RU2431086C2 - Solar power plant (versions) - Google Patents

Solar power plant (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2431086C2
RU2431086C2 RU2009133951/06A RU2009133951A RU2431086C2 RU 2431086 C2 RU2431086 C2 RU 2431086C2 RU 2009133951/06 A RU2009133951/06 A RU 2009133951/06A RU 2009133951 A RU2009133951 A RU 2009133951A RU 2431086 C2 RU2431086 C2 RU 2431086C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photodetector
solar power
concentrator
solar
power station
Prior art date
Application number
RU2009133951/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009133951A (en
Inventor
Дмитрий Семенович Стребков (RU)
Дмитрий Семенович Стребков
Михаил Иванович Осьмаков (RU)
Михаил Иванович Осьмаков
Сергей Александрович Плохих (RU)
Сергей Александрович Плохих
Original Assignee
Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)
Дмитрий Семенович Стребков
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 Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ), Дмитрий Семенович Стребков filed Critical Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)
Priority to RU2009133951/06A priority Critical patent/RU2431086C2/en
Publication of RU2009133951A publication Critical patent/RU2009133951A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2431086C2 publication Critical patent/RU2431086C2/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: in solar power plant containing concentrators, two-axis tracking system and photoreceiver in focal zone of each concentrator on the basis of commutated solar elements with p-n junctions the planes of which are perpendicular to optical axis and parallel to middle plane of concentrator the photoreceiver is made in the form of flat module consisting of in-series miniature solar elements each of which has the shape of circular sector with apex angle of 3-30°, which are installed axisymmetrically in focal zone with apex at optical axis of concentrator. Photoreceiver is installed in transparent cover for solar radiation and equipped with heat removal device. In the other version, in solar power plant containing concentrators, two-axis tracking system and photoreceivers in focal zone of each concentrator on the basis of commutated solar elements with p-n junctions, each photoreceiver is made in the form of sections of solid-state matrix consisting of in-series commutated miniature solar elements with diode structures and two-sided working surface; planes of p-n junctions of diode structures are parallel to two of four side edges and perpendicular to working surface of photoreceiver, middle plane and focal plane of concentrator, and optical axis of concentrator and solar radiation flow are parallel to plane of p-n junctions. Photoreceiver is installed in transparent cover for solar radiation and equipped with heat removal device.
EFFECT: invention shall allow reduction of power losses, and cost of installed capacity and generated power.
20 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.The invention relates to the field of conversion of solar energy into electrical and thermal, primarily to the design of solar power plants with concentrators.

Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор на основе концентрических линз Френеля, двухосную систему слежения за Солнцем и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных планарных солнечных элементов с односторонней рабочей поверхностью. Солнечная электростанция имеет следующие характеристики: коэффициент концентрации 385, электрическая мощность 5,75 кВт, КПД преобразования солнечной радиации с учетом КПД концентратора и инвертора 23,5%, стоимость 9,3 долл. США/Вт. Плоскость фотоприемников и р-n переходов фотоприемников параллельна плоскости линзы Френеля и перпендикулярна оптической оси концентратора и концентрированному потоку солнечного излучения. Стоимость фотоприемника составляет 13 долл. США за 1 см площади фотоприемника (Photon International, июль 2008 г., с.15).Known solar photovoltaic station containing a concentrator based on concentric Fresnel lenses, a biaxial tracking system for the sun and photodetectors based on cascade heterostructure planar solar cells with a one-sided working surface. The solar power plant has the following characteristics: concentration coefficient 385, electric power 5.75 kW, solar radiation conversion efficiency taking into account the efficiency of the concentrator and inverter 23.5%, cost 9.3 USD / W. The plane of the photodetectors and the pn junctions of the photodetectors are parallel to the plane of the Fresnel lens and perpendicular to the optical axis of the concentrator and the concentrated flux of solar radiation. The cost of a photodetector is $ 13 per 1 cm of photodetector area (Photon International, July 2008, p.15).

Недостатком известной электростанции является высокая трудоемкость изготовления и большая стоимость материалов фотоприемников, содержащих галлий, германий и другие дорогостоящие материалы.A disadvantage of the known power plant is the high complexity of manufacturing and the high cost of photodetector materials containing gallium, germanium and other expensive materials.

Известна солнечная фотоэлектрическая станция, содержащая концентратор с поверхностью миделя, на который поступает солнечное излучение, двухосную систему слежения и фотоприемники излучения на основе каскадных гетероструктурных солнечных элементов на основе полупроводников АIII BV. Концентратор содержит параболоидное зеркало квадратной формы, контротражатель системы Кассегрена и пирамидальный оптический элемент из стекла, на нижнем основании которого закреплен каскадный гетероструктурный солнечный элемент с односторонней рабочей поверхностью с р-n переходом, плоскость которого параллельна плоскости миделя концентратора и перпендикулярна оптической оси концентратора, потоку солнечного излучения и боковым граням оптического элемента. Параметры солнечной электростанции: концентрация 476, КПД 22,7%, площадь солнечного элемента 1 см2, размеры параболоида 25х25 см, суммарная электрическая мощность 500 кВт (Photon International, ноябрь 2008 г., с.150, 153; Sun and Wind Energy, 2008, №5, с.130).Known solar photovoltaic station containing a concentrator with a midsection surface, which receives solar radiation, a biaxial tracking system and radiation photodetectors based on cascade heterostructured solar cells based on semiconductors A III B V. The concentrator contains a paraboloidal mirror of square shape, a Cassegrain counter-protector and a pyramidal optical element made of glass, on the lower base of which a cascade heterostructured solar cell with a one-sided working surface with a pn junction, the plane of which is parallel to the concentrator’s midsection plane and perpendicular to the concentrator’s optical axis, is fixed to the solar flow radiation and the side faces of the optical element. Parameters of a solar power plant: concentration 476, efficiency 22.7%, solar cell area 1 cm 2 , paraboloid dimensions 25x25 cm, total electric power 500 kW (Photon International, November 2008, p. 150, 153; Sun and Wind Energy, 2008, No. 5, p.130).

