ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГИБКИЙ МОДУЛЬ
PHOTOELECTRIC FLEXIBLE MODULE

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим модулям, которые, помимо основной функции - генерации фото-Э.Д.С., могут быть дополнительно использованы в качестве достаточно жестких конструктивных элементов, подвергающихся упругой деформации в продольном и (или) поперечном направлении (кручение или изгиб). К таким конструктивным элементам, в частности, могут относиться:
- навесные морские тенты или жестко закрепленные на палубе фотоэлектрические модули;
- модули, расположенные на крышах автомашин или вагонов поездов;
- модули, служащие крышами автобусных остановок или крышами временных летних кафе.
Для применения фотоэлектрических модулей в этом качестве необходимо обеспечить, с одной стороны достаточную гибкость конструкции (для того чтобы вписаться в общий конструктивный дизайн), с другой стороны - необходимо обеспечить достаточную жесткость конструкции, способной сопротивляться распределенным (ветровым) или сосредоточенным нагрузкам (например, удар ледяных градин или случайное надавливание рукой), приложенным к фотоэлектрическому модулю. Кроме того, фотоэлектрический модуль должен быть максимально легким.
Известен фотоэлектрический гибкий модуль, солнечные элементы которого закреплены в жестких металлических кассетах, способных вращаться друг относительно друга посредством поворотных устройств, состоящих из хомутов и поворотных металлических штырей [1].
Недостатком такой конструкции является большая механическая сложность устройства, что предполагает значительные трудовые и финансовые затраты при ее практической реализации.
Известна также гибкая конструкция, соединяющая фотоэлектрические модули посредством упругих желобов, непосредственно соприкасающихся с периферией солнечных модулей, объединяя всю совокупность солнечных модулей в единую фотоэлектрическую конструкцию [2].
К недостаткам такой конструкции следует отнести:
- необходимость применения дополнительных конструктивных элементов, что существенно усложняет сборку конструкции, а также требует дополнительных расходов на изготовление собственно упругих желобов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фотоэлектрический гибкий модуль, представляющий собой единую конструкцию близко расположенных между собой солнечных элементов на гибком основании из синтетического материала («каптона»), в котором солнечные элементы соединяются с основанием посредством твердеющего полимерного (адгезионного) слоя (с добавлением металлических частиц для обеспечения эффективного соединения солнечных элементов в единую электрическую цепь) [3].
Недостатком такой конструкции является ее малая жесткость. Гибкость фотоэлектрического модуля обеспечивается в первую очередь возможностью упругой деформации его основания. При малой толщине слоя основания фотоэлектрический модуль обладает малой жесткостью, что в ряде случаев неприемлемо. Если необходима увеличенная жесткость конструкции, то в данном конструктиве неизбежно приходится увеличивать толщину основания, а это приводит к увеличению веса фотоэлектрического модуля, что также является неприемлемым решением.
Задачей изобретения является увеличение жесткости фотоэлектрического гибкого модуля с одновременным уменьшением его веса и обеспечение его упругой деформации в продольном и (или) поперечном направлении.
Это достигается за счет того, что в фотоэлектрическом гибком модуле, содержащем прозрачные для солнечного света верхнюю и нижнюю несущие пленки, расположенные между несущими пленками электрически соединенные между собой солнечные элементы, скрепленные с несущими пленками прозрачными для солнечного света верхней и нижней скрепляющей пленкой, в верхнюю и нижнюю скрепляющие пленки дополнительно введены сетки, сформированные из высокопрочных искусственных нитей и прозрачные для солнечного света.
В фотоэлектрическом гибком модуле ориентация высокопрочных искусственных нитей может быть параллельна плоскости фотоэлектрического модуля.
В фотоэлектрическом гибком модуле высокопрочные искусственные нити могут быть пропитаны веществом с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света.
В фотоэлектрическом гибком модуле высокопрочные искусственные нити могут быть выполнены из полимера с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света.
В фотоэлектрическом гибком модуле в качестве сетки могут использовать скрепляющую пленку с наполнителем в виде волокон с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света.
Диаметр нитей сетки, материал нитей сетки и ориентация нитей сетки выбраны таким образом, что обеспечивают упругую деформацию фотоэлектрического гибкого модуля в продольном и(или) поперечном направлении.
Кроме того, материал, из которого изготовлены высокопрочные искусственные нити, обеспечивает малый коэффициент поглощения падающего на фотоэлектрический гибкий модуль светового потока.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в фотоэлектрических гибких модулях дополнительно введенных сеток из прозрачных высокопрочных нитей для увеличения его жесткости без увеличения общего веса и обеспечения достаточной для практических применений упругой деформации фотоэлектрического гибкого модуля в продольном и(или) поперечном направлении.
Максимальная компенсация упругой деформации плоскости фотоэлектрического гибкого модуля за счет введенной в его конструкцию сетки из прозрачных высокопрочных нитей обеспечивается при расположении нитей параллельно плоскости фотоэлектрического гибкого модуля.
