УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2015 года по МПК H01L31/42 

Предлагаемое изобретение относится к области солнечной энергетики, а именно к полупроводниковым приборам для генерирования электрической энергии из светового излучения Солнца, в частности к устройствам матричных фотоэлектрических преобразователей со специальными поверхностными рельефами, преобразующим солнечную энергию в электрическую, и может быть использовано для получения и аккумулирования электрической энергии, например в качестве источников электричества для освещения в темное время суток, работы электронасоса, в системах энергообеспечения различных объектов - автомобилей, катеров, яхт, пунктов метеонаблюдения, телекоммуникационных систем, информационных стендов и т.п.

В настоящее время проблема использования экологически чистых, доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. В энергетических программах многих стран мира все большее место занимает использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии. В связи с увеличением потребления энергии во всем мире запасы традиционных источников энергии (различных видов ископаемого топлива) должны истощиться в не слишком отдаленном будущем. Поэтому необходимо разрабатывать и использовать альтернативные традиционным источники энергии. И здесь особое место по своей доступности и неисчерпаемости занимает солнечная энергия, являющаяся также одним из наиболее экологически чистых источников энергии.

Считается, что основными устройствами, непосредственно преобразующими солнечную энергию в электричество, обеспечивающими практически постоянную мощность при низких эксплуатационных расходах и фактически не загрязняющими окружающую среду, являются солнечные батареи.

В последнее время наблюдается рост исследований и разработок дешевых гибких солнечных батарей. Достоинством гибких солнечных батарей является то, что они могут принимать рассеянный и слабый солнечный свет (если Солнце скрыто за облаками) намного эффективнее, чем другие устройства для преобразования солнечной энергии, например кристаллические объемные батареи. Коме этого они намного терпимее относятся к затемнению или высоким рабочим температурам, которые характерны для работы под «открытым» Солнцем, особенно в «жарких» регионах планеты.

Однако существующие в настоящее время устройства для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию являются недостаточно эффективными по ряду причин. Хотя они дополняют друг друга полезными технологическими приемами, средствами и приспособлениями, однако все они имеют относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД), зависящий от угла наклона Солнца к поверхности солнечной батареи, при высокой стоимости таких устройств. Кроме того, для монтажа элементов солнечных батарей требуются довольно громоздкие приспособления.

Основным недостатком существующих устройств для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию является большая зависимость КПД от угла падения солнечного излучения. При отклонении излучения от зенита более чем на 10° начинает резко падать КПД и при углах около 40° устройство для преобразования солнечной энергии практически перестает преобразовывать солнечную энергию. Это приводит к необходимости либо использовать дополнительные дорогостоящие устройства для слежения за Солнцем, что возможно только в случае малогабаритных солнечных батарей, либо не менее сложные накопительные устройства, позволяющие накапливать пиковую энергию при нахождении Солнца в зените и распределять ее затем в течение суток, что актуально для солнечных электростанций. Наличие же световых ловушек в виде полостей приводит к возможности попадания излучения внутрь конструкции при значительном отклонении Солнца от зенита. Так, при угле 20° при вершине четырехгранной пирамиды коэффициент переотражения внутри ее составляет 4,25 для угла отклонения от зенита 70°. Кривая суточного распределения энергии, выдаваемая в течение светового дня, более полого спускается к нулю, обеспечивая повышение общего КПД устройства для преобразования солнечной энергии на 10-60%. Такие устройства для преобразования солнечной энергии, в результате, не требуют слежения за Солнцем и накопительных установок, что резко снижает затраты на установку и эксплуатацию устройства для преобразования солнечной энергии.

Поэтому проблема создания именно гибкого устройства для преобразования солнечной энергии, обеспечивающего повышение его КПД посредством формирования специального поверхностного рельефа в фотоэлектрических преобразователях на поверхности больших размеров при удешевлении производства и упрощении эксплуатации такого устройства, в настоящее время встала достаточно остро.

Известен солнечный элемент, включающий поверхностно-структурированный первый электрически проводящий слой полупроводника с текстурированными лицевой и тыльной поверхностями, на которых сформированы первая и вторая оксидные пленки соответственно, первый электрически проводящий высокоплотный слой полупроводника, сформированный в пределах поверхности первого электрически проводящего слоя полупроводника, множество первых углублений траншейного типа, сформированных с промежутками на тыльной поверхности первого электрически проводящего слоя полупроводника, третью оксидную пленку, сформированную на внешней поверхности первых углублений, первые и вторые электрически проводящие примесные области для обеспечения взаимно различных форм электрической проводимости в первом электрически проводящем слое полупроводника между соседними первыми углублениями, первые и вторые металлические электроды, сформированные в каждом из первых углублений соответственно первым и вторым электрически проводящим примесным областям [1].

