ОБЪЕМНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК H01L31/42 

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, использующих солнечное излучение для генерирования экологически чистой электроэнергии в больших объемах.

Из предшествующего уровня техники известны фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе плоских фотоэлектрических элементов. Солнечные панели, конструктивно построенные на плоских ФЭП, имеют коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую (коэффициент полезного действия (КПД) фотоэлектрического преобразователя) в диапазоне от 0,09 до 0,25, который зависит от:

- типа используемого фоточувствительного материала;

- конструкции солнечной панели (качества защитного покрытия);

- рабочей температуры солнечной панели.

Широко известны различные способы повышения КПД фотоэлектрических преобразователей (патенты РФ №2453013, МПК H01L 31/042, опубликован 10.06.2012 г., №2475888, МПК H01L 31/042, опубликован 22.02.2013 г., №2483390, МПК H01L 31/042, опубликован 27.05.2013 г., №2488915, МПК H01L 31/042, опубликован 27.07.2013 г., №2503895, МПК H01L 31/042, опубликован 10.01.2014 г., №2496181, МПК H01L 31/052, опубликован 20.10.2013 г., №2426198, МПК H01L 31/052, опубликован 10.08.2011 г., №2353865, МПК F24J 2/08, опубликован 27.04.2009 г., №2382952, МПК F24J 2/08, опубликован 27.02.2010 г., №2406043, МПК F24J 2/16, опубликован 10.12.2010 г.).

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании фотоэлектрического модуля большой мощности для конструирования установок фотоэлектрического преобразования энергии солнечного излучения в электрическую, соответствующих жестким требованиям условий эксплуатации по номинальной электрической мощности, температурному режиму работы, безопасности, энергосбережению, долговечности, удобству транспортировки, монтажа, эксплуатации и ремонтопригодности.

Применение объемных ФЭП большой мощности позволит:

- повысить КПД преобразования солнечной энергии в электрическую до 0,8;

- снизить цены на электроэнергию, генерируемую объемными ФЭП, до уровня 0,1-0,4 евроцента/кВт·ч.;

- повысить в 10-12 раз эффективность использования площади, занимаемой солнечной электроустановкой.

Поставленная задача решается за счет того, что объемный фотоэлектрический модуль выполнен в виде вертикально расположенных на внутренних сторонах полого многогранника (призмы) плоских ФЭП (фиг. 1, 1 - вид спереди, 2 - вид с боку) с соотношением размеров ширины к длине как 1/6. Для выполнения условий максимального использования внутренней поверхности многогранника и площади мест установки объемных фотоэлектрических модулей в качестве основы модуля выбрана трехгранная призма. Внутренние поверхности призмы, за исключением торцов, покрываются плоскими ФЭП (фиг. 1), из которых формируются односторонние (фиг. 2) и двусторонние (фиг. 3) фотоэлектрические элементы. При этом данные фотоэлектрические элементы состоят из следующих элементов: 3 - металлическое основание; 4 - ФЭП; 5 - горизонтальные токосъемные шины; 6 - горизонтальные токосъемные шины, контакт «-»; 7 - токосъемная шина, контакт «+».

Для снижения потерь преобразования солнечной энергии в электрическую ФЭП не покрываются дополнительным защитным слоем. Для группы объемных элементов, объединенных в один объемный солнечный модуль (фиг. 4, где: 8 - вертикальные направляющие стойки, 9 - односторонний фотоэлектрический элемент, 10 - двусторонний фотоэлектрический элемент), устанавливается единый защитный элемент (флоат-стекло толщиной 2 мм).

В нижней части призмы фотоэлектрического модуля установлен сферический сегмент радиусом, равным половине ширины ФЭП. Данный элемент (16 элемент на фиг. 6 и 7) предназначен для дополнительного равномерного распределения внутри призмы энергии солнечного потока.

За счет многократного (k>8) отражения (12, 13) светового потока от внутренних стенок призмы (14) и сферы на ее дне достигается близкий к 0,8 КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.

Полученный с фотоэлектрических элементов электрический потенциал поступает на встроенный в объемный фотоэлектрический модуль контроллер. Контроллер выполняет функции:

- сопряжения электрических параметров фотоэлектрических элементов объемного фотоэлектрического модуля;

- промежуточного накопления электроэнергии;

- формирования выходных электрических параметров объемного фотоэлектрического модуля.

Из отдельных солнечных модулей формируется солнечная панель (фиг. 5) необходимой мощности преобразования солнечной энергии в электрическую.

