PL B1. BIELSKI JANUSZ, Ełk, PL BUP 09/15. JANUSZ BIELSKI, Ełk, PL WUP 06/16. rzecz. pat.

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F24J 2/00 ( ) F24F 7/10 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Elektrownia hybrydowa (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 09/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/16 (73) Uprawniony z patentu: BIELSKI JANUSZ, Ełk, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JANUSZ BIELSKI, Ełk, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Henryk Kukliński

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest elektrownia hybrydowa przeznaczona do pozyskiwania prądu elektrycznego z odnawialnej energii słonecznej i ciepła odpadowego z urządzeń grzewczych, znajdująca zastosowanie zwłaszcza w niewielkich, niezależnych od ogólnej sieci energetycznej, instalacjach zasilania elektrycznego domów mieszkalnych i obiektów gospodarczych. Ogólnie znane są elektrownie słoneczne oparte najczęściej na bateriach fotowoltaicznych, przeznaczonych do bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego w prąd elektryczny dzięki wykorzystaniu efektu fotowoltaicznego. Baterie fotowoltaiczne są zbudowane z półprzewodnikowych złącz typu p-n zwanych fotoogniwami, w których pod wpływem fotonów o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodników, elektrony przemieszczają się do obszarów n, a dziury będące nośnikami ładunków do obszarów p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Znanych jest wiele materiałów umożliwiających uzyskanie efektu fotowoltaicznego. Najczęściej wykorzystywane są fotoogniwa zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego ale znane są też ogniwa oparte na krzemie polikrystalicznym, krzemie amorficznym, polimerach, tellurku kadmu. Jednym z najnowszych materiałów stosowanych do budowy fotoogniw w znanych bateriach fotowoltaicznych jest grafen, który jest przezroczysty, wyróżnia się bardzo dobrą przewodnością cieplną i elektryczną. Baterie fotowoltaiczne na bazie grafenu przy porównywanym naświetleniu słonecznym odznaczają się wielokrotnie wyższą wydajnością od baterii na bazie pozostałych znanych materiałów. Z polskiego opisu patentowego PL znana jest elektrownia, w której do konwersji ciepła promieniowania słonecznego w prąd elektryczny wykorzystano baterię termowoltaiczną, złożoną z połączonych szeregowo termoogniw. Każde termoogniwo składa się z dwóch elektrod, wykonanych z różnych metali, włączonych szeregowo w obwód termoelektryczny. Elektrody są między sobą odizolowane cieplnie. Gdy jedna z elektrod, zwana ciepłą zostanie podgrzana, a druga zimna elektroda zachowa temperaturę niższą lub zostanie dodatkowo ochłodzona, w obwodzie popłynie prąd elektryczny, którego siła termoelektryczna jest proporcjonalna do różnicy temperatur między elektrodami. Każda ze znanych elektrowni oddzielnie charakteryzuje się niekwestionowanymi zaletami, płynącymi z możliwości uzyskiwania energii elektrycznej z odnawialnej energii słonecznej, jednak ich wadą są przestoje spowodowane brakiem zasilania słonecznego, zarówno w cyklu dobowym, jak też związanym z porami roku. Celem wynalazku jest elektrownia hybrydowa, w znacznym stopniu odporna na wahania intensywności zasilającego ją promieniowa słonecznego, w której do wytworzenia prądu elektrycznego będzie wykorzystana energia promieniowania słonecznego jednocześnie albo naprzemiennie z energią cieplną, wydalaną jako ciepło odpadowe z pieca instalacji grzewczej. Elektrownia według wynalazku zawiera blok prądotwórczy, złożony z osadzonych we wspólnej obudowie baterii fotowoltaicznej na bazie grafenu oraz baterii termowoltaicznej, między którymi znajduje się przelotowa komora ogrzanego powietrza, która jest połączona izolowanym cieplnie rurowym przewodem z wymiennikiem ciepła, obudowanym na obwodzie komina odprowadzającego spaliny z pieca instalacji grzewczej, przy czym bateria fotowoltaiczna w postaci perforowanej, przezroczystej płyty, korzystnie ze szkła solarnego powleczonego warstwą grafenu, jest oddzielona od komory szczeliną wentylacyjną i przezroczystą przegrodą, korzystnie ze szkła solarnego, natomiast bateria termowoltaiczna, w postaci płyty z usztywnionej warstwy izolacji termicznej, przylega do komory stroną ciepłych elektrod znajdujących się na powierzchni izolacji termicznej z drugą stroną zimnych elektrod otwartą do otoczenia. Blok prądotwórczy ponadto jest zaopatrzony w zamykaną odchylnie pokrywę, w której zagłębieniu na warstwie izolacji termicznej i zachowanej szczelinie wentylacyjnej, jest osadzona dodatkowa bateria fotowoltaiczna. Korzystnym skutkiem wynalazku jest zdywersyfikowanie źródeł zasilania elektrowni energią odnawialną, którą zależnie od warunków pogodowych, może być tylko energia słoneczna albo tylko energia z odzyskanego ciepła odpadowego albo energia z obu tych źródeł równocześnie. Rozwiązanie według wynalazku przyczynia się do zwiększenia sprawności i wydajności elektrowni. Przedmiot wynalazku jest dokładniej uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia poglądowo elektrownię w widoku z boku, fig. 2 przedstawia przekrój A-A

