ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
PHOTOVOLTAIC MODULE

Заявляемое изобретение относится к области солнечной энергетики, и в частности к концентраторным солнечным фотоэлектрическим модулям, применяемым, например, в наземных гелиоэнергетических установках, предназначенных для 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 дорогостоящих высокоэффективных многокаскадных солнечных элементов и недорогих оптических концентраторов. Использование оптических концентраторов, обеспечивающих степень концентрации солнечного излучения 500-1000 крат, имеющих высокую оптическую эффективность, позволяет достичь высокого КПД преобразования солнечного излучения в электричество и сократить суммарную площадь солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения. Оптические концентраторы позволяют увеличить эффективность преобразования солнечного излучения, но от вклада их стоимости в общую стоимость модуля, степени сложности их изготовления и сборки модуля, величины срока эксплуатации зависит экономичность фотоэлектрического модуля.
Известен фотоэлектрический модуль (см. патент US № 6717045, МПК H01L 31/052, опубл. 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 устанавливается на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.
Недостатками рассматриваемой конструкции фотоэлектрического 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 фотоэлектрический модуль (см. заявку РСТ № WO 9213362, H01L 31/00, опубл. 06.08.1992), состоящий из нескольких фотоэлектрических сборок, содержащих корпус, смонтированный в корпусе концентратор и фоточувствительный элемент, расположенный на задней стенке корпуса. В качестве концентратора может быть использована линза Френеля, а корпус может иметь вид усеченного конуса, либо усеченной пирамиды.
Основным недостатком рассматриваемого фотоэлектрического модуля с концентратором является сложность изготовления и высокая стоимость конструкции.
Известен также фотоэлектрический модуль (см. US 4834805 H01L 31/00, дата публикации 30.05.1989), содержащий линзовую панель, сформированную из множества линз, расположенную на фиксированном расстоянии от многослойной подложки, в которую вмонтированы солнечные элементы небольших размеров. При этом солнечные элементы, выполненные на основе многослойных полупроводниковых кристаллов, имеющие нижний сплошной металлический контакт и верхний контакт в виде тонкой металлической сетки, устанавливаются в лунки многослойной подложки, фиксируются там механически и электрически соединяются с токопроводящими слоями подложки. Линзовая панель состоит из матриц сферических или асферических стеклянных плосковыпуклых линз, обращенных в сторону подложки с фотоэлементами.
Недостатком такой конструкции является высокая технологическая сложность изготовления и монтажа многослойной подложки с фотоэлементами, большой вес линзовой панели, а также сложности с отводом тепла от фотоэлементов.
Известен также фотоэлектрический модуль (см. заявку РСТ №WO 2008068006 H01L 31/00, опубл. 12.06.2008), в котором на основании из электрически изоляционного материала смонтированы сборки солнечных элементов. Сборки солнечных элементов представляют собой электро- и теплопроводящий носитель, на котором установлены кристалл солнечного элемента и байпасный диод. Поскольку байпасный диод и кристалл солнечного элемента имеют противоположную проводимость, то их верхние контакты соединены электрическим проводником, который также соединяет их с электро- и теплопроводящим носителем соседней сборки солнечных элементов.
Недостатком известного фотоэлектрического модуля является сложность монтажа панели солнечных элементов и, поскольку данная конструкция предполагает последовательное соединение всех элементов, то при изготовлении солнечных батарей большой мощности возникают сложности с коммутацией и требуется высокая электрозащищенность всех элементов конструкции.
Известен фотоэлектрический модуль с концентраторами солнечного излучения в виде линз Френеля (см. В.М.Андреев и др. "Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения". - Л., "Наука", Ленинградское отделение, 1989, с. 302-303). Модуль содержит 8 или 16 линз Френеля и соответствующее количество солнечных фотоэлементов, размещенных против линз на алюминиевом листе, который одновременно выполняет роль подложки фотоэлементов, радиатора и металлического корпуса. Для электроизоляции солнечных фотоэлементов от корпуса используются пластины высокоомного кремния, обладающие высокой теплопроводностью. Линзы Френеля изготовлены из органического стекла методом прессования. Для защиты от атмосферных воздействий линзы закрыты листом силикатного стекла.
Модуль превосходит по своим технико-экономическим показателям кремниевые солнечные фотоэлектрические модули без концентраторов. Однако он обладает малой энергопроизводительностью.
Известен фотоэлектрический модуль (см. патент RU № 2307294, МПК H01L 31/052, опубл. 27.09.2007). Фотоэлектрический модуль содержит боковые стенки и фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также солнечные фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнены в виде лотков с плоским дном, через центральные продольные линии поверхностей которых проходят оптические оси соответствующих линз Френеля. Введена дополнительная промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной или тыльной стороне которой установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Лотки своими верхними частями могут быть герметично соединены с тыльной поверхностью промежуточной панели. Светоприемные поверхности фотоэлементов находятся в фокусном пятне двух 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, промежуточной панели и плоско-выпуклых линз связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения.
Известный фотоэлектрический модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности фотоэлектрического модуля. Однако недостатком известного фотоэлектрического модуля является высокая трудоемкость позиционирования отдельных ФЭ и статистическая вероятность линейного несовпадения центров ФЭ с оптическими центрами соответствующих линз в линзовой панели.
Известен фотоэлектрический модуль (см. Международная конференция "Conference record of the twenteighth IEEE photovoltaic specialists Conference-2000", Anhorage, Alaska, USA, 2000, p.1169-1172), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Модуль содержит 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. Линзы Френеля выполнены из силикона, имеют квадратную форму, расположены вплотную друг к другу и прочно соединены с внутренней поверхность стекла, выполняющего защитную и несущую функции. Каждой линзе Френеля соответствует свой солнечный фотоэлемент, закрепленный на металлическом теплоотводящем основании. Теплоотводящие основания располагаются на фронтальной стороне стекла тыльной панели таким образом, чтобы светоприемная поверхность фотоэлемента находилась в фокусном пятне соответствующей линзы Френеля. Металлическое теплоотводящее основание также является и 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. Коммутацию солнечных фотоэлементов осуществляют 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. Крепление стенок между собой и к панелям осуществляют клеем-герметиком, что обеспечивает герметизацию внутреннего пространства модуля от внешней атмосферы и обеспечивает защиту всех элементов фотоэлектрического модуля от внешних факторов. Модуль-прототип превосходит по своим показателям все другие известные фотоэлектрические модули с концентраторами, включая рассмотренные выше аналоги.
Однако недостатком модуля-прототипа является высокая трудоемкость позиционирования отдельных ФЭ и статистическая вероятность линейного несовпадения центров ФЭ с оптическими центрами соответствующих линз в линзовой панели, что приводит к сужению разориентационной характеристики фотоэлектрического модуля при слежении за Солнцем.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, являлось создание фотоэлектрического модуля, который был бы менее трудоемким в изготовлении, и в котором бы обеспечивалась точность монтажа солнечных элементов, что позволяет улучшить характеристики фотоэлектрического модуля и тем самым увеличить его энергопроизводительность при снижении стоимости изготовления.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический модуль содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель и 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 и байпасные диоды. 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. 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.
Фронтальная и тыльная панели в фотоэлектрическом модуле могут быть выполнены из силикатного стекла.
Планки фотоэлектрического модуля могут быть выполнены из стеклотекстолита с двусторонним металлическим покрытием.
Вокруг отверстий планок может быть нанесено дополнительное металлическое покрытие из Аu.
Соседние планки в фотоэлектрическом модуле могут быть последовательно соединены электрическими проводниками, а первая и последняя планки подключены к выводам фотоэлектрического модуля.
На каждой планке теплоотводящие основания солнечных элементов могут быть прикреплены к нижнему металлическому покрытию посредством пайки или электропроводящего клея.
Планки фотоэлектрического модуля могут быть закреплены на фронтальной стороне тыльной панели теплоотводящими основаниями солнечных элементов, а сами теплоотводящие основания прикреплены к фронтальной стороне тыльной панели, например, адгезивом, в том числе силиконом, адгезивом, отверждаемым влагой, содержащейся в воздухе, или ультрафиолетовым излучением, а также двухсторонней адгезивной лентой.
В другом варианте конструкции фотоэлектрического модуля теплоотводящие основания солнечных элементов могут иметь П-образную форму с глубиной выемки, равной толщине планки из диэлектрического материала. В этом варианте конструкции теплоотводящие основания солнечных элементов своими боковыми выступами могут быть прикреплены к тыльной стороне тыльной панели, например, адгезивом, в том числе силиконом, адгезивом, отверждаемым влагой, содержащейся в воздухе или ультрафиолетовым излучением, а также двухсторонней адгезивной лентой.
