Фотоэлектрический модуль

 

Использование: фотоэлектрический модуль ФЭМ, преимущественно для панелей солнечных батарей СБ, относится к конструкции фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в электрическую и может быть использован как в наземной так и в космической энергетике. Сущность: в конструкции ФЭМ основная часть преобразователей прямого потока 1 образует оптически-концентрирующую систему рефлекторного типа, а остальные преобразователи 2 и 3 смещены в фокальную область концентратора с возможностью преобразования как прямого, так и отраженного концентрированного потока световой энергии. Преобразователи прямого потока образуют параболоцилиндрический концентратор, а преобразователи отраженного концентрированного излучения закреплены в фокальной области либо в перекрытии 5, выполненном из прозрачного материала, либо на проксимальном конце ребра 5, выполненного из теплоотводящего материала. 3 з. п. ф-лы. 7 ил.

Изобретение относится к фотоэлектрическим преобразователям световой энергии в электрическую, а именно касается конструкции солнечного батарей как самостоятельно, так и в составе гелиоустановок и солнечных платформ фотоэлектрических станций, например для геостационарных спутников связи.

Известны ФЭМ преобразователи солнечной энергии в электрическую, выполненные из различных полупроводниковых материалов, например кремния или арсенида галия [1 и 2] однако для выработки значительной электрической мощности их КПД относительно невелик. Разработаны также фотоэлектрические преобразователи с применением различных пленочных, тонкослойных, толстослойных и многослойных материалов с повышенным КПД. Однако использование таких полупроводниковых материалов ограничено из-за их высокой стоимости или технологической сложности производства.

Другим известным направлением в разработке ФЭМ для наземной и космической солнечной энергетики повышенной мощности является поиск различных конструкторско-технических решений, которые позволяют осуществлять преобразование солнечной энергии в электрическую с использованием оптических, в том числе зеркальных концентраторов излучения [3] В этом случае может быть снижена требуемая площадь солнечных панелей и батарей, а следовательно и их стоимость пропорционально кратности концентрирования, но возникают проблемы усложнения конструкций ФЭМ, увеличение тепловых нагрузок и создание эффективных систем теплоотвода и др. проблемы.

Конструкторско-технические и технологические решения, связанные с выбором оптимальной кратности концентрирования солнечной энергии, привели в настоящее время к созданию ФЭМ, использующих для повышения плотности солнечного излучения различные схемы зеркальных концентраторов, таких как фоклины и фоконы, в которых фотоэлектрические преобразователи облучаются как прямым, так и отраженным солнечным светом [4 и 5] Известны также более сложные конструкции ФЭМ, в которых приемник фотоэлектрический преобразователь облучается только отраженным солнечным светом, а зеркально-отражающая система располагается во встречном потоке [6] Этим путем достигаются высокие степени концентрирования излучения и уже разработаны сильноконцентрирующие оптико-энергетические системы с коэффициентом концентрации более 100. Однако значительное повышение плотности потока лучистой энергии в таких системах связано не только с пространственным и спектральным перераспределением энергии, но и с сильным увеличением тепловой нагрузки на фотопреобразователи, что ограничивает возможности использования сильноконцентрирующих систем для разработки высокоэффективных ФЭМ. Кроме того, в известных технических решениях ФЭМ указанного типа концентрирование солнечного излучения и процесс его прямого преобразования в электрическую энергию осуществляется самостоятельными конструктивными элементами фотоэлектрическими преобразователями и зеркальными концентраторами, что ухудшает массогабаритные характеристики этих cистем и не позволяет в полной мере использовать конструкторско-технические резервы повышения эффективности использования направленного встречного потока, отражаемого от концентратора солнечного излучения.

Задача изобретения разработка такого ФЭМ, который позволяет более эффективно по сравнению с (6) использовать энергию направленного потока солнечного излучения.

