Фотопреобразователь концентрированного излучения

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ которые фронтальный контакт соединен с помощью токопроводящих перемычек с фронтальным электродом, расположенным с зазором под тыльным электродом, и оба электрода герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрической изолирующей прокладкой, причем межэлектродное пространство под фотоэлектрическим элементом герметически заполнено гидрофобным диэлектрическим теплоизолирующим материалом, примыкающим к изолирующей прокладке по двум противоположным сторонам фотопреобразователя, образуя по двум другим сторонам входной и выходной каналы,имеющие длину не менее длины фотоэлемента, а отверстия для ввода и вывода теплоносителя соединены соответственно с входным и выходным каналами, причем каждый из каналов связан с камерой посредством дополнительных отверстий,выполненных в тыльном электроде, входной и выходной каналы с дополнительными отверстиями расположены под поверхностью фотоэлектрического элемента, а фотоэлектрический элемент в области дополнительных отверстий имеет зазоры с тыльным электродом и боковыми стенками фотоприемной камеры. Данная конструкция обеспечивает более эффективное преобразование энергии солнечного излучения по сравнению с прототипом.(72) Антощенко Владимир Степанович Лаврищев Олег Александрович Францев Юрий Валерьевич Антощенко Евгений Владимирович Мессерле Владимир Ефремович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет им. аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Инновационный патент РК 27952, 2013(57) Предлагается фотопреобразователь концентрированного излучения, состоящий из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыловым контактами,размещенного внутри фотоприемной камеры, образованной прозрачной пластиной и тыльным электродом, герметично соединенными по периметру так, что между фотоэлектрическим элементом и прозрачной пластиной имеется зазор, а тыльный контакт непосредственно присоединен к тыльному электроду, причем в фотоэлектрическом элементе и тыльном электроде выполнены распределенные по площади соосные сквозные отверстия, через Изобретение относится к альтернативной энергетике, в частности, к преобразователям солнечной энергии и может быть использовано для совместного преобразования концентрированных потоков солнечной радиации в тепло и электричество. Известен фотопреобразователь концентрированного излучения, состоящий из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыльным контактами, причем Тыльный контакт присоединен к тыльному электроду. В фотоэлектрическом элементе и тыльном электроде выполнены равномерно распределенные по площади сквозные отверстия, через которые фронтальный контакт соединен токопроводящими перемычками с фронтальным электродом,расположенным с зазором под тыльным электродом. Оба электрода герметично связаны по периметру и образуют нижнюю камеру, имеющую отверстие для ввода теплоносителя. Сверху фотоэлектрического элемента выполнена верхняя камера, образованная прозрачной пластиной, герметично соединенной по периметру с тыльным электродом. В верхней камере предусмотрен вывод теплоносителя, причем прозрачная пластина образует с фронтальной поверхностью фотопреобразовательного элемента плоский зазор, а верхняя и нижняя камеры связаны через отверстия в фотоэлектрическом элементе и тыльном электроде,Лаврищев О.А. Однопереходный фотопреобразователь концентрированного солнечного излучения // Предварительный патент РК 19500, опубл. 15.05.2008 г., бюлл. 5). Недостатком данного устройства является неоднородное охлаждение фотоэлектрического элемента рабочей жидкостью, обусловленное разным расстоянием между выходным отверстием и отверстиями в фотоэлектрическом элементе и тыльном электроде, через которые рабочая жидкость поступает в верхнюю камеру. Наиболее близким по технической сущности является фотопреобразователь концентрированного излучения, состоящий из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыловым контактами,размещенного внутри фотоприемной камеры,образованной прозрачной пластиной и тыльным электродом,герметично соединенными по периметру так, что между фотоэлектрическим элементом и прозрачной пластиной имеется зазор, а тыльный контакт непосредственно присоединен к тыльному электроду, причем в фотоэлектрическом элементе и тыльном электроде выполнены распределенные по площади соосные сквозные отверстия, через которые фронтальный контакт соединен с помощью токопроводящих перемычек с фронтальным электродом, расположенным с зазором под тыльным электродом, и оба электрода герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрической изолирующей прокладкой, причем межэлектродное пространство под фотоэлектрическим элементом герметически заполнено гидрофобным диэлектрическим теплоизолирующим материалом,2 примыкающим к изолирующей прокладке по двум противоположным сторонам фотопреобразователя,образуя по двум другим сторонам входной и выходной каналы, имеющие длину не менее длины фотоэлектрического элемента, а отверстия для ввода и вывода теплоносителя соединены соответственно с входным и выходным каналами, причем каждый из каналов связан с камерой посредством дополнительных отверстий,выполненных в тыльном электроде вдоль каждого из каналов(Инновационный патент РК 27952, опубл. 