RU2617041C1 - Solar pv module with stationary concentrator (versions) - Google Patents
Solar pv module with stationary concentrator (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2617041C1 RU2617041C1 RU2015155742A RU2015155742A RU2617041C1 RU 2617041 C1 RU2617041 C1 RU 2617041C1 RU 2015155742 A RU2015155742 A RU 2015155742A RU 2015155742 A RU2015155742 A RU 2015155742A RU 2617041 C1 RU2617041 C1 RU 2617041C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- concentrator
- photosensitivity
- translucent
- sided
- photovoltaic module
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 59
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 claims abstract description 19
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 claims abstract description 19
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 7
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims description 4
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 18
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 5-phenyl-2h-tetrazole Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=NNN=N1 MARUHZGHZWCEQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
- H02S40/20—Optical components
- H02S40/22—Light-reflecting or light-concentrating means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области солнечной фотоэнергетики, в частности к устройствам для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с использованием концентраторов солнечного излучения, и может быть использовано в солнечных энергоустановках для работы в условиях как высокой, так и низкой освещенности.The invention relates to the field of solar photovoltaics, in particular to devices for direct conversion of solar energy into electrical energy using solar radiation concentrators, and can be used in solar power plants to operate in both high and low light conditions.
Уровень техникиState of the art
В последнее десятилетие в мире сформировалась огромная быстро развивающаяся индустрия производства солнечных панелей с ежегодным приростом около 40%. Суммарная мощность установленных к 2014 году в мире солнечных батарей составила 177 ГВт мощности, а годовой оборот средств, связанных с исследованием, производством и разработкой инфраструктуры солнечных элементов (СЭ) и панелей, составил около 100 млрд. долларов США. Развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования устройств для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Одной из основных характеристик фотопреобразователей (ФП) является эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (КПД). Другим определяющим фактором конкурентоспособности ФП является экономический параметр - стоимость ватта производимой ФП электрической мощности, которая сейчас составляет около 1 доллара США за ватт. Для уменьшения удельной стоимости электроэнергии, получаемой от ФП, в последние десятилетия в мире был разработан ряд альтернативных технологий, основанных на использовании тонкопленочных СЭ, включая СЭ на основе аморфного или микрокристаллического кремния, теллурида кадмия, халькоперитов, органических СЭ и СЭ 3-го поколения - на основе мезоскопических слоев сенсибилизированных нанокристаллических металло-оксидов (МО). Стоимость производства электроэнергии при помощи перечисленных тонкопленочных СЭ в настоящее время находится в диапазоне 0,4-0,8 доллара США за ватт.In the last decade, a huge rapidly growing industry for the production of solar panels has formed in the world with an annual increase of about 40%. The total capacity of solar panels installed in the world by 2014 amounted to 177 GW of capacity, and the annual turnover of funds associated with the research, production and development of the infrastructure of solar cells (solar cells) and panels amounted to about 100 billion US dollars. The development of solar energy requires continuous improvement of devices for the photovoltaic conversion of solar energy. One of the main characteristics of photoconverters (FP) is the efficiency of converting solar energy into electrical energy (Efficiency). Another determining factor in the competitiveness of the FP is the economic parameter - the cost of a watt of the produced FP of electric power, which now amounts to about 1 US dollar per watt. In recent decades, a number of alternative technologies based on the use of thin-film solar cells, including solar cells based on amorphous or microcrystalline silicon, cadmium telluride, chalcoperites, organic solar cells and third-generation solar cells, based on mesoscopic layers of sensitized nanocrystalline metal oxides (MOs). The cost of electricity production using the above-mentioned thin-film solar cells is currently in the range of 0.4-0.8 US dollars per watt.
Другое направление уменьшения удельной стоимости вырабатываемой электроэнергии базируется на использовании концентраторов солнечного излучения, что позволяет с минимальными затратами значительно повысить эффективность использования ФП и пропорционально снизить стоимость вырабатываемой СЭ электроэнергии.Another way to reduce the specific cost of generated electricity is based on the use of solar radiation concentrators, which allows significantly increasing the efficiency of FP utilization with minimal costs and proportionally reducing the cost of generated electric power.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором, включающий датчик слежения за положением Солнца и приемник излучения, расположенный в фокальной области концентратора и снабженный охлаждающим устройством. Параболоцилиндрический концентратор выполнен стеклянным, на его внутреннюю поверхность нанесено селективное покрытие. В центральной части стеклянного концентратора соосно его оптической оси размещен датчик слежения, расположенный внутри охлаждающего устройства с призматическими законцовками. Внутренняя часть охлаждающего устройства выполнена в виде радиаторных ребер. Приемник закреплен на внешней стороне призматических законцовок. Основания стеклянного концентратора, датчика слежения и охлаждающего устройства закреплены на радиаторе с цилиндрическими отверстиями (RU 2466490, H02N 6/00, F24J 2/14, 10.11.2012).Known solar photovoltaic module with a parabolic-cylindrical concentrator, including a sensor for tracking the position of the Sun and a radiation receiver located in the focal region of the concentrator and equipped with a cooling device. The parabolic cylindrical hub is made of glass, and a selective coating is applied to its inner surface. In the central part of the glass concentrator, coaxially with its optical axis, there is a tracking sensor located inside the cooling device with prismatic tips. The inner part of the cooling device is made in the form of radiator fins. The receiver is mounted on the outside of the prismatic tips. The bases of the glass concentrator, the tracking sensor and the cooling device are mounted on a radiator with cylindrical holes (RU 2466490, H02N 6/00, F24J 2/14, 10.11.2012).
Недостатком данного фотоэлектрического модуля является необходимость использования датчика слежения за положением Солнца и создание эффективной системы охлаждения приемника, что существенно усложняет конструкцию и эксплуатацию модуля и подразумевает эффективную работу модуля только в условиях высокой солнечной освещенности.The disadvantage of this photoelectric module is the need to use a sensor for tracking the position of the Sun and the creation of an effective receiver cooling system, which significantly complicates the design and operation of the module and implies the effective operation of the module only in high sunlight conditions.
Особым вниманием пользуются солнечные фотоэлектрические модули со стационарными концентраторами, которые не требуют использования дорогостоящей системы слежения за положением солнечного модуля относительно положения Солнца.Particular attention is paid to solar photovoltaic modules with stationary concentrators, which do not require the use of an expensive tracking system for the position of the solar module relative to the position of the sun.
Известен солнечный фотоэлектрический модуль, включающий стационарный параболоцилиндрический концентратор. В качестве фотоприемника использованы несколько соединенных последовательно СЭ. Коэффициент концентрации солнечного излучения составляет величину 3,45 (Тверьянович Э.В. и др. Концентрирующий фотоэлектрический модуль для комбинированного энергоснабжения. Возобновляемая энергия, 2004 г., март, с. 10-11).Known solar photovoltaic module, including a stationary parabolic cylinder concentrator. As a photodetector, several solar cells connected in series were used. The concentration coefficient of solar radiation is 3.45 (Tveryanovich E.V. et al. Concentrating photovoltaic module for combined power supply. Renewable energy, 2004, March, pp. 10-11).
Главным недостатком данного фотоэлектрического модуля со стационарным концентратором является его низкая эффективность. Основными причинами недостаточно эффективной работы устройства являются, во-первых, невысокий коэффициент концентрации и, во-вторых, использование в качестве СЭ ФП непрозрачного типа, что приводит к потере до 30% мощности прямого солнечного излучения, падающего на всю площадь солнечного фотоэлектрического модуля. В результате снижается удельная мощность ФП и увеличивается стоимость вырабатываемой модулем электроэнергии.The main disadvantage of this photovoltaic module with a stationary hub is its low efficiency. The main reasons for the insufficiently efficient operation of the device are, firstly, a low concentration coefficient and, secondly, the use of an opaque type of solar cell as an SC, which leads to the loss of up to 30% of the direct solar radiation power incident on the entire area of the solar PV module. As a result, the specific power of the FP decreases and the cost of the electricity generated by the module increases.
Для увеличения производства электроэнергии в солнечных фотоэлектрических модулях со стационарным концентратором, использующих непрозрачные ФП, можно применять ФП с двусторонней чувствительностью, которые собираются из двух идентичных фотоэлектрических приемников излучения, ориентированных в противоположных направлениях, что позволяет полнее использовать падающий на солнечный модуль световой поток.To increase the production of electricity in solar photovoltaic modules with a stationary concentrator using opaque phase converters, it is possible to use two-way sensitivity phase converters, which are assembled from two identical photoelectric radiation detectors oriented in opposite directions, which makes it possible to more fully use the light flux incident on the solar module.
