ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2019 года по МПК H01L31/42 H01L31/54 

Изобретение относится к области концентраторных солнечных фотоэлектрических преобразователей, применяемых на наземных гелиоэнергетических установках.

Одним из методов получения электроэнергии является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием оптических концентраторов и многокаскадных солнечных элементов. Оптические концентраторы обеспечивают высокую степень концентрации солнечного излучения, позволяют увеличить КПД преобразования солнечного излучения и уменьшить площадь солнечных элементов в соответствии с кратностью концентрирования солнечного излучения. Выбор фотоэлементов обеспечивает повышение КПД фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения.

Известен фотоэлектрический модуль пат RU №2395136; H01L 31/042 включающий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель с солнечными элементами, снабженными теплоотводящими основаниями и центр линзы Френеля совпадает с фокусом этой линзы.

Недостатком устройства является использование одного фотоэлектрического модуля, что не обеспечивает использование широкого спектра солнечного излучения. И значительная часть солнечной энергии не преобразованная в электрическую превращается в тепло, которое передается от фотоэлементов к теплоотводящим основаниям и тыльной панели и рассеивается в окружающем пространстве.

Известен фотоэлектрический модуль заявка РСТ № WO 9213362; H01L 31/00; 06.08.1992 состоящий из нескольких фотоэлектрических сборок содержащих корпус и смонтированный в корпусе концентратор в виде линз Френеля с фоточувствительным элементом расположенным на задней стенке корпуса. При этом корпуса могут иметь вид усеченного конуса или усеченной пирамиды.

Недостатком данного фотоэлектрического модуля является сложность изготовления, низкая чувствительность по всему спектру солнечного излучения и высокие тепловые потери фотоэлемента.

Известен фотоэлектрический модуль пат RU №2307294; МПК H01L 31/052 от 27.09.2007 содержащий боковые стенки и фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне и солнечные фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Теплоотводящие основания выполнены в виде лотков с плоским дном. Светоприемные поверхности фотоэлементов находятся в фокусном центре двух концентраторов - линзы Френеля и плоско-выпуклых линз.

Предлагаемый модуль обеспечивает повышение энергопроизводительности фотоэлектрического модуля. Недостатком устройства является высокая трудоемкость настройки фотоэлементов, большая вероятность не совпадения центров фотоэлементов с центрами линз и узкий диапазон чувствительности фотоэлементов.

Известна система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения (пат US №6281426; МПК H01L 25/00; 28.08.2001) выполненная в виде многопереходного монолитного фотопреобразователя состоящая из фотоактивных р-n переходов соединенных в тандем на подложке. При этом предложены варианты с двухпереходными, трех- и четырехпереходными солнечными элементами.

Недостатком этой системы является сложность получения фотопреобразователя при большом количестве последовательно выращиваемых фоточувствительных слоев, требующих согласования между собой по ряду параметров.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение системы фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения (пат. RU №2413334; МПК H01L 31/04), включающей оптическую систему, расщепляющую солнечный спектр на селективных оптических фильтрах с четырьмя разными спектральными диапазонами, при этом часть отраженного спектра направляется на фотоприемник, а прошедшая через оптический фильтр на следующий фильтр со своим фотоприемником. При этом фоточувствительные полупроводниковые материалы фотоэлектрических преобразователей подобраны со своей соответствующей шириной запрещенной зоны Е₁.

Недостатком выше указанного устройства является конструктивная сложность, необходимость наладки каждого элемента отдельно, защита от механических воздействий и отсутствие системы охлаждения, что снижает надежность системы и ее КПД.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка системы фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения, упрощающей технологию изготовления, повышающей точность и надежность монтажа солнечных элементов и увеличивающей ее эффективность и стабильность работы, при снижении стоимости как при ее изготовления, так и эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в известном фотоэлектрическом модуле, содержащем корпус с боковыми стенками, прозрачную фронтальную стенку с линзой Френеля, расположенной на внутренней ее стороне, фотоэлектрические преобразователи с различной шириной запрещенной зоны,, оптический фильтр, расположенный в зоне действия линзы Френеля, согласно изобретению, фотоэлектрические преобразователи с различной шириной запрещенной зоны, расположены на тыльной стороне фотоэлектрического модуля, оптический фильтр выполнен в виде пирамидальной плоскопараллельной призмы, установленной с возможностью поворота на угол 0-45° к оптической оси линзы Френеля и боковыми поверхностями обращенной к световому потоку, расположенной между линзой Френеля и фотоэлектрическими преобразователями, при этом центр призмы проходит через оптическую ось линзы Френеля.

Кроме того, фотоэлектрический модуль может быть снабжен дополнительными линзами Френеля, расположенными в ряд между пирамидальной плоско-параллельной призмой и фотоэлектрическими преобразователями.

Кроме того, основания фотоэлектрических преобразователей снабжены трубами для подачи и отвода теплоносителя.

Заявляемый фотоэлектрический модуль фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения поясняется чертежами где:

на фиг. 1 представлено поперечное сечение фотоэлектрического модуля со смещением призмы, ее угловым расположением;

на фиг. 2 представлено поперечное сечение фотоэлектрического модуля с дополнительными фокусирующими линзами (Френеля) расположенными между призмой и перед фотоэлектрическими преобразователями направляющие разделенные потоки света на свой фотоэлектрический преобразователь.