Недостатком известного солнечного элемента является то, что оптическое качество рабочих поверхностей этих углублений обеспечивает использование не более 50% падающего солнечного излучения. Остальная часть излучения выходит из конструкций и рассеивается в окружающем пространстве, т.е. имеют место существенные потери падающего солнечного излучения и, как следствие, низкий КПД преобразования солнечной энергии. Кроме этого технология изготовления этих конструкций даже такого низкого оптического качества является дорогостоящим процессом. Для монтажа элементов известного устройства требуются довольно громоздкие приспособления.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для преобразования солнечной энергии, содержащее, по крайней мере, одну пару подложек, каждая из которых выполнена в виде полосы, при этом, по крайней мере, одна из полос выполнена с периодическим профилем в ее продольном направлении и переменным профилем в поперечном направлении, с нанесенным на ее рабочую поверхность фотоприемным слоем, при этом подложки одной пары соединены между собой с возможностью образования профилями, по крайней мере, одного ряда полостей в виде конусов, и/или пирамид, и/или сфер, и/или сфероидов, и/или цилиндров, и/или усеченных конусов, и/или усеченных пирамид, при этом полости в разных рядах в поперечном направлении могут быть выполнены различной формы. Толщина полосы может быть меньше высоты профиля поперечного и/или продольного сечения этой полосы [2].

Недостатком известного технического решения (прототипа) является то, что оптическое качество рабочих поверхностей этих полостей обеспечивает использование не более 50% падающего солнечного излучения. Остальная часть излучения выходит из конструкций и рассеивается в окружающем пространстве, т.е. имеют место существенные потери падающего солнечного излучения и, как следствие, низкий КПД преобразования солнечной энергии.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД устройства для преобразования солнечной энергии посредством увеличения коэффициента поглощения фотоприемного слоя за счет увеличения количества переотражений отраженного от фотоприемного слоя излучения внутри трехмерной структуры траншейного типа, снижения зависимости коэффициента поглощения от угла падения солнечного излучения при упрощении технологии изготовления, установки и эксплуатации устройства, снижении его веса и снижения зависимости коэффициента поглощения от угла падения солнечного излучения при упрощении технологии изготовления, установки и эксплуатации устройства, снижении его веса и стоимости.

Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования солнечной энергии, содержащем, по крайней мере, одну пару подложек, каждая из которых выполнена в виде полосы, при этом, по крайней мере, одна из полос выполнена профилированной с периодически повторяющимся профилем, образующим полости траншейного типа, и установлена с возможностью соединения своей лицевой поверхностью с тыльной поверхностью второй полосы, в отличие от прототипа полосы выполнены из материала, обеспечивающего возможность формирования их профилированными посредством изгибания, полоса, выполненная профилированной с периодически повторяющимся профилем, образующим полости траншейного типа, установлена с возможностью соединения своей лицевой поверхностью с тыльной поверхностью второй полосы и образования их профилями, по крайней мере, одного ряда траншей, а из полос одной пары - гибкого устройства для преобразования солнечной энергии, профили, по крайней мере, одного ряда траншей выполнены с возможностью образования части окружности, и/или части гиперболы, и/или части параболы, и/или траншеи с плоским, выпуклым или вогнутым дном и наклонными расширяющимися боковыми стенками, при этом все траншеи выполнены с направленными наружу перпендикулярными или наклонными относительно воображаемой плоскости, наложенной на края соответствующей траншеи первой полосы, бортами по контуру соответствующей траншеи, причем траншеи выполнены с нанесенным на их рабочую поверхность фотоприемным слоем, а борты траншей - с нанесенным на их поверхность фотоприемным слоем или отражающим покрытием.

Борты могут быть выполнены с изгибом.

На поверхности, расположенные между краями двух соседних бортов, выполненных с наклоном к центру соответствующей траншеи, может быть нанесен фотоприемный слой.

Между второй полосой и фотоприемным слоем может быть размещено отражающее покрытие.

В устройство может быть введен герметизирующий корпус, установленный с возможностью герметизации полостей, сформированных второй полосой.

Пространство, герметизируемое герметизирующим корпусом, может быть заполнено инертным газом или в нем создан вакуум.

На рабочей поверхности герметизирующего корпуса может быть размещен, по крайней мере, один светопрозрачный экран.

На тыльную поверхность светопрозрачного экрана может быть нанесен слой, обеспечивающий фильтрацию солнечного излучения, падающего на рабочую поверхность второй полосы, заданной длины волны.

На лицевую поверхность светопрозрачного экрана может быть нанесено предохраняющее его от атмосферного воздействия защитное покрытие.

На тыльной стороне первой полосы может быть размещен дополнительный защитный экран с возможностью герметизации тыльной стороны первой полосы от атмосферного воздействия.

Пространство, герметизируемое дополнительным защитным экраном, может быть заполнено инертным газом.

