Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором



Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором
Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором
Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором
Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором

 


Владельцы патента RU 2444808:

Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU)

Фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения относится к гелиотехнике. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий линзу Френеля с концентрическим рабочим профилем и фотоэлектрический приемник ФЭП в фокальной плоскости с устройством охлаждения, отличающийся тем, что линза Френеля состоит из двух зон с рабочими профилями, одна с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая - от центра к периферии; приемник выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr и с внутренним радиусом кольцевого приемника r0, равным соотношению r0=n0*Δr, где n0 выбирается из ряда целых чисел n=0…N и внешним радиусом линзы R-N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr. Изобретение обеспечивает повышение КПД преобразования и снижения стоимости вырабатываемой энергии. 4 ил.

 

Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами.

Известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде линзы Френеля (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович. «Концентраторы солнечного излучения», глава 2 «Концентраторы на основе линз Френеля», стр.50-66. Известные солнечные модули имеют линзы с рабочим профилем, создающие в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы кремниевыми планарными ФЭП.

Известен солнечный фотоэлектрический модуль (прототип), состоящий из линзы Френеля и фотоэлектрического приемника (ФЭП), выполненного из последовательно соединенных секторов круглого планарного ФЭП и расположенного на фокусном расстоянии с соответствующей продольной дефокусировкой фокального пятна (Тверьянович Э.В., Красина Е.А., Жуков К.В., Мусихин М.В., Невежин О.А. Исследование фотоэлектрических модулей на основе линз Френеля. Сб. Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических энергоустановок. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.33-36).

Недостатками известного технического решения являются:

- снижение КПД планарными кремниевыми ФЭП при высоких концентрациях солнечного излучения;

- расположение оптического фокуса на оси линзы Френеля и неоднородность распределения освещенности поверхности фотоприемника ограничивают конфигурацию и тип применяемых ФЭП (возможно применение только круглых планарных ФЭП);

- низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~0,5 B) приводят к необходимости последовательной коммутации большого числа ФЭП в солнечном фотоэлектрическом модуле, чтобы набрать напряжение 12В и выше, приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п. Последовательная коммутация большого числа ФЭП уменьшает надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к отказу всей цепи.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерного освещения фотоприемника, получение на одном ФЭП (модуле) технически приемлемого напряжения (12B и выше), повышение КПД преобразования и снижения стоимости вырабатываемой энергии.

В результате использования предлагаемого изобретения - на поверхности высоковольтного фотопреобразователя формируется равномерная освещенность концентрированного излучения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в солнечном фотоэлектрическом модуле с концентратором, содержащем линзу Френеля с концентрическим рабочим профилем и фотоэлектрический приемник ФЭП в фокальной плоскости с устройством охлаждения, линза Френеля состоит из двух зон с рабочими профилями, одна с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая - от центра симметрии к периферии; а преемник выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr и с внутренним радиусом кольцевого приемника r0, равным r0=n0*Δr, где n0 выбирается из ряда целых чисел n=0…N и внешним радиусом линзы R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4.

На фиг.1 представлена схема конструкции фотоэлектрического модуля с линзой Френеля, обеспечивающей равномерное распределение концентрированного излучения на приемнике.

На фиг.2 представлен ход лучей от линзы Френеля до приемника.

На фиг.3 представлен график зависимости геометрической концентрации модуля от площади приемника.

На фиг.4 представлены графики распределения концентрации освещенности на приемнике модуля с различными внутренними радиусами.

Фотоэлектрический модуль содержит: концентрическую линзу Френеля 1, которая состоит из двух зон с рабочими профилями, одна зона 2 с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая зона 3 - от центра симметрии 4 к периферии; приемник 5 с устройством охлаждения 6 приемника, установленный в фокальной плоскости 7, выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr и с внутренним радиусом кольцевого приемника r0, равным соотношению r0=n0*Δr, где n0 выбирается из ряда целых чисел n=0…N и внешним радиусом линзы R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr.

