ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H01L31/52 

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к фотовольтаическим концентраторным модулям. Настоящее изобретение предназначено для применения в концентраторных солнечных энергоустановках, используемых в качестве систем энергоснабжения в различных климатических зонах.

Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных каскадных фотоэлементов и недорогих оптических концентраторов. Известно, что применение концентраторов излучения при условии согласования их параметров с параметрами фотоэлементов позволяет не только поднять энергетическую эффективность фотовольтаических концентраторных модулей, но и улучшить их энерго-экономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов. Использование последних при концентрации солнечного излучения 500-2500 крат позволяет пропорционально сократить суммарную площадь фотоэлементов и существенно снизить стоимость получаемой электроэнергии. Но, в то же время, при высокой степени концентрации солнечного излучения происходит излишний разогрев фотоэлементов, что негативно влияет на преобразующие свойства фотоэлементов, их срок службы и выходные характеристики фотовольтаических модулей. Поэтому конструкция фотовольтаических модулей с концентраторами солнечного излучения должна быть такой, чтобы обеспечивать надежное и долговременное эффективное функционирование фотоэлементов в реальных условиях эксплуатации при возможно более низкой стоимости генерируемой электрической мощности.

Известен фотовольтаический концентраторный модуль, предназначенный для концентрационной гелиоустановки (см. патент US 6653551, МПК H01L 31/052, опубликован 25.11.2003), содержащий множество солнечных электрических концентраторов с четырехступенчатой системой концентрации солнечного излучения. Каждый солнечный оптический концентратор включает первый оптический концентратор в виде линзы Френеля, установленной на фронтальной панели и концентрирующей 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 вторым 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 фотовольтаический концентраторный модуль имеет высокую эффективность, но его экономичность низка из-за стоимости большого числа оптических элементов, а также из-за необходимости при сборке конструкции точно устанавливать соосно четыре оптических концентратора.

Известен фотовольтаический концентраторный модуль (см. патент US 6717045, МПК H01L 31/052, опубликован 06.04.2004), включающий множество оптических концентраторов, фокусирующих солнечное излучение на фотоприемные площадки солнечных фотоэлементов. Каждый из оптических концентраторов состоит из первичного оптического концентратора, имеющего степень концентрации солнечного излучения 5-10 крат, вторичного оптического концентратора, расположенного ниже первого и увеличивающего степень концентрации солнечного излучения в 20-50 раз, и третьего оптического концентратора, установленного в нижней плоскости вторичного оптического концентратора и фокусирующего излучение на поверхность солнечных фотоэлементов. В качестве первичного оптического концентратора может быть использована линза Френеля. Вторичный оптический концентратор представляет собой комбинированный параболический отражатель, изготовленный из стекла или керамики и имеющий отражающие и защитные покрытия. В качестве третьего оптического концентратора служит стеклянная линза. Солнечный фотоэлемент устанавливается на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.

Недостатками известной конструкции солнечного фотовольтаического концентраторного модуля являются большие потери света за счет отражения на поверхностях оптических элементов трехкаскадного концентратора, технические сложности изготовления, монтажа и юстировки большого количества оптических деталей и, соответственно, также высокая стоимость конструкции.

Известен фотовольтаический концентраторный модуль (см. заявка РСТ WO 2007093422, МПК H01L 31/052, опубликована 23.08.2007), содержащий линзовую панель и панель с солнечными элементами, установленные на несущей раме, обеспечивающей герметизацию внутреннего объема модуля и защиту оптических элементов от воздействия внешней среды. На линзовой панели установлены концентраторные линзы, в качестве которых используются линзы Френеля. Солнечные элементы, изготовленные на основе многослойных гетероструктур в системе A^III-B^V напаяны на теплоотводы и установлены на нижней несущей панели так, что фотоприемная площадка каждого солнечного элемента расположена в фокусе одной из линз Френеля.

Недостатками известной конструкции фотовольтаического концентраторного модуля являются сложность монтажа с высокой точностью большого количества солнечных элементов на несущей панели и низкая разориентационная характеристика устройства, требующая использования более точных и сложных систем слежения за солнцем.

Известен фотовольтаический концентраторный модуль (см. заявка RU 2009122813, МПК H01L 31/00, опубликована 15.06.2009), который содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель и солнечные элементы. Солнечные элементы снабжены теплоотводящими основаниями и установлены в центрах отверстий планок, параллельных друг другу и выполненных из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием, к которому подсоединены соответствующие контакты солнечных элементов. Планки установлены за фронтальной панелью. Центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Конструкция фотовольтаического модуля обеспечивает снижение трудоемкости его изготовления и повышение точности монтажа солнечных элементов.

