Преобразователь солнечной энергии в электрическую

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Залесский Валерий Борисович Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий массив оптических средств для направления солнечного излучения на фотопреобразователи, выполненные на лицевой стороне кремниевой подложки и электрически соединенные с ее базовым контактом, отличающийся тем, что содержит фокусирующий концентратор отражающего типа, выполненный из сферических и плоских зеркал и установленный на боковых внешних сторонах указанного массива с возможностью направления солнечного излучения на оптические средства, содержащие спектроделительные элементы для разделения видимого и инфракрасного излучения и направления его на соответствующие участки фотопреобразователей, электрически связанные с базовым контактом через индивидуальные контакты и термически - с термоэлектрическими преобразователями, связанными с радиатором и закрепленными на нем вместе с указанной подложкой. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что указанные участки фотопреобразователей выполнены в виде переходов, выполненных на разной глубине в подложке. 13915 1 2010.12.30 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что термоэлектрические преобразователи выполнены в виде последовательно электрически связанных термоэлементов, интегрированных в изолирующий слой тыльной стороны подложки. 4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что термоэлектрические преобразователи выполнены в виде массива элементов Пельтье, интегрированных в изолирующий слой тыльной стороны подложки напротив участков фотопреобразователей, нагревающихся в процессе работы. 5. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что спектроделительные элементы выполнены в виде пленочного покрытия на внутренней поверхности указанного массива,выполненного в виде массива пирамидальных концентраторов солнечного излучения. Предлагаемое изобретение относится к области энергетики, а именно к источникам электрической энергии, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства. Наиболее близким устройством по технической сущности является устройство 1, содержащее массив оптических средств, через которые солнечное излучение фокусируется на встроенные в изоляционную матрицу фотопреобразователи, каждый из которых состоит из миниатюрных легированных областей одного типа удельной проводимости, выполненных в кремниевой подложке противоположного типа удельной проводимости, причем встроенные фотопреобразователи вырезаны из подложки, физически отделены друг от друга и расположены на базовом контакте. Данное устройство имеет относительно низкую эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, так как, во-первых, массив оптических средств отражает часть солнечного излучения, особенно когда оно падает на поверхность не под углом девяносто градусов, а во-вторых, фотопреобразователи с фиксированной толщиной легированных областей одного типа удельной проводимости имеют ограниченную область спектральной чувствительности, как правило, в области спектрального диапазона от 0,6 до 0,9 мкм, и солнечное излучение оставшегося спектрального диапазона их сильно нагревает и тем самым снижает эффективность преобразования. Более того, при переменной облачности происходит периодическое локальное нагревание или охлаждение солнечной панели, состоящей из множества полупроводниковых участков подложек, что снижает надежность ее работы из-за термического разброса их параметров (температурных коэффициентов расширения материалов). Техническая задача - повышение эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию при одновременном повышении надежности работы устройства. Поставленная техническая задача решается тем, что преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий массив оптических средств для направления солнечного излучения на фотопреобразователи, выполненные на лицевой стороне кремниевой подложки и электрически соединенные с ее базовым контактом, содержит фокусирующий концентратор отражающего типа, выполненный из сферических и плоских зеркал и установленный на боковых внешних сторонах указанного массива с возможностью направления солнечного излучения на оптические средства, содержащие спектроделительные элементы для разделения видимого и инфракрасного излучения и направления его на соответствующие участки фотопреобразователей, электрически связанные с базовым контактом через индивидуальные контакты и термически - с термоэлектрическими преобразователями, связанными с радиатором и закрепленными на нем вместе с указанной подложкой. Для эффективного решения поставленной технической задачи указанные участки фотопреобразователей выполнены в виде - переходов, расположенных на разной глубине в подложке. 13915 1 2010.12.30 Для эффективного решения поставленной технической задачи термоэлектрические преобразователи выполнены в виде последовательно электрически связанных термоэлементов, интегрированных в изолирующий слой тыльной стороны подложки. Для эффективного решения поставленной технической задачи термоэлектрические преобразователи выполнены в виде массива элементов Пельтье, интегрированных в изолирующий слой тыльной стороны подложки напротив участков фотопреобразователей,нагревающихся в процессе работы. Для эффективного решения поставленной технической задачи спектроделительные элементы выполнены в виде пленочного покрытия на внутренней поверхности указанного массива, выполненного в виде массива пирамидальных концентраторов солнечного излучения. Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет расширения спектрального диапазона преобразуемого солнечного излучения и преобразования в электричество тепловой энергии, выделяемой элементами устройства. Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена схема расположения элементов преобразователя солнечной энергии. В преобразователе солнечной энергии в электрическую входное солнечное излучение 1 параллельно поступает в массив оптических средств 3 и фокусирующий концентратор отражающего типа 2, содержащий оптически последовательно расположенные сферические зеркала 13 и плоские зеркала 14. Плоские зеркала 14 оптически связаны с массивом оптических средств 3, в котором каждое из оптических средств связано с фотопреобразователями 5 непосредственно и через спектроделительные элементы 4. Каждый из фотопреобразователей 5 выполнен, по меньшей мере, в виде двух участков с различной спектральной чувствительностью участки инфракрасного 6 и видимого 7 диапазонов длин волн. Все участки фотопреобразователей 5, электрически соединенные с индивидуальными контактами 11, расположены на лицевой стороне подложки 8. На тыльной стороне подложки напротив участков видимого диапазона длин волн 7 фотопреобразователей 5 размещены термоэлектрические преобразователи 9, закрепленные вместе с подложкой 8 на радиаторе 12. Базовый контакт 10 расположен на тыльной стороне подложки 8 и электрически соединен со всеми фотопреобразователями 5. В конкретном исполнении фокусирующий концентратор отражающего типа 2 содержит сферические зеркала 13 и плоские зеркала 14, выполненные методами вакуумного напыления алюминия на сферические и плоские поверхности заготовок, изготовленных,например, из сплава Д 16 Т. Массив оптических средств 3 - это набор усеченных пирамид,выполненных из легкого крона - материала, прозрачного для видимого и инфракрасного диапазонов длин волн, на грани которых методом вакуумного напыления нанесены интерференционные покрытия, которые являются спектроделительными элементами 4. Фотопреобразователи 5 - это кремниевые фотодиоды, выполненные легированием лицевой поверхности подложки 8. Изменение спектральной чувствительности фотопреобразователей 5 осуществляется вариацией глубины расположения переходов от лицевой поверхности подложки 8. Подложка 8 - это выпускаемая промышленностью стандартная кремниевая пластина. Термоэлектрические преобразователи 9 - это выполненные на нижней поверхности подложки 8 наборы включенных последовательно термоэлементов. Термоэлектрические преобразователи 9 располагаются на тыльной стороне подложки 8 напротив участков видимого диапазона длин волн 7 фотопреобразователей 5, так как на эти участки поступает сконцентрированная энергия видимого диапазона солнечного излучения 1 и они нагреваются больше остальных участков подложки 8. Базовый контакт 10 - пленка меди,нанесенная на тыльную сторону подложки 8. Индивидуальные контакты 11 - это сеточные электроды, выполненные по периметру фотопреобразователей 5 с лицевой стороны подложки 5. Радиатор 12 выполнен из сплава Д 16 Т и покрыт черной оксидной пленкой. Работает преобразователь солнечной энергии следующим образом. Входное солнечное излучение 1 одновременно поступает в фокусирующий концентратор отражающего 3 13915 1 2010.12.30 типа 2 и массив оптических средств 3, через которые весь спектр этого солнечного излучения 1 поступает непосредственно на участки видимого диапазона длин волн 7 фотопреобразователей 5. Кроме того, в массиве оптических средств 3, после отражения от спектроделительных элементов 4, происходит концентрация видимой части этого излучения на участках видимого диапазона длин волн 7 фотопреобразователей 5. В то же время инфракрасная часть солнечного излучения 1, проходя без изменения направления распространения через спектроделительные элементы 4, попадает на участки инфракрасного диапазона длин волн 6 фотопреобразователей 5. На выходах фотопреобразователей 5 (индивидуальных контактах 11 относительно базового контакта 10) появляются электрические сигналы, соответствующие мощности входного солнечного излучения 1. Одновременно часть солнечного излучения 1, поступившая в фокусирующий концентратор отражающего типа 2, отразившись от сферических зеркал 13, фокусируется на плоских зеркалах 14. После отражения от плоских зеркал 14 это излучение проходит во входную апертуру массива оптических средств 3 и далее на фотопреобразователи 5, где происходит его преобразование в электрические сигналы аналогично вышеописанному. Часть мощности солнечного излучения 1, поглощенная подложкой 8, но не участвующая в генерации носителей электрических зарядов, рассеивается в ней в виде тепловых потерь. Кроме этого, некоторая часть носителей заряда рекомбинирует, а некоторая часть фотонов входного солнечного излучения 1 поглощается металлическими слоями индивидуальных контактов 11, что в совокупности приводит в выделению тепла в подложке 8. При этом следует отметить, что индивидуальные 11 и базовый контакт 10 нагреваются выходным током устройства. Более интенсивное выделение тепла осуществляется в окрестности участков видимого диапазона длин волн 7 фотопреобразователей 5, так как на них поступает концентрированное входное солнечное излучение 1. Поэтому температура горячих спаев термоэлектрических преобразователей 9, расположенных на тыльной стороне подложки 8 вблизи окрестности участков видимого диапазона длин волн 7 фотопреобразователей 5, будет значительно выше температуры холодных спаев термоэлектрических преобразователей 9, имеющих термический контакт с радиатором 12, обеспечивающим охлаждение их до температуры окружающей среды. Указанная разность температур создает в термоэлектрических преобразователях 9 условия для генерации дополнительного электричества, которое добавляется к электричеству, полученному с помощью фотопреобразователей 5. Таким образом, в предлагаемом преобразователе солнечной энергии на основе -перехода на кремнии осуществляется как преобразование видимого диапазона солнечного излучения, которое составляет 44 от входного солнечного излучения 1, так и преобразование инфракрасного диапазона солнечного излучения, составляющего 53 от входного солнечного излучения 1, в электрический сигнал. Это позволяет при использовании фотопреобразователей 5 одного типа, расположенных на одной подложке 8, повысить коэффициент полезного действия преобразования энергии солнца в электричество до двух раз, т.е. снизить стоимость одного кВт/час энергии. При этом следует также отметить, что предложенный преобразователь солнечной энергии позволяет также утилизировать выделяемое в нем тепло в электричество и тем самым дополнительно повысить коэффициент полезного действия устройства с одной стороны. А с другой стороны, это исключает перегрев отдельных элементов устройства и тем самым повышает надежность его работы. Источники информации 1. Патент США, 2008/0053524, 2008. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4