Фотоэлектрический модуль

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович Залесский Валерий Борисович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Фотоэлектрический модуль, содержащий верхнюю панель с линзовыми концентраторами на ее внутренней стороне, выполненную в виде одного монолитного элемента из материала, обеспечивающего разложение солнечного излучения на отдельные спектральные компоненты, нижнюю панель, на внутренней стороне которой на теплоотводящих основаниях установлены ИК-фотоэлементы, и герметично установленную под углом к нижней панели и боковым стенкам модуля промежуточную панель со спектроделительным покрытием для оптической связи линзовых концентраторов с соответствующими ИКфотоэлементами и установленными на теплоотводящих основаниях на одной из боковых стенок солнечными фотоэлементами, а также узлы защиты фотоэлементов для обеспечения их индивидуальной герметичной изоляции от внутреннего объема модуля, при этом каждый фотоэлемент установлен с возможностью преимущественного приема излучения со спектром, соответствующим его максимальной чувствительности. 14294 1 2011.04.30 2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что линзовые концентраторы выполнены квадратными. 3. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что верхняя панель с линзовыми концентраторами выполнена из прозрачного полистирола. 4. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что спектроделительное покрытие выполнено на основе диэлектрических материалов. 5. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что боковые стенки выполнены с гибкими герметичными вставками. 6. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что боковые стенки и все панели устройства герметично соединены между собой. Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным фотоэлектрическим модулям с концентраторами излучения для получения электричества. Известно устройство 1, содержащее оптически последовательно связанные концентрирующий элемент - линзу Френеля и диспергирующий элемент - интерференционную зеркальную пленку, германиевый фотопреобразователь ИК-диапазона, механически соединенный с тепловым коллектором, при этом интерференционная зеркальная пленка оптически связана с кремниевым фотопреобразователем видимого диапазона и механически перемещается между двумя шпинделями. Устройство не обеспечивает высокий коэффициент полезного действия (КПД), так как не использует часть спектра солнечного излучения с длиной волны более 1,2 мкм, а тепло нагретых элементов - фотопреобразователя ИК-диапазона и интерференционных зеркальных пленок - рассеивается в окружающую среду. Более того, в описанном изобретении необходимо перемещать интерференционные зеркальные пленки и устройство целиком,на что затрачивается часть выходной мощности фотопреобразователей. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фотоэлектрический модуль 2, содержащий фронтальную панель из силикатного стекла с линзовыми концентраторами из силикона на ее тыльной стороне, боковые стенки, а также тыльную панель, на верхней стороне которой на теплоотводящих основаниях установлены солнечные фотоэлементы и соосные им дополнительные оптические элементы, которые являются составляющей узлов защиты солнечных фотоэлементов, при этом указанные узлы выполнены с возможностью обеспечения индивидуальной герметичной изоляции каждого солнечного фотоэлемента от внутреннего объема модуля. Устройство не обладает высоким коэффициентом полезного действия (КПД), так как не вся энергия видимого и ИК спектральных диапазонов солнечного излучения преобразуется в электричество и воздушно-конвекционный способ охлаждения не обеспечивает поддержание оптимального температурного режима работы фотоэлементов. Более того,высокая динамичная температурная нагрузка фотоэлементов устройства (при плотной переменной облачности) значительно снижает надежность его работы. Техническая задача - повышение КПД преобразования энергии солнечного излучения в электричество. Поставленная техническая задача решается тем, что в фотоэлектрический модуль, содержащий верхнюю панель с линзовыми концентраторами на ее внутренней стороне, выполненную в виде одного монолитного элемента из материала, обеспечивающего разложение солнечного излучения на отдельные спектральные компоненты, нижнюю панель, на внутренней стороне которой на теплоотводящих основаниях установлены ИКфотоэлементы, и герметично установленную под углом к нижней панели и боковым стенкам модуля промежуточную панель со спектроделительным покрытием для оптической связи линзовых концентраторов с соответствующими ИК-фотоэлементами и установлен 2 14294 1 2011.04.30 ными на теплоотводящих основаниях на одной из боковых стенок солнечными фотоэлементами, а также узлы защиты фотоэлементов для обеспечения их индивидуальной герметичной изоляции от внутреннего объекта модуля, при этом каждый фотоэлемент установлен с возможностью преимущественного приема излучения со спектром, соответствующим его максимальной чувствительности. Для эффективного решения поставленной технической задачи линзовые концентраторы выполнены квадратными. Для эффективного решения поставленной технической задачи верхняя панель с линзовыми концентраторами выполнена из прозрачного полистирола. Для эффективного решения поставленной технической задачи спектроделительное покрытие выполнено на основе диэлектрических материалов. Для эффективного решения поставленной технической задачи боковые стенки выполнены с гибкими герметичными вставками. Для эффективного решения поставленной технической задачи боковые стенки и все панели устройства герметично соединены между собой. Совокупность всех признаков позволяет более равномерно распределять тепловую нагрузку на все фотоэлементы устройства, каждый участок которых имеет на входе солнечное излучение со спектром, соответствующим его максимальной спектральной чувствительности. Кроме этого, в