CN101752442A - 一种改进型静态低倍楔形聚光光伏组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，包括楔形的聚光器与光伏电池，该聚光器包括入射面、反射面、出射面及充满上述各面合围空间内的透明物质，光伏电池设置在所述出射面上，光伏电池的受光面与聚光器的出射面相对，聚光器的楔形面由底边、侧边及顶边相互连接合围构成，其中，底边、侧边及顶边分别位于所述反射面、出射面及入射面上，所述楔形面的底边由一段直线和一段向外凸出的曲线组成，所述直线所处的反射面为平面，所述曲线所处的反射面为曲面，所述曲面与出射面相接，使折射到曲面上的光线直接被反射到出射面上。与普通楔形聚光器相比，本发明改进型静态低倍楔形聚光光伏组件具有更高聚光比，从而提高光伏系统的经济性，促进光伏技术的应用。

Description

一种改进型静态低倍楔形聚光光伏组件

技术领域

本发明涉及太阳能光伏应用技术领域，特别是涉及一种聚光光伏组件。

背景技术

太阳能光伏应用是缓解环境污染与能源匮乏的理想选择，具有很好的应用前景，但是其成本较高，影响了光伏应用的推广。因为光伏应用的成本主要集中在光伏电池上，采用聚光光伏技术，可以在相对较小的太阳电池上产生更大的能源输出，是降低光伏应用成本的有效途径。

聚光光伏技术已经取得了长足的发展，市面上也已出现了聚光光伏应用产品，但是，这些聚光光伏应用产品大部分需要进行太阳方位跟踪，其缺点在于：系统复杂、可靠性较差、运行维护成本较高，对安装环境要求较高，很难与建筑结构相结合。

在现有技术中，静态低倍聚光光伏系统具有以下优点：接收角宽、不需要跟踪太阳、没有运动的机械部件、简单可靠，是聚光光伏技术的重要发展方向。而楔形的聚光器结构简单、接收角宽，非常适用于静态低倍聚光光伏系统，能够与建筑结构相结合，比如屋顶、幕墙等。楔形的聚光器应用于太阳能光伏系统最早可以追溯到1978年D.R.Mills与J.E.Giutronich在《Solar Energy》杂志上发表的文章[Sol.Energy 21(1978)423]。

如图1所示为现有的普通楔形聚光的楔形面，该楔形面由顶边a、底边b+c及侧边d连接组成，其聚光比为：

CF＝a/d＝1/sinA，

其中， $A-\frac{1}{2}\left[\arcsin \left(\frac{1}{n}\right)\arcsin \left(\frac{\sin B}{n}\right)\right]$

A为顶边与底边的最小夹角，B是楔形聚光器的临界入射角，由以上关系可知，角A的大小由临界入射角B与聚光器内透明物质的折射率n确定(空气的折射率为1)，如图2所示，此时，楔形聚光器的接收角I范围为[B，90°)，B角在(-90°，90°)之间取值。当临界入射角B＝0时，即光线沿入射面(从光源发出的光线直接射到的聚光器表面)的法线方向入射时， $A=\frac{1}{2}\arcsin \left(\frac{1}{n}\right),$ 当透明物质分别选择玻璃和水时，按照玻璃的折射率n＝1.5，水的折射率n＝1.3，可得相应的聚光比CF分别为2.8与2.4，此时能够保证照射到入射面上[0°，90°)范围内的入射光都能够聚集到出射面上，最终到达太阳电池的受光面。现有楔形聚光器的聚光比相对较小，是其应用于静态聚光光伏系统的一个不利因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种相对普通楔形聚光器具有更高聚光比的改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，提高光伏系统的经济性，促进光伏技术的应用。

本发明的目的可以通过以下措施来实现，一种改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，包括楔形的聚光器与光伏电池，该聚光器包括入射面、反射面、出射面及充满上述各面合围空间内的透明物质，光伏电池设置在所述出射面上，光伏电池的受光面与聚光器的出射面相对，聚光器的楔形面由底边、侧边及顶边相互连接合围构成，其中，底边、侧边及顶边分别位于所述反射面、出射面及入射面上，其特征在于所述楔形面的底边由一段直线和一段向外凸出的曲线组成，所述直线所处的反射面为平面，所述曲线所处的反射面为曲面，所述曲面与出射面相接，使折射到曲面上的光线直接被反射到出射面上。

本发明聚光器楔形面的底边采用一段直线和一段曲线的结构，直线所处的反射面为平面，折射到该平面上的光线经过反射后可能射往入射面，在入射面与空气的界面处发生全反射；曲线结构是提高楔形聚光器的聚光比的关键，折射到曲线所对应的反射曲面上的光线经反射后产生会聚，直接射到出射面。本发明聚光器楔形面的底边与顶边的夹角与现有普通楔形聚光器楔形面对应的夹角一样，其最小值由透明物质的折射率与聚光器的接收角确定。

在楔形面顶边长度、透明物质的折射率以及接收角相同的情况下，本发明聚光器的聚光比比现有楔形聚光器的聚光比大，在具有同样面积的入射面，接收同样多辐射的情况下，本发明所需要的光伏电池的面积较小，减少了光伏电池的耗用。

作为本发明的一种实施方式，所述楔形面底边的曲线为抛物线，所述抛物线所处的反射面为抛物面，所述抛物线与所述楔形面底边的直线相切，该抛物线的焦点是所述楔形面上侧边与顶边的交点，侧边的长度即为抛物线上各点到焦点的最短距离。该抛物线的对称轴与本发明的临界入射光线所对应的第一次折射光线平行；上述抛物线是本发明最优抛物线形式。

作为本发明的另一种实施方式，所述楔形面底边的曲线为多段直线，该多段直线所处的反射面由多个前后相接的平面组成，所述多段直线上任意一点的切线的斜率小于等于当所述曲线采用所述抛物线时，相应临界光线与所述抛物线交点处抛物线的切线的斜率，以保证折射到曲面上的光线直接被反射到出射面，而不是反射到入射面。

本发明所述的透明物质为液态。比如采用水、硅油等。

作为另一种实施方式，所述的透明物质为固态，所述透明物质的表面直接分别为入射面、反射面和出射面，固态的透明物质可采用玻璃、树脂等。

本发明的反射面可以通过镀膜或者增设反射镜构成，也可以其它的实施方式实现。

作为本发明的一种实施方式，所述聚光器的入射面、出射面与反射面所合围的空间是不封闭或者封闭。不封闭的情况是：比如将反射镜与光伏元件按照一定角度与间距置于液体中，反射曲面可由多块反射面板构成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的反射面的一部分为曲面结构，使得折射到该曲面上的光线被额外汇聚，直接反射到出射面上，与现有的楔形聚光器比较，聚光比大大增加，提升了楔形聚光光伏系统的经济性。

(2)本发明的反射面的一部分为曲面结构，可以通过调整曲面的形状以及出射面与入射面的夹角，调整楔形聚光器的聚光比与楔形聚光器的重量。

(3)当本发明中的透明物质的折射率越小、临界入射角越大时，与现有楔形聚光器的聚光比相比，本发明的聚光比的增益越大。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对发明作进一步的详细说明。

图1是现有的普通楔形聚光器楔形面的示意图，并示出聚光比的推导过程；

图2是图1中入射角与接收角范围关系示意图；

图3是本发明实施例1聚光器楔形面的示意图；

图4是本发明的立体结构示意图；

图5是图3聚光器楔形面的侧边变化时的示意图；

图6是本发明实施例3聚光器楔形面的示意图；

图7是由本发明实施例4的结构示意图；

图8是透明物质折射率n＝1.3时现有聚光器与本发明聚光比随临界入射角变化的比较示意图；

图9是透明物质折射率n＝1.5时现有聚光器与本发明聚光比随临界入射角变化的比较示意图；

图10是临界入射角B＝0°时现有聚光器与本发明聚光比随透明物质的折射率变化的比较示意图。

图中：A～H各角度用于聚光比的几何推导；e～g为临界光线。

具体实施方式

实施例1

如图3～5所示，本发明改进型静态低倍楔形聚光光伏组件包括楔形的聚光器与光伏电池2，该聚光器包括入射面11、反射面12、出射面13及充满上述各面合围空间内的透明物质，光伏电池2设置在出射面13上，其受光面与出射面13相对，用于收集从出射面13上射出的光线进行光电转换，聚光器的楔形面由底边15、侧边16及顶边17相互连接合围构成，其中，底边15、侧边16及顶边17分别位于反射面12、出射面13及入射面11上，楔形面的底边15由一段直线b和一段曲线c组成，直线b所处的反射面是平面，曲线采用抛物线c，为抛物线中最优形式的抛物线，该抛物线c与直线b相切，抛物线c所处的反射面为抛物面，该抛物线c的焦点是楔形面上侧边16与顶边17的交点O，侧边16的长度即为抛物线c上各点到焦点的最短距离。

本发明制作时进行以下计算过程：设侧边的长度为d，底边由直线b和抛物线c组成，顶边的长度为a，首先，在(-90°，90°)的范围内选择一临界入射角B，透明物质选定后，其折射率为n，根据公式 $A=\frac{1}{2}\left[\arcsin \left(\frac{1}{n}\right)\arcsin \left(\frac{\sin B}{n}\right)\right],$ 得出顶边与底边的夹角A，并由以下的几何关系进行推导：

(1)设抛物线方程为x²＝2py，

则d＝p/2，则有g·(1+cosH)＝p，其中H＝D+F＝2(A+C)，即

$d=\frac{1}{2}\·g\·(1+\cos \left(2(A+C)\right)=g\·{\cos }^2(A+C)$

(2)a＝g·sinG+g·cosG·ctgA

(3) $\frac{a}{d}=\frac{\sin G+\cos G\·\mathrm{ctgA}}{{\cos }^2(A+C)}=\frac{\sin G+\cos G\·\mathrm{ctg}\left(\frac{1}{2}(G-C)\right)}{{\cos }^2\left(\frac{1}{2}(G+C)\right)}=\frac{2}{\sin G-\sin C}=\frac{2n}{1-\sin B}$

即最大聚光比 $\mathrm{CF}=a/d=\frac{2n}{1-\sin B}$

因此，最大的聚光比CF只与透明物质的折射率n和临界入射角B有关，当临界入射角B为0时，即临界光线垂直入射到入射面上时，最大聚光比CF＝2n。

如图5所示，改变侧边与顶边之间的夹角(即出射面与入射面的夹角)，d1在d3与d所成的夹角范围内都满足d＜d1＜d3，在本发明聚光器的顶边与底边夹角、顶边的长度与现有聚光器的相应参数相同的情况下，d3与现有的楔形聚光器的侧边长度相等，即本发明聚光器楔形面的侧边只要在d3与d所成的夹角范围内，聚光器的聚光比相对现有同等条件下的聚光器的聚光比都有所增加。

从以上的计算过程，可得出本发明聚光器的具体结构。

如图8所示，当聚光器采用透明物质为水时，其折射率n＝1.3，从图中可明显看出，随临界入射角的变化，本发明聚光比一直大于现有聚光器的聚光比，而且本发明聚光比增益较大。

如图9所示，当聚光器采用透明物质为玻璃时，其折射率n＝1.5，从图中可明显看出，随临界入射角的变化，本发明聚光比一直大于现有聚光器的聚光比，而且本发明聚光比增益较大。

如图10所示，是临界入射角B＝0°不变时，聚光比随透明物质的折射率变化的示意图，从图中可看出，虽然本发明聚光比随透明物质折射率的增加，其增益在不断减少，但是本发明的聚光比一直大于现有聚光器的聚光比。

如图8～10所示，本发明的聚光比与现有聚光器的聚光比相比较，当透明物质的折射率越小，临界入射角越大，本发明的聚光比比现有聚光器聚光比的增益越大。具体来说，透明物质的折射率n在[1.1，3.0]范围内选择，临界入射角B在[-80°，80°]范围内，进行二者聚光比的比较，考虑正午太阳高度角全年的变化范围不超过47°，取临界入射角B＝30°时，楔形聚光器的接收角为90°-30°＝60°，完全能够满足聚光要求，若采用折射率为1.5的玻璃作为聚光器的透明物质，此时本发明的聚光比为6，比现有楔形聚光器的聚光比5.16大16.2％；若采用折射率为1.3的水，此时本发明的聚光比为5.2，比现有楔形聚光器的聚光比4.18大24.3％。

因此，与现有聚光器比较，本发明聚光比的增加量十分明显。本实施例中，本发明聚光器的入射面、出射面与反射面所合围的空间是封闭空间。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：底边的c段为最优形式的抛物线是曲线的一种特殊形式，c段还可以为一般的向外凸出的曲线，曲线所处的反射面为曲面，曲面与出射面相接，曲线上任意一点的切线的斜率小于等于当该曲线采用实施例1中抛物线时，相应临界光线与抛物线交点处抛物线的切线的斜率，以使折射到曲面上的光线直接被反射到出射面上。直线与曲线的分界点由从c段反射的临界光线确定，该光线在顶边与侧边的交点处刚好发生全反射，其在顶边上的入射角为arcsin(1/n)；入射到直线段的光线可能需要再被反射到入射面发生全反射，而入射到曲线的光线反射后直接到达出射面；曲线所在的曲面将入射到曲面上的光线更多地汇聚，因此可增加聚光器的聚光比，而从上述公式的推到过程中可知，当本发明聚光器与现有的聚光器的聚光比相同时，本发明聚光器的耗材量减少，也减小了聚光器的重量。

作为c段为曲线的一种特殊形式，曲线还可采用弧形线，该弧形线所处的反射面为弧形面，曲线也可以采用其它形式的抛物线。

实施例3

如图6所示，是本发明的实施例3，本实施例与实施例1、2的不同之处在于：楔形面底边的曲线采用多段直线c，该多段直线c所处的反射面由多个前后相接的平面组成，临界光线g确定底边的直线与多段直线c的分界点，该光线在顶边与侧边的交点处刚好发生全反射，其在顶边上的入射角为G＝arcsin(1/n)，入射到多段直线c的光线反射后直接到达出射面，因此，与现有楔形聚光器比较同样可提高聚光比。

实施例4

如图7所示，可将本发明的多个单体聚光光伏组件拼接组合，各组件的入射面齐平，单个聚光光伏组件的大小可进行调整，组合后的聚光光伏器外观与普通的太阳能光伏组件相类似，如可通过粘接方式将各聚光光伏组件依次连接在一起，并使聚光光伏组件的入射面贴合在玻璃安装板上，再与建筑相结合。

作为其它的实施方式，本发明聚光器的入射面、出射面与反射面所合围的空间可以是不封闭的，比如将反射镜面与普通光伏组件安装一定的角度与距离置于透明物质-水中或油中。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离上述基本技术思想前提下，本发明的反射面通过镀膜或者增设反射镜构成，而本发明曲面部分的具体形状也可以有多种实施方式，因此本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，包括楔形的聚光器与光伏电池(2)，该聚光器包括入射面(11)、反射面(12)、出射面(13)及充满上述各面合围空间内的透明物质，光伏电池(2)设置在所述出射面(13)上，光伏电池(2)的受光面与聚光器的出射面(13)相对，聚光器的楔形面由底边(15)、侧边(16)及顶边(17)相互连接合围构成，其中，底边(15)、侧边(16)及顶边(17)分别位于所述反射面(12)、出射面(13)及入射面(11)上，其特征在于：所述楔形面的底边(15)由一段直线和一段向外凸出的曲线组成，所述直线所处的反射面(12)为平面，所述曲线所处的反射面(12)为曲面，所述曲面与出射面(13)相接，使折射到曲面上的光线直接被反射到出射面(13)上。

2.根据权利要求1所述的改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，其特征在于：所述楔形面底边(15)的曲线为抛物线，所述抛物线所处的反射面(12)为抛物面，所述抛物线与所述楔形面底边的直线具有切点，所述楔形面上侧边(16)与顶边(17)的交点是该抛物线的焦点，侧边(16)的长度即为抛物线上各点到焦点的最短距离。

3.根据权利要求1所述的改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，其特征在于：所述楔形面底边(15)的曲线为多段直线，该多段直线所处的反射面(12)由多个前后相接的平面组成，所述多段直线上任意一点的切线的斜率小于等于当所述曲线采用所述抛物线时，相应临界光线与所述抛物线交点处抛物线的切线的斜率。

4.根据权利要求1～3任一所述的改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，其特征在于：所述的透明物质为液态或者固态。

5.根据权利要求4所述的改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，其特征在于：所述反射面(12)通过镀膜或者增设反射镜构成。

6.根据权利要求5所述的改进型静态低倍楔形聚光光伏组件，其特征在于：所述聚光器的入射面(11)、出射面(13)和反射面(12)所合围的空间是封闭或者不封闭的。

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