CN103456823B - 一种管状聚光光伏电池组件 - Google Patents

一种管状聚光光伏电池组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种管状聚光光伏组件，包括玻璃管、布置于玻璃管内的聚光光学系统和光伏电池阵列，其特征在于，所述光伏电池阵列包括若干阵列布置的光伏电池阵列单元，其中光伏电池阵列单元包括至少1片光伏电池和热扩散结构，所述热扩散结构与光伏电池背部导热接触，且紧贴玻璃管内壁布置，将光伏电池阵列单元的热量扩散至更大面积的玻璃管壁上，通过玻璃管壁将热量传递至玻璃管外环境中。该管状聚光光伏组件能够实时跟踪太阳，聚光倍数较高，制作简单，成本较低，适于各类场合大规模布置。<!-- 2 -->

Description

一种管状聚光光伏电池组件
技术领域
本发明涉及一种管状光伏电池组件，尤其涉及通过多倍聚光、可靠封装及高散热效果来降低成本、提高使用寿命及发电效率的光伏电池组件。
背景技术
在众多发电方式中，太阳能光伏发电是新能源和可再生能源中最具技术含量和发展前途的方式之一，目前市场化的平板太阳能光伏电池组件是将玻璃、光伏电池、导线、接线装置、粘结材料等组合形成一个整体结构，在太阳光的照射下将光能转化为电能的装置。然而，该种平板太阳能光伏电池组件采取直接太阳光照射的方式，由于正常的光照功率密度较低，因此其所需组件电池数量较多，电能转换的单位功率成本较高；鉴于此，为了使用较少的电池得到较多的电能而发展出了太阳能聚光光伏系统（ConcentratingPhotovoltaic-CPV），例如现有技术中的一种太阳能聚光光伏系统为：通过在电池单元上部布置的菲涅尔反射镜，将入射的太阳光以20倍以上的聚光倍数聚集于小面积的电池单元上，从而减少电池使用量，降低成本；但是，由于聚光倍数导致的光照强度增加，电池单元的温度会急剧上升，这反而降低了电能转换效率，并且通常设计方案的这些聚光光学系统成本较高、运行较为复杂，影响了CPV技术的推广。
传统的光伏电池组件的加工制作采用层压（加压和抽真空）的工艺。通过层压机，在一定温度、压力和时间的作用下，将粘结材料如聚乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）熔化，然后固化，使玻璃、电池片和背膜等其它材料成为一个整体，再加上边框完成组件的加工制作。但是此种制作方法存在一些弊端：（1）由于电池片较薄，层压过程中，电池片容易破碎，并且，如果光伏电池组件的尺寸较大，层压过程中的粘结材料熔化产生的气泡也不易排出，造成成品率低。（2）封装步骤复杂，耗时较长。（3）层压工艺不能制作曲面形状的光伏电池组件，不能满足建筑物中的特殊部位的要求。（4）封装工序人工及能源费用较高。（5）层压过程中使用的粘结材料在长时间的光照后，易出现变色等问题，使太阳光的入射率变小，严重影响电能转换效率，光伏电池的更换周期相应缩短。（6）除电池片外，盖板玻璃、背膜、边框等原料使用成本很难进一步压缩，模组成本降低空间有限。（7）片状的模组受风力影响很大，自支撑能力有限，还需要较多的支架钢材进行补强安装，造成系统成本增高。
因此，如何获得一种低成本、高可靠性、电能转换效率高、使用寿命长的光伏电池组件制作方法，成为业界关注的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服以上描述的技术问题而提供一种管状聚光光伏组件（也称为管状聚光光伏电池组件）。
本发明提供的一种管状聚光光伏组件包括玻璃管、布置于玻璃管内的聚光光学系统和光伏电池阵列，其特征在于，所述光伏电池阵列包括若干阵列布置的光伏电池阵列单元，其中光伏电池阵列单元包括至少1片光伏电池和热扩散结构，所述热扩散结构与光伏电池背部导热接触，且紧贴玻璃管内壁布置，将光伏电池阵列单元的热量扩散至更大面积的玻璃管壁上，通过玻璃管壁将热量传递至玻璃管外环境中。
进一步地，所述热扩散结构布置于对入射光透过玻璃管影响小或无影响的管壁部分；例如热扩散结构布置于紧贴玻璃管相对于光线入射方向的侧壁和底部管壁的部分区域；该热扩散结构可将热量低热阻地传导至较大面积的玻璃管壁，同时保证对聚光光学系统的遮光产生较小影响。
