RU2411422C1 - Solar photo electric module - Google Patents
Solar photo electric module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2411422C1 RU2411422C1 RU2009122059/06A RU2009122059A RU2411422C1 RU 2411422 C1 RU2411422 C1 RU 2411422C1 RU 2009122059/06 A RU2009122059/06 A RU 2009122059/06A RU 2009122059 A RU2009122059 A RU 2009122059A RU 2411422 C1 RU2411422 C1 RU 2411422C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- zones
- fresnel lens
- photoconverter
- square
- lens
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к гелиотехнике и касается создания солнечных модулей с фотоэлектрическими приемниками излучения и концентраторами солнечного излучения в виде линз Френеля (ЛФ).The invention relates to solar technology and the creation of solar modules with photoelectric radiation detectors and solar radiation concentrators in the form of Fresnel lenses (LF).
Известны солнечные модули с фотопреобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде линзы Френеля (Д.С.Стребков, Э.В.Тверьянович. «Концентраторы солнечного излучения», глава 2, «Концентраторы на основе концентрических линз Френеля», стр.50-66). В главе описаны устройство, расчет основных характеристик ЛФ, имеющих концентрический рабочий профиль (мини-призмы рабочего профиля линзы расположены по концентрическим окружностям), создающий в плоскости фотопреобразователя точечный оптический фокус. Линзы Френеля создают высокие концентрации в плоскости оптического фокуса (фокальной плоскости), достигающие 2000 крат и более. Но для фотоэлектрических модулей с кремниевыми ФЭП такие высокие концентрации не нужны, поэтому ФЭП устанавливают в плоскостях дефокусировки, расположенных ближе к линзе, где концентрация достигает 10-40 крат. В этом случае распределение плотности облучения по поверхности ФЭП не играет существенной разницы, т.к. в фокальной плоскости установлен планарный ФЭП, при этом разные участки ФЭП, оказавшиеся при разных плотностях освещенности, могут рассматриваться как параллельно соединенные, работающие на общие выходные шинки ФЭП.Famous solar modules with photoconverters (PECs) and solar radiation concentrators in the form of a Fresnel lens (D. S. Strebkov, E. V. Tveryanovich. “Solar radiation concentrators”, chapter 2, “Concentrators based on concentric Fresnel lenses”, page 50 -66). The chapter describes the device, the calculation of the main characteristics of the LF having a concentric working profile (mini-prisms of the working profile of the lens are arranged in concentric circles), which creates a point optical focus in the plane of the photoconverter. Fresnel lenses create high concentrations in the plane of the optical focus (focal plane), reaching 2000 times or more. But for photovoltaic modules with silicon PECs, such high concentrations are not needed, therefore, PECs are installed in defocusing planes closer to the lens, where the concentration reaches 10-40 times. In this case, the distribution of the radiation density over the PEC surface does not play a significant difference, since In the focal plane, a planar photomultiplier is installed, while different parts of the photomultiplier that are at different light densities can be considered as parallel-connected, working on the common photomultiplier output buses.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль с линзой Френеля (прототип), состоящий из линзы Френеля, в фокусе которой установлен ФЭП со вторичным отражателем, для большего собирания энергии в фокальном пятне (РЖ «Энергетика», Генераторы прямого преобразования, №5, 1985 г., реферат 5Ф259, стр.32).Known solar photovoltaic module with a Fresnel lens (prototype), consisting of a Fresnel lens, in the focus of which a photomultiplier with a secondary reflector is installed, for more energy collection in the focal spot (RZ "Energy", Direct conversion generators, No. 5, 1985, abstract 5F259, p. 32).
Недостатками известного технического решения являются следующие.The disadvantages of the known technical solutions are as follows.
- Низкие концентрации на кремниевых планарных ФЭП в силу их физических особенностей, в результате чего количество дорогостоящих ФЭП на единицу установленной мощности снижается незначительно.- Low concentrations on silicon planar solar cells due to their physical characteristics, as a result of which the number of expensive solar cells per unit installed capacity is reduced slightly.
