Солнечный фотоэлектрический модуль со стационарным концентратором (варианты)
SOLAR PV MODULE WITH STATIONARY CONCENTRATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с использованием концентраторов солнечного излучения, и может быть использовано в солнечных энергоустановках для работы в условиях как высокой, так и низкой освещенности.
Уровень техники
В последнее десятилетие в мире сформировалась огромная быстро развивающаяся индустрия производства солнечных панелей с ежегодным приростом около 40%. Суммарная мощность установленных к 2014 году в мире солнечных батарей составила 177 ГВт мощности, а годовой оборот средств, связанных с исследованием, производством и разработкой инфраструктуры солнечных элементов (СЭ) и панелей, составил около 100 млрд. долларов США. Развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования устройств для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Одной из основных характеристик фотопреобразователей (ФП) является эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (КПД). Другим определяющим фактором конкурентоспособности ФП является экономический параметр - стоимость ватта производимой ФП электрической мощности, которая сейчас составляет около 1 доллара США за ватт. Для уменьшения удельной стоимости электроэнергии, получаемой от ФП, в последние десятилетия в мире был разработан ряд альтернативных технологий, основанных на использовании тонкопленочных СЭ, включая СЭ на основе аморфного или микрокристаллического кремния, теллурида кадмия, халькоперитов, органических СЭ и СЭ 3-го поколения - на основе мезоскопических слоев сенсибилизированных нанокристаллических металло-оксидов (МО). Стоимость производства электроэнергии при помощи перечисленных тонкопленочных СЭ в настоящее время находится в диапазоне 0,4-0,8 доллара США за ватт.
Другое направление уменьшения удельной стоимости вырабатываемой электроэнергии базируется на использовании концентраторов солнечного излучения, что позволяет с минимальными затратами значительно повысить эффективность использования ФП и пропорционально снизить стоимость вырабатываемой СЭ электроэнергии.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором, включающий датчик слежения за положением Солнца и приемник излучения, расположенный в фокальной области концентратора и снабженный охлаждающим устройством. Параболоцилиндрический концентратор выполнен стеклянным, на его внутреннюю поверхность нанесено селективное покрытие. В центральной части стеклянного концентратора соосно его оптической оси размещен датчик слежения, расположенный внутри охлаждающего устройства с призматическими законцовками. Внутренняя часть охлаждающего устройства выполнена в виде радиаторных ребер. Приемник закреплен на внешней стороне призматических законцовок. Основания стеклянного концентратора, датчика слежения и охлаждающего устройства закреплены на радиаторе с цилиндрическими отверстиями (RU 2466490, H02N 6/00, F24J 2/14, 10.11.2012).
Недостатком данного фотоэлектрического модуля является необходимость использования датчика слежения за положением Солнца и создание эффективной системы охлаждения приемника, что существенно усложняет конструкцию и эксплуатацию модуля и подразумевает эффективную работу модуля только в условиях высокой солнечной освещенности.
Особым вниманием пользуются солнечные фотоэлектрические модули со стационарными концентраторами, которые не требуют использования дорогостоящей системы слежения за положением солнечного модуля относительно положения Солнца.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль, включающий стационарный параболоцилиндрический концентратор. В качестве фотоприемника использованы несколько соединенных последовательно СЭ. Коэффициент концентрации солнечного излучения составляет величину 3,45 (Тверьянович Э.В. и др. Концентрирующий фотоэлектрический модуль для комбинированного энергоснабжения. Возобновляемая энергия, 2004 г., март, с. 10-11).
Главным недостатком данного фотоэлектрического модуля со стационарным концентратором является его низкая эффективность. Основными причинами недостаточно эффективной работы устройства являются, во-первых, невысокий коэффициент концентрации и, во-вторых, использование в качестве СЭ ФП непрозрачного типа, что приводит к потере до 30% мощности прямого солнечного излучения, падающего на всю площадь солнечного фотоэлектрического модуля. В результате снижается удельная мощность ФП и увеличивается стоимость вырабатываемой модулем электроэнергии.
Для увеличения производства электроэнергии в солнечных фотоэлектрических модулях со стационарным концентратором, использующих непрозрачные ФП, можно применять ФП с двусторонней чувствительностью, которые собираются из двух идентичных фотоэлектрических приемников излучения, ориентированных в противоположных направлениях, что позволяет полнее использовать падающий на солнечный модуль световой поток.
