BG67687B1

BG67687B1 - Photovoltaic-thermal system with linear fresnel lenses and low level of concentration for combined heat and electricity generation

Info

Publication number: BG67687B1
Application number: BG113504A
Authority: BG
Inventors: Пламен Иванов; Иванов Иванов Пламен; Благой Бурдин; Петко НЕДЯЛКОВ
Original assignee: Комплексни енергийни решения ООД
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2024-12-31
Also published as: BG113504A

Abstract

Настоящата фотоволтаична-термична система с линейна Френелова оптика и ниска степен на концентрация за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, съдържаща Френелова оптика тип линейна (1), фотоволтаични елементи (3), разположени във фокуса на Френеловата оптика тип линейна (1) (фиг. 1) се отнася до хибридни фотоволтаични модули с концентратор, позволяваща комбинирано производство на топлина и електричество от слънчева енергия, и свързани концентриращи слънчеви системи за когенерация и тригенерация. По-конкретно, настоящото изобретение се отнася до концентриращи фотоволтаични-термични системи, използващи линейна Френелова оптика (1). Изобретението е подходящо за използване в хибридни системи за производство на топлинна и електрическа енергия от възобновяеми енергийни източници (слънчева енергия) в: - сгради - битови и индустриални, в системи за загряване на вода и генерация на електричество, три- и мултигенерация; - слънчеви топлофикации; - оранжерии и др.The present photovoltaic-thermal system with linear Fresnel optics and a low degree of concentration for combined production of heat and electricity, comprising linear Fresnel optics (1), photovoltaic elements (3) located in the focus of the linear Fresnel optics (1) (Fig. 1) relates to hybrid photovoltaic modules with a concentrator, allowing combined production of heat and electricity from solar energy, and associated concentrating solar systems for cogeneration and trigeneration. More specifically, the present invention relates to concentrating photovoltaic-thermal systems using linear Fresnel optics (1). The invention is suitable for use in hybrid systems for the production of heat and electricity from renewable energy sources (solar energy) in: - buildings - domestic and industrial, in systems for heating water and generating electricity, tri- and multigeneration; - solar district heating; - greenhouses, etc.

Description

Област на техникатаField of technology

Настоящата фотоволтаична-термична система с ниска степен на концентрация за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия се отнася до хибридни фотоволтаични модули с концентратор, позволяваща комбинирано производство на топлина и електричество от слънчева енергия, и свързани концентриращи слънчеви системи за когенерация и тригенерация. По-конкретно, настоящото изобретение се отнася до концентриращи фотоволтаични-термични системи, използващи линейна Френелова оптика.The present low-concentration photovoltaic-thermal system for combined heat and power generation relates to hybrid photovoltaic modules with a concentrator, enabling combined heat and power generation from solar energy, and related concentrating solar systems for cogeneration and trigeneration. More specifically, the present invention relates to concentrating photovoltaic-thermal systems using linear Fresnel optics.

Изобретението е подходящо за използване в хибридни системи за производство на топлинна и електрическа енергия от възобновяеми енергийни източници (слънчева енергия) в:The invention is suitable for use in hybrid systems for the production of thermal and electrical energy from renewable energy sources (solar energy) in:

- Сгради - битови и индустриални, в системи за загряване на вода и генерация на електричество, три- и мултигенерация;- Buildings - domestic and industrial, in water heating and electricity generation systems, tri- and multigeneration;

- Слънчеви топлофикации;- Solar district heating;

- Оранжерии и др.- Greenhouses, etc.

Предшестващо състояние на техникатаPrior art

Комбинацията от устройства с концентрация на слънчева радиация и високоефективни фотоволтаични елементи, към настоящия момент, е един от възможните методи за намаляване на общите разходи за фотоволтаична система.The combination of solar radiation concentration devices and high-efficiency photovoltaic elements is currently one of the possible methods for reducing the overall costs of a photovoltaic system.

Концентриращите соларни системи използват светлоотразителни системи (плоски или извити огледала) или рефракторни системи (главно Френелови лещи). Степента на концентрация (CR) е параметър, който съответства на съотношението външна площ на оптичната система (Ао) към площ (Аа) на приемника (абсорбер) (CR = Аа / Ао, или х Слънца). Системите за концентрация на слънчева енергия се характеризират с тяхната степен на концентрация и в общия случай се делят на такива с линеен фокус (2D) или точка (3D). По степента на концентрация се делят на ниска степен (CR<20x); средна (CR<100x) и висока (CR>100x).Concentrating solar systems use reflective systems (flat or curved mirrors) or refractive systems (mainly Fresnel lenses). The concentration ratio (CR) is a parameter that corresponds to the ratio of the external area of the optical system (Ao) to the area (Aa) of the receiver (absorber) (CR = Aa / Ao, or x Suns). Solar energy concentration systems are characterized by their concentration ratio and are generally divided into those with a linear focus (2D) or point (3D). According to the concentration ratio, they are divided into low (CR<20x); medium (CR<100x) and high (CR>100x).

За концентраторни системи с CR>2,5 пъти трябва да се използва система за проследяване на слънцето, докато за системи с CR<2,5 пъти, могат да се използват стационарни концентриращи устройства. Системи с ниска степен на концентрация (CR<20x) са от особен интерес за фотоволтаиката, тъй като те са с линейна геометрия и по този начин една ос на проследяване на слънцето, в общия случай, е достатъчна за тяхното ефективно функциониране.For concentrator systems with CR>2.5 times, a sun tracking system should be used, while for systems with CR<2.5 times, stationary concentrators can be used. Low concentration ratio systems (CR<20x) are of particular interest for photovoltaics, as they have a linear geometry and thus a single sun tracking axis is generally sufficient for their effective operation.

Монокристалните силициеви (c-Si) фотоволтаични елементи са най-обикновеният тип за концентриращи фотоволтаични системи, но тяхната електрическа мощност се намалява от повишаването на температурата и неравномерното разпределение на слънчевата радиация върху повърхността им.Monocrystalline silicon (c-Si) photovoltaic cells are the most common type for concentrating photovoltaic systems, but their electrical output is reduced by temperature rise and uneven distribution of solar radiation on their surface.

Фотоволтаични елементи на базата на Галиев арсенид (GaAs) имат по-висока ефективност на преобразуването от c-Si фотоволтаичните елементи и могат да работят по-ефективно при по-високи температури. Цената им обаче е значително по-висока, което лимитира тези системи до такива с висока степен на концентрация.Gallium arsenide (GaAs) photovoltaic cells have higher conversion efficiencies than c-Si photovoltaic cells and can operate more efficiently at higher temperatures. However, their cost is significantly higher, limiting these systems to high-concentration applications.

Тънкослойни фотоволтаични елементи като CIGS (Cu-In-Ga-Se2) - мед, индий, галий, селен, са помалко чувствителни към неравномерно разпределение на слънчевата радиация, но те все още са с по-ниска ефективност в сравнение с кристалните силициеви фотоволтаични елементи. Стандартната ефективност на концентриращи фотоволтаични елементи е в диапазона от 15% до около 30%.Thin-film photovoltaic cells such as CIGS (Cu-In-Ga-Se2) - copper, indium, gallium, selenium, are less sensitive to uneven distribution of solar radiation, but they are still less efficient than crystalline silicon photovoltaic cells. The standard efficiency of concentrating photovoltaic cells is in the range of 15% to about 30%.

Равнинни и главно извити отражатели се използват често, за да се увеличи плътността на слънчевата радиация във фокусната точка (3D концентратори) или във фокусната линия (2D концентратори). Френеловите лещи и модифицираните Френелови лещи са сравнително нова алтернатива при концентраторните системи. Могат да се изработват от евтини и леки материали, като например полиметилметаакрилат (РММА) или поликарбонат (PC). Материалът за концентриращия оптичен елемент трябва да бъде по-евтин в сравнение с фотоволтаичните елементи, тъй като съответства на многократно по -голяма площ от площта им (например 5, 20, 100, 500 или по-голям). Материалът трябва да е траен за дълъг период от време, с цел да съответства на живота на фотоволтаичните елементи (над 20 години).Flat and mainly curved reflectors are often used to increase the density of solar radiation at the focal point (3D concentrators) or in the focal line (2D concentrators). Fresnel lenses and modified Fresnel lenses are a relatively new alternative in concentrator systems. They can be made of cheap and lightweight materials, such as polymethyl methacrylate (PMMA) or polycarbonate (PC). The material for the concentrating optical element should be cheaper compared to the photovoltaic elements, since it corresponds to a much larger area than their area (for example 5, 20, 100, 500 or larger). The material should be durable over a long period of time, in order to match the life of the photovoltaic elements (over 20 years).

Разпределението на слънчевата радиация върху клетъчната повърхност и повишаването на температурата на фотоволтаичния елемент са два проблема, които влияят върху електрическата му мощност. Равномерното разпределение на концентрираната слънчева радиация върху клетъчната повърхност и прилагане на подходящ режим на охлаждане допринася, във всички случаи, за по-ефективна работа на системата, като се има предвид постигането на максимална електрическа мощност. Неравномерността може да се дължи на дори малка грешна форма на огледалото, която обаче има значителен ефект върху профила на светлинния поток.The distribution of solar radiation on the cell surface and the increase in the temperature of the photovoltaic element are two problems that affect its electrical power. The uniform distribution of concentrated solar radiation on the cell surface and the application of an appropriate cooling regime contribute, in all cases, to a more efficient operation of the system, considering the achievement of maximum electrical power. The unevenness can be due to even a small incorrect shape of the mirror, which, however, has a significant effect on the light flux profile.

