DE3140974A1

DE3140974A1 - Photoelektrische sonnenmodul

Info

Publication number: DE3140974A1
Application number: DE19813140974
Authority: DE
Inventors: Viktor Voskanovi&ccaron; Afian; Nikolaj Stepanovi&ccaron; Moskva Lidorenko; Ruben Gegamovi&ccaron; Erevan Martirosjan; Stanislav Vasil'evi&ccaron; Rjabikov; Dmitrij Semenovi&ccaron; Strebkov; Albert Vartanovi&ccaron; Vartanian
Original assignee: RJABIKOV STANISLAV VASIL'EVIC
Current assignee: RJABIKOV STANISLAV VASIL'EVIC
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1981-10-15
Publication date: 1983-05-05
Also published as: DE3140974C2

Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Umwandlung der Sonnenenergie in die elektrische, und insbesondere auf einen fotoelektrischen Sonnenmodul.
Bekannt ist ein fotoelektrischer Sonnenmodul, in dem die Fotowandler je zwei Arbeitsflächen haben und in der Hälfte der Einlaßöffnung eines konkaven Reflektors aufgestellt sind, der z.3. in Form eines Flächenwinkels ausgeführt ist (siehe FR-Patentschrift Nr. 2342558 aus dem Jahre 1977). Die eintretende Sonnenstrahlung wird in zwei Teile eingeteilt: der erste beleuchtet die vordere Arbeitsfläche des Fotowandlers, der zweite Teil beleuchtet nach seiner Reflexion die Hinterarbeitsfläche des Fotowandlers.
In diesem Modul hat der Fotowandler eine niedrige LeistungsSähigkeit'(Leistung) infolge einer unkonzentrierten einmaligen Beleuchtung der Arbeitsflächen mit Sonnenlicht. Außerdem fällt auf die beiden Arbeitsflächen Sonnenstrahlung gleicher Spektralzusammensetzung, so daß die Fotowandler, die je zwei Arbeitsflächen mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit haben, nicht effektiv genutzt werden.
Bekannt ist auch ein fotoelektrischer Sonnenmodul, der zwei Konzentriereinrichtungen für die Sonnenstrahlung und einen zwischen ihnen aufgestellten Fotowandler mit zwei Arbeitsflächen enthält, wobei der Fotowandler in einer Glashülle untergebracht ist, die in Form einer Linse ausgeführt und mit einer durchsichtigen Flüssigkeit gefüllt ist (siehe US-PB Nr.4146407 aus dem Jahre 1979). Dabei gibt es wesentliche Strahlungsverluste infolge von mehrfachem Lichtdurohgang durch optische Oberflächen der Konzentrierelemente, das Gewicht und die Abmessungen des Moduls sind dabei groß. In dieser Konstruktion wird auf beide Ärbeitsflächen des Fotowandlers ebenfalls die Sonnenstrahlung gleicher Spektralzusammensetzung konzentriert, das schränkt das Anwendungsgebiet des genannten Moduls ein.
Bekannt ist die Konstruktion eines fotoelektrischen Sonnenmoduls, die ein dispergierendes Element in Form eines Prismas besitzt, das die Sonnenstrahlung aufnimmt und diese in deren Spektralkomponenten zerlegt, sowie hinter dem Prisma im Strahlungsgang angeordnete Fotowandler mit unterschiedlicher SpektralempSindlichkeit enthält (siehe US-PS Nr. 4021267 aus dem Jahre 1977). Dabei ist jeder Fotowandler mit seiner Arbeitsfläche einem Strahlungsbündel zugewandt, dessen Wellenlänge dem Maximum der Spektralempfindlichkeit dieses Fotowandlers entspricht.
Im bekannten Modul bewirkt das dispergierende Element nur die Zerlegung des Sonnenlichts in die Spektralkomponenten, ohne die zerlegte Strahlung zu konzentrieren. Zur Erhöhung des Konzentrationsgrades verwendet man zusätzlich einen Konzentrator der zerlegten Strahlung, was die Konstruktion dieses Moduls komplizierter macht.
Und schließlich ist ein fotoelektrischer Sonnenmodul bekannt, der ein dispergierendes Element aufweist, das in Form einer Reihe von Konzentratoren der Sonnenstrahlung -Planparallelplatten mit Fluoreszenzzentren - ausgeführt ist, sowie hinter diesem Element im Strahlengang angeordnete Fotowandler mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit enthält (siehe Patentschrift der BRD Nr. 2629641 vom Jahre 1976). Die Fluoreszenzzentren absorbieren einen bestimmten -Sonnenspektralbereich und strahlen einen langwelligeren Spektralbereich. Auf Grund der Totalreflexion breitet sich die Fluoreszenzstrahlung innerhalb der Platte ihren Stirnflächen entgegen aus.:Zur Auskopplung der konzentrierten Strahlung von einer Ausgangsstirnfläche wird auf alle übrigen Stirnflächen der Platte eine Reflexionsschicht aufgetragen.
Jeder Fotowandler ist mit seiner Arbeitsfläche der Platte zugewandt, bei der die Wellenlänge des konzentrierten Strahlungsbündls dem Maximum der Empfindlichkeit des der-Stirnfläche zugewandten Fotowandlers entspricht.
Dieser Modul ist durch große Energieverluste gekennzeichnet, die unter anderem durch Verluste an Fluoreszenzstrahlung bedingt sind, welche auf die Grenzfläche zwischen der Platte und der Luft unter einem Winkel gelangt, der kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist. Außerdem braucht Jeder Fotowandler einen gesonderten Sonnenstrahlungskonzentrator; das macht die Konstruktion des Moduls komplizierter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe der Entwicklung der Konstruktion eines fotoelektrischen Sonnenmoduls zugrunde, die eine hohe Leistungsfähigkeit der Sonnenenergieumwandlung, eine hohe Effektivftät der Nutzung des Fotowandlermaterials sichert und dabei ziemlich einfach ist.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim fotoelektrischen Sonnenmodul, der ein dispergierendes Element, das die Sonnenstrahlung aufnimmt, sowie hinter ihm im Strahlungsgang angeordnete Fotowandler mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit enthält, von denen jeder Potowandler mit seiner Arbeitsfläche dem Strahlungsbündel mit der dem Maxiinum der Empfindlichkeit des Fotowandlers entsprechenden Wellenlänge zugewandt ist, das dispergierende Element erfindungsgemäß ein Hologramm von Lichtquellen verschiedener Wellenlängen entsprechend der Zahl der benötigten Spektralbereiche darstellt und jeder Fotowandler in der Abbildungsebene der Lichtquelle der entsprechenden Wellenlänge angeordnet ist.
Zur Erhöhung der Effektivität der Nutzung des Fotowandlermaterials ist es im fotoelektrischen Sonnenmodul, in dem die Fotowandler je zwei Arbeitsfläohen mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit haben, zweckmäßig, das Hologramm aus zwei Teilen aussubilden, von denen der erste gegenüber den einen Arbeitsflächen liegt und ein durohlässiges Hologramm von Lichtquellen mit Wellenlängen darstellt, welche den Maxima der Spektralempfindlichkeiten dieser Arbeitsflächen entsprechen, der zweite aber gegenüber den zweiten Arbeitsflächen liegt und ein Reflexionshologramm von Lichtquellen mit Wellenlängen darstellt, welche den Maxima der Spektralempfindlichkeiten der zweiten Arbeitsflächen der Fotowandler entsprechen.
Die Verwendung des fotoelektrischen Sonnenmoduls, der verschiedene Bereiche der Sonnenstrahlung auf die Fotowandler mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit verteilt und getrennt konzentriert, von denen jeder mit seiner Arbeitsfläche dem Strablungsbündel mit einer dem Maximum seiner Empfindlichkeit entsprechenden Wellenlänge zugewandt ist, erhöht die Effektivität der Umwandlungder Sonnenenergie in die elektrische Energie. Das führt seieerseits zur Einsparung des kostspieligen Halbleitermaterials und zur Kostensenkung für die erzeugte Elektroenergie. Durch die Anwendung des Hologramme von Lichtquellen wird die Konstruktion des fotoelektrischen Sonnenmoduls vereinfacht, seine Abmessungen und sein Gewicht verringert und sein Herstellungsverfahren vereinfacht.
