CN101795100A - 一种太阳能光伏发电系统 - Google Patents

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CN101795100A CN201010134279A CN201010134279A CN101795100A CN 101795100 A CN101795100 A CN 101795100A CN 201010134279 A CN201010134279 A CN 201010134279A CN 201010134279 A CN201010134279 A CN 201010134279A CN 101795100 A CN101795100 A CN 101795100A
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高火涛
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Abstract

一种太阳能光伏发电系统,包括反射聚光器,用于均匀反射并汇聚全太阳光谱;光分频双工器,用于高透射晶体硅太阳能电池发电的光谱和高反射非晶硅太阳能电池发电的光谱;晶体硅太阳能电池板和非晶硅太阳能电池板分别接收各自敏感的太阳光谱并转化成电能;晶体硅太阳能电池板和非晶硅太阳能电池板通过并联连接向负载供电。本发明光能汇聚均匀、能量利用率高、发电持续时间长、发电量大、易于加工与批量生产、成本相对低廉等特点,在清洁新能源开发与利用上具有良好的应用前景。

Description

一种太阳能光伏发电系统
技术领域
[0001] 本发明涉及太阳能发电领域,尤其涉及一种利用太阳光分频发电的太阳能光伏发
电系统。 背景技术
[0002] 太阳能作为一种"取之不尽,用之不竭"的无炭能源,没有温室气体排放,不产生环 境污染,在人们提倡低炭经济和面临能源危机的时代,太阳能光伏发电具有良好的环境效 益和社会效应,是二十一世纪最理想的新能源之一。
[0003] 太阳能光伏发电是太阳能利用的一种途径,它能将太阳能直接转化成电能。目前, 世界光伏市场上的主导产品是硅系列太阳电池,它具有最成熟的技术和工艺。它包括单晶 硅太阳电池、多晶硅太阳电池以及非晶硅太阳电池,其中,单晶硅太阳电池的光电转换效率 为14%,多晶硅太阳电池的光电转换效率为12%,非晶硅太阳电池的光电转换效率仅为
7%。由于材料本身的特性不同,单晶硅太阳电池的光电转换效率最高,但同时它的价格/ 成本最高;非晶硅太阳电池的成本虽然最低,但它的光电转换效率仅是单晶硅太阳电池的
一半。由于晶体硅太阳电池属间接带隙材料,单晶硅太阳电池一般仅在晴天正午时才具有 发电能力。而非晶硅太阳电池由于是直接带隙材料,在白天具有更长的光电转换时间,不论 光线是发散的还是聚集的,不论是强光还是冷光,它都能够予以吸收。即系统的工作效率不 能只是考虑光伏材料的光电转换效率有关,还应考虑组件的有效工作时间。 [0004] 实际上,晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池由于材料特性的不同,它们对太 阳光谱的吸收系数也不一样。晶体硅太阳能电池的光谱相应中心波长在800nm附近,靠近 红外区;非晶硅太阳能电池的光谱相应中心波长在500nm附近,靠近紫外区。因此有必要正 对这种特性,提出更高效的电能转化方案。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对以上现有技术存在的缺点,提供了一种太阳能光伏发电系 统,可充分利用不同太阳光谱可见光进行发电。
[0006] 本发明提供的一种太阳能光伏发电系统,技术方案为:设有反射聚光器、光分频双 工器、晶体硅太阳能电池板和非晶硅太阳能电池板;晶体硅太阳能电池板设于反射聚光器 的焦轴上,非晶硅太阳能电池板安放于反射聚光器的底部,光分频双工器处于晶体硅太阳 能电池板和非晶硅太阳能电池板之间;反射聚光器所汇聚太阳光中的晶体硅太阳能电池板 敏感光谱,经光分频双工器透射到晶体硅太阳能电池板;反射聚光器所汇聚太阳光中的非 晶硅太阳能电池板敏感光谱,经光分频双工器反射到非晶硅太阳能电池板;晶体硅太阳能 电池板将其敏感光谱转化成电能,非晶硅太阳能电池板将其敏感光谱转化成电能,晶体硅 太阳能电池板和非晶硅太阳能电池板并联连接以向负载提供电能。
[0007] 而且,所述光分频双工器采用一种光学薄膜,该光学薄膜透射晶体硅太阳能电池 板的敏感光谱,并反射非晶硅太阳能电池板的敏感光谱。[0008] 而且,所述晶体硅太阳能电池板采用双面结构,光分频双工器的光学薄膜附着在 晶体硅太阳能电池板朝向反射聚光器的一面上。
[0009] 而且,所述反射聚光器由左右两个半抛物柱面形全反射镜组成,每个半抛物柱面 式形反射镜是由若干块全反射平面镜顺序拼接而成。
[0010] 而且,所述全反射平面镜为矩形双层玻璃结构,双层玻璃间设有反射层,所述反射 层采用全反射银表面或聚酞亚胺镀铝薄膜。
[0011] 本发明提供的太阳能发电系统为平衡太阳能电池发电系统的效率和成本,利用晶 体硅太阳电池的高转换效率、非晶硅太阳电池的弱光效应及低成本、光分频双工器的分光 特性,设计一种高效低成本太阳电池发电系统。由于半导体材料的太阳电池存在一个禁带 宽度,低于禁带宽度的光子不仅不能产生光伏效应,而且会在太阳电池内部转化为热负荷, 使电池温度升高,降低光电转换效率。但本系统由于采用了分频技术,晶体硅太阳电池和非 晶硅太阳电池只接收了相应的光谱,减少了各自的热负荷,提高的各自的工作效率。并且, 本发明还提出一种等光强平面镜全反射聚光镜结构,具有均匀聚光性。与传统晶体硅或非 晶硅单一的太阳能光伏发电系统相比,本新型太阳能电池不仅能量利用率高、发电效率高、
发电时间长,而且成本相对低廉,具有社会效应和经济价值。 附图说明
[0012] 图1为本发明实施例的结构图。 [0013] 图2为本发明实施例的光路图。 [0014] 图3为本发明实施例的电路原理图。
[0015] 图4为晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池与本发明所提供太阳能光伏发电系 统的光谱响应比较示意图。
具体实施方式
[0016] 根据晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池的频谱响应不同,本发明提出采用分
频技术,将对晶体硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池高效响应的光谱分开,分别采用晶体
硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池进行接收并转化成电能。与单一的晶体硅太阳能电池和
非晶硅太阳能电池发电相比,这种发电装置不仅可增加发电时间,提高太阳能利用率,还可
降低成本。为了进一步减少昂贵的太阳板,节约成本,提高太阳能电池的效率,本发明还提
出采用等光强平面镜全反射聚光镜结构,将太阳光进行均匀汇集。
[0017] 以下结合附图和实施例,详细说明本发明的技术方案。
[0018] 参见图1,本发明所提供系统包括反射聚光器、光分频双工器9、晶体硅太阳能电 池7和非晶硅太阳电池板8。因为抛物线具有聚焦特性,实施例的反射聚光器采用一种平面 镜组合全反射聚光器,由左右两个半抛物柱面形全反射镜组成,每个半抛物柱面式形反射 镜是由若干块全反射平面镜顺序拼接而成,其中右面的半抛物柱面式形反射镜由全反射平 面镜1、2、3构成,左面的半抛物柱面式形反射镜由全反射平面镜4、5、6构成。位于反射聚光 器焦轴上的晶体硅太阳能电池7,也相应呈左右两半分别接受左右两面半抛物柱面式形反 射镜所反射的太阳光。非晶硅太阳电池板8安放于反射聚光器的底部,光分频双工器9处 于晶体硅太阳能电池7和非晶硅太阳电池板8之间。这样设置后,使得反射聚光器所汇聚太阳光中晶体硅太阳能电池板的敏感光谱部份,经光分频双工器9透射到晶体硅太阳能电
池7 ;反射聚光器所汇聚太阳光中非晶硅太阳能电池板的敏感光谱部份,经光分频双工器9
反射到非晶硅太阳电池板8。晶体硅太阳能电池7将晶体硅太阳能电池板的敏感光谱转化
成电能,非晶硅太阳电池板8将非晶体硅太阳能电池板的敏感光谱转化成电能,晶体硅太
阳能电池7和非晶硅太阳电池板8并联连接即可共同为向负载提供电能。
[0019] 具体实施时,全反射平面镜可以采用矩形双层玻璃结构,双层玻璃间设有反射层。
反射层可以采用反射率很高的全反射银表面,或耐高温的聚酞亚胺镀铝薄膜。所述全反射
平面镜的尺寸、个数和安装位置可以根据发电量大小、太阳能电池板大小、反射聚光器所需
的安装位置和角度决定,并且需使太阳光照射在光分频双工器上总的叠加能流密度呈均匀分布。
[0020] 图2展示了系统中的光路。全反射平面镜1、2、3沿抛物曲线以一定的角度和位置 依次首尾相连形成连续弯折的右半槽形镜面,即右面的半抛物柱面式形反射镜。使对每一 块全反射平面镜1、2、3而言,反射后所形成的太阳影像大小位置都相同,光照射在光分频 双工器9右侧上总的叠加能流密度呈均匀分布。同理,全反射平面镜4、5、6按照一定的角度 和位置依次首尾相连形成连续弯折的左半槽形镜面,即左面的半抛物柱面式形反射镜。使 对每一块全反射平面镜4、5、6而言,反射后所形成的太阳影像大小位置都相同,光照射在 光分频双工器9左侧上总的叠加能流密度呈均匀分布。根据平面镜反射规律,无论是平行 还是圆锥光束入射的太阳辐射,反射后不可能汇聚到某一焦点上。而对于平板反射镜,其上 每一点所反射的能量及方向均相同,而在平板光伏接收平面内所接收的能量也都相同。因 此本发明提供的平面镜组合全反射聚光器,目的是实现高倍均匀聚光,将太阳能均匀汇聚 照射在太阳能电池板上,提高入射到光伏电池单位面积上的太阳辐射能流密度,增加电池 板输出功率,减少昂贵的光电池板的用量,降低发电成本。与传统抛物面反射器相比,等口 径平面镜组合全反射聚光器的聚光效率比传统抛物面反射器略低,但所述平面镜组合全反 射聚光器反射所获得的能流密度分布更为均匀,而且大大降低了反射面加工难度、精度和 成本,维护更换更方便快捷。
[0021] 实施例还将全反射平面镜1、2、3的起始点分布在右侧的同一条抛物线上,而它们 的终点稍微偏离抛物线;全反射平面镜4、5、6的起始点分布在左侧的同一条抛物线上,而 它们的终点稍微偏离抛物线。这样不会影响反射后所形成的太阳影像大小位置达到相同, 也不会影响光照射在光分频双工器9两侧上总的叠加能流密度呈均匀分布。但是却具有增 加风道,减小风阻,提高反射器抗风性能的优点。
[0022] 光分频双工器9可采用现有的一种光学薄膜。该光学薄膜高透射晶体硅太阳 能电池的敏感光谱(一般为300-650nm),高反射非晶硅太阳能电池的敏感光谱( 一般为 650-1100nm)。这种薄膜属于干涉性短波通滤光学薄膜,考虑到透射区的波长范围比较大以
及现有材料的光谱特性和工艺,可取二氧化钛作为高折射率材料,二氧化硅作为低折射率 材料。因为光分频双工器9采用薄膜结构,可以将其直接附着到晶体硅太阳能电池7上。具 体实施时,晶体硅太阳能电池7可以采用单面结构或双面结构,单面就是指只有朝向反射 聚光器的一面接收晶体硅太阳能电池板的敏感光谱,双面就是朝向天空的那一面也直接接 收晶体硅太阳能电池板的敏感光谱。总之干涉性短波通滤光学薄膜要附着在晶体硅太阳能 电池7朝向反射聚光器的一面上。双面结构的晶体硅太阳能电池板吸收其敏感光谱的效率更高,面向平面镜组合全反射聚光器的一面,不易积灰尘和受损坏。但其电池热负荷略高, 实施时可根据具体情况选用双面结构和单面结构。
[0023] 参见图3,晶体硅太阳能电池7和非晶硅太阳电池板8输出的电能经并联后可直接 传输给负载,富余的电能可储存在蓄电池中。可以在系统中设置电子控制器进行系统控制, 例如操控反射聚光器完成太阳跟踪,跟踪电池输出功率并当输出过载时通过反馈控制电能 存储到蓄电池等。具体实施时根据功能需要,由本领域技术人员设计电子控制器即可。 [0024] 图4表示晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池与本系统的光谱响应的比较图, 在同一坐标系中通过曲线进行直观的展示。图中非晶硅太阳电池光谱响应的中心响应波长 在500nm(纳米)附近,用点划线表示;晶体硅太阳电池光谱响应的中心响应波长在800nm 左右,用虚线表示;本太阳能电池光谱响应对应着两个强的吸收峰,分别是600nm和850nm 附近,用实线表示。从图中可以看出,本发明的发电系统比晶体硅太阳电池或非晶硅太阳电 池有着更宽的光谱响应范围,所以它能够将更多的阳光转换成电能。

Claims (5)

  1. 一种太阳能光伏发电系统,其特征在于:设有反射聚光器、光分频双工器、晶体硅太阳能电池板和非晶硅太阳能电池板;晶体硅太阳能电池板设于反射聚光器的焦轴上,非晶硅太阳能电池板安放于反射聚光器的底部,光分频双工器处于晶体硅太阳能电池板和非晶硅太阳能电池板之间;反射聚光器所汇聚太阳光中的晶体硅太阳能电池板敏感光谱,经光分频双工器透射到晶体硅太阳能电池板;反射聚光器所汇聚太阳光中的非晶硅太阳能电池板敏感光谱,经光分频双工器反射到非晶硅太阳能电池板;晶体硅太阳能电池板将其敏感光谱转化成电能,非晶硅太阳能电池板将其敏感光谱转化成电能,晶体硅太阳能电池板和非晶硅太阳能电池板并联连接以向负载提供电能。
  2. 2. 根据权利要求1所述的太阳能发电系统,其特征在于:所述光分频双工器采用一种 光学薄膜,该光学薄膜透射晶体硅太阳能电池板的敏感光谱,并反射非晶硅太阳能电池板 的敏感光谱。
  3. 3. 根据权利要求2所述的太阳能发电系统,其特征在于:所述晶体硅太阳能电池板采 用双面结构,光分频双工器的光学薄膜附着在晶体硅太阳能电池板朝向反射聚光器的一面 上。
  4. 4. 根据权利要求1或2或3所述的太阳能发电系统,其特征在于:所述反射聚光器由 左右两个半抛物柱面形全反射镜组成,每个半抛物柱面式形反射镜是由若干块全反射平面 镜顺序拼接而成。
  5. 5. 根据权利要求4所述的太阳能发电系统,其特征在于:所述全反射平面镜为矩形双 层玻璃结构,双层玻璃间设有反射层,所述反射层采用全反射银表面或聚酞亚胺镀铝薄膜。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102013848A (zh) * 2010-10-25 2011-04-13 北京印刷学院 抛物柱面聚光平面采光太阳能发电装置
CN102594207A (zh) * 2011-01-14 2012-07-18 张一熙 透明薄膜太阳能电池和聚晶硅一体化发电系统
CN110855234A (zh) * 2019-12-13 2020-02-28 吕晨康 一种太阳能发电装置

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