3 PL B1 3 z fig. 1, fig. 3 przedstawia przekrój B-B z fig. 2, fig. 4 przedstawia komin z wymiennikiem ciepła w półwidoku półprzekroju, a fig. 5 przedstawia przekrój C-C z fig. 4. Elektrownia składa się z bloku prądotwórczego 1, zainstalowanego na dachu budynku 2 ukośnie pod nastawnym kątem α optymalnego nachylenia do kąta padania promieni słonecznych. Blok prądotwórczy 1 zawiera wewnątrz przelotową komorę 1.5, do której jest doprowadzony izolowany cieplnie rurowy przewód 3 od wymiennika ciepła 4. Wymiennik ciepła 4 jest obudowany na obwodzie komina 5, połączonego kanałem 6 z piecem 7 instalacji grzewczej budynku 2. Blok prądotwórczy 1 składa się z ułożonych warstwami, we wspólnej obudowie 1.1 wierzchniej płyty baterii fotowoltaicznej 1.2 oraz spodniej warstwy płyty baterii termowoltaicznej 1.6, między którymi znajduje się komora 1.5. Bateria fotowoltaiczna 1.2 jest wykonana z przepuszczającego promieniowanie słoneczne, perforowanego arkusza szkła solarnego, powleczonego cienką warstwą grafenu. Komorę 1.5 od baterii fotowoltaicznej 1.2 oddziela przezroczysta przegroda 1.4 ze szkła solarnego, przy czym między przegrodą 1.4, a baterią fotowoltaiczną 1.2 jest zachowana szczelina wentylacyjna 1.3. Bateria termowoltaiczna 1.6 ma postać płyty uformowanej ze sztywnej warstwy izolacji termicznej 1.63, która ogranicza przestrzeń komory 1.5 po stronie przeciwległej do przegrody 1.4. Na powierzchni warstwy izolacji termicznej 1.63 w obrębie komory 1.5 są osadzone ciepłe elektrody 1.61 baterii termowoltaicznej 1.6, które są szeregowo połączone z zimnymi elektrodami 1.62 osadzonymi na powierzchni drugiej, spodniej strony izolacji termicznej 1.63 otwartej do otoczenia. Blok prądotwórczy 1 jest na wierzchu zaopatrzony w zamykaną odchylnie pokrywę 1.7. Wewnętrzna powierzchnia zagłębienia pokrywy 1.7 jest pokryta warstwą izolacji termicznej 1.71, na której za pośrednictwem szczeliny wentylacyjnej 1.72 jest osadzona perforowana płyta dodatkowej baterii fotowoltaicznej Baterie fotowoltaiczne 1.2, 1.73 i bateria termowoltaiczna 1.6 mają końcówki wyprowadzonych przewodów elektrycznych 1.8 do połączenia z elektrycznym obwodem odbiorczym energii elektrycznej. Wymiennik ciepła 4 składa się z podwójnego płaszcza 4.1 między ścianami, którego znajduje się warstwa otuliny termoizolacyjnej 4.2. Wzdłuż wymiennika ciepła 4, w jego przestrzeni między ścianami komina 5, a wewnętrzną ścianą płaszcza 4.1, są zainstalowane absorbery ciepła 4.3 wykonane z blachy falistej, rozłożone między sobą w regularnych odstępach, zbieżnie w kierunku do góry. W dolnej strefie wymiennika ciepła 4 w płaszczu 4.1 są wykonanie przelotowe otwory 4.1 wlotu powietrza z otoczenia, natomiast w jego wierzchołkowej części jest zainstalowany króciec wylotowy 45, mocowania rurowego przewodu 3 łączącego z komorą 1.5. Komin 5 ma ściany 5.1 wykonane z blachy przewodzącej ciepło. Wewnątrz komina 5, nad kanałem 6 odprowadzenia spalin z pieca 7, są zainstalowane akumulatory ciepła 5.2, wykonane z blachy falistej, rozłożone między sobą w regularnych odstępach, zbieżnie w kierunku do góry. W warunkach dobrego nasłonecznienia w ciągu dnia, przy otwartej pokrywie 1.7 bloku prądotwórczego 1, jest generowany prąd elektryczny przez baterie fotowoltaiczne 1.2, 1.73, dokonujące konwersji promieniowania słonecznego w prąd elektryczny. Dodatkowo ciepło promieniowania słonecznego przenika przez otwory perforowanej, przezroczystej płyty baterii fotowoltaicznej 1.2 i przez przegrodę 1.4 do komory 1.5. Ciepło skumulowane w komorze 1.5 ogrzewa ciepłe elektrody 1.61 baterii termowoltaicznej 1.6, która dodatkowo dokonuje konwersji tego ciepła w prąd elektryczny. W warunkach braku nasłonecznienia, podczas dni pochmurnych, deszczowych oraz w nocy, po osłonięciu baterii fotowoltaicznych 1.2, 1.73 poprzez zamknięcie bloku prądotwórczego 1 pokrywą 1.7, elektrownia jest zasilana ciepłem odpadowym. Ciepło to jest w znacznym stopniu odzyskiwane w wymienniku ciepła 4 z gorących spalin wydalanych z pieca 7 instalacji grzewczej centralnego ogrzewania lub służącej do podgrzewania wody w budynku 2. Gorące spaliny wydalane do atmosfery przez kanał 6 i komin 5 oddają swoje ciepło ścianom 5.1 komina 5 i akumulatorom ciepła 5.2. Zbieżne w kierunku wylotu komina 5 ułożenie pofalowanych blach akumulatorów ciepła 5.2 spowalnia prędkość spalin i zwiększa sprawność odbierania z nich ciepła. Nagrzane ściany 5.1 komina 5, oddają ciepło do przestrzeni wymiennika ciepła 4, zawartej między ścianami 5.1 komina 5, a wewnętrzną ścianą płaszcza 4.1. Znajdujące się w wymienniku ciepła 4 absorbery ciepła 4.3 zwiększają skuteczność kumulowania ciepła. Przez wymiennik ciepła 4 przepływa czyste powietrze zasysane wskutek różnicy ciśnień z otoczenia przez przelotowe otwory 4.4 w płaszczu 4.1 i jest podgrzewane ciepłem ścian 5.1 komina 5 i absorberów ciepła 4.3. Strumień ogrzanego powietrza, wskutek podgrzania unosi się do góry i przepływa rurowym przewodem 3 do komory 1.5 w bloku prądotwórczym 1. Przepływające przez komorę 1.5 powietrze ogrzewa ciepłe elektrody 1.61 baterii termowoltaicznej 1.6. Wskutek powstałej różnicy temperatur między ogrzanymi ciepłymi elektrodami 1.61

