СОЛНЕЧНЫЙ КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ
SOLAR CONCENTRATOR MODULE

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к солнечным фотоэлектрическим концентраторным модулям. Настоящее изобретение предназначено для применения в солнечных энергоустановках для выработки электроэнергии как в автономных, так и в промышленных вариантах, используемых в различных климатических зонах.
Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных каскадных фотоэлементов и недорогих оптических концентраторов. Известно, что применение концентраторов излучения при условии согласования их параметров с параметрами фотоэлементов позволяет не только поднять энергетическую эффективность фотоэлектрических концентраторных модулей, но и улучшить их энерго-экономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов. Использование концентраторных фотоэлектрических модулей предполагает их установку на следящие системы, обеспечивающие автоматическое слежение за солнцем и фокусировку излучения на поверхности фотоэлементов. Важной характеристикой оптических концентрирующих систем является степень концентрирования солнечного излучения. Использование последних при концентрации солнечного излучения 500-2500 крат позволяет пропорционально сократить суммарную площадь фотоэлементов и существенно снизить стоимость получаемой электроэнергии. Но, в то же время, при высокой степени концентрации солнечного излучения происходит излишний разогрев фотоэлементов, что негативно влияет на преобразующие свойства фотоэлементов, их срок службы и выходные характеристики фотоэлектрических модулей. Конструкция фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения должна быть такой, чтобы обеспечивать надежное и долговременное эффективное функционирование фотоэлементов в реальных условиях эксплуатации при возможно более низкой стоимости генерируемой электрической мощности. Лучшие характеристики оптических фокусирующих систем могут быть получены при использовании двухкаскадных оптических концентраторов. В качестве первичного оптического элемента в таких системах обычно используются длиннофокусные стеклянные линзы или линзы Френеля большой площади, вторичные оптические элементы могут быть разной конструкции - короткофокусные стеклянные линзы, полые или стеклянные конические, параболические или в виде усеченной пирамиды отражатели. Преимущество двухкаскадных фокусирующих систем заключается в том, что при концентрировании солнечного излучения они позволяют уменьшить углы преломления света, что приводит к снижению хроматической аберрации при фокусировке света, равномерному распределению плотности излучения в сфокусированном световом пятне. Кроме того, они позволяют увеличить предельный угол отклонения оптической оси фокусирующей системы относительно направления падающего солнечного излучения, что делает возможным снижение требований к характеристикам следящих систем и, соответственно, уменьшение стоимости конструкции.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент US 6717045, МПК H01L 31/042, 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 рассматриваемой конструкции солнечного концентраторного 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 солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2352023, МПК H01L 31/052, опубликован 10.04.2009), содержащий фронтальную панель и тыльную панель, изготовленные из силикатного стекла, первичный и вторичный оптические концентраторы и фотоэлемент с теплоотводящим основанием.
Первичный оптический концентратор выполнен в форме линзы, сформированной в виде тыльной поверхности фронтальной панели. Вторичный оптический концентратор выполнен в виде фокона, установленного меньшим основанием на светочувствительной поверхности фотоэлемента. Фотоэлемент с теплоотводящим основанием размещены на фронтальной поверхности тыльной панели соосно первичному оптическому концентратору. Вторичный оптический концентратор позволяет улучшить разориентационную характеристику солнечного фотоэлектрического субмодуля, что обеспечивает увеличение энергопроизводительности солнечного концентраторного модуля.
Недостатками известного солнечного концентраторного модуля являются сложность монтажа вторичного оптического концентратора на светочувствительной поверхности фотоэлемента, приводящая к большому количеству брака при сборке конструкции и уменьшающая срок службы фотоэлементов, а также трудоемкость позиционирования ФЭ и высокая статистическая вероятность линейного несовпадения центра ФЭ с оптическим центром линзы.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент US 6804062, МПК G02B 27/10, опубликован 12.11.2004), содержащий первую линзовую панель из линз Френеля, изготовленную из силиконовой резины, вторую линзовую панель, изготовленную из силиконовой резины и содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз и сборку фотоэлектрических преобразователей на основе тонкопленочных солнечных элементов. Первая линзовая панель из линз Френеля располагается над второй линзовой панелью из короткофокусных иммерсионных линз таким образом, чтобы падающее солнечное излучение фокусировалось линзами в набор световых точек, каждая из которых совпадала с фотоприемной площадкой одного из солнечных элементов. Вторую линзовую панель, выполненную из силиконовой резины и содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз, наклеивают на сборку фотоэлектрических преобразователей с помощью жидкой двухкомпонентной силиконовой резины. Известный солнечный концентраторный модуль имеет хорошую разориентационную характеристику.