Например, известен фотоэлектрический модуль со стационарным концентратором, имеющим боковые отражающие круглоцилиндрические стенки, расположенные по обе стороны от плоскости симметрии модуля, проходящей через центр двустороннего приемника излучения, и вторичные круглоцилиндрические отражатели (RU 2311701, H01L 31/042, F24J 2/14, 27.11.2007). Основным недостатком данного фотоэлектрического модуля является неравномерность распределения освещенности приемника излучения, что приводит к снижению эффективности работы модуля. Кроме того, высокая концентрация солнечного излучения на отдельных участках поверхности приемника может привести к локальному перегреву и повреждению фотоэлектрического приемника.
Наиболее близким к заявляемому солнечному фотоэлектрическому модулю со стационарным концентратором (вариантам) является солнечный фотоэлектрический модуль, включающий стационарный концентратор и приемник солнечного излучения, расположенный в поперечной плоскости сечения концентратора в фокальной области (патент США: US 4115149 А, МПК H01L 31/052, F24J 2/08, F24J 2/10, опубл. 19.09.1978 - прототип). Солнечное излучение в модуле-прототипе приходит на воспринимающую плоскость, являющуюся поперечным сечением концентратора. В этой плоскости установлен приемник излучения, фоточувствительная сторона которого выполнена из полупроводникового ФП и обращена в сторону концентратора, то есть противоположно направлению падающего на фотоэлектрический модуль солнечного излучения. Приемник излучения занимает существенную часть воспринимающей солнечное излучение плоскости, поэтому часть светового потока, которая падает на верхнюю сторону приемника излучения, в данном типе фотоэлектрического модуля не утилизируется. Оставшаяся часть светового потока проходит на концентратор, отражается и попадает на тыльную фоточувствительную сторону приемника излучения.
Главным недостатком фотоэлектрического модуля-прототипа является потеря той части потока солнечного излучения, которая падает на верхнюю нерабочую сторону непрозрачного ФП, что приводит к снижению удельной мощности солнечной установки и увеличению стоимости вырабатываемой электроэнергии. Используемый в модуле-прототипе непрозрачный приемник излучения затеняет часть воспринимающей солнечное излучение плоскости, в результате чего на отражатели концентратора попадает уменьшенная часть падающего светового потока.
Сущность изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного фотоэлектрического модуля со стационарным концентратором (вариантов), который обеспечит увеличение удельной мощности модуля и снижение стоимости вырабатываемой электроэнергии даже при низких значениях коэффициента концентрации солнечного излучения.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- солнечным фотоэлектрическим модулем со стационарным концентратором, содержащим отражатели в качестве концентрирующих элементов, включающим фотоприемник излучения, расположенный в фокальной области концентратора, в котором концентратор содержит две симметричные ветви параболоцилиндрического отражателя, разделенные плоским прямоугольным отражателем, а фотоприемник излучения является полупрозрачным, обладает двусторонней фоточувствительностью для падающего на него солнечного света и выполнен плоским прямоугольным, при этом его площадь равна или превышает площадь плоского отражателя.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного нанокристаллического металло-оксида, выбранного из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе аморфного кремния.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе органического материала.
- солнечным фотоэлектрическим модулем со стационарным концентратором, содержащим отражатели в качестве концентрирующих элементов, включающим фотоприемник излучения, расположенный в фокальной области концентратора, в котором концентратор, выполнен в виде параболической полусферы с плоским круглым дном в качестве отражателей, а фотоприемник излучения является полупрозрачным для падающего на него солнечного света, обладает двусторонней фоточувствительностью и выполнен плоским круглым, при этом его площадь равна или превышает площадь плоского отражателя.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного нанокристаллического металло-оксида, выбранного из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе аморфного кремния.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе органического материала.
Использование в заявляемом солнечном фотоэлектрическом модуле стационарного концентратора, содержащего два типа отражателей: параболические и плоские, что позволяет называть такой концентратор комбинированным, в сочетании с двусторонним полупрозрачным приемником излучения, пропускающим не менее 50% солнечного излучения, обеспечивает значительное увеличение мощности генерируемого фототока, так как падающий на солнечный модуль световой поток утилизируется практически полностью.
