СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ)
SOLAR POWER PLANT (VERSIONS)

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.
Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор на основе концентрических линз Френеля, двухосную систему слежения за Солнцем и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных планарных солнечных элементов с односторонней рабочей поверхностью. Солнечная электростанция имеет следующие характеристики: коэффициент концентрации 385, электрическая мощность 5,75 кВт, КПД преобразования солнечной радиации с учетом КПД концентратора и инвертора 23,5%, стоимость 9,3 долл. США/Вт. Плоскость фотоприемников и р-n переходов фотоприемников параллельна плоскости линзы Френеля и перпендикулярна оптической оси концентратора и концентрированному потоку солнечного излучения. Стоимость фотоприемника составляет 13 долл. США за 1 см площади фотоприемника (Photon International, июль 2008 г., с.15).
Недостатком известной электростанции является высокая трудоемкость изготовления и большая стоимость материалов фотоприемников, содержащих галлий, германий и другие дорогостоящие материалы.
III
V
2
Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор с поверхностью миделя, на который поступает солнечное излучение, двухосную систему слежения и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных солнечных элементов на основе полупроводников А B. Концентратор содержит параболоидное зеркало квадратной формы, контротражатель системы Кассегрена и пирамидальный оптический элемент из стекла, на нижнем основании которого закреплен каскадный гетероструктурный солнечный элемент с односторонней рабочей поверхностью с р-n переходом, плоскость которого параллельна плоскости миделя концентратора и перпендикулярна оптической оси концентратора, потоку солнечного излучения и боковым граням оптического элемента. Параметры солнечной электростанции: концентрация 476, КПД 22,7%, площадь солнечного элемента 1 см, размеры параболоида 25х25 см, суммарная электрическая мощность 500 кВт (Photon International, ноябрь 2008 г., с.150, 153; Sun and Wind Energy, 2008, №5, с.130).
Недостатком известной солнечной электростанции является большая стоимость и низкий КПД трехэлементной оптической системы: параболическое зеркало - контротражатель - оптический элемент - солнечный элемент.
Задачей настоящего изобретения является снижение потерь энергии и стоимости установленной мощности и вырабатываемой энергии.
Технический результат достигается тем, что в солнечной электростанции, содержащей концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемник в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, плоскости которых перпендикулярны оптической оси и параллельны плоскости миделя концентратора, фотоприемник выполнен в виде плоского модуля из скоммутированных последовательно миниатюрных солнечных элементов, каждый из которых имеет форму кругового сектора с углом при вершине 3-30°, установленных осесимметрично в фокальной области с вершиной у оптической оси концентратора, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.
В солнечной электростанции, содержащей концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и двухсторонней рабочей поверхностью, плоскости р-n переходов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.
В варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен в виде каскадного преобразователя из двух секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из кремния, а вторая секция из германия.
В другом варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из трех секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из карбида кремния, вторая секция из кремния, а третья секция из германия.
Еще в одном варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы составного фотоприемника установлены осесимметрично в фокальной области и имеют переменную площадь миниатюрных солнечных элементов в матрице, которая возрастает при удалении от оптической оси концентратора.
В варианте солнечной электростанции составной фотоприемник состоит из пяти секций твердотельных матриц, соединенных параллельно и установленных осесимметрично в фокальной плоскости концентратора, центральная секция имеет форму квадрата, четыре других секции выполнены в виде правильных трапеций, меньшее основание каждой трапеции равно стороне квадратной секции и примыкает к ней.
В варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы фотоприемника выполнены в виде правильной четырехгранной пирамиды и образуют составной полостной осесимметричный фотоприемник, который помещен в конусообразную прозрачную оболочку, заполненную кремнийорганической жидкостью и обращен полостью к концентратору.
В варианте солнечной электростанции полостной фотоприемник обращен вершиной к концентратору.
В варианте солнечной электростанции концентратор выполнен в виде параболоидного зеркала системы Кассегрена с гиперболическим контротражателем в фокальной области и четырехгранной призмой у вершины параболоида, в основании которой установлен фотоприемник, плоскости р-n переходов которого параллельны двум боковым граням призмы.
В варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы фотоприемника с покрытием из стекла на рабочей поверхности установлены в виде цилиндра осесимметрично в фокальной области внутри прозрачной цилиндрической оболочки параллельно оптической оси концентратора и погружены в охлаждающую жидкость.
В варианте солнечной электростанции устройство отвода теплоты имеет насос для прокачки охлаждающей жидкости.
В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.
В другом варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость содержит компоненты на основе очищенной воды.
В варианте солнечной электростанции теплообменник соединен с двумя контурами охлаждения, один контур для прокачки охлаждающей жидкости и второй контур для прокачки воды.