Достигаемый технический результат позволит:

- увеличить номинальную электрическую мощность объемной фотоэлектрической панели до 2,0 Вт·ч/см² вместо 0,12 Вт·ч/см²;

- от 10 до 12 раз уменьшить площадь, занимаемую одной солнечной энергоустановкой (при одинаковой рабочей мощности установок);

- за счет отсутствия воздействия прямых солнечных лучей снизить температурную зависимость выходных электрических параметров объемной фотоэлектрической панели;

- за счет модульной конструкции повысить ремонтопригодность объемной фотоэлектрической панели;

- за счет использования принципа многократного переотражения солнечной энергии от внутренних ФЭП и сферы на дне призмы (фиг. 6, 7) исключить затраты на систему ориентации солнечной энергоустановки на Солнце.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.

На фиг. 1 - внешний вид фотоэлектрического элемента размером 26×156 мм с контактной группой.

На фиг. 2 - внешний вид одностороннего фотоэлектрического элемента.

На фиг. 3 - внешний вид двустороннего фотоэлектрического элемента.

На фиг. 4 - объемный солнечный модуль из 84 фотоэлектрических элементов.

На фиг. 5 - внешний вид солнечной панели размером 99×111 см, состоящей из 36 солнечных модулей.

На фиг. 6 - переотражение солнечного потока при малом угле входа в объемный ФЭП.

На фиг. 7 - переотражение солнечного потока при вертикальном входе в объемный ФЭП.

Объемный фотоэлектрический модуль изготавливают следующим образом.

На металлические полосы (3) размером 32×165 мм на одну сторону для одностороннего (фиг. 2) или две стороны для двустороннего элемента (фиг. 3) монтируются стандартные ФЭП (фиг. 1) размером 26×156 мм с заранее подготовленными минусовыми контактами. Для получения высокой теплоотдачи желательно применение металла с высокой теплопроводностью.

Изготовленные таким образом элементы монтируются при помощи пайки на нижнем конструктиве (печатной плате с заранее смонтированными на ней сферами (16)) и объединяются (14 односторонних и 35 двусторонних элементов) в единый объемный модуль. Следующим этапом производится установка ограждения высотой 170 мм и толщиной 3 мм. Далее устанавливаются изготовленные из изолирующего материала опорные стойки (8) в количестве 22 штук. Они предназначены для придания объемной структуре модуля требуемой жесткости конструкции и служат опорой для внешнего защитного элемента из флоат-стекла. После установки контроллера в нижней части модуля проводится окончательное формирование солнечного модуля с крепежным конструктивном, силовыми и управляющими выводами.

Таким образом, заявленная конструкция объемного фотоэлектрического элемента позволяет быстро и технологично его изготавливать и производить из них сборку солнечных панелей необходимых размеров и электрических параметров.

Заявляемый объемный фотоэлектрический элемент (фиг. 4) имеет следующие расчетные параметры:

- размер 165×185×185 мм;

- вес до 1,0 кг;

- количество ФЭП размером 26×156 мм - 84 шт.;

- номинальное рабочее напряжение - 0,5 V;

- максимальный рабочий ток до 94,0 А;

- максимальная мощность до 47,0 Вт;

- занимаемая площадь - 0,03 м²;

- эффективная площадь элемента - 0,341 м²;

- КПД - до 80%.

При этом стандартная солнечная панель (фиг. 5) площадью около 1 м² будет иметь параметры:

- размер 990×1110×185 мм;

- вес до 40,0 кг;

- количество объемных солнечных элементов - 36 шт.;

- количество ФЭП размером 26×156 мм - 3024 шт.;

- номинальное рабочее напряжение - 9,0 V;

- максимальный рабочий ток до 188,0 А;

- максимальная мощность до 1692,0 Вт;

- занимаемая площадь - 1 м²;

- эффективная площадь элемента - 12,5 м²;

- КПД - до 80%.

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, использующих солнечное излучение для генерирования экологически чистой электроэнергии в больших объемах. Объемный фотоэлектрический модуль выполнен в виде плоских фотоэлектрических элементов, вертикально расположенных на внутренних сторонах полого многогранника с соотношением размеров ширины к длине как 1/6. Для выполнения условий максимального использования внутренней поверхности многогранника и площади мест установки объемных фотоэлектрических модулей в качестве основы модуля выбрана трехгранная призма. Внутренние поверхности призмы, за исключением торцов, покрываются фотоэлектрическими элементами. Применение объемных модулей большой мощности позволит: повысить КПД преобразования солнечной энергии в электрическую до 0,8; снизить цены на электроэнергию, генерируемую объемными ФЭП, до уровня 0,1-0,4 евроцента/кВт·ч.; повысить в 10-12 раз эффективность использования площади, занимаемой солнечной электроустановкой; исключить необходимость использования системы слежения за Солнцем. 7 ил.

Объемный фотоэлектрический модуль большой мощности, отличающийся тем, что построен на принципе многократного переотражения потока солнечной энергии от фотоэлектрических преобразователей, расположенных на внутренних поверхностях формирующих модуль призм.