DK170125B1 - Solcellemodul - Google Patents

Description

i DK 170125 B1

Opfindelsen angår et solcellemodul omfattende et hus med mindst én indgangsåbning med tilhørende ^concentrator, hvor lysenergi, der udbredes langs koncentratorens optiske hovedakse passerer gennem indgangsåbningen og koncen-5 treres på et fotoaktivt område.

Inden for de seneste år er der forsket meget inden for solceller, og dette har bl.a. medført en øget interesse for solcellemoduler af den ovennævnte art. Disse moduler 10 besidder en væsentlig fordel, idet modulets aktive areal bestemmes af koncentratorens areal, og en sådan koncen-trator kan f.eks. være en linse eller et spejl. Koncen-tratoren vil hensigtsmæssigt være en Fresnel-linse, da disse kan fremstilles af et plastmateriale, hvorfor for-15 arbejdningsomkostningerne bliver minimale. Samtidig besidder Fresnel-linser en væsentlig fordel, da linsetykkelsen er reduceret, hvorfor koncentratoren i dette tilfælde bliver meget let. Når koncentratorens optiske hovedakse rettes på solen, vil denne blive afbildet i kon-20 centratorens fokalpunkt. Omkring fokalpunktet vil der være koncentreret lysenergi med et meget højt intensitetsniveau, hvorfor solcellen, der skal omsætte denne lysenergi til elektrisk energi skal være af meget høj kvalitet, f.eks. fremstillet af monokrystallinsk silicium 25 eller galiumarsenid. For at udnytte denne solcelles areal bedst mulig, vil der sædvanligvis være anbragt et andet optisk element foran solcellen, hvor dette optiske element er udformet, så lysenergien fordeles jævnt over hele solcellens aktive områder. Et antal solcellemoduler af 30 den art samles derpå til dannelse af et solcellepanel med matrixform. Idet solcellerne, som følge af koncentratorens afbildende egenskaber, kun vil modtage lysenergi, der udbredes langs koncentratorens optiske hovedakse, må panelet monteres på en indretning, så at panelet kan 35 følge solens vandring over himlen. Denne teknik er kendt og f.eks. beskrevet i "Conference Record of The Twentieth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1988, Volume DK 170125 B1 2 II", side 1138-1143 af Don Carroll.

Solcellepaneler af den art fungerer tilfredsstillende, * når koncentratorens optiske hovedakse er rettet mod so-5 len. I overskyet vejr, vil panelets synsfelt ikke inde- , holde en kraftig lyskilde i form af solen, idet det indfaldne lys vil være i form af diffust lys fra alle retninger. Koncentratorens fordele ved at koncentrere lys fra et areal svarende til f.eks. 500 gange solcellens 10 areal er dermed væk. Et solcellepanel af den art, vil derfor kun være anvendeligt i egne, hvor man med en vis statistisk sandsynlighed er sikker på et rimeligt antal solskinstimer dagligt og dermed sikker på, at solindstrålingen hovedsageligt udgøres af direkte indstråling. Et 15 sådan solcellepanel vil derfor ikke være attraktivt at anvende i en stor del af verden, da den må betragtes som værende upålidelig i afhængighed af lysforholdene.

Opfindelsen har til formål at forbedre solcellepaneler af 20 den ovenfor omtalte art, så de også giver et rimeligt elektrisk udbytte, selv om de ikke belyses direkte af solen.

Dette formål opnås ved, at hvert enkelt solcellemodul 25 desuden forsynes med et sekundært fotoaktivt område, der er anbragt i huset, så det bliver belyst med lysenergi, der udbredes i en fra koncentratorens optiske hovedakse afvigende retning.

30 Det primære fotoaktive område findes hensigtsmæssigt på husets bagvæg på koncentratorens optiske hovedakse, mens de sekundære fotoaktive områder så hensigtsmæssigt kan være udformet i det mindste på en del af husets øvrige * indervægge. Herved vil lys, der passerer koncentratoren i 35 en fra dennes hovedakse afvigende retning kunne opsamles og konverteres til elektrisk energi af solceller, der findes på husets vægge. De dele af husets vægge, der ikke DK 170125 B1 3 er beklædt med solceller kan så være forsynet med reflekterende lag, hvorved lysenergien tilbagekastes indtil det opsamles med en solcelle. Hvis solcellemodulet indgår i et solcellepanel sammen med flere andre moduler, kan de 5 mod de andre moduler vendende sidevægge være transparente, således lyset frit kan bevæge sig fra et solcellemodul til et andet, hvorved arealet af solceller i de sekundære fotoaktive områder kan reduceres.

10 Koncentratoren kan hensigtsmæssigt være anbragt i husets indgangsåbning og være en Fresnel-linse. Andre afbildende komponenter kan anvendes som koncentrator, herunder almindelige linser, holografiske linser og hulspejle. 'Det primære fotoaktive område vil fortrinvis omfatte en sol-15 celle af høj kvalitet, f.eks. fremstillet af monokrystallinsk silicium eller galiumarsenid. For at øge denne solcelles virkningsgrad, kan den forbindes til et køleelement, f.eks. et Peltier-element. Det sekundære fotoaktive område, vil ikke blive belyst med lys af samme høje in-20 tensitetstæthed, som det primære fotoaktive område, hvorfor de her anvendte solceller kan være fremstillet af billigere materialer, f.eks. polykrystallinsk eller amorft silicium.

25 Huset kan hensigtsmæssigt være udformet, så dets vægge modsvarer koncentratorens afbildning af solen på det primære fotoaktive område. Huset vil således have et tværsnit, der aftager langs koncentratorens optiske hovedakse imod husets bagvæg. Huset vil således være kegle- eller 30 pyramidestubformet med koncentratoren anbragt i husets store grundflade og det primære fotoaktive område i den lille grundflade.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i for-35 bindelse med foretrukne udførelsesformer og under henvisning til tegningen, hvor: DK 170125 B1 4 fig. 1 skematisk viser en udførelsesform for et solcellemodul ifølge opfindelsen, fig. 2 skematisk viser en anden udførelsesform for et 5 solcellemodul ifølge opfindelsen, fig. 3 viser et solcellepanel med et antal solcellemoduler ifølge opfindelsen, 10 fig. 4 viser en foretrukken udførelsesform for en primær solcelle til anvendelse i de i fig. 1 og 2 viste solcellemoduler, og fig. 5 viser et elektrisk ækvivalentdiagram for en fore-15 trukken udførelsesform for et solcellemodul ifølge opfindelsen.

På fig. 1 ses en foretrukken udførelsesform for et solcellemodul ifølge opfindelsen, hvor solcellemodulet har 20 et hus 10. Huset 10’s vægge kan f.eks. være fremstillet af plast. Huset 10 har i sin ene ende en åbning 15, hvori en koncentrator 12 er anbragt. Koncentratoren 12 er her et optisk afbildende element, der fokuserer indfaldende lys på en primær solcelle 20. Koncentratoren 12 har en 25 optisk hovedakse 45, hvor et strålebundt 40, der udbreder sig parallelt med denne optiske hovedakse 45 passerer koncentratoren 12 og afbildes på den primære solcelle 20.

Arealet af koncentratoren 12 er dermed afgørende for strålebundtet 40's størrelse og dermed mængden af lys, 30 der føres ind i huset 10. Det er kendt at bevæge et sådant solcellemodul, så koncentratoren 12's optiske hovedakse 45 bringes til at sigte på solen. Derved koncentreres den solstråling, der rammer koncentratoren * 12 parallelt med den optiske hovedakse 45, på solcellen 35 20. En del af solcellens øvrige indervægge er her beklædt med et sekundært fotoaktivt område 30, der består af tæt anbragte solceller 32, der er vist cirkulære. Den reste- DK 170125 B1 5 rende del af huset 10's vægge kan så hensigtsmæssigt være beklædt med et reflekterende materiale 35, der eventuelt også kan være påført væggene bagved de anbragte cirkulære solceller 32. Herved vil solcellemodulet kunne opsamle 5 energi fra diffust lys, der passerer koncentratoren i en fra dennes optiske hovedakse afvigende retning. Dette diffuse lys kan skyldes, at sollyset brydes i atmosfæren inden det når solcellemodulet. Denne brydning sker sædvanligvis i vanddamp, såsom ved passage gennem skylag, 10 samt i tåget vejr. Det diffuse lys kan også omfatte lys, der tilbagespredes fra jordoverfladen.

Denne konfiguration sikrer en højere virkningsgrad for solcellemodulet, hvor der med virkningsgrad her menes 15 forholdet mellem den elektriske effekt solcellemodulet kan generere og effekten af den lysenergi, der passerer koncentratoren 12. Det primære fotoaktive område 20 består her af en højeffektiv solcelle af monokrystallinsk silicium eller galiumarsenid. En sådan solcelle er rela-20 tiv kostbar, men er her nødvendig, da der er tale om en relativ stor lyseffekt, hvilket giver en relativ høj driftstemperatur. Denne driftstemperatur kan reduceres væsentligt ved køling af solcellen 20, hvilket f.eks. kan ske ved anvendelse af et Peltier-element, der, som det er 25 vist på fig. 4, kan indbygges som en integreret del i solcellen. Herved er det muligt at sænke driftstemperaturen af solcellen til en temperatur, hvor virkningsgraden af den primære solcelle er relativ høj.

30 D©t sekundære fotoaktive område 30 er ved denne udførelsesform opbygget af et antal cirkulære solceller 32, hvoraf nogle er vist. Disse solceller 32 kan hensigtsmæssigt være forbundet i serie, og disse forbindelser er udeladt af hensyn til overskueligheden, og må betragtes 35 som værende kendt teknik, da disse forbindelser kendes fra almindelige solcellepaneler. Hvis det sekundære fotoaktive område indeholder et stort antal enkelte solcel- DK 170125 Bl 6 ler, kan disse samles til parallelforbundne kæder af serieforbundne solceller. Hver af disse kæder forbindes så til en elektrisk regulator, der vil blive omtalt i * forbindelse med fig. 5. Idet de enkelte solceller for-5 bindes i serie, er det hensigtsmæssigt, om de enkelte , solceller omfatter en parallelforbundet bypass-diode, der er integreret i selve solcellen. Ved defekt vil solcellen således ikke afbryde serieforbindelsen, men i stedet fungere som en diode. Solcellerne 32 belyses af lys med en 10 lav intensitet i forhold til det lys, der belyser den primære solcelle 20. Det er derfor ikke nødvendigt, at solcellerne 32 er af samme høje kvalitet, som solcellen 20, men kan fremstilles af væsentligt billigere materiale. Solcellerne 32, kan f.eks. fremstilles af amorft 15 silicium eller polykrystallinsk silicium.

Fig. 2 viser en alternativ udførelsesform for et solcellemodul ifølge opfindelsen. Huset 10a er her tilvirket med form som en pyramidestub eller en keglestub, hvorved 20 det er tilpasset formen af koncentratoren 12's afbildning af det plane strålebundt 40. Koncentratoren 12 er i dette tilfælde en Fresnel-linse, der er hensigtsmæssig at anvende af hensyn til vægt, når solcellemodulet skal anbringes på en indretning og bringes til at følge solens 25 bevægelser. Selve huset er her konusformet, hvor den primære solcelle 20 er anbragt i husets toppunkt. En del af huset 10a's inderside er forsynet med et sekundært fotoaktivt område 32a, der som i det forrige tilfælde kan bestå af cirkulære solceller eller bestå af en sammenhæn-30 gende solcelle, der f.eks. er fremstillet ved sputtering.

Også her er en del af huset 10a's indervæg forsynet med reflekterende materiale 35a. En lysstråle 41, der udbreder sig i en fra koncentratoren 12a1s optiske hovedakse afvigende retning, brydes i koncentratoren 12a og fort-35 sætter ind i huset 10a. Strålen 41 fortsætter ind i huset 10a og rammer indervæggen og reflekteres mod det sekundære fotoaktive område 32a i et punkt på den reflekterende DK 170125 B1 7 flade 35a.

Fig. 3 viser, hvorledes det i fig. 1 viste solcellemodul kan anvendes til opbygning af et solcellepanel. Ved det 5 viste eksempel omfatter panelet en bagplade 80, med et kontaktområde 90 for hvert solcellemodul. Hvert af disse solcellemoduler omfatter et hus med en åbning, hvori er anbragt en koncentrator 12 i form af en Fresnel-linse, hvor koncentratoren 12 afbilder indfaldende lys på et 10 primært fotoaktivt område 20. Solcellepanelet er opbygget af tæt ved siden af hinanden anbragte solcellemoduler, hvor disse modulers nabosider 38 hensigtsmæssigt kan være transparente, hvorved lyset frit tillades at bevæge sig fra et modul til et andet. Panelets ydervægge 14 vil der-15 imod hensigtsmæssigt være uigennemskinnelige. Ydervæggene 14 vil på indersiden hensigtsmæssigt være helt eller delvist beklædt med et sekundært fotoaktivt område, hvilket også vil være tilfældet for bunden 15. Bagvæggen af hvert solcellemodul kan hensigtsmæssigt være forsynet med kom-20 plementære kontaktorganer, der sikrer såvel mekanisk som elektrisk kontakt til kontaktområderne 90 på solcellepanelets grundplade 80. Det sekundære solcelleområde kan være udformet som vist i fig. 1. Af hensyn til overskueligheden er to af solcellemodulerne fjernet fra solcelle-25 panelet.

Det er muligt at udforme solcellemodulet med transparente ydervæggen 14, hvorved lys også tillades at passere den vej. Indersiden af de transparente vægge 14 kan så beklæ-30 des med bifasiale solceller, hvorved det er muligt yderligere at forøge effekten fra et sådant solcellemodul.

Fig. 4 viser skematisk et tværsnit af en solcelle 20. Denne solcelle er opbygget med en monokrystallinsk sili-35 ciumkrystal 210, på hvis overside det indfaldne lys fokuseres af den i fig. 1 viste koncentrator 12. Til kontaktområderne på solcellen 210's forside er påloddet et DK 170125 B1 8 kobberhus 220, der samtidigt fungerer som elektrisk og termisk leder. Kobberhuset 220 har elektrisk kontakt til et kontaktben 270. Bagsiden af solcellen 210 er loddet på i en kobbervarmebro 230. Også denne kobbervarmebro fungerer 5 som termisk og elektrisk leder. Kobbervarmebroen 230 har elektrisk kontakt til et elektrisk kontaktpunkt 260. Bagsiden af kobbervarmebroen 230 er loddet på den keramiske forside af et Peltier-element 240. Den keramiske bagside af Peltier-elementet 240 er bragt i termisk kontakt med 10 køleelement 250 med kølefinner. Køleelementet 250 er desuden i kontakt med kobbervarmebroen 230.

Peltier-elementet 240 har to +/- ledninger 245. Det primære fotoaktive område 20 har således fire udgangstermi-15 naler - to fra Peltier-elementet og to fra selve solcellen. Som det ses af ækvivalentdiagrammet på fig. 5, kan disse føres til en elektrisk spændingsregulator, der også har forbindelse til rækken af solceller i det sekundære fotoaktive område. Den primære celle og de sekundære cel-20 ler vil afgive en spænding i afhængighed af styrken af det indfaldne lys. Peltier-elementet vil i sig selv, når det udsættes for en vis temperaturforskel mellem for- og bagside generere en strøm, alt imens det fungerer som et køleelement. Hvis der er behov for yderligere afkøling af 25 den primære solcelle, kan Peltier-elementet påtrykkes en spænding, hvorved dets kølende egenskaber forbedres. Den elektriske regulator kan være udformet med midler til at styre spændingen over Peltier-elementet, så at dette, med høj indfaldende lysintensitet spændingsforsynes, hvorved 30 det virker som et aktivt køleelement, eller ved lav indfaldende lysintensitet fungerer passivt og genererer en strøm derved.

Koncentrationsfaktoren, forholdet mellem koncentrator-35 arealet og arealet af den primære solcelle, er typisk mellem 20 og 500. Med den foreliggende opfindelse er det hensigtsmæssigt, at faktoren er så stor som mulig.

9 DK 170125 B1

Det har ved forsøg vist sig muligt at konvertere over 25 % af den lysenergi der passerer koncentratoren til elektrisk energi.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (9)

1. Solcellemodul omfattende et hus (10) med mindst én 5 indgangsåbning (15) med tilhørende koncentrator (12), hvor lysenergi, der udbredes langs koncentratoren (12)'s optiske hovedakse (45) passerer gennem indgangsåbningen (15) og koncentreres på et primært fotoaktivt område (20), kendetegnet ved, at der desuden findes 10 et sekundært fotoaktivt område (30), der er anbragt i huset (10), så det belyses med lysenergi, der udbredes i en fra koncentratorens optiske hovedakse (45) afvigende retning.

2. Solcellemodul ifølge krav 1, kendetegnet ved, at koncentratoren (12) er anbragt i huset (10)’s indgangsåbning (15).

3. Solcellemodul ifølge krav 1 eller 2, kendete g-20 net ved, at koncentratoren (12) er en Fresnel-linse (12a).

4. Solcellemodul ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at det primære fotoaktive område (20) findes på 25 husets bagvæg på koncentratorens optiske hovedakse (45), og at de sekundære fotoaktive områder (30) er udformet på i det mindste en del af husets øvrige indervægge.

5. Solcellemodul ifølge krav 1-4, kendetegnet 30 ved, at i det mindste en del (38) af husets vægge er transparente. 1 Solcellemodul ifølge krav 1-4, kendetegnet f ved, at i det mindste en del (35) af husets vægge er re- 35 flekterende. 11 DK 170125 B1

7. Solcellemodul ifølge krav 1-6, kendetegnet ved, at det primære fotoaktive område (20) omfatter en af monokrystallinsk silicium eller galiumarsenid fremstillet solcelle. 5

8. Solcellemodul ifølge krav 7, kendetegnet ved, at solcellen (20) i det primære fotoaktive område er monteret på et termoelement, fx. et Peltier-element.

9. Solcellemodul ifølge krav 1-8, kendetegnet ved, at huset har et på tværs af koncentratorens optiske hovedakse mod husets bagvæg aftagende tværsnit.

10. Solcellemodul ifølge krav 9, kendetegnet 15 ved, at huset er kegle- eller pyramidestubformet. 20 25 30 35