RU2690728C1 - Concentrator-planar solar photoelectric module - Google Patents

Concentrator-planar solar photoelectric module Download PDF

Info

Publication number
RU2690728C1
RU2690728C1 RU2018122560A RU2018122560A RU2690728C1 RU 2690728 C1 RU2690728 C1 RU 2690728C1 RU 2018122560 A RU2018122560 A RU 2018122560A RU 2018122560 A RU2018122560 A RU 2018122560A RU 2690728 C1 RU2690728 C1 RU 2690728C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
concentrator
elements
photovoltaic module
planar
photoelectric converters
Prior art date
Application number
RU2018122560A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Максим Зиновьевич Шварц
Мария Валерьевна Нахимович
Светлана Андреевна Левина
Евгений Дмитриевич Филимонов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2018122560A priority Critical patent/RU2690728C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2690728C1 publication Critical patent/RU2690728C1/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • 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

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: concentrator-planar photoelectric module (1) comprises frontal translucent panel (2) with concentrating optical elements (4), translucent rear panel (5) on which planar non-concentrator photoelectric converters (6) with windows (10) are formed, which are opposite to concentrating optical elements (4), in which concentrator photoconverters (8) are installed, and fastening elements (11). Front panel (2) and rear panel (5) are connected by attachment elements (11). Center of the photodetector area of each concentrator photoelectric converter (8) lies on one axis with the center of the corresponding concentrating optical element (4) and coincides with its focus. Concentric photoelectric converters (8) are equipped with protective reflecting elements (15) with side light-reflecting surface installed on front side of rear panel (5) and excluding penetration of concentrated solar radiation onto planar non-concentration photoelectric converters (6) at misalignment of module (1) from direction to Sun.EFFECT: concentrator-planar photoelectric module (1) has increased reliability and increased operational life.10 cl, 3 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к комбинированным концентраторно-планарным фотоэлектрическим модулям, с увеличенной суммарной энергетической выработкой за счет преобразования прямого солнечного излучения высокоэффективными концентраторными ячейками типа «линза Френеля - многопереходный солнечный элемент», и рассеянного диффузного солнечного излучения - планарными фотоэлектрическими ячейками.The invention relates to the field of solar energy and, in particular, to a combined concentrator-planar photovoltaic modules, with increased total energy output due to the conversion of direct solar radiation by highly efficient concentrator cells of the "Fresnel lens - multi-junction solar element", and diffuse diffuse solar radiation - planar photovoltaic cells.

Среди многообразия полупроводниковых материалов для создания фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечного излучения выделяются соединения А3В5, на основе которых создают многопереходные гетероструктуры для элементов космических солнечных батарей и высокоэффективных ФЭП концентрированного солнечного излучения. В ФЭП на основе многопереходных А3В5 наногетероструктур коэффициент полезного действия фотоэлектрического преобразования находится на уровне 40-44% и имеет перспективу для увеличения до 50% в ближайшие годы. Этот тип ФЭП является непревзойденным рекордсменом по эффективности. Однако для экономически оправданного их использования в наземных условиях требуется применение оптических концентраторов солнечного излучения и систем слежения за положением Солнца, а также размещения концентраторных фотоэнергоустановок в регионах с потенциально высоким уровнем поступления прямой солнечной радиации. В силу естественных оптических потерь для передаваемой (фокусируемой) концентраторами лучистой энергии, а также омических потерь в многопереходных ФЭП, коэффициент полезного действия фотоэлектрического модуля несколько снижается относительно указанных выше показателей (на 10-15 относительных процентов), оставаясь, тем не менее, в диапазоне значений более 30%. Для создания неконцентраторных планарных ФЭП применяют другие типы материалов. В этой группе, помимо ФЭП на основе кристаллического кремния, активно создают тонкопленочные элементы из аморфного кремния (a-Si) и родственных каскадных структур (тандемные элементы на основе аморфного и микрокристаллического кремния - a-Si/uc-Si, двух и трехкаскадные элементы на основе сплавов аморфного и микрокристаллического кремния - a-Si/a-Si/uc-Si, a-Si/a-SiGe/uc-Si и a-Si/uc-Si /uc-SiGe), теллурида кадмия CdTe, многокомпонентных полупроводниковых соединений со структурой халькопирита (селенид меди-галлия-индия CIS - CuInSe2, CIGS - Cu(In, Ga)Se2, CIGSS - CuIn1xGaxSe2ySy) и др. Фотоэлектрические батареи на основе тонкопленочных материалов изготавливают по технологиям, обеспечивающим коэффициент полезного действия на уровне 12-20%. Такие батареи монтируют неподвижно, в том числе на фасадах и на покатых крышах зданий, то есть там, где установка высокоэффективных систем с А3В5-фотоэлементами невозможна или энергетически и экономически нецелесообразна.Among the variety of semiconductor materials for the creation of photoelectric converters (solar cells) of solar radiation, A3B5 compounds are distinguished, on the basis of which they create multi-junction heterostructures for elements of space solar cells and high-efficiency solar cells with concentrated solar radiation. In photoelectric transducers based on multijunction A3B5 nanoheterostructures, the efficiency of photoelectric conversion is at the level of 40-44% and has the prospect of increasing to 50% in the coming years. This type of FEP is an unsurpassed record for efficiency. However, for their economically justified use in terrestrial conditions, the use of optical concentrators of solar radiation and tracking systems for the position of the Sun, as well as the placement of concentrator photovoltaic power plants in regions with potentially high levels of direct solar radiation are required. Due to natural optical losses for the transmitted (focused) concentrators of radiant energy, as well as ohmic losses in multi-junction FEP, the efficiency of the photovoltaic module somewhat decreases relative to the above indicators (by 10-15 relative percent), remaining, however, in the range values over 30%. Other types of materials are used to create non-concentrating planar solar cells. In this group, in addition to FEP based on crystalline silicon, thin-film elements made of amorphous silicon (a-Si) and related cascade structures (tandem elements based on amorphous and microcrystalline silicon — a-Si / uc-Si, two and three-stage elements on based on amorphous and microcrystalline silicon alloys - a-Si / a-Si / uc-Si, a-Si / a-SiGe / uc-Si and a-Si / uc-Si / uc-SiGe), cadmium telluride CdTe, multicomponent semiconductor compounds with a chalcopyrite structure (selenide, copper-indium-gallium CIS - CuInSe 2, CIGS - Cu (In, Ga ) Se 2, CIGSS - CuIn 1x Ga x Se 2y S y) etc. Fotoe. ektricheskie based thin-film battery materials are made on technologies providing efficiency at 12-20%. Such batteries are mounted motionless, including on the facades and on the sloping roofs of buildings, that is, where the installation of highly efficient systems with А3В5 photo cells is impossible or is not economically and economically feasible.

