КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
CONCENTRATOR SOLAR PHOTOVOLTAIC MODULE

Заявляемое изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к концентраторным солнечным фотоэлектрическим модулям, применяемым, например, в наземных гелиоэнергетических установках, предназначенных для систем автономного энергоснабжения в различных климатических зонах.
Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием дорогостоящих высокоэффективных многокаскадных солнечных элементов и недорогих оптических концентраторов. Применение оптических концентраторов, обеспечивающих степень концентрации солнечного излучения 500-1000 крат, имеющих высокую оптическую эффективность, позволяет достичь высокого КПД преобразования солнечного излучения в электричество и сократить суммарную площадь солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения. КПД преобразования солнечного излучения фотоэлектрическими модулями, использующими многокаскадные солнечные элементы и оптические концентраторы, достигает 34%. В то же время от конструкции фотоэлектрических модулей, сложности их изготовления и сборки, величины срока эксплуатации зависит общая стоимость модулей и экономичность всей энергоустановки.
Известен фотоэлектрический модуль (см. патент US 6717045, МПК H01L 31/052, опубликован 06.04.2004), включающий множество оптических концентраторов, фокусирующих солнечное излучение на фотоприемные площадки солнечных фотоэлементов. Каждый из оптических концентраторов состоит из первичного концентратора, имеющего степень концентрации солнечного излучения 5-10 крат, вторичного концентратора, расположенного ниже первого и увеличивающего степень концентрации солнечного излучения в 20-50 раз, и третьего концентратора, установленного в нижней плоскости вторичного концентратора и фокусирующего излучение на поверхность солнечных фотоэлементов. В качестве первичного концентратора может быть использована линза Френеля. Вторичный концентратор представляет собой комбинированный параболический отражатель, изготовленный из стекла или керамики и имеющий отражающие и защитные покрытия. В качестве третьего концентратора служит стеклянная линза. Солнечный фотоэлемент устанавливают на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.
Недостатками известного фотоэлектрического модуля являются большие потери света за счет отражения на поверхностях оптических элементов трехкаскадного концентратора, технические сложности изготовления, монтажа и юстировки большого количества оптических деталей и, соответственно, также высокая стоимость конструкции.
Известен фотоэлектрический модуль (см. заявка РСТ WO 9213362, МПК H01L 1/042, H01L 31/048, H01L 31/052, опубликована 06.08.1992), состоящий из нескольких фотоэлектрических сборок, содержащих корпус, смонтированный в корпусе концентратор и солнечный фотоэлемент, расположенный на задней стенке корпуса. В качестве концентратора может быть использована линза Френеля.
Основным недостатком известного фотоэлектрического модуля с концентратором является сложность изготовления и высокая стоимость его конструкции.
Известен фотоэлектрический модуль (см. US 4834805, МПК H01L 31/00, дата публикации 30.05.1989), содержащий линзовую панель, сформированную из множества линз, расположенную на фиксированном расстоянии от многослойной подложки, в которую вмонтированы солнечные фотоэлементы небольших размеров. При этом солнечные фотоэлементы, выполненные на основе многослойных полупроводниковых кристаллов, имеющие нижний сплошной металлический контакт и верхний контакт в виде тонкой металлической сетки, устанавливают на многослойной подложке, фиксируют там механическими элементами и электрически соединяют с токопроводящими слоями подложки. Линзовая панель состоит из матриц сферических или асферических стеклянных плосковыпуклых линз, обращенных в сторону подложки с солнечными фотоэлементами.
Недостатком известного фотоэлектрического модуля является высокая технологическая сложность изготовления и монтажа многослойной подложки с солнечными фотоэлементами, большой вес линзовой панели, а также сложности с отводом тепла от солнечных фотоэлементов.
Известен фотоэлектрический модуль (см. заявка РСТ WO 2008068006, МПК H01L 31/00, опубликована 12.06.2008), в котором на основании из электроизоляционного материала смонтированы сборки солнечных фотоэлементов. Сборки солнечных фотоэлементов представляют собой электро- и теплопроводящий носитель, на котором установлены кристалл солнечного фотоэлемента и байпасный диод. Поскольку байпасный диод и кристалл солнечного фотоэлемента имеют противоположную проводимость, то их верхние контакты соединены электрическим проводником, который также соединяет их с электро- и теплопроводящим носителем соседней сборки солнечных фотоэлементов.
