СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2018 года по МПК H01L31/54 

Изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к фотоэлектрическим концентраторным модулям. Настоящее изобретение предназначено для применения в концентраторных солнечных энергоустановках, используемых в качестве систем энергоснабжения в различных климатических зонах.

Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных каскадных фотоэлементов (ФЭ) и недорогих оптических концентраторов. Известно, что применение концентраторов излучения при условии согласования их параметров с параметрами ФЭ позволяет не только поднять энергетическую эффективность фотоэлектрических концентраторных модулей, но и улучшить их энерго-экономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов. Использование последних при концентрации солнечного излучения 500-2500 крат позволяет пропорционально сократить суммарную площадь ФЭ и существенно снизить стоимость получаемой электроэнергии. В то же время, при высокой степени концентрации солнечного излучения происходит чрезмерный разогрев ФЭ, что негативно влияет на преобразующие свойства ФЭ, их срок службы и выходные характеристики фотоэлектрических модулей. Лучшие характеристики оптических фокусирующих систем могут быть получены при использовании двухкаскадных оптических концентраторов. В качестве первичного оптического элемента в таких системах обычно используют длиннофокусные стеклянные линзы или линзы Френеля большой площади, вторичные оптические элементы могут быть разной конструкции - короткофокусные стеклянные линзы, полые или стеклянные конические или параболические отражатели. Преимущество двухкаскадных фокусирующих систем заключается в том, что они обеспечивают дополнительное собирание света от первичных концентраторов, позволяют уменьшить углы преломления света, что приводит к снижению хроматической аберрации при фокусировке; в случае установки дополнительных отражателей - к более равномерному распределению плотности излучения в сфокусированном световом пятне. Кроме того, они позволяют увеличить предельный угол отклонения оптической оси фокусирующей системы относительно направления падающего солнечного излучения, что делает возможным снижение требований к характеристикам следящих систем и, соответственно, уменьшение стоимости конструкции.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент US 6717045, МПК H01L 31/042, H01L 31/052, опубл. 06.04.2004), включающий множество оптических концентраторов, фокусирующих солнечное излучение на фотоприемные площадки ФЭ. Каждый из оптических концентраторов состоит из первичного концентратора, имеющего степень концентрации солнечного излучения 5-10 крат, вторичного концентратора, расположенного ниже первого концентратора и увеличивающего степень концентрации солнечного излучения в 20-50 раз, и третьего концентратора, установленного в нижней плоскости вторичного концентратора и фокусирующего излучение на поверхность ФЭ. 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. Фотоэлемент устанавливают на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.

Недостатками рассматриваемой конструкции солнечного концентраторного модуля являются большие потери света за счет отражения на поверхностях оптических элементов трехкаскадного концентратора, высокий уровень концентрации света на поверхности ФЭ, технические сложности изготовления, монтажа и юстировки большого количества оптических деталей и, соответственно, высокая стоимость конструкции.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. заявка PCT WO 2007093422, МПК H01L 31/052, опубл. 23.08.2007), содержащий линзовую панель и панель с ФЭ, установленные на несущей раме, обеспечивающей герметизацию внутреннего объема модуля и защиту оптических элементов от воздействия внешней среды. На линзовой панели установлены концентраторные линзы, в качестве которых используются линзы Френеля. ФЭ, изготовленные на основе многослойных гетероструктур, напаяны на теплоотводы и установлены на нижней несущей панели так, что фотоприемная площадка каждого ФЭ расположена в фокусе одной из линз Френеля.

Недостатками известной конструкции фотоэлектрического концентраторного модуля является сложность монтажа с высокой точностью большого количества ФЭ на несущей панели и низкая разориентационная характеристика устройства, требующая использования более точных и сложных систем слежения за Солнцем.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2352023, МПК H01L 31/052, опубл. 10.04.2009), содержащий фронтальную панель и тыльную панель, изготовленные из силикатного стекла, первичный и вторичный оптические концентраторы и ФЭ с теплоотводящим основанием. Первичный оптический концентратор выполнен в форме линзы, сформированной в виде тыльной поверхности фронтальной панели. Вторичный оптический концентратор выполнен в виде фокона, установленного меньшим основанием на светочувствительной поверхности ФЭ. ФЭ с теплоотводящим основанием, размещен на фронтальной поверхности тыльной панели соосно первичному оптическому концентратору. Вторичный оптический концентратор позволяет улучшить разориентационную характеристику солнечного фотоэлектрического модуля, что обеспечивает увеличение энергопроизводительности солнечного концентраторного модуля.

Недостатками известного солнечного концентраторного модуля являются сложность монтажа вторичного оптического концентратора на светочувствительной поверхности ФЭ, приводящая к большому количеству брака при сборке конструкции и уменьшающая срок службы ФЭ, а также трудоемкость позиционирования ФЭ и высокая статистическая вероятность линейного несовпадения центра ФЭ с оптическим центром линзы.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. заявка WO 2014066957, МПК H01L 31/048, H01L 31/052, опубл. 08.05.2014). Модуль представляет собой объемную несущую конструкцию, в верхней части которой расположено множество первичных оптических концентраторов в виде линз. В нижней части конструкции прикреплено множество ФЭ и над каждым ФЭ установлен вторичный оптический элемент, расположенный напротив соответствующего первичного концентратора. Вторичный концентратор представляет собой тонкостенную конструкцию, закрепленную в поддерживающем устройстве, с выпуклой верхней частью и боковыми стенками, состоящими из секторов параболической формы.

Недостатком известного солнечного концентраторного модуля является сложность изготовления вторичного оптического концентратора. Монтаж вторичного оптического концентратора на светочувствительной поверхности ФЭ приводит к уменьшению срока службы элементов.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. заявка CN 103165717, МПК H01L 31/054, опубл. 19.06.2013), содержащий матрицу из линз Френеля, закрепленную на стеклянной плате, панели солнечных батарей, размещенные на металлическом основании и вторичные концентрирующие элементы в виде стеклянных цилиндрических линз. Цилиндрических линзы установлены над ФЭ и жестко закреплены на металлическом основании, а верхняя плата и металлические основания фиксируют так, чтобы оптические оси линз Френеля проходили через центры цилиндрических линз и фотоприемных площадок ФЭ. Фокусы линз Френеля позиционируют в середине продольной оси цилиндрических линз.

Недостатками известного солнечного концентраторного модуля являются сложность монтажа вторичного оптического концентратора и трудоемкость позиционирования ФЭ. Кроме того, вторичные концентрирующие элементы в виде цилиндрических линз улучшают разориентационные характеристики модулей только в одной плоскости.

Известен солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубл. 27.09.2007), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль содержит фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также ФЭ с теплоотводящими основаниями. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла. Оптические оси линз Френеля проходят через центры фотоактивных поверхностей соответствующих ФЭ. Введена дополнительная промежуточная панель из силикатного стекла, на которой установлены плосковыпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Фотоактивные поверхности ФЭ расположены в фокусном пятне двух оптических концентраторов - линз Френеля и плоско-выпуклых линз.

Известный солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль обладает хорошей разориентационной характеристикой. Однако недостатком известного модуля-прототипа является высокий уровень концентрации солнечного излучения на ФЭ. В центре фокусного пятна двух оптических концентраторов - линзы Френеля и плоско-выпуклой линзы, концентрация солнечного излучения достигает 5000 крат, что приводит к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию и уменьшает срок службы ФЭ.

Задачей, решаемой настоящим техническим решением, является создание солнечного фотоэлектрического концентраторного модуля с повышенной надежностью, с увеличенным сроком службы и высокой энергопроизводительностью за счет выравнивания освещенности фотоактивной области ФЭ и уменьшения локальной концентрации солнечного излучения.

Поставленная задача решается тем, что солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль включает первичный оптический концентратор в виде линзы Френеля, с линейным размером D, оптическая ось которой проходит через центр фотоактивной области ФЭ, выполненной в виде круга диаметром d, и соосный с ним вторичный концентратор, выполненный в виде четвертьволнового радиального градана диаметром, равным d, и высотой h₁, установленный на расстоянии h₂ от фронтальной поверхности линзы Френеля, при этом величины h₁, h₂, и D удовлетворяют соотношениям, мм:

h₁=L/4;

h₂=F;

где: F - фокусное расстояние линзы Френеля, мм;

L - характеристическая длина самофокусировки градиентной линзы, мм;

N_a - числовая апертура градана.

На торцевые поверхности градана могут быть нанесены просветляющие диэлектрические покрытия.

Выбор значения высоты h₁ определяется свойствами радиальных градиентных линз, внутри которых за счет радиального изменения показателя преломления происходит периодическая самофокусировка параллельного светового пучка в точках на оптической оси на расстоянии характеристической длины самофокусировки L. При этом при фокусировке светового пятна на приемный торец градана длиной L/4, сфокусированное излучение выходит через выходной торец градана в виде параллельного светового пучка.

