СОЛНЕЧНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к энергетике и может использоваться для получения электрической энергии за счёт преобразования солнечной энергии в бытовых условиях, а также в демонстрационных целях в учебных заведениях. Солнечный термоэлектрический генератор содержит концентратор света,  термоэлектри-ческий генератор, который с лицевой стороны покрыт поглотителем света, изготовленным из композита, а с тыльной стороны в термоэлектрический генератор встроены теплоотводы, изготовленные из композита. На термоэлектрическом генераторе установлен составной концентратор, состоящий из пирамидального и конического концентраторов, при этом малое основание пирамидального концентратора выполнено в виде квадрата, совпадающего с размерами термоэлектрического генератора, большее основание выполнено в виде прямоугольника, при этом одна из сторон прямоугольника в два раза больше другого, прямоугольное основание пирамидального концентратора плавно переходит в меньшее основание конического концентратора в виде эллипсоида, при этом большее основание конического концентратора выполнено также в виде эллипсоида, на поверхности концентраторов выполнены поперечные щели для снижения парусности концентраторов, составной концентратор может поворачиваться вокруг своей оси.

Известен концентратор лучей для солнечной батареи с веерным расположением зеркальных отражающих электродов [1]. Концентратор выполнен в форме полуцилиндра с веерным расположением зеркальных отражающих электродов и прозрачных полупроводниковых солнечных батарей. В сравнении с известными и используемыми на практике концентраторами данное устройство является сложным и может применяться только с прозрачными солнечными  элементами и батареями.

       Известны сегментированные концентраторы [2] для концентрации солнечного излучения и использования в солнечных термоэлектрических генераторах. Данные концентраторы обеспечивают высокую концентрацию солнечной энергии, но в, то же время являются сложными в изготовлении и сравнительно дорогими.

     Известен концентратор Френеля, используемый для концентрации  солнечной энергии [3] в термоэлектрических генераторах. Для изготовления концентратора используется специальная технология, которая может отсутствовать в обычных мастерских.

     Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является гибридный солнечный термоэлектрический коллектор [4], содержащий термоэлектрические генераторы (TEC1-12706) покрытые с лицевой стороны поглотителем света, изготовленные из композита, состоящего из углеродных нано-трубок (50 вес. %) и силиконового связующего (адгезива) (50 вес. %), а с тыльной стороны в термоэлектрические генераторы встроены теплоотводы, изготовленные из композита, состоящего из графитового порошка (50 вес. %) и силиконового связующего (адгезива) (50 вес. %), на термоэлектрических генераторах установлены пирамидальные концентраторы. В гибридном солнечном термоэлектрическом коллекторе  под термоэлектрическими генераторами установлен воздушный коллектор и присоединён к баку с водой посредством теплообменника. Гибридный солнечный термоэлектрический коллектор содержит устройство для регулировки угла наклона коллектора к горизонтальной плоскости в зависимсоти от времени (сезона) года. Термоэлектрический генератор устанавливается неподвижно в направлении солнца в полдень.

      Прототип имеет следующие недостатки: пирамидальные концентраторы, во-первых, не обеспечивают достаточно высокой концентрации энергии солнечных лучей. Во-вторых, видимый угол движения солнца в горизонтальной плоскости в течение дня значительно выше угла движения в вертикальной плоскости. Т.к. форма пирамидального концентратора является квадратом, это существенно ограничивает приток солнечной энергии к термоэлектрическому генератору.

     Целью изобретения является повышение эффективности солнечного термоэлектрического генератора (СТГ) и снижение стоимости произведённой солнечной энергии.

     Технический результат достигается тем, что на термоэлектрическом генераторе (TEC1-12706) установлен составной концентратор, состоящий из пирамидального и конического концентраторов, при этом малое основание пирамидального концентратора выполнено в виде квадрата, совпадающего с размерами термоэлектрического генератора, большее основание выполнено в виде прямоугольника, при этом одна из сторон прямоугольника в два раза больше другого, прямоугольное основание пирамидального концентратора плавно переходит в меньшее основание конического концентратора в виде эллипсоида, при этом большее основание конического концентратора выполнено также в виде эллипсоида. Кроме того установлено устройство для поворота концентраторов вокруг своей оси.

     Солнечный термоэлектрический генератор с лицевой стороны покрыт поглотителем света, изготовленного из композита, состоящего из углеродных нано-трубок и силиконового связующего (адгезива), а с тыльной стороны в термоэлектрический генератор встроены теплоотводы, изготовленные из композита, состоящего из графитового порошка и силиконового                                           связующего (адгезива), а также

 устройство для фиксации положения концентраторов.

     Коэффициент концентрации пирамидаль-ного и конического концентраторов составляет 5-10. Устройство для изменения угла наклона дан-ного генератора к горизонту позволяет изменять

5                                995                                            6

 данный угол в пределах ±11° к широте местности (в зависимости от времени года), что позволяет увеличить мощность и энергию солнечного термоэлектрического генератора  в среднем на (25-35)%.

