CN101719739A - 一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件，由一次反光体、二次反光体、透明防护盖板、光伏电池、导电连线、散热器基板、框架封装组成。一次反光体上设置有一次抛物柱面反射镜，二次反光体上设置有二次抛物柱面反射镜。通过两个抛物柱面反射镜的适当的组合设置使用，使光伏电池表面形成具有相同辐射强度、与光伏电池表面夹角相同的聚光光照，从而提高了单位面积的普通光伏电池的光电转换效率，甚至更高倍数的聚光比，达到在给定功率条件下，使用较少光伏电池的目的，因而可以降低光伏发电系统的总成本。这种组件可用于一维斜轴跟踪，跟踪可以提高发电量，也起到了降低光伏发电系统总成本的作用。

Description

一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件

技术领域

本发明涉及一种聚光光伏系统光电转换模块的结构，属于太阳能利用技术领域，特别是一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件。

背景技术

开发新能源和可再生清洁能源是全世界面临的共同课题，在新能源开发与利用方式中，光伏发电倍受瞩目。目前，光伏发电主要采用普通平板光伏发电系统。普通平板光伏发电系统直接将平板太阳电池组件朝向低纬度地区放置(与地面成一定角度)，以串并联的方式组成太阳能光伏阵列从而达到使用太阳能发电的目的。在普通平板光伏发电系统中，太阳电池的成本在系统总成本中占很大比例，由于太阳电池的价格比较高昂，从而直接导致了系统的成本过高。目前，使用的光伏电池的转换效率低、成本高，是光伏发电没有在市场上广泛推广应用的主要原因之一。

光伏电池可以在相当高的光强条件下工作，在聚光条件下使用光伏电池进行光电转换，是降低太阳能发电成本的有效途径之一。采用聚光光伏系统，可以减少给定功率所需的电池面积，用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳电池。在这种系统中，太阳电池的总成本会显著降低，发电系统的总成本也随之下降。

如果聚光电池在三百倍或更高倍数的太阳光强条件下工作，并可以达到相当高的光电转换效率(25％-36％)。但是，这种高倍聚光的光伏电池需要昂贵的半导体材料(铟化镓或提纯高纯度硅等)，加工工艺也非常复杂，在聚光条件下使用时，光伏电池的温度会变得很高，需要更苛刻且效率很高的冷却技术。尤其是硅材料光伏电池，在日照强度恒定和光伏电池温度升高的情况下，会导致开路电压降低，降低率为-0.4％/K～-0.5％/K，从而使硅材料光伏电池的输出功率也降低。冷却装置会增加光伏发电系统的成本，不适合一般场合推广使用。如果聚光电池在3～10倍以内的太阳光强条件下工作，可以节省66～90％的太阳电池。在太阳电池产生的温度，可以通过使用常规散热片的方式进行有效散热。因此，这种聚光电池在降低发电成本方面具有一定优势。

在已公开的专利号ZL200510200596.0、名称为“使用光漏斗反射法在地球上实现数倍聚光的太阳能光伏电池发电装置”的专利文件中，这种装置理论上可以实现3～7倍的聚光比，然而在现实情况下，考虑到尺寸与反射损失等因素，只能达到3.5～4.3倍的聚光比。如果要达到所述的7倍聚光比，其反射面的尺寸需要无限长才可以做到，这在实际生产应用中显然是行不通的。也就是说，这种结构不能在实际生产中实现10倍左右，以及更高倍数之间实现尺寸变换，以适应不同气温与光照环境。这种装置需要进行二维跟踪才可以进行正常工作，即需要在太阳方位角与高度角两个方向进行跟踪，这无疑大大增加了光伏发电的系统复杂程度和成本，不利于推广使用。

透射聚光也是实现较高倍数的一个途径，由于菲涅尔透镜的大量生产而降低下来的成本也是十分引入注目的。然而从技术的角度来看，菲涅尔透镜在特定面上的聚光光强的均匀性相对要差一些。从工业化的角度看来说，相比于反射法，特制透镜的成本仍然高于具有高反射率反射镜面的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件，在光伏电池表面各点具有比较均匀的辐射强度，有利于提高光伏电池的整体光电转换效率，适用于一维斜轴跟踪应用。

本发明的目的是这样实现的：一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件，主要由一次反光体、二次反光体、透明防护盖板、光伏电池、导电连线、散热器基板、框架封装组成，通过封装固定成为一个发电组件。光伏电池由相应的导电连线进行导电连接，通过胶膜固装在散热器基板上，光伏电池、导电连线与散热器基板之间通过胶膜绝缘。一个散热器基板上固定一个以上的光伏电池，并与导电连线一同装配成电能输出器。一次反光体设置在透明防护盖板与光伏电池之间。一次反光体上设置一组以上的一次抛物柱面反射镜，一个一次抛物柱面反射镜对应一个二次抛物柱面反射镜。二次抛物柱面反射镜设置在二次反光体上，每个二次反光体上设置两个二次抛物柱面反射镜。一次抛物柱面反射镜底部对应一个光伏电池。一次反光体上方开口处通过透明防护盖板进行固装覆盖。散热器基板的背面有散热片，散热片与散热器基板上固装的光伏电池之间的位置对应，由于聚光而使光伏电池而产生的热量，通过散热器基板后的散热片进行散热，保证光伏电池在适当的温度条件下正常工作。光伏电池位于一次抛物柱面反射镜的底部，使光伏电池的背部有更大的空间固装较大体积的散热器，提高光伏电池的散热效率。

一个一次抛物柱面反射镜和一个二次抛物柱面反射镜共同组成一个聚光反射曲面组，并且焦线重合，准线平行，准线所在的准平面也平行。两个反射镜面的开口边沿分别与抛物面的准平面平行，与焦线处于同一平面。一次抛物柱面反射镜靠近顶点处设有开口，光伏电池设置在开口处，且表面与一次抛物柱面反射镜的准平面平行。当垂直于光伏电池的光线从两个反射镜面的开口边沿内的区域入射时，经一次抛物柱面反射镜和二次抛物柱面反射镜的两次反射，光线到达光伏电池的表面。根据光学知识可知，到达光伏电池的光线的聚光光线，其辐射强度大于入射光的辐射强度；聚光光线与光伏电池的表面垂直，且在光伏电池表面的任意一点具有相同的聚光辐射强度。

两个聚光反射曲面组由两个相同的一次抛物柱面反射镜和两个相同的二次抛物柱面反射镜组成，分别对应各自的焦线。两组聚光反射曲面组对称设置，四个抛物柱面反射镜面的外边沿与两条焦线处于同一平面内，且与其准平面平行。两条焦线平行且相距一定距离。这样的设置结构可以使用更大面积的光伏电池。

一次抛物柱面反射镜、二次抛物柱面反射镜、光伏电池设置为适当的长度时，入射光线与任一焦线和光伏电池表面的垂线所在平面平行，且与光伏电池表面的垂线有一定夹角时，光伏电池表面仍可以接受到均匀的聚光光线，并且，由一次抛物柱面反射镜和二次抛物柱面反射镜反射的聚光光线会覆盖整个光伏电池的表面。使一次抛物柱面反射镜的焦线设置在与地球自转轴平行的位置，并使太阳光线始终平行于任一焦线与光伏电池表面的垂线的平面，太阳位于一次抛物柱面反射镜的开口方向，则太阳光线与光伏电池表面垂线的夹角的最大值为±23.45°。适当长度的一次抛物柱面反射镜、二次抛物柱面反射镜和光伏电池的设置，可实现在全年内有日光照射时，整个光伏电池表面始终会接受到聚光辐射光线，并且每一点的辐射强度相同。这个特点适合于一维斜轴跟踪聚光太阳能发电，相对于二维跟踪的成本更低。跟踪可以提高发电量，也起到了降低光伏发电系统总成本的作用。

本发明的关键点在于一次抛物柱面反射镜和二次抛物柱面反射镜，都不经过抛物面的顶点。通过一次抛物柱面反射镜和二次抛物柱面反射镜的组合反射，光线汇聚在光伏电池表面时，在光伏电池表面的每一点，都具有相同的、数倍于入射太阳光的辐射强度，从而提高了单位面积的普通光伏电池的光电转换效率。光伏电池表面每一点所接受的光线与光伏电池表面之间的夹角相同，光伏电池在光伏发电时的余弦效应一致，从而也相对的提高了光伏发电的整体效率。这种结构比较容易实现3～10倍，甚至更高倍数的聚光比。由于是聚光发电，从而实现在给定功率条件下，使用较少光伏电池的目的，因而可以降低光伏发电系统的总成本。同时在进行一维跟踪时，适当长度的光伏电池设置在相应聚光接收位置上时，光伏电池在全年均可接收辐射强度均匀的聚光光线。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图；

图2是本发明的光路原理示意图；

图3是本发明在两组抛物反射面对称设置结构示意图；

图4是本发明在垂直光线入射时的聚光原理示意图；

图5是本发明在斜射光线入射时的聚光原理示意图；

图6是本发明侧上方的俯视结构示意图。

图中标号说明如下：

1-一次反光体、2-二次反光体、3-透明防护盖板、4-光伏电池、5-胶膜、6-导电连线、7-散热器基板、8-散热片、9-框架、10-一次抛物柱面反射镜、11-二次抛物柱面反射镜。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由一次反光体1、二次反光体2、透明防护盖板3、光伏电池4、导电连线6、散热器基板7、框架9封装组成，通过封装固定成为一个发电组件。光伏电池4由相应的导电连线6进行导电连接，通过胶膜5固装在散热器基板7上，光伏电池4、导电连线6与散热器基板7之间通过胶膜5绝缘。一个散热器基板7上固定一个以上的光伏电池4，并与导电连线6一同装配成电能输出器。一次反光体1设置在透明防护盖板3与光伏电池4之间。一次反光体1上设置一组以上的一次抛物柱面反射镜10，一个一次抛物柱面反射镜10对应一个二次抛物柱面反射镜11。二次抛物柱面反射镜11设置在二次反光体2上，每个二次反光体2上设置两个二次抛物柱面反射镜11。一次抛物柱面反射镜11底部对应一个光伏电池4。一次反光体1上方开口处通过透明防护盖板3进行固装覆盖，透明防护盖板3要求透光率很高，可以用硬化或钢化玻璃制造，或者用光学塑料制造，要求具有防水、防尘以及相当的抗撞击功能，以适应各种室外恶劣气候。散热器基板7的背面有散热片8，散热片8与散热器基板7上固装的光伏电池4之间的位置对应，由于聚光而使光伏电池4而产生的热量，通过散热器基板7后的散热片8进行散热，从而保证光伏电池在适当的温度条件下正常工作。光伏电池4位于一次抛物柱面反射镜10的底部，使光伏电池4的背部有更大的空间固装较大体积的散热器，提高了光伏电池4的散热效率。

如图2所示，一个一次抛物柱面反射镜10和一个二次抛物柱面反射镜11共同组成一个聚光反射曲面组，并且焦线重合，准线平行，准线所在的准平面也平行，焦线与xy平面交于F点。两个反射镜面的开口边沿分别与xy平面交于D点和D′点，与抛物面的准平面平行，与焦线处于同一平面。一次抛物柱面反射镜10靠近顶点处设有开口，光伏电池4设置在此开口处，且表面与一次抛物柱面反射镜10的准平面平行。当垂直于光伏电池4的光线从两个反射镜面的开口边沿，即D点和D′点之间的区域入射时，经一次抛物柱面反射镜10的ECD段和二次抛物柱面反射镜11的E′C′D′段的两次反射，光线到达光伏电池4的表面OA之间的区域。根据光学知识可知，到达光伏电池4的光线的聚光光线，其辐射强度大于入射光的辐射强度；聚光光线与光伏电池4的表面垂直，且在光伏电池4表面的任意一点具有相同的聚光辐射强度。一次抛物柱面反射镜10的ECD段和二次抛物柱面反射镜11的E′C′D′段，都不经过抛物面的顶点。

如图3所示，两个聚光反射曲面组由两个相同的一次抛物柱面反射镜10和两个相同的二次抛物柱面反射镜11组成，分别对应共同焦线F₁F₁′和F₂F₂′。两组聚光反射曲面组对称设置，四个抛物柱面反射镜面的外边沿与两条焦线F₁F₁′和F₂F₂′处于同一平面内，且与其准平面平行。两条焦线F₁F₁′和F₂F₂′平行且相距一定距离。这种组合使光伏电池4的面积制作得更大，也就是一块较大面积的光伏电池4，同时利用两组聚光反射曲面组的聚光光线。矩形ABB′A′为光伏电池4所在的位置。当焦线F₁F₁′和F₂F₂′相距适当距离时，光伏电池4表面每一点都可接受到均匀的、辐射强度相同的聚光光线。

如图4所示，当光线在HIJK的矩形范围内，以垂直于光伏电池4表面的形式入射后，根据上述条件和光学知识可以证明，经一次抛物柱面反射镜10和二次抛物柱面反射镜11的反射，聚光光线落在光伏电池4表面H′I′J′K′所示的矩形范围内。

如图5所示，当入射光线与任一焦线和光伏电池4表面的垂线所在平面平行，且与光伏电池4表面的垂线有一定夹角时，经一次抛物柱面反射镜10和二次抛物柱面反射镜11的两次反射，经过H点和K点入射的光线，会落在光伏电池4表面H′点和K′点。当经过I点和J点且与光伏电池4表面垂直的光线入射时，经一次抛物柱面反射镜10和二次抛物柱面反射镜11的两次反射，会落在光伏电池4表面I′点和J′点。根据前述条件和光学知识可以证明，如果线段HK与线段IJ平行则长度相等，则线段H′K′与线段I′J′平行且相等。也就是说，一次抛物柱面反射镜10、二次抛物柱面反射镜11、光伏电池4设置为适当的长度时，入射光线与任一焦线和光伏电池4表面的垂线所在平面平行，且与光伏电池4表面的垂线有一定夹角时，光伏电池4表面仍可以接受到均匀的聚光光线，并且，由一次抛物柱面反射镜10和二次抛物柱面反射镜11反射的聚光光线会覆盖整个光伏电池4的表面。同时，光伏电池4表面每一点所接受的光线与光伏电池4表面之间的夹角相同，也就是说，在这种情况下，光伏电池4在光伏发电时的余弦效应一致，从而也相对的提高了光伏发电的整体效率。

因此，使一次抛物柱面反射镜10的焦线设置在与地球自转轴平行的位置，并使太阳光线始终平行于任一焦线与光伏电池4表面的垂线的平面，太阳位于一次抛物柱面反射镜10的开口方向，则太阳光线与光伏电池4表面垂线的夹角的最大值为±23.45°。适当长度的一次抛物柱面反射镜10、二次抛物柱面反射镜11和光伏电池4的设置，可实现在全年内有日光照射时，整个光伏电池4表面始终会接受到聚光辐射光线，并且每一点的辐射强度相同。这个特点适合于一维斜轴跟踪聚光太阳能发电。跟踪可以提高发电量，也起到了降低光伏发电系统总成本的作用。

如图6所示，由框架9封装的发电装置可以观察到内部的一次反光体1、二次反光体2、光伏电池4，以及设置在一次反光体1上的一次抛物柱面反射镜10。

Claims (5)

1.一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件，由一次反光体(1)、二次反光体(2)、透明防护盖板(3)、光伏电池(4)、导电连线(6)、散热器基板(7)、框架(9)封装组成；光伏电池(4)由相应的导电连线(6)进行导电连接，通过胶膜(5)固装在散热器基板(7)上，光伏电池(4)、导电连线(6)与散热器基板(7)之间通过胶膜(5)绝缘；一个散热器基板(7)上固定一个以上的光伏电池(4)，并与导电连线(6)一同装配成电能输出器，其特征是：一次反光体(1)设置在透明防护盖板(3)与光伏电池(4)之间，一次反光体(1)上设置一组以上的一次抛物柱面反射镜(10)，一个一次抛物柱面反射镜(10)对应一个二次抛物柱面反射镜(11)，二次抛物柱面反射镜(11)设置在二次反光体(2)上。

2.根据权利要求1所述的一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：一个一次抛物柱面反射镜(10)和一个二次抛物柱面反射镜(11)组成一个聚光反射曲面组，并且焦线重合，准线平行，准线所在的准平面也平行，两个反射镜面的开口边沿分别与抛物面的准平面平行，与焦线处于同一平面；一次抛物柱面反射镜(10)靠近顶点处设有开口，在开口处设置有光伏电池(4)，光伏电池(4)表面与一次抛物柱面反射镜(10)的准平面平行；一次抛物柱面反射镜(10)和二次抛物柱面反射镜(11)，都不经过抛物面的顶点。

3.根据权利要求1所述的一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：两组聚光反射曲面组对称设置，四个抛物柱面反射镜面的外边沿与两条焦线处于同一平面内，且与其准平面平行；两条焦线平行且相距一定距离，光伏电池(4)表面每一点都可接受到均匀的、辐射强度相同的聚光光线。

4.根据权利要求1所述的一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：一次反光体(1)上方开口处通过透明防护盖板(3)进行固装覆盖，透明防护盖板(3)要求透光率很高，用硬化或钢化玻璃制造，或者用光学塑料制造。

5.根据权利要求1所述的一种双抛物柱面反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：散热器基板(7)的背面有散热片(8)，散热片(8)与散热器基板(7)上固装的光伏电池(4)之间的位置对应，由于聚光而使光伏电池(4)而产生的热量，通过散热器基板(7)后的散热片(8)进行散热。

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