Пасивен (радиатор) или активен (извличане на топлината чрез вода или циркулация на въздуха) начин на охлаждане на фотоволтаичните елементи, са обичайните начини за запазване температурата в режим на приемане. Като продължение на режима на охлаждане, пазарно представени са хибридни фотоволтаични/топлинни (PV/T) слънчеви системи с цел да се осигури едновременно електрическа и топлинна енергия, което допринася за по-висок процент на ефективност на абсорбираната слънчева радиация и прави системата по-практична.Passive (radiator) or active (heat extraction through water or air circulation) cooling of photovoltaic elements are the usual ways to maintain the temperature in the receiving mode. As an extension of the cooling mode, hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) solar systems are marketed to provide both electrical and thermal energy, which contributes to a higher percentage of efficiency of absorbed solar radiation and makes the system more practical.

При линейни концентриращи фотоволтаични системи профилът на надлъжната радиация по протежение на низ от фотоволтаични елементи може съществено да се влияе от формата на огледалото, засенчване, неправилно следене хода на слънцето. Профилът на осветяване може да не е еднакъв за всички фотоволтаични елементи, свързани в серия (група), а това ограничава тока и ефективността на групата. Максимално допустимото отклонение от идеалната форма на системата в някои случаи е по -малко от 1 mm, а дори и малки отклонения от идеалната форма може да предизвикат значителни нееднородности във фокусната линия. В тези случаи се наблюдава намаляване на тока на късо съединение и напрежението на отворена верига, а следователно и на общата ефективност на системата. Друг ефект е, че температурата в местата с високо ниво на осветеност може да бъде 10^15°C по-висока, отколкото в други части на клетката, което води до намаляване на напрежението на отворена верига. В допълнение, други оптични загуби в резултат на процеса на проследяване, вятър и високо съотношение на дифузна слънчева радиация предизвикват по-нататъшно намаляване на ефективността на електрическата система.In linear concentrating photovoltaic systems, the longitudinal radiation profile along a string of photovoltaic elements can be significantly affected by the shape of the mirror, shading, and incorrect tracking of the sun. The illumination profile may not be the same for all photovoltaic elements connected in series (group), which limits the current and efficiency of the group. The maximum permissible deviation from the ideal shape of the system is in some cases less than 1 mm, and even small deviations from the ideal shape can cause significant non-uniformities in the focal line. In these cases, a decrease in the short-circuit current and open-circuit voltage is observed, and therefore the overall efficiency of the system. Another effect is that the temperature in places with high levels of illumination can be 10^15°C higher than in other parts of the cell, which leads to a decrease in the open-circuit voltage. In addition, other optical losses resulting from the tracking process, wind, and a high ratio of diffuse solar radiation cause further reductions in the efficiency of the electrical system.

От съществено значение за ефективната работа на фотоволтаичните елементи, работещи както при ниска, така и при висока степен на концентрация, е серийното съпротивление. Общото серийно съпротивление е сума от съпротивлението на базата и емитера, контактното съпротивление между метала и полупроводника и съпротивлението на метала на електрическата контактна мрежа. При ниска степен на концентрация серийното съпротивление се доминира от съпротивлението на базата, докато при висока степен на концентрация общото серийно съпротивление се доминира от контактното съпротивление между метала и полупроводника. За фотоволтаични елементи, работещи при концентрация, от съществено значение е контактът към полупроводника, както и възможността генерираните носители, достигнали електрическия контакт да бъдат ефективно събрани. Плътността на тока при концентраторните елементи е значителна, което изисква по-малко съпротивление на метала (съответно, по-голяма площ на металния електрически контакт). При това от голямо значение е технологията на слънчевия елемент.The series resistance is essential for the efficient operation of photovoltaic cells operating at both low and high concentration levels. The total series resistance is the sum of the base and emitter resistance, the contact resistance between the metal and the semiconductor, and the resistance of the metal to the electrical contact network. At low concentration levels, the series resistance is dominated by the base resistance, while at high concentration levels, the total series resistance is dominated by the contact resistance between the metal and the semiconductor. For photovoltaic cells operating at concentration, the contact to the semiconductor is essential, as well as the ability of the generated carriers that reach the electrical contact to be effectively collected. The current density in concentrator cells is significant, which requires less resistance of the metal (respectively, a larger area of the metal electrical contact). The technology of the solar cell is of great importance here.

Патентна заявка CN 105571156 A представлява концентраторна система с линейна Френелова оптична система, работеща при висока степен на концентрация на слънчевата светлина върху елементи от Галиев арсенид (GaAs). За допълнителна концентрация на светлината се използва рефлекторна вторична оптика от алуминий с отложен слой сребро. Системата разчита на външна система за следене на позицията на слънцето, която не е описана. Охлаждането на фотоелементите се извършва чрез Т -образна топлинна тръба, която се охлажда от външен източник. Поради високата степен на концентрация, системата няма изолация на топлинната тръба.Patent application CN 105571156 A represents a concentrator system with a linear Fresnel optical system operating at a high degree of concentration of sunlight on Gallium Arsenide (GaAs) elements. For additional concentration of light, reflective secondary optics made of aluminum with a deposited layer of silver are used. The system relies on an external system for tracking the position of the sun, which is not described. The cooling of the photocells is carried out by a T-shaped heat pipe, which is cooled by an external source. Due to the high degree of concentration, the system does not have insulation of the heat pipe.

Патентна заявка CN 106160650 A е сходна с патентната заявка CN 105571156 A и представлява концентраторна система с Френелова оптична система (не е описан вида й), работеща при висока степен на концентрация на слънчевата светлина върху елементи от Галиев арсенид (GaAs). Системата има капаци за предпазване от прах, в чиято долна част е монтирана рефлекторна вторична оптика от алуминий с отложен слой сребро. Системата разчита на външна система за следене на позицията на слънцето, която не е описана. Охлаждането на фотоелементите се извършва чрез плоска топлинна тръба, която се охлажда от външен източник. Поради високата степен на концентрация, системата няма изолация на топлинната тръба.Patent application CN 106160650 A is similar to patent application CN 105571156 A and represents a concentrator system with a Fresnel optical system (its type is not described), operating at a high degree of concentration of sunlight on Gallium Arsenide (GaAs) elements. The system has dust protection covers, in the lower part of which is mounted reflective secondary optics made of aluminum with a deposited layer of silver. The system relies on an external system for tracking the position of the sun, which is not described. The cooling of the photocells is carried out by a flat heat pipe, which is cooled by an external source. Due to the high degree of concentration, the system does not have insulation of the heat pipe.

Патент US 6384320 представлява концентраторна система с квадратна Френелова оптична система. Под Френеловата оптика има вторична рефлекторна оптика. Системата работи при степен на концентрация на слънчевата светлина 100-300 пъти. Използваният вид фотоволтаични елементи не е описан. Групите фотоволтаични елементи са разположени в общ модул с двойни стени. Охлаждането на модула не е описано. Системата разчита на външна система за следене на позицията на слънцето, която не е описана.Patent US 6384320 is a concentrator system with a square Fresnel optical system. There is a secondary reflector optic under the Fresnel optics. The system operates at a concentration of sunlight of 100-300 times. The type of photovoltaic elements used is not described. The groups of photovoltaic elements are arranged in a common module with double walls. The cooling of the module is not described. The system relies on an external system for tracking the position of the sun, which is not described.

Полезен модел DE 202007000300 U1 представлява концентраторна система с квадратна Френелова оптична система. Системата работи при висока степен на концентрация на слънчевата светлина. Фотоволтаичните елементи са разположени във фокуса на всяка от Френеловите лещи. Използваният вид фотоволтаични елементи не е описан. Групите фотоелементи са разположени на обща метална повърхност, която трябва да разсейва топлинната енергия при концентрацията на слънчевата светлина. Общата метална повърхност е свързана със система от тръби, които да отведат топлината. Системата разчита на външна система за следене на позицията на слънцето, която не е описана.Utility model DE 202007000300 U1 is a concentrator system with a square Fresnel optical system. The system operates at a high degree of concentration of sunlight. The photovoltaic elements are located at the focus of each of the Fresnel lenses. The type of photovoltaic elements used is not described. The groups of photovoltaic elements are located on a common metal surface, which should dissipate the thermal energy when concentrating sunlight. The common metal surface is connected to a system of pipes to remove the heat. The system relies on an external system for monitoring the position of the sun, which is not described.

При горепосочените документи се използва висока степен на концентрация и съответно е необходима по-прецизна и сложна система на следене на слънцето и позициониране на фотоволтаичните елементи спрямо него. Поради по-високите степени на концентрация, генерираните температури са повисоки и изискват топлинна изолация от по-висок клас и топлоустойчиви материали. При използване на топлинна изолация с цел запазване и оползотворяване на топлинната енергия, генерирана в системата, съществува по-висока вероятност от прегряване на отделни части от системата. При предложеното ново решение степента на концентрация е по-ниска, което позволява едноосно следене на позицията на слънцето. По-ниската степен на концентрация позволява използването на топлинна изолация, работеща при по-ниски температури, съответно позволява по-лесното й прилагане около всички части на топлинната тръба и по-лесно оползотворяване на генерираната в системата топлинна енергия.The above documents use a high degree of concentration and accordingly require a more precise and complex system of tracking the sun and positioning the photovoltaic elements relative to it. Due to the higher degrees of concentration, the temperatures generated are higher and require higher-class thermal insulation and heat-resistant materials. When using thermal insulation to preserve and utilize the thermal energy generated in the system, there is a higher probability of overheating of individual parts of the system. In the proposed new solution, the degree of concentration is lower, which allows for single-axis tracking of the sun's position. The lower degree of concentration allows the use of thermal insulation operating at lower temperatures, respectively, allowing for easier application around all parts of the heat pipe and easier utilization of the thermal energy generated in the system.

Патент US 010181815 B2 представлява комбинирана система за фотоволтаично -термично преобразуване на слънчевата светлина, при което се използват параболични рефлекторни елементи. Фотоволтаичните елементи са разположени във фокуса на отражателните елементи, върху 2 от страните на триъгълен приемник. Недостатъци на предложената система са: големите й размери и маса, както и високата максимална температура (от 50 до 200 градуса по Целзий), което води до рискове за фотоволтаичния приемник. Топлинните загуби на топлоносителя са високи, тъй като липсва изолация на единичния приемник. Това ограничава използването на системата, само до географски положения, с голяма продължителност на слънцегреенето. Поради високата температура, в качеството им на топлоносители се използват високотемпературни масла. Въпреки това при температури над 150 градуса, налягането в системата е голямо, което повишава техническите изисквания към системата и я оскъпява.Patent US 010181815 B2 represents a combined system for photovoltaic-thermal conversion of sunlight, which uses parabolic reflector elements. The photovoltaic elements are located in the focus of the reflector elements, on 2 of the sides of a triangular receiver. Disadvantages of the proposed system are: its large size and mass, as well as the high maximum temperature (from 50 to 200 degrees Celsius), which leads to risks for the photovoltaic receiver. The heat losses of the heat carrier are high, since there is no insulation of the single receiver. This limits the use of the system only to geographical locations with a long duration of sunshine. Due to the high temperature, high-temperature oils are used as heat carriers. However, at temperatures above 150 degrees, the pressure in the system is high, which increases the technical requirements for the system and makes it more expensive.

При предложеното ново решение, тези недостатъци са преодолени чрез използването на линейна Френелова оптика. Това позволява изработване на модули с различни размери. Малките размери на единичния приемник и ниската степен на концентрация облекчават техническите изисквания към системата и към точността в следене на позицията на слънцето, а изолацията на топлинната тръба намалява топлинните загуби и позволява използването на системата в повечето географски райони.In the proposed new solution, these shortcomings are overcome by using linear Fresnel optics. This allows the production of modules of various sizes. The small size of the single receiver and the low degree of concentration ease the technical requirements for the system and the accuracy in tracking the position of the sun, and the insulation of the heat pipe reduces heat loss and allows the use of the system in most geographical areas.

Патентна заявка KR 20170142638 A представлява концентраторна система с куполовидна линейна Френелова оптична система за производство на електрическа енергия. Генерираната при концентрацията на светлината топлинна енергия се разсейва в околната среда. Фотоелементите са разположени във фокуса на оптичната система в общ модул с размери повече от 1 m х 1,5 m. Системата разчита на външна система за следене на позицията на слънцето, но размерите на модула с фотоволтаичните елементи прави системата за следене на позицията на слънцето чувствителна към пориви на вятър и повишава изискванията към нея.Patent application KR 20170142638 A represents a concentrator system with a dome-shaped linear Fresnel optical system for the production of electrical energy. The thermal energy generated during the concentration of light is dissipated into the environment. The photocells are located at the focus of the optical system in a common module with dimensions of more than 1 m x 1.5 m. The system relies on an external system for tracking the position of the sun, but the dimensions of the module with the photovoltaic elements make the system for tracking the position of the sun sensitive to gusts of wind and increase the requirements for it.

При предложеното ново решение, тези ограничения са избегнати чрез използване на единични модули, разположени в обща носеща рамка. По този начин се намаляват динамичните натоварвания, причинени от пориви на вятъра и се облекчават изискванията към системата. При предложеното ново решение се използва и генерираната при концентрацията на светлината топлинна енергия, която се извежда чрез топлинната тръба от единичния приемник към външна система за оползотворяването й.In the proposed new solution, these limitations are avoided by using single modules arranged in a common supporting frame. In this way, the dynamic loads caused by wind gusts are reduced and the requirements for the system are eased. In the proposed new solution, the thermal energy generated during the concentration of light is also used, which is output through the heat pipe from the single receiver to an external system for its utilization.

Патентна заявка CN 104320074 A описва фотоволтаична-термична концентраторна система с квадратна френелова оптична система за средна/висока степен на концентрация. Системата използва алуминиев световод и вторична оптика над фотоелемента, който е от тип Галиев арсенид (GaAs). Този тип фотоелементи са скъпи и са с малки размери, което усложнява оптичната система. Така известната конструкция изисква двуосна система за следене на позицията на слънцето, което е технически по-сложно, спрямо предложената система с едноосно следене на позицията на слънцето. Това усложнява и системата за отвеждане на топлинната енергия, генерирана при концентрацията на слънчевата светлина, а фотоволтаичната-термична система става трудна за мащабно серийно производство и икономически неефективна. Долната страна на фотоволтаичния елемент се охлажда чрез канален тип воден топлообменник. Този тип топлообменник изисква изключване на системата и източване на флуида при необходимост от смяна на компоненти в системата.Patent application CN 104320074 A describes a photovoltaic-thermal concentrator system with a square Fresnel optical system for medium/high concentration. The system uses an aluminum light guide and secondary optics above the photocell, which is of the Gallium Arsenide (GaAs) type. This type of photocell is expensive and has small dimensions, which complicates the optical system. The known design thus requires a two-axis system for tracking the position of the sun, which is technically more complex than the proposed system with a single-axis tracking of the position of the sun. This also complicates the system for removing the heat energy generated during the concentration of sunlight, and the photovoltaic-thermal system becomes difficult for large-scale serial production and economically inefficient. The underside of the photovoltaic element is cooled by a channel-type water heat exchanger. This type of heat exchanger requires the system to be turned off and the fluid to be drained when components in the system need to be replaced.

При предложеното ново решение, тези ограничения са избегнати чрез използването на фотоелементи с контакти на задната повърхност. Това позволява използване на добре развита техника за повърхностен монтаж (SMT), използвана в електрониката и позволяваща висока степен на автоматизация и качество. Фотоволтаичните елементи са плътно разположени във фокуса на линейна Френелова оптика. Това позволява едноосно следене на позицията на слънцето. С използването на система тип топлинна тръба за отвеждане на топлинната енергия, генерирана в системата, се намаляват точките, в които могат да възникнат проблеми (броят на подвижните връзки, в които има уплътнение на флуид) и се позволява подмяната на единични приемници, без системата да бъде изключвана.In the proposed new solution, these limitations are avoided by using photocells with contacts on the back surface. This allows the use of well-developed surface mount technology (SMT), used in electronics and allowing a high degree of automation and quality. The photovoltaic elements are densely arranged in the focus of linear Fresnel optics. This allows for single-axis tracking of the sun's position. The use of a heat pipe system to dissipate the heat generated in the system reduces the points of failure (the number of moving joints in which there is a fluid seal) and allows the replacement of single receivers without shutting down the system.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задачата на изобретението е създаването на фотоволтаична-термична система с линейна френелова оптика и ниска степен на концентрация за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, която по-ефективно използва слънчевата светлина, чрез едновременно генериране на електрическа и топлинна енергия, като се оптимизира начина на охлаждане на фотоволтаичните елементи и отвеждането на тази топлина и произтичащите от това елементи от конструкцията, с цел намаляване на разходите за тяхното производство и увеличаване на надеждността на системата.The task of the invention is to create a photovoltaic-thermal system with linear Fresnel optics and a low degree of concentration for combined production of thermal and electrical energy, which more efficiently uses sunlight, by simultaneously generating electrical and thermal energy, by optimizing the method of cooling the photovoltaic elements and removing this heat and the resulting elements from the structure, in order to reduce the costs of their production and increase the reliability of the system.

