RU2496181C1 - Photoelectric concentrator submodule - Google Patents
Photoelectric concentrator submodule Download PDFInfo
- Publication number
- RU2496181C1 RU2496181C1 RU2012116682/28A RU2012116682A RU2496181C1 RU 2496181 C1 RU2496181 C1 RU 2496181C1 RU 2012116682/28 A RU2012116682/28 A RU 2012116682/28A RU 2012116682 A RU2012116682 A RU 2012116682A RU 2496181 C1 RU2496181 C1 RU 2496181C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photocell
- submodule
- square
- glass sheet
- lens
- Prior art date
Links
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 56
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 56
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 9
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 18
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности к концентраторам солнечного излучения, используемым в фотоэлектрических модулях, применяемым, например, в наземных гелиоэнергетических установках, предназначенных для систем автономного энергоснабжения.The invention relates to the field of solar energy and, in particular, to solar radiation concentrators used in photovoltaic modules, used, for example, in terrestrial solar power plants intended for autonomous power supply systems.
Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием дорогостоящих высокоэффективных многокаскадных солнечных элементов. Известно, что применение оптических концентраторов излучения в фотоэлектрических модулях позволяет увеличить энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей, а также улучшить их энерго-экономические показатели за счет многократного уменьшения расхода дорогостоящих полупроводниковых материалов. Так, при увеличении степени концентрирования солнечного излучения на поверхности солнечного элемента до 1000х, площадь дорогих солнечных элементов сокращается в 1000 раз. Но от вклада стоимости оптических концентрирующих систем в общую стоимость модуля, степени сложности их изготовления и сборки модуля, величины срока эксплуатации зависит экономичность фотоэлектрического модуля.One of the most promising methods for generating electricity from renewable sources is the photovoltaic conversion of concentrated solar radiation using expensive high-performance multi-stage solar cells. It is known that the use of optical radiation concentrators in photovoltaic modules can increase the energy efficiency of photovoltaic modules, as well as improve their energy and economic performance by repeatedly reducing the consumption of expensive semiconductor materials. So, with an increase in the degree of concentration of solar radiation on the surface of the solar cell to 1000 x , the area of expensive solar cells decreases by 1000 times. But the cost-effectiveness of the photovoltaic module depends on the contribution of the cost of optical concentrating systems to the total cost of the module, the degree of complexity of their manufacture and assembly of the module, and the magnitude of the lifetime.
Известен фотоэлектрический субмодуль (см. заявка РСТ WO 9213362, H01L 31/00, опубликована 06.08.1992), содержащий корпус, смонтированный в корпусе концентратор и фотоэлемент (ФЭ), расположенный на задней стенке корпуса. В качестве концентратора может быть использована линза Френеля, а корпус может иметь вид усеченного конуса, либо усеченной пирамиды.A known photovoltaic submodule (see PCT application WO 9213362, H01L 31/00, published 06/08/1992), comprising a housing, a hub mounted in the housing and a photocell (PV) located on the rear wall of the housing. As a concentrator, a Fresnel lens can be used, and the body can take the form of a truncated cone, or a truncated pyramid.
Основным недостатком рассматриваемого фотоэлектрического субмодуля с концентратором является сложность изготовления и высокая стоимость конструкции.The main disadvantage of this photovoltaic submodule with a concentrator is the complexity of manufacturing and the high cost of construction.
Известен фотоэлектрический субмодуль (см. патент US 6717045, МПК H01L 31/052, опубликован 06.04.2004), состоящий 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 солнечного фотоэлемента. 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 установлен на площадке, имеющей оребрение для рассеяния тепла.A known photovoltaic submodule (see patent US 6717045, IPC H01L 31/052, published April 6, 2004), consisting of a primary concentrator having a concentration of solar radiation of 5-10 times, a secondary concentrator located below the first and increasing the degree of concentration of solar radiation in 20-50 times, and a third concentrator installed in the lower plane of the secondary concentrator and focusing the radiation on the surface of the solar cell. 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 фотоэлектрического субмодуля являются большие потери света за счет отражения от поверхностей 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 photovoltaic submodule are large light losses due to reflection from 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 солнечный фотоэлектрический субмодуль (см. заявка US 2007/0089778, МПК H02N 6/00, опубликована 26.04.2007), содержащий фронтальную панель с установленным на ее тыльной стороне пары коаксиальных осесимметричных криволинейных зеркал, фокусирующих солнечное излучение на фотоэлемент, установленный на тыльной панели.A known solar concentrator photovoltaic submodule (see application US 2007/0089778, IPC H02N 6/00, published April 26, 2007) comprising a front panel with a pair of coaxial axisymmetric curvilinear mirrors mounted on its rear side focusing solar radiation on a solar cell mounted on the back panels.
К недостатку известного субмодуля следует отнести сложность изготовления двух отражательных оптических элементов с необходимой точностью профиля.The disadvantage of the known submodule is the complexity of manufacturing two reflective optical elements with the necessary accuracy of the profile.
Известен концентраторный солнечный фотоэлектрический субмодуль (см. патент US7851693, МПК H02L 31/042, опубликован 14.12.2010), имеющий твердотельный прозрачный оптический концентратор, типа Кассегрейн, содержащий относительно большую вогнутую отражающую поверхность и расположенную против нее относительно малую выпуклую отражающую поверхность, фокусирующие и направляющие солнечное излучение на поверхность солнечного элемента, установленного на теплоотводе в центральной части вогнутой отражающей поверхности.A known solar concentrator photovoltaic submodule (see patent US7851693, IPC H02L 31/042, published 12/14/2010) having a solid-state transparent optical hub such as Cassegrain, containing a relatively large concave reflective surface and a relatively small convex reflective surface located opposite it, focusing and directing solar radiation to the surface of a solar cell mounted on a heat sink in the central part of a concave reflective surface.
Недостаток известного субмодуля заключается в сложности изготовления оптических элементов сложной конфигурации и высокой стоимости конструкции.A disadvantage of the known submodule is the complexity of manufacturing optical elements of complex configuration and the high cost of construction.
Известен фотоэлектрический субмодуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007), содержащий фронтальную панель из силикатного стекла с линзой Френеля на ее тыльной стороне, а также солнечный фотоэлемент с теплоотводящим основанием. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнено в виде лотка с плоским дном, через центральную продольную линию поверхности которой проходит оптическая ось линзы Френеля. Введена дополнительная промежуточная панель из силикатного стекла, на фронтальной или тыльной стороне которой установлена плоско-выпуклая линза, соосная с линзой Френеля. Светоприемная поверхность фотоэлемента находится в фокусном пятне двух концентраторов - линзы Френеля и плоско-выпуклой линзы. В зависимости от варианта выполнения субмодуля расстояние между промежуточной панелью и теплоотводящими основаниями, фокусное расстояние плоско-выпуклой линзы, толщина фотоэлемента, промежуточной панели и плоско-выпуклой линзы связаны соотношениями, приведенными в формуле изобретения.A known photovoltaic submodule (see patent RU 2307294, IPC H01L 31/052, published September 27, 2007) containing a silicate glass front panel with a Fresnel lens on its rear side, as well as a solar photocell with a heat sink. The heat sink bases are located on the rear panel of silicate glass or made in the form of a tray with a flat bottom, through the central longitudinal line of the surface of which passes the optical axis of the Fresnel lens. An additional intermediate panel of silicate glass has been introduced, on the front or back of which a flat-convex lens is installed, coaxial with the Fresnel lens. The light receiving surface of the photocell is located in the focal spot of two concentrators — the Fresnel lens and the plano-convex lens. Depending on the embodiment of the submodule, the distance between the intermediate panel and the heat sink bases, the focal length of the plano-convex lens, the thickness of the photocell, the intermediate panel and the plano-convex lens are related by the ratios given in the claims.
Известный фотоэлектрический субмодуль обеспечивает улучшение разориентационных характеристик устройства. Однако недостатком известного субмодуля является высокий уровень концентрации солнечного излучения на фотоэлементе, что приводит к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию и уменьшает срок службы фотоэлемента. Недостатком известного фотоэлектрического субмодуля является также трудоемкость позиционирования ФЭ и линзы в линзовой панели, а также дополнительные оптические потери при прохождении света через промежуточную линзовую панель.Known photoelectric submodule provides improved misorientation characteristics of the device. However, a disadvantage of the known submodule is the high level of concentration of solar radiation on the photocell, which leads to a decrease in the efficiency of conversion of light into electricity and reduces the life of the photocell. A disadvantage of the known photovoltaic submodule is also the complexity of positioning the PV and lenses in the lens panel, as well as additional optical losses when light passes through the intermediate lens panel.
Известен фотоэлектрический концентраторный субмодуль (см. патент RU 2352023, МПК H01L 31/052, опубликован 10.04.2009), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип.Known photoelectric concentrator submodule (see patent RU 2352023, IPC H01L 31/052, published April 10, 2009), which coincides with the claimed technical solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype.
Фотоэлектрический концентраторный субмодуль содержит фронтальную панель и тыльную панели, изготовленные из силикатного стекла, первичный и вторичный оптические концентраторы и фотоэлемент с теплоотводящим основанием. Первичный оптический концентратор выполнен в форме линзы, сформированной в виде тыльной поверхности фронтальной панели методом литья под давлением. 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 фотоэлектрического модуля.The photoelectric concentrator submodule contains a front panel and a back panel made of silicate glass, primary and secondary optical concentrators, and a solar cell with a heat sink. The primary optical hub is made in the form of a lens formed in the form of the back surface of the front panel by injection molding. 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 makes it possible to improve the disorientation characteristic of the solar photovoltaic submodule, which ensures an increase in the energy productivity of the photovoltaic module.
Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного субмодуля-прототипа являются сложность изготовления и монтажа вторичного оптического концентратора на светочувствительной поверхности фотоэлемента, а также трудоемкость позиционирования ФЭ и высокая статистическая вероятность линейного несовпадения центра ФЭ с оптическим центром линзы.The disadvantages of the known photoelectric concentrator submodule prototype are the complexity of manufacturing and installation of a secondary optical concentrator on the photosensitive surface of the photocell, as well as the complexity of positioning the PE and the high statistical probability of a linear mismatch between the center of the PE and the optical center of the lens.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является уменьшение трудоемкости изготовления фотоэлектрического субмодуля при обеспечении высокой точности монтажа фотоэлемента и сохранении хорошей разориентационной характеристики, что позволит увеличить его энергопроизводительность и надежность. Снижение расхода материалов за счет уменьшения в 2 раза толщины субмодулей также позволит уменьшить стоимость изготовления фотоэлектрического модуля.The problem solved by the claimed technical solution is to reduce the complexity of manufacturing a photovoltaic submodule while ensuring high accuracy of the installation of the photocell and maintaining a good disorientation characteristic, which will increase its energy productivity and reliability. Reducing the consumption of materials by halving the thickness of the submodules will also reduce the cost of manufacturing a photovoltaic module.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический концентраторный субмодуль включает фронтальный стеклянный лист, на тыльной стороне которого расположен первичный оптический концентратор в виде линзы квадратной формы с длиной стороны квадрата, равной W, и фокусным расстоянием F. В центральной области поверхности линзы квадратной формы и соосно с ней установлен фотоэлемент толщиной z1, выполненный в виде квадрата со стороной, равной d1, размещенный на теплоотводящем основании, выполненном в виде круга диаметром d2 или прямоугольника с длиной большей стороны d2 и толщиной z2. На фотоактивной поверхности фотоэлемента соосно с линзой квадратной формы установлен вторичный оптический концентратор высотой h1. Параллельно фронтальному стеклянному листу установлен тыльный стеклянный лист со светоотражающим зеркальным покрытием, расстояние от которого до фотоэлемента равно L. Величины F, W, d1, d2, z1, z2, h1 и L удовлетворяют соотношениям;The problem is solved in that the photoelectric concentrator submodule includes a front glass sheet, on the back of which there is a primary optical concentrator in the form of a square lens with a side length of a square equal to W and a focal length F. In the central region of the surface of the lens is square in shape and coaxially with it installed photocell thickness z 1, configured as a square with side equal to d 1 positioned on the heat-removing base, designed as a circle with a diameter d 2 or squareness Single with larger side length and a thickness d 2 z 2. A secondary optical concentrator of height h 1 is mounted coaxially with a square lens on the photoactive surface of the photocell. Parallel to the front glass sheet, a back glass sheet with a reflective mirror coating is installed, the distance from which to the photocell is L. The values of F, W, d 1 , d 2 , z 1 , z 2 , h 1 and L satisfy the relations;
где n1 - показатель преломления материала вторичного оптического концентратора.where n 1 is the refractive index of the material of the secondary optical hub.
Новым в настоящем фотоэлектрическом концентраторном субмодуле является установка в центральной области поверхности линзы квадратной формы и соосно с ней фотоэлемента толщиной z1, выполненного в виде квадрата со стороной, равной d1, размещенного на теплоотводящем основании, выполненном в виде круга диаметром d2 или прямоугольника с длиной большей стороны d2 и толщиной z2, установка параллельно фронтальному стеклянному листу тыльного стеклянного листа со светоотражающим зеркальным покрытием, расстояние от которого до фотоэлемента равно L, и нахождение соотношения величин F, W, d1, d2, z1, z2, h1 и L.New in this photovoltaic concentrator submodule is the installation in the central region of the lens surface of a square shape and coaxially with it a photocell of thickness z 1 made in the form of a square with a side equal to d 1 placed on a heat sink made in the form of a circle of diameter d 2 or a rectangle greater side length and a thickness d 2 z 2, installing parallel to the frontal glass sheet of the rear glass sheet with a reflective mirror coating, whose distance from the photocell Rav of L, and finding the relationship between the values F, W, d 1, d 2, z 1, z 2, h 1 and L.