Недостатком известного фотоэлектрического модуля является сложность монтажа панели солнечных фотоэлементов, и, поскольку данная конструкция предполагает последовательное соединение всех элементов, то при изготовлении солнечных батарей большой мощности возникают сложности с коммутацией и требуется высокая электрозащищенность всех элементов конструкции.
Известен фотоэлектрический модуль с концентраторами солнечного излучения в виде линз Френеля (см. В.М. Андреев и др. - "Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения". - Л., "Наука", Ленинградское отделение, 1989, с. 302-303). Модуль содержит 8 или 16 линз Френеля и соответствующее им количество солнечных фотоэлементов, размещенных против линз на алюминиевом листе, который одновременно выполняет роль подложки солнечных фотоэлементов, радиатора и металлического корпуса. Для электроизоляции солнечных фотоэлементов от корпуса используются пластины высокоомного кремния, обладающие высокой теплопроводностью. Линзы Френеля изготовлены из органического стекла методом прессования. Для защиты от атмосферных воздействий линзы закрыты листом силикатного стекла.
Известный фотоэлектрический модуль превосходит по своим технико-экономическим показателям кремниевые солнечные фотоэлектрические модули без концентраторов. Однако он обладает малой энергопроизводительностью.
Известен фотоэлектрический модуль (см. Международная конференция "Conference record of the twenteighth IEEE photovoltaic specialists Conference-2000", Anhorage, Alaska, USA, 2000, p. 1169-1172). Модуль содержит боковые стенки из силикатного стекла, на верхних кромках которых закреплена фронтальная панель из силикатного стекла с линзами Френеля из оптического силикона, а на нижних кромках закреплена тыльная панель из силикатного стекла с солнечными фотоэлементами и теплоотводящими основаниями. Металлическое теплоотводящее основание так же является и одним из электрических контактов солнечного фотоэлемента. Вторым контактом солнечного фотоэлемента является верхнее металлическое покрытие фольгированного стеклотекстолита, закрепленного на каждом теплоотводящем основании. Коммутацию солнечных фотоэлементов осуществляют через контакты, прикрепленные к металлическому основанию и верхнему металлическому покрытию стеклотекстолита.
Недостатками известного фотоэлектрического модуля является высокая трудоемкость позиционирования отдельных солнечных фотоэлементов и статистическая вероятность линейного несовпадения центров солнечных фотоэлементов с оптическими центрами соответствующих линз в линзовой панели, что приводит к сужению разориентационной характеристики фотоэлектрического модуля при слежении за Солнцем.
Известен фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2395136, МПК H01L 31/042, опубликован 15.06.2009), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотоэлектрический модуль содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель и солнечные фотоэлементы, снабженные теплоотводящими основаниями. Позиционирование солнечных фотоэлементов обеспечивается тем, что солнечные элементы вместе с теплоотводами закрепляются в центрах отверстий планок, выполненных из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием, к которому подведены контакты солнечных фотоэлементов. Расстояние между центрами соседних отверстий планок равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля фронтальной панели, а планки установлены на фронтальной или тыльной стороне тыльной панели модуля параллельно друг другу с шагом, равным расстоянию между центрами соседних линз Френеля. С помощью боковых стенок модуля обеспечена параллельность фронтальной и тыльной панелей, а также расположение их относительно друг друга с учетом обеспечения точной фокусировки.
Однако недостатком модуля-прототипа является невысокий срок его эксплуатации из-за выгорания органических материалов при попадании сфокусированного пятна солнечного излучения на края отверстий центрирующих планок, выполненных из диэлектрического материала, при случайной разориентации фотоэлектрического модуля. При этом продукты горения оседают на фотоприемных поверхностях солнечных фотоэлементов, уменьшая эффективность преобразования солнечного излучения.