Полупрозрачный приемник излучения с двусторонней фоточувствительностью в заявляемом солнечном фотоэлектрическом модуле выполнен из мезоскопических слоев сенсибилизированного нанокристаллического металло-оксида и аддитивно утилизирует как свет, поступающий от концентратора солнечного излучения, так и прямо падающее на него солнечное излучение.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически представлено поперечное сечение предлагаемого солнечного фотоэлектрического модуля со стационарным концентратором (варианты). Концентратор, выполненный параболоцилиндрическим (вариант 1) или в виде параболической полусферы (вариант 2), содержит две симметричные относительно его вертикальной оси параболические ветви 1 и 2 отражателя, ширину которых принимаем равной А. Параболические ветви 1 и 2 отражателя разделены плоским прямоугольным или круглым отражателем 3 шириной или диаметром В. В фокальной плоскости параболических отражателей 1 и 2 расположен полупрозрачный для солнечного излучения плоский прямоугольный или круглый приемник излучения с двусторонней чувствительностью 4, расположенный в плоскости, параллельной плоскости, содержащей плоский прямоугольный или круглый отражатель 3. На чертеже и далее рассматривается альтернатива, когда площадь приемника излучения 4 равна площади отражателя 3, соответственно совпадают и их геометрические размеры, то есть ширина или диаметр приемника излучения 4 равна ширине или диаметру расположенного строго под ним плоского отражателя (зеркала) и составляет величину В.
Предлагаемый солнечный фотоэлектрический модуль со стационарным комбинированным концентратором работает следующим образом.
Падающее на поверхности параболических ветвей 1 и 2 отражателя излучение (солнечные лучи S1, S2, S3) отражается (отраженные лучи S1R, S2R, S3R) и собирается на нижней плоскости полупрозрачного двустороннего приемника излучения 4, расположенного в фокальной области отраженных лучей S1R, S2R, S3R, то есть излучение концентрируется.
В обычном случае - при использовании непрозрачного одностороннего приемника излучения - коэффициент геометрической концентрации К солнечного излучения концентратором вычисляется как отношение общей площади отражателей концентратора к площади приемника излучения, то есть в идеальном случае, без учета возможных оптических и электрических потерь, увеличение выработки электроэнергии должно быть в К раз больше объема выработки электроэнергии в отсутствие системы концентрации. С учетом приведенных на чертеже геометрических размеров, доля увеличения выработки электроэнергии приемником 4 в солнечном фотоэлектрическом модуле, определяется лучами S1R, S2R, S3R, отраженными от параболических отражателей 1 и 2, коэффициент геометрической концентрации К вычисляется как: К=2А/В.
Световой поток, падающий на верхнюю рабочую плоскость двустороннего полупрозрачного приемника излучения 4, обращенную непосредственно к источнику излучения (световые лучи S4, S5), приводит к выработке дополнительной электроэнергии, пропорциональной площади приемника, но в количественном выражении вдвое меньшей этой площади, то есть пропорциональной В/2. Последнее происходит вследствие того, что приемник излучения 4 является полупрозрачным, и 50% падающего светового потока проходит сквозь него и не утилизируется. После прохождения через приемник данная часть светового потока отражается от плоского отражателя 3 и дополнительно освещает нижнюю рабочую плоскость приемника 4 (отраженные лучи S4R, S5R), что приводит к приращению в выработке электроэнергии в объеме, пропорциональном В/4.
Таким образом, общее приращение выработки электроэнергии от световых лучей S4, S5 и отраженных лучей S4R, S5R будет пропорционально величине (В/2+В/4)=3В/4.
эфф
эфф
эфф
Оценку эффективности работы заявляемого солнечного фотоэлектрического модуля с комбинированным стационарным концентратором в сравнении с модулем-прототипом можно провести, используя понятие эффективного коэффициента концентрации, К, который учитывает аддитивный вклад всех световых потоков, падающих на рабочие поверхности полупрозрачного приемника излучения с двусторонней чувствительностью. С учетом приращения выработки электроэнергии за счет эффекта прозрачности приемника и использования дополнительного плоского отражателя эффективный (геометрический) коэффициент концентрации будет вычисляться, как К=(2А+3В/4)/В, или в более наглядной форме как К=К+3/4.