Недостатками конструкции известного солнечного концентраторного модуля является сложность монтажа панели вторичных оптических концентраторов, изготовленной из силиконовой резины, в промышленных солнечных модулях большой площади. Кроме того, короткофокусные иммерсионные линзы, изготовленные из силиконовой резины, а также места контактов солнечных элементов с поверхностями иммерсионных линз работают при высокой концентрации солнечного излучения, создаваемой первичными оптическими концентраторами из линз Френеля. Это приводит к деградации материала (силиконовой резины) короткофокусных иммерсионных линз и мест контактов солнечных элементов с поверхностями иммерсионных линз, что ухудшает качество вторичных оптических концентраторов, уменьшает надежность работы солнечных элементов и сокращает срок службы солнечного концентраторного модуля.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. заявку WO 201466957, МПК H01L 31/048, H01L 31/052, опубликована 08.05.2014). Модуль представляет собой объемную несущую конструкцию, в верхней части которой расположено множество первичных оптических концентраторов в виде линз. В нижней части конструкции прикреплено множество солнечных элементов и над каждым солнечным элементом установлен вторичный оптический элемент, расположенный напротив соответствующего первичного концентратора. Вторичный концентратор представляет собой тонкостенную конструкцию, закрепленную в поддерживающем устройстве, с выпуклой верхней частью и боковыми стенками, состоящими из секторов параболической формы.
Недостатками известного солнечного концентраторного модуля являются сложность изготовления и монтажа вторичного оптического концентратора на светочувствительной поверхности солнечного элемента.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. заявку CN 103165717, МПК H01L 31/054, опубликована 19.06.2013), содержащий матрицу из линз Френеля, закрепленную на стеклянной плате, панели солнечных батарей, размещенные на металлическом основании, и вторичные концентрирующие элементы в виде стеклянных цилиндрических линз. Цилиндрические линзы установлены над солнечными элементами и жестко закреплены на металлическом основании, а верхняя плата и металлические основания фиксируют так, чтобы оптические оси линз Френеля проходили через центры цилиндрических линз и фотоприемных площадок солнечных элементов. Фокусы линз Френеля позиционируют в середине продольной оси цилиндрических линз.
Недостатками известного солнечного концентраторного модуля являются сложность монтажа вторичного оптического концентратора и трудоемкость позиционирования солнечных элементов. Кроме того, вторичные концентрирующие элементы в виде цилиндрических линз улучшают разориентационные характеристики модулей только в одной плоскости.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2395136, МПК H01L 31/042, опубликован 15.06.2010). Конструкция солнечного концентраторного модуля содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель, солнечные элементы, снабженные теплоотводящими основаниями. Солнечные элементы установлены в центрах отверстий планок, выполненных из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием, к которому подсоединены соответствующие контакты солнечных элементов. Расстояние между центрами соседних отверстий планок равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля фронтальной панели, лежащих в плоскости, параллельной планкам. Планки установлены за фронтальной панелью параллельно друг другу с шагом, равным расстоянию между центрами соседних линз Френеля, лежащих в плоскости, перпендикулярной планкам. Теплоотводящие основания солнечных элементов могут иметь П-образную форму с глубиной выемки, равной толщине планки из диэлектрического материала, и своими боковыми выступами могут быть прикреплены к тыльной стороне тыльной панели. Фронтальная панель и тыльная панель прикреплены к боковым стенкам так, что центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы.
