close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13915

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.12.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 02N 6/00
H 01L 31/00
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В
ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
(21) Номер заявки: a 20090434
(22) 2009.03.24
(43) 2010.10.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Залесский Валерий Борисович; Есман Александр Константинович; Кулешов Владимир Константинович; Зыков Григорий Люцианович (BY)
BY 13915 C1 2010.12.30
BY (11) 13915
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) US 2008/0053524 A1.
BY 9611 C1, 2007.
RU 2301379 C2, 2007.
RU 2282799 C1, 2006.
KR 20010002649 A, 2001.
JP 3104800 A, 1991.
(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 p-n-переходов, выполненных на разной глубине в подложке.
BY 13915 C1 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 p-n переходов, расположенных на разной глубине в
подложке.
2
BY 13915 C1 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 Д16Т. 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 p-n-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 Д16Т и покрыт черной оксидной пленкой.
Работает преобразователь солнечной энергии следующим образом. Входное солнечное излучение 1 одновременно поступает в фокусирующий концентратор отражающего
3
BY 13915 C1 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 p-nперехода 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
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
173 Кб
Теги
by13915, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа