СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ ЛИНЗОВОЙ ПАНЕЛИ ДЛЯ КОНЦЕНТРАТОРНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР
METHOD OF MAKING COMPOSITE LENS PANEL FOR NANO-HETEROSTRUCTURE BASED CONCENTRATOR PHOTOELECTRIC TRANSDUCERS

Заявляемое изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, может быть использовано в наземных гелиоэнергетических установках, предназначенных для систем автономного энергоснабжения в различных климатических зонах. Настоящее изобретение может быть применено при изготовлении композитных линзовых панелей на основе плоских линз Френеля для солнечных фотоэлектрических модулей, применяемых в промышленных концентраторных солнечных энергоустановках.
х
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 кратность концентрирования солнечного излучения 500-1000, имеющих высокую оптическую эффективность, позволяет достичь высокого КПД преобразования солнечного излучения в электроэнергию 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 зависит экономичность фотоэлектрического модуля.
Использование плоских линз Френеля является наиболее перспективным направлением разработки оптических концентраторов для увеличения энергетической эффективности фотоэлектрических модулей.
Известен способ изготовления концентраторной линзовой панели путем прикрепления линзы Френеля, отлитой из акриловой резины, к стеклу с помощью силиконовой резины (заявка JP 57151901, МПК G02B 3/08, опубликована 20.09.1982).
Недостатками данного способа является невысокая эффективность преобразования излучения за счет дополнительных оптических потерь, обусловленных приклеиванием линз из акриловой резины к стеклу, низкая технологичность изготовления панелей и недостаточная стойкость акрила к воздействиям внешней среды.
Известен способ изготовления концентраторной линзовой панели для фотоэлектрических модулей путем заливки расплава в форму с френелевской поверхностью (патент JP 3485620, МПК G02B 3/08, опубликован 12.09.1995).
Недостатком линз, получаемых этими способами, являются большие потери на поглощение солнечного излучения в линзах из оргстекла.
Известен способ формирования линзы Френеля из резиноподобного полимерного материала с полимеризацией под воздействием ультрафиолетового света, при заливке последнего между поверхностями силиконовой линзы и металлической формы, имеющей обратный френелевский профиль (заявка JP 5196807, МПК G02B 3/08, опубликована 06.08.1993).
Недостатком линз, полученных известным способом, является деградация полимерных материалов под воздействием солнечного излучения, приводящая к появлению дополнительного поглощения, что снижает оптическую эффективность концентраторов.
Известен способ изготовления линз Френеля и других оптических структур при использовании радиационно отверждаемых компаундов, либо полиуретановых смол, которые перед отверждением наносятся на базовый носитель и помещаются в полость, имеющую микроструктурную поверхность (заявка US 2008220217, МПК G02B 1/04, опубликована 11.09.2008).
Недостатками линз, изготовленных с использованием радиационно отверждаемых компаундов, либо полиуретановых смол, являются также большие потери на поглощение солнечного излучения, кроме того, полиуретановые смолы обладают высокой степенью деградации под воздействием света, что приводит со временем к ухудшению их оптических свойств.
Известен способ изготовления линзы Френеля (патент US 5840352, В29С 4543, опубликован 24.11.1998), в котором жидкую резину заливают между подвижной и неподвижной частями формы, на одной из которых имеется френелевский профиль. Линзу формируют и отделяют от формы после полимеризации резины с помощью сжатого воздуха.
Недостатками известного способа изготовления линз Френеля являются сложности получения линзовых панелей большой площади, а также потери на поглощение солнечного излучения, вследствие большой толщины полимерного материала, по сравнению с линзами, изготавливаемыми методом полимеризации силикона на стекле.
Известен способ изготовления линзы Френеля с повышенной термоустойчивостью и оптической эффективностью (заявка JP 2007271857, кл. G02B 3/08, опубликована 18.10.2007), по которому тонкий френелевский профиль получают заливкой прозрачной жидкой силиконовой резины, которая затем отвердевает в гибкую резиновую матрицу, обеспечивающую пилообразный профиль.