Nachstehend wird die Erfindung durch Beschreibung von Ausführungsbeispieln unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 schematisch einen fotoelektrischen Sonnenmodul mit Fotowandlern, die im Sonnenstrahlengang hintereinander angeordnet sind; Fig. 2 ein Beispiel des fotoelektrischen Sonnenmoduls mit Fotowandlern, die in einer Ebene angeordnet sind; Fig. 3 ein Beispiel des fotoelektrischen Sonnenmoduls mit Fotowandlern, die je zwei Arbeftsflächen haben.
Der fotoelektrische Sonnenmodul enthält ein dispergieren des Element} welches ein Hologramm 1 (Fig .1) von Lichtquellen verschiedener Wellenlängen darstellt, sowie hinter ihm im Sonnonstrahlengang angeordnete Fotowandler 2,3,4 mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit. Das Hologramm 1 kann ein durchlässiges bzw. ein Refexionshologramm, ein zweidimensionales bzw. ein räumlicbes Hologramm sein. Sein Beugungsen gLtter enthält Information über die Wellenlänge,die Form und den auf die Oberflache des Hologramms bezogenen Aufstellungsort der lichtquellen bei der Strukturbildung des 3ugungsgitters.
Das Hologramm 1 enthält Information en über die Lichtquellen, die hintereinander in wachsenden Abständen vom Hologramm angeordnet sind. Jeder Fotowandler 2, 3, 4 liegt in der Abbildungsebene der Lichtquelle mit der dem Maximum der Empfindlichkeit des Fotowandlers entsprechenden Wellenlange, d.h. in diesem Ausführungsbeispiel des Moduls hintereinander im Strahlengang.
Das Hologramm 1' (Fig. 2) enthält zum Unterschied vom Hologramm 1 in Fig. 1 Informationen~ über Lichtquelln, welche in einer Ebene in einer bestimmten Entfernung voneinander angeordnet sind. In diesem Beispiel des Sonnenmoduls befinden Nich alle Fotowandler 2, 3, 4 in einer Abbildungsebene dieser Lichtquellen.
Im fotoelektrischen Sonnenmodul in Fig. 3 besteht das Hologramm 1 der Lichtquellen aus zwei Teilen aus einem Hologramm 5 vom durchlässigen Typ und'einem Hologramm 6 des Reflgxionstyps. Die Fotowandler 7, 8 und 9 haben je zwei Arbeitflächen mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit.
Die Abbildungen der Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen (Brennflecke), die durch das durchlässige Hologramm 5 gebildet werden, decken sich paarweise mit den Abbildungen der Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen, die durch das Reflexionshologramm 6 gebildet werden. Die Fotowandler 7, 8 und 9 sind in der Deckungsebene der Brennflecke, welche durch die Hologramme 5 und 6 gebildet werden, aufgestellt und jeder von ihnen ist mit seiner Arbeitsfläche dem Bündel der konsentrierten Strahlung mit der Wellenlänge zugewandt, die dem Maximum der Empfindlichkeit dieser Arbeitsfläche des Fotowandlers entspricht. Konstruktiv kann das Hologramm 1 (1') in Form einer Materialschicht ausgeführt werden, die auf einer steifen durchlässigen Platte mit beliebiger Oberflächengeometrie angebracht ist.
Dat Hologramm 1 der Lichtquellen stellt ein kompliziertes Beugungsgitter dar; die durch dieses Gitter hindurchfallenden Komponenten der Sonnenstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen wirken mit ihm unterschiedlich zusammen, und werden dabei so der abgelenkt, daß eine Abbildung der Lichtquelle mitvjeweiligen Wellenlänge erzeugt wird. Die Parameter des Beugungsgitters werden im Herstellungsprozeß des Hologramms durch die Aufzeichnung von Interferenzbildern entsprechend der Zahl der benutzten Spektralbereiche von zwei Bündeln monochromatischer Strahlung gewählt. Die Wellenlängen der monochromatischen Strahlungsbündel ensprechen den Maxima der Empfindlichkeit der Arbeitsflächen der Fotowandler.
Die Arbeitsweise der Einrichtung ist wie folgt.
Im fotoelektrischen Sonnenmodul in Fig. 1 kann das Hologramm 1 einer Lichtquelle zweidimensional ausgeführt werden.
Bei Beleuchtung eines solchen zweidimensionalen Hologramms zerlegt sich das Sonnenlicht auf Grund der Beugung in Spektralkomponenten und wird gleichzeitig konzentriert, wobei es eine Reihe aufeinanderfolgender Brennpunkte vom Infrarot-- bis Ultraviolett-Brennpunkt mit wachsender Entfernung von der Eolograrmebene erzeugt. Die Fotowandler 2 bis 4 mit unterschiedlicher Spektralemprindlioklkeit, die in den Brennebenen der entsprechendenWellenlängen aufgestellt sind, nehmen maximal konzentrierte Strahlung auf.
Das räumliche Hologramm vom durchlässigen bzw. vom Reflexionstyp beugt nur den Teil des Sonnenstrahlungspektrums, der dem Bragg-Gesetz für gewählte Parameter des Beugungsgitters entspricht. Im fotoelektrischen Sonnenmodul in Fig. 3 konzentriert das durchlässige räumliche Hologramm 5 auf die oberen Arbeitsflächen der Fotowandler 7,8 und 9 drei verschiedene Sonnenspektrumbereiohe. Der Restteil des.Sonnenspektrums geht durch das Hologramm 5 hindurch, ohne mit ihm zusammenzuwirken, und gelangt auf das Reflexionshologramm 6. Von diesem Teil des Sonnenspektrums konzentriert das Hologramm 6 drei andere Sonnenspektrumbereiche auf die unteren Arbeitsflächen der Fotowandler 7,8 und 9. Dadurch erfolgt eine getrennte Konzentrierung verschiedener Spektralbereiche der Sonnenstrahlung auf zwei Arbeitsflächen der Fotowandler 7 - 9 mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit. Dabei wird optimale Kombination der Parameter der Konzentriereinrichtung und des Sonnenstrahlungsempfängers erreicht.

Claims

FOTOELEKTRISCHER SONNENMODUL PATENTANSPRÜCHE : 1.Fotoelektrischer Sonnenmodul, der - ein dispergierendes Element, das die Sonnenstrahlung aufnimmt, - sowie hinter ihm im Strahlungsgang angeordnete Fotowandler mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit enthält, von denen jeder Fotowandler mit seiner Arbeitsfläche dem Strahlungsbündel mit der dem Maximum der Empfindlichkeit des Fotowandlers entsprechenden Wellenlänge zugewandt ist, d.a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß - das dispergierende Element ein Hologramm (1) von Lichtquellen verschiedener Wellenlängen entsprechend der Zahl der benötigten Spektralbereiche darstellt und - jeder Fotowandler (2, 3, 4) in der Abbildungsebene der tiohtquelle der entsprechenden Wellenlänge liegt.
2. Fotoelektrischer Sonnenmodul nach Anspruch 1, in dem die Fotowandler je zwei Arbeitsflächen mit unterschiedlicher Spektralempfindlichkeit haben, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Hologramm (1) aus zwei Teilen besteht, der erste von denen gegenüber den einen Arbeitsflächen liegt und ein durchlässiges Hologramm (5) von Lichtquellen mit Wellenlängen darstellt, welche den Maxima der Spektralempfindlichkeiten dieser Arbeitstlächen entsprechen, der zweite aber gegenüber den zweiten ArbeitsfLächen liegt und ein Reflexionshologramm Von Lichtquellen mit Wellenlängen darstellt, welche den Maxima der Spektralempfindlichkeiten der zweiten Arbeitsflächen der Fotowandler (7, 8, 9) entsprechen.