ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H01L31/02 H01L31/236 F24J2/10 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности, к фотоэлектрическим модулям с солнечными элементами для солнечных электростанций.

Известен фотоэлектрический модуль, состоящий из прозрачной плоскопараллельной пластины, с тыльной стороны которой через клеевой слой укреплен солнечный элемент по размеру меньший размера пластины, и остальная поверхность пластины имеет конические отражающие поверхности [1]
Недостатком известного устройства является низкое значение использования поверхности пластины для собирания излучения на солнечном элементе. Это объясняется тем, что лучи, отраженные от конических поверхностей, взаимно затеняются коническими поверхностями, расположенными в одной плоскости на тыльной поверхности прозрачной пластины, поэтому такое устройство создает малую концентрацию излучения на солнечном элементе.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из концентратора, выполненного из оптически прозрачного материала в виде усеченного конуса, большее основание которого является поверхностью входа излучателя, солнечный элемент установлен на меньшем основании, и базовая коническая отражающая поверхность имеет угол при вершине, образованный конической поверхностью и поверхностью параллельной поверхности входа излучения Жуков К. В. Невежин О.А. Рябиков С.В. Стребков Д.С. Тверьянович Э.В. Ростокинский В. В. "Фотоэлектрический модуль", а. с. N 1048260, F 24 J 3/02, бюл. N 38 1983.

Недостатком известного решения является низкая концентрация излучения на солнечном элементе, малая мощность модуля. Это объясняется характером хода лучей в концентраторе: лучи проходят воспринимающую поверхность, отражаются от боковой конической поверхности с углом при вершине и возвращающихся на воспринимающую поверхность под углом равным или большим угла полного внутреннего отражения, после чего они отражаются на солнечный элемент.

Можно показать, что для существующих оптических материалов с коэффициентами преломления n=1,4-1,8 концентрация излучения для известного варианта составит от 6 до 8.

Предложенное изобретение решает следующие технические задачи: увеличивает концентрацию излучения на солнечном элементе, уменьшает габариты модуля и обеспечивает надежное охлаждение солнечного элемента.

Для достижения этого результата в фотоэлектрическом модуле базовая коническая поверхность состоит из набора конических отражающих поверхностей с разными углами при вершинах, расположенных на базовой конической поверхности, поверхность входа излучения выполнена из стекла с герметической прокладкой по периметру, и пространство между отражающей поверхностью и стеклом заполнено оптически прозрачной жидкостью. Набор конических отражающих поверхностей может быть выполнен из металла с внутренним отражающим слоем, и на периферии концентратора диаметрально расположены два штуцера, соединенных между собой трубкой.

Признаки, отличающие предложенное техническое решение от наиболее близкого известного решения по а.с. N 1048260, заключаются в следующем:
Базовая коническая отражающая поверхность состоит из набора конических отражающих поверхностей с разными углами при вершинах, причем сами вершины расположены также на базовой конической поверхности, что позволяет использовать помимо базовой поверхности дополнительные конические поверхности, с диаметрами большими чем диаметр базовой конической поверхности, для собирания солнечного излучения, увеличить концентрацию излучения на солнечном элементе, уменьшить величину углов при вершинах, уменьшить глубину модуля (расстояние от поверхности входа до задней стороны концентратора), уменьшить габариты и вес модуля.

Поверхность входа излучения может быть выполнена из стекла с герметичной прокладкой по периметру, и пространство между отражающей поверхностью и стеклом заполнено оптически прозрачной жидкостью, что обеспечивает возможность работы концентратора с использованием механизма полного внутреннего отражения, когда солнечные лучи от отражающей поверхностью попадают сначала на стеклянную поверхность, отражаются от нее и затем попадают на солнечный элемент. Такой ход лучей также позволяет уменьшить глубину модуля (почти в два раза), уменьшить габариты и вес модуля. Кроме того при таком ходе лучей солнечный элемент расположен лицевой (рабочей стороной) к солнечному излучению, что улучшает коэффициент использования поверхности концентратора, позволяет расположить солнечный элемент внутри модуля вблизи отражающей поверхности концентратора. При этом солнечной элемент расположен в жидкости, которая его охлаждает. Охлаждение происходит следующим образом: тепло, возникающее под действием концентрированного солнечного излучения, нагревает солнечный элемент и окружающую его жидкость. Тепло с помощью естественной конвекции перемешивает жидкость, при этом нагретая жидкость поднимается вверх, отводя тепло от солнечного элемента, жидкость на стенках концентратора охлаждается, передавая тепло через стенки окружающей среде, охлажденная жидкость спускается в низ модуля. Таким образом обеспечивается гарантированное охлаждение солнечного элемента без применения принудительной циркуляции жидкости, что способствует сохранению его КПД.

