КОНСТРУКЦИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ Российский патент 2013 года по МПК H01L31/42 

Заявляемое 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 фотоэлектрический 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 концентратора, имеющего степень концентрации солнечного излучения 5-10 крат, вторичного концентратора, расположенного ниже первого и увеличивающего степень концентрации солнечного излучения в 20-50 раз, и третьего концентратора, установленного в нижней плоскости вторичного концентратора и фокусирующего излучение на поверхность солнечного фотоэлемента. В качестве первичного концентратора может быть использована линза Френеля. Вторичный концентратор представляет собой комбинированный параболический отражатель, изготовленный из стекла или керамики и имеющий отражающие и защитные покрытия. В качестве третьего концентратора служит стеклянная линза. Солнечный фотоэлемент установлен на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.

Недостатками известной конструкции фотоэлектрического модуля являются большие потери света за счет отражения от поверхностей оптических элементов трехкаскадного концентратора, технические сложности изготовления, монтажа и юстировки большого количества оптических деталей и, соответственно, также высокая стоимость конструкции.

Известен фотоэлектрический модуль (см. заявка РСТ WO 9213362, H01L 31/00, опубликована 06.08.1992), состоящий из нескольких фотоэлектрических сборок, содержащих корпус, смонтированный в корпусе концентратор и фоточувствительный элемент, расположенный на задней стенке корпуса. В качестве концентратора может быть использована линза Френеля, а корпус может иметь вид усеченного конуса, либо усеченной пирамиды.

Основным недостатком рассматриваемого фотоэлектрического модуля с концентратором является сложность изготовления и высокая стоимость конструкции.

Известен фотоэлектрический модуль (см. US 4834805 H01L 31/00, дата публикации 30.05.1989), содержащий линзовую панель, сформированную из множества линз, расположенную на фиксированном расстоянии от многослойной подложки, в которую вмонтированы солнечные элементы небольших размеров. При этом солнечные элементы, выполненные на основе многослойных полупроводниковых кристаллов, имеющие нижний сплошной металлический контакт и верхний контакт в виде тонкой металлической сетки, солнечные элементы устанавливаются в лунки многослойной подложки, фиксируются там механически и электрически соединяются с токопроводящими слоями подложки. Линзовая панель состоит из матриц сферических или асферических стеклянных плосковыпуклых линз, обращенных в сторону подложки с фотоэлементами.

Недостатком известной конструкции является высокая технологическая сложность изготовления и монтажа многослойной подложки с фотоэлементами, большой вес линзовой панели, а также сложности с отводом тепла от фотоэлементов.

Известен фотоэлектрический модуль (см. заявка РСТ WO 2008068006, H01L 31/00, опубликована 12.06.2008), в котором на основании из электроизолирующего материала смонтированы сборки солнечных элементов. Сборки солнечных элементов представляют собой электро- и теплопроводящий носитель, на котором установлены кристалл солнечного элемента и байпасный диод. Поскольку байпасный диод и кристалл солнечного элемента имеют противоположную проводимость, то их верхние контакты соединены электрическим проводником, который также соединяет их с электро- и теплопроводящим носителем соседней сборки солнечных элементов.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является сложность монтажа панели солнечных элементов и, поскольку данная конструкция предполагает последовательное соединение всех элементов, то при изготовлении солнечных батарей большой мощности возникают сложности с коммутацией и требуется высокая электрозащищенность всех элементов конструкции.

Известен фотоэлектрический модуль (см. В.М.Андреев и др. "Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения". Л., "Наука", Ленинградское отделение, 1989, с.302-303). Модуль содержит 8 или 16 линз Френеля и соответствующее количество солнечных фотоэлементов, размещенных против линз на алюминиевом листе, который одновременно выполняет роль подложки фотоэлементов, радиатора и металлического корпуса. Для электроизоляции солнечных фотоэлементов от корпуса используются пластины высокоомного кремния, обладающие высокой теплопроводностью. Линзы Френеля изготовлены из органического стекла методом прессования. Для защиты от атмосферных воздействий линзы закрыты листом силикатного стекла.

Модуль превосходит по своим технико-экономическим показателям кремниевые солнечные фотоэлектрические модули без концентраторов. Однако он обладает малой энергопроизводительностью.

Известен фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007). Фотоэлектрический модуль содержит боковые стенки и фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также солнечные 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. Лотки своими верхними частями могут быть герметично соединены с тыльной поверхностью промежуточной панели. Светоприемные поверхности фотоэлементов находятся в фокусном пятне двух 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 фотоэлектрический модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности фотоэлектрического модуля. Однако недостатком известного фотоэлектрического модуля является высокая трудоемкость позиционирования отдельных ФЭ и статистическая вероятность линейного несовпадения центров ФЭ с оптическими центрами соответствующих линз в линзовой панели.

Известен фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2395136, МПК H01L 31/042, опубликован 15.06.2010), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Конструкция фотоэлектрического модуля содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель, солнечные элементы, снабженные теплоотводящими основаниями, и байпасные диоды. Солнечные элементы установлены в центрах отверстий планок, выполненных из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием, к которому подсоединены соответствующие контакты солнечных элементов и байпасные диоды. Расстояние между центрами соседних отверстий планок равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля фронтальной панели, лежащих в плоскости, параллельной планкам. Планки установлены за фронтальной панелью параллельно друг другу с шагом, равным расстоянию между центрами соседних линз Френеля, лежащих в плоскости, перпендикулярной планкам. Фронтальная панель и тыльная панель прикреплены к боковым стенкам так, что центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Планки фотоэлектрического модуля могут быть выполнены из стеклотекстолита с двусторонним металлическим покрытием. Металлическое теплоотводящее основание является и одним из электрических контактов солнечного фотоэлемента. Вторым контактом является верхнее металлическое покрытие фольгированного стеклотекстолита, к которому подведен проволочный контакт, присоединенный другим концом к контактной сетке фотоэлемента.

Конструкция модуля-прототипа обеспечивает высокую точность монтажа солнечных элементов при низкой трудоемкости изготовления, что позволяет улучшить характеристики фотоэлектрического модуля и, тем самым, увеличить его энергопроизводительность при снижении стоимости затрат. Модуль-прототип превосходит по своим показателям все другие известные фотоэлектрические модули с концентраторами, включая рассмотренные выше аналоги.

Однако недостатком конструкции модуля-прототипа является сокращение срока службы фотоэлектрического модуля при увеличении концентрации излучения за счет выгорания стеклотекстолита в сфокусированном пятне солнечного излучения при временной разориентации модуля в процессе слежения за Солнцем и осаждения продуктов распада материала стеклотекстолита на поверхности фотоэлементов.

Задачей, решаемой настоящим техническим решением, является повышение надежности работы фотоэлектрического модуля и увеличение срока службы при увеличении концентрации солнечного излучения до уровня 1000^Х-3000^Х при сохранении точности монтажа солнечных элементов и низкой стоимости изготовления модуля.

Поставленная задача решается тем, что конструкция фотоэлектрического модуля содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель, солнечные элементы, снабженные теплоотводящими основаниями, и байпасные диоды. Солнечные элементы установлены в центрах отверстий металлических планок, выполненных из конструкционного металла толщиной Н от 0,4 мм до 0,8 мм. На фронтальную сторону планок нанесен слой диэлектрика толщиной h₁ и металлическое покрытие толщиной h₂, к которому подсоединены верхние контакты солнечных элементов и байпасных диодов. Диаметр отверстий в металлическом покрытии над отверстиями планок меньше диаметра отверстий в слое диэлектрика над отверстиями планок на 0,05-0,1 мм, а общая толщина слоя диэлектрика и металлического покрытия h₁+h₂ удовлетворяет соотношению:

0,1 Н≤h₁+h₂≤0,2 Н, мм.

Расстояние между центрами соседних отверстий планок равно расстоянию между центрами соседних линз Френеля фронтальной панели, лежащих в плоскости, параллельной планкам. Планки установлены за фронтальной панелью параллельно друг другу с шагом, равным расстоянию между центрами соседних линз Френеля, лежащих в плоскости, перпендикулярной планкам. Фронтальная панель и тыльная панель прикреплены к боковым стенкам так, что центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента совпадает с фокусом соответствующей линзы Френеля.

Планки фотоэлектрического модуля могут быть изготовлены из стальной ленты.

В качестве металлического покрытия металлических планок может быть использована медная фольга с нанесенным слоем иммерсионного золота.

В качестве слоя диэлектрика между поверхностью металлической планки и металлическим покрытием может быть использована полиимидная пленка.

Теплоотводящие основания, на которых устанавливаются солнечные элементы, могут соединяться с металлическими планками методом пайки или с помощью крепежных элементов.

Планки с отверстиями выполняются из конструкционного металла, что обеспечивает точность позиционирования солнечных элементов. Для обеспечения жесткости конструкции толщина металла Н должна быть не менее 0,4 мм. Увеличивать толщину металла Н больше 0,8 мм нецелесообразно из-за увеличения веса конструкции. По сравнению с диэлектриками, металлы обладают более высокой теплопроводностью и отражательной способностью. Поэтому при попадании сфокусированного солнечного излучения на поверхности металлических планок при временной разориентации модуля в процессе слежения за Солнцем не происходит выгорания металла и нарушения работы модуля. Для предотвращения выгорания слоя диэлектрического покрытия вокруг отверстий планок из металла при временной разориентации модуля в процессе слежения за Солнцем диаметр отверстий в металлическом покрытии над отверстиями планок выполняется меньше диаметра отверстий в слое диэлектрика. Разница диаметров отверстий в слое диэлектрика и металлическом покрытии над отверстиями планок в 0,05 мм обеспечивает надежное затенение диэлектрика при попадании сфокусированного солнечного пятна на край отверстий планок. Увеличение разницы диаметров отверстий в слое диэлектрика и металлическом покрытии над отверстиями планок свыше 0,1 мм приводит к снижению надежности работы конструкции вследствие возможного электрического закорачивания солнечных элементов при загибании края металлического покрытия и соприкосновения его с металлической планкой. Для обеспечения хорошей электрической проводимости металлического покрытия и надежной защиты от электрического пробоя между контактами солнечных элементов толщина слоя диэлектрика и металлического покрытия h₁+h₂ должна быть не меньше 0,1 толщины планок. Увеличение толщины слоя диэлектрика и металлического покрытия h₁+h₂ выше 0,2Н приводит к ухудшению передачи тепла к металлической планке и теплоотводящим основаниям при попадании сфокусированного солнечного пятна на фронтальную сторону планок. Кроме того, увеличение суммарной глубины отверстий металлических планок, в которых расположены солнечные элементы, равной H+h₁+h₂, свыше 1 мм может приводить к частичному затенению поверхности солнечных элементов при фокусировке солнечного излучения.

На фиг.1 схематически изображен вид сбоку заявляемой конструкции фотоэлектрического модуля с частичным разрезом;

на фиг.2 показан вид сверху заявляемой конструкции фотоэлектрического модуля в разрезе по А-А;

на фиг.3 показан в увеличенном виде вид сбоку в разрезе на солнечный элемент, установленный в центре отверстия планки из конструкционного металла при соединении теплоотводящих оснований с металлической планкой методом пайки;

на фиг.4 показан вид сбоку в разрезе на солнечный элемент, установленный в центре отверстия планки из конструкционного металла при соединении теплоотводящих оснований с металлической планкой крепежными элементами;

на фиг.5 показан вид снизу сквозь светопрозрачную тыльную панель на крепежные элементы, соединяющие теплоотводящие основания с металлической планкой.

Заявляемый фотоэлектрический модуль 1 (см. фиг.1, фиг.2) содержит боковые стенки 2, фронтальную панель 3 с линзами 4 Френеля, например, на внутренней стороне фронтальной панели 3, светопрозрачную тыльную панель 5 и солнечные элементы 6, снабженные теплоотводящими основаниями 7. Металлическое теплотводящее основание 7 также является и одним из электрических контактов солнечного фотоэлемента 6. Солнечные элементы 6 установлены в центрах отверстий 8 планок 9, параллельных друг другу и выполненных из конструкционного металла, на фронтальную сторону которых нанесен слой диэлектрика 10 толщиной h₁ и металлическое покрытие 11 толщиной h₂ (см. фиг.3), к которому подсоединены верхние контакты 12 солнечных элементов 6 и байпасных диодов (не показаны). Отверстия 13 в металлическом покрытии 11 над отверстиями планок 9 имеют диаметр D₁. Отверстия 14 в слое диэлектрика 10 над отверстиями планок 9 имеют диаметр D_2. При этом планки установлены за фронтальной панелью, а центр фотоприемной площадки 15 каждого солнечного элемента 6 лежит на одной оси с центром соответствующей линзы 4 Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Планки 9 обычно выполнены из стальной ленты. Слой диэлектрика 10 может быть выполнен из полиимидной пленки. Металлическое покрытие 11 обычно выполнено из медной фольги с нанесенным на нее слоем иммерсионного золота. Теплоотводящие основания 7 могут быть соединены с металлическими планками 9 с помощью пайки 16 (см. фиг.3), либо с помощью дополнительных крепежных элементов, например отгибающихся лепестков 17 в отверстия 18 в теплотводящих основаниях 7 (см. фиг.4, фиг.5).

Заявляемая конструкция фотоэлектрического модуля 1 собирается следующим образом. Металлические теплоотводящие основание 7 прикрепляют к тыльной стороне планок 9 посредством пайки 16 или дополнительных крепежных элементов 17 так, чтобы центры отверстий 8 планок 9 совпадали с центрами металлических теплоотводящих оснований 7. В центры отверстий 8 планок 9 на металлическое теплоотводящее основание 7 прикрепляют солнечные элементы 6. Верхние контакты 12 солнечных элементов 6 соединяют проводом посредством сварки с верхним металлическим покрытием 11 планок 9. Планки 9 металлическими теплоотводящими основаниями 7 с установленными солнечными элементами 6 прикрепляют к тыльной панели 5 фотоэлектрического модуля 1 так, чтобы центр фотоприемной площадки 15 каждого солнечного элемента 6 совпадал с фокусом соответствующей линзы 4 Френеля.

Заявляемый фотоэлектрический модуль 1 работает следующим образом: фотоэлектрический модуль 1 устанавливают на систему слежения за Солнцем и ориентируют в пространстве так, чтобы плоскость фронтальной панели 3 была перпендикулярна световому потоку солнечного излучения. При этом линзы 4 Френеля фронтальной панели 3 фокусируют солнечное излучение на фотоприемные площадки 15 фотоэлементов 6, установленных на теплоотводящих основаниях 7 в центрах отверстий 8 планок 9, которые закреплены на тыльной панели 5. При подключении к внешним контактам фотоэлектрического модуля 1 электрической нагрузки в цепи нагрузки будет протекать электрический ток, генерируемый фотоэлементами 6 под воздействием солнечного излучения. Коэффициент полезного действия фотоэлектрического модуля 1 достигает 25÷30%. Часть солнечной энергии, не преобразованная в электрическую, превращается в тепло, которое передается от фотоэлементов 6 к теплоотводящим основаниям 7 и тыльной панели 5 и рассеивается в окружающем пространстве. В процессе слежения за Солнцем при временной разориентации фотоэлектрического модуля 1 энергия сфокусированного пятна солнечного излучения, попадающего на фронтальную сторону металлических планок 9, либо на края отверстий 8 планок 9, частично отражается от металлических поверхностей, частично превращается в тепло, которое также передается от металлических планок 9 к теплоотводящим основаниям 7 и тыльной панели 5 и рассеивается в окружающем пространстве, не разрушая элементов фотоэлектрического модуля 1.

Заявляемая конструкция фотоэлектрического модуля повышает надежность работы фотоэлектрического модуля и увеличивает срок службы при уровнях концентрирования солнечного излучения, достигающих 1000^Х-3000^Х при сохранении точности монтажа солнечных элементов и низкой стоимости изготовления.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Конструкция фотоэлектрического модуля (1) содержит боковые стенки (2), фронтальную панель (3) с линзами Френеля (4), светопрозрачную тыльную панель (5), солнечные элементы (6) с фотоприемными площадками (15), совмещенными с фокальным пятном соответствующей линзы Френеля (4) и расположенными на теплоотводящих основаниях (7), и байпасные диоды. Солнечные элементы (6) и байпасные диоды установлены в центрах отверстий (8) в планках (9) из конструкционного металла толщиной Н от 0,4 мм до 0,8 мм. На фронтальную сторону планок (9) нанесен слой диэлектрика (10) толщиной h₁ и металлическое покрытие (11) толщиной h₂, к которому подсоединены верхние контакты солнечных элементов (6) и байпасных диодов. Диаметр отверстий в металлическом покрытии (11) над отверстиями планок (7) меньше диаметра отверстий в слое диэлектрика (10) над отверстиями планок на 0,05-0,1 мм, а общая толщина слоя диэлектрика (11) и металлического покрытия (10) h₁+h₂ удовлетворяет соотношению: 0,1H≤h₁+h₂≤0,2H. Фотоэлектрический модуль согласно изобретению имеет повышенную надежность работы и увеличенный срок службы при увеличении концентрации солнечного излучения до уровня 1000^Х-3000^Х. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Фотоэлектрический модуль, содержащий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля, светопрозрачную тыльную панель, солнечные элементы с фотоприемными площадками, совмещенными с фокальным пятном соответствующей линзы Френеля и расположенными на теплоотводящих основаниях, и байпасные диоды, причем солнечные элементы и байпасные диоды установлены в центрах отверстий в планках из конструкционного металла толщиной Н от 0,4 мм до 0,8 мм, на фронтальную сторону которых нанесен слой диэлектрика толщиной h₁ и металлическое покрытие толщиной h₂, к которому подсоединены верхние контакты солнечных элементов и байпасных диодов, при этом диаметр отверстий в металлическом покрытии над отверстиями планок меньше диаметра отверстий в слое диэлектрика над отверстиями планок на 0,05-0,1 мм, а общая толщина слоя диэлектрика и металлического покрытия h₁+h₂ удовлетворяет соотношению:
0,1 H≤h₁+h₂≤0,2 Н, мм.

2. Фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что металлические планки выполнены из стальной ленты.

3. Фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие выполнено из медной фольги с нанесенным на нее слоем иммерсионного золота.

4. Фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что слой диэлектрика выполнен из полиимидной пленки.

5. Фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что теплоотводящие основания соединены пайкой с металлическими планками.

6. Фотоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что теплоотводящие основания соединены с металлическими планками крепежными элементами.