Если высокопрочные искусственные нити сориентировать в направлении вектора внутреннего напряжения предполагаемого изгиба фотоэлектрического гибкого модуля, то тем самым можно дополнительно повысить устойчивость фотоэлектрического гибкого модуля к деформирующим напряжениям, возникающим при конкретных условиях его эксплуатации. Например, если предполагается использовать фотоэлектрический гибкий модуль в качестве источника питания, располагаемого на будке телефона-автомата (обычно выполняемой в виде неглубокого полого цилиндра), то в таком случае фотоэлектрический гибкий модуль располагают на боковой цилиндрической поверхности, где фотоэлектрический гибкий модуль подвергается изгибающей упругой деформации, действующей в плоскости его поверхности. В этом случае оптимальным расположением высокопрочных искусственных нитей будет направление вдоль плоскости изгиба фотоэлектрического гибкого модуля. При таком расположении высокопрочных искусственных нитей обеспечивается максимальная компенсация деформирующих напряжений. Поскольку фотоэлектрический гибкий модуль при таком варианте его использования не подвергается поперечной изгибающей деформации, сетка может быть выполнена только из продольных высокопрочных нитей, а поперечные высокопрочные нити сетки могут либо отсутствовать, либо располагаться на значительно большем расстоянии друг от друга, чем высокопрочные искусственные нити сетки, расположенные в продольном направлении поверхности фотоэлектрического гибкого модуля, и за счет отсутствия или уменьшения количества поперечных высокопрочных искусственных нитей дополнительно может быть снижен вес фотоэлектрического гибкого модуля.
Если фотоэлектрический гибкий модуль предполагается эксплуатировать в виде изогнутой в продольном и поперечном направлении упруго деформированной конструкции (при размещении его на сложнопрофилированных поверхностях, таких как на бампер автомобиля, элементы такелажа катеров или яхт и т.п.), оптимальным расположением высокопрочных искусственных нитей в таком случае является диагонально-перекрестное.
Для того чтобы дополнительно введенная в конструкцию фотоэлектрического гибкого модуля сетка из высокопрочных искусственных нитей не ухудшала его электрофизические параметры, высокопрочные искусственные нити пропитывают веществом с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света (например, кремнийорганической жидкостью, представляющей собой смесь полисилоксана, содержащего диметил- или(и) диэтилвинилсилоксановые звенья, платинового катализатора и сшивающего агента).
Одним из вариантов конструкции сетки из высокопрочных искусственных нитей, пропитанных веществом с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света, является сетка, в которой в качестве искусственных нитей используются нити из вещества с низким коэффициентом поглощения и рассеивания света.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена конструкция заявляемого фотоэлектрического гибкого модуля, где:
1 - верхняя несущая пленка;
2 - верхняя скрепляющая пленка;
3, 5 - сетки из высокопрочных искусственных нитей;
4 - солнечные элементы;
6 - нижняя скрепляющая пленка;
7 - нижняя несущая пленка.
Толщина верхней и нижней несущей пленки ~0,4 мм. Толщина верхней и нижней скрепляющих пленок вместе с введенными в них сетками из высокопрочных искусственных нитей составляет ~0,3 мм. Толщина кремниевых монокристаллических солнечных элементов составляет 100÷250 мкм. Общая толщина фотоэлектрического гибкого модуля составляет ~1,4÷1,5 мм. При этом радиус максимально возможной кривизны под действием изгибающих напряжений, при которых еще не происходит разрушение кремниевых солнечных элементов, составляет ~25÷30 см.
Вместо кремниевых монокристаллических солнечных элементов могут быть использованы поликристаллические солнечные элементы или солнечные элементы на основе арсенида галлия (GaAs) или на основе твердых растворов соединений In-Ga-Р-As.
Реализация предлагаемой конструкции фотоэлектрического гибкого модуля осуществляется следующим образом.
На монтажном столе раскладывается пленка первого пластика (прозрачная этилен-тетрафлюроэтиленовая пленка «TEFZEL» заданной площади). На нее сверху укладывается этиленвинилацетатная пленка «ЭВА». На эту пленку укладывается сетка из прозрачных капроновых нитей (толщина нитей ~0,2 мм). Затем поверх этой стопки укладывается распаянная цепочка солнечных элементов из монокристаллического кремния. Толщина каждого солнечного элемента составляет ~200 мкм.
Поверх солнечных элементов последовательно укладывают сетку из прозрачных капроновых нитей, пленку «ЭВА» и пленку «TEFZEL».
Приготовленная таким образом слоистая заготовка помещается в ламинатор, где происходит формирование фотоэлектрического модуля при температуре ~150°С в течение 20 мин.
Сформированный таким образом фотоэлектрический гибкий модуль может быть подвергнут упругой деформации как в продольном, так и в поперечном направлении, при этом возможный радиус кривизны модуля примерно равен соответственно длине или ширине фотоэлектрического гибкого модуля при изгибающих напряжениях, приложенным соответственно к противоположным краям по длине или по ширине модуля, что обеспечивает возможность встраивания фотоэлектрического гибкого модуля в конструкцию строений, крыш автомобилей, палуб катеров или яхт и т.д.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции, заключается в увеличении жесткости фотоэлектрического гибкого модуля с одновременным уменьшением его веса и обеспечение его упругой деформации в продольном и (или) поперечном направлении.
Источники информации
1. Патент США, МПК: B64G 1/44, №5,785,280 от 28 июля 1998 г.
2. Патент США, МПК: H01L 35/00, №4,636,577 от 13 января 1987 г.
3. Патент США, МПК: H01L 35/04, №4,043,834 от 23 августа 1977 г. - прототип.