CN107912080A - 用于太阳能组件的聚光系统和太阳能组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于太阳能组件、特别是用于聚光器太阳能组件(9)的聚光系统(1)，该聚光系统(1)用于将入射光聚集到诸如太阳能组件中的太阳能电池(7)的目标区域上，该系统包括用于收集入射光并形成朝向目标区域(17)的光锥(13)的第一光学元件(3)以及与目标区域(17)相邻的第二光学元件(5)。为了提供用于允许光传输和聚集的高效率并且易于制造的太阳能组件的聚光系统(1)和太阳能组件，根据本发明，旨在第一光学元件(3)是多焦点元件，并且第二光学元件(5)适于将光反射到目标区域(17)的在该目标区域(17)的中心(23)外侧的至少一个区域(34)。

Description

用于太阳能组件的聚光系统和太阳能组件
本发明涉及根据独立权利要求1的前序部分所述的聚光系统以及根据独立权利要求9的前序部分所述的聚光器太阳能组件。
聚光系统和聚光器太阳能组件在现有技术中是已知的。它们可以用于将阳光聚集到目标区域上。在目标区域中，可以放置诸如太阳能电池或太阳能吸热器元件的高效光伏元件。在现有技术中已知的聚光系统中，使用了光学系统，该光学系统昂贵、制造费力、由于强烈的不均匀照度而损失效率、或者由于吸收和/或反射而损失大部分光，并因此具有较低效率。
因此，本发明的一个目的是提供一种聚光系统和一种聚光器太阳能组件，该聚光器太阳能组件易于制造并且提供高聚光产量以及均匀化目标(即光伏元件)上的照度。
对于如上所述的聚光系统，该目的通过根据独立权利要求1的聚光系统来实现。
对于所述聚光器太阳能组件，该目的通过根据独立权利要求9的聚光器太阳能组件来实现。
根据本发明的解决方案，使得从第一光学元件朝向目标区域引导的光的至少一部分能够无阻碍地到达该目标区域。因此，聚光系统可以提供用于将光传输到目标区域的高效率。独立权利要求1中提到的光锥指的是通过第一光学元件之后的光束的形状。由于第一光学元件将入射光聚集，所产生的光束朝向目标区域渐缩。至少在靠近目标的空间中，光束的边界可以被成形为圆锥形。可以注意到，如果第一光学元件具有方形孔径，则光束可以至少在靠近该第一光学元件的空间中被成形为棱锥形。为方便起见，从第一光学元件朝向目标区域引导的光在下文中被称为光锥。
因为第一光学元件是多焦点元件，所以从第一光学元件朝向目标区域引导的光被均匀化。
第二光学元件将光反射到目标区域的中心外侧的区域或目标区域的边界区域。因此该第二光学元件可以作为第二均化器。从第一光学元件朝向目标区域聚集的光通常具有其中在目标区域的中心处光强度最高的分布。当被反射的光然后与目标区域中心外侧的光重叠时，所得到的分布变得均匀。
总而言之，均用作均化器的第一光学元件和第二光学元件形成双均匀化系统。该解决方案导致目标区域的均匀照度，并且同时导致光损失可忽略不计，特别是与使用由第一光学元件产生的点焦点的系统相比。
此外，在从属权利要求中描述了有利的改进。
除了从属权利要求中提到的改进之外，其它的有利改进将在下文中进行描述。根据在特定应用中是否需要特定改进的特定优点，从属权利要求中提到的改进和附加改进可以彼此独立地组合。
根据第一有利改进，第一光学元件可以适于照射超出目标区域的区域。在这种情况下，确保了整个目标区域都被照射。超出目标区域的部分光可以被第二光学元件引向该目标区域。在这种情况下，作为光锥的一部分的大部分光到达目标区域。
在优选实施方式中，第一光学元件是折射元件，诸如菲涅耳(Fresnel)透镜，特别是混色菲涅耳透镜。然而，本发明不限于菲涅耳透镜。可以使用任何其它合适的多焦点光学元件。例如，第一光学元件可以是全内反射元件或反射镜。
根据另一有利实施方式，第一光学元件可以具有拥有整体平面形状的表面。第一光学元件可以是阵列(例如菲涅耳透镜阵列)的一部分。
为了反射超出目标区域的大部分光，第二光学元件可以完全包围目标区域。第二光学元件也可以仅部分地包围目标区域。第二光学元件可以朝向目标区域渐缩和/或可以是漏斗形的。
