СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H01L31/42 H01L31/18 

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к конструкции и изготовлению солнечных фотоэлектрических модулей для получения электричества.

Известна конструкция и способ изготовления фотоэлектрического модуля путем ламинирования двух слоев закаленного стекла и расположенных между ними скоммутированных фотопреобразователей и слоев пластика в виде этиленвинилацетата и тедлара при температуре 120-160^oС в течение 5-10 мин в вакууме, а затем под давлением в 1,5-2 кг/см² в течение 5-20 мин (J.I. Hanoka, P.M. Kane. Advanced Polimer PV Sistem, NREL/SNL; Photovoltaics Program Review/Proceedings of the 14^th Conference, Nov., 1996, Woodbury AIP New-York, p. 859-866).

Недостатком известной конструкции и способа изготовления является недостаточно высокий срок службы модуля (10-20 лет) вследствие старения пластика и ухудшения его герметизирующих свойств. Другим недостатком является недостаточно высокая прозрачность пластика и снижение его прозрачности с течением времени и, как следствие, уменьшение кпд и электрической мощности модуля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления фотоэлектрического модуля путем соединения двух листов стекла в стеклопакет с трех сторон с помощью сварки или склейки стекла по торцам пакета. В стеклопакет вставляют скоммутированные фотопреобразователи, внешние токоотводы располагают на тыльной поверхности модуля, нагревают полученный модуль до 50-80^oС, в стеклопакет заливают оптически прозрачную жидкость, герметизируют стеклопакет путем сварки или склейки и затем охлаждают до комнатной температуры (патент РФ 2130670, кл. Н 01 L 31/18, 1998г.).

Недостатком известной конструкции и способа изготовления солнечного фотоэлектрического модуля является высокая стоимость изготовления вследствие большой трудоемкости процесса сварки листового стекла и малый срок службы клеевого соединения стекол. Другим недостатком, особенно при работе с солнечным концентратором, является снижение кпд из-за высокой рабочей температуры модуля и неиспользования тепловой части солнечного излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости изготовления и увеличение кпд модуля.

В результате использования предлагаемого изобретения снижается стоимость изготовления модуля, возрастает кпд при получении электрической энергии и используется тепловая составляющая солнечной радиации.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле, содержащем скоммутированные фотопреобразователи, погруженные в прозрачную жидкость, и расположенные в герметизированном по торцам корпусе между листами стекла с токоотводящими контактами, выведенными наружу модуля, герметизация корпуса выполнена, по крайней мере, по трем торцам с помощью высокотемпературного герметика, например стеклянного припоя, образующего ленточный шов, токоотводящие контакты выведены наружу через один из торцов, а в качестве прозрачной жидкости используется легко текучая, диэлектрическая, теплопроводящая и химически нейтральная жидкость, например силиконовая.

В солнечном фотоэлектрическом модуле дополнительно выполненный ленточный шов делит модуль на полости.

В солнечном фотоэлектрическом модуле, по крайней мере, через один торец модуля проходят трубки, по которым прозрачная жидкость подсоединена к внешнему теплообменному контуру.

В солнечном фотоэлектрическом модуле в прозрачную жидкость введен металлический канал с теплоносителем, подсоединенный к внешнему теплообменному контуру.

В солнечном фотоэлектрическом модуле на верхнем торце модуля выполнен теплопроводящий канал с теплоносителем, находящийся в контакте с прозрачной жидкостью, и канал покрыт слоем теплоизоляции.

В солнечном фотоэлектрическом модуле канал с теплоносителем выполнен из стеклянной трубки.

В солнечном фотоэлектрическом модуле канал выполнен из металлической трубки с боковым плоским отростком, погруженным в прозрачную жидкость.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления солнечного фотоэлектрического модуля, включающем расположение двух листов стекла с некоторым зазором друг относительно друга, соединение стекол герметизирующим материалом по трем торцам, размещение скоммутированных фотопреобразователей между листами стекла, заполнение зазора прозрачной жидкостью, герметизацию четвертого торца и охлаждение до комнатной температуры по контуру в зазор, по крайней мере, с трех торцов наносят материал герметизации в виде стеклянного припоя, соединяют листы стекла с помощью нагревания стеклянного припоя до температуры плавления 300-500^oС, оставив отверстие на одном из торцов, заполняют зазор через отверстие жидкостью и герметизируют отверстие.

В способе изготовления солнечного фотоэлектрического модуля нагревание стеклянного припоя проводят локально с помощью, например, лазерного излучения, отверстие в одном из торцов создают путем установки в стеклянный припой стеклянной трубки и отверстие герметизируют сваркой стекла.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлены продольное (фиг.1-4, 6) и поперечное (фиг.5) сечение вариантов конструкции солнечного модуля.