Общая схема фотоэлектрического модуля представлена на фиг. 1 с изображением поперечного сечения фотоэлектрического модуля.

Фронтальная стенка 1 с установленной за ней линзой Френеля 2 закреплены на боковых стенках корпуса 3 фотоэлектрического модуля (фиг. 1-3). На боковых стенках 3 закреплены также опоры 4 для установки пирамидальной плоско-параллельной призмы 5, установленной с возможностью поворота на угол 0-45° к оптической оси линзы Френеля и боковыми поверхностями обращенной к световому потоку, расположенной между линзой Френеля и фотоэлектрическими преобразователями, при этом центр призмы проходит через оптическую ось линзы Френеля. В нижней части корпуса 3 на тыльной стенке на теплоотводящем основании 6 установлены фотоэлектрические преобразователи 7. Теплоотводящее основание 6 снабжено трубами подачи 8 и отвода 9 теплоносителя. Нижние участки 10 боковых стенок 3 могут быть установлены под углом к верхним участкам боковых стенок 3 и к теплоотводящему основанию 6. Призма 5 установлена на опорах 4 и закреплена на дуге 11. В фотоэлектрическом модуле (фиг. 2) для распределения потока света на фотоэлектрические преобразователи 7 установлены дополнительные линейные линзы Френеля 12 на опорах 13.

Работа фотоэлектрического модуля осуществляется следующим образом: световой поток (фиг. 1) через светопропускающую фронтальную панель 1 проходит на линзу Френеля 2 и фокусируется на призме 5, которая распределяет поток света на фотоэлектрические преобразователи 7, при этом линза Френеля 2, призма 5 и фотоэлектрические преобразователи 7 расположены линейно по одной оси. Соосность расположения линзы Френеля 2 и фотоэлектрических преобразователей 7 обеспечивается смещением относительно оси модуля расположения призмы 5 (фиг. 1) и угла наклона относительно оси модуля. Это позволит уменьшить объем модуля. Дополнительные линзы Френеля 12 направляют разделенные по спектру потоки света на соответствующие фотоэлектрические преобразователи 7.

Предлагаемый фотоэлектрический модуль разделяя солнечное излучение по спектрам и направляя каждый участок спектра на свой фотоэлектрический преобразователь позволит более эффективно использовать установленные фотоэлектрические преобразователи, а система дополнительного, и в том числе раздельного их охлаждения позволит увеличить их КПД и срок службы.

В заявляемой системе для каждого светового потока, на которые разделено излучение солнечного спектра с помощью системы из селективных оптических элементов (линз Френеля, пирамидальной плоско-параллельной призмы), установлены полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи с соответствующей шириной энергетической запрещенной зоны Е, а так же примесные полупроводники для наиболее широкого охвата солнечного спектра.

Использование спектрального расщепления света обеспечивает расположение фотоэлектрических преобразователей отдельно друг от друга, что упрощает и удешевляет их монтаж и обеспечивает повышение эффективности использования фотоэлектрических модулей. Потери от несогласованности токов и напряжений могут быть устранены простой коммутацией фотоэлектрических преобразователей при их раздельном монтаже преобразователей в системе фотоэлектрического модуля.

Изобретение относится к области гелиоэнергетики и касается фотоэлектрического модуля. Фотоэлектрический модуль включает в себя корпус с боковыми стенками, прозрачную фронтальную стенку с линзой Френеля, расположенной на внутренней ее стороне, фотоэлектрические преобразователи с различной шириной запрещенной зоны и оптический фильтр, расположенный в зоне действия линзы Френеля. Фотоэлектрические преобразователи расположены на тыльной стороне фотоэлектрического модуля, а оптический фильтр выполнен в виде пирамидальной плоскопараллельной призмы, расположенной между линзой Френеля и фотоэлектрическими преобразователями. Призма установлена с возможностью поворота на угол 0-45° к оптической оси линзы Френеля и боковыми поверхностями обращена к световому потоку. Центр призмы проходит через оптическую ось линзы Френеля. Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления, повышении точности и надежности монтажа, увеличении эффективности и стабильности работы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фотоэлектрический модуль, содержащий корпус с боковыми стенками, прозрачную фронтальную стенку с линзой Френеля, расположенной на внутренней ее стороне, фотоэлектрические преобразователи с различной шириной запрещенной зоны, оптический фильтр, расположенный в зоне действия линзы Френеля, отличающийся тем, что фотоэлектрические преобразователи с различной шириной запрещенной зоны расположены на тыльной стороне фотоэлектрического модуля, оптический фильтр выполнен в виде пирамидальной плоскопараллельной призмы, установленной с возможностью поворота на угол 0-45° к оптической оси линзы Френеля и боковыми поверхностями обращенной к световому потоку, расположенной между линзой Френеля и фотоэлектрическими преобразователями, при этом центр призмы проходит через оптическую ось линзы Френеля.

2. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными линзами Френеля, расположенными в ряд между пирамидальной плоскопараллельной призмой и фотоэлектрическими преобразователями.

3. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что основания фотоэлектрических преобразователей снабжены трубами для подачи и отвода теплоносителя.