CN102158131B

CN102158131B - 一种太阳能光伏系统

Info

Publication number: CN102158131B
Application number: CN2011100684731A
Authority: CN
Inventors: 王钦华; 薛银飞; 刘立旺; 沈安珍
Original assignee: SUZHOU ZHENDAN PHOTOVOLTAIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Suzhou Zhendan Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: CN102158131A

Abstract

一种太阳能光伏系统，包括光伏电池和太阳光追踪器，位于所述光伏电池前方设有一用于聚光的圆形光学聚光元件、此光学聚光元件包括入射面和出射面，此出射面上设有若干个依次连接的锯齿同心环，各个锯齿同心环径向宽度相等，每个锯齿同心环包括一垂直于所述出射面的第一表面和呈弧形且为非球面的第二表面，此第二表面一端连接到所述出射面，此第二表面另一端与所述第一表面另一端连接；所述第N锯齿同心环的第二表面上各点坐标为（x,y），此（x,y）满足特定公式，所述光伏电池与光学聚光元件之间设有一匀光器。本发明形成的焦斑尺寸较小、聚光比高、形成的焦斑位置稳定，且其光斑受环带数的影响小，光伏电池接收的光斑均匀，从而提高了光伏系统整体的光电转换效率和灵活性。

Description

一种太阳能光伏系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏系统，属于太阳能应用领域。

背景技术

能源问题，已经成为我国经济发展的一个重要问题。可再生能源的利用，将成为解决我国能源供给和能源安全的关键。其中，太阳能发电是最理想的新型能源方式。尽管太阳能发电技术发展迅速，但是仍然存在成本高、效率低等问题。聚光光伏太阳能技术（CPV）将传统的太阳能光电技术与大规模聚热太阳能发电厂结合起来，极大地强化太阳能生产。聚光光伏太阳能技术（CPV）通过聚光的方式把一定面积上的光通过聚光系统会聚在一个狭小的区域即焦斑，太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减少了太阳能电池的用量，降低成本。同样条件下，倍率越高，所需太阳能电池面积越小。目前，太阳能发电所采用的形式是将光伏电池板排列后，组成光伏电池方阵。光伏电池有很多种，但是无论哪种光伏电池的价格均很昂贵。而现有的太阳能光伏系统聚光效果价差，主要体现在以下几点：如附图1所示，现有的聚光元件形成的焦斑尺寸较大、聚光比差。其次，如附图2所示，现有的聚光元件所形成的焦斑随环数的变化明显。再次，附图3（a）为聚光器与电池单元无相对偏移的示意图，附图3（b）为聚光元件与接收屏有相对偏移，从附图可知现有技术中光学聚光元件的焦斑较大随着元件相对位置的变化，部分焦斑会偏离电池单元。这种现象会降低太阳光利用率，影响光伏系统的总功率。

因此，在探索在发电量不变的前提下，如何尽量减小电池板的使用面积并在光伏电池表面形成聚光比高的焦斑成为本领域技术人员努力的方向。

发明内容

本发明目的是提供一种太阳能光伏系统，该光伏系统聚集的焦斑尺寸较小、聚光比高、形成的焦斑位置稳定，且其光斑受环带数的影响小，光伏电池接收的光斑均匀，从而减少光伏电池板的使用面积，提高了光伏系统整体的光电转换效率和灵活性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种太阳能光伏系统，包括光伏电池和太阳光追踪器，位于所述光伏电池上方设有一用于聚光的圆形光学聚光元件、此光学聚光元件包括正对太阳的入射面和出射面，此出射面上设有若干个依次连接的锯齿同心环，各个锯齿同心环径向宽度相等，每个锯齿同心环包括一垂直于所述出射面的第一表面和第二表面，此第二表面呈弧形且为非球面，此第二表面一端连接到所述出射面，此第二表面另一端与所述第一表面另一端连接；

以所述光学聚光元件的圆心为坐标原点，Y轴垂直于所述出射面，X轴位于所述出射面内所述第N锯齿同心环的第二表面上各点坐标为（x,y），此（x,y）满足以下公式：

公式中所述d为环间距，f为光学聚光元件的焦距， n为光学聚光元件的材料折射率，N为待设计的锯齿同心环的环数；

所述光伏电池与光学聚光元件之间并位于光伏电池上表面上设有一匀光器，所述光学聚光元件的焦点落在此匀光器内，此匀光器面向光伏电池的下表面和面向光学聚光元件的上表面的形状均与所述光伏电池形状相同，所述光学聚光元件的上表面的面积大于所述下表面的面积。

上述工艺技术方案中的有关内容解释如下：

上述方案中，所述光学聚光元件材料为有机玻璃。

上述方案中，所述光伏电池为矩形，所述匀光器形状为立体梯形。

上述方案中，所述光学聚光元件的焦点落在此匀光器上表面上。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明光伏系统中光学聚光元件的出射面为弧形面且为非球面，可以有效消除聚光元件工作面的球差，使得透镜焦点处的焦斑面积更小，并且在无需通过增加透镜环带数的基础上就可以得到很小的焦斑，焦斑大小受环带数的影响很小，不仅降低了光学聚光元件本身的加工难度而且还可以进一步减少光伏电池板的使用面积，降低成本；其次，经过光学聚光元件的光线可以极好地汇聚在匀光器上表面，同时该光斑大小相对于匀光器上表面极小，这样可以保证光斑可以一直稳定地照射在匀光器上表面，经过匀光器的光斑的强度分布均匀，且面积与光伏电池面积一致；再次，采用本光伏系统时当聚光元件的中心位置与匀光器的位置发生偏移时，聚焦的光斑仍然会完成照射在匀光器内，其对位置偏移的误差容忍度高，从而有利于光伏系统的太阳能收集。

附图说明

附图1为现有技术不同环数光伏系统的光线追迹图及焦点处点列示意图；

附图2为现有技术不同环数光伏系统的光路图及局部放大图；

附图3为现有技术发生偏移时接受屏获得的效率与光路图；

附图4为本发明太阳能光伏系统的结构示意图；

附图5为本发明光学聚光元件的剖面示意图；

附图6为本发明不同环数光伏系统的光线追迹图及焦点处点列示意图；

附图7为本发明不同环数光伏系统的光路图及局部放大图；

附图8为本发明光伏系统光线追迹图；

附图9为本发明具有匀光器的光伏系统光线追迹图；

附图10为本发明光伏系统中匀光器上下表面照度以及强度分布示意图。

以上附图中：1、光伏电池；2、光学聚光元件；3、入射面；4、出射面；5、锯齿同心环；6、第一表面；7、第二表面；8、匀光器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种太阳能光伏系统，如附图1-8所示，所示包括光伏电池1和太阳光追踪器，位于所述光伏电池1上方设有一用于聚光的圆形光学聚光元件2、此光学聚光元件2包括正对太阳的入射面3和出射面4，此出射面4上设有若干个依次连接的锯齿同心环5，各个锯齿同心环5径向宽度相等，每个锯齿同心环5包括一垂直于所述出射面4的第一表面6和第二表面7，此第二表面7呈弧形且为非球面，此第二表面7一端连接到所述出射面4，此第二表面7另一端与所述第一表面6另一端连接；

以所述光学聚光元件2的圆心为坐标原点，Y轴垂直于所述出射面，X轴位于所述出射面内，所述第N锯齿同心环的第二表面上各点坐标为（x,y），此（x,y）满足以下公式：

（1）

公式中所述d为环间距，f为光学聚光元件的焦距， n为光学聚光元件的材料折射率，N为待设计的锯齿同心环的环数。

上述光伏电池1与光学聚光元件2之间并位于光伏电池1上表面上设有一匀光器8，所述光学聚光元件2的焦点落在此匀光器8内，此匀光器8面向光伏电池1的下表面和面向光学聚光元件2的上表面的形状均与所述光伏电池1形状相同，所述光学聚光元件2的上表面的面积大于所述下表面的面积。附图9、10模拟条件如下：光伏系统中光学聚光元件2口径为100 mm，环带数为20，焦距为60 mm，材料为有机玻璃；匀光器8为一立体梯形，上表面为10.3×10.3 mm，下表面为5×5 mm，高度为30 mm；所用光伏电池1的尺寸为5×5 mm。如附图9所示，附图9（a）为光伏系统光线追迹图，附图9（b）为光伏系统匀光器处局部放大图，附图10（a）为匀光器上表面照度图，附图10（b）为匀光器下表面照度图，从附图9、10可以知道，经过光学聚光元件2的光线可以极好地汇聚在匀光器8上表面，同时该光斑大小相对于匀光器8上表面极小，这样可以保证光斑可以一直稳定地照射在匀光器8上表面。另外，经过匀光器8的光斑的强度分布均匀，且面积与光伏电池1面积一致。

上述光学聚光元件材料为有机玻璃。

上述光伏电池1为矩形，所述匀光器8形状为立体梯形。

上述光学聚光元件2的焦点落在此匀光器8上表面上。

用折射率为n的材料设计一口径为D的光学聚光元件2，此光学聚光元件2焦距为f。各个锯齿同心环5采用等间距，间距为d，该光学聚光元件2的总环带数则为M=0.5*D/d。

对于光学聚光元件2第一锯齿同心环，即, 若要使垂直入射到该光学聚光元件入射面的光线都能汇聚到焦点f处，则第一锯齿同心环的弧形第二表面7上x,y坐标符合以下公式：

（2）

在

范围内对x进行合适地取点利用公式（2）可以求出各个点对应的y坐标值，即可得出该光学聚光元件2的第一个锯齿同心环5的弧形且为非球面的第二表面7。

对于该光学聚光元件2第二锯齿同心环，即

, 若要使垂直入射到光学聚光元件2入射面的光线都能汇聚到焦点处，则第二锯齿同心环5的弧形且为非球面的第二表面7上x,y坐标符合以下公式：

（3）

在

范围内对x进行合适地取点，由公式（3）可以求出对应的y坐标，即可得出该光学聚光元件2的第二锯齿同心环5的弧形且为非球面的第二表面7。

依次类推，对于该光学聚光元件2第N锯齿同心环，即

,该第N个锯齿同心环的弧形第二表面透镜7上任意一点（x,y）满足：

（4）

可得出该光学聚光元件2的第N个锯齿同心环5的弧形且为非球面的第二表面7。

本发明光伏系统，口径为100 mm，焦距为60 mm光学聚光元件2其光线追迹图以及焦平面点列图见附图6，从图6中可以清楚地看出，所有垂直入射的平行光线均可以更为准确地会聚于焦点处，只形成很小的焦斑，焦斑半径分别是0.053 mm, 0.0409 mm, 0.0499 mm。此外，即便在环带数很小的时候也能实现较好地聚焦，可见本发明光伏系统不仅焦斑较现在常规设计方法更小，而且焦斑大小受环带数的影响很小，无需为了提高聚焦效果而大大增加环带数，使得加工生产更容易。

附图7为不同环数非球面镜的光路图和聚焦处局部放大图，模拟时光学聚光元件2的口径为100 mm、焦距为60 mm，附图7中每个图有一个等面积的接收板，由图7可以看出10环非球面工作面聚光器，其聚焦光斑的大小明显比10环现有技术设计的聚光器的小很多，和接收屏相比差距巨大，随着透镜环数的增加，聚焦光斑相对于接收屏的面积基本不变，焦斑一直非常的小。

通过附图2和附图7的聚焦情况随环数的变化，在同样数目的环数情况下进行对比，本发明光伏系统所形成的焦斑都比现有技术小好多，例如在50环时，本发明光斑直径约为0.1mm，而现有技术的光斑达到了1mm。再一次证明了本发明不仅焦斑较现在现有技术更小，而且焦斑大小受环带数的影响很小，无需为了提高聚焦效果而大大增加环带数，使得加工生产更容易。

附图8（a）为聚光元件与接收屏无相对偏移的图，附图8（b）为聚光元件与接收屏有相对偏移的图，通过比较附图3和附图8，可以看到当光伏电池与本发明的聚光元件发生相对偏移时，本发明光伏系统所受的影响比现有技术小的多，且其效率没有减少，而现有技术效率却减少了7%，说明本发明光伏系统对相对偏移所带来的误差容忍度很高。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种太阳能光伏系统，包括光伏电池（1）和太阳光追踪器，其特征在于：位于所述光伏电池（1）上方设有一用于聚光的圆形光学聚光元件（2）、此光学聚光元件（2）包括正对太阳的入射面（3）和出射面（4），此出射面（4）上设有若干个依次连接的锯齿同心环（5），各个锯齿同心环（5）径向宽度相等，每个锯齿同心环（5）包括一垂直于所述出射面（4）的第一表面（6）和第二表面（7），此第二表面（7）呈弧形且为非球面，第二表面（7）一端连接到所述出射面（4），此第二表面（7）另一端与所述第一表面（6）另一端连接；

以所述光学聚光元件（2）的圆心为坐标原点，Y轴垂直于所述出射面（4），X轴位于所述出射面（4）内，第N个锯齿同心环的第二表面（7）上各点坐标为（x,y），此（x,y）满足以下公式：

Figure 2011100684731100001DEST_PATH_IMAGE001

所述光伏电池（1）与光学聚光元件（2）之间并位于光伏电池（1）上表面上设有一匀光器（8），所述光学聚光元件（2）的焦点落在此匀光器（8）内，此匀光器（8）面向光伏电池（1）的下表面和面向光学聚光元件（2）的上表面的形状均与所述光伏电池（1）形状相同，所述光学聚光元件（2）的上表面的面积大于所述下表面的面积。

2. 根据权利要求1所述的光伏系统，其特征在于：所述光学聚光元件（2）材料为有机玻璃。

3. 根据权利要求1所述的光伏系统，其特征在于：所述光伏电池（1）为矩形，所述匀光器（8）形状为立体梯形。

4. 根据权利要求1所述的光伏系统，其特征在于：所述光学聚光元件（2）的焦点落在此匀光器（8）上表面上。