Создание комбинированных фотоэлектрических модулей, выполненных на элементной базе с использованием обоих типов материалов, позволяет преобразовывать как энергию прямого солнечного излучения концентраторными фотоэлектрическим ячейками, так и энергию рассеянного (диффузного) солнечного излучения планарными солнечными элементами. Превосходство комбинированных модулей над обыкновенными концентраторными модулями заключается в сохранении существенной энергопроизводительности в условиях облачной и пасмурной погоды, когда прямое излучение ослаблено или отсутствует, тогда как диффузное излучение, свободно проникая сквозь линзу Френеля, которая для такого излучения выступает в роли рассеивателя, достигает планарных солнечных элементов. Работа на общую нагрузку обоих фотоэлектрических контуров (концентраторного и планарного) позволит снизить общие колебания в электрогенерации при переходе между режимами преобразования сконцентрированного и диффузного (рессеянного) излучений.The creation of combined photovoltaic modules made on the element base with the use of both types of materials makes it possible to convert both the energy of direct solar radiation by concentrator photovoltaic cells and the energy of scattered (diffuse) solar radiation by planar solar cells. The superiority of the combined modules over ordinary concentrator modules is to maintain substantial energy efficiency in cloudy and overcast weather, when direct radiation is attenuated or absent, while diffuse radiation freely penetrates through the Fresnel lens, which reaches planar solar cells for such radiation . Work on the total load of both photovoltaic circuits (concentrator and planar) will reduce the overall fluctuations in power generation during the transition between the modes of conversion of concentrated and diffuse (recurring) radiation.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2307294, МПК H01L 31/052, опубликован 27.09.2007), содержащий фронтальную панель из силикатного стекла с линзами Френеля не ее тыльной стороне, а также концентраторные ФЭП с теплоотводящими основаниями. На дополнительной промежуточной панели из силикатного стекла установлены плоско-выпуклые линзы, соосные с соответствующими линзами Френеля. Теплоотводящие основания расположены на тыльной панели из силикатного стекла или выполнены в виде лотков с плоским дном и закреплены на тыльной стороне промежуточной панели. Фотоактивные поверхности ФЭП находятся в фокусе двух оптических концентраторов - линз Френеля и плоско-выпуклых линз. Известный солнечный концентраторный модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности и обладает хорошей разориентационной характеристикой. Однако недостатком известного модуля является высокий уровень концентрации солнечного излучения на ФЭП. В центре фокального пятна, создаваемого двумя оптическими концентраторами (линзой Френеля и плоско-выпуклой линзой), концентрация солнечного излучения достигает 5000-7000 крат, что приводит к снижению эффективности преобразования излучения в электроэнергию и уменьшает срок службы ФЭП.The solar concentrator module is known (see patent RU 2307294, IPC H01L 31/052, published 09/27/2007), which contains a front panel made of silicate glass with Fresnel lenses not on its back side, as well as concentrator photoelectric transducers with heat-removing bases. An additional intermediate silicate glass panel contains flat convex lenses that are coaxial with the corresponding Fresnel lenses. Heat-removing bases are located on the back panel of silicate glass or are made in the form of trays with a flat bottom and are fixed on the back side of the intermediate panel. The photoactive surfaces of the FEP are in the focus of two optical concentrators — Fresnel lenses and plane-convex lenses. The well-known solar concentrator module provides an increase in energy efficiency and has a good misorientation characteristic. However, a disadvantage of the known module is the high level of concentration of solar radiation on the FEP. In the center of the focal spot created by two optical concentrators (Fresnel lens and plano-convex lens), the concentration of solar radiation reaches 5000-7000 times, which leads to a decrease in the efficiency of conversion of radiation into electricity and reduces the service life of solar cells.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2354005, МПК H01L 31/052, опубликован 27.04.2009), содержащий фронтальную панель из силикатного стекла с линзовыми концентраторами из силикона на ее внутренней стороне, боковые стенки, а также тыльную панель, на верхней стороне которой на теплоотводящих основаниях установлены концентраторные ФЭП и соосные им дополнительные оптические элементы, которые входят в состав узлов защиты концентраторных ФЭП от агрессивного воздействия атмосферной среды. Узел защиты концентраторных ФЭП может быть выполнен в виде герметично установленных на теплоотводящие основания шин, изготовленных из диэлектрического материала с токоведущими металлизированными покрытиями с обеих сторон.The solar concentrator module is known (see patent RU 2354005, IPC H01L 31/052, published on April 27, 2009), which contains a front panel made of silicate glass with lens concentrators made of silicone on its inner side, side walls, and also a back panel, on the upper side which on the heat-removing bases are installed concentrator solar cells and additional optical elements coaxial to them, which are part of the components of the protection concentrator solar cells from the aggressive influence of the atmospheric environment. The protection center of concentrator photoelectric transducers can be made in the form of hermetically mounted tires on heat-removing bases made of a dielectric material with conductive metallized coatings on both sides.

Известный фотоэлектрический модуль обеспечивает увеличение энергопроизводительности, повышение надежности и срока службы. Основным недостатком известного фотоэлектрического модуля является сложность изготовления и высокая стоимость его конструкции.The well-known photovoltaic module provides increased energy efficiency, increased reliability and service life. The main disadvantage of the known photovoltaic module is the complexity of manufacturing and the high cost of its design.

Известен солнечный концентраторный модуль (см. патент RU 2395136, МПК H01L 31/042, опубликован 15.06.2009), содержащий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель и концентраторные солнечные ФЭП на теплоотводящих основаниях. Позиционирование ФЭП обеспечивается точными отверстиями в центрирующих планках, которые одновременно являются элементами коммутации и выполнены из диэлектрического материала с двусторонним металлическим покрытием. Однако недостатком известного модуля является невысокий срок его эксплуатации из-за выгорания органических материалов при попадании сфокусированного пятна солнечного излучения на края отверстий центрирующих планок при случайной разориентации фотоэлектрического модуля. При этом продукты горения оседают на фотоприемных поверхностях ФЭП, уменьшая эффективность преобразования солнечного излучения.The solar concentrator module is known (see patent RU 2395136, IPC H01L 31/042, published 15.06.2009), which contains side walls, a front panel with Fresnel lenses on its inner side, a translucent back panel and concentrator solar solar cells on heat-removing bases. The positioning of the FEP is provided by precise holes in the centering bars, which are simultaneously switching elements and are made of a dielectric material with a double-sided metallic coating. However, a disadvantage of the known module is its low lifetime due to the burning out of organic materials when a focused spot of solar radiation hits the edges of the holes of the centering bars when the photovoltaic module is randomly disoriented. In this case, the combustion products are deposited on the photodetector surfaces of the FEP, reducing the conversion efficiency of solar radiation.

Известен солнечный концентраторный фотоэлектрический модуль (см. патент RU 2578735, МПК H01L 31/042, опубликован 27.03.2016), содержащий боковые стенки, фронтальную панель с линзами Френеля на ее внутренней стороне, светопрозрачную тыльную панель, коммутационные планки и солнечные ФЭП на теплоотводящих основаниях. В качестве теплопроводящих оснований выступают металлические платы с регулярно расположенными углублениями под ФЭП для их позиционирования. Теплопроводящие основания установлены на фронтальной или тыльной стороне тыльной панели модуля параллельно друг другу с шагом между углублениями равным расстоянию между центрами соседних линз Френеля.A solar concentrator photovoltaic module is known (see patent RU 2578735, IPC H01L 31/042, published 03/27/2016), which contains side walls, a front panel with Fresnel lenses on its inner side, a translucent back panel, patch panels and solar solar cells on heat-dissipating bases . As the heat-conducting bases are metal plates with regularly spaced grooves under the FEP for their positioning. The heat-conducting bases are installed on the front or back side of the rear panel of the module parallel to each other with a pitch between the recesses equal to the distance between the centers of the adjacent Fresnel lenses.

Известный фотоэлектрический модуль позволяет повысить точность позиционирования ФЭП, что увеличивает эффективность преобразования солнечного излучения, и упростить сборку конструкции фотоэлектрического модуля. Однако недостатком известного модуля является высокая вероятность отказа. Так как конструкция модуля предполагает параллельное соединение ФЭП на металлической плате, то при выходе из строя хотя бы одного преобразователя, снижаются рабочие характеристики всей группы ФЭП на металлической плате, что приводит к снижению энергопроизводительности модуля.The well-known photovoltaic module allows to improve the accuracy of positioning of solar cells, which increases the conversion efficiency of solar radiation, and simplify the assembly of the design of the photovoltaic module. However, the disadvantage of the known module is a high probability of failure. Since the design of the module involves parallel connection of solar cells on a metal board, then if at least one converter fails, the performance of the entire group of solar cells on a metal board decreases, which leads to a decrease in the module's energy efficiency.

Известен концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль (см. патент US 20140261627 А1 МПК H01L 31/052, опубликован 18.09.2014) с планарными неконцентраторными кремниевыми ФЭП, устанавливаемыми на электрогенерирующей панели с концентраторными ФЭП или над ней. При этом в кремниевых ФЭП большой площади должны быть отверстия для пропускания сконцентрированного излучения к местам расположения концентраторных ФЭП.Known concentrator-planar photovoltaic module (see US Patent 20140261627 A1 IPC H01L 31/052, published 09/18/2014) with planar non-concentrator silicon FEP installed on an electrogenerating panel with or above concentrator FEP. At the same time, in a large area of silicon FEP there must be openings for the transmission of concentrated radiation to the locations of the concentrator FEP.

