ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
PHOTOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к концентраторным фотоэлектрическим модулям, и предназначено для применения в концентраторных солнечных энергоустановках, используемых в качестве 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 высокоэффективных каскадных солнечных элементов и недорогих оптических концентраторов. Использование последних при концентрации солнечного излучения 500-1000 крат позволяет пропорционально сократить суммарную площадь солнечных элементов и существенно снизить стоимость получаемой электроэнергии.
Известно, что применение концентраторов излучения при условии согласования их параметров с параметрами солнечных фотоэлементов позволяет не только поднять энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей, но и улучшить их энергоэкономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов. Конструкция фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения должна обеспечить их долговременное эффективное функционирование в реальных условиях эксплуатации при возможно более низкой стоимости генерируемой электрической мощности. Учитывая, что область применения фотоэлектрических модулей - естественные условия окружающей среды, должна быть обеспечена защита оптической системы, полупроводникового элемента и токовыводящих контактов от воздействия колебаний температуры и давления, ультрафиолетового излучения Солнца, высокой влажности, ветра, пыли, града и др. Кроме того, при поглощении концентрированного излучения часть его тратится на разогрев элемента, в связи с чем возникает необходимость эффективного отвода тепла от полупроводниковой структуры, т.к. излишний нагрев негативно влияет на преобразующие свойства элемента, срок его службы и выходные характеристики фотоэлектрического модуля.
Известен фотоэлектрический модуль с концентраторами солнечного излучения, содержащий боковые стенки из силикатного стекла, на верхних кромках которых закреплена фронтальная панель из силикатного стекла с линзами Френеля, а на нижних кромках закреплена тыльная панель из силикатного стекла с солнечными фотоэлементами и теплоотводящими основаниями («CONFERENCE RECORD OF THE TWENTY-EIGHT IEEE PHOTOVOLTAIC SPECIALISTS CONFERENCE-2000», Anhorage, Alaska, USA, 2000, p.1169-1172).
Линзы Френеля выполнены из силикона, имеют квадратную форму, расположены вплотную друг к другу и прочно соединены с внутренней поверхностью стекла, выполняющего защитную и несущую функции. Каждой линзе Френеля соответствует свой солнечный фотоэлемент, закрепленный на металлическом теплоотводящем основании. Теплоотводящие основания расположены на фронтальной стороне стекла тыльной панели таким образом, чтобы светоприемная поверхность фотоэлемента находилась в фокусном пятне соответствующей линзы Френеля.
Металлическое теплоотводящее основание одновременно является одним из электрических контактов солнечного фотоэлемента. Вторым контактом является верхнее металлическое покрытие фольгированного стеклотекстолита, закрепленного на теплоотводящем основании, к которому подведен проволочный контакт, присоединенный другим концом к контактной сетке фотоэлемента. Коммутация солнечных фотоэлементов осуществляется через контакты, прикрепленные к металлическому основанию и верхнему металлическому покрытию стеклотекстолита.
С помощью стеклянных боковых стенок модуля обеспечивается параллельность фронтальной и тыльной панелей, а также расположение их относительно друг друга с учетом обеспечения точной фокусировки.
При работе модуля ориентированные перпендикулярно солнечным лучам линзы Френеля концентрируют солнечный свет и направляют его на светоприемные поверхности солнечных фотоэлементов. Солнечные фотоэлементы 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 солнечных фотоэлементов, распределяется по металлическим теплоотводящим основаниям, передается стеклу тыльной панели и затем отводится во внешнюю среду.
Недостатками данного модуля является то, что он имеет недостаточно высокую величину коэффициента концентрирования и ширины разориентационной характеристики модуля, что снижает его энергопроизводительность. Кроме того, в известном фотоэлектрическом модуле отсутствует индивидуальная герметичная изоляция каждого солнечного элемента. Это существенно повышает вероятность возникновения деградационных процессов в характеристиках всех солнечных элементов фотоэлектрического модуля из-за нарушения параметров газовой среды, в которой расположены сразу все солнечные элементы модуля. Результатом этого может быть существенная деградация характеристик модуля, вплоть до выхода его из строя.
