RU215188U1 - SOLAR BATTERY USING THERMOELECTRIC CONVERSION - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем прямого преобразования солнечного излучения и косвенного преобразования побочной теплоты, образующейся из непреобразованного солнечного излучения. Солнечная батарея с использованием термоэлектрического преобразования, состоящая из полупроводниковых элементов на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами с шириной запрещенной зоны более 1 эВ, расположенных на теплопроводящем материале, термоэлектрических генераторов Пельтье, которые расположены на теплопроводящем материале с противоположной стороны от полупроводниковых элементов, отличающаяся тем, что термоэлектрические генераторы Пельтье выполнены в виде каскадов, каждый из которых содержит не менее двух термоэлектрических генераторов Пельтье, причем каждый последующий генератор в каскаде занимает площадь меньше предыдущего, и защитная прозрачная пластина закреплена поверх полупроводниковых элементов со стороны, предназначенной для солнечного освещения. Каскады термоэлектрических генераторов Пельтье несут функцию как выработки электроэнергии из разности температур, так и охлаждения солнечных батарей при помощи эффекта Зеебека, преобразующего приложенную к термоэлектрическим генераторам Пельтье разность температур в электрический ток. Полезная модель позволяет увеличить КПД солнечных батарей за счет охлаждения полупроводниковых элементов при помощи преобразования побочной тепловой энергии в электрическую, что приводит к повышению их собственного КПД.

The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to devices for generating electrical energy by direct conversion of solar radiation and indirect conversion of side heat generated from unconverted solar radiation. A solar battery using thermoelectric conversion, consisting of semiconductor elements based on homostructures or heterostructures with pn junctions with a band gap of more than 1 eV, located on a heat-conducting material, Peltier thermoelectric generators, which are located on a heat-conducting material on the opposite side of the semiconductor elements, characterized in that that Peltier thermoelectric generators are made in the form of cascades, each of which contains at least two Peltier thermoelectric generators, each subsequent generator in the cascade occupies an area smaller than the previous one, and a protective transparent plate is fixed over the semiconductor elements from the side intended for solar illumination. Cascades of Peltier thermoelectric generators have the function of both generating electricity from the temperature difference and cooling solar panels using the Seebeck effect, which converts the temperature difference applied to Peltier thermoelectric generators into electric current. The utility model makes it possible to increase the efficiency of solar cells by cooling semiconductor elements by converting side thermal energy into electrical energy, which leads to an increase in their own efficiency.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем прямого преобразования солнечного излучения и косвенного преобразования побочной теплоты, образующейся из не преобразованного солнечного излучения, и может быть использована в различных областях промышленности для получения электроэнергии.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to devices for generating electrical energy by direct conversion of solar radiation and indirect conversion of waste heat generated from unconverted solar radiation, and can be used in various industries to generate electricity.

Известен патент RU 166483 U1 «Термоэлектрический генератор», опубликованный 09.02.2016 г.Known patent RU 166483 U1 "Thermoelectric generator", published 09.02.2016

Полезная модель достигает технического результата увеличения КПД солнечной батареи при помощи эффекта Зеебека посредством установки нескольких рядов термоэлектрических генераторов Пельтье, отделенных теплоносителем от солнечных элементов, отличается тем, что термоэлектрические генераторы Пельтье разделены фазоменяющим термоаккумулирующим материалом с разными температурами экзотермического фазового перехода, использующимся для генерации электрической энергии при изменении температуры окружающей среды.The utility model achieves the technical result of increasing the efficiency of a solar battery using the Seebeck effect by installing several rows of Peltier thermoelectric generators separated by a coolant from solar cells, differs in that the Peltier thermoelectric generators are separated by a phase-changing thermal storage material with different exothermic phase transition temperatures used to generate electrical energy when the ambient temperature changes.

Недостатками устройства являются необходимость тщательного подбора термоаккумулирующего материала - температура экзотермического фазового перехода которого должна соответствовать климату территории, на которой установлена солнечная батарея; необходимость герметизации термоаккумулирующего материала; снижение КПД солнечной батареи из-за резкого нагрева вследствие экзотермического фазового перехода.The disadvantages of the device are the need for careful selection of thermal storage material - the temperature of the exothermic phase transition which must correspond to the climate of the area where the solar battery is installed; the need for sealing thermal storage material; decrease in the efficiency of the solar battery due to a sharp heating due to an exothermic phase transition.

Также известен патент RU 135450 U1 «Термоэлектрический генератор», опубликованный 16.07.2013 г.Also known is the patent RU 135450 U1 "Thermoelectric generator", published on July 16, 2013.