Недостатком известной конструкции фотовольтаического концентраторного модуля является низкая разориентационная характеристика устройства, требующая использования более точных и сложных систем слежения за солнцем.

Известен солнечный фотовольтаический концентраторный модуль (см. патент RU 2352023, МПК H01L 31/052, опубликован 10.04.2009), содержащий боковые стенки, фронтальную панель и тыльную панель, изготовленные из силикатного стекла, первичные и вторичные оптические концентраторы и солнечные фотоэлементы с теплоотводящими элементами. Первичные оптические концентраторы выполнены в форме соприкасающихся друг с другом линз, сформированных в виде тыльной поверхности фронтальной панели методом литья под давлением. Вторичные оптические концентраторы выполнены 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. Вторичные оптические концентраторы позволяют улучшить разориентационную характеристику солнечного фотовольтаического концентраторного модуля.

Недостатками известного фотовольтаического концентраторного модуля являются сложность изготовления и монтажа вторичных оптических концентраторов на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов, а также дополнительные оптические потери при отражении света боковыми поверхностями фоконов.

Известен фотовольтаический концентраторный модуль (см. патент US 6804062, МПК G02B 27/10, опубликован 12.11.2004). Фотовольтаический модуль содержит первую линзовую панель из линз Френеля, изготовленную из силиконовой резины, вторую линзовую панель, изготовленную из силиконовой резины и содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз и сборку фотоэлектрических преобразователей, на основе тонкопленочных солнечных элементов. Причем, первая линзовая панель из линз Френеля располагается над второй линзовой панелью из короткофокусных иммерсионных линз таким образом, чтобы падающее солнечное излучение фокусировалось линзами в набор световых точек, каждая из которых совпадала с фотоприемной площадкой одного из солнечных элементов. Вторую линзовую панель из силиконовой резины, содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз наклеивают на сборку фотоэлектрических преобразователей с помощью жидкой двухкомпонентной силиконовой резины. Известный фотовольтаический концентраторный модуль имеет хорошую разориентационную характеристику.

Недостатками конструкции известного фотовольтаического концентраторного модуля являются сложность монтажа панели вторичных оптических концентраторов, изготовленной из силиконовой резины в промышленных солнечных модулях большой площади, кроме того, короткофокусные иммерсионные линзы, изготовленные из силиконовой резины, а также места контактов солнечных элементов с поверхностями иммерсионных линз работают при высокой концентрации солнечного излучения, создаваемой первичными оптическими концентраторами на линзах Френеля. Это приводит к деградации материала (силиконовой резины) короткофокусных иммерсионных линз и мест контактов солнечных элементов с поверхностями иммерсионных линз, что ухудшает качество вторичных оптических концентраторов, уменьшает надежность работы солнечных элементов и сокращает срок службы солнечного модуля.

Известен фотовольтаический концентраторный модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотовольтаический концентраторный модуль содержит фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также наноструктурные фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнены в виде лотков с плоским дном, через центральные продольные линии поверхностей которых проходят оптические оси соответствующих линз Френеля. Введена дополнительная промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной или тыльной стороне которой установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Фотоактивные поверхности фотоэлементов находятся в фокусном пятне двух оптических концентраторов - линз Френеля и плоско-выпуклых линз. В зависимости от варианта выполнения модуля расстояние между промежуточной панелью и теплоотводящими основаниями, фокусное расстояние плоско-выпуклых линз, толщины фотоэлементов, промежуточной панели и плоско-выпуклых линз связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения.

Известный фотовольтаический концентраторный модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности и обладает хорошей разориентационной характеристикой. Однако недостатком известного модуля-прототипа является высокий уровень концентрации солнечного излучения на фотоэлементах. В центре фокусного пятна двух оптических концентраторов - линзы Френеля и плоско-выпуклой линзы -, концентрация солнечного излучения достигает 5000-7000 крат, что приводит к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию и уменьшает срок службы фотоэлементов.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является создание фотовольтаического концентраторного модуля с повышенной надежностью и с увеличенным сроком службы за счет уменьшения локальной концентрации солнечного излучения и выравнивания освещенности фотоактивной области фотоэлемента при сохранении высокой энергопроизводительности и хорошей разориентационной характеристике.

