RU2436192C1 - Photovoltaic module with nanostructure photocell - Google Patents
Photovoltaic module with nanostructure photocell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2436192C1 RU2436192C1 RU2010126400/28A RU2010126400A RU2436192C1 RU 2436192 C1 RU2436192 C1 RU 2436192C1 RU 2010126400/28 A RU2010126400/28 A RU 2010126400/28A RU 2010126400 A RU2010126400 A RU 2010126400A RU 2436192 C1 RU2436192 C1 RU 2436192C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical element
- diameter
- photovoltaic module
- optical
- concentrator
- 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
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
Description
Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к концентраторным фотоэлектрическим модулям. Настоящее изобретение предназначено для применения в концентраторных солнечных энергоустановках, используемых в качестве систем энергоснабжения в различных климатических зонах.The invention relates to the field of solar energy, in particular to concentrator photovoltaic modules. The present invention is intended for use in solar concentrator power plants used as power supply systems in various climatic zones.
Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных каскадных наноструктурных фотоэлементов и недорогих оптических концентраторов. Известно, что применение концентраторов излучения при условии согласования их параметров с параметрами фотоэлементов позволяет не только поднять энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей, но и улучшить их энерго-экономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов. Использование последних при концентрации солнечного излучения 500-2500 крат позволяет пропорционально сократить суммарную площадь фотоэлементов и существенно снизить стоимость получаемой электроэнергии. Но, в то же время, при высокой степени концентрации солнечного излучения происходит излишний разогрев фотоэлементов, что негативно влияет на преобразующие свойства фотоэлементов, их срок службы и выходные характеристики фотоэлектрических модулей. Поэтому конструкция фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения должна быть такой, чтобы обеспечивать надежное и долговременное эффективное функционирование фотоэлементов в реальных условиях эксплуатации при возможно более низкой стоимости генерируемой электрической мощности.One of the most promising methods for generating electricity from renewable sources is the photoelectric conversion of concentrated solar radiation using highly efficient cascade nanostructured photocells and inexpensive optical concentrators. It is known that the use of radiation concentrators, provided that their parameters are matched with the parameters of the photocells, allows not only to increase the energy efficiency of the PV modules, but also to improve their energy and economic performance by reducing the consumption of expensive semiconductor materials. The use of the latter at a concentration of solar radiation of 500-2500 times allows you to proportionally reduce the total area of solar cells and significantly reduce the cost of electricity. But, at the same time, with a high degree of concentration of solar radiation, excessive heating of the solar cells occurs, which negatively affects the transforming properties of the solar cells, their service life and output characteristics of the photovoltaic modules. Therefore, the design of photovoltaic modules with solar concentrators should be such as to ensure reliable and long-term effective functioning of the solar cells in actual use at the lowest possible cost of generated electrical power.
Известен фотоэлектрический модуль, предназначенный для концентрационной гелиоустановки (см. патент US 6653551, кл. H01L 31/052, опубликован 25.11.2003), содержащий множество солнечных электрических концентраторов с четырехступенчатой системой концентрации солнечного излучения. Каждый солнечный электрический концентратор включает первый оптический концентратор в виде линзы Френеля, установленной на фронтальной панели и концентрирующий солнечное излучение в пять-десять раз, второй оптический концентратор в виде линзы Френеля, установленный на промежуточной панели, третий оптический концентратор в виде параболического концентратора, расположенный под вторым концентратором на тыльной панели и концентрирующий солнечное излучение в двадцать-пятьдесят раз, и четвертый оптический концентратор в виде стеклянной линзы. Под четвертым оптическим концентратором размещен многопереходный солнечный элемент.A known photovoltaic module designed for solar concentration control (see patent US 6653551, class H01L 31/052, published November 25, 2003), containing many solar electric concentrators with a four-stage solar radiation concentration system. Each solar electric hub includes a first optical hub in the form of a Fresnel lens mounted on the front panel and concentrating solar radiation five to ten times, a second optical hub in the form of a Fresnel lens mounted on the intermediate panel, and a third optical hub in the form of a parabolic hub located under a second concentrator on the rear panel and concentrating solar radiation twenty to fifty times, and a fourth optical concentrator in the form of glass lens. Under the fourth optical hub is a multi-junction solar cell.
Известный фотоэлектрический модуль имеет высокую эффективность, но его экономичность низка из-за стоимости большого числа оптических элементов, а также из-за необходимости при сборке конструкции точно устанавливать соосно четыре оптических концентратора.The known photovoltaic module has high efficiency, but its efficiency is low due to the cost of a large number of optical elements, and also because of the need to accurately install four optical concentrators coaxially when assembling the structure.
Известен фотоэлектрический модуль (см. патент US 6717045, МПК H01L 31/052, опубликован 06.04.2004), включающий множество оптических концентраторов, фокусирующих солнечное излучение на фотоприемные площадки солнечных фотоэлементов. Каждый из оптических концентраторов состоит из первичного концентратора, имеющего степень концентрации солнечного излучения 5-10 крат, вторичного концентратора, расположенного ниже первого и увеличивающего степень концентрации солнечного излучения в 20-50 раз, и третьего концентратора, установленного в нижней плоскости вторичного концентратора и фокусирующего излучение на поверхность солнечных фотоэлементов. В качестве первичного концентратора может быть использована линза Френеля. Вторичный концентратор представляет собой комбинированный параболический отражатель, изготовленный из стекла или керамики и имеющий отражающие и защитные покрытия. В качестве третьего концентратора служит стеклянная линза. Солнечный фотоэлемент устанавливается на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.A known photovoltaic module (see patent US 6717045, IPC H01L 31/052, published 04/06/2004), including many optical concentrators focusing solar radiation on the photodetector area of solar cells. Each of the optical concentrators consists of a primary concentrator having a solar radiation concentration of 5-10 times, a secondary concentrator located below the first one and increasing the solar radiation concentration by 20-50 times, and a third concentrator mounted in the lower plane of the secondary concentrator and focusing the radiation to the surface of solar cells. As a primary concentrator, a Fresnel lens can be used. The secondary concentrator is a combined parabolic reflector made of glass or ceramic and having reflective and protective coatings. A glass lens serves as the third hub. A solar photocell is installed on a site having fins for heat dissipation.
Недостатками известной конструкции солнечного фотоэлектрического модуля являются большие потери света за счет отражения на поверхностях оптических элементов трехкаскадного концентратора, технические сложности изготовления, монтажа и юстировки большого количества оптических деталей и, соответственно, также высокая стоимость конструкции.The disadvantages of the known design of the solar photovoltaic module are the large loss of light due to reflection on the surfaces of the optical elements of a three-stage concentrator, the technical difficulties of manufacturing, mounting and aligning a large number of optical parts and, accordingly, also the high cost of the structure.
Известен концентраторный фотоэлектрический модуль (см. заявка РСТ WO 2007093422, МПК H01L 31/052, опубликована 23.08.2007), содержащий линзовую панель и панель с солнечными элементами, установленные на несущей раме, обеспечивающей герметизацию внутреннего объема модуля и защиту оптических элементов от воздействия внешней среды. На линзовой панели установлены концентраторные линзы, в качестве которых используются линзы Френеля. Солнечные элементы, изготовленные на основе многослойных гетероструктур в системе AIII-BV, напаяны на теплоотводы и установлены на нижней несущей панели так, что фотоприемная площадка каждого солнечного элемента расположена в фокусе одной из линз Френеля.A known photovoltaic concentrator module (see PCT application WO 2007093422, IPC H01L 31/052, published August 23, 2007) comprising a lens panel and a panel with solar cells mounted on a support frame that provides sealing of the module’s internal volume and protects the optical elements from external influences Wednesday. Concentrator lenses are installed on the lens panel, which are Fresnel lenses. Solar cells made on the basis of multilayer heterostructures in the A III- B V system are soldered to heat sinks and mounted on the lower carrier panel so that the photodetector area of each solar cell is located in the focus of one of the Fresnel lenses.
Недостатками известной конструкции концентраторного фотоэлектрического модуля является сложность монтажа с высокой точностью большого количества солнечных элементов на несущей панели и низкая разориентационная характеристика устройства, требующая использования более точных и сложных систем слежения за солнцем.The disadvantages of the known design of the concentrator photovoltaic module is the difficulty of installing with high accuracy a large number of solar cells on the carrier panel and low misorientation characteristics of the device, requiring the use of more accurate and complex tracking systems for the sun.
Известен фотоэлектрический модуль (см. заявка RU 2009122813, МПК H01L 31/00, опубликована 15.06.2009), который содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель и солнечные элементы. Солнечные элементы снабжены теплоотводящими основаниями и установлены в центрах отверстий планок, параллельных друг другу и выполненных из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием, к которому подсоединены соответствующие контакты солнечных элементов. Планки установлены за фронтальной панелью. Центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Конструкция фотоэлектрического модуля обеспечивает снижение трудоемкости его изготовления и повышение точности монтажа солнечных элементов.A known photovoltaic module (see application RU 2009122813, IPC H01L 31/00, published 06/15/2009), which contains side walls, a front panel with Fresnel lenses on its inner side, a translucent back panel and solar cells. The solar cells are equipped with heat sinks and are installed in the centers of the holes of the slats parallel to each other and made of dielectric material with a double-sided metal coating, to which the corresponding contacts of the solar cells are connected. Trims are installed behind the front panel. The center of the photodetector area of each solar cell lies on the same axis as the center of the corresponding Fresnel lens and coincides with the focus of this lens. The design of the photovoltaic module reduces the complexity of its manufacture and improves the accuracy of installation of solar cells.