Очевидным недостатком известного концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля является высокая технологическая сложность изготовления кремниевых фотопреобразователей с отверстиями. Использование же концепции многоэлементного массива из малоразмерных кремниевых ФЭП сопряжено со значительными технологическими затратами из-за сложности сборки такой панели и ее монтажа в модуле. В вариантном исполнении ФЭП, захватывающих диффузный свет, на основе аморфного кремния и/или его сплавов, теллурида кадмия и/или его сплавов, селенида меди-галлия-индия и/или его сплавов, их встраивание в концентраторный модуль также предполагается в виде отдельного конструктивного элемента с соответствующими дополнительными техническими и финансовыми издержками. Какая-либо защита элементов неконцентраторной части электрогенерирующего основания от попадания сфокусированного излучения не предусмотрена, что снижает надежность и эксплуатационный ресурс ФЭП, преобразующих диффузное (рассеянное) излучение в концентраторном модуле.An obvious disadvantage of the known concentrator-planar photovoltaic module is the high technological complexity of manufacturing silicon photoconverters with holes. Using the concept of a multi-element array of small-sized silicon FEP is associated with significant technological costs due to the complexity of the assembly of such a panel and its installation in the module. In a variant design of photoelectric diffusers capturing diffuse light, based on amorphous silicon and / or its alloys, cadmium telluride and / or its alloys, copper-gallium-indium selenide and / or its alloys, their incorporation into the concentrator module is also assumed as a separate constructive element with the corresponding additional technical and financial costs. No protection of the elements of the non-concentrator part of the electrogenerating base from the ingress of focused radiation is not provided, which reduces the reliability and operational life of solar cells that convert diffuse (diffuse) radiation in the concentrator module.

Известен концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль (см. патент US 2017062630 А1 МПК H01L 31/0232, H01L 31/02, опубликован 02.03.2017), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль-прототип включает концентрирующие элементы (линзы), концентраторные ФЭП, смонтированные на рабочей поверхности планарных неконцентраторных ФЭП, располагаемых на плоском основании. В основном варианте используют плоские кремниевые ФЭП.Known concentrator-planar photovoltaic module (see US Patent 2017062630 A1 IPC H01L 31/0232, H01L 31/02, published 03/02/2017), which coincides with this decision on the largest number of essential features and adopted for the prototype. Concentrator-planar photovoltaic module-prototype includes concentrating elements (lenses), concentrator FEP mounted on the working surface of planar non-concentrator FEP, located on a flat base. In the basic version, flat silicon FEP is used.

К достоинствам этого варианта следует отнести возможность интеграции дополнительных элементов (например, байпасных диодов и элементов электрической коммутации) непосредственно в пластину неконцентраторных кремниевых ФЭП. В других вариантах исполнения в качестве преобразователей неконцентрированного излучения применены элементы на основе селенида меди-индия и/или его сплавов CuInSe2, теллурида кадмия и др. Однако во всех случаях планарные неконцентраторные ФЭП со сформированной контактной сеткой индивидуально устанавливают на плоское основание, то есть, по сути, представляют собой дискретные элементы, пусть и значительной площади (0,04 м2 максимум), а не изготавливают в едином технологическом процессе формирования плоского основания. С учетом того, что в фотоэлектрических модулях для коммерческих применений площадь рабочей поверхности модуля, как правило, превышает 0.5 м2, монтаж таких дискретных элементов сопряжен с дополнительными затратами. В известном комбинированном модуле концентраторные ФЭП предназначены для работы с прямым солнечным излучением, а планарные неконцентраторные ФЭП - для преобразования рассеянного излучения, а в ряде случаев и прямого излучения, проходящего сквозь концентраторный элемент. При этом планарные неконцентраторные ФЭП несут всю функцию отвода тепла от концентраторных ФЭП. При разориентации концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля-прототипа относительно направления на Солнце, возможно смещение сфокусированного излучения с фотоприемной площадки и выход его за пределы концентраторного ФЭП, вызывая выход из строя планарных неконцентраторных ФЭП, что снижает надежность и эксплуатационный ресурс планарных неконцентраторных ФЭП.The advantages of this option include the ability to integrate additional elements (for example, bypass diodes and electrical switching elements) directly into the non-concentrator silicon FEP plate. In other versions, elements based on copper-indium selenide and / or its alloys CuInSe 2 , cadmium telluride, etc. were used as converters of non-concentrated radiation. However, in all cases planar non-concentrator solar cells with a formed contact grid are individually placed on a flat base, that is, in fact, they are discrete elements, albeit of a large area (0.04 m 2 maximum), and are not manufactured in a single technological process of forming a flat base. Taking into account the fact that in photovoltaic modules for commercial applications, the working surface area of the module, as a rule, exceeds 0.5 m 2 , the installation of such discrete elements involves additional costs. In the well-known combined module, concentrator solar cells are designed to work with direct solar radiation, and planar non-concentrator solar cells - to convert the scattered radiation, and in some cases, direct radiation passing through the concentrator element. In this case, planar non-concentrator solar cells carry the entire function of heat removal from concentrator solar cells. When the concentrator-planar photovoltaic module of the prototype is disoriented relative to the direction to the Sun, it is possible to shift the focused radiation from the photoreceiver site and exit it beyond the limits of the concentrator photovoltaic field, causing failure of planar non-concentrator photoelectric cells, which reduces the reliability and operational life of planar non-concentrator photoelectric cells.

Задачей заявляемого изобретения является разработка концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля с повышенной надежностью и эксплуатационным ресурсом.The task of the invention is to develop a concentrator-planar photovoltaic module with increased reliability and operational resource.

Поставленная задача решается тем, что концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль, содержит фронтальную светопрозрачную панель с концентрирующими оптическим элементами, светопрозрачную тыльную панель, на которой сформированы планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи с окнами, противолежащими концентрирующим оптическим элементам, в которых размещены концентраторные фотоэлектрические преобразователи, и элементы крепления. Фронтальная панель и тыльная панель соединены элементами крепления. Центр фотоприемной площадки каждого концентраторного фотоэлектрического преобразователя лежит на одной оси с центром соответствующего концентрирующего оптического элемента и совпадает с его фокусом. Новым в концентраторно-планарном фотоэлектрическом модуле является то, что концентраторные фотоэлектрические преобразователи снабжены защитными отражающими элементами с боковой светоотражающей поверхностью, установленными на фронтальной стороне тыльной панели и исключающими попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи при разориентации модуля от направления на Солнце.The problem is solved by the fact that the concentrator-planar photovoltaic module contains a front translucent panel with concentrating optical elements, a translucent rear panel on which planar non-concentrator photoelectric converters are formed with windows opposite to the concentrating optical elements in which the concentrator photoelectric converters are located, and the fastening elements . Front panel and rear panel are connected by fasteners. The center of the photoreceiver site of each concentrator photoelectric converter lies on the same axis with the center of the corresponding concentrating optical element and coincides with its focus. New in the concentrator-planar photovoltaic module is that concentrator photoelectric converters are equipped with protective reflective elements with a side reflecting surface mounted on the front side of the rear panel and excluding the ingress of concentrated solar radiation to planar non-concentrator photoelectric converters when the module is misoriented from the direction of the Sun.

Защитные отражающие элементы могут быть выполнены в виде полых усеченных пирамид с внутренними светоотражающими поверхностями, обращенных большими основаниями к фронтальной панели, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на тыльной стороне тыльной панели и снабжены теплопроводящим радиатором.Protective reflective elements can be made in the form of hollow truncated pyramids with internal reflective surfaces facing large bases towards the front panel, and concentrator photoelectric converters are installed on the back side of the rear panel and equipped with a heat-conducting radiator.

