СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02S10/30 H01L31/42 

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.

Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор на основе концентрических линз Френеля, двухосную систему слежения за Солнцем и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных планарных солнечных элементов с односторонней рабочей поверхностью. Солнечная электростанция имеет следующие характеристики: коэффициент концентрации 385, электрическая мощность 5,75 кВт, КПД преобразования солнечной радиации с учетом КПД концентратора и инвертора 23,5%, стоимость 9,3 долл. США/Вт. Плоскость фотоприемников и p-n переходов фотоприемников параллельна плоскости линзы Френеля и перпендикулярна оптической оси концентратора и концентрированному потоку солнечного излучения. Стоимость фотоприемника составляет 13 долл. США за 1 см площади фотоприемника (Photon International, июль 2008 г., с. 15).

Недостатками известной электростанции являются высокая трудоемкость изготовления и большая стоимость материалов фотоприемников, содержащих галлий, германий и другие дорогостоящие материалы.

Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор с поверхностью миделя, на который поступает солнечное излучение, двухосную систему слежения и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных солнечных элементов на основе полупроводников A_III B_V. Концентратор содержит параболоидное зеркало квадратной формы, контротражатель системы Кассегрена и пирамидальный оптический элемент из стекла, на нижнем основании которого закреплен каскадный гетероструктурный солнечный элемент с односторонней рабочей поверхностью с р-n переходом, плоскость которого параллельна плоскости миделя концентратора и перпендикулярна оптической оси концентратора, потоку солнечного излучения и боковым граням оптического элемента. Параметры солнечной электростанции: концентрация 476, КПД 22,7%, площадь солнечного элемента 1 см², размеры параболоида 25×25 см, суммарная электрическая мощность 500 кВт (Photon International, ноябрь 2008 г., с. 150, 153; Sun and Wind Energy, 2008, №5, с. 130).

Недостатками известной солнечной электростанции являются большая стоимость и низкий КПД трехэлементной оптической системы: параболическое зеркало - контротражатель - оптический элемент - солнечный элемент.

Известна солнечная электростанция, содержащая концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и двусторонней рабочей поверхностью, плоскости р-n переходов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.

В варианте солнечной электростанции концентратор выполнен в виде параболоидного зеркала системы Кассегрена с гиперболическим контротражателем в фокальной области и четырехгранной призмой у вершины параболоида, в основании которой установлен фотоприемник, плоскости р-n переходов которого параллельны двум боковым граням призмы.

В варианте солнечной электростанции фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника, а теплообменник снабжен устройством для прокачки теплоносителя или радиатором воздушного охлаждения (Патент РФ №2431086, опубл. 20.03.2011 г., Бюл. №28).

Недостатком известной солнечной электростанции является снижение электрической мощности и ресурса работы фотоприемника из-за недостаточно высокой теплопроводности и старения электроизолирующего теплопроводящего клея между фотоприемником и теплообменником. Другим недостатком является снижение электрической мощности из-за схемных потерь при неравномерной освещенности фотоприемника в фокальной области концентратора.

Задачей настоящего изобретения является увеличение электрической мощности и ресурса работы солнечной электростанции.

Технический результат заключается в снижении потерь электроэнергии и увеличении КПД и срока службы солнечной электростанции.

Технический результат достигается тем, что в солнечной электростанции, содержащей концентраторы, систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и токоотводами, плоскости р-n переходов и токоотводов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты, прозрачная оболочка содержит гомогенизатор концентрированного солнечного излучения из набора плоских тонких пластин из оптически прозрачного материала, размеры поперечного сечения гомогенизатора соизмеримы с размерами рабочей поверхности фотоприемника, ширина каждой пластины равна расстоянию между токоотводами, а произведение толщины пластин на их количество определяет размер гомогенизатора вдоль плоскости р-n переходов диодных структур, а длина гомогенизатора в 2-10 раз больше размеров рабочей поверхности фотоприемника, плоскости диодных структур параллельны двум из четырех граней гомогенизатора, а устройство отвода тепла выполнено в виде тонких пластин из теплопроводящего материала, присоединенных к токоподводам каждой секции твердотельной матрицы путем пайки или сварки параллельно плоскости р-n переходов диодных структур, размер секций между пластинами теплообменника составляет 4-20 мм, а суммарная площадь пластин теплообменника при естественном охлаждении равна площади миделя концентратора.

В варианте солнечной электростанции пластины теплообменника выполнены из металла, например из меди, толщиной 0,05-0,5 мм.

В другом варианте солнечной электростанции пластины теплообменника выполнены из теплопроводящей керамики, например из нитрида алюминия.

Еще в одном варианте солнечной электростанции пластины теплообменника выполнены из двух разнородных материалов: у токоподводов секций пластины теплообменника выполнены из металла, например из меди, толщиной 0,1-0,5 мм, а на расстоянии 1-5 мм от секции пластины теплообменника выполнены из теплопроводящей керамики, причем два разнородных материала соединены между собой путем пайки или сварки.