В другом варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.
В варианте солнечной электростанции фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника.
В варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен устройством для прокачки теплоносителя.
В другом варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.
Изобретение иллюстрируется рисунками, на которых на фиг.1 показана солнечная электростанция с параболоидным отражателем и секторным фотоприемником на основе скоммутированных осесимметричных солнечных элементов, на фиг.2 - расположение секторного фотоприемника в фокальной плоскости, на фиг.3 - солнечная электростанция с параболоидным концентратором и фотоприемником в виде каскадного преобразователя из двух секций твердотельных матриц из кремния и германия, на фиг.4 - солнечная электростанция с концентратором на основе концентрической линзы Френеля и составным фотоприемником с переменной площадью миниатюрных солнечных элементов в матрице, на фиг.5 - расположение составного приемника в фокальной плоскости, на фиг.6. - расположение полостного приемника в двух проекциях в фокальной области, на фиг.7 - солнечная электростанция с концентратором на основе концентрической линзы Френеля и составным полостным фотоприемником в конусной камере охлаждения, на фиг.8 - солнечная электростанция с параболоидным зеркалом системы Кассегрена и фотоприемником в четырехгранной призме, на фиг.9 - солнечная электростанция с параболоидным зеркалом и цилиндрическим фотоприемником.
На фиг.1 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 1 с двухосной системой слежения (на фиг. не показана) и фотоприемником 2, установленным осесимметрично в фокальной плоскости 3 с центром в фокусе F и оптической осью 4 концентратора 1. Фотоприемник 2 установлен в конусообразной камере 5 из стекла, которая соединена металлической опорой 6 с параболоидом 1. Внутри опоры 6 установлены трубки 7 и 8 для подвода и отвода кремнийорганической жидкости. Для перекачки кремнийорганической жидкости в теплообменник 9 установлен насос 10. К теплообменнику присоединены патрубки 11 и 12 контура водяного охлаждения. Фотоприемник 2 выполнен в виде скоммутированных последовательно планарных секторных солнечных элементов 3 (фиг.2) с секторным углом 3-30°, установленных осесимметрично вокруг оптической оси 4 в форме круга.
На фиг.3 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 1 и каскадный фотоприемник 12 из двух секций твердотельных матриц из кремния 13 и германия 14. Плоскости контактов 15 и р-n переходов 16 в секциях 13 и 14 параллельны друг другу и оптической оси 4 концентратора 1 и перпендикулярны плоскости миделя 17 и концентратора 1, на который поступает солнечное излучение i.
На фиг.4 солнечная электростанция содержит концентратор на основе концентрической линзы Френеля 18 и составной фотоприемник 19, который состоит из центральной секции 20 твердотельной матрицы квадратной формы и четырех секций 21, 22, 23 и 24 твердотельных матриц (фиг.5), которые выполнены в виде правильных трапеций, меньшее основание 25 каждой трапецеидальной секции равно стороне 26 центральной квадратной секции 20 и примыкает к ней. Все секции фотоприемника 19 соединены параллельно и установлены на теплообменнике-радиаторе 27, площадь которого соизмерима с площадью концентратора 18. Составной фотоприемник 19 имеет с освещаемой стороны защитное покрытие 28 из стекла и прикреплен к теплообменнику 27 с помощью теплопроводящего электроизолированного клея 29.
+
+
+
+
Плоскости p-n (n-р) переходов 30 и изотипных n-n (р-р) переходов диодных структур показаны на рисунках тонкими линиями, а металлических контактов - толстыми линиями.
Плоскости р-n переходов 30 и контактов всех секций составного фотоприемника 19 параллельны оптической оси 31 концентратора 18 и перпендикулярны плоскости линзы Френеля 18. Секции 21, 22, 23 и 24 твердотельных матриц имеют переменную площадь миниатюрных солнечных элементов 32, которая увеличивается с увеличением расстояния от оптической оси 31 концентратора.
На фиг.6 показан в двух проекциях (вид сбоку и вид сверху) составной полостной приемник 34, который имеет форму четырехгранной пирамиды и состоит из четырех секций 35, 36, 37 и 38 твердотельных матриц, каждая из которых выполнена в форме правильного треугольника. Плоскости р-n переходов 39 в секциях параллельны основанию приемника.
На фиг.7 составной полостной фотоприемник 34 установлен в фокальной области 33 концентрической линзы Френеля внутри герметичной конусной прозрачной камеры 40, которая заполнена охлаждающей жидкостью 41. Общая площадь поверхности стенок конической камеры 40 соизмерима с площадью линзы Френеля 18.
