CZ2012636A3

CZ2012636A3 - Fotovoltaický systém zahrnující elementární rezonátor pro využití v energetice

Info

Publication number: CZ2012636A3
Application number: CZ2012-636A
Authority: CZ
Inventors: Pavel Fiala
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-26
Also published as: EA201590322A1; AU2012389626A1; EP2896073A2; TN2015000088A1; MX345456B; MY172199A; PH12015500560A1; MX2015003289A; EA028829B1; IL237587A0; MA37995A1; BR112015005486B1; MA37995B1; WO2014040576A2; AU2017258961A1; SG11201501630YA; WO2014040576A3; CL2015000626A1; JP2015534268A; HK1208762A1

Abstract

Solární element zahrnuje elementární rezonátor uspořádaný v dielektrické struktuře, kterou tvoří oblast (5) s minimálním elektromagnetickým útlumem, jejíž horní plocha tvoří rovinu dopadu (3), a oblast (5) s minimálním elektromagnetickým útlumem je vzhledem k dopadající elektromagnetické vlně (1) transparentní a je ohraničena hranicemi (6) změn materiálových vlastností. Minimálně jeden 2D-3D rezonátor (4) je obklopen dielektrikem (10) a je uspořádán v dielektrické struktuře. Na oblast (5) s minimálním elektromagnetickým útlumem navazuje minimálně jedna další oblast (20) s rozdílnou rezonanční frekvencí elementárního rezonátoru. Systém je ukončen buď do volného prostoru nebo solárním prvkem (11) (systémem) určeným k úplnému pohlcení zbylé energie dopadající elektromagnetické vlny (1).

Description

FOTOVOLTAICKÝ SYSTÉM ZAHRNUJÍCÍ ELEMENTÁRNÍ REZONÁTOR PRO

VYUŽITÍ V ENERGETICE

Oblast techniky

Vynález se týká solárního systému s elementy zahrnujícími rezonátor s vysokou účinností přeměny světlené (tepelné) energie na elektrickou energii, který zahrnuje strukturu umístěnou mezi dvojicí elektrod s konstrukčním záměrem použití elementu pro primární cíl- přeměnu sluneční energie na elektrickou s vysokou účinností přeměny formy energie.

Dosavadní stav techniky

Stav oblasti fotovoltaiky je takový, že se používají více než půl století staré principy na přeměnu elektromagnetické vlny ( záření) (EMG ) ze Slunce (jedná se o širokospektrální elektromagnetické záření v rozmezí od 100 nm až 10000 nm vlnové délky). Solární buňky jsou složeny ze dvou vrstev polovodičového materiálu (typicky z křemíku), které jsou umístěny mezi dvěma kovovými elektrodami. Jedna z vrstev materiál typu N obsahuje velké množství negativně nabitých elektronů, kdežto druhá vrstva - materiál typu P obsahuje velké množství děr, které se dají popsat jako prázdná místa, která snadno akceptují elektrony. Zařízení, která přeměňují elektromagnetické vlny na elektromagnetickou vlnu nižší frekvence - na stejnosměrnou složku se nazývají transvertory/měniče. Pro tento účel se používají polovodičové struktury různých konstrukcí a koncepcí se znalostí pouze experimentálních následků jevu transformace elektromagnetické vlny.

Doposud navrhované antény, detektory nebo struktury nejsou laděny do rezonance. Používané polovodičové struktury velmi obtížně řeší vznik stojatých elektromagnetických vln a dodatečnými opatřeními se pak zvyšuje účinnost přeměny energie.

Obdobná řešení se zabývají principy antén a transformací postupné elektromagnetické vlny na jiný charakter elektromagnetického záření (postupnou elektromagnetickou vlnu s jinou polarizací nebo stojatou elektromagnetickou vlnu) a její následné zpracování. Problémy se vyskytují s dopadající elektromagnetickou vlnou a jejím odrazem, širokospektrálním charakterem slunečního záření. Je problém vytvořit anténu, která by zachovávala své navržené vlastnosti v širokém spektru přes několik dekád.

Existuje návrh řešení, ve kterém pomocí jednovrstvého systému laděných struktur na bázi polovodiče v rezonančním modu se vytěžuje dopadající světelné záření.