Задачата е решена чрез елементите на единичен приемник от фотоволтаичната-термична система с ниска степен на концентрация за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, представляващи съвкупност от линейна Френелова оптика, укрепена от стени, между които са разположени фотоволтаичните елементи. В долната част на единичния приемник е разположена топлинна тръба, върху която, чрез алуминиева печатна платка, са монтирани фотоволтаичните елементи. Между фотоволтаичните елементи и алуминиевата печатна платка е формирана електрическа контактна мрежа и електрически изводи за отвеждане на генерираното електричество. За отвеждане на генерираната топлинна енергия от фотоволтаичните елементи се използва топлинна тръба, като единият й край завършва с ампула, която предава топлинна енергия през гилза към проточен колектор или водосъдържател. Набор от единични приемници, с възможност за въртене около оста им и автоматично следене на позицията на слънцето, се разполагат върху обща носеща рамка. Фотоволтаичната -термична система с линейна Френелова оптика и ниска степен на концентрация за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, съдържа Френелова оптика тип линейна, фотоволтаични елементи, разположени във фокуса на Френеловата оптика тип линейна, топлообменник тип топлинна тръба. Фотоволтаичнататермична система има степен на концентрация от 5х до 20х и представлява съвкупност от 1 до 20 броя единични приемници с дължина от 500 mm до 3000 mm и ширина от 100 mm до 120 mm, задвижвани чрез лостова система и линеен изпълнителен механизъм, монтирани върху обща носеща рамка, снабдени с едноосна система за следене на слънцето и контролер за управление на генерираната електрическа енергия. Всеки единичен приемник е снабден с Френеловата оптика тип линейна, изработена от полиметилметаакрилат, поликарбонат или стъкло, укрепена от стени изработени от алуминий, полиметилметаакрилат или поликарбонат, затворени посредством долен капак и горен капак, изработени от алуминий, полиметил-метаакрилат или поликарбонат. Долният капак е разположен в долната страна на единичния приемник, а горният капак, на който е монтиран щуцер, е разположен в горната страна на единичния приемник. Фотоволтаичната-термична система е снабдена и с топлообменник тип топлинна тръба, изработен от мед или алуминий, завършващ с ампула, изработена от мед или алуминий, монтирана в гилза, изработена от мед, алуминий или неръждаема стомана, монтирана в проточен топлинен колектор или във водосъдържател. Върху топлоизолация от топлоизолационна пяна, минерална вата или стъклена вата на топлообменника тип топлинна тръба е поставен топлоизолационен кожух, изработен от алуминий полиметил-метаакрилат или поликарбонат. В топлообменника тип топлинна тръба е монтирана връзка, а фотоволтаичните елементи, които са от 15 до 50 броя, са монтирани към алуминиева печатна платка, с дължина от 480 mm до 2980 mm и ширина от 7 mm до 21 mm. Алуминиевата печатна платка е разположена върху топлообменника тип топлинна тръба, а над фотоволтаичните елементи е положена високопрозрачна смола. Електрически контакти на фотоволтаичните елементи, разположени на задната им повърхност, са свързани чрез запояване към електрически контакти на повърхността на алуминиевата печатна платка, образувайки електрическа контактна мрежа. На всеки от краищата на алуминиевата печатна платка са разположени електрически изводи. Всеки единичен приемник е снабден с електрически кабел, който през щуцера е свързан към контролер.The task is solved by the elements of a single receiver of the photovoltaic-thermal system with a low degree of concentration for combined production of heat and electricity, representing a set of linear Fresnel optics, reinforced by walls, between which the photovoltaic elements are located. In the lower part of the single receiver is a heat pipe, on which, through an aluminum printed circuit board, the photovoltaic elements are mounted. An electrical contact network and electrical terminals are formed between the photovoltaic elements and the aluminum printed circuit board for the removal of the generated electricity. A heat pipe is used to remove the generated heat energy from the photovoltaic elements, with one end ending with an ampoule that transmits heat energy through a sleeve to a flow collector or water tank. A set of single receivers, with the ability to rotate around their axis and automatically track the position of the sun, are placed on a common supporting frame. The photovoltaic-thermal system with linear Fresnel optics and a low degree of concentration for combined production of heat and electricity, contains linear Fresnel optics, photovoltaic elements located in the focus of the linear Fresnel optics, a heat pipe type heat exchanger. The photovoltaic-thermal system has a degree of concentration from 5x to 20x and represents a set of 1 to 20 single receivers with a length of 500 mm to 3000 mm and a width of 100 mm to 120 mm, driven by a lever system and a linear actuator, mounted on a common supporting frame, equipped with a single-axis sun tracking system and a controller for managing the generated electrical energy. Each single receiver is equipped with Fresnel optics of the linear type, made of polymethylmethacrylate, polycarbonate or glass, reinforced by walls made of aluminum, polymethylmethacrylate or polycarbonate, closed by a lower cover and an upper cover made of aluminum, polymethylmethacrylate or polycarbonate. The lower cover is located on the lower side of the single receiver, and the upper cover, on which a spigot is mounted, is located on the upper side of the single receiver. The photovoltaic-thermal system is also equipped with a heat exchanger of the heat pipe type, made of copper or aluminum, ending with an ampoule made of copper or aluminum, mounted in a sleeve made of copper, aluminum or stainless steel, mounted in a flow-through heat collector or in a water tank. A heat-insulating jacket made of aluminum polymethyl methacrylate or polycarbonate is placed on the thermal insulation of thermal insulation foam, mineral wool or glass wool of the heat pipe type heat exchanger. A connection is installed in the heat pipe type heat exchanger, and the photovoltaic elements, which are from 15 to 50 pieces, are mounted on an aluminum printed circuit board, with a length of 480 mm to 2980 mm and a width of 7 mm to 21 mm. The aluminum printed circuit board is located on the heat pipe type heat exchanger, and a highly transparent resin is placed over the photovoltaic elements. Electrical contacts of the photovoltaic elements located on their rear surface are connected by soldering to electrical contacts on the surface of the aluminum printed circuit board, forming an electrical contact network. Electrical terminals are located on each of the ends of the aluminum printed circuit board. Each single receiver is equipped with an electrical cable, which is connected to a controller through a gland.

Фотоволтаичната-термична система съдържа алуминиевата печатна платка с дължина 1280 mm и ширина 11 mm.The photovoltaic-thermal system contains the aluminum printed circuit board with a length of 1280 mm and a width of 11 mm.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

Фигура 1 показва напречно сечение на единичен приемник.Figure 1 shows a cross-section of a single receiver.

Фигура 2 показва изглед в аксонометрия и разрез на единичен приемник.Figure 2 shows an axonometric view and a section of a single receiver.

Фигура 3 показва топлообменник тип топлинна тръба.Figure 3 shows a heat pipe type heat exchanger.

Фигура 4 показва единичен приемник - изглед отгоре и частичен разрез.Figure 4 shows a single receiver - top view and partial section.

Фигура 5 показва фотоволтаичната -термична система за комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия, при използване на проточен топлинен колектор - изглед отгоре.Figure 5 shows the photovoltaic-thermal system for combined production of electricity and heat, using a flow-through heat collector - top view.

Фигура 6 показва фотоволтаичната-термична система за комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия, при използване на проточен топлинен колектор - изглед в аксонометрия.Figure 6 shows the photovoltaic-thermal system for combined production of electricity and heat, using a flow-through heat collector - axonometric view.

Фигура 7 показва фотоволтаичната -термична система за комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия, при използване на водосъдържател - изглед в аксонометрия.Figure 7 shows the photovoltaic-thermal system for combined production of electricity and heat, using a water tank - axonometric view.

Приложение на изобретениетоApplication of the invention

Фотоволтаичната-термична система е снабдена с оптична система от тип линейна Френелова оптика 1, със степен на концентрация 5-20х, като фотоволтаичните елементи 3 са разположени във фокалната й равнина. Оптичната система (Фиг. 1) се състои от линейна Френелова оптика 1 и стени 2, вътрешната повърхност на които играе роля на отражатели, разположени под ъгъл, близък до ъгъла на пълно вътрешно отражение за светлината, напускаща задната повърхност на Френеловата оптика 1. Ъгълът между Френеловата оптика 1 и страничните стени 2 зависи от фокусното разстояние на лещата и варира от 15 до 45 градуса. Линейната Френелова оптика 1 може да бъде изработена от полиметил-метаакрилат (РММА), поликарбонат (PC) или стъкло, а стените 2 от алуминий, полиметил-метаакрилат (РММА) или поликарбонат.The photovoltaic-thermal system is equipped with an optical system of the linear Fresnel optics 1 type, with a concentration degree of 5-20x, with the photovoltaic elements 3 being located in its focal plane. The optical system (Fig. 1) consists of a linear Fresnel optics 1 and walls 2, the inner surface of which plays the role of reflectors, located at an angle close to the angle of total internal reflection for the light leaving the back surface of the Fresnel optics 1. The angle between the Fresnel optics 1 and the side walls 2 depends on the focal length of the lens and varies from 15 to 45 degrees. The linear Fresnel optics 1 can be made of polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC) or glass, and the walls 2 of aluminum, polymethyl methacrylate (PMMA) or polycarbonate.

Стените 2 придържат линейната Френелова оптика 1 и фотоволтаичните елементи 3 с топлообменник 4 тип топлинна тръба на оптимално разстояние и същевременно увеличават ефективността на оптичната система чрез вторично отражение към фотоволтаичния елемент 3, като отразяват светлинните лъчи, напускащи линейната Френелова оптика 1 извън посоката към фотоволтаичните елементи 3 и я насочват към тях. Стените 2 се изработват от материал с достатъчна механична якост. Механичната връзка между линейната Френелова оптика 1 и стените 2 се осъществява чрез лепилен слой 5. Двата края се затварят с пластмасови или алуминиеви капаци 6а и 6б. Единият от тях - долен капак 6а затваря долният край на единичния приемник и осигурява връзка с общата носеща рамка 23. На втория капак - горен капак 6б - има монтиран щуцер 27, през който минава електрически кабел 28 за електрическата връзка към алуминиевата печатна платка 7.The walls 2 hold the linear Fresnel optics 1 and the photovoltaic elements 3 with a heat exchanger 4 of the heat pipe type at an optimal distance and at the same time increase the efficiency of the optical system through secondary reflection to the photovoltaic element 3, by reflecting the light rays leaving the linear Fresnel optics 1 out of the direction to the photovoltaic elements 3 and directing them towards them. The walls 2 are made of a material with sufficient mechanical strength. The mechanical connection between the linear Fresnel optics 1 and the walls 2 is carried out by an adhesive layer 5. The two ends are closed with plastic or aluminum covers 6a and 6b. One of them - the lower cover 6a closes the lower end of the single receiver and provides a connection to the common supporting frame 23. On the second cover - the upper cover 6b - there is a fitting 27 mounted, through which an electric cable 28 passes for the electrical connection to the aluminum printed circuit board 7.

В предложената система, фотоволтаичните елементи са от тип с електрически контакти на задната повърхност и пасивиран емитер, с размери 50 mm х 13 mm или 50 mm х 5 mm. Това позволява оптимизация на електрическите контакти с цел намаляване на омовите електрически загуби, т.е. по-широки и по-дебели контакти към задната повърхност, което намалява серийното съпротивление и опростява монтажа на фотоволтаичните елементи. Наличието на контакти на задната повърхност позволява използване на технология за повърхностен монтаж (SMT), чрез която монтажът на фотоволтаичните елементи може да се автоматизира, допълнително намалявайки крайната цена на системата. Поради разположението на контактите на задната повърхност на фотоволтаичните елементи, няма засенчване от тях на предната им повърхност. Липсата на контакти на предната повърхност позволява и оптимизация на анти-отразяващия слой и по-добра пасивация на повърхностните дефекти. Защитата на фотоволтаичните елементи от вредно външно влияние, влага и механично въздействие, се осъществява чрез полагане на високопрозрачна смола 8 над тях.In the proposed system, the photovoltaic elements are of the type with electrical contacts on the back surface and a passivated emitter, with dimensions of 50 mm x 13 mm or 50 mm x 5 mm. This allows optimization of the electrical contacts in order to reduce ohmic electrical losses, i.e. wider and thicker contacts to the back surface, which reduces the series resistance and simplifies the installation of the photovoltaic elements. The presence of contacts on the back surface allows the use of surface mount technology (SMT), through which the installation of the photovoltaic elements can be automated, further reducing the final cost of the system. Due to the location of the contacts on the back surface of the photovoltaic elements, there is no shading from them on their front surface. The absence of contacts on the front surface also allows optimization of the anti-reflective layer and better passivation of surface defects. Protection of the photovoltaic elements from harmful external influences, moisture and mechanical impact is achieved by applying a highly transparent resin 8 over them.

Фотоволтаичните елементи 3 се монтират чрез SMT технология върху алуминиева печатна платка 7 с дължина 480-2980 mm и ширина 7 mm - 21 mm, като електрическите контакти на задната повърхност на фотоволтаичните елементи се свързват чрез запояване към електрическите контакти на повърхността на алуминиевата печатна платка, образувайки електрическа контактна мрежа 9. Генерираният във фотоволтаичния елемент електрически ток се отвежда през електрическата контактна мрежа 9 към единия или към двата края на алуминиевата печатна платка, достигайки до електрическите изводи 10. Към тях се свързват електрически кабели, чрез които се отвежда електрическият ток, генериран от системата.The photovoltaic elements 3 are mounted using SMT technology on an aluminum printed circuit board 7 with a length of 480-2980 mm and a width of 7 mm - 21 mm, with the electrical contacts on the back surface of the photovoltaic elements being connected by soldering to the electrical contacts on the surface of the aluminum printed circuit board, forming an electrical contact network 9. The electric current generated in the photovoltaic element is conducted through the electrical contact network 9 to one or both ends of the aluminum printed circuit board, reaching the electrical terminals 10. Electrical cables are connected to them, through which the electric current generated by the system is conducted.

Топлоотвеждането на генерираната топлина се извършва по следния път - през обема на фотоволтаичните елементи 3, през алуминиевата печатна платка 7, механично и термично свързана към топлообменника тип топлинна тръба 4, към флуид в топлообменника тип топлинна тръба 4. Топлината от топлообменника тип топлинна тръба 4 и флуида в него се насочват към проточен топлинен колектор 11. За да се увеличи топлоотдаващата площ между топлообменника тип топлинна тръба 4 и проточния топлинен колектор 11, топлообменникът тип топлинна тръба 4 завършва с ампула 12. Ампулата 12 се монтира в гилза 13, която осъществява херметично уплътняване на флуида в проточния топлинен колектор 11 и позволява изваждане на топлообменника тип топлинна тръба 4 без необходимост от източване на флуида в проточния топлинен колектор 11. Гилзата 13 може да бъде изработена от мед, алуминий или неръждаема стомана.The heat dissipation of the generated heat is carried out in the following way - through the volume of the photovoltaic elements 3, through the aluminum printed circuit board 7, mechanically and thermally connected to the heat pipe heat exchanger 4, to a fluid in the heat pipe heat exchanger 4. The heat from the heat pipe heat exchanger 4 and the fluid in it are directed to a flow-through heat collector 11. In order to increase the heat transfer area between the heat pipe heat exchanger 4 and the flow-through heat collector 11, the heat pipe heat exchanger 4 ends with an ampoule 12. The ampoule 12 is mounted in a sleeve 13, which provides a hermetic seal of the fluid in the flow-through heat collector 11 and allows the removal of the heat pipe heat exchanger 4 without the need to drain the fluid in the flow-through heat collector 11. The sleeve 13 can be made of copper, aluminum or stainless steel.

При нагряване на топлообменника тип топлинна тръба 4, флуидът в него се изпарява, като преминава от течно в газообразно състояние и се насочва към горния край, където се извършва топлоотдаване през ампулата 12 към проточния топлинен колектор 11. При това топлоотдаване газът в ампулата 12 се охлажда и кондензира, преминава отново в течно състояние и се стича към основата на топлообменника тип топлинна тръба 4, където се нагрява отново.When the heat pipe type heat exchanger 4 is heated, the fluid in it evaporates, passing from a liquid to a gaseous state and is directed to the upper end, where heat is transferred through the ampoule 12 to the flow heat collector 11. During this heat transfer, the gas in the ampoule 12 is cooled and condensed, passes back into a liquid state and flows to the base of the heat pipe type heat exchanger 4, where it is heated again.

Чрез принудителна циркулация на циркулационен флуид през проточния топлинен колектор 11, генерираната топлина се отвежда от системата. Циркулационният флуид постъпва в проточния топлинен колектор 11 през входа на проточния топлинен колектор 14 и излиза през изхода на проточния топлинен колектор 15.By forced circulation of a circulating fluid through the flow heat collector 11, the generated heat is removed from the system. The circulating fluid enters the flow heat collector 11 through the flow heat collector inlet 14 and exits through the flow heat collector outlet 15.

Циркулационният флуид в проточния топлинен колектор 11 може да бъде вода - когато климатичните условия, в които се използва фотоволтаичната-термична система, не позволяват нейното замръзване през годината, или друг флуид, замръзващ при по-ниски температури (с температура на замръзване в зависимост от климатичните условия на използване на системата). При индустриално приложение на фотоволтаичната-термична система тези флуиди могат да бъдат например смес от етиленгликол и дестилирана вода в различно съотношение. При битови приложения може да бъде използван пропилен-гликол и негови смеси с дестилирана вода.The circulating fluid in the flow heat collector 11 can be water - when the climatic conditions in which the photovoltaic-thermal system is used do not allow its freezing during the year, or another fluid freezing at lower temperatures (with a freezing temperature depending on the climatic conditions of use of the system). In industrial applications of the photovoltaic-thermal system, these fluids can be, for example, a mixture of ethylene glycol and distilled water in different proportions. In domestic applications, propylene glycol and its mixtures with distilled water can be used.

За да се осигури въртене около оста му, в топлообменника тип топлинна тръба 4 има монтирана връзка 16, която осигурява въртене и уплътняване на вътрешния обем спрямо околната среда. Това предотвратява изтичане на флуида от обема на топлообменника тип топлинна тръба 4 и съответно навлизане на външни замърсявания в обема му.To ensure rotation around its axis, a joint 16 is mounted in the heat pipe heat exchanger 4, which ensures rotation and sealing of the internal volume with respect to the environment. This prevents fluid leakage from the volume of the heat pipe heat exchanger 4 and, accordingly, the entry of external contaminants into its volume.

При втори предложен вариант (Фиг. 7) на отвеждане на топлинната енергия от системата, топлината от топлообменника тип топлинна тръба 4 и флуидът в него се насочват през ампулата 12 и гилзата 13 към водосъдържател 17. Загретият циркулационен флуид във водосъдържателя 17 се отвежда през изхода на водосъдържателя 19, а на негово място през входа на водосъдържателя 18 постъпва циркулационен флуид, който се загрява отново.In the second proposed variant (Fig. 7) of removing thermal energy from the system, the heat from the heat pipe type heat exchanger 4 and the fluid in it are directed through the ampoule 12 and the sleeve 13 to a water tank 17. The heated circulating fluid in the water tank 17 is removed through the outlet of the water tank 19, and in its place, a circulating fluid enters through the inlet of the water tank 18, which is heated again.

