Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6843
(13) U
(46) 2010.12.30
(51) МПК (2009)
H 01L 31/058
H 01L 31/052
(54) ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
(21) Номер заявки: u 20100121
(22) 2010.02.08
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Белорусский государственный аг-
рарный технический университет"
(BY)
(72) Авторы: Кулешов Владимир Констан-
тинович; Ролич Олег Чеславович; Ли-
совский Владислав Васильевич (BY)
(73) Патентообладатель: Учреждение образо-
вания "Белорусский государственный
аграрный технический университет"
(BY)
(57)
1. Гибридная система электропитания, содержащая панель с солнечными элементами
и тепловой коллектор, отбор тепла от которого осуществляется жидкостью, отличающа-
яся тем, что в нее введены, как минимум, два вертикально расположенных, черненых ме-
таллических штыря, механически и термически связанных с панелью солнечных
элементов, а оптически - со складывающимися концентраторами, которые механически со-
единены между собой, а оптически связаны с панелью солнечных элементов, расположен-
ной на батарее термоэлектрических преобразователей, которая термически связана с
тепловым коллектором, охлаждающая жидкость последнего заключена внутри пластико-
вых труб и резервуаров, равномерно распределенных в помещении или конструкции, на
которой располагается гибридная система электропитания, причем складывающиеся кон-
центраторы расположены, как минимум, с трех сторон панели солнечных элементов и
закреплены на ней для защиты ее поверхности, а угол наклона складывающихся кон-
центраторов
Фиг. 1
BY6843U2010.12.30

2. BY 6843 U 2010.12.30
2
и солнечных элементов к горизонту определяется средним углом солнцестояния, при этом
металлические штыри заземлены, соединены между собой балкой с остриями, направлен-
ными вертикально вверх, и эти металлические штыри механически соединяют, как мини-
мум, один складывающийся концентратор с панелью солнечных элементов, для которой
он является навесом и защищает ее от вертикально падающего снега.
2. Гибридная система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что металлические
штыри выполнены из черненой стали с сечением не менее 15 мм2
.
3. Гибридная система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что концентраторы
выполнены складывающимися.
4. Гибридная система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что балка с остриями
выполнена из стали с площадью прямоугольного поперечного сечения не менее 180 мм2
.
(56)
1. WO 2007199001А2.
2. Заявка Великобритании 2446219, 2008.
Полезная модель относится к области преобразования энергии электромагнитного из-
лучения в широком спектральном диапазоне в электричество как непосредственно, так и
за счет промежуточного преобразования ее в тепловую энергию и может быть использо-
вана для эффективного преобразования энергии солнечного излучения в электричество,
т.е. в гелиоэнергетике при создании автономных источников электроэнергии.
Известно устройство [1], содержащее стеклянные черепицы крыши, которые оптиче-
ски связаны с полупроводниковыми элементами термоэлектрического преобразования
энергии солнечного излучения в электричество, причем профиль стеклянных черепиц
крыши обеспечивает сбор (концентрацию) солнечного излучения и защиту полупровод-
никовых элементов термоэлектрического преобразования от ветра, дождя и снега.
Устройство не обладает высокой эффективностью преобразования энергии солнечно-
го электромагнитного излучения в электричество, так как в рассматриваемом устройстве
не создается значительная разность температур на разных спаях полупроводниковых эле-
ментов термоэлектрического преобразования, и поэтому КПД его не достигнет 18 %.
Кроме этого, рассматриваемое устройство не является надежным, ведь его могут разру-
шить гроза или пожар.
Наиболее близкой по технической сущности является гибридная система электропи-
тания [2], объединяющая панель с солнечными элементами (СЭ) и тепловой коллектор и
содержащая металлическую пластину, на верхней поверхности которой формируется тон-
копленочный СЭ, а нижняя используется в качестве теплового коллектора, отбор тепла от
которого осуществляется либо жидкостью, либо потоком воздуха, в этом случае гибрид-
ная система содержит ребра охлаждения. В гибридной системе можно использовать СЭ
как с одним, так и с несколькими p-n переходами.
Устройство не обладает высокой эффективностью преобразования энергии солнечного
электромагнитного излучения в электричество, так как часть энергии видимого диапазона
(0,4…0,75 мкм) и вся энергия ИК излучения (0,75…4 мкм) переходят в тепловой коллек-
тор без генерации тока. Кроме этого, рассматриваемое устройство не является надежным,
ведь его работоспособность могут нарушить гроза, пожар или слой выпавшего снега.
Техническая задача - повышение эффективности преобразования солнечного излучения
в электрическую энергию при одновременном повышении надежности работы устройства.
Поставленная техническая задача решается тем, что в гибридную систему электропи-
тания, содержащую панель с солнечными элементами и тепловой коллектор, отбор тепла
от которого осуществляется жидкостью, введены как минимум два вертикально располо-
женных, черненых металлических штыря, механически и термически связанных с пане-

3. BY 6843 U 2010.12.30
3
лью солнечных элементов, а оптически - с концентраторами, которые механически соеди-
нены между собой, а оптически связаны с панелью солнечных элементов, расположенной
на батарее термоэлектрических преобразователей, которая термически связана с тепловым
коллектором, охлаждающая жидкость последнего заключена внутри пластиковых труб и
резервуаров, равномерно распределенных в помещении или конструкции, на которой рас-
полагается гибридная система электропитания, причем концентраторы расположены, как
минимум, с трех сторон панели солнечных элементов и закреплены на ней для защиты ее
поверхности, а угол наклона концентраторов и солнечных элементов к горизонту определя-
ется средним углом солнцестояния, при этом металлические штыри заземлены, соединены
между собой балкой с остриями, направленными вертикально вверх, и эти металлические
штыри механически соединяют, как минимум, один концентратор с панелью солнечных
элементов, для которой он является навесом и защищает ее от вертикально падающего
снега, дождя.
Для эффективного решения поставленной технической задачи металлические штыри
выполнены из черненой стали с сечением не менее 15 мм2
.
Для эффективного решения поставленной технической задачи устройство располага-
ется на южных склонах крыш или других частях строений, обращенных к югу.
Для эффективного решения поставленной технической задачи концентраторы выпол-
нены складывающимися.
Для эффективного решения поставленной технической задачи балка с остриями вы-
полнена из стали с площадью прямоугольного поперечного сечения не менее 180 мм2
.
В предлагаемом устройстве коэффициент концентрации солнечной энергии даже при
плоских зеркальных концентраторах достигает значения 4 и в комплексе с набором
остальных признаков позволяет днем самоосвобождаться от снега, не подвергаться воз-
действию гроз, иметь более высокий КПД преобразования энергии солнечного электро-
магнитного излучения в электричество, а при появлении огня - заливать его охлаждающей
жидкостью коллектора.
Сущность полезной модели поясняется на общей схеме расположения элементов
устройства - фиг. 1 и его видах А, Б - фиг 2, 3, где:
1 - панель с солнечными элементами,
2 - тепловой коллектор,
3 - металлические штыри,
4 - балка с остриями,
5 - концентраторы,
6 - батарея термоэлектрических преобразователей,
7 - пластиковые трубы,
8 - резервуары,
I - солнечное излучение.
В заявленном устройстве под углом 90 градусов к среднему углу солнцестояния рас-
положена панель с солнечными элементами 1, термически и механически связанная с ме-
таллическими штырями 3, батареей термоэлектрических преобразователей 6, а оптически -
с концентраторами 5. Металлические штыри 3 заземлены и механически соединяют с па-
нелью солнечных элементов 1, как минимум, один концентратор 5, расположенный над
ней и защищающий ее от вертикально падающего снега. Батарея термоэлектрических
преобразователей 6 термически связана с тепловым коллектором 2, отбор тепла от которо-
го осуществляется жидкостью, находящейся в пластиковых трубах 7 и резервуарах 8, рав-
номерно распределенных в помещении или конструкции, на которой располагается
гибридная система электропитания. Металлические штыри 3 оптически связаны с концен-
траторами 5, а механически - с балкой 4 с остриями и заземлены. Концентраторы 5 распо-
ложены, как минимум, с трех сторон панели с солнечными элементами 1, закреплены на
ней и соединены между собой.

4. BY 6843 U 2010.12.30
4
В конкретном исполнении панель с солнечными элементами 1 выполнена из одно- или
многослойных фотовольтаических ячеек на основе кремния или арсенида галлия. Тепло-
вой коллектор 2 - это тонкостенный медный корпус, внутри которого размещены пласти-
ковые трубы 7, имеющие тепловой контакт с корпусом. Металлические штыри 3 - это
штыри прямоугольного сечения с площадью поперечного сечения 15 мм2
, выполненные
из стали и покрытые слоем черного окисла. Балка с остриями 4 - это прямоугольный
стальной пруток, механически соединяющий металлические штыри 3, к которой приваре-
ны заостренные стальные выступы. Поперечное сечение балки 4 с остриями не менее
180 мм2
. Концентраторы 5 - это плоские зеркала, выполненные из полированного с одной
стороны листа сплава Д 16 T, на полированную поверхность которого методами ваку-
умной технологии нанесен слой алюминия толщиной 1 мкм. В одном из вариантов ис-
полнения концентраторы крепятся к панели с солнечными элементами 1 посредством
механически связанных шарниров и складываются на нее перед грозой или ураганом. Ба-
тарея термоэлектрических преобразователей 6 - это набор стандартных термоэлементов,
например Пельтье, согласованный по габаритам с панелью с солнечными элементами 1 и
тепловым коллектором 2. Пластиковые трубы 7 и резервуары 8 выполнены из легкоплав-
кого полимера, например полиэтилена.
Работает устройство следующим образом. При среднем угле солнцестояния, фиг. 1,
солнечное излучение I параллельно поступает на панель с солнечными элементами 1, на
металлические штыри 3, на все концентраторы 5. При этом солнечное излучение, отра-
женное от зеркальной поверхности концентраторов 5, попадает либо на панель с солнеч-
ными элементами 1, либо на металлические штыри 3, так как последние занимают часть
входной апертуры панели с солнечными элементами 1. Таким образом, на поверхности
панели с солнечными элементами 1 и металлических штырей 3 попадает концентрирован-
ное солнечное излучение с плотностью энергии более 2 КВт/м2
. Поэтому если ночью вы-
пал снег и ветер закрыл снегом всю фоточувствительную поверхность панели с
солнечными элементами 1, то верхние части металлических штырей 3 будут нагреваться,
в том числе и от солнечного излучения, отраженного от снега. Таяние снега вокруг метал-
лических штырей 3, а также тепловой контакт их и панели с солнечными элементами 1
(указанные элементы устройства соединены термически) в конечном итоге приведут к бо-
лее быстрому освобождению панели с солнечными элементами 1 от снега, чем одно лишь
тепловое воздействие одних металлических штырей 3, так как каждый свободный участок
панели с солнечными элементами 1 преобразует в электричество не более 35 % энергии
солнечного излучения, остальная солнечная энергия выделяется в виде тепла на металличе-
ских тыльных контактах панели с солнечными элементами 1 (тыльные контакты нагрева-
ются выходным током, инфракрасным излучением, не преобразованным в электричество
видимым солнечным излучением). Если устройство размещено на крыше жилого дома, то
освобождение от снега произойдет еще быстрее, так как в теплом помещении нагревается
жидкость в резервуарах 8, путем конвекции тепло поступает в тепловой коллектор 2, из
которого теплопередачей - в батарею термоэлектрических преобразователей 6 и в панель с
солнечными элементами 1. После освобождения от снега панель с солнечными элемента-
ми 1 начинает генерировать электричество всей своей поверхностью, при этом (как отме-
чалось выше) до 65 % солнечной энергии выделяется в виде тепла (поглощение
инфракрасного и видимого солнечного излучения, нагрев выходных токовых шин). В ре-
зультате нагревается панель с солнечными элементами 1, особенно ее нижняя, тыловая
часть, которая соединена с горячими спаями батареи термоэлектрических преобразовате-
лей 6, в то время как ее холодные спаи поддерживаются при температуре жидкости, цир-
кулирующей в тепловом коллекторе 2. Наличие постоянной разности температур на
сторонах батареи термоэлектрических преобразователей 6 приводит к генерации на выхо-
де последней дополнительного электричества, энергия которого может быть приплюсова-
на к выходной энергии панели с солнечными элементами 1 (путем их последовательного
или параллельного электрического соединения).

5. BY 6843 U 2010.12.30
5
Таким образом, в предлагаемом устройстве комплекс его признаков позволяет само-
освобождаться от снега в солнечный день, защитить дорогостоящую панель с солнечными
элементами 1 от воздействия гроз и штормового ветра в положении концентраторов, сло-
женных на поверхность батареи, иметь более высокий КПД преобразования энергии сол-
нечного электромагнитного излучения в электричество, а при появлении огня - заливать
его охлаждающей жидкостью коллектора 2 и резервуаров 8, так как (полиэтиленовые)
пластиковые трубы 7 и резервуары 8 при температуре, большей 100 °С, уже начинают
плавиться и лить жидкость (воду или неконцентрированный антифриз) вниз, в возгорае-
мое помещение.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.