CN104716899A - 多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，由多个太阳电池串，多个聚光器和跟踪系统组成，其中，太阳电池组件安装在四周由铝或耐候塑料型材组成的边框结构中，多个太阳电池串按照一定的间隔分布于太阳电池组件的背板上，在每个间隔处放置聚光器，跟踪系统为设置在边框的弧形槽轨，聚光器为棱镜组，棱镜组通过两个支柱安装在边框的弧形槽轨上，支柱底端在弧形槽轨中沿着设定轨迹移动，从而带动棱镜组转动，以跟踪太阳辐照。本发明利用棱镜组仅将太阳辐照转移，不存在聚光焦点（或线），通过棱镜组的辐照均匀分布在太阳电池组件表面，不会形成强光点或强光线造成严重局部过热损坏太阳电池组件现象。

Description

多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件

技术领域

本发明涉及一种多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，属于光伏聚光技术领域。

背景技术

聚光光伏系统是利用透镜或反射镜将太阳光汇聚到太阳电池上，用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳电池，从而减少给定功率所需的太阳能电池面积，一直以来作为降低光伏发电成本的途径之一而备受关注。聚光系统结构种类较多，根据聚光形式的不同可分为线聚光系统和点聚光系统。对于线性聚光来说，著名的有西班牙EUCLIDES系统，德国的Fraunhofer太阳能系统研究所(ISE)的BICON系统等。对于点聚光系统来说，美国的AMONIX公司，西班牙的Isofoton公司等都有产品已经商业化。

西班牙的EUCLIDES系统所使用的聚光电池为垂直多结电池。该种结构的优点是增大了结面积，使得载流子在p-n结附近产生，增加了载流子的收集率。

德国Fraunhofer ISE开发的BICON聚光系统采用抛物面镜将阳光汇聚到接受器上，通过加装二次聚光器(Compound Parabolic concentrator，CPC)可以实现300倍的高聚光比。接受器由背面线接触硅电池(rear-line-contacted concentrator cells，RLCC cell)与六个PMMA(polymethyl methacrylate)制成的CPC透镜和和散热装置共同组成，其中RLCC电池在100个聚光太阳条件下可实现25％的最高效率，CPC二次透镜最大接受角为±23.5°，当入射角为0°时可实现83％的光学效率。

美国的AMONIX公司的高效率点聚光硅太阳电池发电系统(简称IHCPV系统)的采用250倍菲涅耳透镜聚光，使10mm²点接触绒面高效硅太阳电池的光电转换效率高达25％～27％，并成功地建造了输出功率高达5kw的聚光硅太阳电池组件单元和单机功率为25kw的集成光伏发电系统单元

西班牙Isofoton公司的平板微型点聚光太阳电池组件采用了新型的聚光透镜，该聚光透镜包括一个初级透镜和一个二次光学透镜组成，其中初级透镜基于透射、全内反射、折射和非球面透镜原理制成，能够达到菲涅耳透镜所不能达到的小焦距，大的接受角。这样就使得整个透镜组焦距很小，最终使封装后的组件仅有3cm左右的厚度，同时具有大于1°的接受角。

对于聚光系统，怎样跟踪太阳，使其在任何季节任何时刻都可以最大量捕捉到辐照达到聚光效果是设计的关键。上述的典型聚光系统都需要另外配备单轴或双轴跟踪装置，此外，也有部分专利介绍了新型聚光系统设计与概念，可以采用免传动部件的太阳跟踪方式。

目前聚光系统普遍存在两个问题：首先，跟踪构件未与太阳电池组件及聚光器集成在一起，现场安装与调试复杂，且需要旋转聚光太阳电池组件以跟踪太阳，不适合与一般民用建筑斜面屋顶结合；其次，对于点聚集或线聚焦系统，在太阳跟踪失效时，易出现局部温度过高而损坏太阳电池组件情况。

发明内容

本发明的提出了聚光器、太阳跟踪装置一体化的太阳电池组件方案，通过旋转与移动棱镜组可以达到较好的聚光与跟踪太阳的效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，由多个太阳电池串，多个聚光器和跟踪系统组成；所述太阳电池组件安装在四周由铝或耐候塑料型材组成的边框结构中；所述多个太阳电池串按照一定的间隔分布于太阳电池组件的背板上，在每个间隔处放置聚光器，所述聚光器平行太阳电池串；所述跟踪系统为设置在边框的弧形槽轨；所述聚光器为棱镜组；所述棱镜组通过两个支柱安装在边框的弧形槽轨上，使棱镜组与太阳电池组件之间留有一定的距离，所述支柱底端在弧形槽轨中沿着设定轨迹移动，从而带动棱镜组转动，以跟踪太阳辐照；所述棱镜组的长度比太阳电池串长度两端每端长0.5-3倍太阳电池串宽度的距离；并且所述棱镜组与太阳电池组件倾角为安装地点纬度±6°。

