CN103411754A - 反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及反射式聚光光伏，特别涉及反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法。一种反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将旋转抛物反射面分割为一定面积的反射元；(2)使用探测器记录太阳光经各反射元反射后在反射板上的成像为像元；（3）将各像元叠加，得到反射式聚光器反射板上的光强分布。本发明的优点是本发明为高倍反射式聚光光伏提供了一种简单且便于操作的光斑均匀性测量的方法，使得高能流密度光斑的均匀性测量成为可能，使得高能流密度光斑光强的空间分布测量成为可能。

Description

反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法

技术领域

本发明涉及反射式聚光光伏，特别涉及反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法。

背景技术

聚光光伏系统是由定日器、聚光电池组件和聚光器及相关动力和散热装置构成，采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高（400倍以上），使太阳能电池转换效率提高，在小面积电池芯片上获得大的电流。太阳光的聚焦可采用菲涅尔透镜或抛物面反射镜，太阳能聚光电池的散热采用大面积的散热片自然冷却，或用循环水冷却将热量二次利用。

用于聚光光伏系统的高倍聚光方式主要有反射和透射两种。实用的高倍聚光光伏发电系统（HCPV）的聚光倍数为500×～1200×，商业化高倍聚光光伏发电系统效率在23%～28%之间。菲涅尔透镜易于设计和模拟而且成本较低，是被聚光光伏系统普遍采用的主要因素。然而要满足高倍聚光系统要求，实现长期抵御环境侵蚀，菲涅尔透镜的制造还面临着一系列挑战。目前有多种工艺技术制造菲涅尔透镜，如对有机玻璃(PMMA)进行注塑和热压以及玻璃上涂覆硅凝胶(SOG)等，这些都需要较复杂的工艺制作过程。透光率、光斑均匀性、焦距、工艺一致性、像差、抗紫外光老化、抗风沙能力等都是成为考验菲涅尔透镜在高倍聚光光伏发电系统中应用的性能指标。

从市场层面讲，随着聚光光伏技术进一步成熟和生产规模的进一步扩大，预计未来几年内其综合成本即可低于晶硅和薄膜电池。若要每度电降至0.1$元以下，就要求安装好的系统费用从现在的5-8$/W降至2$/W，芯片的造价从8-10$/cm²降至3-5$/cm²。

利用大型抛物镜面镜来做反射光学系统被认为是大幅度降低聚光器制造成本的有效途径，正逐步在热电联产(集成PV+太阳热能)系统中采用，成为高倍聚光光伏系统发展的热点。

基于III-V族半导体多结砷化镓太阳能电池具有最高的光电转换效率（理论效率68%，实验室效率41%），比硅太阳能电池高近50%左右，具有比硅高得多的耐高温特性，在高辐照度下仍具有高的光电转换效率，因此被高倍聚光光伏技术所采用。

反射式高倍聚光光伏系统用三节砷化镓电池阵列由电池芯片串联构成，系统输出电流受限于电流最小的电池芯片，因此对电池阵列表面的光斑进行均匀化处理非常必要。因此聚光光斑在反射板的光强分布测量将极为必要。

由于高倍反射式聚光器在靶面汇聚光能流密度较大，现有的探测器不能直用于直接测量。因此急需探索一种用于高能流密度光场强度分布测量的方法。

发明内容

本发明针对现有技术不足，发明了一种反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将旋转抛物反射面分割为一定面积的反射元；(2)使用探测器记录太阳光经各反射元反射后在反射板上的成像为像元；（3）将各像元叠加，得到反射式聚光器反射板上的光强分布。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的反射元的面积需小于反射板的面积。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的记录太阳光经各反射元反射后在反光板上的像元时，所述的探测器固定于旋转抛物反射面的最低点。探测器固定于旋转抛物面的顶点，也就是最低点，在所有反射元的测量过程中，始终在同一位置。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的记录太阳光经各反射元反射后在反射板上的像元时，所述的探测器始终与反射板成固定角度。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的记录太阳光经某一反射元反射后在反射板上的像元时，需将其它反射元完全遮挡。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的记录太阳光经某一反射元反射后在反射板上的像元时，需调整旋转抛物反射面，使太阳光垂直旋转抛物面反射镜的开口截面入射到反射式聚光器反射板上。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的各像元叠加为各像元的权重叠加，每个像元的权重为对应的反射元中心与反射板中心连线与反射板法线之间夹角的余弦。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的反射板为平面反射镜。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的反射元在反射板截面上的投影面积均相等且小于反射板的面积。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的探测器为数码照相机或CCD成像仪。

所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，所述的探测器采集的反射光为经靶面反射后的垂直反射光。

本发明的有益效果是：本发明为高倍反射式聚光光伏提供了一种简单且便于操作的光斑均匀性测量的方法，使得高能流密度光斑的均匀性测量成为可能，使得高能流密度光斑光强的空间分布测量成为可能。

附图说明

图1：本发明测量原理示意图；

图2：反射元界面投影示意图；

图3：相对强度分布图。

图中：1.旋转抛物面反射镜；2.探测器；3.反射板；4.反射元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例：见图1，一种反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将旋转抛物反射面分割为一定面积的反射元；(2)使用探测器记录太阳光经各反射元反射后在反射板上的成像为像元；（3）将各像元叠加，得到反射式聚光器反射板上的光强分布。

所述的反射元的面积需小于反射板的面积。

所述的记录太阳光经各反射元反射后在反光板上的像元时，所述的探测器固定于旋转抛物反射面的最低点。探测器固定于旋转抛物面的顶点，也就是最低点，在所有反射元的测量过程中，始终在同一位置。

所述的记录太阳光经各反射元反射后在反射板上的像元时，所述的探测器始终与反射板成固定角度。

所述的记录太阳光经某一反射元反射后在反射板上的像元时，需将其它反射元完全遮挡。

所述的记录太阳光经某一反射元反射后在反射板上的像元时，需调整旋转抛物反射面，使太阳光垂直旋转抛物面反射镜的开口截面入射到反射式聚光器反射板上。

所述的各像元叠加为各像元的权重叠加，每个像元的权重为对应的反射元中心与反射板中心连线与反射板法线之间夹角的余弦。

所述的反射板为平面反射镜。

所述的反射元在反射板截面上的投影面积均相等且小于反射板的面积。

所述的探测器为数码照相机或CCD成像仪。

所述的探测器采集的反射光为经靶面反射后的垂直反射光。

实验例：见图1，一种反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，

旋转抛物面反射镜1聚光器的开口截面为3.2m直径的圆。

探测器2为市售数码相机。安装在旋转抛物面反射器的最低点，即最大剖面面型抛物线顶点处。

反射板3为普通平面反射镜，镜面尺寸为200mm×200mm,镜面反射率为93%。

反射板3距离旋转抛物面反射镜1的开口截面2.77m。

按照如下步骤进行太阳光经过旋转抛物面反射镜1反射后在反射板3上的光强分布的测量：

(1)将旋转抛物反射面1按照其在开口截面上的投影分割为100mm×100mm的反射元4；

(2)使用数码相机2记录太阳光经各反射元反射后在反射板3上的成像为像元4；

(3)将各像元叠加，得到反射式聚光器反射板上的光强分布。

进行步骤（2）记录太阳光经各反射元反射后在反光板3上的像元时，数码相机2安装在旋转抛物面反射镜1的最低点，即最大剖面面型抛物线顶点处，且在所有反射元的测量过程中，始终在同一位置。

进行步骤（2）时，记录太阳光经各反射元反射后在反射板3上的像元时，数码相机镜头平面始终与反射板3平行，且反射板3成像在相机视野中心。

进行步骤（2）时，数码相机采集的反射光为经靶面反射后的垂直反射光。

进行步骤（2）时，记录太阳光经某一反射元反射后在反射板3上的像元时，需将其它反射元完全遮挡。

进行步骤（2）时，记录太阳光经某一反射元反射后在反射板3上的像元4时，需调整旋转抛物面反射镜1的反射面，使太阳光垂直旋转抛物面反射镜1的开口截面入射到反射式聚光器反射板3上。

进行步骤（3）时，所述的各像元4叠加为各像元的权重叠加，每个像元的权重为对应的反射元中心与反射板中心连线与反射板法线之间夹角θ的余弦。

由于旋转抛物面反射镜聚光器的材料一致，因此分割后的反射元的反射率均相同，在进行步骤（3）像元叠加时，考虑到太阳入射光由于天气因素产生的瞬间变化，只将权重叠加。

图3是试验例中入射光经旋转抛物面反射镜在反光板上汇聚后的相对强度分布图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (11)

1.一种反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将旋转抛物反射面分割为一定面积的反射元；(2)使用探测器记录太阳光经各反射元反射后在反射板上的成像为像元；（3）将各像元叠加，得到反射式聚光器反射板上的光强分布。

2.如权利要求1所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的反射元的面积需小于反射板的面积。

3.如权利要求1所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的记录太阳光经各反射元反射后在反光板上的像元时，所述的探测器固定于旋转抛物反射面的最低点。

4.如权利要求1所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的记录太阳光经各反射元反射后在反射板上的像元时，所述的探测器始终与反射板成固定角度为θ。

5.如权利要求1所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的记录太阳光经某一反射元反射后在反射板上的像元时，需将其它反射元完全遮挡。

6.如权利要求1所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的记录太阳光经某一反射元反射后在反射板上的像元时，需调整旋转抛物反射面，使太阳光垂直旋转抛物面反射镜的开口截面入射到反射式聚光器反射板上。

7.如权利要求1所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的各像元叠加为各像元的权重叠加，每个像元的权重为对应的反射元中心与反射板中心连线与反射板法线之间夹角的余弦。

8.如权利要求1所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的反射板为平面反射镜。

9.如权利要求1所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的反射元在反射器开口截面上的投影面积均相等且小于反射板的面积。

10.如权利要求3所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的探测器为数码照相机或CCD成像仪。

11.如权利要求4所述的反射式聚光光伏聚光器光斑强度分布测量方法，其特征在于所述的探测器采集的反射光为经靶面反射后的垂直反射光。

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