Комбинированное производство тепла и электроэнергии для жилых и промышленных зданий с использованием солнечной энергии

Комбинированное производство тепла и электроэнергии для жилых и промышленных зданий с использованием солнечной энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройствам, работающим на солнечной энергии, и к способам преобразования солнечной энергии в полезные виды энергии.

Уровень техники

Существует давно признанная и постоянная необходимость в экономически эффективных возобновляемых источниках энергии. В связи с этим были предприняты значительные усилия для разработки экономичных генераторов электрической энергии, работающих на солнечной энергии, предназначенных для использования солнечной энергии. Основной фокус этих усилий был направлен на создание высокоэффективных недорогих солнечных панелей.

Солнечные панели представляют собой фотоэлектрические преобразователи, служащие для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Базовая технология солнечных панелей основана на p-n переходах. Разность концентраций носителей зарядов между p- и n-областями полупроводникового материала приводит к диффузии носителей зарядов и в результате к созданию статического электрического поля в полупроводнике. Полупроводник имеет запрещенную энергетическую зону, которая представляет собой разность энергий между минимальной энергией зоны проводимости полупроводника и максимальной энергией его валентной зоны. Многие полупроводники имеют запрещенную энергетическую зону, находящуюся в пределах границ спектра солнечного излучения. Фотоны с энергией большей, чем ширина запрещенной энергетической зоны, могут быть поглощены полупроводником и переводят носители заряда из валентной зоны в зону проводимости. Возбужденные носители протекают под действием электрического поля и обеспечивают электрическую энергию.

Используемые в настоящее время солнечные панели могут быть в части технологии приближенно подразделены на технологию кристаллического кремния и тонкопленочную технологию. Кристаллический кремний является относительно плохим поглотителем света и требует сравнительно большую толщину (несколько сот микрон) материала по сравнению с такими материалами, как теллурид кадмия (CdTe) и арсенид галлия (GaAs), используемыми в тонкопленочной технологии. В настоящее время солнечные панели на кристаллическом кремнии обеспечивают более высокую эффективность (кпд), чем тонкопленочные солнечные панели, но являются более дорогостоящими для изготовления. Хорошая эффективность преобразования для солнечных панелей, имеющихся на рынке в настоящее время, составляет 14-19%. Возможно получение более высокой эффективности преобразования.

Максимальная эффективность преобразования неконцентрированного солнечного излучения в электрическую энергию, используя солнечную панель с единственным p-n-переходом при комнатной температуре, составляет приблизительно 31% в соответствии с хорошо известным пределом Шокли-Квайссера. Этот предел учитывает термодинамически неизбежную скорость рекомбинации носителей и рассогласование между шириной запрещенной зоны полупроводника и спектром солнечной энергии.

Рассогласование связано с квантованием энергии светового излучения. Длины волн света с энергией ниже ширины запрещенной зоны не могут возбуждать носители зарядов. Длины волн с энергией выше ширины запрещенной зоны могут возбуждать носители, но энергия, избыточная относительно ширины запрещенной зоны, быстро превращается в теплоту. Энергия запрещенной зоны, составляющая около 1,3 эВ, обеспечивает наибольший теоретический кпд солнечной панели с единственным p-n-переходом при комнатной температуре.

Предел Шокли-Квайссера для солнечной панели с единственным p-n-переходом может быть превышен за счет использования многопереходной структуры. Типичная солнечная панель с многопереходной структурой содержит слоистый пакет из двух или большего количества полупроводниковых материалов, имеющих различную ширину запрещенной зоны. Самый верхний слой имеет наибольшую ширину запрещенной энергетической зоны. В идеальном варианте, самый верхний слой поглощает спектр с энергией, равной или большей, чем ширина запрещенной зоны для слоя, и в то же время пропускает волны большей длины для их использования нижерасположенными слоями.

Оптическая прозрачность слоистой структуры обычно требует, чтобы все слои имели одинаковую кристаллическую структуру и одинаковые постоянные кристаллической решетки. Постоянная кристаллической решетки характеризует расстояние между атомами в кристаллической решетке. Рассогласование постоянных кристаллической решетки между различными слоями приводит к созданию дислокации и значительно ухудшает эффективность солнечной панели с многопереходной структурой.

Хотя выбор материалов для солнечных панелей является ограниченным, выявлены многие подходящие комбинации и показано, что они превосходят по эффективности однопереходные солнечные элементы. За счет подходящего разделения спектра были получены превосходные результаты при использовании солнечных элементов с двумя, тремя и четырьмя переходами. Например, двухпереходный элемент, содержащий InGaP (1.9 эВ) и GaAs (1.4 эВ), сохранял рекордный кпд около 30% в 1990-х гг. Были использованы трехпереходные элементы, содержащие GaInP (1.85 эВ), слой GaAs (1.42 эВ) и Ge (0.67 эВ), которые демонстрировали величину кпд около 40%.

Другой путь повышения эффективности (кпд) солнечной панели заключается в концентрации солнечного света на поверхности солнечной панели. Помимо явной выгоды обеспечения большего потока светового излучения на единицу поверхности прямое излучение, обеспечиваемое концентратором (по сравнению с диффузным световым излучением, воспринимаемым панелью, непосредственно подверженной действию солнечного света), обеспечивает большую эффективность. Величина эффективности, равная 41%, является теоретическим пределом для элемента с одним переходом, а 55% - предел для двухпереходного элемента. Для прямого солнечного света оптимальная ширина запрещенной энергетической зоны соответствует 1,1 эВ. Для двухпереходного элемента при стандартной схеме последовательного соединения подбор пары с шириной запрещенной зоны 0,77 эВ и 1,55 эВ является близким к оптимальному. Для трехпереходного элемента величины 0,61 эВ, 1,15 эВ и 1,82 эВ приближаются к идеалу, как это отмечено в публикации: М.A.Green in. Third-Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion, p. 60-63 (Springer: Heidelberg, 2003).

Другое усовершенствование с целью повышения эффективности преобразования энергии при получении электричества заключается в извлечении электрической энергии из избыточной энергии, поглощенной в том случае, когда электрон возбуждается фотоном с энергией, превышающей ширину запрещенной энергетической зоны. Первоначально эта энергия удерживается носителями заряда, что приводит к образованию «горячих носителей». Существует два основных пути использования «горячих носителей» для повышения эффективности производства электрической энергии. Один путь приводит к повышенному напряжению, а другой - к увеличенному электрическому току. Первый из них требует, чтобы носители заряда были извлечены перед их охлаждения, в то время как последний требует, чтобы горячие носители заряда обладали достаточной энергией для создания второй пары электрон-дырка посредством ионизации соударением. Для того чтобы каждый из этих процессов был эффективным, его необходимо осуществлять с интенсивностью, сравнимой со скоростью охлаждения носителя заряда, которая сама очень велика.

Скорость охлаждения носителя может быть значительно уменьшена за счет создания носителей в нанокомпозиционном материале, что изменяет динамику релаксации посредством квантовых эффектов. Нанокомпозиционные материалы содержат квантовые ямы, квантовую проволоку и квантовые точки. Эти структуры ограничивают носители заряда областями пространства, которые сопоставимы или меньше чем длина волны де Бройля для носителя заряда или радиус Бора для экситонов в массе полупроводника. В этом отношении наиболее эффективными являются квантовые точки.

Квантовые точки, состоящие из очень маленьких кристаллов одного полупроводника (например, арсенид галлия индия) внутри матрицы другого полупроводника (например, арсенида галлия), могут замедлять охлаждение носителя до температуры, при которой ионизация соударением становится значительной. При ионизации соударением горячий носитель отдает некоторую часть своей энергии для возбуждения второго носителя и его перехода из валентной зоны в зону проводимости и в то же время сам сохраняет достаточное количество энергии, чтобы остаться в зоне проводимости. Ионизация соударением может быть достигнута с помощью квантовых точек, состоящих из весьма небольших полупроводниковых кристаллов, распределенных в матрице органического полимера-полупроводника.

Извлечение горячих носителей может быть достигнуто посредством упорядочения квантовых точек в плотноупакованной пространственной решетке с достаточно близким взаимных расположением для того, чтобы происходило сильное электронное взаимодействие и образование мини-энергетических зон. Указанные мини-зоны допускают перенос электронов с большим радиусом действия. Эти мини-зоны обеспечивают достаточно быстрый перенос для того, чтобы образованный из горячих носителей ток был отведен при потенциале, превышающем обычный потенциал зоны проводимости. Для понимания этого механизма можно отметить, что энергия горячих носителей распределяется среди всех носителей в зоне проводимости в более коротком временном масштабе, чем временной масштаб, в котором энергия распределяется в сторону теплового равновесия другими путями. Таким образом, суммарный поток носителей является «горячим» потоком.

Следует отметить, что во избежание нарушения порядка при реализации вышеуказанных механизмов существует одно из применений квантовых ям, направленное на повышение эффективности солнечных панелей. Квантовые ямы могут быть использованы для установления и качественной регулировки ширины запрещенной зоны полупроводника, внутри которого они заключены. Это позволяет установить ширину запрещенных зон более согласованной с солнечным спектром и обеспечить гибкость в выборе материалов.

Кроме того, размер нанокристаллов в композиционном материале, содержащем полупроводник, оказывает значительное влияние на ширину запрещенной зоны. Это может быть использовано для того, чтобы энергия носителей зарядов оставалась промежуточной по отношению к валентной зоне и зоне проводимости материалов матрицы. Такие промежуточные зоны обеспечивают для композиционного материала возможность электрического преобразования фотонов с энергией ниже ширины запрещенной зоны в полупроводниках, имеющих кристаллическую структуру, посредством двухстадийного процесса возбуждения зарядов с их переходом из валентной зоны в промежуточные зоны и из промежуточных зон в зону проводимости.

Многие из вышеупомянутых структурных усовершенствований экономичны только в отношении концентрации солнечной энергии. Имеющиеся на рынке солнечные концентраторы обеспечивают солнечную энергию с концентрацией, равной 500. Хотя такие высокие концентрации оправдывают использование конструктивно сложных полупроводниковых материалов, они создают проблему, связанную с сильным нагревом, который является весьма неблагоприятным фактором для характеристик солнечных панелей.

Указанная выше максимальная расчетная эффективность солнечных панелей с увеличением температуры снижается, причем снижается для всех солнечных панелей. Как отмечено в патентном документе US 7148417, по данным Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), типичная кремниевая солнечная панель теряет приблизительно 45% энергии при увеличении температуры на градус Цельсия. При температуре выше 250°С кремниевые солнечные панели по существу не вырабатывают электрическую энергию. Солнечные панели, использующие GaAs, позволяют получить в некоторой степени лучший результат, теряя приблизительно лишь 21% энергии на градус Цельсия. Многопереходные тонкопленочные солнечные панели проявили себя, в общем, еще хуже, поскольку толщину слоев обычно тщательно согласовывают, с тем чтобы уравнивать токи, произведенные каждым слоем. Следует отметить, что даже 5% рассогласование токов может серьезно нарушить работу многопереходной солнечной панели (см.: М.A.Green in Third-Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion, p.63 (Springer:Heidelberg, 2003)). Общепринятое решение этой проблемы заключается в обеспечении охлаждения.

Солнечные панели в дополнение к выработке электрической энергии были использованы с целью обеспечения горячей воды для бытового применения. Как отмечено в патентном документе US 2004/0055631, использование солнечной панели указанным образом требует, чтобы панель функционировала при температуре по меньшей мере приблизительно равной 60°С, что в значительной степени ухудшает эффективность производства электрической энергии солнечным элементом. Решение, предложенное в указанной заявке, заключается в том, чтобы создать солнечную панель для части энергетического спектра солнечного излучения с энергией ниже ширины запрещенной зоны полупроводника. Солнечную панель изолируют от нагревательных элементов, использующих часть энергетического спектра солнечного излучения, которая не может быть преобразована солнечной панелью. Считают, что такое решение является более экономичным, чем альтернативное использование отдельных коллекторов солнечной энергии для производства электрической энергии и для нагревания воды. Другой путь получения горячей воды заключается в извлечении теплоты из системы поглощения солнечной энергии. В случае использования солнечной энергии с высоким уровнем ее концентрации отходящая теплота может быть значительной.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает генераторы, работающие на солнечной энергии, и соответствующие способы. Одним аспектом изобретения является генератор, работающий на солнечной энергии, содержащий солнечную панель и термоэлектрическое устройство, примыкающее к солнечной панели и расположенное ниже нее. Горячий спай термоэлектрического устройства находится в плотном тепловом контакте с нижней поверхностью солнечной панели. Теплоотвод находится в контакте с холодным спаем термоэлектрического устройства и охлаждает этот спай. Термоэлектрическое устройство имеет ветви n-типа и p-типа, которые содержат один или большее число сегментов из легированного полупроводникового материала. По меньшей мере, один из сегментов выполнен из нанокомпозиционного материала, в котором квантовая локализация носителей в значительной степени уменьшает теплопроводность сегмента.

Вообще говоря, нежелательно размещать между солнечной панелью и теплоотводом термоэлектрическое устройство. Действительно, проще и энергетически эффективней охлаждать непосредственно солнечную панель. Настоящее изобретение создает исключение из общего правила. Прежде всего, изобретение уменьшает потери эффективности преобразования энергии, связанные с термоэлектрическим устройством, за счет использования недавно созданных материалов для термоэлектрического устройства, которые значительно улучшают характеристики таких устройств. Во-вторых, изобретатель обнаружил, что в некоторых ситуациях соответствующий теплоотвод, служащий для поддерживания солнечной панели при желательной температуре, не может быть обеспечен надлежащим образом. В таких ситуациях может быть неизбежной значительная степень нагревания солнечной панели. В тех случаях, когда единственный имеющийся в наличии теплоотвод является неподходящим для эффективного поддерживания температуры солнечной панели в пределах узкого диапазона рабочих температур, настоящее изобретение позволяет осуществлять это лучшим образом, поскольку термоэлектрическое устройство может сохранять высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, даже если солнечный генератор нагревается вследствие невыполнения теплоотводом полностью своих функций. Изобретение является также полезным тем, что солнечная панель может обеспечить функционирование с запуском из холодного состояния, что, в особенности, важно для термоэлектрического генератора, приводимого в действие солнечным теплом.

В способе согласно настоящему изобретению солнечная панель сконфигурирована для приема концентрированного солнечного света, а термоэлектрическое устройство спроектировано для извлечения теплоты из солнечной панели и передачи ее к теплоотводу. На рассвете и в другое время суток, когда не так много солнца, солнечная панель производит больше электрической энергии, чем термоэлектрическое устройство. В солнечные дни солнечная панель позволяет обеспечить нагревание в значительной степени. По мере нагревания солнечной панели она постепенно производит меньше электрической энергии, в то же время термоэлектрическое устройство постепенно производит все больше электрической энергии. Для солнечной панели допустимо нагревание до высоких температур и может быть допустимым достижение такой температуры, при которой термоэлектрическое устройство становится основным средством генерирования электрической энергии.

Другим аспектом изобретения является генератор, работающий на солнечной энергии, содержащий фотоэлектрическое устройство и термоэлектрическое устройство единой конструкции. Как фотоэлектрическое устройство содержит слои полупроводникового материала, наращенные на элементы термоэлектрического устройства (выращенные на них), так и термоэлектрическое устройство содержит слои полупроводникового материала, наращенные на элементы фотоэлектрического устройства. Единая конструкция снижает требования к материалу и позволяет, чтобы горячий спай термоэлектрического устройства быстро нагревался до температуры, при которой термоэлектрическое преобразование энергии является эффективным.

Следующий аспект изобретения также относится к генератору на солнечной энергии, содержащему фотоэлектрическое устройство и термоэлектрическое устройство, в котором термоэлектрическое устройство примыкает к солнечной панели и расположено ниже нее, при этом горячий спай термоэлектрического устройства находится в тесном тепловом контакте с нижней стороной солнечной панели. Термоэлектрическое устройство имеет ветви n-типа и p-типа, содержащие один или более сегментов из легированного полупроводникового материала. Термоэлектрическое устройство выполнено конформным с поверхностью солнечной панели и перекрывает приблизительно такую же поверхность. Ветви термоэлектрического устройства редко, в виде мелкозернистой структуры, распределены в матрице материала, имеющего высокую теплоизоляционную способность, выбранного из группы, включающей вакуум, газ и аэрогель. Указанные ветви занимают менее 10% площади поперечного сечения, а на изоляцию приходится более 90%. Такая конфигурация значительно уменьшает количество полупроводникового материала, необходимого для ветвей, что, в особенности, является важным, если используются нанокомпозиционные материалы. Поскольку указанные ветви равномерно распределены относительно поверхности солнечной панели, при этом весьма малы, расположены близко друг к другу и очень короткие, эти ветви эффективно охлаждают солнечную панель, несмотря на их низкую пространственную плотность и низкую теплопроводность.

Основная цель вышеприведенного краткого изложения заключается в том, чтобы представить некоторые основные концепции настоящего изобретения в упрощенном виде, что облегчит понимание приведенных ниже более подробного описания и пунктов формулы изобретения. Это краткое изложение не может быть исчерпывающим и охватывает любую концепцию и особенность, которые могут быть рассмотрены как изобретательские или служат для определения границ, в пределах которых они являются изобретательскими. Другие концепции и особенности и пути обобщения и применения вышеизложенных концепций будут переданы с помощью нижеследующего описания, чертежей и раскрытия предмета изобретения в целом.

Сущность того, что заявляет изобретатель, предназначается для приведенных ниже пунктов формуле изобретения. Эти пункты формулы могут быть изменены в соответствии с общепринятой практикой производства по выдаче патента.

Краткое описание чертежей

На сопровождающих описание чертежах используются ссылочные номера позиций в соответствии с определенными условиями. Одинаковые ссылочные номера, приведенные на различных чертежах, показывают одинаковые элементы в различных позициях, случаях использованиях или на различных изображениях. Ситуации, когда два номера позиции отличаются друг от друга, но совпадают в двух последних значащих цифрах, указывают на то, что рассматриваемые объекты соотносятся как объекты одинакового рода или соотносятся как вид и род. Из самих чертежей и контекста описания будет понятно, какое соотношение имеет место, и будут или нет обозначения, проставленные около одного элемента в равной степени применимы к соотнесенным элементам. Буквенные обозначения после цифры используются для того, чтобы отличить повторяющиеся элементы на одном чертеже или в одном примере.

Фиг.1 - схематическое изображение примера воплощения генератора 100 на солнечной энергии, функционирующего с теплоотводом и при наличии солнечного света.

Фиг.2 - схематическое изображение примера воплощения солнечной панели и термоэлектрического устройства интегральной конструкции.

Фиг.3 - схема, которая иллюстрирует сегментирование в конструкции термоэлектрического устройства.

Фиг.4 - график, показывающий термоэлектрическую добротность в зависимости от температуры для различных полупроводниковых материалов.

Фиг.5 - график, показывающий термоэлектрическую добротность нанокомпозитного материала p-Si/p-SiGe.

Фиг.6 - схема рабочего процесса генератора 100 на солнечной энергии, функционирующего предпочтительным образом.

Фиг.7 - вид в разрезе по линии А-А' на фиг.2, иллюстрирующий ветви термоэлектрического устройства, которые с большими промежутками, равномерно и в виде мелкозернистой структуры распределены в матрице с высокими теплоизоляционными свойствами.