Полезная модель достигает технического результата увеличения КПД солнечной батареи при помощи эффекта Зеебека посредством присоединения к ней ряда термоэлектрических генераторов Пельтье, установленных отдельно от солнечных элементов, отличается тем, что термоэлектрические генераторы Пельтье находятся в контакте с кристаллогидратными солями, имеющими разные температуры фазовых переходов, причем верхняя поверхность блока термоэлектрических генераторов Пельтье воспринимает солнечную энергию, а нижняя контактирует с тепло(холод)проводящими пластинами, погруженными во второе рабочее вещество.The utility model achieves the technical result of increasing the efficiency of a solar battery using the Seebeck effect by attaching to it a number of Peltier thermoelectric generators installed separately from solar cells, differs in that the Peltier thermoelectric generators are in contact with crystal hydrate salts having different phase transition temperatures, and the upper The surface of the block of Peltier thermoelectric generators receives solar energy, and the bottom surface is in contact with heat (cold) conductive plates immersed in the second working substance.

Недостатками устройства являются: расположение блока термоэлектрического преобразования отдельно от солнечной батареи, что лишает возможности использовать потенциал охлаждения солнечной панели от термоэлектрических генераторов Пельтье для повышения ее КПД; необходимость тщательного подбора термоаккумулирующего материала, температура фазовых переходов которого должна соответствовать климату территории, на которой установлена солнечная батарея.The disadvantages of the device are: the location of the thermoelectric conversion unit separately from the solar battery, which makes it impossible to use the cooling potential of the solar panel from Peltier thermoelectric generators to increase its efficiency; the need for careful selection of thermal storage material, the temperature of phase transitions of which must correspond to the climate of the territory where the solar battery is installed.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по достигаемому техническому результату является патент RU 154084 U1 Генератор электрической энергии, опубликованный 17.10.2014 г., содержащий солнечную батарею, соединенную через теплопроводящую подложку с термоэлектрическими генераторами Пельтье.The closest to the claimed utility model in terms of the achieved technical result is patent RU 154084 U1 Electric power generator published on October 17, 2014, containing a solar battery connected through a heat-conducting substrate to Peltier thermoelectric generators.

Этот генератор содержит элементы полупроводниковой солнечной батареи на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами, изготовленные из полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны более 1 эВ, расположенные на первой теплопроводящей подложке, вторую теплопроводящую подложку, расположенные между подложками термоэлектрические генераторы Пельтье и соединенный с внешней стороной второй подложки радиатор, отличающийся тем, что каждый из элементов полупроводниковой солнечной батареи посредством первой теплопроводящей подложки расположен в контакте с каждым термоэлектрическим генератором Пельтье, и электрические выводы таких элементов полупроводниковой солнечной батареи выполнены раздельно.This generator contains elements of a semiconductor solar battery based on homostructures or heterostructures with p-n junctions, made of semiconductor materials with a band gap of more than 1 eV, located on the first heat-conducting substrate, a second heat-conducting substrate, Peltier thermoelectric generators located between the substrates and connected to the outer side of the second substrate radiator, characterized in that each of the elements of the semiconductor solar battery by means of the first heat-conducting substrate is in contact with each Peltier thermoelectric generator, and the electrical leads of such elements of the semiconductor solar battery are made separately.

Недостатком данной модели является сложность конструкции для монтажа за счет наличия радиаторов и оптических линз, которая не способствует значительному увеличению КПД.The disadvantage of this model is the complexity of the design for installation due to the presence of radiators and optical lenses, which does not contribute to a significant increase in efficiency.

Задачей заявленной полезной модели является увеличение КПД солнечных батарей.The objective of the claimed utility model is to increase the efficiency of solar panels.

Техническим результатом полезной модели является увеличение КПД солнечной батареи при помощи использования термоэлектрического преобразования.The technical result of the utility model is to increase the efficiency of a solar battery by using thermoelectric conversion.

Для достижения вышеупомянутого технического результата предлагается солнечная батарея с использованием термоэлектрического преобразования, состоящая из полупроводниковых элементов на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами с шириной запрещенной зоны более 1 эВ, расположенных на теплопроводящем материале, термоэлектрических генераторов Пельтье, которые расположены на теплопроводящем материале с противоположной стороны от полупроводниковых элементов, отличающаяся тем, что термоэлектрические генераторы Пельтье, выполнены в виде каскадов, каждый из которых содержит не менее двух термоэлектрических генераторов Пельтье, причем каждый последующий генератор в каскаде занимает площадь меньше предыдущего, и защитная прозрачная пластина закреплена поверх полупроводниковых элементов со стороны предназначенной для солнечного освещения.To achieve the above technical result, a solar battery is proposed using thermoelectric conversion, consisting of semiconductor elements based on homostructures or heterostructures with p-n junctions with a band gap of more than 1 eV, located on a heat-conducting material, Peltier thermoelectric generators, which are located on a heat-conducting material on the opposite side from semiconductor elements, characterized in that Peltier thermoelectric generators are made in the form of cascades, each of which contains at least two Peltier thermoelectric generators, each subsequent generator in the cascade occupies an area smaller than the previous one, and a protective transparent plate is fixed over the semiconductor elements from the intended side. for solar lighting.