Например, известен фотоэлектрический модуль со стационарным концентратором, имеющим боковые отражающие круглоцилиндрические стенки, расположенные по обе стороны от плоскости симметрии модуля, проходящей через центр двустороннего приемника излучения, и вторичные круглоцилиндрические отражатели (RU 2311701, H01L 31/042, F24J 2/14, 27.11.2007). Основным недостатком данного фотоэлектрического модуля является неравномерность распределения освещенности приемника излучения, что приводит к снижению эффективности работы модуля. Кроме того, высокая концентрация солнечного излучения на отдельных участках поверхности приемника может привести к локальному перегреву и повреждению фотоэлектрического приемника.For example, a photovoltaic module with a stationary concentrator having side reflective circular cylindrical walls located on both sides of the plane of symmetry of the module passing through the center of the two-sided radiation receiver and secondary circular cylindrical reflectors (RU 2311701, H01L 31/042, F24J 2/14, 27.11) are known. .2007). The main disadvantage of this photovoltaic module is the uneven distribution of illumination of the radiation receiver, which leads to a decrease in the efficiency of the module. In addition, a high concentration of solar radiation in certain areas of the receiver surface can lead to local overheating and damage to the photoelectric receiver.
Наиболее близким к заявляемому солнечному фотоэлектрическому модулю со стационарным концентратором (вариантам) является солнечный фотоэлектрический модуль, включающий стационарный концентратор и приемник солнечного излучения, расположенный в поперечной плоскости сечения концентратора в фокальной области (патент США: US 4115149 А, МПК H01L 31/052, F24J 2/08, F24J 2/10, опубл. 19.09.1978 - прототип). Солнечное излучение в модуле-прототипе приходит на воспринимающую плоскость, являющуюся поперечным сечением концентратора. В этой плоскости установлен приемник излучения, фоточувствительная сторона которого выполнена из полупроводникового ФП и обращена в сторону концентратора, то есть противоположно направлению падающего на фотоэлектрический модуль солнечного излучения. Приемник излучения занимает существенную часть воспринимающей солнечное излучение плоскости, поэтому часть светового потока, которая падает на верхнюю сторону приемника излучения, в данном типе фотоэлектрического модуля не утилизируется. Оставшаяся часть светового потока проходит на концентратор, отражается и попадает на тыльную фоточувствительную сторону приемника излучения.Closest to the claimed solar photovoltaic module with a stationary concentrator (options) is a solar photovoltaic module comprising a stationary concentrator and a solar radiation receiver located in the transverse plane of the cross section of the concentrator in the focal region (US patent: US 4115149 A, IPC H01L 31/052, F24J 2/08, F24J 2/10, publ. 09/19/1978 - prototype). Solar radiation in the prototype module comes on the perceiving plane, which is the cross section of the concentrator. A radiation receiver is installed in this plane, the photosensitive side of which is made of a semiconductor phase converter and faces the hub, that is, it is opposite to the direction of the solar radiation incident on the photoelectric module. The radiation receiver occupies a significant part of the plane that receives solar radiation, therefore, the part of the light flux that falls on the upper side of the radiation receiver is not disposed of in this type of photoelectric module. The remaining part of the light flux passes to the concentrator, is reflected and falls on the back photosensitive side of the radiation receiver.
Главным недостатком фотоэлектрического модуля-прототипа является потеря той части потока солнечного излучения, которая падает на верхнюю нерабочую сторону непрозрачного ФП, что приводит к снижению удельной мощности солнечной установки и увеличению стоимости вырабатываемой электроэнергии. Используемый в модуле-прототипе непрозрачный приемник излучения затеняет часть воспринимающей солнечное излучение плоскости, в результате чего на отражатели концентратора попадает уменьшенная часть падающего светового потока.The main disadvantage of the photovoltaic module of the prototype is the loss of that part of the solar radiation flux that falls on the upper non-working side of the opaque phase transition, which leads to a decrease in the specific power of the solar installation and an increase in the cost of generated electricity. The opaque radiation receiver used in the prototype module obscures a part of the plane that receives solar radiation, as a result of which a reduced part of the incident light flux enters the reflectors of the concentrator.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного фотоэлектрического модуля со стационарным концентратором (вариантов), который обеспечит увеличение удельной мощности модуля и снижение стоимости вырабатываемой электроэнергии даже при низких значениях коэффициента концентрации солнечного излучения.The objective of the invention is the creation of a solar photovoltaic module with a stationary concentrator (options), which will increase the specific power of the module and reduce the cost of generated electricity even at low values of the concentration coefficient of solar radiation.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:The solution to this problem is achieved by the proposed:
- солнечным фотоэлектрическим модулем со стационарным концентратором, содержащим отражатели в качестве концентрирующих элементов, включающим фотоприемник излучения, расположенный в фокальной области концентратора, в котором концентратор содержит две симметричные ветви параболоцилиндрического отражателя, разделенные плоским прямоугольным отражателем, а фотоприемник излучения является полупрозрачным, обладает двусторонней фоточувствительностью для падающего на него солнечного света и выполнен плоским прямоугольным, при этом его площадь равна или превышает площадь плоского отражателя.- a solar photovoltaic module with a stationary concentrator containing reflectors as concentrating elements, including a radiation photodetector located in the focal region of the concentrator, in which the concentrator contains two symmetric branches of a para-cylindrical reflector separated by a flat rectangular reflector, and the radiation photodetector is translucent, has two-sided photosensitivity for sunlight falling on it and made flat rectangular, while it the area is equal to or greater than the area of the flat reflector.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного нанокристаллического металло-оксида, выбранного из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.A semitransparent photodetector with two-sided photosensitivity can be a photodetector based on mesoscopic layers of sensitized nanocrystalline metal oxide selected from the group: titanium dioxide, zinc oxide, nickel oxide, iron oxide, or mixtures thereof.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе аморфного кремния.A translucent photodetector with two-sided photosensitivity can be an amorphous silicon-based photoconverter.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе органического материала.A translucent photodetector with two-sided photosensitivity can be an organic material-based photodetector.
- солнечным фотоэлектрическим модулем со стационарным концентратором, содержащим отражатели в качестве концентрирующих элементов, включающим фотоприемник излучения, расположенный в фокальной области концентратора, в котором концентратор, выполнен в виде параболической полусферы с плоским круглым дном в качестве отражателей, а фотоприемник излучения является полупрозрачным для падающего на него солнечного света, обладает двусторонней фоточувствительностью и выполнен плоским круглым, при этом его площадь равна или превышает площадь плоского отражателя.- a solar photovoltaic module with a stationary concentrator containing reflectors as concentrating elements, including a radiation photodetector located in the focal region of the concentrator, in which the concentrator is made in the form of a parabolic hemisphere with a flat round bottom as reflectors, and the radiation photodetector is translucent for incident on sunlight, has two-sided photosensitivity and is made round flat, while its area is equal to or greater than flat reflector.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе мезоскопических слоев сенсибилизированного нанокристаллического металло-оксида, выбранного из группы: диоксид титана, оксид цинка, оксид никеля, оксид железа или их смеси.A semitransparent photodetector with two-sided photosensitivity can be a photodetector based on mesoscopic layers of sensitized nanocrystalline metal oxide selected from the group: titanium dioxide, zinc oxide, nickel oxide, iron oxide, or mixtures thereof.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе аморфного кремния.A translucent photodetector with two-sided photosensitivity can be an amorphous silicon-based photoconverter.
Полупрозрачный фотоприемник излучения с двусторонней фоточувствительностью может представлять собой фотопреобразователь на основе органического материала.A translucent photodetector with two-sided photosensitivity can be an organic material-based photodetector.
Использование в заявляемом солнечном фотоэлектрическом модуле стационарного концентратора, содержащего два типа отражателей: параболические и плоские, что позволяет называть такой концентратор комбинированным, в сочетании с двусторонним полупрозрачным приемником излучения, пропускающим не менее 50% солнечного излучения, обеспечивает значительное увеличение мощности генерируемого фототока, так как падающий на солнечный модуль световой поток утилизируется практически полностью.The use in the inventive solar photovoltaic module of a stationary concentrator containing two types of reflectors: parabolic and flat, which makes it possible to call such a concentrator combined, in combination with a two-sided translucent radiation receiver transmitting at least 50% of solar radiation, provides a significant increase in the generated photocurrent power, since the light flux incident on the solar module is almost completely utilized.
Полупрозрачный приемник излучения с двусторонней фоточувствительностью в заявляемом солнечном фотоэлектрическом модуле выполнен из мезоскопических слоев сенсибилизированного нанокристаллического металло-оксида и аддитивно утилизирует как свет, поступающий от концентратора солнечного излучения, так и прямо падающее на него солнечное излучение.A translucent radiation detector with two-sided photosensitivity in the inventive solar photovoltaic module is made of mesoscopic layers of sensitized nanocrystalline metal oxide and additively utilizes both the light coming from the solar radiation concentrator and the direct sunlight incident on it.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически представлено поперечное сечение предлагаемого солнечного фотоэлектрического модуля со стационарным концентратором (варианты). Концентратор, выполненный параболоцилиндрическим (вариант 1) или в виде параболической полусферы (вариант 2), содержит две симметричные относительно его вертикальной оси параболические ветви 1 и 2 отражателя, ширину которых принимаем равной А. Параболические ветви 1 и 2 отражателя разделены плоским прямоугольным или круглым отражателем 3 шириной или диаметром В. В фокальной плоскости параболических отражателей 1 и 2 расположен полупрозрачный для солнечного излучения плоский прямоугольный или круглый приемник излучения с двусторонней чувствительностью 4, расположенный в плоскости, параллельной плоскости, содержащей плоский прямоугольный или круглый отражатель 3. На чертеже и далее рассматривается альтернатива, когда площадь приемника излучения 4 равна площади отражателя 3, соответственно совпадают и их геометрические размеры, то есть ширина или диаметр приемника излучения 4 равна ширине или диаметру расположенного строго под ним плоского отражателя (зеркала) и составляет величину В.The invention is illustrated by the drawing, which schematically shows a cross section of the proposed solar photovoltaic module with a stationary concentrator (options). The hub, made parabolic cylindrical (option 1) or in the form of a parabolic hemisphere (option 2), contains two
Предлагаемый солнечный фотоэлектрический модуль со стационарным комбинированным концентратором работает следующим образом.The proposed solar photovoltaic module with a stationary combined hub operates as follows.
Падающее на поверхности параболических ветвей 1 и 2 отражателя излучение (солнечные лучи S1, S2, S3) отражается (отраженные лучи S1R, S2R, S3R) и собирается на нижней плоскости полупрозрачного двустороннего приемника излучения 4, расположенного в фокальной области отраженных лучей S1R, S2R, S3R, то есть излучение концентрируется.The radiation incident on the surface of the
В обычном случае - при использовании непрозрачного одностороннего приемника излучения - коэффициент геометрической концентрации К солнечного излучения концентратором вычисляется как отношение общей площади отражателей концентратора к площади приемника излучения, то есть в идеальном случае, без учета возможных оптических и электрических потерь, увеличение выработки электроэнергии должно быть в К раз больше объема выработки электроэнергии в отсутствие системы концентрации. С учетом приведенных на чертеже геометрических размеров, доля увеличения выработки электроэнергии приемником 4 в солнечном фотоэлектрическом модуле, определяется лучами S1R, S2R, S3R, отраженными от параболических отражателей 1 и 2, коэффициент геометрической концентрации К вычисляется как: К=2А/В.In the usual case - when using an opaque one-way radiation detector - the geometric concentration coefficient K of solar radiation by the concentrator is calculated as the ratio of the total area of the concentrator reflectors to the area of the radiation receiver, that is, in the ideal case, without taking into account possible optical and electrical losses, the increase in electricity generation should be K times the amount of electricity generated in the absence of a concentration system. Given the geometric dimensions shown in the drawing, the share of the increase in power generation by the
Световой поток, падающий на верхнюю рабочую плоскость двустороннего полупрозрачного приемника излучения 4, обращенную непосредственно к источнику излучения (световые лучи S4, S5), приводит к выработке дополнительной электроэнергии, пропорциональной площади приемника, но в количественном выражении вдвое меньшей этой площади, то есть пропорциональной В/2. Последнее происходит вследствие того, что приемник излучения 4 является полупрозрачным, и 50% падающего светового потока проходит сквозь него и не утилизируется. После прохождения через приемник данная часть светового потока отражается от плоского отражателя 3 и дополнительно освещает нижнюю рабочую плоскость приемника 4 (отраженные лучи S4R, S5R), что приводит к приращению в выработке электроэнергии в объеме, пропорциональном В/4.The luminous flux incident on the upper working plane of the two-sided
Таким образом, общее приращение выработки электроэнергии от световых лучей S4, S5 и отраженных лучей S4R, S5R будет пропорционально величине (В/2+В/4)=3В/4.Thus, the total increment of electricity generation from light rays S4, S5 and reflected rays S4R, S5R will be proportional to the value (V / 2 + V / 4) = 3V / 4.
Оценку эффективности работы заявляемого солнечного фотоэлектрического модуля с комбинированным стационарным концентратором в сравнении с модулем-прототипом можно провести, используя понятие эффективного коэффициента концентрации, Кэфф, который учитывает аддитивный вклад всех световых потоков, падающих на рабочие поверхности полупрозрачного приемника излучения с двусторонней чувствительностью. С учетом приращения выработки электроэнергии за счет эффекта прозрачности приемника и использования дополнительного плоского отражателя эффективный (геометрический) коэффициент концентрации будет вычисляться, как Кэфф=(2А+3В/4)/В, или в более наглядной форме как Кэфф=К+3/4.Evaluation of the performance of the inventive solar photovoltaic module with a combined stationary concentrator in comparison with the prototype module can be carried out using the concept of effective concentration coefficient, K eff , which takes into account the additive contribution of all light fluxes incident on the working surfaces of a translucent radiation receiver with two-side sensitivity. Given the increment in power generation due to the transparency effect of the receiver and the use of an additional flat reflector, the effective (geometric) concentration coefficient will be calculated as K eff = (2A + 3V / 4) / V, or in a more visual form as K eff = K + 3 /four.
Таким образом, использование в предлагаемом солнечном фотоэлектрическом модуле полупрозрачного приемника излучения с двусторонней чувствительностью и дополнительного плоского отражателя в комбинированном стационарном концентраторе позволяет существенно увеличить количество вырабатываемой им электроэнергии.Thus, the use of a translucent radiation detector with two-sided sensitivity and an additional flat reflector in a combined stationary concentrator in the proposed solar photovoltaic module can significantly increase the amount of electricity generated by it.
В результате того, что Кэфф>К, применение предлагаемого изобретения приводит к тому, что объемы вырабатываемой электроэнергии при той же площади концентратора будут увеличены, а стоимость выработки электроэнергии понижена. Для иллюстрации в таблице приведены расчетные коэффициенты концентрации К и Кэфф для различных размеров концентратора, величина интенсивности светового (солнечного) излучения, падающего на приемник в результате концентрации света в соответствии с коэффициентом К или Кэфф, и значение величины (Кэфф-К)/К (%), которая показывает процентное увеличение вырабатываемой электрической мощности заявляемым модулем, по сравнению с модулем-прототипом. Как уже упоминалось выше, в результате концентрации света в модуле-прототипе достигается увеличение выработки электроэнергии в К раз и, соответственно, в Кэфф раз для предлагаемого модуля. Приведенные в таблице данные показывают, что использование в предлагаемом солнечном фотоэлектрическом модуле полупрозрачного приемника с двусторонней чувствительностью и комбинированного стационарного концентратора позволяет увеличивать объемы вырабатываемой электроэнергии до 37%.As a result of the fact that K eff > K, the application of the invention leads to the fact that the volumes of generated electricity with the same area of the hub will be increased, and the cost of generating electricity will be reduced. To illustrate, the table shows the calculated concentration coefficients K and K eff for various concentrator sizes, the intensity of light (solar) radiation incident on the receiver as a result of light concentration in accordance with the coefficient K or K eff , and the value of (K eff -K) / K (%), which shows the percentage increase in the generated electric power by the claimed module, compared with the prototype module. As mentioned above, as a result of the concentration of light in the prototype module, an increase in power generation by K times and, accordingly, by K eff times for the proposed module is achieved. The data presented in the table show that the use of a translucent receiver with two-sided sensitivity and a combined stationary concentrator in the proposed solar photovoltaic module allows increasing the amount of generated electricity up to 37%.
Пример.Example.
Функционирование предлагаемого солнечного фотоэлектрического модуля со стационарным комбинированным концентратором было испытано на изготовленных образцах модуля, в которых в качестве полупрозрачного приемника излучения был использован двусторонний полупрозрачный солнечный элемента на основе сенсибилизированных слоев нанокристаллического диоксида титана (МО СЭ), помещенный в фокальную область параболических отражателей комбинированного концентратора. Интенсивность освещения модуля составляла 1000 Вт/м2 (режим AM1.5). Следует учесть, что измеренные значения отличаются от расчетных, вследствие различного рода оптических и электрических потерь в реальных устройствах.The functioning of the proposed solar photovoltaic module with a stationary combined concentrator was tested on manufactured samples of the module, in which a two-sided translucent solar cell based on sensitized layers of nanocrystalline titanium dioxide (MO SE) placed in the focal region of the parabolic reflectors of the combined concentrator was used as a translucent receiver. The illumination intensity of the module was 1000 W / m 2 (AM1.5 mode). It should be noted that the measured values differ from the calculated ones due to various kinds of optical and electrical losses in real devices.
Приводим полученные значения параметров предлагаемого фотоэлектрического модуля и модельных образцов для сравнения.We give the obtained values of the parameters of the proposed photovoltaic module and model samples for comparison.
1) Испытание МО СЭ без использования концентратора при освещении AM1.5.1) Testing MO SE without the use of a concentrator in lighting AM1.5.
Ток короткого замыкания IКЗ=16,1 мА/см2, напряжение холостого хода Uxx=0,72 В, фактор заполнения FF=0,70. Генерируемая электрическая мощность = 8,3 Вт/см2.Short circuit current I KZ = 16.1 mA / cm 2 , open circuit voltage U xx = 0.72 V, filling factor FF = 0.70. Generated electric power = 8.3 W / cm 2 .
2) Испытание образца с использованием концентратора (AM1.5), в котором верхняя часть МО СЭ (приемника излучения) закрыта непрозрачной ширмой, то есть смоделирована известная система концентратора-прототипа с непрозрачным односторонним приемником излучения, принимающим концентрированный поток света с коэффициентом геометрической концентрации К=5. Расчетная интенсивность света, падающего на нижнюю рабочую поверхности образца =5000 Вт/м2. Экспериментальные значения составили: ток короткого замыкания IКЗ=65,4 мА/см2, напряжение холостого хода Uxx=0,67 В, фактор заполнения FF=0,68. Генерируемая электрическая мощность составила P(K)=29,8 Вт/см2.2) Testing the sample using a concentrator (AM1.5), in which the upper part of the MO SE (radiation detector) is closed by an opaque screen, i.e., a known prototype concentrator system with an opaque one-sided radiation detector receiving a concentrated light stream with a geometric concentration coefficient K = 5. The calculated intensity of the light incident on the lower working surface of the sample = 5000 W / m 2 . The experimental values were: short circuit current I KZ = 65.4 mA / cm 2 , open circuit voltage U xx = 0.67 V, fill factor FF = 0.68. The generated electric power was P (K) = 29.8 W / cm 2 .
3) Образец предлагаемого фотоэлектрического модуля (с двусторонним полупрозрачным МО приемником излучения и с использованием комбинированного стационарного концентратора) также при освещении модуля в режиме AM1.5.3) A sample of the proposed photovoltaic module (with a two-sided translucent MO radiation detector and using a combined stationary concentrator) also when lighting the module in AM1.5 mode.
Положение образца нижней стороной к комбинированному концентратору, Кэфф=5,75. Суммарная расчетная интенсивность света, падающего на образец с двусторонней чувствительностью = 5750 Вт/м2. Измеренные значения составили: ток короткого замыкания IКЗ=74 мА/см2, напряжение холостого хода Uxx=0,67 В, фактор заполнения FF=0,68. Генерируемая электрическая мощность составила Р(Кэфф)=33,7 Вт/см2.The position of the sample with the lower side to the combined concentrator, K eff = 5.75. The total calculated intensity of the light incident on the sample with two-sided sensitivity = 5750 W / m 2 . The measured values were: short circuit current I KZ = 74 mA / cm 2 , open circuit voltage U xx = 0.67 V, filling factor FF = 0.68. The generated electric power was P (K eff ) = 33.7 W / cm 2 .
Экспериментальные результаты показали, что процентное увеличение генерируемой электрической мощности заявленного модуля по сравнению с модулем-прототипом, равное [P(Кэфф)-P(K)]/P(K), составило величину в 13%, что находится в хорошем согласии с теоретическими расчетными данными, представленными в таблице для модуля с К=5.Experimental results showed that the percentage increase in the generated electric power of the claimed module compared to the prototype module, equal to [P (K eff ) -P (K)] / P (K), amounted to 13%, which is in good agreement with theoretical calculation data presented in the table for a module with K = 5.
Таким образом, объемы вырабатываемой электроэнергии предлагаемым солнечным фотоэлектрическим модулем будут увеличены без увеличения размеров концентратора, а стоимость вырабатываемой электроэнергии будет снижена.Thus, the volumes of generated electricity by the proposed solar photovoltaic module will be increased without increasing the size of the hub, and the cost of generated electricity will be reduced.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015155742A RU2617041C1 (en) | 2015-12-25 | 2015-12-25 | Solar pv module with stationary concentrator (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015155742A RU2617041C1 (en) | 2015-12-25 | 2015-12-25 | Solar pv module with stationary concentrator (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2617041C1 true RU2617041C1 (en) | 2017-04-19 |
Family
ID=58642643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015155742A RU2617041C1 (en) | 2015-12-25 | 2015-12-25 | Solar pv module with stationary concentrator (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2617041C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107565904A (en) * | 2017-08-11 | 2018-01-09 | 清远市德晟嘉恒能源环保工程有限责任公司 | A kind of solar photovoltaic assembly |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4115149A (en) * | 1976-03-12 | 1978-09-19 | Varian Associates, Inc. | Concentrator arrangement for photovoltaic cell |
| JPH07120072A (en) * | 1993-09-03 | 1995-05-12 | Maruyoshi:Kk | Solar light converter |
| RU2194928C1 (en) * | 2001-04-16 | 2002-12-20 | Исаев Пайзулла Исаевич | Solar collector |
| RU2531767C1 (en) * | 2013-05-06 | 2014-10-27 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Tandem solar photoconverter |
| RU2545352C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" | Photoconverter element |
-
2015
- 2015-12-25 RU RU2015155742A patent/RU2617041C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4115149A (en) * | 1976-03-12 | 1978-09-19 | Varian Associates, Inc. | Concentrator arrangement for photovoltaic cell |
| JPH07120072A (en) * | 1993-09-03 | 1995-05-12 | Maruyoshi:Kk | Solar light converter |
| RU2194928C1 (en) * | 2001-04-16 | 2002-12-20 | Исаев Пайзулла Исаевич | Solar collector |
| RU2531767C1 (en) * | 2013-05-06 | 2014-10-27 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Tandem solar photoconverter |
| RU2545352C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" | Photoconverter element |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107565904A (en) * | 2017-08-11 | 2018-01-09 | 清远市德晟嘉恒能源环保工程有限责任公司 | A kind of solar photovoltaic assembly |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jaaz et al. | Design and development of compound parabolic concentrating for photovoltaic solar collector | |
| Sharaf et al. | Concentrated photovoltaic thermal (CPVT) solar collector systems: Part I–Fundamentals, design considerations and current technologies | |
| Muhammad-Sukki et al. | Solar concentrators | |
| Li | Design and development of a lens-walled compound parabolic concentrator-a review | |
| Kim et al. | Optical efficiency–concentration ratio trade-off for a flat panel photovoltaic system with diffuser type concentrator | |
| Gomes et al. | Analysis of different C-PVT reflector geometries | |
| Strebkov et al. | Investigation of high-voltage silicon solar modules | |
| Khaleda et al. | Spectral response and quantum efficiency evaluation of solar cells: A review | |
| Hamakawa | Photovoltaic power | |
| RU2617041C1 (en) | Solar pv module with stationary concentrator (versions) | |
| Parel et al. | Application of concentrating luminescent down-shifting structures to CdS/CdTe solar cells with poor short wavelength response | |
| RU2531767C1 (en) | Tandem solar photoconverter | |
| Chopra | A Technical Review on the Thin-Films Coatings for Enhancing the Efficiency of the Photo-Voltaic Cells for Solar Energy Applications | |
| Lerchenmüller et al. | Cost and market perspectives for FLATCON®-systems | |
| Naseri et al. | An efficient double junction CIGS solar cell using a 4H-SiC nano layer | |
| Zh | WORKING PRINCIPLE OF A SOLAR CELL | |
| RU2626752C1 (en) | Tandem metal oxide solar element | |
| Mostakim et al. | Solar photovoltaic thermal systems | |
| Al-Sarraj et al. | Reviewing Energy Efficiency with the Development of Luminescent Solar Panels | |
| Strebkov et al. | High-voltage silicon modules for conversion of concentrated solar radiation | |
| Lee et al. | Demonstration of the performance static low-concentration module using hybrid lens arrays | |
| CN219419049U (en) | Photovoltaic cell component with double glass surfaces | |
| Abd-Rahman et al. | Design optimization of compound parabolic concentrator (CPC) for improved performance | |
| Liu et al. | Study and Design Process of Solar PV System | |
| Van Sark et al. | Annual Performance of the Fluorescent Solar Concentrator |