RU2611693C1 - Solar concentrator module - Google Patents
Solar concentrator module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2611693C1 RU2611693C1 RU2015148778A RU2015148778A RU2611693C1 RU 2611693 C1 RU2611693 C1 RU 2611693C1 RU 2015148778 A RU2015148778 A RU 2015148778A RU 2015148778 A RU2015148778 A RU 2015148778A RU 2611693 C1 RU2611693 C1 RU 2611693C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solar
- module
- fresnel lens
- lens
- foci
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 43
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 35
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 claims description 4
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 7
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 7
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
-
- 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
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Abstract
Description
Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к солнечным фотоэлектрическим концентраторным модулям. Настоящее изобретение предназначено для применения в солнечных энергоустановках для выработки электроэнергии как в автономных, так и в промышленных вариантах, используемых в различных климатических зонах.The invention relates to the field of solar energy, in particular to solar photovoltaic concentrator modules. The present invention is intended for use in solar power plants for generating electricity in both stand-alone and industrial versions used in various climatic zones.
Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных каскадных 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 концентраторных модулей, но и улучшить их энерго-экономические показатели за счет уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов. Использование концентраторных фотоэлектрических модулей предполагает их установку на следящие системы, обеспечивающие автоматическое слежение за солнцем и фокусировку излучения на поверхности фотоэлементов. Важной характеристикой оптических концентрирующих систем является степень концентрирования солнечного излучения. 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. 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. Лучшие характеристики оптических фокусирующих систем могут быть получены при использовании двухкаскадных оптических концентраторов. В качестве первичного оптического элемента в таких системах обычно используются длиннофокусные стеклянные линзы или линзы Френеля большой площади, вторичные оптические элементы могут быть разной конструкции - короткофокусные стеклянные линзы, полые или стеклянные конические, параболические или в виде усеченной пирамиды отражатели. Преимущество двухкаскадных фокусирующих систем заключается в том, что при концентрировании солнечного излучения они позволяют уменьшить углы преломления света, что приводит к снижению хроматической аберрации при фокусировке света, равномерному распределению плотности излучения в сфокусированном световом пятне. Кроме того, они позволяют увеличить предельный угол отклонения оптической оси фокусирующей системы относительно направления падающего солнечного излучения, что делает возможным снижение требований к характеристикам следящих систем и, соответственно, уменьшение стоимости конструкции.One of the most promising methods for generating electricity from renewable sources is the photoelectric conversion of concentrated solar radiation using highly efficient cascade 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 photoelectric concentrator modules, but also to improve their energy and economic performance by reducing the consumption of expensive semiconductor materials. The use of concentrator photovoltaic modules involves their installation on servo systems that provide automatic tracking of the sun and focusing radiation on the surface of the solar cells. An important characteristic of optical concentrating systems is the degree of concentration of solar radiation. 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. 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 real-world conditions at the lowest possible cost of generated electrical power. The best characteristics of optical focusing systems can be obtained using two-stage optical concentrators. As a primary optical element in such systems, long-focus glass lenses or Fresnel lenses of large area are usually used, secondary optical elements can be of different designs - short-focus glass lenses, hollow or conical glass, parabolic or reflector-shaped truncated pyramids. The advantage of two-stage focusing systems is that when concentrating solar radiation, they can reduce the angle of refraction of light, which leads to a decrease in chromatic aberration when focusing the light, a uniform distribution of the radiation density in the focused light spot. In addition, they make it possible to increase the limiting deviation angle of the optical axis of the focusing system relative to the direction of incident solar radiation, which makes it possible to reduce the requirements for the characteristics of tracking systems and, accordingly, reduce the cost of the structure.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент US 6717045, МПК H01L 31/042, 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 устанавливают на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.Known solar concentrator module (see patent US 6717045, IPC H01L 31/042, H01L 31/052, published 04/06/2004), including many optical concentrators focusing solar radiation on the photodetector area of solar photocells. 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 рассматриваемой конструкции солнечного концентраторного 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 design of the solar concentrator module under consideration 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, the high cost of the structure.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2352023, МПК H01L 31/052, опубликован 10.04.2009), содержащий фронтальную панель и тыльную панель, изготовленные из силикатного стекла, первичный и вторичный оптические концентраторы и фотоэлемент с теплоотводящим основанием.A known solar concentrator module (see patent RU 2352023, IPC H01L 31/052, published April 10, 2009) comprising a front panel and a rear panel made of silicate glass, primary and secondary optical concentrators, and a solar cell with a heat sink.
Первичный оптический концентратор выполнен в форме линзы, сформированной в виде тыльной поверхности фронтальной панели. Вторичный оптический концентратор выполнен в виде фокона, установленного меньшим основанием на светочувствительной поверхности фотоэлемента. Фотоэлемент с теплоотводящим основанием размещены на фронтальной поверхности тыльной панели соосно первичному оптическому концентратору. Вторичный оптический концентратор позволяет улучшить разориентационную характеристику солнечного фотоэлектрического субмодуля, что обеспечивает увеличение энергопроизводительности солнечного концентраторного модуля.The primary optical hub is made in the form of a lens formed in the form of the back surface of the front panel. The secondary optical hub is made in the form of a focon mounted on a smaller base on the photosensitive surface of the photocell. A solar cell with a heat sink is placed on the front surface of the rear panel coaxially with the primary optical hub. The secondary optical concentrator allows improving the disorientation characteristic of the solar photovoltaic submodule, which provides an increase in the energy productivity of the solar concentrator module.
Недостатками известного солнечного концентраторного модуля являются сложность монтажа вторичного оптического концентратора на светочувствительной поверхности фотоэлемента, приводящая к большому количеству брака при сборке конструкции и уменьшающая срок службы фотоэлементов, а также трудоемкость позиционирования ФЭ и высокая статистическая вероятность линейного несовпадения центра ФЭ с оптическим центром линзы.The disadvantages of the known solar concentrator module are the difficulty of mounting a secondary optical concentrator on the photosensitive surface of the photocell, which leads to a large number of defects during assembly and reduces the life of the photocells, as well as the complexity of positioning the PV and the high statistical probability of a linear mismatch between the center of the PV and the optical center of the lens.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент US 6804062, МПК G02B 27/10, опубликован 12.11.2004), содержащий 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. 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, выполненную из силиконовой резины и содержащую набор из короткофокусных иммерсионных линз, наклеивают на сборку фотоэлектрических преобразователей с помощью жидкой двухкомпонентной силиконовой резины. Известный солнечный концентраторный модуль имеет хорошую разориентационную характеристику.Known solar concentrator module (see patent US 6804062, IPC G02B 27/10, published 12.11.2004) containing the first lens panel of Fresnel lenses made of silicone rubber, the second lens panel made of silicone rubber and containing a set of short-focus immersion lenses and assembly of photoelectric converters based on thin-film solar cells. 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. The second lens panel made of silicone rubber and containing a set of short-focus immersion lenses is glued to the assembly of the photovoltaic cells using liquid two-component silicone rubber. The known solar concentrator module has a good disorientation characteristic.
Недостатками конструкции известного солнечного концентраторного 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 из линз 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 концентраторного модуля.The design disadvantages of the known solar concentrator module is the difficulty of mounting a panel of secondary optical concentrators made of silicone rubber in large-area 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, operate at a high concentration of solar radiation created by primary optical concentrators from 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 concentrator module.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. заявку WO 201466957, МПК H01L 31/048, H01L 31/052, опубликована 08.05.2014). Модуль представляет собой объемную несущую конструкцию, в верхней части которой расположено множество первичных оптических концентраторов в виде линз. В нижней части конструкции прикреплено множество солнечных элементов и над каждым солнечным элементом установлен вторичный оптический элемент, расположенный напротив соответствующего первичного концентратора. Вторичный концентратор представляет собой тонкостенную конструкцию, закрепленную в поддерживающем устройстве, с выпуклой верхней частью и боковыми стенками, состоящими из секторов параболической формы.A known solar concentrator module (see application WO 201466957, IPC H01L 31/048, H01L 31/052, published 05/08/2014). The module is a three-dimensional supporting structure, in the upper part of which there are many primary optical concentrators in the form of lenses. A plurality of solar cells are attached to the bottom of the structure, and a secondary optical element is located above each solar cell, located opposite the corresponding primary concentrator. The secondary concentrator is a thin-walled structure fixed in a supporting device with a convex upper part and side walls, consisting of sectors of parabolic shape.