Достижение технического результата происходит за счет следующих эффектов:Achievement of the technical result occurs due to the following effects:

увеличение удельной мощности солнечной батареи, за счет прикрепления с тыльной стороны каскадов термоэлектрических генераторов, работающих на эффекте Зеебека;increase in the specific power of the solar battery, due to the attachment of cascades of thermoelectric generators operating on the Seebeck effect from the back;

улучшение вольтамперных характеристик солнечной батареи за счет охлаждающего эффекта каскада термоэлектрических генераторов Пельтье;improvement of the current-voltage characteristics of a solar battery due to the cooling effect of a cascade of Peltier thermoelectric generators;

увеличение КПД солнечной батареи в комбинации с термоэлектрическими генераторами Пельтье за счет более полного преобразования мощности солнечного излучения;increasing the efficiency of a solar battery in combination with Peltier thermoelectric generators due to a more complete conversion of solar radiation power;

расширение диапазона работы солнечной батареи в ночное время суток и в дни с неустойчивым или малым потоком мощности солнечной энергии.extending the range of solar battery operation at night and on days with unstable or low power flow of solar energy.

На фиг. 1 - схема солнечной батареи с использованием термоэлектрического преобразования в аксонометрии, In FIG. 1 - a diagram of a solar battery using thermoelectric conversion in a perspective view,

на фиг. 2 - разрез А-А фиг 1.in fig. 2 - section A-A of Fig 1.

Солнечная батарея с использованием термоэлектрического преобразования содержит защитную прозрачную пластину 1, закрепленную над полупроводниковыми элементами на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами с шириной запрещенной зоны более 1 эВ 2, теплопроводящий материал 3, каскады термоэлектрических генераторов Пельтье 4.A solar battery using thermoelectric conversion contains a protective transparent plate 1 fixed over semiconductor elements based on homostructures or heterostructures with p-n junctions with a band gap of more than 1 eV 2, a heat-conducting material 3, cascades of Peltier thermoelectric generators 4.

Установка работает следующим образом. The installation works as follows.

Днем полупроводниковые элементы 2 преобразуют солнечный свет в электричество, при этом происходит их нагрев. Далее тепло передается через теплопроводящий материал 3 на каскады термоэлектрических генераторов Пельтье 4, где электричество дополнительно вырабатывается от возникающей разницы температур между сторонами каскадов термоэлектрических генераторов Пельтье, обращенными к теплопроводящему материалу 3 и сторонами, обращенными в другую сторону, посредством эффекта Зеебека. Преобразование теплоты в электрический ток на каскадах термоэлектрических генераторов Пельтье 4 вызывает охлаждение теплопроводящего материала 3, что способствует охлаждению полупроводниковых элементов 2, благодаря чему уменьшается сопротивление кремниевых пластин и проводников шин. С учетом того, что КПД полупроводниковых элементов и каскадов термоэлектрических генераторов Пельтье независимы друг от друга, эффект от такого комбинирования позволяет достигнуть следующих результатов по сравнению с использованием одного термоэлектрического генератора Пельтье в одинаковых условиях. During the day, the semiconductor elements 2 convert sunlight into electricity, while heating them. Further, the heat is transferred through the heat-conducting material 3 to the cascades of thermoelectric Peltier generators 4, where electricity is additionally generated from the resulting temperature difference between the sides of the cascades of thermoelectric Peltier generators facing the heat-conducting material 3 and the sides facing the other side, through the Seebeck effect. The conversion of heat into electric current in the stages of Peltier thermoelectric generators 4 causes cooling of the heat-conducting material 3, which contributes to the cooling of semiconductor elements 2, thereby reducing the resistance of silicon wafers and bus conductors. Taking into account the fact that the efficiency of semiconductor elements and cascades of Peltier thermoelectric generators are independent of each other, the effect of such a combination makes it possible to achieve the following results compared to using one Peltier thermoelectric generator under the same conditions.

В таблице 1 приведено сопоставление заявляемой модели с таким же устройством без использования каскадного расположения термоэлектрических генераторов в одинаковых условиях.Table 1 shows a comparison of the claimed model with the same device without using a cascade arrangement of thermoelectric generators under the same conditions.