V české přihlášce PV 2011-42 je popisován fotovoltaický element zahrnující rezonátor uspořádaný na polovodičové struktuře, kterou tvoří oblast bez elektromagnetického útlumu, jejíž horní plocha tvoří rovinu dopadu, a oblast s elektromagnetickým útlumem, které jsou ohraničeny myšlenými hranicemi změn materiálových vlastností, přičemž minimálně jeden 2D-3D rezonátor je obklopen dielektrikem a je uspořádán v polovodičové struktuře, přičemž na oblast s elektromagnetickým útlumem, navazuje vztažná elektroda. Jeho nevýhoda spočívá v tom, že při dopadu elektromagnetické vlny s vysokou hustou výkonu v oblasti spektra infračerveného záření A, B, C a D může dojít k přehřátí polovodivého substrátu, což má za důsledek snížení životnosti nebo i destrukci elementu.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je nová konstrukce solárního elementu opatřeného rezonátorem uspořádaného na dielektrické struktuře, který díky své konstrukci rezonuje a vytváří vysoké složky elektrického a magnetického pole způsobem, že tyto složky jsou použitelné a zpracovatelné známou technologií na bázi klasických elektronických prvků.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny solárním elementem zahrnujícím rezonátor uspořádaný ve struktuře, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořen vrstvenou dielektrickou strukturou sestávající z oblasti s minimálním elektromagnetickým útlumem, jejíž horní plocha tvoří rovinu dopadu, přičemž vrstvená dielektrická struktura je propustná pro elektromagnetickou vlnu a je ohraničená hranicemi změn materiálových vlastností, přičemž minimálně jeden 2D3D rezonátor je uspořádán v oblasti s minimálním elektromagnetickým útlumem, kde jeho 2D část je uspořádána v rovině dopadu, zatímco jeho 3D část je umístěna v dielektriku, přičemž na oblast s minimálním elektromagnetickým útlumem, navazuje minimálně jedna oblast s rozdílnou rezonanční frekvencí, která je ohraničená hranicemi změn materiálových vlastností, přičemž minimálně jeden 2D-3D rezonátor je uspořádán v oblasti s rozdílnou rezonanční frekvencí, kde jeho 2D část je uspořádána v rovině dopadu, zatímco jeho 3D část je umístěna v dielektriku, přičemž na poslední strukturu s rozdílnou rezonanční frekvencí ve směru šíření elektromagnetické vlny navazuje solární systém.

Pro vytvoření vysokých složek elektrického a magnetického pole je výhodné, když 2D-3D rezonátor tvoří dvě části, z nichž první 2D část tvoří transformační prvek upravený na ploše dopadu, sestávající z dvojice elektrod v podobě vodičů vzájemně do sebe uspořádaných, zatímco druhou 3D část tvoří dielektrikum a reflektor, který je uspořádán jednak uvnitř oblasti bez elektromagnetického útlumu a jednak uvnitř oblasti, kterou dopadající elektromagnetická vlna dále bezeztrátově prochází, přičemž transformační prvek je dále uspořádán na dielektriku, na něž je s výhodou kolmo umístěn reflektor.

Je známo, ve které části spektra slunečního záření je vysoká hustota toku výkonu elektromagnetické vlny (W/m²)- obvykle označováno veličinou spektrální hustota výkonu. Vynález se zaměřuje na tyto části slunečního spektra jako zdroje energie. Solární element v podobě 2D-3D rezonátoru uspořádaného na vrstvené dielektrické struktuře je pro zvolenou část spektra naladěn na frekvenci dopadající EMG vlny a to tak, že se zaměřuje na oblasti s vysokými hodnotami spektrálních hustot výkonu (například oblast infračerveného záření A, B, C a D), zatímco další 2D3D rezonátor je naladěn na odlišnou frekvenci vybrané části spektra a je zařazen za předchozím 2D-3D rezonátorem ve směru postupu dopadající elektromagnetické vlny. Tímto zařazením dalších (teoreticky nekonečně mnoha, reálně až několika set) rezonátorů uspořádaných ve vrstvách (oblastech) za sebou lze podle geografických a podnebních podmínek sestavit soustavu solárních elementů s 2D-3D rezonátory, které dokáží maximálním způsobem z dopadající elektromagnetické vlny získat energii a transformovat ji na elektrickou s tím, že technologie výroby a návrh tet ·> ' * * W ft * a - » i. - * * /| «»»··-*-= * - e ··· · ·· · · ··»»·»· rezonančního rezonátoru dovoluje vysoké teplotní rozdíly a dlouhou životnost vzhledem k dosavadním používaným solárním a fotovoltaickým elementům. Koncept podle tohoto vynálezu se vyznačuje jednou z nejvyšších dosažitelných účinností přeměny světlené/tepelné energie na elektrickou energii.