Набор конических поверхностей может быть выполнен из металла с внутренним отражающим слоем, и на периферии концентратора диаметрально расположены штуцера, соединенные между собой трубкой. Таким образом обеспечивается надежное охлаждение солнечного элемента, при этом нагретая жидкость из верхней части концентратора по трубке перекачивается в нижнюю часть с остуженной жидкостью, что обеспечивает надежное перемешивание жидкости. При этом концентратор выполняет функции собирания света на солнечном элементе и радиатора охлаждения, не требующего принудительного перемешивания охлаждающей жидкости. Практика показывает, что в системе нагреваемой солнечным излучением, для которой поверхность входа излучения равна нагреваемой поверхностью, устанавливается равновесная температура (при температуре окружающей среды 40^oC) не выше 60-65^oC, что обеспечивает нормальную работу солнечного элемента.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение фотоэлектрического модуля в рабочем положении и схема прохождения солнечных лучей.

Фотоэлектрический модуль, состоящий из концентратора, выполненного из оптически прозрачного материала 1 в виде усеченного конуса, большее основание 2 которого является поверхностью входа солнечного излучения, солнечный элемент 3 установлен на меньшем основании 4, и базовая отражающая поверхность 5 имеет угол α₁ при вершине 6 образованной конической поверхностью 5 и поверхностью 7, параллельной поверхности входа излучения 2. Модуль дополнительно имеет набор конических отражающих поверхностей 8 и 9, имеющих разные углы α₂ и α₃ при вершинах 10 и 11, расположенных на базовой конической поверхности 5. Набор конических поверхностей 5, 8, 9 может быть выполнен из металла внутренним отражающим слоем 12, поверхность 2 входа излучения может быть выполнена из стекла с герметичной прокладкой 13 по периметру, и пространство 1 между ними может быть заполнено жидкостью. На периферии концентратора могут быть диаметрально расположены два штуцера 14 и 15, соединенные между собой трубкой 16.

Кроме того на фиг. 1 изображена схема прохождения солнечных лучей в концентраторе: солнечные лучи Л₁ и расположенные на радиусах Rнач1

и Rкон1 определяющие положение конической поверхности 5, лучи Л₂ и определяющие положение конической поверхности 8 с радиусами Rнач2, Rкон2 и лучи Л₃ и определяющие положение конической поверхности 9 с радиусами Rнач3, Rкон3 углы полного внутреннего отражения ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ контакты 17 и 18 электрически соединенные с солнечными элементами 3.

Работает модуль следующим образом: солнечное излучение на примере луча Л₁ происходит на поверхность входа 2, проходит оптически прозрачную жидкость 1 и отражается от отражающего слоя 12 конической поверхности 5. Затем отраженный луч снова приходят на поверхность 2 со стороны жидкости 1 под углом полного внутреннего отражателя ϕ₁ вследствие чего он отражается от поверхности 2 и попадает на солнечный элемент 3. Для того, чтобы луч Л₁ пришел на поверхность 2 под углом полного внутреннего отражения ϕ₁ угол α₁ при вершине 6 должен быть определен из уровня:

где n коэффициент преломления материала стекла 2.

То же самое происходит с лучами Л₂, Л₂ и Л₃, Л₃, только при этом необходимо выдерживать условие α₃> α₂> α₁ Это условие автоматически обеспечит сохранение углов полного внутреннего отражения ϕ₃> ϕ₂> ϕ₁
Солнечное излучение в солнечном элементе 3 путем прямого преобразования энергии вызывает электрический ток, который отводится с помощью контактов 17 и 18. Поскольку преобразование излучения в электрический ток осуществляется с КПД 15-20% то остальные 80-85% энергии превращается в тепло, которое нагревает солнечный элемент 3. Современные солнечные элементы с нагреванием теряют свой КПД и требуют охлаждения температуры не выше 60-70^oC. В предлагаемом техническом решении функции системы охлаждения заключена в самом концентраторе: солнечный элемент 3 отдает тепло жидкости 1, которая нагреваясь под действием сил возникающих благодаря процессу естественной конвекции, начинает перемещаться вверх против силы тяжести, выталкивая жидкость 1 через штуцер 14 в трубку 16 в верхней части концентратора, горячая жидкость поступает через штуцер 15 в нижнюю часть концентратора с холодной жидкостью 1, осуществляя ее перемешивание. Жидкость 1 через процесс теплопроводности отдает тепло металлическим стенкам концентратора и срабатывается в окружающую среду. При этом, тепло за счет перемешивания жидкости распространяется на всю поверхность концентратора, то температура, которая установится в системе, не будет превышать 60-79^oC, поскольку солнечное излучение нагревает на такую температуру плоские пластины без концентрирования излучения. Наличие стекла на поверхности входа 2 с герметичной прокладкой 13 по периметру обеспечивает надежную герметизацию внутренней полости концентратора с жидкостью и надежную защиту всего устройства от атмосферных воздействий, особенно, пыли.