В варианте устройства солнечной электростанции пластины теплообменника выполнены из двух металлических частей, которые соединены электроизолирующей прокладкой из теплопроводящей керамики, например нитрида алюминия, путем пайки или сварки.

Изобретение иллюстрируется на фиг. 1-5, где на фиг. 1 представлена оптическая схема солнечной электростанции с концентратором на основе линзы Френеля и ход лучей; на фиг. 2 - поперечное сечение гомогенизатора; на фиг. 3 - оптическая схема солнечной электростанции с параболическим концентратором и ход лучей; на фиг. 4 - фотоприемник с устройством теплоотвода с теплообменниками из двух разнородных материалов; на фиг. 5 - фотоприемник с устройством теплоотвода с теплообменниками из двух металлических частей, которые соединены электроизолирующей вставкой из теплопроводящей керамики.

На фиг. 1 солнечная электростанция содержит концентратор 1 на основе концентрической линзы Френеля, фотоприемник 2 в виде секций 3 твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов 4 с диодной структурой n⁺-р-р⁺ или р⁺-n-n⁺, плоскости р-n переходов 5 и изотипных переходов р-р⁺ или n-n⁺ 6 параллельны двум граням 7 фотоприемника 2 и перпендикулярны рабочей поверхности 8 фотоприемника 2, плоскости миделя 9 и фокальной плоскости 10 концентратора 1, оптическая ось 11 концентратора 1 и поток солнечного излучения 12 на входе в концентратор 1 параллельны плоскости р-n переходов 5 фотоприемника 2. Фотоприемник 2 установлен в прозрачной для солнечного излучения 12 оболочке 13 и содержит гомогенизатор 14 сконцентрированного солнечного излучения 15, размеры поперечного сечения a и b гомогенизатора 14 соизмеримы с размерами рабочей поверхности 8 фотоприемника 2, а длина гомогенизатора 14 в 2-10 раз больше размеров рабочей поверхности фотоприемника 2:

, .

Плоскости р-n переходов 5 параллельны двум граням 16 гомогенизатора 14. Входной торец 17 гомогенизатора 14 установлен в фокальной плоскости 10 на оптической оси 11 концентратора 1. Устройство теплоотвода 18 выполнено в виде тонких пластин 19 из теплопроводящего материала, присоединенных к токоподводам 20 каждой секции 3 путем пайки или сварки параллельно плоскости р-n переходов 5, размер секций 3d между пластинами 18 составляет d=4-20 мм, а суммарная площадь S_т пластин 18 теплообменника 17 при естественном охлаждении равна площади S_м миделя 9 концентратора 1. Площадь миделя 9 S_м равна произведению площади S_ф фотоприемника 2 на коэффициент концентрации к:

S_м=кS_ф.

Поэтому площадь S_т теплообменника 17 равна:

S_т=S_м=кS_ф.

На фиг. 2 показано поперечное сечение гомогенизатора 14. Гомогенизатор 14 содержит набор тонких пластин 21 из оптического стекла. Ширина а каждой пластины 21 равна расстоянию между токовыводами 22 фотоприемника 2, а плоскости пластин 21 перпендикулярны плоскости р-n переходов 5 и изотипных переходов 6 фотоприемника 2. Размер b поперечного сечения гомогенизатора 14 равен произведению количества n пластин 21 на их толщину с:b=c⋅n.

На фиг. 3 концентратор 1 выполнен в виде параболоцилиндрического концентратора 23, а фотоприемник 2 с гомогенизатором 14 установлен над параболическим концентратором 23.

На фиг. 4 устройство теплоотвода 18 содержит пластины теплообменника, выполненные из двух разнородных материалов: у токоподводов секций 20 пластины 24 выполнены из металла, например меди, а на расстоянии 1-5 мм от секции пластины 25 теплообменника выполнены из теплопроводящей керамики, пластины 24 и 25 соединены между собой путем пайки или сварки.

На фиг. 5 пластины 24 и 26 теплообменника выполнены из меди и соединены между собой электроизолирующей прокладкой 27 из теплопроводящей керамики.

Солнечная электростанция работает следующим образом.

Солнечное излучение 12 после концентратора 1 поступает на входной торец 17 гомогенизатора 14 в виде сконцентрированного излучения 15. За счет эффекта многократного полного внутреннего отражения от стенок пластин 21 гомогенизатора 14 неравномерно распределенное сконцентрированное излучение 15 в фокальной плоскости 10 на входном торце 17 поступает на фотоприемник 2 в виде равномерно распределенного по площади фотоприемника 2 потока излучения. Распространение излучения в направлении, перпендикулярном плоскости пластин 21, затруднено из-за эффекта полного внутреннего отражения внутри каждой пластины 21. Фотоприемник 2 преобразует равномерно распределенное концентрированное излучение 15 в электрическую энергию с высоким КПД η_ф из-за отсутствия схемных потерь в фотоприемнике 2, связанных с неравномерным освещением последовательно соединенных солнечных элементов 4 в фотоприемнике 2.