Основные расчетные соотношения хода лучей от линзы Френеля до приемника:

где βn - угол между лучом, перпендикулярным наружной плоскости ЛФ 1 и преломленным лучом, попадающим на приемник 5, расположенным на радиусе Rno; j1n - угол между лучом, перпендикулярным наружной плоскости ЛФ 1, и лучом, перпендикулярным к рабочей плоскости, расположенной на радиусе Rn; j2n - угол между лучом, перпендикулярным к рабочей плоскости линзы Френеля, и преломленным лучом, попадающим на приемник 5, расположенным на радиусе Rno=r0.

Радиус Rn равен соотношению:

Относительный коэффициент преломления n12 определяется согласно соотношению:

Расстояние от ЛФ 1 до приемника 5 H определяется соотношением:

Ширина рабочей плоскости ЛФ 1 ln равно соотношению:

Высота наклона рабочей плоскости ЛФ 1 hn равна соотношению:

Площадь освещенности приемника 5 Sno с внутренним радиусом r0 рассчитывается согласно выражению:

Площади приемника 5 ΔSmno с внутренним радиусом r0 в интервалах Δm рассчитывается согласно выражению:

где m выбирается из ряда чисел m=0…1, кратному Δm.

Суммарные площади освещенности ΔSmn по радиусу приемника 5 в интервалах Δm рассчитывается согласно выражению:

Значение ряда в формуле (11) имеет вид:

где

Концентрация освещенности по радиусу приемника 5 Kmno в интервалах Δm соответствует выражению:

Геометрическая концентрация освещенности приемника 5 Kno равна:

На основании приведенных формул произведен расчет зависимости геометрической концентрации модуля от ширины (площади) приемника 5 (фиг.3).

При уменьшении внутреннего радиуса приемника 5 r0 от R до 0 (при постоянном значении Δr), т.е. при уменьшении площади приемника 5 происходит увеличение геометрической концентрации модуля Kno.

Таким образом, можно изменять геометрическую концентрацию модуля, не меняя габаритных размеров линзы Френеля 1 и выбранный тип приемника 5.

На фиг.4 приведены зависимости распределения освещенности по радиусу приемника 5 с различными внутренними радиусами r0 от изменения радиуса приемника 5. На основании приведенных характеристик видно, что изменение концентрации освещенности по радиусу преемника 5, при изменении внутреннего радиуса r0, не превышает 10%, что не влияет на электрофизические характеристики ФЭП.

Пример выполнения солнечного модуля с концентратором.

Концентрическая линза Френеля 1 радиусом R=15 см выполнена из пластмассы с коэффициентом преломления n12=1,5; рабочий профиль линзы состоит из чередующихся концентрических призм шириной Δr=1 см с углами наклона, обеспечивающими концентрацию лучей на приемник 5, выполненный в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr=1 см и с внутренним радиусом r0=7 см, закрепленный на кольцевом устройстве охлаждения 6 на расстоянии H=28,6 см. Концентрация освещенности на всей поверхности фотоэлектрического приемника 5 составит K=15 крат.

Таким образом, предложенный фотоэлектрический модуль солнечного концентрированного излучения с высоковольтным фотоэлектрическим преобразователем и линзой Френеля 1 обеспечивает: равномерное распределение освещенности на фотоприемнике 5, из последовательно-параллельно соединенных ФЭП, тем самым повышая напряжение модуля и КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.

Работает солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором следующим образом.

Солнечное излучение, попадая на поверхность прямоугольной линзы Френеля 1, преломляется на ее рабочих профилях, изготовленных с интервалами Δr и углами наклона j1n, ориентированных в своих зонах таким образом, чтобы одна зона 2 обеспечивала концентрацию лучей от периферии к центру, а другая зона 3 - от центра симметрии 4 к периферии под углами βn, формируя на поверхности приемника 5 с устройством охлаждения 6 шириной Δr, установленного в фокальной плоскости 7, равномерную освещенность концентрированного излучения; приемник 5 выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических преобразователей шириной Δr и с внутренним радиусом r0, равным соотношению r0=n0*Δr, где n0 выбирается из ряда целых чисел n=0…N и внешним радиусом линзы R=N*Δr, где N - число интервалов величиной Δr.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором, содержащий линзу Френеля с концентрическим рабочим профилем и установленный фотоэлектрический приемник ФЭП в фокальной плоскости с устройством охлаждения, отличающийся тем, что линза Френеля состоит из двух зон с рабочими профилями: одна с концентрацией лучей от периферии к центру, а другая - от центра к периферии; приемник выполнен в виде кольца из скоммутированных высоковольтных ФЭП шириной Δr и с внутренним радиусом кольцевого приемника r0, равным соотношению r0=n0·Δr, где n0 выбирается из ряда целых чисел n=0…N, и внешним радиусом линзы R=N·Δr, где N - число интервалов величиной Δr.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к конструкции солнечного фотоэлектрического субмодуля, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. .