Výhodou nové konstrukce solárního elementu je, že solární element tvoří vrstvená dielektrická struktura. Strukturu tvoří jednotlivé oblasti dielektrického materiálu, přičemž 2D-3D rezonátor je součástí každé oblasti s dielektrickými vlastnostmi. Takto navržené uspořádání vrstvené dielektrické struktury generuje minimální velikost amplitudy, fáze zpětné elektromagnetické vlny šířící se směrem k dopadající elektromagnetické vlně pocházející ze zdroje, kterým je Slunce nebo jiný zdroj elektromagnetického záření. Solární element vytěží potřebnou část energie a samotná vrstvená dielektrická struktura se nezahřeje díky efektům z dopadající nebo dopadající a zpětně odražené elektromagnetické vlny na solární element. 2D-3D rezonátor je navržen tak, aby elektromagnetická vlna, která prostoupí touto dielektrickou strukturou, se šířila dále za 2D-3D rezonátor do dalších oblastí s 2D-3D rezonátory a na konci vrstvené dielektrické struktury do volného prostoru nebo solárního systému, který může vytěžit zbývající energie ve formě zbytkového tepla nebo elektromagnetické vlny nebo světla. Tím se chová jako nejlépe impedančně přizpůsobená anténa nebo ideální převodník energie pro navržené velmi široké a libovolně měnitelné kmitočtové spektrum.

Vrstvená dielektrická struktura, má tyto základní části. Oblast s minimálním elektromagnetickým útlumem, která je ohraničena rovinami změn materiálových vlastností, přičemž právě oblast s minimem elektromagnetického útlumu má za úkol vytěžit část energie z dopadající elektromagnetické vlny na její hranici a zbytek s minimálními ztrátami nechat vystoupit z této oblasti. Minimálně jeden 2D-3D rezonátor je uspřádán na rovině dopadu, která je v tomto případě totožná s rovinou změny materiálových vlastností. Tyto části zabezpečují výhodné zpracování elektromagnetické vlny tak, aby došlo k minimálnímu odražení elektromagnetické vlny směrem k2D-3D rezonátoru. Za oblastí s minimálním elektromagnetickým útlumem, jež je ukončena rovinou změny materiálových vlastností, je uspořádána další oblast s rozdílnou rezonanční frekvencí 2D-3D rezonátoru a to ve směru šíření elektromagnetické vlny s minimálně jedním 2D-3D rezonátorem, který je naladěn na rozdílnou frekvenci než je tomu u prvního 2D-3D rezonátoru uspořádaného v oblasti • * « · « * **·» » - * « * ' ’ i- « ♦ ·<♦·*· » * * ♦ « * 5» * « • 9 · · ·· · · ···*···· s minimálním elektromagnetickým útlumem. Tímto způsobem je skládána struktura do solárního systému, který může být ukončen posledním solárním elementem a elektromagnetická vlna vystupuje ze systému do volného prostoru nebo jako poslední oblast solárního elementu může být klasický prvek solárního systému, který přemění nebo jinak využije zbytek energie elektromagnetické vlny a to tak, že jej převede na užitečnou formu energie, dále používanou jako zdroj tepla, světla nebo elektrické energie.

Zanedbatelné není ani to, že navržený solární element s rezonátorem uspořádaným na dielektrické struktuře nevyužívá materiál ktomu, aby byl generován elektrický náboj, nýbrž vlastnosti této struktury jsou využity k nastavení vhodných podmínek pro dopad a transformaci elektromagnetické vlny na stacionární formu elektromagnetického pole.