Диаметр поверхности входа излучения 2 составляет 172 мм, базовая коническая поверхность 5 имеет угол при вершине 21^o, начальный радиус Rнач1

25 мм, конечный радиус Rкон1 61 мм, солнечный элемент 3, установленный на меньшем основании конуса 4, имеет диаметр 50 мм. Угол α₁ при вершине базовой конической поверхности определяем по формуле (I) для стекла, например, с коэффициентом предложения n 1,5, при этом угол ϕ₁ 42^o, что соответствует углу полного внутреннего отражения. В качестве жидкости могут быть использовано прозрачное масло ВМ-1. Набор дополнительных конических отражающих поверхностей 8 и 9 имеет начальные радиусы Rнач2 64 мм, Rнач3 80 мм, конечные радиусы при вершинах 10 и 11 равные Rкон2 77 мм и Rкон3 86 мм, и углы при этих вершинах α₂= 29,5^°, α₃= 32,5^° соответственно. Общая рабочая площадь поверхности входа 2 составляет 205,9 см² без учета не рабочих участков. Пиковая электрическая мощность определяем по формуле:
N = E_oητS, (2)
где
E₀ солнечная радиация плотностью 1000 Вт/м²,
η КПД солнечного элемента ( h 15%);
t коэффициент светопропускания системы;
S рабочая площадь концентратора (205,9 см²).

Коэффициент светопропускания концентратора определяем по формуле:
τ = τ₁•τl2

, (3)
где
τ₁ светопропускание поверхности входа излучения с учетом френелевских потерь ( τ₁ 0,96);
τ_2/ коэффициент светопропускания прозрачного материала концентратора (в нашем случае стекла и жидкости) на оптическом пути длиною в 1 см ( τ₂ 0,99);
l средняя длина пути луча в концентраторе (l 7 см);
Суммарное светопропускание системы при указанных значениях составит τ 0,89.

Пиковая электрическая мощность модуля по (I) составит 2,75 Вт.

Концентрация излучения определяем по формуле:
K = S/S_сэ, (4)
где S_сэ площадь солнечного элемента (S_сэ=19,63 см²); K 10,5.

Сравнение проводим для модуля, изготовленного по прототипу и для предлагаемого решения конструкции модуля.

В случае прототипа диаметр модуля должен быть ограничен базовой конической отражающей поверхностью 5, т.е. размером радиуса Rrjy1

61 мм, т.к. луч Л₁ после отражения от поверхности 2 попадает в край солнечного элемента 3 и увеличение радиуса свыше 61 мм для этой поверхности приведет к тому, что лучи не будут попадать на солнечный элемент 3. При указанном размере концентрация на солнечном элементе 3 составит 6, а мощность модуля при тех же значениях остальных параметров составит 1,56 Вт. В предлагаемом варианте концентрации и мощность модуля увеличивается в 1,75 раза за счет дополнительных поверхностей 8 и 9, направляющих излучения на солнечный элемент 3 при больших значениях радиусов поверхности входа 2. Стоимость нового модуля будет ниже чем стоимость усеченного конуса, выполненного из оптического стекла, т. к. изготовление оптических деталей из стекла дороже чем изготовление штампованных металлических концентраторов с электрополировкой внутренней поверхностью для создания отражающего слоя и использованием листового листа в качестве поверхности входа излучения.

Фотоэлектрический модуль относится к разделу гелиоэнергетики, в частности, касается создания солнечных установок с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества. Сущность: модуль представляет собой концентратор, выполненный в виде усеченного конуса, большее основание которого является поверхностью входа излучения, на меньшем основании установлен солнечный элемент (фотоэлектрический преобразователь), и базовая коническая отражающая поверхность имеет угол при вершине, образованной конической поверхностью и поверхностью параллельной поверхности входа излучения. На базовой конической поверхности расположен набор дополнительных конических отражающих поверхностей с различными углами при вершинах, установленных на бозовой поверхности, что увеличивает рабочую поврехность входа излучения, концентрацию излучения и мощность модуля. Конические поверхности могут быть выполнены из металла с внутренним отражающим слоем, поверхность входа излучения - из стекла, и пространство между ними может быть заполнено оптической прозрачной жидкости, имеющей возможность перетекать из верхней части концентратора в нижнюю часть. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Фотоэлектрический модуль, состоящий из концентратора, выполненного из оптически прозрачного материала в виде усеченного конуса, большее основание которого является поверхностью входа излучения, солнечный элемент установлен на меньшем основании и базовая отражающая поверхность имеет угол при вершине, образованной конической поверхностью и поверхностью, параллельной поверхности входа, отличающийся тем, что базовая коническая отражающая поверхность состоит из набора конических отражающих поверхностей с разными углами при вершинах, расположенных на базовой конической поверхности, поверхность входа излучения выполнена из стекла с герметичной прокладкой по периметру и пространство между отражающей поверхностью и стеклом заполнено оптически прозрачной жидкостью. 2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что набор конических поверхностей выполнен из металла с внутренним отражающим слоем и на периферии концентратора диаметрально расположены два штуцера, соединенных между собой трубкой.