Недостатками известного солнечного концентраторного модуля являются сложность изготовления и монтажа вторичного оптического концентратора на светочувствительной поверхности солнечного элемента.The disadvantages of the known solar concentrator module are the complexity of the manufacture and installation of the secondary optical concentrator on the photosensitive surface of the solar cell.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. заявку CN 103165717, МПК H01L 31/054, опубликована 19.06.2013), содержащий матрицу из линз Френеля, закрепленную на стеклянной плате, панели солнечных батарей, размещенные на металлическом основании, и вторичные концентрирующие элементы в виде стеклянных цилиндрических линз. Цилиндрические линзы установлены над солнечными элементами и жестко закреплены на металлическом основании, а верхняя плата и металлические основания фиксируют так, чтобы оптические оси линз Френеля проходили через центры цилиндрических линз и фотоприемных площадок солнечных элементов. Фокусы линз Френеля позиционируют в середине продольной оси цилиндрических линз.A known solar concentrator module (see application CN 103165717, IPC H01L 31/054, published 06/19/2013) containing a matrix of Fresnel lenses mounted on a glass plate, solar panels placed on a metal base, and secondary concentrating elements in the form of glass cylindrical lenses. Cylindrical lenses are mounted above the solar cells and rigidly mounted on a metal base, and the top plate and metal bases are fixed so that the optical axis of the Fresnel lens pass through the centers of the cylindrical lenses and photodetector areas of solar cells. The foci of the Fresnel lenses are positioned in the middle of the longitudinal axis of the cylindrical lenses.
Недостатками известного солнечного концентраторного модуля являются сложность монтажа вторичного оптического концентратора и трудоемкость позиционирования солнечных элементов. Кроме того, вторичные концентрирующие элементы в виде цилиндрических линз улучшают разориентационные характеристики модулей только в одной плоскости.The disadvantages of the known solar concentrator module are the difficulty of installing a secondary optical concentrator and the complexity of positioning of solar cells. In addition, secondary concentrating elements in the form of cylindrical lenses improve the disorientation characteristics of the modules in only one plane.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2395136, МПК H01L 31/042, опубликован 15.06.2010). Конструкция солнечного концентраторного модуля содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель, солнечные элементы, снабженные теплоотводящими основаниями. Солнечные элементы установлены в центрах отверстий планок, выполненных из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием, к которому подсоединены соответствующие контакты солнечных элементов. Расстояние между центрами соседних отверстий планок равны расстоянию между центрами соседних линз Френеля фронтальной панели, лежащих в плоскости, параллельной планкам. Планки установлены за фронтальной панелью параллельно друг другу с шагом, равным расстоянию между центрами соседних линз Френеля, лежащих в плоскости, перпендикулярной планкам. Теплоотводящие основания солнечных элементов могут иметь П-образную форму с глубиной выемки, равной толщине планки из диэлектрического материала, и своими боковыми выступами могут быть прикреплены к тыльной стороне тыльной панели. Фронтальная панель и тыльная панель прикреплены к боковым стенкам так, что центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы.Known solar concentrator module (see patent RU 2395136, IPC H01L 31/042, published 06/15/2010). The design of the solar concentrator module includes side walls, a front panel with Fresnel lenses on its inner side, a translucent back panel, and solar cells equipped with heat sinks. Solar cells are installed in the centers of the holes of the slats made of a dielectric material with a double-sided metal coating, to which the corresponding contacts of the solar cells are connected. The distance between the centers of the neighboring holes of the strips is equal to the distance between the centers of the adjacent Fresnel lenses of the front panel lying in a plane parallel to the strips. The strips are mounted parallel to each other behind the front panel with a step equal to the distance between the centers of adjacent Fresnel lenses lying in a plane perpendicular to the strips. The heat sink bases of solar cells can be U-shaped with a recess depth equal to the thickness of a strip of dielectric material, and with their side protrusions can be attached to the back of the back panel. The front panel and the rear panel are attached to the side walls so that 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.