Díky poskládání selektivně laděných oblastí do systému se systém chová tak, že vytěží energii dopadající ve formě elektromagnetické vlny podle zastoupení ve frekvenčním spektru (rozložení spektrální hustoty výkonu) dopadající elektromagnetické vlny s maximální účinností, a tudíž lze pomocí výrazně nižšího množství typů laděných struktur v celku navržené struktury a systému obsáhnout a zužitkovat požadované frekvenční spektrum dopadající elektromagnetické vlny na rozdíl od případu, ve kterém by se rezonátory nebo jejich periodické uskupení takto neupravovaly.

Popisované technické řešení podle tohoto vynálezu umožňuje přizpůsobit jednotlivé oblasti solárních elementů uspořádané do výsledné struktury podmínkám hustoty dopadajícího elektromagnetického záření v místě jejich aplikace geografické a místní. To vede v důsledku k využití (vytěžení) maxima dopadajícího elektromagnetického záření a jeho následné změny na požadovanou formu umožňující její další využití, např. jako zdroje elektrické energie nebo generátoru. Navržené solární elementy s rezonátory se známým způsobem osazují do panelů, jejichž vzájemné spojení tvoří fotovoltaická - solární pole.

Nezanedbatelnou výhodou je, že konstrukce solárního elementu umožňuje sestavit různé (optimální) varianty solárního systému a to podle podnebních podmínek i sluneční aktivity tak, že jedna ze struktur solárních elementů obsahujících několik oblastí osazených 2D-3D rezonátory, může takováto struktura být naladěna na jednu rezonanční frekvenci odpovídající zvolené spektrální hustotě výkonu

(například v provedení folie), zatímco další struktura solárních elementů může být naladěna na jinou zvolenou frekvenci spektrální hustoty výkonu a to odlišnou od rezonační frekvence na kterou je laděna první struktura, přičemž struktury jsou řazeny za sebou a to ve směru postupující elektromagnetické vlny směrem od zdroje. Takto lze pro geografickou oblast, sluneční aktivity nebo zdroj elektromagnetické vlny nastavit snadno systém s maximální mírou vytěžení elektromagnetické vlny jako formy dopadající energie.

Takto skládané solární elementy lze vyrábět nebo sestavovat přímo v továrně nebo je sestavovat a skládat ze stavebnice přímo na místě montáže.

Přehled obrázků na výkrese

Podstata vynálezu bude osvětlena pomocí výkresů, kde obr. 1 znázorňuje základní konfiguraci solárního elementu s 2D-3D rezonátorem a řazením do systému, obr. 2 znázorňuje příkladné provedení solárního elementu opatřeného soustavou 2D-3D rezonátorů a spojovacích prvků uspořádaných na polovodičové struktuře a uspořádání další solárního elementu naladěného na odlišný kmitočet, obr. 3 znázorňuje schematický pohled na 2D - 3D rezonátor a uspořádaný v dielektriku, obr. 4 znázorňuje uspořádání 2D-3D rezonátorů a reflektoru, obr. 5 pohled ze směru dopadu EMG vlny na 2D rezonátor znázorňuje částečné prostorové uspořádání 2D3D rezonátorů v oblasti dielektrika a reflektoru v dielektriku solárního elementu, obr. 6a znázorňuje axonometrický pohled na rezonátor, tvořený reflektorem, nad kterým je uspořádáno dielektrikum s transformačním prvkem, obr. 6b znázorňuje boční pohled na rezonátor, obr. 7a znázorňuje připojení transformačního prvku s nelineárním prvkem v propustném směru, obr. 7b znázorňuje připojení transformačního prvku s nelineárním prvkem v nepropustném směru, obr. 8 znázorňuje zapojení rezonančního obvodu, jenž je tvořen solárním elementem a navazující elektronikou.

i. · - - * **·«· ’. ···-· »· / · s « ·· · · · · · »····»·

Příkladné provedení vynálezu

Princip konstrukce solárního elementu s rezonátorem uspořádaným na vrstvené dielektrické struktuře bude dále objasněn, nikoliv však omezen v následujících příkladech.

Základní provedení solárního elementu s 2D-3D rezonátorem uspořádaného v dielektriku, je znázorněno na obr. 1. Solární element v této podobě tvoří vrstvená dielektrická struktura. Tato struktura je tvořena oblastí 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem a je ohraničena hranicemi 6 změn materiálových vlastností a oblastí 20 s rozdílnou rezonanční frekvencí. Oblast 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem dále zahrnuje minimálně jeden 2D-3D rezonátor 4, na jejímž povrchu v místě roviny 3 dopadu je upravena část 2D rezonátoru 4, zatímco jeho 3D část zasahuje do oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem a 3D část je v tomto případě ohraničená hranicí 6 změn materiálových vlastností. Za oblastí 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem ve směru šíření EMG vlny, jež je ohraničena rovinou dopadu 3 a hranicí 6 změny materiálových přiléhá další oblast 20 s rozdílnou rezonanční frekvencí 2D-3D rezonátoru 4, přičemž za poslední oblastí 20 s rozdílnou rezonanční frekvencí 2D-3D rezonátoru 4 je buď volný prostor, nebo na ni navazuje solární systém 11.

Vlastní 2D-3D rezonátor 4 je znázorněn na obr. 4, obr. 6a a obr. 6b. 2D-3D rezonátor 4 v této podobě sestává z transformačního prvku 8, a reflektoru 7, mezi kterými je uspořádáno dielektrikum 10, například izolant, přičemž transformační prvek 8 tvoří dvojice elektrod v podobě vodičů vzájemně do sebe uspořádaných obklopených dielektrikem 10. Přitom transformační prvek 8 je uspořádán na dielektriku 10, na něž je kolmo umístěn reflektor 7. Uspořádání dielektrika 10 ve vrstvené struktuře je znázorněno na obr. 5. 2D-3D rezonátor 4 vytváří elektrický proud nebo napětí, které je pomocí nelineárního prvku 15 dále přivedeno na přípojný prvek 16, jak je patrno z obr. 7a a 7b, kde jsou znázorněny oba typy polarizace nelineárního prvku 15.

Elektrické náhradní schéma solárního elementu je znázorněno na obr. 8. Jedná se principiálně o jedno (dvojcestný) usměrňovači člen, tvarovací obvod nebo filtr signálu. Je to všeobecně známé zapojení. Zdroj 19 střídavého proudu nebo napětí vyvolaných indukcí z elektromagnetické vlny je paralelně zapojen k prvnímu * ·

kapacitoru 18 a induktoru 14, které v zapojení představuje kondenzátor a cívka. Vytváří tak laděný střídavý obvod, který je pro vlastnosti a parametry dopadající elektromagnetické vlny naladěn a rezonuje. Nelineárním prvkem 15 je tvarován signál na rezonančním obvodu a je dále filtrován (usměrňován) na tvar dále využitelný, je připojen ke druhému kapacitoru 17, který v zapojení představuje kondenzátor. V zapojení jsou označeny přípojné prvky 16, na kterých je elektrické napětí +U, -U. Pokud bychom na tyto přípojné prvky 16, například svorky připojili zvolenou elektrickou zátěž 13 v podobě impedance Z, dojde ke změně rezonančního obvodu a rezonátor může natolik změnit svoje vlastnosti, že nebude ve vhodném rezonančním stavu (režimu). Proto je před elektrickou zátěž 13 zařazeno zařízení 12, které způsobí při jakémkoliv elektrickém zatížení jeho výstupu elektrickou impedancí Z to, že na vstupu rezonátor s nelineárním prvkem 15 a druhým kapacitorem 17 zatěžuje stále jediná hodnota impedance Zj, která nezmění nastavený režim rezonátoru.

Funkce solárního elementu, který zahrnuje 2D-3D rezonátor 4 uspořádaný ve vrstvené dielektrické struktuře je následující. Elektromagnetická vlna 1_ v rozsahu vlnové délky 100 nm až 100000 nm dopadá v místě dopadu 2 vlny na rovinu 3 dopadu oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem. 2D-3D rezonátor 4 je periodicky opakován i v jednotlivých oblastech 20 s rozdílnou rezonanční frekvencí, jak je znázorněno na obr. 1 a obr. 2. V rovině 3 dopadu oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem je upořádáno uskupení alespoň jednoho 2D-3D rezonátoru 4. Přitom tento rezonátor může pracovat (plnit svou funkci) samostatně anebo je možné rezonátory vzájemně spojovat a vytvářet tak pole solárních elementů periodicky se opakujících. Tyto elementy jsou v rovině dopadu 3 paralelně nebo sériově zapojeny, přičemž jako výhodné se jeví uskupení nejméně dvou 2D-3D rezonátorů 4 na jednom solárním elementu, které jsou vzájemně propojeny pomocí spojovacího prvku 9. První oblast 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem ve směru dopadu elektromagnetické vlny je naladěn na rezonanční frekvenci ή z oboru spektra dopadající elektromagnetické vlny, za ním ve směru postupující elektromagnetické vlny je zařazena další oblast 20 s rozdílnou rezonanční frekvencí f₂, a takto postupují další N do řádu stovek až tisíců oblastí 20 s rozdílnou rezonanční frekvencí a tvoří tak systém, přičemž platí, že rezonanční frekvence ή až /n nemusí

ΙΆ - V * β* « - 4· ® - > -*

Q »···♦·:·«*·“ ··· · · · ·· ···»*·· být ve vrstvách opakována a tím dojde k maximálnímu využití energie dopadající elektromagnetické vlny 1.

Elektromagnetická vlna 1. dopadne v místě dopadu 2 na rovinu 3 dopadu. Zde se složky elektrické a magnetické elektromagnetické vlny 1_, díky navrženému tvaru reflektoru 7, kterým může být tenká vrstva, kvádr, jehlan, kužel, toroid, sféra jejich kombinace, části nebo průniky, přičemž povrch reflektoru 7 může tvořit vrstva dielektrického materiálu nebo kovu anebo jejich kombinace a tvarová rozmanitost, jenž je součástí 2D-3D rezonátoru 4, rozloží a vytvoří maxima intenzit elektrického a magnetického pole. Aby se tato maxima intenzit při spojení periodicky se opakujících 2D-3D rezonátorů 4 aritmeticky sčítala (superponovala), jsou rezonátory spojeny spojovacím prvkem 9, jak je znázorněno například na obr. 2. Na tomto obrázku je příklad navrženého solárního elementu s 2D-3D rezonátorem 4 uspořádaného v oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem, kde v místě roviny 3 dopadu jsou uspořádány dva 2D-3D rezonátory 4, jež se periodicky opakují na dalších oblastech 20 s rozdílnou rezonanční frekvencí, přičemž tyto 2D-3D rezonátory 4 jsou vzájemně spojeny spojovacími prvky 9.

Příkladné provedení solárního elementu s 2D-3D rezonátorem 4 uspořádaného v dielektriku 10 je znázorněno na obr. 3. 2D-3D rezonátor 4 v tomto provedení je uspořádán v oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem vrstvené dielektrické struktury. Oblast 5 je s minimálním elektromagnetickým, je ohraničena hranicemi 6 změn materiálových vlastností. Vzájemné uspořádání jednotlivých oblastí solárního elementu znázorňuje obr. 4. 2D-3D rezonátor 4 sestává z transformačního prvku 8, jenž tvoří dvojice elektrod v podobě vodičů vzájemně do sebe uspořádaných a reflektoru 7 a dielektrika 10. 2D-3D rezonátor 4 je dále zabudován v oblastech vrstvené dielektrické struktury a má navrženou geometrii způsobem závislým na vlnové délce dopadající elektromagnetické vlny 1 a to tak, že tloušťka vrstvené dielektrické struktury bude minimálně % vlnové délky nejnižší frekvence dopadajícího elektromagnetického záření, který zaručí rezonanční stav.

Elektromagnetická vlna 1 po dopadu na rovinu dopadu 3 prostupuje vrstvenou dielektrickou strukturou, na jejímž povrchu v místě roviny 3 dopadu je upravena část 2D rezonátoru 4, zatímco jeho 3D část zasahuje do oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem, jak je zobrazeno na obr. 3 nebo obr. 4. Oblast 5 * * · e · · ·· · * w Λ v » « 9 ·*

Λ · & · »* e * » · · ^ «»·.»=» ·/·

... . '..' ..' .......

s minimálním elektromagnetickým útlumem slouží k nastavení podmínek maxim elektrické a magnetické složky v rovině 3 dopadu elektromagnetické vlny 1, přičemž vrstvená dielektrická struktura je navržena tak, aby postupující elektromagnetická vlna 1 na vrstvené dielektrické struktuře navázala a vytvořila rezonanční oblast s maximem rezonance na rovině 3 dopadu. Oblast 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem je opatřena vztažnou elektrodou 21. Elektromagnetická vlna 1 dále postupuje za oblast 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem a to tak, že vytváří pouze minimální odraženou vlnu. Rozměry oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem jsou voleny tak, že jsou minimálně rovny nebo větší čtvrtině vlnové délky dopadající elektromagnetické vlny lv závislosti na relativní permitivitě dielektrika 10, například obě vrstvy vykazují tloušťku 10pm pro zvolený typ materiálu.

Tím, že se dosáhne rezonančního stavu, dojde u minimálně jednoho solárního elementu ve skupině periodicky se opakujících elementů a řazení za sebou ve směru dopadající elektromagnetické vlny 1_ k násobnému zvětšení amplitud původní dopadající elektromagnetické vlny 1 a pro uvažovanou vlnovou délku elektromagnetické vlny 1 dopadající na rovinu 3 dopadu oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem lze dosáhnout elektrického napětí využitelného pro další zpracování elektronickými obvody 12 pro řízení výkonu a režimu navržené periodické/vrstvené dielektrické struktury pro harvesting (vytěžení energie-power management).

Materiálem vodivých cest vytvořených na rovině 3 dopadu, na níž je upravena část 2D rezonátoru 4, jenž tvoří transformační prvek 8, materiál spojovacího prvku 9, a materiál nelineárního prvku 15 je velmi kvalitní vodič nebo dielektrikum 10 s rozdílnou relativní permitivitou vzhledem k relativní permitivitě oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem. Oblast 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem je tvořena kombinací dielektrika 10 a vodivého a/nebo polovodivého materiálu. Návrh rezonátoru, jeho uspořádání a volba materiálů je zvolena tak, aby v oblasti 5 s minimálním elektromagnetickým útlumem byl koeficient odrazu menší než 0.5 z intervalu <-1,1 >.

Navržená vrstvená dielektrická struktura solárního elementu řazeného do systému pracuje v rezonačním stavu, což je výhodné k tomu, že na rezonátoru 4 lze získat násobné (1-10000) hodnoty amplitudy elektrické složky dopadající elektromagnetické vlny 1. Navržené periodické uspořádání solárního systému H dovoluje pracovat v rezonančním režimu pro rezonanční frekvence f z rozsahu od 0.1 THz do 5000THz spektra dopadající elektromagnetické vlny 1.

Klasické řešení pomocí antén, standardních rezonančních obvodů většinou dosahuje poměru pouze selektivních vlastností a není možné je navrhnout pro uvedený rozsah frekvencí dopadající elektromagnetické vlny 1. Navržené řešení díky využití více laděných elementů v celém solárním systému dosahuje uvedeného transformaci energie v uvedeném frekvenčním rozsahu. Toho se s výhodou může použít k navržení optimální vrstvené dielektrické struktury a blížit se ideálnímu stavu 100% výtěžnosti-převodu elektromagnetické vlny 1 dopadající na elementy na elektrický výkon generátoru pro účely permanentního používání navrženého systému s vysokou účinností, životností a nezávislostí na teplotních parametrech realizovaného solárního systému 11.

Nezbytným zařízením k tomu, aby minimálně základní prvek byl využit jako zdroj elektrické energie, je připojení elektronického vnějšího obvodu 12, který umožňuje, že při jakémkoliv zatížení (impedance zátěže 13 nabývá hodnot z intervalu 0 až ⁰⁰ Ohmů) na výstupu obvodu 12 se na vstupu obvodu 12 neprojeví změna elektrické zátěže Z_}. Tím zůstane základní prvek nebo skupina prvků v rezonančním stavu.

Průmyslová využitelnost

Popsaný solární element lze využít jako systém vytěžovače (harvesteru) nebo generátor elektrické energie nebo senzor nebo nelineární převodník, s výhodou pro větší celky a aplikaci v energetice necitlivý k vysokým hodnotám teplot v oblasti elementu.

