ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С НАНОСТРУКТУРНЫМ ФОТОЭЛЕМЕНТОМ
PHOTOVOLTAIC MODULE WITH NANOSTRUCTURE PHOTOCELL

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к концентраторным фотоэлектрическим модулям. Настоящее изобретение предназначено для применения в концентраторных солнечных энергоустановках, используемых в качестве систем энергоснабжения в различных климатических зонах.
Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных каскадных наноструктурных фотоэлементов и недорогих оптических концентраторов. Известно, что применение концентраторов излучения при условии согласования их параметров с параметрами фотоэлементов позволяет не только поднять энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей, но и улучшить их энерго-экономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов. Использование последних при концентрации солнечного излучения 500-2500 крат позволяет пропорционально сократить суммарную площадь фотоэлементов и существенно снизить стоимость получаемой электроэнергии. Но, в то же время, при высокой степени концентрации солнечного излучения происходит излишний разогрев фотоэлементов, что негативно влияет на преобразующие свойства фотоэлементов, их срок службы и выходные характеристики фотоэлектрических модулей. Поэтому конструкция фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения должна быть такой, чтобы обеспечивать надежное и долговременное эффективное функционирование фотоэлементов в реальных условиях эксплуатации при возможно более низкой стоимости генерируемой электрической мощности.
Известен фотоэлектрический модуль, предназначенный для концентрационной гелиоустановки (см. патент US 6653551, кл. H01L 31/052, опубликован 25.11.2003), содержащий множество солнечных электрических концентраторов с четырехступенчатой системой концентрации солнечного излучения. Каждый солнечный электрический концентратор включает первый оптический концентратор в виде линзы Френеля, установленной на фронтальной панели и концентрирующий солнечное излучение в пять-десять раз, второй оптический концентратор в виде линзы Френеля, установленный на промежуточной панели, третий оптический концентратор в виде параболического концентратора, расположенный под вторым концентратором на тыльной панели и концентрирующий солнечное излучение в двадцать-пятьдесят раз, и четвертый оптический концентратор в виде стеклянной линзы. Под четвертым оптическим концентратором размещен многопереходный солнечный элемент.
Известный фотоэлектрический модуль имеет высокую эффективность, но его экономичность низка из-за стоимости большого числа оптических элементов, а также из-за необходимости при сборке конструкции точно устанавливать соосно четыре оптических концентратора.
Известен фотоэлектрический модуль (см. патент US 6717045, МПК H01L 31/052, опубликован 06.04.2004), включающий множество оптических концентраторов, фокусирующих солнечное излучение на фотоприемные площадки солнечных фотоэлементов. Каждый из оптических концентраторов состоит из первичного концентратора, имеющего степень концентрации солнечного излучения 5-10 крат, вторичного концентратора, расположенного ниже первого и увеличивающего степень концентрации солнечного излучения в 20-50 раз, и третьего концентратора, установленного в нижней плоскости вторичного концентратора и фокусирующего излучение на поверхность солнечных фотоэлементов. В качестве первичного концентратора может быть использована линза Френеля. Вторичный концентратор представляет собой комбинированный параболический отражатель, изготовленный из стекла или керамики и имеющий отражающие и защитные покрытия. В качестве третьего концентратора служит стеклянная линза. Солнечный фотоэлемент устанавливается на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.
Недостатками известной конструкции солнечного фотоэлектрического модуля являются большие потери света за счет отражения на поверхностях оптических элементов трехкаскадного концентратора, технические сложности изготовления, монтажа и юстировки большого количества оптических деталей и, соответственно, также высокая стоимость конструкции.
III
V
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль (см. заявка РСТ WO 2007093422, МПК H01L 31/052, опубликована 23.08.2007), содержащий линзовую панель и панель с солнечными элементами, установленные на несущей раме, обеспечивающей герметизацию внутреннего объема модуля и защиту оптических элементов от воздействия внешней среды. На линзовой панели установлены концентраторные линзы, в качестве которых используются линзы Френеля. Солнечные элементы, изготовленные на основе многослойных гетероструктур в системе A-B, напаяны на теплоотводы и установлены на нижней несущей панели так, что фотоприемная площадка каждого солнечного элемента расположена в фокусе одной из линз Френеля.