Изобретение относится к области солнечной энергетики. .

Изобретение относится к области фотоэлектрического преобразования энергии, в частности к системам с расщеплением солнечного спектра на длинноволновый и коротковолновый диапазоны.

Изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к фотоэлектрическим модулям. .

Изобретение относится к области солнечной энергетики. .

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к концентраторным фотоэлектрическим модулям, и предназначено для применения в концентраторных солнечных энергоустановках, используемых в качестве систем автономного энергоснабжения в различных климатических зонах.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. .

Изобретение относится к термофотоэлектрическим генераторам для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. .

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к конструкции солнечных фотоэлектрических модулей с фотоэлектрическими приемниками солнечного излучения и концентраторами
Изобретение относится к изготовлению фотоэлектрических модулей с применением клейких пленок, отражающих солнечный свет

Изобретение относится к области солнечной энергетики. Фотоэлектрический концентраторный субмодуль содержит фронтальный стеклянный лист (1), на тыльной стороне которого расположен первичный оптический концентратор в виде линзы (2) квадратной формы с длиной стороны квадрата, равной W, и фокусным расстоянием F. В центральной области поверхности линзы (2) квадратной формы и соосно с ней установлен фотоэлемент (4) толщиной z1, выполненный в виде квадрата со стороной, равной d1, размещенный на теплоотводящем основании (3), выполненном в виде круга диаметром d2 или прямоугольника с длиной большей стороны d2 и толщиной z2. На фотоактивной поверхности фотоэлемента (4) соосно с линзой (2) квадратной формы установлен вторичный оптический концентратор в виде, например, усеченного стеклянного конуса (5), высотой h1, обращенного меньшим основанием к фотоэлементу. Параллельно фронтальному стеклянному листу (1) установлен тыльный стеклянный лист (6) со светоотражающим зеркальным покрытием (7). Расстояние от светоотражающего зеркального покрытия (7) до фотоэлемента (4) равно L. Величины F, W, d1, d2, z1, z2, h1 и L удовлетворяют определенным соотношениям. Изобретение обеспечивает уменьшение трудоемкости изготовления фотоэлектрического субмодуля при обеспечении высокой точности монтажа фотоэлемента и сохранении хорошей разориентационной характеристики, что позволит увеличить его энергопроизводительность и надежность. Снижение расхода материалов за счет уменьшения в 2 раза толщины субмодулей также позволит уменьшить стоимость изготовления фотоэлектрического модуля. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области беспроводной передачи энергии с потоком концентрированного электромагнитного излучения оптического диапазона, в частности монохроматического электромагнитного излучения лазера, на приемник-преобразователь на основе фотоэлектрического преобразователя и может найти применение в космической энергетике. Сущность изобретения: создание приемника-преобразователя концентрированного электромагнитного излучения, включающего приемную плоскость, выполненную в виде панели фотоэлементов с антиотражающим покрытием и с электрической коммутацией фотоэлементов, систему отвода тепла от фотоэлементов, несущую силовую конструкцию, на внешней поверхности приемной плоскости которого установлены своими основаниями три симметричные концентричные конические оболочки - центральная, периферийная и средняя между ними, при этом их общая ось симметрии проходит через центр панели фотоэлементов, выполненной в виде круга радиусом R, и перпендикулярна панели, причем периферийная и средняя конические оболочки выполнены усеченными с высотой h каждая, средняя коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания rα и с углом при вершине α=90°, периферийная коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания rβ=R и углом при вершине β, отвечающим определенному соотношению, центральная коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания rγ и углом при вершине γ, отвечающими определенному соотношению, а внешние поверхности средней и центральной конических оболочек и внутренние поверхности периферийной и средней конических оболочек выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. Изобретение позволяет: повысить КПД приемника-преобразователя благодаря созданию более равномерного облучения последовательно и параллельно соединенных фотоэлементов, что позволяет снизить разброс электрических параметров фотоэлементов и групп, что в целом уменьшает схемные потери; увеличить ресурс приемника-преобразователя за счет снижения риска разрушения отдельных фотоэлементов и межэлементных связей благодаря более равномерному температурному распределению по поверхности приемной плоскости; создать более благоприятные условия работы системы отвода тепла от фотоэлементов приемной плоскости. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является увеличение количества выработки электроэнергии. Устройство (1) освещения с солнечным энергоснабжением, содержащее солнечный элемент (2), источник (8) света, адаптированный, по меньшей мере, для частичного питания электроэнергией, получаемой от солнечного элемента (2), и конструктивный элемент (3), имеющий первую сторону (4), снабженную первой отражающей поверхностью (5), выполненной с возможностью направлять солнечный свет (6) непосредственно к солнечному элементу (2), и вторую сторону (7), к которой термически подсоединен источник (8) света для рассеяния тепла, генерируемого источником (8) света во время излучения света (9). 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к системам охлаждения фотоприемных устройств. Охлаждаемое основание фотоприемного устройства выполнено из материала, имеющего одинаковый или близкий к охлаждаемому элементу коэффициент теплового расширения и для снижения неравномерности охлаждения через всю длину основания проходит отверстие, в которое помещается тепловая труба, а оставшийся зазор между тепловой трубой и отверстием основания заполняется галлием, образуя механическую связь с хорошей теплопроводностью. Изобретение позволяет значительно снизить температурный градиент при охлаждении крупноформатных фотоприемных устройств, выполненных как на одной подложке, так и набранных из нескольких модулей. 2 ил.