В устройство может быть введен второй герметичный корпус, выполненный с отверстиями, обеспечивающими возможность принудительного охлаждения через них тыльной стороны первой полосы посредством вентиляции воздуха или подвода хладоагента.

Устройство может быть выполнено в двухстороннем исполнении.

На внешнем контуре устройства могут быть установлены крепежные узлы, обеспечивающие возможность сборки в единую солнечную батарею по крайней мере двух устройств для преобразования солнечной энергии с созданием механического и электрического контактов между ними, и, по крайней мере, одно антистатическое устройство.

На фиг. 1-16 представлены принципиальные схемы выполнения устройства для преобразования солнечной энергии.

Устройство для преобразования солнечной энергии содержит пару полос, выполненных из материала, обеспечивающего возможность формирования их профилированными с периодически повторяющимся профилем, образующим полости 1 траншейного типа, посредством изгибания, а из полос одной пары - гибкого устройства для преобразования солнечной энергии, при этом первая полоса 2 выполнена профилированной с возможностью соединения своей лицевой поверхностью 3 с тыльной поверхностью 8 второй полосы 4, наложенной на первую полосу 2 и повторяющую ее профиль, профили траншей выполнены в виде части окружности 5, при этом все траншеи выполнены с направленными наружу изогнутыми относительно воображаемой плоскости, наложенной на края соответствующей траншеи первой полосы 2, бортами 6 по контуру соответствующей траншеи, причем на рабочую поверхность траншей и бортов 6 второй полосой 4 нанесен фотоприемный слой 7. При этом борта 6 выполнены с наклоном внутрь траншеи (фиг. 1).

При этом первая полоса 2 выполнена из материала, позволяющего формировать профиль, например, методом вакуумного прессования или методом тиснения по матрицам на базовой подложке, имеющей профиль соответствующего траншейного типа. Это обеспечивает оптическое качество стенок соответствующих траншей, формирующих полости 1. При этом изготовление профилированной второй полосы 2 проводится на серийном оборудовании, что значительно снижает себестоимость самой подложки и устройства для преобразования солнечной энергии в целом.

Вторая плоская полоса 4 с нанесенным на ее рабочую поверхность фотоприемным слоем 7 посредством изгибания укладывается на лицевую поверхность 3, профилированную в виде части окружности 5 траншей, своей тыльной поверхностью 8 и прикрепляется к ней клеевым слоем 9.

На фиг. 2 борта 10 по контуру соответствующей траншеи выполнены вертикально относительно воображаемой плоскости, наложенной на края соответствующей траншеи первой полосы 2 (плоскости устройства).

На фиг. 3 профили траншей выполнены в виде части гиперболы (параболы) 11, при этом их борта 10 выполнены вертикально относительно воображаемой плоскости, наложенной на края соответствующей траншеи первой полосы 2 (плоскости устройства).

На фиг. 4 профили траншей выполнены в виде части гиперболы (параболы) 11 и борта 12 выполнены с наклоном к центру соответствующей траншеи. Дно 13 гиперболы (параболы) 11 выполнено плоским. На лицевые поверхности бортов 12 нанесено отражающее покрытие 14. На плоские поверхности, расположенные между краями двух соседних бортов, выполненных с наклоном к центру соответствующей траншеи, может быть нанесен фотоприемный слой 7.

На фиг. 5 профили траншей выполнены с выпуклым дном 15 и наклонными расширяющимися боковыми стенками 16, а борта 10 выполнены вертикально относительно воображаемой плоскости, наложенной на края соответствующей траншеи первой полосы 2 (плоскости устройства).

На фиг. 6 профили траншей выполнены с выпуклым дном 15 и наклонными расширяющимися боковыми стенками 16, а борта 12 выполнены с наклоном к центру соответствующей траншеи.

При этом для всех вариантов бортов 6, 10, 12 может быть установлено отражающее покрытие 14 (вместо фотоприемного слоя 7).

На фиг. 7 представлена схема фотоприемного слоя 7. Фотоприемный слой 7 является составной структурой и состоит из лицевого электрода 36, непосредственно фотопоглощающего слоя 17, который может быть выполнен в одно- или многокаскадном исполнении на основе кремния, диатомовых водорослей и пр. и иметь различные коэффициенты поглощения в различных диапазонах длин волн солнечного спектра, и тыльного электрода 18. Фотоприемный слой 7 размещен на лицевой поверхности второй полосы 4. При этом между второй полосой 4 и фотоприемным слоем 7 может быть размещено отражающее покрытие 19.

