СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H01L31/42 H01L31/18 

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения тепла и электричества.

Известен солнечный призматический фотоэлектрический концентратор солнечного излучения, содержащий треугольную призму с дополнительной гранью перед поверхностью выхода (а.с. N 851313, МКИ⁶ G 02 В 5/04, БИ N 21, 1981).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий множество призменных концентраторов, выполненных в виде монолитной плоской структуры из стекла или пластика методом экструзии и прессования по типу линзы Френеля. Каждая призма в модуле имеет две большие грани, одна из которых является рабочей прозрачной поверхностью, на которую падает излучение, а противоположная большая грань призмы имеет зеркальное покрытие (Solar Energy, 1978, vol. 1, N 5, c.428). Грани с зеркальным покрытием всех призм в модуле выполнены в одной плоскости. Солнечные элементы установлены на третьей грани призмы, площадь которой намного меньше площади грани, выполняющей функции рабочей поверхности. Отношение площадей граней призмы, содержащих рабочую поверхность и солнечные элементы, определяет коэффициент концентрации солнечного фотоэлектрического модуля.

Недостатком известного решения является то, что солнечные элементы установлены на гранях призм, которые, как и грани с рабочей поверхностью, подвержены воздействию погодных факторов в процессе эксплуатации. Другой недостаток заключается в большой трудоемкости сборки индивидуальных солнечных элементов на выступающих гранях призм солнечного модуля.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение защищенности солнечных элементов от погодных условий и повышение срока службы, а также повышение производительности при сборке фотоэлектрических модулей.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается защищенность солнечных элементов от погодных условий, а также повышается срок их службы. При сборке фотоэлектрических модулей также повышается производительность.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем солнечные элементы и оптическую монолитную систему из призменных концентраторов, грани которых, противоположные рабочим поверхностям, установлены в одной плоскости, зеркальное покрытие нанесено на часть тыльной большой поверхности, примыкающей к вершине каждого призменного концентратора, и на меньшую грань, противоположную углу при вершине призменного концентратора. Солнечные элементы установлены на свободной от зеркала большой тыльной поверхности каждого призменного концентратора. Угол при вершине призменного концентратора ϕ связан с углом входа следующим соотношением
ϕ ≥ [2α-arcsin(sinβ/n)]/2,
где 2α - угол полного внутреннего отражения;
n - коэффициент преломления.

Другой задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и снижение стоимости изготовления фотоэлектрических модулей с концентраторами.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в способе изготовления фотоэлектрического модуля с концентраторами путем экструзии или прессования монолитной оптической структуры из призменных концентраторов, при котором одну из больших граней каждого призменного концентратора располагают в одной плоскости, нанесения зеркального покрытия на эту поверхность, сборки и крепления солнечных элементов к призменным концентраторам. Зеркальное покрытие наносят на часть тыльной большой поверхности грани каждого призменного концентратора, прилегающую к вершине призменного концентратора, и на меньшую грань с противоположной стороны монолитной структуры, затем на плоскость монолитной структуры на грани, прилегающей к нижнему основанию каждого призменного концентратора, свободной от зеркального покрытия, с тыльной стороны устанавливают солнечные элементы, и их присоединяют одновременно с помощью оптических клеев к монолитной оптической структуре, например, методом ламинирования.

Сущность изобретения поясняет фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлен общий вид фотоэлектрического модуля с призменным концентратором, на фиг. 2 показан ход лучей в одном из призменных концентраторов монолитной оптической структуры.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором содержит монолитную оптическую структуру 1, выполненную из призменных концентраторов 2, каждая из которых имеет солнечный элемент 3, установленный в нижней части призменного концентратора со стороны, противоположной рабочей поверхности 4. Зеркальное покрытие 5 нанесено на свободную от солнечных элементов 3 тыльную большую поверхность монолитной структуры у вершины каждого призменного концентратора 6 и на меньшую грань 7 призменного концентратора 2 со стороны рабочей поверхности.

Кроме того, на фигурах указаны β - угол входа лучей, ϕ - угол при вершине из призменных концентраторов, L - длина поверхности призменного концентратора, воспринимающей излучение, D - длина солнечного элемента, В - длина нижнего основания призменного концентратора.

Солнечный модуль работает следующим образом. Солнечный луч, поступающий на рабочую поверхность 4 призменного концентратора 2 после серии отражений от поверхности, имеющей зеркальное покрытие 5, и от рабочей поверхности 4 за счет полного внутреннего отражения, попадает на солнечные элементы 3.

Коэффициент концентрации за счет отраженных и преломленных лучей равен K = L/D.

Длину D солнечного элемента принимают равной длине нижнего основания призменного концентратора В. D=B.

В этом случае K = L/B = ctgϕ.
Угол при вершине призменного концентратора ϕ связан с углом входа β следующим соотношением
ϕ ≥ [2α-arcsin(sinβ/n)]/2,
где 2α - угол полного внутреннего отражения;
n - коэффициент преломления.

При n=1,51 2α =41^o3', при β = 30^o ϕ = 12^o K=5,0.

С учетом отклонения угла падения от нормального реальный коэффициент концентрации составляет
K₀=K•sin60^o=5•0,866=0,4374.

В данном примере размеры призменного концентратора составляют L=500 мм, B=D= 100 мм.

Количество призменных концентраторов в модуле - 5, размеры модуля 2,5х2,5м.

Пример конкретного выполнения солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором.

Изготавливают монолитную оптическую структуру 1 из стекла путем прессования или экструзии, наносят зеркальное покрытие 5 из алюминия или серебра на меньшую грань 7 всех призменных концентраторов 2, которые наклонены под углом близким к 90^o к плоскости монолитной структуры 1. Одновременно наносят зеркальное покрытие 5 на тыльные большие грани призменных концентраторов 2, лежащих в одной плоскости. При этом экранируют, закрывают от зеркального покрытия часть тыльной большой грани каждого призменного концентратора 2, удаленной от вершины призменного концентратора 6 и прилегающей к нижнему основанию 7 призменного концентратора 2. Затем устанавливают на указанные свободные от зеркала части тыльной большой грани, лежащие в одной плоскости скоммутированные солнечные элементы 3 с полимерными клеями и ламинируют их путем нагрева и прессования при температуре 80-160^oC.

Технико-экономические преимущества использования предлагаемого изобретения состоят в том, что увеличивается срок службы фотоэлектрического модуля и его мощность за счет эффективной защиты солнечных элементов от климатических воздействий прямого освещения солнечного элемента солнечным излучением. Также снижается его стоимость за счет более высокой производительности сборки при одновременной герметизации всех солнечных элементов при сборке модулей.

Использование: изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами солнечного излучения для получения тепла и электричества. Техническим результатом изобретения является повышение защищенности солнечных элементов от погодных условий, а также повышение срока их службы. При сборке фотоэлектрических модулей также повышается производительность. Сущность: в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем солнечные элементы и оптическую монолитную систему из призменных концентраторов, грани которых, противоположные рабочим поверхностям, установлены в одной плоскости, а зеркальное покрытие нанесено на часть тыльной большой поверхности, примыкающей к вершине каждого призменного концентратора, и на меньшую грань, противоположную углу при вершине призменного концентратора. Солнечные элементы установлены на свободной от зеркала большой тыльной поверхности каждого призменного концентратора. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором солнечного излучения, содержащий солнечные элементы и монолитную оптическую систему из призменных концентраторов, каждый из которых имеет рабочую поверхность, на которую падает излучение, и установленную под некоторым углом к рабочей поверхности тыльную поверхность с зеркальным покрытием, причем тыльные поверхности всех призменных концентраторов установлены в одной плоскости, отличающийся тем, что зеркальное покрытие нанесено на часть тыльной большой поверхности, примыкающей к вершине каждого призменного концентратора, противоположную рабочей поверхности, и на меньшую грань, противоположную вершине призменного концентратора, а солнечные элементы прикреплены на свободной от зеркала большой тыльной поверхности каждого призменного концентратора, прилегающей к меньшей грани, причем угол при вершине призменного концентратора ϕ связан с углом входа β следующим соотношением
ϕ ≥ [2α-arcsin(sinβ/n)]/2,
где 2α - угол полного внутреннего отражения;
n - коэффициент преломления. 2. Способ изготовления солнечного фотоэлектрического модуля, включающий экструзию или прессовку монолитной оптической структуры из призменных концентраторов, при котором одну из больших граней каждого призменного концентратора располагают в одной плоскости, нанесение зеркального покрытия на указанную эту плоскость, сборку и крепление солнечных элементов к призменным концентраторам, отличающийся тем, что на часть тыльной большой поверхности грани каждого призменного концентратора, лежащих в одной плоскости и примыкающих в вершине призменного концентратора, а также на каждую меньшую грань, противоположную вершине призменного концентратора, наносят напылением или осаждением зеркальное покрытие, на грани, примыкающей к нижнему основанию призменного концентратора с тыльной стороны, свободной от зеркального покрытия, устанавливают скоммутированные солнечные элементы и присоединяют их одновременно с помощью оптических клеев к монолитной оптической структуре.