Фиг.8 - пример выполнения системы горячего водоснабжения для бытовых нужд и выработки электроэнергии, в которой используются решения, представленные на каждой из вышеуказанных фигур.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематически представлен пример выполнения генератора 100, работающего на солнечной энергии, который генерирует электрическую энергию за счет использования солнечного света 109. Указанный генератор 100, работающий на солнечной энергии, содержит используемую по усмотрению систему 101 концентрации солнечной энергии, солнечную панель 102 и термоэлектрическое устройство 103. Для работы генератора 100 необходим теплоотвод 104. Теплоотвод 104 может быть выполнен как часть генератора 100, работающего на солнечной энергии. Генератор 100 вырабатывает электрическую энергию как за счет использования солнечной панели 102, так и с помощью термоэлектрического устройства 103. Эти источники обычно приводят к одинаковому напряжению, объединяют и подключают к нагрузке.

Системой 101 концентрации солнечной энергии может быть любое подходящее устройство, которое функционирует, обеспечивая концентрацию солнечной энергии. Указанная система 101 концентрации солнечной энергии может обеспечить низкую, среднюю и высокую степень концентрации солнечной энергии. Низкая степень может быть охарактеризована коэффициентом f концентрации солнечной энергии в интервале от приблизительно 2 до приблизительно 10. Для средней степени концентрации величина этого коэффициента может находиться в интервале от приблизительно 10 до приблизительно 100. Коэффициент концентрации более 100 можно считать высоким. При отсутствии концентрации солнечной энергии коэффициент f равен 1.

Солнечное излучение падает на поверхность земли с концентрацией, максимум которой соответствует приблизительно 1,3 кВт/м². Эту величину иногда используют в качестве единицы плотности потока солнечной энергии «1 солнце». Система 101 концентрации солнечной энергии с коэффициентом f концентрации облучает верхнюю поверхность 105 солнечной панели 102 с плотностью энергии приблизительно f*1,3 кВт/м² (f солнц). Фактически существующая концентрация солнечной энергии, которую обеспечивает система 101 концентрации солнечной энергии в любое заданное время, может изменяться в зависимости от таких факторов, как положение Солнца на небе, но можно ожидать, что каждая система концентрации солнечного света имеет достаточно хорошо определяемый максимальный коэффициент f концентрации, характеризующий ее функциональные возможности и, как можно предполагать, функционирует надлежащим образом при максимальной интенсивности солнечного света.

Концентрация солнечной энергии может быть достигнута с помощью устройств, содержащих отражающие зеркала и/или преломляющие линзы. Предпочтение здесь отдают наиболее простым системам, которые, тем не менее, обеспечивают высокую концентрацию солнечного света. Разделение по энергетическому спектру не требуется. Система 101 концентрации солнечной энергии может содержать устройство слежения за Солнцем, предназначенное для регулировки положения системы с тем, чтобы сохранять фокусировку при перемещении Солнца. Система 101 концентрации солнечной энергии может содержать систему охлаждения для предохранения ее элементов от избыточного нагревания под действием интенсивного солнечного света. Система 101 может также содержать пучок оптических волокон, поэтому система 101 концентрации солнечной энергии может быть размещена на удалении от других элементов генератора 100, работающего на солнечной энергии. В этой связи следует понимать, что указания на «верх» и «низ» солнечной панели 102 не означают ограничения того, как ориентирована панель. Система 101 может содержать зеркальную камеру или подобные элементы для повторного отражения света, отраженного от поверхности 105 или испускаемого солнечной панелью 102.

Солнечная панель 102 может содержать, и в большинстве случаев действительно содержит, большое количество отдельных солнечных элементов, соединенных последовательно или параллельно. Солнечные элементы представляют собой фотоэлектрические элементы, подходящие для генерирования электричества из солнечного излучения. Солнечная панель может составлять периодическую структуру из солнечных панелей меньшего размера. Солнечная панель 102 может быть такого типа, что каждая из указанных входящих в ее состав панелей меньшего размера снабжена термоэлектрическим устройством 103. Взаимное расположение между солнечной панелью 102 и термоэлектрическим устройством 103, с учетом их близости и теплопередачи, может быть повторено для каждого отдельного элемента периодической структуры. Как это будет понятно далее, единая конструкция солнечной панели 102 и термоэлектрического устройства 103 означает единство в отношении каждого элемента в указанной периодической структуре.

Солнечная панель 102 (или каждая единица в указанной периодической структуре) выполнена тонкой и, как результат, имеет только две основные поверхности. Эти поверхности могут быть названы передней и задней или верхней и нижней. Передняя или верхняя поверхность 105 является поверхностью, обращенной к солнечному свету. Верхняя поверхность 105 и нижняя поверхность 106 являются по существу соответствующими друг другу, не учитывая выступы. Они имеют приблизительно равные суммарные площади поверхности.

Солнечная панель 102 может содержать фотоэлектрический элемент любого типа, подходящий для окружающих условий, имеющих место при его использовании. Примеры, описанные в разделе «Уровень техники», применимы в широком смысле, хотя предпочтительно применение фотоэлектрических элементов, работающих при высокой температуре. На практике выбор фотоэлектрических элементов сужает также необходимость длительной прочности при высоких температурах и способности выдерживать тепловые циклы. Генератор 100, использующий солнечную энергию, спроектирован с расчетом на то, что солнечная энергия будет нагревать солнечную панель 102 до высоких температур, например, до 202°С, 302°С, 402°С или до более высокой температуры. Достижение высоких температур солнечной панели способствует обеспечению источника высокой температуры для термоэлектрического устройства 103.

Солнечная панель 102 предпочтительно приспособлена для фотоэлектрического действия при высоких температурах. Солнечные панели, предназначенные для работы только в условиях окружающей среды, включают блочные солнечные панели с единственным кристаллическим кремнием и серийно производимые последовательно соединенные многопереходные тонкопленочные солнечные панели. Каждый тип солнечной панели быстро теряет эффективность работы с повышением температуры.

Приспосабливание солнечной панели 102 для работы при высоких температурах обычно включает выбор полупроводникового материала с большой шириной запрещенной зоны. Примерами полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, которые могут быть использованы для изготовления солнечных элементов, приспособленных для работы при высоких температурах, являются GaN (3,2 эВ), SiC, GaP (2,26 эВ). В случае температурочувствительных конструкций, например обычных серийно производимых многопереходных устройств, они либо не допускают высоких температур, либо приспособлены к высоким температурам.

Солнечная панель, предназначенная для работы при высоких температурах, содержит по меньшей мере один полупроводниковый p-n переход, самый верхний в слоистой конфигурации, имеющий ширину запрещенной зоны большую, чем может быть выбрана для работы при температуре окружающей среды. Полупроводники с большей шириной запрещенной зоны используют меньшую часть солнечного спектра, чем полупроводники с меньшей шириной запрещенной зоны, однако, полупроводники с большей шириной запрещенной зоны теряют меньше своей эффективности с повышением температуры по сравнению с полупроводниками, имеющими меньшую ширину запрещенной зоны. Для солнечных элементов с большой шириной запрещенной зоны пренебрегают эффективностью их работы при комнатной температуре для того, чтобы сохранить большую эффективность при высоких температурах.

Оптимальные величины ширины запрещенной зоны, указанные выше в разделе «Уровень техники», не являются наиболее предпочтительными для применения в заявленном изобретении. Оптимальная идеальная ширина запрещенной зоны зависит от конкретного применения, но подходящий выбор может быть сделан на основе теории или эксперимента. В солнечной панели с единственным переходом ширина запрещенной зоны, составляющая более 1,6 эВ, будет свидетельствовать о приспособленности к использованию при высоких температурах, а свыше 1,8 эВ - несомненно свидетельствует об этом. В устройствах с двумя переходами показательной будет ширина запрещенной зоны для верхнего слоя 2,0 эВ, а ширина, равная 2,2 эВ, будет еще более показательной.

