CN101860271B - 线聚焦太阳能光电转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高倍率的线聚焦太阳能光电转换装置，属于太阳能应用的技术领域。其包括至少一个太阳能接收单元，所述太阳能接收单元包括密闭的壳体和位于所述壳体的前、后侧壁之间的槽式半抛物面反射镜，在槽式半抛物面反射镜的光线会聚处设置柱面透镜，在所述柱面透镜的光输出处设置太阳能光电转换器，所述的柱面透镜和太阳能光电转换器固定连接在所述壳体的右侧内壁上。本发明构思的另一方案是在槽式半抛物面反射镜的光线会聚处增设了双曲面反射镜，双曲面反射镜的下方光线会聚处设置柱面透镜。本发明采用二级聚光，第一级用反射式线聚光，第二级用透射式线聚光，经过二级聚光后增加了太阳能的聚焦倍率，并且增加了太阳光的允许入射角。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光电转换领域，具体涉及一种线聚焦太阳能光电转换装置。
背景技术
太阳能光伏发电技术将太阳能直接转换为电能，是最有应用前景的太阳能利用方式之一。但光伏发电产业目前存在的主要问题是：太阳能电池材料昂贵，发电成本过高。高倍率的聚焦系统是降低发电成本的有效途径，因为其可节约大量昂贵的半导体材料。
目前常用的方法是采用菲涅尔透镜形成点聚焦。而采用菲涅尔透镜具有以下缺点：①菲涅尔透镜成本昂贵，由于它的光学性能要求，成本很难下降；②菲涅尔透镜透光效率较低，因为除了材料本身吸收光之外，主要还是由于透镜环状齿的光散射，其透镜透光率一般在75％-80％，最高85％；③采用塑料菲涅尔透镜，长时期使用会发黄，影响透明度，并且翘曲形变，若采用玻璃加硅凝胶的菲涅尔透镜，尽管有较好的环境适应能力，但它的会聚光的光型很差，并且自重太重。采用反射镜聚焦能够克服上述菲涅尔透镜的缺点，其能够反射所有的太阳辐射波长的光，可有效地将太阳光聚焦在焦点上，其理论的聚焦极限可达到67666Suns，是透镜聚焦的四倍。但是采用反射式点聚焦的缺点是制作大面积的反射镜，工艺复杂，造价相当昂贵。
若采用线聚焦形式的反射镜，其制作成本将大幅降低，只需将太阳光高反射的薄平板(塑料基或薄钢基)进行一维弯曲，加工成抛物面形状，形成槽式抛物面反射镜(parabolic trough)即可。但上述线聚焦的反射镜，其制作工艺通常采用将钢板弯曲成抛物面形状，加工精度差，使用不方便，聚光倍率不高，一般只能达到100倍左右。所以，上述线聚焦的反射镜大都用于太阳能集热器的聚光器，接收器将会聚的太阳光转换为热能加以利用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中线聚焦形式的反射镜聚焦倍率较低的缺点，提供一种线聚焦太阳能光电转换装置。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：采用二级聚光，第一级用反射式线聚焦，第二级用透射式线聚焦，经二级聚焦后提高了太阳能的线聚焦的聚焦倍率，并增加了太阳光的允许入射角。
作为本发明基本构思的第一种技术方案是：其包括至少一个太阳能接收单元，所述太阳能接收单元包括密闭的壳体和位于所述壳体的前、后侧壁之间的槽式半抛物面反射镜，在槽式半抛物面反射镜的光线会聚处设置柱面透镜，在所述柱面透镜的光输出处设置太阳能光电转换器，所述的柱面透镜和太阳能光电转换器固定连接在所述壳体的右侧内壁上。
所述的壳体的前、后内侧壁上设有与所述槽式半抛物面反射镜的两个侧边相适配的嵌槽。
所述槽式半抛物面反射镜采用塑料或者金属的薄板，在所述薄板上镀覆或者粘贴太阳能反射膜。所述的薄板可较方便地进行弯曲，将镀覆或者粘贴太阳能反射膜的薄板插入半抛物线形状的紧配的嵌槽内，从而无需对薄板进行加工即可形成槽式半抛物面反射镜。
