СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2009 года по МПК H01L31/52 

Изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к концентраторным солнечным фотоэлектрическим модулям, применяемым, например, в наземных гелиоэнергетических установках, предназначенных для систем автономного энергоснабжения в различных климатических зонах.

Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием дорогостоящих высокоэффективных многокаскадных солнечных элементов и недорогих оптических концентраторов. Использование оптических концентраторов, обеспечивающих степень концентрации солнечного излучения 500 -1000 крат, имеющих высокую оптическую эффективность, позволяет достичь высокого КПД преобразования солнечного излучения в электричество и сократить суммарную площадь солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения. Оптические концентраторы позволяют увеличить эффективность преобразования солнечного излучения, но от вклада их стоимости в общую стоимость модуля, степени сложности их изготовления и сборки модуля, величины срока эксплуатации зависит экономичность фотоэлектрического модуля.

Известен концентраторный солнечный фотоэлектрический модуль (см. заявка US №20070089778, МПК H02N 6/00, опубликован 26.04.2007), содержащий боковые стенки и фронтальную панель с установленным на ее тыльной стороне множеством пар коаксиальных осесимметричных криволинейных зеркал, фокусирующих солнечное излучение на фотоэлементы, установленные на тыльной панели. Недостаток известного модуля - в сложности изготовления двух отражательных оптических элементов с необходимой точностью профиля.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. заявка WO №2006128417, МПК H01L 31/052, опубликован 07.12.2006), содержащий боковые стенки и фронтальную светопрозрачную панель с первыми фокусирующими солнечное излучение элементами на ее тыльной стороне, светопрозрачную промежуточную панель с вторыми фокусирующими солнечное излучение элементами и тыльную панель с солнечными фотоэлементами. Недостаток известного модуля в том, что наличие промежуточной светопрозрачной панели повышает стоимость известного модуля.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент RU №44002, МПК H01L 31/00, опубликован 10.02.2005), содержащий боковые стенки и фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также тыльную панель из силикатного стекла с солнечными фотоэлементами и теплоотводяшими основаниями на ее фронтальной стороне. Между фронтальной и тыльной панелями установлена промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной стороне которой установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Расстояние между промежуточной панелью и теплоотводящими основаниями больше толщины фотоэлементов, но не превышает разность величин фокусного расстояния плоско-выпуклых линз и толщины промежуточной панели. С помощью боковых стенок модуля обеспечивается параллельность фронтальной и тыльной панелей, а также расположение их относительно друг друга с учетом обеспечения точной фокусировки.

Известный солнечный фотоэлектрический модуль имеет высокие технические характеристики, но технологический процесс его изготовления достаточно сложен.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль, предназначенный для концентрационной гелиоустановки (см. патент US №6653551, кл. H01L 31/052, опубликован 25.11.2003), содержащий множество солнечных электрических концентраторов с четырехступенчатой системой концентрации солнечного излучения. Каждый солнечный электрический концентратор включает первый оптический концентратор в виде линзы Френеля, установленный на фронтальной панели и концентрирующий солнечное излучение в пять-десять раз, второй оптический концентратор в виде линзы Френеля, установленный на промежуточной панели, третий оптический концентратор в виде параболического концентратора, расположенный под первым концентратором на тыльной панели и концентрирующий солнечное излучение в двадцать-пятьдесят раз, и четвертый оптический концентратор в виде стеклянной линзы. Под четвертым оптическим концентратором размещен многопереходный солнечный элемент.

Известный солнечный фотоэлектрический модуль имеет высокую эффективность, но его экономичность низка из-за стоимости дополнительного четвертого концентратора, а также из-за необходимости при сборке конструкции точно устанавливать соосно четыре оптических концентратора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является солнечный фотоэлектрический модуль, предназначенный для концентрационной гелиоустановки (см. патент US №6717045, кл. H01L 31/052, опубликован 06.04.2004), содержащий множество солнечных электрических концентраторов с трехступенчатой системой концентрации солнечного излучения. Каждый солнечный электрический концентратор включает первый оптический концентратор в виде линзы Френеля, установленный на фронтальной панели, концентрирующий солнечное излучение в пять-десять раз, второй оптический концентратор в виде параболического концентратора, расположенный под первым концентратором на промежуточной панели и концентрирующий солнечное излучение в двадцать-пятьдесят раз, и третий оптический концентратор в виде стеклянной линзы. Под третьим оптическим концентратором размещен многопереходный солнечный элемент.

