RU2071140C1

RU2071140C1 - Photoelectric unit

Info

Publication number: RU2071140C1
Application number: RU94001105A
Authority: RU
Inventors: Александр Олегович Пономарев; Игорь Анатольевич Романов; Лев Алексеевич Уваров
Original assignee: Александр Олегович Пономарев; Игорь Анатольевич Романов; Лев Алексеевич Уваров
Priority date: 1994-01-13
Filing date: 1994-01-13
Publication date: 1996-12-27

Abstract

FIELD: solar batteries for space and earth power production. SUBSTANCE: basic part of direct flow converters 1 are joined into optical concentrating system of reflector type. Other converters 2 and 3 are displaced in focal area of concentrator for conversion of both direct and reflected concentrated light flow. Direct flow converters are joined in parabola-cylinder concentrator, converters of concentrated light are located in focal area in either span 5 which is made from transparent material or proximal end of rib 5 which is made from heat-conducting material. EFFECT: increased functional capabilities. 4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к фотоэлектрическим преобразователям световой энергии в электрическую, а именно касается конструкции солнечного батарей как самостоятельно, так и в составе гелиоустановок и солнечных платформ фотоэлектрических станций, например для геостационарных спутников связи. The invention relates to photovoltaic converters of light energy into electrical energy, and in particular, relates to the construction of solar batteries, both independently and as part of solar installations and solar platforms of photovoltaic stations, for example, for geostationary communication satellites.

Известны ФЭМ преобразователи солнечной энергии в электрическую, выполненные из различных полупроводниковых материалов, например кремния или арсенида галия [1 и 2] однако для выработки значительной электрической мощности их КПД относительно невелик. Разработаны также фотоэлектрические преобразователи с применением различных пленочных, тонкослойных, толстослойных и многослойных материалов с повышенным КПД. Однако использование таких полупроводниковых материалов ограничено из-за их высокой стоимости или технологической сложности производства. Famous FEM converters of solar energy into electrical energy, made of various semiconductor materials, such as silicon or gallium arsenide [1 and 2] however, for the generation of significant electrical power, their efficiency is relatively small. Photoelectric converters have also been developed using various film, thin-layer, thick-layer and multilayer materials with increased efficiency. However, the use of such semiconductor materials is limited due to their high cost or technological complexity of production.

Другим известным направлением в разработке ФЭМ для наземной и космической солнечной энергетики повышенной мощности является поиск различных конструкторско-технических решений, которые позволяют осуществлять преобразование солнечной энергии в электрическую с использованием оптических, в том числе зеркальных концентраторов излучения [3] В этом случае может быть снижена требуемая площадь солнечных панелей и батарей, а следовательно и их стоимость пропорционально кратности концентрирования, но возникают проблемы усложнения конструкций ФЭМ, увеличение тепловых нагрузок и создание эффективных систем теплоотвода и др. проблемы. Another well-known direction in the development of FEM for high-power terrestrial and space solar energy is the search for various design and engineering solutions that allow the conversion of solar energy into electrical energy using optical, including mirror radiation concentrators [3] In this case, the required the area of solar panels and batteries, and therefore their cost, is proportional to the multiplicity of concentration, but there are problems of design complexity th FEM, increased heat loads and the creation of efficient heat removal systems, and others. problems.

Конструкторско-технические и технологические решения, связанные с выбором оптимальной кратности концентрирования солнечной энергии, привели в настоящее время к созданию ФЭМ, использующих для повышения плотности солнечного излучения различные схемы зеркальных концентраторов, таких как фоклины и фоконы, в которых фотоэлектрические преобразователи облучаются как прямым, так и отраженным солнечным светом [4 и 5] Известны также более сложные конструкции ФЭМ, в которых приемник фотоэлектрический преобразователь облучается только отраженным солнечным светом, а зеркально-отражающая система располагается во встречном потоке [6]
Этим путем достигаются высокие степени концентрирования излучения и уже разработаны сильноконцентрирующие оптико-энергетические системы с коэффициентом концентрации более 100. Однако значительное повышение плотности потока лучистой энергии в таких системах связано не только с пространственным и спектральным перераспределением энергии, но и с сильным увеличением тепловой нагрузки на фотопреобразователи, что ограничивает возможности использования сильноконцентрирующих систем для разработки высокоэффективных ФЭМ. Кроме того, в известных технических решениях ФЭМ указанного типа концентрирование солнечного излучения и процесс его прямого преобразования в электрическую энергию осуществляется самостоятельными конструктивными элементами фотоэлектрическими преобразователями и зеркальными концентраторами, что ухудшает массогабаритные характеристики этих cистем и не позволяет в полной мере использовать конструкторско-технические резервы повышения эффективности использования направленного встречного потока, отражаемого от концентратора солнечного излучения.Design and technical and technological solutions related to the selection of the optimal multiplicity of solar energy concentration have now led to the creation of FEMs that use various schemes of mirror concentrators, such as phoclins and focons, in which photoelectric converters are irradiated both direct and and reflected sunlight [4 and 5] More complex FEM designs are also known in which the photoelectric converter receiver is irradiated only by reflected light. sunlight, and the mirror-reflecting system is located in the oncoming stream [6]
In this way, high degrees of radiation concentration are achieved and highly concentrated optical energy systems with a concentration coefficient of more than 100 have already been developed. However, a significant increase in the flux density of radiant energy in such systems is associated not only with spatial and spectral redistribution of energy, but also with a strong increase in the thermal load on the photoconverters , which limits the use of highly concentrated systems for the development of highly efficient FEM. In addition, in the known technical solutions of the FEM of the indicated type, the concentration of solar radiation and the process of its direct conversion into electrical energy is carried out by independent structural elements by photoelectric converters and mirror concentrators, which degrades the mass and size characteristics of these systems and does not allow the full use of the design and technical reserves for increasing efficiency the use of directional oncoming flow reflected from the solar concentrator radiation.

Задача изобретения разработка такого ФЭМ, который позволяет более эффективно по сравнению с (6) использовать энергию направленного потока солнечного излучения. The objective of the invention is the development of such an FEM, which allows more efficient in comparison with (6) to use the energy of the directed flow of solar radiation.

Задача решается тем, что фотоэлектрический модуль, предназначенный преимущественно для создания панелей солнечных батарей наземного и/или космического назначения, выполнен в виде совокупности электрически связанных элементов фотопреобразователей прямого и отраженного потоков лучистой энергии, закрепленных на теплоотводящей формообразующей основе, при этом основная часть преобразователей прямого потока образует оптически-отражающую концентрирующую систему, а часть преобразователей смещена по оси концентрирующей системы навстречу падающему потоку и закреплена в фокальной области с возможностью преобразования как прямого потока, так и отраженного концентрированного потока излучения. The problem is solved in that the photovoltaic module, designed primarily to create solar panels for terrestrial and / or space purposes, is made in the form of a set of electrically coupled elements of direct and reflected radiant energy photoconverters mounted on a heat-releasing formative base, with the main part of direct flow converters forms an optically-reflecting concentrating system, and some of the transducers are displaced along the axis of the concentrating system at the incident flux and fastened in the focal region to convert both the forward flow and the reflected concentrated radiation flux.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления фотоэлектрического модуля, преобразователи прямого потока излучения образуют концентрирующую систему параболоцилиндрического типа, снабженную перекрытием, выполненным из прозрачного для излучения материала, а центральная часть преобразователей прямого потока и все преобразователи отраженного концентрированного потока излучения закреплены в фокальной области параллельно образующей параболоцилиндра в форме прямоугольной вырезки с теплоотводящей основой, вмонтированной в несущее прозрачное перекрытие. According to one of the preferred embodiments of the photovoltaic module, the direct radiation flux converters form a parabolic-cylinder type concentrating system equipped with an overlap made of radiation-transparent material, and the central part of the direct flux converters and all reflected concentrated radiation flux converters are fixed in the focal region parallel to the parabolocylinder rectangular cut-out with a heat sink, mounted th carrier in the transparent ceiling.

Согласно другому предпочтительному варианту фотоэлектрический модуль снабжен теплоотводящим ребром, вмонтированным своим дистальным концом в центральную часть параболоцилиндрической концентрирующей системы, причем преобразователи прямого потока, смещенные по радиальной оси параболоцилиндра, закреплены на торцевой части проксимального конца ребра, обращенной навстречу падающему прямому потоку, а преобразователи отраженного концентрированного потока установлены на тыльной стороне проксимального конца ребра в плоскостях, перпендикулярных биссектрисе угла, образованного фокусом и крайними точками соответствующих дуг мидельного сечения концентратора, образованного преобразователями прямого потока излучения. According to another preferred embodiment, the photovoltaic module is provided with a heat sink rib mounted at its distal end in the central part of the parabolic-cylindrical concentrating system, the forward flow transducers offset along the radial axis of the parabolic cylinder mounted on the end part of the proximal end of the rib facing the incident direct flow, and the reflected concentrated transducers flow mounted on the back of the proximal end of the rib in the planes, perpene ikulyarnyh bisector of the angle formed by the outermost points of focus and corresponding arcs midelnogo hub section formed by direct radiation flux transducers.

Кроме того, в предлагаемом фотоэлектрическом модуле предпочтительное соотношение размеров модуля по величине фокусного расстояния и длины дуги концентрирующей поверхности может составлять от 1:1 до 1:5. In addition, in the proposed photovoltaic module, the preferred ratio of module size in terms of focal length and arc length of the concentrating surface can be from 1: 1 to 1: 5.

Техническая сущность предлагаемого фотоэлектрического модуля и предпочтительных вариантов его осуществления иллюстрируется следующими фигурами. The technical essence of the proposed photovoltaic module and preferred options for its implementation is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 показана форма образующей фотоэлектрического модуля и оптическая схема концентрации, где 1 совокупность элементарных преобразователей, образующих концентрирующую систему, 2 преобразователи отраженной концентрированной части потока излучения. In FIG. 1 shows the shape of the generatrix of the photovoltaic module and the optical concentration scheme, where 1 is a set of elementary transducers forming a concentrating system, 2 converters of the reflected concentrated part of the radiation flux.

На фиг. 2 показаны форма образующей и оптическая схема концентрации 1 - прямого и 2 отраженного потоков излучения в варианте осуществления фотоэлектрического модуля с концентратором, снабженным радиальным ребром для закрепления преобразователей отраженного концентрированного потока. In FIG. 2 shows the shape of the generatrix and the optical concentration diagram of 1 - direct and 2 reflected radiation fluxes in an embodiment of a photovoltaic module with a concentrator equipped with a radial rib for fixing the reflected concentrated flux converters.

На фиг. 3 показано поперечное сечение предлагаемого ФЭМ с проницаемым для излучения перекрытием, на котором закреплены преобразователи отраженного и прямого потоков излучения, где 1 преобразователи, образующие концентрирующую систему, 2 преобразователи концентрированного излучения, 3 преобразователи прямого потока, смещенные в фокальную область концентратора, 4 - теплоотводящая, формообразующая основа фотоэлектрического модуля, 5 - прозрачное перекрытие. In FIG. 3 shows a cross-section of the proposed FEM with a radiation-permeable overlap, on which the reflected and direct radiation flux converters are fixed, where 1 converters forming a concentrating system, 2 concentrated radiation converters, 3 forward flux converters shifted to the focal region of the concentrator, 4 - heat-removing, the formative basis of the photovoltaic module, 5 - transparent overlap.

На фиг. 4 показана солнечная батарея, смонтированная из фотоэлектрических модулей, снабженных прозрачным перекрытием в фокальной плоскости, общей для всех модулей, обозначение позиций те же, что и на фиг. 3. In FIG. 4 shows a solar battery mounted from photovoltaic modules equipped with a transparent focal plane overlap common to all modules; the position designations are the same as in FIG. 3.

На фиг. 5 показано сечение фотоэлектрического модуля с концентратором, снабженным радиальным ребром для закрепления преобразователей отраженного концентрированного потока, где 1 преобразователи, образующие концентрирующую систему, 2 преобразователи концентрированного излучения, 3 преобразователи прямого потока, смещенные в фокальную область концентратора, 4 - теплоотводящая, формообразующая основа фотоэлектрического модуля, 5 несущее ребро из теплопроводящего материала с преобразователями, смещенными навстречу падающему прямому потоку. In FIG. 5 shows a cross section of a photovoltaic module with a concentrator equipped with a radial rib for fixing the reflected concentrated flux converters, where 1 converters forming a concentrating system, 2 concentrated radiation converters, 3 forward flux converters shifted to the focal region of the concentrator, 4 - heat-removing, forming base of the photovoltaic module , 5 bearing rib made of heat-conducting material with transducers biased towards the incident forward flow.

На фиг. 6 показан фотоэлектрический модуль с радиальным ребром, находящимся в центральной части концентрирующей системы, где поз. 1-5 те же, что и на фиг. 5. In FIG. 6 shows a photovoltaic module with a radial rib located in the central part of the concentrating system, where pos. 1-5 are the same as in FIG. 5.

На фиг. 7 показан один из вариантов солнечной батареи, составленной из фотоэлектрических модулей предлагаемой схемы концентрации, где поз.1-5 те же, что и на фиг. 5 и 6. In FIG. 7 shows one of the options for a solar battery composed of photovoltaic modules of the proposed concentration scheme, where items 1-5 are the same as in FIG. 5 and 6.

Как видно из фиг. 1 и 2, оптическая схема концентратора представляет собой концентрирующую поверхность в форме параболоцилиндра, параболоида, или аналогичных им отражающих систем Френеля. Во всех случаях фотопреобразователи прямого потока излучения 1 расположены на концентрирующих поверхностях, а преобразователи отраженного сконцентрированного потока 2 находятся в фокальной области концентратора. Неиспользуемая центральная часть концентрирующей поверхности, находящаяся в зоне тени образованной фотопреобразователями концентрированного потока, компенсируется преобразователями 3, вынесенными навстречу светового потока за пределы фокусного расстояния концентрирующей системы. Для обеспечения жесткости конструкции и необходимого теплоотвода с поверхности фотопреобразователей предлагаемый фотоэлектрический модуль должен быть выполнен на теплоотводящей, формообразующей основе 4 и может иметь или прозрачное несущее перекрытие 5, фиг. 3 и 4, или ребро жесткости 5, фиг. 5-7 в центре отражающей поверхности. Фотоэлектрические преобразователи отраженного сконцентрированного излучения установлены перпендикулярно биссектрисе угла, образованного фокусом (вершина угла) концентрирующей системы и крайними точками соответствующих дуг концентратора или поверхностей концентрирующей системы. Выбор рекомендуемого соотношения размеров предлагаемого ФЭМ определяется из условия обеспечения необходимой точности концентрирования и минимизации угла наклона касательной в крайней точке дуги мидельного сечения концентрирующей поверхности. На этом основании соотношение размеров предлагаемого ФЭМ по величине фокусного расстояния и длины дуги концентрирующей поверхности может составлять от 1:1 до 1:5. As can be seen from FIG. 1 and 2, the optical layout of the concentrator is a concentrating surface in the form of a parabolocylinder, paraboloid, or similar Fresnel reflecting systems. In all cases, the direct radiation flux converters 1 are located on the concentrating surfaces, and the reflected concentrated flux converters 2 are located in the focal region of the concentrator. The unused central part of the concentrating surface, located in the shadow zone formed by the photoconverters of the concentrated flux, is compensated by the transducers 3, taken out towards the light flux beyond the focal length of the concentrating system. To ensure structural rigidity and the necessary heat sink from the surface of the photoconverters, the proposed photovoltaic module must be made on a heat sink, shaping base 4 and may have a transparent bearing overlap 5, FIG. 3 and 4, or stiffener 5, FIG. 5-7 in the center of the reflective surface. The photoelectric converters of the reflected concentrated radiation are mounted perpendicular to the bisector of the angle formed by the focus (vertex of the angle) of the concentrating system and the extreme points of the corresponding arcs of the concentrator or surfaces of the concentrating system. The choice of the recommended size ratio of the proposed FEM is determined from the condition of ensuring the necessary accuracy of concentration and minimizing the angle of inclination of the tangent at the extreme point of the arc of the mid-section of the concentrating surface. On this basis, the ratio of the sizes of the proposed FEM in terms of focal length and arc length of the concentrating surface can be from 1: 1 to 1: 5.

Предлагаемый ФЭМ работает следующим образом. The proposed FEM works as follows.

Общей осью симметрии модуль должен быть ориентирован на Солнце. При этом параллельный поток cолнечных лучей падает на основную рабочую поверхность преобразователей 1, находящихся на поверхности концентрирующей системы, а также на поверхность преобразователей 3. Часть энергии падающего потока преобразуется в электрическую. Часть идет на нагрев преобразователей, а часть отражается от поверхности преобразователей 1 и концентрируется на поверхности преобразователей 2. Падающий на эти преобразователи поток концентрированного излучения также частично преобразуется в электрическую энергию и тепло, а отразившаяся часть снова попадает на концентрирующую поверхность, где вторично используется для генерации фототока преобразователями 1. The common axis of symmetry should be oriented towards the Sun. In this case, a parallel stream of solar rays falls on the main working surface of the transducers 1 located on the surface of the concentrating system, as well as on the surface of the transducers 3. Part of the energy of the incident stream is converted into electrical energy. A part is used to heat the transducers, and a part is reflected from the surface of the transducers 1 and concentrated on the surface of the transducers 2. The concentrated radiation flux incident on these transducers is also partially converted into electric energy and heat, and the reflected part again falls onto the concentrating surface, where it is used again for generation photocurrent converters 1.

ФЭМ предлагаемой конструкции по сравнению с известными системами, в которых процессы преобразования и концентрирования солнечного излучения происходят отдельно, а так же по сравнению с плоскими панелями солнечных батарей различных конструкций, обеспечивает достижение большей электрической мощности при использовании тех же миделевых площадей и одинаковых материалов преобразователей и во всех случаях повышает эффективность использования солнечной энергии, падающей на единицу поверхности. FEM of the proposed design, in comparison with known systems in which the processes of conversion and concentration of solar radiation occur separately, as well as in comparison with flat solar panels of various designs, provides greater electrical power when using the same midsection areas and the same materials of converters and In all cases, it increases the efficiency of using solar energy incident on a unit surface.

Claims

1. The photovoltaic module primarily for solar panels, made in the form of a set of electrically connected elements - direct and reflected radiant energy photoconverters mounted on a heat-removing, shaping base, characterized in that the main part of the direct flow converters forms an optically reflecting concentrating system, and part transducers is shifted along the axis of the concentrating system towards the incident flow and is fixed in the focal region with the possibility of not only direct, but also reflected concentrated radiation flux.

2. The module according to claim 1, characterized in that the direct radiation flux converters form a parabolic-cylinder type concentrating system equipped with an overlap made of a material transparent to radiation, and a part of the direct flux converters and all the reflected concentrated radiation flux converters are fixed in the focal plane parallel to the generatrix parabolocylinders and are mounted in the bearing transparent overlap.

3. The module according to claim 1, characterized in that it is equipped with a heat sink rib mounted at its distal end in the central part of the concentrating system, and the direct flow transducers displaced along the radial axis of the parabolic cylinder are mounted on the end part of the proximal end of the rib facing the incident straight flow, and the reflected concentrated flow transducers are mounted on the back of the proximal end of the rib in planes perpendicular to the bisector of the angle formed by the focus and the edge two points corresponding arcs midelnogo hub section.

4. The module according to claim 2 or 3, characterized in that the ratio of the size of the module in terms of focal length and arc length of the concentrating surface is from 1 1 to 1 5.