前述的太阳电池串有6-12个。

前述的太阳电池串之间的间隔为太阳电池串宽度的0.5-2倍。

前述的棱镜组由2-10个正三角形棱镜或直角三角形棱镜组成。

前述的棱镜组由2-10个正三角形棱镜组成。

前述的棱镜组棱镜采用PMMA或低铁玻璃做成。

前述的正三角形棱镜组与太阳电池组件之间的距离关系为：

h＝b×tg(30°)，

其中，h为棱镜组与太阳电池组件之间的距离，b为太阳电池串的宽度。

前述的设定轨迹通过如下方式获得：

采用光学软件Fred模拟太阳光线偏移23.5°、棱镜材料PMMA折射率为1.49，选取一定数目的正三角形棱镜或者直角三角形棱镜构成棱镜组，模拟太阳光线经过棱镜组折射与反射后的轨迹，逐步模拟辐照偏移，同时逐点旋转并平移棱镜组，使得直接照射与通过棱镜组照射在太阳电池组件表面的辐射光线重合，以此作为棱镜组移动的设计轨迹。

本发明利用棱镜组仅将太阳辐照转移，不存在聚光焦点(或线)，通过棱镜组的辐照均匀分布在太阳电池组件表面，即使在辐照入射角偏移且太阳跟踪系统失效情况，仍不会形成强光点或强光线造成严重局部过热损坏太阳电池组件现象；本发明的聚光器、跟踪系统与太阳电池组件做成一体化后，可以大大减少现场装配人力成本，并且由于不需要旋转整个太阳电池组件，与其他聚光系统相比，本发明更适合于民用建筑屋顶应用，做到光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic,BIPV)。

附图说明

图1为本发明的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件结构示意图；

图2为本发明的太阳电池组件的聚光器的安装结构示意图；

图3为Fred软件模拟旋转棱镜组后的跟踪太阳辐照的光线分布；

图4为棱镜组为3个正三角形棱镜时Fred软件模拟入射角二倍折射式聚光器光线分布；

图5为棱镜组为7个正三角形棱镜时Fred软件模拟入射角二倍折射式聚光器光线分布；

图6为二倍折射式聚光器光线轨迹示意图；

图7为图6的局部放大效果图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件如图1所示，每块太阳电池组件由多个(6-12个)太阳电池串，多个聚光器和跟踪系统组成，太阳电池组件安装在四周由铝或耐候塑料型材组成的边框结构中。若干个太阳电池串按照一定的间隔分布于太阳电池组件的背板上，该间隔一般取太阳电池串宽度的0.5-2倍，在每个间隔处放置聚光器，聚光器平行太阳电池串，跟踪系统为设置在边框的弧形槽轨。本发明的聚光器为棱镜组，从图1和图2中都可以看出，棱镜组与太阳电池组件之间有一定的距离，棱镜组通过两个支柱安装在边框的弧形槽轨上，支柱底端可以在弧形槽轨中沿着设定轨迹移动，从而带动棱镜组转动，达到跟踪太阳效果。图2中，Dh为跟踪支点水平变化距离、Dv为跟踪支点垂直变化距离，DA跟踪支点角度变化，A为棱镜角度。由于该聚光组件中电池串间的间距较大且聚光器有良好的通风通道，适合于自然冷却，并且在安装时设置聚光棱镜组与太阳电池组件倾角为安装地点纬度±6°，该倾角从图3中可以看出。

聚光棱镜组的长度大于太阳电池串长度，来补偿每天早晚时刻的太阳辐照偏移，一般取棱镜长度L比太阳电池串长度两端每端长0.5-3倍太阳电池串宽度的距离，例如，对于由单排156mm*156mm电池组成的电池串，棱镜组长度L比太阳电池串长度两端每端长约78mm-468mm。由于太阳电池串之间设计有较大的间距，棱镜组将本应照射到太阳电池组件空白处的光线转移到太阳电池串上，从而达到聚光效果。由于棱镜组仅仅将光线转移，不存在点或线聚光，通过棱镜组的光线均匀分布在太阳电池串表面，在入射角偏移时，也不会存在局部过热现象。聚光太阳电池组件可以做到较薄，采用78mm×78mm(1/4片156mm×156mm电池)电池片，聚光太阳电池组件厚度在50mm左右。棱镜组取2-10个正三角形或直角三角形组成，并且棱镜采用PMMA或低铁玻璃做成。根据对不同结构聚光棱镜组的光学模拟数据，选择出最佳的棱镜组结构与组合方式。并通过计算、模拟、旋转与移动棱镜组跟踪太阳的情况，找到最优的棱镜组移动轨迹，通过跟踪系统使沿设计轨迹移动棱镜组以跟踪太阳辐照，使太阳电池组件表面的辐照强度分布达到最理想状态。

本发明计算、模拟、旋转与移动棱镜组跟踪太阳的情况，具体如下：

太阳在一年内在南北回归线往返，所以本发明的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件放置时设置春分、秋分时太阳垂直入射于太阳电池组件表面，且聚光棱镜组的长度沿东西方向。南北方向一年中太阳光线最大偏移角度为23.5°，采用光学软件Fred模拟光线偏移23.5°、棱镜材料PMMA折射率为1.49，考虑可以清晰看到光线经过透镜折射与反射后的轨迹，棱镜取3个与7个正三角形组成，模拟光线经过棱镜组折射与反射后的轨迹，逐步模拟辐照偏移，同时逐点旋转并平移棱镜组，使得直接照射与通过棱镜组照射在太阳电池组件表面的辐射光线重合，在太阳电池组件表面形成光强n倍入射光强分布带(强光带宽度与太阳电池宽度须相近)，n即为聚光比，使光线汇聚在组件的太阳电池串，达到聚光效果。采用本发明聚光比一般可达到1～5，在一定几何聚光比下，太阳电池表面辐照强度尽量高且分布均匀。