4 4 PL B1 i zimnymi elektrodami 1.62 pozostającymi w temperaturze otoczenia, powstaje różnica potencjałów, czyli przepływa prąd elektryczny. Zastrzeżenia patentowe 1. Elektrownia hybrydowa, składająca się baterii fotowoltaicznej i baterii termowoltaicznej, znamienna tym, że bateria fotowoltaiczna (1.2) i bateria termowoltaiczna (1.6) są zestawione w blok prądotwórczy (1) we wspólnej obudowie (1.1) po obu stronach przelotowej komory (1.5) która jest połączona izolowanym cieplnie rurowym przewodem (3) z wymiennikiem ciepła (4), obudowanym na obwodzie komina (5) odprowadzającego spaliny z pieca (7) instalacji grzewczej, przy czym bateria fotowoltaiczna (1.2) ma postać perforowanej, przezroczystej płyty, korzystnie ze szkła solarnego powleczonego warstwą grafenu oraz jest oddzielona od komory (1.5) szczeliną wentylacyjną (1.3) i przezroczystą przegrodą (1.4) korzystnie ze szkła solarnego, natomiast bateria termowoltaiczna (1.6) w postaci płyty z usztywnionej warstwy izolacji termicznej (1.63) przylega do komory (1.5) stroną ciepłych elektrod (1.61) znajdujących się na powierzchni warstwy izolacji termicznej (1.63) z drugą stroną zimnych elektrod (1.62) otwartą do otoczenia. 2. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że jej blok prądotwórczy (1) jest zaopatrzony w zamykaną odchylnie pokrywę (1.7), w której zagłębieniu na warstwie izolacji termicznej (1.71) i zachowanej szczelinie wentylacyjnej (1.72) jest osadzona dodatkowa bateria fotowoltaiczna (1.73). 3. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że wymiennik ciepła (4) składa się z podwójnego płaszcza (4.1) między którego ścianami znajduje się warstwa otuliny termoizolacyjnej (4.2) przy czym w jego przestrzeni między ścianami (5.1) komina (5), a wewnętrzną ścianą płaszcza (4.1) są zainstalowane absorbery ciepła (4.3) korzystnie wykonane z blachy falistej, rozłożone między sobą w regularnych odstępach, zbieżnie w kierunku do góry, natomiast w płaszczu (4.1) dolnej strefy wymiennika ciepła (4) są wykonanie przelotowe otwory (4.4) wlotu powietrza z otoczenia, a w jego wierzchołkowej części jest zainstalowany króciec wylotowy (4.5) ogrzanego powietrza do komory (1.5) rurowym przewodem (3). 4. Elektrownia według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że komin (5) ma ściany (5.1) wykonane z dobrego przewodnika ciepła, natomiast wewnątrz posiada zainstalowane akumulatory ciepła (5.2) korzystnie wykonane z blachy falistej, rozłożone między sobą w regularnych odstępach, zbieżnie w kierunku do góry.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1

9 PL B1 9

10 10 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)