Задачей настоящего изобретения является разработка фотоэлектрического модуля, который бы имел увеличенный срок эксплуатации при сохранении эффективности преобразования солнечного излучения.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический модуль содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель, солнечные фотоэлементы с байпасными диодами, планки, выполненные из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием, и металлические платы с регулярно расположенными углублениями для солнечных фотоэлементов и канавками для планок. Металлические платы прикреплены к светопрозрачной тыльной панели, солнечные фотоэлементы установлены в центрах углублений в металлических платах, служащих нижним контактом солнечных фотоэлементов и нижних металлических покрытий планок. Верхние контакты солнечных фотоэлементов и байпасных диодов соединены с верхним металлическим покрытием планок. Расстояния между центрами соседних углублений в металлических платах равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля фронтальной панели. Металлические платы установлены параллельно друг другу в двух взаимно перпендикулярных направлениях так, что расстояния между центрами крайних углублений соседних металлических плат в двух взаимно перпендикулярных направлениях равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля. Фронтальная панель и тыльная панель прикреплены к боковым стенкам так, что центр фотоприемной площадки каждого солнечного фотоэлемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы.
Новыми в настоящем фотоэлектрическом модуле являются металлические платы с регулярно расположенными углублениями для солнечных фотоэлементов и канавками для планок, служащие нижним контактом солнечных фотоэлементов, при этом расстояния между центрами соседних углублений в металлических платах равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля фронтальной панели, а металлические платы установлены параллельно друг другу в двух взаимно перпендикулярных направлениях так, что расстояния между центрами крайних углублений соседних металлических плат в двух взаимно перпендикулярных направлениях равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля. Монтаж солнечных элементов в углублениях на металлических платах позволяет увеличить срок службы концентраторного модуля, так как в настоящем устройстве исключается выгорание элементов конструкции при случайной разориентации фотоэлектрического модуля. Использование металлических плат с регулярно расположенными улублениями для монтажа солнечных элементов и установка металлических плат на тыльной панели параллельно друг другу так, что расстояния между центрами крайних углублений соседних металлических плат в двух взаимно перпендикулярных направлениях равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля, позволяет повысить точность позиционирования солнечных элементов, что увеличивает эффективность преобразования солнечного излучения и упростить сборку конструкции фотоэлектрического модуля. При сборке конструкции необходимо лишь установить соответствующим образом фронтальную и тыльную панели, прикрепив их к торцам боковых стенок. Таким образом, настоящий модуль имеет увеличенный срок эксплуатации при сохранении эффективности преобразования солнечного излучения.
В настоящем фотоэлектрическом модуле фронтальная и тыльная панели могут быть выполнены из силикатного стекла, а металлические платы могут быть выполнены из листовой стали.
Диаметры дна углублений для солнечных фотоэлементов в металлических платах могут превышать наибольший размер солнечного фотоэлемента не больше чем на 0,15 мм, что обеспечивает без дополнительного центрирования при монтаже точность позиционирования солнечных фотоэлементов, достаточную для максимальной эффективности преобразования солнечного излучения.
Боковые стенки углублений для солнечных фотоэлементов могут иметь полированную внутреннюю поверхность, форма боковой поверхности может иметь вид перевернутого усеченного конуса или перевернутой усеченной пирамиды. Такая форма боковой поверхности углублений служит для дополнительной фокусировки солнечного излучения на фотоприемные площадки солнечных фотоэлементов, повышая эффективность преобразования излучения и улучшает разориентационные характеристики концентраторных модулей.
На металлические платы могут быть нанесены покрытия из Zn, или Sn, или Ni, служащие для увеличения коррозионной стойкости металлических плат и улучшения условий пайки солнечных фотоэлементов.
На дно и боковые стенки углублений для солнечных фотоэлементов может быть нанесено покрытие из Au, увеличивающее коэффициент отражения света от боковых поверхностей при дополнительной фокусировке и улучшающее условия пайки солнечных фотоэлементов.
Планки в поперечном сечении могут иметь форму равнобедренной трапеции, меньшим основанием обращенным к металлической плате. При этом металлическое покрытие на широком верхнем основании защищает торцы планки от попадания сфокусированного солнечного излучения и препятствует их выгоранию при случайной расфокусировке модуля.
Солнечные фотоэлементы могут быть прикреплены к дну углублений в металлических платах посредством пайки.
Планки могут быть прикреплены к металлическим платам посредством пайки.
Соседние металлические платы могут быть соединены последовательно электрическими проводниками, а первая и последняя платы подключены к выводам фотоэлектрического модуля.
Металлические платы могут быть прикреплены к фронтальной или тыльной сторонам светопрозрачной тыльной панели.
При закреплении металлических плат на тыльной стороне светопрозрачной тыльной панели на наружной поверхности металлических плат может быть нанесено теплоизлучающее покрытие, для уменьшения отражения света на границах раздела сред, объем между тыльной стороной светопрозрачной тыльной панели и фотоприемными площадками солнечных фотоэлементов может быть заполнен оптическим силиконом, тыльная сторона светопрозрачной тыльной панели с прикрепленными к ней металлическими платами может быть загерметизирована ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой, а поверх ламинирующей этиленвинилацетатной пленки может быть нанесена защитная пленка из лавсана.
Металлические платы могут быть прикреплены к тыльной светопрозрачной панели силиконом или адгезивом.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически изображен вид сбоку на настоящий фотоэлектрический модуль с продольным разрезом;
на фиг. 2 схематически показан вид сверху на настоящий фотоэлектрический модуль в разрезе по А-А с первым вариантом углублений на металлических платах;
на фиг. 3 схематически изображен вид сверху на настоящий фотоэлектрический модуль в разрезе по А-А с вторым вариантом углублений на металлических платах;
на фиг. 4 схематически показан вид сбоку в разрезе на солнечный фотоэлемент, установленный в центре углубления на металлической плате.
Настоящий фотоэлектрический модуль 1 (см. фиг. 1 - фиг. 3) содержит боковые стенки 2, фронтальную панель 3 с линзами 4 Френеля на внутренней стороне фронтальной панели 3, светопрозрачную тыльную панель 5 и солнечные фотоэлементы 6. Линзы 4 Френеля выполнены из силикона, имеют квадратную форму, расположены вплотную друг к другу и прочно соединены с внутренней поверхностью фронтальной панели 3, выполняющей защитную и несущую функции. Каждой линзе 4 Френеля соответствует свой солнечный фотоэлемент 6. Фронтальная панель 3 и тыльная панель 5 могут быть выполнены из силикатного стекла и прикреплены к боковым стенкам 2 с помощью двухсторонней адгезивной ленты 7 (см. фиг. 1). Для лучшей герметизации внутреннего пространства фотоэлектрического модуля от воздействия внешней атмосферы и обеспечения защиты всех элементов фотоэлектрического модуля от внешних факторов стыки торцов боковых стенок 2 и фронтальной 3 и тыльной 5 панелей могут быть соединены алюминиевой лентой с адгезивным слоем. Солнечные фотоэлементы 6 установлены в центрах регулярно расположенных углублений 8 в металлических платах 9, которые могут быть выполнены из листовой стали. На металлические платы 9 может быть нанесено покрытие из Zn, или Sn, или Ni. Металлические платы 9 могут быть прикреплены к фронтальной или тыльной поверхности светопрозрачной тыльной панели 5. Например, металлические платы 9 могут быть прикреплены к светопрозрачной тыльной панели 5 силиконом или адгезивом, отверждаемым, например, влагой, ультрафиолетом, или посредством адгезивной ленты. Рядом с солнечными фотоэлементами 6 в параллельных канавках 10 в металлических платах 9 размещены планки 11, выполненные из диэлектрического материала с нижним металлическим покрытием 12 и верхним металлическим покрытием 13 (см. фиг. 4), к которому подсоединены соответствующие верхние контакты 14 солнечных фотоэлементов 6. Канавки 10 могут иметь форму перевернутой буквы П с глубиной выемки, равной толщине планки 11. Металлические платы 9 служат нижним контактом солнечных фотоэлементов 6 и нижних металлических покрытий 12 планок 11. Расстояния между центрами соседних углублений 8 в металлических платах 9 равны расстоянию между центрами соседних линз 4 Френеля фронтальной панели 3. Металлические платы 9 установлены параллельно друг другу в двух взаимно перпендикулярных направлениях так, что расстояния между центрами крайних углублений 8 соседних металлических плат 9 в двух взаимно перпендикулярных направлениях равны расстоянию между центрами соседних линз 4 Френеля. Фронтальная панель 3 и тыльная панель 5 прикреплены к боковым стенкам 2 так, что центр фотоприемной площадки каждого солнечного фотоэлемента 6 лежит на одной оси с центром соответствующей линзы 4 Френеля и совпадает с ее фокусом. К каждой планке 11 параллельно подключен байпасный диод (на чертеже не показан). Соседние металлические платы 9 в фотоэлектрическом модуле 1 последовательно соединены электрическими проводниками (на чертеже не показаны), а первая и последняя металлические платы 9 подключены к выводам фотоэлектрического модуля 1. Диаметры дна углублений 8 для солнечных фотоэлементов 6 в металлических платах 9 могут превышать наибольший размер солнечного фотоэлемента 6 не больше чем на 0,15 мм. Боковые стенки 15 углублений 8 могут иметь полированную (зеркальную) внутреннюю поверхность, а форма боковой поверхности углублений 8 может иметь вид перевернутого усеченного конуса или перевернутой усеченной пирамиды. На дно и боковые стенки углублений 8 для солнечных фотоэлементов может быть нанесено покрытие из Au. Планки 11 в поперечном сечении могут иметь форму равнобедренной трапеции, меньшим основанием обращенным к металлической плате 9. Солнечные фотоэлементы 6 могут быть прикреплены к дну углублений 8 в металлических платах 9 посредством пайки. Планки 11 могут быть прикреплены к металлическим платам 9 посредством пайки. При прикреплении металлических плат 9 к тыльной стороне светопрозрачной тыльной панели 5 на наружной поверхности металлических плат 9 может быть нанесено теплоизлучающее покрытие 16 (см. фиг. 4), а объем между тыльной стороной светопрозрачной тыльной панели 5 и фотоприемными площадками солнечных фотоэлементов 6 может быть заполнен оптическим силиконом. Тыльная сторона светопрозрачной тыльной панели 5 с прикрепленными к ней снизу металлическими платами 9 может быть загерметизирована (см. фиг. 4) этиленвинилацетатной пленкой 17, а поверх этой пленки может быть нанесена также защитная пленка из лавсана 18.
2
Настоящий фотоэлектрический модуль 1 работает следующим образом: фотоэлектрический модуль 1 устанавливают на систему слежения за солнцем и ориентируют в пространстве так, чтобы плоскость фронтальной панели 3 была перпендикулярна световому потоку солнечного излучения. При этом линзы 4 Френеля фронтальной панели 3 фокусируют солнечное излучение на фотоприемные площадки фотоэлементов 6, установленных на дне углублений 8 в металлических платах 9, которые закреплены на светопрозрачной тыльной панели 5. Боковые стенки 15 углублений 8 в металлических платах 9 отражают часть излучения, проходящего мимо солнечных элементов, осуществляя дополнительное направление света на фотоприемные площадки солнечных элементов 6. При подключении к внешним контактам фотоэлектрического модуля 1 электрической нагрузки, в цепи нагрузки будет протекать электрический ток, генерируемый фотоэлементами 6 под воздействием солнечного излучения. Коэффициент полезного действия фотоэлектрического модуля 1 достигает 32-34%. Часть солнечной энергии, не преобразованная в электрическую, превращается в тепло, которое передается от фотоэлементов 6 к металлическим платам 9 и светопрозрачной тыльной панели 5 и рассеивается в окружающем пространстве. Для улучшения рассеяния тепла на внешнюю поверхность металлических плат 9 нанесено теплоизлучающее покрытие 16. При интенсивности падающего солнечного потока, равной 1000 Вт/м, величина перегрева фотоэлементов 6 относительно температуры окружающего воздуха не превышает 23-25°С. При случайной разориентации фотоэлектрического модуля сфокусированное солнечное излучение попадает на поверхность металлических плат 9 и отражается или поглощается ими, превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве.
В настоящей конструкции фотоэлектрического модуля исключается возможность выгорания элементов конструкции при смещении сфокусированного солнечного излучения относительно солнечных элементах и отсутствует загрязнение фотоприемных площадок при длительной эксплуатации прибора. Напайка нескольких солнечных элементов на одну металлическую плату увеличивает суммарную удельную площадь плоского теплоотвода и снижает нагрев солнечных элементов. За счет этого настоящая конструкция фотоэлектрического модуля имеет увеличенный срок эксплуатации при сохранении эффективности преобразования солнечного излучения.