Поставленная задача решается тем, что фотовольтаический концентраторный модуль включает первичный оптический концентратор в виде линзы Френеля и вторичный оптический концентратор с суммарным фокусным расстоянием F, оптическая ось которых проходит через центр фотоактивной области фотоэлемента, выполненной в виде круга диаметром d (мм). Вторичный оптический концентратор установлен на расстоянии H (мм) от фронтальной поверхности линзы Френеля. Вторичный оптический концентратор включает оптический элемент в виде усеченного шарового слоя, выполненного из материала с показателем преломления n₁=1,4-1,6 толщиной W (мм) с радиусом R (мм) сферической поверхности, диаметром D₀ (мм) меньшего основания усеченного шарового слоя и диаметром D₁ большего основания усеченного шарового слоя. Величины F, d, H, W, R, D₀, D₁ удовлетворяют соотношениям:

где f₁ - фокусное расстояние первичного оптического концентратора, мм.

Оптический элемент вторичного концентратора может быть установлен таким образом, что меньшее основание усеченного шарового слоя направлено в сторону линзы Френеля.

Оптический элемент вторичного концентратора может быть установлен таким образом, что большее основание усеченного шарового слоя направлено в сторону линзы Френеля.

Выбор радиуса R сферической поверхности усеченного шарового слоя, толщины W₁, оптического элемента вторичного концентратора, а также расстояния H между фронтальной поверхностью линзы Френеля и вторичным концентратором обеспечивает фокусировку солнечного излучения на фотоактивной области фотоэлемента. Фокусное расстояние f₁ линзы Френеля определяется ее габаритами и качеством фокусировки солнечного излучения. Расстояния H между фронтальной поверхностью линзы Френеля и вторичным оптическим концентратором зависит от размеров фотовольтаического модуля. Величины оптимальных диапазонов для значений размеров оптических элементов не могут быть определены аналитически в связи со сложностью расчета хода лучей в элементах вторичного оптического концентратора. Оптимальные соотношения между диапазонами размеров оптических элементов найдены экспериментальным путем. Для этого было проведено экспериментальное моделирование эффективности первичного и вторичного оптических концентраторов для значений фокусного расстояния линзы Френеля, равного 75 мм, и размеров входной апертуры линзы Френеля 40×40 мм. Поскольку ход лучей в оптической системе остается неизменным при сохранении соотношений размеров оптических элементов, и, учитывая, что размер сфокусированного пятна, из-за угловой расходимости солнечного излучения, составляет 0,01 фокусного расстояния линзы, были установлены соотношения между суммарным фокусным расстоянием первичного и вторичного оптических концентраторов F, размерами фотоактивной области фотоэлемента d, радиусом R сферической поверхности усеченного шарового слоя вторичного оптического концентратора. Размер сфокусированного пятна солнечного излучения составляет 0,01 суммарного фокусного расстояния F, поэтому размер фотоактивной области фотоэлемента d должен быть не меньше 0,03 F для полного собирания солнечного излучения и обеспечения разориентационных характеристик системы. Увеличение размеров фотоактивной области фотоэлемента d свыше 0,05 F приводит к увеличению расхода полупроводниковых материалов и удорожанию устройства. Эксперименты показали, что при значениях радиуса шаровой поверхности R фронтального оптического элемента вторичного оптического концентратора, больших 0,1 f₁, вторичный оптический концентратор не оказывает существенного влияния на улучшение разориентационных характеристик системы. Уменьшение радиуса R шаровой поверхности менее 0,05 f₁ приводит к чрезмерному увеличению концентрации солнечного излучения на фотоактивной области фотоэлемента.

Плоскость меньшего основания усеченного шарового слоя диаметром D₀ оптического элемента вторичного оптического концентратора служит для уменьшения концентрации солнечного излучения на фотоактивной области фотоэлемента. При этом если диаметр D₀ шарового слоя оптического элемента вторичного оптического концентратора превышает размер фотоактивной области фотоэлемента d, то большая часть солнечных лучей попадает на фотоактивную область фотоэлемента без дополнительной фокусировки вторичным оптическим концентратором, что приводит к ухудшению разориентационных характеристик системы. Если диаметр D₀<0,5 d, то это приводит к увеличению концентрации солнечного излучения на фотоактивной области фотоэлемента. Диапазон толщины W₁ усеченного шарового слоя выбирается в зависимости от радиуса R сферической поверхности усеченного шарового слоя по конструктивным соображениям. При этом диаметр D₁ большего основания усеченного шарового слоя связан с толщиной W₁ шарового слоя и радиусом R сферической поверхности усеченного шарового слоя соотношением:

