Фотопреобразователь концентрированного излучения

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Предлагается фотопреобразователь концентрированного излучения, состоящий из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыльным контактами и тыльного электрода, присоединенного к тыльному контакту, в которых 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, причем фронтальный и тыльный электроды герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрическим материалом, образуя нижнюю камеру, имеющую отверстие для ввода теплоносителя, а сверху фотоэлектрического элемента выполнена верхняя камера, образованная прозрачной пластиной, герметично соединенной по периметру с тыльным электродом, в которой предусмотрен вывод теплоносителя, отличающийся тем, что нижняя камера под фотоэлектрическим элементом герметично заполнена гидрофобным теплоизолирующим диэлектрическим материалом, образуя входной и выходной каналы, имеющие длину не менее длины фотоэлемента, не менее длины фотоэлемента, причем отверстие для ввода теплоносителя сопряжено с входным каналом, а каждый из каналов связан с верхней камерой посредством ряда дополнительных отверстий равного сечения, выполненных в тыльном электроде и равномерно распределенных по длине канатов, причем в выходном канале предусмотрено отверстие для вывода теплоносителя, выполненное во фронтальном электроде.
Данная конструкция позволяет снизить потери тепловой энергии и обеспечить более однородное охлаждение фотоэлектрического элемента, что повышает эффективность преобразования солнечной энергии в тепло и электричество.