На фиг. 8 показано устройство для преобразования солнечной энергии 20, установленное в герметизирующий корпус 21, на рабочей поверхности 22 которого может быть размещен светопрозрачный экран 23. По местам стыковки 24 герметизирующего корпуса 21 и светопрозрачного экрана 23 с другим устройством для преобразования солнечной энергии 25 производится герметизация полостей 1 для защиты фотоприемного слоя 7 от атмосферного воздействия. Крепежный герметизируемый узел 26 обеспечивает состыковку устройства для преобразования солнечной энергии 20 с другим устройством для преобразования солнечной энергии 25. Контактные выводы 27 обеспечивают как съем электроэнергии с отдельного устройства для преобразования солнечной энергии 20, так и с нескольких устройств для преобразования солнечной энергии 20, 25 при соответствующем их электрическом контакте выводов 27. На тыльную поверхность светопрозрачного экрана 23 может быть нанесен слой 28, обеспечивающий фильтрацию солнечного излучения, падающего на рабочую поверхность второй полосы 4, заданной длины волны, для обеспечения максимального поглощения излучения на оптимальных длинах волн для конкретного фотопоглощающего слоя 7. С лицевой стороны на светопрозрачный экран 23 может быть нанесено самоочищающееся защитное покрытие 29, обладающее свойством пыле-, грязе-, водоотталкивания и повышающее стойкость предлагаемого устройства для преобразования солнечной энергии к истиранию и царапинам. Охлаждение устройства для преобразования солнечной энергии в этом случае происходит за счет естественной конвекции с развитой поверхности устройств 20, 25. Для снятия статического электричества с устройства для преобразования солнечной энергии на герметизирующем корпусе 21 устанавливается антистатическое устройство 30.

Загерметизированное герметизирующим корпусом 21 пространство может быть заполнено инертным газом или в нем может быть создан вакуум.

На фиг. 9 представлено устройство для преобразования солнечной энергии, на тыльной стороне которого размещен дополнительный защитный экран 31, герметично соединенный с первой полосой 2, при этом загерметизированное пространство 32 заполнено инертным газом. В этом случае герметизирующий корпус 21 изготавливается с возможностью герметизации устройства по местам стыковки его со светопрозрачным экраном 23 и дополнительным защитным экраном 31 для защиты полостей 1, 32 от атмосферного воздействия.

Наличие в устройстве для преобразования солнечной энергии светопрозрачного экрана 23, размещенного на рабочей поверхности 22 устройства для преобразования солнечной энергии, и дополнительного защитного экрана 31, размещенного на тыльной поверхности устройства для преобразования солнечной энергии, позволяет в совокупности с первой полосой 2, представляющей собой подложку, обеспечить создание конструкции сотовой панели. Данные конструкции имеют высокие прочностные характеристики при малом удельном весе, что оказывается важным при установке устройства для преобразования солнечной энергии и его последующей эксплуатации.

На фиг. 10 представлено устройство для преобразования солнечной энергии, на первый герметизирующий корпус 21 которого может быть установлен второй герметичный корпус 33, выполненный с отверстиями (штуцерами) 34, обеспечивающими возможность принудительного охлаждения через них тыльной стороны первой полосы 2 посредством вентиляции воздуха или подвода хладоагента 35.

Все фотоприемные слои 7, лицевой 36 и тыльный 18 электроды, контактирующие с лицевой и тыльной сторонами фотоприемного слоя 7 соответственно, наносятся на вторую полосу 4 до или после тиснения, после чего производится сборка устройства для преобразования солнечной энергии (фиг. 9-10), в том числе в виде солнечной батареи, состоящей из таких устройств (фиг. 8). При этом устройство для преобразования солнечной энергии может содержать то число пар полос 2, 4, которое требуется в зависимости от условий его эксплуатации и требуемой мощности и производительности.

Полости 1 предназначены для обеспечения максимально возможного поглощения падающей на фотоприемный слой 7 солнечной энергии за счет многократного переотражения и соответственно поглощения излучения внутри полостей 1 траншей соответствующего типа. Организация дополнительных «ловушек» для солнечной энергии, падающей на рабочую поверхность устройства для преобразования солнечной энергии, в виде части окружности 5, части гиперболы (параболы) 11, траншеи с плоским дном 13 (выпуклым дном 15 или вогнутым дном) и наклонными расширяющимися боковыми стенками 16, снабженными бортами 6, 10, 12, позволяет получить более эффективное распределение углов падения света на поверхность фотоприемного слоя 7, что и повышает КПД устройства для преобразования солнечной энергии.

При этом каждая полоса 2, 4 может быть выполнена, например, из гибкого полимерного материала или металлической фольги, обеспечивающей гибкость полос 2, 4, например, прессованием или способом вакуумного формования полимерных пленок или металлической фольги. Выбор материала второй полосы 4 зависит от типа фотоприемного слоя 7 и способа его нанесения. Например, при высокотемпературном способе создания p-n переходов в качестве второй полосы 4 используются, например, медь, молибден и др.

Вторая полоса 4 является основанием, на которое наносится фотоприемный слой 7 и лицевой 36 и тыльный 18 электроды.

