Солнечный фотоэлектрический модуль
Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами. Заявленный солнечный фотоэлектрический модуль включает зеркальный концентратор, представляющий собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения и фотоэлектрический приемник (ФЭП), выполненный составным из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических элементов с устройством охлаждения и расположенный в фокальной области с зеркальным концентратором. Указанный модуль дополнительно снабжен телескопической опорой, при этом зеркальный концентратор выполнен в виде гибкой первой сфероидальной полости, заполненной газом под давлением, большим давления окружающей среды, и снабжен устройством регулирования давления. Верхняя часть зеркального концентратора выполнена из прозрачного для излучения Солнца материала, а его нижняя часть выполнена с зеркальным отражающим покрытием и закреплена на телескопической опоре, при этом ФЭП выполнен в виде лепестков, обращенных лицевой поверхностью к отражающему покрытию зеркального концентратора, и размещен на внешней поверхности замкнутой гибкой второй сфероидальной полости, заполненной газовой средой. Телескопическая опора снабжена механизмом поворота ее оси и выполнена в виде отдельных цилиндрических полостей, размещенных одна внутри другой так, что под давлением газа осуществляется их взаимное перемещение, при этом на внутренней стороне меньшей полости телескопической опоры размещены каналы охлаждения и отвода электротока. Технический результат - повышение концентрации солнечной энергии (от сотен кВт до ГВт) с повышением КПД преобразования, снижение стоимости вырабатываемой энергии, обеспечение возможности транспортировки солнечного фотоэлектрического модуля в упакованном виде и оперативного его разворачивания в воздушно-космическом пространстве без участия человека. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к гелиотехнике и конструкции солнечных модулей с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками солнечного излучения и концентраторами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники [патент RU 2233791 С2, опубл. 10.08.2004] известны солнечные модули с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и концентраторами солнечного излучения в виде параболоида. Однако такие солнечные модули имеют жесткие концентраторы, создающие в плоскости фотоэлектрического преобразователя высокие концентрации в фокальной плоскости, достигающие 2000 крат и более, которые не могут быть использованы для крупногабаритных концентраторов (более 10 м) солнечных модулей с кремниевыми планарными ФЭП. При таких концентраторах плотность солнечной энергии будет значительно больше допустимой, определяемой лучевой стойкостью приемников ФЭП.
Из уровня техники [авторское свидетельство №1794254, опубл. 07.02.1993] также известен солнечный фотоэлектрический модуль, состоящий из параболоидного концентратора типа «Фокон» и фотоэлектрический преобразователя, расположенного в фокальной плоскости с равномерным распределением концентрированного излучения. Однако в качестве недостатков такого технического решения можно отметить следующее. При значительных размерах концентратора солнечного фотоэлектрического модуля расположение оптического фокуса на оси фотоэлектрического модуля приводит к разрушению планарных кремниевых фотоэлектрических приемников (ФЭП) при высоких концентрациях солнечного излучения. Кроме того, при значительных габаритах концентратора осуществить его транспортировку, монтаж и настройку в воздушно-космическом пространстве технологически очень сложно. В том числе, требуется обеспечить высокую точность монтажа и жесткость конструкции, а, следовательно, необходимо сложное технологическое оборудование, что удорожает стоимость настройки и эксплуатации оборудования.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором [патент RU 2505755 С2, опубл. 27.01.2014]. Он содержит параболоторический концентратор и цилиндрический фотоэлектрический приемник (ФЭП), установленный в фокальной области с устройством охлаждения. Он выполнен в виде цилиндра из скоммутированных высоковольтных ФЭП длиной ho и с внутренним радиусом ro. При этом концентратор представляет собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящей из нескольких зон (а-b, b-с, c-d). И выполнен составным по принципу собирания отраженных лучей в фокальной цилиндрической области из отдельных зон концентратора, причем форма отражающей поверхности концентратора X (У) определяется определенной системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности фотоэлектрического приемника.
Однако недостатком прототипа является то, что для получения значительных мощностей солнечной энергии (десятки или сотни МВт) требуется создание концентраторов крупногабаритных размеров (сотни метров и более), доставка которых, а также монтаж с высокой точностью крупногабаритных отражательных элементов требует значительных финансовых затрат и сложного технологического оборудования.
Особенно серьезно эта проблема стоит при осуществлении доставки и монтажа оборудования в открытом космосе. При этом необходимо осуществить многоразовую доставку в космос, монтаж и настройку крупногабаритных панелей зеркальных концентраторов (десятки, сотни метров), осуществить их прецизионное сопряжение в космическом пространстве, что требует использования многоразовых транспортных космических систем для доставки крупногабаритного груза и длительной работы бригады космонавтов в открытом космическом пространстве для монтажа такой системы. А это в значительной степени усложняет и удорожает процесс создания таких систем.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение работы солнечного фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях солнечного излучения при возможности его оперативного разворачивания в сложных условиях и при чрезвычайных обстоятельствах.