Текст

Смотреть все

(51) 01 31/06 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ образуя нижнюю камеру, имеющую отверстие для ввода теплоносителя, а сверху фотоэлектрического элемента выполнена верхняя камера, образованная прозрачной пластиной, герметично соединенной по периметру с тыльным электродом, в которой предусмотрен вывод теплоносителя, отличающийся тем, что нижняя камера под фотоэлектрическим элементом герметично заполнена гидрофобным теплоизолирующим диэлектрическим материалом,образуя входной и выходной каналы, имеющие длину не менее длины фотоэлемента, не менее длины фотоэлемента, причем отверстие для ввода теплоносителя сопряжено с входным каналом, а каждый из каналов связан с верхней камерой посредством ряда дополнительных отверстии равного сечения, выполненных в тыльном электроде и равномерно распределенных по длине каналов, причем в выходном канале предусмотрено отверстие для вывода теплоносителя, выполненное во фронтальном электроде. Данная конструкция позволяет снизить потери тепловой энергии и обеспечить более однородное охлаждение фотоэлектрического элемента, что повышает эффективность преобразования солнечной энергии в тепло и электричество.(72) Антощенко Владимир Степанович Лаврищев Олег Александрович Францев Юрий Валерьевич Антощенко Евгений Владимирович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет им. аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(57) Предлагается фотопреобразователь концентрированного излучения, состоящий из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыльным контактами и тыльного электрода,присоединенного к тыльному контакту, в которых 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, причем фронтальный и тыльный электроды герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрическим материалом, 27952 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 и связанным с тыльным контактом тыльным электродом, в которых выполнены сквозные отверстия, равномерно распределенные по площади, и через которые фронтальный контакт соединен токопроводящими перемычками с фронтальным электродом,расположенным под тыльным электродом. Отверстия герметизированы электроизоляционным компаундом. Оба электрода связаны по двум сторонам диэлектрическими прокладками и образуют Иквозной канал для протекания теплоносителя через открытые стороны.(Антощенко , Пак СП. Однопереходный фотопреобразователь концентрированного солнечного излучения/Предварительный патент РК 13085, приоритет от 06.12.2001). Недостатком данной конструкции является высокое тепловое сопротивление фотопреобразовательного элемента(3-5 С/Вт),обусловленное конечной толщиной базового слоя(она практически совпадает с толщиной полупроводниковой пластины) и толщиной тыльного токосъемного электрода. Вследствие этого температура вблизи р-п-перехода превышает температуру теплоносителя и эта разница возрастает с ростом степени концентрации солнечного излучения, что приводит к ухудшению рабочих характеристик фотопреобразователя. Кроме того, в данной конструкции неизбежны потери тепловой энергии через фронтальный электрод, что снижает эффективность преобразования устройства. Наиболее близким по технической сущности является фотопреобразователь концентрированного излучения, состоящий из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыльным контактами. Тыльный контакт присоединен к тыльному электроду. В фотоэлектрическом элементе и тыльном электроде выполнены сквозные отверстия,равномерно распределенные по площади, 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 которой предусмотрен вывод теплоносителя, причем прозрачная пластина образует с фронтальной поверхностью фотопреобразовательного элемента плоский зазор, а верхняя и нижняя камеры связаны через отверстия в фотопреобразовательном элементе и тыльном 2 электроде (Антощенко , Лаврищев О.А. Однопереходный фотопреобразователь концентрированного солнечного излучения // Предварительный патент РК 19500, приоритет от 17.11.2006). 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. Кроме того,в данном устройстве неизбежны потери тепла через тыльную поверхность фотопреобразователя,снижающие эффективность выработки тепловой энергии. Задачей изобретения является разработка фотопреобразователя концентрированного излучения с улучшенными характеристиками за счет повышения однородности охлаждения фотоэлектрического элемента и снижения тепловых потерь. Технический результат достигается тем, что в фотопреобразователе концентрированного излучения, состоящем из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыльным контактами и тыльного электрода, присоединенного к тыльному контакту, в которых выполнены распределнные по площади соосные сквозные отверстия, через которые фронтальный контакт соединен с помощью токопроводящих перемычек с фронтальным электродом, расположенным с зазором под тыльным электродом, причем фронтальный и тыльный электроды герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрическим материалом,образуя нижнюю камеру, имеющую во фронтальном электроде отверстие для ввода теплоносителя, а сверху фотоэлектрического элемента выполнена верхняя камера,образованная прозрачной пластиной, герметично соединенной по периметру с тыльным электродом, причем в верхней камере предусмотрен вывод теплоносителя, нижняя камера под фотоэлектрическим элементом герметично заполнена гидрофобным диэлектрическим теплоизолирующим материалом,который примыкает к изолирующей прокладке по двум противоположным сторонам фотопреобразователя,образуя со стенками нижней камеры по двум другим сторонам входной и выходной каналы, имеющие длину не менее длины фотоэлемента, причем отверстие для ввода теплоносителя сопряжено с входным каналом, а каждый из каналов связан с верхней камерой посредством ряда дополнительных отверстий равного сечения, выполненных в тыльном электроде и равномерно распределенных по длине каналов, причем в выходном канале предусмотрено отверстие для вывода теплоносителя, выполненное во фронтальном электроде. Преимуществом предлагаемого фотопреобразователя концентрированного излучения по сравнению с прототипом является то,что заполнение теплоизолирующим материалом нижней камеры под фотоэлектрическим элементом снижает тепловые потери через поверхность фронтального электрода, что позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии в тепло, а формирование при этом по двум противоположным сторонам фотопреобразователя входного и выходного каналов, имеющих длину не менее длины фотоэлемента, связанных с верхней камерой дополнительными отверстиями,выполненными в тыльном электроде и распределенными по всей длине входного и выходного каналов,позволяет получить ламинарный поток теплоносителя в зазоре между прозрачной пластиной и фотоэлектрическим элементом и, тем самым улучшить однородность его охлаждения,а значит и эффективность преобразования солнечной энергии в электричество. На Фиг.1 приведена схема фотопреобразователя концентрированного излучения. Фотопреобразователь состоит из фотоэлектрического элемента со слоями эмиттера 1 и базы 2, тыльного сплошного контакта 3, тыльного электрода 4, фронтального контакта выполненного в виде сетки 5, токоотводящих перемычек 6,проходящих через отверстия 7 и соединяющих контактную сетку 5 с фронтальным электродом 8. Токосъемные электроды 4 и 8 герметично соединены по периметру изолирующей прокладкой 9 и образуют нижнюю камеру с входным отверстием 10, соединенным с патрубком 11. Часть нижней камеры под фотоэлектрическим элементом заполнена гидрофобным диэлектрическим теплоизолирующим материалом 12, который примыкает к изолирующей прокладке по двум противоположным сторонам фотопреобразователя, а по двум другим сторонам вместе со стенками нижней камеры образует входной 13 и выходной 14 каналы соответственно для ввода и вывода теплоносителя, так что входное отверстие 10 сопряжено с входным каналом 13. Верхняя камера образован прозрачным покрытием 15, герметично связанным с тыльным электродом 4 по периметру прокладкой 16. Каждый из каналов связан с верхней камерой посредством ряда дополнительных отверстий 17 и 18 равного сечения, выполненных в тыльном электроде 4 и равномерно распределенных по длине каналов, а в выходном канале 14 предусмотрено отверстие 19 для вывода теплоносителя, выполненное во фронтальном электроде 8 и снабженное патрубком 20. Фотопреобразователь работает следующим образом. Поток квантов излучения с энергией больше ширины запрещенной зоны материала базы 2, попадая на поверхность фотоэлектрического элемента со стороны эмиттера 1, частично поглощается в слоях эмиттера 1 и базы 2 и генерирует в них электронно-дырочные пары. Фотогенерированные носители тока разделяются рп-переходом и создают разность потенциалов на токосъемных электродах 4 и 8. При подключении нагрузки в ней выделяется электрическая мощность. Не преобразованная в электричество часть энергии в основном выделяется в виде тепла, приводя к нагреву фотопреобразовательного элемента. Для снижения нагрева в фотопреобразователе циркулирует жидкий теплоноситель, подаваемый через патрубок 11 в канал 13, через дополнительные отверстия 17 в верхнюю камеру, где проходит в промежутке между покрытием 15 и фотоэлектрическим элементом,через дополнительные отверстия 18 попадает в выходной канал 14, отверстие 19 и патрубок 20. Испытание работоспособности предлагаемой конструкции проводилось с использованием промышленного кремниевого фотоэлектрического элемента размером 125125 мм 2. В качестве теплоносителя использовался антифриз на основе этиленгликоля с антикоррозионными присадками,который принудительно прокачивался через фотопреобразователь со скоростью 10 см 3/сек. Фокусирование солнечного излучения на фотопреобразователе осуществлялось планарным концентратором с системой плоских зеркал (12 штук), которые позволили получить на расстоянии 120 см от геометрического центра оптическую концентрацию 8 х. Фотопреобразователь показал следующие параметры ток короткого замыкания 31 А, напряжение холостого хода 0.65 В и коэффициент заполнения нагрузочной характеристики 0,67. Вырабатываемая электрическая мощность при этом составила 13,5 Вт. Испытание проводилось в течение 2-х часов с 12 до 14 часов в безоблачный день 24 июня 2012 г, В течение времени испытания не наблюдалось заметного дрейфа параметров, а температура фотопреобразовательного элемента оставалась практически постоянной равной 36 С. Через 10 с после прекращения подачи воды температура фотопреобразователя,измеряемая хромельалюмелевой термопарой поднялась до 90 С и испытание было прекращено. Испытание устройства, выполненного согласно прототипу (в качестве отверстий, соединяющих нижнюю и верхнюю камеры, использовали соосные отверстия в солнечном элементе и тыльном контакте) при использовании таких же как в предыдущем примере солнечных элементов (125125 мм) показало снижение напряжения холостого хода до 0,55 В при токе короткого замыкания 32 А, коэффициенте заполнения нагрузочной характеристики 0,65. Для этих параметров выходная мощность составила 11,44 Вт, что существенно ниже, чем в предлагаемом устройстве. Такое снижение мощности обусловлено плохим перемешиванием теплоносителя в фотопреобразователе на основе фотопреобразовательного элемента большой площади и, как следствие, локальный перегрев и общее снижение напряжения холостого хода в устройстве- прототипе. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Фотопреобразователь концентрированного излучения, состоящий из фотоэлектрического элемента с фронтальным и тыльным контактами и тыльного электрода, присоединенного к тыльному контакту, в которых выполнены распределенные по 3 площади соосные сквозные отверстия, через которые фронтальный контакт соединен с помощью токопроводящих перемычек с фронтальным электродом, расположенным с зазором под тыльным электродом, причем фронтальный и тыльный электроды герметично соединены по периметру фотопреобразователя диэлектрическим материалом, образуя нижнюю камеру, имеющую во фронтальном электроде отверстие для ввода теплоносителя, а сверху фотоэлектрического элемента выполнена верхняя камера, образованная прозрачной пластиной, герметично соединенной по периметру с тыльным электродом, причем из верхней камеры предусмотрен вывод теплоносителя, отличающийся тем, что нижняя камера под фотоэлектрическим элементом герметично заполнена гидрофобным диэлектрическим теплоизолирующим материалом,который примыкает к изолирующей прокладке по двум противоположным сторонам фотопреобразователя, образуя со стенками нижней камеры по двум другим сторонам входной и выходной каналы, имеющие длину не менее длины фотоэлемента, причем отверстие для ввода теплоносителя сопряжено с входным каналом, а каждый из каналов связан с верхней камерой посредством ряда дополнительных отверстий равного сечения, выполненных в тыльном электроде и равномерно распределенных по длине каналов,причем в выходном канале предусмотрено отверстие для вывода теплоносителя, выполненное во фронтальном электроде.

МПК / Метки

МПК: H01L 31/06

Метки: фотопреобразователь, концентрированного, излучения

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/4-ip27952-fotopreobrazovatel-koncentrirovannogo-izlucheniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Фотопреобразователь концентрированного излучения</a>

Похожие патенты