СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.

Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор на основе концентрических линз Френеля, двухосную систему слежения за Солнцем и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных планарных солнечных элементов с односторонней рабочей поверхностью. Солнечная электростанция имеет следующие характеристики: коэффициент концентрации 385, электрическая мощность 5,75 кВт, КПД преобразования солнечной радиации с учетом КПД концентратора и инвертора 23,5%, стоимость 9,3 долл. США/Вт. Плоскость фотоприемников и р-n переходов фотоприемников параллельна плоскости линзы Френеля и перпендикулярна оптической оси концентратора и концентрированному потоку солнечного излучения. Стоимость фотоприемника составляет 13 долл. США за 1 см площади фотоприемника (Photon International, июль 2008 г., с.15).

Недостатком известной электростанции является высокая трудоемкость изготовления и большая стоимость материалов фотоприемников, содержащих галлий, германий и другие дорогостоящие материалы.

Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор с поверхностью миделя, на который поступает солнечное излучение, двухосную систему слежения и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных солнечных элементов на основе полупроводников А_III B_V. Концентратор содержит параболоидное зеркало квадратной формы, контротражатель системы Кассегрена и пирамидальный оптический элемент из стекла, на нижнем основании которого закреплен каскадный гетероструктурный солнечный элемент с односторонней рабочей поверхностью с р-n переходом, плоскость которого параллельна плоскости миделя концентратора и перпендикулярна оптической оси концентратора, потоку солнечного излучения и боковым граням оптического элемента. Параметры солнечной электростанции: концентрация 476, КПД 22,7%, площадь солнечного элемента 1 см², размеры параболоида 25х25 см, суммарная электрическая мощность 500 кВт (Photon International, ноябрь 2008 г., с.150, 153; Sun and Wind Energy, 2008, №5, с.130).

Недостатком известной солнечной электростанции является большая стоимость и низкий КПД трехэлементной оптической системы: параболическое зеркало - контротражатель - оптический элемент - солнечный элемент.

Задачей настоящего изобретения является снижение потерь энергии и стоимости установленной мощности и вырабатываемой энергии.

Технический результат достигается тем, что в солнечной электростанции, содержащей концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемник в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, плоскости которых перпендикулярны оптической оси и параллельны плоскости миделя концентратора, фотоприемник выполнен в виде плоского модуля из скоммутированных последовательно миниатюрных солнечных элементов, каждый из которых имеет форму кругового сектора с углом при вершине 3-30°, установленных осесимметрично в фокальной области с вершиной у оптической оси концентратора, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.

В солнечной электростанции, содержащей концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и двухсторонней рабочей поверхностью, плоскости р-n переходов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.

В варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен в виде каскадного преобразователя из двух секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из кремния, а вторая секция из германия.

В другом варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из трех секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из карбида кремния, вторая секция из кремния, а третья секция из германия.

Еще в одном варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы составного фотоприемника установлены осесимметрично в фокальной области и имеют переменную площадь миниатюрных солнечных элементов в матрице, которая возрастает при удалении от оптической оси концентратора.

В варианте солнечной электростанции составной фотоприемник состоит из пяти секций твердотельных матриц, соединенных параллельно и установленных осесимметрично в фокальной плоскости концентратора, центральная секция имеет форму квадрата, четыре других секции выполнены в виде правильных трапеций, меньшее основание каждой трапеции равно стороне квадратной секции и примыкает к ней.

В варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы фотоприемника выполнены в виде правильной четырехгранной пирамиды и образуют составной полостной осесимметричный фотоприемник, который помещен в конусообразную прозрачную оболочку, заполненную кремнийорганической жидкостью и обращен полостью к концентратору.

В варианте солнечной электростанции полостной фотоприемник обращен вершиной к концентратору.

В варианте солнечной электростанции концентратор выполнен в виде параболоидного зеркала системы Кассегрена с гиперболическим контротражателем в фокальной области и четырехгранной призмой у вершины параболоида, в основании которой установлен фотоприемник, плоскости р-n переходов которого параллельны двум боковым граням призмы.

В варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы фотоприемника с покрытием из стекла на рабочей поверхности установлены в виде цилиндра осесимметрично в фокальной области внутри прозрачной цилиндрической оболочки параллельно оптической оси концентратора и погружены в охлаждающую жидкость.

В варианте солнечной электростанции устройство отвода теплоты имеет насос для прокачки охлаждающей жидкости.

В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.

В другом варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость содержит компоненты на основе очищенной воды.

В варианте солнечной электростанции теплообменник соединен с двумя контурами охлаждения, один контур для прокачки охлаждающей жидкости и второй контур для прокачки воды.

В другом варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.

В варианте солнечной электростанции фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника.

В варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен устройством для прокачки теплоносителя.

В другом варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.

Изобретение иллюстрируется рисунками, на которых на фиг.1 показана солнечная электростанция с параболоидным отражателем и секторным фотоприемником на основе скоммутированных осесимметричных солнечных элементов, на фиг.2 - расположение секторного фотоприемника в фокальной плоскости, на фиг.3 - солнечная электростанция с параболоидным концентратором и фотоприемником в виде каскадного преобразователя из двух секций твердотельных матриц из кремния и германия, на фиг.4 - солнечная электростанция с концентратором на основе концентрической линзы Френеля и составным фотоприемником с переменной площадью миниатюрных солнечных элементов в матрице, на фиг.5 - расположение составного приемника в фокальной плоскости, на фиг.6. - расположение полостного приемника в двух проекциях в фокальной области, на фиг.7 - солнечная электростанция с концентратором на основе концентрической линзы Френеля и составным полостным фотоприемником в конусной камере охлаждения, на фиг.8 - солнечная электростанция с параболоидным зеркалом системы Кассегрена и фотоприемником в четырехгранной призме, на фиг.9 - солнечная электростанция с параболоидным зеркалом и цилиндрическим фотоприемником.

На фиг.1 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 1 с двухосной системой слежения (на фиг. не показана) и фотоприемником 2, установленным осесимметрично в фокальной плоскости 3 с центром в фокусе F и оптической осью 4 концентратора 1. Фотоприемник 2 установлен в конусообразной камере 5 из стекла, которая соединена металлической опорой 6 с параболоидом 1. Внутри опоры 6 установлены трубки 7 и 8 для подвода и отвода кремнийорганической жидкости. Для перекачки кремнийорганической жидкости в теплообменник 9 установлен насос 10. К теплообменнику присоединены патрубки 11 и 12 контура водяного охлаждения. Фотоприемник 2 выполнен в виде скоммутированных последовательно планарных секторных солнечных элементов 3 (фиг.2) с секторным углом 3-30°, установленных осесимметрично вокруг оптической оси 4 в форме круга.

На фиг.3 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 1 и каскадный фотоприемник 12 из двух секций твердотельных матриц из кремния 13 и германия 14. Плоскости контактов 15 и р-n переходов 16 в секциях 13 и 14 параллельны друг другу и оптической оси 4 концентратора 1 и перпендикулярны плоскости миделя 17 и концентратора 1, на который поступает солнечное излучение i.

На фиг.4 солнечная электростанция содержит концентратор на основе концентрической линзы Френеля 18 и составной фотоприемник 19, который состоит из центральной секции 20 твердотельной матрицы квадратной формы и четырех секций 21, 22, 23 и 24 твердотельных матриц (фиг.5), которые выполнены в виде правильных трапеций, меньшее основание 25 каждой трапецеидальной секции равно стороне 26 центральной квадратной секции 20 и примыкает к ней. Все секции фотоприемника 19 соединены параллельно и установлены на теплообменнике-радиаторе 27, площадь которого соизмерима с площадью концентратора 18. Составной фотоприемник 19 имеет с освещаемой стороны защитное покрытие 28 из стекла и прикреплен к теплообменнику 27 с помощью теплопроводящего электроизолированного клея 29.

Плоскости p⁺-n (n⁺-р) переходов 30 и изотипных n⁺-n (р⁺-р) переходов диодных структур показаны на рисунках тонкими линиями, а металлических контактов - толстыми линиями.

Плоскости р-n переходов 30 и контактов всех секций составного фотоприемника 19 параллельны оптической оси 31 концентратора 18 и перпендикулярны плоскости линзы Френеля 18. Секции 21, 22, 23 и 24 твердотельных матриц имеют переменную площадь миниатюрных солнечных элементов 32, которая увеличивается с увеличением расстояния от оптической оси 31 концентратора.

На фиг.6 показан в двух проекциях (вид сбоку и вид сверху) составной полостной приемник 34, который имеет форму четырехгранной пирамиды и состоит из четырех секций 35, 36, 37 и 38 твердотельных матриц, каждая из которых выполнена в форме правильного треугольника. Плоскости р-n переходов 39 в секциях параллельны основанию приемника.