Недостатком известной конструкции фотоэлектрического модуля является низкая разориентационная характеристика устройства, требующая использования более точных и сложных систем слежения за солнцем.A disadvantage of the known design of the photovoltaic module is the low disorientation characteristic of the device, requiring the use of more accurate and complex tracking systems for the sun.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2352023, МПК H01L 31/052, опубликован 10.04.2009), содержащий боковые стенки, фронтальную панель и тыльную панель, изготовленные из силикатного стекла, первичные и вторичные оптические концентраторы и солнечные фотоэлементы с теплоотводящими элементами. Первичные оптические концентраторы выполнены в форме соприкасающихся друг с другом линз, сформированных в виде тыльной поверхности фронтальной панели методом литья под давлением. Вторичные оптические концентраторы выполнены в виде фоконов, установленных меньшим основанием на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов с теплоотводящими элементами, размещенных на фронтальной поверхности тыльной панели соосно соответствующим первичным оптическим концентраторам. Вторичные оптические концентраторы позволяют улучшить разориентационную характеристику солнечного фотоэлектрического модуля.Known solar photovoltaic module (see patent RU 2352023, IPC H01L 31/052, published April 10, 2009), containing side walls, a front panel and a rear panel made of silicate glass, primary and secondary optical concentrators and solar photocells with heat-removing elements. Primary optical hubs are made in the form of contacting lenses formed in the form of the back surface of the front panel by injection molding. Secondary optical concentrators are made in the form of focons installed on a smaller photosensitive surfaces of solar photocells with heat-removing elements placed on the front surface of the rear panel coaxially with the corresponding primary optical concentrators. Secondary optical concentrators can improve the disorientation characteristics of the solar photovoltaic module.
Недостатками известного солнечного фотоэлектрического модуля являются сложность изготовления и монтажа вторичных оптических концентраторов на светочувствительных поверхностях солнечных фотоэлементов, а также дополнительные оптические потери при отражении света боковыми поверхностями фоконов.The disadvantages of the known solar photovoltaic module are the complexity of the manufacture and installation of secondary optical concentrators on the photosensitive surfaces of solar photocells, as well as additional optical losses when light is reflected by the side surfaces of the focons.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль (см. патент US 6804062, МПК G02B 27/10, опубликован 12.11.2004). Солнечный фотоэлектрический модуль содержит первую линзовую панель из линз Френеля, изготовленную из силиконовой резины, вторую линзовую панель, изготовленную из силиконовой резины и содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз и сборку фотоэлектрических преобразователей, на основе тонкопленочных солнечных элементов. Причем первая линзовая панель из линз Френеля располагается над второй линзовой панелью из короткофокусных иммерсионных линз таким образом, чтобы падающее солнечное излучение фокусировалось линзами в набор световых точек, каждая из которых совпадала с фотоприемной площадкой одного из солнечных элементов. Вторую линзовую панель из силиконовой резины, содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз наклеивают на сборку фотоэлектрических преобразователей с помощью жидкой двухкомпонентной силиконовой резины. Рассматриваемый солнечный фотоэлектрический модуль имеет хорошую разориентационную характеристику.Known solar photovoltaic module (see patent US 6804062, IPC G02B 27/10, published 12.11.2004). The solar photovoltaic module contains the first lens panel made of Fresnel lenses made of silicone rubber, the second lens panel made of silicone rubber and contains a set of short-focus immersion lenses and an assembly of photoelectric converters based on thin-film solar cells. Moreover, the first lens panel of Fresnel lenses is located above the second lens panel of short-focus immersion lenses so that the incident solar radiation is focused by the lenses into a set of light points, each of which coincides with the photodetector area of one of the solar cells. A second silicone rubber lens panel containing a set of short-focus immersion lenses is glued to the photovoltaic assembly using liquid two-component silicone rubber. The considered solar photovoltaic module has a good disorientation characteristic.
Недостатками конструкции известного солнечного фотоэлектрического модуля является сложность монтажа панели вторичных оптических концентраторов, изготовленной из силиконовой резины в промышленных солнечных модулях большой площади, кроме того, короткофокусные иммерсионные линзы, изготовленные из силиконовой резины, а также места контактов солнечных элементов с поверхностями иммерсионных линз работают при высокой концентрации солнечного излучения, создаваемой первичными оптическими концентраторами на линзах Френеля. Это приводит к деградации материала (силиконовой резины) короткофокусных иммерсионных линз и мест контактов солнечных элементов с поверхностями иммерсионных линз, что ухудшает качество вторичных оптических концентраторов, уменьшает надежность работы солнечных элементов и сокращает срок службы солнечного модуля.The design disadvantages of the known solar photovoltaic module are the difficulty of mounting a panel of secondary optical concentrators made of silicone rubber in large industrial solar modules, in addition, short-focus immersion lenses made of silicone rubber, as well as the contact points of solar cells with the surfaces of immersion lenses, work at high the concentration of solar radiation generated by primary optical concentrators on Fresnel lenses. This leads to the degradation of the material (silicone rubber) of short-focus immersion lenses and places of contact of solar cells with the surfaces of immersion lenses, which degrades the quality of secondary optical concentrators, reduces the reliability of solar cells and reduces the life of the solar module.
