CN109450365A - 多焦点自由曲面太阳能聚光系统 - Google Patents
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Abstract
一种多焦点自由曲面太阳能聚光系统，包含一具有复数曲率的反射聚光镜及一太阳能芯片，该反射聚光镜用于反射太阳光以形成一聚光区，该太阳能芯片装设于一框架上，并且该太阳能芯片接收由所述反射聚光镜所反射的太阳光并于该太阳能芯片上形成复数焦点，通过本发明的此结构的设计，可大幅提升光电转换效率及大幅提升散热效率的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能聚光系统，尤指一种大幅提升光电转换效率及大幅提升散热效率的多焦点自由曲面太阳能聚光系统。
背景技术
目前，工业的快速发展，致使相关的石化燃料已逐渐耗竭，且温室效应气体排放的问题更是日益受到全球关切，使得能源供应已成为全球性的重大课题；而相较于传统的燃煤式、燃气式或核能式发电的大型发电，以太阳能发电的方式更能减少诸多相关的污染(如：不会产生二氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物...等温室效应气体及污染性气体，且可减少对石化燃料的依赖)，因此，由太阳能板利用光发电效应，直接将太阳能转换为电能的能源产生方式，已逐渐被推广作为安全自主的电力来源。
一般聚光型太阳能发电系统，可区分为透射式集光与反射式集光等两种。其中透射式集光一般运用菲涅尔透镜(Fresnel，简称菲涅尔透镜)或单一焦点的反射镜以达成集光的目的，然该菲涅尔透镜或单一焦点的反射镜集光若太过集中或太小会产生光斑过热及暗电流过高等问题，使得太阳能芯片容易因过热而受损，影响到光电转换效率，更甚者若单一焦点在聚焦倍率大时，若追日偏焦时，还会烧毁模块内其他零部件而失去效用甚至造成起火，因此所使用的集光器一般须配合使用二次光学的均光器来解决此一问题，然而，二次光学的均光器的表面洁净度很难以维持，并且其附着定技术要求非常严格，这样一来，将会使得该太阳能发电系统的成本增加；而另一方面，反射式集光系运用反射原理收集太阳光线至太阳能芯片上，目前所运用反射集光原理包括有采线聚焦的抛物线沟槽型(parabolictrough)、点聚焦的抛物面碟盘型(parabolic dish)或凯萨格林面镜组等不同形式。抛物线槽型集光器是采用高反射率的抛物面的碟盘，调整抛物反射面的仰角，使太阳光经抛物面反射到直线型太阳能板；抛物面碟盘型集光器是由控制碟型抛物反射面，使得光线经由反射面反射后聚集在太阳能芯片上。然而，由于传统的抛物面碟盘型集光器为同一种曲率，因此，利用反射式集光原理收集太阳光线并将其光线反射后再聚集至太阳能芯片，而汇集于太阳能芯片的焦点会落在同一点上，此会造成太阳能芯片集中在同一焦点过热而导致与前述透射式集光的太阳能发电系统同样状况，会产生太阳能芯片过热而受损造成大幅降低光电转换效率，且整体散热效率也会大幅下降。
因此，现有技术中需要一种新的技术方案解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多焦点自由曲面太阳能聚光系统，解决传统的透射式集光与反射式集光两种聚光型太阳能发电系统存在的：太阳能芯片过热而受损造成大幅降低光电转换效率，且整体散热效率也会大幅下降的技术问题。
本发明的技术方案为：
一种多焦点自由曲面太阳能聚光系统，包括一具有复数曲率的反射聚光镜，用于反射太阳光以形成一聚光区；及一太阳能芯片，装设于一框架上，该太阳能芯片接收由所述反射聚光镜所反射的太阳光并于该太阳能芯片上形成复数焦点。
进一步，所述反射聚光镜的曲率数量为N的平方，其中N为大于二或等于二的正整数。
进一步，所述焦点的数量为N的平方，其中N为大于二或等于二的正整数。
进一步，所述焦点更包括一第一焦点、一第二焦点、一第三焦点及一第四焦点。
进一步，所述第一、二、三、四焦点位置依据该反射聚光镜的曲率及该太阳能芯片的位置运算所得。
进一步，所述第一、二、三、四焦点的运算公式为
进一步，所述反射聚光镜为一抛物面镜。
