CN103208950B - 一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置 - Google Patents

一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，包括反射聚光镜组件以及接收器组件，该反射聚光镜组件具有可产生位于侧边上方会聚光斑的离轴菲涅尔反射聚光镜，该接收器组件具有用于接收该会聚光斑中太阳能的接收器。本发明通过设置离轴菲涅尔反射聚光镜，如此可以将接收器阵列组件的安装位置从反射聚光镜阵列组件的正上方移至侧面，如此整个聚光光伏发电装置不会因为接收器阵列组件对入射光的遮挡而影响系统的发电功率。另外，由于该反射聚光镜组件与接收器组件呈分开设置，即分别独立密封，模组呈“开放式”，如此使得整个聚光光伏发电装置在装配、调校以及维护时均较为方便。

Description

一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能高倍聚光光伏发电装置，更具体的说涉及一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置。
背景技术
聚光光伏发电系统的发电性能及成本与光学系统结构的选择有密切关系。目前采用的聚光光伏发电光学系统从结构上可分为折射式与反射式，折射式聚光光学系统应用得比较多。
多数折射式聚光光学系统的主镜采用菲涅尔透镜，由于较大口径的全玻璃菲涅尔透镜的制造工艺难度高，目前处于广阔应用的是SOG （Silicon-on-Glass）透镜。这种SOG透镜的优点是抗老化性能较好，容易用模压的方式实现大尺寸菲涅尔透镜列阵（如3x5列阵）的量产。但是，折射式聚光光学系统也至少存在如下缺点：
（1）聚光发电系统的结构体积随着几何聚光比的增大而增大；
（2）对宽光谱（380-1800nm）的太阳光聚焦有很大的色差；
（3）SOG聚焦特性随温度的变化而不同；
（4）SOG所用硅胶国产化难,具有成本高和难以掌控的缺点；
（5）封闭模组内接收器组件失效时更换不方便；
（6）模组气密性控制难度大。
Green Volts曾采用离轴抛物面反射镜的聚光光伏发电系统，但是由于暴露在空气中的曲面形状的玻璃反射镜保洁困难等原因而后来又改用SOG透镜。Solfocus采用的卡塞格林玻璃反射式聚光发电光学系统是迄今为止唯一得到量产的反射式高倍聚光光伏发电光学系统。这种反射式聚光光学系统具有无色差，聚焦特性不随温度变化的独特性能。
但是，玻璃反射式聚光光伏发电光学系统的不足之处在于：由主镜与次镜组成的反射聚光光学系统的装配调校比较困难，玻璃反射镜的生产制造成本也比较高，而且不能像SOG那样一次模压生产出大尺寸的聚光镜列阵，因此发电模组的量产相比采用SOG透镜列阵来说更不容易。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其具有装配调校方便以及发电功率高的特点。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其中，包括反射聚光镜组件以及接收器组件，该反射聚光镜组件具有可产生位于侧边上方会聚光斑的离轴菲涅尔反射聚光镜，该接收器组件具有用于接收该会聚光斑中太阳能的接收器。
进一步，该接收器组件还包括二次光学元件，该二次光学元件位于会聚光斑处以将会聚光斑的光能均匀地输送至接收器中。
进一步，该接收器组件还包括将入射光束偏转一定角度的光束转向棱镜。
进一步，该反射聚光镜组件具有多个呈M×N阵列排布的离轴菲涅尔反射聚光镜，该接收器组件则具有M×N个接收器，每一接收器与一个离轴菲涅尔反射聚光镜对应设置；其中，M为大于或等于1的自然数，该N为大于或等于1的自然数。
进一步，该聚光光伏发电装置还包括支撑架，该反射聚光镜组件和接收器组件通过该支撑架而彼此相连。
进一步，该离轴菲涅尔反射聚光镜具有反射镜体、镀设在反射镜体面光侧上的金属反射膜、表面保护层以及底面支撑层，该反射镜体的面光侧具有同心设置且断面呈锯齿状排布的多个螺纹，每一螺纹都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面，该菲涅尔反射聚光镜根据通光孔径、工作距和几何聚光比调整倾斜反射面的倾角、螺纹距和高度以形成光强均匀分布且匹配于接收面的会聚光斑；该表面保护层位于反射镜体的面光侧，该底面支撑层位于反射镜体的背光侧，该表面保护层、反射镜体和底面支撑层通过装配结构形成一密封体。
进一步，该表面保护层与反射镜体之间的空腔呈真空状态或充满有惰性气体。
进一步，该反射镜体采用高分子聚合物经模压或辊压一次加工成型。
进一步，该高分子聚合物选自有机玻璃或光学塑料。
进一步，该表面保护层的上下表面均形成有减反射膜。
采用上述结构后，本发明涉及一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其通过设置离轴菲涅尔反射聚光镜，如此可以将接收器阵列组件的安装位置从反射聚光镜阵列组件的正上方移至侧面，如此整个聚光光伏发电装置不会因为接收器阵列组件对入射光的遮挡而影响系统的发电功率。
另外，由于该反射聚光镜组件与接收器组件呈分开设置，即分别独立密封，模组呈“开放式”，如此使得整个聚光光伏发电装置在装配、调校以及维护时均较为方便。
附图说明
图1为本发明涉及一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置第一实施例的结构示意图；
图1A为图1中A部的放大图；
图1B为图1的光路示意图；
图2为本发明涉及一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置第二实施例的结构示意图；
图3为图1和图2中反射聚光镜组件的示意图；
图4A为离轴菲涅尔反射聚光镜中x-z面的光路示意图；
图4B为离轴菲涅尔反射聚光镜中y-z面的光路示意图；
图5为本发明中离轴菲涅尔反射聚光镜的反射镜体对光线进行反射时的示意图；
图6为本发明中离轴菲涅尔反射聚光镜的结构示意图。
图中：
离轴菲涅尔反射聚光镜1
反射镜体          11        螺纹          111
倾斜反射面        112       金属反射膜    113
表面保护层        12        减反射膜      121
底面支撑层        13
接收器            2          散热片       21
支撑架            3。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
如图1、图1A和图1B所示，本发明涉及的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜1的聚光光伏发电装置，包括反射聚光镜组件以及接收器组件，该反射聚光镜组件具有可产生位于侧边上方会聚光斑的离轴菲涅尔反射聚光镜1，该接收器组件具有用于接收该会聚光斑中太阳能的接收器2；具体地，如图3所示，该接收器2上还设置有起散热作用的散热片21。
优选地，该反射聚光镜组件具有多个呈M×N阵列排布的离轴菲涅尔反射聚光镜1，该接收器组件则具有M×N个接收器2，每一接收器2与一个离轴菲涅尔反射聚光镜1对应设置；其中，M为大于或等于1的自然数，该N为大于或等于1的自然数。在本实施例中，该M=2，该N=5，即2行5列一共十个离轴菲涅尔反射聚光镜1和十个接收器2。需要说明的是，根据实际需要，该M和N均可选为1。
为了能让接收平面上的光强分布能更加均匀，该接收器组件还包括二次光学元件，该二次光学元件位于会聚光斑处以将会聚光斑的光能均匀地输送至接收器2中。另外，如图2所示，为了减少或消除接收器2对入射光的遮挡所造成的光效损失，该接收器组件还包括将入射光束偏转一定角度的光束转向棱镜，如此，该接收器2的接收平面可以与会聚光斑呈一个角度，在本实施例中，该一定角度选用的为90度。在具体实施时，该光束转向棱镜的功能可以直接嵌置在二次光学元件中，即让该二次光学元件同时起到调光和转向的功能。
接着，该聚光光伏发电装置还包括支撑架3，该反射聚光镜组件和接收器组件通过该支撑架而彼此相连，以形成一个完整的发电装置。
这样，本发明涉及一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜1的聚光光伏发电装置，其通过设置离轴菲涅尔反射聚光镜1，如此可以将接收器阵列组件的安装位置从反射聚光镜阵列组件的正上方移至侧面，如此整个聚光光伏发电装置不会因为接收器阵列组件对入射光的遮挡而影响系统的发电功率。
另外，由于该反射聚光镜组件与接收器组件呈分开设置，即分别独立密封，模组呈“开放式”，如此使得整个聚光光伏发电装置在装配、调校以及维护时均较为方便；由于与每个离轴菲涅尔反射聚光镜1对应的接收器2均是独立密封与安装，当接收器组件列阵中的某一个接收器2失效时，可以单独把该失效接收器2更换成新的，而常规封闭模组的内的某一个接收器组件失效时，需要更换整个模组。
如图3所示，该离轴菲涅尔反射聚光镜1实际即为菲涅尔透镜的一部分，如此才呈现为离轴的功效，其光效图请参照图4A和图4B所示，其中，光束沿z方向入射，反射镜体11则处于x-y平面，由图可知，其会聚光斑会呈现一定的离轴效果。
对于发明所采用的离轴菲涅尔反射聚光镜1的一种具体结构，如图6所示，该离轴菲涅尔反射聚光镜1具有反射镜体11、镀设在反射镜体11面光侧上的金属反射膜113、表面保护层12以及底面支撑层13，该反射镜体11的面光侧具有同心设置且断面呈锯齿状排布的多个螺纹111，每一螺纹111都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面112，该金属反射膜113用于提高反射量，以增加对太阳光的利用率；该菲涅尔反射聚光镜根据通光孔径、工作距和几何聚光比调整倾斜反射面112的倾角、螺纹111的螺纹距和高度以形成光强均匀分布且匹配于接收面的会聚光斑；该表面保护层12位于反射镜体11的面光侧，该底面支撑层13位于反射镜体11的背光侧，该表面保护层12、反射镜体11和底面支撑层13通过装配结构形成一密封体。
对于该反射镜体11，其是采用高分子聚合物经模压或辊压一次加工成型，该高分子聚合物需具有良好的模压特性、光学致密性以及稳定性，该高分子聚合物具体可以选自有机玻璃或光学塑料。优选地，该表面保护层12的上下表面均形成有减反射膜121，而该表面保护层12与反射镜体11之间的空腔呈真空状态或充满有惰性气体。如此使得本发明对太阳光的利用效率更高，并且还具有易于保洁和维护的功效。
如图5所示，强度均匀的平行光入射到边长为D的方形菲涅尔反射聚光镜上，在距离反射镜体11一定工作距WD的接收面上会聚形成一个边长为d的方形光斑，该聚焦光斑的大小d由具体的非成像应用系统的几何聚光比要求来决定。当然对于该会聚光斑，其也可以是圆形或者一维线性，具体可以根据实际情况而做出调整。
为获得光强均匀的会聚光斑，任意一个锯齿面，即螺纹111的倾斜反射面112上的入射光线位置Y到达接收器面上的相应位置y由以下公式来确定：
y=Y（d/D）……（1）
所述反射镜体11的任意一个螺纹111倾斜反射面112的倾斜角度α由以下公式来计算：
tan(2α)=(Y-y)/WD……（2）
根据反射镜体11的实际设计要求及模具加工技术与工艺条件来选择反射镜体11的螺纹间距P或高度，即锯齿高h。
一旦确定了通光孔径D，几何聚光比Cg=(D/d)2，工作距WD，以及菲涅尔螺纹间距P，即可由以上两个公式计算出每个螺纹的位置Yi及锯齿的倾角参数αi。而锯齿高度h=P×Tan(α)。
所述菲涅尔反射聚光镜的光学效率除了由金属反射膜113的反射率决定外，还取决于反射镜的通光孔径D、工作距WD的选择以及反射镜体11中的每个螺纹111的倾斜反射面112的倾角。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (9)

1.一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，包括反射聚光镜组件以及接收器组件，该反射聚光镜组件具有可产生位于侧边上方会聚光斑的离轴菲涅尔反射聚光镜，该接收器组件具有用于接收该会聚光斑中太阳能的接收器；该离轴菲涅尔反射聚光镜具有反射镜体、镀设在反射镜体面光侧上的金属反射膜、表面保护层以及底面支撑层，该反射镜体的面光侧具有同心设置且断面呈锯齿状排布的多个螺纹，每一螺纹都具有朝向圆心一侧的倾斜反射面，该菲涅尔反射聚光镜根据通光孔径、工作距和几何聚光比调整倾斜反射面的倾角、螺纹距和高度以形成光强均匀分布且匹配于接收器接收平面的会聚光斑；该表面保护层位于反射镜体的面光侧，该底面支撑层位于反射镜体的背光侧，该表面保护层、反射镜体和底面支撑层通过装配结构形成一密封体。
2.如权利要求1所述的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，该接收器组件还包括二次光学元件，该二次光学元件位于会聚光斑处以将会聚光斑的光能均匀地输送至接收器中。
3.如权利要求2所述的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，该接收器组件还包括将入射光束偏转一定角度的光束转向棱镜。
4.如权利要求1所述的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，该反射聚光镜组件具有多个呈M×N阵列排布的离轴菲涅尔反射聚光镜，该接收器组件则具有M×N个接收器，每一接收器与一个离轴菲涅尔反射聚光镜对应设置；其中，M为大于或等于1的自然数，该N为大于或等于1的自然数。
5.如权利要求1所述的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，该聚光光伏发电装置还包括支撑架，该反射聚光镜组件和接收器组件通过该支撑架而彼此相连。
6.如权利要求1所述的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，该表面保护层与反射镜体之间的空腔呈真空状态或充满有惰性气体。
7.如权利要求1所述的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，该反射镜体采用高分子聚合物经模压或辊压一次加工成型。
8.如权利要求7所述的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，该高分子聚合物选自有机玻璃或光学塑料。
9.如权利要求1所述的一种基于离轴菲涅尔反射聚光镜的聚光光伏发电装置，其特征在于，该表面保护层的上下表面均形成有减反射膜。
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