Защитные отражающие элементы могут быть выполнены в виде сплошных светопрозрачных усеченных пирамид, обращенных большими основаниями к фронтальной панели, на наклонные стенки пирамид нанесено светоотражающее покрытие, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на тыльной стороне тыльной панели и снабжены теплопроводящим радиатором.Protective reflective elements can be made in the form of continuous translucent truncated pyramids, facing large bases to the front panel, a reflective coating is applied to the inclined walls of the pyramids, and concentrator photoelectric converters are installed on the rear side of the rear panel and equipped with a heat-conducting radiator.

Окна в планарных неконцентраторных фотоэлектрических преобразователей могут быть выполнены в виде полос, над которыми установлены защитные отражающие элементы в виде

Figure 00000001
-образных теплопроводящих желобов с боковыми стенками со светоотражающим покрытием, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на основаниях желобов, служащих теплопроводящим радиатором.Windows in planar non-concentrator photoelectric converters can be made in the form of strips, over which protective reflecting elements are installed in the form of
Figure 00000001
-shaped heat-conducting grooves with side walls with a reflective coating, and concentrator photoelectric converters installed on the bases of the grooves, which serve as a heat-conducting radiator.

Боковые стенки теплопроводящих желобов могут быть выполнены утолщенными к основанию желоба.The side walls of the heat-conducting gutters can be made thickened to the base of the gutter.

Концентрирующие оптические элементы могут быть выполнены из силикона в виде линз Френеля квадратной формы, сформированных вплотную друг к другу на тыльной стороне фронтальной панели.Concentrating optical elements can be made of silicone in the form of square-shaped Fresnel lenses, formed close to each other on the back side of the front panel.

Концентраторные фотоэлектрические преобразователи могут быть выполнены на основе А3В5 гетероструктуры.Concentrator photoelectric converters can be made on the basis of A 3 B 5 heterostructures.

Планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи могут быть выполнены на основе структур, выбранных из группы полупроводниковых материалов a-Si/nc-Si, CuInSe2, Cu(In1-xGax)Se2.Planar non-concentrator photoelectric converters can be made on the basis of structures selected from the group of semiconductor materials a-Si / nc-Si, CuInSe 2 , Cu (In 1-x Ga x ) Se 2 .

Элементы крепления могут быть выполнены в виде боковых панелей или в виде рам.Fastening elements can be made in the form of side panels or in the form of frames.

Светопрозрачные пластины фронтальной и тыльной панелей могут быть выполнены из силикатного стекла оптического качества, а концентрирующие оптические элементы могут быть типа «классическая плоско-выпуклая линза», «классическая линза Френеля», «линза Френеля с оптическими элементами полного внутреннего отражения» и выполнены из оптически прозрачных материалов типа полиметилметакрилата, силиконового или уретанового компаунда и других.Translucent plates of the front and back panels can be made of optical-grade silicate glass, and concentrating optical elements can be of the type “classical flat convex lens”, “classical Fresnel lens”, “Fresnel lens with optical elements of total internal reflection” and are made of optical transparent materials like polymethyl methacrylate, silicone or urethane compound, and others.

Теплопроводящие радиаторы могут быть выполнены из сплавов алюминия (в этом случае монтаж концентраторного ФЭП производят на плату из теплопроводящего материала, которую затем соединяют с радиатором) или другого металла/сплава (например, меди). В этом случае на радиатор могут быть нанесены покрытия из Zn, или Sn, или Ni, служащие для увеличения коррозионной стойкости и улучшения условий монтажа ФЭП.Heat-conducting radiators can be made of aluminum alloys (in this case, the installation of concentrator FEP is made on the board of heat-conducting material, which is then connected to the radiator) or another metal / alloy (for example, copper). In this case, the radiator can be coated with Zn, or Sn, or Ni, which serve to increase the corrosion resistance and improve the conditions for the installation of solar cells.

В случае расположения теплопроводящих радиаторов снаружи модуля (на тыльной стороне тыльной панели), на их внешнюю (обратную по отношению в потоку сконцентрированного солнечного излучения) поверхность может быть нанесено теплоизлучающее покрытие. Для уменьшения отражения света на границах раздела сред, объем между поверхностью стеклянной пластины тыльной панели в области оптических окон и фотоприемными площадками концентраторных ФЭП может быть заполнен оптическим силиконом.If the heat-conducting radiators are located outside the module (on the rear side of the rear panel), a heat-radiating coating may be applied to their external (opposite in relation to the concentrated solar radiation flux) surface. To reduce the reflection of light at the interfaces of the media, the volume between the surface of the glass plate of the rear panel in the region of the optical windows and the photodetector pads of the concentrator FEP can be filled with optical silicone.

Тыльная сторона модуля может быть загерметизирована отверждаемой полимерной композицией или ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой с последующим нанесением защитной пленки из лавсана.The back side of the module can be sealed with a curable polymer composition or a laminating ethylene-vinyl acetate film, followed by the application of a protective lavsan film.

Теплопроводящие радиаторы могут быть прикреплены к поверхности стеклянной пластины тыльной панели при помощи теплопроводящего силикона или адгезива.Heat-conducting radiators can be attached to the surface of the backplate glass plate using heat-conducting silicone or adhesive.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:This technical solution is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 схематически изображен фрагмент концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля в первом воплощении настоящего изобретения;in fig. 1 shows schematically a fragment of a concentrator-planar photovoltaic module in the first embodiment of the present invention;

на фиг. 2 схематически изображен фрагмент модуля во втором воплощении настоящего изобретения;in fig. 2 shows schematically a fragment of a module in a second embodiment of the present invention;

на фиг. 3 схематически изображен фрагмент концентраторно-планарного фотоэлектрического модуля в третьем воплощении настоящего изобретения;in fig. 3 shows schematically a fragment of a concentrator-planar photovoltaic module in the third embodiment of the present invention;

Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль 1 (см. фиг. 1-фиг. 3) содержит фронтальную (линзовую) панель 2 на основе светопрозрачной пластины 3 с концентрирующими оптическим элементами 4 и тыльную (электрогенерирующую) панель 5, с планарными неконцентраторными тонкопленочными ФЭП 6, сформированными технологическим процессом на тыльной поверхности светопрозрачной пластины 3' в виде параллельных друг другу протяженных узких полос (фотогенерирующих ячеек) одинаковой площади с диффузно отражающим покрытием 7 с тыльной стороны, и концентраторными ФЭП 8 на теплопроводящих радиаторах 9, установленных на тыльной поверхности пластины 3'. Планарные неконцентраторные тонкопленочные ФЭП 6 сформированы в виде полос, обходящих зоны расположения теплопроводящих радиаторов 9, образовывая оптические окна 10, противолежащие концентрирующим оптическим элементам 4 фронтальной панели 2, где отсутствуют планарные неконцентраторные тонкопленочные ФЭП 6 и диффузно отражающее покрытие 7. Планарные неконцентраторные тонкопленочные ФЭП 6 одинаковой площади электрически соединены в группы при помощи металлического проводника (на чертеже не показан). Равенство площадей обеспечивает равные по величине фототоки планарных неконцентраторных ФЭП 6 для соединения этих ФЭП в последовательную электрическую цепь. Взаимное расположение фронтальной панели 2 и тыльной панели 5 фиксируют элементами 11 крепления. Теплопроводящие радиаторы 9 позиционируют в пределах оптических окон 10 на поверхности светопрозрачной пластины 3', и крепят к ее поверхности таким образом, чтобы центры фотоприемных площадок каждого концентраторного ФЭП 8 находились на одной оси с центром соответствующего концентрирующего оптического элемента 4 фронтальной панели 3, обеспечивая положение фокального пятна на концентраторном ФЭП 8 при точной ориентации фотоэлектрического модуля в направлении на Солнце. Концентрирующие оптические элементы 4 могут быть типа «классическая плоско-выпуклая линза», «классическая линза Френеля», «линза Френеля с оптическими элементами полного внутреннего отражения» и выполнены из оптически прозрачных материалов типа полиметилметакрилата, силиконового или уретанового компаунда и других, могут иметь квадратную или иную форму, обеспечивающую расположение концентраторов вплотную друг к другу, и прочно соединены с поверхностью светопрозрачной пластины 3 фронтальной панели 2, выполняющей защитную и несущую функции. Концентраторные ФЭП 8 и байпасные диоды (при необходимости) могут быть установлены непосредственно как на теплопроводящие радиаторы 9, так и на теплопроводящие платы 12 с последующим монтажом на теплопроводящие радиаторы 9. Теплопроводящие радиаторы 9 могут быть выполнены из сплавов алюминия или другого металла/сплава (например, меди с покрытием из Zn, или Sn, или Ni). Теплопроводящие платы 12 могут быть выполнены в виде многослойных конструкций на основе алюминия, керамики, кремния и др. с обеспечением необходимой электроотводящей и изолирующей функций. Тыльная сторона модуля 1 может быть загерметизирована защитным электроизолирующим покрытием 13, например, ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой или отверждаемой полимерной композицией с последующим нанесением защитной пленки из лавсана, если это требуется в силу эксплуатации в агрессивных условиях. На внешнюю (обратную по отношению в потоку сконцентрированного солнечного излучения) поверхность теплопроводящих радиаторов 9 может быть нанесено теплоизлучающее покрытие 14. Электрическое соединение концентраторных ФЭП 8 в последовательно-параллельную цепь осуществляют при помощи металлических проводников (на чертеже не показаны) с выводом на коммутационный терминал. Электрогенерирующая часть на основе планарных неконцентраторных ФЭП 6 формирует отдельную электрическую схему с выводом на коммутационный терминал. В вариантном исполнении схемы электрической коммутации концентраторный и планарный контуры могут быть соединены параллельно, при условии генерации более высокого фототока в последовательно-параллельной цепи из концентраторных ФЭП и более высокого напряжения в цепи на основе планарных тонкопленочных ФЭП. В первом воплощении настоящего изобретения (см. фиг. 1) защита планарных неконцентраторных ФЭП 6 от попадания сконцентрированного солнечного излучения высокой плотности при разориентации модуля реализуют при помощи индивидуально устанавливаемых на фронтальной поверхности светопрозрачной пластины 3' соосно над каждым концентраторным ФЭП 8 защитных отражающих элементов 15 в виде полых усеченных пирамид с внутренними светоотражающими поверхностями, обращенных большими основаниями к фронтальной (линзовой) панели 2. При работе модуля 1 в режиме разориентации относительно направления на Солнце, такие защитные диффузно отражающие элементы 13 рассеивают сфокусированное излучение в объем модуля 1 и, тем самым, предотвращают попадание сконцентрированного солнечного излучения высокой плотности на планарные неконцентраторные ФЭП 6. При этом концентраторные ФЭП 8 на теплопроводящих радиаторах 9 установлены на тыльной поверхности светопрозрачной пластины 3' напротив оптических окон 10, и находятся снаружи модуля 1. Второе воплощение настоящего изобретения, (см. фиг. 2) отличается от первого воплощения тем, что защитные отражающие элементы 16 выполнены в виде сплошных светопрозрачных усеченных пирамид (калейдоскопов), обращенных большими основаниями к фронтальной (линзовой) панели 2, на наклонные стенки пирамид нанесено светоотражающее покрытие. При работе модуля 1 в режиме разориентации относительно направления на Солнце, такие калейдоскопы переотражают сфокусированное излучение в сторону от тонкопленочных планарных неконцентраторных ФЭП 6 для минимизации их деградации. Внешние наклонные стенки таких пирамид могут взаимодействовать с поступающим излучением по принципу полного внутреннего отражения или иметь дополнительное зеркальное покрытие для увеличения эффективности отражения. В частном случае, такие защитные отражающие элементы 16 могут направлять излучения по направлению к концентраторному ФЭП, а в случае выпуклой фронтальной поверхности - дополнительно фокусировать его, и выполнять роль как защитного элемента для планарных неконцентраторных ФЭП 6, так и вторичного оптического концентрирующего элемента. Третье воплощение настоящего изобретения (см. фиг. 3) отличается от первого и второго воплощений тем, что защитные отражающие элементы 17 выполнены в виде

Figure 00000002
-образных теплопроводящих желобов с боковыми стенками с диффузно отражающей поверхностью. При этом основания желобов служат теплопроводящим радиатором 9 для концентраторных ФЭП 8. Защитные отражающие элементы 17 с концентраторными ФЭП 8 на теплопроводящих платах 12 установлены на рабочей (обращенной к фронтальной панели 2) поверхности светопрозрачной пластины 3' и находятся внутри модуля 1. Боковые наклонные стенки защитных отражающих элементов 17 обеспечивают гарантированную защиту планарных неконцентраторных ФЭП 6 от попадания сильно сфокусированного излучения вплоть до углов разориентации (в поперечном направлении модуля), за пределами которых плотность излучения в сконцентрированном световом потоке, достигающем элементы тонкопленочной структуры, не является критичной (повреждающей) для тонкопленочных планарных неконцентраторных ФЭП 6. В продольном направлении при любых углах разориентации пятно сфокусированного солнечного излучения будет оставаться остается в пределах защитного отражающего элемента 17. Оптические окна 10 в этом случае имеют вид полосы, разделяющей тонкопленочные планарные неконцентраторные ФЭП 6 на изолированные группы с последовательной коммутацией планарных неконцентраторных ФЭП 6 в них. Ширина оптических окон 10 в тонкопленочных слоях тыльной панели 5 совпадает или несколько превышает ширину основания защитного отражающего элемента 17. Конструктивно защитные отражающие элементы 17 имеют протяженную форму, что увеличивает суммарную удельную площадь плоского теплоотвода и снижает нагрев концентраторных ФЭП 8, и могут быть предназначены для установки одной или нескольких теплопроводящих плат 12 с коммутируемыми в электрическую цепь концентраторными ФЭП 8. Их длина должна быть меньше габаритного размера светопрозрачной пластины 3' и, как правило, выбирается из соображений обеспечения точности позиционирования концентраторных ФЭП 8 относительно оптической оси концентрирующего оптического элемента 4 при температурном расширении материала защитных отражающих элементов 17 и сохранения конструктивной прочности модуля 1 при возникновении механических напряжений по причине разницы коэффициентов температурного расширения материалов. Для улучшения теплоотвода, основания желобов защитных элементов 17 могут быть выполнены утолщенными.The concentrator-planar photovoltaic module 1 (see Fig. 1-Fig. 3) contains a front (lens) panel 2 based on a translucent plate 3 with concentrating optical elements 4 and a rear (electrogenerating) panel 5, with planar non-concentrator thin-film FEP 6 formed technological process on the back surface of the translucent plate 3 'in the form of long narrow strips parallel to each other (photogenerating cells) of the same area with a diffusely reflecting coating 7 on the back side, and Thorn FEP heat conducting radiators 8 9 provided on the rear surface of the plate 3 '. Planar non-concentrating thin-film FEP 6 are formed in the form of strips bypassing the heat-conducting radiators 9, forming optical windows 10 opposite the concentrating optical elements 4 of the front panel 2, where there are no planar non-concentrating thin-film FEP 6 and a diffusely reflecting coating 7. Planar non-concentrating thin-film FEP 6 the squares are electrically connected in groups using a metallic conductor (not shown in the drawing). The equality of the areas provides equal in magnitude photocurrent planar non-concentrator FEP 6 for connecting these FEP into a serial electric circuit. The mutual arrangement of the front panel 2 and the rear panel 5 is fixed with fastening elements 11. The heat-conducting radiators 9 are positioned within the optical windows 10 on the surface of the translucent plate 3 ', and attached to its surface so that the centers of the photodetector pads of each concentrator FEP 8 are on the same axis with the center of the corresponding concentrating optical element 4 of the front panel 3, ensuring the position of the focal spots on the concentrator FEP 8 with the exact orientation of the photovoltaic module in the direction to the Sun. Concentrating optical elements 4 can be of the type “classical flat convex lens”, “classical Fresnel lens”, “Fresnel lens with optical elements of total internal reflection” and can be made of optically transparent materials like polymethyl methacrylate, silicone or urethane compound and others, can have a square or another form that provides the location of the hubs close to each other, and is firmly connected to the surface of the translucent plate 3 of the front panel 2, performing protective and carrier fu actions. Hub FEP 8 and bypass diodes (if necessary) can be installed directly on heat-conducting radiators 9 and heat-conducting boards 12 with subsequent installation on heat-conducting radiators 9. Heat-conducting radiators 9 can be made of aluminum or other metal / alloy alloys (for example , copper with a coating of Zn, or Sn, or Ni). Heat-conducting boards 12 can be made in the form of multi-layer structures based on aluminum, ceramics, silicon, etc. with the provision of the necessary electrical diverting and insulating functions. The back side of module 1 can be sealed with a protective electrically insulating coating 13, for example, with a laminating ethylene-vinyl acetate film or a curable polymer composition, followed by applying a protective lavsan film, if this is required due to operation in aggressive conditions. An external (reverse relative to the flow of concentrated solar radiation) surface of heat-conducting radiators 9 can be applied to a heat-radiating coating 14. The electrical connection of concentrator solar cells 8 in a series-parallel circuit is carried out using metallic conductors (not shown) with a terminal to a switching terminal. The electricity generating part on the basis of planar non-concentrator FEP 6 forms a separate electrical circuit with output to the switching terminal. In a variant design of the electrical switching circuit, the concentrator and planar circuits can be connected in parallel, provided that a higher photocurrent is generated in a series-parallel circuit from concentrator solar cells and a higher voltage in the circuit based on planar thin-film solar cells. In the first embodiment of the present invention (see FIG. 1), protection of planar non-concentrator FEP 6 from contact with high-density concentrated solar radiation during module misorientation is implemented using translucent plate 3 ′ installed individually on the front surface coaxially above each concentrator FEP 8 15 reflecting elements 15 the form of hollow truncated pyramids with internal reflective surfaces, facing large bases to the front (lens) panel 2. When the module 1 is in operation, having misorientations relative to the direction to the Sun, such diffuse protective reflecting elements 13 scatter the focused radiation into the volume of module 1 and, thus, prevent concentrated high-density solar radiation from entering the planar non-concentrating solar cells 6. At the same time, concentric solar cells 8 on heat-conducting radiators 9 are mounted on the rear the surface of the translucent plate 3 'opposite the optical windows 10, and are outside the module 1. The second embodiment of the present invention, (see FIG. 2) differs from the first embodiment in that the protective reflective elements 16 are made in the form of continuous translucent truncated pyramids (kaleidoscopes), with large bases facing the frontal (lens) panel 2, a reflective coating is applied on the inclined walls of the pyramids. When module 1 operates in the disorientation mode relative to the direction to the Sun, such kaleidoscopes re-reflect the focused radiation away from thin-film planar non-concentrator PEC 6 to minimize their degradation. The external inclined walls of such pyramids can interact with the incoming radiation according to the principle of total internal reflection or have an additional mirror coating to increase the reflection efficiency. In the particular case, such protective reflective elements 16 can direct the radiation towards the concentrator photoelectric cell, and in the case of a convex frontal surface - further focus it, and act as a protective element for planar non-concentrator photoelectric cells 6, and a secondary optical concentrating element. The third embodiment of the present invention (see FIG. 3) differs from the first and second embodiments in that the protective reflective elements 17 are in the form
Figure 00000002
-shaped heat-conducting grooves with side walls with a diffusely reflecting surface. The bases of the grooves serve as a heat-conducting radiator 9 for concentrator FEP 8. Protective reflective elements 17 with concentrator FEP 8 on heat-conducting boards 12 are installed on the working (facing the front panel 2) surface of the translucent plate 3 'and are inside module 1. The side inclined walls of the protective reflecting elements 17 provide guaranteed protection of planar non-concentrator FEP 6 against the ingress of highly focused radiation up to the misorientation angles (in the transverse direction of the module), and outside which the radiation density in the concentrated light flux reaching the elements of the thin-film structure is not critical (damaging) for thin-film planar non-concentrator solar cells 6. In the longitudinal direction, at any angles of misorientation, the spot of focused solar radiation will remain within the protective reflecting element 17. Optical Windows 10 in this case have the form of a strip dividing thin-film planar non-concentrator FEP 6 into isolated groups with consecutive nd switching of planar non-concentrator FEP 6 in them. The width of optical windows 10 in thin-film layers of the back panel 5 matches or slightly exceeds the width of the base of the protective reflective element 17. Structurally, the protective reflective elements 17 have an extended shape, which increases the total specific area of the flat heat sink and reduces the heating of concentrator photoelectric transducers 8, and can be designed for installation one or several heat-conducting boards 12 with concentrator FEP 8 switched to an electrical circuit. Their length must be less than the overall size of a translucent plate Stins 3 'and, as a rule, are selected for reasons of ensuring accurate positioning of concentrator FEP 8 relative to the optical axis of the concentrating optical element 4 when the temperature expands the material of the protective reflective elements 17 and preserves the structural strength of the module 1 when mechanical stresses occur due to the difference in the coefficients of thermal expansion of materials. To improve heat dissipation, the base of the grooves of the protective elements 17 can be made thickened.

Комбинированный концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль 1 работает следующим образом. Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль модуль 1 устанавливают на поворотную платформу с системой слежения за Солнцем и ориентируют платформу в пространстве так, чтобы плоскость светопрозрачной пластины 3 фронтальной панели 2 с концентрирующими оптическими элементами 4 была перпендикулярна световому потоку солнечного излучения. При этом концентрирующие оптические элементы 4 фокусируют прямое солнечное излучение на фотоприемные площадки концентраторных ФЭП 8, установленных на теплопроводящие радиаторы 9, которые закреплены на рабочей или тыльной поверхности светопрозрачной пластины 3' тыльной панели 5 с тонкопленочными планарными неконцентраторными ФЭП 6, преобразующими поступающее сквозь концентратор диффузное (при отсутствии прямого) излучение или рассеянное концентрирующим оптическим элементом 4 излучение. На фронтальной стороне тыльной панели 5 установлены защитные отражающие элементы 15, 16 или 17, отражающие (рассеивающие) излучение из областей, прилегающих к концентраторным ФЭП 8, предотвращая тем самым попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные ФЭП 6 для минимизации их деградации при локальном засвечивании световым потоком высокой плотности при разориентации модуля 1 от направления на Солнце. Теплопроводящие радиаторы 9 имеют форму и конфигурацию, обеспечивающие эффективный теплоотвод от концентраторного ФЭП 8 При подключении к внешним контактам фотоэлектрического модуля 1 электрической нагрузки, в цепи нагрузки будет протекать электрический ток, генерируемый в контуре с концентраторными ФЭП 8 под воздействием сконцентрированного прямого солнечного излучения и в контуре с планарными неконцентраторными ФЭП 6 при преобразовании диффузного или рассеянного солнечного излучения. Коэффициент полезного действия концентраторной части фотоэлектрического модуля 1 с концентраторными ФЭП 8 может достигать 35%, а планарной части с тонкопленочными планарными неконцентраторными ФЭП 6 - 9-17% в зависимости от выбранной для них полупроводниковой структуры и конструкции. Часть солнечной энергии, не преобразованная в электрическую, превращается в тепло, которое передается от ФЭП 8 к теплопроводящим платам 12 с теплопроводящими радиаторами 9 и далее к светопрозрачной пластине 3' тыльной панели 5 с последующим рассеиванием в окружающее пространство посредством конвекционного теплообмена.Combined concentrator-planar photovoltaic module 1 operates as follows. The hub-planar photovoltaic module module 1 is installed on a turntable with a sun tracking system and orient the platform in space so that the plane of the translucent plate 3 of the front panel 2 with concentrating optical elements 4 is perpendicular to the light flux of solar radiation. At the same time concentrating optical elements 4 focus direct solar radiation onto photo-receiving platforms of concentrator FEP 8 installed on heat-conducting radiators 9, which are fixed on the working or rear surface of the translucent plate 3 'of the rear panel 5 with thin-film planar non-concentrator FEP 6, which convert the diffuse diffusor through the concentrator ( in the absence of direct radiation or scattered by the concentrating optical element 4 radiation. On the front side of the rear panel 5, protective reflective elements 15, 16 or 17 are installed, reflecting (scattering) radiation from the areas adjacent to the hub FEP 8, thereby preventing concentrated solar radiation from striking the planar non-concentrator FEP 6 to minimize their degradation when the local light is illuminated flow of high density when the module 1 is misoriented from the direction to the Sun. Heat-conducting radiators 9 are shaped and configured to provide an effective heat sink from a concentrator FEP 8 When an electrical load is connected to the external contacts of the photovoltaic module 1, electric current generated in the circuit with the concentrator FEP 8 under the influence of concentrated direct solar radiation and in the circuit will flow with planar non-concentrator FEP 6 when converting diffuse or scattered solar radiation. The efficiency of the concentrator part of the photovoltaic module 1 with concentrator FEP 8 can reach 35%, and the planar part with thin-film planar non-concentrator FEP 6 - 9-17%, depending on the semiconductor structure and structure chosen for them. The part of solar energy that is not converted to electricity is converted into heat, which is transferred from the FEP 8 to heat-conducting boards 12 with heat-conducting radiators 9 and further to the translucent plate 3 'of the back panel 5 with subsequent dissipation into the surrounding space through convection heat exchange.

Для практической проверки заявляемых решений был изготовлен экспериментальный образец комбинированного модуля с защитными отражающими элементами в виде

Figure 00000003
-образных теплопроводящих желобов с диффузно отражающими боковыми стенками из алюминиевого сплава. В качестве материала светопрозрачных пластин линзовой и электрогенерирующей панелей было выбрано стекло «солнечного» качества. На поверхности стеклянной пластины фронтальной панели были сформированы из оптически прозрачного силикона концентраторы типа «линза Френеля» квадратной формы примыкающие друг к другу. На тыльной поверхности стеклянной пластины тыльной панели были нанесены слои тонкопленочных планарных неконцентраторных ФЭП на основе каскадной структуры a-Si/nc-Si с оптическими окнами в виде полос, разделяющих планарные неконцентраторные ФЭП на изолированные группы, на фронтальной поверхности стеклянной пластины установлены защитные элементы с концентраторными ФЭП на основе А3В5 гетероструктур на теплопроводящих платах. Тыльная сторона модуля была загерметизирована ламинирующей этиленвинилацетатной пленкой. Проведенные испытания продемонстрировали работоспособность комбинированного модуля, при этом его энерговыработка превысила энерговыработку аналогичного концентраторного модуля на 5%.For the practical verification of the proposed solutions, an experimental sample of the combined module with protective reflective elements in the form of
Figure 00000003
-shaped heat-conducting grooves with diffusely reflecting aluminum alloy side walls. Glass of “solar” quality was chosen as the material of the translucent plates of the lens and electrogenerating panels. On the surface of the glass plate of the front panel, square-shaped Fresnel-type concentrators of optically transparent silicone were formed adjacent to each other. Layers of thin-film planar non-concentrator FEP based on a-Si / nc-Si cascade structure with optical windows in the form of strips dividing planar non-concentrator FEP into isolated groups were deposited on the back surface of the back plate glass plate; protective elements with concentrator elements were installed on the front surface of the glass plate FEP based on A3B5 heterostructures on heat-conducting boards. The back of the module was sealed with a laminating ethylene-vinyl acetate film. The tests performed demonstrated the operability of the combined module, while its energy production exceeded the energy production of a similar concentrator module by 5%.

В настоящей конструкции модуля исключается возможность деградации тонкопленочных планарных неконцентраторных ФЭП и выгорания элементов конструкции при смещении сфокусированного солнечного излучения относительно концентраторных ФЭП в область тонкопленочных структур планарных неконцентраторных ФЭП. За счет этого настоящая конструкция фотоэлектрического модуля имеет увеличенный срок эксплуатации при сохранении эффективности преобразования солнечного излучения при одновременном увеличении общего энергосъема и годовой выработки электроэнергии.This module design excludes the possibility of degradation of thin-film planar non-concentrator solar cells and burnout of structural elements when the focused solar radiation shifts relative to the concentrator solar cells in the region of the thin-film structures of planar non-concentrator solar cells. Due to this, the present design of the photovoltaic module has an increased service life while maintaining the efficiency of conversion of solar radiation while increasing the total energy output and annual electricity generation.

При производстве модуля предлагается использовать родственные по сути и используемым материалам технологические процессы ламинирования и герметизации, нашедшие широкое применение при изготовлении электрогенерирующих оснований в модулях как планарного, так и концентраторного типов. Распространение предложенного комбинированного фотоэлектрического модуля в системах «зеленой» энергетики даст большой экономический эффект, обусловленный тем, что модуль прост по конструкции, высокотехнологичен в изготовлении, обладает высокими фотоэлектрическими и технико-экономическими показателями и прочностными характеристиками, обеспечивающими надежную и долговременную эксплуатацию.In the production of the module, it is proposed to use lamination and sealing processes related to the substance and materials used, which are widely used in the manufacture of electrogenerating bases in modules of both planar and concentrator types. The distribution of the proposed combined photovoltaic module in the systems of "green" energy will give a large economic effect, due to the fact that the module is simple in design, high-tech to manufacture, has high photoelectric and technical and economic indicators and strength characteristics that ensure reliable and long-term operation.

Изобретение направлено на увеличение энергетического потенциала высокоэффективных фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения и расширение климатических областей их применения, в том числе за счет сочетания концентраторных технологий А3В5 с экономически эффективными подходами стандартной планарной фотоэнергетики.The invention is aimed at increasing the energy potential of high-efficiency photovoltaic modules with solar concentrators and expanding the climatic areas of their application, including by combining A3B5 concentrator technologies with cost-effective approaches to standard planar photovoltaic.

Концентраторно-планарные фотоэлектрические модули предназначены к применению в наземных энергетических установках с механизмом непрерывного слежения за положением Солнца, работающих в составе систем «зеленой энергетики» в климатических зонах с переменным отношением прямой и диффузной составляющих в общем потоке излучения.Hub-planar photovoltaic modules are intended for use in terrestrial power plants with a continuous tracking mechanism for the position of the Sun, working as part of the "green energy" systems in climatic zones with a variable ratio of direct and diffuse components in the total radiation flux.

Claims (10)

1. Концентраторно-планарный фотоэлектрический модуль, содержащий фронтальную светопрозрачную панель с концентрирующими оптическими элементами, светопрозрачную тыльную панель, на которой сформированы планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи с окнами, противолежащими концентрирующим оптическим элементам, в которых размещены концентраторные фотоэлектрические преобразователи, и элементы крепления, при этом фронтальная панель и тыльная панель соединены элементами крепления так, что центр фотоприемной площадки каждого концентраторного фотоэлектрического преобразователя лежит на одной оси с центром соответствующего концентрирующего оптического элемента и совпадает с его фокусом, отличающийся тем, что концентраторные фотоэлектрические преобразователи снабжены защитными отражающими элементами с боковой светоотражающей поверхностью, установленными на фронтальной стороне тыльной панели и исключающими попадание концентрированного солнечного излучения на планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи при разориентации модуля от направления на Солнце.1. A hub-planar photovoltaic module containing a frontal translucent panel with concentrating optical elements, a translucent rear panel on which planar non-concentrator photoelectric converters are formed with windows opposite to the concentrating optical elements in which the concentrator photoelectric converters are located, and the fastening elements, with the frontal the panel and the rear panel are connected by fasteners so that the center of the photodetector area Each concentrator photoelectric converter lies on the same axis with the center of the corresponding concentrating optical element and coincides with its focus, characterized in that the concentrator photoelectric converters are equipped with protective reflective elements with a side reflective surface mounted on the front side of the rear panel and excluding the ingress of concentrated solar radiation on the planar non-concentrator photoelectric converters in case of misorientation Dule from the direction of the sun. 2. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что защитные отражающие элементы выполнены в виде полых усеченных пирамид с внутренними светоотражающими поверхностями, обращенных большими основаниями к фронтальной панели, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на тыльной стороне тыльной панели и снабжены теплопроводящим радиатором.2. The photovoltaic module according to claim 1, characterized in that the protective reflective elements are made in the form of hollow truncated pyramids with internal reflecting surfaces that face large bases towards the front panel, and the concentrator photoelectric converters are installed on the rear side of the rear panel and are equipped with a heat-conducting radiator. 3. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что защитные отражающие элементы выполнены в виде сплошных светопрозрачных усеченных пирамид, обращенных большими основаниями к фронтальной панели, на наклонные стенки пирамид нанесено светоотражающее покрытие, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на тыльной стороне тыльной панели и снабжены теплопроводящим радиатором.3. The photovoltaic module according to claim 1, characterized in that the protective reflective elements are made in the form of continuous translucent truncated pyramids, facing large bases to the front panel, a reflective coating is applied on the inclined walls of the pyramids, and concentrator photoelectric converters are installed on the rear side of the rear panel and equipped with a heat-conducting radiator. 4. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что окна выполнены в виде полос, над которыми установлены защитные отражающие элементы в виде
Figure 00000004
образных теплопроводящих желобов с боковыми стенками со светоотражающим покрытием, а концентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены на основаниях желобов, служащих теплопроводящим радиатором.4. Photovoltaic module according to Claim. 1, characterized in that the windows are made in the form of strips, over which protective reflecting elements are installed in the form
Figure 00000004
shaped heat-conducting grooves with side walls with a reflective coating, and concentrator photoelectric converters are installed on the bases of the grooves, which serve as a heat-conducting radiator. 5. Фотоэлектрический модуль по п. 4, отличающийся тем, что боковые стенки теплопроводящих желобов выполнены утолщенными к основанию желоба.5. The photovoltaic module according to claim 4, characterized in that the side walls of the heat-conducting grooves are made thickened to the base of the groove. 6. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что концентрирующие оптические элементы выполнены из силикона в виде линз Френеля квадратной формы, сформированных вплотную друг к другу на тыльной стороне фронтальной панели.6. A photovoltaic module according to claim 1, characterized in that the concentrating optical elements are made of silicone in the form of square-shaped Fresnel lenses, formed close to each other on the back side of the front panel. 7. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что концентраторные фотоэлектрические преобразователи выполнены на основе А3В5 гетероструктуры.7. Photovoltaic module according to Claim. 1, characterized in that the concentrator photoelectric converters are made on the basis of A 3 B 5 heterostructure. 8. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что планарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи выполнены на основе структур, выбранных из группы полупроводниковых материалов aSi/nc-Si, CuInSe2, Cu(In1-xGax)Se2.8. Photovoltaic module according to claim 1, characterized in that planar non-concentrator photoelectric converters are made on the basis of structures selected from the group of semiconductor materials aSi / nc-Si, CuInSe 2 , Cu (In 1-x Ga x ) Se 2 . 9. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что элементы крепления выполнены в виде боковых панелей.9. Photovoltaic module according to Claim. 1, characterized in that the fastening elements are made in the form of side panels. 10. Фотоэлектрический модуль по п. 1, отличающийся тем, что элементы крепления выполнены в виде рам.10. Photovoltaic module according to Claim. 1, characterized in that the fastening elements are made in the form of frames.
RU2018122560A 2018-06-19 2018-06-19 Concentrator-planar solar photoelectric module RU2690728C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018122560A RU2690728C1 (en) 2018-06-19 2018-06-19 Concentrator-planar solar photoelectric module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018122560A RU2690728C1 (en) 2018-06-19 2018-06-19 Concentrator-planar solar photoelectric module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2690728C1 true RU2690728C1 (en) 2019-06-05

Family

ID=67037443

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018122560A RU2690728C1 (en) 2018-06-19 2018-06-19 Concentrator-planar solar photoelectric module

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2690728C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2740738C1 (en) * 2020-04-20 2021-01-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Powerful concentrator photoelectric module
RU2744355C1 (en) * 2020-08-04 2021-03-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Concentrator photoelectric module
RU2773716C1 (en) * 2021-10-11 2022-06-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Concentrator photoelectric module with planar elements

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2352023C1 (en) * 2007-10-19 2009-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") Solar photoelectric module
RU2370856C2 (en) * 2007-10-19 2009-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") Concentrator photoelectric module
RU2395136C1 (en) * 2009-06-15 2010-07-20 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Photovoltaic module
RU2578735C1 (en) * 2014-12-10 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Concentrator solar photovoltaic module
RU2611693C1 (en) * 2015-11-13 2017-02-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Solar concentrator module

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2352023C1 (en) * 2007-10-19 2009-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") Solar photoelectric module
RU2370856C2 (en) * 2007-10-19 2009-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") Concentrator photoelectric module
RU2395136C1 (en) * 2009-06-15 2010-07-20 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Photovoltaic module
RU2578735C1 (en) * 2014-12-10 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Concentrator solar photovoltaic module
RU2611693C1 (en) * 2015-11-13 2017-02-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Solar concentrator module

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2740738C1 (en) * 2020-04-20 2021-01-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Powerful concentrator photoelectric module
RU2744355C1 (en) * 2020-08-04 2021-03-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Concentrator photoelectric module
RU2773716C1 (en) * 2021-10-11 2022-06-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Concentrator photoelectric module with planar elements
RU214760U1 (en) * 2022-04-19 2022-11-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук SOLAR RADIATION CONCENTRATOR
RU2789205C1 (en) * 2022-05-13 2023-01-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Solar photovoltaic power plant

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9923112B2 (en) Concentrated photovoltaic system modules using III-V semiconductor solar cells
US8049150B2 (en) Solar collector with end modifications
US8410350B2 (en) Modular solar panels with heat exchange
US7728219B2 (en) Photovoltaic cells, modules and methods of making same
US20120167942A1 (en) Low-concentration flat profile photovoltaic modules
US20100126554A1 (en) Staggered light collectors for concentrator solar panels
US20080185034A1 (en) Fly's Eye Lens Short Focal Length Solar Concentrator
CN102044585B (en) Concentrated photovoltaic system modules using iii-v semiconductor solar cells
JP2011003896A (en) Receiver structure for photovoltaic concentrator system comprising group iii-v compound semiconductor solar cell
US20130306130A1 (en) Solar module apparatus with edge reflection enhancement and method of making the same
WO2006049524A1 (en) Photovoltaic module
KR20120018792A (en) Solar photovoltaic concentrator panel
WO2004114419A1 (en) Linear compound photovoltaic module and reflector
RU2690728C1 (en) Concentrator-planar solar photoelectric module
US20110203638A1 (en) Concentrating linear photovoltaic receiver and method for manufacturing same
US20160005910A1 (en) Vertical multi-junction photovoltaic cell with reverse current limiting element
JP4898145B2 (en) Concentrating solar cell module
Loeckenhoff et al. Development, characterisation and 1000 suns outdoor tests of GaAs monolithic interconnected module (MIM) receivers
RU2395136C1 (en) Photovoltaic module
CN201733250U (en) Line-focusing light-focusing photovoltaic module
RU2354005C1 (en) Photoelectric module
RU2475888C1 (en) Photovoltaic module design
RU2578735C1 (en) Concentrator solar photovoltaic module
US20190353882A1 (en) Solar concentrator apparatus and solar collector array
JP2016214079A (en) Concentrating solar power generation panel and concentrating solar power generation apparatus