Конструкция заявляемого фотовольтаического концентраторного модуля поясняется чертежами, где

на фиг.1 схематично изображен фотовольтаический концентраторный модуль, в котором оптический элемент вторичного оптического концентратора меньшим основанием усеченного шарового слоя направлен в сторону линзы Френеля;

на фиг.2 схематично изображен фотовольтаический концентраторный модуль, в котором оптический элемент вторичного оптического концентратора большим основанием усеченного шарового слоя направлен в сторону линзы Френеля;

на фиг.3 схематично изображен фотовольтаический концентраторный модуль, в котором между оптическим элементом вторичного оптического концентратора и фотоактивной областью фотоэлемента установлена плоскопараллельная пластина;

на фиг.4 схематично изображен фотовольтаический концентраторный модуль, в котором между оптическим элементом вторичного оптического концентратора и фотоактивной областью фотоэлемента установлен усеченный конус.

Заявляемый фотовольтаический концентраторный модуль (см. фиг.1, фиг.2) содержит фотоэлемент 1, фотоактивная область 2 которого выполнена в виде круга диаметром d, первичный оптический концентратор 3 в виде линзы Френеля, оптическая ось 4 которой проходит через центр 5 фотоактивной области 2 фотоэлемента 1 и вторичный соосный с ним оптический концентратор 6, установленный на расстоянии H от фронтальной поверхности 7 первичного оптического концентратора 3. Вторичный оптический концентратор 6 содержит оптический элемент 8 в виде усеченного шарового слоя, выполненного из материала с показателем преломления n₁=1.4-1.6 толщиной W₁, с радиусом R сферической поверхности 9, диаметром D₀ меньшего основания 10 усеченного шарового слоя и диаметром D₁ большего основания 11 усеченного шарового слоя.

Заявляемый фотовольтаический концентраторный модуль может содержать (см. фиг.3-фиг.4) промежуточный оптический элемент в виде пластины 12 или усеченного конуса 13, выполненный из материала с показателем преломления n₁≥n₂≥1,4 толщиной W₂ и имеющего линейные размеры D₂.

Диаметр d фотоактивной области 2 фотоэлемента 1 выбирается таким, чтобы выполнялось соотношение: , где F - суммарное фокусное расстояние первичного оптического концентратора 3 и сферической поверхности 9 оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6. Величина F суммарного фокусного расстояния первичного оптического концентратора 3 и сферической поверхности 9 оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 определяется из соотношения: . Радиус R сферической поверхности 9 оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 связан с фокусным расстоянием f₁ линзы Френеля первичного оптического концентратора 3 соотношением: Толщина W₁ оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 определяется из соотношения: Диаметр D₀ меньшего основания 10 оптического элемента 8 связан с диаметром d фотоактивной области 2 фотоэлемента 1 соотношением: Диаметр D₁ большего основания 11 оптического элемента 8 определяется из соотношения:

Промежуточный оптический элемент может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины 12, на которой установлен оптический элемент в виде усеченного шарового слоя, либо в виде усеченного конуса 13, расположенного между большим основанием 11 усеченного шарового слоя и фотоактивной областью 2 фотоэлемента 1. Линейные размеры D₂ промежуточного оптического элемента 12, 13 установлены в диапазоне: , где x₁ - расстояние от поверхности фотоэлемента 1 до части промежуточного оптического элемента 12, 13 с диаметром D₂; L - линейные размеры линзы Френеля первичного оптического концентратора 3. Поскольку солнечное излучение фокусируется первичным 3 и вторичным 6 оптическими концентраторами на фотоактивной области 2 фотоэлемента 1, то толщина W₂ промежуточного оптического элемента определяется из соотношения:

При работе заявляемого фотовольтаического концентраторного модуля с фотоэлементом 1, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам, солнечное излучение, попадающее на входную апертуру первичного оптического концентратора 3, формируется им и в виде сходящегося светового пучка, направляемого на сферическую поверхность 9 и поверхность меньшего основания 10 (см. фиг.1) усеченного шарового слоя вторичного оптического концентратора 6. После преломления на сферической поверхности 8 и поверхности меньшего основания 9 оптического элемента 8, солнечное излучение собирается на фотоактивной области 2 фотоэлемента 1. При этом для лучей, проходящих через поверхность меньшего основания 9 оптического элемента 8, фокальная плоскость расположена за фотоактивной областью 2 фотоэлемента 1. Для лучей, проходящих через сферическую поверхность 9, фокальная плоскость совпадает с фотоактивной областью 2 фотоэлемента 1. В случае конфигурации фотовольтаического концентраторного модуля, в котором оптический элемент 8 вторичного концентратора 6 большим основанием 11 направлен в сторону линзы Френеля (см. фиг.2), солнечное излучение, сформированное в виде сходящегося светового пучка, направляется на поверхность большего основания 11 усеченного шарового слоя вторичного оптического концентратора 6. Преломленные поверхностью большего основания 11 оптического элемента 8 лучи сходящегося светового пучка направляются на сферическую поверхность 9 и поверхность меньшего основания 10 (см. фиг.2) оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6. После преломления на сферической поверхности 9 и поверхности меньшего основания 10 оптического элемента 8, солнечное излучение собирается на фотоактивной области 2 фотоэлемента 1. При этом расстояние между фокальными плоскостями для центральных лучей и лучей, прошедших через сферическую поверхность 9, будет меньше.

Заявляемая конфигурация оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 обеспечивает более однородное распределение концентрации солнечного излучения на поверхности фотоактивной области 2 фотоэлемента 1. При разориентации оптической оси фотовольтаического концентраторного модуля от направления на Солнце большая часть лучей проходит через сферическую поверхность 9 и фокусируется вблизи центра фотоактивной области 2, обеспечивая расширение разориентационной характеристики фотовольтаического концентраторного модуля.

Промежуточный оптический элемент 11,12, который может быть установлен между вторичным оптическим концентратором 6 и фотоактивной области 2 фотоэлемента 1, служит для уменьшения оптических потерь на отражение преобразуемого солнечного излучения. Он также может использоваться для механического крепления элементов конструкции.

Пример 1. Был изготовлен фотовольтаический концентраторный модуль, в котором в качестве первичного концентратора была использована линза Френеля с размерами входной апертуры 40×40 мм и фокусным расстоянием f₁=75 мм. В качестве фотоэлемента использовался трехкаскадный фотоэлемент на основе наногетероструктуры. Оптический элемент вторичного оптического концентратора в виде усеченного шарового слоя был выполнен из стекла с показателем преломления n₁=1,54 и установлен на расстоянии H=72 мм от фронтальной поверхности первичного оптического концентратора. Меньшее основание оптического элемента вторичного оптического концентратора направлено в сторону линзы Френеля. Между большим основанием оптического элемента вторичного оптического концентратора и фотоактивной областью фотоэлемента был расположен промежуточный оптический элемент в виде усеченного конуса, изготовленный из силикона с показателем преломления n₂=1,47. На основе приведенных выше соотношений были определены значения размеров и параметров оптических элементов фотовольтаического концентраторного модуля: R=4 мм; F=53,4 мм; d=1,6 мм; W₁=1,6 мм; D₀=0,8 мм; D₁=6,5 мм; W₂=3,5 мм; D₂=6,5 мм; диаметр нижнего основания усеченного конуса промежуточного оптического элемента равен 1,6 мм. Максимальное измеренное значение локальной концентрации солнечного излучения в центре фотоактивной области фотоэлемента в данной конструкции фотовольтаического концентраторного модуля составило 2350 крат. При контролируемом отклонении оптической оси фотовольтаического концентраторного модуля от направления на Солнце сектор углов разориентации, в котором выходная мощность модуля составляла не менее 0,9 от максимального значения, равнялся ±1,12°.

Пример 2. Был изготовлен фотовольтаический концентраторный модуль, как в примере 1, но со следующими отличиями: оптический элемент вторичного оптического концентратора был выполнен из стекла с показателем преломления n₁=1,52 и установлен на расстоянии H=70 мм от фронтальной поверхности первичного оптического концентратора. Меньшее основание оптического элемента вторичного оптического концентратора было направлено в сторону линзы Френеля. Большим основанием оптический элемент вторичного оптического концентратора был установлен на промежуточном оптическом элементе в виде плоскопараллельной пластины из стекла с показателем преломления n₂=1,51 размерами 40×40 мм. На основе приведенных выше соотношений были определены значения размеров и параметров оптических элементов фотовольтаического концентраторного модуля: R=7,5 мм; F=44,7 мм; d=2,3 мм; W₁=3 мм; D₀=2,3 мм; D₁=12,1 мм; W₂=4 мм. Максимальное измеренное значение локальной концентрации солнечного излучения в центре фотоактивной области фотоэлемента в данной конструкции фотовольтаического концентраторного модуля составило 1800 крат. При контролируемом отклонении оптической оси фотовольтаического концентраторного модуля от направления на Солнце сектор углов разориентации, в котором выходная мощность модуля составляла не менее 0,9 от максимального значения, равнялся ±0,86°.

Пример 3. Изготавливали фотовольтаический концентраторный модуль, как в примере 1, но со следующими отличиями: оптический элемент вторичного оптического концентратора был выполнен из стекла с показателем преломления n₁=1,54 и установлен с помощью металлического держателя на расстоянии H=68 мм от фронтальной поверхности первичного оптического концентратора. Большее основание оптического элемента вторичного оптического концентратора направлено в сторону линзы Френеля. На основе приведенных выше соотношений были определены значения размеров и параметров оптических элементов фотовольтаического концентраторного модуля: R=5 мм; F=42,7 мм; d=2 мм; W₁=2 мм; D₀=1 мм; D₁=3.2 мм. Максимальное измеренное значение локальной концентрации солнечного излучения в центре фотоактивной области фотоэлемента в данной конструкции фотовольтаического концентраторного модуля составило 2100 крат. При контролируемом отклонении оптической оси фотовольтаического концентраторного модуля от направления на Солнце сектор углов разориентации, в котором выходная мощность модуля составляла не менее 0,9 от максимального значения, равнялся ±0,98°.

Из приведенных примеров видно, что распределение концентрации солнечного излучения на поверхности фотоактивной области фотоэлемента более однородное, а максимальные значения локальной концентрации солнечного излучения существенно ниже, чем при использовании в качестве вторичных оптических концентраторов выпуклых линз. При этом разориентационная характеристика фотовольтаического концентраторного модуля остается более высокой, чем в фотовольтаических модулях без вторичного оптического концентратора. Более однородное распределение концентрации солнечного излучения по поверхности фотоактивной области фотоэлементов приводит к уменьшению локального перегрева фотоэлементов, повышению надежности их работы и увеличению срока службы фотовольтаических концентраторных модулей, а улучшение разориентационных характеристик - к повышению эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Фотовольтаический концентраторный модуль содержит первичный оптический концентратор в виде линзы Френеля и вторичный оптический концентратор с суммарным фокусным расстоянием F. Оптическая ось концентраторов проходит через центр фотоактивной области фотоэлемента, выполненной в виде круга диаметром d (мм). Вторичный оптический концентратор установлен на расстоянии Н (мм) от фронтальной поверхности линзы Френеля и включает оптический элемент в виде усеченного шарового слоя, выполненного из материала с показателем преломления n₁=1,4-1,6. Оптический элемент вторичного оптического концентратора выполнен толщиной W (мм) с радиусом R (мм) сферической поверхности, диаметром D₀ (мм) меньшего основания и диаметром D₁ большего основания. Величины F, d, Н, W, R, D₀, D₁ удовлетворяют определенным соотношениям. Изобретение обеспечивает возможность создания фотовольтаического концентраторного модуля с повышенной надежностью и с увеличенным сроком службы за счет уменьшения локальной концентрации солнечного излучения и выравнивания освещенности фотоактивной области фотоэлемента при сохранении высокой энергопроизводительности и хорошей разориентационной характеристике. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фотовольтаический концентраторный модуль, включающий первичный оптический концентратор в виде линзы Френеля и вторичный оптический концентратор с суммарным фокусным расстоянием F, оптическая ось которых проходит через центр фотоактивной области фотоэлемента, выполненной в виде круга диаметром d (мм); вторичный оптический концентратор установлен на расстоянии Н (мм) от фронтальной поверхности линзы Френеля и включает оптический элемент в виде усеченного шарового слоя, выполненного из материала с показателем преломления n₁=1,4-1,6, толщиной W (мм), радиусом R (мм) сферической поверхности, диаметром D₀ (мм) меньшего основания усеченного шарового слоя и диаметром D₁ большего основания усеченного шарового слоя; при этом величины F, d, Н, W, R, D₀, D₁ удовлетворяют соотношениям:
;
;
;
;
;
,
где f₁ - фокусное расстояние первичного оптического концентратора, мм.

2. Фотовольтаический концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что меньшее основание усеченного шарового слоя направлено в сторону линзы Френеля.

3. Фотовольтаический концентраторный модуль по п.1, отличающийся тем, что большее основание усеченного шарового слоя направлено в сторону линзы Френеля.