Заявленное изобретение поясняется следующими графическими изображениями, где приведены:

на Фиг.1 - схематическая конструкция СТГ (вид сбоку в вертикальной плоскости ) : опора (1) термоэлектрический генератор (2), светопоглошающее покрытие (поглотитель света) (3), пирамидальный концентратор (4), конический концентратор (5), теплоотвод (6), устройство для поворота концентраторов вокруг оси (7), механизм для изменения угла наклона СТГ к горизонтальной плоскости (8);

на Фиг.2 - схематическая конструкция пирамидального и конического концентраторов (вид спереди, в плоскости нормальной к световым лучам): светопоглошающее покрытие (поглотитель света) (3), пирамидальный концентратор (4), конический концентратор (5);

на Фиг.3 - схематическая конструкция пирамидального и конического концентраторов (вид сбоку, в горизонтальной плоскости): пирамидальный концентратор (4), конический концентратор (5), поперечные щели (9);

Фиг.4 - схематическая конструкция пирамидального и конического концентраторов (вид сбоку, в вертикальной плоскости): пирамидальный концентратор (4), конический концентратор (5), поперечные щели (9);

Фиг.5 –прохождение и отражение световых лучей внутри пирамидального и конического концентраторов: отражающая часть концентратора (1), щель (2), световые лучи (3 и 4). 

СТГ (Фиг.1) содержит опору (1) термоэлектрического генератора (2), светопоглошающее покрытие (поглотитель света) (3), пирамидальный концентратор (4), конический концентратор (5), теплоотвод (6), устройство для поворота концентраторов вокруг оси (7) и механизм для изменения угла наклона СТГ к горизонтальной плоскости (8). Термоэлектрический генератор (2) с лицевой стороны покрыт поглотителем света (3), изготовленным из композита, состоящего из углеродных нано-трубок и силиконового связующего, в соотношении 50 вес. % к 50 вес. %, которые тщательно перемешиваются и наносятся на соответствующую поверхность термоэлектрического генератора. Суспензия поглотителя света наносится однородным слоем, тогда как суспензия теплоотвода наносится 2-3 раза с перерывом в 1-2 часа, чтобы предыдущие слои затвердевали, и сделать слой волнистым с развитой поверхностью.

    Малое основание пирамидального концентратора (4) выполнено в виде квадрата, совпадающего с размерами термоэлектрического генератора, большее основание выполнено в виде прямоугольника, при этом одна из сторон прямоугольника в два раза больше другого, прямоугольное основание пирамидального концентратора плавно переходит в меньшее основание конического концентратора (5) в виде эллипсоида, при этом большее основание конического концентратора выполнено также в виде эллипсоида.

 Концентраторы света (4 и 5) изготовляют из алюминиевой фольги. Размеры пирамидального концентратора составляет: высота -6 см, горловина 8x6 см², дно 4x4 см² соответственно. Размеры конического концентратора составляет: высота - 6 см, горловина 12x8 см², дно 8x6 см² соответственно. Суммарный коэффициент концентрации данного составного концентратора равен 5. Соответствующее изменение размеров концентраторов позволяет сделать суммарный коэффициент концентрации равным от 5 до 10. Размеры термоэлектрического генератора составляет: 4:4:0.4см³. Теплоотвод (6) служит для создания градиента температуры в термоэлектрическом генераторе путём рассеивания части тепловой энергии в окружающее пространство. Устройство для поворота концентраторов вокруг оси (7) позволяет поворачивать концентраторы, чтобы установить и зафиксировать их в положении максимальной электрической мощности на выходе термоэлектрического генератора (2). Механизм для изменения угла наклона СТГ к горизонтальной плоскости (8) позволяет изменять угол наклона, который равен широте местности, весной и осенью, плюс 11^о зимой и минус 11^о летом. На поверхности концентраторов выполнены поперечные щели (9) для снижения парусности концентраторов (площади поверхности на которую действует ветер). Размеры поперечных щелей следующие: 10:1мм², расстояние между щелями в поперечном и продольном по отношению к оси концентраторов направлениях равны 10мм.

Отражающие поверхности концентратора были выполнены таким образом чтобы максимально снизить, потери световых лучей из-за наличия щелей на боковых поверхностях концентраторов (Фиг.5) путём соответствующего смещения отражающих поверхностей внутри концентраторов на величину (0.3-0.5) высоты щели в направлении перпендикулярном направлению световых лучей.

Экспериментально было установлено, наличие щелей снижает парусность на (20-30)%, тогда как коэффициент концентрации снижался всего на (4-6)%, что связано с тем, что ветер оказывает максимальное давление под прямым углом к поверхности концентраторов, а солнечные лучи падают под острым углом. При этом в конструкции концентраторов имеет место смещение отражающих поверхностей внутри концентраторов в направлении перпендикулярном движению световых лучей.

     СТГ работает следующим образом. Солнечные лучи концентрируются составным концентратором, состоящим из пирамидального и конического концентраторов, на поверхность тер-