КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
CONCENTRATOR PHOTOVOLTAIC MODULE

Изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к фотоэлектрическим модулям. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть применено в наземных солнечных энергоустановках на основе линейных концентраторов солнечного излучения, предназначенных для систем автономного энергоснабжения в различных климатических зонах.
Известно, что применение концентраторов солнечного излучения при условии согласования параметров концентратора с параметрами солнечных элементов позволяет поднять эффективность фотоэлектрических модулей и улучшить их экономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов [1].
Известен фотоэлектрический модуль с линейными концентраторами солнечного излучения, цепочки фотоприемников которого защищены от воздействия внешней среды прозрачным герметиковым слоем на основе полимеров [2].
Модуль представляет собой металлический прямоугольный корпус с прозрачной стеклянной цилиндрической крышкой (рефлектором). На дне корпуса с противоположной от рефлектора стороны расположены цепочки фотоприемников. Для защиты от внешних атмосферных воздействий линейные концентраторы солнечного излучения (линзы Френеля) сформированы на противоположной от падающего светового излучения поверхности рефлектора, а эффективный отвод тепла от фотоприемников обеспечивается за счет теплоотвода через теплопроводящую диэлектрическую прокладку между корпусом и фотоприемниками.
Недостатком такой конструкции является негерметичность объема фотоэлектрического модуля от окружающего пространства. Поэтому при изменении температурных и погодных условий в объеме фотоэлектрического модуля может происходить конденсация паров атмосферной влаги. Это препятствует эффективному преобразованию солнечного излучения в электрическую энергию, по крайней мере, до того момента, пока температура воздуха во внутреннем объеме модуля не будет превышать температуру точки росы паров воды. Присутствие влаги в объеме фотоэлектрического модуля также негативно сказывается на работе оптических элементов модуля и вызывает коррозию корпуса и металлических элементов модуля, что снижает срок службы фотоприемников.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фотоэлектрический модуль, содержащий корпус из соединенных между собой клеем-герметиком стеклянных листов, линейные линзы Френеля, цепочку фотоприемников и шлюзовое устройство, соединяющее внутренний объем модуля с внешней средой [3].
Модуль состоит из основного объема, в котором располагаются силиконовые линзы Френеля, и специально сформированных герметизированных и прозрачных для света отсеков, в которых располагаются цепочки фотоприемников. Линзы Френеля сформированы на обратной стороне стеклянной поверхности, обращенной перпендикулярно к солнечному световому потоку. Световой поток концентрируется на поверхности фотоприемников, расположенных в герметизированных отсеках модуля, изготовленных из плоских стеклянных фрагментов, склеенных клеем-герметиком. Фотоприемники через диэлектрическую теплопроводящую прокладку закреплены на теплоотводящем основании на основе металлизированного текстолита с соответствующей электрической разводкой.
Воздух из герметизированных отсеков откачан для обеспечения защиты фотоприемников от воздействия внешней атмосферы, основной же объем фотоэлектрического модуля через шлюзовые устройства (полые трубки) соединяется с внешней атмосферой, т.к. откачивать его нельзя вследствие возможных деформаций конструкции при значительных температурных колебаниях внутреннего воздушного объема.
К недостаткам такой конструкции следует отнести следующее:
- поскольку объем модуля соединен с атмосферой через шлюзовое устройство, защита этого объема от влаги и пыли не обеспечивается. В частном случае, даже если заполнить полые трубки фильтрующим материалом (например, гранулами силикагеля или аналогичного ему влагопоглощающего вещества), можно обеспечить лишь одноразовую защиту от влаги, поскольку конструкция модуля не предусматривает возможности регенерации влагопоглощающего вещества;
- герметизированные отсеки, воздух из которых откачан, все равно содержат остаточное количество влаги, и при значительных температурных колебаниях, обусловленных работой самого модуля, может происходить конденсация влаги на поверхности солнечных элементов;
- сложность конструкции модуля, существенно ограничивающая его функциональность и ремонтопригодность.
Конструкция фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения должна обеспечивать его долговременную работу в реальных условиях эксплуатации. Учитывая, что область применения фотоэлектрических модулей - естественные условия окружающей среды, необходимо обеспечить защиту оптической системы, фотоприемников и электрических контактов от воздействия колебаний температуры и давления, ветра, пыли, а прежде всего, от высокой влажности.
Задачей изобретения является защита концентрационного фотоэлектрического модуля на основе линейных линз Френеля от атмосферной влаги.
Это достигается за счет того, что в известном концентраторном фотоэлектрическом модуле, содержащем линейные линзы Френеля, цепочку фотоприемников и сообщающиеся с внешней атмосферой полые трубки, для защиты объема модуля от атмосферной влаги используются трубки (например, металлические), заполненные сорбентом атмосферной влаги. Трубки расположены параллельно цепочкам фотоприемников около боковых стенок модуля, которые нагреваются дополнительными концентраторами солнечного светового потока на основе линейных линз Френеля, расположенных рядом и параллельно основным линейным линзам Френеля, служащих концентраторами солнечного излучения на поверхности фотоприемников.
Применение такого конструктивного решения обеспечивает изоляцию фотоэлектрического модуля от воздействия пыли и влаги. При понижении температуры модуля в вечерние и ночные часы не происходит конденсации влаги на оптических поверхностях линз Френеля, а также на поверхностях защищенной пленкой силикона фотоэлектрических элементов или на боковых стенках модуля в силу высокой адсорбционной способности сорбента впитывать в себя имеющуюся влагу в объеме модуля. При ярком солнечном излучении температура модуля, в особенности цепочки фотоприемников и трубок, содержащих сорбент, возрастает. При этом существенно возрастает степень десорбции водяных паров из материала сорбента под действием концентрированного светового излучения от дополнительных линз Френеля.
