ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H01L31/48 

Изобретение относится к прямому преобразованию излучения Солнца в электрическую энергию и может быть использовано в фотоэлектрических модулях, эксплуатируемых в наземных условиях.

Известен фотоэлектрический модуль, в котором фотоэлементы установлены в углублениях одной из двух стеклянных плат, из которых образуется корпус. Между собой они герметично соединены концентричными боковыми стенками, а электрические выводы осуществлены через нижнюю плату [1] .

Известна солнечная батарея, содержащая сплошную синтетическую оболочку, охватывающую солнечные элементы, соединенные между собой, причем оболочка состоит из двух слоев, один из которых размещен на лицевой стороне, а другой выполнен в виде литьевой матрицы, расположенной на тыльной стороне батареи с углублениями для солнечных элементов [2] .

Недостатком указанных фотоэлектрических модулей является низкая эксплуатационная надежность, поскольку расположение солнечных элементов в углублениях платы в отвержденной смоле делает невозможным осуществление демонтажа в случае выхода из строя какого-то элемента, так как конструкция выполнена неразъемной. Снижение эксплуатационной надежности обусловлено также и недостаточно высокой герметичностью корпуса, в котором размещены фотопреобразователи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому фотоэлектрическому модулю является фотоэлектрический модуль, содержащий фотопреобразователи, соединенные коммутационными шинами, размещенные в герметизированном корпусе с прозрачным лицевым стеклом [3] . В известном модуле край лицевого стекла покрыт фторопластом и соединен с корпусом.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является низкая эксплуатационная надежность, что обусловлено трудностью и ненадежностью соединения фторопласта с любым другим материалом, поскольку известно, что подобное соединение осуществляется только методом теркомпрессии, причем такой шов теряет свою первоначальную прочность вследствие деградации материала после примерно 1000 ч эксплуатации, особенно в условиях термоциклирования, что особенно часто имеет место на практике, а это приводит к разгерметизации модуля.

Целью изобретения является повышение надежности фотоэлектрического модуля.

Для достижения цели в фотоэлектрической модуль, содержащий фотопреобразователи, соединенные коммутационными шинами, размещенные в герметизированном корпусе с прозрачным лицевым стеклом и рамкой, герметизирующей корпус по периметру стекла и боковым стенкам, в него дополнительно введены два слоя пленки и два слоя герметика, один из которых прозрачный, развязывающие диоды и рамка, имеет в поперечном сечении форму уголка и присоединена по периметру корпуса непрозрачным герметиком к лицевому стеклу и боковым стенкам, при этом фотопреобразователи и коммутационные шины размещены в слое герметизирующего лака, лицевые поверхности фотопреобразователей присоединены через герметизирующий лак к лицевому стеклу, а тыльные поверхности преобразователей через герметизирующий лак и чередующиеся слои указанных герметика и пленки присоединены к корпусу, причем коммутационные шины выполнены в виде плоских полос, на тыльных поверхностях которых размещены развязывающие диоды; при этом предпочтительно, чтобы отношение толщины лицевого стекла к высоте фотопреобразователя составляло 5: 1-10: 1, каждый развязывающий диод был выполнен в виде пластины, высоту которой выбирают равной высоте фотопреобразователя.

Указанный в цели положительный эффект достигается за счет того, что введение двух слоев пленки и двух слоев герметика обеспечивает существенное повышение надежности защиты фотопреобразователей - ФЭП и как защиту торцевых поверхностей ФЭП, так и защиту их по периметру. Выполнение рамки в виде уголка при присоединении по периметру корпуса герметиком к лицевому стеклу и боковым стенкам обеспечивает дополнительную герметизацию торцовых поверхностей ФЭП и их защиту от механических повреждений. Выполнение рамки в виде уголка существенно повышает герметичность корпуса модуля, поскольку при этом образуется лабиринтное уплотнение. Для дополнительного повышения надежности ФЭП покрыты слоем прозрачного герметика, которым они присоединены к лицевому стеклу, что также способствует повышению герметичности. Тем же герметиком покрываются и коммутационные шины. Введение развязывающих диодов позволило обеспечить стабилизацию выходных параметров модуля при изменении облученности активной поверхности модуля, связанной, например, с изменением атмосферных условий. Выполнение коммутационных шин в виде плоских полос, которые используются для размещения на их поверхностях развязывающих диодов, способствует повышению надежности, так как они служат опорными элементами и улучшают теплоотвод. Толщина лицевого стекла превышает толщину ФЭП в 5-10 раз, при уменьшении этого отношения (как правило, толщина ФЭП составляет 0,3-0,4 мм) лицевое стекло не будет обладать достаточной механической прочностью, а при толщинах стекла, превышающих толщину ФЭП более, чем в 10 раз, может происходить растрескивание стекла, поскольку при термических нагрузках при таких толщинах резко возрастает вероятность образования трещины, так как модуль прочности стекла обратно пропорционален квадрату его толщины. Толщина развязывающего диода равна высоте ФЭП, так как в этом случае развязывающий диод вместе с ним надежно фиксируется между лицевым стеклом и корпусом и, кроме того, воспринимает на себя часть внешних механических нагрузок, дополнительно разгружая ФЭП.

На фиг. 1 показан фотоэлектрический модуль, общий вид; на фиг. 2 - поперечное сечение модуля; на фиг. 3 - фотопреобразователи с системой развязывающих диодов; на фиг. 4 - развязывающий диод.

Фотоэлектрический модуль содержит корпус 1, рамку 2 в виде уголка, лицевое стекло 3, фотопреобразователи 4, слои 5 прозрачного герметика, параллельные слои 6 изолирующей пленки, слой 7 непрозрачного герметика, развязывающие диоды 8, 9, накладные шины 10, коммутационные шины 11, слои 12 припоя, развязывающий диод 13.

Корпус 1 выполняется из тонкого (толщиной 0,8-1 мм) металлического листа (например, из алюминиевого сплава АМГ-6 или из никеля) и выполняется в форме чаши (см. фиг. 2), при этом отбортовка располагается перпендикулярно дну чаши. Рамка 2 выполняется из того же материала, что и корпус 1, и имеет в поперечном сечении форму уголка (см. фиг. 2), причем одна его поверхность параллельна лицевому стеклу 3, а другая - параллельна отбортовке корпуса 1, при этом пространство между боковыми поверхностями слоя прозрачного герметика и рамки 2, а также между лицевым стеклом 3 и рамкой 2 заполнено непрозрачным герметиком. Лицевое стекло 3 выполняется из стекла типа зиротнянного (например, стекло ТУ21-РСФСР-24.403-88) толщиной 2,5-3 мм. Фотопреобразователи 4 выполнены на основе монокристаллического кремния (например, марки КСД5-10 по ТУ 48-4-258-80) с размерами элементов в плане от 10 до 55 мм. Герметик 5 выполняется из вещества, обладающего максимальным коэффициентом пропускания. Изолирующая пленка 6 выполняется из материала, обладающего высокими электроизоляционными свойствами, например, из полиэтилентодефтолата. Герметик 7 выполняется из лака, например, марки 139-240. Развязывающие диоды 8, 9, 13 изготовлены в виде выпрямляющей диодной структуры типа НД2В. Накладная шина 10 выполняется из меди и покрыта гальванически слоем серебра толщиной несколько микрон. Коммутационная шина 11 также выполнена из меди с покрытием из серебра и присоединяется к выпрямляющим диодам 13 через припой, например через ПОС-61. Фотопреобразователи 4 и коммутационная шина 11 покрыты герметиком 5, причем лицевые поверхности ФЭП-4 присоединены к лицевому стеклу 5, а их тыловые поверхности через чередующиеся слои изолирующей пленки 6 и герметика 7 присоединены к корпусу 1. Коммутационные шины 11 выполнены в виде плоских полос, и развязывающие диоды 8, 9, 13 расположены на тыльных поверхностях этих полос.

Фотоэлектрический модуль работает следующим образом. Поверхность лицевого стекла 3 ориентируют перпендикулярно направлению прямого солнечного излучения, и падающие солнечные лучи проходят через слои лицевого стекла 3 и герметика 5 и поступают на фотоэлектрические преобразователи 4, где происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. С электрических выводов крайних фотопреобразователей 4 (см. фиг. 1 и 2) вырабатываемая электрическая энергия поступает к потребителю. Наличие рамки в виде уголка 2 и дублирующих слоев 6, 7 электроизоляции и герметика на ФЭП-4 и коммутационных шинах 11 обеспечивает надежную герметизацию ФЭП даже при эксплуатации в различных условиях окружающей среды.

Испытания опытных образцов заданного фотоэлектрического модуля показали, что в сравнении с базовым объектом (см. фотоэлектрический модуль, выпускаемый НПО "Квант" по ЖЦИШ 564113.009 ТУ) эксплуатационная надежность фотоэлектрического модуля существенно повысилась: так, если ресурс базового объекта составляет не более 2-х лет, то гарантированный срок службы заявленного фотоэлектрического модуля - не менее 20 лет. (56) 1. Патент Великобритании N 1554507, кл. Н 01 L 31/02, 1979.

2. Патент ФРГ N 2757765, кл. H 01 L 31/34, 1979.

3. Патент США N 4578526, кл. Н 01 L 27/14, 1986.

Применение: изобретение относится к прямому преобразованию солнечной энергии в электрическую, а именно к фотоэлектрическим модулям, применяемым для энергопитания бытовой радиоаппаратуры. Фотоэлектрический модуль содержит корпус, в котором расположены фотопреобразователи, покрытые слоем прозрачного герметика лака и присоединенные к лицевому стеклу. Герметизирующая рамка в поперечном сечении, имеющая в поперечном сечении Г-образную форму, присоединена к корпусу и лицевому стеклу непрозрачным герметиком. В результате создается герметизация лабиринтного типа, обладающая повышенной надежностью. Два слоя изолирующей пленки, чередующиеся со слоями непрозрачного герметика, присоединяют тыльные поверхности фотопреобразователей к корпусу. Развязывающие диоды, размещенные на тыльных поверхностях коммутационных шин , выполненных в виде полос, обеспечивают сглаживание влияния характеристик фотоэлектрического модуля от условий окружающей среды. Толщина подложек диодов равна толщине подложек фотопреобразователей, а толщина стекла превышает толщину подложек фотопреобразователей в 5 - 10 раз. 4 ил.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ, содержащий фотопреобразователи, соединенные коммутационными шинами и размещенные в корпусе с прозрачным лицевом стеклом, и снабженный герметизирующей рамкой по периметру стекла и боковым стенкам, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него дополнительно введены два слоя герметика, один из которых прозрачный, изолирующая пленка в виде двух параллельных слоев, один из которых расположен на поверхности, а второй в объеме слоя непрозрачного герметика на дне корпуса, и диоды, выполненные в виде пластин, размещенных на коммутационных шинах в виде плоских полос, фотопреобразователи и коммутационные шины помещены в слое прозрачного герметика между стеклом и слоем изолирующей пленки на поверхности непрозрачного герметика, заполняющего промежутки между боковыми стенками корпуса и внешней поверхностью рамки, выполненной в виде уголка, и внутренними поверхностями рамки и стеклом с примыкающим слоем прозрачного герметика, причем толщина пластины диодов равна толщине фотопреобразователей, а толщина стекла превышает толщину фотопреобразователей в 5 - 10 раз.