Известен фотоэлектрический модуль, содержащий фронтальную панель из силикатного стекла с линзовыми концентраторами из силикона на ее тыльной стороне, боковые стенки, а также тыльную панель, на верхней стороне которой на теплоотводящих основаниях установлены солнечные фотоэлементы и соосные им дополнительные оптические элементы (RU, патент на полезную модель №44002, кл. H01L 31/00, 2004 г.).
При работе модуля ориентированные перпендикулярно солнечным лучам линзовые концентраторы фокусируют солнечный свет, направляя его на светоприемные поверхности солнечных элементов. Фотоэлементы 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 солнечных фотоэлементов, распределяется по металлическим теплоотводящим основаниям, передается стеклу тыльной панели и затем отводится во внешнюю среду.
Данный фотоэлектрический модуль по своим показателям превосходит все другие известные фотоэлектрические модули с концентраторами, включая рассмотренный выше аналог.
Однако в известном фотоэлектрическом модуле отсутствует индивидуальная герметичная изоляция каждого солнечного элемента, что существенно повышает вероятность возникновения деградационных процессов в характеристиках всех солнечных элементов фотоэлектрического модуля, вызванных из-за нарушения параметров газовой среды, окружающей сразу все солнечные фотоэлементы модуля. Результатом этого может быть существенная деградация характеристик всего модуля вплоть до выхода его из строя.
Изобретение направлено на повышение надежности, срока службы и увеличение энергопроизводительности фотоэлектрического модуля путем исключения возникновения деградационных процессов в характеристиках солнечных элементов фотоэлектрического модуля, обусловленных нарушением параметров газовой среды, окружающей солнечные фотоэлементы модуля.
Технический результат достигается тем, что в фотоэлектрическом модуле, содержащем фронтальную панель из силикатного стекла с линзовыми концентраторами из силикона на ее тыльной стороне, боковые стенки, а также тыльную панель, на верхней стороне которой на теплоотводящих основаниях установлены солнечные фотоэлементы и соосные им дополнительные оптические элементы, согласно изобретению дополнительные оптические элементы являются составляющей узлов защиты солнечных фотоэлементов, при этом указанные узлы выполнены с возможностью обеспечения индивидуальной герметичной изоляции каждого солнечного фотоэлемента от внутреннего объема модуля.
Линзовые концентраторы могут быть выполнены в виде линз Френеля.
Линзовые концентраторы могут быть выполнены в виде плоско-выпуклых линз.
Дополнительные оптические элементы могут быть выполнены в виде плоско-выпуклых линз.
Дополнительные оптические элементы могут быть выполнены в виде металлических фоконов с защитной крышкой из стекла.
Дополнительные оптические элементы могут быть выполнены в виде фоконов с полным внутренним отражением.
Дополнительные оптические элементы могут быть выполнены в виде фоконов с полным внутренним отражением из полимерного материала.
Фоконы с полным внутренним отражением из полимерного материала могут быть сверху оптически соединены с защитной крышкой из стекла.
На наружную поверхность защитной крышки из стекла может быть нанесено антиотражающее покрытие.
Соединения между фронтальной панелью, боковыми стенками и тыльной панелью могут быть герметичными.
Боковые стенки и/или тыльная панель могут иметь одну или несколько гибких вставок.
Гибкие вставки могут быть выполнены в виде сильфона.
Гибкие вставки могут быть изготовлены из резиноподобного материала.
Внутренний объем фотоэлектрического модуля может быть герметично соединен с устройством, обеспечивающим выравнивание давления внутри и снаружи модуля.
На фронтальную поверхность фронтальной панели может быть нанесено антиотражающее покрытие.
На обе поверхности вторичных оптических элементов, выполненных в виде плоско-выпуклых линз, могут быть нанесены антиотражающие покрытия.
Тыльная панель может быть изготовлена из металла, на который нанесено электроизолирующее теплопроводящее покрытие.
Тыльная панель может быть выполнена из оцинкованной стали с полимерным покрытием.
Тыльная панель может быть выполнена из эмалированной стали.
Тыльная панель может быть выполнена из стекла.
Боковые стенки могут быть выполнены из алюминия или алюминиевого сплава.
Боковые стенки могут быть выполнены из оцинкованной стали.
Боковые стенки могут быть выполнены из оцинкованной стали с полимерным покрытием.
Боковые стенки могут быть выполнены из полимерного материала.