Под действием повышенного давления воздуха в объеме модуля освободившиеся пары воды выталкиваются в окружающее модуль воздушное пространство при работе модуля в условиях интенсивной солнечной засветки. Таким образом, в заявляемом устройстве исключается процесс конденсации водяных паров в объеме фотоэлектрического модуля при меняющихся температурных условиях эксплуатации.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в фотоэлектрических модулях на основе линейных линз Френеля способа защиты внутреннего объема модуля от атмосферной влаги с использованием трубок, соединяющих объем модуля с окружающей атмосферой и заполненных сорбентом атмосферной влаги, причем конструкция модуля обеспечивает регенерацию влагопоглощающего вещества в трубках.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически представлена заявляемая конструкция модуля, где:
1 - основные линейные линзы Френеля;
2 - цепочки фотоприемников;
3 - дополнительные линзы Френеля;
4 - полые трубки;
5 - влагопоглощающее вещество (сорбент);
6 - торец трубки, находящийся во внутреннем объеме модуля;
7 - торец трубки, находящийся вне внутреннего объема модуля;
8 - корпус;
9 - стеклянная крышка;
10 - концентрированное солнечное излучение;
11 -диэлектрическая теплопроводящая прослойка.
Области 1 обозначают основные линейные линзы Френеля, концентрирующие солнечное излучение 10 на поверхности цепочки фотоприемников 2. Области 3 обозначают дополнительные линейные линзы Френеля, концентрирующие часть солнечного излучения на поверхности трубки 4 с сорбентом 5, соединяющие объем модуля через торцы 6 с окружающим пространством через торцы 7.
Основные линзы Френеля 1 выполнены из силикона на стеклянной основе 9. Точно так же изготовлены дополнительные линзы Френеля 3, расположенные рядом с основными линзами. Цепочки фотоприемников 2 расположены на металлическом основании корпуса 8, но изолированы от него теплопроводной диэлектрической прослойкой 11. Все солнечные элементы соединены последовательно, а электрические выводы через изолированные клеммы на боковой поверхности модуля выведены наружу.
Дополнительные линзы Френеля изготовлены таким образом, что концентрируют солнечный световой поток на содержащие сорбент трубки. Сами трубки имеют зачерненную поверхность для максимальной способности поглощать концентрированные световые лучи 10 для обеспечения эффективной десорбции паров воды из сорбента за счет увеличения температуры трубки под действием интенсивного светового потока. В качестве сорбента может использоваться любое влагопоглощающее вещество (например, силикагель) с температурой регенерации 45÷100°C. Корпус 8 модуля выполнен из металла (например, алюминия) для эффективного отвода тепла от солнечных элементов и имеет жесткую конструкцию для обеспечения точной фокусировки светового потока на поверхности цепочки фотоприемников и поверхности трубок шлюзового устройства.
Пример конкретного выполнения.
Концентраторный фотоэлектрический модуль представляет собой корпус 8 в виде металлической прямоугольной емкости и приклеенную клеем-герметиком стеклянную крышку 9, изготовленную из закаленного стекла марки «PILKINTON» толщиной 2 мм с коэффициентом прозрачности (в диапазоне длин волн от 0,3 до 1,2 мкм) не менее 96%. На внутренней поверхности стеклянной крышки 9 сформированы основные 1 и дополнительные 3 линейные линзы Френеля из силикона марки «ELASTOSIL» RT-604. Цепочки фотоприемников 2, представляющие собой скоммутированные стандартные кремниевые солнечные элементы, расположены на теплопроводящем основании 11. Длина каждой цепочки элементов - 500 мм, ширина - 10 мм.
Трубки 4 шлюзового устройства выполнены из алюминия с зачерненной наружной поверхностью для снижения тепловых потерь за счет переизлучения. Внутрь трубок помещен силикагель марки «КС-Трокенперлен» (удельная теплоемкость - 1 КДж/кг×К, теплопроводность - 0,2 Вт/м×К, средний размер гранул - 3,5 мм).
Трубки выполнены разборными (торцевые части 7 и 6 ввинчиваются в трубку после заправки ее силикагелем). Трубки крепятся внутри модуля с помощью резьбового соединения, выполненного в стенке 8. Для фиксации силикагеля в объеме трубок используются металлические сетки с ячейкой 1,0×1,0 мм, фиксируемые с торцов 7 и 6 при сборке заправленной трубки.
Регенерация используемого силикагеля происходит при температуре 90°C, что обеспечивается нагревом трубок дополнительными линзами Френеля.
Точка росы паров воды внутри модуля при условиях полной солнечной засветки, измеренная портативным микропроцессорным измерителем микровлажности 1.9 ИВГ-1 К-П, оказывается не выше минус 75°C.
Таким образом, концентраторный фотоэлектрический модуль, содержащий полые трубки, заполненные регенерируемым влагопоглощающим веществом (например, силикагелем) позволяет полностью исключить конденсацию влаги на деталях внутреннего объема модуля, что обеспечивает стабильность электрофизических и оптических характеристик модуля.
Заявляемый вариант фотоэлектрического модуля прост по конструкции, не подвержен действию пыли и влаги, что обеспечивает долговременную эксплуатацию модуля в местах с высокой влажностью и с меняющимися температурными погодными условиями в широких пределах.
Источники информации
1. Ж.И.Алферов, В.М.Андреев, В.Д.Румянцев. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. - Журнал «Физика и техника полупроводников», 2004 г., том 38, вып.8, с.937-948.
2. Патент США, МПК: H01L 31/052, №5,505,789.
3. Патент ВОИС, МПК: H01L 31/052, № WO 2006/049524 - прототип.