На фиг.7 составной полостной фотоприемник 34 установлен в фокальной области 33 концентрической линзы Френеля внутри герметичной конусной прозрачной камеры 40, которая заполнена охлаждающей жидкостью 41. Общая площадь поверхности стенок конической камеры 40 соизмерима с площадью линзы Френеля 18.

На фиг.8 параболоидный концентратор 41 шестигранной формы имеет контротражатель 42 в форме гиперболического зеркала в фокальной области F и призменный оптический элемент 43, установленный в вершине 44 концентратора 41. Фотоприемник 45 установлен на основании четырехгранной призмы 43 из оптического стекла. Фотоприемник 45 состоит из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов 46 с диодной n⁺-p-p⁺ структурой. Плоскости р-n переходов 47 в диодной структуре параллельны двум из четырех граней призмы 43, падающему излучению i и оптической оси концентратора 4. Фотоприемник 45 присоединен к призме 43 с помощью оптического прозрачного клея (на фиг. не показано) и установлен в герметичной камере 48, заполненной кремнийорганической жидкостью 49. Тыльная сторона 50 фотоприемника 45 имеет защитное покрытие из стекла 51 и погружена в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 49. Устройство охлаждения фотоприемника 52 состоит из трубопроводов 53, присоединенных к герметичной камере 48 насоса 54 и теплообменника 55, к которому подключен водяной контур 56.

На фиг.9 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 57 квадратной формы и цилиндрический фотоприемник 58, установленный симметрично в фокальной области 59 концентратора 57 в цилиндрической стеклянной оболочке 60. Поперечное сечение фотоприемника в его средней части совпадает с фокальной плоскостью 61 концентратора 57. Плоскости р-n переходов 62 фотоприемника 58 перпендикулярны фокальной плоскости 61 и плоскости миделя 63 концентратора 57 и параллельны оптической оси 64 и потоку падающих i, поступающих на концентратор 57, и отраженных солнечных лучей i_o, поступающих на фотоприемник 58. Фотоприемник 58 имеет защитное покрытие 63 из стекла и погружен в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 64, которая заполняет цилиндрическую оболочку 60. Цилиндрическая оболочка 60 имеет патрубки 65 для присоединения к теплообменнику. В другом варианте исполнения цилиндрическая оболочка 60 присоединена к воздушному радиатору.

Пример выполнения солнечной электростанции (СЭС)

СЭС состоит из модулей с параболоидным осесимметричным концентратором с двухосной системой слежения (фиг.9). Каждый модуль имеет квадратное параболоидное зеркало 57 размером 0,283×0,283 м с защитной цилиндрической оболочкой диаметром 60×30 мм, выполненной из стекла. Фотоприемник 58 состоит из 6 секций матричных солнечных элементов размером 60 мм×10 мм×0,6 мм, установленных по внутренней образующей защитной цилиндрической оболочке 60 в фокальной области 59 концентратора 57. Плоскости р-n переходов 62 и контактов секций фотоприемника 58 параллельны оптической оси 64 концентратора, падающему потоку i и отраженному потоку i_o излучения и перпендикулярны плоскости миделя 63 и фокальной плоскости 61 концентратора 57. Секции матричных солнечных элементов имеют защитное покрытие 63 из стекла и погружены в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 64. Цилиндрическая защитная оболочка 60 в верхней части имеет радиатор-змеевик для охлаждения теплоносителя. Площадь фотоприемника 58 составляет 36 см², площадь миделя 63 концентратора - 800 см², коэффициент геометрической концентрации 222, оптический КПД - 0,8, пиковая электрическая мощность при КПД фотоприемника 20% и КПД модуля 16% составляет 12,8 Вт.

Расположение плоскости р-n переходов параллельно концентрированному потоку солнечного излучения позволяет получить два важных преимущества СЭС по сравнению с известной. Это позволяет изготовить фотоприемник из дешевого полупроводникового материала с непрямыми переходами, например из кремния, и снизить стоимость фотоприемника с 13 долл./см² для каскадных гетероструктурных солнечных элементов до 0,065 долл./см², т.е. в 200 раз.

Поток концентрированного излучения в фотоприемнике ортогонален потоку генерированных излучением носителей заряда через р-n переходы, что позволяет снизить джоулевые потери в легированном слое и в базовой области фотоприемника и улучшить условия отвода тепла за счет использования металлических токоотводов, расположенных по всей площади р-n переходов, в качестве теплопроводящих слоев для отвода тепла из объема фотоприемника к обеим рабочим поверхностям. Инфракрасная составляющая концентрированного потока излучения за краем полосы поглощения (1,2 мкм для кремниевого фотоприемника) проходит параллельно плоскости p-n переходов через объем фотоприемника без существенного поглощения, что также примерно на 20% снижает затраты на охлаждение фотоприемника. Наличие просветляющего покрытия на обеих рабочих поверхностях фотоприемника снижает потери на отражение и увеличивает пропускание нефотоактивной части спектра падающего прямого и концентрированного солнечного излучения.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами. В солнечной электростанции, содержащей концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемник в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, плоскости которых перпендикулярны оптической оси и параллельны плоскости миделя концентратора, фотоприемник выполнен в виде плоского модуля из скоммутированных последовательно миниатюрных солнечных элементов, каждый из которых имеет форму кругового сектора с углом при вершине 3-30°, установленных осесимметрично в фокальной области с вершиной у оптической оси концентратора, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты. В другом варианте в солнечной электростанции, содержащей концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и двухсторонней рабочей поверхностью, плоскости р-n переходов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты. Изобретение должно обеспечить снижение потерь энергии, стоимости установленной мощности и вырабатываемой энергии. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Солнечная электростанция, содержащая концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемник в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-п переходами, плоскости которых перпендикулярны оптической оси и параллельны плоскости миделя концентратора, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен в виде плоского модуля из скоммутированных последовательно миниатюрных солнечных элементов, каждый из которых имеет форму кругового сектора с углом при вершине 3-30°, установленных осесимметрично в фокальной области с вершиной у оптической оси концентратора, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.

2. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что устройство отвода теплоты имеет насос для прокачки охлаждающей жидкости и теплообменник.

3. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника.

4. Солнечная электростанция, содержащая концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-п переходами, отличающаяся тем, что каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и двухсторонней рабочей поверхностью, плоскости р-п переходов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-п переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.

5. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен в виде каскадного преобразователя из двух секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из кремния, а вторая секция - из германия.

6. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен из трех секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из карбида кремния, вторая секция - из кремния, а третья секция - из германия.

7. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что секции твердотельной матрицы составного фотоприемника установлены осесимметрично в фокальной области и имеют переменную площадь миниатюрных солнечных элементов в матрице, которая возрастает при удалении от оптической оси концентратора.

8. Солнечная электростанция по п.4 или 7, отличающаяся тем, что составной фотоприемник состоит из пяти секций твердотельных матриц, соединенных параллельно и установленных осесимметрично в фокальной плоскости концентратора, центральная секция имеет форму квадрата, четыре других секции выполнены в виде правильных трапеций, меньшее основание каждой трапеции равно стороне квадратной секции и примыкает к ней.

9. Солнечная электростанция по п.4 или 7, отличающаяся тем, что секции твердотельной матрицы фотоприемника выполнены в виде правильной четырехгранной пирамиды и образуют составной полостной осесимметричный фотоприемник, который помещен в конусообразную прозрачную оболочку, заполненную кремнийорганической жидкостью и обращен полостью к концентратору.

10. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что полостной фотоприемник обращен вершиной к концентратору.

11. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в виде параболоидного зеркала системы Кассегрена с гиперболическим контротражателем в фокальной области и четырехгранной призмой у вершины параболоида, в основании которой установлен фотоприемник, плоскости р-п переходов которого параллельны двум боковым граням призмы.

12. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что секции твердотельной матрицы фотоприемника с покрытием из стекла на рабочей поверхности установлены в виде цилиндра осесимметрично в фокальной области внутри прозрачной цилиндрической оболочки параллельно оптической оси концентратора и погружены в охлаждающую жидкость.

13. Солнечная электростанция по любому из пп.4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, отличающаяся тем, что устройство отвода теплоты имеет насос для прокачки охлаждающей жидкости и теплообменник.

14. Солнечная электростанция по п.13, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.

15. Солнечная электростанция по п.13, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость содержит компоненты на основе очищенной воды.

16. Солнечная электростанция по п.13, отличающаяся тем, что теплообменник соединен с двумя контурами охлаждения, один контур - для прокачки охлаждающей жидкости и второй контур - для прокачки воды.

17. Солнечная электростанция по п.13, отличающаяся тем, что теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.

18. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника.

19. Солнечная электростанция по п.18, отличающаяся тем, что теплообменник снабжен устройством для прокачки теплоносителя.

20. Солнечная электростанция по п.19, отличающаяся тем, что теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.