Часть энергии сконцентрированного солнечного излучения 15, пропорциональная 1-η_ф, преобразуется в тепло в секциях 3 и поступает в устройство теплоотвода 18, и через пластины теплообменника 19 рассеивается в окружающей среде за счет конвекции и излучения. При естественном охлаждении и выполнении условия S_м=S_т=кS_ф температура фотоприемника 2 при концентрации к=5-500 не превысит 80°С. Площадь S_т пластин 19 теплообменника может быть уменьшена при использовании воздушного принудительного охлаждения с помощью вентилятора или при водяном охлаждении пластин 19, 24, 25, 26 (на фиг. не показано), при этом для изоляции секций 3 от окружающей среды, например воды, используют пластины 25 из керамики или изолирующие вставки 27 из керамики.

Пример выполнения солнечной электростанции.

Концентратор 1 на фиг. 1 выполнен из линзы Френеля размером 400×400 мм, фотоприемник 2 имеет размеры 40×40 мм, коэффициент концентрации к=100. Размер секции 3 между двумя пластинами 19 равен 5 мм, количество пластин 9, размеры пластин 130×130×0,1 мм, общая площадь пластин 0,169 м², размеры гомогенизатора 14 - 40×40×320 мм. Гомогенизатор 14 состоит из 40 пластин 21 из оптического стекла размером 40×1×130 мм. Электрическая мощность 24 Вт, рабочее напряжение 96 В, КПД 15%, температура фотоприемника 2 при естественном охлаждении 80°C, при воздушном охлаждении с помощью вентилятора 40°C.

Использование гомогенизатора 14 концентрированного солнечного излучения 15 и устройства теплоотвода 18 увеличивает электрическую мощность солнечной электростанции и ресурс работы за счет снижения схемных потерь в фотоприемнике 2 и снижения температуры фотоприемника 2 при работе с концентратором солнечного излучения.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, к конструкции солнечных электростанций с концентраторами. Солнечная электростанция содержит концентраторы, систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора, установленные в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабженные устройством для отвода теплоты, прозрачная оболочка содержит гомогенизатор концентрированного солнечного излучения из набора плоских тонких пластин из оптически прозрачного материала, размеры поперечного сечения гомогенизатора соизмеримы с размерами рабочей поверхности фотоприемника, ширина каждой пластины равна расстоянию между токоотводами, произведение толщины пластин на их количество определяет размер гомогенизатора вдоль плоскости р-n переходов диодных структур, длина гомогенизатора в 2-10 раз больше размеров рабочей поверхности фотоприемника, плоскости диодных структур параллельны двум из четырех граней гомогенизатора, а устройство отвода тепла выполнено в виде тонких пластин из теплопроводящего материала, присоединенных к токоподводам каждой секции твердотельной матрицы путем пайки или сварки параллельно плоскости р-n переходов диодных структур, размер секций между пластинами теплообменника составляет 4-20 мм, а суммарная их площадь при естественном охлаждении равна площади миделя концентратора. Технический результат заключается в снижении потерь электроэнергии, увеличении КПД и срока службы солнечной электростанции. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Солнечная электростанция, содержащая концентраторы, систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и токовыводами, плоскости р-n переходов токовыводов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты, отличающаяся тем, что прозрачная оболочка содержит гомогенизатор концентрированного солнечного излучения из набора плоских тонких пластин из оптически прозрачного материала, размеры поперечного сечения гомогенизатора соизмеримы с размерами рабочей поверхности фотоприемника, ширина каждой пластины равна расстоянию между токоотводами, а произведение толщины пластин на их количество определяет размер гомогенизатора вдоль плоскости р-n переходов диодных структур, а длина гомогенизатора в 2-10 раз больше размеров рабочей поверхности фотоприемника, плоскости диодных структур параллельны двум из четырех граней гомогенизатора, а устройство отвода тепла выполнено в виде тонких пластин из теплопроводящего материала, присоединенных к токоподводам каждой секции твердотельной матрицы путем пайки или сварки параллельно плоскости р-n переходов диодных структур, размер секций между пластинами теплообменника составляет 4-20 мм, а суммарная площадь пластин теплообменника при естественном охлаждении равна площади миделя концентратора.

2. Солнечная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что пластины теплообменника выполнены из металла, например из меди, толщиной 0,05-0,5 мм.

3. Солнечная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что пластины теплообменника выполнены из теплопроводящей керамики, например из нитрида алюминия.

4. Солнечная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что пластины теплообменника выполнены из двух разнородных материалов: у токоподводов секций пластины теплообменника выполнены из металла, например из меди, толщиной 0,05-0,5 мм, а на расстоянии 1-5 мм от секции пластины теплообменника выполнены из теплопроводящей керамики, причем два разнородных материала соединены между собой путем пайки или сварки.

5. Солнечная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что пластины теплообменника выполнены из двух металлических частей, которые соединены электроизолирующей прокладкой из теплопроводящей керамики, например нитрида алюминия, путем пайки или сварки.