Дополнительные оптические элементы в виде плоско-выпуклых линз могут быть выполнены из силикатного стекла.
Боковые стенки могут быть расположены под углом  по отношению к нормали к плоскости фронтальной панели, где R - расстояние между оптическими осями соседних линз Френеля, W - ширина теплоотводящего основания, Н - расстояние между фронтальной и тыльной панелями.
Каждый солнечный элемент имеет небольшой индивидуальный герметичный объем с контролируемым в процессе изготовления составом защитной атмосферы. Вероятность нарушения состава указанной защитной атмосферы маловероятна, кроме того, даже в случае возникновения такого нарушения оно может привести к деградации характеристик только данного солнечного элемента, а так как в состав модуля входят десятки или сотни солнечных элементов, то это практически не скажется на выходных характеристиках модуля в целом.
Компоновочная схема и конструкция фотоэлектрического модуля представлены на прилагаемых чертежах. Для удобства на чертежах показана одна ячейка фотоэлектрического модуля, состоящего из множества подобных ячеек.
На фиг.1 схематично изображен фотоэлектрический модуль, поперечное сечение.
На фиг.2 - фотоэлектрический модуль с дополнительными оптическими элементами, выполненными в виде плоско-выпуклых линз.
На фиг.3 - фотоэлектрический модуль с дополнительными оптическими элементами в виде металлических фоконов.
На фиг.4 - фотоэлектрический модуль с дополнительными оптическими элементами в виде фокона с полным внутренним отражением.
На фиг.5 - фотоэлектрический модуль с дополнительными оптическими элементами в виде фокона с полным внутренним отражением, расположенного на фотоактивной поверхности солнечного элемента.
Фотоэлектрический модуль содержит фронтальную панель 1 из силикатного стекла с линзовыми концентраторами 2 из силикона на ее внутренней стороне, боковые стенки 3, а также тыльную панель 4, на верхней стороне которой на теплоотводящих основаниях 5 установлены солнечные фотоэлементы 6 и соосные им дополнительные оптические элементы 7. Дополнительные оптические элементы 7 установлены на теплоотводящих основаниях 5 вокруг солнечных фотоэлементов 6 и входят в состав узлов 8 защиты солнечных фотоэлементов.
Конструкция узла 8 защиты солнечных фотоэлементов обеспечивает герметичную изоляцию каждого солнечного фотоэлемента 6 от внутреннего объема модуля на предварительной стадии технологического процесса изготовления фотоэлектрических модулей. Это позволит проводить предварительную отбраковку потенциально ненадежных солнечных элементов и обеспечить повышенную устойчивость фотоэлектрических модулей к воздействию комплекса неблагоприятных факторов среды, как на стадии изготовления модулей, так и в процессе их эксплуатации.
Узел 8 защиты солнечных фотоэлементов может быть выполнен в виде герметично установленных на теплоотводящие основания 5 шин 9, изготовленных из диэлектрического материала с токоведущими металлизированными покрытиями 10, 11 с обеих сторон. На верхнее металлизированное покрытие 10 герметично установлен металлический фланец 12 с соосным фотоэлементу 6 дополнительным оптическим элементом 7, герметично соединенным с фланцем 12. Верхний контакт солнечного элемента 6 электрически соединен проводником 13 с верхним токоведущим покрытием 10 шины 9 (фиг.1).
Теплоотводящее основание 5 установлено на тыльной панели 4 с помощью тонкого слоя компаунда 14. Солнечные фотоэлементы 6 могут быть, например, припаяны мягким припоем к теплоотводящему основанию 5. Фронтальная панель 1 герметично соединена с помощью компаунда 15 с боковыми стенками 3.
Линзовые концентраторы 2 могут быть выполнены в виде линз Френеля 16, или в виде плоско-выпуклых линз 17 (фиг.2).
Линзы Френеля 16 выполнены из силикона, имеют квадратную форму, расположены вплотную друг к другу и прочно соединены с тыльной поверхностью фронтальной панели 1. Каждой линзе Френеля 16 соответствует свой солнечный фотоэлемент 6. Теплоотводящие основания 5 располагаются на фронтальной стороне стекла тыльной панели 4 таким образом, чтобы светоприемная поверхность солнечного фотоэлемента 6 находилась на оптической линии соответствующей линзы Френеля 16.
Плоско-выпуклые линзы 17 выполнены из силикона, имеют квадратную форму, расположены вплотную друг к другу и прочно соединены с тыльной поверхностью фронтальной панели. Каждой линзе 17 соответствует свой солнечный фотоэлемент 6. Теплоотводящие основания 5 располагаются на фронтальной стороне стекла тыльной панели 4 таким образом, чтобы светоприемная поверхность солнечного фотоэлемента 6 находилась на оптической линии соответствующей линзы 17.
На фиг.2 изображен фотоэлектрический модуль с дополнительными оптическими элементами 7, выполненными в виде плоско-выпуклых линз 18. Фланец 19 герметично закреплен на теплоотводящем основании 5, например, с помощью мягкого припоя или клея, обеспечивая соосное расположение плоско-выпуклой линзы 18, закрепляемой герметично на фланце с помощью клея, с верхней фотоактивной поверхностью солнечного фотоэлемента 6. Фланец 19 имеет герметично выполненный электрический ввод 20, присоединяемый к верхнему контакту солнечного фотоэлемента 6. Боковая стенка 3 имеет вставку в виде сильфона 21.
На фиг.3 изображен фотоэлектрический модуль с дополнительными оптическими элементами 7, выполненными в виде металлических фоконов 22. В металлическом фланце 23 выполнено внутреннее отверстие в виде оптического фокона 22, герметично закрепленного на теплоотводящем основании 5, например, с помощью мягкого припоя или клея, обеспечивая соосное расположение фокона 22 с верхней фотоактивной поверхностью солнечного элемента 6. Защитная крышка 24, выполненная из стекла, закрепляется герметично на фланце 23 с помощью клея. Фланец 23 имеет герметично выполненный электрический вывод 20, присоединяемый к верхнему контакту солнечного фотоэлемента 6. Боковая стенка 3 имеет гибкую вставку 25.
На фиг.4 изображен фотоэлектрический модуль с дополнительными оптическими элементами 7 в виде фокона 26 с полным внутренним отражением, изготовленным на внутренней поверхности защитной крышки 27 и имеющим оптический контакт с фотоактивной поверхностью солнечного фотоэлемента 6. Защитная крышка 27, выполненная из стекла, закрепляется герметично на фланце 28 с помощью клея. Фокон 26 может быть выполнен из полимерного материала. Внутренний объем фотоэлектрического модуля герметично соединен с устройством 31, обеспечивающим выравнивание давления внутри и снаружи модуля.
На фиг.5 изображен фотоэлектрический модуль с дополнительными оптическими элементами 7, выполненными в виде фокона 29 с полным внутренним отражением, расположенного на фотоактивной поверхности солнечного фотоэлемента 6.
Оптический компаунд, используемый для изготовления такого фокона, одновременно осуществляет защиту солнечного фотоэлемента 6 от воздействия факторов окружающей среды. Сверху фокон 29 снабжен защитной крышкой 30, выполненной из стекла. На наружную поверхность защитной крышки 30 может быть нанесено антиотражающее покрытие для снижения уровня оптических потерь. Фокон 29 может быть выполнен из полимерного материала.
На фиг.4 и 5 показаны варианты реализации настоящего изобретения с фоконами, использующими эффект полного внутреннего отражения от границы двух оптических сред с различными значениями коэффициентов преломления света.
Боковые стенки 3 и/или тыльная панель 4 могут иметь одну или несколько гибких вставок 25 для компенсации механического воздействия на конструкцию модуля при изменении давления внутри и снаружи модуля.
Гибкие вставки 25 могут быть выполнены в виде сильфона 21.
Гибкие вставки 25 могут быть изготовлены из резиноподобного материала.
Внутренний объем фотоэлектрического модуля может быть герметично соединен с устройством 31, обеспечивающим выравнивание давления внутри и снаружи модуля.
На наружную поверхность фронтальной панели 1 может быть нанесено антиотражающее покрытие для снижения уровня оптических потерь.
На обе поверхности дополнительных оптических элементов, выполненных в виде плоско-выпуклых линз 18, для снижения уровня оптических потерь могут быть нанесены антиотражающие покрытия.