- Низкие напряжения на одном планарном ФЭП (~ 0,5 В) требуют необходимости объединять солнечные фотоэлектрические модули в длинные последовательные электрические цепи, чтобы набрать напряжение (12 В и более), приемлемое для дальнейшего использования в электрических аккумуляторах, инверторах постоянного тока в переменный и т.п. Длинные цепочки последовательных соединений всегда уменьшают надежность системы, т.к. выход из строя одного элемента цепи приводит к выходу всей цепи.- Low voltages on one planar photovoltaic solar cell (~ 0.5 V) require the need to combine solar photovoltaic modules into long series electrical circuits in order to gain voltage (12 V or more), acceptable for further use in electric batteries, DC inverters and AC etc. Long chains of serial connections always reduce the reliability of the system, as failure of one element of the circuit leads to the exit of the entire circuit.
- Невозможность создать высокие концентрации на кремниевых ФЭП приводит к утрате возможности повысить КПД ФЭП за счет повышения плотности светового потока.- The inability to create high concentrations on silicon PECs leads to the loss of the ability to increase the efficiency of PECs by increasing the light flux density.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерном освещении ФЭП, получение на одном ФЭП (модуле) приемлемого напряжения (12 В и выше), повышение КПД преобразования и снижение стоимости вырабатываемой энергии.The aim of the invention is to ensure the operation of the solar photovoltaic module at high concentrations and uniform illumination of the solar cells, obtaining an acceptable voltage (12 V and above) on one solar module (module), increasing the conversion efficiency and reducing the cost of the generated energy.
Для достижения указанных целей в солнечном фотоэлектрическом модуле линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного квадратного фотопреобразователя, причем фокусы расположены на диагоналях фотопребразователя между центральной точкой и вершинами его квадрата, и расстояния между фокусами периферийных зон не более 0,5 d, где d - диаметр фокального пятна от соответствующей периферийной зоны линзы Френеля, при этом зоны линзы имеют одинаковые площади миделей, и выходное отверстие вторичного отражателя имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади фотопреобразователя.To achieve these goals in a solar photovoltaic module, the Fresnel lens consists of four zones of the working profile, each of which has its own point optical focus in the plane of the high-voltage square photoconverter, the foci being located on the diagonals of the photoconverter between the center point and the vertices of its square, and the distance between the peripheral foci zones no more than 0.5 d, where d is the diameter of the focal spot from the corresponding peripheral zone of the Fresnel lens, while the zones of the lens have the same area m idedel, and the outlet of the secondary reflector has a square shape, equal in area to or greater than the area of the photoconverter.
Следует отметить, что высоковольтные фотопреобразователи состоят из множества одинаковых тонких планарных ФЭП, соединенных последовательно между собой, поэтому конфигурация поверхности, воспринимающей падающее излучение, в силу своих конструктивных особенностей может быть только прямоугольной или квадратной, что накладывает особые требования на распределение освещенности.It should be noted that high-voltage photoconverters consist of many identical thin planar PECs connected in series with each other, therefore, the configuration of the surface that receives incident radiation, due to its design features, can only be rectangular or square, which imposes special requirements on the distribution of illumination.
Признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, заключаются в следующем.Signs that distinguish the proposed technical solution from the prototype are as follows.
Линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного фотопреобразователя, причем каждая зона линзы имеет концентрический рабочий профиль, создающий точечный фокус.A Fresnel lens consists of four zones of the working profile, each of which has its own point optical focus in the plane of the high-voltage photoconverter, and each zone of the lens has a concentric working profile that creates a point focus.
Фокусы каждой зоны ЛФ расположены следующим образом: фокусы расположены на диагоналях фотопребразователя между центральной точкой и вершинами его квадрата, и расстояния между фокусами этих зон не более 0,5 d, где d - диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы Френеля. Такое расположение фокусов определяется тем, что высоковольтный ФЭП имеет квадратную форму и состоит из множества спаянных последовательно тонких пластинок ФЭП, которые должны освещаться равным световым потоком по всей поверхности. При неравномерной освещенности высоковольтные ФЭП будет иметь ток, соответствующий участку ФЭП с наименьшей освещенностью, что снизит КПД ФЭП. Четыре фокуса от зон ЛФ с одинаковыми площадями более равномерно освещают квадратную площадку, чем один фокус от целиковой, не разделенной на зоны ЛФ.The foci of each area of the LF are located as follows: the foci are located on the diagonals of the photodetector between the center point and the vertices of its square, and the distance between the foci of these zones is not more than 0.5 d, where d is the diameter of the focal spot from the corresponding zone of the Fresnel lens. Such an arrangement of the foci is determined by the fact that the high-voltage photomultiplier has a square shape and consists of many consecutively thin photomultiplier plates soldered in series, which should be illuminated with an equal luminous flux over the entire surface. In case of uneven illumination, high-voltage photovoltaic cells will have a current corresponding to the portion of the photomultiplier with the lowest illumination, which will reduce the photomultiplier efficiency. Four focuses from the LF zones with the same areas more uniformly illuminate the square area than one focus from the whole, not divided into LF zones.
Перед ФЭП расположен вторичный отражатель, имеющий квадратную поверхность выхода излучения, равную или большую, чем площадь ФЭП.In front of the photomultiplier there is a secondary reflector having a square surface of radiation output equal to or greater than the photomultiplier area.
На фиг.1а показано: общий вид солнечного модуля с высоковольтным фотопреобразователем и линзой Френеля.On figa shows: a General view of a solar module with a high voltage photoconverter and a Fresnel lens.
На фиг.1б показан в увеличенном масштабе вид на высоковольтный фотопреобразователь и схема расположения оптических фокусов от зон линзы Френеля.On figb shows an enlarged view of the high-voltage photoconverter and the arrangement of optical foci from the zones of the Fresnel lens.
На фиг.2а, б показаны: оптическая схема работы ЛФ и принципы формирования равномерной освещенности ФЭП: (а) - по сечению А-А линзы Френеля и ФЭП; (б) - по диагональному сечению Б-Б линзы и ФЭП.On figa, b are shown: the optical scheme of the LF and the principles of the formation of uniform illumination of the solar cells: (a) - along the section AA of the Fresnel lens and solar cells; (b) - along the diagonal section of the BB lens and FEP.
Кроме того, на фиг.2а, б показаны эпюры распределения освещенности Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 на поверхности ФЭП от разных зон линзы Френеля.In addition, on figa, b shows the diagrams of the distribution of illumination F 1 , F 2 , F 3 , F 4 on the surface of the solar cells from different zones of the Fresnel lens.
Солнечный модуль с высоковольтным фотопреобразователем (ФЭП) состоит из концентратора солнечного излучения в виде линзы Френеля (ЛФ) с концентрическим рабочим профилем, в фокальной плоскости 5 линзы установлен высоковольтный фотопреобразователь ФЭП, перед которым по ходу солнечных лучей расположен вторичный отражатель ВО, фотопреобразователь ФЭП установлен на плоскости 5 охлаждающего устройства 6. Линза Френеля состоит из четырех зон 1, 2, 3, 4 рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус F1, F2, F3, F4 в плоскости высоковольтного квадратного фотопреобразователя (ФЭП), причем фокусы F1, F2, F3, F4 расположены на диагоналях ав и бг фотопребразователя (ФЭП) между центральной точкой ОФЭП и вершинами абвг его квадрата, и расстояния между фокусами F1, F2, F3, F4 этих зон 1, 2, 3, 4 не более 0,5 d, где d - диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы Френеля, при этом зоны 1, 2, 3, 4 линзы ЛФ имеют одинаковые площади миделей, и выходное отверстие вторичного отражателя ВО имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади фотопреобразователя ФЭП.A solar module with a high-voltage photoconverter (PEC) consists of a solar radiation concentrator in the form of a Fresnel lens (LF) with a concentric working profile, a high-voltage photoconductor photoconverter is installed in the focal plane 5 of the lens, in front of which a secondary reflector VO is located in the direction of the sun, the photoconverter is installed on plane 5 of the cooling device 6. The Fresnel lens consists of four
Работает солнечный модуль с высоковольтным фотопреобразователем (ФЭП) следующим образом. Прямое солнечное излучение падает перпендикулярно миделю ЛФ (стрелка на фиг.1а) и концентрируется на фокальной плоскости 5, при этом по свойству концентрических ЛФ каждая зона 1, 2, 3, 4 создает на плоскости 5 фокальные пятна вокруг соответствующих точек F1, F2, F3, F4 фокуса. Таким образом, ЛФ имеет не одну точку фокуса на плоскости 5, а четыре точки F1, F2, F3, F4, расположенные на диагоналях абвг квадрата ФЭП, и расстояния между фокусами F1, F2, F3, F4 этих зон 1, 2, 3, 4 не более 0,5 d, где d - диаметр фокального пятна от соответствующей зоны линзы ЛФ. Такое расположение достигается тем, что зоны ЛФ также смещены относительно друг друга на величину 0,5 d. На фиг.1б в увеличенном виде изображен ФЭП и расположение зональных фокусов F1, F2, F3, F4, окружности вокруг фокусов обозначают диаметры фокальных пятен, которые выходят за пределы ФЭП.The solar module operates with a high voltage photoconverter (PEC) as follows. Direct solar radiation falls perpendicular to the mid-section of the LF (arrow in Fig. 1a) and concentrates on the focal plane 5, while by the property of concentric LF, each
На фиг.2а, б представлены эпюры Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 распределения плотности освещенности от зон 1, 2, 3, 4 на плоскости 5. На фиг.2а показаны эпюры освещенности от зон 1 и 4 по сечению А-А, из которых следует, что эпюры Ф1 и Ф4 вокруг фокусов F1 и F4 перекрывают друг друга таким образом, что суммарное распределение освещенности ФΣ в пределах ФЭП создает почти равномерную освещенность. При этом провал между эпюрами Ф1 и Ф4 заполняется зоной перекрытия (на фиг.2а крестообразная штриховка).On figa, b presents plots f 1 , f 2 , f 3 , f 4 the distribution of the density of illumination from
На фиг.2б представлена схема прохождения лучей света через ЛФ и формирование равномерной освещенности на ФЭП в диагональном сечении Б-Б. При этом центральная часть ФЭП вокруг точки ОФЭП (на фиг.1б затемненная часть) одновременно перекрывается фокальными пятнами от всех зон, что создает достаточную освещенность и выравнивает суммарную ФΣ. Для того чтобы максимально использовать световой поток от ЛФ, перед ФЭП установлен вторичный отражатель ВО, который направляет часть светового потока, выходящего за пределы (фиг.1б), на ФЭП.On figb presents a diagram of the passage of light rays through the LF and the formation of uniform illumination on the solar cells in the diagonal section BB. When the central portion FEP FEP around point O (in 1b shaded part) simultaneously overlaps focal spots of all the zones that generates adequate illumination levels and total P Σ. In order to maximize the use of the luminous flux from the LF, a secondary reflector VO is installed in front of the photomultiplier, which directs a part of the luminous flux beyond the limits (Fig. 1b) to the photomultiplier.
Таким образом, предложенный солнечный фотоэлектрический модуль с высоковольтным фотопреобразователем и линзой Френеля обеспечивает более равномерное распределение освещенности на ФЭП, чем обычная линза с одним фокусом, тем самым повышая КПД преобразования.Thus, the proposed solar photovoltaic module with a high-voltage photoconverter and a Fresnel lens provides a more uniform distribution of illumination on the photomultiplier than a conventional single focus lens, thereby increasing the conversion efficiency.
Подобный модуль был изготовлен и проведены натурные испытания в солнечном излучении. Линза имела 4 зоны, смещенные на встречу друг друга на 2,5 мм, размеры линзы 275×275 мм, фокусное расстояние до ФЭП составляло 279 мм. Высоковольтный ФЭП имел размер 10×10 мм и состоял из 32 элементарных ФЭП толщиной 0,31 мм, соединенных последовательно. Высоковольтный ФЭП в прямом солнечном потоке показал напряжение 16 В при КПД 14%, в составе модуля с ЛФ напряжение возросло до 18 В и КПД увеличился до 19%.A similar module was manufactured and full-scale tests in solar radiation were carried out. The lens had 4 zones shifted by 2.5 mm to each other, the lens dimensions were 275 × 275 mm, and the focal length to the photomultiplier was 279 mm. The high-voltage PEC had a size of 10 × 10 mm and consisted of 32 elementary PECs 0.31 mm thick, connected in series. The high-voltage PEC in direct solar flux showed a voltage of 16 V at an efficiency of 14%, in a module with an LF, the voltage increased to 18 V and the efficiency increased to 19%.
Увеличение КПД модуля на 5% означает выработку электроэнергии на 35% больше и соответствующее снижение стоимости вырабатываемой энергии.A 5% increase in module efficiency means a 35% increase in electricity generation and a corresponding reduction in the cost of generated energy.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009122059/06A RU2411422C1 (en) | 2009-06-10 | 2009-06-10 | Solar photo electric module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009122059/06A RU2411422C1 (en) | 2009-06-10 | 2009-06-10 | Solar photo electric module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2411422C1 true RU2411422C1 (en) | 2011-02-10 |
Family
ID=46309305
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009122059/06A RU2411422C1 (en) | 2009-06-10 | 2009-06-10 | Solar photo electric module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2411422C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU184511U1 (en) * | 2017-06-28 | 2018-10-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | SOLAR PHOTOELECTRIC SUBMODULE |
RU2727822C1 (en) * | 2016-12-30 | 2020-07-24 | Болимедиа Холдингз Ко. Лтд. | Concentrating solar device |
RU2817554C1 (en) * | 2023-05-03 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Solar photovoltaic module with radiation concentrator |
-
2009
- 2009-06-10 RU RU2009122059/06A patent/RU2411422C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2727822C1 (en) * | 2016-12-30 | 2020-07-24 | Болимедиа Холдингз Ко. Лтд. | Concentrating solar device |
RU184511U1 (en) * | 2017-06-28 | 2018-10-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | SOLAR PHOTOELECTRIC SUBMODULE |
RU2817554C1 (en) * | 2023-05-03 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Solar photovoltaic module with radiation concentrator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4042417A (en) | Photovoltaic system including a lens structure | |
CN102187473B (en) | Photovoltic cell, photovoltaic cell forming method, method for storing light energy and photovoltaic storage structure | |
KR100996242B1 (en) | Solar ac power generation device | |
JP2009117795A (en) | Solar cell module | |
RU2411422C1 (en) | Solar photo electric module | |
KR200390785Y1 (en) | Solar cells device | |
RU2436192C1 (en) | Photovoltaic module with nanostructure photocell | |
RU2690728C1 (en) | Concentrator-planar solar photoelectric module | |
JP6120450B2 (en) | Solar cell module and solar power generation device | |
RU2444809C2 (en) | Solar photovoltaic module with concentrator | |
WO2018157497A1 (en) | Double-sided solar cell assembly and system | |
KR101620406B1 (en) | High efficient solar module with solar cells arranged perpendicularly with parallel structure | |
RU2773716C1 (en) | Concentrator photoelectric module with planar elements | |
RU2442244C1 (en) | The superconducting spin gate | |
Ayane et al. | Performance analysis of a two stage micro photovoltaic concentrator | |
KR101629603B1 (en) | Power Generation Apparatus using Solar Energy | |
KR200400891Y1 (en) | Solar Focusing Unit for Solar Power Plant | |
KR200404291Y1 (en) | Solar Focusing Unit for Solar Power Plant and Solar Tracking Apparatus Having The Same | |
KR101325136B1 (en) | Solar cell | |
KR20150077849A (en) | Light Converging Photovoltaic Module and Module Assembly Utilizing the Reflected Light of Slope | |
KR101469583B1 (en) | Apparatus for condensing sunlight | |
Mohammadirad et al. | Photovoltaic generation power improvement using Fresnel condenser lens | |
KR100991986B1 (en) | Solar cell | |
RU2436193C1 (en) | Photovoltaic concentrator module | |
KR20070006499A (en) | Solar focusing unit for solar power plant and solar tracking apparatus having the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120611 |