Известен фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотоэлектрический модуль содержит боковые стенки и фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также наноструктурные фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнены в виде лотков с плоским дном, через центральные продольные линии поверхностей которых проходят оптические оси соответствующих линз Френеля. Введена дополнительная промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной или тыльной стороне которой установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Светоприемные поверхности наноструктурных фотоэлементов находятся в фокусном пятне двух концентраторов-линз Френеля и плосковыпуклых линз. В зависимости от варианта выполнения модуля расстояние между промежуточной панелью и теплоотводящими основаниями, фокусное расстояние плоско-выпуклых линз, толщины фотоэлементов, промежуточной панели и плоско-выпуклых линз связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения.A known photovoltaic module (see patent RU 2307294, IPC H01L 31/052, published September 27, 2007), coinciding with the claimed technical solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. The photovoltaic module contains side walls and a front panel of silicate glass with Fresnel lenses on its rear side, as well as nanostructured photocells with heat-removing bases. The heat sink bases are located on the rear panel of silicate glass or are made in the form of trays with a flat bottom, through the central longitudinal lines of the surfaces of which pass the optical axis of the corresponding Fresnel lenses. An additional intermediate panel of silicate glass has been introduced, on the front or back of which are installed flat-convex lenses, coaxial with the corresponding Fresnel lenses. The light-receiving surfaces of nanostructured photocells are located in the focal spot of two concentrator-Fresnel lenses and plano-convex lenses. Depending on the embodiment of the module, the distance between the intermediate panel and the heat-removing bases, the focal length of the plano-convex lenses, the thickness of the photocells, the intermediate panel and the plano-convex lenses are related by the ratios given in the claims.
Известный фотоэлектрический модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности модуля и обладает хорошей разориентационной характеристикой. Однако недостатком известного модуля-прототипа является высокий уровень концентрации солнечного излучения на фотоэлементах. В центре фокусного пятна двух концентраторов-линзы Френеля и плосковыпуклой линзы, концентрация солнечного излучения достигает 5000-7000 крат, что приводит к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию и уменьшает срок службы фотоэлементов.The well-known photoelectric module provides an increase in the energy efficiency of the module and has a good disorientation characteristic. However, a disadvantage of the known prototype module is the high level of concentration of solar radiation on the solar cells. In the center of the focal spot of two concentrator-Fresnel lenses and a plano-convex lens, the concentration of solar radiation reaches 5000-7000 times, which reduces the efficiency of conversion of light into electricity and reduces the life of the photocells.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является создание фотоэлектрического модуля с повышенной надежностью и с увеличенным сроком службы за счет уменьшения локальной концентрации солнечного излучения и выравнивания освещенности фотоактивной области фотоэлемента при сохранении высокой энергопроизводительности и хорошей разориентационной характеристе.The problem solved by the claimed technical solution is the creation of a photovoltaic module with increased reliability and increased service life by reducing the local concentration of solar radiation and leveling the illumination of the photoactive region of the solar cell while maintaining high energy performance and good disorientation characteristic.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом включает первичный оптический концентратор в виде линзы Френеля, оптическая ось которой проходит через центр фотоактивной области наноструктурного фотоэлемента, выполненной в виде круга диаметром d и соосный с ним вторичный концентратор, установленный на расстоянии h1 от фронтальной поверхности линзы Френеля. Вторичный концентратор состоит из фронтального оптического элемента в виде части сферы радиусом R, диаметром основания D и высотой h2, промежуточного оптического элемента толщиной h3 с параллельными фронтальной и тыльной поверхностями и тыльного оптического элемента, выполненного в виде цилиндра диаметром, равным d, и высотой h4. Величины h1, h2, h3, h4, R и D удовлетворяют соотношениям, мм:The problem is solved in that the photovoltaic module with a nanostructured photocell includes a primary optical hub in the form of a Fresnel lens, the optical axis of which passes through the center of the photoactive region of the nanostructured photocell, made in the form of a circle with a diameter d and a secondary concentrator coaxial with it, installed at a distance of h 1 from the front surface of the Fresnel lens. The secondary hub consists of a frontal optical element in the form of a part of a sphere of radius R, base diameter D and height h 2 , an intermediate optical element of thickness h 3 with parallel frontal and rear surfaces and a rear optical element made in the form of a cylinder with a diameter equal to d and height h 4 . The values of h 1 , h 2 , h 3 , h 4 , R and D satisfy the relations, mm:
h1+h2+h3=F;h 1 + h 2 + h 3 = F;
0,5d<h2<0,07F;0.5d <h 2 <0.07F;
0<h3<4 мм;0 <h 3 <4 mm;
d<h4<3d,d <h 4 <3d,
(h2+h3)<R<2,5·(h2+h3);(h 2 + h 3 ) <R <2.5 · (h 2 + h 3 );
1,5·S·(F-h1-h2)<D<2,5·S·(F-h1-h2);1.5 · S · (Fh 1 -h 2 ) <D <2.5 · S · (Fh 1 -h 2 );
где F - суммарное фокусное расстояние первичного и вторичного оптических концентраторов, мм;where F is the total focal length of the primary and secondary optical concentrators, mm;
S - светосила линзы Френеля, отн. ед.S - aperture of the Fresnel lens, rel. units
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора может быть выполнен в виде перевернутого усеченного конуса, диаметр фронтального основания которого равен D, а диаметр тыльного основания равен d.The intermediate optical element of the secondary hub can be made in the form of an inverted truncated cone, the diameter of the front base of which is equal to D, and the diameter of the rear base is equal to d.
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора может быть выполнен в виде шарового слоя с радиусом, равным R, диаметром верхнего основания, равным D, и диаметром нижнего основания, равным 2R.The intermediate optical element of the secondary concentrator can be made in the form of a spherical layer with a radius equal to R, the diameter of the upper base equal to D, and the diameter of the lower base equal to 2R.
