ПАНЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 2006 года по МПК H01L31/52 

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к конструкции солнечных батарей космического и наземного применения.

При использовании солнечных батарей требуется получать максимальную мощность с единичной площади фотоактивной поверхности. Эта цель может быть достигнута увеличением плотности светового потока на фотоэлектрические преобразователи. Одним из средств, применяемых для решения данной задачи, является концентратор, устанавливаемый на панель солнечной батареи.

Известна конструкция панели солнечной батареи с концентратором по US Patent May 28,1996 №5220747.

Концентратор этой панели солнечной батареи состоит из отражателей солнечного света, установленных по одному с обеих сторон панели. Отраженный поток от отражателя падает на половину ширины панели солнечной батареи, а сам отражатель выполнен в половину размера панели. Суммарный отраженный поток увеличивает освещенность солнечных элементов в 1,5 раза.

Известна конструкция, описанная в работе «Innovate solar panels pose many tests challengers» / Dunke Dick, Goerlitz Kurt // Sound and Vibr.1337-31. NIO - c.6,8,10. В отличие от рассмотренного выше варианта, здесь отражатели концентратора выполнены в размер панели, и суммарный световой поток на солнечные элементы удваивается.

Наиболее близким техническим решением является конструкция панели солнечной батареи US №6017002, которая выбрана в качестве прототипа.

В отличие от предыдущих отражатели концентратора выполнены в виде пленки и растянуты в плоскость при помощи специального подпружиненного каркаса.

Недостатком известной конструкции является ограничение коэффициента концентрации величиной 2 при бесконечном увеличении ширины отражателей при установке последних по одному с двух противоположных сторон панели.

При установке одного отражателя с одной стороны панели солнечной батареи, при увеличении угла установки (угол между тыльной поверхностью отражателя и плоскостью панели солнечной батареи) также увеличивается и ширина отражателя, а коэффициент концентрации стремится к 2.

Целью предлагаемого изобретения является повышение коэффициента концентрации при эквивалентной суммарной ширине отражателей.

Поставленная цель достигается установкой составного концентратора, состоящего из двух отражателей, с одной или более сторон панели солнечной батареи.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2 представлен чертеж для расчета параметров отражателей, на фиг.3 представлен график зависимости коэффициента концентрации от суммарной ширины отражателей при установке концентратора с одной стороны панели.

Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем. На боковую сторону панели солнечной батареи 1 устанавливается два отражателя 2 и 3. Ширина отражателей и углы установки выбираются таким образом, чтобы потоки солнечного света 4, отраженные от обоих отражателей, равномерно падали на поверхность панели солнечной батареи. Это условие позволяет выбрать оптимальную электрическую схему солнечной батареи, т.к. наличие неравномерного освещения участков в последовательной цепи солнечных элементов приводит к ухудшению характеристик и снижению надежности батареи.

Это реализуется следующим образом.

Ширина первого отражателя равна

где

b - размер панели, нормальный к ее боковой стороне, α1 - угол между тыльной стороной первого отражателя и плоскостью солнечной батареи.

Ширина второго отражателя равна

где

α2 - угол между тыльной стороной второго отражателя и плоскостью солнечной батареи.

Угол α1 выбирают в диапазоне 45°<α1<90°, a угол α2 - в диапазоне 45°<α1<α2<90° (при α1=α2=45° отраженный поток не попадает на панель солнечной батареи, а при α1=α2=90° поток солнечного света параллелен отражателям).

Для доказательства этих зависимостей рассмотрим чертеж фиг.2.

АЕ - солнечная батарея, ЕК - отражатель.

Угол ϕ=90°-α1, угол β=180°-(180°-α1)-ϕ=2·α1-90°;

c=l1·sinα1 и c=(b+EC)·tgβ=(b+EC)·tg(2·α1-90°);

l1·sinα1=(b+EC)·tg(2·α1-90°)=(b+l1·cosα1)·tg(2·α1-90°).

Упрощаем:

l1·sinα1=(b+l1·cosα1)·tg(2·α1-90°)

l1·sinα1=b·tg(2·α1-90°)+l1·cosα1·tg(2·α1-90°)

tg(2·α1-90°)=tg(-(90°-2·α1))=ctg(-2·α1)=-ctg(2·α1)

sinα1·sin(2·α1)+cosα1·cos(2·α1)=cos(2·α1-α1)=cosα1

Таким образом, ширина первого отражателя

а коэффициент концентрации от одного отражателя с каждой стороны панели солнечной батареи (с учетом прямого потока солнечного света) равен

Найдем ширину второго отражателя.

AD параллельна ЕК по условию равномерного освещения солнечной батареи отраженным потоком. Тогда, треугольники ABD и ЕВК подобны по по двум углам (∠BAD=∠BEK, ∠ADB=∠EKB как соответственные углы при параллельных прямых). Следовательно,

(EC-BC)·(l2-l3)=l3·(b+EC-BC);

c=l1·sinα1,

Используя тождество упрощаем:

Окончательно

Коэффициент концентрации при использовании двух отражателей с одной стороны солнечной батареи (с учетом прямого потока солнечного света), равен:

Kk=1+K1(α1)+K2(α2), где

- коэффициент концентрации от первого отражателя;

- коэффициент концентрации от второго отражателя.

На графике фиг.3 представлены результаты расчета основных параметров: 11, 12 - соответственно ширины первого и второго отражателей в долях ширины панели солнечной батареи b; Кк - коэффициент концентрации от составного концентратора.

Как видно на фиг.3, начиная с суммарной ширины отражателей, равной примерно двум с половиной значениям ширины панели солнечной батареи, коэффициент концентрации светового потока при использовании составного концентратора превышает аналогичный коэффициент для одинарного концентратора. Это позволяет примерно в той же пропорции повысить выходную мощность солнечной батареи.

Использование предлагаемого изобретения позволяет снизить требуемую площадь солнечных элементов при эквивалентной мощности солнечной батареи. Это ведет к снижению стоимости солнечных батарей как для космических аппаратов, так и для солнечных батарей наземного применения.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружена совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявляемого объекта.

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к конструкции солнечных батарей космического и наземного применения. Технический результат изобретения: повышение коэффициента концентрации при эквивалентной суммарной ширине отражателей. Сущность: концентратор, установленный по одной или более сторонам панели, выполнен из двух отражателей, установленных таким образом, чтобы потоки солнечного света, отраженные от обоих отражателей, равномерно падали на поверхность солнечной батареи. 3 ил.

Панель солнечной батареи с концентратором в виде плоских отражателей по одной или более сторонам панели, отличающаяся тем, что концентратор состоит из двух отражателей, которые устанавливают таким образом, что поток солнечного света, отраженный от первого и второго отражателей, равномерно падает на панель солнечной батареи, первый отражатель соединяют одной стороной с боковой стороной панели солнечной батареи под углом α1 между тыльной поверхностью отражателя и плоскостью панели батареи и его ширина равна

где b - размер панели солнечной батареи, нормальный к ее боковой стороне, к другой стороне первого отражателя присоединяют второй отражатель под углом α2 между его тыльной поверхностью и плоскостью панели солнечной батареи и его ширина равна

причем углы α1 и α2 выбирают в диапазоне 45°<α1<α2<90°.