Топлообменникът тип топлинна тръба 4 се изработва от метали или сплави с висока топлопроводимост, като най-подходящи са мед и алуминий. За намаляване на топлинните загуби, външните части на топлообменника тип топлинна тръба 4 се покриват с топлоизолация 20. Като топлоизолация могат да бъдат използвани топлоизолационна пяна, минерална вата, стъклена вата или друг материал, издържащ на температури в диапазона 5()^15()°С'. Върху топлоизолацията се поставя кожух 21, който я предпазва от механични въздействия. Съвкупността от линейната Френелова оптика, стените 2, фотоволтаичните елементи 3, алуминиевата печатна платка 7, електрическата контактна мрежа 9 и електрическите изводи 10, топлообменника тип топлинна тръба 4, топлоизолацията 20 и кожуха формират единичен приемник на фотоволтаичната-термична система 22. Оптималната дължина на единичния приемник 22 е в диапазона 0,5^3 m, като минималната дължина се определя от икономически съображения (съотношението на площта на общата носеща рамка, спрямо тази на единичния приемник става съизмеримо), а максималната се определя от механичната здравина на единичния приемник 22 на системата. Един или n-броя единични приемници се монтират на обща носеща рамка 23. В една обща носеща рамка 23 може да е монтиран минимум един единичен приемник 22, като няма ограничение в техния максимален брой, но оптималният брой единични приемници 22, монтирани в общата носеща рамка 23 е в диапазона 5-20 броя. Към общата носеща рамка 23 са свързани едноосна система за следене позицията на слънцето 24 и проточният топлинен колектор 11, сумиращ топлинната енергия от всеки от единичните приемници 22. Общата носеща рамка 23 позволява присъединяване на фотоволтаичнитермични системи в група чрез последователно, паралелно или смесено свързване между тях. Генерираната електрическа енергия от единичните приемници се отвежда чрез електрически кабели 28. Електрическите кабели 28 от всеки единичен приемник 22 се свързват към контролер за управление на генерираната електрическа енергия 29, чрез който се отвежда генерираната електрическа енергия от фотоволтаичната-термична система.The heat exchanger of the heat pipe type 4 is made of metals or alloys with high thermal conductivity, the most suitable being copper and aluminum. To reduce heat losses, the external parts of the heat exchanger of the heat pipe type 4 are covered with thermal insulation 20. Thermal insulation foam, mineral wool, glass wool or other material that can withstand temperatures in the range of 5()^15()°С' can be used as thermal insulation. A casing 21 is placed on the thermal insulation, which protects it from mechanical impacts. The set of linear Fresnel optics, walls 2, photovoltaic elements 3, aluminum printed circuit board 7, electrical contact network 9 and electrical terminals 10, heat pipe type heat exchanger 4, thermal insulation 20 and casing form a single receiver of the photovoltaic-thermal system 22. The optimal length of the single receiver 22 is in the range of 0.5^3 m, with the minimum length being determined by economic considerations (the ratio of the area of the common supporting frame to that of the single receiver becomes commensurate), and the maximum being determined by the mechanical strength of the single receiver 22 of the system. One or n-number of single receivers are mounted on a common supporting frame 23. In one common supporting frame 23, at least one single receiver 22 may be mounted, and there is no limit to their maximum number, but the optimal number of single receivers 22 mounted in the common supporting frame 23 is in the range of 5-20 pieces. A single-axis system for tracking the position of the sun 24 and the flow heat collector 11 are connected to the common supporting frame 23, summing up the heat energy from each of the single receivers 22. The common supporting frame 23 allows the photovoltaic-thermal systems to be connected in a group by means of a series, parallel or mixed connection between them. The generated electrical energy from the single receivers is discharged through electrical cables 28. The electrical cables 28 from each single receiver 22 are connected to a controller for controlling the generated electrical energy 29, through which the generated electrical energy from the photovoltaic-thermal system is discharged.

Задвижването на единичните приемници 22 се осъществява чрез лостова система 25, механично свързваща всички единични приемници 22. Задвижването на лостовата система 25 се осъществява чрез линеен изпълнителен механизъм 26. Чрез това задвижване единичните приемници 22 се насочват към слънцето и следят постоянно неговото движение. Въртенето на единичните приемници 22 около оста им се позволява от връзките 16.The drive of the single receivers 22 is carried out by a lever system 25, mechanically connecting all the single receivers 22. The drive of the lever system 25 is carried out by a linear actuator 26. By means of this drive, the single receivers 22 are directed towards the sun and constantly monitor its movement. The rotation of the single receivers 22 around their axis is allowed by the connections 16.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of implementation of the invention

Пример 1. Фотоволтаична-термична система с линейна Френелова оптика, със степен на концентрация 5х, с отвеждане на топлинната енергия от топлообменника тип топлинна тръба 4 и флуида в него към проточен топлинен колектор 11.Example 1. Photovoltaic-thermal system with linear Fresnel optics, with a concentration factor of 5x, with the removal of thermal energy from the heat pipe type heat exchanger 4 and the fluid in it to a flow heat collector 11.

Фотоволтаичната-термична система е със степен на концентрация 5х и се състои от линейна Френелова оптика 1 с дължина 500 mm и ширина 100 mm, изработена от полиметил-метаакрилат (РММА), към която са залепени стените 2, изработени от полиметил-метаакрилат (РММА). Другият край на всяка от стените 2 се захваща в канали на изработения от мед топлообменник тип топлинна тръба 4. В канал от горната страна на топлообменника тип топлинна тръба 4 се монтира алуминиева печатна платка 7 с дължина 480 mm и ширина 21 mm и на която, чрез SMT технология, са запоени 15 броя фотоволтаични елементи 3 с пасивиран емитер и контакти на задната повърхност (PERC), всеки от които има размери 30x20 mm. На всеки от краищата на алуминиевата печатна платка 7 са разположени електрически изводи 10 за извеждане на генерирания ток от фотоволтаичните елементи 3. За защита на фотоволтаичните елементи 3 от вредно външно влияние (влага и механично въздействие) се полага високопрозрачна смола 8 над тях. Двата края на единичния приемник 22 се затварят с долен капак 6а и горен капак 6б, изработени от полиметил-метаакрилат (РММА). Единият от тях затваря долният край на единичния приемник 22 и осигурява връзка с общата носеща рамка 23. На горния капак 6б има монтиран щуцер 27, през който минава електрически кабел 28 за електрическата връзка към електрически изводи 10. Електрически кабел 28 от всеки единичен приемник 22 се свързва към контролер 29 за управление на генерираната електрическа енергия. През горния капак 6б преминава горната част на топлообменника тип топлинна тръба 4 с ампула 12 в края й. Ампулите 12 се монтират в гилзи 13, изработени от мед, които от своя страна са монтирани в проточен топлинен колектор 11, в който за циркулационен флуид се използва пропилен -гликол. Флуидът в топлообменника тип топлинна тръба 4 е амоняк. Външните части на топлообменника тип топлинна тръба 4 се покриват с топлоизолация 20 от стъклена вата, върху която се монтира кожух 21, изработен от полиметил-метаакрилат (РММА), който защитава топлоизолацията от механични въздействия. Предпочетено е на общата носеща рамка 23 да бъдат монтирани 5 броя единични приемници 22. Задвижването на единичните приемници 22 в модула се осъществява чрез лостовата система 25, механично свързваща всички единични приемници 22. Задвижването на лостовата система 25 се осъществява чрез линеен изпълнителен механизъм 26. Чрез това задвижване единичните приемници 22 се насочват към слънцето и следят постоянно неговото движение, чрез едноосната система за следене позицията на слънцето 24. Въртенето на единичните приемници 22 около оста им се извършва във връзките 16.The photovoltaic-thermal system has a concentration degree of 5x and consists of a linear Fresnel optic 1 with a length of 500 mm and a width of 100 mm, made of polymethyl methacrylate (PMMA), to which the walls 2 made of polymethyl methacrylate (PMMA) are glued. The other end of each of the walls 2 is engaged in the channels of the copper heat exchanger type heat pipe 4. In a channel on the upper side of the heat exchanger type heat pipe 4, an aluminum printed circuit board 7 with a length of 480 mm and a width of 21 mm is mounted and on which, using SMT technology, 15 photovoltaic elements 3 with a passivated emitter and contacts on the back surface (PERC) are soldered, each of which has dimensions of 30x20 mm. At each end of the aluminum printed circuit board 7, electrical terminals 10 are located for outputting the generated current from the photovoltaic elements 3. To protect the photovoltaic elements 3 from harmful external influences (moisture and mechanical impact), a highly transparent resin 8 is applied over them. The two ends of the single receiver 22 are closed with a lower cover 6a and an upper cover 6b, made of polymethyl methacrylate (PMMA). One of them closes the lower end of the single receiver 22 and provides a connection to the common supporting frame 23. On the upper cover 6b, a fitting 27 is mounted, through which an electrical cable 28 passes for the electrical connection to the electrical terminals 10. An electrical cable 28 from each single receiver 22 is connected to a controller 29 for controlling the generated electrical energy. The upper part of the heat pipe type heat exchanger 4 with an ampoule 12 at its end passes through the upper cover 6b. The ampoules 12 are mounted in sleeves 13 made of copper, which in turn are mounted in a flow heat collector 11, in which propylene glycol is used as a circulating fluid. The fluid in the heat pipe type heat exchanger 4 is ammonia. The external parts of the heat pipe type heat exchanger 4 are covered with thermal insulation 20 made of glass wool, on which a casing 21 made of polymethyl methacrylate (PMMA) is mounted, which protects the thermal insulation from mechanical impacts. It is preferred to mount 5 single receivers 22 on the common support frame 23. The drive of the single receivers 22 in the module is carried out by the lever system 25, mechanically connecting all the single receivers 22. The drive of the lever system 25 is carried out by a linear actuator 26. By means of this drive, the single receivers 22 are directed towards the sun and constantly monitor its movement, by means of the single-axis system for monitoring the position of the sun 24. The rotation of the single receivers 22 around their axis is carried out in the connections 16.