在下文中，使用示例性实施方式并参照附图来更详细地描述本发明及其改进。如上所述，实施方式中所示出的各种特征可以在特定应用中彼此独立地使用。
在下面的附图中，具有相同功能和/或相同结构的元件将由相同的附图标记表示。
在附图中：
图1示出了具有根据本发明的聚光系统的聚光器太阳能组件的示意性横截面图；
图2示意性地示出了由如图1所示的聚光系统实现的光分布。
图1示出了包括第一光学元件3和第二光学元件5的聚光系统1。聚光系统1与光伏元件(太阳能电池7)一起形成聚光器太阳能组件9。
在下文中，按照沿着光轴O照射聚光系统1的光的路径顺序来描述聚光系统1和聚光器太阳能组件9。入射光11照射第一光学元件3。入射光11通常是阳光，并因此可以看作是一束平行光线。优选地，第一光学元件3以入射光11以垂直入射照射的方式布置。这在图1中用直角表示。为了保持垂直入射，聚光器太阳能组件9可以设置有跟随太阳的相对运动的自动跟踪系统(未示出)。
第一光学元件3适于以如下方式至少部分地聚焦入射光11：形成光锥13或成形为截头棱锥形的光束。仅示意性地示出了具有矩形横截面的第一光学元件3。其可以具有任何适合的形状。然而，优选至少第一光学元件3的外表面15具有整体平面形状。平面形状可以便于第一光学元件3的清洁并且可以允许紧凑的结构形式，特别是如果多个聚光系统1被组合以形成阵列。
第一光学元件3优选由菲涅耳透镜形成。然而，也可以使用其它光学元件，例如使用全内反射的元件。更优选地，第一光学元件3由混色多焦点菲涅耳透镜形成。
光锥13照射在图1中以虚线示出的目标区域17。可以在目标区域17中放置太阳能电池7或太阳能热元件。如果不存在第二光学元件5，则光锥13将照射在所示横截面中具有比目标区域17的宽度29大的至少宽度19的区域。优选地，光锥13的最大部分无阻碍地到达目标区域17。
邻近目标区域17放置第二光学元件5。第二光学元件5优选地围绕光轴O完全包围目标区域17。另选地，第二光学元件5可以仅部分地包围目标区域17。第二光学元件5优选成形为截头圆锥或截头棱锥30的表面。该第二光学元件5可以朝向目标区域17逐渐变细并且可以用其较小直径端32包围目标区域17。第二光学元件5优选地使用外部反射来朝向目标区域17反射光。
第二光学元件5适于反射光锥13的尤其在不存在该第二光学元件5时将超出目标区域17的部分。第二光学元件5以这样的方式布置，使得被其反射到目标区域17上的光优选地被引导到目标区域17的在该目标区域17的中心23外侧并且靠近其边界的区域34上。相对于图2更详细地描述了这种布置的益处。为了如上所述地反射光，第二光学元件5的开口角度25可以大于光锥13的开口角度27。
图2示意性地示出了如利用如相对于图1所描述的聚光系统1实现的所得到的光分布31。由实线表示在没有第二光学元件5的情况下将得到的在目标区域17的平面内的光分布29。由虚线表示由于使用包括第二光学元件5的聚光系统1而得到的光分布31。
光分布29的形状取决于第一光学元件3的特性。光分布29通常可以用钟形或高斯函数来描述。在目标区域17的中心23处，光强度具有最大值，并随着距离中心23的距离的增加而下降。为了进行比较，在图2中指示出了目标区域17。在没有第二光学元件5的情况下，在目标区域17的界限的方向上强度垂直于光轴O迅速减小，并且分布的尾部33不到达目标区域17，并因此对所收集的光没有贡献。
与此相反，具有第二光学元件5的聚光系统1提供有利的光分布31。分布29的尾部33大部分被第二光学元件5反射到目标区域17的区域34上。在那里，所述光可以与由分布29的区域35呈现的分布29的光重叠。分布29的区域35是照射目标区域17的区域34的光，并且因此是位于分布29的最大值和尾部33之间的分布的一部分。所得到的光分布31与光分布29相比具有两个优点：
首先，由于朝向目标区域17的界限的减小低于分布29，因此光分布31更均匀。其次，由于尾部33现在也对所收集的光有所贡献，所以分布29在目标区域17上的积分并因此所收集的光量大于分布29。
