CN102648531A - 一种提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的方法。聚光透镜下方设置对应的二次聚光棱镜(11)，所述二次聚光棱镜下方设置对应的太阳能聚光电池，在所述二次聚光棱镜四周设置反射镜(21)，所述二次聚光棱镜设置于所述反射镜中，所述二次聚光棱镜与所述反射镜的中心轴线重合，所述二次聚光棱镜的光线入射面法线与所述反射镜的距离大于二次聚光棱镜的光线出射面法线与所述反射镜的距离。该方法可以使太阳能聚光更为均匀，提高二次光学系统的容差。

Description

一种提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的方法 技术领域

本发明涉及太阳能聚光发电领域， 尤指一种可提高太阳能聚光发电 装置中太阳能聚光效率的方法。

背景技术 说

高倍聚光光伏发电技术是目前太阳能发电领域的一个主要新方向， 常见的太阳能聚光发电装置， 一般包括两个主要部分： 太阳能聚光发电 模组以及安装太阳能聚光发电模组的追日书跟踪支架系统。 太阳能聚光发 电模组包括多个聚光透镜 3 , 设置在每个聚光透镜 3聚光区域的太阳能 聚光电池 4; 聚光电池 4下方设置散热片 5 ,各聚光电池 4之间串联连接 后向外输出电能。 由于目前单纯采用聚光透镜进行聚光， 如图 1所示， 有部分太阳光不能被有效聚集， 聚光效率不高， 因此， 一般都采用在聚 光透镜的下方再设置一个二次聚光棱镜， 如图 2所示， 从而提高太阳能 聚光发电模组的聚光效率。

如图 2所示， 太阳能聚光发电装置工作方式主要是将太阳光经过聚 光透镜把太阳光汇聚到二次聚光棱镜上， 经过二次聚光棱镜把汇聚后的 太阳光均匀化， 然后直接照射到太阳能聚光电池上， 太阳能聚光电池发 生光生伏打效应，产生直流电能， 由于各太阳能聚光电池之间串联连接， 这样多个太阳能聚光电池串联后把电压提高从而向外输出电能。 由于太 阳相对地球是周期性橢球性运动， 要能够始终最大限度的汇聚太阳光， 就需要保证聚光透镜平面和太阳光始终保持垂直， 追日跟踪支架系统就 是尽量保证太阳能聚光发电模组和太阳光的平行光始终保持垂直。

目前实践中， 由于追日传感器的灵敏度以及系统自身误差， 追日跟 踪支架系统无法保证太阳能聚光发电模组和太阳光的平行光始终保持垂 直， 因此太阳光入射到聚光透镜上存在一定的偏角， 这样就会导致光线 汇聚到聚光二次棱镜时有部分光线偏离了二次聚光棱镜无法被利用进行 聚光发电， 为了解决这个问题， 有技术人员发明了一种光漏斗来代替二 次聚光棱镜， 光漏斗能够 ^艮好的解决光线聚焦问题， 近年来国内对此研 究较为广泛， 但是光漏斗存在一个难以回避的问题， 就是光线的均匀性 问题， 光线的均勾性对于聚光系统， 特别是高倍聚光系统是至关重要的 性能指标， 所以目前聚光发电装置中， 特别是超高倍聚光装置中已经很 少采用光漏斗技术。

目前利用太阳能这种绿色能源， 提高太阳能的利用效率， 降低单位 电量的成本是其能否最终取代不可再生能源的最重要因素， 因此提高太 阳能的聚光效率是太阳能聚光发电装置提高发电效率的最根本的途径。 发明内容

本发明的目的是提供一种提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效 率的方法， 采用该方法可以使太阳能聚光更为均匀， 提高聚光二次光学 系统（二次聚光棱镜与围设在二次聚光棱镜四周的反射镜） 的容差 （容 许波动的范围） 。

本发明提供的技术方案如下：

一种提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的方法， 聚光透镜 下方设置对应的二次聚光棱镜， 所述二次聚光棱镜下方设置对应的太阳 能聚光电池， 在所述二次聚光棱镜四周围设反射镜， 所述二次聚光棱镜 容设于所述反射镜中，所述二次聚光棱镜与所述反射镜的中心轴线重合， 所述二次聚光棱镜的光线入射面法线与所述反射镜的距离大于二次聚光 棱镜的光线出射面法线与所述反射镜的距离。

进一步地， 所述二次聚光棱镜的光线入射面面积大于光线出射面面 积， 且所述二次聚光棱镜呈中心对称。

进一步地， 所述二次聚光棱镜的光线入射面及光线出射面均为正方 形， 且四个侧面为梯形。

进一步地， 所述反射镜为上宽下窄的漏斗状结构。

进一步地， 所述反射镜内表面镀设有高反射率薄膜。 进一步地， 所述高反射率薄膜为 Ag- u纳米薄膜。

本专利的效果在于：

一直以来， 本技术领域中都是采用二次聚光棱镜来进一步的汇聚从 聚光透镜出射的光线， 并进而投射到聚光电池上进行发电。 而二次聚光 棱镜为了满足光线全反射的条件，其光线入射面边长、光线出射面边长、 棱镜高度必须有严格的比例限制， 这样就对二次聚光棱镜的制作公差提 出了极高的要求， 从而使得二次聚光棱镜成本居高不下。 而采用光漏斗 来代替二次聚光棱镜， 又存在聚光不够均勾的问题， 本专利创造性的采 用在二次聚光棱镜的周围围设反射镜的方法来汇聚光线， 从而使从聚光 透镜透射过来的更多光线能够通过二次聚光棱镜投射到聚光电池上， 从

( 1 )普通二次聚光棱镜利用全反射原理在棱镜内部反射光线，最后 汇聚在光线出射面上， 但受限于聚光透镜和二次聚光棱镜的制作公差以 及太阳光入射角度的偏差， 部分光线从二次聚光棱镜外表面溢出， 聚光 效率下降。 在二次聚光棱镜四周围设反射镜后， 溢出的光线经反射镜再 次返回进入二次聚光棱镜内， 最终汇聚于光线出射面上， 提高了聚光效 率。

( 2 )在实际应用中， 由于追日跟踪系统的灵敏度以及精确度问题不 能完全保证太阳光垂直入射到聚光透镜上， 采用二次聚光棱镜的聚光发 电装置中， 光源 （太阳光） 与聚光透镜允许的最大偏转角度为 1度， 当 大于 1度时， 大量光线会从二次聚光棱镜外表面溢出， 聚光效率大大降 低。 而采用本专利方法后， 光源法线与二次聚光棱镜法线的偏转角度可 以在 2-3度， 而聚光效率不低于光线正入射时的 90%, 从而提高了聚光 二次光学系统的容差。

( 3 )由于本专利方法采用在二次聚光棱镜四周围设反射镜，这样原 来应该从二次聚光棱镜外表面溢出的部分光线被反射镜反射后再次返回 进入二次聚光棱镜内， 从而不会产生单独使用光漏斗所产生的光线集中 在中间而四周光线较为稀疏的光线均匀性问题， 从而提高了聚光效率。 ( 4 )采用本专利方法后， 由于有反射镜围设在二次聚光棱镜的四周 从而降低了光线的溢出， 因此二次聚光棱镜的高度可以适当减小， 进而 聚光透镜的焦距也相应减小， 这不仅使整个聚光系统的组件深度大大降 低， 而且提高了聚光倍数。 大大降低了成本。 附图说明

图 1为太阳能聚光发电模组的没有设置二次聚光棱镜的工作示意图； 图 2为太阳能聚光发电模组设置二次聚光棱镜的工作示意图；

图 3为二次聚光棱镜为截顶四面锥形玻璃体，反射镜侧面为凸起曲面时， 反射镜围设在二次聚光棱镜周围的示意图；

图 4为二次聚光棱镜为截顶四面锥形玻璃体， 反射镜侧面为平面时， 反 射镜围设在二次聚光棱镜周围的示意图；

图 5为二次聚光棱镜截顶圓锥体形玻璃体， 反射镜侧面为环面时， 反射 镜围设在二次聚光棱镜周围的示意图；

图 6为二次聚光棱镜截顶圓锥体形玻璃体， 反射镜侧面为凸起环面时， 反射镜围设在二次聚光棱镜周围的示意图； 图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图 2所示， 在聚光透镜 3下方设置对应的二次聚光棱镜 1 , 二次聚 光棱镜 1下方设置对应的太阳能聚光电池 4 , 在二次聚光棱镜 1四周围 设反射镜， 二次聚光棱镜 1容设于反射镜中， 二次聚光棱镜 1与反射镜 的中心轴线重合， 二次聚光棱镜 1的光线入射面法线与反射镜的距离大 于二次聚光棱镜 1的光线出射面法线与反射镜的距离。

二次聚光棱镜 1以及对应的反射镜可以有多种形状， 光线入射面可 以为平面也可以为曲面， 由于光线入射面为曲面的不常用， 下面仅列出 几种常用的光线入射面为平面的二次聚光棱镜以及反射镜的形状， 如图

3〜图 6所示：

实施例 1 : 如图 3所示， 二次聚光棱镜 1 1采用上下表面均为正方形 且中心对称的普通二次聚光棱镜， 二次聚光棱镜 11 的四个侧面均为梯 形； 在二次聚光棱镜 11周围包围一圏反射面板形成反射镜 21 , 反射面 板内表面镀设有 Cu纳米薄膜 反射面板的外表面弧形凸起， 将反射 面板下边缘与二次聚光棱镜 11下边缘粘贴固定。

实施例 2: 如图 4所示， 二次聚光棱镜 12采用上下表面均为正方形 且中心对称的普通二次聚光棱镜， 二次聚光棱镜 12 的四个侧面均为梯 形； 在二次聚光棱镜 12周围包围一圏反射面板形成反射镜 22 , 反射面 板内表面镀设有 Ag Cu纳米薄膜， 反射面板的外表面也为对应于二次聚 光棱镜 12的梯形平面； 将反射面板下边缘与二次聚光棱镜 12下边缘粘 贴固定。

实施例 3: 如图 5所示， 二次聚光棱镜 1 3为截顶圓锥体形玻璃体， 上下表面均为圓形， 二次聚光棱镜 1 3 的侧面为环面； 在二次聚光棱镜 1 3周围包围一圏反射面板形成反射镜 23 ,反射面板内表面镀设有 Ag Cu 纳米薄膜 反射面板的外表面也为对应于二次聚光棱镜 1 3的环面；将反 射面板下边缘与二次聚光棱镜 1 3下边缘粘贴固定。

实施例 4: 如图 6所示， 二次聚光棱镜 14为截顶圓锥体形玻璃体， 上下表面均为圓形， 二次聚光棱镜 14 的侧面为环面； 在二次聚光棱镜 14周围包围一圏反射面板形成反射镜 24 ,反射面板内表面镀设有 Ag Cu 纳米薄膜， 反射面板的外表面为对应于二次聚光棱镜 14的凸起的环面； 将反射面板下边缘与二次聚光棱镜 14下边缘粘贴固定。

为了便于比较本发明对于现有技术的优越性， 现对实施例 1作如下 对比试验：

对比试验 1:

第一组： 使用 60 匪截顶四面锥形玻璃体作为二次聚光棱镜； 第二组： 使用 60 mm截顶四面锥形光漏斗反射镜； 第三组： 使用 60 匪截顶四面锥形玻璃体作为二次聚光棱镜， 在截 顶四面锥形玻璃体周围围设反射镜， 反射镜内表面镀设有 Ag ( 纳米薄 膜， 反射镜的外表面弧形凸起（即采用本发明实施例 1中的二次聚光棱 镜及反射镜的形状）。

聚光透镜 3与聚光光伏发电芯片的几何聚光比为 576倍， 太阳能聚 光电池 4为三节三一五族太阳能电池；

分别将每组的截顶四面锥形玻璃体与聚光光伏发电芯片紧密结合在 一起， 利用硅胶或者直接接触都可以； 将截顶四面锥形光漏斗反射镜的 光线出口处与聚光光伏发电芯片紧密结合， 以保证聚光后光线出口太阳 光都汇聚到聚光光伏发电芯片上。

将太阳能聚光发电模组与追日跟踪支架系统结合起来，针对此时的 太阳能聚光发电模组与直射太阳光的法线跟踪偏离角进行实时监控： 第一组： 在直射太阳光法线跟踪偏离角大于 1度时聚光效率开始下 降到偏离角为 0度时的 90%, 同时开始以更快速度下降； 第二组： 在直射太阳光法线跟踪偏离角大于 0. 5度时聚光效率开始 下降到偏离角为 0度时的 90%, 同时开始以更快速度下降； 第三组： 在直射太阳光法线跟踪偏离角大于 3度时聚光效率才开始 下降到偏离角为 0度时的 90%, 同时开始以更快速度下降； 同时初始聚光效率也有 5%的提高；

可见采用本发明对于提高太阳能聚光效率、 降低太阳跟踪器跟踪精 度方面明显优于采用已有技术生产的产品。 对比试验 2：

第一组： 使用 70 匪截顶四面锥形玻璃体作为二次聚光棱镜； 第二组： 使用 70 mm截顶四面锥形光漏斗反射镜；

第三组： 使用 70 匪截顶四面锥形玻璃体作为二次聚光棱镜， 在截 顶四面锥形玻璃体周围围设反射镜， 反射镜内表面镀设有 Ag Cu纳米薄 膜 反射镜的外表面弧形凸起（即采用本发明实施例 1中的二次聚光棱 镜及反射镜的形状）。

聚光透镜 3与聚光光伏发电芯片的几何聚光比为 576倍， 太阳能聚 光电池 4为三节三一五族太阳能电池；

分别将每组的截顶四面锥形玻璃体与聚光光伏发电芯片紧密结合在 一起， 利用硅胶或者直接接触都可以； 将截顶四面锥形光漏斗反射镜的 光线出口处与聚光光伏发电芯片紧密结合， 以保证聚光后光线出口太阳 光都汇聚到聚光光伏发电芯片上；

将太阳能聚光发电模组与追日跟踪支架系统结合起来，针对此时的 太阳能聚光发电模组与直射太阳光的法线跟踪偏离角进行实时监控： 第一组： 在直射太阳光法线跟踪偏离角大于 0. 7度时聚光效率开始 下降到偏离角为 0度时的 90%, 同时开始以更快速度下降； 第二组： 在直射太阳光法线跟踪偏离角大于 0. 3度时聚光效率开始 下降到偏离角为 0度时的 90%, 同时开始以更快速度下降； 第三组： 在直射太阳光法线跟踪偏离角大于 2度时聚光效率才开始 下降到偏离角为 0度时的 90%, 同时开始以更快速度下降； 同时初始聚光效率也有 5%的提高；

可见采用本发明对于提高太阳能聚光效率、 降低太阳跟踪器跟踪精 度方面明显优于采用已有技术生产的产品。

同时我们对对比试验 2中的第二组与第三组进行聚光效果的一个对 比分析， 聚光效果图如图 7所示， 其中左边的为第二组的聚光效果， 右 边的为第三组的聚光效果， 图中可以看出， 采用光漏斗的第二组的聚光 光斑聚焦在发电芯片的中间部分， 发电芯片的外围部分聚光光斑较少； 而采用本发明的第三组的聚光光斑较为均匀的分布在发电芯片上，由此， 我们可以看出本发明相对于现有技术而言具有较好的聚光均匀性。

本领域技术人员应该认识到， 上述的具体实施方式只是示例性的， 是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利， 不能理解为是对本专 利保护范围的限制， 只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变 更或修饰， 均落入本专利保护的范围。

Claims (1)

1. 权 利 要 求 书 、一种提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的方法，聚光透镜下 方设置对应的二次聚光棱镜， 所述二次聚光棱镜下方设置对应的太阳 能聚光电池， 其特征在于：

   在所述二次聚光棱镜四周围设反射镜， 所述二次聚光棱镜容设于所述 反射镜中， 所述二次聚光棱镜与所述反射镜的中心轴线重合， 所述二 次聚光棱镜的光线入射面法线与所述反射镜的距离大于二次聚光棱镜 的光线出射面法线与所述反射镜的距离。 、根据权利要求 1所述的提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的 方法， 其特征在于： 所述二次聚光棱镜的光线入射面面积大于光线出 射面面积， 且所述二次聚光棱镜呈中心对称。 、根据权利要求 1所述的提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的 方法， 其特征在于： 所述二次聚光棱镜的光线入射面及光线出射面均 为正方形， 且四个侧面为梯形。 、根据权利要求 2所述的提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的 方法， 其特征在于： 所述反射镜为上宽下窄的漏斗状结构。 、根据权利要求 1至 4项任一权利要求所述的提高太阳能聚光发电装置 中太阳能聚光效率的方法， 其特征在于：

   所述反射镜内表面镀设有高反射率薄膜。 、根据权利要求 5所述的提高太阳能聚光发电装置中太阳能聚光效率的 方法， 其特征在于： 所述高反射率薄膜为 Ag Cu纳米薄膜。