Для фокусировки солнечного излучения на приемном торце, четвертьволновой радиальный градан устанавливается соосно с линзой Френеля на расстоянии h₂, равном фокусу линзы Френеля F.

Для обеспечения оптического преобразования всех световых лучей внутри вторичного концентратора, выходной апертурный угол первичного концентратора, определяемый соотношением размера D линзы Френеля и ее фокусного расстояния F, устанавливается равным или меньшим входному апертурному углу градана, определяемому числовой апертурой N_a.

Для снижения потерь линзы Френеля на отражение света на торцевые поверхности градана могут быть нанесены просветляющие диэлектрические покрытия.

Устройство настоящего солнечного фотоэлектрического концентраторного модуля поясняется чертежом, где схематично изображен солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль с вторичным концентратором, выполненным в виде четвертьволнового радиального градана.

Настоящий солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль (см. чертеж) содержит ФЭ 1, фотоактивная область 2 которого выполнена в виде круга диаметром d, первичный оптический концентратор 3 в виде линзы Френеля с линейным размером D, оптическая ось 4 которой проходит через центр 5 фотоактивной области 2 ФЭ 1 и вторичный соосный с ним концентратор 6, выполненный в виде четвертьволнового радиального градана диаметром d, и высотой h₁, установленный на расстоянии h₂ от фронтальной поверхности 7 первичного оптического концентратора 3. Высота h₁ установлена равной характеристической длины самофокусировки градиентной линзы L. Высота h₂ установлена равной фокусу линзы Френеля F. Размер D линзы Френеля и ее фокусное расстояние F выбраны такими, чтобы выполнялось соотношение:

где N_a - числовая апертура градана. На торцевые поверхности градана могут быть нанесены просветляющие диэлектрические покрытия.

При работе настоящего солнечного фотоэлектрического концентраторного модуля, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам, солнечное излучение, попадающее на входную апертуру первичного оптического концентратора 3, фокусируется им на приемном торце 8 вторичного оптического концентратора 6, затем после изменения направления хода лучей во вторичном оптическом концентраторе 6, через выходной торец 9 вторичного оптического концентратора 6 в виде параллельного светового пучка направляется на фотоактивную область 2 ФЭ 1.

При этом распределение концентрации солнечного излучения на поверхности фотоактивной области 2 ФЭ 1 более однородное, чем в фокальном пятне первичного оптического концентратора 3, происходит выравнивание интенсивности светового потока, а также уменьшается спектральная неоднородность излучения. Максимальные значения локальной концентрации солнечного излучения существенно ниже, чем при использовании в качестве вторичных оптических концентраторов 6 выпуклых линз. Уменьшение спектральной неоднородности излучения приводит к увеличению КПД преобразования света в трехкаскадном ФЭ за счет уменьшения латеральных токов между каскадами. Снижение максимальных значений локальной концентрации солнечного излучения приводит к уменьшению локального перегрева ФЭ. Более однородное распределение концентрации солнечного излучения по поверхности фотоактивной области ФЭ приводит к повышению надежности его работы, увеличению срока службы и увеличению эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.

Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль содержит первичный оптический концентратор (3) в виде линзы Френеля, с линейным размером D, оптическая ось (4) которой проходит через центр (5) фотоактивной области фотоэлемента (1), выполненной в виде круга диаметром d, и соосный с ним вторичный концентратор (6), выполненный в виде четвертьволнового радиального градана диаметром d и высотой h₁, установленный на расстоянии h₂ от фронтальной поверхности линзы Френеля, при этом величины h₁, h₂, и D удовлетворяют определенным соотношениям. Изобретение обеспечивает формирование фотоэлектрического модуля с повышенной надежностью, с увеличенным сроком службы и высокой энергопроизводительностью за счет выравнивания освещенности фотоактивной области и уменьшения локальной концентрации солнечного излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль, включающий первичный оптический концентратор в виде линзы Френеля, с линейным размером D, оптическая ось которой проходит через центр фотоактивной области фотоэлемента, выполненной в виде круга диаметром d, и соосный с ним вторичный концентратор, выполненный в виде четвертьволнового радиального градана диаметром d и высотой h₁, установленный на расстоянии h₂ от фронтальной поверхности линзы Френеля, при этом величины h₁, h₂, и D удовлетворяют соотношениям, мм:

H₁=L/4;

H₂=F;

где: F - фокусное расстояние линзы Френеля, мм;

L - характеристическая длина самофокусировки градиентной линзы, мм;

N_a - числовая апертура градана.

2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что на торцевые поверхности четвертьволнового радиального градана нанесены просветляющие диэлектрические покрытия.