Использование в солнечном фотоэлектрическом модуле-прототипе трехступенчатой системы концентрации солнечного излучения усложняет технологический процесс его изготовления и, как следствие, повышает его стоимость.

Задачей заявляемого технического решения являлась разработка солнечного фотоэлектрического модуля, который бы имел, при высокой эффективности преобразования солнечного излучения в электроэнергию, относительно низкую стоимость за счет упрощения технологии изготовления его элементов и сборки самого модуля.

Поставленная задача решается тем, что солнечный фотоэлектрический модуль содержит монолитную фронтальную панель, боковые стенки и тыльную панель, первичные оптические концентраторы в форме соприкасающихся друг с другом линз, сформированных в виде тыльной поверхности фронтальной панели, вторичные оптические концентраторы в виде фоконов, установленных меньшим основанием на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов с теплоотводящими элементами, размещенных на фронтальной поверхности тыльной панели соосно соответствующим первичным оптическим концентраторам. Первичные оптические концентраторы составляют с фронтальной панелью одно целое, что упрощает процесс их изготовления и монтажа. Вторичные оптические концентраторы - фоконы, обеспечивают необходимую кратность концентрирования солнечного излучения и улучшают разориентационную характеристику модуля.

Толщину фронтальной панели выбирают с учетом обеспечения ее заданной прочности и заданного фокусного расстояния первичных концентраторов.

Высоту h_f фоконов выбирают в пределах 3-15 мм. При h_f меньше 3 мм повышается сложность технологии изготовления фоконов и сборки модуля. При h_f больше 15 мм поверхность фокона, на которую падает излучение, используется не полностью.

Диаметр d₁ большего основания фоконов составляет 2-20 мм. При d₁ меньше 2 мм повышается сложность технологии изготовления фоконов и сборки модуля. При d₁ больше 20 мм поверхность фокона, на которую падает излучение, используется не полностью.

Диаметр d_m меньшего основания фоконов составляет 1-4 мм. При d_m меньше 1 мм повышается сложность технологии изготовления фоконов. При d_m больше 4 мм кратность концентрирования фоконом будет недостаточной.

Линзы первичных оптических концентраторов выполнены в виде плосковыпуклых линз с фокусным расстоянием F, равным 3-12 см. При F меньше 3 см увеличивается величина потерь из-за отражения излучения. При F больше 12 см высота модуля становится излишне большой и повышается сложность сборки модуля.

Плосковыпуклые линзы могут иметь в плане форму квадрата с длиной l_к стороны 2-4 см.

Плосковыпуклые линзы могут также иметь в плане форму правильного шестиугольника с длиной l_ш стороны 12-25 мм.

Линзы первичных оптических концентраторов могут представлять собой линзы Френеля с фокусным расстоянием 7-20 см и иметь в плане форму квадрата с длиной l_к стороны 5-8 см.

Линзы Френеля могут иметь в плане форму правильного шестиугольника с длиной

l_ш стороны 3-5 см.

Фоконы вторичных оптических концентраторов могут быть выполнены из силикатного стекла, при этом большие основания фоконов могут быть выполнены в форме выпуклой линзы.

Фоконы вторичных оптических концентраторов могут быть также выполнены полыми и изготовлены из листового алюминия, при этом большие или меньшие основания фоконов могут быть закрыты пластинами из силикатного стекла для изолирования солнечного элемента от внутренней среды модуля.

Плосковыпуклые линзы могут также иметь в плане форму правильного шестиугольника с длиной l_ш стороны 12-25 мм.

Линзы первичных оптических концентраторов могут представлять собой линзы Френеля с фокусным расстоянием 7-20 см и иметь в плане форму квадрата с длиной l_к стороны 5-8 см.

Линзы Френеля могут иметь в плане форму правильного шестиугольника с длиной

l_ш стороны 3-5 см.

Большие или меньшие основания четырехгранных равносторонних усеченных призм могут быть закрыты пластинами из силикатного стекла для изолирования солнечного элемента от внутренней среды модуля.

Варианты заявляемого солнечного фотоэлектрического модуля поясняются чертежами, где:

на фиг.1 схематично изображено поперечное сечение солнечного фотоэлектрического модуля с квадратными плоско-выпуклыми линзами в аксонометрии;

на фиг.2 схематично показано поперечное сечение солнечного фотоэлектрического модуля с правильными шестиугольными линзами Френеля в аксонометрии;

на фиг.3 схематично изображено поперечное сечение солнечного фотоэлектрического модуля с квадратными линзами Френеля в аксонометрии;

на фиг.4 схематично изображено поперечное сечение солнечного фотоэлектрического модуля с правильными шестиугольными плоско-выпуклыми линзами в аксонометрии;

на фиг.5 показан вид сбоку в разрезе на первый вариант фокона;

на фиг.6 показан вид сверху на первый вариант фокона;

на фиг.7 показан вид сбоку в разрезе на второй вариант фокона;

на фиг.8 показан вид сверху на второй вариант фокона;

на фиг.9 показан вид сбоку в разрезе на третий вариант фокона;

на фиг.10 показан вид сверху на третий вариант фокона;

на фиг.11 показан вид сбоку в разрезе на четвертый вариант фокона;

на фиг.12 показан вид сверху на четвертый вариант фокона;

на фиг.13 показан вид сбоку в разрезе на пятый вариант фокона;

на фиг.14 показан вид сверху на пятый вариант фокона.

Заявляемый солнечный фотоэлектрический модуль (см. фиг.1, фиг.2 фиг.3, фиг.4) содержит выполненные из силикатного стекла боковые стенки 1, тыльную панель 2 и монолитную фронтальную панель 3, на тыльной поверхности которой путем литья под давлением сформированы соприкасающихся друг с другом первичные оптические концентраторы. Первичные оптические концентраторы могут быть выполнены в форме квадратных плосковыпуклых линз 4 (см. фиг.1) или квадратных линз Френеля 5 (см. фиг.3), а также в форме правильных шестиугольных плоско-выпуклых линз 6 (см. фиг.4) или правильных шестиугольных линз Френеля 7 (см. фиг.2). Вторичные оптические концентраторы по первому варианту выполнены в виде фоконов 8, установленных меньшим основанием на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов 9 с теплоотводящими элементами-основаниями 10, размещенных на фронтальной поверхности тыльной панели 2 соосно соответствующим первичным оптическим концентраторам. Высота h_f фоконов 8 лежит в пределах 3-15 мм. Диаметр d₁ большего основания фоконов 8 составляет 2-20 мм. Диаметр d_m меньшего основания фоконов 8 составляет 1-4 мм. Плоско-выпуклые линзы 4, 6 имеют фокусное расстояние F в пределах 3-12 см. Плоско-выпуклые линзы 4 имеют длину l_к стороны 2-4 см. Плосковыпуклые линзы 6 имеют длину l_ш стороны 12-25 мм. Линзы Френеля 5, 7 имеют фокусное расстояние 7-20 см. Линзы Френеля 5 имеют длину l_к стороны 5-8 см. Линзы Френеля 7 имеют длину l_ш стороны 3-5 см. Фоконы 8 вторичных оптических концентраторов могут быть выполнены из силикатного стекла. Фоконы 8 могут иметь плоские большие основания 11 (см. фиг.5, фиг.6) или в форме выпуклой линзы 12 (см. фиг.7, фиг.8). Фоконы 6 вторичных оптических концентраторов могут быть также выполнены полыми (см. фиг.9, фиг.10), а их стенки 13 изготовлены из листового алюминия, при этом большие или меньшие основания (см. фиг.13, фиг.14) фоконов 6 могут быть закрыты пластинами 14 (см. фиг.11, фиг.12), 15 (см. фиг.13, фиг.14), выполненными из силикатного стекла. В боковых противолежащих стенках 1 фотоэлектрического модуля выполнены отверстия 16 для сообщения с окружающей средой внутреннего пространства модуля. Солнечные фотоэлементы 9, прикрепленные к теплоотводящему основанию 10, герметизированы от воздействия внешней среды вторичными концентраторам из силикатного стекла, установленными на фотоэлементы 9. Сообщение с окружающей средой внутреннего пространства модуля, в котором расположены концентраторы из силикатного стекла, не изменяющие своих свойств под воздействием влаги, исключает возникновение перепадов давления между внутренним объемом модуля и атмосферой, таким образом не допуская возникновения сильных механических напряжений в конструкции.