+
+
На фиг.8 параболоидный концентратор 41 шестигранной формы имеет контротражатель 42 в форме гиперболического зеркала в фокальной области F и призменный оптический элемент 43, установленный в вершине 44 концентратора 41. Фотоприемник 45 установлен на основании четырехгранной призмы 43 из оптического стекла. Фотоприемник 45 состоит из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов 46 с диодной n-p-p структурой. Плоскости р-n переходов 47 в диодной структуре параллельны двум из четырех граней призмы 43, падающему излучению i и оптической оси концентратора 4. Фотоприемник 45 присоединен к призме 43 с помощью оптического прозрачного клея (на фиг. не показано) и установлен в герметичной камере 48, заполненной кремнийорганической жидкостью 49. Тыльная сторона 50 фотоприемника 45 имеет защитное покрытие из стекла 51 и погружена в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 49. Устройство охлаждения фотоприемника 52 состоит из трубопроводов 53, присоединенных к герметичной камере 48 насоса 54 и теплообменника 55, к которому подключен водяной контур 56.
o
На фиг.9 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 57 квадратной формы и цилиндрический фотоприемник 58, установленный симметрично в фокальной области 59 концентратора 57 в цилиндрической стеклянной оболочке 60. Поперечное сечение фотоприемника в его средней части совпадает с фокальной плоскостью 61 концентратора 57. Плоскости р-n переходов 62 фотоприемника 58 перпендикулярны фокальной плоскости 61 и плоскости миделя 63 концентратора 57 и параллельны оптической оси 64 и потоку падающих i, поступающих на концентратор 57, и отраженных солнечных лучей i, поступающих на фотоприемник 58. Фотоприемник 58 имеет защитное покрытие 63 из стекла и погружен в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 64, которая заполняет цилиндрическую оболочку 60. Цилиндрическая оболочка 60 имеет патрубки 65 для присоединения к теплообменнику. В другом варианте исполнения цилиндрическая оболочка 60 присоединена к воздушному радиатору.
Пример выполнения солнечной электростанции (СЭС)
o
2
2
СЭС состоит из модулей с параболоидным осесимметричным концентратором с двухосной системой слежения (фиг.9). Каждый модуль имеет квадратное параболоидное зеркало 57 размером 0,283×0,283 м с защитной цилиндрической оболочкой диаметром 60×30 мм, выполненной из стекла. Фотоприемник 58 состоит из 6 секций матричных солнечных элементов размером 60 мм×10 мм×0,6 мм, установленных по внутренней образующей защитной цилиндрической оболочке 60 в фокальной области 59 концентратора 57. Плоскости р-n переходов 62 и контактов секций фотоприемника 58 параллельны оптической оси 64 концентратора, падающему потоку i и отраженному потоку i излучения и перпендикулярны плоскости миделя 63 и фокальной плоскости 61 концентратора 57. Секции матричных солнечных элементов имеют защитное покрытие 63 из стекла и погружены в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 64. Цилиндрическая защитная оболочка 60 в верхней части имеет радиатор-змеевик для охлаждения теплоносителя. Площадь фотоприемника 58 составляет 36 см, площадь миделя 63 концентратора - 800 см, коэффициент геометрической концентрации 222, оптический КПД - 0,8, пиковая электрическая мощность при КПД фотоприемника 20% и КПД модуля 16% составляет 12,8 Вт.
2
2
Расположение плоскости р-n переходов параллельно концентрированному потоку солнечного излучения позволяет получить два важных преимущества СЭС по сравнению с известной. Это позволяет изготовить фотоприемник из дешевого полупроводникового материала с непрямыми переходами, например из кремния, и снизить стоимость фотоприемника с 13 долл./см для каскадных гетероструктурных солнечных элементов до 0,065 долл./см, т.е. в 200 раз.
Поток концентрированного излучения в фотоприемнике ортогонален потоку генерированных излучением носителей заряда через р-n переходы, что позволяет снизить джоулевые потери в легированном слое и в базовой области фотоприемника и улучшить условия отвода тепла за счет использования металлических токоотводов, расположенных по всей площади р-n переходов, в качестве теплопроводящих слоев для отвода тепла из объема фотоприемника к обеим рабочим поверхностям. Инфракрасная составляющая концентрированного потока излучения за краем полосы поглощения (1,2 мкм для кремниевого фотоприемника) проходит параллельно плоскости p-n переходов через объем фотоприемника без существенного поглощения, что также примерно на 20% снижает затраты на охлаждение фотоприемника. Наличие просветляющего покрытия на обеих рабочих поверхностях фотоприемника снижает потери на отражение и увеличивает пропускание нефотоактивной части спектра падающего прямого и концентрированного солнечного излучения.