В зависимости от материала, из которого изготовлена вторая полоса 4, определяется необходимость наличия диэлектрического слоя 32. При изготовлении полосы 2 из диэлектрического материала на ней далее сразу последовательно формируются тыльный электрод 18, фотоприемный слой 7 и лицевой электрод 36 (фиг. 7). В случае изготовления второй полосы 4 из металла на нее дополнительно наносится диэлектрический слой, на котором далее последовательно формируются тыльный электрод 18, фотопоглощающий слой 7 и лицевой электрод 36.

На рабочей поверхности устройства для преобразования солнечной энергии может быть размещен один или несколько защитных светопрозрачных экранов 23, предназначенных для предохранения фотоприемного слоя 7 и электродов 18, 36 от неблагоприятного воздействия внешней среды (фиг. 8). В зависимости от конкретных условий эксплуатации устройства для преобразования солнечной энергии защитный светопрозрачный экран 23 выполняют из оптически прозрачных полимерных материалов (ПВХ, поликарбонат и т.п.) или стекла и, как правило, на его лицевую поверхность наносят пыле- и/или водоотталкивающее и/или износостойкое покрытие 29, предназначенное для повышения стойкости поверхности к истиранию и царапинам, а также для отталкивания загрязнений и воды от защитного светопрозрачного экрана 23. Пыле- и/или водоотталкивающее и/или износостойкое покрытие 29 предпочтительно выполняют из полиметилметакрилата толщиной 5 мкм (фиг. 8).

На тыльную поверхность защитного светопрозрачного экрана 23 может быть нанесен слой 28, обеспечивающий фильтрацию солнечного излучения, падающего на рабочую поверхность 22 герметизирующего корпуса 21, заданной длины волны и, как следствие, оптимизацию диапазона длин волн солнечного излучения, проходящего через защитный светопрозрачный экран 23 и пыле- и/или водоотталкивающее и/или износостойкое покрытие 29 (при его наличии) для различных типов фотоприемного слоя 7.

В качестве слоя 28, обеспечивающего фильтрацию солнечного излучения, падающего на рабочую поверхность 22 герметизирующего корпуса 21, используют, например, оксиды: Al₂O₃ (1,59), SiO₂ (1,46), TiO₂ (2,2-2,6); фториды: MgF₂ (1,38), CaF₂ (1,24), LiF (1,35); сульфиды: ZnS (2,35), CdS. Выбор конкретного материала зависит от типа фотоприемного слоя 7 и определяется длиной волны спектра, активно поглощаемой фотоприемным слоем 7. Кроме того, для создания эффекта фильтрации солнечного излучения может быть использован слой голографического тиснения.

На первый герметизирующий корпус 21 может быть установлен второй герметичный корпус 33, выполненный с отверстиями (штуцерами) 34, обеспечивающими возможность принудительного охлаждения через них тыльной стороны полосы 2 посредством вентиляции воздуха или подвода хладоагента 35, например воды (фиг. 10). Это имеет существенное значение, поскольку при работе любого устройства для преобразования солнечной энергии происходит повышение температуры фотоприемного устройства 7, что снижает электрические характеристики устройства для преобразования солнечной энергии устройства для преобразования солнечной энергии. При этом введение во внутреннее пространство второго герметичного корпуса 33, выполненного с отверстиями (штуцерами) 34, обеспечивающими возможность принудительного охлаждения через них тыльной стороны полосы 2 посредством вентиляции воздуха или подвода хладоагента 35, например воды или воздуха, приводит не только к снижению температуры полос 2, 4 и фотоприемного устройства 7, но и осуществляет нагрев самого хладоагента, например воды, которая в таком случае является дополнительным полезным продуктом предлагаемого изобретения. Это важно для повышения КПД устройства для преобразования солнечной энергии, которое зависит от температуры, связанной как с поглощением излучения, так и с температурой окружающей среды.

Создание загерметизированных пространств посредством герметизирующего корпуса 21 и второго герметичного корпуса 33 позволяет обеспечить защиту внутренних систем устройства для преобразования солнечной энергии от атмосферного воздействия и создания области пониженного давления. При этом данные загерметизированные пространства могут быть заполнены инертным газом. Герметизация может создаваться сваркой или склеиванием материала по внешнему контуру устройства для преобразования солнечной энергии. Это обеспечивает плотное прилегание пыле- и/или водоотталкивающего и/или износостойкого покрытия 29 (при его наличии), размещенного на рабочей поверхности устройства для преобразования солнечной энергии, и дополнительного защитного экрана 31, размещенного на тыльной стороне устройства для преобразования солнечной энергии, а также светопрозрачного слоя 23 в сотовой панели и снижает вероятность их отслаивания в процессе эксплуатации устройства для преобразования солнечной энергии при повышении температуры полос 2, 4. При повышении температуры в процессе эксплуатации устройства для преобразования солнечной энергии давление внутри загерметизированных пространств герметизирующего корпуса 21 и второго герметичного корпуса 33 начинает расти. Для снижения вероятности разгерметизации устройства для преобразования солнечной энергии в этом случае необходимая разница давлений рассчитывается с учетом условий эксплуатации в южных или северных климатических зонах.