Конструкция модуля обеспечивает высокую точность монтажа солнечных элементов при низкой трудоемкости изготовления, однако недостатком известного модуля является пониженная эффективность преобразования солнечного излучения вследствие оптических потерь при прохождении света через тыльную панель модуля, а отсутствие корректирующих элементов вторичной оптики приводит к ухудшению разориентационных характеристик.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007), совпадающий с настоящим техническим решением по большому числу существенных признаков и принятый за прототип. Модуль содержит фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Введена дополнительная промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной или тыльной стороне которой установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнены в виде лотков с плоским дном и закреплены на тыльной стороне промежуточной панели. Фотоактивные поверхности фотоэлементов находятся в фокусном пятне двух оптических концентраторов - линз Френеля и плоско-выпуклых линз. В зависимости от варианта выполнения модуля расстояние между промежуточной панелью и теплоотводящими основаниями, фокусное расстояние плоско-выпуклых линз, толщины фотоэлементов и промежуточной панели связаны определенными соотношениями.
Известный солнечный концентраторный модуль-прототип обеспечивает увеличение энергопроизводительности и обладает хорошей разориентационной характеристикой. Однако недостатком известного модуля является высокий уровень концентрации солнечного излучения на фотоэлементах. В центре фокусного пятна двух оптических концентраторов - линзы Френеля и плоско-выпуклой линзы - концентрация солнечного излучения достигает 5000-7000 крат, что приводит к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию и уменьшает срок службы фотоэлементов.
Задачей заявляемого изобретения является создание солнечного концентраторного модуля с повышенной энергопроизводительностью и улучшенной разориентационной характеристикой за счет выравнивания освещенности фотоактивной области фотоэлемента и уменьшения локальной концентрации солнечного излучения, что позволит увеличить надежность и срок службы устройства.
Поставленная задача решается тем, что солнечный концентраторный модуль содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, тыльную панель с фоконами и солнечные элементы, прикрепленные теплоотводящими основаниями к тыльной стороне тыльной панели. Центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Фоконы размещены в конических отверстиях тыльной панели и обращены большими основаниями к линзам Френеля. Диаметр меньшего основания фокона равен диаметру фотоприемной площадки солнечного элемента. Ось каждого фокона совпадает с оптической осью соответствующей линзы Френеля.
а
Фоконы могут быть выполнены в виде отражающего зеркального покрытия, нанесенного на стенки конических отверстий тыльной панели толщиной . В этом варианте диаметр большего основания D конического отверстия удовлетворяет соотношению
где W - максимальный размер апертуры линзы Френеля, мм;
F - фокусное расстояние линзы Френеля, мм;
δ - максимальный угол отклонения оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения, обеспечиваемый следящей за Солнцем системой, рад.
Фоконы могут быть выполнены в виде полых металлических усеченных конусов высотой h с внутренней отражающей поверхностью, установленных в конические отверстия тыльной панели, при этом меньшими основаниями усеченные конусы примыкают к фотоприемным площадкам солнечных элементов. Диаметр большего основания D усеченного конуса удовлетворяет соотношению
где W - максимальный размер апертуры линзы Френеля, мм;
F - фокусное расстояние линзы Френеля, мм;
δ - максимальный угол отклонения оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения, обеспечиваемый следящей за Солнцем системой, рад.
Фоконы могут быть выполнены в виде сплошных усеченных конусов высотой h, выполненных из светопрозрачного материала, на боковую поверхность которых нанесено отражающее покрытие, при этом меньшими основаниями усеченные конусы примыкают к фотоприемным площадкам солнечных элементов. В этом варианте диаметр большего основания D усеченного конуса удовлетворяет соотношению
где W - максимальный размер апертуры первичного линзового концентратора, мм;
F - фокусное расстояние линзы Френеля, мм;
n - показатель преломления материала фокона;
δ - максимальный угол отклонения оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения, обеспечиваемый следящей за Солнцем системой, рад.
В качестве светопрозрачного материала фоконов может быть использовано оптическое стекло или полиметилметакрилат.
Приведенные в соотношениях (1)-(3) размеры диаметра большего основания D усеченного конуса обеспечивают дополнительную фокусировку и выравнивание плотности концентрации солнечного излучения на фотоактивной области фотоэлемента за счет отражения поверхностью фокона боковых лепестков излучения при фокусировке света линзой Френеля и улучшают разориентационные характеристики модулей за счет фокусировки излучения на фотоактивной области фотоэлемента при отклонении оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения в пределах угла δ.
