ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2024 года по МПК H01L31/07 H01L31/42 

Изобретение относится к фотоэнергетике, в частности к солнечным фотоэнергетическим и лазерным системам, предназначенным для выработки электроэнергии на космических аппаратах. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного и лазерного излучения является одним из наиболее эффективных способов получения электрической энергии от Солнца и лазерного излучения в космическом пространстве при использовании высокоэффективных каскадных солнечных элементов, фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения и устройств ориентации модулей на Солнце или на источник лазерного излучения.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. US20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащий несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплены фотоэлектрические концентраторные модули, включающие в себя множество отражателей Френеля, направляющих свет на панель фотоэлектрических элементов, термически подключенных к центральной несущей конструкции через радиатор тепловой трубы. Тепловая труба обеспечивает передачу тепла от панели фотоэлектрических элементов и рассеяние его на радиаторе тепловой трубы и элементах несущей конструкция.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного модуля является низкий удельный энергосъем из-за отсутствия системы слежения за Солнцем фотоэлектрических модулей и значительный объем модуля при запуске в космос, вследствие отсутствия системы складывания модуля в транспортном состоянии.

Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. RU2286517 МПК 7F24J2/42, опубл. 27.10.2006), включающая прямоугольный корпус, содержащий фотоэлектрические преобразователи, находящиеся в фокусах линз Френеля, и размещенный на механической системе ориентации на Солнце, содержащей приводы зенитального и азимутального вращения, снабженные шаговыми мотор-редукторами, и систему слежения, оснащенную датчиками положения Солнца. Механическая система включает две рамы - базовую, вращающуюся вокруг вертикальной оси, и подвешенную с закрепленными концентраторными фотоэлектрическими модулями, обеспечивающую поворот вокруг горизонтальной оси.

Известная солнечная фотоэлектрическая установка имеет недостаточную общую энергоэффективность вследствие большой площади нефотоактивной области и значительный объем модулей в транспортном состоянии, что не обеспечивает компактность и эффективную ее работу в космических условиях эксплуатации.

Известен теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения (см. RU2554674, МПК H01L 31/054, опубл. 27.06.2015), включающий асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейный фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль оси. Линейный ФЭП снабжен устройством протока теплоносителя. Форма отражающей поверхности концентратора определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности ФЭП, выполненных в виде линейки из коммутированных ФЭП и расположенных под углом к миделю концентратора.

Изобретение обеспечивает работу теплофотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерное освещение ФЭП, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения и повышение КПД преобразования. Недостатками известного теплофотоэлектрического модуля является необходимость организации теплоотвода путем циркуляции теплоносителя, а также малая компактность модуля при отсутствии конструкции складывания модуля для его транспортировки в космос, что ведет к увеличению массово-габаритных параметров модуля при его запуске для базирования на космическом летательном аппарате.

Известна концентраторная солнечная энергетическая установка (см. RU2740437, МПК H01L 31/02, опубл. 14.01.2021), включающая ряд концентраторных фотоэлектрических модулей с корпусами прямоугольной или квадратной формы с отбортовками для прикрепления силиконом-герметиком панелей из линз Френеля и с ФЭП, размещенными в фокусах линз Френеля. Фотоэлектрические концентраторные модули сопряжены внахлест отбортовками по высоте в шахматном порядке. При этом в крайнем ряду концентраторных фотоэлектрических модулей и в рядах фотоэлектрических концентраторных модулей, параллельных крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда фотоэлектрических концентраторных модулей сопряжены внахлест вплотную. В рядах модулей, перпендикулярных этому крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда фотоэлектрических концентраторных модулей отстоят по высоте друг от друга на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине отбортовки, силикона-герметика и панели из линз Френеля.

Недостатком известной концентраторной солнечной энергетической установки является недостаточная компактность модулей из-за отсутствия конструкции складывания модуля в транспортном состоянии, вследствие чего усложняется и удорожается ее транспортировка в космос, что не позволяет использовать концентраторную солнечную энергетическую установку на космическом аппарате.

