Фотопреобразователь концентрированного солнечного излучения

 

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования солнечной энергии в электрическую, касается в основном конструкции фотоэлектрических преобразователей концентрированного излучения (КСИ) и может быть использовано в фотоэлектрических модулях и солнечных фотоэлектрических станциях наземного назначения. Сущность изобретения: в фотопреобразователь КСИ, содержащий солнечный элемент (СЭ) с контактной сеткой и шинами на освещаемой поверхности установленный на основании в охлаждаемом корпусе с патрубками для подачи теплоносителя и защитным стеклом, причем шины на освещаемой стороне продублированы пластинами дополнительных токосъемных шин, введен коллектор с полым электродом, общий для дублирующих пластин. Между СЭ и основанием размещен слой пористой меди, а коллектор выполнен с наклонными отражающими поверхностями. Основание с уплотнением разделяет корпус на два независимых объема, причем в СЭ, основании и дне корпуса выполнены отверстия, через уплотнения которых проходит полый электрод, электрически изолированный от них и теплоносителя, а объем над СЭ и полый электрод заполнены смесью диэлектрического теплоносителя с люминофором. При этом основание в месте уплотнения контактирует с электропроводящим корпусом и часть полого электрода между дном корпуса и токовыводящей шиной выполнена в виде сильфона. На основании может быть размещена батарея СЭ в промежутках, между которыми размещены коллекторы дублирующих шины пластин, причем все коллекторы объединены в общую электрическую цепь с полым электродом. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к преобразователям солнечной энергии в электрическую, касается в основном конструкции фотоэлектрических преобразователей концентрированного солнечного излучения (КСИ) и может быть применено в фотоэлектрических модулях и солнечных фотоэлектрических станциях (СФЭС) наземного назначения.

Известен фотопреобразователь КСИ, содержащий солнечный элемент (СЭ) с контактной сеткой и шинами на освещаемой фронтальной поверхности, установленный на основании в охлаждаемом полом корпусе с защитным стеклом и патрубками для подачи теплоносителя [1]. Фотопреобразователь КСИ нашел применение в фотоэлектрических модулях и солнечных станциях, в частности применен в конструкции 10 кВт СФЭС с параболическими концентраторами.

Известный фотопреобразователь КСИ обладает рядом недостатков, важнейшим из которых является падение уровня вырабатываемой мощности при применении СЭ больших, более 5-10см², размеров, что сопряжено с трудностями съема генерируемых токов, достигающих при КСИ ≈50-100 крат величины ≥20 А. Другим недостатком является снижение механической прочности и надежности в эксплуатации на КСИ, обусловленное разогревом освещаемой фронтальной поверхности СЭ, ввиду того, что теплоотвод ведется контактным способом с его тыльной стороны, который сопровождается возникновением градиента температуры как по толщине, так и по площади СЭ и разрушением СЭ за счет разницы температурных коэффициентов расширения (ТКР) материала СЭ, материала контактов и материала подложки, на которой установлен СЭ. Еще одним недостатком фотопреобразователя является сложность коммутации фотопреобразователей в электрическую цепь солнечной станции с концентраторами излучения, поскольку средства присоединения СЭ к цепи при любых типах концентраторов необходимо размещать не только с тыльной, но и с фронтальной освещаемой поверхности СЭ, что приводит к затенению поверхности СЭ и интенсивному нагреву и пережиганию проводников, находящихся в световом потоке, идущем от концентратора. В особенности остро этот недостаток проявляется при эксплуатации на КСИ СЭ большой площади, требующих применения сравнительно толстых отводящих проводников, что, кроме указанных недостатков, сопровождается увеличением механических нагрузок, приложенных непосредственно к токосъемной сетке СЭ. В целом указанный недостаток, кроме неудобств при монтаже электрической цепи СФЭС, приводит к потере вырабатываемой мощности и снижению механической прочности и надежности.

Известный фотопреобразователь КСИ, являющийся наиболее близким к предлагаемому (прототип), содержит СЭ с контактной сеткой и шинами на освещаемой поверхности, установленный на основании в охлаждаемом полом корпусе с защитным стеклом и патрубками подачи теплоносителя, а также дополнительные токосъемные шины, установленные поверх шин СЭ [2]. Фотопреобразователь КСИ нашел применение в конструкциях СФЭС с P≈1 кВт с концентраторами и показал в указанных модификациях возможность съема токов ≥1 А/см².

Однако конструкция известного фотопреобразователя КСИ не позволяет исключить недостатки: малую механическую прочность и ненадежность в эксплуатации на КСИ, обусловленные, несовершенством теплоотвода. Кроме того, известный фотопреобразователь КСИ имеет существенный недостаток - трудность коммутации в электрической цепи солнечной станции с концентраторами излучения.

Целью изобретения является увеличение мощности при одновременном повышении надежности.

Цель достигается тем, что в фотопреобразователь КСИ, содержащий СЭ с контактной сеткой и шинами на освещаемой поверхности, установленный на основании в охлаждаемом корпусе с патрубками для подачи теплоносителя и защитным стеклом, причем шины на освещаемой стороне продублированы пластинами дополнительных токосъемных шин, введен коллектор с полым электродом, общий для дублирующих пластин, при этом между СЭ и основанием размещен слой пористой меди, коллектор выполнен с наклонными отражающими поверхностями, основание с уплотнителем разделяет корпус на два независимых объема, причем в СЭ, основании и дне корпуса выполнены отверстия, через уплотнения которых проходит полый электрод, электрически изолированный от них и теплоносителя, а объем над СЭ и полый электрод заполнены смесью диэлектрического теплоносителя с люминофором, при этом основание в месте уплотнения контактирует с электропроводящим корпусом и часть полого электрода между дном корпуса и токовыводящей шиной выполнена в виде сильфона.

Цель может быть достигнута также тем, что в фотопреобразователе КСИ на основании размещена батарея СЭ, в промежутках между которыми размещены коллекторы дублирующих шины пластин, причем все коллекторы объединены в общую электрическую цепь с полым электродом.

На фиг.1 приведен фотопреобразователь КСИ с использованием дискового СЭ в разрезе; на фиг.2 - с использованием СЭ в виде двух полудисков; на фиг.3 - с использованием СЭ в виде сегментов, вырезанных из диска, а на фиг.4 - с использованием СЭ прямоугольной формы, преимущественно при использовании параболоцилиндрических концентраторов.

Фотопреобразователь КСИ на фиг.1 содержит СЭ 1, установленный на основании 2, снабженном термокомпенсирующим слоем пористой меди (не показан), и имеющий радиальные и кольцевые токосъемные шины 3, поверх которых напаяны дополнительные токосъемные шины 4, соединенные с коллектором 5, выполненным в виде переотражателя излучения, в данном случае в виде конуса с нанесенным на боковую поверхность отражающим слоем. Фотопреобразователь имеет также корпус 6, патрубки 7 подачи в его полость теплоносителя, защитное стекло 8, полый электрод 9 для подачи диэлектрического теплоносителя, шину 10 от него для присоединения к цепи, насадку - емкость 11 с диэлектрическим теплоносителем и сильфоном 12. Падающее солнечное излучение показано стрелками. Отверстия (отверстие), соединяющие полость электрода 9 и полость между фронтальной поверхностью СЭ 1 и стеклом 8, не показаны. Не показаны также средства уплотнения (прокладки) основания 2 к корпусу 6 и слой электрической изоляции (лак) на внешней поверхности электрода 9, контактирующей с потоком теплоносителя (вода), подаваемого по патрубку 7 в полость корпуса 6. Не показано также диэлектрическое уплотнение 5 (прокладки и шайба) электрода 9 в центральном сквозном отверстии основания 2.

На фиг. 2, как и на фиг.3 и 4, коллектор 5 выполнен в виде треугольной призмы, прикрывающей пространство между СЭ. На фиг.3 на переднем СЭ удалена часть дополнительных токосъемных шин 4 и схематично показана токосъемная сетка.

Предлагаемый фотопреобразователь КСИ работает следующим образом.

СЭ 1 преобразует часть падающего от концентратора излучения в электричество. Генерируемый ток отводится от фронтальной поверхности СЭ по токосъемным шинам 3 (радиально-кольцевая сетка) и через напаянные поверх них дополнительные токосъемные шины 4 идет на коллектор 5, далее через электрод 9, изолированный от основания 2 и корпуса 6, за пределы корпуса 6 и через шину 10 во внешнюю цепь. Нахождение шины 10 вне фокальной области потока излучения, идущего от концентратора, упрощает обслуживание и коммутацию фотопреобразователя, исключает подгорание токоведущих шин. Тыльный контакт СЭ 1 присоединен к основанию 2 через проводящий термокомпенсирующий слой и через него на корпус 6. Таким образом, корпус также присоединяется к внешней цепи. Инфракрасная составляющая падающего излучения нагревает поверхность СЭ 1, а также дополнительные токосъемные шины 4 и защитное стекло 8. Обеспечение теплоотвода от СЭ в предлагаемом фотопреобразователе достигается подачей в полость корпуса 6 теплоносителя - хладагента, например воды, по патрубку 7 (по аналогичному патрубку на фиг.1 не показан сброс воды из корпуса). Подаваемый теплоноситель охлаждает не только стенки корпуса 6 и основание 2, но и полый электрод 9, полость которого заполнена диэлектрическим теплоносителем, как и полость между защитным стеклом 8 и фронтальной поверхностью СЭ 1, а также полость насадки-емкости 11 и сильфона 12 (полость между стеклом 8 и СЭ соединена с полостью патрубка отверстием (отверстиями) в теле коллектора 5). Таким образом, в предлагаемом фотопреобразователе КСИ организовано двустороннее охлаждение СЭ 1. Увеличение объема диэлектрического теплоносителя за счет разогрева компенсируется изменением размеров сильфона 12. Наличие слоя диэлектрического теплоносителя над поверхностью СЭ приводит к некоторым световым потерям, которые компенсируются люминесцентным излучением добавленного в него люминофора. Например, для кремниевых СЭ в качестве люминофора может быть применен радомин, хорошо растворяемый как в дистиллированной воде, так и в силиконовом масле. Указанные растворы являются диэлектрическими. Световые потери от затенения СЭ коллектором 5 компенсируются переотражением излучения от его конической поверхности на свободную фронтальную поверхность СЭ. В вариантах, приведенных на фиг.2-4, исключение световых потерь достигается аналогично, поскольку коллекторы 5 выполнены в виде трехгранных призм, переотражают на СЭ излучение, приходящееся на площадь прикрываемых ими промежутков между СЭ, в пределах которых в основании 2 выполнены отверстия для пропуска электрода 9. Наличие термокомпенсирующего слоя на основании 2 предотвращает растрескивание и другие механические повреждения СЭ 1 за счет ТКР.

Таким образом, отличительные особенности предлагаемого фотопреобразователя КСИ позволяют обеспечить механическую прочность, надежность в эксплуатации и упрощают его коммутацию в электрической цепи СФЭС с концентраторами излучения.

Проведенные испытания мелкой серии фотопреобразователей КСИ с применением дисковых СЭ p⁺-n-n⁺ диаметром 76 мм и параболическими, 500 мм концентраторами показали преимущества предлагаемого фотопреобразователя КСИ по сравнению с прототипом, который вследствие его достаточно широкого применения можно принять за базовый объект. Преимущества предлагаемого фотопреобразователя КСИ. Исключаются нагрев и подгорание коммутационных шин при любых разориентациях панели с концентраторами относительно направления на Солнце. При точном наведении на Солнце, т.е. в рабочем режиме, коммутационные шины находятся в зафокальном пространстве и частично закрыты корпусом фотопреобразователя. Исключается растрескивание СЭ за счет ТКР при любых ситуациях, вплоть до намеренного до 30 мин прекращения подачи теплоносителя (воды) в полость корпуса. Исключается разогрев дополнительных токосъемных шин, установленных на фронтальной поверхности СЭ. Температура поверхности СЭ фактически сопоставима с температурой подаваемого теплоносителя (воды). Фотопреобразователь допускает коммутацию как в последовательную, так и в параллельную цепи, при этом ремонт, осмотр, наладка предельно упрощены, поскольку оба контакта: от корпуса, соединенного с тыльной стороной СЭ, и от фронтальной стороны СЭ выведены на теневую сторону корпуса, доступны и находятся вне фокальной области концентратора. Обеспечивается повышение мощности модуля с данным фотопреобразователем КСИ, поскольку достигаются двусторонний теплоотвод от СЭ и термостабилизация последнего в диапазоне 25-45^оС, находящемся в оптимуме температур как для кремниевых, так и для GaAs СЭ. Исключаются перегрев и растрескивание защитного стекла, характерный дефект для прототипа в особенности в местах стыка стекла с корпусом.

Таким образом, предлагаемая конструкция фотопреобразователя КСИ обладает явными преимуществами перед прототипом и аналогами, отличается удобством в эксплуатации, применима для любых типоразмеров используемых СЭ и может найти широкое применение в составе наземных модулей и СФЭС с концентраторами солнечного излучения.

Формула изобретения

1. ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий солнечный элемент с контактной сеткой и шинами на освещаемой поверхности, установленный на основании в охлаждаемом корпусе с патрубками для подачи теплоносителя и защитным стеклом, причем шины на освещаемой поверхности солнечного элемента продублированы пластинами дополнительных токосъемных шин, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности при одновременном повышении надежности, в него дополнительно введен коллектор с наклонными отражающими поверхностями и полым электродом, общим для дублирующих пластин, между солнечным элементом и основанием размещен слой пористой меди, основание с уплотнителем разделяет корпус на два независимых объема, причем в солнечном элементе, основании и дне корпуса выполнены отверстия, через уплотнения которых проходит полый электрод, электрически изолированный от них и теплоносителя, а объем над солнечным элементом и полый электрод заполнены смесью диэлектрического теплоносителя с люминофором, при этом основание в месте уплотнения контактирует с электропроводящим корпусом и часть полого электрода между дном корпуса и токовыводящей шиной выполнена в виде сильфона.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности, на основании размещена батарея солнечных элементов в промежутках между которыми размещены коллекторы дублирующих шины пластин, причем все коллекторы объединены в общую электрическую цепь с полым электродом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4