Конструкция модуля обеспечивает высокую точность монтажа солнечных элементов при низкой трудоемкости изготовления, однако недостатком известного модуля является пониженная эффективность преобразования солнечного излучения вследствие оптических потерь при прохождении света через тыльную панель модуля, а отсутствие корректирующих элементов вторичной оптики приводит к ухудшению разориентационных характеристик.The module design provides high accuracy of mounting solar cells with low manufacturing complexity, however, a disadvantage of the known module is the reduced conversion efficiency of solar radiation due to optical losses during the passage of light through the back panel of the module, and the absence of corrective elements of secondary optics leads to a deterioration of disorientation characteristics.
Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007), совпадающий с настоящим техническим решением по большому числу существенных признаков и принятый за прототип. Модуль содержит фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля на ее тыльной стороне, а также фотоэлементы с теплоотводящими основаниями. Введена дополнительная промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной или тыльной стороне которой установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнены в виде лотков с плоским дном и закреплены на тыльной стороне промежуточной панели. Фотоактивные поверхности фотоэлементов находятся в фокусном пятне двух оптических концентраторов - линз Френеля и плоско-выпуклых линз. В зависимости от варианта выполнения модуля расстояние между промежуточной панелью и теплоотводящими основаниями, фокусное расстояние плоско-выпуклых линз, толщины фотоэлементов и промежуточной панели связаны определенными соотношениями.Known solar concentrator module (see patent RU 2307294, IPC H01L 31/052, published September 27, 2007), which coincides with this technical solution for a large number of essential features and adopted as a prototype. The module contains a silicate glass front panel with Fresnel lenses on its rear side, as well as photocells with heat-removing bases. 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 heat sink bases are located on the rear panel of silicate glass or are made in the form of trays with a flat bottom and mounted on the back side of the intermediate panel. The photoactive surfaces of the photocells are located in the focal spot of two optical concentrators — 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 and the intermediate panel are connected by certain ratios.
Известный солнечный концентраторный модуль-прототип обеспечивает увеличение энергопроизводительности и обладает хорошей разориентационной характеристикой. Однако недостатком известного модуля является высокий уровень концентрации солнечного излучения на фотоэлементах. В центре фокусного пятна двух оптических концентраторов - линзы Френеля и плоско-выпуклой 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 solar concentrator module prototype provides an increase in energy productivity and has a good disorientation characteristic. However, a disadvantage of the known module is the high concentration of solar radiation on the solar cells. In the center of the focal spot of two optical concentrators — a Fresnel lens and a plano-convex lens — the concentration of solar radiation reaches 5000–7000 times, which leads to a decrease in the efficiency of conversion of light into electricity and reduces the life of photocells.
Задачей заявляемого изобретения является создание солнечного концентраторного модуля с повышенной энергопроизводительностью и улучшенной разориентационной характеристикой за счет выравнивания освещенности фотоактивной области фотоэлемента и уменьшения локальной концентрации солнечного излучения, что позволит увеличить надежность и срок службы устройства.The objective of the invention is the creation of a solar concentrator module with increased energy efficiency and improved disorientation characteristic by equalizing the illumination of the photoactive region of the solar cell and reducing the local concentration of solar radiation, which will increase the reliability and service life of the device.
Поставленная задача решается тем, что солнечный концентраторный модуль содержит боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, тыльную панель с фоконами и солнечные элементы, прикрепленные теплоотводящими основаниями к тыльной стороне тыльной панели. Центр фотоприемной площадки каждого солнечного элемента лежит на одной оси с центром соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Фоконы размещены в конических отверстиях тыльной панели и обращены большими основаниями к линзам Френеля. Диаметр меньшего основания фокона равен диаметру фотоприемной площадки солнечного элемента. Ось каждого фокона совпадает с оптической осью соответствующей линзы Френеля.The problem is solved in that the solar concentrator module contains side walls, a front panel with Fresnel lenses on its inner side, a back panel with foci and solar cells attached by heat sinks to the back of the back 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 foci are placed in the conical openings of the rear panel and face with large bases to Fresnel lenses. The diameter of the smaller base of the focon is equal to the diameter of the photodetector area of the solar cell. The axis of each focon coincides with the optical axis of the corresponding Fresnel lens.