Таким образом, использование в предлагаемом солнечном фотоэлектрическом модуле полупрозрачного приемника излучения с двусторонней чувствительностью и дополнительного плоского отражателя в комбинированном стационарном концентраторе позволяет существенно увеличить количество вырабатываемой им электроэнергии.
эфф
эфф
эфф
эфф
эфф
В результате того, что К>К, применение предлагаемого изобретения приводит к тому, что объемы вырабатываемой электроэнергии при той же площади концентратора будут увеличены, а стоимость выработки электроэнергии понижена. Для иллюстрации в таблице приведены расчетные коэффициенты концентрации К и К для различных размеров концентратора, величина интенсивности светового (солнечного) излучения, падающего на приемник в результате концентрации света в соответствии с коэффициентом К или К, и значение величины (К-К)/К (%), которая показывает процентное увеличение вырабатываемой электрической мощности заявляемым модулем, по сравнению с модулем-прототипом. Как уже упоминалось выше, в результате концентрации света в модуле-прототипе достигается увеличение выработки электроэнергии в К раз и, соответственно, в К раз для предлагаемого модуля. Приведенные в таблице данные показывают, что использование в предлагаемом солнечном фотоэлектрическом модуле полупрозрачного приемника с двусторонней чувствительностью и комбинированного стационарного концентратора позволяет увеличивать объемы вырабатываемой электроэнергии до 37%.
Пример.
2
Функционирование предлагаемого солнечного фотоэлектрического модуля со стационарным комбинированным концентратором было испытано на изготовленных образцах модуля, в которых в качестве полупрозрачного приемника излучения был использован двусторонний полупрозрачный солнечный элемента на основе сенсибилизированных слоев нанокристаллического диоксида титана (МО СЭ), помещенный в фокальную область параболических отражателей комбинированного концентратора. Интенсивность освещения модуля составляла 1000 Вт/м (режим AM1.5). Следует учесть, что измеренные значения отличаются от расчетных, вследствие различного рода оптических и электрических потерь в реальных устройствах.
Приводим полученные значения параметров предлагаемого фотоэлектрического модуля и модельных образцов для сравнения.
1) Испытание МО СЭ без использования концентратора при освещении AM1.5.
КЗ
xx
2
2
Ток короткого замыкания I=16,1 мА/см, напряжение холостого хода U=0,72 В, фактор заполнения FF=0,70. Генерируемая электрическая мощность = 8,3 Вт/см.
2
2
2
КЗ
xx
2) Испытание образца с использованием концентратора (AM1.5), в котором верхняя часть МО СЭ (приемника излучения) закрыта непрозрачной ширмой, то есть смоделирована известная система концентратора-прототипа с непрозрачным односторонним приемником излучения, принимающим концентрированный поток света с коэффициентом геометрической концентрации К=5. Расчетная интенсивность света, падающего на нижнюю рабочую поверхности образца =5000 Вт/м. Экспериментальные значения составили: ток короткого замыкания I=65,4 мА/см, напряжение холостого хода U=0,67 В, фактор заполнения FF=0,68. Генерируемая электрическая мощность составила P(K)=29,8 Вт/см.
3) Образец предлагаемого фотоэлектрического модуля (с двусторонним полупрозрачным МО приемником излучения и с использованием комбинированного стационарного концентратора) также при освещении модуля в режиме AM1.5.
эфф
КЗ
xx
эфф
2
2
2
Положение образца нижней стороной к комбинированному концентратору, К=5,75. Суммарная расчетная интенсивность света, падающего на образец с двусторонней чувствительностью = 5750 Вт/м. Измеренные значения составили: ток короткого замыкания I=74 мА/см, напряжение холостого хода U=0,67 В, фактор заполнения FF=0,68. Генерируемая электрическая мощность составила Р(К)=33,7 Вт/см.
эфф
Экспериментальные результаты показали, что процентное увеличение генерируемой электрической мощности заявленного модуля по сравнению с модулем-прототипом, равное [P(К)-P(K)]/P(K), составило величину в 13%, что находится в хорошем согласии с теоретическими расчетными данными, представленными в таблице для модуля с К=5.
Таким образом, объемы вырабатываемой электроэнергии предлагаемым солнечным фотоэлектрическим модулем будут увеличены без увеличения размеров концентратора, а стоимость вырабатываемой электроэнергии будет снижена.