Известен складной фотоэлектрический концентраторный модуль (см. RU193323, МПК H02S10/40, H02S 30/20, F24H1/06, H02S 40/44, опубл. 24.10.2019), содержащий концентратор параболоцилиндрического типа, двусторонние ФЭП, расположенные в фотоприемнике, и теплоноситель. Концентратор выполнен складным, оснащен цилиндрическими шарнирами для складывания и стойками с отверстиями для ФЭП. Модуль в сложенном состоянии обладает функцией защиты двусторонних ФЭП, а его профиль обеспечивает освещенность одной или одновременно двух приемных поверхностей ФЭП. Корпус ФЭП выполнен металлическим, имеет комбинированные полости для различных функций и обеспечивает своей структурой полости для теплоносителя с входом и выходом, с возможностью непосредственного теплосъема с теплоносителя. Двусторонние ФЭП имеют p-n-переходы, параллельные потоку концентрированного солнечного излучения. Теплоизоляция теплоносителя и двусторонних ФЭП выполнена с обеих сторон. Теплоноситель омывает непосредственно герметизированные двусторонние ФЭП, защищенные прозрачными закаленными стеклами.

Недостатком известного фотоэлектрического концентраторного модуля является недостаточная жесткость конструкции концентратора. Наличие стыка между складными элементами концентратора приводит к возрастанию оптических потерь при концентрировании солнечного излучения. Также выбранное размещение ФЭП ведет к смещению фокуса концентратора относительно ФЭП, к снижению равномерности засветки ФЭП и к увеличению отражения солнечного излучения.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. US20140078607 МПК G02B 5/10, опубл. 20.03.2014). Известный концентраторный модуль включает основание, оснащенное вращательным элементом, параболоцилиндрические концентраторы с зеркальной внутренней поверхностью отражения, установленные на основании, цилиндрические направляющие которых параллельны основанию и друг другу, линейные цепочки ФЭП, установленные на верхней кромке тыльной стороны каждого последующего концентратора в фокальной линии каждого предыдущего концентратора. При этом сечение каждого параболоцилиндрического концентратора, перпендикулярное цилиндрическим направляющим, является половиной параболы. Тыльная поверхность первого концентратора и тыльная поверхность второго концентратора обращены к вращательному элементу, а фронтальные поверхности первого и второго концентраторов обращены в разные стороны, так что центр равновесия находится на вращательном элементе.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного модуля являются повышенные массово-габаритные параметры модуля, вследствие расположения вращательного элемента на светоприемной области модуля. Кроме того отсутствие складной конструкции затрудняет и удорожает доставку модулей в космос и размещение их на космическом летательном аппарате.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. патент US6111190, МПК H01L 31/045, МПК H01L 31/052, B64G 1/44, F24J 2/36, B64G 1/50, опубл. 29.08.2000) на основе надувной линзы Френеля. Модуль состоит из гибкой линзы Френеля, гибких сторон и задней поверхности, совместно охватывающих объем полости, которая может быть заполнена газом низкого давления для развертывания концентраторного модуля на орбите. На задней поверхности модуля размещен фотопреобразователь солнечной энергии, расположенный в фокальной области линзы Френеля. Кроме того, задняя поверхность может служить теплосбрасывателем. Перед развертыванием спущенную гибкую линзу и боковины складывают на задней поверхности с образованием плоской малообъемной упаковки для эффективного запуска в космос. Фотоэлектрический концентраторный модуль с использованием надувной линзы обеспечивают уменьшение массы и объема модуля перед его запуском в космос.

Существенным недостатком известного надувного концентраторного модуля является низкий КПД вследствие низкого оптического КПД надувной линзы Френеля.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. патент US6075200, МПК H01L 31/052, H01L 31/0232, B64G 1/22, F24J 2/08, B64G 1/44, опубл. 13.06.2000), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотоэлектрический концентраторный модуль включает складной корпус со складными торцевыми стенками и с устройством его развертывания, размещенные в складном корпусе панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности прямоугольного основания фотогенерирующей панели, тыльная сторона которого закреплена на системе ориентации на Солнце. Панель линз Френеля выполнена гибкой и прикреплена к складным торцевым стенкам, при этом торцевые стенки растягивают панель линз Френеля для сохранения ее правильного положения и формы в космосе. Корпус включает в себя средства для развертывания панели линз Френеля в космосе. Перед развертыванием гибкая панель линз Френеля и торцевые стенки корпуса складываются в плоскую малогабаритную упаковку при запуске в космос.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного модуля-прототипа являются низкий КПД и недостаточная жесткость складной конструкции, приводящая к расфокусировке линз Френеля.

Задачей настоящего технического решения является разработка фотоэлектрического концентраторного модуля, который бы имел увеличенный КПД и повышенную жесткость при запуске модуля на космическую орбиту.

Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический концентраторный модуль включает складной корпус со складными торцевыми стенками и с устройством его развертывания, размещенные в складном корпусе панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности прямоугольного основания фотогенерирующей панели, тыльная сторона которого закреплена на системе ориентации на Солнце. Новым в фотоэлектрическом концентраторном модуле является то, что торцевые стенки выполнены в виде жестких прямоугольных пластин, прикрепленных к соответствующему торцу прямоугольной линзовой панели и соответствующему торцу прямоугольного основания посредством цилиндрических шарниров, закрепленных на каждом углу основания и линзовой панели. Оси шарниров установлены параллельно торцам прямоугольного основания. К прямоугольному основанию прикреплен электропривод с валом, являющимся осью двух цилиндрических шарниров на углах основания, закрепленным на торце одной из прямоугольных пластин. На торце основания, прилегающем к валу электропривода, установлен выступающий над основанием плоский прямоугольный магнит, на верхней грани которого установлен нормально разомкнутый конечный электрический выключатель, а на обращенной к прямоугольной пластине боковой грани - нормально замкнутый конечный электрический выключатель. Оба конечных электрических выключателя последовательно включены в электрическую цепь электропитания электропривода.

В фотоэлектрическом концентраторном модуле электропривод может быть выполнен в виде электродвигателя, снабженного редуктором. Прямоугольное снование может быть выполнено из легкого сплава с высокой теплопроводностью, например, алюминиево-магниевого сплава АМг или из алюминиево-марганцевого сплава АМц для снижения веса модуля и обеспечения эффективного теплоотвода от фотоэлементов, находящихся в фокусах линз Френеля.

Прямоугольная пластина, закрепленная на валу редуктора, может быть выполнена из легкого магнитного сплава, например, из сплава пермалоя марки 80НХС либо 79НМ или из сплава пермендюра марки 49К2ФА либо 49КФ.

Вторая прямоугольная пластина может быть выполнена из углепластика, что обеспечивает снижение веса модуля при сохранении достаточной жесткости конструкции.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

На фиг. 1 показана конструкция модуля в раскрытом рабочем состоянии при эксплуатации на космическом аппарате: 1 - панель из восьми линз Френеля; 2 - прямоугольное основание; 3,4 - прямоугольные торцевые стенки; 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 - фотоэлементы в фокусах линз Френеля; 12, 13 - торцы панели линз Френеля; 14, 15 - торцы прямоугольного основания 2 модуля; 16, 17, 18, 19 - цилиндрические шарниры на углах линзовой панели; 20, 21, 22, 23 - цилиндрические шарниры на углах основания 2 модуля; 24 -электродвигатель, снабженный редуктором; 25 - вал электродвигателя 24; 26, 27 - торцы прямоугольного основания;

На фиг. 2 изображена конструкция модуля в сложенном транспортном состоянии: 28 - магнит; 29 - конечный нормально разомкнутый выключатель; 30 - конечный нормально замкнутый выключатель;

На фиг. 3 - Конструкция модуля в сложенном транспортном состоянии: 32 - защитный кожух модуля; 33 - часть корпуса космического аппарата или часть конструкции фотоэлектрической батареи.

