CZ309401B6 - Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul s koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou - Google Patents

Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul s koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou Download PDF

Info

Publication number
CZ309401B6
CZ309401B6 CZ2021-523A CZ2021523A CZ309401B6 CZ 309401 B6 CZ309401 B6 CZ 309401B6 CZ 2021523 A CZ2021523 A CZ 2021523A CZ 309401 B6 CZ309401 B6 CZ 309401B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
spatial structure
solar radiation
concentration
structure according
protrusions
Prior art date
Application number
CZ2021-523A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ2021523A3 (cs
Inventor
Milan Kout
Trutnov Kout Milan
Radovan Ĺ punda
Radovan Mgr. Špunda
Original Assignee
Marp Invention S.R.O.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Marp Invention S.R.O. filed Critical Marp Invention S.R.O.
Priority to CZ2021-523A priority Critical patent/CZ2021523A3/cs
Priority to PCT/CZ2022/050117 priority patent/WO2023088505A1/en
Publication of CZ309401B6 publication Critical patent/CZ309401B6/cs
Publication of CZ2021523A3 publication Critical patent/CZ2021523A3/cs

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0232Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02325Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/20Optical components
    • H02S40/22Light-reflecting or light-concentrating means
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52PV systems with concentrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu obsahuje základní těleso (2), které je opatřené alespoň jednou dvojicí koncentračních výstupků (3, 4) ve tvaru jehlanu nebo kužele, přičemž osy (33, 43) těchto koncentračních výstupků (33, 43) spolu svírají úhel (α34) o velikosti 40 až 90°. Fotovoltaický modul obsahuje alespoň jeden fotovoltaický článek (5) a k tomuto článku (5) přiřazený koncentrátor (1) slunečního záření, který je tvořený uvedenou prostorovou strukturou z opticky prostupného materiálu.

Description

Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul s koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou
Oblast techniky
Vynález se týká prostorové struktury koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu.
Vynález se dále týká také fotovoltaického modulu osazeného tímto koncentrátorem slunečního záření s touto strukturou.
Dosavadní stav techniky
V současné době se pro konverzi sluneční energie na energii elektrickou využívají fotovoltaické články různých typů, nejčastěji křemíkové. Tyto fotovoltaické články mají tvar rovinné čtvercové desky, typicky s rozměry cca 100 x 100 mm až cca 150 x 150 mm, a jejich výroba je ve světě do značné míry standardizovaná a široce zavedená. Tyto fotovoltaické články jsou v rámci fotovoltaických modulů uspořádány v pravidelných geometrických útvarech, nej častěji plošných, přičemž jsou v rámci těchto modulů navzájem sériově (ojediněle i paralelně) elektricky propojené - viz např. „How do PV panels or PV cells work?“, National Lighting Product Informational Program, Lighting Answers, Volume 9 Issue 3, July 2006, obrázek 3 (dostupné na http://www.lrc.rpi.edu/programs/nlpip/lightingAnswers/photovoltaic/04-photovoltaic-panelswork.asp) nebo Alternative Energy Tutorials, Solar Photovoltaic Panel ze dne 19.11.2014 (dostupné na http://www.altemative-energy-tutorials.com/solar-power/photovoltaics.html). Vzhledem k tomu, že způsob elektrického propojení jednotlivých fotovoltaických článků v modulu nemá podstatný vliv na výkon či účinnost tohoto modulu, a sériové propojení vyžaduje méně materiálu a méně prostoru, jev současné době obecně považováno za výhodnější.
Počet fotovoltaických článků v rámci fotovoltaického modulu a výsledná velikost fotovoltaického modulu se zpravidla řídí lokalitou, kde je fotovoltaický modul instalován a jejími dispozicemi. V současné době se fotovoltaické moduly obvykle montují na střechy budov nebo jako autonomní sestavy pro fotovoltaické elektrárny ve volném prostranství. Takto sestavené fotovoltaické moduly ale mají řadu nevýhod. Tou hlavní je, že jsou díky své konstrukci a prostorovému uspořádání schopné využít v podstatě jen přímé sluneční záření, které na ně dopadá při jasné obloze, a proto je nutné je instalovat pod určitými úhly, orientované zejména na jižní světovou stranu. Jejich nevýhodou je, že nejsou schopné zachytit a využít rozptýlené a odražené sluneční záření, které tvoří většinu slunečného záření již při malé míře zakrytí oblohy oblačností. Jejich další nevýhodou je značná kolísavost jimi dodávaného elektrického výkonu v závislosti nejen na aktuální míře oblačnosti, ale i na teplotě a ročním období, což způsobuje potíže se stabilitou elektrické rozvodné sítě.
Kromě výše zmíněných křemíkových fotovoltaických článků existují také další typy fotovoltaických článků, např. tenkovrstvé články na bázi amorfního křemíku, nebo na bázi chalkogenidů (CulnSe, CulnSeGa, CdTe apod.), které ze své fyzikální podstaty dosahují nižší účinnosti (a tím i množství vyrobené energie) než klasické fotovoltaické články na bázi křemíku. I fotovoltaické články těchto typů mají typicky tvar čtvercové desky s rozměry cca 100 x 100 mm až cca 150 x 150 mm.
Pro zvýšení množství fotonů slunečního záření dopadajících na jednotku plochy fotovoltaického článku, resp. modulu, se v praxi využívají různé typy koncentrátorů slunečního záření, nejčastěji z reflexních materiálů (zrcadel) - viz např. Volker Quaschning: „Obnovitelné zdroje energie“, str. 96 (ISBN: 9788086726489, Profipress s.r.o., 2012), nebo ve formě optických čoček. I při využití těchto koncentrátorů, ale nadále platí, že se využívají v podstatě jen fotony přímého
- 1 CZ 309401 B6 slunečního záření, které i přes koncentrátorem zvýšenou světelnou intenzitu generují v modulech stále neúměrně málo energie. Přitom však kvůli koncentrátorům dochází k přehřívání fotovoltaických modulů, což potencionální energetický výtěžek dále snižuje. Koncentrátory, např. ve formě zrcadel navíc zabírají značný prostor a zvyšují investiční náklady, kvůli čemuž jsou využitelné pouze omezeně.
V současné době neexistuje struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu, která by dokázala efektivně a kvantitativně zachytit a využít jak přímé, tak i rozptýlené a odražené sluneční záření, které na ně dopadá již při malé oblačnosti z navzájem velmi odlišných směrů a pod odlišnými úhly.
Cílem vynálezu je tedy navrhnout prostorovou strukturu koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul osazený koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou.
Podstata vynálezu
Cíle vynálezu se dosáhne prostorovou strukturou koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu, jejíž podstata spočívá v tom, že obsahuje základní těleso, které je opatřené alespoň jednou dvojicí koncentračních výstupků ve tvaru jehlanu nebo kuželu, přičemž osy těchto koncentračních výstupků spolu svírají úhel o velikosti 40 až 90°, s výhodou 45 až 65°.
Ve výhodné variantě provedení leží osy dvojice koncentračních výstupků v jedné společné rovině.
Také vrcholy dvojice koncentračních výstupků, případně navzájem přivrácené boční stěny koncentračních výstupků leží s výhodou v jedné rovině.
Koncentrační výstupky jsou s výhodou tvořeny jehlanem nebo kuželem, případně komolým, s úhlem stoupání 20 až 55°, s výhodou 23 až 48°.
Koncentrační výstupky jejichž osy svírají úhel o velikosti 40 až 90° jsou ve vzájemném kontaktu svými základnami, nebo je mezi jejich základnami vytvořená přechodová plocha. Na této přechodové ploše je s výhodou uspořádaný alespoň jeden doplňkový koncentrační výstupek ve tvaru jehlanu, kužele nebo hranolu.
Pro použití jako koncentrátor slunečního záření je prostorová struktura podle vynálezu vytvořená z opticky propustného materiálu.
Pro použití jako fotovoltaický modul je prostorová struktura podle vynálezu na svém povrchu opatřená alespoň jedním fotovoltaickým článkem.
Cíle vynálezu se dále dosáhne také fotovoltaickým modulem, který obsahuje alespoň jeden fotovoltaický článek a tomuto fotovoltaickém článku přiřazený koncentrátor slunečního záření, přičemž koncentrátor slunečního záření je tvořený prostorovou strukturou z opticky prostupného materiálu podle vynálezu.
Objasnění výkresů
Na výkresech připojených výkresů jsou:
na obr. 1a schematicky znázorněné většinové dráhy fotonů slunečního záření pro jasnou oblohu až oblohu s malou oblačností;
- 2 CZ 309401 B6 na obr. 1b většinové dráhy fotonů slunečního záření pro polojasnou až oblačnou oblohu;
na obr. 1c většinové dráhy fotonů slunečního záření pro oblačnou až zataženou oblohu;
na obr. 1d kombinace různých drah fotonů slunečního záření v reálných podmínkách;
na obr. 2 je pak schematicky znázorněný průřez první základní variantou koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu;
na obr. 3 průřez druhou základní variantou koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu;
na obr. 3 a až 3e průřezy dalšími variantami koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou dle obr. 3;
na obr. 4 průřez třetí základní variantou koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu;
na obr. 5 je schematicky znázorněný průřez variantou koncentrátoru slunečního záření podle obr. 3b s jinou konstrukcí koncentračních výstupků;
na obr. 6 je schematicky znázorněný průřez čtvrtou variantou koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu;
na obr. 7 průřez pátou variantou koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu;
na obr. 7a a 7b průřezy dalšími variantami koncentrátoru podle obr. 7;
na obr. 8 průřez šestou variantou koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu;
na obr. 9 průřez sedmou variantou koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu;
na obr. 10 průřez osmou variantou koncentrátoru slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu;
na obr. 11 průřez fotovoltaickým modulem osazeným koncentrátorem slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu; a na obr. 12 je schematicky znázorněn průřez příkladnou variantou fotovoltaického modulu s prostorovou strukturou podle vynálezu.
Příklady uskutečnění vynálezu
Na základě výzkumu původců byly s využitím reálných pokusných fotovoltaických článků a modulů a za podpory moderních optických a elektrických přístrojů objeveny zcela nové, doposud netušené, trajektorie fotonů slunečního záření při různých stupních zakrytí oblohy oblačností. Jedná se o uskupení drah fotonů do specifických kuželů a, b, c, které jsou tvořeny komplexní sítí rovných drah fotonů a které ústí do specifických ohnisek V o specifických rozměrech a intenzitách energií. V závislosti na míře zakrytí oblohy oblačností, a tedy i výsledném typu slunečního záření, se tyto kužely a, b, c navzájem liší šířkou a velikostí vrcholového úhlu. Nejmenší vrcholové úhly přitom vykazují kužely a vytvořené trajektoriemi fotonů přímého slunečního záření, největší
- 3 CZ 309401 B6 vrcholové úhly naopak trajektorie fotonů rozptýleného a odraženého slunečního záření. Čím menší vrcholový úhel má kužel a, b, c drah fotonů, tím sevřenější a hustší je tato síťová konstrukce, a tím více je energie fotonů koncentrovaná v jeho vrcholu V - viz obr. 1a, na kterém jsou schematicky znázorněné typické kužely a drah fotonů slunečního záření pro případ jasné až skoro jasné oblohy (tj. zakrytí oblohy oblačností z maximálně cca 2/8), které mají většinově vrcholový úhel cca 20°, obr. 1b, na kterém jsou schematicky znázorněné typické kužely b drah fotonů slunečního záření pro případ malé oblačnosti (tj. zakrytí oblohy oblačností z cca 3/8) až polojasné oblohy (tj. zakrytí oblohy oblačností z cca 4/8), které mají díky rozptylu při prostupu oblačností většinově vrcholový úhel cca 40°, a obr. 1c, na kterém jsou schematicky znázorněné typické kužely c drah fotonů slunečního záření pro oblačnou (tj. zakrytí oblohy oblačností z cca 5/8) až zataženou oblohu (tj. zakrytí oblohy oblačností z 8/8), které mají díky větší míře rozptylu a odrazu při průchodu oblačností většinově vrcholový úhel cca 60°. Při všech těchto typech zakrytí oblohy oblačností vytváří sluneční záření v atmosféře v reálném čase, ve dne, a na kterémkoliv místě na planetě Zemi, tvarově stejné, geometricky přesné všeprostorové síťové konstrukce tvořené kužely a, b, c fotonů, které se koncentrují ve vrcholech V těchto kuželů a, b, c a které díky odlišné délce trajektorií fotonů obsahují různě silné intenzity energie. Při změně podmínek se mění také směrový charakter slunečního záření dopadajícího na zemský povrch. Např. v případě polojasné oblohy může vzniknout kombinace dvou, nebo více typů kuželů drah fotonů s větší a menší intenzitou, kdy část zářivého toku přichází ve formě přímého záření a část ve formě rozptýleného a/nebo odraženého záření - viz obr. 1d. Za těchto podmínek se tyto sítě navzájem prolínají a díky stejným základním tvarům tvoří spektrální, kvantovou a všeprostorovou síť kuželů a, b, c a jejich vrcholů V.
Všechny tyto dráhy fotonů se setkávají ve vrcholech V kuželů a, b, c a pak je zase opouštějí, aby se setkaly znovu ve vrcholech V kuželů a, b, c vznikajících níže v atmosféře, do kterých mohou po cestě k zemskému povrchu přitékat kužely a, b, c fotonů s větším nebo i menším vrcholovým úhlem.
Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu podle vynálezu přitom odpovídá této teorii a je svým tvarem uzpůsobena tomu, aby zachytila a případně vhodným způsobem usměrnila maximální možné množství drah fotonů slunečního záření, při jakémkoliv zakrytí oblohy oblačností. Každá z níže popisovaných variant této struktury je přitom použitelná buď samostatně, nebo výhodněji v kombinaci se stejnými nebo podobnými strukturami jako součást většího celku v rámci kterého mohou být jednotlivé struktury uspořádány v různém prostorovém uspořádání - např. pod sebou a/nebo vedle sebe.
Prostorová struktura podle vynálezu obsahuje základní těleso 2 - v základní variantě provedení znázorněné na obr. 2, např. s příčným průřezem ve tvaru rovnoramenného trojúhelníku s úhlem stoupání β o velikosti 40 až 85°, s výhodou 60 až 85°. V případě koncentrátoru slunečního záření je základní těleso 2 vytvořené z opticky prostupného materiálu, jako např. skla, plastu apod.; v případě fotovoltaického modulu může být vytvořeno v podstatě z libovolného materiálu. Toto základní těleso 2 je na dvou svých plochách, s výhodou vzhůru orientovaných, opatřeno alespoň jednou dvojicí koncentračních výstupků 3, 4, případně alespoň dvěma rovnoběžnými řadami vedle sebe uspořádaných koncentračních výstupků 3, 4, přičemž koncentrační výstupky 3, 4 dané dvojice nebo řady koncentračních výstupků 3, 4 jsou uspořádané na jiné ploše základného tělesa 2. V případě koncentrátoru slunečního záření jsou tyto koncentrační výstupky 3, 4 vytvořeny z opticky prostupného materiálu. Koncentrační výstupky 3, 4 mají tvar jehlanu, přičemž jejich základny 30, 40 mohou mít obecně tvar N-úhelníku, vč. hvězdicového, s výhodou pravidelného, kde N je rovno 3 až nekonečno, s výhodou zejména 3, 4, 6, 8, 12, 16, nejvýhodněji 4. Pokud je N rovno nekonečno, je základna 30, 40 daného koncentračního výstupku 3, 4 tvořená kruhem, oválem nebo jiným spojitým útvarem a daný koncentrační výstupek 3, 4 je tak tvořený kuželem. Úhel α3, α4 stoupání jehlanu/kužele koncentračních výstupků 3, 4, tj. úhel mezi základnou 30, 40 těchto výstupků 3, 4 a jejich bočními stěnami 31, 41 má velikost 20 až 55°, s výhodou 23 až 48°. Koncentrační výstupky 3, 4 tvořící dvojici jsou orientovány svými vrcholy 32, 42 od sebe, přičemž osy 33, 43, které procházejí jejich vrcholy 32, 42 a geometrickými středy jejich základen 30, 40 spolu svírají úhel α34 o velikosti 40 až 90°, s výhodou 45 až 65°. Tyto osy 33, 43 leží ve
- 4 CZ 309401 B6 výhodném provedení znázorněném na obr. 2 až 12 v jedné rovině, to však není nutnou podmínkou. Osy 33, 43 koncentračních výstupků 3, 4 uspořádaných na stejné ploše základního tělesa 2 koncentrátoru 1, např. v řadě vedle sebe, jsou s výhodou navzájem rovnoběžné.
Na obr. 3 je znázorněna druhá základní varianta prostorové struktury podle vynálezu, u které má základní těleso 2 příčný průřez ve tvaru nepravidelného konvexního pětiúhelníku. Analogicky může mít základní těleso 2 této struktury 1 libovolný jiný průřez - viz např. obr. 3 a až 3e, přičemž je výhodné, pokud jsou koncentrační výstupky 3, 4 uspořádány na sousedních plochách tohoto tělesa 2, které jsou navzájem odvrácené, jak je tomu ve variantách provedení na obr. 2 až 12.
V kterékoliv variantě provedení prostorové struktury podle vynálezu může být její základní těleso 2 tvarově uzpůsobeno pro další koncentraci slunečního záření a/nebo pro vhodnou prostorovou kombinaci této struktury s dalšími stejnými nebo odlišnými strukturami. Takovou úpravou je např. rovnoměrné nebo nerovnoměrné zešikmení alespoň jedné plochy základního tělesa 2 struktury - viz např. obr. 3 a, na kterém je znázorněna varianta této struktury, u které jsou zešikmeny protilehlé stěny základního tělesa tak, že se základní těleso 2 směrem od své základy 20 k základnám 30, 40 koncentračních výstupků 3, 4 rovnoměrně rozšiřuje, a čárkovaně naznačena varianta, u které se základní těleso 2 směrem od své základy 20 k základnám 30, 40 koncentračních výstupků 3, 4 rovnoměrně zužuje. Úhel α2ΐ mezi základnou 20 základního tělesa 2 a jeho bočními stěnami 21 přitom může mít velikost, např. 50 až 130°, s výhodou 60 až 120°. Ve znázorněných variantách provedení je zešikmení bočních stěn 21 základního tělesa 2 rovnoměrné a je provedeno po celé výšce jeho bočních stěn 21; v jiných variantách provedení však nemusí být rovnoměrné a/nebo nemusí být provedené po celé výšce bočních stěn/stěny 21 - viz např. obr. 3b, na kterém je znázorněná varianta, u které jsou protilehlé boční stěny 21 zešikmeny jen po části své výšky, a obr. 3c, na kterém je znázorněná varianta, u které je po části své výšky zešikmena jen jedna boční stěna 21, případně obr. 3d, na kterém je znázorněná varianta, u které jsou po své výšce zešikmené obě protilehlé boční stěny 21, přičemž jsou navzájem rovnoběžné. V neznázorněné variantě provedení mohou být boční stěny 21 základního tělesa navzájem různoběžné.
Základní těleso 2 struktury podle vynálezu může mít v podstatě libovolný tvar a/nebo rozměry neomezený/neomezené umístěním, velikostí nebo počtem koncentračních výstupků 3, 4 - viz např. obr. 3e, na kterém je znázorněna varianta provedení, u které je šířka základního tělesa 2 v místě pod koncentračními výstupky 3, 4 větší než v místě s koncentračními výstupky 3, 4, přičemž je mezi těmito dvěma částmi základního tělesa vytvořen skokový přechod. V neznázorněných variantách provedení může základní těleso obsahovat několik částí různého tvaru a/nebo velikosti a přechody mezi nimi mohou být skokové a/nebo plynulé.
Ve všech variantách struktury koncentrátoru 1 slunečního záření nebo fotovoltaického modulu podle vynálezu je dále výhodné, pokud leží vrcholy 32, 42 všech koncentračních výstupků 3, 4 a případně i jejich navzájem přivrácené boční stěny 31, 41 ve společné rovině v - viz např. obr. 4. To umožňuje např. jejich překrytí vhodným materiálem - např. pro jejich mechanickou ochranu a/nebo další koncentraci slunečního záření.
Jednotlivé koncentrační výstupky 3, 4 mohou být ve všech variantách koncentrátoru 1 zakončeny buď ostrým hrotem, jak je tomu ve variantách provedení znázorněných na obr. 2 až 12, nebo zaoblením, případně plochou (kdy jsou tyto koncentrační výstupky 3, 4 tvořeny komolým jehlanem nebo kuželem).
V dalších variantách provedení může být alespoň některý z koncentračních výstupků 3, 4 tvořen po své výšce dvěma nebo více na sebe navazujícími úseky, které se navzájem liší úhlem stoupání α3, α4 resp. α30, α40 - viz např. obr. 5.
- 5 CZ 309401 B6
V nejvýhodnější variantě provedení jsou všechny koncentrační výstupky 3, 4 koncentrátoru 1 navzájem identické, ale je možné v rámci jedné prostorové struktury kombinovat koncentrační výstupky 3, 4 různých tvarů a/nebo velikostí.
Koncentrační výstupky 3, 4 uspořádané na odlišných plochách základního tělesa 2 koncentrátoru 1 k sobě ve výhodné variantě provedení znázorněné na obr. 2 až 7b přiléhají částí, např. hranou, své základny 30, 40. V jiných variantách provedení však mezi nimi může být vytvořená vhodná přechodová plocha 7 libovolného tvaru. Na této přechodové ploše 7 může být uložený alespoň jeden doplňkový koncentrační výstupek 71 výše popsaného tvaru, případně alespoň jedna řada takových doplňkových koncentračních výstupků 71 - viz např. varianta koncentrátoru 1 znázorněná na obr. 8. V neznázorněných variantách provedení může být přechodová plocha 7 libovolně tvarovaná - např. zaoblená, lomená, šikmá, případně v ní může být vytvořená, např. alespoň jedna prohlubeň nebo alespoň jedna řada vedle sebe uspořádaných prohlubní, jejíž/jejichž tvar např. odpovídá tvaru inverzního koncentračního výstupku 3, 4, případně alespoň jeden doplňkový koncentrační výstupek 71, s výhodou, např. doplňkový koncentrační výstupek 71 ve tvaru jehlanu nebo komolého jehlanu s obdélníkovou základnou, případně ve tvaru trojbokého hranolu (s výhodou se sešikmenými čely), atd.
V případě, kdy prostorová struktura podle vynálezu slouží jako koncentrátor 1 slunečního záření, zajišťuje její tvar to, že sluneční záření ať už přímé, rozptýlené nebo odražené dopadající na kteroukoliv část jejího povrchu bude vždy usměrněné pod vhodným úhlem směrem na povrch fotovoltaického článku/článků, resp. modulu/modulů pod koncentračními výstupky 3, 4.
V případě, kdy prostorová struktura podle vynálezu slouží jako nosič fotovoltaického článku/článků 5, zajišťuje její tvar to, že sluneční záření, ať už přímé, rozptýlené, nebo odražené dopadá na fotovoltaický článek/články vždy pod vhodným úhlem k jeho maximálnímu využití.
V kterékoliv variantě je základna 20 základního tělesa 2 koncentrátoru 1 určená k orientaci směrem k fotovoltaickému článku 5, resp. modulu rovinná, případně může být alespoň v části své plochy prostorově tvarovaná - s výhodou spojitě, např. konvexně nebo konkávně prohnutá - na obr. 2 naznačeno tečkovaně, případně jinak. Takové tvarování základny 20 napomáhá ještě optimálnějšímu usměrnění slunečního záření směrem na fotovoltaický článek 5, resp. modul. Rádius R tohoto prohnutí (s výhodou větší než šířka S základny 20) a jeho umístění jsou pak dány konkrétními rozměry koncentrátoru 1 a podmínkami na dané lokalitě.
Prostorová struktura podle vynálezu se může pro reálné využití kombinovat se stejnými nebo odlišnými strukturami do v podstatě libovolných prostorových konstrukcí - souměrných nebo nesouměrných - v rámci kterých mohou být tyto struktury uspořádány, např. v ploše vedle sebe, pod sebou, přičemž je každému z nich přiřazen samostatný fotovoltaický článek 5 - viz např. obr. 6 nebo 7b, nebo mohou být kombinovány do složitějších prostorových konstrukcí s větším počtem stejných nebo podobných struktur nebo samostatných koncentračních výstupků 3, 4, nebo řad koncentračních výstupků 3, 4 - viz např. obr. 7, 7a a 7b. Na obr. 7 je schematicky znázorněná konstrukce trojúhelníkového tvaru, která je na svém vrcholu osazená výše popsanou strukturou ve variantě podle obr. 3, a na jejíchž ramenech jsou uspořádány další koncentrační výstupky 3, 4 nebo řady koncentračních výstupků 3, 4. Na obr. 7a je pak znázorněná koncepčně podobná konstrukce, která je na svém vrcholu osazená výše popsanou strukturou ve variantě podle obr. 3a, a opatřená vedením 9 chladicí kapaliny pro aktivní chlazení. Ve variantách znázorněných na obr. 7 a 7a jsou fotovoltaické články 5 přiřazeny vždy několika vede sebe uloženým koncentračním výstupkům 3, 4. To však není podmínkou. Na obr. 7b je znázorněná analogická konstrukce jako na obr. 7a, avšak s tím rozdílem, že každému jejímu koncentračnímu výstupku 3, 4 je přiřazen samostatný fotovoltaický článek 5. Ve všech variantách provedení mohou být tyto konstrukce doplněny ochrannou deskou nebo pláštěm 6 z opticky prostupného materiálu, který jim poskytuje mechanickou ochranu a/nebo koncentruje či usměrňuje sluneční záření - viz např obr. 6. Všem koncentračním výstupkům 3, 4 přitom může být přiřazen jeden společný fotovoltaický článek/modul 5, případně jim může být přiřazena struktura obsahující více fotovoltaických článků/modulů 5. V případě potřeby mohou být tyto struktury doplněny systémem aktivního
- 6 CZ 309401 B6 chlazení (s využitím vhodné chladicí tekutiny - viz např obr. 7a) a/nebo systémem pasivního chlazení (s využitím teplovodních materiálů, např. ve formě kovových elementů - pásků, desek apod. uspořádaných pod fotovoltaickým článkem/články 5).
Na obr. 8 je pak znázorněná prostorová struktura podle vynálezu, kdy má základní těleso 2 této struktury příčný průřez ve tvaru nepravidelného šestibokého hranolu, na jehož dvou šikmých plochách orientovaných směrem nahoru jsou uloženy koncentrační výstupky 3, 4, přičemž osy 33, 43, které procházejí jejich vrcholy 32, 42 a geometrickými středy jejich základen 30, 40 spolu svírají úhel α34 o velikosti 40 až 90°, s výhodou 45 až 65°, případně řady koncentračních výstupků 3, 4, přičemž na přechodové ploše 7 mezi těmito šikmými plochami je uložený alespoň jeden doplňkový koncentrační výstupek 71, případně alespoň jedna řada doplňkových koncentračních výstupků 71.
Na obr. 9 je pak znázorněná prostorová struktura, u které je koncentrační výstupek 3, 4 tvořený prostorově složitější strukturou dle CZ 2020-617 A3, která je složená ze dvou na sobě uložených komolých jehlanů/kuželů 300, 400 a 310, 410, přičemž na horní základně alespoň jednoho z nich jsou uložené dílčí koncentrační výstupky 301, 401, 311, 411 libovolného z výše popsaných provedení. V takovém případě svírají osy 33, 43 alespoň jedné dvojice takových koncentračních výstupků 3, 4, úhel om o velikosti 40 až 90°, s výhodou 45 až 65°. Stejný úhel svírají také osy 3010, 4010 alespoň některých dílčích koncentračních výstupků 301, 401, 311, 411.
Na obr. 10 je znázorněná prostorová struktura podle vynálezu, která vychází ze struktury znázorněné na obr. 8, přičemž základní těleso 2 tohoto koncentrátoru 1 je ve středu své horní části opatřené nástavbou 8 ve tvaru komolého jehlanu. Horní základna 80 této nástavby 8 může být libovolně tvarovaná - např. zaoblená, lomená, šikmá, případně v ní může být vytvořená, např. alespoň jedna prohlubeň nebo alespoň jedna řada vedle sebe uspořádaných prohlubní, jejíž/jejichž tvar, např. odpovídá tvaru inverzního koncentračního výstupku 3, 4, případně na ní může být uspořádán alespoň jeden pomocný koncentrační výstupek 81, s výhodou např. ve tvaru jehlanu, kužele, nebo komolého jehlanu s obdélníkovou základnou, případně ve tvaru trojbokého hranolu (s výhodou se sešikmenými čely), atd. Ve výhodné variantě provedení znázorněné na obr. 10 čárkovaně jsou sraženy alespoň dvě protilehlé hrany základny 20 základního tělesa 2 koncentrátoru 1, což dále napomáhá koncentraci slunečního záření, zejména v případech, kdy prostorová struktura slouží jako koncentrátor slunečního záření a je pod ní uložený fotovoltaický článek 5 nebo fotovoltaický modul, jehož plocha je menší než plocha základy 20 základního tělesa 2 koncentrátoru 1.
Na obr. 11 je pak znázorněný průřez fotovoltaickým modulem osazeným koncentrátorem slunečního záření s prostorovou strukturou podle vynálezu podle obr. 10, pod kterým je uspořádaný alespoň jeden fotovoltaický článek 5 jehož plocha je menší než plocha základy 20 základního tělesa 2 koncentrátoru 1.
Prostorová struktura podle vynálezu je ve všech výše popsaných variantách provedení s výhodou vytvořena jako monolit.
Základní těleso 2 prostorové struktury podle vynálezu je s výhodou tvořené hranolem s příslušným tvarem příčného průřezu; v dalších variantách však může být tvořené tělesem, jehož základna 20 může mít tvar obecně N-úhelníku, vč. hvězdicového, s výhodou pravidelného, přičemž N je rovno 3 až nekonečno, s výhodou zejména 3, 4, 6, 8, 12, 16, nejvýhodněji 4. Pokud je N rovno nekonečno je základna 20 tvořená kruhem, oválem nebo jiným spojitým útvarem.
Prostorová struktura podle vynálezu slouží buď jako nosič fotovoltaického článku/článků 5, který/které jsou uloženy na jejím vnějším povrchu, kdy v kombinaci s ním/nimi představuje prostorově tvarovaný fotovoltaický modul - viz obr. 12 na kterém je znázorněná varianta fotovoltaického modulu, u které jsou na povrchu struktury v provedení dle obr. 7b uloženy fotovoltaické články 5, nebo je vyrobená z opticky propustného materiálu, jako např. skla,
- 7 CZ 309401 B6 transparentního plastu apod. a slouží jako koncentrátor slunečního záření usměrňující sluneční záření na fotovoltaický článek/modul 5 uložený pod ní. V případě, kdy slouží jako nosič fotovoltaického článku/článků 5, zajišťuje její tvar to, že sluneční záření, ať už přímé, rozptýlené, nebo odražené dopadá na fotovoltaický článek/články vždy pod vhodným úhlem kjeho 5 maximálnímu využití. V případě, kdy prostorová struktura podle vynálezu slouží jako koncentrátor slunečního záření, zajišťuje její tvar to, že sluneční záření ať už přímé, rozptýlené nebo odražené dopadající na kteroukoliv část jejího povrchu bude vždy usměrněné pod vhodným úhlem směrem na povrch neznázorněného, pod touto strukturou 1 uspořádaného, fotovoltaického článku/článků 5, resp. modulu, a to i v případě dopadu pod velmi malým úhlem. Přitom dochází k růstu výkonu 10 tohoto fotovoltaického článku 5 modulu až o 20 až 50 %.
V případě, kdy prostorová struktura 1 podle vynálezu slouží jako nosič fotovoltaického článku 5, mohou být jednotlivé vrstvy materiálu tvořící fotovoltaický článek 5, případně matrice jeho katody, naneseny/nanesena přímo na jeho povrchu.

Claims (13)

1. Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu, vyznačující se tím, že obsahuje základní těleso (2), které je opatřené alespoň jednou dvojicí koncentračních výstupků (3, 4) ve tvaru jehlanu nebo kužele, přičemž osy (33, 43) těchto koncentračních výstupků (33, 43) spolu svírají úhel (α34) o velikosti 40 až 90°.
2. Prostorová struktura podle nároku 1, vyznačující se tím, že osy (33, 43) koncentračních výstupků (3, 4) svírají úhel (α34) o velikosti 45 až 65°.
3. Prostorová struktura podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že osy (33, 43) dvojice koncentračních výstupků (3, 4) leží v jedné společné rovině.
4. Prostorová struktura podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vrcholy (32, 42) dvojice koncentračních výstupků (3, 4) leží v jedné rovině (v).
5. Prostorová struktura podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že navzájem přivrácené boční stěny (31, 41) koncentračních výstupků (3, 4) leží v jedné rovině.
6. Prostorová struktura podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že úhel (α3, α4) stoupání jehlanu/kužele koncentračních výstupků (3, 4) má velikost 20 až 55°.
7. Prostorová struktura podle nároku 6, vyznačující se tím, že úhel (α3, cu) stoupání jehlanu/kužele koncentračních výstupků (3, 4) má velikost 23 až 48°.
8. Prostorová struktura podle nároku 1, vyznačující se tím, že koncentrační výstupky (3, 4) jejichž osy (33, 43) svírají úhel (α34) o velikosti 40 až 90° jsou ve vzájemném v kontaktu svými základnami (30, 40).
9. Prostorová struktura podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi základnami koncentračních výstupků (3, 4) jejichž osy (33, 43) svírají úhel (α34) o velikosti 40 až 90° je vytvořená přechodová plocha (7).
10. Prostorová struktura podle nároku 9, vyznačující se tím, že na přechodové ploše (7) je uspořádaný alespoň jeden doplňkový koncentrační výstupek (71) ve tvaru jehlanu, kužele nebo hranolu.
11. Prostorová struktura podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že je vytvořená z opticky propustného materiálu.
12. Prostorová struktura podle libovolného z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že je na svém povrchu opatřená alespoň jedním fotovoltaickým článkem (5).
13. Fotovoltaický modul obsahující alespoň jeden fotovoltaický článek (5) a tomuto fotovoltaickému článku přiřazený koncentrátor (1) slunečního záření, vyznačující se tím, že koncentrátor (1) slunečního záření je tvořený prostorovou strukturou z opticky prostupného materiálu podle libovolného z nároků 1 až 10.
CZ2021-523A 2021-11-16 2021-11-16 Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul s koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou CZ2021523A3 (cs)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-523A CZ2021523A3 (cs) 2021-11-16 2021-11-16 Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul s koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou
PCT/CZ2022/050117 WO2023088505A1 (en) 2021-11-16 2022-11-10 Spatial structure of a concentrator of solar radiation or of a photovoltaic module and a photovoltaic module with a concentrator of solar radiation with this spatial structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-523A CZ2021523A3 (cs) 2021-11-16 2021-11-16 Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul s koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ309401B6 true CZ309401B6 (cs) 2022-11-23
CZ2021523A3 CZ2021523A3 (cs) 2022-11-23

Family

ID=84104953

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2021-523A CZ2021523A3 (cs) 2021-11-16 2021-11-16 Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul s koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou

Country Status (2)

Country Link
CZ (1) CZ2021523A3 (cs)
WO (1) WO2023088505A1 (cs)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150083193A1 (en) * 2012-03-30 2015-03-26 Sharp Kabushiki Kaisha Secondary lens, photovoltaic cell mounting body, concentrating photovoltaic power generation unit, and concentrating photovoltaic power generation module
US20170301810A1 (en) * 2005-11-29 2017-10-19 Banpil Photonics, Inc. High efficiency photovoltaic cells and manufacturing thereof
CZ2020617A3 (cs) * 2020-11-18 2022-05-25 Marp Invention S.R.O. Prostorová struktura fotovoltaického článku nebo koncentrátoru slunečního záření

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5575860A (en) * 1994-08-11 1996-11-19 Cherney; Matthew Fiber optic power-generation system
EP3903046A1 (en) * 2018-12-27 2021-11-03 Upplens AB Optical system for manipulation and concentration of diffuse light
GB2586003B (en) * 2019-04-15 2022-09-21 Engen House F Z C Solar pipe

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170301810A1 (en) * 2005-11-29 2017-10-19 Banpil Photonics, Inc. High efficiency photovoltaic cells and manufacturing thereof
US20150083193A1 (en) * 2012-03-30 2015-03-26 Sharp Kabushiki Kaisha Secondary lens, photovoltaic cell mounting body, concentrating photovoltaic power generation unit, and concentrating photovoltaic power generation module
CZ2020617A3 (cs) * 2020-11-18 2022-05-25 Marp Invention S.R.O. Prostorová struktura fotovoltaického článku nebo koncentrátoru slunečního záření

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2021523A3 (cs) 2022-11-23
WO2023088505A1 (en) 2023-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8916766B2 (en) Solar concentrator and photoelectric conversion structure
US20110120526A1 (en) Monolithic Low Concentration Photovoltaic Panel Based On Polymer Embedded Photovoltaic Cells And Crossed Compound Parabolic Concentrators
JP2005142373A (ja) 集光型太陽光発電装置
CZ2020617A3 (cs) Prostorová struktura fotovoltaického článku nebo koncentrátoru slunečního záření
Paul Application of compound parabolic concentrators to solar photovoltaic conversion: A comprehensive review
CN110931584A (zh) 一种折板形光伏组件与其使用的正面玻璃以及光伏系统
Gomes et al. Analysis of different C-PVT reflector geometries
CZ309401B6 (cs) Prostorová struktura koncentrátoru slunečního záření nebo fotovoltaického modulu a fotovoltaický modul s koncentrátorem slunečního záření s touto prostorovou strukturou
WO2023116506A1 (zh) 一种智能型光伏玻璃温室及其运行方法和应用
Hirai et al. Fabrication of highly transparent concentrator photovoltaic module for efficient dual land use in middle DNI region
CZ309400B6 (cs) Prostorová struktura fotovoltaického modulu nebo koncentrátoru slunečního zářeni
CZ36711U1 (cs) Prostorová struktura fotovoltaického článku nebo koncentrátoru slunečního záření
Yoshioka et al. Preparation and properties of an experimental static concentrator with a new three‐dimensional lens
JP2023549930A (ja) 太陽光発電モジュールまたは太陽放射集光器の空間構造体
AU2021384649B2 (en) Spatial structure of a photovoltaic module or a concentrator of solar radiation
CN115552293A (zh) 光重定向棱镜、重定向棱镜壁以及包含它们的太阳能电池板
EA046172B1 (ru) Пространственная конструкция фотоэлектрического модуля или концентратора солнечного излучения
CN102263146A (zh) 太阳能电池装置
CN202018982U (zh) 一种聚光太阳电池组件
CN211404513U (zh) 一种折板形光伏组件与其使用的正面玻璃以及光伏系统
EP4354523A1 (en) Semi-transparent bifacial photovoltaic module with rear irradiance concentrators
Peharz et al. High‐Concentration Fresnel Lens Assemblies and Systems
WO2022162845A1 (ja) 太陽電池モジュール用反射ユニット
RU2355956C1 (ru) Солнечная фотоэнергосистема (варианты)
KR20110067693A (ko) 태양광 집광장치