Солнечная панель с единственным кристаллом GaAs и одним переходом или тонкопленочная солнечная панель с одним переходом являются более подходящими для работы при высоких температурах, чем большинство солнечных панелей, но они не предназначены и не приспособлены для работы при высоких температурах. Ширина запрещенной зоны для GaAs (1,4 эВ) является высокой по сравнению с шириной запрещенной зоны для кремния, что делает GaAs менее чувствительным к температуре, чем кремний. Поскольку эти ограничения будут использованы при раскрытии изобретения, GaAs приспосабливают для работы при средних температурах, но не при высоких температурах.

В настоящем изобретении высокая температура составляет по меньшей мере 203°С. Функционирование при температуре солнечной панели 102, максимум которой превышает 402°С, типично для генератора 100, работающего на солнечной энергии, для обеспечения выработки электрической энергии с помощью термоэлектрического устройства 103. Приспосабливание к работе при таких высоких температурах не означает, что солнечная панель 102 не будет иметь ухудшенную эффективность при температуре 203°С по сравнению с эффективностью при окружающей температуре, равной 27°С. Почти любая (или каждая) солнечная панель будет демонстрировать снижение эффективности работы с увеличением температуры. Приспосабливание к высоким температурам предусматривает потери эффективности работы при окружающей температуре для повышения эффективности работы при высокой температуре.

Хорошим показателем адаптации к высокой температуре для солнечной панели с последовательно соединенными несколькими переходами является величина относительного выходного тока для различных переходов в зависимости от температуры. Переходы обычно соединяют последовательно и согласовывают по току. Согласование по току включает регулирование толщины переходных слоев до тех пор, пока каждый переход не будет создавать почти одинаковый по величине ток. Если токи не согласованы, результат для эффективности работы является неблагоприятным. Поскольку степень влияния температуры на электрический ток для различных переходов в многослойных устройствах изменяется в широких пределах, согласование токов необходимо производить для определенной температуры. Температура, при которой каждый слой производит ток одинаковой величины под действием солнечного излучения, является температурой, при которой приспособлена функционировать солнечная панель. Эти пояснения относительно согласования токов применимы к устройствам с последовательно соединенными несколькими переходами. Необходимости согласования токов можно избежать посредством использования параллельного соединения. Параллельное соединение в многослойных солнечных панелях обычно не используют ввиду сложности конструкции, необходимой для его реализации. Компромиссным решением для настоящего изобретений могло бы быть использование параллельного соединения, но с ограничением максимального количества переходов до двух.

Солнечная панель 102 имеет низкое сопротивление для теплопередачи через толщину к термоэлектрическому устройству 103. Если солнечная панель 102 имеет слишком большую толщину или теплопроводность, не подходящую для ее толщины, между ее верхней поверхностью 105 и нижней поверхностью 106 создается значительный градиент температуры. Некоторый температурный градиент является необходимым для передачи теплоты к термоэлектрическому устройству 103, но в предпочтительной конструкции этот градиент будет очень малым. Большой градиент температуры не может уменьшить производство электрической энергии термоэлектрическим устройством 103 в установившемся режиме работы, но может привести к чрезмерно высокой температуре солнечной панели 102.

В зависимости от степени концентрации солнечной энергии, используемой генератором 100, работающим на солнечной энергии, при проектировании солнечной панели 102 может быть важно учитывать термическое сопротивление. При низкой степени концентрации солнечного света, вероятно, подходящими являются обычные материалы, хотя необходимо проявлять осторожность, чтобы материалы подложки и основы, используемые в солнечной панели 102, не создавали излишнее термическое сопротивление.

Низкая теплоемкость солнечной панели 102 в большинстве случаев выгодна, но выгодно иметь и высокую теплоемкость. Высокая теплоемкость уменьшает температурные колебания и скорость изменения температуры, что снижает механические напряжения в материале и повышает надежность и срок службы панели. Если не касаться вопроса надежности, которая может определить минимальную требуемую теплоемкость, то соображения, которые необходимо учитывать, являются более сложными.

Преимущества высокой теплоемкости, такой, которую может обеспечить металлическая пластина без создания чрезмерного термического сопротивления, включают стабильность температуры и выработку большого количества фотоэлектрической эне