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора может быть выполнен в виде пластины, линейные размеры которой повторяют линейные размеры линзы Френеля.The intermediate optical element of the secondary concentrator can be made in the form of a plate, the linear dimensions of which repeat the linear dimensions of the Fresnel lens.
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора может быть выполнен в виде цилиндра с диаметром, равным диаметру D фронтального оптического элемента.The intermediate optical element of the secondary concentrator can be made in the form of a cylinder with a diameter equal to the diameter D of the front optical element.
Все три оптических элемента вторичного концентратора могут быть выполнены из одного материала с показателем преломления n, удовлетворяющим соотношению:All three optical elements of the secondary concentrator can be made of the same material with a refractive index n satisfying the ratio:
1,4<n<1,7.1.4 <n <1.7.
Фронтальный и промежуточный оптический элементы вторичного концентратора могут быть выполнены из материала с показателем преломления n, удовлетворяющим соотношению:The front and intermediate optical elements of the secondary concentrator can be made of material with a refractive index n satisfying the ratio:
1,4<n<1,7,1.4 <n <1.7,
а тыльный оптический элемент может быть выполнен из алюминия в виде полого цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью.and the rear optical element can be made of aluminum in the form of a hollow cylinder with an internal mirror surface.
Выбор оптимального диапазона для значения высоты h2 не может быть проведен аналитически в связи со сложностью хода лучей в элементах вторичного концентратора. В связи с этим была составлена программа численного расчета модели первичного и вторичного концентраторов конкретных размеров, а результаты расчетов обобщены на концентрирующие системы любых размеров на основании принципа подобия хода лучей при масштабировании оптической системы. Было проведено экспериментальное моделирование эффективности первичного и вторичного оптических концентраторов для значений фокусного расстояния линзы Френеля, равного 70 мм, и размеров входной апертуры линзы Френеля 40×40 мм. Поскольку ход лучей в оптической системе остается неизменным при сохранении соотношений размеров оптических элементов, и учитывая, что размер сфокусированного пятна из-за угловой расходимости солнечного излучения составляет 0,01 фокусного расстояния линзы, было установлено, что максимальное значение h2 не должно превышать 0,07 F. Минимальное значение h2 было установлено равным 0,5d, в этом случае при минимальном значении радиуса R сферическая поверхность фронтального элемента вторичного оптического концентратора превращается в полусферу с диаметром, равным диаметру тыльного оптического элемента вторичного оптического концентратора.The choice of the optimal range for the value of the height h 2 cannot be carried out analytically due to the complexity of the rays in the elements of the secondary concentrator. In this regard, a program for numerically calculating a model of primary and secondary concentrators of specific sizes was compiled, and the calculation results were generalized to concentrating systems of any size based on the principle of similarity of the ray path when scaling the optical system. The experimental modeling of the efficiency of the primary and secondary optical concentrators was carried out for the focal length of the Fresnel lens equal to 70 mm and the size of the input aperture of the Fresnel lens 40 × 40 mm. Since the path of the rays in the optical system remains unchanged while maintaining the aspect ratio of the optical elements, and given that the size of the focused spot due to the angular divergence of solar radiation is 0.01 of the focal length of the lens, it was found that the maximum value of h 2 should not exceed 0, 07 F. The minimum value of h 2 was set equal to 0.5d, in this case, with a minimum value of radius R, the spherical surface of the front element of the secondary optical concentrator turns into a hemisphere with diameter equal to the diameter of the rear optical element of the secondary optical hub.
Промежуточный оптический элемент вторичного концентратора служит для закрепления и юстировки фронтального оптического элемента и тыльного оптического элемента вторичного оптического концентратора. Высота h3 выбирается в диапазоне от 0 до 4 мм по конструктивным соображениям. Делать промежуточный оптический элемент выше 4 мм нежелательно из-за увеличения веса устройства.The intermediate optical element of the secondary concentrator serves to fix and align the front optical element and the rear optical element of the secondary optical concentrator. Height h 3 is selected in the range from 0 to 4 mm for design reasons. Making an intermediate optical element above 4 mm is undesirable due to the increase in the weight of the device.
Высота h1 установлена такой, чтобы сумма h1+h2+h3 равнялась суммарному фокусному расстоянию F первичного и вторичного оптических концентраторов, что обеспечивает фокусировку солнечного излучения на светоприемной поверхности тыльного оптического элемента вторичного оптического концентратора.The height h 1 is set so that the sum of h 1 + h 2 + h 3 is equal to the total focal length F of the primary and secondary optical concentrators, which ensures focusing of solar radiation on the light receiving surface of the rear optical element of the secondary optical concentrator.
