CN103888051A - 全息聚光分光太阳能发电模块 - Google Patents

全息聚光分光太阳能发电模块 Download PDF

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Abstract

一种全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，包括：全息聚光透镜（1）、一个或多个分光镜（2）、光伏电池组合；其中：所述全息聚光透镜（1）位于光线的入射端；所述一个或多个分光镜（2）位于光线入射端与光伏电池组合之间的光路上；所述光伏电池组合包括多个光伏电池，并且分别位于所述分光镜（2）的透射光和反射光的聚焦面上。

Description

全息聚光分光太阳能发电模块
技术领域
本发明公开了一种全息聚光分光太阳能发电模块，属于光伏技术领域。
背景技术
当前，以聚光光伏发电（CPV）为代表的第三代光伏发电技术正在经历着快速发展，其相关技术已成为各类研究所和企业的研发热点，各种聚光光伏示范工程与规模电站也正在世界各地纷纷出现。就其主要原理而言，聚光光伏发电技术（CPV）是指使用透镜或镜面将接收到的太阳光线进行聚焦，使聚焦后的高能量密度光斑对准于小面积、高效率的硅或多结化合物太阳能电池芯片上，获得能量输出。聚光光伏技术具有转换效率高、电池用量少、环境友好、系统衰减小、使用寿命长、占地小、维护方便、可靠性高、易于大范围组合安装形成大规模光伏发电站等一系列优点。
现有聚光光伏系统的主要功能模块，一般包括聚光透镜、光伏电池和辅助高精度逐日装置。聚光光伏模块的高效工作高度依赖于价格昂贵的逐日装置以及该装置的追踪准确度，否则将无法把光准确汇聚到光伏电池之上；在现有透镜情况下，聚光系统接收角度的容差还与光伏电池的尺寸大小正比，在透镜不变情况下要想增大接收角以降低对逐日装置的精度要求，就需要增大电池面积，这将大大增加成本。
此外，目前聚光光伏系统所选用的电池，一般为硅电池或多结化合物电池。硅电池禁带宽度为1.12eV左右，其对于短波长高能量光线的吸收存在较大能量浪费，最高电池转换效率仅在20%左右。对于多结太阳能电池（目前国际主流为GaInP/GaAs/Ge三结叠阵电池），由于该类型电池采用多结子电池叠阵级联，各子电池之间相当于串联关系，需要进行电流匹配，而长波波段产生的额外电流则因无法匹配而被浪费，因此其电池效率目前在40%左右且很难获得进一步提升，而应用于聚光条件后，系统转换效率一般仅在30%左右。
以上现状均限制了聚光光伏系统的应用场合与进一步的转换效率提升，构成了聚光光伏的发展瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于：为获得具有更高单位面积光电转换率、对逐日精度要求不高甚至免逐日系统的广角接收光线的光伏发电装置，提出了全息聚光分光太阳能发电模块。
本发明的目的是由以下的技术方案实现的：
一种全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，包括：
全息聚光透镜（1）、一个或多个分光镜（2）、光伏电池组合；其中：
所述全息聚光透镜（1）位于光线的入射端；
所述一个或多个分光镜（2）位于光线入射端与光伏电池组合之间的光路上；
所述光伏电池组合包括多个光伏电池，并且分别位于所述分光镜（2）的透射光和反射光的聚焦面上。
所述光伏电池组合的光伏电池的数量和波长的与所述分光镜（2）对应，所述光伏电池组合的光伏电池数量比所述分光镜数量多1个；所述分光镜分光后的各光谱段与所述光伏电池组的光伏电池的响应波长范围对应。
所述全息聚光透镜（1）为全息衍射聚光和几何聚光功能的组合透镜结构。
所述全息聚光透镜为：平凸透镜与全息膜组合、菲涅尔透镜与全息膜组合之中的一种。
所述平凸透镜和所述菲涅透镜采用亚克力工程塑料模压和玻璃与硅胶模压的方式制备，所述全息膜采用蒸镀重铬酸盐或溴化银适宜全息感光材料的方式或贴附方式制备在组合透镜结构中。
所述的一个或多个分光镜（2），其数量可以在1到5之间选择。