Фоконы могут быть выполнены в виде отражающего зеркального покрытия, нанесенного на стенки конических отверстий тыльной панели толщиной а. В этом варианте диаметр большего основания D конического отверстия удовлетворяет соотношениюFocons can be made in the form of a reflective mirror coating deposited on the walls of the conical openings of the rear panel with a thickness of a . In this embodiment, the diameter of the larger base D of the conical hole satisfies the relation
где W - максимальный размер апертуры линзы Френеля, мм;where W is the maximum size of the aperture of the Fresnel lens, mm;
F - фокусное расстояние линзы Френеля, мм;F is the focal length of the Fresnel lens, mm;
δ - максимальный угол отклонения оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения, обеспечиваемый следящей за Солнцем системой, рад.δ is the maximum angle of deviation of the optical axis of the module relative to the direction of solar radiation provided by the sun-tracking system, rad.
Фоконы могут быть выполнены в виде полых металлических усеченных конусов высотой h с внутренней отражающей поверхностью, установленных в конические отверстия тыльной панели, при этом меньшими основаниями усеченные конусы примыкают к фотоприемным площадкам солнечных элементов. Диаметр большего основания D усеченного конуса удовлетворяет соотношениюThe foci can be made in the form of hollow metal truncated cones of height h with an internal reflective surface mounted in the conical openings of the rear panel, with truncated cones adjacent to the photodetector areas of solar cells with smaller bases. The diameter of the larger base D of the truncated cone satisfies the relation
где W - максимальный размер апертуры линзы Френеля, мм;where W is the maximum size of the aperture of the Fresnel lens, mm;
F - фокусное расстояние линзы Френеля, мм;F is the focal length of the Fresnel lens, mm;
δ - максимальный угол отклонения оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения, обеспечиваемый следящей за Солнцем системой, рад.δ is the maximum angle of deviation of the optical axis of the module relative to the direction of solar radiation provided by the sun-tracking system, rad.
Фоконы могут быть выполнены в виде сплошных усеченных конусов высотой h, выполненных из светопрозрачного материала, на боковую поверхность которых нанесено отражающее покрытие, при этом меньшими основаниями усеченные конусы примыкают к фотоприемным площадкам солнечных элементов. В этом варианте диаметр большего основания D усеченного конуса удовлетворяет соотношениюFocons can be made in the form of continuous truncated cones of height h made of translucent material, on the side surface of which a reflective coating is applied, while truncated cones are adjacent to the photodetector areas of solar cells with smaller bases. In this embodiment, the diameter of the larger base D of the truncated cone satisfies the relation
где W - максимальный размер апертуры первичного линзового концентратора, мм;where W is the maximum aperture size of the primary lens concentrator, mm;
F - фокусное расстояние линзы Френеля, мм;F is the focal length of the Fresnel lens, mm;
n - показатель преломления материала фокона;n is the refractive index of the focal material;
δ - максимальный угол отклонения оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения, обеспечиваемый следящей за Солнцем системой, рад.δ is the maximum angle of deviation of the optical axis of the module relative to the direction of solar radiation provided by the sun-tracking system, rad.
В качестве светопрозрачного материала фоконов может быть использовано оптическое стекло или полиметилметакрилат.Optical glass or polymethylmethacrylate can be used as a translucent material of the focons.
Приведенные в соотношениях (1)-(3) размеры диаметра большего основания D усеченного конуса обеспечивают дополнительную фокусировку и выравнивание плотности концентрации солнечного излучения на фотоактивной области фотоэлемента за счет отражения поверхностью фокона боковых лепестков излучения при фокусировке света линзой Френеля и улучшают разориентационные характеристики модулей за счет фокусировки излучения на фотоактивной области фотоэлемента при отклонении оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения в пределах угла δ.The sizes of the diameter of the larger base D of the truncated cone shown in relations (1) - (3) provide additional focusing and equalization of the concentration of solar radiation on the photoactive region of the photocell due to reflection of the side petals of the radiation surface by focusing the light by focusing the light with a Fresnel lens and improve the disorientation characteristics of the modules due to focusing radiation on the photoactive region of the solar cell when the optical axis of the module deviates relative to the direction of solar radiation in limits of angle δ.