3个与7个正三角形组成的棱镜组模拟结果如图4，图5所示，图中实线是主要部分光，虚线表示该部分的光比例较小。图4中上方的框表示软件模拟时与透镜相同宽度区域的光线量，图中的结果表明光线偏移时，直接照射与通过棱镜组(不再是全反射)照射在太阳电池组件表面的辐射光线重合部分很少，组件表面少有光强大于1.2倍入射光强分布带(强光带宽度与太阳电池宽度须相近)，因此即使通过平移透镜也难达到1.2倍以上聚光效果。图3为Fred模拟旋转棱镜组跟踪太阳的光线图。从图3可以看出，如果旋转棱镜组，直接照射与通过棱镜组照射在太阳电池组件表面的辐射光线重合较好，此时再平移透镜也可以使光线汇聚在太阳电池组件的太阳电池串上，达到聚光效果。所以通过旋转并平移透镜可以达到跟踪效果，入射光线在±23.5°范围内偏移时，始终保持1.7倍以上的聚光比，该聚光比数值是根据Fred光强分布计算得到。

图6显示了经过棱镜组后的光线轨迹。PMMA的折射率为1.49，光线从PMMA入射到空气中时，产生全反射的临界角为：arcsin(1/1.49)＝42.2°。

当入射角大于42.2°，可以利用全反射达到光线转移的效果。采用Fred软件模拟光线输入发现，棱镜组为正三角形时可以达到较好的效果。

如图6所示，当光线垂直入射在正三角形棱镜组上表面时，理想状态，光线一半左偏移，一半右偏移。light 1与light 2各有1/2的光线经过棱镜组1与组2达到电池1的表面，即所有经过折射后的光线有1/2到达太阳电池表面，加上不经过棱镜组直接达到电池1上的光线(辐照)，从而形成2倍聚光的效果。

如图7所示，

因为，∠1＝∠2＝60°

所以，∠3＝30°，a＝b

即棱镜组的宽度a等于单个电池片的宽度b。

不考虑棱镜组厚度，棱镜组距离太阳电池组件的高度可以通过减小电池片的宽度b(如将单片电池片切割成多片)，来减小棱镜组距离太阳电池组件的高度h。如果使用156mm×156mm电池片，h约为

Claims (8)

1.多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，其特征在于，由多个太阳电池串，多个聚光器和跟踪系统组成；所述太阳电池组件安装在四周由铝或耐候塑料型材组成的边框结构中；所述多个太阳电池串按照一定的间隔分布于太阳电池组件的背板上，在每个间隔处放置聚光器，所述聚光器平行太阳电池串；所述跟踪系统为设置在边框的弧形槽轨；所述聚光器为棱镜组；所述棱镜组通过两个支柱安装在边框的弧形槽轨上，使棱镜组与太阳电池组件之间留有一定的距离，所述支柱底端在弧形槽轨中沿着设定轨迹移动，从而带动棱镜组转动，以跟踪太阳辐照；所述棱镜组的长度比太阳电池串长度两端每端长0.5-3倍太阳电池串宽度的距离；并且所述棱镜组与太阳电池组件倾角为安装地点纬度±6°。

2.根据权利要求1所述的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，其特征在于，所述太阳电池串有6-12个。

3.根据权利要求1所述的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，其特征在于，所述太阳电池串之间的间隔为太阳电池串宽度的0.5-2倍。

4.根据权利要求1所述的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，其特征在于，所述棱镜组由2-10个正三角形棱镜或直角三角形棱镜组成。

5.根据权利要求4所述的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，其特征在于，所述棱镜组由2-10个正三角形棱镜组成。

6.根据权利要求4所述的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，其特征在于，所述棱镜组棱镜采用PMMA或低铁玻璃做成。

7.根据权利要求1或5所述的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，其特征在于，所述正三角形棱镜组与太阳电池组件之间的距离关系为：

h＝b×tg(30°)，

其中，h为棱镜组与太阳电池组件之间的距离，b为太阳电池串的宽度。

8.根据权利要求1所述的多棱镜折射式聚光跟踪一体化太阳电池组件，其特征在于，所述设定轨迹通过如下方式获得：

采用光学软件Fred模拟太阳光线偏移23.5°、棱镜材料PMMA折射率为1.49，选取一定数目的正三角形棱镜或者直角三角形棱镜构成棱镜组，模拟太阳光线经过棱镜组折射与反射后的轨迹，逐步模拟辐照偏移，同时逐点旋转并平移棱镜组，使得直接照射与通过棱镜组照射在太阳电池组件表面的辐射光线重合，以此作为棱镜组移动的设计轨迹。