КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С ПЛАНАРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
CONCENTRATOR PHOTOELECTRIC MODULE WITH PLANAR ELEMENTS

Изобретение относится к солнечной энергетике, а более конкретно к устройствам энергопитания, предназначенным для преобразования солнечной энергии в электрическую.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2411422, МПК F24J 2/08, опубликован 10.02.2011), содержащий концентратор солнечного излучения в виде линзы Френеля с концентрическим рабочим профилем, в фокальной плоскости линзы установлен фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), перед которым по ходу солнечных лучей расположен вторичный отражатель. ФЭП установлен на плоскости охлаждающего устройства. Линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного квадратного ФЭП, причем фокусы расположены на диагоналях ФЭП между центральной точкой и вершинами его квадрата. Выходное отверстие вторичного отражателя имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади ФЭП.
Известный фотоэлектрический модуль преобразует только сфокусированное солнечное излучение и не использует рассеянное солнечное излучение, что ведет к снижению энергопроизводительности модуля.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль (см. заявка WO 2010027018, МПК H01L 31/042, опубликована 02.02.2012), включающий корпус модуля с концентрирующей линзой, собирающей солнечное излучение, ФЭП, установленный в фокусе концентрирующей линзы, который осуществляет преобразование солнечного излучения, приемную подложку с теплоотводящим основанием, на которой расположен ФЭП.
В известном фотоэлектрическом модуле не используется рассеянное солнечное излучение, что снижает энергопроизводительность модуля.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль с планарными элементами (см. заявка WO 2012005415, МПК H01L 31/042, опубликована 12.01.2012), включающий основание, ФЭП, установленные на определенном расстоянии друг от друга на основании, концентраторные линзы, фокусирующие излучение на ФЭП, блок конденсорных линз, установленный на верхней стороне основания для формирования направленного светового потока, вспомогательный блок для выработки электроэнергии, выполненный на основе планарных солнечных элементов, установленный на основании или между основанием и блоком конденсорных линз для выработки энергии из рассеянного солнечного света.
Недостатком известного концентраторного фотоэлектрического модуля является усложненная конструкция вспомогательного блока для выработки электроэнергии и относительно низкая эффективность преобразования рассеянного солнечного света.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль с планарными элементами (см. патент RU 2690728, МПК H01L 31/0543, опубликован 05.06.2019), содержащий фронтальную светопрозрачную панель с концентрирующими оптическими элементами, светопрозрачную тыльную панель, на которой сформированы планарные неконцентраторные ФЭП с окнами, противолежащими концентрирующим оптическим элементам, в окнах которых размещены концентраторные ФЭП, и элементы крепления. Центр фотоприемной площадки каждого концентраторного ФЭП лежит на одной оси с центром соответствующего концентрирующего оптического элемента и совпадает с его фокусом. Концентраторные ФЭП снабжены защитными отражающими элементами с боковой светоотражающей поверхностью, установленными на фронтальной стороне тыльной панели и исключающими попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные ФЭП при разориентации модуля от направления на Солнце.
Недостатками известного фотоэлектрического модуля является необходимость изготовления планарных неконцентраторных ФЭП сложной формы с окнами для монтажа концентраторных ФЭП, что приводит к понижению эффективности их работы и надежности. Снабжение концентраторных ФЭП защитными отражающими элементами, исключающими попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные ФЭП, ведет к увеличению степени затенения неконцентраторных ФЭП.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль с планарными элементами (см. патент US20140261627, МПК H01L 31/052, опубликованный 18.09.2014), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Концентраторный фотоэлектрический модуль-прототип включает основание и боковые стенки, выполненные из светопрозрачных панелей, множество неконцентраторных ФЭП с окнами, расположенных на поверхности основания, множество концентраторных ФЭП, размещенных в окнах неконцентаторных ФЭП на поверхности основания, концентрирующую оптическую систему, расположенную над поверхностью основания и концентрирующую прямой световой поток на ФЭП. Концентраторный фотоэлектрический модуль обладает повышенной эффективностью работы за счет того, что концентаторные ФЭП преобразуют прямое солнечное излучения, а неконцентаторные ФЭП преобразуют рассеянное солнечное излучение.
Недостатком известного концентраторного фотоэлектрического модуля-прототипа с планарными элементами является сложность и, соответственно, повышенная стоимость конструкции при формировании планарных неконцентраторных ФЭП сложной формы (с окнами). К тому же при формировании окон в планарных неконцентраторных ФЭП увеличиваются токи утечки по границе окон, что ведет к их ускоренной локальной деградации.
Задачей настоящего технического решения является разработка концентраторного фотоэлектрического модуля с планарными элементами, который бы имел упрощенную конструкцию и повышенную надежность при сохранении высокой энергопроизводительности за счет эффективного преобразования потоков прямого и рассеянного атмосферой (диффузного) солнечного излучений, а также рассеянного при отражении от земной поверхности излучения (альбедо).
Поставленная задача достигается тем, что концентраторный фотоэлектрический модуль с планарными элементами включает основание и боковые стенки, выполненные из светопрозрачных панелей, по меньшей мере один планарный неконцентраторный ФЭП, расположенный на поверхности основания, множество концентраторных ФЭП, смонтированных на теплоотводящие основания, концентрирующую оптическую систему, состоящую из множества собирающих линз, расположенную над поверхностью основания, при этом каждый из концентраторных ФЭП расположен в фокусе одной из собирающих линз. Новым в настоящем техническом решении является то, что концентраторный фотоэлектрический модуль снабжен защитной светопрозрачной панелью, установленной над основанием, множество концентраторных фотоэлектрических преобразователей установлено на фронтальной поверхности защитной светопрозрачной панели, а между светопрозрачным основанием и защитной светопрозрачной панелью расположен по меньшей мере один планарный неконцентраторный фотоэлектрический преобразователь с двухсторонней чувствительностью.
Планарный неконцентраторный ФЭП может быть выполнен из кремниевого солнечного элемента.
Теплоотводящие основания могут быть выполнены на основе керамических пластин с электропроводящим контактным слоем.
На боковых стенках концентраторного фотоэлектрического модуля могут быть установлены планарные неконцентраторные ФЭП.
Концентрирующая оптическая система может быть выполнена из линз Френеля.
Планарный неконцентраторный ФЭП, обладающий двусторонней чувствительностью к солнечному излучению, и расположенный на поверхности светопрозрачного основания, обеспечивает преобразование рассеянного атмосферой (диффузного) солнечного излучений, а также рассеянного при отражении от земной поверхности излучения (альбедо) с высокой энергопроизводительностью. Выполнение планарного неконцентраторного ФЭП из кремниевого солнечного элемента обеспечивает увеличение эффективности преобразования солнечного излучения.
Монтаж концентраторных ФЭП на теплоотводящие основания обеспечивает улучшение теплоотвода, что ведет к увеличению надежности работы модуля за счет снижения перегрева и снижает деградацию фотоэлектрических характеристик ФЭП. Использование теплоотводящих оснований, выполненных из керамических пластин, обладающих высокими параметрами теплопроводности, обеспечивает увеличение скорости отвода тепла, а электропроводящий контактный слой на поверхности керамической пластины используется для монтажа концентраторных элементов в единую энергособирающую сеть.
Расположение концентраторных ФЭП на теплоотводящих основаниях на поверхности защитной светопрозрачной панели планарного неконцентраторного ФЭП обеспечивает увеличение надежности работы концентраторного фотоэлектрического модуля за счет отсутствия возможности попадания концентрированного солнечного излучения на поверхность неконцентраторного ФЭП при разориентации концентраторного фотоэлектрического модуля относительно нормали к Солнцу, так как неконцентраторный ФЭП располагается на расстоянии, большем фокусного расстояния концентрирующей оптической системы на величину, равную сумме толщин теплоотводящего основания и защитной светопрозрачной панели.
Формирование планарного неконцентраторного ФЭП без окон обеспечивает увеличение его надежности и эффективности преобразования излучения, а также обеспечивает возможность использования стандартных производственных технологий по изготовления планарных неконцентраторных ФЭП, что ведет к снижению себестоимости модуля в целом.
Использование планарных неконцентраторных ФЭП на боковых стенках концентраторного фотоэлектрического модуля обеспечивает повышение энергопроизводительности модуля за счет преобразования дополнительного излучения, падающего на боковые стенки концентраторного фотоэлектрического модуля.
Использование линз Френеля как составляющих концентрирующей оптической системы обеспечивает формирование направленного потока солнечного излучения с заданной концентрацией и площадью фокусировки.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведена схема части концентраторного фотоэлектрического модуля с планарными элементами, вид сбоку в продольном разрезе (пунктирными стрелками показано направление сфокусированного солнечного излучения, а извилистыми стрелками обозначено рассеянное солнечное излучение);
на фиг. 2 приведено изображение концентраторного фотоэлектрического модуля с планарными элементами, вид сверху в поперечном разрезе.
На фиг. 1, 2 обозначены: 1 - основание, 2 - боковые стенки, 3 - планарный неконцентраторный ФЭП с двухсторонней чувствительностью, 4 - защитная светопрозрачная панель, 5 - концентраторный ФЭП, 6 - теплоотводящее основание, 7 - концентрирующая оптическая система, 8 - собирающая линза.
Настоящий концентраторный фотоэлектрический модуль с планарными элементами (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит основание 1 и боковые стенки 2, выполненные из светопрозрачных панелей, при этом на светопрозрачных панелях боковых стенок 2 могут быть смонтированы планарные неконцентраторные ФЭП 3 с двухсторонней чувствительностью, например, выполненные из кремниевых солнечных элементов. На поверхности основания 1 расположен по меньшей мере один планарный неконцентраторный ФЭП 3 с двухсторонней чувствительностью. Планарный неконцентраторный ФЭП 3 с фронтальной стороны закрыт защитной светопрозрачной панелью 4. Множество концентраторных ФЭП 5, например, выполненные на основе каскадных А3В5 гетероструктур, смонтированы на теплоотводящие основания 6, например, из керамических пластин, и расположены на поверхности защитной светопрозрачной панели 4. Концентрирующая оптическая система 7, состоящая из множества собирающих линз 8, например, выполненных из линз Френеля, расположена над поверхностью основания 1, при этом каждый из концентраторных ФЭП 5 расположен в фокусе одной из собирающих линз 8.
При работе настоящего концентраторного фотоэлектрического модуля с планарными элементами, ориентированного перпендикулярно солнечному излучению, концентрирующая оптическая система 7 концентрирует солнечное излучение на светочувствительных поверхностях концентраторных ФЭП 5, преобразующих прямой световой поток в электроэнергию. Рассеянное атмосферой солнечное излучение и рассеянное при отражении от земной поверхности излучение преобразуется планарными неконцентраторными ФЭП 3 с двухсторонней чувствительностью. При разориентации модуля относительно нормали к Солнцу (например, при выходе модуля на рабочий режим, при облачности) расфокусированное концентрированное солнечное излучение преобразуется также планарными неконцентраторными ФЭП 3.
Результатом технического решения стало упрощение конструкции и, соответственно, снижение стоимости, и повышение надежности концентраторного фотоэлектрического модуля с планарными элементами, при повышенной производительности.