Задача решается тем, что фотоэлектрический модуль, предназначенный преимущественно для создания панелей солнечных батарей наземного и/или космического назначения, выполнен в виде совокупности электрически связанных элементов фотопреобразователей прямого и отраженного потоков лучистой энергии, закрепленных на теплоотводящей формообразующей основе, при этом основная часть преобразователей прямого потока образует оптически-отражающую концентрирующую систему, а часть преобразователей смещена по оси концентрирующей системы навстречу падающему потоку и закреплена в фокальной области с возможностью преобразования как прямого потока, так и отраженного концентрированного потока излучения.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления фотоэлектрического модуля, преобразователи прямого потока излучения образуют концентрирующую систему параболоцилиндрического типа, снабженную перекрытием, выполненным из прозрачного для излучения материала, а центральная часть преобразователей прямого потока и все преобразователи отраженного концентрированного потока излучения закреплены в фокальной области параллельно образующей параболоцилиндра в форме прямоугольной вырезки с теплоотводящей основой, вмонтированной в несущее прозрачное перекрытие.

Согласно другому предпочтительному варианту фотоэлектрический модуль снабжен теплоотводящим ребром, вмонтированным своим дистальным концом в центральную часть параболоцилиндрической концентрирующей системы, причем преобразователи прямого потока, смещенные по радиальной оси параболоцилиндра, закреплены на торцевой части проксимального конца ребра, обращенной навстречу падающему прямому потоку, а преобразователи отраженного концентрированного потока установлены на тыльной стороне проксимального конца ребра в плоскостях, перпендикулярных биссектрисе угла, образованного фокусом и крайними точками соответствующих дуг мидельного сечения концентратора, образованного преобразователями прямого потока излучения.

Кроме того, в предлагаемом фотоэлектрическом модуле предпочтительное соотношение размеров модуля по величине фокусного расстояния и длины дуги концентрирующей поверхности может составлять от 1:1 до 1:5.

Техническая сущность предлагаемого фотоэлектрического модуля и предпочтительных вариантов его осуществления иллюстрируется следующими фигурами.

На фиг. 1 показана форма образующей фотоэлектрического модуля и оптическая схема концентрации, где 1 совокупность элементарных преобразователей, образующих концентрирующую систему, 2 преобразователи отраженной концентрированной части потока излучения.

На фиг. 2 показаны форма образующей и оптическая схема концентрации 1 - прямого и 2 отраженного потоков излучения в варианте осуществления фотоэлектрического модуля с концентратором, снабженным радиальным ребром для закрепления преобразователей отраженного концентрированного потока.

На фиг. 3 показано поперечное сечение предлагаемого ФЭМ с проницаемым для излучения перекрытием, на котором закреплены преобразователи отраженного и прямого потоков излучения, где 1 преобразователи, образующие концентрирующую систему, 2 преобразователи концентрированного излучения, 3 преобразователи прямого потока, смещенные в фокальную область концентратора, 4 - теплоотводящая, формообразующая основа фотоэлектрического модуля, 5 - прозрачное перекрытие.

На фиг. 4 показана солнечная батарея, смонтированная из фотоэлектрических модулей, снабженных прозрачным перекрытием в фокальной плоскости, общей для всех модулей, обозначение позиций те же, что и на фиг. 3.

На фиг. 5 показано сечение фотоэлектрического модуля с концентратором, снабженным радиальным ребром для закрепления преобразователей отраженного концентрированного потока, где 1 преобразователи, образующие концентрирующую систему, 2 преобразователи концентрированного излучения, 3 преобразователи прямого потока, смещенные в фокальную область концентратора, 4 - теплоотводящая, формообразующая основа фотоэлектрического модуля, 5 несущее ребро из теплопроводящего материала с преобразователями, смещенными навстречу падающему прямому потоку.

На фиг. 6 показан фотоэлектрический модуль с радиальным ребром, находящимся в центральной части концентрирующей системы, где поз. 1-5 те же, что и на фиг. 5.

На фиг. 7 показан один из вариантов солнечной батареи, составленной из фотоэлектрических модулей предлагаемой схемы концентрации, где поз.1-5 те же, что и на фиг. 5 и 6.