进一步地，所述热扩散结构材质为铝质、铜质或铁质或其中两种或三种的组合材质；热扩散结构与光伏电池的背部良好导热接触，将光伏电池产生的热量低热阻(或低温差)地扩散到更大面积，以增强散热，进而降低电池温度，避免光伏电池由于光线照射而温度升高过多而导致光电转化效率的明显下降。
进一步地，所述光伏电池阵列单元中，热扩散结构上布置至少1片光伏电池；光伏电池与热扩散结构通过粘结剂或焊接进行固定，构成完整的光伏电池阵列单元。
进一步地，所述光伏电池阵列单元通过粘结剂固定于玻璃管的内壁面上。
进一步地，所述热扩散结构采用粘接剂粘接于玻璃管内壁。
进一步地，所述粘结剂为光固化粘结剂，例如光固化胶、紫外胶等，以方便组装及在阳光环境下具有良好的抗老化等优点。
进一步地，所述多个光伏电池阵列单元中的热扩散结构与光伏电池之间直接或错位电连接，实现光伏电池的串联、并联或串并联连接。
进一步地，所述光伏电池为单晶硅电池、多晶硅电池或薄膜光伏电池。
优选为，所述光伏电池为单晶硅电池，其成本低廉，效率高。
进一步地，所述聚光光学系统为反射式聚光光学系统或透射式聚光光学系统。
进一步地，所述聚光光学系统根据光线透过玻璃管壁时发生的折射进行光学修正设计，使太阳光线最终能更好地汇聚入射至光伏电池阵列表面。
进一步地，所述玻璃管内部为封闭空间，可有效阻隔对光伏电池有害的气体、尘埃和水汽浸入，从而提高光伏电池的效率和使用寿命。
进一步地，所述玻璃管内部的封闭空间为真空状态，以最大限度地提高光伏电池的使用寿命和使用效率。
进一步地，所述封闭空间填充对光伏电池无害的气体，以延长光伏电池的使用寿命，降低成本。
进一步地，所述封闭空间填充对光伏电池无害的透明液体，以增强散热，延长光伏电池的使用寿命，降低成本。
进一步地，所述反射式聚光光学系统的反射面为前反射结构，在所述反射面上具有高反射层，并且在所述高反射层表面无有机防护涂层。
进一步地，所述光伏电池表面直接接收汇聚光线，不增加防护涂层。
进一步地，所述管状聚光光伏组件出口或内部的部分电池两端连续或间隔布置二极管，以降低光伏电池阵列因部分光伏电池的破坏或外部结构的阴影带来的电功率输出带来的影响。
进一步地，所述管状聚光光伏电池组件绕与玻璃管中心轴平行的旋转中心轴旋转，实现入射太阳光线跟踪。
进一步地，多个所述管状聚光光伏电池组件绕与玻璃管中心轴平行的旋转中心轴整体旋转。
进一步地，多个所述管状聚光光伏组件阵列平行布置，绕共同或各自的旋转中心轴旋转。
本发明还提供一种管状聚光光伏组件阵列，其由多个上述的管状聚光光伏组件阵列平行布置形成，所述多个管状聚光光伏组件绕共同或各自的旋转中心轴旋转。
进一步地，所述管状聚光光伏组件阵列中的多个管状聚光光伏组件以相同倾斜角倾斜布置，绕共同或各自的旋转中心轴旋转。
本发明所述的管状聚光光伏组件的结构设计较现有的光伏技术具有以下优点：（1）制作方法简单，克服了常规平板光伏电池压合封装等复杂工艺和制造的成本高，耗时长以及电池片被压碎等问题；(2)管状聚光光伏电池组件中的反射式聚光光学系统反射镜面的高反射层不必增加有机材料防护涂层，减少了防护成本，其在长期使用下不会因涂层透光性下降导致反射率衰退；（3）聚光使用，较平板光伏电池使用更少数量的光伏电池，降低了光伏电池的安装成本；（4）良好的光伏电池散热结构，在结构非常简单和极低成本制造的同时，还能保证光伏电池的散热效果；（5）自支撑管状结构，强度高，聚光追踪容易，可高精度完成光伏电池的一维跟踪；（6）由于玻璃管内为封闭空间，并且为真空状态或充满对光伏电池无害的气体，材料和结构均经济可靠，低成本的同时有效提高了光伏组件的使用寿命；（7）克服了传统光伏电池制作时电池表面的固定胶层久置后变黄而影响透光效率的模组效率衰退问题；（8）管状外形受风力影响小，方便实现在多种场合布置。
附图说明
图1是本发明的管状聚光光伏组件的第1实施例的结构示意图。
图2是本发明的管状聚光光伏组件的第1实施例的侧视示意图。
图3是本发明的管状聚光光伏组件的第2实施例的结构示意图。