Недостатками известной конструкции концентраторного фотоэлектрического модуля является сложность монтажа с высокой точностью большого количества солнечных элементов на несущей панели и низкая разориентационная характеристика устройства, требующая использования более точных и сложных систем слежения за солнцем.
Известен фотоэлектрический модуль (см. заявка RU 2009122813, МПК H01L 31/00, опубликована 15.06.2009), который содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель и солнечные элементы. Солнечные элементы снабжены теплоотводящими основаниями и установлены в центрах отверстий планок, параллельных друг другу и выполненных из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием, к которому подсоединены соответствующие контакты солнечных элементов. Планки установлены за фронтальной панелью. Центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Конструкция фотоэлектрического модуля обеспечивает снижение трудоемкости его изготовления и повышение точности монтажа солнечных элементов.
Недостатком известной конструкции фотоэлектрического модуля является низкая разориентационная характеристика устройства, требующая использования более точных и сложных систем слежения за солнцем.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2352023, МПК H01L 31/052, опубликован 10.04.2009), содержащий боковые стенки, фронтальную панель и тыльную панель, изготовленные из силикатного стекла, первичные и вторичные оптические концентраторы и солнечные фотоэлементы с теплоотводящими элементами. Первичные оптические концентраторы выполнены в форме соприкасающихся друг с другом линз, сформированных в виде тыльной поверхности фронтальной панели методом литья под давлением. Вторичные оптические концентраторы выполнены в виде фоконов, установленных меньшим основанием на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов с теплоотводящими элементами, размещенных на фронтальной поверхности тыльной панели соосно соответствующим первичным оптическим концентраторам. Вторичные оптические концентраторы позволяют улучшить разориентационную характеристику солнечного фотоэлектрического модуля.
Недостатками известного солнечного фотоэлектрического модуля являются сложность изготовления и монтажа вторичных оптических концентраторов на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов, а также дополнительные оптические потери при отражении света боковыми поверхностями фоконов.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент US 6804062, МПК G02B 27/10, опубликован 12.11.2004). Солнечный фотоэлектрический модуль содержит первую линзовую панель из линз Френеля, изготовленную из силиконовой резины, вторую линзовую панель, изготовленную из силиконовой резины и содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз и сборку фотоэлектрических преобразователей, на основе тонкопленочных солнечных элементов. Причем первая линзовая панель из линз Френеля располагается над второй линзовой панелью из короткофокусных иммерсионных линз таким образом, чтобы падающее солнечное излучение фокусировалось линзами в набор световых точек, каждая из которых совпадала с фотоприемной площадкой одного из солнечных элементов. Вторую линзовую панель из силиконовой резины, содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз наклеивают на сборку фотоэлектрических преобразователей с помощью жидкой двухкомпонентной силиконовой резины. Рассматриваемый солнечный фотоэлектрический модуль имеет хорошую разориентационную характеристику.
Недостатками конструкции известного солнечного фотоэлектрического модуля является сложность монтажа панели вторичных оптических концентраторов, изготовленной из силиконовой резины в промышленных солнечных модулях большой площади, кроме того, короткофокусные иммерсионные линзы, изготовленные из силиконовой резины, а также места контактов солнечных элементов с поверхностями иммерсионных линз работают при высокой концентрации солнечного излучения, создаваемой первичными оптическими концентраторами на линзах Френеля. Это приводит к деградации материала (силиконовой резины) короткофокусных иммерсионных линз и мест контактов солнечных элементов с поверхностями иммерсионных линз, что ухудшает качество вторичных оптических концентраторов, уменьшает надежность работы солнечных элементов и сокращает срок службы солнечного модуля.
Известен фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотоэлектрический модуль содержит боковые стенки и фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также наноструктурные фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнены в виде лотков с плоским дном, через центральные продольные линии поверхностей которых проходят оптические оси соответствующих линз Френеля. Введена дополнительная промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной или тыльной стороне которой установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Светоприемные поверхности наноструктурных фотоэлементов находятся в фокусном пятне двух концентраторов-линз Френеля и плосковыпуклых линз. В зависимости от варианта выполнения модуля расстояние между промежуточной панелью и теплоотводящими основаниями, фокусное расстояние плоско-выпуклых линз, толщины фотоэлементов, промежуточной панели и плоско-выпуклых линз связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения.