附图标记
1 聚光系统
3 第一光学元件
5 第二光学元件
7 光伏元件
9 聚光器太阳能组件
11 入射光
13 光锥
15 外表面
17 目标区域
19 光锥的宽度
21 目标区域的宽度
23 目标区域的中心
25 第二光学元件的开口角度
27 光锥的开口角度
29 没有第二光学元件的光分布
30 截头圆锥
31 具有第二光学元件的光分布
32 截头圆锥的较小直径端
33 分布的尾部
34 目标区域上的区域
35 光分布的区域
O 光轴

Claims (10)

1.用于太阳能组件的聚光系统(1)，特别是用于聚光器太阳能组件(9)的聚光系统(1)，该聚光系统(1)用于将入射光(11)聚集到目标区域(17)上，该目标区域(17)例如是所述太阳能组件中的太阳能电池(7)，所述聚光系统(1)包括第一光学元件(3)和第二光学元件(5)，所述第一光学元件(3)用于收集所述入射光(11)并形成朝向所述目标区域(17)的光锥(13)，所述第二光学元件(5)与所述目标区域(17)相邻，其中，所述第二光学元件(5)使来自所述第一光学元件(3)的所述光锥(13)的至少部分无阻碍地传递至所述目标区域(17)，其特征在于，所述第一光学元件(3)是多焦点元件，并且所述第二光学元件(5)适于将所述光反射到所述目标区域(17)的至少一个区域(34)，所述至少一个区域(34)是所述目标区域(17)的中心(23)的外侧。
2.根据权利要求1所述的聚光系统(1)，其特征在于，所述第一光学元件(3)是混色菲涅耳透镜。
3.根据权利要求1或2所述的聚光系统(1)，其特征在于，所述目标区域(17)的所述至少一个区域(34)是所述目标区域(17)的边界区域。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的聚光系统(1)，其特征在于，所述第一光学元件(3)和所述第二光学元件(5)以这样的方式布置，即，光通过所述第一光学元件(3)在所述目标区域(17)上呈钟形分布或高斯状分布，其中，由所述钟形分布的尾部(33)表示的一部分光被所述第二光学元件(5)反射成在所述目标区域(17)上与由所述钟形分布的区域(35)表示的一部分光重叠，所述区域(35)在所述分布的最大值与所述尾部(33)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的聚光系统(1)，其特征在于，所述第二光学元件(5)至少部分地包围所述目标区域(17)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的聚光系统(1)，其特征在于，所述第二光学元件(5)适于使用外部反射来朝向所述目标区域(17)反射所述光。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的聚光系统(1)，其特征在于，所述第二光学元件(5)具有截头圆锥(30)的表面的整体形状，其中所述圆锥(30)的较小直径端(32)指向所述目标区域(17)。
8.根据权利要求7所述的聚光系统(1)，其特征在于，所述截头圆锥(30)具有大于所述光锥(13)的开口角度(27)的开口角度(25)。
9.一种聚光器太阳能组件(9)，该聚光器太阳能组件(9)例如是具有至少一个太阳能电池(7)和用于将光传输至所述太阳能电池(7)的至少一个聚光系统(1)的聚光器光伏模块，其特征在于，所述聚光系统(1)根据权利要求1至8中的任一项来形成。
10.根据权利要求9所述的聚光器太阳能组件(9)，其特征在于，所述第二光学元件(5)成形为截头圆锥(30)的表面，并且所述太阳能电池(7)被放置在所述截头圆锥(30)的较小直径端(32)中并被所述较小直径端(32)包围。
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