При прикреплении планок к тыльной стороне тыльной панели на наружной поверхности теплоотводящих оснований может быть нанесено теплоизлучающее покрытие, а тыльная сторона тыльной панели с размещенными на ней линейками загерметизирована ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой, поверх которой может быть нанесена защитная пленка из лавсана.
Монтаж солнечных элементов в центрах отверстий планок с расстояниями между центрами соседних отверстий планок, равными расстоянию между центрами соседних линз Френеля на фронтальной панели, позволяет упростить изготовление и повысить точность монтажа солнечных элементов фотоэлектрического модуля. Для этого необходимо лишь установить планки на тыльной панели параллельно друг другу с шагом, равным расстоянию между центрами соседних линз Френеля, лежащих в плоскости, перпендикулярной планкам, и установить соответствующим образом фронтальную и тыльную панели, прикрепив их к торцам боковых стенок, например, двухсторонней адгезивной лентой. В результате сфокусированное каждой линзой Френеля солнечное излучение попадает в центр фотоприемной площадки соответствующего солнечного элемента.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематически изображен вид сбоку на первый вариант реализации заявляемого фотоэлектрического модуля с частичным разрезом,
на фиг.2 показан вид сверху на первый вариант реализации заявляемого фотоэлектрического модуля в разрезе по А-А;
на фиг.3 схематически показан вид сбоку на второй вариант реализации заявляемого фотоэлектрического модуля с частичным разрезом,
на фиг.4 схематически показан вид спереди на второй вариант реализации заявляемого фотоэлектрического модуля с частичным разрезом,
на фиг.5 схематически показан вид спереди на третий вариант реализации заявляемого фотоэлектрического модуля с частичным разрезом,
на фиг.6 показан вид сбоку в разрезе на солнечный элемент, установленный в центре отверстия планки.
Заявляемый фотоэлектрический модуль 1 (см. фиг.1, фиг.2) содержит боковые стенки 2, фронтальную панель 3 с линзами 4 Френеля на ее внутренней стороне фронтальной панели 3, светопрозрачную тыльную панель 5 и солнечные элементы 6, снабженными теплоотводящими основаниями 7. Металлическое теплоотводящее основание 7 также является и одним из электрических контактов солнечного фотоэлемента 6. Линзы 4 Френеля выполнены из силикона, имеют квадратную форму, расположены вплотную друг к другу и прочно соединены с внутренней поверхностью фронтальной панели 3, выполняющей защитную и несущую функции. Каждой линзе 4 Френеля соответствует свой солнечный фотоэлемент 6. Фронтальная панель 3 и тыльная панель 5 могут быть прикреплены к боковым стенкам 2 с помощью двухсторонней адгезивной ленты 17 (см. фиг.3, фиг.4). Для лучшей герметизации внутреннего пространства фотоэлектрического модуля от воздействия внешней атмосферы и обеспечения защиты всех элементов фотоэлектрического модуля от внешних факторов стыки торцов боковых стенок 2 и фронтальной 3, и тыльной 5 панелей могут быть соединены алюминиевой лентой 18 с адгезивным слоем. Солнечные элементы 6 установлены в центрах отверстий 8 планок 9, параллельных друг другу и выполненных из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием 10 (см. фиг.6), к которому подсоединены соответствующие контакты 11 солнечных элементов 6, при этом планки установлены за фронтальной панелью, а центр фотоприемной площадки 12 каждого солнечного элемента 6 лежит на одной оси с центром соответствующей линзы 4 Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Фронтальная панель 3 и тыльная панель 5 выполнены преимущественно из силикатного стекла. Планки 9 обычно выполнены из стеклотекстолита с двусторонним металлическим покрытием. Вокруг отверстий 8 планок 9 нанесено дополнительное металлическое покрытие 13 из Аu или Al. Соседние планки 9 в фотоэлектрическом модуле 1 последовательно соединены электрическими проводниками, а первая и последняя планки 9 подключены к выводам фотоэлектрического модуля 1. К каждой линейке 9 параллельно подключен байпасный диод (не показан). На каждой линейке 9 теплоотводящие основания 7 солнечных элементов 6 могут быть прикреплены к нижнему металлическому покрытию 10 посредством пайки или электропроводящего клея. Планки 9 могут быть закреплены на фронтальной стороне тыльной панели 5 теплоотводящими основаниями 7 солнечных элементов 6 (см. фиг.1). В этом варианте выполнения фотоэлектрического модуля 1 теплоотводящие основания 7 могут быть прикреплены к фронтальной стороне тыльной панели 5 силиконом, адгезивом, отверждаемым, например, влагой ультрафиолетом, или посредством адгезивной ленты. В других вариантах выполнения фотоэлектрического модуля 1 (см. фиг.3-5) теплоотводящие основания 7 имеют П-образную форму с глубиной выемки, равной толщине планки 9 из диэлектрического материала. В этих вариантах конструкции теплоотводящие основания 7 прикреплены боковыми выступами к тыльной стороне тыльной панели 5 также силиконом, адгезивом, отверждаемым, например, влагой, содержащейся в воздухе или ультрафиолетовым излучением, или посредством двухсторонней адгезивной ленты. На наружной поверхности теплоотводящих оснований 7 может быть нанесено теплоизлучающее покрытие 14 (фиг.3, фиг.4). Тыльная сторона тыльной панели 5 с размещенными на ней планками 9 может быть загерметизирована ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой 15. Применение теплоотводящих оснований 7 корытообразной формы с глубиной выемки, равной толщине планки 9 из диэлектрического материала, обеспечивает плотное прилегание планок 9 из диэлектрического материала к тыльной поверхности тыльной панели 5, что позволяет использовать известные процессы ламинирования для герметизации фотоэлектрических модулей. Поверх ламинирующей этиленвинилацетатной пленки 15 может быть нанесена защитная пленка 16 из лавсана (фиг.5).
