CN101119083A

CN101119083A - 太阳能聚光发电模块

Info

Publication number: CN101119083A
Application number: CNA2006100296326A
Authority: CN
Inventors: 邓运明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-02-06

Abstract

本发明提供了一种太阳能聚光发电模块，它包括由至少两块菲涅尔透镜组成的菲涅尔透镜阵列、由至少两块小硅光电池板组成的小硅光电池板阵列和一个太阳光自动跟踪器。菲涅尔透镜阵列、光电池板阵列和太阳光自动跟踪器上下设置并顺序固定相连。太阳光自动跟踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射菲涅尔透镜阵列。菲涅尔透镜阵列和小硅光电池板阵列跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。本发明通过一个菲涅尔透镜阵列，将太阳光能汇聚地照在小硅光电池板阵列上，大大减少了光电转换器件的面积，充分利用了光电池板的发电能力，从而降低了系统的成本。

Description

太阳能聚光发电模块

技术领域

本发明涉及一种太阳能发电装置，尤其涉及一种太阳能聚光发电模块。

背景技术

太阳能发电广泛应用于家庭和工农业生产，是一种真正的绿色能源。现在一般用光电池板作为将光能转化成电能的器件，例如目前用的较多的硅材料制成的硅光电池板，也有用其他材料和新技术开发的新型光电池板等。但是由于需求量很大，其价格高居不下，妨碍了太阳能发电的普及推广。

影响太阳能发电推广的因素是多方面的。对于家用系统而言，其衡量指标为投入发电系统的资金与获得的电能之比。例如每千瓦时电能的价格，如果其价格高于一般发电厂的供电价格，就难以推广。现在的光电转换器件的转化效率在10-30％左右，且价格较高；另外，一般的太阳能聚光透镜难以做得很大，做大了成本就很高。以上因素，限制了太阳能发电装置的推广和应用。

一般的硅光电池受光能力是1-2倍的标准太阳光强(1000w/m²)，也有个别的普通硅光电池由于负极栅线相对较密，其受光能力可超过2倍，但到3倍时其效率开始急剧下降。

也有专门制作的聚光硅光电池，可以在20倍左右的光强下工作，其特征在于设法减小电池内在的串联电阻，如将上表面栅电极做得密一些，线宽尽可能小一些，以减小由于表面电阻引起的串联电阻，但由于与现有的普通硅光电池生产工艺有较大差别，如其上表面栅电极要求用真空蒸镀工艺和光刻工艺，才能满足要求，成本很高，难以推广。

目前的硅光电池模块如图1、图2所示，一般由硅光电池板11、钢化玻璃12和密封塑料板13组成，多块方形的硅光电池板11紧密排列成一个方形，并被封装在一块透明钢化玻璃12和一块密封塑料板13之间。这种硅光电池模块的缺点是硅光电池用量较多，因而成本很高。

发明内容

本发明的目的，在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种成本低、效率高的太阳能聚光发电模块。

本发明的目的是这样实现的：一种太阳能聚光发电模块，包括由至少两块菲涅尔透镜组成的菲涅尔透镜阵列、由至少两块小硅光电池板组成的小硅光电池板阵列和一个太阳光自动跟踪器，所述的菲涅尔透镜阵列、小硅光电池板阵列和太阳光自动跟踪器上下设置并顺序固定相连，菲涅尔透镜阵列中的菲涅尔透镜数和小硅光电池板阵列中的小硅光电池板数相同并且一一对应设置，太阳光自动跟踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射菲涅尔透镜阵列，菲涅尔透镜阵列和小硅光电池板阵列跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。

所述的菲涅尔透镜阵列和小硅光电池板阵列包括2×4阵列或3×6阵列。

所述的各菲涅尔透镜的四周形状为方形，组成菲涅尔透镜阵列的各菲涅尔透镜紧密地排列在一起，各菲涅尔透镜的面积大于各小硅光电池板面积的4倍。

所述的组成菲涅尔透镜阵列的各菲涅尔透镜之间使用金属框架连接固定。

所述的组成菲涅尔透镜阵列的各菲涅尔透镜都粘结固定在一块强度较高的钢化玻璃上。

所述的组成小硅光电池板阵列的各小硅光电池板是由普通单晶硅或者多晶硅硅光电池板裁切成的面积不大于30平方厘米的小块，如由常用的125mm×125mm的硅光电池块切成31mm×31mm的方形小块。

所述的组成小硅光电池板阵列的所有小硅光电池板在连接成阵列时先串联后并联，在各串联组与并联母线之间可加入正向连接的二极管。

所述的组成小硅光电池板阵列的所有小硅光电池板都封装在一块钢化玻璃和一块塑料板之间，各小硅光电池板分别位于各菲涅尔透镜的聚光光斑上。

所述的组成小硅光电池板阵列的所有小硅光电池板都封装在一块钢化玻璃和一块散热金属板之间，散热金属板与小硅光电池板阵列之间用绝缘层隔离，各小硅光电池板分别位于各菲涅尔透镜的聚光光斑上。

所述的组成小硅光电池板阵列的各小硅光电池板的下表面分别直接或间接连接有一块小的散热金属板。

本发明通过一个菲涅尔透镜阵列，将太阳光能汇聚地照在由多块小硅光电池板组成的小硅光电池板阵列上，大大减少了光电转换器件的面积，充分利用了光电池板的发电能力，从而降低了系统的成本。

图3所示为硅光电池S的等效电路，其电池方程式如下：

I = I_{L} - I_{O} {cxp [\frac{e (V + I R_{S})}{AKT}] - 1} - \frac{V}{R_{SH}}

式中各符号的定义如下：

A-任意曲线拟合常数，其值在1-5之间；

R_S-电池的串联电阻；

R_SH-电池的并联电阻；

I-电池的输出电流；

I_L-光生电流；

I_O-二极管饱和电流；

e-电子电荷；

V-电池的端电压；

K-玻耳兹曼常数；

T-绝对温度。

根据硅光电池的等效电路，通常在一个标准太阳光强下并联电阻R_SH的值很大，而串联电阻R_S值随光强变化很小。因此上述方程式中的V/R_SH一项可以忽略。

但是在聚光条件下，并联电阻R_SH值会由于P-N结中光生少数载流子数量的猛增而急剧下降，从而使电池的输出电流减少。这一推断可由以下5个实验证实：

实验一：普通125mm×125mm的硅光电池在一个太阳光下，其输出电压为0.55V，输出电流为4A，输出功率为2.2W。在10倍聚光条件下，其输出电压为0.6V，输出电流为8.5A，输出功率为5.1W，输出功率提高到2.3倍。

实验二：将普通125mm×125mm的硅光电池切割成31mm×31mm的小块电池，4片串联，在一个太阳光下，其输出电压为2.2V，输出电流为0.29A，输出功率为0.64W。在10倍聚光条件下，其输出电压为2.4V，输出电流为2.25A，输出功率为5.4W，输出功率提高到8.4倍。

实验三：将以上小块电池4片并联，在一个太阳光下，其输出电压为0.55V，输出电流为1.14A，输出功率为0.63W。在10倍聚光条件下，其输出电压为0.61V，输出电流为2.7A，输出功率为1.65W，输出功率提高到2.7倍。

实验四：将以上小块电池再切割成7.75mm×31mm的小块电池，将其串联，在一个太阳光下，其输出电压为2.2V，输出电流为0.07A，输出功率为0.15W。在10倍聚光条件下，其输出电压为2.4V，输出电流为0.63A，输出功率为1.5W，输出功率提高到10倍。