Установка фотоэлемента в центральной области поверхности линзы квадратной формы и соосно с ней на тыльной стороне фронтального стеклянного листа увеличивает точность монтажа элементов и позволяет получить законченную сборочную единицу при изготовлении фотоэлектрических модулей. Установка параллельно фронтальному стеклянному листу тыльного стеклянного листа со светоотражающим зеркальным покрытием, расстояние от которого до фотоэлемента равно L, позволяет фокусировать солнечное излучение на фотоприемной поверхности фотоэлемента и исключает ошибку позиционирования, возникающую при установке линз первичного оптического концентратора и фотоэлементов на разных поверхностях. Кроме того, установка параллельно фронтальному стеклянному листу тыльного стеклянного листа со светоотражающим зеркальным покрытием позволяет в 2 раза уменьшить толщины субмодулей, что приводит к снижению расхода материалов и уменьшению стоимости изготовления фотоэлектрического модуля.Installing the photocell in the central region of the square-shaped lens surface and aligned with it on the back side of the front glass sheet increases the accuracy of mounting the elements and allows you to get a complete assembly unit in the manufacture of photovoltaic modules. The installation of a rear glass sheet parallel to the front glass sheet with a reflective mirror coating, the distance from which to the photocell is equal to L, allows focusing solar radiation on the photodetector surface of the photocell and eliminates the positioning error that occurs when installing primary optical concentrator lenses and photocells on different surfaces. In addition, the installation of a rear glass sheet with a reflective mirror coating parallel to the front glass sheet allows to reduce the thickness of the submodules by 2 times, which leads to a reduction in the consumption of materials and a decrease in the cost of manufacturing a photovoltaic module.
Первичный оптический концентратор может быть выполнен в виде линзы Френеля или в виде плоско-выпуклой линзы.The primary optical hub can be made in the form of a Fresnel lens or in the form of a flat-convex lens.
Теплоотводящее основание может быть выполнено в виде байпасного диода, изготовленного из кремниевой пластины с p-n переходом, полярность которого противоположна полярности p-n перехода фотоэлемента, или может быть выполнено из меди.The heat sink base can be in the form of a bypass diode made of a silicon wafer with a pn junction, the polarity of which is opposite to the polarity of the pn junction of the photocell, or can be made of copper.
Светоотражающее зеркальное покрытие может быть расположено на фронтальной стороне тыльного стеклянного листа. При этом светоотражающее зеркальное покрытие может быть выполнено в виде круга диаметром D1, соосного с линзой первичного оптического концентратора, диаметр круга D1 удовлетворяет соотношению:A reflective mirror coating may be located on the front side of the back glass sheet. When this reflective mirror coating can be made in the form of a circle with a diameter of D 1 coaxial with the lens of the primary optical hub, the diameter of the circle D 1 satisfies the ratio:
Светоотражающее зеркальное покрытие может быть также установлено на тыльной стороне тыльного стеклянного листа и покрыто защитным материалом, устойчивым к воздействию окружающей среды. В этом случае светоотражающее зеркальное покрытие может быть выполнено в виде круга диаметром D2, соосного с линзой первичного оптического концентратора, при этом диаметр круга D2 удовлетворяет соотношению:A reflective mirror coating can also be installed on the back of the back glass sheet and coated with a protective material that is resistant to environmental influences. In this case, the reflective mirror coating can be made in the form of a circle with a diameter of D 2 coaxial with the lens of the primary optical hub, while the diameter of the circle D 2 satisfies the ratio:
где n2 - показатель преломления тыльного стеклянного листа,where n 2 is the refractive index of the back glass sheet,
h2 - толщина тыльного стеклянного листа, см.h 2 - the thickness of the back glass sheet, see
Вторичный оптический концентратор может быть выполнен в виде усеченного стеклянного конуса, обращенного меньшим основанием к фотоэлементу, с диаметром меньшего основания, равным или меньшим d1, или в виде стеклянного цилиндра с диаметром основания, равным или меньшим d1, или в виде усеченной стеклянной пирамиды с квадратными основаниями, обращенной меньшим основанием к фотоэлементу, с длиной стороны меньшего основания, равной или меньшей d1, или в виде стеклянной пластины с квадратными основаниями и длиной стороны квадрата, равной или меньшей d1, или в виде короткофокусной плосковыпуклой линзы. Диаметры оснований стеклянного цилиндра или усеченного стеклянного конуса, а также длины сторон оснований усеченной стеклянной пирамиды или стеклянной пластины с квадратными основаниями обращенные к фотоэлементу, выбираются равными d1, если размер фотоактивной поверхности фотоэлемента совпадает с размероми фотоэлемента. В случае, когда фотоактивная поверхность фотоэлемента меньше размеров фотоэлемента, то соответствующие размеры оснований вторичных оптических концентраторов, обращенные к фотоэлементу, выбираются равными размеру фотоактивной поверхности фотоэлемента.The secondary optical hub can be made in the form of a truncated glass cone, facing the smaller photocell, with a diameter of a smaller base equal to or less than d 1 , or in the form of a glass cylinder with a diameter of the base equal to or less than d 1 , or in the form of a truncated glass pyramid with square bases, the smaller base facing the photocell, with a side length of a smaller base equal to or less than d 1 , or in the form of a glass plate with square bases and a side length of a square equal to or m smaller d 1 , or in the form of a short-focus plano-convex lens. The diameters of the bases of the glass cylinder or the truncated glass cone, as well as the lengths of the sides of the bases of the truncated glass pyramid or glass plate with square bases facing the photocell, are selected equal to d 1 if the size of the photoactive surface of the photocell coincides with the size of the photocell. In the case when the photoactive surface of the photocell is smaller than the size of the photocell, the corresponding sizes of the bases of the secondary optical concentrators facing the photocell are selected equal to the size of the photoactive surface of the photocell.
Выбор оптимального диапазона размеров первичного оптического концентратора в виде линзы, заданного соотношением 0,5F<W<F, определяется необходимостью получения максимальной энергетической кратности концентрирования солнечного излучения на поверхности фотоэлемента. Для этого отношение площади линзы к площади светового пятна на поверхности фотоэлемента должно быть как можно больше при сохранении высокого оптического кпд линзы. Известно, что диаметр сфокусированного линзой светового пятна строго детерминирован, определяясь угловым размером солнечного диска и фокусным расстоянием линзы, и равен 0.01F. При увеличении размеров линзы W больше F уменьшается ее оптический кпд, поскольку в этом случае периферийные области работают при больших углах преломления, что увеличивает отражение лучей от преломляющей поверхности линзы вплоть до достижения условия полного внутреннего отражения. Однако для размеров линзы W, меньших, чем 0,5F, кратность концентрирования солнечного излучения уже значительно уменьшается.The choice of the optimal size range of the primary optical concentrator in the form of a lens, given by the ratio 0.5F <W <F, is determined by the need to obtain the maximum energy multiplicity of concentration of solar radiation on the surface of the solar cell. For this, the ratio of the area of the lens to the area of the light spot on the surface of the photocell should be as large as possible while maintaining a high optical efficiency of the lens. It is known that the diameter of the light spot focused by the lens is strictly determined by the angular size of the solar disk and the focal length of the lens, and is equal to 0.01F. With an increase in the size of the lens W greater than F, its optical efficiency decreases, since in this case the peripheral regions operate at large refraction angles, which increases the reflection of the rays from the refractive surface of the lens until the condition of total internal reflection is reached. However, for lens sizes W smaller than 0.5F, the concentration ratio of solar radiation is already significantly reduced.
Размер фотоэлемента d1 выбирается таким, чтобы сфокусированное световое пятно целиком попадало на фотоактивную поверхность фотоэлемента и имело возможность перемещения при угловом рассогласовании ориентации субмодуля. Поскольку диаметр сфокусированного линзой светового пятна равен 0,01F, то минимальный размер фотоэлемента d1 должен быть не меньше этой величины. Размер фотоэлемента d1=0,03F обеспечивает попадание светового пятна на фотоактивную поверхность фотоэлемента при разориентации субмодуля ±30'. Увеличивать размер d1 больше этой величины нецелесообразно из-за высокой стоимости фотоэлементов.The size of the photocell d 1 is chosen so that the focused light spot completely falls on the photoactive surface of the photocell and has the ability to move with an angular mismatch in the orientation of the submodule. Since the diameter of the light spot focused by the lens is 0.01 F, the minimum size of the photocell d 1 must be no less than this value. The size of the photocell d 1 = 0.03F ensures that the light spot hits the photoactive surface of the photocell during misorientation of the submodule ± 30 '. Increasing the size of d 1 more than this value is impractical due to the high cost of solar cells.
Чтобы обеспечить отвод тепла от фотоэлемента, диаметр d2 круглого теплоотводящего основания либо размеры сторон d2 прямоугольного теплоотводящего основания должны быть не меньше 0,15W. Увеличение размеров теплоотводящего основания приводит к увеличению площади затенения излучения, фокусируемого первичным оптическим концентратором, и уменьшению эффективности фокусировки. Максимальное значение размеров d2 теплоотводящего основания не должно превышать 0,3W, при этом оптические потери не превышают 10%.To ensure heat dissipation from the photocell, the diameter d 2 of the round heat sink base or the dimensions of the sides d 2 of the rectangular heat sink base must be at least 0.15W. An increase in the size of the heat-removing base leads to an increase in the area of shadowing of radiation focused by the primary optical concentrator and to a decrease in the focusing efficiency. The maximum dimension value d 2 of the heat sink base must not exceed 0.3W, while the optical loss does not exceed 10%.
Расстояние L от тыльного стеклянного листа со светоотражающим зеркальным покрытием до фотоэлемента рассчитывается по формуле (4) и определяется фокусным расстоянием линзы F, уменьшенным на суммарную толщину теплоотводящего основания и фотоэлемента z1+z2 и увеличенным на величину разности хода лучей, возникающую за счет преломления света во вторичном оптическом концентраторе высотой h1.The distance L from the back glass sheet with a reflective mirror coating to the photocell is calculated by the formula (4) and is determined by the focal length of the lens F, reduced by the total thickness of the heat sink base and the photocell z 1 + z 2 and increased by the difference in the path of the rays resulting from refraction light in a secondary optical concentrator of height h 1 .
Светоотражающее зеркальное покрытие на тыльном стеклянном листе может быть нанесено как на фронтальную, так и на тыльную сторону стеклянного листа в виде сплошного слоя. Однако в целях экономии материала светоотражающее зеркальное покрытие может быть выполнено в виде круга, соосного с линзой первичного оптического концентратора. При этом минимальные значения диаметров кругов D1 и D2 ограничиваются геометрическим ходом лучей в оптической системе и могут быть рассчитаны по формулам (5) и (6). Увеличивать диаметры кругов D1 и D2 больше размера W линзы первичного оптического концентратора нецелесообразно.A reflective mirror coating on the back glass sheet can be applied both to the front and back sides of the glass sheet as a continuous layer. However, in order to save material, the reflective mirror coating can be made in the form of a circle coaxial with the lens of the primary optical hub. In this case, the minimum values of the diameters of the circles D 1 and D 2 are limited by the geometric path of the rays in the optical system and can be calculated by formulas (5) and (6). Increasing the diameters of circles D 1 and D 2 more than the size W of the lens of the primary optical hub is impractical.
Настоящий фотоэлектрический концентраторный субмодуль поясняется чертежами, где:The present photoelectric concentrator submodule is illustrated by drawings, where:
на фиг.1 показан вид сбоку в разрезе на вариант воплощения настоящего фотоэлектрического концентраторного субмодуля;figure 1 shows a side view in section in a variant embodiment of the present photovoltaic concentrator submodule;
на фиг.2 приведен вид сбоку в разрезе на другой вариант воплощения настоящего фотоэлектрического концентраторного субмодуля;figure 2 shows a side view in section in another embodiment of the present photoelectric concentrator submodule;
на фиг.3 изображен вид сбоку в разрезе на третий вариант воплощения настоящего фотоэлектрического концентраторного субмодуля;figure 3 shows a side view in section in a third embodiment of the present photoelectric concentrator submodule;
на фиг.4 показан вид сбоку в разрезе на четвертый вариант воплощения настоящего фотоэлектрического концентраторного субмодуля;figure 4 shows a side view in section in a fourth embodiment of the present photovoltaic concentrator submodule;
на фиг.5 изображен вид сбоку в разрезе на пятый вариант воплощения настоящего фотоэлектрического концентраторного субмодуля.5 is a sectional side view of a fifth embodiment of the present photovoltaic concentrator submodule.
Настоящий фотоэлектрический концентраторный субмодуль (см. фиг.1) содержит фронтальный стеклянный лист 1, на тыльной стороне которого расположен первичный оптический концентратор в виде линзы 2 квадратной формы с длиной стороны квадрата, равной W, и фокусным расстоянием F. В центральной области поверхности линзы 2 квадратной формы и соосно с ней установлен фотоэлемент 4 толщиной z1, выполненный в виде квадрата со стороной, равной d1, размещенный на теплоотводящем основании 3, выполненном в виде, например, круга диаметром d2 и толщиной z2. На фотоактивной поверхности фотоэлемента 4 соосно с линзой 2 квадратной формы установлен вторичный оптический концентратор в виде, например, усеченного стеклянного конуса 5, высотой h1, обращенного меньшим основанием к фотоэлементу, с диаметром основания, равным d1. Параллельно фронтальному стеклянному листу 1 установлен тыльный стеклянный лист 6 со светоотражающим зеркальным покрытием 7. Расстояние от светоотражающего зеркального покрытия 7 до фотоэлемента 4 равно L. Величины F, W, d1, d2, z1, z2 h1 и L удовлетворяют приведенным выше соотношениям (1)-(4).The present photoelectric concentrator submodule (see FIG. 1) contains a
Вторичный оптический концентратор может быть выполнен (см. фиг.2) в виде стеклянного цилиндра 8 с диаметром основания меньше d1, если размер фотоактивной поверхности фотоэлемента меньше размеров фотоэлемента. Вторичный оптический концентратор может быть выполнен (см. фиг.3) в виде усеченной стеклянной пирамиды 9 с квадратными основаниями, обращенной меньшим основанием к фотоэлементу, с длиной стороны меньшего основания, меньшей d1, если размер фотоактивной поверхности фотоэлемента меньше размеров фотоэлемента. Вторичный оптический концентратор может быть выполнен (см. фиг.4) в виде стеклянной пластины 10 с квадратными основаниями и длиной стороны квадрата, равной d1, если размер фотоактивной поверхности фотоэлемента совпадает с размером фотоэлемента. Вторичный оптический концентратор может быть выполнен (см. фиг.5) в виде короткофокусной плосковыпуклой линзы 11.The secondary optical hub can be made (see figure 2) in the form of a
При работе настоящего фотоэлектрического концентраторного субмодуля с фотоэлементом 4, ориентированного перпендикулярно солнечным лучам, солнечное излучение, попадающее на входную апертуру первичного оптического концентратора в виде линзы 2 квадратной формы, преломляется ею и, после отражения зеркальным покрытием 7 тыльного стеклянного листа 6, фокусируется на большем основании вторичного оптического концентратора в виде усеченного стеклянного конуса 5. После преломления на входной поверхности усеченного стеклянного конуса частичного отражения от боковой поверхности усеченного стеклянного конуса, световой пучок через меньшее основание усеченного стеклянного конуса 5 попадает на фотоактивную поверхность фотоэлемента 4. При этом разориентационная характеристика фотоэлектрического концентраторного субмодуля, определяемая соотношением размеров фотоактивной поверхности фотоэлемента 4 и диаметром фокального пятна, остается более высокой, чем в фотоэлектрических модулях без вторичного оптического концентратора; распределение концентрации солнечного излучения на фотоактивной поверхности фотоэлемента 4 более однородное, чем в фокальном пятне первичного концентратора. Более однородное распределение концентрации солнечного излучения по поверхности фотоэлемента 4 приводит к уменьшению локального перегрева фотоэлемента 4, повышению надежности его работы и увеличению эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Соосное размещение линзы 2 первичного оптического концентратора и фотоэлемента 4 на тыльной стороне фронтального стеклянного листа 1 обеспечивает высокую точность взаимного расположения элементов конструкции, а отражение света светоотражающим зеркальным покрытием 7 тыльного стеклянного листа 6 позволяет почти в 2 раза уменьшить толщину субмодуля по сравнению с величиной фокусного расстояния линзы F.When a real photoelectric concentrator submodule with a
Использование предложенного фотоэлектрического концентраторного субмодуля дает большой экономический эффект, обусловленный тем, что концентраторный субмодуль прост по конструкции, технологичен при сборке, обладает высокими фотоэлектрическими характеристиками, обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию.The use of the proposed photoelectric concentrator submodule gives a great economic effect, due to the fact that the concentrator submodule is simple in design, technologically advanced during assembly, has high photoelectric characteristics, and ensures reliable and long-term operation.
Claims (14)
0,5F<W<F, см;
0,01F<d1<0,03F, см;
0,15W<d2<0,3W, см;
где n1 - показатель преломления материала вторичного оптического концентратора.1. Photoelectric concentrator submodule, including a front glass sheet, on the back of which there is a primary optical concentrator in the form of a square lens with a side length of a square equal to W and a focal length F, a photocell is installed in the central region of the surface of the square lens and coaxially with it thickness z 1, configured as a square with side equal to d 1 positioned on the heat-removing base, designed as a circle with a diameter d 2 or greater with a rectangle side length d 2 and t lschinoy z 2, on the photoactive surface photocell coaxially with lens square shape mounted secondary optical concentrator height h 1 parallel to the frontal glass sheet is set back sheet of glass with a reflective mirror coating, whose distance from the photocell is equal to L, wherein the values of F, W, d 1 , d 2 , z 1 , z 2 , h 1 and L, expressed in cm, satisfy the relations
0.5F <W <F, cm;
0.01 F <d 1 <0.03 F, cm;
0.15W <d 2 <0.3W, cm;
where n 1 is the refractive index of the material of the secondary optical hub.
где n2 - показатель преломления тыльного стеклянного листа,
h2 - толщина тыльного стеклянного листа, см.9. The submodule of claim 8, wherein the reflective mirror coating is made in the form of a circle with a diameter of D 2 coaxial with the Fresnel lens, while the diameter of the circle D 2 satisfies the ratio
where n 2 is the refractive index of the back glass sheet,
h 2 - the thickness of the back glass sheet, see
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012116682/28A RU2496181C1 (en) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Photoelectric concentrator submodule |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012116682/28A RU2496181C1 (en) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Photoelectric concentrator submodule |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2496181C1 true RU2496181C1 (en) | 2013-10-20 |
Family
ID=49357291
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012116682/28A RU2496181C1 (en) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Photoelectric concentrator submodule |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2496181C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2763386C1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Solar photoelectric module |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6399874B1 (en) * | 2001-01-11 | 2002-06-04 | Charles Dennehy, Jr. | Solar energy module and fresnel lens for use in same |
| US20030075213A1 (en) * | 2001-10-23 | 2003-04-24 | Chen Leon L.C. | Stationary photovoltaic array module design for solar electric power generation systems |
| RU44002U1 (en) * | 2004-11-02 | 2005-02-10 | Алферов Жорес Иванович | PHOTOELECTRIC MODULE (OPTIONS) |
| RU2307294C2 (en) * | 2004-11-01 | 2007-09-27 | Жорес Иванович Алферов | Photoelectric module (modifications) |
| RU2354005C1 (en) * | 2007-04-16 | 2009-04-27 | Закрытое акционерное общество "Техноэксан" | Photoelectric module |
| US20100236601A1 (en) * | 2007-09-26 | 2010-09-23 | Chikao Okamoto | Solar cell, concentrating photovoltaic power generation module, concentrating photovoltaic power generation unit and solar cell manufacturing method |
| WO2010131164A2 (en) * | 2009-05-14 | 2010-11-18 | Aerosun Technologies Ag | Solar concentrator |
| RU2426198C1 (en) * | 2010-04-02 | 2011-08-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Solar photoelectric converter module built around nano heterostructure photo converters |
| RU2436193C1 (en) * | 2010-10-01 | 2011-12-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Photovoltaic concentrator module |
| RU2442244C1 (en) * | 2010-08-31 | 2012-02-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | The superconducting spin gate |
-
2012
- 2012-04-24 RU RU2012116682/28A patent/RU2496181C1/en active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6399874B1 (en) * | 2001-01-11 | 2002-06-04 | Charles Dennehy, Jr. | Solar energy module and fresnel lens for use in same |
| US20030075213A1 (en) * | 2001-10-23 | 2003-04-24 | Chen Leon L.C. | Stationary photovoltaic array module design for solar electric power generation systems |
| RU2307294C2 (en) * | 2004-11-01 | 2007-09-27 | Жорес Иванович Алферов | Photoelectric module (modifications) |
| RU44002U1 (en) * | 2004-11-02 | 2005-02-10 | Алферов Жорес Иванович | PHOTOELECTRIC MODULE (OPTIONS) |
| RU2354005C1 (en) * | 2007-04-16 | 2009-04-27 | Закрытое акционерное общество "Техноэксан" | Photoelectric module |
| US20100236601A1 (en) * | 2007-09-26 | 2010-09-23 | Chikao Okamoto | Solar cell, concentrating photovoltaic power generation module, concentrating photovoltaic power generation unit and solar cell manufacturing method |
| WO2010131164A2 (en) * | 2009-05-14 | 2010-11-18 | Aerosun Technologies Ag | Solar concentrator |
| RU2426198C1 (en) * | 2010-04-02 | 2011-08-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Solar photoelectric converter module built around nano heterostructure photo converters |
| RU2442244C1 (en) * | 2010-08-31 | 2012-02-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | The superconducting spin gate |
| RU2436193C1 (en) * | 2010-10-01 | 2011-12-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Photovoltaic concentrator module |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2763386C1 (en) * | 2021-05-31 | 2021-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Solar photoelectric module |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8000018B2 (en) | Köhler concentrator | |
| US10020413B2 (en) | Fabrication of a local concentrator system | |
| US9086227B2 (en) | Method and system for light collection and light energy converting apparatus | |
| RU2611693C1 (en) | Solar concentrator module | |
| CN102280511B (en) | Dense array concentrating solar energy photovoltaic device | |
| US20130104984A1 (en) | Monolithic photovoltaic solar concentrator | |
| CN102148589A (en) | High-power solar energy concentrated photovoltaic system based on Cassegrain structure | |
| US20140326293A1 (en) | Methods and apparatus for solar energy concentration and conversion | |
| KR100933213B1 (en) | Condensing Lens for Solar Power Generation | |
| RU2436192C1 (en) | Photovoltaic module with nanostructure photocell | |
| US20140048117A1 (en) | Solar energy systems using external reflectors | |
| CN202586818U (en) | Photovoltaic power generation device in light-gathering cavity | |
| US20250055414A1 (en) | Semi-transparent bifacial photovoltaic module with rear irradiance concentrators | |
| Yamada et al. | Development of silicone-encapsulated CPV module based on LED package technology | |
| CN101860271B (en) | Line-focusing solar photo-electric conversion device with high multiplying power | |
| RU2496181C1 (en) | Photoelectric concentrator submodule | |
| RU2352023C1 (en) | Solar photoelectric module | |
| KR101499973B1 (en) | Photovoltaic devices and concentrators | |
| RU2370856C2 (en) | Concentrator photoelectric module | |
| KR20130085132A (en) | Fresnel lens - light pipe combined lens system for solar power generation | |
| RU2436193C1 (en) | Photovoltaic concentrator module | |
| RU2641627C1 (en) | Solar photovoltaic concentrator module | |
| RU2740738C1 (en) | Powerful concentrator photoelectric module | |
| WO2014116498A1 (en) | Solar waveguide concentrator | |
| CN201852991U (en) | Quadruple parabolic cylinder optical collector |