Целью изобретения является существенное увеличение плотности выходного светового потока, снижение стоимости концентратора, снижение массы концентратора и материалов на его изготовление. А также уменьшение габаритов транспортируемой нагрузки, увеличение времени работы концентратора, увеличение срока службы и надежности при его полной независимости от человека.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении концентрации солнечной энергии (от сотен КВт до ГВт) с повышением КПД преобразования и снижении стоимости вырабатываемой энергии. А также в обеспечении возможности транспортировки солнечного фотоэлектрического модуля в упакованном виде и оперативного его разворачивания в воздушно-космическом пространстве без участия человека.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанный технический результат достигается солнечным фотоэлектрическим модулем, включающим зеркальный концентратор, представляющий собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения и фотоэлектрический приемник (ФЭП), выполненный составным из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических элементов с устройством охлаждения и расположенный в фокальной области с зеркальным концентратором, при этом:
- указанный модуль дополнительно снабжен телескопической опорой;
- зеркальный концентратор указанного модуля выполнен в виде гибкой первой сфероидальной полости, заполненной газом под давлением, большим давления окружающей среды. И снабжен устройством регулирования давления, причем верхняя часть зеркального концентратора выполнена из прозрачного для излучения Солнца материала, а его нижняя часть выполнена с зеркальным отражающим покрытием и закреплена на телескопической опоре;
- ФЭП указанного модуля выполнен в виде лепестков, обращенных лицевой поверхностью к отражающему покрытию зеркального концентратора, и размещен на внешней поверхности замкнутой гибкой второй сфероидальной полости, заполненной газовой средой;
- телескопическая опора указанного модуля снабжена механизмом поворота ее оси и выполнена в виде отдельных цилиндрических полостей, размещенных одна внутри другой так, что под давлением газа осуществляется их взаимное перемещение. При этом на внутренней стороне меньшей полости телескопической опоры размещены каналы охлаждения и отвода электротока.
В одном из вариантов осуществления изобретения наружная поверхность зеркального концентратора армирована сетевыми термомеханическими защитными элементами, а его внутренняя поверхность оборудована радиальными нитевидными растяжками с механизмами регулировании натяжения, прикрепленными к телескопической опоре.
Также технический результат достигается способом развертывания предлагаемого солнечного фотоэлектрического модуля в воздушно-космическом пространстве. Согласно ему, указанный модуль в упакованном виде доставляют в заданную область воздушно-космического пространства, затем осуществляют раскрытие упаковки путем последовательного заполнения газом полостей телескопической опоры, первой сфероидальной полости зеркального концентратора и второй сфероидальной полости ФЭП с размещенными на ее внешней поверхности лепестками составных фотоэлектрических элементов. Создавая в каждой из перечисленных полостей и элементов избыточное давление по отношению к давлению во внешней среде.
В том числе, технический результат достигается применением предлагаемого солнечного фотоэлектрического модуля в качестве первичного источника энергообеспечения наземных, морских, воздушных и космических объектов в экстремальных и/или чрезвычайных ситуациях, а также в качестве базового элемента космического сегмента солнечных аэрокосмических электростанций.
Сущность настоящего изобретения поясняется фиг.1-5:
На фиг. 1 представлена схема солнечного фотоэлектрического модуля в упакованном для транспортировки виде, где 1 - зеркальный концентратор (упакованный), 2 - лепестки ФЭП (в сложенном виде).
На фиг. 2 представлена схема солнечного фотоэлектрического модуля в процессе разворачивания. Под давлением газа телескопическая опора 3 выдвигается, разворачивая упаковку зеркального концентратора 1. Через телескопическую опору 3 осуществляется наполнение газом второй сфероидальной полости. Под давлением газа от устройства 4 она принимает форму
устанавливаются в исходное положение. При дальнейшей подаче газа в полость зеркального концентратора 1, он принимает форму первого сфероида (первая сфероидальная полость). Устройство 4 осуществляет контроль давления во всех полостях и, при необходимости, осуществляет его снижение (или повышение). Устройство 10 осуществляет отвод электрического тока от лепестков ФЭП и отвод тепла по отдельным каналам, размещенных внутри полости телескопической опоры 3.
На фиг. 3 показано схематическое изображение солнечного фотоэлектрического модуля в развернутом виде, где 6 - верхняя часть зеркального концентратора, выполненная из прозрачного для излучения Солнца материала, а 7 - нижняя часть зеркального концентратора, выполненная с зеркальным отражающим покрытием. Наружная поверхность зеркального концентратора может быть армирована сетевыми термомеханическими защитными элементами 8, обеспечивающими отвод тепла, прочность оболочки отражающего покрытия и поддержание его формы.
На фиг. 4 представлен ход лучей от Солнца в схеме солнечного фотоэлектрического модуля. Его внутренняя поверхность оборудована радиальными нитевидными растяжками 5 с механизмами регулирования натяжения растяжек 9, которые прикреплены к телескопической опоре 3. Механизм регулирования натяжения растяжек 9 обеспечивает управление формой отражающего покрытия сфероида зеркального концентратора, обеспечивая оптимальное распределение Солнечного светового потока на лепестках ФЭП 2. Радиус кривизны первой сфероидальной полости (R) зеркального концентратора и радиус кривизны второй сфероидальной полости (r) с лепестками ФЭП выбирают из необходимой (оптимальной) степени концентрации Солнечного излучения на поверхности ФЭП в зависимости от используемого типа приемного устройства.
ОСОБЕННОСТИ:
- Следует подчеркнуть, что в предложенном варианте построения солнечного фотоэлектрического модуля можно изменять геометрическую форму первой сфероидальной полости зеркального концентратора и второй сфероидальной полости с лепестками ФЭП, адаптивно изменяя степень концентрации излучения на ФЭП, в зависимости от выбранного типа фотоэлектрического приемника.
- Другой отличительной чертой предлагаемого технического решения является то, что разворачивание фотоэлектрического модуля из упаковочного (транспортируемого) состояния в рабочее осуществляется автоматически. Путем последовательного заполнения газом полостей телескопической опоры, первой сфероидальной полости зеркального концентратора и второй сфероидальной полости ФЭП с размещенными на ее внешней поверхности лепестками составных фотоэлектрических элементов (возможно без участия человека).
При этом размер зеркального концентратора практически ничем не ограничен и может достигать сотни, а в некоторых случаях тысячи метров и не требует дополнительных монтажно-настроечных работ. Это обстоятельство чрезвычайно важно при создании гигантских солнечных космических электростанций, мощностью до десятков ГВт энергии. При этом слежение за Солнцем осуществляется поворотом телескопической опоры, а отвод тепла и электротока осуществляется по каналам охлаждения и отвода электротока, размещенным на внутренней стороне меньшей полости телескопической опоры.
Пример выполнения солнечного фотоэлектрического модуля для космического энергетического комплекса представлен на фиг. 5.
На фиг. 5 представлен общий вид использования предлагаемого изобретения, на примере создания солнечного космического энергетического комплекса, где 11 система космических технологических модулей, включающая все необходимые технологические блоки необходимые для функционирования комплекса. Солнечный фотоэлектрический модуль 12 осуществляет концентрацию Солнечного излучения и преобразование его в электрическое. Модуль 13 осуществляет преобразование электрического тока с СВЧ или лазерный поток энергии и дистанционно передает энергию потребителю.
Таким образом, дополнительное снабжение солнечного фотоэлектрического модуля телескопической опорой, с механизмом поворота ее оси и выполненной в виде отдельных цилиндрических полостей, размещенных одна внутри другой так, что под давлением газа позволяет осуществлять разворачивание солнечного фотоэлектрического модуля из транспортируемого (компактного) положения в рабочее (габаритное) и следить за Солнцем.
На фиг. 5 представлен общий вид использования предлагаемого изобретения, на примере создания солнечного космического энергетического комплекса, где 11 система космических технологических модулей, включающая все необходимые технологические блоки необходимые для функционирования комплекса. Солнечный фотоэлектрический модуль 12 осуществляет концентрацию Солнечного излучения и преобразование его в электрическое. Модуль 13 осуществляет преобразование электрического тока с СВЧ или лазерный поток энергии и дистанционно передает энергию потребителю.
Таким образом, дополнительное снабжение солнечного фотоэлектрического модуля телескопической опорой, с механизмом поворота ее оси и выполненной в виде отдельных цилиндрических полостей, размещенных одна внутри другой так, что под давлением газа позволяет осуществлять разворачивание солнечного фотоэлектрического модуля из транспортируемого (компактного) положения в рабочее (габаритное) и следить за Солнцем.
Зеркальный концентратор выполнен в виде гибкой первой сфероидальной полости, заполненной газом под давлением, большим давления окружающей среды, и снабженной устройством регулирования давления, с верхней частью, выполненной из прозрачного для излучения Солнца материала, и нижней частью с зеркальным отражающим покрытием, закрепленным на телескопической опоре. Что позволяет создать крупногабаритные концентраторы, имеющие малый транспортный размер, вес и их легко транспортировать (в наземных, воздушных и космических условиях) солнечный фотоэлектрический модуль и оперативно разворачивать его без участия оператора.
ФЭП выполнен в виде лепестков, обращенных лицевой поверхностью к отражающему покрытию зеркального концентратора, и размещенных на внешней поверхности замкнутой гибкой второй сфероидальной полости, заполненной газовой средой. Что позволяет повысить равномерность освещенности ФЭП и создать блок ФЭП, способный изменять свои размеры от компактного (1-3 м транспортируемого) до значительных (десятки метров) при приведении в рабочее состояние без участия оператора.
Выбор сфероидальной поверхности зеркального концентратора и формы лепестков ФЭП позволяет упростить процесс воссоздания формы поверхности при заполнении полостей газовой средой и обеспечить равномерное распределение освещенности на поверхности ФЭП.
- это фигура вращения в трехмерном пространстве, образованная при вращении эллипса вокруг одной из его главных осей. На рисунке 6 показано как при изменении параметров сфероида можно воссоздать требуемую форму пространственной структуры объемного концентратора, и тем самым обеспечивая оптимальное пространственное распределение солнечного излучения на ФЭП (Фиг. 6 - многообразие пространственных форм сфероида).
Армирование сетевыми термомеханическими защитными элементами поверхности зеркального концентратора и оборудование его внутренней поверхности радиальными нитевидными растяжками с механизмами регулировании натяжения, прикрепленными к телескопической опоре, позволяет повысить прочность оболочки зеркального концентратора и осуществлять адаптивное управление формой сфероида первой и второй полостей в зависимости от типа и условий регистрации ФЭП.
Доставка солнечного фотоэлектрического модуля в упакованном виде в заданную область воздушно-космического пространства и автоматическое осуществление раскрытия упаковки, путем последовательного заполнения газом полостей телескопической опоры, первой сфероидальной полости зеркального концентратора и второй сфероидальной полости ФЭП, с размещенными на ее внешней поверхности лепестками составных фотоэлектрических элементов, создавая в каждой из перечисленных полостей и элементов избыточное давление по отношению к давлению во внешней среде, позволяет без участия специалистов, оперативно осуществлять разворачивание аппаратуры в сложных (аэрокосмических и др.) условиях.
Вышеперечисленные отличительные признаки предлагаемого солнечного фотоэлектрического модуля позволяют использовать его в качестве первичного источника энергообеспечения наземных, морских, воздушных и космических объектов в экстремальных и/или чрезвычайных ситуациях, по типу подушки безопасности в автомобильном транспорте, в качестве оперативно разворачиваемых (базового элемента) солнечных электростанций.
Таким образом, представленный перечень отличительных признаков является существенным для решения поставленных целей и задач и достижения технического результата.
1. Солнечный фотоэлектрический модуль, включающий зеркальный концентратор, представляющий собой тело вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения и фотоэлектрический приемник (ФЭП), выполненный составным из скоммутированных высоковольтных фотоэлектрических элементов с устройством охлаждения и расположенный в фокальной области с зеркальным концентратором, отличающийся тем, что указанный модуль дополнительно снабжен телескопической опорой, при этом зеркальный концентратор выполнен в виде гибкой первой сфероидальной полости, заполненной газом под давлением, большим давления окружающей среды, и снабжен устройством регулирования давления, причем верхняя часть зеркального концентратора выполнена из прозрачного для излучения Солнца материала, а его нижняя часть выполнена с зеркальным отражающим покрытием и закреплена на телескопической опоре, при этом ФЭП выполнен в виде лепестков, обращенных лицевой поверхностью к отражающему покрытию зеркального концентратора, и размещен на внешней поверхности замкнутой гибкой второй сфероидальной полости, заполненной газовой средой, причем телескопическая опора снабжена механизмом поворота ее оси и выполнена в виде отдельных цилиндрических полостей, размещенных одна внутри другой так, что под давлением газа осуществляется их взаимное перемещение, при этом на внутренней стороне меньшей полости телескопической опоры размещены каналы охлаждения и отвода электротока.
2. Солнечный фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что наружная поверхность зеркального концентратора армирована сетевыми термомеханическими защитными элементами, а его внутренняя поверхность оборудована радиальными нитевидными растяжками с механизмами регулировании натяжения, прикрепленными к телескопической опоре.
3. Способ развертывания солнечного фотоэлектрического модуля по любому из пп. 1, 2 в воздушно-космическом пространстве, согласно которому указанный модуль в упакованном виде доставляют в заданную область воздушно-космического пространства, затем осуществляют раскрытие упаковки путем последовательного заполнения газом полостей телескопической опоры, первой сфероидальной полости зеркального концентратора и второй сфероидальной полости ФЭП с размещенными на ее внешней поверхности лепестками составных фотоэлектрических элементов, создавая в каждой из перечисленных полостей и элементов избыточное давление по отношению к давлению во внешней среде.
4. Применение солнечного фотоэлектрического модуля по любому из пп. 1, 2 в качестве первичного источника энергообеспечения наземных, морских, воздушных и космических объектов в экстремальных и/или чрезвычайных ситуациях и в качестве базового элемента космического сегмента солнечных аэрокосмических электростанций.