Как видно из фиг. 1 и 2, оптическая схема концентратора представляет собой концентрирующую поверхность в форме параболоцилиндра, параболоида, или аналогичных им отражающих систем Френеля. Во всех случаях фотопреобразователи прямого потока излучения 1 расположены на концентрирующих поверхностях, а преобразователи отраженного сконцентрированного потока 2 находятся в фокальной области концентратора. Неиспользуемая центральная часть концентрирующей поверхности, находящаяся в зоне тени образованной фотопреобразователями концентрированного потока, компенсируется преобразователями 3, вынесенными навстречу светового потока за пределы фокусного расстояния концентрирующей системы. Для обеспечения жесткости конструкции и необходимого теплоотвода с поверхности фотопреобразователей предлагаемый фотоэлектрический модуль должен быть выполнен на теплоотводящей, формообразующей основе 4 и может иметь или прозрачное несущее перекрытие 5, фиг. 3 и 4, или ребро жесткости 5, фиг. 5-7 в центре отражающей поверхности. Фотоэлектрические преобразователи отраженного сконцентрированного излучения установлены перпендикулярно биссектрисе угла, образованного фокусом (вершина угла) концентрирующей системы и крайними точками соответствующих дуг концентратора или поверхностей концентрирующей системы. Выбор рекомендуемого соотношения размеров предлагаемого ФЭМ определяется из условия обеспечения необходимой точности концентрирования и минимизации угла наклона касательной в крайней точке дуги мидельного сечения концентрирующей поверхности. На этом основании соотношение размеров предлагаемого ФЭМ по величине фокусного расстояния и длины дуги концентрирующей поверхности может составлять от 1:1 до 1:5.

Предлагаемый ФЭМ работает следующим образом.

Общей осью симметрии модуль должен быть ориентирован на Солнце. При этом параллельный поток cолнечных лучей падает на основную рабочую поверхность преобразователей 1, находящихся на поверхности концентрирующей системы, а также на поверхность преобразователей 3. Часть энергии падающего потока преобразуется в электрическую. Часть идет на нагрев преобразователей, а часть отражается от поверхности преобразователей 1 и концентрируется на поверхности преобразователей 2. Падающий на эти преобразователи поток концентрированного излучения также частично преобразуется в электрическую энергию и тепло, а отразившаяся часть снова попадает на концентрирующую поверхность, где вторично используется для генерации фототока преобразователями 1.

ФЭМ предлагаемой конструкции по сравнению с известными системами, в которых процессы преобразования и концентрирования солнечного излучения происходят отдельно, а так же по сравнению с плоскими панелями солнечных батарей различных конструкций, обеспечивает достижение большей электрической мощности при использовании тех же миделевых площадей и одинаковых материалов преобразователей и во всех случаях повышает эффективность использования солнечной энергии, падающей на единицу поверхности.

Формула изобретения

1. Фотоэлектрический модуль преимущественно для панелей солнечных батарей, выполненный в виде совокупности электрически связанных элементов - фотопреобразователей прямого и отраженного потоков лучистой энергии, закрепленных на теплоотводящей, формообразующей основе, отличающийся тем, что основная часть преобразователей прямого потока образует оптически отражающую концентрирующую систему, а часть преобразователей смещена по оси концентрирующей системы навстречу падающему потоку и закреплена в фокальной области с возможностью преобразования не только прямого, но и отраженного концентрированного потока излучения.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что преобразователи прямого потока излучения образуют концентрирующую систему параболоцилиндрического типа, снабженную перекрытием, выполненным из прозрачного для излучения материала, а часть преобразователей прямого потока и все преобразователи отраженного концентрированного потока излучения закреплены в фокальной плоскости параллельно образующей параболоцилиндра и вмонтированы в несущее прозрачное перекрытие.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что он снабжен теплоотводящим ребром, вмонтированным своим дистальным концом в центральную часть концентрирующей системы, причем преобразователи прямого потока, смещенные по радиальной оси параболоцилиндра, закреплены на торцевой части проксимального конца ребра, обращенной навстречу падающему прямому потоку, а преобразователи отраженного концентрированного потока установлены на тыльной стороне проксимального конца ребра в плоскостях, перпендикулярных биссектрисе угла, образованного фокусом и крайними точками соответствующих дуг мидельного сечения концентратора.

4. Модуль по п. 2 или 3, отличающийся тем, что соотношение размеров модуля по величине фокусного расстояния и длины дуги концентрирующей поверхности составляет от 1 1 до 1 5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7