СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для непосредственного преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей и может найти применение при создании альтернативных источников электрической энергии в виде солнечных батарей для потребителей малой и средней мощности.
Известно устройство солнечной батареи, содержащей сборку фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей, соединенных между собой по параллельно-последовательной схеме и расположенных на поверхности плоской несущей панели (см. Базилевский А.Б., Воронцов А.Н. и др. «Энергетические режимы источников энергии космических аппаратов» под ред. Токарева А.Б., Москва, изд-во МЭИ, 1991 г., с.33).
Характерные параметры солнечных фотоэлектрических батарей такого типа для орбитальной станции «Скайлаб»: размеры фотоэлектрического преобразователя 2×2 см, количество параллельных цепей - 6, количество последовательно соединенных элементов в батарее - 114. Каждый элемент такого преобразователя представляет собой многослойную конструкцию, включающую защитное стеклянное покрытие, клеящий слой, контактную сетку, просветляющее покрытие, полупроводниковую область, тыльный контакт и несущую пластину.
Основным недостатком таких солнечных батарей является сложность изготовления и высокая стоимость фотоэлектрических элементов, что препятствует их использованию для массового потребителя.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является солнечная фотоэлектрическая батарея, содержащая плоскую панель из оптических линз и расположенных в их фокусе фотоэлектрических преобразователей, средства для их коммутации и крепления на несущей плате (см. Polek V., Libra M. Solar Energy. Potovoltaics - promissing trend for today and close future., CUA Prague, 2006, p.126, fig.16.54 - прототип).
Особенностью известной солнечной батареи является размещение набора оптических линз в виде ячеистой структуры на отдельной панели над сборкой фотоэлектрических преобразователей, закрепленных на несущей плате. Оптические линзы отформованы в форме квадратных ячеек на монолитной стеклянной панели и могут иметь сечение обычных оптических линз или линз Френеля. Количество указанных линз и находящихся в их фокусе фотоэлектрических преобразователей может составлять многие десятки при габаритных размерах батареи 500х500 мм и более. Применяемые в таких солнечных батареях фотоэлектрические преобразователи на гетероструктурах имеют небольшие размеры порядка нескольких мм.
К недостаткам известной солнечной батареи следует отнести сравнительно сложную технологию сборки и замены вышедших из строя отдельных фотоэлектрических преобразователей. При сезонном изменении температуры окружающей среды из-за большой разности коэффициентов теплового расширения стекла и других элементов конструкции, возможно смещение части фотоэлектрических преобразователей из точек фокуса соответствующих линз. Кроме того, случайная ударная нагрузка на стеклянную панель может привести к ее растрескиванию и выходу из строя всей солнечной батареи.
Решаемой задачей является создание сравнительно простой, технологичной и эффективной солнечной фотоэлектрической батареи, обладающей повышенной надежностью при эксплуатации в различных
климатических условиях. Дополнительной к указанной является задача снижения потерь при плановой или внеплановой замене элементов солнечной фотоэлектрической батареи.
Указанная задача решается тем, что в солнечной фотоэлектрической батарее, содержащей оптические линзы и расположенные в их фокусе фотоэлектрические преобразователи, средства для их коммутации и крепления на несущей плате, согласно полезной модели, батарея выполнена в виде набора модулей, каждый из которых включает оптическую линзу, фотоэлектрический преобразователь и трубчатый корпус, в верхней части которого установлена оправка для крепления оптической линзы, а в нижней - фланец для установки фотоэлектрического преобразователя и крепления модуля в гнездах несущей платы, на одной стороне которой параллельными рядами размещены шины для коммутации токовых выводов фотоэлектрических преобразователей.
Кроме того, оптическая линза каждого модуля может быть выполнена в виде линзы Френеля, имеющей в плане форму квадрата, полость модуля может быть выполнена герметичной, а его трубчатый корпус может иметь вид конуса, пирамиды, цилиндра или призмы.
Такое выполнение солнечной батареи позволяет, во-первых, радикально упростить технологию производственной сборки и технологию замены вышедших из строя отдельных модулей для их ремонта или быстрой замены основных компонентов. При малых размерах каждого модуля разность коэффициентов теплового расширения его элементов незначительна и смещение фокуса за пределы фотоэлектрического преобразователя происходить не будет. Эффективность предложенной солнечной фотоэлектрической батареи может быть повышена за счет увеличения освещаемой площади за пределы, которые обычно ограничиваются технологией изготовления монолитной стеклянной панели известной солнечной батареи.
На фиг.1 представлено сечение части солнечной фотоэлектрической батареи.
Устройство выполнено в виде набора модулей 1, каждый из которых включает оптическую линзу Френеля 2 квадратной формы, фотоэлектрический преобразователь 3 и трубчатый корпус 4 в форме конуса. В верхней части указанного корпуса 4 установлена оправка 5 для крепления защитной стеклянной пластины 6 и размещенной на ее нижней поверхности линзы Френеля 2. В нижней части указанного корпуса 4 имеется фланец 7 для установки в нем фотоэлектрического преобразователя 3 и для крепления модуля 1 в гнездах несущей платы 8. На верхней стороне указанной платы 8 параллельными рядами размещены шины 9 для коммутации токовых выводов 10 фотоэлектрических преобразователей 3 с помощью винтов 11.
Модули 1 крепятся в гнездах несущей платы 8 посредством шпилек 12 и гаек 13. Несущая плата 8 вместе с смонтированными на ней модулями 1 установлена в корпусе 14 так, чтобы оправки 5 с защитными стеклянными пластинами 6 и линзами Френеля 2 образовали сплошную ячеистую структуру на заданной площади солнечной батареи. Полость модулей 1 снабжена герметизирующими прокладками (не показаны) для защиты от проникновения в нее пыли и влаги. Фотоэлектрический преобразователь 3 установлен в центре фланца 7 модуля 1 с возможностью регулировки его положения по отношению к фокусу линзы Френеля 2 и замены в случае выхода из строя. На фиг.1 показан ход световых лучей после их преломления в линзе Френеля 2.
Фотоэлектрические преобразователи 3 солнечной батареи выполнены на основе полупроводниковых арсенид галлиевых гетероструктур и имеют характерные размеры в плане 2×2 мм. Фокусирующие линзы Френеля 2 могут быть сформированы непосредственно на поверхности защитной стеклянной пластины 6. Несущая плата 8 и трубчатые корпуса 4 могут быть изготовлены из прочного диэлектрического материала с минимальным
коэффициентом термического расширения. Указанные корпуса 4 могут иметь также иную форму конуса, пирамиды, цилиндра или призмы.
Сборку солнечной фотоэлектрической батареи осуществляют следующим образом.
С нижней стороны фланца 7 трубчатого корпуса 4 вставляют с помощью центрирующей втулки элемент фотоэлектрического преобразователя 3. Затем в оправки 5 вставляют линзы Френеля 2 с защитными стеклянными пластинами 6. После этого модули 1 закрепляют с помощью шпилек 12 и гаек 13 на несущей плате 8, предварительно пропуская токовые выводы 10 указанного преобразователя 3 через окна в фланце 7. Выводы 10 преобразователей 3 прикрепляют к шинам 9 с помощью винтов 11 для их коммутации в соответствии с заданной схемой соединения. Подготовленную сборку размещают в корпусе 14 для обеспечения общей механической защиты модулей 1 и для последующего монтажа на несущих конструкциях. Замену неработающих модулей 1 или их компонентов осуществляют в обратном порядке.
Солнечная фотоэлектрическая батарея функционирует следующим образом.
Корпус 14 батареи ориентируют в пространстве так, чтобы световые солнечные лучи падали перпендикулярно к поверхности линз Френеля 2. После фокусировки лучи света попадают на активную поверхность фотоэлектрического преобразователя 3, который осуществляет непосредственное преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию и передачу ее по токовым выводам 10 на шины 9 и во внешнюю электрическую цепь к потребителю.
Преобразование энергии в указанных полупроводниковых фотоэлектрических преобразователях основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Концентрация образованных светом избыточных носителей тока у р-n перехода, а,
следовательно, и величина фото ЭДС зависят от интенсивности светового потока и величины нагрузочного сопротивления, включенного во внешнюю цепь фотопреобразователя.
Теоретический КПД современных фотоэлектрических преобразователей находится в пределах 20-50% и выше, тогда как практически он не превышает 15-28% за счет различного вида потерь энергии, в том числе, связанных с отражением и поглощением падающего излучения, состоянием поверхности стекол и преобразователей и др. Единичные мощности различных потребителей варьируются в широких пределах и могут составлять от сотен Вт до десятков кВт, что приводит к суммарной площади панелей солнечных фотоэлектрических батарей от единиц до сотен квадратных метров.
Солнечная фотоэлектрическая батарея предложенной конструкции разработана в Национальной инновационной кампании «Новые энергетические проекты» для использования в указанном диапазоне мощностей. Расчеты и конструкторские проработки подтверждают эффективность предложенного технического решения, позволяющего успешно решить задачу наращивания единичной мощности солнечной фотоэлектрической батареи при сохранении ее высокой надежности и технологичности конструкции.