На фиг. 1 и 2 солнечный фотоэлектрический модуль содержит скоммутированные фотопреобразователи 1, стеклянные листы 2, герметично соединенные по трем торцам ленточным швом 3, промежуток между листами стекла заполнен прозрачной жидкостью 4, токоотводящие контакты 5 выведены наружу модуля через верхний четвертый торец, герметизированный с помощью клеящего герметика 6. Ленточный шов 7 делит модуль на две полости. Ленточные швы получаются с помощью пайки стеклянным припоем при температуре около 450^oС.

Солнечный фотоэлектрический модуль, показанный на фиг.3, герметизирован стеклянным припоем по всем четырем торцам, отверстие для заливки прозрачной жидкости образовано стеклянным капилляром 8. Для снижения теплового воздействия на фотопреобразователи во время запаивания торцов фотопреобразователи установлены от торцов на расстояние 10-20 см.

Солнечный фотоэлектрический модуль, показанный на фиг.4, позволяет использовать тепловую составляющую солнечной радиации, снизить рабочую температуру модуля и увеличить суммарный кпд. Для этого на двух торцах модуля созданы трубки 9, соединенные с внешним теплообменным контуром (не показан).

Солнечный фотоэлектрический модуль, показанный на фиг.5 в поперечном разрезе, дополнительно содержит металлический канал 10 с теплоносителем 11, соединенный с внешним теплообменным контуром (не показан). Для увеличения зазора между стеклами введены стеклянные прокладки 12.

Солнечный фотоэлектрический модуль, показанный на фиг.6, дополнительно содержит металлический канал 13 с плоским боковым отростком 14, погруженным в прозрачную, теплопроводящую жидкость 4. Теплопроводящий канал 13 с помощью отростка 14 отбирает тепло от фотопреобразователей, выделяющееся при поглощении солнечного излучения, и передает теплоносителю, который циркулирует в дополнительном внешнем теплообменном контуре (не показан). Теплоизоляционное покрытие 15 канала 13 снижает суммарные теплопотери.

Солнечный модуль работает следующим образом.

Фотопреобразователи поглощают солнечную радиацию, из которой частично вырабатывается электрическая энергия, а большая часть идет на нагрев фотопреобразователей. Прозрачная теплопроводящая жидкость обеспечивает передачу тепла от фотопреобразователей на стеклянное защитное покрытие модуля и далее во внешнюю среду путем конвекции и излучения, что снижает рабочую температуру модуля и повышает его электрический кпд. Ленточный шов из стеклянного припоя и клея-герметика препятствует вытеканию теплопроводящей жидкости и попаданию влаги внутрь модуля. Дополнительное увеличение теплоотвода от фотопреобразователей, особенно необходимое при использовании солнечных концентраторов по обе стороны модуля, достигается созданием в конструкции модуля теплопроводящего канала, соединенного с внешним теплообменным контуром.

Способ изготовления солнечного модуля реализуется следующим образом.

На места соединения стеклянных листов по трем торцам наносится паста, содержащая стеклянный припой. Листы стекла устанавливают с зазором, превышающим толщину фотопреобразователей, нагревают сборку до температуры плавления 450^oС стеклянного припоя марки С-80, создают паяный ленточный шов шириной 5-10 мм, через отверстие в четвертом верхнем торце в зазор между листами стекла вставляют скоммутированные фотопреобразователи, зазор заполняют прозрачной теплопроводящей жидкостью и верхний торец модуля вместе с токоотводящими контактами заполняют слоем клея-герметика.

Более долговечная герметизация модуля получается путем нанесения стеклянного припоя по всему периметру двух листов стекла, размещения между этими листами на некотором расстоянии от торцов скоммутированных фотопреобразователей и тонкой стеклянной трубочки (штенгеля), создания паяного ленточного шва лазерным нагревом торцов модуля, заполнения через штенгель зазора между стеклами прозрачной жидкостью и заваривание стеклянного штенгеля миниатюрной газовой горелкой.

Пример 1 конкретного выполнения.

Солнечный модуль содержит корпус из двух листов стекла размером 900 х 450 х 3 мм, герметично соединенных между собой по трем торцам с зазором 1 мм швом герметизации шириной 10 мм из стеклянного припоя марки С-80. В зазор помещена цепь последовательно соединенных кремниевых фотопреобразователей, погруженных в силиконовую жидкость. Внешние токоотводящие шины выведены наружу модуля через направленный вверх четвертый торец, зазор в котором герметизирован с помощью кремнийорганического герметика.

Пример 2 конкретного выполнения.

В отличие от примера 1, солнечный модуль содержит паяный ленточный шов из стеклянного припоя со всех четырех торцов модуля.

Пример 3 конкретного выполнения.

В дополнение к примеру 1, солнечный модуль содержит зазор около 5 мм, задаваемый с помощью стеклянных прокладок толщиной 4 мм. Через направленный вверх четвертый торец проходят трубки из пластмассы, по которым циркулирует прозрачная теплопроводящая жидкость, соединенные с внешним двухконтурным теплообменником.

Пример 4 конкретного выполнения.

В дополнение к примеру 3, солнечный модуль содержит в зазоре канал в виде змеевика из медных трубок, по которым циркулирует в качестве теплоносителя вода. В промежутке между медными трубками находится металлический лист.

Пример 5 конкретного выполнения.

В дополнение к примеру 1, солнечный модуль содержит вдоль четвертого торца сделанный из меди трубчатый канал диаметром 10 мм с плоским боковым отростком из алюминия шириной 50 мм. По каналу, соединенному с внешним теплообменником, циркулирует вода. От внешнего воздуха канал теплоизолирован слоем полиуретана.

Коэффициент полезного действия предлагаемых модулей достигает 15% преобразования солнечной радиации в электричество и 50% преобразования в тепло и практически не снижается при увеличении в несколько раз концентрации солнечного излучения.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет создать солнечный модуль с высокой эффективностью использования солнечной энергии.

Использование: в солнечных фотоэлектрических модулях для получения электричества. Технический результат: увеличение срока службы модуля и КПД преобразования солнечной энергии за счет использования ее тепловой части. Сущность: герметизацию корпуса модуля, состоящего из двух листов стекла, выполняют, по крайней мере, по трем торцам с помощью высокотемпературного герметика, например, стеклянного припоя, образующего ленточный шов, токоотводящие контакты выводят наружу через один из торцов. В качестве прозрачной жидкости используется легко текучая, диэлектрическая, теплопроводящая и химически нейтральная жидкость, например силиконовая. Изготовление солнечного фотоэлектрического модуля включает нанесение по контуру в зазор, по крайней мере, с трех торцов материала герметизации в виде стеклянного припоя, соединение листов стекла с помощью нагревания стеклянного припоя до температуры плавления 300-500^oС, создание отверстия на одном из торцов, заполнение зазора через отверстие жидкостью и герметизацию отверстия. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический модуль, содержащий скоммутированные фотопреобразователи, погруженные в прозрачную жидкость и расположенные в герметизированном по торцам корпусе между листами стекла, с токоотводящими контактами, выведенными наружу модуля, отличающийся тем, что герметизация корпуса выполнена, по крайней мере, по трем торцам с помощью высокотемпературного герметика, например, стеклянного припоя, образующего ленточный шов, токоотводящие контакты выведены наружу через один из торцов, а в качестве прозрачной жидкости используется легко текучая, диэлектрическая, теплопроводящая и химически нейтральная жидкость, например, силиконовая. 2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно выполненный ленточный шов делит модуль на полости. 3. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 1 или 2, отличающийся тем, что, по крайней мере, через один торец модуля проходят трубки, по которым прозрачная жидкость подсоединена к внешнему теплообменному контуру. 4. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что в прозрачную жидкость введен металлический канал с теплоносителем, подсоединенный к внешнему теплообменному контуру. 5. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что на верхнем торце модуля выполнен теплопроводящий канал с теплоносителем, находящийся в контакте с прозрачной жидкостью, и канал покрыт слоем теплоизоляции. 6. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 5, отличающийся тем, что канал с теплоносителем выполнен из стеклянной трубки. 7. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 5 или 6, отличающийся тем, что канал выполнен из металлической трубки с боковым плоским отростком, погруженным в прозрачную жидкость. 8. Способ изготовления солнечного фотоэлектрического модуля, включающий расположение двух листов стекла с некоторым зазором друг относительно друга, соединение стекол герметизирующим материалом по трем торцам, размещение скоммутированных фотопреобразователей между листами стекла, заполнение зазора прозрачной жидкостью, герметизацию четвертого торца и охлаждение до комнатной температуры, отличающийся тем, что по контуру в зазор, по крайней мере, с трех торцов наносят материал герметизации в виде стеклянного припоя, соединяют листы стекла с помощью нагревания стеклянного припоя до температуры плавления 300-500^oС, оставив отверстие на одном из торцов, заполняют зазор через отверстие жидкостью и герметизируют отверстие. 9. Способ изготовления солнечного фотоэлектрического модуля по п. 8, отличающийся тем, что нагревание стеклянного припоя проводят локально с помощью, например, лазерного излучения, отверстие в одном из торцов создают путем установки в стеклянный припой стеклянной трубки и отверстие герметизируют сваркой стекла.