CN102834758A - 聚光光伏太阳能系统 - Google Patents

Abstract

一种聚光光伏太阳能系统，具有菲涅尔透镜聚光器（1），在第一区尤其是透镜（1）的中央区具有恒定刻面厚度，然后在第二区尤其是透镜（1）的周边区具有恒定的刻面高度，以便最大化透镜（1）的光学效率，保持典型的系统像差在控制之下。聚光光伏太阳能系统还包括二级光学元件（2），二级光学元件（2）具有圆形进入面（3）和凸形曲率、用于容纳轮缘（4）的部分和棱椎部分（6），横截面从圆形转变为在光伏接收器被容纳的底端（7）中的方形。该系统提高了现有系统的光学和热力学效率，方便了光伏模块的生产和安装，并降低了与生产相关联的成本。

Description

聚光光伏太阳能系统

技术领域

本发明涉及采用聚光光伏太阳能系统将光能转化为电能的技术领域，具体来说涉及高聚光的聚光光伏太阳能系统，更具体地说涉及主要由菲涅尔透镜聚光器、二级光学元件和光伏接收器形成的系统。

背景技术

从二十世纪开始至今提出了众多聚光光伏太阳能（CPV）系统并已经得到一定发展。尽管其历史悠久，但相对于传统的能源生产形式，这些系统在成本和效率上仍然没有竞争力。

文件WO2006114457，US2009106648和WO 2009058603展示了聚光光伏太阳能系统的典型方案。此系统包括菲涅耳透镜聚光器和为系统提供更高的聚光水平的二级光学元件。提出的使用菲涅尔透镜的数个系统可以配备二级光学元件，也可以不配备。

还存在基于卡塞格林技术的其他聚光光伏太阳能系统。这种系统包括一对反射镜和均质的三级光学元件。除此之外，还有基于抛物面反射镜的其他聚光光学元件。这种系统可以由反射镜形成，或者可以是基于全内反射（RTI）的全固态系统，如文件WO2009058603和WO2009086293中所示。

如文件WO2008131566所示，近期已报导光引导的聚光系统。与传统系统相比，该系统以更为紧凑为特征。

一个理想的聚光光伏太阳能系统应当具备以下特征才能具有竞争力：将光学聚光系统的损失降到最低，也就是说，要获得更高的光学效率；在成本和可靠性方面有一个长期的有效方案；是紧凑的，并获得最大的热力学效率，也就是说，保持最小的制造公隙，获得最大程度的聚光可能性。

此外，一个理想的聚光光伏太阳能系统还应当将集光率（etendue）的使用最大化。集光率的概念由温斯顿博士和Co.在“非成像光学”中提出，这一概念在聚光光伏太阳能系统中是非常重要的。最大化集光率意味着在对特定的聚光水平最大化系统的接收角，或者对特定的接收角而言，最大化聚光程度。最大程度利用集光率的模块具有有效集中太阳能辐射的潜力，将半导体元件成本最小化并且相应地将模块成本最小化，并为系统提供必要的容差以便安装在实际的太阳能跟踪系统中，并在不影响其性能的情况下允许模块的制造公隙。

对于某个接收角而言，可由以下等式定义其可实现的聚光的最大程度：

$C\max =\frac{(n^2\·\mathrm{seno}{\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}^2)}{{\left(\mathrm{seno}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\right)}^2}$

将n为光伏接收器所浸入的介质的折射率，θ1为光伏电池（cell）中进入的角度，θ2为系统中的接收角。

通过菲涅耳透镜的聚光光伏太阳能系统是最广泛使用的，因为这是一个已知的、标准的和具有成本效益的技术。但这不是一个特别紧凑的系统，也不能最大限度地使用集光率。然而某些文件已经公布，为了最大限度地利用集光率，使用焦距非常高的透镜系统以及在进入处带有一定曲率的二级元件。

反射系统正在逐渐被引入，通常情况下其比折射系统更为紧凑，与透镜相比，通过适当的设计能够使集光率得到最大程度的使用。但是会有更低的光学效率和更多的元件数量。

光导系统是迄今为止最为紧凑的系统。然而尚未表现出光的利用率，成本及长久的可靠性。

因此有必要形成可得到高的光伏太阳能聚光的系统，避免在现有技术的前述系统中存在的技术缺点。

发明内容

本发明通过聚光光伏太阳能系统解决了现有技术中存在的问题，该系统由菲涅耳透镜聚光器、二级光学元件和光伏接收器形成。

菲涅耳透镜通常可限定两种形式：具有恒定刻面（facet）厚度（等间距），或者具有恒定刻面高度（等深度），每种都有它的优点和不便之处。

菲涅耳透镜的每种设计考虑到两个因素，两者相互平衡：

首先要使透镜尽可能地高效，通过膜或者模具成形生产过程，最终实现刻面厚度与其峰处成圆（rounding in the peak）之间的比的最大化。

其次，控制透镜的像差，这主要是通过控制焦距使其为合适的值，并使刻面厚度尽可能薄。

同时补偿两种效果是不可行的。如果要使对应峰值点的厚度达到最大的话，我们应该使用恒定的高度的设计。但恒定高度的设计使透镜的中心刻面具有过高的厚度，这样会由于不希望的像差导致透镜的离轴行为，这会降低系统的接收角。

反之，恒定厚度的设计通常是通过使所有刻面的厚度恒定来实现的，这个恒定的厚度小于1毫米，这样使得离轴行为会比之前的情况相对好些，但是，成圆峰（rounded peak）会使其变得更低效，因为它在整个透镜中占据了相对比较大的空间。

在本发明中提出的解决方案，是具有这两种类型设计的优点的一种混合型的透镜。透镜的中央部分将具有1mm或更小的恒定厚度。当引进更多的刻面时，将获得所说的刻面的最大高度点（这取决于每个供应商根据它们的工艺提供的规格说明）。一旦达到这一点，设计就变成了恒定高度的设计，因此，它们是混合透镜，是在中间具有恒定厚度，并且在周边区域具有恒定高度。

这种设计的优点是改善了几个点的透镜效率，对离轴像差而言呈现可接受的性能，因此增大了系统的接收角。

为了最大限度地利用集光率，要将二级光学元件放置在适当的位置。温斯顿博士描述了能够最终达到光学极限的设计。这些极限的达到表示为F＃=3，F＃=f/D其中：

f=镜头的焦距

D=透镜的光进入面的对角线

本发明的聚光系统对象的透镜的光学元件，将极限值达到了相当低的F#范围。低F#意味着系统更加紧凑，减少了占尺寸的部件，这样导致更加具有成本效益的解决方案。

下面表格表明随着F#的增大系统使用的集光率也随之增加。

当F#从0.9（在实际的系统中实际最小的）变为1.2时可以观察到系统效率有了显著的提高。从这点来看改善很大程度地相对好转了，曲线表现出渐进行为。因此，在这个系统里，不适合用F#大于1.5的透镜，因为那样的话没有提供显著的的改善而系统的成本增加。据估计折衷的情形是F#=1.2。

耦接于包含特定的F#之间的透镜的二级光学元件的特点是，有凸形曲线进入口，有容纳轮缘（rim）和截棱锥的部分，横截面从圆变为方形，将以此容纳光伏接收器。

进入面有圆形进入部分，并且是凸形的，它向二级光学元件增加光容量，使得结构更加紧凑并提高效率。上述面是圆形的，因为上述构型能比相等的方形表面更好地收集光线，从而增加了最终的透镜二级系统的角度容差。

然后，有一个轮缘被容纳的非旋光或旋光区域。所述的轮缘赋予了模制生产过程优点，并允许模块内部的二级元件的机械耦连。类似地，一旦各个元件被模制出来就可方便其后续处理。轮缘在模制中可以被集成一体或不集成一体。

最后，有截棱锥部分，其具有被耦接到轮缘上的初始圆形截面、需要耦接芯片的输出方形截面。这种类型的二级元件使得模制处理对抛光具最低要求、最小化操作时间和单体成本。另外，可证实通过这些设计可以达到非常高的热力学效率。

这些二级元件的设计比起较传统的设计具有大的优势，因为它们可以达到同样的或者更大的聚光程度，与此同时，提供了好的接收角，而不必折损跟踪器的设计和模块本身的安装处理，因而使这个技术非常具有吸引力。

附图说明

接下来，为了更容易地理解这个发明，以说明的方式但不是限制性的方式描述本发明的实施例，用一系列的图解来给出参考。

图1示出了现有技术中已知的聚光光伏太阳能系统的典型运行方案。

图2示出了基于卡塞格伦（Cassegrain）技术的其它聚光光伏太阳能系统的实施例，在现有技术中同样已知。

图3示出了在现有的技术中存在的基于抛物面反射镜的聚光光学元件。

图4示出了已经存在于现有技术中的光导聚光系统。

图5示出了菲涅耳透镜聚光器的厚度和圆度之间存在的关系。

图6示出了F＃和本发明的系统对象的集光率之间的关系。

图7示出了本发明二级光学元件对象的几个视图。

图8示出了本发明的系统对象的透镜的优选实施例的参数。

图9示出了本发明的系统对象的二级光学元件的优选实施例。

在这些图中，参考标记赋予的元件集如下：

1.菲涅耳透镜聚光器

2.二级光学元件

3.二级光学元件的进入面

4.二级光学元件的轮缘

5.圆形横截面

6.二级光学元件的棱椎部分

7.二级光学元件的棱椎部分的下端

具体实施方式

接下来，详述了描述菲涅尔透镜聚光器1的和二级光学元件2的设计参数的优选的实施例。

描述的系统被限定为：在5.5×5.5平方毫米的光伏电池中聚集1000×的几何聚光的辐射。这限定了174×174平方毫米的菲涅耳透镜聚光器1，透镜1的F＃被设置为1.2。上述数值被认作是在系统的紧凑度和集光率的使用之间的折衷。

透镜1的设计按以下方式决定：

透镜的中央部分是具有1毫米的恒定的厚度设计。这一厚度使得透镜具有好的效率和好的离轴行为，从而改善系统的接收角度。

一旦对于透镜刻面高度达到最大的0.4毫米高度，上述最大值被保持直到达到刻面的外边缘。图8示出了上述混合透镜的剖面图。

二级光学元件2已经针对1.4°的接收角最优化。图9示出了二级光学元件2的设计，其与菲涅耳透镜聚光器1一起，可以固定1000×的性能及1.4°的接收角。

本发明的聚光光伏太阳能系统对象的另一个优选实施例以固定为1.2的F#的透镜1和具有1.91°的接收角的二级光学元件2以700×的几何聚光限定。

图6示出了本发明的系统对象的F#和集光率之间的关系。

根据可由附图中所示的本发明的一个优选实施例，二级光学元件2有曲线的凸形进入面3，和在其底部的截棱锥部分6。另外，该系统包括设置在二级光学元件2的进入面3周围的轮缘4，所述轮缘具有方形或圆形形状。这个轮缘4可以是光学旋光的（optically active），或者是光学非旋光的（optically inactive），并且它可以与二级光学元件2部分一体地制造，或者是与二级光学元件2独立地制造。

优选地，二级光学元件2在进入面3之后具有圆形横截面5，该圆形横截面5逐渐转变成方形横截面直到达到截棱锥部分6的底端7，所述底端7是光伏接收器被固定的地方。

本发明已经描述清楚，应该理解上述描述的特例实施例在细节上改动是有可能的，只要不改变本发明的基本原理和本质。

Claims (18)

1.一种聚光光伏太阳能系统，包括：

-菲涅尔透镜聚光器（1）

-二级光学元件（2），以及

-光伏接收器，

所述聚光光伏太阳能系统的特征在于所述菲涅耳透镜聚光器（1）是混合透镜，它包括

-至少一个第一区，具有恒定刻面厚度；以及

-至少一个第二区，具有恒定刻面高度。

2.根据权利要求1的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，具有恒定刻面厚度的所述第一区是所述菲涅尔透镜聚光器（1）的中央区域。

3.根据前述任一权利要求的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，具有所述恒定刻面厚度的所述菲涅尔透镜聚光器（1）的所述第一区的厚度等于或小于1mm。

4.根据权利要求1的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，具有恒定刻面高度的所述区是所述菲涅尔透镜聚光器（1）的周边区域。

5.根据前述任一权利要求的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，当所述菲涅尔透镜聚光器（1）的刻面数增加时，在中央区具有恒定厚度的所述菲涅尔透镜聚光器（1）将所述刻面高度增加至最大高度点。

6.一种聚光光伏太阳能系统，包括

-菲涅尔透镜聚光器（1），

-二级光学元件（2），以及

-光伏接收器，

其特证在于

-所述二级光学元件（2）进一步包括曲线的凸形进入面（3），

-并且所述二级光学元件（2）具有截棱椎部分（6）。

7.根据权利要求6的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，所述二级光学元件（2）包括布置在所述进入面（3）周围的轮缘（4），

8.根据前述任一权利要求的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，所述轮缘（4）具有在方形和圆形之间选择的几何形状。

9.根据权利要求7至8中任一项的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，所述二级光学元件（2）的所述轮缘（4）是光学非旋光的。

10.根据权利要求7至8中任一项的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，所述二级光学元件（2）的所述轮缘（4）是光学旋光的。

11.根据权利要求7至10中任一项的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，所述轮缘（4）是与所述二级光学元件（2）一体的。

12.根据权利要求7至10中任一项的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，所述轮缘（4）是独立于所述二级光学元件（2）的。

13.根据权利要求6至12中任一项的聚光光伏太阳能系统，其特征在于

-所述二级光学元件（2）在所述进入面（3）后接下来包括圆形横截面（5），

-并且所述圆形横截面（5）逐渐地转变为方形横截面直到到达所述二级光学元件（2）的所述截棱椎部分（6）的底端（7）。

14.根据前述任一权利要求的聚光光伏太阳能系统，其特征在于，在所述聚光光伏太阳能系统中集光率的使用范围为45%和95%之间。

15.根据前述任一权利要求的聚光光伏太阳能系统，其特征在于

-所述菲涅尔透镜聚光器（1）具有：

-所述透镜（1）的到所述二级光学元件（2）的焦距f，以及

-在所述透镜（1）中光进入面的对角线D，

关系式F＃=f/D的范围在0.9和1.5之间，

-并且所述二级光学元件（2）具有在1.20°和1.99°之间范围的接收角。

16.根据前述任一权利要求的聚光光伏太阳能系统，其特征在于它包括：

-1000×的几何聚光，

-具有关系式F#=1.2的菲涅尔透镜聚光器（1），以及

-具有1.4°的接收角的二级光学元件（2）。

17.根据前述任一权利要求的聚光光伏太阳能系统，其特征在于

所述菲涅尔透镜聚光器（1）的所述中央区域中的所述刻面的所述恒定厚度小于或等于1mm，

-并且在所述中央区域中，所述刻面的高度逐渐增加直到达到0.4mm的最大高度，所述0.4mm的最大高度被保持恒定直到所述菲涅尔透镜聚光器（1）的外边缘的刻面。

18.根据前述任一权利要求的聚光光伏太阳能系统，其特征在于它包括：

-700×的几何聚光，

-具有关系式F#=1.2的菲涅尔透镜聚光器（1），和

-具有1.91°的接收角的二级光学元件（2）。

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