Настоящее изобретение относится к технологии термофотоэлектрических преобразователей с микронным зазором (MTPV) для твердотельных преобразований тепла в электричество. Суть заключается в формировании и последующем поддержании маленького расстояния между двумя телами в субмикронном зазоре для улучшения качества преобразования. Пока возможно достичь субмикронного расстояния зазора, термоэффекты на горячей и холодной поверхностях стимулируют поперечное колебание, скручивание или деформацию элементов, происходящие в вариациях в месте зазора, что приводит к неконтролируемым вариациям при выходе мощности. Главным моментом в конструировании является допущение снижения контакта эмиттерных чипов с внутренней поверхностью оболочки, так чтобы происходила хорошая передача тепла. Фотоэлектрические гальванические элементы направляются навстречу эмиттерным чипам, чтобы придавить их к внутренней стенке. Высокая температура материала термоповерхности улучшает передачу тепла между внутренней поверхностью оболочки и эмиттерным чипом. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к оптике и касается слоистой интегрированной конструкции с внутренними полостями и способа ее изготовления для применения в гелиотехнике, в технологиях, связанных с получением пластин, в охлаждающих каналах, для освещения теплиц, подсветки окон, уличного освещения, подсветки транспортных потоков, в отражателях транспортных средств или в защитных пленках. Конструкция содержит первый несущий компонент, такой как деталь из пластика или стекла, содержащий оптически прозрачный материал, способный пропускать излучение, и второй несущий компонент, снабженный по меньшей мере одним паттерном поверхностного рельефа, который содержит множество элементов поверхностного рельефа, и выполненный с возможностью осуществления по меньшей мере одной заданной оптической функции в отношении падающего излучения. Второй несущий компонент содержит, в качестве опции, оптически прозрачный материал, способный пропускать излучение. При этом первый и второй несущие компоненты соединены посредством ламинирования таким образом, что внутри образованной слоистой конструкции находится по меньшей мере один паттерн поверхностного рельефа, а между первым и вторым несущими компонентами сформированы связанные с указанным паттерном оптически функциональные полости. Оптическая функция обеспечена и сконфигурирована за счет размеров, материала, положения и/или согласованности внутренних элементов рельефа. Изобретение обеспечивает создание слоистой структуры, позволяющей повысить эффективность подвода излучения. 8 н. и 23 з.п. ф-лы, 13 ил.
Наверх