实验五：将实验四的串联电池片，在20倍聚光条件下，其输出电压为2.4V，输出电流为0.95A，输出功率为2.3W，输出功率提高到15倍。

由以上五个实验，证实普通硅光电池在高倍聚光条件下，其并联电阻会急剧减小，而普通硅光电池(尺寸103mm×103mm，125mm×125mm，152mm×152mm)可以看成多块小尺寸电池并联，那末，只要将大尺寸的电池切成小块即可增加其并联电阻，这时便可用于聚光条件下，尺寸越小，耐受的聚光倍数越大。对于不同上表面栅电极密度的普通硅光电池(如栅线间距2mm，3mm等)，实验表明，上表面栅电极密度大的在高光强下相对效率较高。

进一步的实验表明，对于多晶硅制成的普通硅光电池与单晶硅制成的普通硅光电池有以上同样的实验结果。

而且对于制成光电池的硅材料的电阻率允许的范围较宽，对于P/N结的表面方块电阻允许的范围也较宽，这些参数可与普通硅光电池一样。

另外，在同样的聚光倍数下，聚光电池尺寸越小，对散热越有利，但是对于封装成聚光电池组件越不利。在权衡利弊以后，取10倍聚光条件，普通硅光电池(125mm×125mm)以一片切成16片小方片为宜，每一小方片对应一个菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的汇聚光斑只要落在小方片电池上即可，如果光斑比小方片电池面积小一点，对输出功率基本没有影响，如果光斑比小方片电池面积大一点，输出功率会相应降低。这种情况下，输出功率如实验二所述，效率大约为8.4倍。如果太阳跟踪系统精度较高，也可将1/16的小片再切成2片，成为1/32的小片，这2片串联，其效率可增加到10倍，是一种较理想的状态。

每个小电池片对应一片菲涅尔透镜，这对汇聚光斑的均匀性要求不高，对汇聚光斑偏离中心也不敏感。如果按照实验三的方法切割成的四片小片电池串联组件对应一个菲涅尔透镜，则聚光光斑的不均匀性将会严重影响电流输出，这时如果将实验四所述小片改成15.5mm×15.5mm的小方片，这样的四片小方片电池串联组成的大方片组对应一个菲涅尔透镜，则对菲涅尔透镜汇聚光斑的不均匀性不敏感，但仍然对光斑偏离中心位置敏感。

附图说明

图1为现有技术太阳能硅光电池发电装置的结构示意图；

图2为图1所示发电装置的结构俯视图；

图3为硅光电池的等效电路图；

图4为本发明的太阳能聚光发电模块的结构示意图；

图5为图4所示发电装置的剖视结构示意图；

图6为图4所示发电装置的机械连接结构示意图；

图7为图6所示机械连接结构的俯视图。

具体实施方式

参见图4，配合参见图5、图6、图7，本发明的太阳能聚光发电模块，包括菲涅尔透镜阵列21、小硅光电池板阵列22和太阳光自动跟踪器(未作图示)。菲涅尔透镜阵列21、小硅光电池板阵列22和太阳光自动跟踪器上下设置并顺序固定相连，太阳光自动跟踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射菲涅尔透镜阵列，菲涅尔透镜阵列和光电池板阵列跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。本发明中的菲涅尔透镜阵列和小硅光电池板阵列可以为2×4阵列或3×6阵列或其它形式的阵列，图4至图7所示实施例即为2×4阵列。

菲涅尔透镜阵列21由至少两块(本实施例为8块)菲涅尔透镜211组成，小硅光电池板阵列22由与菲涅尔透镜数量相同的小硅光电池板221组成。菲涅尔透镜阵列21中的菲涅尔透镜和小硅光电池板阵列22中的小硅光电池板一一对应设置，各小硅光电池板221分别位于各菲涅尔透镜211的聚光光斑上。小硅光电池板221是由普通硅光电池板裁切成的面积相等的正方形小块，其面积不大于30平方厘米，如由常用的125mm×125mm的硅光电池块切成31mm×31mm的方形小块。组成小硅光电池板阵列的所有小硅光电池板在连接成阵列时先串联后并联，在各串联组与并联母线之间可加入正向连接的二极管。

组成小硅光电池板阵列22的所有小硅光电池板221都封装在一块钢化玻璃23和一层塑料板(或一块散热金属板)24之间，各小硅光电池板221分别位于各菲涅尔透镜的聚光光斑上，并且各小硅光电池板221的面积都小于各菲涅尔透镜211的聚光面面积，各菲涅尔透镜的聚光面可完全覆盖各小硅光电池板。当采用散热金属板时，散热金属板与小硅光电池板阵列之间用绝缘层隔离，用EVA等树脂真空热压使上下黏结密封。本发明还可在组成小硅光电池板阵列的各小硅光电池板的下表面分别直接或间接连接一块小的散热金属板，这时，小的散热金属板如铝板可作为电池板的一极，以利于硅片上的热量快速传递到大的散热金属板表面上。采用这种方法，在10倍聚光条件下，不需要强制冷却。

本发明中的各菲涅尔透镜211的四周形状为方形，各菲涅尔透镜211紧密地排列在一起组成一个方形的菲涅尔透镜阵列21。各菲涅尔透镜的面型可使汇聚在各小硅光电池板221上的光斑能量均匀，各菲涅尔透镜的面积大于各小硅光电池板面积的4倍。组成菲涅尔透镜阵列21的各菲涅尔透镜211之间可以如图6、图7所示使用金属框架31连接固定。也可以将各菲涅尔透镜都固定在一块强度较高的钢化玻璃上。

本发明的太阳能聚光发电模块，可以使现有的硅光发电成本降低70％以上。

Claims

1.一种太阳能聚光发电模块，其特征在于：包括由至少两块菲涅尔透镜组成的菲涅尔透镜阵列、由至少两块小硅光电池板组成的小硅光电池板阵列和一个太阳光自动跟踪器，所述的菲涅尔透镜阵列、小硅光电池板阵列和太阳光自动跟踪器上下设置并顺序固定相连，菲涅尔透镜阵列中的菲涅尔透镜数和小硅光电池板阵列中的小硅光电池板数相同并且一一对应设置，太阳光自动跟踪器能自动跟踪太阳以使太阳光始终垂直入射菲涅尔透镜阵列，菲涅尔透镜阵列和小硅光电池板阵列跟随太阳光自动跟踪器的转动而转动。

2.如权利要求1所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的菲涅尔透镜阵列和小硅光电池板阵列包括2×4阵列或3×6阵列。

3.如权利要求1所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的各菲涅尔透镜的四周形状为方形，组成菲涅尔透镜阵列的各菲涅尔透镜紧密地排列在一起，各菲涅尔透镜的面积大于各小硅光电池板面积的4倍。

4.如权利要求1所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的组成菲涅尔透镜阵列的各菲涅尔透镜之间使用金属框架连接固定。

5.如权利要求1所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的组成菲涅尔透镜阵列的各菲涅尔透镜都粘结固定在一块强度较高的钢化玻璃上。

6.如权利要求1所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的组成小硅光电池板阵列的各小硅光电池板是由普通单晶硅或者多晶硅硅光电池板裁切成的面积不大于30平方厘米的小块，如由常用的125mm×125mm的硅光电池块切成31mm×31mm的方形小块。

7.如权利要求1所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的组成小硅光电池板阵列的所有小硅光电池板在连接成阵列时先串联后并联，在各串联组与并联母线之间可加入正向连接的二极管。

8.如权利要求1所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的组成小硅光电池板阵列的所有小硅光电池板都封装在一块钢化玻璃和一块塑料板之间，各小硅光电池板分别位于各菲涅尔透镜的聚光光斑上。

9.如权利要求1所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的组成小硅光电池板阵列的所有小硅光电池板都封装在一块钢化玻璃和一块散热金属板之间，散热金属板与小硅光电池板阵列之间用绝缘层隔离，各小硅光电池板分别位于各菲涅尔透镜的聚光光斑上。

10.如权利要求8或9所述的太阳能聚光发电模块，其特征在于：所述的组成小硅光电池板阵列的各小硅光电池板的下表面分别直接或间接连接有一块小的散热金属板。