення його інтенсивності. Після надходження вхідного сонячного випромінювання на активний спектральний перетворювач 4 воно рівномірно розподіляється у його внутрішньому об'ємі. Активний спектральний перетворювач 5 функціонує на основі ефекту вимушеного (стимульованого) випромінювання квантів в активному середовищі з інверсною заселеністю атомних енергетичних рівнів. Після оптичного накачування активних речовин та створення інверсії заселеності верхніх атомних енергетичних рівнів, відбувається перетворення всього або більшої частини спектра вхідного випромінювання у випромінювання конкретно-визначеної довжини хвилі в інфрачервоному діапазоні спектру (14-випромінювання).3а допомогою дзеркал зворотного зв'язку оптичного резонатора 8 відбувається квантове підсилення та перетворення довжини хвилі та відповідно енергії спектра вхідного сонячного випромінювання. Оптичний резонатор 8 реалізовує квантовий механізм позитивного оптичного зворотного зв'язку (по аналогії із принципом роботи лазерних випромінювачів). Активний спектральний перетворювач 5 направляє перетворене випромінювання в інфрачервоному діапазоні спектра через об'єднувач випромінювання 6 на фотоелектричний перетворювач 7, який виконаний на основі концентраторного фотоелектричного елемента на III V базі напівпровідникових гетероструктур типу А В . Об'єднувач випромінювання 6 виконує функції оптичного збирання та перетворення хвилевого фронту світлового потоку ІЧвипромінювання із активного спектрального перетворювача 5. Фотоелектричний перетворювач 7 на основі концентраторного фотоелектричного елемента (CPV, Concentrator Photovoltaic) Перетворює енергію світлового випромінювання ІЧ-діапазону в енергію електричного струму з високою ефективністю (ККД ~ 40-45 %) порівняно із традиційними кремнієвими типами фотоелементів (ККД -17-20 %). Оскільки, для таких типів фотоелектричних перетворювачів оптимальним є використання саме інфрачервоного випромінювання визначеної ділянки спектра, то використання перетвореної енергії сонячного оптичного випромінювання в енергію ІЧ-діапазону дозволяє здійснювати перетворення останньої в електроенергію з вищою ефективністю. Ланка активний спектральний перетворювач 5 - об'єднувач випромінювання 6 фотоелектричний перетворювач 7 дозволяє використати максимум енергії оптичного випромінювання (з малим відсотком втрат) при перетворенні її в електричну енергію. Але втрати енергії все ж мають місце і проявляються у вигляді виділенні теплової енергії у активному спектральному перетворювачі 5, об'єднувачі випромінювання 6 та фотоелектричному перетворювачі 7. Система відведення тепла 9 забезпечує відведення паразитної теплової енергії від цих елементів та забезпечує їх роботу у нормальному тепловому режимі. Перетворена енергія у вигляді електричної енергії з визначеними значеннями електричного струму та напруги відводиться з пристрою перетворення енергії сонячного випромінювання із його електричного виходу 10. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій перетворення енергії сонячного випромінювання, який містить концентратор випромінювання, активний спектральний перетворювач та об'єднувач випромінювання, який відрізняється тим, що в нього введено фотоелектричний перетворювач на основі концентраторного фотоелектричного елемента на базі напівпровідникових гетероструктур типу 2 UA 88395 U III 5 V A B : GaAs або InGaAs, або AlGaAs, або GaAsP, або GaN, або їх твердих розчинів в різних пропорціях, який через об'єднувач випромінювання оптично з'єднано з активним спектральним перетворювачем, а як концентратор випромінювання використовується двоелементна концентруюча система із послідовно з'єднаним головним концентруючим елементом з центральним отвором та доконцентратором, які оптично з'єднані із активним спектральним перетворювачем, який розміщений в оптичному резонаторі на базі дзеркал зворотного зв'язку, причому як активний спектральний перетворювач, так і концентраторний фотоелектричний елемент з'єднані із системою відведення тепла, а вихід концентраторного фотоелектричного елемента є електричним виходом пристрою перетворення енергії сонячного випромінювання. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3