КОНЦЕНТРАТОРНО-ПЛАНАРНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2019 года по МПК H01L31/54 

Заявляемое изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к комбинированным концентраторно-планарным фотоэлектрическим модулям, с увеличенной суммарной энергетической выработкой за счет преобразования прямого солнечного излучения высокоэффективными концентраторными ячейками типа «линза Френеля - многопереходный солнечный элемент», и рассеянного диффузного солнечного излучения - планарными фотоэлектрическими ячейками.

Среди многообразия полупроводниковых материалов для создания фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечного излучения выделяются соединения А3В5, на основе которых создают многопереходные гетероструктуры для элементов космических солнечных батарей и высокоэффективных ФЭП концентрированного солнечного излучения. В ФЭП на основе многопереходных А3В5 наногетероструктур коэффициент полезного действия фотоэлектрического преобразования находится на уровне 40-44% и имеет перспективу для увеличения до 50% в ближайшие годы. Этот тип ФЭП является непревзойденным рекордсменом по эффективности. Однако для экономически оправданного их использования в наземных условиях требуется применение оптических концентраторов солнечного излучения и систем слежения за положением Солнца, а также размещения концентраторных фотоэнергоустановок в регионах с потенциально высоким уровнем поступления прямой солнечной радиации. В силу естественных оптических потерь для передаваемой (фокусируемой) концентраторами лучистой энергии, а также омических потерь в многопереходных ФЭП, коэффициент полезного действия фотоэлектрического модуля несколько снижается относительно указанных выше показателей (на 10-15 относительных процентов), оставаясь, тем не менее, в диапазоне значений более 30%. Для создания неконцентраторных планарных ФЭП применяют другие типы материалов. В этой группе, помимо ФЭП на основе кристаллического кремния, активно создают тонкопленочные элементы из аморфного кремния (a-Si) и родственных каскадных структур (тандемные элементы на основе аморфного и микрокристаллического кремния - a-Si/uc-Si, двух и трехкаскадные элементы на основе сплавов аморфного и микрокристаллического кремния - a-Si/a-Si/uc-Si, a-Si/a-SiGe/uc-Si и a-Si/uc-Si /uc-SiGe), теллурида кадмия CdTe, многокомпонентных полупроводниковых соединений со структурой халькопирита (селенид меди-галлия-индия CIS - CuInSe₂, CIGS - Cu(In, Ga)Se₂, CIGSS - CuIn_1xGa_xSe_2yS_y) и др. Фотоэлектрические батареи на основе тонкопленочных материалов изготавливают по технологиям, обеспечивающим коэффициент полезного действия на уровне 12-20%. Такие батареи монтируют неподвижно, в том числе на фасадах и на покатых крышах зданий, то есть там, где установка высокоэффективных систем с А3В5-фотоэлементами невозможна или энергетически и экономически нецелесообразна.

Создание комбинированных фотоэлектрических модулей, выполненных на элементной базе с использованием обоих типов материалов, позволяет преобразовывать как энергию прямого солнечного излучения концентраторными фотоэлектрическим ячейками, так и энергию рассеянного (диффузного) солнечного излучения планарными солнечными элементами. Превосходство комбинированных модулей над обыкновенными концентраторными модулями заключается в сохранении существенной энергопроизводительности в условиях облачной и пасмурной погоды, когда прямое излучение ослаблено или отсутствует, тогда как диффузное излучение, свободно проникая сквозь линзу Френеля, которая для такого излучения выступает в роли рассеивателя, достигает планарных солнечных элементов. Работа на общую нагрузку обоих фотоэлектрических контуров (концентраторного и планарного) позволит снизить общие колебания в электрогенерации при переходе между режимами преобразования сконцентрированного и диффузного (рессеянного) излучений.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007), содержащий фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля не ее тыльной стороне, а также концентраторные ФЭП с теплоотводящими основаниями. На дополнительной промежуточной панели из силикатного стекла установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнены в виде лотков с плоским дном и закреплены на тыльной стороне промежуточной панели. Фотоактивные поверхности ФЭП находятся в фокусе двух оптических концентраторов - линз Френеля и плоско-выпуклых линз. Известный солнечный концентраторный модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности и обладает хорошей разориентационной характеристикой. Однако недостатком известного модуля является высокий уровень концентрации солнечного излучения на ФЭП. В центре фокального пятна, создаваемого двумя оптическими концентраторами (линзой Френеля и плоско-выпуклой линзой), концентрация солнечного излучения достигает 5000-7000 крат, что приводит к снижению эффективности преобразования излучения в электроэнергию и уменьшает срок службы ФЭП.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2354005, МПК H01L 31/052, опубликован 27.04.2009), содержащий фронтальную панель из силикатного стекла с линзовыми концентраторами из силикона на ее внутренней стороне, боковые стенки, а также тыльную панель, на верхней стороне которой на теплоотводящих основаниях установлены концентраторные ФЭП и соосные им дополнительные оптические элементы, которые входят в состав узлов защиты концентраторных ФЭП от агрессивного воздействия атмосферной среды. Узел защиты концентраторных ФЭП может быть выполнен в виде герметично установленных на теплоотводящие основания шин, изготовленных из диэлектрического материала с токоведущими металлизированными покрытиями с обеих сторон.

Известный фотоэлектрический модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности, повышение надежности и срока службы. Основным недостатком известного фотоэлектрического модуля является сложность изготовления и высокая стоимость его конструкции.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2395136, МПК H01L 31/042, опубликован 15.06.2009), содержащий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель и концентраторные солнечные ФЭП на теплоотводящих основаниях. Позиционирование ФЭП обеспечивается точными отверстиями в центрирующих планках, которые одновременно являются элементами коммутации и выполнены из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием. Однако недостатком известного модуля является невысокий срок его эксплуатации из-за выгорания органических материалов при попадании сфокусированного пятна солнечного излучения на края отверстий центрирующих планок при случайной разориентации фотоэлектрического модуля. При этом продукты горения оседают на фотоприемных поверхностях ФЭП, уменьшая эффективность преобразования солнечного излучения.

Известен солнечный концентраторный фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2578735, МПК H01L 31/042, опубликован 27.03.2016), содержащий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель, коммутационные планки и солнечные ФЭП на теплоотводящих основаниях. В качестве теплопроводящих оснований выступают металлические платы с регулярно расположенными углублениями под ФЭП для их позиционирования. Теплопроводящие основания установлены на фронтальной или тыльной стороне тыльной панели модуля параллельно друг другу с шагом между углублениями равным расстоянию между центрами соседних линз Френеля.

Известный фотоэлектрический модуль позволяет повысить точность позиционирования ФЭП, что увеличивает эффективность преобразования солнечного излучения, и упростить сборку конструкции фотоэлектрического модуля. Однако недостатком известного модуля является высокая вероятность отказа. Так как конструкция модуля предполагает параллельное соединение ФЭП на металлической плате, то при выходе из строя хотя бы одного преобразователя, снижаются рабочие характеристики всей группы ФЭП на металлической плате, что приводит к снижению энергопроизводительности модуля.

Известен концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль (см. патент US 20140261627 А1 МПК H01L 31/052, опубликован 18.09.2014) с планарными неконцентраторными кремниевыми ФЭП, устанавливаемыми на электрогенерирующей панели с концентраторными ФЭП или над ней. При этом в кремниевых ФЭП большой площади должны быть отверстия для пропускания сконцентрированного излучения к местам расположения концентраторных ФЭП.

Очевидным недостатком известного концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля является высокая технологическая сложность изготовления кремниевых фотопреобразователей с отверстиями. Использование же концепции многоэлементного массива из малоразмерных кремниевых ФЭП сопряжено со значительными технологическими затратами из-за сложности сборки такой панели и ее монтажа в модуле. В вариантном исполнении ФЭП, захватывающих диффузный свет, на основе аморфного кремния и/или его сплавов, теллурида кадмия и/или его сплавов, селенида меди-галлия-индия и/или его сплавов, их встраивание в концентраторный модуль также предполагается в виде отдельного конструктивного элемента с соответствующими дополнительными техническими и финансовыми издержками. Какая-либо защита элементов неконцентраторной части электрогенерирующего основания от попадания сфокусированного излучения не предусмотрена, что снижает надежность и эксплуатационный ресурс ФЭП, преобразующих диффузное (рассеянное) излучение в концентраторном модуле.

Известен концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль (см. патент US 2017062630 А1 МПК H01L 31/0232, H01L 31/02, опубликован 02.03.2017), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль-прототип включает концентрирующие элементы (линзы), концентраторные ФЭП, смонтированные на рабочей поверхности планарных неконцентраторных ФЭП, располагаемых на плоском основании. В основном варианте используют плоские кремниевые ФЭП.

К достоинствам этого варианта следует отнести возможность интеграции дополнительных элементов (например, байпасных диодов и элементов электрической коммутации) непосредственно в пластину неконцентраторных кремниевых ФЭП. В других вариантах исполнения в качестве преобразователей неконцентрированного излучения применены элементы на основе селенида меди-индия и/или его сплавов CuInSe₂, теллурида кадмия и др. Однако во всех случаях планарные неконцентраторные ФЭП со сформированной контактной сеткой индивидуально устанавливают на плоское основание, то есть, по сути, представляют собой дискретные элементы, пусть и значительной площади (0,04 м² максимум), а не изготавливают в едином технологическом процессе формирования плоского основания. С учетом того, что в фотоэлектрических модулях для коммерческих применений площадь рабочей поверхности модуля, как правило, превышает 0.5 м², монтаж таких дискретных элементов сопряжен с дополнительными затратами. В известном комбинированном модуле концентраторные ФЭП предназначены для работы с прямым солнечным излучением, а планарные неконцентраторные ФЭП - для преобразования рассеянного излучения, а в ряде случаев и прямого излучения, проходящего сквозь концентраторный элемент. При этом планарные неконцентраторные ФЭП несут всю функцию отвода тепла от концентраторных ФЭП. При разориентации концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля-прототипа относительно направления на Солнце, возможно смещение сфокусированного излучения с фотоприемной площадки и выход его за пределы концентраторного ФЭП, вызывая выход из строя планарных неконцентраторных ФЭП, что снижает надежность и эксплуатационный ресурс планарных неконцентраторных ФЭП.

Задачей заявляемого изобретения является разработка концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля с повышенной надежностью и эксплуатационным ресурсом.

Поставленная задача решается тем, что концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль, содержит фронтальную светопрозрачную панель с концентрирующими оптическим элементами, светопрозрачную тыльную панель, на которой сформированы планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи с окнами, противолежащими концентрирующим оптическим элементам, в которых размещены концентраторные фотоэлектрические преобразователи, и элементы крепления. Фронтальная панель и тыльная панель соединены элементами крепления. Центр фотоприемной площадки каждого концентраторного фотоэлектрического преобразователя лежит на одной оси с центром соответствующего концентрирующего оптического элемента и совпадает с его фокусом. Новым в концентраторно-планарном фотоэлектрическом модуле является то, что концентраторные фотоэлектрические преобразователи снабжены защитными отражающими элементами с боковой светоотражающей поверхностью, установленными на фронтальной стороне тыльной панели и исключающими попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи при разориентации модуля от направления на Солнце.

Защитные отражающие элементы могут быть выполнены в виде полых усеченных пирамид с внутренними светоотражающими поверхностями, обращенных большими основаниями к фронтальной панели, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на тыльной стороне тыльной панели и снабжены теплопроводящим радиатором.

Защитные отражающие элементы могут быть выполнены в виде сплошных светопрозрачных усеченных пирамид, обращенных большими основаниями к фронтальной панели, на наклонные стенки пирамид нанесено светоотражающее покрытие, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на тыльной стороне тыльной панели и снабжены теплопроводящим радиатором.

Окна в планарных неконцентраторных фотоэлектрических преобразователей могут быть выполнены в виде полос, над которыми установлены защитные отражающие элементы в виде-образных теплопроводящих желобов с боковыми стенками со светоотражающим покрытием, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на основаниях желобов, служащих теплопроводящим радиатором.

Боковые стенки теплопроводящих желобов могут быть выполнены утолщенными к основанию желоба.

Концентрирующие оптические элементы могут быть выполнены из силикона в виде линз Френеля квадратной формы, сформированных вплотную друг к другу на тыльной стороне фронтальной панели.

Концентраторные фотоэлектрические преобразователи могут быть выполнены на основе А³В⁵ гетероструктуры.

Планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи могут быть выполнены на основе структур, выбранных из группы полупроводниковых материалов a-Si/nc-Si, CuInSe₂, Cu(In_1-xGa_x)Se₂.

Элементы крепления могут быть выполнены в виде боковых панелей или в виде рам.

Светопрозрачные пластины фронтальной и тыльной панелей могут быть выполнены из силикатного стекла оптического качества, а концентрирующие оптические элементы могут быть типа «классическая плоско-выпуклая линза», «классическая линза Френеля», «линза Френеля с оптическими элементами полного внутреннего отражения» и выполнены из оптически прозрачных материалов типа полиметилметакрилата, силиконового или уретанового компаунда и других.

Теплопроводящие радиаторы могут быть выполнены из сплавов алюминия (в этом случае монтаж концентраторного ФЭП производят на плату из теплопроводящего материала, которую затем соединяют с радиатором) или другого металла/сплава (например, меди). В этом случае на радиатор могут быть нанесены покрытия из Zn, или Sn, или Ni, служащие для увеличения коррозионной стойкости и улучшения условий монтажа ФЭП.

В случае расположения теплопроводящих радиаторов снаружи модуля (на тыльной стороне тыльной панели), на их внешнюю (обратную по отношению в потоку сконцентрированного солнечного излучения) поверхность может быть нанесено теплоизлучающее покрытие. Для уменьшения отражения света на границах раздела сред, объем между поверхностью стеклянной пластины тыльной панели в области оптических окон и фотоприемными площадками концентраторных ФЭП может быть заполнен оптическим силиконом.

Тыльная сторона модуля может быть загерметизирована отверждаемой полимерной композицией или ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой с последующим нанесением защитной пленки из лавсана.

Теплопроводящие радиаторы могут быть прикреплены к поверхности стеклянной пластины тыльной панели при помощи теплопроводящего силикона или адгезива.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематически изображен фрагмент концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля в первом воплощении настоящего изобретения;

на фиг. 2 схематически изображен фрагмент модуля во втором воплощении настоящего изобретения;

на фиг. 3 схематически изображен фрагмент концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля в третьем воплощении настоящего изобретения;

Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль 1 (см. фиг. 1-фиг. 3) содержит фронтальную (линзовую) панель 2 на основе светопрозрачной пластины 3 с концентрирующими оптическим элементами 4 и тыльную (электрогенерирующую) панель 5, с планарными неконцентраторными тонкопленочными ФЭП 6, сформированными технологическим процессом на тыльной поверхности светопрозрачной пластины 3' в виде параллельных друг другу протяженных узких полос (фотогенерирующих ячеек) одинаковой площади с диффузно отражающим покрытием 7 с тыльной стороны, и концентраторными ФЭП 8 на теплопроводящих радиаторах 9, установленных на тыльной поверхности пластины 3'. Планарные неконцентраторные тонкопленочные ФЭП 6 сформированы в виде полос, обходящих зоны расположения теплопроводящих радиаторов 9, образовывая оптические окна 10, противолежащие концентрирующим оптическим элементам 4 фронтальной панели 2, где отсутствуют планарные неконцентраторные тонкопленочные ФЭП 6 и диффузно отражающее покрытие 7. Планарные неконцентраторные тонкопленочные ФЭП 6 одинаковой площади электрически соединены в группы при помощи металлического проводника (на чертеже не показан). Равенство площадей обеспечивает равные по величине фототоки планарных неконцентраторных ФЭП 6 для соединения этих ФЭП в последовательную электрическую цепь. Взаимное расположение фронтальной панели 2 и тыльной панели 5 фиксируют элементами 11 крепления. Теплопроводящие радиаторы 9 позиционируют в пределах оптических окон 10 на поверхности светопрозрачной пластины 3', и крепят к ее поверхности таким образом, чтобы центры фотоприемных площадок каждого концентраторного ФЭП 8 находились на одной оси с центром соответствующего концентрирующего оптического элемента 4 фронтальной панели 3, обеспечивая положение фокального пятна на концентраторном ФЭП 8 при точной ориентации фотоэлектрического модуля в направлении на Солнце. Концентрирующие оптические элементы 4 могут быть типа «классическая плоско-выпуклая линза», «классическая линза Френеля», «линза Френеля с оптическими элементами полного внутреннего отражения» и выполнены из оптически прозрачных материалов типа полиметилметакрилата, силиконового или уретанового компаунда и других, могут иметь квадратную или иную форму, обеспечивающую расположение концентраторов вплотную друг к другу, и прочно соединены с поверхностью светопрозрачной пластины 3 фронтальной панели 2, выполняющей защитную и несущую функции. Концентраторные ФЭП 8 и байпасные диоды (при необходимости) могут быть установлены непосредственно как на теплопроводящие радиаторы 9, так и на теплопроводящие платы 12 с последующим монтажом на теплопроводящие радиаторы 9. Теплопроводящие радиаторы 9 могут быть выполнены из сплавов алюминия или другого металла/сплава (например, меди с покрытием из Zn, или Sn, или Ni). Теплопроводящие платы 12 могут быть выполнены в виде многослойных конструкций на основе алюминия, керамики, кремния и др. с обеспечением необходимой электроотводящей и изолирующей функций. Тыльная сторона модуля 1 может быть загерметизирована защитным электроизолирующим покрытием 13, например, ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой или отверждаемой полимерной композицией с последующим нанесением защитной пленки из лавсана, если это требуется в силу эксплуатации в агрессивных условиях. На внешнюю (обратную по отношению в потоку сконцентрированного солнечного излучения) поверхность теплопроводящих радиаторов 9 может быть нанесено теплоизлучающее покрытие 14. Электрическое соединение концентраторных ФЭП 8 в последовательно-параллельную цепь осуществляют при помощи металлических проводников (на чертеже не показаны) с выводом на коммутационный терминал. Электрогенерирующая часть на основе планарных неконцентраторных ФЭП 6 формирует отдельную электрическую схему с выводом на коммутационный терминал. В вариантном исполнении схемы электрической коммутации концентраторный и планарный контуры могут быть соединены параллельно, при условии генерации более высокого фототока в последовательно-параллельной цепи из концентраторных ФЭП и более высокого напряжения в цепи на основе планарных тонкопленочных ФЭП. В первом воплощении настоящего изобретения (см. фиг. 1) защита планарных неконцентраторных ФЭП 6 от попадания сконцентрированного солнечного излучения высокой плотности при разориентации модуля реализуют при помощи индивидуально устанавливаемых на фронтальной поверхности светопрозрачной пластины 3' соосно над каждым концентраторным ФЭП 8 защитных отражающих элементов 15 в виде полых усеченных пирамид с внутренними светоотражающими поверхностями, обращенных большими основаниями к фронтальной (линзовой) панели 2. При работе модуля 1 в режиме разориентации относительно направления на Солнце, такие защитные диффузно отражающие элементы 13 рассеивают сфокусированное излучение в объем модуля 1 и, тем самым, предотвращают попадание сконцентрированного солнечного излучения высокой плотности на планарные неконцентраторные ФЭП 6. При этом концентраторные ФЭП 8 на теплопроводящих радиаторах 9 установлены на тыльной поверхности светопрозрачной пластины 3' напротив оптических окон 10, и находятся снаружи модуля 1. Второе воплощение настоящего изобретения, (см. фиг. 2) отличается от первого воплощения тем, что защитные отражающие элементы 16 выполнены в виде сплошных светопрозрачных усеченных пирамид (калейдоскопов), обращенных большими основаниями к фронтальной (линзовой) панели 2, на наклонные стенки пирамид нанесено светоотражающее покрытие. При работе модуля 1 в режиме разориентации относительно направления на Солнце, такие калейдоскопы переотражают сфокусированное излучение в сторону от тонкопленочных планарных неконцентраторных ФЭП 6 для минимизации их деградации. Внешние наклонные стенки таких пирамид могут взаимодействовать с поступающим излучением по принципу полного внутреннего отражения или иметь дополнительное зеркальное покрытие для увеличения эффективности отражения. В частном случае, такие защитные отражающие элементы 16 могут направлять излучения по направлению к концентраторному ФЭП, а в случае выпуклой фронтальной поверхности - дополнительно фокусировать его, и выполнять роль как защитного элемента для планарных неконцентраторных ФЭП 6, так и вторичного оптического концентрирующего элемента. Третье воплощение настоящего изобретения (см. фиг. 3) отличается от первого и второго воплощений тем, что защитные отражающие элементы 17 выполнены в виде -образных теплопроводящих желобов с боковыми стенками с диффузно отражающей поверхностью. При этом основания желобов служат теплопроводящим радиатором 9 для концентраторных ФЭП 8. Защитные отражающие элементы 17 с концентраторными ФЭП 8 на теплопроводящих платах 12 установлены на рабочей (обращенной к фронтальной панели 2) поверхности светопрозрачной пластины 3' и находятся внутри модуля 1. Боковые наклонные стенки защитных отражающих элементов 17 обеспечивают гарантированную защиту планарных неконцентраторных ФЭП 6 от попадания сильно сфокусированного излучения вплоть до углов разориентации (в поперечном направлении модуля), за пределами которых плотность излучения в сконцентрированном световом потоке, достигающем элементы тонкопленочной структуры, не является критичной (повреждающей) для тонкопленочных планарных неконцентраторных ФЭП 6. В продольном направлении при любых углах разориентации пятно сфокусированного солнечного излучения будет оставаться остается в пределах защитного отражающего элемента 17. Оптические окна 10 в этом случае имеют вид полосы, разделяющей тонкопленочные планарные неконцентраторные ФЭП 6 на изолированные группы с последовательной коммутацией планарных неконцентраторных ФЭП 6 в них. Ширина оптических окон 10 в тонкопленочных слоях тыльной панели 5 совпадает или несколько превышает ширину основания защитного отражающего элемента 17. Конструктивно защитные отражающие элементы 17 имеют протяженную форму, что увеличивает суммарную удельную площадь плоского теплоотвода и снижает нагрев концентраторных ФЭП 8, и могут быть предназначены для установки одной или нескольких теплопроводящих плат 12 с коммутируемыми в электрическую цепь концентраторными ФЭП 8. Их длина должна быть меньше габаритного размера светопрозрачной пластины 3' и, как правило, выбирается из соображений обеспечения точности позиционирования концентраторных ФЭП 8 относительно оптической оси концентрирующего оптического элемента 4 при температурном расширении материала защитных отражающих элементов 17 и сохранения конструктивной прочности модуля 1 при возникновении механических напряжений по причине разницы коэффициентов температурного расширения материалов. Для улучшения теплоотвода, основания желобов защитных элементов 17 могут быть выполнены утолщенными.

Комбинированный концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль 1 работает следующим образом. Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль модуль 1 устанавливают на поворотную платформу с системой слежения за Солнцем и ориентируют платформу в пространстве так, чтобы плоскость светопрозрачной пластины 3 фронтальной панели 2 с концентрирующими оптическими элементами 4 была перпендикулярна световому потоку солнечного излучения. При этом концентрирующие оптические элементы 4 фокусируют прямое солнечное излучение на фотоприемные площадки концентраторных ФЭП 8, установленных на теплопроводящие радиаторы 9, которые закреплены на рабочей или тыльной поверхности светопрозрачной пластины 3' тыльной панели 5 с тонкопленочными планарными неконцентраторными ФЭП 6, преобразующими поступающее сквозь концентратор диффузное (при отсутствии прямого) излучение или рассеянное концентрирующим оптическим элементом 4 излучение. На фронтальной стороне тыльной панели 5 установлены защитные отражающие элементы 15, 16 или 17, отражающие (рассеивающие) излучение из областей, прилегающих к концентраторным ФЭП 8, предотвращая тем самым попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные ФЭП 6 для минимизации их деградации при локальном засвечивании световым потоком высокой плотности при разориентации модуля 1 от направления на Солнце. Теплопроводящие радиаторы 9 имеют форму и конфигурацию, обеспечивающие эффективный теплоотвод от концентраторного ФЭП 8 При подключении к внешним контактам фотоэлектрического модуля 1 электрической нагрузки, в цепи нагрузки будет протекать электрический ток, генерируемый в контуре с концентраторными ФЭП 8 под воздействием сконцентрированного прямого солнечного излучения и в контуре с планарными неконцентраторными ФЭП 6 при преобразовании диффузного или рассеянного солнечного излучения. Коэффициент полезного действия концентраторной части фотоэлектрического модуля 1 с концентраторными ФЭП 8 может достигать 35%, а планарной части с тонкопленочными планарными неконцентраторными ФЭП 6 - 9-17% в зависимости от выбранной для них полупроводниковой структуры и конструкции. Часть солнечной энергии, не преобразованная в электрическую, превращается в тепло, которое передается от ФЭП 8 к теплопроводящим платам 12 с теплопроводящими радиаторами 9 и далее к светопрозрачной пластине 3' тыльной панели 5 с последующим рассеиванием в окружающее пространство посредством конвекционного теплообмена.

Для практической проверки заявляемых решений был изготовлен экспериментальный образец комбинированного модуля с защитными отражающими элементами в виде-образных теплопроводящих желобов с диффузно отражающими боковыми стенками из алюминиевого сплава. В качестве материала светопрозрачных пластин линзовой и электрогенерирующей панелей было выбрано стекло «солнечного» качества. На поверхности стеклянной пластины фронтальной панели были сформированы из оптически прозрачного силикона концентраторы типа «линза Френеля» квадратной формы примыкающие друг к другу. На тыльной поверхности стеклянной пластины тыльной панели были нанесены слои тонкопленочных планарных неконцентраторных ФЭП на основе каскадной структуры a-Si/nc-Si с оптическими окнами в виде полос, разделяющих планарные неконцентраторные ФЭП на изолированные группы, на фронтальной поверхности стеклянной пластины установлены защитные элементы с концентраторными ФЭП на основе А3В5 гетероструктур на теплопроводящих платах. Тыльная сторона модуля была загерметизирована ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой. Проведенные испытания продемонстрировали работоспособность комбинированного модуля, при этом его энерговыработка превысила энерговыработку аналогичного концентраторного модуля на 5%.

В настоящей конструкции модуля исключается возможность деградации тонкопленочных планарных неконцентраторных ФЭП и выгорания элементов конструкции при смещении сфокусированного солнечного излучения относительно концентраторных ФЭП в область тонкопленочных структур планарных неконцентраторных ФЭП. За счет этого настоящая конструкция фотоэлектрического модуля имеет увеличенный срок эксплуатации при сохранении эффективности преобразования солнечного излучения при одновременном увеличении общего энергосъема и годовой выработки электроэнергии.

При производстве модуля предлагается использовать родственные по сути и используемым материалам технологические процессы ламинирования и герметизации, нашедшие широкое применение при изготовлении электрогенерирующих оснований в модулях как планарного, так и концентраторного типов. Распространение предложенного комбинированного фотоэлектрического модуля в системах «зеленой» энергетики даст большой экономический эффект, обусловленный тем, что модуль прост по конструкции, высокотехнологичен в изготовлении, обладает высокими фотоэлектрическими и технико-экономическими показателями и прочностными характеристиками, обеспечивающими надежную и долговременную эксплуатацию.

Изобретение направлено на увеличение энергетического потенциала высокоэффективных фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения и расширение климатических областей их применения, в том числе за счет сочетания концентраторных технологий А3В5 с экономически эффективными подходами стандартной планарной фотоэнергетики.

Концентраторно-планарные фотоэлектрические модули предназначены к применению в наземных энергетических установках с механизмом непрерывного слежения за положением Солнца, работающих в составе систем «зеленой энергетики» в климатических зонах с переменным отношением прямой и диффузной составляющих в общем потоке излучения.

Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль (1) содержит фронтальную светопрозрачную панель (2) с концентрирующими оптическими элементами (4), светопрозрачную тыльную панель (5), на которой сформированы планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи (6) с окнами (10), противолежащими концентрирующим оптическим элементам (4), в которых размещены концентраторные фотопреобразователи (8), и элементы крепления (11). Фронтальная панель (2) и тыльная панель (5) соединены элементами крепления (11). Центр фотоприемной площадки каждого концентраторного фотоэлектрического преобразователя (8) лежит на одной оси с центром соответствующего концентрирующего оптического элемента (4) и совпадает с его фокусом. Концентраторные фотоэлектрические преобразователи (8) снабжены защитными отражающими элементами (15) с боковой светоотражающей поверхностью, установленными на фронтальной стороне тыльной панели (5) и исключающими попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи (6) при разориентации модуля (1) от направления на Солнце. Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль (1) имеет повышенную надежность и увеличенный эксплуатационный ресурс. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль, содержащий фронтальную светопрозрачную панель с концентрирующими оптическими элементами, светопрозрачную тыльную панель, на которой сформированы планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи с окнами, противолежащими концентрирующим оптическим элементам, в которых размещены концентраторные фотоэлектрические преобразователи, и элементы крепления, при этом фронтальная панель и тыльная панель соединены элементами крепления так, что центр фотоприемной площадки каждого концентраторного фотоэлектрического преобразователя лежит на одной оси с центром соответствующего концентрирующего оптического элемента и совпадает с его фокусом, отличающийся тем, что концентраторные фотоэлектрические преобразователи снабжены защитными отражающими элементами с боковой светоотражающей поверхностью, установленными на фронтальной стороне тыльной панели и исключающими попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи при разориентации модуля от направления на Солнце.

2. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что защитные отражающие элементы выполнены в виде полых усеченных пирамид с внутренними светоотражающими поверхностями, обращенных большими основаниями к фронтальной панели, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на тыльной стороне тыльной панели и снабжены теплопроводящим радиатором.

3. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что защитные отражающие элементы выполнены в виде сплошных светопрозрачных усеченных пирамид, обращенных большими основаниями к фронтальной панели, на наклонные стенки пирамид нанесено светоотражающее покрытие, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на тыльной стороне тыльной панели и снабжены теплопроводящим радиатором.

4. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что окна выполнены в виде полос, над которыми установлены защитные отражающие элементы в виде образных теплопроводящих желобов с боковыми стенками со светоотражающим покрытием, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на основаниях желобов, служащих теплопроводящим радиатором.

5. Фотоэлектрический модуль по п. 4, отличающийся тем, что боковые стенки теплопроводящих желобов выполнены утолщенными к основанию желоба.

6. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что концентрирующие оптические элементы выполнены из силикона в виде линз Френеля квадратной формы, сформированных вплотную друг к другу на тыльной стороне фронтальной панели.

7. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что концентраторные фотоэлектрические преобразователи выполнены на основе А³В⁵ гетероструктуры.

8. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи выполнены на основе структур, выбранных из группы полупроводниковых материалов aSi/nc-Si, CuInSe₂, Cu(In_1-xGa_x)Se₂.

9. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что элементы крепления выполнены в виде боковых панелей.

10. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что элементы крепления выполнены в виде рам.