ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

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.
Из уровня техники известен фотоэлектрический модуль солнечной батареи (патент на ПМ №44002, 10.02.2005), содержащий фронтальную панель с линзами Френеля. Каждой линзе Френеля соответствует свой солнечный элемент. Солнечные элементы закреплены на панели. Недостаток такого модуля заключается в снижении энергопроизводительности при изменении температуры, а также при выходе из строя отдельных линз. Сложность изготовления и замены вышедших из строя элементов, т.к. при механическом повреждении покровного стекла выходит из строя вся панель.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является фотоэлектрический модуль солнечной батареи по патенту на полезную модель №71185, 27.02.2008. Известный фотоэлектрический модуль включает оптическую линзу, фотоэлектрический преобразователь и трубчатый корпус, в верхней части которого установлена оправка для крепления защитного стекла с оптической линзой, а в нижней - фланец для установки фотоэлектрического преобразователя и крепления модуля в гнездах несущей платы. Такое выполнение фотоэлектрического модуля позволяет устранить недостатки указанного выше решения. При малых размерах каждого модуля разность коэффициентов теплового расширения его элементов незначительна и смещение фокуса за пределы фотоэлектрического
преобразователя не происходит. Это позволяет повысить эффективность солнечной батареи и упростить процесс сборки.
Однако такое решение также не лишено недостатков. Недостатком является необходимость точной настройки на солнце положения солнечной батареи, состоящей из таких фотоэлектрических модулей. Кроме того, такой фотоэлектрический модуль имеет дополнительные потери, вызванные различными коэффициентами преломления стекла защитной панели и материала оптической линзы (линз Френеля).
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного устройства, заключается в повышении эффективности фотоэлектрического модуля, позволяющего создать солнечную батарею, обладающую повышенной надежностью при эксплуатации в различных климатических условиях и простотой производства и эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что фотоэлектрический модуль солнечной батареи содержит оптическую линзу, выполненную в виде линзы Френеля, расположенный в ее фокусе фотоэлектрический преобразователь и трубчатый корпус. Одна часть корпуса выполнена в виде призмы, основание которой в плане имеет форму квадрата и представляет собой оптическую линзу, другая, сопрягающаяся с ней часть корпуса, выполнена в виде конуса, внутренняя поверхность которого имеет отражающее покрытие. На конусной части корпуса закреплен металлический цоколь с фотоэлектрическим преобразователем, установленный в контактном стакане, предназначенном для закрепления на несущей панели солнечной батареи.
Корпус фотоэлектрического модуля выполнен герметичным. В полости корпуса может быть создан вакуум или полость может быть заполнена инертным газом. На основании цоколя закреплен изолированный от него металлостеклянный вывод, соединенный с помощью проволочного контакта с выводом фотоэлектрического преобразователя и контактным
штырем, расположенным в центре контактного стакана и изолированным от него.
На фиг.1 представлено сечение фотоэлектрического модуля солнечной батареи.
Фотоэлектрический модуль солнечной батареи содержит трубчатый корпус 1, фотоэлектрический преобразователь 3 и оптическую линзу 9, выполненную в виде линзы Френеля, - Одна часть корпуса выполнена в виде призмы, основание которой в плане имеет форму квадрата и представляет собой линзу Френеля. Другая часть корпуса выполнена в виде конуса, сопрягающегося по кромке с призматической частью корпуса. С другой стороны к конусной части корпуса крепится металлический цоколь 4, на основании которого в фокусе линзы установлен фотоэлектрический преобразователь 3. Корпус выполнен из оптически прозрачного материала. На внутреннюю поверхность конусной части корпуса нанесено отражающее (зеркальное) покрытие 2 из алюминия или другого металла. Металлический цоколь 4 установлен в контактном стакане 7, предназначенном для установки в гнездах несущей платы солнечной батареи. Цоколь 4 выполняет функцию одного из контактов фотоэлектрического преобразователя. Вторым контактом является металлостеклянный вывод 5, закрепленный на основании цоколя, изолированный от него и с помощью проволочного контакта соединенный с выводом преобразователя 3 и контактным штырем 8. Контактный штырь 8 закреплен в центре контактного стакана 7 и изолирован от него (изолятор 6).
Фотоэлектрический преобразователь солнечной батареи выполнен на основе полупроводниковой арсенид галлиевой гетероструктуры.
Сборку солнечной фотоэлектрической батареи осуществляют следующим образом.
Отливают верхнюю призматическую часть корпуса вместе с оптической линзой. Отдельно изготавливается коническая часть с внутренним отражающим покрытием и сваривается с призматической
частью. На основании цоколя устанавливается фотоэлектрический преобразователь и металлостеклянный контакт. Цоколь впаивают снизу в корпус и устанавливают в контактный стакан, после чего обеспечивают герметизацию корпуса. Затем откачивают воздух из полости корпуса, обеспечивая вакуум, или заполняют полость инертным газом.
После этого модули устанавливают вплотную друг к другу на несущей плате солнечной батареи, для того чтобы образовать сплошную ячеистую структуру на заданной площади солнечной батареи. Замену неработающих модулей осуществляют путем изъятия модуля из несущей платы солнечной батареи и замены его новый.
Такое выполнение фотоэлектрических модулей позволяет радикально упростить технологию производственной сборки солнечной батареи и замены вышедших из строя отдельных модулей.
При работе модуля ориентированные перпендикулярно солнечным лучам линзы Френеля концентрируют солнечный свет и фокусируют его на светоприемных поверхностях фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию квантов света в электрическую, создавая разность потенциалов на своих контактах. Вырабатываемая модулем электроэнергия подается к внешнему потребителю или накопителю энергии. Тепло, отводимое от фотоэлектрических преобразователей, распределяется по металлическому теплоотводящему цоколю и контактному стакану и затем отводится во внешнюю среду.
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.
Благодаря выполнению линзы Френеля из одного материала в виде единого монолита с корпусом повышается эффективность солнечной батареи из-за отсутствия дополнительных потерь на границе раздела двух сред из-за разных коэффициентов преломления. Снижаются требования к точности юстировки из-за наличия отражающей поверхности и отсутствия смещения фокуса за пределы фотоэлектрического преобразователя при изменении температуры. Выполнение корпуса монолитным позволяет обеспечить хорошую герметичность, что повышает надежность, рабочий ресурс, обеспечивает независимость от внешних климатических условий. Заполнение полости корпуса инертным газом позволяет еще увеличить эффективность фотоэлектрического модуля и, соответственно, солнечной батареи.
Фотоэлектрический модуль и солнечная батарея на его основе разработан 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.