Аналогично может быть обеспечена герметизация соответствующих пар полос 2 и 4 при их соединении между собой по внешнему контуру 12, при этом загерметизированное пространство герметизирующего корпуса 21 и второго герметичного корпуса 33 может быть заполнено инертным газом или в нем может быть создан вакуум (фиг. 10).

На внешнем контуре устройства для преобразования солнечной энергии устанавливаются крепежные герметизируемые узлы 26, предназначенные для обеспечения возможности сборки в единую солнечную батарею требуемых размеров ряда устройств для преобразования солнечной энергии с созданием между ними механического и электрического контактов. Крепежные герметизируемые узлы 26 могут изготавливаться в виде кнопочного соединения, например, посредством тиснения рельефа. Кроме того, герметизируемые узлы 26 могут быть выполнены в виде любых известных соединений, таких как замковые, резьбовые и т.д. В результате, при сборке нескольких устройств для преобразования солнечной энергии в солнечную батарею не требуется сложных и материалоемких устройств и приспособлений. Установка на внешнем контуре предлагаемого устройства для преобразования солнечной энергии крепежных герметизируемых узлов 26 обеспечивает простоту сборки множества устройств для преобразования солнечной энергии в солнечную батарею и, при необходимости, их замену (фиг. 8).

Для снятия заряда статического электричества устройство для преобразования солнечной энергии снабжается антистатическим устройством 30, предназначенным для обеспечения снятия заряда статического электричества с устройства для преобразования солнечной энергии (фиг. 8). В качестве антистатического устройства 30 может быть использован антистатический шнур, например, компании «Юман», устанавливаемый на внешнем контуре устройства для преобразования солнечной энергии.

Электрические шины обеспечивают электрический контакт лицевых 36 и тыльных 18 электродов отдельных устройств для преобразования солнечной энергии при их сборке в большую солнечную батарею. Электрические шины обеспечивают съем электрической энергии с солнечной батареи (фиг. 8).

Устройство для преобразования солнечной энергии работает следующим образом.

Солнечное излучение, попадая внутрь полостей 1, сформированных по их внешнему контуру траншеями в виде части окружности 5, части гиперболы (параболы) 11, траншеи с плоским дном 13 (выпуклым дном 15 или вогнутым дном) и наклонными расширяющимися боковыми стенками 16, снабженными бортами 6, 10, 12 (фиг. 8), многократно переотражается от стенок соответствующих полостей 1. При этом при каждом дополнительном переотражении происходит поглощение света в фотоприемном слое 7 и его преобразование в электрическую энергию. Съем электрической энергии осуществляется посредством лицевого 36 и тыльного 18 электродов, контактирующих соответственно с лицевой и тыльной сторонами фотоприемного слоя 7 и далее через электрические шины.

Угол наклона расширяющихся боковых стенок 16, угол наклона бортов 6, 10, 12, форма полостей 1 выбираются с учетом типа фотоприемного слоя, его шероховатости и технологических возможностей формирования первой полосы 2, изгибания второй полосы 4 без разрушения фотоприемного слоя 7 и нарушения электрических контактов фотопоглощающего слоя 17 с лицевым 36 и тыльным 18 электродами.

Угол наклона и размеры соответствующих бортов 6, 10, 12 учитывают КПД фотопоглощения при различных углах наклона Солнца к горизонту. При этом наличие шероховатости фотоприемного слоя 7 приводит к частичному рассеиванию отраженного излучения и отражению его в виде расширяющегося конуса, что обеспечивает попадание отраженного пучка света внутрь полости 1 при меньших углах наклона соответствующего борта 6, 10, 12.

Коэффициент полезного действия фотоприемного слоя 7 (в зависимости от его типа) падает с увеличением наклона Солнца к горизонту. Поэтому размещение на соответствующих бортах 6, 10, 12 отражающего покрытия 14 обеспечивает более полное отражение падающего света внутрь полостей 1 и увеличение КПД устройства в целом.

Установка фотоприемного слоя 7 (при выполнении соответствующих бортов 6, 10, 12 с наклоном) на плоские поверхности, расположенные между краями двух соседних бортов 6, 10, 12, позволяет более полно использовать падающее излучение по всему сечению над поверхностью устройства.

На фиг. 11 представлен ход лучей падающего (37) и отраженного (38) солнечного излучения. При низком наклоне Солнца к горизонту (39) при отсутствии бортов отраженный сигнал отражается от поверхности один раз (точка отражения-поглощения 40) и выходит из полости 1. При наличии бортов 6, 10, 12 количество переотражений увеличивается по мере наклона соответствующих бортов 6, 10, 12 внутрь полости 1. Угол наклона выбирается с учетом свойств фотоприемного слоя 7 и его шероховатости, а также КПД при различных энергиях падающего излучения.

При наличии шероховатости на лицевой поверхности фотоприемного слоя 7 отраженный луч рассеивается в угле (41) и меняет характер переотражений (фиг. 12).

Ход отраженных лучей в зависимости от конфигурации полости 1 показан на фиг. 13 (профиль траншеи в виде части окружности 5) и фиг. 14 (профиль траншеи в виде части гиперболы (параболы) 11).

Оптимальное расположение устройства для преобразования солнечной энергии относительно плоскости движения 42 Солнца показано на фиг. 15. Полости 1 располагаются перпендикулярно плоскости суточного движения Солнца. Угол наклона (43) устройства для преобразования солнечной энергии к горизонту равен широте местности, где оно устанавливается.

На фиг. 16 представлен способ применения устройства для преобразования солнечной энергии в двухстороннем исполнении. Это важно при ограниченности допустимого размера площади устройства, например установка их на столбах освещения 44. Для увеличения энергосъема с устройства для преобразования солнечной энергии без увеличения площади используют его двухстороннее исполнение. При этом с тыльной стороны устройства для преобразования солнечной энергии вне зоны тени 45 от данного устройства устанавливают отражающее зеркало 46. При отражении от зеркала 46 падающего излучения 37 происходит освещение второй (затененной) стороны устройства для преобразования солнечной энергии и увеличение энергосъема.

На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является:

1. Повышение КПД за счет более качественного исполнения, в том числе больших возможностей по глубине, профиля траншей, формирующих полости 1. Данные полости 1 обеспечивают поглощение на фотоприемном слое 7 траншей более 70% падающего излучения.

2. Обеспечивается возможность изготовления двухсторонних устройств для преобразования солнечной энергии (фиг. 16), в которых либо обе стороны работают в условиях рассеянного света, либо одна сторона устройства для преобразования солнечной энергии работает с прямым солнечным излучением, а вторая - либо от отраженного дополнительным отражающим устройством излучения, например от зеркала, либо от рассеянного излучения. То есть предлагаемое устройство для преобразования солнечной энергии может работать только за счет поглощения рассеянного света (без непосредственного прямого падения на его рабочую поверхность солнечного излучения).

3. Предлагаемое устройство для преобразования солнечной энергии практически не зависит от угла падения света, так как при любом угле падения на него солнечных лучей последние, попадая в полости 1, многократно переотражаются на боковых стенках траншей.

4. Использование в конструкции легких, недорогих полимерных материалов и серийной технологии тиснения больших поверхностей снижает себестоимость предлагаемого устройства для преобразования солнечной энергии не менее чем на порядок по сравнению с прототипом.

5. Использование защитного светопрозрачного экрана 23 позволяет повысить прочность предлагаемого устройства для преобразования солнечной энергии. В сочетании с простыми крепежными узлами 26, которые изготавливаются в едином процессе тиснения полос 2, 4, предлагаемое устройство для преобразования солнечной энергии легко собирается и разбирается, в том числе в виде солнечной батареи из многих устройств для преобразования солнечной энергии.

6. Применение самоочищающегося защитное покрытия 29, повышающего стойкость предлагаемого устройства для преобразования солнечной энергии к истиранию и царапинам, а также обладающего свойством пыле-, грязе-, водоотталкивания, позволяет увеличить срок его эксплуатации и снижает затраты на обслуживание данного устройства. При необходимости, загрязнения могут быть просто смыты водой.

7. Легкость и гибкость предлагаемого устройства для преобразования солнечной энергии, простота его сборки и малая зависимость КПД от угла падения света не требуют использования сложных и тяжелых приспособлений при установке и оптимальной эксплуатации данного устройства.

8. Возможность использования пониженного давления в герметизируемых пространствах и полостях 1 предлагаемого устройства для преобразования солнечной энергии и применения антистатического устройства 30 обеспечивают возможность его более длительной эксплуатации в различных климатических условиях, например в южных или северных климатических зонах.

9. Различные варианты выполнения предлагаемого устройства для преобразования солнечной энергии позволяют изготавливать его для различных целей и условий эксплуатации, например, в южных или северных климатических зонах.

10. Технологичность нанесения фотоприемных слоев 7 и разнообразие их состава в предлагаемом устройстве для преобразования солнечной энергии позволяют организовать серийное дешевое производство данного устройства.

Используемые источники

1. Патент WO №2012074176, 2012, МКИ H01L 31/042.