Недостатками известного способа является высокая стоимость изготовления линзовых панелей, обусловленная необходимостью использования большого количество дорогостоящих матриц.
Известен способ изготовления композитной концентраторной линзовой панели для концентраторных фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур (патент RU 2359291, МПК G02B 3/00, опубликован 20.06.2009), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает изготовление методом алмазного микроточения негативных линз Френеля с квадратной апертурой из оргстекла, либо некорродирующего металла, которые соединяют торцами в сборку. Затем производят копирование сборки на промежуточную полиуретановую матрицу, после чего копируют с нее линзовые панели, заливая двухкомпонентную силиконовую смесь между микроструктурной поверхностью полиуретановой матрицы и силикатным стеклом.
Недостатками известного способа-прототипа является невысокая износостойкость и недолговечность промежуточной полиуретановой матрицы, что приводит к высокой стоимости производства линзовых панелей для солнечных фотоэлектрических модулей.
Задачей заявляемого изобретения является разработка такого способа изготовления композитной концентраторной линзовой панели для концентраторных фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур, который бы обеспечивал повышение качества линзовых панелей и снижение стоимости их производства за счет повышения срока службы промежуточной матрицы.
Заявляемый способ изготовления панели включает изготовление негативных матриц линз Френеля с квадратной апертурой из металлических заготовок, покрытых слоем электролитической меди толщиной 0,5÷3,0 мм, методом алмазного точения медного покрытия, гальваническое осаждение на рабочую поверхность негативных матриц линз Френеля пассивирующего слоя хрома толщиной 0,02÷0,1 мкм и соединение их торцами в сборку в виде панели. Затем изготавливают промежуточную позитивную копию панели линз Френеля путем гальванического осаждения никеля на рабочую поверхность сборки, механически отделяют промежуточную позитивную копию панели линз Френеля и закрепляют ее на плоском твердом основании. Проводят гальваническое осаждение на рабочую поверхность промежуточной позитивной копии панели линз Френеля пассивирующего слоя хрома толщиной 0,02÷0,1 мкм. Изготавливают негативную копию панели линз Френеля путем гальванического осаждения никеля на рабочую поверхность упомянутой промежуточной позитивной копии, механически отделяют негативную копию панели линз Френеля и закрепляют ее на плоском твердом основании. Заливают двухкомпонентный силиконовый компаунд между рабочей поверхностью негативной копии панели линз Френеля и поверхностью силикатного стекла. Осуществляют полимеризацию силиконового компаунда при температуре t, °С, причем температуру полимеризации силиконового компаунда определяют из соотношения:
ср
Т - средняя температура окружающего воздуха в регионе работы фотоэлектрических модулей в солнечное время суток, исключая 10% этого времени непосредственно после восхода Солнца и 10% времени непосредственно перед его закатом, °С;
t
D - максимальное превышение температуры линзовой панели над температурой окружающего воздуха, зависящее от конструкции фотоэлектрического модуля и находящееся в пределах 8÷40°С;
V - средняя скорость ветра в регионе работы фотоэлектрических модулей в солнечное время суток, исключая 10% этого времени непосредственно после восхода Солнца и 10% времени непосредственно перед его закатом, м/сек;
-1
k - коэффициент, зависящий от формы и материала линзовой панели, значение которого находится в диапазоне 0,35÷0,5 м·сек.
После полимеризации силиконового компаунда отделяют стекло с силиконовой линзовой панелью от негативной копии панели линз Френеля.
Металлические заготовки для негативных матриц линз Френеля преимущественно изготавливают из латуни.
Использование слоя электролитической меди при изготовлении негативной матрицы линзы Френеля методом алмазного точения объясняется механическими свойствами электролитической меди, позволяющими наиболее точно изготовить профиль линзы Френеля с наименьшим количеством дефектов. Толщина слоя электролитической меди должна быть не менее 0,5 мм, чтобы обеспечить нарезание профиля линзы Френеля, высота зубцов которого составляет около 0,15 мм. Увеличивать толщину слоя электролитической меди свыше 3 мм нецелесообразно из-за увеличения времени осаждения меди и, соответственно, стоимости операции. В качестве материала заготовки для нанесения на нее слоя электролитической меди по механическим и электрохимическим свойствам лучше всего подходит латунь.
Поскольку медь не является коррозионностойким металлом, то для предотвращения разрушения поверхности и увеличения срока службы негативных матриц линз Френеля на рабочую поверхность линз наносят слой хрома, толщина которого должна быть не менее 0,02 мкм для обеспечения сплошного бездефектного покрытия. Чтобы не исказить нарезанный профиль линзы Френеля, толщина слоя хрома не должна превышать 0,1 мкм. Кроме защиты от коррозии, слой хрома увеличивает износостойкость поверхности и обеспечивает отделение осажденного гальваническим способом слоя никеля при получении промежуточной копии панели позитивных линз Френеля.
Промежуточная позитивная копия панели линз Френеля и рабочие негативные копии панелей линз Френеля изготавливают путем гальванического осаждения никеля на металлические поверхности с профилем линз Френеля с последующей финишной пассивацией слоем хрома. При этом свойства никеля делают возможным получать точные копии отпечатков профилей линз Френеля и выращивать толстые слои осажденного металла, позволяющие отделять осажденные слои металлического никеля от копируемых поверхностей и использовать их в качестве промежуточных позитивных и рабочих негативных копий панелей линз Френеля.
Использование гальванически осажденного металлического никеля в качестве материала негативных копий панелей линз Френеля, обеспечивает высокое оптическое качество профиля линз Френеля, получаемых при заливке двухкомпонентного силиконового компаунда между рабочей поверхностью негативной копии панели линз Френеля и поверхностью силикатного стекла и позволяет осуществлять многократное воспроизведение микроструктурного профиля линз Френеля при промышленном изготовлении концентраторных линзовых панелей.
Чтобы уменьшить деформации профиля силиконовых линз Френеля после затвердевания жидкого силиконового компаунда, которые возникают при изменении температуры концентраторной линзовой панели из-за разницы коэффициентов линейного расширения силикона и силикатного стекла и приводят к уменьшению эффективности линз, процесс полимеризации жидкого силиконового компаунда целесообразно проводить при температуре t, °С, равной оптимальной температуре работы линзовой панели в концентраторном фотоэлектрическом модуле, которая определяется по приведенной выше формуле (1). Согласно этой формуле, температура полимеризации силиконового компаунда t определяется двумя составляющими: средней температурой окружающего воздуха в регионе работы фотоэлектрических модулей в солнечное время суток и величиной перегрева линзовой панели за счет частичного поглощения солнечной радиации и конвекционного нагрева от других частей фотоэлектрического модуля.
ср
ср
Среднюю температуру окружающего воздуха в регионе работы фотоэлектрических модулей Т определяют в солнечное время суток, исключая 10% этого времени непосредственно после восхода Солнца и 10% времени непосредственно перед его закатом. В течение этого промежутка времени циклические суточные изменения температуры окружающего воздуха имеют минимальные значения и линзовые панели, изготовленные с учетом Т, наибольшее время будут работать с максимальной эффективностью.
