Голографическая пленка на основе призмаконов

Настоящая полезная модель относится к области солнечной энергетики и может найти применение для защиты солнечных модулей от перегрева и повышения ими вырабатываемой электроэнергии на фотоэлектрических станциях в условиях жаркого климата.
Голографическая технология (ГТ), уже используется в области фотоэлектрических преобразователей (ФП) и солнечных тепловых коллекторов. В частности, она позволяет воспроизводить на пластиковой, например, полиэфирной пленке, голографические линзы, толщина которых может достигать минимального размера в несколько микрометров. Эта пленка может применяться на любых органических и неорганических фотоэлектрических элементах, на фотоэлектрических панелях, солнечных тепловых панелях, на источниках освещения, на светоотражающем материале, используемом на дорожных знаках и др. ГТ позволяет получить большое количество вариантов в направлении световых лучей, которые часто не могут быть получены иным образом. ГТ также дает конструктору и исследователю возможность выполнять и одновременно совмещать несколько конкретных представлений в бесконечном количестве комбинаций, например, для концентрация солнечных лучей в установках солнечной энергетики (СЭ).
Использование солнечной энергии является альтернативой традиционному ископаемому топливу, поэтому в последнее время значительно увеличилась разработка устройств, которые могут преобразовывать солнечную энергию в электричество, таких как фотоэлектрические элементы (ФЭ). Были разработаны различные типы фотоэлектрических устройств, однако эффективность фотоэлектрического преобразования все еще нуждается в улучшении и поэтому создание методов повышения их эффективности является задачей многих исследователей.
Коммерчески доступные ФЭ могут преобразовывать от 1% до 30% излучаемой солнечной энергии в электрическую энергию. Одним из факторов, которые могут повлиять на их энергетические характеристики и деградацию, может быть повышенная температура воздуха в условиях эксплуатации в жарком климате.
2
Как правило, все фотоэлектрические модули (ФМ) спроектированы таким образом, что номинальная электрическая мощность достигается при соответствии их характеристик стандартным условиям испытания (STC), то есть при освещенности, равной 1000 Вт/м и температуре воздуха +25°С. Однако на открытом воздухе в реальных условиях эксплуатации модуль, как правило, работает при более высокой температуре, и это приводит к следующим негативным последствиям:
- снижению генерируемой мощности ФМ на 0,45% при повышении температуры на каждый градус относительно +25°С;
- увеличению вероятной деградации, связанной с перегревом ФМ за счет повышения температуры в жарких климатических условиях, приводящей к сокращению срока их службы.
Известна солнечная фотоэлектрическая установка с концентратором, содержащая фотопреобразователи, зеркальный отражатель и прозрачные ограждения из стекла или пластмассы (изобретения к патенту RU 2135909 C1 публикация 27.08.1999 г.), задачей которой является увеличение концентрации солнечной энергии и уменьшение массы и стоимости солнечного модуля. Недостатком данной конструкции является то, что для повышения концентрации видимых лучей между преобразователем и отражателем из пластмассы дополнительно установлены концентраторы из фоклинов или линз, и в условиях повышенной температуры отражатель из пластмассы начинает изгибаться за счет тепла, появляющегося при пропускании инфракрасных лучей и их увеличению за счет дополнительных концентраторов из линз, что приводит к перегреву модуля. Другим недостатком данной конструкции является то, что дополнительные линзы для увеличения концентрации видимых лучей также повышают инфракрасную составляющую, которая поступает на фотоэлектрический модуль, тем самим снижая его КПД. Также известна солнечная фотоэлектрическая батарея, содержащая, по крайней мере, одну мультиплексную голографическую пленку (ГП), располагающуюся на поверхности батареи и состоящую из множества дифракционных решеток, которые имеют угловые мультиплексированные зоны работы и защитное стекло (полезная модель к патенту RU 118123 U1, публикация 10.07.2012 г.), техническая задача которой состоит в увеличении эффективности работы классической фотоэлектрической батареи и в повышении КПД преобразования солнечной энергии в электрическую. Недостаток такой установки заключается в неэффективности работы ФП в условиях жаркого климата, за счет отражения основных видимых лучей от поверхности модуля спектральным фильтром, который пропускает часть инфракрасных лучей солнечного света на поверхность ФП, тем самим уменьшая эффективность выработки энергии ФП.
Известен голографический концентратор солнечной энергии (изобретения к патенту RU 2403510 C1, публикация 10.11.2010 г.), состоящий из плоской прозрачной пластины с прилегающим к ее входной грани голографическим элементом, образованным двумя примыкающими голографическими решетками и набором селективных цилиндрических линз Френеля, оптически связанных с блоком селективных линейных фотопреобразователей, техническая задача которого состоит в повышение эффективности концентрации падающего солнечного излучения за счет многократного полного внутреннего отражения излучения в светопроводящей пластине после преобразования его пространственных характеристик на пропускающих фазовых голограммах. Основным недостаткам данной конструкции является то, что селективные цилиндрические линзы Френеля способны пропускать высокий уровень паразитной засветки разного рода, в том числе инфракрасные лучи солнечного спектра из-за наличия переходных краевых участков между зонами, что приводит к увеличению температуры и перегреву фотоэлектрических преобразователей. Другой недостаток предложенной конструкции заключается в увеличении толщины фотоэлектрического модуля за счет плоской прозрачной пластины и набора селективных цилиндрических линз Френеля, которые прикреплены к фотоэлектрическим преобразователям и увеличивают стоимость установки.
Известно устройство теплозащитной пленки с голограммой (изобретения к патенту JP 2013171098 A Япония, опубликовано 02.09.2013 г.) и голографические устройство для контроля яркости и повышения энергоэффективности зданий (изобретения к патенту WO 2016125008 A1, WIPO (PCT), опубликовано 11.08.2016 г.), задача первого является предотвратить чрезмерное повышение температуры в помещении из-за солнечного света, с использованием теплозащитной пленки с голограммой, которая состоит из прозрачной пленки, теплопоглощающей инфракрасные лучи слоя, голограммы, прозрачного отражательного слоя и клеевого слоя, нанесенной на стекло здания. Задачей второго изобретения, представляющего собой голографическое устройство, является повышение энергоэффективности зданий, то есть экономия энергии за счет снижения потребления кондиционирования воздуха летом и отопления зимой, и регулировка яркости путем регулировки входящего видимого света в соответствии с его углом падения при его применении в окнах здания. Согласно первого аспекта настоящей полезной модели, преимуществом указанных устройств является то, что голографические пленки, поглощая инфракрасные лучи, способны играть роль теплозащиты на зданиях, но недостаток заключается в том, что они технологически построены таким образом, что не могут пропускать основные солнечные излучения, которые концентрируется для получения электрической энергии в ФП.
Наиболее близким по технической сути (прототипом) является голографическая пленка (ГП) особого применения в фотоэлектрических панелях, солнечных тепловых панелях и солнечных светорассеивающих панелях. Голографическая пленка изготовлена из прозрачного материала, такого как полиэфирный материал, и отличается тем, что внутри нее размещены одна или несколько голографических линз, каждая из которых состоит из множества голографических микролинз бесконечно малых размеров, порядка нескольких микрон, каждая микролинза приспособлена для сведения преломленных, таким образом, световых лучей одной и той же длины волны в заранее определенном фокусе, общем для всех микролинз (патент на изобретения WO 2017178989 A1, WIPO (PCT), опубликовано 19.10.2017). Задачей настоящего прототипа является реализация голографических пленок, применяемых в области фотоэлектрических панелей, солнечных тепловых панелей и солнечных светорассеивающих панелей для повышения генерации солнечной энергии с улучшенными характеристиками в отношении габаритных размеров.
Недостаток прототипа заключается в следующем:
- использование ГП, изготовленной из прозрачного материала (полиэфирного), внутри которого размещены одна или несколько голографических линз, преломляющих световые лучи на фотоэлектрических модулях, за счет пропускания всех солнечных лучей, особенно в условиях жаркой погоды приводит к перегреву фотоэлектрического модуля, что снижает выработку им электроэнергии.
- сложность использования предложенной голографической пленки, заключающейся в том, что пленка размещена внутри между прозрачным защитным стеклом и фотоэлектрическим элементом, что технически и конструктивно является сложным и неэкономичным решением.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы фотоэлектрических систем в условиях жаркого климата за счет защиты солнечных модулей от перегрева и повышения вырабатываемой ими энергии при помощи увеличения концентрации солнечных лучей за счет использования голографической пленки.
Технический результат достигается за счет того, что голографическая пленка на основе призматических концентраторов из прозрачного материала, содержит голографические линзы бесконечно малых размеров, согласно полезной модели, линзы выполнены в виде голографической пленки, включающей нанесенный с ее верхней стороны слой напыления редкоземельными металлами, внутренняя структура пленки состоит из призматических концентраторов с равносторонними гранями, соединенными по сторонам оснований, а угол α при вершине грани для материала пленки с коэффициентом преломления n от 2,1 до 3,4 находится в пределах от 28,4 до 17,1 градусов.
Голографическая пленка покрыта ультратонким слоем напыления, расположенным с ее верхней стороны состоящим из редкоземельных металлов, отражающих инфракрасное излучение и пропускающих видимое излучение. Внутренняя структура голографической пленки выполнена в виде миниатюрных пирамид - призматических концентраторов (призмаконов), способных эффективно улавливать световые лучи и за счет многократного отражения их внутри призм, концентрировать на поверхности солнечного модуля, увеличивая тем самым эффективность солнечных модулей даже при пасмурной погоде.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется с помощью схем на фигурах 1-4, где изображено следующее:
- на фиг. 1 схематично показана внутренняя структура голографической пленки с геометрическими параметрами призмаконов;
- на фиг. 2 показаны параметры одной из граней призмаконов;
-  на фиг. 3 - вид сверху на поверхность пленки со стороны призмаконов;
- на фиг. 4 изображена схема установки пленки на фотоэлектрическом преобразователе.
min
Геометрия призмаконов рассчитана таким образом, что все стороны пирамиды имеют равносторонние грани l, соединенные между собой по сторонам оснований d. (фиг. 1) Эффект концентрации достигается за счет того, что угол при вершине грани призмы α всегда больше минимального значения α при коэффициенте преломления материала призмы n и угле β между лучом и перпендикуляром к поверхности воспринимающей грани призмы (фиг. 2) Для коэффициентов преломления материала пленки n от 2,1 до 3,4, угол α находится в пределах 28,4 до 17,1 градусов. Такая геометрия призмаконов обеспечивает полное внутреннее отражение в призме, пропуская через одну (воспринимающую) грань 1 солнечные лучи и не допуская выхода преломленных лучей наружу за отражающие грани 2 и концентрации их на выходной грани 3 (фиг. 2).
Голографический рисунок пленки в виде призмаконов получают при изготовлении пленки с помощью электронно-лучевой или лазерной технологии высокого разрешения.
Такое техническое решение позволяет:
- снизить влияние инфракрасной составляющей спектра на поверхность солнечного модуля, защищая его тем самым от перегрева;
- повысить эффективность преобразования солнечных лучей за счет концентрации видимой части спектра призмаконами и увеличить выработку энергии;
- поддерживать энергетические характеристики солнечного модуля в процессе эксплуатации, соответствующие характеристикам производителя;
- снизить вероятность деградации солнечного модуля при его эксплуатации в условиях повышенных температур.
Достоверность предлагаемых технических решений подтвердилась экспериментальными исследованиями работы солнечных модулей с использованием термозащитной пленки в условиях повышенных температур.
Солнечный фотоэлектрический модуль с голографической пленкой, внутренняя структура которой выполнена в виде миниатюрных пирамид - призматических концентраторов (призмаконов), работает следующим образом (фиг 4).
Солнечные лучи электромагнитного спектра солнечного излучения, попадают на поверхность модуля 4, при этом часть спектра (инфракрасные лучи) 1, отражается от металлизированного верхнего слоя пленки, предотвращая перегрев модуля. Видимая часть спектра солнечного излучения 2, соответствующая спектральным характеристикам фотоэлемента, попадает на пирамидальную структуру концентраторов (призмаконов) 3, и, неоднократно преломляясь в них, благодаря внутреннему отражению, концентрируется на солнечном элементе 4, в независимости от угла падения лучей на солнечный модуль.
Это простое и экономичное решение позволяет увеличить выработку электроэнергии солнечным модулем, не допускает его перегрева и, как следствие, деградацию, в целом способствует повышению эффективности его работы.