Известный фотоэлектрический модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности модуля и обладает хорошей разориентационной характеристикой. Однако недостатком известного модуля-прототипа является высокий уровень концентрации солнечного излучения на фотоэлементах. В центре фокусного пятна двух концентраторов-линзы Френеля и плосковыпуклой линзы, концентрация солнечного излучения достигает 5000-7000 крат, что приводит к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию и уменьшает срок службы фотоэлементов.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является создание фотоэлектрического модуля с повышенной надежностью и с увеличенным сроком службы за счет уменьшения локальной концентрации солнечного излучения и выравнивания освещенности фотоактивной области фотоэлемента при сохранении высокой энергопроизводительности и хорошей разориентационной характеристе.
1
2
3
4
1
2
3
4
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом включает первичный оптический концентратор в виде линзы Френеля, оптическая ось которой проходит через центр фотоактивной области наноструктурного фотоэлемента, выполненной в виде круга диаметром d и соосный с ним вторичный концентратор, установленный на расстоянии h от фронтальной поверхности линзы Френеля. Вторичный концентратор состоит из фронтального оптического элемента в виде части сферы радиусом R, диаметром основания D и высотой h, промежуточного оптического элемента толщиной h с параллельными фронтальной и тыльной поверхностями и тыльного оптического элемента, выполненного в виде цилиндра диаметром, равным d, и высотой h. Величины h, h, h, h, R и D удовлетворяют соотношениям, мм:
1
2
3
h+h+h=F;
2
0,5d<h<0,07F;
3
0<h<4 мм;
4
d<h<3d,
2
3
2
3
(h+h)<R<2,5·(h+h);
1
2
1
2
1,5·S·(F-h-h)<D<2,5·S·(F-h-h);
где F - суммарное фокусное расстояние первичного и вторичного оптических концентраторов, мм;
S - светосила линзы Френеля, отн. ед.
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора может быть выполнен в виде перевернутого усеченного конуса, диаметр фронтального основания которого равен D, а диаметр тыльного основания равен d.
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора может быть выполнен в виде шарового слоя с радиусом, равным R, диаметром верхнего основания, равным D, и диаметром нижнего основания, равным 2R.
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора может быть выполнен в виде пластины, линейные размеры которой повторяют линейные размеры линзы Френеля.
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора может быть выполнен в виде цилиндра с диаметром, равным диаметру D фронтального оптического элемента.
Все три оптических элемента вторичного концентратора могут быть выполнены из одного материала с показателем преломления n, удовлетворяющим соотношению:
1,4<n<1,7.
Фронтальный и промежуточный оптический элементы вторичного концентратора могут быть выполнены из материала с показателем преломления n, удовлетворяющим соотношению:
1,4<n<1,7,
а тыльный оптический элемент может быть выполнен из алюминия в виде полого цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью.
2
2
2
Выбор оптимального диапазона для значения высоты h не может быть проведен аналитически в связи со сложностью хода лучей в элементах вторичного концентратора. В связи с этим была составлена программа численного расчета модели первичного и вторичного концентраторов конкретных размеров, а результаты расчетов обобщены на концентрирующие системы любых размеров на основании принципа подобия хода лучей при масштабировании оптической системы. Было проведено экспериментальное моделирование эффективности первичного и вторичного оптических концентраторов для значений фокусного расстояния линзы Френеля, равного 70 мм, и размеров входной апертуры линзы Френеля 40×40 мм. Поскольку ход лучей в оптической системе остается неизменным при сохранении соотношений размеров оптических элементов, и учитывая, что размер сфокусированного пятна из-за угловой расходимости солнечного излучения составляет 0,01 фокусного расстояния линзы, было установлено, что максимальное значение h не должно превышать 0,07 F. Минимальное значение h было установлено равным 0,5d, в этом случае при минимальном значении радиуса R сферическая поверхность фронтального элемента вторичного оптического концентратора превращается в полусферу с диаметром, равным диаметру тыльного оптического элемента вторичного оптического концентратора.