Тыльная панель 4 может быть изготовлена из металла, на который нанесено электроизолирующее теплопроводящее покрытие для обеспечения электрической изоляции солнечных фотоэлементов от металлической тыльной панели модуля.
Тыльная панель 4 может быть выполнена из оцинкованной стали с полимерным покрытием для повышения устойчивости модуля к воздействию факторов окружающей среды.
Тыльная панель 4 может быть выполнена из эмалированной стали для повышения устойчивости модуля к воздействию факторов окружающей среды и обеспечения электрической изоляции солнечных фотоэлементов от металлической тыльной панели модуля.
Тыльная панель 4 может быть выполнена из стекла для повышения устойчивости модуля к воздействию факторов окружающей среды и обеспечения электрической изоляции солнечных фотоэлементов от корпуса модуля.
Боковые стенки 3 могут быть выполнены из алюминия или алюминиевого сплава для снижения весовых характеристик модуля.
Боковые стенки 3 могут быть выполнены из оцинкованной стали для повышения устойчивости модуля к воздействию факторов окружающей среды.
Боковые стенки 3 могут быть выполнены из оцинкованной стали с полимерным покрытием для дополнительного повышения устойчивости модуля к воздействию факторов окружающей среды.
Боковые стенки 3 могут быть выполнены из полимерного материала для снижения весовых характеристик модуля и повышения устойчивости модуля к воздействию факторов окружающей среды.
Дополнительные оптические элементы 7, выполненные в виде плоско-выпуклых линз 18, могут быть выполнены из силикатного стекла для снижения уровня оптических потерь.
Боковые стенки 3 могут быть расположены под углом  по отношению к нормали к плоскости фронтальной панели 1, где R - расстояние между оптическими осями соседних линз Френеля, W - ширина теплоотводящего основания 5, Н - расстояние между фронтальной 1 и тыльной 4 панелями для уменьшения общего объема модуля и повышения технологичности изготовления и сборки корпуса модуля.
Конструкция узла 8 защиты солнечных фотоэлементов обеспечивает герметичную изоляцию каждого солнечного фотоэлемента 6 от внутреннего объема модуля на предварительной стадии технологического процесса изготовления концентраторных фотоэлектрических модулей. Это позволит проводить предварительную отбраковку потенциально ненадежных солнечных фотоэлементов и обеспечить повышенную устойчивость концентраторных фотоэлектрических модулей к воздействию комплекса неблагоприятных факторов среды как на стадии изготовления модулей, так и в процессе их эксплуатации.
С точки зрения простоты реализации и универсальности конструкции предпочтительным является вариант, представленный на фиг.1.
При работе фотоэлектрического модуля ориентированные перпендикулярно солнечным лучам линзовые концентраторы 2 (например, линзы 16 Френеля) концентрируют солнечный свет, направляют его на дополнительные оптические элементы 7, 18, 24, 27 или 30, являющиеся составляющей узлов 8 солнечных фотоэлементов, которые выполнены с возможностью обеспечения индивидуальной герметичной изоляции каждого солнечного фотоэлемента 6 от внутреннего объема модуля, и фокусируют его на светоприемных поверхностях солнечных фотоэлементов 6. Использование дополнительных оптических элементов 7 позволяет увеличить кратность концентрирования солнечного света и одновременно повысить диапазон допустимой разориентации модуля по направлению на Солнце. Кроме того, использование узлов 8 защиты солнечных фотоэлементов, которые выполнены с обеспечением индивидуальной герметичной изоляции каждого солнечного фотоэлемента 6 от внутреннего объема модуля, позволяет применять при их производстве автоматизированные технологические процессы и проводить отбраковку узлов 8 солнечных фотоэлементов до операций сборки фотоэлектрических модулей.
Солнечные фотоэлементы 6 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 солнечных фотоэлементов 6, распределяется по металлическим теплоотводящим основаниям 5, передается на тыльную панель 4 и затем отводится во внешнюю среду за счет излучения и естественной конвекции.
Использование предложенного фотоэлектрического модуля дает большой экономический эффект, обусловленный тем, что фотоэлектрический модуль прост по конструкции, обладает высокими фотоэлектрическими и прочностными характеристиками, обеспечивающими надежную и долговременную эксплуатацию. Модуль высокотехнологичен при изготовлении, обладает большой энергопроизводительностью и высокими технико-экономическими показателями.