Недостатком известной солнечной электростанции является большая стоимость и низкий КПД трехэлементной оптической системы: параболическое зеркало - контротражатель - оптический элемент - солнечный элемент.A disadvantage of the known solar power plant is the high cost and low efficiency of a three-element optical system: a parabolic mirror - a counter-reflector - an optical element - a solar element.

Задачей настоящего изобретения является снижение потерь энергии и стоимости установленной мощности и вырабатываемой энергии.The objective of the present invention is to reduce energy losses and the cost of installed power and generated energy.

Технический результат достигается тем, что в солнечной электростанции, содержащей концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемник в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, плоскости которых перпендикулярны оптической оси и параллельны плоскости миделя концентратора, фотоприемник выполнен в виде плоского модуля из скоммутированных последовательно миниатюрных солнечных элементов, каждый из которых имеет форму кругового сектора с углом при вершине 3-30°, установленных осесимметрично в фокальной области с вершиной у оптической оси концентратора, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.The technical result is achieved in that in a solar power plant containing concentrators, a biaxial tracking system and a photodetector in the focal region of each concentrator based on commutated solar cells with pn junctions whose planes are perpendicular to the optical axis and parallel to the plane of the hub midship, the photodetector is made in the form of a flat a module of sequentially switched miniature solar cells, each of which has the shape of a circular sector with an angle at the apex of 3-30 °, setting ennyh axially in the focal region with vertex in the optical axis of the concentrator, a photodetector is mounted in the transparent for solar radiation and the shell is provided with a device for removing heat.

В солнечной электростанции, содержащей концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и двухсторонней рабочей поверхностью, плоскости р-n переходов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.In a solar power plant containing concentrators, a biaxial tracking system and photodetectors in the focal region of each concentrator based on commutated solar cells with pn junctions, each photodetector is made in the form of sections of a solid-state matrix of sequentially commutated miniature solar cells with diode structures and a two-sided working surface, the plane of the pn junctions of the diode structures are parallel to two of the four side faces and perpendicular to the working surface of the photodetector, the midsection plane and the focal plane of the concentrator, and the optical axis of the concentrator and the solar radiation flux are parallel to the plane of pn junctions of the photodetector, the photodetector is installed in a shell transparent to solar radiation and equipped with a device for removing heat.

В варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен в виде каскадного преобразователя из двух секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из кремния, а вторая секция из германия.In a variant of a solar power plant, the photodetector is made in the form of a cascade converter of two sections of solid-state arrays mounted one above the other in the direction of the concentrated radiation flux: the first section is made of silicon, and the second section is made of germanium.

В другом варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из трех секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из карбида кремния, вторая секция из кремния, а третья секция из германия.In another embodiment of the solar power plant, the photodetector is made of three sections of solid-state arrays mounted one below the other in the direction of the concentrated radiation flux: the first section is made of silicon carbide, the second section is silicon, and the third section is germanium.

Еще в одном варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы составного фотоприемника установлены осесимметрично в фокальной области и имеют переменную площадь миниатюрных солнечных элементов в матрице, которая возрастает при удалении от оптической оси концентратора.In another embodiment of the solar power plant, sections of the solid-state matrix of the composite photodetector are mounted axisymmetrically in the focal region and have a variable area of miniature solar cells in the matrix, which increases with distance from the optical axis of the concentrator.

В варианте солнечной электростанции составной фотоприемник состоит из пяти секций твердотельных матриц, соединенных параллельно и установленных осесимметрично в фокальной плоскости концентратора, центральная секция имеет форму квадрата, четыре других секции выполнены в виде правильных трапеций, меньшее основание каждой трапеции равно стороне квадратной секции и примыкает к ней.In a variant of a solar power plant, a composite photodetector consists of five sections of solid-state arrays connected in parallel and mounted axisymmetrically in the focal plane of the concentrator, the central section is square, four other sections are made in the form of regular trapeziums, the smaller base of each trapezoid is equal to the side of the square section and adjoins it .

В варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы фотоприемника выполнены в виде правильной четырехгранной пирамиды и образуют составной полостной осесимметричный фотоприемник, который помещен в конусообразную прозрачную оболочку, заполненную кремнийорганической жидкостью и обращен полостью к концентратору.In a variant of a solar power plant, sections of the solid-state matrix of the photodetector are made in the form of a regular tetrahedral pyramid and form a composite cavity axisymmetric photodetector, which is placed in a cone-shaped transparent shell filled with organosilicon liquid and facing the cavity to the hub.