Таблица 1.Table 1. КПДefficiency Температура солнечной панелиSolar panel temperature Заявляемая модельClaimed model 15,5%15.5% 49°С49°С Солнечная батарея с использованием термоэлектрических генераторов ПельтьеSolar battery using Peltier thermoelectric generators 14%fourteen% 52°С52°С

Как видно из таблицы 1 заявляемая модель имеет повышенный КПД за счет большего охлаждения солнечной батареи и более полного преобразования побочного тепла в электричество. Благодаря этому мощность предлагаемой солнечной батареи больше, чем мощность такой же по площади обычной солнечной батареи. Параметры эксплуатации предлагаемой солнечной батареи не отличаются от обычной. При отсутствии солнечного света установка способна вырабатывать электричество за счет разности температур между поверхностями термоэлектрических генераторов Пельтье в каскадах 4.As can be seen from Table 1, the proposed model has an increased efficiency due to greater cooling of the solar battery and a more complete conversion of side heat into electricity. Due to this, the power of the proposed solar battery is greater than the power of the same area of a conventional solar battery. The operating parameters of the proposed solar battery do not differ from the usual one. In the absence of sunlight, the installation is able to generate electricity due to the temperature difference between the surfaces of Peltier thermoelectric generators in cascades 4.

Промышленная применимость.Industrial applicability.

Заявляемая полезная модель может быть выполнена при помощи известных и промышленно выпускаемых технических средств и оборудования. Работа установки может быть реализована в условиях автономных электрических систем, или для выработки электроэнергии на предприятиях с большими периодами солнечной активности или при обусловленных технологически разностях температур.The claimed utility model can be made using well-known and commercially available technical means and equipment. The operation of the installation can be implemented in the conditions of autonomous electrical systems, or for generating electricity at enterprises with long periods of solar activity or at technologically determined temperature differences.

Предлагаемое устройство решает проблему повышения КПД солнечных батарей за счет использования каскадов термоэлектрических генераторов Пельтье, преобразующих побочный нагрев в электрическую энергию. Использование каскадов термоэлектрических генераторов Пельтье позволяет поглощать больше тепла от солнечных батарей по сравнению с одинарными термоэлектрическими генераторами Пельтье, что приводит к более полному преобразованию энергии, с улучшением охлаждения солнечных батарей, что также повышает КПД устройства. К тому же термоэлектрические генераторы Пельтье работают от перепада температур независимо от интенсивности солнечного излучения, что позволяет получать электричество в облачную или пасмурную погоду, а также в ночное время суток, что является значительным преимуществом данной солнечной батареи по сравнению с обычными солнечными батареями.The proposed device solves the problem of increasing the efficiency of solar batteries through the use of cascades of Peltier thermoelectric generators that convert side heating into electrical energy. The use of cascades of thermoelectric Peltier generators allows to absorb more heat from solar panels compared to single Peltier thermoelectric generators, which leads to a more complete energy conversion, with improved cooling of solar panels, which also increases the efficiency of the device. In addition, Peltier thermoelectric generators operate on temperature differences, regardless of the intensity of solar radiation, which allows you to receive electricity in cloudy or cloudy weather, as well as at night, which is a significant advantage of this solar battery compared to conventional solar batteries.

Claims (1)

Солнечная батарея с использованием термоэлектрического преобразования, состоящая из полупроводниковых элементов на основе гомоструктур или гетероструктур с p-n переходами с шириной запрещенной зоны более 1 эВ, расположенных на теплопроводящем материале, термоэлектрических генераторов Пельтье, которые расположены на теплопроводящем материале с противоположной стороны от полупроводниковых элементов, отличающаяся тем, что термоэлектрические генераторы Пельтье выполнены в виде каскадов, каждый из которых содержит не менее двух термоэлектрических генераторов Пельтье, причем каждый последующий генератор в каскаде занимает площадь меньше предыдущего, и защитная прозрачная пластина закреплена поверх полупроводниковых элементов со стороны, предназначенной для солнечного освещения.A solar battery using thermoelectric conversion, consisting of semiconductor elements based on homostructures or heterostructures with p-n junctions with a band gap of more than 1 eV, located on a heat-conducting material, Peltier thermoelectric generators, which are located on a heat-conducting material on the opposite side of the semiconductor elements, characterized in that that Peltier thermoelectric generators are made in the form of cascades, each of which contains at least two Peltier thermoelectric generators, and each subsequent generator in the cascade occupies an area smaller than the previous one, and a protective transparent plate is fixed over the semiconductor elements from the side intended for solar illumination.

Images