3
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора служит для закрепления и юстировки фронтального оптического элемента и тыльного оптического элемента вторичного оптического концентратора. Высота h выбирается в диапазоне от 0 до 4 мм по конструктивным соображениям. Делать промежуточный оптический элемент выше 4 мм нежелательно из-за увеличения веса устройства.
1
1
2
3
Высота h установлена такой, чтобы сумма h+h+h равнялась суммарному фокусному расстоянию F первичного и вторичного оптических концентраторов, что обеспечивает фокусировку солнечного излучения на светоприемной поверхности тыльного оптического элемента вторичного оптического концентратора.
4
4
4
4
Выбор высоты h в диапазоне d<h<3d обусловлен числом отражений сфокусированных солнечных лучей от боковой поверхности тыльного оптического элемента перед попаданием на фотоактивную область наноструктурного фотоэлемента. Учитывая величину угла полного внутреннего отражения для оптических материалов с показателем преломления n в диапазоне 1,4<n<1,7, при h=d часть солнечных лучей претерпевает как минимум одно полное внутреннее отражение от боковой поверхности тыльного оптического элемента. При h=3d часть солнечных лучей претерпевает до трех отражений от боковой поверхности тыльного оптического элемента. Увеличивать число отражений сфокусированных солнечных лучей от боковой поверхности тыльного оптического элемента больше трех нецелесообразно из-за возрастания потерь излучения.
2
3
2
3
При минимальном значении радиуса R, равном h+h, сферическая поверхность фронтального оптического элемента вторичного концентратора превращается в полусферу с центром, лежащем на светоприемной поверхности тыльного оптического элемента вторичного концентратора. Сферическая поверхность фронтального оптического элемента вторичного концентратора при значении радиуса R, большем, чем 2,5·(h+h), не оказывает существенного влияния на дополнительную фокусировку солнечного излучения и, соответственно, на улучшение разориентационной характеристики устройства.
1
2
1
2
1
2
Диаметр сфокусированного первичным оптическим концентратором светового пятна на уровне фронтального оптического элемента вторичного концентратора равен величине S·(F-h-h), поэтому для обеспечения разориентационной характеристики устройства минимальное значение диаметра D фронтального оптического элемента вторичного концентратора должно быть не менее величины 1,5·S·(F-h-h). Однако увеличивать значение диаметра D фронтального оптического элемента вторичного концентратора более величины 2,5·S·(F-h-h) нецелесообразно вследствие увеличения веса и стоимости устройства.
Варианты заявляемого фотоэлектрического модуля с наноструктурным фотоэлементом поясняются чертежом, где
на фиг.1 схематично изображен фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом;
на фиг.2 показан фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом, в котором промежуточный оптический элемент вторичного концентратора выполнен в виде перевернутого усеченного конуса;
на фиг.3 изображен фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом, в котором промежуточный оптический элемент вторичного концентратора выполнен в виде шарового слоя с радиусом, равным R, диаметром верхнего основания, равным D, и диаметром нижнего основания, равным 2R;
на фиг.4 показан фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом, в котором промежуточный оптический элемент вторичного концентратора выполнен в виде пластины с линейными размерами, равными линейным размерам линзы Френеля;
на фиг.5 изображен фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом, в котором промежуточный оптический элемент вторичного концентратора выполнен в виде цилиндра с диаметром, равным диаметру D фронтального оптического элемента, а тыльный оптический элемент выполнен в виде полого алюминиевого цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью.