Выбор высоты h4 в диапазоне d<h4<3d обусловлен числом отражений сфокусированных солнечных лучей от боковой поверхности тыльного оптического элемента перед попаданием на фотоактивную область наноструктурного фотоэлемента. Учитывая величину угла полного внутреннего отражения для оптических материалов с показателем преломления n в диапазоне 1,4<n<1,7, при h4=d часть солнечных лучей претерпевает как минимум одно полное внутреннее отражение от боковой поверхности тыльного оптического элемента. При h4=3d часть солнечных лучей претерпевает до трех отражений от боковой поверхности тыльного оптического элемента. Увеличивать число отражений сфокусированных солнечных лучей от боковой поверхности тыльного оптического элемента больше трех нецелесообразно из-за возрастания потерь излучения.The choice of height h 4 in the range d <h 4 <3d is determined by the number of reflections of focused sunlight from the side surface of the rear optical element before it enters the photoactive region of the nanostructured photocell. Given the magnitude of the angle of total internal reflection for optical materials with a refractive index n in the range 1.4 <n <1.7, at h 4 = d part of the sun's rays undergo at least one total internal reflection from the side surface of the rear optical element. At h 4 = 3d, part of the sun's rays undergoes up to three reflections from the lateral surface of the rear optical element. Increasing the number of reflections of focused sunlight from the side surface of the rear optical element by more than three is impractical due to the increase in radiation loss.
При минимальном значении радиуса R, равном h2+h3, сферическая поверхность фронтального оптического элемента вторичного концентратора превращается в полусферу с центром, лежащем на светоприемной поверхности тыльного оптического элемента вторичного концентратора. Сферическая поверхность фронтального оптического элемента вторичного концентратора при значении радиуса R, большем, чем 2,5·(h2+h3), не оказывает существенного влияния на дополнительную фокусировку солнечного излучения и, соответственно, на улучшение разориентационной характеристики устройства.At a minimum value of radius R equal to h 2 + h 3 , the spherical surface of the front optical element of the secondary concentrator turns into a hemisphere with the center lying on the light-receiving surface of the rear optical element of the secondary concentrator. The spherical surface of the front optical element of the secondary concentrator with a radius R greater than 2.5 · (h 2 + h 3 ) does not significantly affect the additional focusing of solar radiation and, accordingly, to improve the disorientation characteristics of the device.
Диаметр сфокусированного первичным оптическим концентратором светового пятна на уровне фронтального оптического элемента вторичного концентратора равен величине S·(F-h1-h2), поэтому для обеспечения разориентационной характеристики устройства минимальное значение диаметра D фронтального оптического элемента вторичного концентратора должно быть не менее величины 1,5·S·(F-h1-h2). Однако увеличивать значение диаметра D фронтального оптического элемента вторичного концентратора более величины 2,5·S·(F-h1-h2) нецелесообразно вследствие увеличения веса и стоимости устройства.The diameter of the light spot focused by the primary optical concentrator at the level of the front optical element of the secondary concentrator is equal to S · (Fh 1 -h 2 ), therefore, to ensure the disorientation characteristics of the device, the minimum diameter D of the front optical element of the secondary concentrator must be at least 1.5 · S · (Fh 1 -h 2 ). However, increasing the diameter D of the front optical element of the secondary concentrator by more than 2.5 · S · (Fh 1 -h 2 ) is impractical due to the increase in weight and cost of the device.
Варианты заявляемого фотоэлектрического модуля с наноструктурным фотоэлементом поясняются чертежом, гдеVariants of the claimed photovoltaic module with a nanostructured photocell are illustrated in the drawing, where
на фиг.1 схематично изображен фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом;figure 1 schematically shows a photovoltaic module with a nanostructured photocell;
на фиг.2 показан фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом, в котором промежуточный оптический элемент вторичного концентратора выполнен в виде перевернутого усеченного конуса;figure 2 shows a photovoltaic module with a nanostructured photocell, in which the intermediate optical element of the secondary concentrator is made in the form of an inverted truncated cone;
на фиг.3 изображен фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом, в котором промежуточный оптический элемент вторичного концентратора выполнен в виде шарового слоя с радиусом, равным R, диаметром верхнего основания, равным D, и диаметром нижнего основания, равным 2R;figure 3 shows a photovoltaic module with a nanostructured photocell, in which the intermediate optical element of the secondary concentrator is made in the form of a spherical layer with a radius equal to R, the diameter of the upper base equal to D, and the diameter of the lower base equal to 2R;
на фиг.4 показан фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом, в котором промежуточный оптический элемент вторичного концентратора выполнен в виде пластины с линейными размерами, равными линейным размерам линзы Френеля;figure 4 shows a photovoltaic module with a nanostructured photocell, in which the intermediate optical element of the secondary concentrator is made in the form of a plate with linear dimensions equal to the linear dimensions of the Fresnel lens;
на фиг.5 изображен фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом, в котором промежуточный оптический элемент вторичного концентратора выполнен в виде цилиндра с диаметром, равным диаметру D фронтального оптического элемента, а тыльный оптический элемент выполнен в виде полого алюминиевого цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью.figure 5 shows a photovoltaic module with a nanostructured photocell, in which the intermediate optical element of the secondary concentrator is made in the form of a cylinder with a diameter equal to the diameter D of the front optical element, and the rear optical element is made in the form of a hollow aluminum cylinder with an internal mirror surface.
Заявляемый фотоэлектрический модуль с наноструктурным фотоэлементом (см. фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг 5) содержит наноструктурный фотоэлемент 1, фотоактивная область 2 которого выполнена в виде круга диаметром d, первичный оптический концентратор 3 в виде линзы Френеля, оптическая ось 4 которой проходит через центр 5 фотоактивной области 2 наноструктурного фотоэлемента 1 и вторичный соосный с ним концентратор 6, установленный на расстоянии h1 от фронтальной поверхности 7 первичного оптического концентратора 3. Вторичный оптический концентратор 6 состоит из трех оптических элементов: фронтального оптического элемента 8 диаметром D и высотой h2, выполненного со сферической фронтальной поверхностью 9 радиусом R, промежуточного оптического элемента 10 высотой h3 и тыльного оптического элемента 11, выполненного в виде цилиндра с диаметром, равным d и с высотой h4. Высота h1 установлена такой, чтобы сумма h1+h2+h3 равнялась суммарному фокусному расстоянию F первичного оптического концентратора 3 и вторичного оптического концентратора 6, высота h2 фронтального оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 установлена в диапазоне 0,5d<h20,07F, высота h3 промежуточного оптического элемента 10 вторичного оптического концентратора 6 установлена в диапазоне 0<h3<4 мм, радиус R сферической фронтальной поверхности 9 фронтального оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 установлен в диапазоне (h2+h3)<R<2,5·(h2+h3), а диаметр D фронтального оптического элемента 8 вторичного оптического концентратора 6 установлен в диапазоне 1,5·S·(F-h1-h2)<D<2,5·S·(F-h1-h2), где S - светосила первичного оптического концентратора 3 (линзы Френеля). Высота h4 тыльного оптического элемента 11 вторичного оптического концентратора 6 установлена в диапазоне d<h4<3d. Промежуточный оптический элемент 10 вторичного концентратора 6 может быть выполнен (см. фиг.2) в виде перевернутого усеченного конуса, диаметр фронтального основания 12 которого установлен равным диаметру D фронтального 8 оптического элемента, а диаметр тыльного основания 13 установлен равным d. Промежуточный оптический элемент 10 вторичного концентратора 6 может быть выполнен (см. фиг.3) в виде шарового слоя с радиусом, равным R, диаметром верхнего основания 14, равным D, и диаметром нижнего основания 15, равным 2R. Промежуточный оптический элемент 10 вторичного концентратора 6 может быть выполнен (см. фиг.4) в виде пластины с линейными размерами, равными размерам линзы Френеля. Промежуточный оптический элемент 10 вторичного концентратора 6 может быть выполнен (см. фиг.5) в виде цилиндра с диаметром, равным диаметру D фронтального оптического элемента 8, а тыльный оптический элемент 11 вторичного концентратора 6 может быть выполнен из алюминия в виде полого цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью 16.The inventive photoelectric module with a nanostructured photocell (see figure 1, figure 2, figure 3, figure 4, figure 5) contains a
При работе заявляемого фотоэлектрического модуля с наноструктурным фотоэлементом 1, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам, солнечное излучение, попадающее на входную апертуру первичного оптического концентратора 3, фокусируется им и фронтальным оптическим элементом 8 вторичного оптического концентратора 6 на светоприемной поверхности тыльного оптического элемента 11 вторичного оптического концентратора 6, затем в виде расходящегося светового пучка проходит в тыльный оптический элемент 11 вторичного оптического концентратора 6. Через выходную поверхность тыльного оптического элемента 11 вторичного оптического концентратора 6 расходящийся световой пучок попадает на фотоактивную область 2 наноструктурного фотоэлемента 1 либо напрямую, либо после однократного или многократных отражений от боковой поверхности 16 тыльного оптического элемента 11 вторичного оптического концентратора 6. При этом разориентационная характеристика солнечного фотоэлектрического модуля, определяемая соотношением размеров фотоактивной области 2 и диметром фокального пятна, остается неизменной и более высокой, чем в фотоэлектрических модулях без вторичного оптического концентратора; распределение концентрации солнечного излучения на поверхности фотоактивной области 2 наноструктурного фотоэлемента 1 более однородное, чем в фокальном пятне первичного и вторичного оптических концентраторов 3, 6, а максимальные значения локальной концентрации солнечного излучения существенно ниже, чем при использовании в качестве вторичных оптических концентраторов 6 выпуклых линз. Более однородное распределение концентрации солнечного излучения по поверхности фотоактивной области 2 фотоэлемента 1 приводит к уменьшению локального перегрева фотоэлемента 1, повышению надежности его работы и увеличению эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.When the inventive photoelectric module with a
Использование предложенного фотоэлектрического модуля дает большой экономический эффект, обусловленный тем, что фотоэлектрический модуль прост по конструкции, обладает высокими фотоэлектрическими характеристиками, обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию.The use of the proposed photovoltaic module gives a large economic effect, due to the fact that the photovoltaic module is simple in design, has high photovoltaic characteristics, provides reliable and long-term operation.
