СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2021 года по МПК H01L31/54 

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к фотоэлектрическим концентраторным модулям, и может быть применено в концентраторных солнечных энергоустановках, используемых в качестве систем энергоснабжения в различных климатических зонах.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент JP 5165064 МПК H01L 31/042, опубликован 21.03.2013), включающий концентрирующую линзу в виде линзы Френеля, собирающую солнечное излучение на фотоэлектрическом элементе, установленном на основании, снабженным теплоотводящим радиатором, закрепленным на панели, в отверстии которой расположено основание с фотоэлектрическим элементом.

Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля являются большие оптические потери из-за низкой оптической эффективности линз Френеля (менее 90%), что приводит к увеличению оптических потерь.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. заявка US 20090242028, МПК H01L 31/02, опубликована 01.10.2009), включающий опорную конструкцию, линейное зеркало с параболическим профилем и линейное приемное устройство, установленные на опорной конструкции. Линейное зеркало включает пару полузеркал, разделенных осевой плоскостью линейного зеркала. Опорная конструкция содержит опоры для соответствующих полузеркал, каждое полузеркало сформировано из листа упруго гибкого материала, каждая из опор имеет монтажную поверхность, обеспечивающую поддержание параболического профиля соответствующего полузеркала.

Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является использование линейного параболического концентратора, обладающего меньшей степенью концентрирования солнечного излучения.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2617041, МПК H02S 10/00, H02S 40/22, H01L 31/042, В82В 1/00, опубликован 19.04.2017), включающий стационарный концентратор, содержащий отражатели в качестве концентрирующих элементов, фотоприемник излучения, расположенный в фокальной области концентратора, при этом концентратор содержит две симметричные ветви параболоцилиндрического отражателя, разделенные плоским прямоугольным отражателем, а фотоприемник излучения является полупрозрачным для падающего на него солнечного света, обладает двусторонней фоточувствительностью и выполнен плоским и прямоугольным, при этом его площадь равна или превышает площадь плоского прямоугольного отражателя. Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью представляет собой фотопреобразователь на основе аморфного кремния либо на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного нанокристаллического оксида металла, выбранного из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.

Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является отсутствие оптимизации конструкции модуля при расположении фотоприемника на тыльной стороне соседнего концентратора, обеспечивающего отвод тепла, что ведет к снижению эффективности использования площади модуля.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент US 8513518, МПК H01L 31/00, опубликован 20.08.2013), включающий один или несколько субмодулей, установленных на системе слежения за Солнцем, состоящих из концентратора или отражателя солнечного излучения, выполненного, например, в виде отражателя Кассегрена, каскадного солнечного элемента и теплоотвода для охлаждения солнечного элемента.

Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является отсутствие оптимизации расположения субмодулей, приводящее к снижению эффективности использования площади модуля, а также сложность изготовления, сборки и юстировки отражателей Кассегрена, что увеличивает стоимость модуля.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. заявка KR 20080079254 МПК H02S 30/20, опубликована 29.08.2008), включающий один или несколько субмодулей на общем основании, каждый субмодуль содержит зеркальный концентратор солнечного излучения, отражающий элемент и фотоэлектрическую панель, расположенную в фокусе отражающего элемента. Для увеличения коэффициента отражения отражающий элемент покрывают пленкой алюминия или оксидом металла.

Недостатком данного солнечного фотоэлектрического модуля является использование комбинированной системы концентрирования и отражения солнечного излучения на фотоэлектрическую панель, что приводит к увеличению оптических потерь, включающих потери на отражения от зеркального концентратора и от отражающего элемента.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент US 8215298, МПК F24J 2/02, опубликован 10.07.2012), принятый за прототип. Солнечный фотоэлектрический модуль включает по меньшей мере два субмодуля, установленных на общем основании с боковыми стенками, каждый субмодуль содержит зеркальный концентратор солнечного излучения и солнечный элемент, расположенный в фокусе концентратора на тыльной стороне соседнего субмодуля, концентратор субмодуля выполнен в виде половины параболоида вращения.

Использование концентратора в виде половины параболоида вращения ведет к смещению фокуса концентратора вниз и, соответственно, к снижению равномерности углового распределения и к увеличению коэффициента отражения солнечного излучения, что приводит к возрастанию оптических потерь.

Задачей заявляемого технического решения является снижение оптических потерь при концентрировании солнечного излучения, а также увеличение эффективности использования площади модуля за счет уплотненного расположения субмодулей.

