ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01L31/42 

Изобретение относится к области гелиотехники и, в частности, касается создания фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества.

Известен фотоэлектрический модуль (аналог), в котором планарная (плоская) солнечная батарея расположена между двумя наклонными зеркалами, расположенными под углами к плоскости батареи (патент США N 2.998.005, кл. 126-270). Солнечное излучение в указанном модуле попадает на лицевую сторону солнечной батареи и на зеркала, при этом создается дополнительная концентрация излучения на лицевой поверхности за счет отраженного от зеркал светового потока. По этому принципу была создана солнечная установка фирмы ARCOSolar (США) с приемной поверхностью 10х10 м, на которой были установлены описанные выше модули. В качестве солнечной батареи использовались планарные модули, серийно выпускаемые промышленностью (проспект фирмы ARCOSolar, Central Power Systems, 1983). Эксплуатация этой установки показала, что полимерный материал, в котором устанавливаются солнечные элементы в фотобатарее не выдерживает двойной солнечной радиации и подвержен светостарению, что проявляется в потемнении и ухудшении его светопропуcкания, соответственно падает КПД модулей.

Известен фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из солнечной фотоэлектрической батареи с двусторонней рабочей поверхностью и концентратора солнечного излучения, выполненного в виде плоских зеркал, установленных под плоскостью расположения солнечной батареи по ходу лучей и наклоненных к этой плоскости (патент Франции N 2.342.558. опубл. 27 февраля 1976 г., кл. H 01 31/08, 02 B 5/08). Работает модуль следующим образом: солнечное излучение проходит на лицевую сторону солнечной батареи и на зеркало. Отраженное от зеркала излучение попадает на второе зеркало и затем на тыльную сторону солнечной батареи. Таким образом, солнечная батарея освещается солнечным излучением с двух сторон, причем на каждой стороне освещенность не превосходит однократную, что позволяет использовать плоские батареи, технология которых хорошо отработана.

Недостатком известного технического решения являются большие светопотери, возникающие при многократном отражении солнечного излучения на зеркалах. Если учесть, что коэффициент отражения стеклянного зеркала обычно составляет 0,85, то при двукратном отражении этот коэффициент будет равен 0,85² = 0,72, при трехкратном 0,85³ = 0,61, что уменьшает суммарный КПД преобразования солнечного излучения в электричество.

Предложенное изобретение решает следующие технические задачи: увеличивает освещенность тыльной стороны солнечной батареи и увеличивает охлаждение солнечной батареи.

Для достижения указанного результата зеркала расположены за габаритами солнечной батареи на расстоянии от нее, равном h = l₁/tgα, где l₁ - ширина солнечном батареи, α - угол падения лучей на тыльную плоскость солнечной батареи, с интервалом, равным ширине солнечной батареи, при этом ширина l₁ солнечной батареи и ширина зеркал 1 связаны соотношением l = l₁/cosα/2(1+tg αtgα/2).
Признаки, отличающие предложенное техническое решение от наиболее близкого решения но патенту Франции N 2.342.558 заключаются в следующем:
увеличение освещенности тыльной стороны солнечной батареи за счет однократного отражения солнечного излучения от зеркал, что увеличивают освещенность и КПД преобразования солнечного излучения.

Наличие свободного пространства между зеркалами (интервал между зеркалами l₁) позволяет частично использовать на тыльной стороне батареи излучение, рассеянное подстилающей поверхностью земли вблизи солнечной установки, особенно при наличии снега или светлого песка, что также увеличит освещенность тыльной стороны модуля на 5 - 10%.

Наличие за солнечной батареей незамкнутого пространства с большими интервалами между зеркалами и солнечной батареей (размер h) улучшают условия охлаждения солнечной батареи за счет обдува ветром или за счет создания свободной конвекции при нагреве деталей модуля под действием солнечного излучения. Понижение температуры фотоэлектрической батареи ведет к увеличению КПД преобразования. Наличие свободного пространства (размер l₁) за солнечной батареей способствует удалению солнечного излучения с длиной волны более 1,2 мкм, которое проходит насквозь через кремниевые солнечные элементы, из которых может быть выполнена солнечная батарея, что также положительно влияет на охлаждение батареи.

На чертеже представлен солнечный фотоэлектрический модуль в поперечном сечении и схема прохождения солнечных лучей в его пределах.

