ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2019 года по МПК H01L25/16 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.

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 p-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 близкой к предлагаемому техническому решению является система фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения (пат.RU №2413334; МПК H01L 31/04) включающая оптическую систему, содержащую линзу Френеля, четыре последовательно расположенных селективных оптических фильтров, каждый со своим фотоприемником, 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 направляется 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, отсутствие защиты от механических воздействий и отсутствие системы охлаждения, что снижает надежность системы и ее КПД.

Технической задачей предлагаемого технического решения является разработка системы фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения с упрощенной технологией изготовления, повышающей точность и надежность монтажа фотоэлектрических элементов и увеличивающей ее эффективность и стабильность работы, при этом снижающей стоимость как 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 его 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 уровне оптического фильтра, выполненного в виде призмы, расположенной между линзой Френеля и светоотражающими фокусирующими зеркалами, установленными на тыльной стороне фотоэлектрического модуля, направленными на соответствующие фотоэлектрические преобразователи с определенной шириной запрещенной зоны, при этом рабочие поверхности призмы обращены к линзе Френеля и фокусирующим зеркалам с возможностью поворота призмы относительно оптической оси линзы Френеля.

Кроме того, фотоэлектрический модуль снабжен светоотражающими фокусирующими зеркалами, выполненными на основе принципа Френеля и расположенными на тыльной стороне фотоэлектрического модуля.

Кроме того, основания фотоэлектрических преобразователей снабжены трубами для подачи и отвода теплоносителя, расположенными со стороны фронтальной стенки.

Заявляемый фотоэлектрический модуль фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения поясняется чертежами где:

на фиг. 1 представлено устройство фотоэлектрического модуля прямоугольной формы с угловым расположением призмы и фокусирующими зеркалами, направленными на фотоэлектрические преобразователи, на фиг. 2 представлено устройство фотоэлектрического модуля прямоугольной формы с угловым расположением призмы и фокусирующими зеркалами, выполненными на принципе Френеля, направленными на фотоэлектрические преобразователи. Общая схема фотоэлектрического модуля представлена на фиг. 1 с изображением поперечного сечения фотоэлектрического модуля.

Фронтальная панель корпуса 1 с установленной за ней линзой Френеля 2 закреплена на боковых стенках корпуса 3 фотоэлектрического модуля (фиг. 1). На боковых стенках 3 закреплены также опоры 4 призмы 5, установленной под углом к оси модуля. Опоры 4 представляют собой дуги для поддержания призмы 5 и закреплены на теплоотводящих основаниях 6, на которых расположены фотоэлектрические преобразователи 7. Подача и отвод теплоносителя осуществляется через трубы 8. На тыльной стороне 9 корпуса расположены светоотражающие фокусирующие зеркала 10 (фиг. 1) или светоотражающие фокусирующие зеркала 11 (фиг. 2), выполненные на основе принципа Френеля.

Призма 5 (фиг. 1) установлена под углом α к оси модуля и закреплена на опоре 4 в виде дуг, закрепленных на теплоотводящих основаниях 6, установленных под углом γ к стенке корпуса 3 для обеспечения направления светового потока от светоотражающих зеркал 10 или 11 под углом, наиболее близким к прямому, по отношению к фотоэлектрическим преобразователям 7.

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 светоотражающие фокусирующие зеркала 10 либо фокусирующие зеркала на принципе Френеля 11 (фиг. 2).

Разделенные по спектру потоки света направлены на светоотражающие фокусирующие зеркала 10 (фиг. 1), либо на светоотражающие фокусирующие зеркала 11, выполненные на основе принципе Френеля, отражаются и направляются на соответствующие фотоэлектрические преобразователи 7.

На фиг. 1, 2 показано угловое расположение (крепление) фотоэлектрических преобразователей 7 по отношению к стенке 3 корпуса, обеспечивающее оптимальное направление потоков света от фокусирующих зеркал 9 к фотоэлектрическим преобразователям 7 близкое к 90°. Это позволит уменьшить вертикальное сечение (толщину) фотоэлектрического модуля.

На фигуре 2 представлено устройство, в котором использованы, светоотражающие фокусирующие зеркала 11, выполненные на основе принципа Френеля. Это позволит дополнительно уменьшить габариты фотоэлектрического модуля.

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 предлагаемом устройстве все фотоэлектрические преобразователи могут быть соединены между собой последовательно, параллельно или параллельно - последовательно для обеспечения возможности работы каждой системы фотопреобразователей в комплексе станции фотоэлектрических преобразователей с независимым поддержанием рабочей температуры отдельной системой фотоэлектрических преобразователей.

В заявляемой системе для каждого светового потока, на которые разделено излучение солнечного спектра с помощью системы из селективных оптических элементов (линз Френеля, призм), выбраны полупроводниковые материалы фотоэлектрических преобразователей с соответствующей шириной энергетической запрещенной зоны E_i.

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 концентраторных солнечных фотоэлектрических преобразователей, применяемых на наземных гелиоэнергетических установках. Согласно изобретению в известном фотоэлектрическом модуле, содержащем корпус с боковыми стенками, прозрачную фронтальную стенку с линзой Френеля, расположенной на внутренней его стороне, фотоэлектрические преобразователи с различной шириной запрещенной зоны, оптический фильтр, расположенный в зоне действия линзы Френеля, при этом фотоэлектрические преобразователи с различной шириной запрещенной зоны расположены на уровне оптического фильтра, выполненного в виде призмы, расположенной между линзой Френеля и светоотражающими фокусирующими зеркалами, установленными на тыльной стороне фотоэлектрического модуля, направленными на соответствующие фотоэлектрические преобразователи с определенной шириной запрещенной зоны, при этом рабочие поверхности призмы обращены к линзе Френеля и фокусирующим зеркалам с возможностью поворота призмы относительно оптической оси линзы Френеля. Изобретение позволяет изготавливать системы фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения с повышенной точностью и надежностью монтажа фотоэлектрических элементов, повышенной эффективностью и стабильностью работы, при пониженной стоимости как изготовления, так и эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фотоэлектрический модуль, содержащий корпус с боковыми стенками, прозрачную фронтальную стенку с линзой Френеля, распложенной на внутренней его 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 уровне оптического фильтра, выполненного в виде призмы, расположенной между линзой Френеля и светоотражающими фокусирующими зеркалами, установленными на тыльной стороне фотоэлектрического модуля, направленными на соответствующие фотоэлектрические преобразователи с определенной шириной запрещенной зоны, при этом рабочие поверхности призмы обращены к линзе Френеля и фокусирующим зеркалам с возможностью поворота призмы относительно оптической оси линзы Френеля.

2. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен светоотражающими фокусирующими зеркалами, выполненными на основе принципа Френеля и расположенными на тыльной стороне фотоэлектрического модуля.

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