t
Величины перегрева линзовой панели относительно температуры окружающего воздуха зависят от конструкции фотоэлектрического модуля и скорости обдува линзовой панели внешним воздухом. Максимальное превышение температуры линзовой панели над температурой окружающего воздуха D в отсутствии обдува линзовой панели зависит от размеров, материала боковых стенок фотоэлектрического модуля, фокусного расстояния линз Френеля и составляет от 8°С до 40°С. При небольших линейных размерах фотоэлектрических модулей относительно фокусного расстояния линз Френеля и хорошей вентиляции внутреннего объема модулей максимальное превышение температуры линзовой панели над температурой окружающего воздуха определяется, в основном, нагревом линзовой панели за счет частичного поглощения излучения на линзовой панели и составляет около 8°С. В случае если имеет место герметизация внутреннего объема фотоэлектрических модулей, многократное превышение линейных размеров фотоэлектрических модулей относительно фокусного расстояния линз Френеля и высокая степень концентрации света линзами Френеля, температура линзовой панели близка к температуре панели с фотоэлектрическими преобразователями, и максимальное превышение температуры линзовой панели над температурой окружающего воздуха достигает 40°С.
-1
-1
Обдув фотоэлектрического модуля внешним воздухом со скорость V приводит к снижению температуры линзовой панели. Величина коэффициента k, зависящего от формы и материала линзовой панели, определяется экспериментально и находится в диапазоне от 0,35 м·сек до 0,5 м·сек.
Заявляемый способ изготовления композитной линзовой панели для концентраторных фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена металлическая заготовка;
на фиг.2 показана металлическая заготовка, покрытая слоем электролитической меди;
на фиг.3 изображена негативная матрица линзы Френеля;
на фиг.4 показана негативная матрица линзы Френеля с слоем хрома;
на фиг.5 изображена сборка в виде панели из двух негативных матриц линз Френеля;
на фиг.6 показана сборка с промежуточной позитивной копией панели линз Френеля;
на фиг.7 изображена промежуточная позитивная копия панели линз Френеля, отделенная от сборки;
на фиг.8 показана промежуточная позитивная копия панели линз Френеля, закрепленная на плоском твердом основании;
на фиг.9 изображена промежуточная позитивная копия панели линз Френеля с нанесенным слоем хрома;
на фиг.10 показана негативная копия панели линз Френеля на промежуточной позитивной копии панели линз Френеля;
на фиг.11 изображена негативная копия панели линз Френеля, отделенная от промежуточной позитивной копии панели линз Френеля;
на фиг.12 показана негативная копия панели линз Френеля, закрепленная на плоском твердом основании;
на фиг.13 показан двухкомпонентный силиконовый компаунд, залитый между поверхностями негативной копии панели и силикатного стекла;
на фиг.14 показано силикатное стекло с композитной линзовой панелью, отделенные от негативной копии панели линз Френеля.
Согласно заявленному изобретению, изготовление композитной линзовой панели для фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур осуществляют следующим образом:
Изготавливают металлическую заготовку 1 с квадратной апертурой (см. фиг.1). Наносят слой 2 электролитической меди толщиной от 0,5 до 3,0 мм гальваническим способом на поверхность металлической заготовки 1 (см. фиг.2). Изготавливают методом алмазного микроточения профильную поверхность 3 негативной (отрицательное фокусное расстояние) матрицы линзы Френеля в слое 2 электролитической меди (см. фиг.3). Проводят гальваническое осаждение слоя 4 хрома толщиной 0,02-0,1 мкм на профильную поверхность 3 негативной матрицы линзы Френеля (см. фиг.4). Объединяют необходимое количество негативных матриц линз Френеля в сборку 5 в виде панели (см. фиг.5). Наносят гальваническим способом слой никеля на рабочую поверхность сборки 5 негативных линз Френеля, создавая промежуточную позитивную копию 6 панели линз Френеля (см. фиг.6). Отделяют промежуточную позитивную копию 6 панели линз Френеля