Фотоэлектрический модуль, состоящий из солнечной фотоэлектрической батареи 1 с двусторонней рабочей поверхностью и концентратора солнечного излучения, выполненного в виде плоских зеркал 2 и 3, установленных под плоскостью 4 расположения солнечной батареи 1 и наклоненных к этой плоскости 4 под углами α/2. Зеркала 2 и 3 расположены за габаритами солнечной батареи 1 на расстоянии h от нее, равном h = l₁/tgα, где l₁ - ширина солнечной батареи, α - угол падения лучей на тыльную плоскость солнечной батареи с интервалом, равным ширине солнечной батареи l₁, при этом ширина солнечной батареи l₁ и ширина зеркал 1 связаны соотношением l = l₁/cosα/2(1+tg αtgα/2). Кроме того, на чертеже указаны: величина l₂ проекции зеркал на плоскость 4; угол α падения отраженных от зеркал солнечных лучей; глубина модуля h; рассеянное излучение от подстилающей поверхности (пучок лучей).

Работает модуль следующим образом. Модуль должен быть установлен на ориентируемом на Солнце опорно-поворотном устройстве (на чертеже не показано). Солнечное излучение приходит на лицевую сторону солнечной батареи 1 и на зеркала 2 и 3, отражается от зеркал 2 и 3 и попадает на тыльную сторону батареи 1 под углами α. Солнечная батарея 1 с двусторонней рабочей поверхностью преобразует часть солнечного излучения в электрический ток, остальная часть солнечного излучения нагревает солнечную батарею 1. Через свободное пространство l₁ между зеркалами 2 и 3 на тыльную сторону батареи 1 попадает часть рассеянной радиации от подстилающей поверхности земли вокруг солнечной установки, что увеличивает освещенность батареи 1 и выработку электроэнергии. Наличие свободного пространства за плоскостью 4 солнечной батареи (боковые зазоры h и тыльное отверстие l₁) создают благоприятные условия для охлаждения солнечной батареи 1 ветром и конвективными воздушными потоками, которые возникают при нагреве элементов конструкции модуля под воздействием солнечной радиации. Наличие открытого пространства в виде тыльного отверстия l₁ за батареей 1 улучшает сброс неиспользованного солнечного излучения с длиной волны более 1,2 мкм в окружающее пространство. Высота модуля определяется формулой h = l₁/tgα. Ширина зеркала 1 определяется формулой l = l₂/cosα/2.
Можно показать, что концентрация излучения на тыльной стороне солнечной батареи 1 определяется уравнениями
K = 2l₂/l₁, (1)
при этом
l₂= l₁/(1+tgαtgα/2) (2).
Подстановка (2) в (1) при значении α = 45^o дает значение K = 1,41. Значение α = 45^o выбрано из оптимальных условий входа излучения в модуль (минимальные френелевские потери). Реальная концентрация на тыльной стороне с учетом потерь на отражение от зеркал (0,85) и френелевских потерь при угле α = 45^o (0,91) составит приблизительно 1 (1,41•0,85•0,91 = 1,1), что обеспечит нормальную работу широко распространенных плоских модулей с полимерным наполнителем. Электрическая мощность, снимаемая с подобного модуля с двусторонней рабочей поверхностью (лицевой и тыльной стороны), равна
N_мод = N_лиц. + N_тыл. = 2N_лиц (3)
Концентрация на тыльной стороне в модуле прототипа при двукратном отражении от зеркал будет равна 0,85² = 0,72, что меньше, чем в предлагаемом модуле (1,1). Стоимость предлагаемого модуля должна быть меньше чем у прототипа, т.к. необходимая площадь зеркал меньше в 2 раза.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности касается создания фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения для выработки электричества. Под плоскостью расположения солнечной батареи с двусторонней рабочей поверхностью расположен концентратор солнечного излучения, выполненный в виде плоских зеркал, установленных на некотором расстоянии от солнечной батареи, при этом ширина солнечной батареи l₁, ширина зеркал l, расстояние от тыльной поверхности солнечной батареи до зеркал и угол падения лучей на тыльную поверхность солнечной батареи связаны определенными соотношениями. Технический результат изобретения - увеличение освещенности тыльной стороны солнечной батареи и улучшение охлаждения солнечной батареи. 1 ил.

Фотоэлектрический модуль, состоящий из солнечной фотоэлектрической батареи с двусторонней рабочей поверхностью и концентратора солнечного излучения, выполненного в виде плоских зеркал, установленных под плоскостью расположения солнечной батареи по ходу лучей и наклоненных к этой плоскости, отличающийся тем, что зеркала расположены за габаритами солнечной батареи на расстоянии от нее, равном
h = l₁/tgα,
где l₁ - ширина солнечной батареи;
α - угол падения лучей на тыльную плоскость солнечной батареи,
с интервалом, равным ширине солнечной батареи, при этом ширина солнечной батареи l₁ и ширина зеркал l связаны соотношением
l = l₁/cosα/2(l+tgαtgα/2).