FOTOVOLTAICKÝ ELEMENT ZAHRNUJÍCÍ REZONÁTOR

SEZNAM VZTAHOVÝCH ZNAČEK

1. elektromagnetická vlna

2. místo dopadu vlny

3. plocha-rovina dopadu

4. elementární rezonátor

5. oblast s minimálním elektromagnetickým útlumem

6. hranice změny materiálových vlastností

7. reflektor elementárního rezonátorů

8. transformační prvek

9. spojovací prvek elementárních rezonátorů

10. dielektrikum

11. volné ukončení poslední oblasti laděných struktur nebo připojený zakončovací solární systém

12. elektrický obvod

13. zátěž

14. induktor

15. nelineární prvek

16. přípojný prvek

17. druhý kapacitor

18. první kapacitor

19. Zdroj proudu nebo napětí vyvolaného indukcí z elektromagnetické vlny

20. Oblast s rozdílnou rezonanční frekvencí

21. vztažná elektroda

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Solární element zahrnující rezonátor uspořádaný ve struktuře, vyznačující se tím, že je tvořen vrstvenou dielektrickou strukturou sestávající z oblasti (5) s minimálním elektromagnetickým útlumem, jejíž horní plocha tvoří rovinu dopadu (3), přičemž vrstvená dielektrická struktura je propustná pro elektromagnetickou vlnu a je ohraničená hranicemi (6) změn materiálových vlastností, přičemž minimálně jeden 2D-3D rezonátor (4) je uspořádán v oblasti (5) s minimálním elektromagnetickým útlumem, kde jeho 2D část je uspořádána v rovině (3) dopadu, zatímco jeho 3D část je umístěna v dielektriku (10), přičemž na oblast (5) s minimálním elektromagnetickým útlumem, navazuje minimálně jedna oblast (20) s rozdílnou rezonanční frekvencí, která je ohraničená hranicemi (6) změn materiálových vlastností, přičemž minimálně jeden 2D-3D rezonátor (4) je uspořádán v oblasti (20) s rozdílnou rezonanční frekvencí, kde jeho 2D část je uspořádána v rovině (3) dopadu, zatímco jeho 3D část je umístěna v dielektriku (10), přičemž na poslední strukturu (20) s rozdílnou rezonanční frekvencí ve směru šíření elektromagnetické vlny (1) navazuje solární systém (11).
2. Fotovoltaický/solární element zahrnující rezonátor podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že 2D-3D rezonátor (4) tvoří dvě části, z nichž první 2D část tvoří transformační prvek (8) upravený na rovině (3) dopadu, sestávající z dvojice elektrod v podobě vodičů vzájemně do sebe uspořádaných, zatímco druhou 3D část tvoří dielektrikum (10) a dále reflektor (7), který je uspořádán, jednak uvnitř oblasti (5) s minimálním elektromagnetickým útlumem, přičemž transformační prvek (8) je umístěn na dielektriku (10), k němuž je přiřazen reflektor (7).
3. Solární element zahrnující rezonátor podle nároku 2, vyznačující se tím, že 2D-3D rezonátor (4) tvoří dvě části, z nichž první 2D část tvoří transformační prvek (8) upravený na rovině (3) dopadu, sestávající z dvojice elektrod v podobě vodičů vzájemně do sebe uspořádaných, zatímco druhou 3D část tvoří dielektrikum (10) a dále reflektor (7), který je uspořádán, jednak uvnitř oblasti (20) s rozdílnou minimálním elektromagnetickým útlumem, přičemž transformační prvek (8) je umístěn na dielektriku (10), k němuž je přiřazen reflektor (7).
4. Solární element zahrnující rezonátor podle nároku 2 a 3, vyznačující se tím, že reflektor (7) je vůči dielektriku (10) uspořádán kolmo k rovině dopadu (3).
5. Solární element zahrnující rezonátor podle nároku 1 až 4, vyznačující se tím, že oblast (5) s minimálním elektromagnetickým útlumem může obsahovat 2D-3D rezonátor (4) laděný na rezonanční frekvenci shodnou s frekvencí, na kterou jsou laděny 2D-3D rezonátory (4) uspořádaných v dalších oblastech (20) s rozdílnou rezonanční frekvencí solárního systému (11).