25.12.2013 г., бюлл. 12). Недостатком данного устройства является пониженная эффективность преобразования солнечного излучения в тепло и электричество,связанная с относительно низким отношением активной площади фотопреобразователя к его общей площади (согласно общепринятой методике,эффективность фотопреобразователя определяется отношением мощности,вырабатываемой фотопреобразователем, к мощности солнечной радиации, падающей на всю его поверхность,включая пассивные конструкционные элементы). Таким образом, наличие в конструкции прототипа пассивных (не фотоактивных) областей с двух сторон фотоэлемента, образованных верхними стенками каналов с дополнительными отверстиями,выходящими за пределы фотоэлемента,увеличивают общую площадь,снижая эффективность всего устройства. Задачей изобретения является разработка фотопреобразователя концентрированного излучения с повышенной эффективностью преобразования за счет увеличения доли активной поверхности фотопреобразователя. Технический результат - сокращение общей площади фотопреобразователя при сохранении вырабатываемой фотопреобразователем мощности. Технический результат достигается тем, что в фотопреобразователе концентрированного излучения, состоящем из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыловым контактами,размещенного внутри фотоприемной камеры,образованной прозрачной пластиной и тыльным электродом,герметично соединенными по периметру так, что между фотоэлектрическим элементом и прозрачной пластиной имеется зазор, а тыльный контакт непосредственно присоединен к тыльному электроду, причем в фотоэлектрическом элементе и тыльном электроде выполнены распределенные по площади соосные сквозные отверстия, через которые фронтальный контакт соединен с помощью токопроводящих перемычек с фронтальным электродом, расположенным с зазором под тыльным электродом, и оба электрода герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрической изолирующей прокладкой, причем межэлектродное пространство под фотоэлектрическим элементом герметически заполнено гидрофобным диэлектрическим теплоизолирующим материалом,примыкающим к изолирующей прокладке по двум противоположным сторонам фотопреобразователя, 31261 образуя по двум другим сторонам входной и выходной каналы, имеющие длину не менее длины фотоэлемента, а отверстия для ввода и вывода теплоносителя соединены соответственно с входным и выходным каналами, причем каждый из каналов связан с камерой посредством дополнительных отверстий,выполненных в тыльном электроде, входной и выходной каналы с дополнительными отверстиями для ввода и вывода теплоносителя расположены под поверхностью фотоэлектрического элемента, а фотоэлектрический элемент в области дополнительных отверстий имеет зазоры с тыльным электродом и боковыми стенками фотоприемной камеры. Проведенные патентно-информационные исследования показали, что во всех известных конструкциях фотопреобразователей не предусмотрено расположение входного и выходного каналов для ввода и вывода теплоносителя с дополнительными отверстиями под фотоэлектрическим элементом, как и создание зазоров в области дополнительных отверстий между фотоэлектрическим элементом и тыльным электродом, а также между фотоэлектрическим элементом и боковыми стенками фотоприемной камеры. Преимуществом предлагаемого фотопреобразователя по сравнению с прототипом является то, что расположение входного и выходного каналов для ввода и вывода теплоносителя с дополнительными отверстиями под фотоэлектрическим элементом позволяет уменьшить общую площадь фотопреобразователя, и тем самым увеличить эффективность преобразования солнечного излучения, а создание зазоров в области дополнительных отверстий между фотоэлектрическим элементом и тыльным электродом, а также между фотоэлектрическим элементом и боковыми стенками фотоприемной камеры, обеспечивает протекание теплоносителя через камеру вдоль фотоэлектрического элемента. На фиг.1 дан разрез фотопреобразователя концентрированного излучения. Фотопреобразователь состоит из фотоэлектрического элемента со слоями эмиттера 1 и базы 2, тыльного сплошного контакта 3, тыльного токосъемного электрода 4, фронтального контакта,выполненного в виде сетки 5, токоотводящих перемычек 6, проходящих через отверстия 7 и соединяющих контактную сетку 5 с фронтальным токосъемным электродом 8. Токосъемные электроды 4 и 8 герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрической изолирующей прокладкой 9,причем межэлектродное пространство под фотоэлектрическим элементом герметично заполнено гидрофобным диэлектрическим материалом 12, примыкающим к изолирующей прокладке 9 по двум противоположным сторонам фотопреобразователя, образуя по двум другим сторонам входной 13 и выходной 14 каналы,имеющие длину не менее длины фотоэлемента. Отверстие 10 с патрубком 11 соединено с входным каналом 13 для ввода теплоносителя, а отверстие 19 с патрубком 20 для вывода теплоносителя соединено с выходным каналом 14. Каждый из каналов связан с верхней камерой посредством дополнительных отверстий 17 и 18, выполненных в тыльном токосъемном электроде 4, расположенных под фотоэлектрическим элементом, причем в конструкции предусмотрены зазоры для протекания теплоносителя между фотоэлектрическим элементом и тыльным электродом 21, а также между фотоэлектрическим элементом и боковыми стенками фотоприемной камеры 22. Фотопреобразователь работает следующим образом. Часть солнечного излучения с энергией больше ширины запрещенной зоны полупроводника преобразуется в электрическую энергию. При подключении нагрузки в ней выделяется электрическая мощность. Не преобразованная в электричество часть энергии выделяется в виде тепла,передается жидкому теплоносителю,циркулирующему в тепловой части фотопреобразователя, поступая через патрубок 11 в канал 13, через дополнительные отверстия 17 в фотоприемную камеру, где протекает в зазоре между прозрачной пластиной 15 и фотоэлектрическим элементом,через дополнительные отверстия 18 попадает в выходной канал 14, отверстие 19 и патрубок 20. Для обеспечения циркуляции теплоносителя патрубки 11 и 20 соединяют с радиатором охлаждения первого контура (на Фиг.1 не показан). С целью повышения эффективности работы фотопреобразователя, камеры ввода и вывода теплоносителя с дополнительными отверстиями расположены под фотоэлектрическим элементом, а беспрепятственное протекание теплоносителя обеспечивается наличием зазоров 21 и 22. Испытание работоспособности предлагаемой конструкции проводили на фотопреобразователях концентрированного излучения, изготовленных по прототипу и по предлагаемой конструкции с использованием промышленных кремниевых фотоэлектрических элементов размером 125125 мм. В качестве теплоносителя использовали антифриз на основе этиленгликоля с антикоррозийными присадками,который принудительно протекал через фотопреобразователь со скоростью 10 см 3/сек. Фокусирование солнечного излучения на фотопреобразователе осуществляли планарным концентратором с системой плоских зеркал (12 штук), которые позволили получить на расстоянии 120 см от геометрического центра оптическую концентрацию 8 х. Фотопреобразователи показали одинаковые электрические параметры ток короткого замыкания 36 А, напряжение холостого хода 0,66 В и коэффициент заполнения нагрузочной характеристики 0,675. Вырабатываемая электрическая мощность при этом составила 16,0 Вт. Испытание проводилось в течение двух часов с 12 до 14 часов в безоблачный день 4 июня 2014 г. в г. Алматы. Падающая мощность, измеренная пиранометром, составила 1050 Вт/м 2 в течение всего времени испытания. В течение времени испытания 3 не наблюдалось заметного дрейфа параметров, а температура фотоэлектрических элементов оставалась практически постоянной, равной 36 С. Расчет эффективности преобразования солнечного излучения для фотопреобразователяпрототипа общая площадь - 222,75 см 2 (13,5 см х 16,5 см) или 0,0223 м 2 (с учетом нефотоактивной площади фотопреобразователя, выходящей за пределы фотоэлектрического элемента), величина падающей на фотопреобразователь радиации с учетом восьмикратной концентрации составила 1050 Вт/м 2 х 0,0223 м 2 х 8187,32 Вт, а эффективность преобразования (16 Вт/187,32 Вт) х 1008,5. Расчет эффективности преобразования солнечного излучения для предлагаемой конструкции общая площадь - 182,25 см 2 (13,5 см х 13,5 см) или 0,0182 м 2,величина падающей на фотопреобразователь радиации с учетом восьмикратной концентрации составила 1050 Вт/м 2 х 0,0182 м 2 х 8152,9 Вт, и эффективность преобразования (16 Вт/153,09 Вт) х 10010,5. Таким образом,уменьшение размеров фотопреобразователя за счет размещения каналов с дополнительными отверстиями под поверхностью фотоэлектрического элемента позволило увеличить эффективность преобразования устройства на 2,0. Это означает, что если с использованием солнечной батареи, состоящей из 10 фотопреобразователейпрототипов можно получить суммарную электрическую мощность 16 Вт х 10160 Вт, то при использовании предлагаемой конструкции на той же площади батареи (13,5 см х 165 см) могут быть установлены 12 фотопреобразователей,изготовленных по предлагаемой конструкции, с суммарной мощностью 16 Вт х 12192 Вт, что на 20 превышает мощность батареи с фотопреобразователями-прототипами. Из приведенного примера видно, что незначительный прирост эффективности преобразования фотопреобразователя приводит к существенному росту вырабатываемой им мощности. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Фотопреобразователь концентрированного излучения, состоящий из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыловым контактами,размещенного внутри фотоприемной камеры,образованной прозрачной пластиной и тыльным электродом,герметично соединенными по периметру так, что между фотоэлектрическим элементом и прозрачной пластиной имеется зазор, а тыльный контакт непосредственно присоединен к тыльному электроду, причем в фотоэлектрическом элементе и тыльном электроде выполнены распределенные по площади соосные сквозные отверстия, через которые фронтальный контакт соединен с помощью токопроводящих перемычек с фронтальным электродом, расположенным с зазором под тыльным электродом, и оба электрода герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрической изолирующей прокладкой, причем межэлектродное пространство под фотоэлектрическим элементом герметически заполнено гидрофобным диэлектрическим теплоизолирующим материалом,примыкающим к изолирующей прокладке по двум противоположным сторонам фотопреобразователя,образуя по двум другим сторонам входной и выходной каналы, имеющие длину не менее длины фотоэлемента, а отверстия для ввода и вывода теплоносителя соединены соответственно с входным и выходным каналами, причем каждый из каналов связан с камерой посредством дополнительных отверстий,выполненных в тыльном электроде, отличающийся тем, что входной и выходной каналы с дополнительными отверстиями расположены под поверхностью фотоэлектрического элемента, а фотоэлектрический элемент в области дополнительных отверстий имеет зазоры с тыльным электродом и боковыми стенками фотоприемной камеры.