2. Патент WO №2013/002662, 2013; RU 2011/000460 от 27.06.2011, F24J 2/46, H01L 31/052.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Устройство для преобразования солнечной энергии содержит, по крайней мере, одну пару подложек, каждая из которых выполнена в виде полосы, при этом, по крайней мере, одна из полос выполнена профилированной с периодически повторяющимся профилем, образующим полости траншейного типа, и установлена с возможностью соединения своей лицевой поверхностью с тыльной поверхностью второй полосы, при этом полосы выполнены из материала, обеспечивающего возможность формирования их профилированными посредством изгибания, полоса, выполненная профилированной с периодически повторяющимся профилем, образующим полости траншейного типа, установлена с возможностью соединения своей лицевой поверхностью с тыльной поверхностью второй полосы и образования их профилями, по крайней мере, одного ряда траншей, а из полос одной пары - гибкого устройства для преобразования солнечной энергии, профили, по крайней мере, одного ряда траншей выполнены с возможностью образования части окружности, и/или части гиперболы, и/или части параболы, и/или траншеи с плоским, выпуклым или вогнутым дном и наклонными расширяющимися боковыми стенками, при этом все траншеи выполнены с направленными наружу перпендикулярными или наклонными относительно воображаемой плоскости, наложенной на края соответствующей траншеи первой полосы, бортами по контуру соответствующей траншеи, причем траншеи выполнены с нанесенным на их рабочую поверхность фотоприемным слоем, а борты траншей - с нанесенным на их поверхность фотоприемным слоем или отражающим покрытием. Изобретение обеспечивает повышение КПД посредством увеличения коэффициента поглощения фотоприемного слоя за счет увеличения количества переотражений отраженного от фотоприемного слоя излучения внутри трехмерной структуры траншейного типа, снижения зависимости коэффициента поглощения от угла падения солнечного излучения при упрощении технологии изготовления, снижении веса и снижения зависимости коэффициента поглощения от угла падения солнечного излучения при упрощении технологии изготовления. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для преобразования солнечной энергии, содержащее, по крайней мере, одну пару подложек, каждая из которых выполнена в виде полосы, при этом, по крайней мере, одна из полос выполнена профилированной с периодически повторяющимся профилем, образующим полости траншейного типа, и установлена с возможностью соединения своей лицевой поверхностью с тыльной поверхностью второй полосы, отличающееся тем, что полосы выполнены из материала, обеспечивающего возможность формирования их профилированными посредством изгибания, полоса, выполненная профилированной с периодически повторяющимся профилем, образующим полости траншейного типа, установлена с возможностью соединения своей лицевой поверхностью с тыльной поверхностью второй полосы и образования их профилями, по крайней мере, одного ряда траншей, а из полос одной пары - гибкого устройства для преобразования солнечной энергии, профили, по крайней мере, одного ряда траншей выполнены с возможностью образования части окружности, и/или части гиперболы, и/или части параболы, и/или траншеи с плоским, выпуклым или вогнутым дном и наклонными расширяющимися боковыми стенками, при этом все траншеи выполнены с направленными наружу перпендикулярными или наклонными относительно воображаемой плоскости, наложенной на края соответствующей траншеи первой полосы, бортами по контуру соответствующей траншеи, причем траншеи выполнены с нанесенным на их рабочую поверхность фотоприемным слоем, а борты траншей - с нанесенным на их поверхность фотоприемным слоем или отражающим покрытием.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что борты выполнены с изгибом.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что на поверхности, расположенные между краями двух соседних бортов, выполненных с наклоном к центру соответствующей траншеи, нанесен фотоприемный слой.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между второй полосой и фотопремным слоем размещено отражающее покрытие.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введен герметизирующий корпус, установленный с возможностью герметизации полостей, сформированных второй полосой.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что пространство, герметизируемое герметизирующим корпусом, заполнено инертным газом или в нем создан вакуум.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что на рабочей поверхности герметизирующего корпуса размещен, по крайней мере, один светопрозрачный экран.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что на тыльную поверхность светопрозрачного экрана нанесен слой, обеспечивающий фильтрацию солнечного излучения, падающего на рабочую поверхность второй полосы, заданной длины волны.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что на лицевую поверхность светопрозрачного экрана нанесено предохраняющее его от атмосферного воздействия защитное покрытие.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на тыльной стороне первой полосы размещен дополнительный защитный экран с возможностью герметизации тыльной стороны первой полосы от атмосферного воздействия.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что пространство, герметизируемое дополнительным защитным экраном, заполнено инертным газом.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введен второй герметичный корпус, выполненный с отверстиями, обеспечивающими возможность принудительного охлаждения через них тыльной стороны первой полосы посредством вентиляции воздуха или подвода хладоагента.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено в двухстороннем исполнении.

14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на внешнем контуре устройства могут быть установлены крепежные узлы, обеспечивающие возможность сборки в единую солнечную батарею по крайней мере двух устройств для преобразования солнечной энергии с созданием механического и электрического контактов между ними, и, по крайней мере, одно антистатическое устройство.