图4是本发明的管状聚光光伏组件的实施例3的结构示意图。
图5为本发明的管状聚光光伏组件的实施例3旋转30度后的状态示意图。
图6是本发明的管状聚光光伏组件的光伏阵列单元串联的连接方式示意图。
图7是本发明管状聚光光伏组件的实施例4的结构示意图。
图8是本发明的管状聚光光伏组件的实施例5的结构示意图。
图9是本发明的管状聚光光伏组件的实施例6的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
图1是本发明的管状聚光光伏组件的第1实施例的结构示意图；如图1所示，所述管状聚光光伏组件包括玻璃管101、布置于玻璃管101内的至少一组对应布置的聚光光学系统和光伏电池阵列，在本实施例中，所述玻璃管101内只有一组对应布置的聚光光学系统103。
实施例一中的光伏电池阵列包括若干光伏电池阵列单元；光伏电池阵列单元包括至少1片光伏电池104和在该光伏电池104背部布置的热扩散结构106，所述热扩散结构106与光伏电池104背部导热接触，且紧贴玻璃管101内壁布置，将光伏电池阵列单元的热量扩散至大面积的玻璃管壁上，通过玻璃管壁将热量传递至玻璃管101的外环境中。所述热扩散结构106布置于相对入射光方向的玻璃管侧壁和底部管壁的部分区域，最大限度地增加聚光光学系统103太阳光线的入射宽度；所述光伏电池单元中的热扩散结构106的正面与光伏电池104通过粘结剂粘结或焊接方式组合，背面采用粘结剂粘结于玻璃管101的内壁面上；所述粘结剂优选为光感粘结剂，例如光固化剂、紫外胶等，以方便组装及阳光环境下具有良好的抗老化等优点；所述热扩散结构106的材质为铝质、铜质或铁质或其中或三种的组合材质；所述热扩散结构106与光伏电池104的背部良好导热接触，将光伏电池104产生的热量低热阻（或低温度差）地扩散至更大面积，以增强散热效果，降低光伏电池104的温度，避免光伏电池104由于光线照射而温度升高过多而导致光伏电池104效率的明显降低。
光伏电池104为单晶硅电池、多晶硅电池或薄膜光伏电池，优选为单晶硅电池；所述光伏电池阵列单元包括1个热扩散结构106及在该热扩散结构106上布置的多个阵列的光伏电池104；同一光伏电池阵列单元中光伏电池104与热扩散结构106之间可以电绝缘和/或电连接，分别实施串联、并联或串并联；多个光伏电池阵列单元之间可串联、并联或串并联电连接；所述光伏电池阵列整体布置于玻璃管内部，光伏电池104表面可直接接收汇聚的太阳光线，因此不增加防护涂层，可有效降低光伏电池104的制作成本；为了降低光伏电池阵列因部分光伏电池104的破坏或外部结构的阴影带来的对电功率输出的影响，在管状聚光光伏组件出口或内部的部分电池两端连续或间隔布置二极管。
聚光光学系统103可以为反射式聚光光学系统或透射式聚光光学系统；例如为反射式聚光光学系统，优选地该反射式聚光光学系统103根据光线透过玻璃管壁时发生的折射进行光学修正设计，使太阳光最终能更好地汇聚入射至光学电池阵列表面；需要特殊说明的是，由于玻璃管壁为等厚度的弯曲玻璃，入射光线在透过此弯曲玻璃时，会发生折射，并且在受光宽度方向(直径方向)上不同的位置，光线的折射角度有所不同，折射光线路径会偏离原来的方向。由于光线折射角度在受光宽度方向的不同位置的数值不同，但各点具体数值是确定的，因此可以对聚光反射面型进行修正，使各反射位置上的入射光线能够高质量的聚集到设计焦点光伏电池104表面，避免因管壁处入射光的折射角度不同造成的聚光效果不好(焦点散开)。所述反射式聚光光学系统103整体布置于封闭的玻璃管101的内部，其反射面为前反射结构，在所述反射面上具有高反射层，并且在所述高反射层表面不增加防护涂层，进一步降低了制造成本。所述玻璃管101为高透过玻璃管；材质为高透过超白玻璃，玻璃管101内部为封闭空间，有效阻隔对光伏电池104有害的气体、尘埃和水汽侵入，提高光伏电池104的效率和使用寿命；进一步地，所述玻璃管104内部的封闭空间为真空状态，最大限度地提高光伏电池的使用寿命和使用效率；或者封闭空间填充对光伏电池无害的气体或透明液体，以延长光伏电池104的使用寿命，降低成本。
该管状聚光光伏组件可整体绕与玻璃管101中心轴平行的旋转中心轴旋转，实现对入射太阳光线的跟踪；所述管状聚光光伏组件以一定的倾斜角度向阳南北轴向布置，优选地，倾斜角度为当地的纬度角度；再者所述管状聚光光伏组件还可以布置于建筑的向阳墙体位置或向阳建筑屋顶位置。
图2是本发明图1的侧视示意图；图中显示的旋转中心轴与水平面成当地纬度角度，例如A，以北半球为例，该倾斜面的向阳面为南面。
实施例2
图3是本发明的管状聚光光伏组件的第2实施例的结构示意图。如图3所示，所述管状聚光光伏电池组件包括玻璃管301、布置于玻璃管301内的至少一组对应布置的聚光光学系统303和光伏电池阵列。在所述玻璃管301内部对称布置两组对应的聚光光学系统303和光伏电池阵列；该光伏电池阵列包括若干阵列布置的光伏电池阵列单元，其中光伏电池阵列单元包括至少一片光伏电池304和在该光伏电池背部布置的热扩散结构306。实施例二对比实施例一的不同点在于，在同一玻璃管301内部布置有相互对称的聚光光学系统303及与之对应的光伏电池阵列；所述热扩散结构306分别布置于对入射光透过玻璃管影响较小或无影响的管壁部分，例如热扩散结构306布置于玻璃管301垂直入射光线的侧壁或聚光光学系统303的底部，在满足将热量传导至玻璃管壁面的最小宽度的同时，保证对聚光光学系统306的遮光产生较小的影响。该管状聚光光伏组件可以水平南北轴布置、水平东西轴布置或者南北轴倾斜一定角度布置，优选为南北轴向阳布置，倾斜角为当地纬度角度。
实施例3
图4是本发明的管状聚光光伏组件的第3实施例的结构示意图。如图4所示，该实施例具体为一种管状聚光光伏组件阵列，其包括若干个管状聚光光伏组件，例如管状聚光光伏组件的组数为6组，即，管状聚光光伏组件421～管状聚光光伏组件423；该多个管状聚光光伏组件整体水平东西布置、水平南北轴布置或南北轴倾斜角度布置，优选为南北轴倾斜角度为当地纬度角度，且向阳布置；图中显示以南北轴倾斜当地纬度角度向阳布置为例，所述管状聚光光伏组件421～管状聚光光伏组件423平行布置于同一旋转支架上，绕同一个旋转中心轴407旋转，实施太阳光线追踪，将入射的太阳光转化为电能并输出；该实施例3还可以设置成在驱动装置的驱动下，各个管状聚光光伏组件绕自身的中心旋转轴旋转。
图5为本发明的管状聚光光伏组件的第3实施例旋转30度后的状态示意图，根据图5中太阳光线路径的示意图可知，实施例三旋转30度后管状聚光光伏组件521～管状聚光光伏组件523依旧可将太阳光线最终反射至光伏电池表面，因此本发明的管状聚光光伏组件的实施例三可实施对太阳的实时跟踪，始终保持较好的聚光效果和较高的太阳光利用率。
图6是本发明的管状聚光光伏组件的光伏电池阵列单元串联的连接方式示意图。当光伏电池阵列为串联组合结构时，各串联组沿所述玻璃管长度方向排布。如图6所示，各光伏电池阵列单元等间距绝缘布置，避免了光伏电池单元温度过高而产生的挤压变形。所述光伏电池阵列单元包括光伏电池604和热扩散结构606，光伏电池604的上部为负极，下部为正极，例如光伏电池604与热扩散结构606非绝缘，即热扩散结构606为正极。所述热扩散结构606与下一个光伏阵列单元的光伏电池614的上部通过连接结构608相连接，按照此方式布置光伏电池阵列中的各单元，使光伏阵列电池单元之间串联，电能由光伏电池阵列两端输出。
实施例4
图7是本发明管状聚光光伏组件的第4实施例的结构示意图，如图7所示，多个管状聚光光伏电池组件在同一个垂直面中阵列布置，所述管状聚光光伏组件721～管状聚光光伏组件723能独自绕自身的中心旋转轴进行旋转或通过同一驱动装置绕自身中心旋转轴旋转。需要特殊说明的是，该垂直面可以为建筑物的向阳墙体。
实施例5
图8是本发明的管状聚光光伏组件的第5实施例的结构示意图，如图8所示，管状聚光光伏电池组件821～管状聚光光伏电池组件823布置于建筑屋顶上，该建筑屋顶具有向阳屋面，且该向阳屋面垂直于南北向垂直面；所述管状聚光光伏电池组件821～管状聚光光伏电池组件823沿该向阳屋面布置，管状聚光光伏组件821平行于南北向垂直面布置；所述管状聚光光伏电池组件821～管状聚光光伏电池组件823能独自绕自身的中心旋转轴进行旋转或通过同一驱动装置绕自身中心旋转轴旋转。需要特殊说明的是，管状聚光光伏电池组件831～管状聚光光伏电池组件833还可平行于东西向垂直面布置。
实施例6
图9是本发明的管状聚光光伏组件的第6实施例的结构示意图。如图9所示，所述玻璃管901内部布置菲涅尔透射式聚光光学系统903以及与之对应布置的光伏电池阵列。所述菲涅尔透射式聚光光学系统903取代反射式聚光光学系统，且该菲涅尔透射式聚光光学系统903具有两组与之对应的光伏电池阵列；该管状聚光光伏组件可以东西轴水平布置、南北轴水平布置或南北轴倾斜角度布置，优选为南北轴倾斜，倾斜角当地纬度角度布置；需要特殊说明的是，该管状聚光光伏组件可以具有多个，多个组件阵列布置，此外还可以采取与建筑相结合的实施方式进行实施。
显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (13)

1.一种管状聚光光伏组件，包括玻璃管、布置于玻璃管内的聚光光学系统和光伏电池阵列，其特征在于，所述光伏电池阵列包括若干阵列布置的光伏电池阵列单元，其中光伏电池阵列单元包括至少1片光伏电池和热扩散结构，所述热扩散结构与光伏电池背部导热接触，且紧贴玻璃管内壁布置，将光伏电池阵列单元的热量扩散至更大面积的玻璃管壁上，通过玻璃管壁将热量传递至玻璃管外环境中；所述聚光光学系统为反射式聚光光学系统或透射式聚光光学系统，所述反射式聚光光学系统的反射面为前反射结构，在所述反射面上具有高反射层，并且在所述高反射层表面无有机防护涂层。
2.根据权利要求1所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述热扩散结构布置于相对入射光方向的玻璃管侧壁和底部管壁的区域。
3.根据权利要求2所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述热扩散结构采用粘接剂粘接于玻璃管内壁。
4.根据权利要求3所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述粘接剂为光固化粘接剂。
5.根据权利要求3所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述热扩散结构材质为铝质、铜质或铁质或其中两种或三种的组合材质。
6.根据权利要求1所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述光伏电池为单晶硅电池、多晶硅电池或薄膜光伏电池。
7.根据权利要求6所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述光伏电池表面无有机防护涂层。
8.根据权利要求1所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述聚光光学系统根据光线透过玻璃管壁时发生的折射进行光学修正设计。
9.根据权利要求1所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述玻璃管内部为封闭空间。
10.根据权利要求9所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述封闭空间为真空状态或填充对光伏电池无害的气体或透明液体。
11.根据权利要求1所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，所述管状聚光光伏组件绕旋转中心轴旋转。
12.根据权利要求11所述的一种管状聚光光伏组件，其特征在于，多个所述管状聚光光伏组件成阵列平行布置形成管状聚光光伏组件阵列，所述多个管状聚光光伏组件绕共同或各自的旋转中心轴旋转。
13.一种管状聚光光伏组件阵列，其特征在于，其由多个权利要求1所述的管状聚光光伏组件成阵列平行布置形成，所述多个管状聚光光伏组件绕共同或各自的旋转中心轴旋转。
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