При работе заявляемого солнечного фотоэлектрического модуля, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам, плоско-выпуклые линзы 4, 6 (или линзы Френеля 5, 7), а также вторичные оптические концентраторы концентрируют солнечный свет и фокусируют его на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов 9. Солнечные фотоэлементы 9 преобразуют энергию квантов света в электрическую, создавая разность потенциалов на своих контактах. Вырабатываемая модулем электроэнергия подается к внешнему потребителю или накопителю энергии.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Солнечный фотоэлектрический модуль содержит фронтальную панель (3), боковые стенки (1) и тыльную панель (2), первичные и вторичные оптические концентраторы и солнечные фотоэлементы (9) с теплоотводящими элементами (10). Первичные оптические концентраторы выполнены в форме соприкасающихся друг с другом линз, сформированных в виде тыльной поверхности фронтальной панели (3). Вторичные оптические концентраторы выполнены в виде фоконов (8). Изобретение обеспечивает при высокой эффективности преобразования солнечного излучения в электроэнергию относительно низкую стоимость за счет упрощения технологии изготовления его элементов и сборки самого модуля. 15 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический модуль, включающий монолитную фронтальную панель, боковые стенки и тыльную панель, первичные оптические концентраторы в форме соприкасающихся друг с другом линз, сформированных в виде тыльной поверхности фронтальной панели, вторичные оптические концентраторы в виде фоконов, установленных меньшим основанием на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов с теплоотводящими элементами, размещенных на фронтальной поверхности тыльной панели соосно соответствующим первичным оптическим концентраторам, при этом высота h_f фоконов составляет 3-15 мм, диаметр d_i их большего основания равен 2-20 мм, а диаметр d_m их меньшего основания составляет 1-4 мм.

2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что линзы первичных оптических концентраторов представляют собой плосковыпуклые линзы с фокусным расстоянием F, равным 3-12 см.

3. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.2, отличающийся тем, что плосковыпуклые линзы имеют в плане форму квадрата.

4. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.3, отличающийся тем, что длина l_к стороны квадрата составляет 2-4 см.

5. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.2, отличающийся тем, что плосковыпуклые линзы имеют в плане форму правильного шестиугольника.

6. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.5, отличающийся тем, что длина l_ш стороны правильного шестиугольника составляет 12-25 мм.

7. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что линзы первичных оптических концентраторов представляют собой линзы Френеля с фокусным расстоянием 7-20 см.

8. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.7, отличающийся тем, что линзы Френеля имеют в плане форму квадрата.

9. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.8, отличающийся тем, что длина l_к стороны квадрата составляет 5-8 см.

10. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.7, отличающийся тем, что линзы Френеля имеют в плане форму правильного шестиугольника.

11. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.10, отличающийся тем, что длина l_ш стороны правильного шестиугольника составляет 3- 5 см.

12. Солнечный фотоэлектрический модуль по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что фоконы вторичных оптических концентраторов выполнены из силикатного стекла.

13. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.12, отличающийся тем, что большие основания фоконов выполнены в форме выпуклой линзы.

14. Солнечный фотоэлектрический модуль по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что фоконы вторичных оптических концентраторов выполнены полыми и изготовлены из листового алюминия.

15. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.14, отличающийся тем, что большие основания фоконов закрыты пластинами из силикатного стекла.

16. Солнечный фотоэлектрический модуль по п.14, отличающийся тем, что меньшие основания фоконов закрыты пластинами из силикатного стекла.