上述技术方案中采用槽式半抛物面反射镜会聚太阳光，在其光线会聚位置设置柱面透镜，经柱面透镜后，太阳光进一步会聚，增加了太阳光的聚焦倍率，可达到500倍以上，并且增加了太阳光的允许入射角。太阳光允许入射角增加的好处：第一，可降低太阳能光电转换装置在装配时的对准精度要求，为实现装配自动化创造条件；第二，也使更多的太阳光能量传递到太阳能光电转换器上，提高了输出电功率；第三，降低了对跟踪系统的精度要求，从而降低了能耗和系统成本；第四，降低了由于气流波动造成本发明的装置的抖动，使输出功率更稳定。
作为本发明基本构思的第二种技术方案是：包括至少一个太阳能接收单元，所述太阳能接收单元包括密闭的壳体和位于所述壳体的前、后侧壁之间的槽式半抛物面反射镜，在槽式半抛物面反射镜的光线会聚处设置双曲面反射镜，双曲面反射镜的下方光线会聚处设置柱面透镜，在柱面透镜的光输出处设置太阳能光电转换器，所述的双曲面反射镜、柱面透镜和太阳能光电转换器均设置在所述壳体的右内侧壁上。
采用本发明的技术方案所产生的有益效果在于：(1)太阳光经由柱面透镜的再聚焦后获得更高的聚光倍率，有利于降低太阳能发电的成本；(2)太阳能光电转换系统的太阳光允许入射角增加了；(3)在进一步改进的方案中，采用薄板镀覆或者粘贴太阳能反射膜和嵌槽的结构，解决现有技术中钢板整体加工，精度较差的问题，并且其成本较低，为玻璃反射镜的1/5-1/10，安装方便，容易更换，利于系统升级，稳定可靠，在10年内其的光反射率变化小于1％。
附图说明
图1是本发明的实施例一中的壳体去除前侧壁、右侧壁后的结构示意图；
图2是本发明的实施例二中的壳体去除前侧壁、右侧壁后的结构示意图；
图3是本发明实施例一的光路示意图；
图4是本发明太阳能光电转换器的结构示意图；
图5是本发明实施例三的结构示意图；
其中，1、玻璃盖，2、槽式半抛物面反射镜，3、嵌槽，4、壳体，5、太阳能光电转换器，6、柱面透镜，7、双曲面反射镜，8、金属化图形，9、太阳能光电转换芯片，10、旁路二极管，11、引线，12、DBC陶瓷基板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例一
参看图1，可以看出，本发明包括至少一个太阳能接收单元，所述太阳能接收单元包括密闭的壳体4和位于所述壳体4的前、后侧壁之间的槽式半抛物面反射镜2，在槽式半抛物面反射镜2的光线会聚处设置柱面透镜6，在所述柱面透镜6的光输出处设置太阳能光电转换器5，所述的柱面透镜6和太阳能光电转换器5固定连接在所述壳体4的右侧内壁上。
其设计原则按照等光程原理，参见图3，太阳光L1入射至槽式半抛物面反射镜的反射面，反射光L2会聚于柱面透镜处，经折射后L3从柱面透镜射出。其中，L1+L2+nL3＝L′1+L′2+nL′3＝常数，n为柱面透镜的折射率。太阳光经槽式半抛物面反射镜聚焦后，再经柱面透镜会聚，获得了高倍率的线聚焦，且增加了太阳光的允许入射角。
所述的壳体4的前、后内侧壁上设有与所述槽式半抛物面反射镜2的两个半抛物线形状的侧边相适配的嵌槽3。
所述的槽式半抛物面反射镜2采用塑料或者金属的薄板作为基板材料，在上述薄板上镀覆或者粘贴太阳能高反射膜形成反射面。由于薄板易弯曲，可容易地插装至嵌槽3中形成槽式抛物面反射镜。采用在壳体上设置半抛物线形状的嵌槽3，嵌槽3内插装镀覆或者粘贴太阳能高反射膜的薄板，无需对薄板或者钢板进行复杂的抛物面加工即可实现槽式半抛物面反射镜，不仅提高了槽式半抛物面反射镜的精度；且容易安装、便于更换；成本较低，只相当于玻璃反射镜的1/5-1/10，相当于菲涅尔透镜的1/10-1/20，有利于降低太阳能发电的成本。
所述壳体4的顶部由接收太阳光的玻璃盖1组成。玻璃盖1、底壁和四个侧壁构成密闭，可有效保护壳体4内部的槽式抛物面反射镜2、柱面透镜6以及太阳能光电转换器5。其中，所述壳体4的右侧壁可作为太阳能光电转换器5的散热通路。
所述的柱面透镜6采用的材料是玻璃或者石英。
所述的太阳能光电转换器5包括DBC陶瓷基板12，参看图4，DBC陶瓷基板12上布有金属化图形8层，借助于焊接的引线11将太阳能光电转换芯片9串联连接成条状，并与柱面透镜6出光光形的尺寸相匹配。为了防止太阳能接收器的热斑，每个太阳能光电转换芯片9均并联一个旁路二极管10。对于一个太阳能接收单元，其太阳能光电转换器5通常可由多个太阳能光电转换芯片9串联而成。
实施例二
参看图2，是本发明的另一种方案，包括至少一个太阳能接收单元，所述太阳能接收单元包括密闭的壳体4和位于所述壳体4的前、后侧壁之间的槽式半抛物面反射镜2，在槽式半抛物面反射镜2的光线会聚处设置双曲面反射镜7，双曲面反射镜7的下方光线会聚处设置柱面透镜6，在柱面透镜6的光输出处设置太阳能光电转换器5，所述的双曲面反射镜7、柱面透镜6和太阳能光电转换器5均设置在所述壳体4的右内侧壁上。
本实施例中的光路为：太阳光入射至槽式半抛物面反射镜2的反射面上，经反射会聚至双曲面反射镜7上，再反射至柱面透镜5，太阳光经柱面透镜6的会聚后，输出照射至太阳能光电转换器5上。增设双曲面反射镜7后，太阳光在壳体4的底壁上输出，在底壁上利于太阳能光电转换器5的安装和调配，同时壳体4的底壁作为太阳能光电转换器5的散热通路。
所述的壳体4的前、后内侧壁上设有与所述槽式半抛物面反射镜2的两个半抛物线形状的侧边相适配的嵌槽3。
所述的槽式半抛物面反射镜2采用塑料或者金属的薄板，在所述薄板上镀覆或者粘贴高反射率的太阳能反射膜。
所述的太阳能光电转换器5的结构与实施例一相同。
实施例三
参看图5，太阳能接收单元可设置2个、3个或者多个，太阳能接收单元之间形成阵列，所述的太阳能接收单元的结构可采用实施例一或者采用实施例二中的结构。相邻太阳能接收单元之间的太阳能光电转换器5串联、并联或者混合联接，实现太阳能大功率发电。
综上，本发明采用二级线聚焦，一级聚焦采用槽式半抛物面反射镜2，二级聚焦采用柱面透镜6，实现了高倍率的线聚焦，且增大了太阳光的允许入射角。尤其是槽式半抛物面反射镜2是采用塑料或者金属的薄板，在薄板上设置高反射率的反射膜，再将薄板插入半抛物线状的嵌槽内，解决了现有技术中大面积的抛物面加工复杂，精度较低的困难。
Claims (4)
1.线聚焦太阳能光电转换装置，其包括至少一个太阳能接收单元，所述太阳能接收单元包括密闭的壳体(4)和位于所述壳体(4)的前、后侧壁之间的槽式半抛物面反射镜(2)，其特征在于，在槽式半抛物面反射镜(2)的光线会聚处设置柱面透镜(6)，在所述柱面透镜(6)的光输出处设置太阳能光电转换器(5)，所述的柱面透镜(6)和太阳能光电转换器(5)固定连接在所述壳体(4)的右侧内壁上；所述槽式半抛物面反射镜(2)采用塑料或者金属的薄板，在所述薄板上镀覆或者粘贴太阳能反射膜；所述的壳体(4)的前、后内侧壁上设有与所述槽式半抛物面反射镜(2)的两个侧边相适配的嵌槽(3)。
2.根据权利要求1所述的线聚焦太阳能光电转换装置，其特征在于所述的柱面透镜(6)采用玻璃或者石英。
3.一种线聚焦太阳能光电转换装置，包括至少一个太阳能接收单元，所述太阳能接收单元包括密闭的壳体(4)和位于所述壳体(4)的前、后侧壁之间的槽式半抛物面反射镜(2)，其特征在于，在槽式半抛物面反射镜(2)的光线会聚处设置双曲面反射镜(7)，双曲面反射镜(7)的下方光线会聚处设置柱面透镜(6)，在柱面透镜(6)的光输出处设置太阳能光电转换器(5)，所述的双曲面反射镜(7)、柱面透镜(6)和太阳能光电转换器(5)均设置在所述壳体(4)的右内侧壁上；所述的壳体(4)的前、后内侧壁上设有与所述槽式半抛物面反射镜(2)的两个侧边相适配的嵌槽(3)。
4.根据权利要求3所述的线聚焦太阳能光电转换装置，其特征在于所述的槽式半抛物面反射镜(2)采用塑料或者金属的薄板，在所述薄板上镀覆或者粘贴太阳能反射膜。
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