В варианте солнечной электростанции полостной фотоприемник обращен вершиной к концентратору.In a variant of the solar power station, the cavity photodetector is turned at the apex to the hub.

В варианте солнечной электростанции концентратор выполнен в виде параболоидного зеркала системы Кассегрена с гиперболическим контротражателем в фокальной области и четырехгранной призмой у вершины параболоида, в основании которой установлен фотоприемник, плоскости р-n переходов которого параллельны двум боковым граням призмы.In a variant of a solar power station, the concentrator is made in the form of a paraboloid mirror of the Cassegrain system with a hyperbolic counter-reflector in the focal region and a tetrahedral prism at the top of the paraboloid, at the base of which there is a photodetector, the plane of the pn junctions of which are parallel to the two side faces of the prism.

В варианте солнечной электростанции секции твердотельной матрицы фотоприемника с покрытием из стекла на рабочей поверхности установлены в виде цилиндра осесимметрично в фокальной области внутри прозрачной цилиндрической оболочки параллельно оптической оси концентратора и погружены в охлаждающую жидкость.In a variant of a solar power plant, sections of a solid-state matrix of a photodetector coated with glass on a working surface are mounted in the form of a cylinder axisymmetrically in the focal region inside a transparent cylindrical shell parallel to the optical axis of the concentrator and immersed in coolant.

В варианте солнечной электростанции устройство отвода теплоты имеет насос для прокачки охлаждающей жидкости.In a variant of a solar power plant, the heat removal device has a pump for pumping coolant.

В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.In a variant of a solar power plant, the coolant is made of organosilicon components.

В другом варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость содержит компоненты на основе очищенной воды.In another embodiment of a solar power plant, the coolant contains purified water based components.

В варианте солнечной электростанции теплообменник соединен с двумя контурами охлаждения, один контур для прокачки охлаждающей жидкости и второй контур для прокачки воды.In a variant of a solar power plant, the heat exchanger is connected to two cooling circuits, one circuit for pumping coolant and a second circuit for pumping water.

В другом варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.In another embodiment of the solar power plant, the heat exchanger is equipped with an air-cooled radiator.

В варианте солнечной электростанции фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника.In a variant of a solar power station, the photodetector on the concentrator side has a protective coating of glass; the back side of the photodetector is attached through an electrically insulating heat-conducting adhesive to the surface of the heat exchanger.

В варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен устройством для прокачки теплоносителя.In a variant of the solar power plant, the heat exchanger is equipped with a device for pumping the coolant.

В другом варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.In another embodiment of the solar power plant, the heat exchanger is equipped with an air-cooled radiator.

Изобретение иллюстрируется рисунками, на которых на фиг.1 показана солнечная электростанция с параболоидным отражателем и секторным фотоприемником на основе скоммутированных осесимметричных солнечных элементов, на фиг.2 - расположение секторного фотоприемника в фокальной плоскости, на фиг.3 - солнечная электростанция с параболоидным концентратором и фотоприемником в виде каскадного преобразователя из двух секций твердотельных матриц из кремния и германия, на фиг.4 - солнечная электростанция с концентратором на основе концентрической линзы Френеля и составным фотоприемником с переменной площадью миниатюрных солнечных элементов в матрице, на фиг.5 - расположение составного приемника в фокальной плоскости, на фиг.6. - расположение полостного приемника в двух проекциях в фокальной области, на фиг.7 - солнечная электростанция с концентратором на основе концентрической линзы Френеля и составным полостным фотоприемником в конусной камере охлаждения, на фиг.8 - солнечная электростанция с параболоидным зеркалом системы Кассегрена и фотоприемником в четырехгранной призме, на фиг.9 - солнечная электростанция с параболоидным зеркалом и цилиндрическим фотоприемником.The invention is illustrated by figures, in which Fig. 1 shows a solar power plant with a paraboloid reflector and a sector photodetector based on commutated axisymmetric solar cells, Fig. 2 shows the location of a sector photodetector in the focal plane, Fig. 3 shows a solar power station with a paraboloid concentrator and a photodetector in the form of a cascade converter of two sections of solid-state matrices of silicon and germanium, Fig. 4 - a solar power station with a concentric concentrator Inza Fresnel integral photodetector variable area miniature solar cells in the matrix in Figure 5 - the location of the receiver in the composite focal plane 6. - the location of the cavity receiver in two projections in the focal region, in Fig.7 - a solar power station with a concentrator based on a concentric Fresnel lens and a composite cavity photodetector in a conical cooling chamber, Fig. 8 - solar power station with a paraboloid mirror of the Cassegrain system and a photodetector in a tetrahedral a prism, in Fig.9 - a solar power plant with a paraboloidal mirror and a cylindrical photodetector.

