СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
SOLAR PHOTO ELECTRIC MODULE

Изобретение относится к гелиотехнике и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими приемниками излучения и концентраторами солнечного излучения в виде линз Френеля (ЛФ).
Известны солнечные модули с фотопреобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде линзы Френеля (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович. «Концентраторы солнечного излучения», глава 2, «Концентраторы на основе концентрических линз Френеля», стр.50-66). В главе описаны устройство, расчет основных характеристик ЛФ, имеющих концентрический рабочий профиль (мини-призмы рабочего профиля линзы расположены по концентрическим окружностям), создающий в плоскости фотопреобразователя точечный оптический фокус. Линзы Френеля создают высокие концентрации в плоскости оптического фокуса (фокальной плоскости), достигающие 2000 крат и более. Но для фотоэлектрических модулей с кремниевыми ФЭП такие высокие концентрации не нужны, поэтому ФЭП устанавливают в плоскостях дефокусировки, расположенных ближе к линзе, где концентрация достигает 10-40 крат. В этом случае распределение плотности облучения по поверхности ФЭП не играет существенной разницы, т.к. в фокальной плоскости установлен планарный ФЭП, при этом разные участки ФЭП, оказавшиеся при разных плотностях освещенности, могут рассматриваться как параллельно соединенные, работающие на общие выходные шинки ФЭП.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль с линзой Френеля (прототип), состоящий из линзы Френеля, в фокусе которой установлен ФЭП со вторичным отражателем, для большего собирания энергии в фокальном пятне (РЖ «Энергетика», Генераторы прямого преобразования, №5, 1985 г., реферат 5Ф259, стр.32).
Недостатками известного технического решения являются следующие.
- Низкие концентрации на кремниевых планарных ФЭП в силу их физических особенностей, в результате чего количество дорогостоящих ФЭП на единицу установленной мощности снижается незначительно.
- Низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~ 0,5 В) требуют необходимости объединять солнечные фотоэлектрические модули в длинные последовательные электрические цепи, чтобы набрать напряжение (12 В и более), приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п. Длинные цепочки последовательных соединений всегда уменьшают надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к выходу всей цепи.
- Невозможность создать высокие концентрации на кремниевых ФЭП приводит к утрате возможности повысить КПД ФЭП за счет повышения плотности светового потока.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерном освещении ФЭП, получение на одном ФЭП (модуле) приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии.
Для достижения указанных целей в солнечном фотоэлектрическом модуле линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного квадратного фотопреобразователя, причем фокусы расположены на диагоналях фотопребразователя между центральной точкой и вершинами его квадрата, и расстояния между фокусами периферийных зон не более 0,5 d, где d - диаметр фокального пятна от соответствующей периферийной зоны линзы Френеля, при этом зоны линзы имеют одинаковые площади миделей, и выходное отверстие вторичного отражателя имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади фотопреобразователя.
Следует отметить, что высоковольтные фотопреобразователи состоят из множества одинаковых тонких планарных ФЭП, соединенных последовательно между собой, поэтому конфигурация поверхности, воспринимающей падающее излучение, в силу своих конструктивных особенностей может быть только прямоугольной или квадратной, что накладывает особые требования на распределение освещенности.
Признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, заключаются в следующем.
Линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного фотопреобразователя, причем каждая зона линзы имеет концентрический рабочий профиль, создающий точечный фокус.
Фокусы каждой зоны ЛФ расположены следующим образом: фокусы расположены на диагоналях фотопребразователя между центральной точкой и вершинами его квадрата, и расстояния между фокусами этих зон не более 0,5 d, где d - диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы Френеля. Такое расположение фокусов определяется тем, что высоковольтный ФЭП имеет квадратную форму и состоит из множества спаянных последовательно тонких пластинок ФЭП, которые должны освещаться равным световым потоком по всей поверхности. При неравномерной освещенности высоковольтные ФЭП будет иметь ток, соответствующий участку ФЭП с наименьшей освещенностью, что снизит КПД ФЭП. Четыре фокуса от зон ЛФ с одинаковыми площадями более равномерно освещают квадратную площадку, чем один фокус от целиковой, не разделенной на зоны ЛФ.
Перед ФЭП расположен вторичный отражатель, имеющий квадратную поверхность выхода излучения, равную или большую, чем площадь ФЭП.
На фиг.1а показано: общий вид солнечного модуля с высоковольтным фотопреобразователем и линзой Френеля.
На фиг.1б показан в увеличенном масштабе вид на высоковольтный фотопреобразователь и схема расположения оптических фокусов от зон линзы Френеля.
На фиг.2а, б показаны: оптическая схема работы ЛФ и принципы формирования равномерной освещенности ФЭП: (а) - по сечению А-А линзы Френеля и ФЭП; (б) - по диагональному сечению Б-Б линзы и ФЭП.