Конструкция настоящего солнечного концентраторного модуля поясняется чертежами, где:The design of this solar concentrator module is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 схематично изображен солнечный концентраторный модуль, в котором фоконы выполнены в виде отражающего зеркального покрытия, нанесенного на стенки конических отверстий тыльной панели;in FIG. 1 schematically depicts a solar concentrator module in which the foci are made in the form of a reflective mirror coating deposited on the walls of the conical openings of the rear panel;
на фиг. 2 изображен солнечный концентраторный модуль, в котором фокон выполнен в виде полого металлического усеченного конуса с внутренней отражающей поверхностью, и схематично показан ход лучей при разориентации оптической оси модуля на угол δ;in FIG. 2 shows a solar concentrator module, in which the focone is made in the form of a hollow metal truncated cone with an internal reflective surface, and the ray path is schematically shown when the optical axis of the module is misoriented by an angle δ;
на фиг. 3 схематично изображен солнечный концентраторный модуль, в котором фокон выполнен в виде сплошного усеченного конуса, выполненного из оптического стекла, на боковую поверхность которого нанесено отражающее покрытие.in FIG. 3 schematically depicts a solar concentrator module in which the focus is made in the form of a continuous truncated cone made of optical glass, on the side surface of which a reflective coating is applied.
Заявляемый солнечный концентраторный модуль 1 (см. фиг. 1) содержит боковые стенки 2, фронтальную панель 3 с линзами 4 Френеля на внутренней стороне фронтальной панели 3, тыльную панель 5 с фоконами 6 и солнечные элементы 7, снабженные теплоотводящими основаниями 8. Теплоотводящие основания 8 прикрепляют солнечные элементы 7 к тыльной стороне 9 тыльной панели 5 так, что центр фотоприемной площадки 10 каждого солнечного элемента 7 лежит на одной оси с центром 11 соответствующей линзы Френеля и совпадает с фокусом этой линзы. Фоконы 6 выполнены в виде отражающего зеркального покрытия, нанесенного на стенки конических отверстий 13 тыльной панели 5, и обращены большими основаниями к линзам 4 Френеля. Диаметр меньшего основания фокона 6 равен диаметру фотоприемной площадки 10 солнечного элемента. Фоконы 6 могут быть выполнены в виде полых металлических усеченных конусов 16 с внутренней отражающей поверхностью (см. фиг. 2), примыкающих меньшими основаниями к фотоприемным площадкам 10 солнечных элементов 7. Фоконы 6 могут быть выполнены в виде сплошных усеченных конусов 18, изготовленных из оптического стекла или полиметилметакрилата, на боковую поверхность которых нанесено отражающее покрытие 19 (см. фиг. 3), примыкающих меньшими основаниями к фотоприемным площадкам 10 солнечных элементов 7.The inventive solar concentrator module 1 (see Fig. 1) contains
При работе заявляемого солнечного концентраторного модуля, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам, солнечное излучение, попадающее на входную апертуру первичного оптического концентратора в виде линзы 4 Френеля, преобразуется им в сходящийся световой пучок, проходит через большее основание фокона 6 и попадает на фотоприемную площадку 10 солнечного элемента 7 либо напрямую, либо после однократного или многократных отражений от боковой поверхности фокона 6. Большее основание фокона 6 выполнено с диаметром D, определяемым соотношениями (1)-(3), превышающим диаметр сходящегося светового пучка так, что при разориентации модуля в пределах максимального угла отклонения оптической оси модуля относительно направления солнечного излучения δ (см. фиг. 2) сфокусированный световой пучок остается в пределах входной апертуры вторичного концентратора, частично отражается боковой поверхностью фокона 6 и попадает на фотоприемную площадку 10 солнечного элемента 7. При нормальной ориентации модуля на боковую поверхность фокона 6 попадает часть световых лучей, находящихся за пределами сфокусированного светового пучка, возникающих за счет неточностей изготовления и дефектов линзы 4 Френеля, которые после отражения от боковой поверхности фокона также попадают на фотоприемную площадку 10 солнечного элемента 7. При этом разориентационная характеристика солнечного