от поверхности сборки 5 негативных линз Френеля (см. фиг.7). Закрепляют промежуточную позитивную копию 6 панели линз Френеля на плоском твердом основании 7 (см. фиг.8). Наносят гальваническим способом слой 8 хрома толщиной 0,02-0,1 мкм на поверхность промежуточной позитивной копии 6 панели линз Френеля (см. фиг.9). Наносят гальваническим способом слой никеля на поверхность промежуточной позитивной копии 6 панели линз Френеля для создания негативной копии 9 панели линз Френеля (см. фиг.10). Механически отделяют негативную копию 9 панели линз Френеля от поверхности промежуточной позитивной копии 6 панели линз Френеля (см. фиг.11). Закрепляют негативную копию 9 панели линз Френеля на плоском твердом основании 10 (см. фиг.12). Заливают между поверхностью негативной копии 9 панели линз Френеля и поверхностью силикатного стекла 11 жидкий двухкомпонентный силиконовый компаунд 12 (см. фиг.13) и осуществляют полимеризацию двухкомпонентного силиконового компаунда при температуре t, определяемой из соотношения (1). Отделяют заполимеризовавшуюся композитную линзовую панель 13 на силикатном стекле 11 от поверхности негативной копии 9 панели линз Френеля (см. фиг.14). Для изготовления большого количества композитных линзовых панелей необходимо наличие большого числа негативных копий панелей линз Френеля. Поэтому операции, показанные на фиг.6 - фиг.14, повторяются многократно. Одна первоначальная сборка 5, полученная алмазным точением негативных матриц линз Френеля, позволяет получить более 100 шт. промежуточных позитивных копий 6 панелей линз Френеля высокого качества, с каждой из которой может быть изготовлено более 100 шт. негативных копий 9 панелей линз Френеля.
2
Следует отметить, что изготовление с каждого оригинала сравнительно небольшого количества копий, обеспечивает незначительный износ оригиналов и очень высокое качество получаемых позитивных и негативных копий. При этом каждая негативная копия 9 панели линз Френеля при многократном повторении операций, показанных на фиг.13-фиг.14, обеспечивает, в свою очередь, получение с высокой воспроизводимостью более тысячи композитных линзовых панелей. Таким образом, один набор негативных матриц линз Френеля, полученных алмазным точением, позволяет получить заявляемым способом более 10 млн. композитных линзовых панелей. При площади одной композитной линзовой панели 0,5 м это количество композитных линзовых панелей обеспечивает изготовление концентраторных солнечных модулей на суммарную выходную мощность более 500 МВт.
2
2
-1
2
ср
t
Пример 1. На плоскую поверхность металлических заготовок квадратной формы площадью 60×60 мм, изготовленных из латуни, электролитическим способом наращивали слой меди толщиной 0,5 мм. Затем методом алмазного точения медного покрытия заготовок изготавливали матрицы линз Френеля негативного профиля, на поверхность которых гальванически осаждали слой хрома толщиной 0,02 мкм. Негативные матрицы линз Френеля квадратной апертуры 60×60 мм соединяли в сборку 8×16 линз, торцами друг к другу в виде панели. Гальваническим способом на поверхности сборки с профилями негативных линз Френеля осаждали слой никеля, формируя промежуточную позитивную копию панели линз Френеля. Промежуточную позитивную копию панели линз Френеля затем отделяли от поверхности сборки и закрепляли обратной стороной на плоском твердом основании (фольгированном стеклотекстолите). На рабочую поверхность промежуточной позитивной копии панели гальванически осаждали слой хрома толщиной 0,02 мкм, после чего гальванически наращивали слой никеля. Слой никеля, представляющий собой негативную копию панели линз Френеля, отделяли от поверхности промежуточной позитивной копии панели линз Френеля и закрепляли обратной стороной на плоском твердом основании (фольгированном стеклотекстолите). На поверхность негативной рабочей копии матричной панели наливали смесь малоусадочного двухкомпонентного силиконового компаунда, сверху укладывали лист силикатного стекла и осуществляли выдавливание силикона до тех пор, пока силикон не заполнял равномерно