При така подбраните материали и компоненти фотоволтаичната-термична система е с работоспособност при температура на околната среда в диапазона от -30°С до 110°С.With the materials and components selected in this way, the photovoltaic-thermal system is capable of operating at ambient temperatures ranging from -30°C to 110°C.

Пример 2. Фотоволтаична-термична система с линейна Френелова оптика, със степен на концентрация 10х, с отвеждане на топлинната енергия от топлообменника тип топлинна тръба 4 и флуида в него към проточен топлинен колектор 11.Example 2. Photovoltaic-thermal system with linear Fresnel optics, with a concentration degree of 10x, with the removal of thermal energy from the heat pipe type heat exchanger 4 and the fluid in it to a flow heat collector 11.

Фотоволтаичната-термична система е със степен на концентрация 10х и се състои от линейна Френелова оптика 1 с дължина 1300 mm и ширина 100 mm, изработена от стъкло, към която са залепени стените 2, изработени от алуминий. Другият край на всяка от стените 2 се захваща в канали на изработения от алуминий топлообменник тип топлинна тръба 4. В канал от горната страна на топлообменника тип топлинна тръба 4 се монтира алуминиева печатна платка 7 с дължина 1280 mm и ширина 11 mm и на която, чрез SMT технология, са запоени 25 броя фотоволтаични елементи 3 с пасивиран емитер и контакти на задната повърхност (PERC), всеки от които има размери 50x10 mm. На всеки от краищата на алуминиевата печатна платка 7 са разположени електрически изводи 10 за извеждане на генерирания ток от фотоволтаичните елементи 3. За защита на фотоволтаичните елементи 3 от вредно външно влияние (влага и механично въздействие) се полага високопрозрачна смола 8 над тях. Двата края на единичния приемник 22 се затварят с долен капак 6а и горен капак 6б, изработени от алуминий. Единият от тях затваря долния край на единичния приемник 22 и осигурява връзка с общата носеща рамка 23. На горния капак 6б има монтиран щуцер 27, през който минава електрически кабел 28 за електрическата връзка към електрически изводи 10. Електрическият кабел 28 от всеки единичен приемник 22 се свързва към контролер за управление на генерираната електрическа енергия 29. През горния капак 6б преминава горната част на топлообменника тип топлинна тръба 4 с ампула 12 в края й. Ампулите 12 се монтират в гилзи 13, изработени от алуминий, които от своя страна, са монтирани в проточен топлинен колектор 11, в който за циркулационен флуид се използва пропилен-гликол. Флуидът в топлообменника тип топлинна тръба 4 е етилен-гликол и вода в съотношение 60:40%. Външните части на топлообменника тип топлинна тръба 4 се покриват с топлоизолация 20 от минерална вата, върху която се монтира кожух 21, изработен от алуминий, който защитава топлоизолацията 20 от механични въздействия. Предпочетено е на общата носеща рамка 23 да бъдат монтирани 20 броя единични приемници 22. Задвижването на единичните приемници 22 в модула се осъществява чрез лостовата система 25, механично свързваща всички единични приемници 22. Задвижването на лостовата система 25 се осъществява чрез линеен изпълнителен механизъм 26. Чрез това задвижване, единичните приемници 22 се насочват към слънцето и следят постоянно неговото движение, чрез едноосната система за следене позицията на слънцето 24. Въртенето на единичните приемници 22 около оста им се извършва във връзките 16.The photovoltaic-thermal system has a concentration factor of 10x and consists of a linear Fresnel optic 1 with a length of 1300 mm and a width of 100 mm, made of glass, to which the walls 2 made of aluminum are glued. The other end of each of the walls 2 is engaged in channels of the heat pipe type heat exchanger 4 made of aluminum. In a channel on the upper side of the heat pipe type heat exchanger 4, an aluminum printed circuit board 7 with a length of 1280 mm and a width of 11 mm is mounted and on which, using SMT technology, 25 photovoltaic elements 3 with a passivated emitter and contacts on the back surface (PERC) are soldered, each of which has dimensions of 50x10 mm. At each end of the aluminum printed circuit board 7, electrical terminals 10 are located for outputting the generated current from the photovoltaic elements 3. To protect the photovoltaic elements 3 from harmful external influences (moisture and mechanical impact), a highly transparent resin 8 is applied over them. The two ends of the single receiver 22 are closed with a lower cover 6a and an upper cover 6b, made of aluminum. One of them closes the lower end of the single receiver 22 and provides a connection to the common supporting frame 23. On the upper cover 6b, there is a fitting 27 mounted, through which an electrical cable 28 passes for the electrical connection to the electrical terminals 10. The electrical cable 28 from each single receiver 22 is connected to a controller for controlling the generated electrical energy 29. The upper part of the heat exchanger type heat pipe 4 with an ampoule 12 at its end passes through the upper cover 6b. The ampoules 12 are mounted in sleeves 13 made of aluminum, which in turn are mounted in a flow heat collector 11, in which propylene glycol is used as a circulating fluid. The fluid in the heat pipe type heat exchanger 4 is ethylene glycol and water in a ratio of 60:40%. The external parts of the heat pipe type heat exchanger 4 are covered with thermal insulation 20 made of mineral wool, on which a casing 21 made of aluminum is mounted, which protects the thermal insulation 20 from mechanical influences. It is preferred that 20 single receivers 22 be mounted on the common support frame 23. The drive of the single receivers 22 in the module is carried out by the lever system 25, mechanically connecting all the single receivers 22. The drive of the lever system 25 is carried out by a linear actuator 26. Through this drive, the single receivers 22 are directed towards the sun and constantly monitor its movement, through the single-axis system for monitoring the position of the sun 24. The rotation of the single receivers 22 around their axis is carried out in the connections 16.

При така подбраните материали и компоненти фотоволтаичната -термична система е с работоспособност при температура на околната среда в диапазона от -40°С до 140°С.With the materials and components selected in this way, the photovoltaic-thermal system is capable of operating at ambient temperatures ranging from -40°C to 140°C.

Пример 3. Фотоволтаична-термична система с линейна Френелова оптика, със степен на концентрация 20х, с отвеждане на топлинната енергия от топлообменника тип топлинна тръба 4 и флуида в него към водосъдържател 17.Example 3. Photovoltaic-thermal system with linear Fresnel optics, with a concentration degree of 20x, with the removal of thermal energy from the heat pipe type heat exchanger 4 and the fluid in it to a water tank 17.

Фотоволтаичната-термична система е със степен на концентрация 20х и се състои от линейна Френелова оптика 1 с дължина 3000 mm и ширина 120 mm, изработена от поликарбонат, към която са залепени стените 2, изработени от поликарбонат. Другият край на всяка от стените 2 се захваща в канали на изработения от мед топлообменник тип топлинна тръба 4. В канал от горната страна на топлообменника тип топлинна тръба 4 се монтира алуминиева печатна платка 7 с дължина 2980 mm и ширина 7 mm и на която, чрез SMT технология, са запоени 50 броя фотоволтаични елементи 3 с пасивиран емитер и контакти на задната повърхност (PERC), всеки от които има размери 59x6 mm. На всеки от краищата на алуминиевата печатна платка 7 са разположени електрически изводи 10 за извеждане на генерирания ток от фотоволтаичните елементи 3. Защитата на фотоволтаичните елементи 3 от вредно външно влияние (влага и механично въздействие) се осъществява чрез полагане на високопрозрачна смола 8 над тях. Двата края на единичния приемник 22 се затварят с долен капак 6а и горен капак 6б, изработени от поликарбонат. Единият от тях затваря долният край на единичния приемник 22 и осигурява връзка с общата носеща рамка 23. На горния капак 6б има монтиран щуцер 27, през който минава електрически кабел 28 за електрическата връзка към електрическите изводи 10. Електрическият кабел 28 от всеки единичен приемник 22 се свързва към контролер за управление на генерираната електрическа енергия 29. През горния капак 6б преминава горната част на топлообменника тип топлинна тръба 4 с ампула 12 в края й. Ампулите 12 се монтират в гилзи 13, изработени от неръждаема стомана, които от своя страна са монтирани във водосъдържател 17, в който за циркулационен флуид се използва вода. Флуидът в топлообменника тип топлинна тръба 4 е също вода. Външните части на топлообменника тип топлинна тръба 4 се покриват с топлоизолация 20 от топлоизолационна пяна, върху която се монтира кожух 21, изработен от поликарбонат, който защитава топлоизолацията от механични въздействия. Предпочетено е на общата носеща рамка 23 да бъдат монтирани 10 броя единични приемници 22. Задвижването на единичните приемници 22 в модула се осъществява чрез лостовата система 25, механично свързваща всички единични приемници 22. Задвижването на лостовата система 25 се осъществява чрез линеен изпълнителен механизъм 26. Чрез това задвижване единичните приемници 22 се насочват към слънцето и следят постоянно неговото движение, чрез едноосната система за следене позицията на слънцето 24. Въртенето на единичните приемници 22 около оста им се извършва във връзките 16.The photovoltaic-thermal system has a concentration factor of 20x and consists of a linear Fresnel optic 1 with a length of 3000 mm and a width of 120 mm, made of polycarbonate, to which the walls 2, made of polycarbonate, are glued. The other end of each of the walls 2 is engaged in the channels of the copper heat exchanger type heat pipe 4. In a channel on the upper side of the heat exchanger type heat pipe 4, an aluminum printed circuit board 7 with a length of 2980 mm and a width of 7 mm is mounted and on which, using SMT technology, 50 photovoltaic elements 3 with a passivated emitter and contacts on the back surface (PERC), each of which has dimensions of 59x6 mm, are soldered. At each end of the aluminum printed circuit board 7, electrical terminals 10 are located for outputting the generated current from the photovoltaic elements 3. The protection of the photovoltaic elements 3 from harmful external influences (moisture and mechanical impact) is carried out by applying a highly transparent resin 8 over them. The two ends of the single receiver 22 are closed with a lower cover 6a and an upper cover 6b, made of polycarbonate. One of them closes the lower end of the single receiver 22 and provides a connection to the common supporting frame 23. On the upper cover 6b, there is a fitting 27 mounted, through which an electrical cable 28 passes for the electrical connection to the electrical terminals 10. The electrical cable 28 from each single receiver 22 is connected to a controller for controlling the generated electrical energy 29. The upper part of the heat exchanger type heat pipe 4 with an ampoule 12 at its end passes through the upper cover 6b. The ampoules 12 are mounted in sleeves 13 made of stainless steel, which in turn are mounted in a water container 17, in which water is used as a circulating fluid. The fluid in the heat pipe type heat exchanger 4 is also water. The external parts of the heat pipe type heat exchanger 4 are covered with thermal insulation 20 made of thermal insulation foam, on which a casing 21 made of polycarbonate is mounted, which protects the thermal insulation from mechanical impacts. It is preferred that 10 single receivers 22 be mounted on the common support frame 23. The drive of the single receivers 22 in the module is carried out by the lever system 25, mechanically connecting all the single receivers 22. The drive of the lever system 25 is carried out by a linear actuator 26. By means of this drive, the single receivers 22 are directed towards the sun and constantly monitor its movement, by means of the single-axis system for monitoring the position of the sun 24. The rotation of the single receivers 22 around their axis is carried out in the connections 16.

При така подбраните материали и компоненти фотоволтаичната-термична система е с оптимална работоспособност при температура на околната среда в диапазона от 0°С до 95°С.With the materials and components selected in this way, the photovoltaic-thermal system has optimal performance at ambient temperatures ranging from 0°C to 95°C.

Списък на позициите, показани на фигури от 1 до 7 за фотоволтаичната-термична система за комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия:List of items shown in figures 1 to 7 for the photovoltaic-thermal system for combined production of electricity and heat:

На Фигура 1 са показани следните позиции:Figure 1 shows the following positions:

Позиция 1 - линейна Френелова оптика;Position 1 - linear Fresnel optics;

Позиция 2 - стени;Position 2 - walls;

Позиция 3 - фотоволтаични елементи;Position 3 - photovoltaic elements;

Позиция 4 - топлообменник тип топлинна тръба;Position 4 - heat pipe type heat exchanger;

Позиция 5 - лепило;Position 5 - glue;

Позиция 7 - алуминиева печатна платка;Position 7 - aluminum printed circuit board;

Позиция 8 - високопрозрачна смола;Position 8 - highly transparent resin;

Позиция 20 - топлоизолация;Position 20 - thermal insulation;

Позиция 21 - кожух.Position 21 - casing.

На Фигура 2 са показани следните позиции:Figure 2 shows the following positions:

Позиция 2 - стени;Position 2 - walls;

Позиция 5 - лепилен слой;Position 5 - adhesive layer;

Позиция 9 - електрическа контактна мрежа;Position 9 - electrical contact network;

Позиция 10 - електрически изводи;Position 10 - electrical terminals;

Позиция 20 - топлоизолация.Position 20 - thermal insulation.

На Фигура 3 са показани следните позиции:Figure 3 shows the following positions:

Позиция 12 - ампула;Position 12 - ampoule;

Позиция 16 - връзка, която осигурява въртене и уплътняване на вътрешния обем на топлообменника тип топлинна тръба спрямо околната среда.Position 16 - a connection that provides rotation and sealing of the internal volume of the heat pipe type heat exchanger relative to the environment.

На Фигура 4 са показани следните позиции:Figure 4 shows the following positions:

Позиция 2 - стени;Position 2 - walls;

Позиция 6а - долен капак;Position 6a - bottom cover;

Позиция 6б - горен капак;Position 6b - top cover;

Позиция 12 - ампула;Position 12 - ampoule;

Позиция 27 - щуцер;Position 27 - nipple;

Позиция 28 - електрически кабел.Position 28 - electrical cable.

На Фигура 5 са показани следните позиции:Figure 5 shows the following positions:

Позиция 11 - проточен топлинен колектор;Position 11 - flow heat collector;

Позиция 12 - ампули;Position 12 - ampoules;

Позиция 13 - гилзи;Position 13 - sleeves;

Позиция 14 - вход на проточния топлинен колектор;Position 14 - inlet of the flow heat collector;

Позиция 15 - изход на проточния топлинен колектор;Position 15 - outlet of the flow heat collector;

Позиция 22 - единични приемници на системата;Position 22 - single receivers of the system;

Позиция 23 - обща носеща рамка;Position 23 - common supporting frame;

Позиция 24 - система за следене позицията на слънцето;Position 24 - sun position tracking system;

Позиция 25 - лостова система;Position 25 - lever system;

Позиция 26 - линеен изпълнителен механизъм.Position 26 - linear actuator.

На Фигура 6 са показани следните позиции:Figure 6 shows the following positions:

Позиция 26 - линеен изпълнителен механизъм;Position 26 - linear actuator;

Позиция 28 - електрически кабел;Position 28 - electrical cable;

Позиция 29 - контролер за управление на генерираната електрическа енергия.Position 29 - controller for managing the generated electrical energy.

На Фигура 7 са показани следните позиции:Figure 7 shows the following positions:

Позиция 17 - водосъдържател;Position 17 - water tank;

Позиция 18 - вход на водосъдържателя;Position 18 - water tank inlet;

Позиция 19 - изход на водосъдържателя;Position 19 - water tank outlet;

Позиция 24 - едноосна система за следене позицията на слънцето;Position 24 - single-axis system for tracking the position of the sun;

Claims

Patent claims

1. Photovoltaic-thermal system with linear Fresnel optics and a low degree of concentration for combined production of heat and electricity, containing linear Fresnel optics (1), photovoltaic elements (3), located in the focus of the linear Fresnel optics (1), a heat pipe type heat exchanger (4), characterized in that it has a degree of concentration from 5x to 20x and represents a set of 1 to 20 single receivers (22) with a length of 500 mm to 3000 mm and a width of 100 mm to 120 mm, driven by a lever system (25) and a linear actuator (26), mounted on a common supporting frame (23), equipped with a single-axis system for tracking the position of the sun (24) and a controller for managing the generated electrical energy (29), whereby each single receiver (22) is equipped with Fresnel optics type linear (1), made of polymethyl methacrylate, polycarbonate or glass, reinforced by walls (2), made of aluminum, polymethyl methacrylate or polycarbonate, closed by a lower cover (6a) and an upper cover (6b), made of aluminum, polymethyl methacrylate or polycarbonate, wherein the lower cover (6a) is located on the lower side of each of the single receivers (22), and the upper cover (6b), on which a spigot (27) is mounted, is located on the upper side of each of the single receivers (22), wherein the heat exchanger type heat pipe (4) is made of copper or aluminum, ending with an ampoule (12), made of copper or aluminum, mounted in a sleeve (13), made of copper, aluminum or stainless steel, mounted in a flow heat collector (11) or in a water container (17), moreover on a thermal insulation (20) made of thermal insulation foam, mineral wool or glass wool on a heat pipe type heat exchanger (4) is placed a heat insulating casing (21) made of aluminum polymethyl methacrylate or polycarbonate, and a connection (16) is installed in the heat pipe type heat exchanger (4), and the photovoltaic elements (3), which are from 15 to 50 pieces, are mounted on an aluminum printed circuit board (7) with a length of 480 mm to 2980 mm and a width of 7 mm to 21 mm, in which case the aluminum printed circuit board (7) is located on the heat pipe type heat exchanger (4), and a highly transparent resin (8) is placed over the photovoltaic elements (3), and the electrical contacts of the photovoltaic elements (3), located on their rear surface, are connected by soldering to electrical contacts on the surface of the aluminum printed circuit board (7), forming an electrical contact network (9), and electrical terminals (10) are located on each of the ends of the aluminum printed circuit board (7), in which case each of the single receivers (22) is equipped with an electric cable (28), which is connected through the connector (27) to a controller for managing the generated electrical energy (29).

2. Photovoltaic-thermal system according to claim 1, characterized in that the aluminum printed circuit board (7) has a length of 1280 mm and a width of 11 mm.