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

Изобретение относится к области солнечной энергетики, 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 концентраторный 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 теплоотводящими основаниями на ее фронтальной стороне. Между фронтальной и тыльной панелями установлена промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной стороне которой установлены плосковыпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Расстояние между промежуточной панелью и теплоотводящими основаниями больше толщины фотоэлементов, но не превышает разность величин фокусного расстояния плосковыпуклых 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 концентраторный фотоэлектрический модуль имеет высокие технические характеристики, но технологический процесс его изготовления достаточно сложен.

Известен солнечный концентраторный фотоэлектрический модуль, предназначенный для концентрационной гелиоустановки (см. патент US №6653551, кл. Н01L 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 концентраторный 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 концентраторном 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 концентраторного 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 концентраторный 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 выполняют в виде полых четырехгранных равносторонних усеченных пирамид из листового алюминия и устанавливают меньшим основанием на светочувствительные поверхности 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 и формируются, например, при литье силикатного стекла под давлением, что упрощает процесс их изготовления и монтажа. Вторичные оптические концентраторы - полые четырехгранные равносторонние усеченные пирамиды - обеспечивают необходимую кратность концентрирования солнечного излучения и улучшают разориентационную характеристику модуля, имеют низкую стоимость.

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

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.

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

Длина l_l диагонали большего основания пирамид 3-28 мм. При d_l меньше 3 мм повышается сложность технологии изготовления фоконов и сборки модуля. При d_l больше 28 мм поверхность фокона, на которую падает излучение, используется не полностью.

Длина l_m диагонали меньшего основания пирамид выбирается в пределах 1.4-5.7 мм. При l_m меньше 1.4 мм повышается сложность технологии изготовления фоконов. При l_m больше 5.7 мм кратность концентрирования фоконом будет недостаточной.

Линзы первичных оптических концентраторов могут 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.

Большие или меньшие основания четырехгранных равносторонних усеченных пирамид 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 плосковыпуклыми 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 четырехгранной равносторонней усеченной пирамиды;

на фиг.6 показан вид сверху на первый вариант четырехгранной равносторонней усеченной пирамиды;

на фиг.7 показан вид сбоку в разрезе на второй вариант четырехгранной равносторонней усеченной пирамиды;

на фиг.8 показан вид сверху на второй вариант четырехгранной равносторонней усеченной пирамиды;

на фиг.9 показан вид сбоку в разрезе на третий вариант четырехгранной равносторонней усеченной пирамиды;

на фиг.10 показан вид сверху на третий вариант четырехгранной равносторонней усеченной пирамиды.

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 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 плосковыпуклых линз 6 (см. фиг.4) или правильных шестиугольных линз Френеля 7 (см. фиг.2). Вторичные оптические концентраторы выполнены в виде полых четырехгранных равносторонних усеченных пирамид 8 (см. фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.9, фиг.10) из листового алюминия, 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_p усеченных пирамид 8 лежит в пределах 3-15 мм. Длина 1_| диагонали большего основания пирамид 8 составляет 3-28 мм. Длина 1_ш диагонали меньшего основания пирамид 8 составляет 1.4-5.7 мм. Большие или меньшие основания четырехгранных равносторонних усеченных пирамид могут быть закрыты пластинами 11 (см. фиг.7, фиг.8), 12 (см. фиг.9, фиг.10), выполненными из силикатного стекла. Плосковыпуклые линзы 4, 6 имеют фокусное расстояние F в пределах 3-12 см. Плосковыпуклые 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. В боковых противолежащих стенках 1 фотоэлектрического модуля выполнены отверстия 13 для сообщения с окружающей средой внутреннего пространства модуля. Солнечные фотоэлементы 9, прикрепленные к теплоотводящему основанию 10, герметизированы от воздействия внешней среды вторичными концентраторами 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 заявляемых вариантов солнечных фотоэлектрических модулей, ориентированных перпендикулярно солнечным лучам, плосковыпуклые 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. Концентраторный 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 полых четырехгранных равносторонних усеченных пирамид (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. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Концентраторный 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 полых четырехгранных равносторонних усеченных пирамид, выполненных из листового алюминия и 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_p усеченных пирамид составляет 3-15 мм, длина l_l диагонали их большего основания составляет 3-28 мм, а длина l_m диагонали их меньшего основания составляет 1.4-5.7 мм.

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

3. Концентраторный фотоэлектрический модуль по п.2, отличающийся тем, что плоско-выпуклые линзы имеют в плане форму квадрата.

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

5. Концентраторный фотоэлектрический модуль по п.2, отличающийся тем, что плоско-выпуклые линзы имеют в плане форму правильного шестиугольника.

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

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

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

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

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

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

12. Концентраторный фотоэлектрический модуль по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что большие основания четырехгранных равносторонних усеченных пирамид закрыты пластинами из силикатного стекла.

13. Концентраторный фотоэлектрический модуль по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что меньшие основания четырехгранных равносторонних усеченных пирамид закрыты пластинами из силикатного стекла.