поверхность негативной рабочей копии матричной панели. Температуру полимеризации силикона определяли из соотношения, приведенного в формуле изобретения. Предполагалось, что изготавливаемый фотоэлектрический модуль будет работать в регионе Северной Африки. По данным метеорологических таблиц этого региона можно определить значения средней температуры окружающего воздуха и средней скорости ветра в солнечное время суток, исключая 10% этого времени непосредственно после восхода Солнца и 10% времени непосредственно перед его закатом. Находим, что величина Т=27°С, величина V=0,7 м/сек. Фотоэлектрический модуль имеет герметичное исполнение, габариты модуля - 1×0,5 м, фокусное расстояние линз Френеля - 85 мм, поэтому величина D=40°С. Величина коэффициента k=0,4 м·сек. При подстановке найденных значений величин в математическую формулу, температура полимеризации силикона t составляла 57,2°С. Осуществляли полимеризацию силикона при температуре 57°С. После окончания процесса полимеризации силикона стекло отделяли от негативной матрицы и получали линзовую панель оптического концентратора из 8×16 положительных линз Френеля с апертурой 60×60 мм, которую затем использовали при сборке фотоэлектрического модуля с 8×16 солнечными элементами, закрепленными на нижней панели модуля и расположенными в фокусах линз Френеля. Данная негативная копия панели линз Френеля использовалась для изготовления 100 шт. линзовых панелей с 8×16 положительными линзами Френеля с апертурой 60×60 мм, при этом линзовые панели отличаются высоким оптическим качеством и воспроизводимостью.
2
2
2
2
-1
t
Пример 2. Изготавливали композитные линзовые панели для концентраторных фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур как в примере 1, но со следующими отличиями: на плоскую поверхность металлических заготовок квадратной формы, размерами 40×40 мм электролитически наращивали слой меди толщиной 3 мм; на поверхность матриц линз Френеля негативного профиля гальванически осаждали слой хрома толщиной 0,1 мкм. Негативные матрицы линз Френеля соединяли в сборку 12×12 линз. При выполнении последующих операций получали, соответственно, промежуточную позитивную и негативную копии панели 12×12 линз Френеля квадратной апертуры 40×40 мм. Негативная копия матричной панели использовалась для изготовления 18 линзовых панелей с 12×12 положительными линзами Френеля с апертурой 40×40 мм. Фотоэлектрический модуль, в который устанавливали данную линзовую панель, имел герметичное исполнение, габариты модуля - 0,5×0,5 м, фокусное расстояние линз Френеля - 70 мм, поэтому величина D=33°С. Величина коэффициента k=0,4 м·сек. Подставляя найденные значения величин в математическую формулу, определяли температуру полимеризации силикона t, которая оказалась равной 51,9°С. Полимеризацию силикона осуществляли при температуре 52°С.
ср
t
-1
Пример 3. Изготавливали композитные линзовые панели для концентраторных фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур как в примере 1, но со следующими отличиями. Изготовленный фотоэлектрический модуль будет работать в экваториальном регионе Западной Африки. По данным метеорологических таблиц этого региона определяли значения средней температуры окружающего воздуха и средней скорости ветра в солнечное время суток, исключая 10% этого времени непосредственно после восхода Солнца и 10% времени непосредственно перед его закатом. Находили, что величина Т=32°С, величина V=1,5 м/сек. Фотоэлектрический модуль имел герметичное исполнение, габариты модуля - 1×0,5 м, фокусное расстояние линз Френеля - 85 мм, поэтому величина D=40°С. Поскольку в экваториальном регионе светоприемные поверхности фотоэлектрических преобразователей на основе наногетероструктур перемещаются преимущественно в зенитальном направлении, а преимущественное направление ветров - западное, то величина коэффициента k=0,5 м·сек. Подставляя найденные значения величин в математическую формулу, определяли температуру полимеризации силикона t, которая составляла 50,9°С. Осуществляли полимеризацию силикона при температуре 51°С.