концентраторного модуля остается более высокой, чем в фотоэлектрических модулях без вторичного оптического концентратора; распределение концентрации солнечного излучения на поверхности фотоприемной площадки 10 солнечного элемента 7 более однородное, чем в фокальном пятне первичного концентратора с линзой 4 Френеля, а максимальные значения локальной концентрации солнечного излучения существенно ниже, чем при использовании в качестве вторичных оптических концентраторов выпуклых линз. Более однородное распределение концентрации солнечного излучения по поверхности фотоприемной площадки 10 приводит к уменьшению локального перегрева солнечного элемента 7, повышению надежности его работы и увеличению эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, а улучшенные разориентационные характеристики солнечного концентраторного модуля - к снижению затрат на разработку и изготовление следящих систем.When the inventive solar concentrator module is oriented perpendicular to the sun's rays, the solar radiation incident on the input aperture of the primary optical concentrator in the form of a
Использование настоящего солнечного концентраторного модуля дает большой экономический эффект, обусловленный тем, что солнечный модуль прост по конструкции, обладает высокими фотоэлектрическими характеристиками, обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию.The use of this solar concentrator module gives a great economic effect, due to the fact that the solar module is simple in design, has high photovoltaic characteristics, provides reliable and long-term operation.
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015148778A RU2611693C1 (en) | 2015-11-13 | 2015-11-13 | Solar concentrator module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015148778A RU2611693C1 (en) | 2015-11-13 | 2015-11-13 | Solar concentrator module |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2611693C1 true RU2611693C1 (en) | 2017-02-28 |
Family
ID=58459433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015148778A RU2611693C1 (en) | 2015-11-13 | 2015-11-13 | Solar concentrator module |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2611693C1 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU181493U1 (en) * | 2018-01-09 | 2018-07-17 | Сергей Александрович Корчак | Solar power concentrator |
| RU2686123C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-04-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Photoelectric module |
| RU2690728C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-06-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Concentrator-planar solar photoelectric module |
| RU2721313C1 (en) * | 2017-03-01 | 2020-05-18 | Асвб Нт Солар Энерджи Б.В. | Solar cell |
| RU197957U1 (en) * | 2019-12-23 | 2020-06-09 | Открытое акционерное общество "Элеконд" | Concentrator photoelectric module with adjustable secondary optics |
| RU2739167C1 (en) * | 2020-05-13 | 2020-12-21 | Сергей Яковлевич Самохвалов | Stationary solar radiation concentrator |
| RU2740738C1 (en) * | 2020-04-20 | 2021-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Powerful concentrator photoelectric module |
| RU2773716C1 (en) * | 2021-10-11 | 2022-06-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Concentrator photoelectric module with planar elements |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6384320B1 (en) * | 2000-10-13 | 2002-05-07 | Leon Lung-Chen Chen | Solar compound concentrator of electric power generation system for residential homes |
| RU2307294C9 (en) * | 2004-11-01 | 2007-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Русская Солнечная Компания" | Photoelectric module (modifications) |
| RU2352023C1 (en) * | 2007-10-19 | 2009-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") | Solar photoelectric module |
| RU2354005C1 (en) * | 2007-04-16 | 2009-04-27 | Закрытое акционерное общество "Техноэксан" | Photoelectric module |
| US20090223555A1 (en) * | 2008-03-05 | 2009-09-10 | Stalix Llc | High Efficiency Concentrating Photovoltaic Module Method and Apparatus |
| US20110155217A1 (en) * | 2008-02-11 | 2011-06-30 | Emcore Solar Power, Inc. | Concentrated Photovoltaic System Modules Using III-V Semiconductor Solar Cells |
-
2015
- 2015-11-13 RU RU2015148778A patent/RU2611693C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6384320B1 (en) * | 2000-10-13 | 2002-05-07 | Leon Lung-Chen Chen | Solar compound concentrator of electric power generation system for residential homes |
| RU2307294C9 (en) * | 2004-11-01 | 2007-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Русская Солнечная Компания" | Photoelectric module (modifications) |
| RU2354005C1 (en) * | 2007-04-16 | 2009-04-27 | Закрытое акционерное общество "Техноэксан" | Photoelectric module |
| RU2352023C1 (en) * | 2007-10-19 | 2009-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") | Solar photoelectric module |
| US20110155217A1 (en) * | 2008-02-11 | 2011-06-30 | Emcore Solar Power, Inc. | Concentrated Photovoltaic System Modules Using III-V Semiconductor Solar Cells |
| US20090223555A1 (en) * | 2008-03-05 | 2009-09-10 | Stalix Llc | High Efficiency Concentrating Photovoltaic Module Method and Apparatus |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2721313C1 (en) * | 2017-03-01 | 2020-05-18 | Асвб Нт Солар Энерджи Б.В. | Solar cell |
| RU181493U1 (en) * | 2018-01-09 | 2018-07-17 | Сергей Александрович Корчак | Solar power concentrator |
| RU2686123C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-04-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Photoelectric module |
| RU2690728C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-06-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Concentrator-planar solar photoelectric module |
| RU197957U1 (en) * | 2019-12-23 | 2020-06-09 | Открытое акционерное общество "Элеконд" | Concentrator photoelectric module with adjustable secondary optics |
| RU2740738C1 (en) * | 2020-04-20 | 2021-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Powerful concentrator photoelectric module |
| RU2739167C1 (en) * | 2020-05-13 | 2020-12-21 | Сергей Яковлевич Самохвалов | Stationary solar radiation concentrator |
| RU2773716C1 (en) * | 2021-10-11 | 2022-06-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Concentrator photoelectric module with planar elements |
| RU2817554C1 (en) * | 2023-05-03 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Solar photovoltaic module with radiation concentrator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2611693C1 (en) | Solar concentrator module | |
| US9086227B2 (en) | Method and system for light collection and light energy converting apparatus | |
| US10020413B2 (en) | Fabrication of a local concentrator system | |
| JP2005099802A (en) | Multifocal condenser for element for converting solar radiation into electric, heat or chemical energy | |
| NL1040088C2 (en) | Concentrating solar panel with diffuse light conversion. | |
| KR100933213B1 (en) | Concentration lens for solar power generation | |
| US20120312351A1 (en) | Efficient solar energy concentrator with improved thermal management | |
| US9813017B2 (en) | Adiabatic secondary optics for solar concentrators used in concentrated photovoltaic systems | |
| JP2009117795A (en) | Solar cell module | |
| RU2436192C1 (en) | Photovoltaic module with nanostructure photocell | |
| US20140326293A1 (en) | Methods and apparatus for solar energy concentration and conversion | |
| KR101207852B1 (en) | Planar type high concentration photovoltaic power generator module and sun tracker using this module | |
| CN101425547A (en) | Solar battery module | |
| KR20220009664A (en) | Hybrid TIR Fresnel Lens device to maximize the Power generation efficiency of Solar power generation system and Manufacturing method thereof | |
| RU2641627C1 (en) | Solar photovoltaic concentrator module | |
| RU2370856C2 (en) | Concentrator photoelectric module | |
| RU2352023C1 (en) | Solar photoelectric module | |
| RU2436193C1 (en) | Photovoltaic concentrator module | |
| KR20100044605A (en) | A condenser device of sunlight development system | |
| RU2496181C1 (en) | Photoelectric concentrator submodule | |
| WO2020128955A1 (en) | Solar concentrator | |
| RU197957U1 (en) | Concentrator photoelectric module with adjustable secondary optics | |
| RU2740738C1 (en) | Powerful concentrator photoelectric module | |
| KR101357200B1 (en) | Thin concentrator photovoltaic module | |
| EP2487728A2 (en) | Light-collecting device and light-collecting method thereof |