На фиг.1 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 1 с двухосной системой слежения (на фиг. не показана) и фотоприемником 2, установленным осесимметрично в фокальной плоскости 3 с центром в фокусе F и оптической осью 4 концентратора 1. Фотоприемник 2 установлен в конусообразной камере 5 из стекла, которая соединена металлической опорой 6 с параболоидом 1. Внутри опоры 6 установлены трубки 7 и 8 для подвода и отвода кремнийорганической жидкости. Для перекачки кремнийорганической жидкости в теплообменник 9 установлен насос 10. К теплообменнику присоединены патрубки 11 и 12 контура водяного охлаждения. Фотоприемник 2 выполнен в виде скоммутированных последовательно планарных секторных солнечных элементов 3 (фиг.2) с секторным углом 3-30°, установленных осесимметрично вокруг оптической оси 4 в форме круга.In Fig. 1, the solar power station contains a paraboloidal concentrator 1 with a biaxial tracking system (not shown in Fig.) And a photodetector 2 mounted axisymmetrically in the focal plane 3 with a center in focus F and an optical axis 4 of the concentrator 1. Photodetector 2 is mounted in a cone-shaped chamber 5 made of glass, which is connected by a metal support 6 to a paraboloid 1. Inside the support 6, tubes 7 and 8 are installed for supplying and discharging an organosilicon liquid. For pumping the organosilicon liquid into the heat exchanger 9, a pump 10 is installed. The pipes 11 and 12 of the water cooling circuit are connected to the heat exchanger. The photodetector 2 is made in the form of sequentially switched planar sector solar cells 3 (Fig. 2) with a sector angle of 3-30 °, mounted axisymmetrically around the optical axis 4 in the form of a circle.

На фиг.3 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 1 и каскадный фотоприемник 12 из двух секций твердотельных матриц из кремния 13 и германия 14. Плоскости контактов 15 и р-n переходов 16 в секциях 13 и 14 параллельны друг другу и оптической оси 4 концентратора 1 и перпендикулярны плоскости миделя 17 и концентратора 1, на который поступает солнечное излучение i.In Fig. 3, the solar power station contains a paraboloid concentrator 1 and a cascade photodetector 12 of two sections of solid-state arrays of silicon 13 and germanium 14. The contact planes 15 and pn junctions 16 in sections 13 and 14 are parallel to each other and to the optical axis 4 of hub 1 and perpendicular to the plane of the midsection 17 and the hub 1, which receives solar radiation i.

На фиг.4 солнечная электростанция содержит концентратор на основе концентрической линзы Френеля 18 и составной фотоприемник 19, который состоит из центральной секции 20 твердотельной матрицы квадратной формы и четырех секций 21, 22, 23 и 24 твердотельных матриц (фиг.5), которые выполнены в виде правильных трапеций, меньшее основание 25 каждой трапецеидальной секции равно стороне 26 центральной квадратной секции 20 и примыкает к ней. Все секции фотоприемника 19 соединены параллельно и установлены на теплообменнике-радиаторе 27, площадь которого соизмерима с площадью концентратора 18. Составной фотоприемник 19 имеет с освещаемой стороны защитное покрытие 28 из стекла и прикреплен к теплообменнику 27 с помощью теплопроводящего электроизолированного клея 29.In Fig. 4, the solar power station contains a concentrator based on a Fresnel concentric lens 18 and a composite photodetector 19, which consists of a central section 20 of a square-shaped solid-state matrix and four sections 21, 22, 23 and 24 of solid-state arrays (Fig. 5), which are made in in the form of regular trapezoids, the smaller base 25 of each trapezoidal section is equal to side 26 of the central square section 20 and adjoins it. All sections of the photodetector 19 are connected in parallel and mounted on a heat exchanger-radiator 27, the area of which is commensurate with the area of the concentrator 18. The composite photodetector 19 has a protective coating 28 of glass on the illuminated side and is attached to the heat exchanger 27 using heat-conducting electrically insulated adhesive 29.

Плоскости p+-n (n+-р) переходов 30 и изотипных n+-n (р+-р) переходов диодных структур показаны на рисунках тонкими линиями, а металлических контактов - толстыми линиями.The planes of p + -n (n + -p) junctions 30 and isotypic n + -n (p + -p) junctions of diode structures are shown in the figures by thin lines, and of metal contacts by thick lines.

Плоскости р-n переходов 30 и контактов всех секций составного фотоприемника 19 параллельны оптической оси 31 концентратора 18 и перпендикулярны плоскости линзы Френеля 18. Секции 21, 22, 23 и 24 твердотельных матриц имеют переменную площадь миниатюрных солнечных элементов 32, которая увеличивается с увеличением расстояния от оптической оси 31 концентратора.The planes of pn junctions 30 and the contacts of all sections of the composite photodetector 19 are parallel to the optical axis 31 of the hub 18 and perpendicular to the plane of the Fresnel lens 18. Sections 21, 22, 23 and 24 of solid-state arrays have a variable area of miniature solar cells 32, which increases with increasing distance from optical axis 31 of the hub.

На фиг.6 показан в двух проекциях (вид сбоку и вид сверху) составной полостной приемник 34, который имеет форму четырехгранной пирамиды и состоит из четырех секций 35, 36, 37 и 38 твердотельных матриц, каждая из которых выполнена в форме правильного треугольника. Плоскости р-n переходов 39 в секциях параллельны основанию приемника.Figure 6 shows in two projections (side view and top view) a composite cavity receiver 34, which has the shape of a tetrahedral pyramid and consists of four sections 35, 36, 37 and 38 solid-state matrices, each of which is made in the form of a regular triangle. The planes of the pn junctions 39 in the sections are parallel to the base of the receiver.

На фиг.7 составной полостной фотоприемник 34 установлен в фокальной области 33 концентрической линзы Френеля внутри герметичной конусной прозрачной камеры 40, которая заполнена охлаждающей жидкостью 41. Общая площадь поверхности стенок конической камеры 40 соизмерима с площадью линзы Френеля 18.7, a composite cavity photodetector 34 is mounted in the focal region 33 of the Fresnel concentric lens inside a sealed conical transparent chamber 40, which is filled with coolant 41. The total surface area of the walls of the conical chamber 40 is comparable with the area of the Fresnel lens 18.

На фиг.8 параболоидный концентратор 41 шестигранной формы имеет контротражатель 42 в форме гиперболического зеркала в фокальной области F и призменный оптический элемент 43, установленный в вершине 44 концентратора 41. Фотоприемник 45 установлен на основании четырехгранной призмы 43 из оптического стекла. Фотоприемник 45 состоит из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов 46 с диодной n+-p-p+ структурой. Плоскости р-n переходов 47 в диодной структуре параллельны двум из четырех граней призмы 43, падающему излучению i и оптической оси концентратора 4. Фотоприемник 45 присоединен к призме 43 с помощью оптического прозрачного клея (на фиг. не показано) и установлен в герметичной камере 48, заполненной кремнийорганической жидкостью 49. Тыльная сторона 50 фотоприемника 45 имеет защитное покрытие из стекла 51 и погружена в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 49. Устройство охлаждения фотоприемника 52 состоит из трубопроводов 53, присоединенных к герметичной камере 48 насоса 54 и теплообменника 55, к которому подключен водяной контур 56.In Fig. 8, the hexagonal paraboloid concentrator 41 has a counterblock 42 in the form of a hyperbolic mirror in the focal region F and a prism optical element 43 mounted at the apex 44 of the hub 41. The photodetector 45 is mounted on the basis of a tetrahedral prism 43 of optical glass. Photodetector 45 consists of series-connected miniature solar cells 46 with diode n + -pp + structure. The planes of the pn junctions 47 in the diode structure are parallel to two of the four faces of the prism 43, the incident radiation i and the optical axis of the concentrator 4. The photodetector 45 is attached to the prism 43 using optical transparent glue (not shown in Fig.) And installed in a sealed chamber 48 filled with organosilicon liquid 49. The back side 50 of the photodetector 45 has a protective coating of glass 51 and is immersed in an organosilicon cooling liquid 49. The cooling device of the photodetector 52 consists of pipelines 53 connected to a germ the chamber 48 of the pump 54 and the heat exchanger 55 to which the water circuit 56 is connected.

На фиг.9 солнечная электростанция содержит параболоидный концентратор 57 квадратной формы и цилиндрический фотоприемник 58, установленный симметрично в фокальной области 59 концентратора 57 в цилиндрической стеклянной оболочке 60. Поперечное сечение фотоприемника в его средней части совпадает с фокальной плоскостью 61 концентратора 57. Плоскости р-n переходов 62 фотоприемника 58 перпендикулярны фокальной плоскости 61 и плоскости миделя 63 концентратора 57 и параллельны оптической оси 64 и потоку падающих i, поступающих на концентратор 57, и отраженных солнечных лучей io, поступающих на фотоприемник 58. Фотоприемник 58 имеет защитное покрытие 63 из стекла и погружен в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 64, которая заполняет цилиндрическую оболочку 60. Цилиндрическая оболочка 60 имеет патрубки 65 для присоединения к теплообменнику. В другом варианте исполнения цилиндрическая оболочка 60 присоединена к воздушному радиатору.In Fig. 9, the solar power station comprises a square-shaped paraboloid concentrator 57 and a cylindrical photodetector 58 mounted symmetrically in the focal region 59 of the concentrator 57 in a cylindrical glass shell 60. The cross-section of the photodetector in its middle part coincides with the focal plane 61 of the concentrator 57. R-n planes transitions 62 of the photodetector 58 are perpendicular to the focal plane 61 and the midsection plane 63 of the hub 57 and parallel to the optical axis 64 and the stream of incident i arriving at the hub 57, and is reflected sunlight s i o, received on the photodetector 58. The photodetector 58 has a protective coating 63 made of glass and immersed in a silicone coolant 64 which fills the cylindrical shell 60. The cylindrical shell 60 has nozzles 65 for connection to the heat exchanger. In another embodiment, the cylindrical shell 60 is attached to an air radiator.

Пример выполнения солнечной электростанции (СЭС)An example of a solar power plant (SES)

СЭС состоит из модулей с параболоидным осесимметричным концентратором с двухосной системой слежения (фиг.9). Каждый модуль имеет квадратное параболоидное зеркало 57 размером 0,283×0,283 м с защитной цилиндрической оболочкой диаметром 60×30 мм, выполненной из стекла. Фотоприемник 58 состоит из 6 секций матричных солнечных элементов размером 60 мм×10 мм×0,6 мм, установленных по внутренней образующей защитной цилиндрической оболочке 60 в фокальной области 59 концентратора 57. Плоскости р-n переходов 62 и контактов секций фотоприемника 58 параллельны оптической оси 64 концентратора, падающему потоку i и отраженному потоку io излучения и перпендикулярны плоскости миделя 63 и фокальной плоскости 61 концентратора 57. Секции матричных солнечных элементов имеют защитное покрытие 63 из стекла и погружены в кремнийорганическую охлаждающую жидкость 64. Цилиндрическая защитная оболочка 60 в верхней части имеет радиатор-змеевик для охлаждения теплоносителя. Площадь фотоприемника 58 составляет 36 см2, площадь миделя 63 концентратора - 800 см2, коэффициент геометрической концентрации 222, оптический КПД - 0,8, пиковая электрическая мощность при КПД фотоприемника 20% и КПД модуля 16% составляет 12,8 Вт.SES consists of modules with a paraboloid axisymmetric concentrator with a biaxial tracking system (Fig.9). Each module has a square paraboloid mirror 57 of 0.283 × 0.283 m in size with a protective cylindrical shell with a diameter of 60 × 30 mm made of glass. Photodetector 58 consists of 6 sections of matrix solar cells measuring 60 mm × 10 mm × 0.6 mm installed along the inner generatrix of the protective cylindrical shell 60 in the focal region 59 of the hub 57. The planes of the pn junctions 62 and the contacts of the sections of the photodetector 58 are parallel to the optical axis 64 of the concentrator, the incident flux i and the reflected flux i o of radiation and are perpendicular to the midsection plane 63 and the focal plane 61 of the concentrator 57. The sections of the matrix solar cells have a protective coating 63 of glass and are immersed in an organosilicon 64 cooling liquid. The cylindrical protective shell 60 in the upper part has a coil radiator for cooling the coolant. The area of the photodetector 58 is 36 cm 2 , the midsection area of the 63 concentrator is 800 cm 2 , the geometric concentration coefficient is 222, the optical efficiency is 0.8, the peak electric power with a photodetector efficiency of 20% and a module efficiency of 16% is 12.8 W.

Расположение плоскости р-n переходов параллельно концентрированному потоку солнечного излучения позволяет получить два важных преимущества СЭС по сравнению с известной. Это позволяет изготовить фотоприемник из дешевого полупроводникового материала с непрямыми переходами, например из кремния, и снизить стоимость фотоприемника с 13 долл./см2 для каскадных гетероструктурных солнечных элементов до 0,065 долл./см2, т.е. в 200 раз.The location of the plane of pn junctions parallel to the concentrated flux of solar radiation allows us to obtain two important advantages of SES compared to the known one. This makes it possible to fabricate a photodetector from a cheap semiconductor material with indirect junctions, for example, silicon, and reduce the cost of a photodetector from $ 13 / cm 2 for cascaded heterostructured solar cells to $ 0.065 / cm 2 , i.e. 200 times.

Поток концентрированного излучения в фотоприемнике ортогонален потоку генерированных излучением носителей заряда через р-n переходы, что позволяет снизить джоулевые потери в легированном слое и в базовой области фотоприемника и улучшить условия отвода тепла за счет использования металлических токоотводов, расположенных по всей площади р-n переходов, в качестве теплопроводящих слоев для отвода тепла из объема фотоприемника к обеим рабочим поверхностям. Инфракрасная составляющая концентрированного потока излучения за краем полосы поглощения (1,2 мкм для кремниевого фотоприемника) проходит параллельно плоскости p-n переходов через объем фотоприемника без существенного поглощения, что также примерно на 20% снижает затраты на охлаждение фотоприемника. Наличие просветляющего покрытия на обеих рабочих поверхностях фотоприемника снижает потери на отражение и увеличивает пропускание нефотоактивной части спектра падающего прямого и концентрированного солнечного излучения.The concentrated radiation flux in the photodetector is orthogonal to the flux of radiation generated by the charge carriers through pn junctions, which reduces the joule losses in the doped layer and in the base region of the photodetector and improves the heat removal conditions by using metal collectors located over the entire pn junction area, as heat-conducting layers for removing heat from the volume of the photodetector to both working surfaces. The infrared component of the concentrated radiation flux beyond the edge of the absorption band (1.2 μm for a silicon photodetector) passes parallel to the plane of pn junctions through the photodetector volume without significant absorption, which also reduces the cost of cooling the photodetector by about 20%. The presence of an antireflection coating on both working surfaces of the photodetector reduces reflection losses and increases the transmission of the non-photoactive part of the spectrum of incident direct and concentrated solar radiation.

Claims (20)

1. Солнечная электростанция, содержащая концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемник в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-п переходами, плоскости которых перпендикулярны оптической оси и параллельны плоскости миделя концентратора, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен в виде плоского модуля из скоммутированных последовательно миниатюрных солнечных элементов, каждый из которых имеет форму кругового сектора с углом при вершине 3-30°, установленных осесимметрично в фокальной области с вершиной у оптической оси концентратора, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.1. A solar power plant containing concentrators, a biaxial tracking system and a photodetector in the focal region of each concentrator based on commutated solar cells with pn junctions whose planes are perpendicular to the optical axis and parallel to the concentrator’s midship plane, characterized in that the photodetector is made in the form of a flat module of successively switched miniature solar cells, each of which has the shape of a circular sector with an angle at the apex of 3-30 °, mounted axisymmetrically in the focal region with vertex in the optical axis of the concentrator, a photodetector is mounted in the transparent for solar radiation and the shell is provided with a device for removing heat. 2. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что устройство отвода теплоты имеет насос для прокачки охлаждающей жидкости и теплообменник.2. The solar power station according to claim 1, characterized in that the heat removal device has a pump for pumping coolant and a heat exchanger. 3. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника.3. The solar power station according to claim 1, characterized in that the photodetector on the hub side has a protective coating of glass, the back side of the photodetector is attached through an electrically insulating heat-conducting adhesive to the surface of the heat exchanger. 4. Солнечная электростанция, содержащая концентраторы, двухосную систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора на основе скоммутированных солнечных элементов с р-п переходами, отличающаяся тем, что каждый фотоприемник выполнен в виде секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и двухсторонней рабочей поверхностью, плоскости р-п переходов диодных структур параллельны двум из четырех боковых граней и перпендикулярны рабочей поверхности фотоприемника, плоскости миделя и фокальной плоскости концентратора, а оптическая ось концентратора и поток солнечного излучения параллельны плоскости р-п переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной для солнечного излучения оболочке и снабжен устройством для отвода теплоты.4. A solar power plant containing concentrators, a biaxial tracking system and photodetectors in the focal region of each concentrator based on commutated solar cells with pn junctions, characterized in that each photodetector is made in the form of sections of a solid-state matrix of sequentially commutated miniature solar cells with diode structures and a two-sided working surface, the planes of the pn junctions of the diode structures are parallel to two of the four side faces and are perpendicular to the working surface the surface of the photodetector, the midsection plane and the focal plane of the concentrator, and the optical axis of the concentrator and the solar radiation flux are parallel to the plane of the pn junctions of the photodetector, the photodetector is installed in a shell transparent to solar radiation and equipped with a device for removing heat. 5. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен в виде каскадного преобразователя из двух секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из кремния, а вторая секция - из германия.5. The solar power station according to claim 4, characterized in that the photodetector is made in the form of a cascade converter of two sections of solid-state arrays mounted one below the other in the direction of the concentrated radiation flux: the first section is made of silicon and the second section is made of germanium. 6. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что фотоприемник выполнен из трех секций твердотельных матриц, установленных друг под другом по направлению потока концентрированного излучения: первая секция выполнена из карбида кремния, вторая секция - из кремния, а третья секция - из германия.6. The solar power station according to claim 4, characterized in that the photodetector is made of three sections of solid-state arrays mounted one below the other in the direction of the concentrated radiation flux: the first section is made of silicon carbide, the second section is made of silicon, and the third section is made of germanium . 7. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что секции твердотельной матрицы составного фотоприемника установлены осесимметрично в фокальной области и имеют переменную площадь миниатюрных солнечных элементов в матрице, которая возрастает при удалении от оптической оси концентратора.7. The solar power station according to claim 4, characterized in that the sections of the solid-state matrix of the composite photodetector are mounted axisymmetrically in the focal region and have a variable area of miniature solar cells in the matrix, which increases with distance from the optical axis of the concentrator. 8. Солнечная электростанция по п.4 или 7, отличающаяся тем, что составной фотоприемник состоит из пяти секций твердотельных матриц, соединенных параллельно и установленных осесимметрично в фокальной плоскости концентратора, центральная секция имеет форму квадрата, четыре других секции выполнены в виде правильных трапеций, меньшее основание каждой трапеции равно стороне квадратной секции и примыкает к ней.8. The solar power station according to claim 4 or 7, characterized in that the composite photodetector consists of five sections of solid-state arrays connected in parallel and mounted axisymmetrically in the focal plane of the concentrator, the central section has the shape of a square, four other sections are made in the form of regular trapezoid, smaller the base of each trapezoid is equal to the side of the square section and adjoins it. 9. Солнечная электростанция по п.4 или 7, отличающаяся тем, что секции твердотельной матрицы фотоприемника выполнены в виде правильной четырехгранной пирамиды и образуют составной полостной осесимметричный фотоприемник, который помещен в конусообразную прозрачную оболочку, заполненную кремнийорганической жидкостью и обращен полостью к концентратору.9. The solar power station according to claim 4 or 7, characterized in that the sections of the solid-state matrix of the photodetector are made in the form of a regular tetrahedral pyramid and form a composite cavity axisymmetric photodetector, which is placed in a cone-shaped transparent shell filled with organosilicon liquid and facing the cavity to the concentrator. 10. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что полостной фотоприемник обращен вершиной к концентратору.10. The solar power station according to claim 4, characterized in that the cavity photodetector is facing the apex towards the concentrator. 11. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в виде параболоидного зеркала системы Кассегрена с гиперболическим контротражателем в фокальной области и четырехгранной призмой у вершины параболоида, в основании которой установлен фотоприемник, плоскости р-п переходов которого параллельны двум боковым граням призмы.11. The solar power station according to claim 4, characterized in that the hub is made in the form of a paraboloid mirror of the Cassegrain system with a hyperbolic counter-reflector in the focal region and a tetrahedral prism at the top of the paraboloid, at the base of which there is a photodetector, the planes of the pn junctions of which are parallel to two side faces prisms. 12. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что секции твердотельной матрицы фотоприемника с покрытием из стекла на рабочей поверхности установлены в виде цилиндра осесимметрично в фокальной области внутри прозрачной цилиндрической оболочки параллельно оптической оси концентратора и погружены в охлаждающую жидкость.12. The solar power station according to claim 4, characterized in that the sections of the solid-state matrix of the photodetector coated with glass on the working surface are mounted in the form of a cylinder axisymmetrically in the focal region inside the transparent cylindrical shell parallel to the optical axis of the concentrator and immersed in coolant. 13. Солнечная электростанция по любому из пп.4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, отличающаяся тем, что устройство отвода теплоты имеет насос для прокачки охлаждающей жидкости и теплообменник.13. A solar power plant according to any one of claims 4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, characterized in that the heat removal device has a pump for pumping coolant and a heat exchanger. 14. Солнечная электростанция по п.13, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.14. The solar power station according to item 13, wherein the cooling liquid is made of organosilicon components. 15. Солнечная электростанция по п.13, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость содержит компоненты на основе очищенной воды.15. The solar power station according to item 13, wherein the cooling liquid contains components based on purified water. 16. Солнечная электростанция по п.13, отличающаяся тем, что теплообменник соединен с двумя контурами охлаждения, один контур - для прокачки охлаждающей жидкости и второй контур - для прокачки воды.16. The solar power station according to item 13, wherein the heat exchanger is connected to two cooling circuits, one circuit for pumping coolant and a second circuit for pumping water. 17. Солнечная электростанция по п.13, отличающаяся тем, что теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.17. The solar power station according to item 13, wherein the heat exchanger is equipped with an air-cooled radiator. 18. Солнечная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что фотоприемник со стороны концентратора имеет защитное покрытие из стекла, обратная сторона фотоприемника прикреплена через электроизолирующий теплопроводящий клей к поверхности теплообменника.18. The solar power station according to claim 4, characterized in that the photodetector on the hub side has a protective coating of glass, the reverse side of the photodetector is attached through an electrically insulating heat-conducting adhesive to the surface of the heat exchanger. 19. Солнечная электростанция по п.18, отличающаяся тем, что теплообменник снабжен устройством для прокачки теплоносителя.19. The solar power plant according to claim 18, characterized in that the heat exchanger is equipped with a device for pumping the coolant. 20. Солнечная электростанция по п.19, отличающаяся тем, что теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения. 20. The solar power station according to claim 19, characterized in that the heat exchanger is equipped with an air-cooled radiator.
RU2009133951/06A 2009-09-11 2009-09-11 Solar power plant (versions) RU2431086C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009133951/06A RU2431086C2 (en) 2009-09-11 2009-09-11 Solar power plant (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009133951/06A RU2431086C2 (en) 2009-09-11 2009-09-11 Solar power plant (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009133951A RU2009133951A (en) 2011-03-20
RU2431086C2 true RU2431086C2 (en) 2011-10-10