Настоящий фотоэлектрический концентраторный модуль включает плоскую прямоугольную панель 1 линз Френеля (фиг. 1), плоское прямоугольное основание 2, расположенное параллельно плоскости прямоугольной панели 1 линз Френеля, выполненное с длиной и шириной, равными размерам прямоугольной панели 1, соединенные между собой жесткими прямоугольными пластинами 3,4, установленными перпендикулярно плоскостям панели 1 и основания 2, и фотоэлементы 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, расположенные на основании 2 в точечных фокусах линз Френеля. Две жесткие торцевые прямоугольные пластины 3, 4 соединены с двумя торцами 12, 13 панели 1 линз Френеля и с двумя торцами 14, 15 основания 2 восемью цилиндрическими шарнирами 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 по одному шарниру на каждом углу основания 2 и линзовой панели 1, при этом оси этих цилиндрических шарниров установлены параллельно упомянутым торцам основания 2. Такая конструкция модуля с использованием восьми цилиндрических шарниров 16-23 для соединения линзовой панели 1 с основанием 2 позволяет осуществлять взаимное горизонтальное и вертикальное перемещение линзовой панели 1 относительно основания 2, что необходимо для складывания модуля в транспортном состоянии при его доставке на орбиту в составе космического аппарата и для последующего раскрытия модуля в рабочем состоянии. К основанию 2 модуля прикреплен электродвигатель 24, снабженный редуктором (фиг. 2), вал 25 которого, установлен на двух цилиндрических шарнирах 21, 23 соосных с валом 25, к которому прикреплена своим торцом прямоугольная пластина 3. Использование электродвигателя 24, снабженного редуктором (фиг. 2), прикрепленного к основанию 2, необходимо для обеспечения раскрытия модуля и приведения его в рабочее состояние, показанное на фиг. 1, после его доставки на космическую орбиту. При этом раскрытие модуля обеспечивается вращением вала 25 и прикрепленной к валу 25 жесткой прямоугольной пластины 3 модуля в направлении, показанном на фиг. 2 стрелкой. На торце 15 основания 2, прилегающем к валу 25, установлен выступающий над основанием 2 плоский прямоугольный магнит 28, на верхней грани которого размещен нормально разомкнутый конечный электрический выключатель 29, а на обращенной к прямоугольной пластине 3 боковой грани - нормально замкнутый конечный электрический выключатель 30. Электрические выключатели 29 и 30 последовательно включены в электрическую цепь электропитания электродвигателя 24 (на чертеже не показано). Магнит 28 (фиг. 2), установленный на торце 15 основания 2, обеспечивает фиксацию положения прямоугольной пластины 3 после завершения раскрытия модуля и приведения его в рабочее состояние (фиг. 1). Фотоэлектрический модуль в сложенном транспортном состоянии может быть оснащен защитным кожухом 32 (фиг. 3), прилегающим к линзовой панели 1 и к первому нормально разомкнутому выключателю 29 (фиг. 3), выполненному с возможностью включения электродвигателя 24 при удалении защитного кожуха 32, а второй нормально замкнутый выключатель 30 (фиг. 2) выполнен с возможностью выключения электродвигателя 24 в рабочем раскрытом состоянии модуля при механическом контакте выключателя 30 и магнита 28 с прямоугольной пластиной 3, вращаемой валом 25. Защитный кожух 32, закрывающий фронтальную поверхность модуля в закрытом транспортном состоянии, может быть необходим для предотвращения повреждающих воздействий на модуль при неблагоприятных условиях окружающей среды в процессе запуска и вывода космического аппарата 33 на орбиту. Защитный кожух 32 при установке прилегает к нормально разомкнутому первому выключателю 29, что препятствует включению электродвигателя 24 в транспортном состоянии модуля. При удалении («отстреле») защитного кожуха 32 обеспечивается включение электродвигателя 24 и раскрытие модуля. Нормально замкнутый выключатель 30 обеспечивает выключение электродвигателя 24 в результате механического контакта прямоугольной пластины 3 модуля с выключателем 24 в момент завершения раскрытия модуля.

Использование алюминиево-магниевых сплавов АМг или алюминиево-марганцевых сплавов АМц, обладающих высокой теплопроводностью (160-178)Вт/м⋅К) и низкой плотностью (2.64-2,78 г/см³) для изготовления основания 2 модуля, обеспечивает эффективный отвод тепла от фотоэлементов при работе фотоэлектрического концентраторного модуля и снижает вес концентраторного модуля.

Сплавы пермалоя марки 80НХС либо 79НМ и сплавы пермендюра марки 49К2ФА либо 49КФ, применяемые для изготовления прямоугольной пластины 3, обладают высокой магнитной проницаемостью - (120-250)10³ Гн/м и высокой прочностью и эластичностью, что обеспечивает большое усилие прижима пластины 3 за счет магнитного притяжения к боковой поверхности магнита 28 и хорошую жесткость конструкции в рабочем положении модуля

Пример

Был изготовлен концентраторный фотоэлектрический модуль на основе панели с восемью линзами Френеля размером 12 см × 12 см каждая и восемью фотоэлементами размером 0,5 см × 0,5 см каждый, расположенными в фокусах точечных линз Френеля. Размеры модуля в раскрытом рабочем состоянии составляли 48 см × 24 см × 22 см. Размеры модуля в закрытом транспортном состоянии составляли 70 см × 24 см × 1 см. Толщина основания, изготовленного из сплава АМг2, была 0,6 см, линзовой панели - 0,4 см. Диаметры цилиндрических шарниров, толщины электродвигателя, магнита и выключателей составляли 1 см каждый. Боковая пластина, прилегающая к магниту, была изготовлена из сплава пермалоя марки 80НХС. Таким образом, изготовленный модуль обеспечивал уменьшение объема модуля более чем в 15 раз в сложенном транспортном состоянии по сравнению с объемом модуля в раскрытом рабочем состоянии. Модуль имел КПД > 32% преобразования солнечного излучения, что превышает величину КПД фотоэлектрических модулей с линейным линзами Френеля.

Разработанный складной фотоэлектрический концентраторный модуль обеспечивает снижение более чем в 15 раз объема модуля в сложенном транспортном состоянии, что, в свою очередь, существенно снижает затраты на его доставку в космос в составе космического аппарата.

Фотоэлектрический концентраторный модуль включает панель линз Френеля, прямоугольное основание, расположенное параллельно плоскости панели линз Френеля, и торцевые стенки в виде жестких прямоугольных пластин, соединенные между собой восемью цилиндрическими шарнирами, по одному шарниру на углах основания и линзовой панели, с осями шарниров, установленными параллельно торцам основания. К основанию прикреплен электродвигатель и редуктор, к валу которого прикреплена прямоугольная пластина, вращение которой обеспечивает раскрытие модуля в космосе. Технический результат заключается в увеличении КПД и повышении жесткости при запуске модуля на космическую орбиту. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фотоэлектрический концентраторный модуль, включающий складной корпус со складными торцевыми стенками и с устройством его развертывания, размещенные в складном корпусе панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности прямоугольного основания фотогенерирующей панели, тыльная сторона которого закреплена на системе ориентации на Солнце, отличающийся тем, что торцевые стенки выполнены в виде жестких прямоугольных пластин, прикрепленных к соответствующему торцу прямоугольной линзовой панели и соответствующему торцу прямоугольного основания посредством цилиндрических шарниров, закрепленных на каждом углу основания и линзовой панели, оси шарниров установлены параллельно торцам прямоугольного основания, к прямоугольному основанию прикреплен электропривод с валом, являющимся осью двух цилиндрических шарниров на углах основания, закрепленным на торце одной из прямоугольных пластин; на торце основания, прилегающем к валу электропривода, установлен выступающий над основанием плоский прямоугольный магнит, на верхней грани которого установлен нормально разомкнутый конечный электрический выключатель, а на обращенной к прямоугольной пластине боковой грани - нормально замкнутый конечный электрический выключатель, последовательно включенные в электрическую цепь электропитания электропривода.

2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что электропривод выполнен в виде электродвигателя, снабженного редуктором.

3. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что прямоугольное основание выполнено из легкого сплава с высокой теплопроводностью.

4. Модуль по п. 3, отличающийся тем, что основание выполнено из алюминиево-магниевого сплава или из алюминиево-марганцевого сплава.

5. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что прямоугольная пластина, закрепленная на валу редуктора, выполнена из легкого магнитного сплава.

6. Модуль по п. 5, отличающийся тем, что прямоугольная пластина, закрепленная на валу редуктора, выполнена из сплава пермалоя или из сплава пермендюра.

7. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что вторая прямоугольная пластина выполнена из углепластика.