Claims (7)
h1+h2+h3=F;
0,5d<h2<0,07F;
0<h3<4 мм;
d<h4<3d;
(h2+h3)<R<2,5·(h2+h3);
1,5·S·(F-h1-h2)<D<2,5·S·(F-h1-h2),
где F - суммарное фокусное расстояние первичного и вторичного оптических концентраторов, мм;
S - светосила линзы Френеля, отн. ед.1. A photovoltaic module with a nanostructured photocell, including a primary optical hub in the form of a Fresnel lens, the optical axis of which passes through the center of the photoactive region of the nanostructured photocell, made in the form of a circle with a diameter of d, and a secondary concentrator coaxial with it, installed at a distance of h 1 from the front surface and a Fresnel lens consisting of a front optical member in the form of a sphere of radius R, the base diameter D and a height h 2, the intermediate optical element 3 with a thickness h p is parallel to the front and rear surfaces of the rear and the optical element formed as a cylinder with a diameter equal to d, and the height h 4, wherein the magnitude of h 1, h 2, h 3, h 4, R and D satisfy mm:
h 1 + h 2 + h 3 = F;
0.5d <h 2 <0.07F;
0 <h 3 <4 mm;
d <h 4 <3d;
(h 2 + h 3 ) <R <2.5 · (h 2 + h 3 );
1.5 · S · (Fh 1 -h 2 ) <D <2.5 · S · (Fh 1 -h 2 ),
where F is the total focal length of the primary and secondary optical concentrators, mm;
S - aperture of the Fresnel lens, rel. units
1,4<n<1,7, а тыльный оптический элемент выполнен из алюминия в виде полого цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью. 7. The photovoltaic module according to claim 1, characterized in that the front and intermediate optical elements are made of material with a refractive index n satisfying the ratio
1.4 <n <1.7, and the rear optical element is made of aluminum in the form of a hollow cylinder with an internal mirror surface.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010126400/28A RU2436192C1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Photovoltaic module with nanostructure photocell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010126400/28A RU2436192C1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Photovoltaic module with nanostructure photocell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2436192C1 true RU2436192C1 (en) | 2011-12-10 |
Family
ID=45405745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010126400/28A RU2436192C1 (en) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Photovoltaic module with nanostructure photocell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2436192C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499327C1 (en) * | 2012-04-11 | 2013-11-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Concentrated electromagnetic radiation receiver/converter |
| RU2549686C1 (en) * | 2013-11-05 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Photovoltaic converter with nanostructure coating |
| RU2566370C2 (en) * | 2013-08-20 | 2015-10-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Space laser radiation receiver-converter |
| RU2641627C1 (en) * | 2016-11-22 | 2018-01-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Solar photovoltaic concentrator module |
| RU180994U1 (en) * | 2018-03-13 | 2018-07-03 | Елизавета Александровна Румянцева | solar water heater |
-
2010
- 2010-06-28 RU RU2010126400/28A patent/RU2436192C1/en active IP Right Revival
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499327C1 (en) * | 2012-04-11 | 2013-11-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Concentrated electromagnetic radiation receiver/converter |
| RU2566370C2 (en) * | 2013-08-20 | 2015-10-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Space laser radiation receiver-converter |
| RU2549686C1 (en) * | 2013-11-05 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Photovoltaic converter with nanostructure coating |
| RU2641627C1 (en) * | 2016-11-22 | 2018-01-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Solar photovoltaic concentrator module |
| RU180994U1 (en) * | 2018-03-13 | 2018-07-03 | Елизавета Александровна Румянцева | solar water heater |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2611693C1 (en) | Solar concentrator module | |
| US8000018B2 (en) | Köhler concentrator | |
| US10020413B2 (en) | Fabrication of a local concentrator system | |
| US9905718B2 (en) | Low-cost thin-film concentrator solar cells | |
| NL1040088C2 (en) | Concentrating solar panel with diffuse light conversion. | |
| RU2436192C1 (en) | Photovoltaic module with nanostructure photocell | |
| KR100933213B1 (en) | Concentration lens for solar power generation | |
| Obianuju et al. | High acceptance angle optical fiber based daylighting system using two-stage reflective non-imaging dish concentrator | |
| US20140048117A1 (en) | Solar energy systems using external reflectors | |
| JP2013211487A (en) | Secondary lens, solar battery mounting body, condensing type photovoltaic power generation unit, and condensing type photovoltaic power generation module | |
| CN101860271B (en) | Line-focusing solar photo-electric conversion device with high multiplying power | |
| Yamada et al. | Development of silicone-encapsulated CPV module based on LED package technology | |
| RU2352023C1 (en) | Solar photoelectric module | |
| RU2370856C2 (en) | Concentrator photoelectric module | |
| RU2641627C1 (en) | Solar photovoltaic concentrator module | |
| RU2436193C1 (en) | Photovoltaic concentrator module | |
| CN102638199B (en) | Solar energy point condensation photovoltaic power generation device | |
| RU2496181C1 (en) | Photoelectric concentrator submodule | |
| CN201937509U (en) | Condensation photovoltaic system | |
| CN102263146A (en) | Solar battery device | |
| RU2740738C1 (en) | Powerful concentrator photoelectric module | |
| CN213213412U (en) | Wide-angle light guide light-gathering solar module | |
| CN111936784A (en) | Light-reflecting contoured surface for light diffusion and concentration and surface-emitting illumination and light-condensing apparatus using the same | |
| RU197957U1 (en) | Concentrator photoelectric module with adjustable secondary optics | |
| CN202652108U (en) | Solar linear concentrating type photovoltaic power generation device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140629 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160210 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170629 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180911 |