1
2
3
4
1
1
2
3
2
2
3
3
2
3
2
3
1
2
1
2
4
4
Заявляемый фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом (см. фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг 5) содержит наноструктурный фотоэлемент 1, фотоактивная область 2 которого выполнена в виде круга диаметром d, первичный оптический концентратор 3 в виде линзы Френеля, оптическая ось 4 которой проходит через центр 5 фотоактивной области 2 наноструктурного фотоэлемента 1 и вторичный соосный с ним концентратор 6, установленный на расстоянии h от фронтальной поверхности 7 первичного оптического концентратора 3. Вторичный оптический концентратор 6 состоит из трех оптических элементов: фронтального оптического элемента 8 диаметром D и высотой h, выполненного со сферической фронтальной поверхностью 9 радиусом R, промежуточного оптического элемента 10 высотой h и тыльного оптического элемента 11, выполненного в виде цилиндра с диаметром, равным d и с высотой h. Высота h установлена такой, чтобы сумма h+h+h равнялась суммарному фокусному расстоянию F первичного оптического концентратора 3 и вторичного оптического концентратора 6, высота h фронтального оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 установлена в диапазоне 0,5d<h0,07F, высота h промежуточного оптического элемента 10 вторичного оптического концентратора 6 установлена в диапазоне 0<h<4 мм, радиус R сферической фронтальной поверхности 9 фронтального оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 установлен в диапазоне (h+h)<R<2,5·(h+h), а диаметр D фронтального оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 установлен в диапазоне 1,5·S·(F-h-h)<D<2,5·S·(F-h-h), где S - светосила первичного оптического концентратора 3 (линзы Френеля). Высота h тыльного оптического элемента 11 вторичного оптического концентратора 6 установлена в диапазоне d<h<3d. Промежуточный оптический элемент 10 вторичного концентратора 6 может быть выполнен (см. фиг.2) в виде перевернутого усеченного конуса, диаметр фронтального основания 12 которого установлен равным диаметру D фронтального 8 оптического элемента, а диаметр тыльного основания 13 установлен равным d. Промежуточный оптический элемент 10 вторичного концентратора 6 может быть выполнен (см. фиг.3) в виде шарового слоя с радиусом, равным R, диаметром верхнего основания 14, равным D, и диаметром нижнего основания 15, равным 2R. Промежуточный оптический элемент 10 вторичного концентратора 6 может быть выполнен (см. фиг.4) в виде пластины с линейными размерами, равными размерам линзы Френеля. Промежуточный оптический элемент 10 вторичного концентратора 6 может быть выполнен (см. фиг.5) в виде цилиндра с диаметром, равным диаметру D фронтального оптического элемента 8, а тыльный оптический элемент 11 вторичного концентратора 6 может быть выполнен из алюминия в виде полого цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью 16.
При работе заявляемого фотоэлектрического модуля с наноструктурным фотоэлементом 1, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам, солнечное излучение, попадающее на входную апертуру первичного оптического концентратора 3, фокусируется им и фронтальным оптическим элементом 8 вторичного оптического концентратора 6 на светоприемной поверхности тыльного оптического элемента 11 вторичного оптического концентратора 6, затем в виде расходящегося светового пучка проходит в тыльный оптический элемент 11 вторичного оптического концентратора 6. Через выходную поверхность тыльного оптического элемента 11 вторичного оптического концентратора 6 расходящийся световой пучок попадает на фотоактивную область 2 наноструктурного фотоэлемента 1 либо напрямую, либо после однократного или многократных отражений от боковой поверхности 16 тыльного оптического элемента 11 вторичного оптического концентратора 6. При этом разориентационная характеристика солнечного фотоэлектрического модуля, определяемая соотношением размеров фотоактивной области 2 и диметром фокального пятна, остается неизменной и более высокой, чем в фотоэлектрических модулях без вторичного оптического концентратора; распределение концентрации солнечного излучения на поверхности фотоактивной области 2 наноструктурного фотоэлемента 1 более однородное, чем в фокальном пятне первичного и вторичного оптических концентраторов 3, 6, а максимальные значения локальной концентрации солнечного излучения существенно ниже, чем при использовании в качестве вторичных оптических концентраторов 6 выпуклых линз. Более однородное распределение концентрации солнечного излучения по поверхности фотоактивной области 2 фотоэлемента 1 приводит к уменьшению локального перегрева фотоэлемента 1, повышению надежности его работы и увеличению эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.
Использование предложенного фотоэлектрического модуля дает большой экономический эффект, обусловленный тем, что фотоэлектрический модуль прост по конструкции, обладает высокими фотоэлектрическими характеристиками, обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию.