CN102176077B

CN102176077B - 基于低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统

Info

Publication number: CN102176077B
Application number: CN2011100445016A
Authority: CN
Inventors: 史继富; 徐刚; 朱艳青; 黄华凛; 苗蕾
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-02-23
Also published as: CN102176077A

Abstract

本发明公开了一种基于低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统：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。

Description

基于低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统

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。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。

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。

发明内容

本发明通过组装一种基于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。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。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：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LOW-E玻璃的低辐射膜面向下压在菲涅尔透镜的成型模具上，使菲涅尔透镜成型模具内的透明光学硅胶与LOW-E玻璃基底的低辐射膜面贴合；

（3）用滚压法使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，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LOW-E玻璃的低辐射膜面上覆盖透明光学硅胶的低辐射菲涅尔透镜。

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。

所述的LOW-E玻璃既可以是在线LOW-E玻璃，也可以是离线LOW-E玻璃。所谓在线LOW-E玻璃是在浮法玻璃生产线上，通过设备改造，采用化学气相沉积工艺和专用材料在浮法生产线上的玻璃带表面形成一层具有低辐射性能的功能膜。这种工艺生产的LOW-E玻璃称为在线Low-E玻璃，其膜层材料常用的为F掺杂的二氧化锡。离线Low-E玻璃一般采用真空磁控溅射镀膜工艺，在玻璃表面镀制多层复合膜，实现LOW-E功能。膜层中主要功能膜层一般为银（Ag）膜，其它膜层为辅助膜，起加强连接、保护主膜等作用。

很明显，LOW-E玻璃的性能对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LOW-E玻璃一般可以满足上述的要求。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%）。

本发明还提供了一种基于低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统：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。

所述低辐射菲涅尔透镜包括依次黏结在一起的LOW-E玻璃、低辐射膜面和菲涅尔透镜主体。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本专利提出了一种新的控制电池片温度的方法，即：通过在LOW-E玻璃基底上制作低辐射菲涅尔透镜并用在聚光光伏系统中，用来减少系统中红外线的入射量，起到了良好的控温效果；和采用普通菲涅尔透镜的聚光光伏系统（系统I）相比，采用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（33%）也比系统I（约为27%）高。

附图说明

图1是低辐射菲涅尔透镜的结构示意图；

图2是基于低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统结构示意图；

图3是铝合金箱体内部主要元件结构示意图。

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:

采用在线LOW-E玻璃制作低辐射菲涅尔透镜：

（1）加注透明光学硅胶于菲涅尔透镜的成型模具内；

（2）将在线LOW-E玻璃的低辐射膜面向下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在线LOW-E玻璃基底的低辐射膜面贴合；

（3）用滚压法使在线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，得到在在线LOW-E玻璃的低辐射膜面上覆盖透明光学硅胶的低辐射菲涅尔透镜1-3，其结构如图1所示，依次为LOW-E玻璃1、低辐射膜面2和菲涅尔透镜主体3。

实施例二:

采用离线LOW-E玻璃制作低辐射菲涅尔透镜：

基本步骤和实施例1相同，不同之处在于，要求离线玻璃必须是新制备或新开封的（开封24小时之内）。这是因为离线LOW-E玻璃中的低辐射膜面容易被氧化。

实施例三:

基于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：低辐射菲涅尔透镜1-3、二次匀光棱镜4、砷化镓电池片5、铝合金箱体6、跟踪系统7、充放电控制器8、蓄电池组9、交流负载10、逆变器11和直流负载12，整个铝合金箱体6固定连接在跟踪系统7上，铝合金箱体6两端与直流负载12构成连接回路，而交流负载10和逆变器11依次连接后、充放电控制器8和蓄电池组9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6。菲涅尔单镜为120×120mm，而砷化镓电池片5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5一一对应。箱体底部打孔，用于固定砷化镓电池片5。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4用高透过率密封胶固定在砷化镓电池片5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1-3放置在铝合金箱体6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6固定在跟踪系统平台7上。产生的电能一部分直接供直流负载12使用或者是通过逆变器11供交流负载10使用，多余电能通过充放电控制器8由蓄电池组9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33%，在100mWcm^-2的光强下其输出功率约为122W。

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

1.基于低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统，包括有箱体（6），其特征在于：在箱体（6）内底部开孔并固定有砷化镓电池片（5），在砷化镓电池片（5）上方黏结有二次匀光棱镜（4），在二次匀光棱镜（4）上方设置有作为聚光元件的低辐射菲涅尔透镜（1-3），所述低辐射菲涅尔透镜（1-3）设在箱体（6）上；所述低辐射菲涅尔透镜（1-3）的制作步骤如下：

（1）加注透明光学硅胶于菲涅尔透镜的成型模具内；

（3）用滚压法使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；

2.如权利要求1所述的基于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（1-3）包括依次黏结在一起的LOW-E玻璃（1）、低辐射膜面（2）和菲涅尔透镜主体（3）。

3.如权利要求2所述的基于低辐射菲涅尔透镜的聚光光伏系统，其特征在于：所述LOW-E玻璃（1）为在线LOW-E玻璃或离线LOW-E玻璃。