CN102176076A - 自清洁低辐射菲涅尔透镜的制作方法及基于该透镜的聚光光伏系统 - Google Patents
自清洁低辐射菲涅尔透镜的制作方法及基于该透镜的聚光光伏系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的制作方法,所述的自清洁低辐射菲涅尔透镜制作经过如下过程:(1)加注透明光学硅胶于菲涅尔透镜的成型模具内;(2)将自清洁LOW-E玻璃的低辐射膜面向下、自清洁膜面向上压在加注了透明光学硅胶的菲涅尔透镜成型模具上,使菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶与自清洁LOW-E玻璃基底的低辐射膜面贴合;(3)用滚压法使自清洁LOW-E玻璃基底的低辐射膜面与菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶结合紧密;(4)固化透明光学硅胶,使其成型;(5)模具分离,得到在自清洁LOW-E玻璃的低辐射膜面上覆盖透明光学硅胶的自清洁低辐射菲涅尔透镜。采用该自清洁低辐射菲涅尔透镜作为聚光元件,用在聚光光伏系统中便得到一种基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域,尤其是涉及一种基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统。
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。在新能源的开发和利用中,太阳能电池,如:硅、铜铟镓硒、碲化镉、砷化镓等太阳能电池,倍受瞩目。但由于上述太阳能电池的成本过高,目前还未能充分进入市场。为了进一步降低光伏发电成本,聚光技术是一项可行的措施,即通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能光伏电池上,从而大幅度地降低系统中成本昂贵的太阳能电池片的用量。预计到2015年以后,聚光光伏发电的成本可以降低到0.1美元/度以下。因此,发展聚光光伏系统对于缓解目前日益严重的能源和环境压力是非常重要的。
目前仅有美国、西班牙、希腊等几个发达国家涉足聚光光伏发电系统,2008年9月,首个3MW聚光光伏发电系统在西班牙建成发电,随后西班牙、希腊建立了10MW的聚光光伏发电系统。国内涉足于此技术领域的企业和研究所也只有寥寥几家,如:天津的电源研究所、三安光电科技有限公司和成都钟顺科技公司等,但规模普遍比较小。
纵观国内外的发展现状可以知道,尽管聚光光伏发电系统具有价格方面的优势,但是,无论国外还是国内,聚光光伏发电系统的安装规模还远远落后于平板太阳能电池。相关技术的不成熟是导致这种现象的重要原因:(1)在高聚光倍数下,电池片的温度会很高(大于300℃),此时太阳能电池性能会随着温度的升高急剧降低(仅有原来的50%以下),因此,如何快速高效的给电池片降温是提高聚光光伏系统光电转化效率的关键,也是大规模应用必须要解决的关键问题;(2)另外,聚光光伏系统一般建在人烟稀少的戈壁或沙漠地区,污垢和灰尘的污染必然会影响系统的采光,进而也会影响系统的光电转化效率。
通过在电池背部安装散热器,使太阳电池片中的热量通过散热器直接散发到大气中(被动散热),或者通过在电池背部安装水冷系统进行主动散热都可以在一定程度上降低电池片的温度。然而,被动散热的散热效率比较低,而主动散热对散热技术又提出比较高的要求,一旦冷却系统出现问题,太阳电池组件可能由于温度过高而烧焦。
对太阳光而言,可见光的辐射能约占太阳总辐射能的45%,该部分光不是热射线,而红外线约占太阳总辐射能的50%,属于热射线,物体在阳光照射下温度升高基本由于吸收这部分光引起。就聚光光伏系统而言,充分利用可见光并滤掉红外光,对于降低电池的温度、提高电池的效率是很有必要的。
LOW-E玻璃是在玻璃表面镀上一层功能性低辐射薄膜得到的。该玻璃具有较高的可见光透过率,而对红外热辐射线的反射率比较高,尤其是可以有效滤掉大于1.5微米的红外光(多结砷化镓太阳电池可以吸收波长<1.5微米的光),并且LOW-E玻璃对太阳光的透过和反射性能可以通过设计膜层的结构来调节,因此可以满足聚光光伏系统的要求。LOW-E玻璃按照生产工艺的不同又可以分为在线LOW-E玻璃和离线LOW-E玻璃,其中前者由于具有良好热稳定性而适于深加工。
自清洁玻璃是在普通玻璃表面涂镀纳米半导体材料(一般是二氧化钛或掺杂的二氧化钛)制成的。纳米半导体材料在太阳光中紫外线的激发下,可以将附着在其表面的污垢分解,在雨水的冲刷下分解产物和灰尘被清洗掉,达到自清洁的效果。
对已公布的专利和文献进行检索,虽然有基于PbF2·SiO2纳米材料的自清洁菲涅尔透镜的报道(纳米自洁聚光太阳能菲涅尔透镜的制造方法,CN101840011A),但是并未发现同时具有自清洁和低辐射功能的菲涅尔透镜用在聚光光伏系统中的相关报道。
发明内容
本发明通过组装一种基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统,解决了聚光光伏系统中电池片温度过高的问题,并且该系统具有的自清洁功能可以降低系统维护费用。
该发明的新意在于提供了一种新的控制聚光光伏系统电池片温度的方法,该方法不同于已有的主动散热和被动散热,而是通过将太阳光中热辐射线过滤掉的方式来降低温度;同时系统具有自清洁功能。
为实现以上目的,本发明采取了以下的技术方案:自清洁低辐射菲涅尔透镜制作方法,包括如下步骤:
(1)加注透明光学硅胶于菲涅尔透镜的成型模具内;
(2)将自清洁LOW-E玻璃的低辐射膜面向下、自清洁膜面向上压在菲涅尔透镜成型模具上,使菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶与自清洁LOW-E玻璃基底的低辐射膜面贴合;
(3)用滚压法使自清洁LOW-E玻璃基底的低辐射膜面与菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶结合紧密;所说的滚压法为:用滚轴压在LOW-E玻璃上,从一侧滚动到另一侧,使LOW-E玻璃基底的低辐射膜面与菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶结合紧密;
(4)固化透明光学硅胶,使其成型;
(5)模具分离,得到在自清洁LOW-E玻璃的低辐射膜面上覆盖透明光学硅胶的自清洁低辐射菲涅尔透镜。
覆盖在LOW-E玻璃上的透明光学硅胶同时对低辐膜面起保护作用。
所述的LOW-E玻璃是一种镀膜玻璃,这种玻璃不但可见光透过率高,而且具备很强的阻隔红外线的特点,能够允许可见光透过并过滤掉红外光,尤其是有效滤掉>1.5微米的红外光,并且LOW-E玻璃对太阳光的透过和反射性能可以通过设计膜层的结构来调节。
所述自清洁LOW-E玻璃的制作方法包括如下步骤:
(1)将两块LOW-E玻璃的低辐射膜面相对放置,两块相对放置的LOW-E玻璃的四周用石蜡密封,以保护低辐射膜面,得到模块I;
(2)将模块I放入钛溶胶中,以1~30cm/min的速度提拉;
(3)将钛溶胶处理过的模块I的石蜡去掉;
(4)将上述钛溶胶处理过的LOW-E玻璃在400~500℃煅烧30~60分钟,冷却,得到自清洁LOW-E玻璃。
所述LOW-E玻璃为在线LOW-E玻璃。LOW-E玻璃按照生产工艺可以分为在线LOW-E玻璃和离线LOW-E玻璃。在线LOW-E玻璃的生产工艺是在浮法玻璃生产过程中,直接将原料喷涂到高温的玻璃表面,沉积产生功能膜层。该功能膜层一般为掺氟的二氧化锡,与玻璃通过化学键结合,膜层成为玻璃的一部分。因此十分坚固耐用,可以进行钢化、热弯等深加工,可以长期储存、不易变质,特别适合应用在环境恶劣区域。离线LOW-E玻璃的生产工艺是玻璃离开浮法生产线后,采用磁控溅射的方法,在玻璃表面镀制一层贵金属功能薄膜,一般为金属银膜。尽管该功能薄膜外侧有氧化物保护膜,但是此种离线LOW-E玻璃仍然不稳定,容易氧化,不易深加工。考虑到后续制备自清洁材料的过程中,需要在400~500℃煅烧30~60分钟,因此,本专利选用稳定的在线LOW-E玻璃。
很明显,在线LOW-E玻璃的性能对自清洁低辐射菲涅尔透镜的性能有很大的影响,进而会影响整个聚光光伏系统的性能。要求在线LOW-E玻璃对可见光具有高的透过率和较低的辐射率(<0.2),市面上所售的在线LOW-E玻璃一般可以满足上述的要求,同时LOW-E玻璃对光的透射和反射性能可以通过对低辐射膜的膜层结构和材料组分设计而调节。由于制作菲涅尔透镜采用的材料为透明光学硅胶,因此得到的自清洁低辐射菲涅尔透镜对可见光具有很高的透过率(>90%),对红外光有较高的反射率(>90%)。
所述的钛溶胶是将钛酸四丁酯和钛酸乙酯中任一物质作为钛源,溶解在乙醇、水、硝酸、乙酰丙酮的溶液中得到,其中各组分的质量百分比分别为:钛酸四丁酯和钛酸乙酯中任一物质的质量百分数为2%~5%、乙醇的质量百分数为70%~85%、水的质量百分数为7%~10%、硝酸的质量百分数为0.5%~1.5%、乙酰丙酮的质量百分数为1%~5%。
本发明还提供了一种基于自清洁低辐射菲涅尔透镜聚光光伏系统:设计并加工铝合金箱体,箱体底部打孔,用于固定砷化镓电池片。将二次匀光棱镜粘在砷化镓电池的上方,该棱镜在光不损失的前提下尽可能的将菲涅尔透镜焦斑光强变得均匀。最后将自清洁低辐射菲涅尔透镜放置在铝合金箱体的上部,并密封,以免雨水或灰尘进入箱体内部。将组装好的铝合金箱体固定在跟踪系统的平台上。产生的电能一部分直接供直流负载使用或者是通过逆变器供交流负载使用,多余电能通过充放电控制器由蓄电池组贮存。
本系统之所以选用砷化镓电池是因为该电池的光电转化效率是目前量产的各类太阳电池中光电转化效率最高的。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:本专利结合LOW-E玻璃和自清洁玻璃的优点,提出了一种基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统,该系统不但可以实现对温度的有效控制,同时还可以起到自清洁的作用;有利于聚光光伏系统光电转化效率的提高,并减少了系统维护成本;和采用普通菲涅尔透镜的聚光光伏系统(系统I)相比,采用自清洁低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统(系统II)可以很好的控制电池片的温度,500倍聚光下,系统II电池片的平均温度比系统I低50-100℃,相应地,系统II的光电转化效率(32%)也比系统I(约为27%)高。长期放置后(60天),系统I的效率由于污垢和灰尘的影响,效率会进一步降低(24%),而系统II的光电转化效率基本保持不变。
附图说明
图1是自清洁低辐射菲涅尔透镜的结构示意图;
图2是基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统示意图;
图3是铝合金箱体内部元件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例一:
自清洁LOW-E玻璃的制备方法:
(1)将两块LOW-E玻璃的低辐射膜面相对放置,两块相对放置的LOW-E玻璃的四周用石蜡密封,以保护低辐射膜面,得到模块I;
(2)将模块I放入钛溶胶中,以1~30cm/min的速度提拉;
(3)将钛溶胶处理过的模块I的石蜡去掉;
(4)将上述钛溶胶处理过的LOW-E玻璃在450℃煅烧45分钟,冷却,得到自清洁LOW-E玻璃。所述的钛溶胶中的组成为钛酸四丁酯∶乙醇∶水∶硝酸∶乙酰丙酮=0.9∶17∶2∶0.3∶0.6。钛溶胶的配置在室温下即可进行。
自清洁低辐射菲涅尔透镜制作方法如下:
(1)加注透明光学硅胶于菲涅尔透镜的成型模具内;
(2)将自清洁LOW-E玻璃的低辐射膜面向下、自清洁膜面向上压在加注了透明光学硅胶的菲涅尔透镜成型模具上,使菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶与自清洁LOW-E玻璃基底的低辐射膜面贴合;
(3)用滚压法使自清洁LOW-E玻璃基底的低辐射膜面与菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶结合紧密;
(4)室温放置>24h,使硅胶固化成型;
(5)模具分离,得到在自清洁LOW-E玻璃的低辐射膜面上覆盖透明光学硅胶的自清洁低辐射菲涅尔透镜,结构如图1所示,依次为二氧化钛自清洁膜1、玻璃2、低辐射膜3和菲涅尔透镜4
实施例二:
基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的500倍聚光光伏系统的组装
聚光光伏系统结构示意图见图2,铝合金箱体内部元件结构示意图见图3。聚光光伏系统包括:自清洁低辐射菲涅尔透镜1-4、二次匀光棱镜5、砷化镓电池片6、铝合金箱体7、跟踪系统8、充放电控制器9、蓄电池组10、交流负载11、逆变器12和直流负载13;整个铝合金箱体7固定连接在跟踪系统8上,铝合金箱体7两端与直流负载13构成连接回路,而交流负载11和逆变器12依次连接后、充放电控制器9和蓄电池组10依次连接后分别与直流负载12以并联的形式连接在上述回路上。
设计并加工尺寸为740×500×180mm的铝合金箱体7。菲涅尔单镜为120×120mm,而砷化镓电池片6的尺寸为5×5mm,铝合金箱体的高度以及菲涅尔单镜和电池片的面积共同决定了系统的聚光倍率为500倍。上述透镜为4×6阵列,单镜与下边的砷化镓电池片6一一对应。箱体底部打孔,用于固定砷化镓电池片6。电池片共四排,每排6个。四排电池片分为两组,每两排电池片一组进行串联,最后将这两组电池片并联。将二次匀光棱镜5用高透过率密封胶固定在砷化镓电池片6的上方,该棱镜在光不损失的前提下尽可能的将菲涅尔透镜焦斑光强变得均匀。最后将低辐射菲涅尔透镜放置在铝合金箱体的上部,用道康宁密封胶密封,以免雨水或灰尘进入箱体内部。将组装好的铝合金箱体固定在跟踪系统平台8上。产生的电能一部分直接供直流负载13使用或者是通过逆变器12供交流负载11使用,多余电能通过充放电控制器9由蓄电池组10贮存。
上述聚光光伏系统在500倍聚光下,系统光电转化效率约为32%,在100mWcm-2的光强下其输出功率约为120W。
上述实施例是针对本发明可行实施例的具体说明,该实施例并非用以限制本发明的专利范围,凡未脱离本发明所为的等效实施或变更,均应包含于本案的专利范围中。
Claims (6)
1.自清洁低辐射菲涅尔透镜的制作方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)加注透明光学硅胶于菲涅尔透镜的成型模具内;
(2)将自清洁LOW-E玻璃的低辐射膜面向下、自清洁膜面向上压在菲涅尔透镜成型模具上,使菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶与自清洁LOW-E玻璃基底的低辐射膜面贴合;
(3)用滚压法使自清洁LOW-E玻璃基底的低辐射膜面与菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶结合紧密;
(4)固化透明光学硅胶,使其成型;
(5)模具分离,得到在自清洁LOW-E玻璃的低辐射膜面上覆盖透明光学硅胶的自清洁低辐射菲涅尔透镜。
2.如权利要求1所述的自清洁LOW-E玻璃的制备方法,其特征在于,所述自清洁LOW-E玻璃的制作方法包括如下步骤:
(1)将两块LOW-E玻璃的低辐射膜面相对放置,两块相对放置的LOW-E玻璃的四周用石蜡密封,以保护低辐射膜面,得到模块I;
(2)将模块I放入钛溶胶中,以1~30cm/min的速度提拉;
(3)将钛溶胶处理过的模块I的石蜡去掉;
(4)将上述钛溶胶处理过的LOW-E玻璃在400~500℃煅烧30~60分钟,冷却,得到自清洁LOW-E玻璃。
3.如权利要求1所述的自清洁LOW-E玻璃的制备方法,其特征在于:所述LOW-E玻璃为在线LOW-E玻璃。
4.如权利要求1所述的自清洁LOW-E玻璃的制备方法,其特征在于:所述的钛溶胶是将钛酸四丁酯和钛酸乙酯中任一物质作为钛源,溶解在乙醇、水、硝酸、乙酰丙酮的溶液中得到,其中各组分的质量百分比分别为:钛酸四丁酯和钛酸乙酯中任一物质的质量百分数为2%~5%、乙醇的质量百分数为70%~85%、水的质量百分数为7%~10%、硝酸的质量百分数为0.5%~1.5%、乙酰丙酮的质量百分数为1%~5%。
5.基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统,包括有箱体(7),其特征在于:在箱体(7)内底部开孔并固定有砷化镓电池片(6),在砷化镓电池片(6)上方黏结有二次匀光棱镜(5),所述低辐射菲涅尔透镜(1-4)作为聚光元件设置在二次匀光棱镜(5)上方,所述低辐射菲涅尔透镜(1-4)设在箱体(7)上。
6.如权利要求5所述的基于自清洁低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统,其特征在于:所述低辐射菲涅尔透镜(1-4)包括依次黏结在一起的二氧化钛自清洁膜(1)、LOW-E玻璃(2)、低辐射膜(3)和菲涅尔透镜主体(4)。
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