1
2
3
4
Кроме того, на фиг.2а, б показаны эпюры распределения освещенности Ф, Ф, Ф, Ф на поверхности ФЭП от разных зон линзы Френеля.
1
2
3
4
1
2
3
4
ФЭП
1
2
3
4
Солнечный модуль с высоковольтным фотопреобразователем (ФЭП) состоит из концентратора солнечного излучения в виде линзы Френеля (ЛФ) с концентрическим рабочим профилем, в фокальной плоскости 5 линзы установлен высоковольтный фотопреобразователь ФЭП, перед которым по ходу солнечных лучей расположен вторичный отражатель ВО, фотопреобразователь ФЭП установлен на плоскости 5 охлаждающего устройства 6. Линза Френеля состоит из четырех зон 1, 2, 3, 4 рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус F, F, F, F в плоскости высоковольтного квадратного фотопреобразователя (ФЭП), причем фокусы F, F, F, F расположены на диагоналях ав и бг фотопребразователя (ФЭП) между центральной точкой О и вершинами абвг его квадрата, и расстояния между фокусами F, F, F, F этих зон 1, 2, 3, 4 не более 0,5 d, где d - диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы Френеля, при этом зоны 1, 2, 3, 4 линзы ЛФ имеют одинаковые площади миделей, и выходное отверстие вторичного отражателя ВО имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади фотопреобразователя ФЭП.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Работает солнечный модуль с высоковольтным фотопреобразователем (ФЭП) следующим образом. Прямое солнечное излучение падает перпендикулярно миделю ЛФ (стрелка на фиг.1а) и концентрируется на фокальной плоскости 5, при этом по свойству концентрических ЛФ каждая зона 1, 2, 3, 4 создает на плоскости 5 фокальные пятна вокруг соответствующих точек F, F, F, F фокуса. Таким образом, ЛФ имеет не одну точку фокуса на плоскости 5, а четыре точки F, F, F, F, расположенные на диагоналях абвг квадрата ФЭП, и расстояния между фокусами F, F, F, F этих зон 1, 2, 3, 4 не более 0,5 d, где d - диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы ЛФ. Такое расположение достигается тем, что зоны ЛФ также смещены относительно друг друга на величину 0,5 d. На фиг.1б в увеличенном виде изображен ФЭП и расположение зональных фокусов F, F, F, F, окружности вокруг фокусов обозначают диаметры фокальных пятен, которые выходят за пределы ФЭП.
1
2
3
4
1
4
1
4
Σ
1
4
На фиг.2а, б представлены эпюры Ф, Ф, Ф, Ф распределения плотности освещенности от зон 1, 2, 3, 4 на плоскости 5. На фиг.2а показаны эпюры освещенности от зон 1 и 4 по сечению А-А, из которых следует, что эпюры Ф и Ф вокруг фокусов F и F перекрывают друг друга таким образом, что суммарное распределение освещенности Ф в пределах ФЭП создает почти равномерную освещенность. При этом провал между эпюрами Ф и Ф заполняется зоной перекрытия (на фиг.2а крестообразная штриховка).
ФЭП
Σ
На фиг.2б представлена схема прохождения лучей света через ЛФ и формирование равномерной освещенности на ФЭП в диагональном сечении Б-Б. При этом центральная часть ФЭП вокруг точки О (на фиг.1б затемненная часть) одновременно перекрывается фокальными пятнами от всех зон, что создает достаточную освещенность и выравнивает суммарную Ф. Для того чтобы максимально использовать световой поток от ЛФ, перед ФЭП установлен вторичный отражатель ВО, который направляет часть светового потока, выходящего за пределы (фиг.1б), на ФЭП.
Таким образом, предложенный солнечный фотоэлектрический модуль с высоковольтным фотопреобразователем и линзой Френеля обеспечивает более равномерное распределение освещенности на ФЭП, чем обычная линза с одним фокусом, тем самым повышая КПД преобразования.
Подобный модуль был изготовлен и проведены натурные испытания в солнечном излучении. Линза имела 4 зоны, смещенные на встречу друг друга на 2,5 мм, размеры линзы 275×275 мм, фокусное расстояние до ФЭП составляло 279 мм. Высоковольтный ФЭП имел размер 10×10 мм и состоял из 32 элементарных ФЭП толщиной 0,31 мм, соединенных последовательно. Высоковольтный ФЭП в прямом солнечном потоке показал напряжение 16 В при КПД 14%, в составе модуля с ЛФ напряжение возросло до 18 В и КПД увеличился до 19%.
Увеличение КПД модуля на 5% означает выработку электроэнергии на 35% больше и соответствующее снижение стоимости вырабатываемой энергии.