Поставленная задача достигается тем, что солнечный фотоэлектрический модуль включает по меньшей мере два субмодуля на общем основании с боковыми стенками, перпендикулярными основанию, каждый субмодуль содержит зеркальный параболический концентратор солнечного излучения и солнечный элемент, расположенный в фокусе зеркального параболического концентратора, а оси зеркальных параболических концентраторов эквидистантно расположены относительно друг друга. Новым является выполнение зеркального параболического концентратора каждого субмодуля сечением параболоида вращения четырьмя взаимно перпендикулярными плоскостями, параллельными оси параболоида вращения, две из которых проходят через ось параболоида вращения, а две других через точку на параболоиде вращения, равноудаленную от первых двух плоскостей, установление высоты зеркального параболического концентратора равного его фокусному расстоянию, закрепление вершины зеркального параболического концентратора на общем основании модуля, закрепление одного верхнего угла зеркального параболического концентратора на высоте, равной высоте фокуса зеркального параболического концентратора над общим основанием, и закрепление второго верхнего угла зеркального параболического концентратора на высоте, равной половине высоты фокуса зеркального параболического концентратора над общим основанием.

Зеркальные параболические концентраторы могут быть выполнены трехслойными, с внутренним слоем, выполненным из вспененного полистирола, тыльным внешним слоем, выполненным из меди или латуни, и фронтальным внешним слоем, выполненным из алюминия.

Солнечный фотоэлектрический модуль может включать по меньшей мере четыре субмодуля на общем основании с боковыми стенками.

Выполнение зеркального параболического концентратора каждого субмодуля сечением параболоида вращения четырьмя взаимно перпендикулярными плоскостями, параллельными оси параболоида вращения, две из которых проходят через ось параболоида вращения, а две других через точку на параболоиде вращения, равноудаленную от первых двух плоскостей, обеспечивает уплотненную компоновку зеркальных концентраторов, высокую степень концентрирования и увеличение равномерности распределения солнечного излучения по поверхности солнечного элемента. Использование концентратора такой формы ведет к смещению фокуса концентратора вверх, при этом углы падения солнечного излучения на солнечный элемент близки к 90 градусам, что приводит к увеличению равномерности углового распределения, уменьшению коэффициента отражения солнечного излучения и, соответственно, к снижению оптических потерь.

Выполнение высоты зеркального параболического концентратора равной его фокусному расстоянию, прикрепление вершины зеркального параболического концентратора к общему основанию модуля, закрепление одного верхнего угла зеркального параболического концентратора на высоте, равной высоте фокуса зеркального параболического концентратора над общим основанием, и закрепление второго верхнего угла зеркального параболического концентратора на высоте, равной половине высоты фокуса зеркального параболического концентратора над общим основанием обеспечивает эффективное использование всей площади модуля полностью заполняя площадь модуля.

Заполнение пространства между зеркальной частью параболического концентратора и его тыльной поверхностью сотовым полистиролом позволяет облегчить конструкцию модуля. Выполнение тыльного внешнего слоя из меди или латуни обеспечивает увеличение жесткости конструкции концентратора и отвод тепла от солнечного элемента. Выполнение фронтального внешнего слоя из алюминия обеспечивает увеличение эффективности собирания солнечного излучения на поверхности солнечного элемента до (96-98)%.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематически приведен вид сверху на солнечный фотоэлектрический модуль с четырьмя субмодулями;

на фиг. 2 показано сечение солнечного фотоэлектрического модуля по плоскости А-А;

на фиг. 3 приведено сечение солнечного фотоэлектрического модуля по плоскости В-В;

на фиг. 4 показан в аксонометрии вид зеркальных параболических концентраторов, установленных на общем основании (вертикальные стенки для наглядности сняты);

на фиг. 5 приведена фотография макета зеркальных параболических концентраторов, установленных на общем основании;

на фиг. 6 показан вид сверху на зеркальный параболический концентратор, вырезаемый из параболоида вращения.