Конструкция настоящего солнечного концентраторного модуля поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематично изображен солнечный концентраторный модуль, в котором фоконы выполнены в виде отражающего зеркального покрытия, нанесенного на стенки конических отверстий тыльной панели;
на фиг. 2 изображен солнечный концентраторный модуль, в котором фокон выполнен в виде полого металлического усеченного конуса с внутренней отражающей поверхностью, и схематично показан ход лучей при разориентации оптической оси модуля на угол δ;
на фиг. 3 схематично изображен солнечный концентраторный модуль, в котором фокон выполнен в виде сплошного усеченного конуса, выполненного из оптического стекла, на боковую поверхность которого нанесено отражающее покрытие.
Заявляемый солнечный концентраторный модуль 1 (см. фиг. 1) содержит боковые стенки 2, фронтальную панель 3 с линзами 4 Френеля на внутренней стороне фронтальной панели 3, тыльную панель 5 с фоконами 6 и солнечные элементы 7, снабженные теплоотводящими основаниями 8. Теплоотводящие основания 8 прикрепляют солнечные элементы 7 к тыльной стороне 9 тыльной панели 5 так, что центр фотоприемной площадки 10 каждого солнечного элемента 7 лежит на одной оси с центром 11 соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Фоконы 6 выполнены в виде отражающего зеркального покрытия, нанесенного на стенки конических отверстий 13 тыльной панели 5, и обращены большими основаниями к линзам 4 Френеля. Диаметр меньшего основания фокона 6 равен диаметру фотоприемной площадки 10 солнечного элемента. Фоконы 6 могут быть выполнены в виде полых металлических усеченных конусов 16 с внутренней отражающей поверхностью (см. фиг. 2), примыкающих меньшими основаниями к фотоприемным площадкам 10 солнечных элементов 7. Фоконы 6 могут быть выполнены в виде сплошных усеченных конусов 18, изготовленных из оптического стекла или полиметилметакрилата, на боковую поверхность которых нанесено отражающее покрытие 19 (см. фиг. 3), примыкающих меньшими основаниями к фотоприемным площадкам 10 солнечных элементов 7.
При работе заявляемого солнечного концентраторного модуля, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам, солнечное излучение, попадающее на входную апертуру первичного оптического концентратора в виде линзы 4 Френеля, преобразуется им в сходящийся световой пучок, проходит через большее основание фокона 6 и попадает на фотоприемную площадку 10 солнечного элемента 7 либо напрямую, либо после однократного или многократных отражений от боковой поверхности фокона 6. Большее основание фокона 6 выполнено с диаметром D, определяемым соотношениями (1)-(3), превышающим диаметр сходящегося светового пучка так, что при разориентации модуля в пределах максимального угла отклонения оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения δ (см. фиг. 2) сфокусированный световой пучок остается в пределах входной апертуры вторичного концентратора, частично отражается боковой поверхностью фокона 6 и попадает на фотоприемную площадку 10 солнечного элемента 7. При нормальной ориентации модуля на боковую поверхность фокона 6 попадает часть световых лучей, находящихся за пределами сфокусированного светового пучка, возникающих за счет неточностей изготовления и дефектов линзы 4 Френеля, которые после отражения от боковой поверхности фокона также попадают на фотоприемную площадку 10 солнечного элемента 7. При этом разориентационная характеристика солнечного концентраторного модуля остается более высокой, чем в фотоэлектрических модулях без вторичного оптического концентратора; распределение концентрации солнечного излучения на поверхности фотоприемной площадки 10 солнечного элемента 7 более однородное, чем в фокальном пятне первичного концентратора с линзой 4 Френеля, а максимальные значения локальной концентрации солнечного излучения существенно ниже, чем при использовании в качестве вторичных оптических концентраторов выпуклых линз. Более однородное распределение концентрации солнечного излучения по поверхности фотоприемной площадки 10 приводит к уменьшению локального перегрева солнечного элемента 7, повышению надежности его работы и увеличению эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, а улучшенные разориентационные характеристики солнечного концентраторного модуля - к снижению затрат на разработку и изготовление следящих систем.
Использование настоящего солнечного концентраторного модуля дает большой экономический эффект, обусловленный тем, что солнечный модуль прост по конструкции, обладает высокими фотоэлектрическими характеристиками, обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию.