CN103022206B - 一种槽式复合抛物面聚光发电组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种槽式复合抛物面聚光发电组件，属于太阳能聚光发电技术应用领域。由复合抛物线沿对称轴平移得到的槽式复合抛物反射面、竖直反射面、全反射透明膜、光伏电池、散热支撑板、散热肋片、固定底板和龙骨卡扣组成。在抛物面部分附着抛物面型上薄下厚全反射透明膜，在距离抛物面的焦点上方水平放置光伏组件，当太阳光进入槽式复合抛物反射面内，光线就会被汇集到光伏组件上聚光发电，全反射透明膜可以增大聚光器的聚光角和入射偏角，组件底部安装散热支撑板及翅状散热肋片，将光伏组件发电时产生的热空气利用“烟囱效应”收集到建筑储能装置后加以利用，整体装置通过固定底板和龙骨卡扣与倾斜坡面屋顶相连，半圆排水槽具有自动排水的功能。

Description

一种槽式复合抛物面聚光发电组件

技术领域

发明涉及一种复合抛物面聚光发电组件，具体涉及一种用于建筑光伏一体化的复合抛物面聚光发电组件，属于太阳能聚光发电技术应用领域。

背景技术

目前，建筑能耗已接近全社会总能耗的1/3，而且随着经济的增长，建筑能耗将继续保持增长的趋势。加快可再生能源在建筑领域中的规模化应用，是降低建筑能耗、调整建筑用能结构的有效措施之一，这项应用被称之为建筑光伏一体化。太阳能光伏发电技术以其独有的特点，可以为多能互补的建筑能源系统提供电力或热能。如何克服太阳能量的分散性，提高单位面积光伏电池的输出功率？是值得开展研究的焦点，将太阳能光伏发电应用与光学聚焦技术相结合，可以提高单位面积光伏电池接受的太阳辐照度，通过用廉价的光学材料代替昂贵的光伏电池，减少了光伏发电系统的建设初期投资。

复合抛物面聚光器出现于上个世纪70年代，它是由多个抛物面聚光反射镜组成，不需要跟踪太阳，最多只需随季节做微小调整，聚光比一般在10以下，还存在固定放置聚光角偏小的缺点；传统的槽式抛物面聚光器存在因非成像而导致的出光口收集的光分散性大的问题，此外，抛物面聚光器中光线逆向反射还会引起阴影问题，都会导致太阳能的有效利用率偏低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种槽式复合抛物面聚光发电组件，能够获得更高的聚光比和更均匀的聚光光强，增大了聚光角和入射偏角，延长了装置发电的有效工作时间。

一种槽式复合抛物面聚光发电组件，包括左聚光体、右聚光体、透明全反射膜、光伏电池、散热支撑板、固定底板和散热肋片；其中，左聚光体和右聚光体为中心对称结构，其水平上半部分为抛物面，抛物面的顶面水平向外延伸出卡扣结构，水平下半部分为槽式结构，槽式结构为抛物面向下垂直延伸出的结构，槽式结构的底部形成排水槽，抛物面的内表面是抛物反射面，槽式结构与抛物面相接一侧的竖直内侧面为竖直反射面；透明全反射膜为渐变壁厚膜，其内表面和外表面均为抛物面，外表面的抛物面与左聚光体和右聚光体的抛物面外形一致，内表面的抛物面使透明全反射膜形成上薄下厚的渐变壁厚膜；

左聚光体和右聚光体通过散热支撑板和固定底板左右对称固定连接成一体，散热支撑板和固定底板上下平行连接左聚光体和右聚光体的槽式结构底面和外侧垂直面上，透明全反射膜的外侧表面与抛物反射面贴合固定；散热支撑板的上方固定安装光伏电池，散热支撑板下方安装散热肋片，散热肋片和固定底板之间通过隔板分隔出导线槽，光伏电池的导线由导线槽引出到装置的外部；

左聚光体和右聚光体内侧的抛物反射面和竖直反射面组合形成复合抛物反射面，复合抛物反射面是由一个平面抛物线沿水平轴向右平移此抛物线的两倍焦距的距离并与原抛物线的右半部分相交，去掉交点两侧的抛物线部分，用长度为两抛物线焦点距离一半的直线去截剩余的锥形抛物线图，对截后图形的两下端点竖直延长成线，达到设计长度后与分别与一个半圆相切，将两内切点水平相连，所形成的图形即可得到一个槽式复合抛物面，该设计长度为使进入抛物线下边缘点的光线经竖直平面一次反射后能够到达距竖直平面最近的光伏电池边缘的距离。

光伏电池的尺寸与沿对称轴入射的光线经槽式复合抛物反射面和竖直反射面反射后的最大聚焦面尺寸相吻合。

其中，槽式结构为半圆形、矩形或梯形结构；

槽式复合抛物面入光口覆盖玻璃盖板。

工作原理：沿对称轴入射的太阳光线入射到抛物反射面上，经抛物反射面内表面反射到竖直反射面上，光线经竖直反射面反射到光伏电池上，进入聚光器内部的太阳光的两个边界入射光线分别被反射到光伏电池的尺寸边界，当光线倾斜入射到抛物反射面上时，由于其上附着的抛物面型上薄下厚透明全反射膜属于光密介质(材质如亚克力、玻璃等)，光线进入后，上薄下厚的结构使得反射光线的以大于临界角的入射角射到透明全反射膜的内表面上，光线在透明全反射膜中全反射，同样光线会被汇聚到光伏电池上，在光伏电池下表面紧贴散热支撑板，散热支撑板和散热肋片将聚光照射下的光伏电池产生的热空气利用“烟囱效应”收集到建筑储能装置后加以利用，从而降低光伏电池的工作温度，提高输出电功率，位于左聚光体和右聚光体下方的半圆排水槽可以将雨水自动排出，装置可以通过龙骨卡扣与倾斜坡面屋顶形成卡扣式连接。

有益效果：

(1)本发明将复合抛物面聚光器和平面反射镜相结合，将复合抛物面反射的光线经平面反射镜再次汇聚收缩，提高了装置面聚焦的聚光比，使单位面积光伏电池输出功率增加，减少了光伏电池的使用数量和面积，具有更大的聚光接收角；

(2)本发明在抛物反射面上附着全反射透明膜，增大了装置的聚光角和入射偏角，聚光角最大可以增大20°左右，延长了光伏电池的有效工作时间，缩短了资本回收期；

(3)本发明将装置产生的热空气应用到建筑采暖等热利用中，拓展了聚光光伏发电的应用领域，实现了建筑光伏一体化的目的，起到了建筑节能的效果。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为本发明聚光体的复合抛物面形成原理图

图4为本发明的光路运行原理图

图5为发明的透明全反射膜光路运行图；

图6为本发明在建筑屋顶竖向排列的安装图；

图7为采用梯形排水槽代替半圆排水槽的实施例图；

图8为采用矩形排水槽代替半圆形排水槽的实施例图；

图9为采用两块三角对称分布光伏电池代替水平放置光伏电池的实施例图；

图10为槽式复合抛物面入光口覆盖玻璃盖板的实施例图；

其中，1—抛物反射面；2—竖直反射面；3—透明全反射膜；4—排水槽；5—散热支撑板；6—光伏电池；7—导线槽；8—固定底板；9—散热肋片；10—卡扣；11—抛物面外沿入射光线；12—抛物面内沿入射光线；f₁—右侧抛物线焦点；f₂—左侧抛物线焦点；13—太阳光线；14—建筑屋顶面；15—端面支撑构件；16—固定连接构件；17—隔热材料；18—防水层；19—梯形排水槽；20—矩形排水槽；21—防水连接卡扣；22—玻璃盖板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1和2所示，本发明提供了一种槽式复合抛物面聚光发电组件，包括左聚光体、右聚光体、透明全反射膜3、光伏电池6、散热支撑板5、固定底板8和散热肋片9；其中，左聚光体和右聚光体为中心对称结构，其水平上半部分为抛物面，抛物面的顶面水平向外延伸出卡扣10结构，水平下半部分为槽式结构，槽式结构为抛物面向下垂直延伸出的结构，槽式结构的底部形成排水槽4，抛物面的内表面是抛物反射面，槽式结构与抛物面相接一侧的竖直内侧面为竖直反射面；透明全反射膜3为渐变壁厚膜，其内表面和外表面均为抛物面，外表面的抛物面与左聚光体和右聚光体的抛物面外形一致，内表面的抛物面使透明全反射膜形3成上薄下厚的渐变壁厚膜；

左聚光体和右聚光体通过散热支撑板和固定底板左右对称固定连接成一体，散热支撑板5和固定底板8上下平行连接左聚光体和右聚光体的槽式结构底面和外侧垂直面上，散热支撑板的上方固定安装光伏电池，散热支撑板下方安装散热肋片，散热肋片9和固定底板8之间通过隔板分隔出导线槽7，光伏电池6的导线由导线槽7引出到装置的外部；

如附图3所示，左聚光体和右聚光体内侧的抛物反射面和竖直反射面组合形成复合抛物反射面，复合抛物反射面是由一个平面抛物线沿水平轴向右平移此抛物线的两倍焦距的距离并与原抛物线的右半部分相交，去掉交点两侧的抛物线部分，用长度为两抛物线焦点距离一半的直线去截剩余的锥形抛物线图，对截后图形的两下端点竖直延长成线，达到设计长度后与分别与一个半圆相切，将两内切点水平相连，所形成的图形即可得到一个槽式复合抛物面，该设计长度为使进入抛物线下边缘点的光线经竖直平面一次反射后能够到达距竖直平面最近的光伏电池边缘的距离。

如附图4所示，抛物面外沿入射光线11是入射到抛物反射面外沿的边界光线，抛物面内沿入射光线12是入射到抛物发射面内沿的边界光线，抛物面外沿入射光线11和抛物面内沿入射光线12之间的入射光线沿对称轴入射并且都能照射到抛物反射面1上，并被反射到竖直反射面2上，光线再次被2反射汇集到光伏电池6上，光伏电池6在抛物反射面1的焦点上方，轴向尺寸与反射光线形成的光斑一致，使得反射光线都能均匀汇集到光伏电池6上；

如附图5所示，以聚光角α倾斜入射的太阳光线13进入到透明全反射膜3中，由于透明全反射膜3是光密介质材质,比如亚克力、玻璃等，加之透明全反射膜3为上薄下厚的结构，太阳光线13经抛物反射面1反射后的光程变长，射到透明全反射膜3内表面的入射角增大，且大于临界角，太阳光线13在透明全反射膜3中实现全反射，最后完全汇聚到光伏电池6上。

如附图6所示，数个槽式复合抛物面聚光发电组件通过卡扣10与建筑屋顶14上的固定连接构件16相扣接，在扣接处做防水层18，在14的两个端面，槽式复合抛物面聚光发电组件通过10与14上的端面支撑构件15相连接固定，半圆排水槽4自动将雨水排到建筑物排水管路中，光伏电池6发电时产生的热量经散热支撑板5以及附着的散热肋片9导出，利用“烟囱效应”将热空气收集到建筑储能装置中，在光伏电池下部空格内填充隔热材料17，防止热量通过12传到建筑物内部，光伏电池6的电路连线通过导线槽7进入到建筑物电路中。

如附图7所示，用梯形排水槽19代替半圆形排水槽，将4与建筑屋顶14的线接触改为了19与14的面接触，增加了装置的抗风强度，提高了装置的稳定性，降低了装置的建造难度。

如附图8所示，用矩形排水槽20代替半圆形排水槽，将半圆形排水槽与建筑屋顶14的线接触改为了矩形排水槽20与建筑屋顶14的面接触，将竖直反射面2与矩形排水槽20合为一体，去掉了二者连接所需的焊接工艺，增加了装置的抗风强度，提高了装置的稳定性，减小了装置的生产工艺和费用。

如附图9所示，用防水连接卡扣21把两块光伏电池6呈三角对称放置于复合抛物面聚光器内，位置在抛物面焦点上方，单块水平放置光伏电池由于受到复合抛物反射面和竖直反射面的光学反射偏差影响，不能始终接受到均匀的光线，为了提高光伏电池的接受效率，将两块光伏电池三角对称放置，同时光伏电池还具备通过雨雪洗刷达到自清洁功能。

如附图10所示，在槽式复合抛物面入光口处覆盖玻璃盖板22，玻璃盖板22的尺寸正好和入光口尺寸相吻合，玻璃盖板22可以防止灰尘对光伏电池的污染，起到对槽内电路的防水保护，减小雨水对槽内发电组件的腐蚀作用，有利于将槽内光伏电池发电产生的热空气用于室内采暖等热利用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种槽式复合抛物面聚光发电组件，其特征在于，包括左聚光体、右聚光体、透明全反射膜(3)、光伏电池(6)、散热支撑板(5)、固定底板(8)和散热肋片(9)；其中，左聚光体和右聚光体为轴对称结构，其水平上半部分为抛物面，水平下半部分为槽式结构，槽式结构为抛物面向下垂直延伸出的结构，槽式结构的底部形成排水槽(4)，抛物面的内表面是抛物反射面，槽式结构与抛物面相接一侧的竖直内侧面为竖直反射面；

左聚光体和右聚光体通过散热支撑板和固定底板左右对称固定连接成一体，散热支撑板(5)和固定底板(8)上下平行连接左聚光体和右聚光体的槽式结构底面和外侧垂直面上，透明全反射膜(3)固定在抛物反射面上；散热支撑板的上方固定安装光伏电池(6)，散热支撑板下方安装散热肋片，散热肋片(9)和固定底板(8)之间通过隔板分隔出导线槽(7)，光伏电池(6)的导线由导线槽(7)引出到装置的外部。

2.如权利要求1所述的槽式复合抛物面聚光发电组件，其特征在于所述左聚光体和右聚光体内侧的抛物反射面和竖直反射面组合形成复合抛物反射面，复合抛物反射面是由一个平面抛物线沿水平轴向右平移此抛物线的两倍焦距的距离并与原抛物线的右半部分相交，去掉交点两侧的抛物线部分，用长度为两抛物线焦点距离一半的直线去截剩余的锥形抛物线图，对截后图形的两下端点竖直延长成线，达到设计长度后与分别与一个半圆相切，将两内切点水平相连，所形成的图形即可得到一个槽式复合抛物面，该设计长度为使进入抛物线下边缘点的光线经竖直平面一次反射后能够到达距竖直平面最近的光伏电池边缘的距离。

3.如权利要求1或2所述的槽式复合抛物面聚光发电组件，其特征在于所述光伏电池(6)的尺寸与沿对称轴入射的光线经槽式复合抛物反射面和竖直反射面反射后的最大聚焦面尺寸相吻合。

4.如权利要求3所述的槽式复合抛物面聚光发电组件，其特征在于所述透明全反射膜(3)为渐变壁厚膜，其内表面和外表面均为抛物面，外表面的抛物面与左聚光体和右聚光体的抛物面外形一致，内表面的抛物面使透明全反射膜形(3)成上薄下厚的渐变壁厚膜。

5.如权利要求4所述的槽式复合抛物面聚光发电组件，其特征在于所述左聚光体和右聚光体水平上半部分抛物面的顶面水平向外延伸出卡扣(10)结构。

6.如权利要求5所述的槽式复合抛物面聚光发电组件，其特征在于所述左聚光体和右聚光体的槽式结构为半圆形、矩形或梯形。

7.如权利要求6所述的槽式复合抛物面聚光发电组件，其特征在于所述槽式复合抛物面入光口覆盖玻璃盖板(22)。