СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ Российский патент 2012 года по МПК H01L31/52 

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами.

Известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде линзы Френеля (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович. «Концентраторы солнечного излучения», глава 2 «Концентраторы на основе линз Френеля», стр.50-66. Известные солнечные модули имеют линзы с рабочим профилем, создающие в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы кремниевыми планарными ФЭП.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из линзы Френеля и фотоэлектрического приемника (ФЭП), выполненного из последовательно соединенных секторов круглого планарного ФЭП и расположенного на фокусном расстоянии с соответствующей продольной дефокусировкой фокального пятна (Тверьянович Э.В., Красина Е.А., Жуков К.В., Мусихин М.В., Невежин О.А. Исследование фотоэлектрических модулей на основе линз Френеля. Сб. Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических энергоустановок. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.33-36).

Недостатками известного технического решения являются:

- снижение КПД планарными кремниевыми ФЭП при высоких концентрациях солнечного излучения;

- расположение оптического фокуса на оси линзы Френеля и неоднородность распределения освещенности поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП);

- низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 B) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле, чтобы набрать напряжение 12В и выше, приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п. Последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерного освещения фотоприемника, получение на одном ФЭП (модуле) технически приемлемого напряжения (12B и выше), повышение КПД преобразования и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения - на поверхности высоковольтного фотопреобразователя формируется равномерная освещенность концентрированного излучения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле с концентратором, содержащем линзу Френеля с концентрическим рабочим профилем и фотоэлектрический приемник ФЭП в фокальной плоскости с устройством охлаждения, линза Френеля состоит из двух зон с рабочими профилями, одна с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая - от центра симметрии к периферии; а преемник выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr и с внутренним радиусом кольцевого приемника r₀, равным r₀=n₀*Δr, где n₀ выбирается из ряда целых чисел n=0…N и внешним радиусом линзы R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4.

На фиг.1 представлена схема конструкции фотоэлектрического модуля с линзой Френеля, обеспечивающей равномерное распределение концентрированного излучения на приемнике.

На фиг.2 представлен ход лучей от линзы Френеля до приемника.

На фиг.3 представлен график зависимости геометрической концентрации модуля от площади приемника.

На фиг.4 представлены графики распределения концентрации освещенности на приемнике модуля с различными внутренними радиусами.

Фотоэлектрический модуль содержит: концентрическую линзу Френеля 1, которая состоит из двух зон с рабочими профилями, одна зона 2 с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая зона 3 - от центра симметрии 4 к периферии; приемник 5 с устройством охлаждения 6 приемника, установленный в фокальной плоскости 7, выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr и с внутренним радиусом кольцевого приемника r₀, равным соотношению r₀=n₀*Δr, где n₀ выбирается из ряда целых чисел n=0…N и внешним радиусом линзы R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr.

Основные расчетные соотношения хода лучей от линзы Френеля до приемника:

где βn - угол между лучом, перпендикулярным наружной плоскости ЛФ 1 и преломленным лучом, попадающим на приемник 5, расположенным на радиусе Rno; j_1n - угол между лучом, перпендикулярным наружной плоскости ЛФ 1, и лучом, перпендикулярным к рабочей плоскости, расположенной на радиусе Rn; j_2n - угол между лучом, перпендикулярным к рабочей плоскости линзы Френеля, и преломленным лучом, попадающим на приемник 5, расположенным на радиусе Rno=r₀.

Радиус Rn равен соотношению:

Относительный коэффициент преломления n₁₂ определяется согласно соотношению:

Расстояние от ЛФ 1 до приемника 5 H определяется соотношением:

Ширина рабочей плоскости ЛФ 1 l_n равно соотношению:

Высота наклона рабочей плоскости ЛФ 1 h_n равна соотношению:

Площадь освещенности приемника 5 Sn_o с внутренним радиусом r₀ рассчитывается согласно выражению:

Площади приемника 5 ΔSmn_o с внутренним радиусом r₀ в интервалах Δm рассчитывается согласно выражению:

где m выбирается из ряда чисел m=0…1, кратному Δm.

Суммарные площади освещенности ΔSmn по радиусу приемника 5 в интервалах Δm рассчитывается согласно выражению:

Значение ряда в формуле (11) имеет вид:

где

Концентрация освещенности по радиусу приемника 5 Kmn_o в интервалах Δm соответствует выражению:

Геометрическая концентрация освещенности приемника 5 Kn_o равна:

На основании приведенных формул произведен расчет зависимости геометрической концентрации модуля от ширины (площади) приемника 5 (фиг.3).

При уменьшении внутреннего радиуса приемника 5 r₀ от R до 0 (при постоянном значении Δr), т.е. при уменьшении площади приемника 5 происходит увеличение геометрической концентрации модуля Kn_o.

Таким образом, можно изменять геометрическую концентрацию модуля, не меняя габаритных размеров линзы Френеля 1 и выбранный тип приемника 5.

На фиг.4 приведены зависимости распределения освещенности по радиусу приемника 5 с различными внутренними радиусами r₀ от изменения радиуса приемника 5. На основании приведенных характеристик видно, что изменение концентрации освещенности по радиусу преемника 5, при изменении внутреннего радиуса r₀, не превышает 10%, что не влияет на электрофизические характеристики ФЭП.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором.

Концентрическая линза Френеля 1 радиусом R=15 см выполнена из пластмассы с коэффициентом преломления n₁₂=1,5; рабочий профиль линзы состоит из чередующихся концентрических призм шириной Δr=1 см с углами наклона, обеспечивающими концентрацию лучей на приемник 5, выполненный в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr=1 см и с внутренним радиусом r₀=7 см, закрепленный на кольцевом устройстве охлаждения 6 на расстоянии H=28,6 см. Концентрация освещенности на всей поверхности фотоэлектрического приемника 5 составит K=15 крат.

Таким образом, предложенный фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с высоковольтным фотоэлектрическим преобразователем и линзой Френеля 1 обеспечивает: равномерное распределение освещенности на фотоприемнике 5, из последовательно-параллельно соединенных ФЭП, тем самым повышая напряжение модуля и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.

Работает солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на поверхность прямоугольной линзы Френеля 1, преломляется на ее рабочих профилях, изготовленных с интервалами Δr и углами наклона j_1n, ориентированных в своих зонах таким образом, чтобы одна зона 2 обеспечивала концентрацию лучей от периферии к центру, а другая зона 3 - от центра симметрии 4 к периферии под углами βn, формируя на поверхности приемника 5 с устройством охлаждения 6 шириной Δr, установленного в фокальной плоскости 7, равномерную освещенность концентрированного излучения; приемник 5 выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей шириной Δr и с внутренним радиусом r₀, равным соотношению r₀=n₀*Δr, где n₀ выбирается из ряда целых чисел n=0…N и внешним радиусом линзы R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr.

Фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения относится к гелиотехнике. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий линзу Френеля с концентрическим рабочим профилем и фотоэлектрический приемник ФЭП в фокальной плоскости с устройством охлаждения, отличающийся тем, что линза Френеля состоит из двух зон с рабочими профилями, одна с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая - от центра к периферии; приемник выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr и с внутренним радиусом кольцевого приемника r₀, равным соотношению r₀=n₀*Δr, где n₀ выбирается из ряда целых чисел n=0…N и внешним радиусом линзы R-N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr. Изобретение обеспечивает повышение КПД преобразования и снижения стоимости вырабатываемой энергии. 4 ил.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий линзу Френеля с концентрическим рабочим профилем и установленный фотоэлектрический приемник ФЭП в фокальной плоскости с устройством охлаждения, отличающийся тем, что линза Френеля состоит из двух зон с рабочими профилями: одна с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая - от центра к периферии; приемник выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr и с внутренним радиусом кольцевого приемника r₀, равным соотношению r₀=n₀·Δr, где n₀ выбирается из ряда целых чисел n=0…N, и внешним радиусом линзы R=N·Δr, где N - число интервалов величиной Δr.