所述分光镜采用分光棱镜或二色向镜，所述二色向镜的基材为玻璃或高透过率工程塑料，所述二色向镜采用在以上基材面上蒸镀分光膜层的方式制备。
所述的光伏电池组合中所述多个光伏电池的数量在2到6之间。
所述光伏电池的其各自的响应截至波长具有数十纳米至数百纳米不等的间隔，采用的组合方式可以有：硅电池与Ga(In)As/GaInP电池组合，硅电池、Ga(In)As/GaInP电池与InGaP电池组合的方式。
本发明的有益效果是：使用全息聚光透镜，可以实现对广角光线的吸收，使模块具有更大的接收角范围，从而避免高精度逐日装置的使用或者直接不使用逐日装置，在此同时还可收集除直射光线外的散射光线，使模块具有高的光能量输入；使用分光镜和及与之匹配的多电池组合，将总入射光线分割成不同的连续波段并分别加以利用，避免了单一类型电池对于高能短波光线的能量浪费或多结叠阵电池中存在的电流不匹配情况，使模块实现了最大程度的光能利用。通过增加模块的总入射能量和减少转换过程的能量损失，本模块有望获得远高于普通晶硅聚光及多结电池聚光的系统转换效率。
附图说明
图1为全息聚光分光太阳能发电模块实施例一的示意图。
图2为全息聚光分光太阳能发电模块实施例二的示意图。
图1中，1、全息聚光透镜，2、880nm二色向镜，3、520nm二色向镜，4、硅电池，5、Ga(In)As/GaInP电池，6、InGaN电池，7、入射光线，8、聚焦后光线，9、一次分光后透射光，10、一次分光后反射光，11、二次分光后透射光，12、二次分光后反射光。
图2中，1、全息聚光透镜，2、880nm二色向镜，4、硅电池，5、Ga(In)As/GaInP电池，7、入射光线，8、聚焦后光线，9、一次分光后透射光，10、一次分光后反射光，
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
实施例一见图1。本实施例中，全息聚光透镜1采用的是玻璃-全息膜-硅胶压制菲涅尔镜的三明治结构；模块中采用了两个分光镜，均为二色向镜，分别为880nm二色向镜2和520nm二色向镜3；光伏电池一共有三块，分别为在本模块中对应吸收520nm以下光波的InGaN电池6，对应吸收520-880nm光波的Ga(In)As/GaInP电池5，以及对应吸收880nm以上光波的硅电池4。
图1中，全息聚光分光太阳能发电模块在工作时，太阳光的入射光线7（含直射与散射光）通过全息聚光透镜1进入模块内部，由于全息聚光透镜1中含有全息膜以及宽接收角设计的菲涅尔透镜，可以实现对大入射角度光线的吸收和聚焦，从而实现了高效聚光效果。聚光后光线8入射到880nm二色向镜2上后，波长大于880nm的光线被选择性透过，形成一次分光后透射光9并入射到硅电池4上，被硅电池4转化为电能输出；而波长小于880nm的光线部分被880nm二色向镜2反射，形成一次分光后反射光10，并入射到520nm二色向镜3的镜面上。波长大于520nm的部分可以通过520nm二色向镜3，形成二次分光后透射光11并照射到Ga(In)As/GaInP电池5上，并被Ga(In)As/GaInP电池5吸收转化为电能；而波长小于520nm的高能波长则被520nm二色向镜3反射，形成二次分光后反射光12，照射到InGaN电池6上，获得具有较高电压的能量输出。
本实施例通过引入全息聚光透镜1，可以使发电模块具有广角聚光能力，不仅降低了对逐日系统的要求，还可以收集额外的散射光线以使入射光能量最大。而两个分光镜的使用，可以将入射光的光谱从520nm和880nm处进行分割，获得三个波段的光波并分别照射到与之对应的光伏电池上加以利用，在这个过程中，各个波段的光得到了细分利用，光电转换中能量损失最小，且三个波段产生的能量将分别输出，不必考虑电流或电压匹配，又避免了一部分匹配损失。通过增加模块的总体入射能量和减少转换过程的能量损失，本模块有望获得远高于普通晶硅聚光及多结电池聚光的系统转换效率。
实施例二
实施例二见图2。本实施例中，全息聚光透镜1采用的是玻璃-全息膜-硅胶压制菲涅尔镜的三明治结构；模块中采用一个880nm二色向镜2作为分光镜；光伏电池一共有两块，分别为在本模块中对应吸收880nm以下光波的Ga(In)As/GaInP电池5，以及对应吸收880nm以上光波的硅电池4。
图2中，全息聚光分光太阳能发电模块在工作时，太阳光的入射光线7（含直射与散射光）通过全息聚光透镜1进入模块内部，由于全息聚光透镜1中含有全息膜以及宽接收角设计的菲涅尔透镜，可以实现对大入射角度光线的吸收和聚焦，从而实现了高效聚光效果。聚光后光线8入射到880nm二色向镜2上后，波长大于880nm的光线被选择性透过，形成一次分光后透射光9并入射到硅电池4上，被硅电池4转化为电能输出；而波长小于880nm的光线部分被880nm二色向镜2反射，形成一次分光后反射光10，并照射到Ga(In)As/GaInP电池5上，被其吸收，转化为具有较高电压输出的电能。
本实施例中使用了一个分光镜和两种光伏电池，将入射光的光谱从880nm处进行分割，获得两个波段的光波并分别照射到与之对应的光伏电池上加以利用，在这个过程中，各个波段的光得到了细分利用，且两个波段产生的能量分别输出，不必考虑电流或电压的匹配，避免了一部分匹配损失。通过增加模块的总体入射能量和减少转换过程的能量损失，本模块有望获得远高于普通晶硅聚光及多结电池聚光的系统转换效率。但是与实施例1相比，由于仅对光波波段进行了一次分割，部分高能量光波在光电转换中仍存在较大能量损失，因此整体转换效率低于实施例1。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，曾应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，包括：
全息聚光透镜（1）、一个或多个分光镜（2）、光伏电池组合；其中：
所述全息聚光透镜（1）位于光线的入射端；
所述一个或多个分光镜（2）位于光线入射端与光伏电池组合之间的光路上；
所述光伏电池组合包括多个光伏电池，并且分别位于所述分光镜（2）的透射光和反射光的聚焦面上；
所述光伏电池组合的光伏电池的数量和波长的与所述分光镜（2）对应，所述光伏电池组合的光伏电池数量比所述分光镜数量多1个；所述分光镜分光后的各光谱段与所述光伏电池组的光伏电池的响应波长范围对应。
2.如权利要求1所述的全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，所述全息聚光透镜（1）为全息衍射聚光和几何聚光功能的组合透镜结构。
3.如权利要求2所述的全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，所述全息聚光透镜为：平凸透镜与全息膜组合、菲涅尔透镜与全息膜组合之中的一种。
4.如权利要求3所述的全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，所述平凸透镜和所述菲涅透镜采用亚克力工程塑料模压和玻璃与硅胶模压的方式制备，所述全息膜采用蒸镀重铬酸盐或溴化银适宜全息感光材料的方式或贴附方式制备在组合透镜结构中。
5.如权利要求1所述的全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，所述的一个或多个分光镜（2），其数量可以在1到5之间选择。
6.如权利要求5所述的全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，所述分光镜采用分光棱镜或二色向镜，所述二色向镜的基材为玻璃或高透过率工程塑料，所述二色向镜采用在以上基材面上蒸镀分光膜层的方式制备。
7.如权利要求1所述的全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，所述的光伏电池组合中所述多个光伏电池的数量在2到6之间。
8.如权利要求7所述的全息聚光分光太阳能发电模块，其特征在于，所述光伏电池的其各自的响应截至波长具有数十纳米至数百纳米不等的间隔，采用的组合方式可以有：硅电池与Ga(In)As/GaInP电池组合，硅电池、Ga(In)As/GaInP电池与InGaP电池组合的方式。
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