2
Заявляемый фотоэлектрический модуль 1 собирают следующим образом. Металлические теплоотводящие основания 7 прикрепляют к нижнему металлическому покрытию 10 планок 9 посредством пайки или электропроводящего клея так, чтобы центры отверстий 8 планок 9 совпадали с центрами металлических теплоотводящих оснований 7. В центры отверстий 8 планок 9 на металлические теплоотводящие основание 7 прикрепляют солнечные элементы 6 посредством пайки или электропроводящего клея. Верхние контакты 11 солнечных элементов 6 соединяют проводом посредством сварки с верхним металлическим покрытием 10 планок 9. Планки 9 металлическими теплоотводящими основаниями 7 с установленными солнечными элементами 6 прикрепляют к фронтальной или тыльной стороне тыльной панели 5 силиконом, адгезивом, отверждаемым, например, влагой, содержащейся в воздухе, ультрафиолетовым излучением, или посредством двухсторонней адгезивной ленты параллельно краю тыльной панели 5 и параллельно друг другу с шагом, равным расстоянию между центрами соседних линз 4 Френеля фронтальной панели 3. Соседние планки 9 последовательно соединяют электрическими проводниками, а первую и последнюю планки 9 подключают к выводам фотоэлектрического модуля 1. Фронтальную панель 3 и тыльную панель 5 прикрепляют к боковым стенкам 2 с помощью двухсторонней адгезивной ленты 17. Стыки торцов боковых стенок 2 и фронтальной 3, и тыльной 5 панелей герметизируют алюминиевой лентой 18 с адгезивным слоем. Заявляемый фотоэлектрический модуль 1 работает следующим образом: фотоэлектрический модуль 1 устанавливают на систему слежения за солнцем и ориентируют в пространстве так, чтобы плоскость фронтальной панели 3 была перпендикулярна световому потоку солнечного излучения. При этом линзы 4 Френеля фронтальной панели 3 фокусируют солнечное излучение на фотоприемные площадки 12 фотоэлементов 6, установленных на теплоотводящих основаниях 7 в центрах отверстий 8 планок 9, которые закреплены на тыльной панели 5. При подключении к внешним контактам фотоэлектрического модуля 1 электрической нагрузки в цепи нагрузки будет протекать электрический ток, генерируемый фотоэлементами 6 под воздействием солнечного излучения. Коэффициент полезного действия фотоэлектрического модуля 1 достигает 25-30%. Часть солнечной энергии, не преобразованная в электрическую, превращается в тепло, которое передается от фотоэлементов 6 к теплоотводящим основаниям 7 и тыльной панели 5 и рассеивается в окружающем пространстве. Для улучшения рассеяния тепла на внешнюю поверхность теплоотводящих оснований 7 нанесено теплоизлучающее покрытие 14. При интенсивности падающего солнечного потока, равной 1000 Вт/м, величина перегрева фотоэлементов 6 относительно температуры окружающего воздуха не превышает 27°С.
Заявляемая конструкция фотоэлектрического модуля обеспечивает снижение трудоемкости и повышение точности монтажа солнечных элементов и улучшение за счет этого характеристик фотоэлектрического модуля, чтобы обеспечить увеличение его энергопроизводительности.