CN101710804A - 一种采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组以及安装所述太阳能聚光发电模组的追日跟踪支架系统，所述太阳能聚光发电模组包括呈矩阵排列的多个太阳能聚光发电单元，所述太阳能聚光发电单元包括一削顶曲面聚光透镜，一设置在所述削顶曲面聚光透镜聚光区域的聚光电池；所述太阳能聚光发电模组的各聚光电池之间串联连接后向外输出电能。本发明采用削顶曲面聚光透镜，使太阳能聚光透镜既有曲面菲涅尔透镜在光学上的优势，又兼顾了平面菲涅尔透镜加工上较曲面菲涅尔透镜简易的优点，降低了加工成本，提高了聚光效果，大幅提升了本发明装置的性价比。

Description

一种采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置

技术领域

本发明涉及太阳能发电领域，尤指一种采用削顶曲面聚光透镜作为太阳能聚光装置的太阳能聚光发电装置。

背景技术

20世纪20年代，物理学家菲涅尔提出透镜的制造理论：连续光学表面的成像特性，主要取决于表面的曲率，而轴向厚度是次要的因素，在大多数情况下，厚度的增加是由于表面曲率或孔径的要求所造成的.所以，把透镜2个表面之间的厚度减小，光学元件仍可把光线聚焦到原来的厚透镜焦点上.依据上述理论，产生了平面菲涅尔透镜，参见附图1。

由平面菲涅尔透镜演化的曲面菲涅尔透镜(参见附图2)主要有2种类型：一种是齿面在凸面上；一种是齿面在凹面上；菲涅尔透镜主要用于聚光和准直，目前主要应用在液晶显示器、投影仪、太阳能聚光透镜等。

对于常规聚焦透镜而言，透镜的聚焦能力可以用其相对孔径(透镜口径与焦距之比D/f)来衡量，系统的聚光能力越强，相对孔径的值越大，透镜也越厚，重量随之增加.使用菲涅尔透镜代替常规透镜可以克服这一缺点。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的。镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，齿高多在1mm左右。

目前大型透射式太阳能聚光发电装置中一般都采用平面菲涅尔透镜，这样的菲涅尔透镜是由一系列的具有偏转光线作用的小棱镜组成的。在操作条件下平面菲涅尔透镜存在色散、全反射、聚光倍数受限制和对跟踪精度要求高等缺点，而曲面菲涅尔透镜可以弥补这些缺陷。曲面菲涅尔透镜可以增强系统的机械强度，减小光线的偏转，减小色差，降低对跟踪精度的要求。色差减小对应着光斑减小，聚焦比增加。所以单从设计的角度来说，若追求高倍聚光倍数，曲面菲涅尔透镜是首选。然而，由于曲面菲涅尔透镜中间顶部为曲面，模具和透镜材料存在脱模困难，所以工艺上很难实现，因此曲面菲涅尔透镜的加工成本要大大高出平面菲涅尔透镜。出于降低成本的需要，太阳能聚光发电装置中基本只能采用平面菲涅尔透镜，本领域迫切希望能研发出一种能够将曲面菲涅尔透镜应用到太阳能聚光发电装置中而又不显著增加成本的太阳能聚光发电装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，将平面菲涅尔透镜和曲面菲涅尔透镜结合成削顶曲面聚光透镜，使太阳能聚光透镜既有曲面菲涅尔透镜在光学上的优势，又兼顾了平面菲涅尔透镜加工上较曲面菲涅尔透镜简易的优点，降低了加工成本，提高了聚光效果，为整个太阳能聚光发电装置节约了大量光电材料，大幅提升了本专利装置的性价比。

本发明提供的技术方案如下：

一种采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组以及安装所述太阳能聚光发电模组的追日跟踪支架系统，所述太阳能聚光发电模组包括呈矩阵排列的多个太阳能聚光发电单元，所述太阳能聚光发电单元包括一削顶曲面聚光透镜，一设置在所述削顶曲面聚光透镜聚光区域的聚光电池；所述太阳能聚光发电模组的各聚光电池之间串联连接后向外输出电能；

所述追日跟踪支架系统包括一用于安装所述太阳能聚光发电模组的支架安装面，所述支架安装面安装在一固定立柱上，所述支架安装面上设有一太阳光强传感器，所述立柱上设有用于调整所述支架安装面的调整机构及控制机构，所述控制机构根据所述太阳光强传感器的信号控制所述调整机构调整所述支架安装面转动从而保证所述支架安装面始终正对着太阳。

进一步地，本专利所述削顶曲面聚光透镜由一平面透镜与一削顶中空曲面菲涅尔透镜组成，所述削顶中空曲面菲涅尔透镜为曲面锥体形，所述平面透镜粘接固定在所述削顶中空曲面菲涅尔透镜的削顶区域形成削顶曲面聚光透镜。

本专利中：平面透镜是指：光线出射面或入射面为平面的透镜。

进一步地，本专利所述平面透镜是指平面菲涅尔透镜。

进一步地，本专利所述平面透镜的面积小于所述削顶曲面聚光透镜有效受光面积的35％。

进一步地，本专利所述太阳能聚光发电单元还设有一用于将所述削顶曲面聚光透镜的出射光进行二次聚光的二次聚光棱镜，所述聚光电池下方设有一散热器。

进一步地，本专利所述调整机构包括一垂直调整机构与一水平调整机构，所述垂直调整机构包括一设置在所述支架安装面上的齿轮，一设置在所述立柱上的电机，所述电机的螺旋传动轴与齿轮啮合；所述水平调整机构包括一套设在所述立柱上可围绕所述立柱转动的转动杆，一安装在所述转动杆一端的电机，所述转动杆的另一端连接在所述支架安装面上。

进一步地，本专利所述聚光电池为III-V族多节太阳能电池。

进一步地，本专利所述聚光电池为砷化镓太阳能电池。

本专利的太阳能聚光发电装置工作方式主要是将太阳光经过削顶曲面聚光透镜把太阳光汇聚到二次聚光棱镜上，经过二次聚光棱镜把汇聚后的太阳光均匀化，然后直接照射到砷化镓太阳能电池上，太阳能电池发生光生伏打效应，产生直流电能，由于各聚光电池之间串联连接，这样多个聚光电池串联后把电压提高从而向外输出电能。由于太阳相对地球是周期性椭球性运动，要能够始终最大限度的汇聚太阳光，就需要保证聚光透镜平面和太阳光始终保持垂直，追日跟踪支架系统就是保证太阳能聚光发电模组和太阳光的平行光始终保持垂直。

本专利的效果在于：

一直以来，太阳能聚光发电装置中的太阳能聚光透镜主要采用平面菲涅尔透镜进行聚光，业界虽然已经觉察到平面菲涅尔透镜具有色散、全反射、聚光倍数受限制等缺点，但是一直无法找到改进的办法，而曲面菲涅尔透镜虽然有良好的光学透射效果，但是其曲面形状则对制造提出了更高的难度，采用传统的铸模、冲压等方法，制造难度大，成本高，因此很难大规模推广。本专利巧妙的将平面菲涅尔透镜与曲面菲涅尔透镜结合起来，取平面菲涅尔透镜或凸透镜的制造简单方便、成本低的优点与曲面菲涅尔透镜的光学透射效果好的优点进行结合，巧妙的规避了曲面菲涅尔透镜制作难度及成本的问题，从而为太阳能聚光透镜提供了一种聚光效果更佳、成本更优的聚光透镜。

具体而言，削顶中空曲面聚光透镜，避免了曲面菲涅尔透镜制作过程中顶部曲面带来的脱膜难题，然后形成一个同削顶区域大小相同的平面菲涅尔透镜，这种平面菲涅尔透镜的加工简单方便，工艺也非常成熟。最后将这两者粘接固定在一起，就形成了本专利的削顶曲面聚光透镜。当然平面菲涅尔透镜也可以替换为凸透镜或者其它平面透镜。在制作削顶中空曲面菲涅尔透镜时，可以采用铸模一次成型的方法，也可以采用在削顶中空曲面锥体内粘贴透镜薄膜的方式来制作。

由于削顶曲面聚光透镜具有：

1、减小了平面菲涅尔透镜“齿峰”之间的距离带来的损失；

2、由于“曲面”弧形表面，所以减小了光线反射带来的损失；

3、可获得更高的几何聚光比，采用的“曲面”设计对于色散的影响降低到较低程度，这样就可以获得比平面菲涅尔透镜更高的几何聚光比；

4，减小聚焦光斑，与3同样的原因，削顶曲面聚光透镜可以得到比平面菲涅尔透镜小得多的光斑，这对于整个太阳能聚光发电装置是至关重要的，因为太阳能聚光发电装置的聚光电池是非常小的；

5，能容忍更大的光线入射角度偏差；

因此，本专利的太阳能聚光发电装置较现有技术中采用平面菲涅尔透镜的太阳能聚光发电装置可以显著提高光电转化效率，特别是可以降低高倍聚光太阳能系统对于追日跟踪支架系统的精度要求。

附图说明

图1为平面菲涅尔透镜的截面示意图；

图2为曲面菲涅尔透镜的截面示意图；

图3为本发明中削顶中空曲面菲涅尔透镜的结构示意图；

图4为本发明中削顶曲面聚光透镜的第一种结构示意图；

图5为图4装置的内部结构示意图；

图6为本发明中削顶曲面聚光透镜的第二种结构示意图；

图7为本发明装置的后视结构示意图；

图8为本发明装置的侧视结构示意图；

图9为本发明太阳能聚光发电模组的结构示意图；

图10为本发明太阳能聚光发电单元的结构示意图；

图11为本发明太阳能聚光发电单元的聚光示意图；

图12为本发明太阳能聚光发电单元在没有二次聚光棱镜时的聚光示意图；

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图7为本发明装置的后视结构示意图，图8为本发明装置的侧视结构示意图；一种采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组7以及安装太阳能聚光发电模组7的追日跟踪支架系统5，太阳能聚光发电模组7包括呈矩阵排列的多个太阳能聚光发电单元6(参见图9)，如图10为本发明太阳能聚光发电单元的结构示意图；太阳能聚光发电单元6包括一削顶曲面聚光透镜61，一设置在削顶曲面聚光透镜61聚光区域的聚光电池63；聚光透镜61下方设有一用于将削顶曲面聚光透镜61的出射光进行二次聚光的二次聚光棱镜62，聚光电池63下方设有一散热器64。聚光电池63为III-V族多节太阳能电池，如：磷化镓铟、碲化铬、砷化镓等，优选砷化镓太阳能电池。二次聚光棱镜62通过一固定基板65固定在太阳能聚光发电单元6中，同样，聚光电池63固定在另一固定基板66上，固定基板66下方设有散热器64，聚光电池63由于聚光产生的高温，需要通过与其粘贴在一起的散热器64来降低工作温度以获得高光电转换效率。太阳能聚光发电模组7的各聚光电池63之间串联连接后向外输出电能；电能可供离网和并网使用。

如图3～图6所示，本专利中的削顶曲面聚光透镜61由一平面透镜2与一削顶中空曲面菲涅尔透镜1组成，削顶中空曲面菲涅尔透镜1为曲面锥体形，平面透镜2粘接固定在削顶中空曲面菲涅尔透镜1的削顶区域形成削顶曲面聚光透镜61。

本专利中：平面透镜是指：光线出射面或入射面为平面的透镜。

作为本专利的一个实施例，平面透镜2为平面菲涅尔透镜3。作为本专利的另一个实施例，平面透镜2为凸透镜4。为了保证整个透镜的透射效果，平面透镜2的面积小于削顶曲面聚光透镜61有效受光面积的35％。

本专利中，削顶曲面聚光透镜的制作方法，按照如下步骤进行制作：

首先铸模成型形成一削顶中空曲面锥体，削顶区域为一圆形区域；

然后在削顶中空曲面锥体内粘贴透镜薄膜形成削顶中空曲面菲涅尔透镜1；

再次铸模成型形成一块与削顶区域相同大小的平面菲涅尔透镜3；

最后将平面菲涅尔透镜3粘接固定到削顶中空曲面菲涅尔透镜1的削顶区域形成削顶曲面聚光透镜61。

粘贴透镜薄膜是指将透镜薄膜按照曲面菲涅尔透镜各个“齿“的折射率、折射角度的不同对应粘贴到削顶中空曲面锥体内，透镜薄膜可以选择美国3M公司生产的透镜薄膜，通过这种粘贴的方式可以产生与冲压成型一样的效果。

如图11、图12所示为本发明太阳能聚光发电单元的分别在设有二次聚光棱镜时及没有二次聚光棱镜时的聚光示意图；平行的太阳光经过削顶曲面聚光透镜61把太阳光汇聚到二次聚光棱镜62上(或者直接照射到砷化镓太阳能电池)，经过二次聚光棱镜把汇聚后的太阳光均匀化，然后直接照射到砷化镓太阳能电池上，电池发生光生伏打效应，产生直流电能，多个电池串联后把电压提高然后向外输出。

如图8为本发明装置的侧视结构示意图，追日跟踪支架系统5包括一用于安装太阳能聚光发电模组7的支架安装面53，支架安装面53安装在一固定立柱51上，支架安装面53上设有一太阳光强传感器52，立柱51上设有用于调整支架安装面53的调整机构及控制机构，调整机构是指一垂直调整机构54与一水平调整机构55，垂直调整机构54包括一设置在支架安装面53上的齿轮，一设置在立柱51上的电机，电机的螺旋传动轴与齿轮啮合；水平调整机构55包括一套设在立柱51上可围绕立柱51转动的转动杆，一安装在转动杆一端的电机，转动杆的另一端连接在支架安装面53上。控制机构根据太阳光强传感器52的信号控制水平调整机构55及垂直调整机构54调整支架安装面53转动从而保证支架安装面53始终正对着太阳。

具体安装时，首先将立柱51垂直固定在地面上；垂直调整机构54调整支架安装面53的高度角，水平调整机构55调整支架安装面53的方位角；太阳光强传感器52实时检测太阳角度，控制机构根据太阳光强传感器52检测到的太阳角度调整水平调整机构55及垂直调整机构54，使太阳光垂直照射到太阳能聚光发电模组7的上表面。

本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (8)

1.一种采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组以及安装所述太阳能聚光发电模组的追日跟踪支架系统，其特征在于，

所述太阳能聚光发电模组包括呈矩阵排列的多个太阳能聚光发电单元，所述太阳能聚光发电单元包括一削顶曲面聚光透镜，一设置在所述削顶曲面聚光透镜聚光区域的聚光电池；所述太阳能聚光发电模组的各聚光电池之间串联连接后向外输出电能；

所述追日跟踪支架系统包括一用于安装所述太阳能聚光发电模组的支架安装面，所述支架安装面安装在一固定立柱上，所述支架安装面上设有一太阳光强传感器，所述立柱上设有用于调整所述支架安装面的调整机构及控制机构，所述控制机构根据所述太阳光强传感器的信号控制所述调整机构调整所述支架安装面转动从而保证所述支架安装面始终正对着太阳。

2.根据权利要求1所述采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，其特征在于，

所述削顶曲面聚光透镜由一平面透镜与一削顶中空曲面菲涅尔透镜组成，所述削顶中空曲面菲涅尔透镜为曲面锥体形，所述平面透镜粘接固定在所述削顶中空曲面菲涅尔透镜的削顶区域形成削顶曲面聚光透镜。

3.根据权利要求2所述采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，其特征在于，

所述平面透镜是指平面菲涅尔透镜。

4.根据权利要求2所述采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，其特征在于，

所述平面透镜的面积小于所述削顶曲面聚光透镜有效受光面积的35％。

5.根据权利要求1所述采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，其特征在于，

所述太阳能聚光发电单元还设有一用于将所述削顶曲面聚光透镜的出射光进行二次聚光的二次聚光棱镜，所述聚光电池下方设有一散热器。

6.根据权利要求1所述采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，其特征在于，

所述调整机构包括一垂直调整机构与一水平调整机构，所述垂直调整机构包括一设置在所述支架安装面上的齿轮，一设置在所述立柱上的电机，所述电机的螺旋传动轴与齿轮啮合；所述水平调整机构包括一套设在所述立柱上可围绕所述立柱转动的转动杆，一安装在所述转动杆一端的电机，所述转动杆的另一端连接在所述支架安装面上。

7.根据权利要求1所述采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，其特征在于，

所述聚光电池为III-V族多节太阳能电池。

8.根据权利要求7所述采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，其特征在于，

所述聚光电池为砷化镓太阳能电池。

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