Настоящий солнечный фотоэлектрический модуль (см. фиг. 1-фиг. 4), включает четыре субмодуля 1 на общем основании 2 с четырьмя боковыми стенками 3, 4 перпендикулярными общему основанию 2. Каждый субмодуль 1 содержит зеркальный параболический концентратор 5 солнечного излучения и солнечный элемент 6, расположенный в фокусе зеркального параболического концентратора 5. Зеркальный параболический концентратор 5 каждого субмодуля 1 выполнен (см. фиг. 6) сечением параболоида 7 вращения (ось О которого перпендикулярна основанию 2) четырьмя взаимно перпендикулярными плоскостями I, II, III и IV, параллельными оси О параболоида 7 вращения, две из которых (I, II) проходят через ось О параболоида 6 вращения, а две других (III, IV) через точку Т на параболоиде 7 вращения, равноудаленную от двух первых плоскостей I, II. Высота параболоида 7 вращения равна его фокусному расстоянию. Вершина 8 каждого зеркального параболического концентратора 5 закреплена на общем основании 2 модуля, верхний угол 9 зеркального параболического концентратора 5 закреплен, например, опорами 10, на высоте, равной высоте фокуса зеркального параболического концентратора 5 над общим основанием 2 (см. фиг. 5), при этом верхние углы 9 зеркальных параболических концентраторов 5, расположенных в крайнем левом ряду, могут быть закреплены на вертикальной стенке 4 (см. фиг. 2). Верхний угол 11 зеркального параболического концентратора 5 закреплен на высоте, равной половине высоты фокуса зеркального параболического концентратора 5 над общим основанием 2, при этом верхние углы 11 зеркальных параболических концентраторов 5, расположенных в крайнем правом ряду, могут быть закреплены на вертикальной стенке 3 (см. фиг. 3). Верхние углы 9 крайних слева зеркальных параболических концентраторов 5 могут быть закреплены на вертикальной стенке 3. В результате, если смотреть сверху на солнечный фотоэлектрический модуль (см. фиг. 1), то видно, что зеркальные параболические концентраторы 5 закрывают всю поверхность общего основания 2. Плоскости всех солнечных элементов 6 установлены под углами 45° к общему основанию 2 и к стенкам 3, 4 модуля, так что солнечное излучение падает от зеркальных параболических концентраторов 5 на солнечные элементы 6 под углами, близкими к 90 градусов. Зеркальные параболические концентраторы 5 могут быть выполнены трехслойными, с тыльным внешним слоем из меди или латуни для увеличения жесткости конструкции модуля и эффективного отвод тепла от солнечного элемента, расположенного на тыльной стороне концентратора, с фронтальным внешним слоем из алюминия для увеличения эффективности собирания солнечного излучения на поверхности солнечного элемента до (96-98)%, с внутренним слоем между зеркальной частью параболического концентратора и его тыльной поверхностью из сотового полистирола для облегчения конструкции концентратора.

Изготовленный опытный образец солнечного фотоэлектрического модуля имел сниженные оптические потери концентрирования солнечного излучения и обеспечил увеличение эффективности использования площади модуля за счет возможности уплотненного расположения субмодулей.

Солнечный фотоэлектрический модуль включает, по меньшей мере, два субмодуля (1), каждый субмодуль (1) содержит зеркальный параболический концентратор (5) солнечного излучения и солнечный элемент (6), расположенный в фокусе зеркального параболического концентратора (5). Зеркальный параболический концентратор (5) выполнен сечением параболоида (б) вращения четырьмя взаимно перпендикулярными плоскостями (I, II, III, IV), параллельными оси параболоида вращения, две из которых (I, II) проходят через ось параболоида вращения, а две других (III, IV) через точку (Т) на параболоиде (6) вращения, равноудаленную от двух первых плоскостей (I, II). Высота зеркального параболического концентратора (5) равна его фокусному расстоянию. Вершина (8) зеркального параболического концентратора (5) закреплена на общем основании (2) модуля, верхний угол (9) зеркального параболического концентратора (5) закреплен на высоте, равной высоте фокуса зеркального параболического концентратора (5) над общим основанием (2), а верхний угол (11) зеркального параболического концентратора (5) закреплен на высоте, равной половине высоты фокуса зеркального параболического концентратора (5) над общим основанием (2). Солнечный фотоэлектрический модуль обеспечивает снижение оптических потерь при концентрировании солнечного излучения, а также увеличение эффективности использования площади модуля за счет уплотненного расположения субмодулей. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Солнечный фотоэлектрический модуль, включающий по меньшей мере два субмодуля на общем основании с боковыми стенками, перпендикулярными основанию, каждый субмодуль содержит зеркальный параболический концентратор солнечного излучения и солнечный элемент, расположенный в фокусе зеркального параболического концентратора, а оси зеркальных параболических концентраторов эквидистантно расположены относительно друг друга, отличающийся тем, что зеркальный параболический концентратор каждого субмодуля выполнен сечением параболоида вращения четырьмя взаимно перпендикулярными плоскостями, параллельными оси параболоида вращения, две из которых проходят через ось параболоида вращения, а две других через точку на параболоиде вращения, равноудаленную от двух первых плоскостей, высота зеркального параболического концентратора равна его фокусному расстоянию, вершина зеркального параболического концентратора закреплена на общем основании модуля, один верхний угол зеркального параболического концентратора закреплен на высоте, равной высоте фокуса зеркального параболического концентратора над общим основанием, а второй верхний угол зеркального параболического концентратора закреплен на высоте, равной половине высоты фокуса зеркального параболического концентратора над общим основанием.

2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что зеркальные параболические концентраторы выполнены трехслойными, с фронтальным внешним слоем, выполненным из алюминия, с внутренним слоем, выполненным из вспененного полистирола, и тыльным внешним слоем, выполненным из меди или из латуни.

3. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что он включает четыре субмодуля на общем основании с боковыми стенками.