Family

ID=44053379

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009133951/06A RU2431086C2 (en) 2009-09-11 2009-09-11 Solar power plant (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2431086C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2612670C1 (en) * 2015-12-11 2017-03-13 Дмитрий Семенович Стребков Solar power station
RU2615243C2 (en) * 2015-06-24 2017-04-04 Дмитрий Семенович Стребков Solar power station
RU2615242C2 (en) * 2015-05-20 2017-04-04 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Solar module havng asymmetric cylindrical parabolic solar radiation concentrator
RU2772512C1 (en) * 2021-08-05 2022-05-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Solar power plant

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2615242C2 (en) * 2015-05-20 2017-04-04 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Solar module havng asymmetric cylindrical parabolic solar radiation concentrator
RU2615243C2 (en) * 2015-06-24 2017-04-04 Дмитрий Семенович Стребков Solar power station
RU2612670C1 (en) * 2015-12-11 2017-03-13 Дмитрий Семенович Стребков Solar power station
RU2772512C1 (en) * 2021-08-05 2022-05-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Solar power plant

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009133951A (en) 2011-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jaaz et al. Design and development of compound parabolic concentrating for photovoltaic solar collector
CA2783457C (en) Concentrated photovoltaic and thermal system
US8226253B2 (en) Concentrators for solar power generating systems
WO2009140175A2 (en) Photovoltaic generator with a spherical imaging lens for use with a paraboloidal solar reflector
WO2009008996A2 (en) Design and fabrication of a local concentrator system
US9905718B2 (en) Low-cost thin-film concentrator solar cells
US20140034117A1 (en) Photovoltaic concentrator receiver and its use
US20130008488A1 (en) Use of rotating photovoltaic cells and assemblies for concentrated and non-concentrated solar systems
US20100218808A1 (en) Concentrated photovoltaic systems and methods with high cooling rates
WO2014142650A1 (en) Concentrating solar panel with diffuse light conversion
US20140048117A1 (en) Solar energy systems using external reflectors
RU2431086C2 (en) Solar power plant (versions)
US20160329861A1 (en) Hybrid system of parametric solar thermal cylinder and photovoltaic receiver
US20200228058A1 (en) Concentrated multifunctional solar system
CN103137762A (en) Solar condenser photovoltaic power generation components
RU2395136C1 (en) Photovoltaic module
CN201733250U (en) Line-focusing light-focusing photovoltaic module
US20190353882A1 (en) Solar concentrator apparatus and solar collector array
CN103411754A (en) Method for measuring distribution of intensity of light spots of reflecting type concentrating photovoltaic condenser
CN102623541A (en) Solar energy conversion device
RU2496181C1 (en) Photoelectric concentrator submodule
RU2615243C2 (en) Solar power station
RU2740738C1 (en) Powerful concentrator photoelectric module
RU2612670C1 (en) Solar power station
RU2431787C2 (en) Solar power station

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110912