предлагаемом устройстве более высокий процент энергии солнечного излучения достигает фотоэлементов. Все это позволяет более чем в 2 раза увеличить КПД устройства. Сущность изобретения поясняется приведенной на фигуре функциональной схемой. В фотоэлектрическом модуле верхняя панель с линзовыми концентраторами 1 оптически через спектроделительные покрытия 5, расположенные на промежуточной панели 4, и герметичные антиотражающие покрытия 9 параллельно связана с инфракрасными (ИК) фотоэлементами 7 и солнечными фотоэлементами 8, расположенными на теплоотводящих основаниях 6 внутренних сторон соответственно нижней панели 3 и боковых стенок 2. Контактами солнечных 8 и ИК 7 фотоэлементов являются теплоотводящие основания 6 и проводники 11 на диэлектрической подложке 10. Гибкие герметичные вставки 12 установлены в боковых стенках 2. В конкретном исполнении верхняя панель с линзовыми концентраторами 1 выполняется термоформованием из прозрачного полистирола. Боковые стенки 2, нижняя панель 3,промежуточная панель 4 - это прозрачные детали герметичного корпуса устройства, выполненные стандартными технологическими методами из силикатного стекла. Спектроделительное покрытие 5 - это набор диэлектрических пленок, полученных методами вакуумного напыления, как в 3. Теплоотводящие основания 6 - это металлические пластины, выполненные из нержавеющей стали 4013. ИК фотоэлементы 7 и солнечные фотоэлементы 8 - это выполненные по интегральной технологии диодные фотопреобразующие структуры соответственно из антимонида 4 и арсенида 2 галлия, причем толщина - перехода этих структур изменяется как функция радиуса расположения участков фотоэлементов от точки, через которую проходит оптическая ось соответствующего линзового концентратора 1. Герметичные антиотражающие покрытия 9 - это покрытия, выполненные из стандартного клея, использующегося для герметизации и просветления безкорпусных фотоприемников, например, на основе силикона. Контактами солнечных 8 и ИК 7 фотоэлементов являются теплоотводящие основания 6 и проводники 11 на диэлектрической подложке 10, выполненные из фольгированного стеклотекстолита и расположенные рядом с соответствующими фотоэлементами. Гибкие герметичные вставки 12 выполнены из термостойкой резины - полиуретана. Работает фотоэлектрический модуль следующим образом. Входное солнечное излучение нормально падает на верхнюю панель с линзовыми концентраторами 1. Так как верхняя панель вместе с линзовыми концентраторами 1 выполнена в виде одного монолитного 3 14294 1 2011.04.30 элемента из материала с высоким значением основной средней дисперсии в видимой области, то во - первых, отсутствуют потери излучения на входе линзового концентратора, а во - вторых, более короткие длины волн каждого оптического луча входного солнечного излучения будут отклоняться на больший угол. Солнечное излучение, прошедшее верхнюю панель с линзовыми концентраторами 1, поступает на спектроделительное покрытие 5, расположенное на промежуточной панели 4, где оно разделяется на два спектральных диапазона видимый и ИК. Полученные два световых потока через герметичные антиотражающие покрытия 9 параллельно поступают соответственно видимое излучение - на солнечные фотоэлементы 8, инфракрасное излучение - на ИК фотоэлементы 7. Так как солнечные 8 и ИК 7 фотоэлементы расположены на разных расстояниях от линзовых концентраторов, то в фокальных плоскостях, где расположены соответствующие фотоэлементы, вокруг окрестности точек фокусов концентрируются более короткие длины волн. На ИК фотоэлементах 7 - с длиной волны 0,8 мкм, т.е. ближнего ИК диапазона, а на солнечных фотоэлементах 8 - фиолетовые лучи (0,4 мкм). Таким образом, каждый участок обоих типов фотоэлементов, который имеет на входе излучение со спектром, соответствующим его максимальной чувствительности, работает с более высоким КПД, достигающим для отдельных длин волн излучения величины, равной 494. Электрическое напряжение,полученное во всех фотоэлементах устройства, приложено к его выходным контактам, т.е. теплоотводящим основаниям 6 и проводникам 11 на диэлектрических подложках 10. Гибкие герметичные вставки 12 предназначены для исключения агрессивного воздействия внешней среды на все фотоэлементы и уменьшения вариаций давления внутри фотоэлектрического модуля при переменной облачности. Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет более чем в 2 раза повысить КПД преобразования энергии солнечного излучения в электричество, так как все чувствительные участки обоих типов фотоэлементов имеют на входе те длины волн,при которых их внешний квантовый выход (коэффициент преобразования фотонов) достигает величины 0,9 4. При этом максимальное значение КПД получается при минимальных отражении части излучения от поверхности фотоэлементов, поглощении части фотонов контактными дорожками, расположенными на их поверхности, и падении электрического напряжения на выходном сопротивлении всех фотоэлементов. В заявляемом устройстве солнечное излучение, отраженное от дополнительных оптических элементов,представляющих собой спектроделительное покрытие 5, расположенное на промежуточной панели 4, не теряется, а полностью используется для генерации электричества. Более того, отсутствуют потери солнечного излучения при переходе его из верхней панели в линзовый концентратор, так они выполнены в виде одного монолитного элемента, а пространственная входная апертура, при использовании квадратной формы линзовых концентраторов, увеличивается на 27 . Перечисленные выше факторы позволяют поднять КПД устройства до 60 и выше. Источники информации 1. Заявка ФРГ 102004005050, 2006. 2. Патент РФ 2354005. 3. Патент РФ 96109908. 4. Хвостиков В.П., Растегаева И.Г., Хвостикова О.А. и др. Высокоэффективные (49 ) мощные фотоэлементы на основе антимонида галлия // Физика и техника полупроводников. - 2006. - Т. 40. - Вып. 10. - С. 1275-1279. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4