进一步，所述反射聚光镜选择为高分子材料或玻璃材料所制成。
进一步，所述太阳能芯片的尺寸选用2mm至15mm。
进一步，所述框架内部更形成一容置空间用以容设所述反射聚光镜，至少一凸条对应装设于该框架的内周侧，所述太阳能芯片对应装设于该凸条上。
采用上述技术方案的本发明能带来如下有益效果：
1)大幅提升光电转换效率高于32％以上的效果；
2)可将热能分散于多处，达到均匀分散热能；
3)大幅提升散热效率；
4)大幅降低成本；
5)降低暗电流。
附图说明
图1为本发明第一实施例的立体分解图；
图2为本发明第一实施例的立体组合图；
图3为本发明第一实施例的实施示意图。
图中，2-聚光型太阳能发电系统、20-反射聚光镜、200-聚光区、20-太阳能芯片、201-焦点、211-第一焦点、212-第二焦点、213-第三焦点、214-第四焦点、3-框架、30-容置空间、31-凸条、4-太阳光。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步阐述；
请参阅图1、图2及图3所示，为本发明多焦点自由曲面太阳能聚光系统的立体分解图及立体组合图及实施示意图，如图所示，多焦点自由曲面太阳能聚光系统，包括一具有复数曲率的反射聚光镜20及一太阳能芯片21，须说明的是，该系统2更具有一框架3，该框架3的材料可为防漏电、耐高电压金属材料、或者是耐UV高分子材料所制成，于该框架3内部形成一容置空间30用来容设该反射聚光镜20，并于该框架3的内周侧对应装设至少一凸条31，所述太阳能芯片21对应装设于该凸条31上；
于本实施例中，所述反射聚光镜20为一抛物面镜，且选择由高分子材料或玻璃材料所制成，并该反射聚光镜20用于反射太阳光4以形成一聚光区200，尤须说明的是，本发明的反射聚光镜20具有复数曲率，该曲率数量为N的平方，其中N为大于二或等于二的正整数，也就是说，该反射镜的曲率数量为四、九、十六、n2…个；
另外，于本实施例中，所述太阳能芯片21选自于三五族化合物太阳能电池，但并不引以为限，该太阳能芯片21也可选择适用于500倍面积的几何聚光比以内的单晶硅太阳能电池种类皆包括于本发明的保护范围内，合先叙明，并该太阳能芯片21选用2mm至15mm为最佳实施的尺寸大小，该太阳能芯片21接收由所述反射聚光镜20所反射的太阳光4并于该太阳能芯片21上形成复数焦点210，而焦点210的数量为N的平方，其中N为大于二或等于二的正整数，换句话说，所述焦点210的数量由于通过前述的反射聚光镜20反射太阳光4所形成的，因此，若该反射聚光镜20的曲率为四个，则反射的焦点210数量也同样是四个；于本实施例中，该反射聚光镜20的曲率以四个做说明，因此，所述焦点210包括有一第一焦点211、一第二焦点212、一第三焦点213及一第四焦点214，但并不引以为限，于实际实施时，若该反射聚光镜20的曲率为九个，则该等焦点210即包括有一第一、二、三、四、…、九焦点，合先叙明；
另外，须说明的是，所述第一、二、三、四焦点211、212、213、214位置依据该反射聚光镜20的曲率及该太阳能芯片21的位置运算所得，其第一、二、三、四焦点211、212、213、214的运算公式为此公式为一抛物面镜方程式，一道平行光从无穷远入射至此抛物面镜，会在抛物面镜中心光轴上任一处汇聚一焦点，此方程式f为抛物面镜原点至焦点的距离，x、y、z分别为抛物面镜的三维坐标系，换句话说，抛物面镜上任何一点的三维坐标，带入此公式，都会有相同的f值，并由调控f以令所述焦点210可分散在所述太阳能芯片21的多处，并且所述焦点210的数量为四、九、十六、n2…个。
续请一并参阅图3，通过本发明的结构设计，当太阳光4照射至所述反射聚光镜20的聚光区200后，太阳光4会被反射至该太阳能芯片21上，此时利用所述反射聚光镜20上所具有的四个曲率结构，令太阳光4照射至该反射聚光镜20时会以多种不同角度入射并反射至太阳能芯片21上，进而产生反射至太阳能芯片21上的焦点210会分别位于四处并形成有所述第一、二、三、四焦点211、212、213、214，因此，与现有聚光型太阳能发电系统2相比较，本发明利用具有复数曲率的反射聚光镜20将所述各焦点210(即，热能集中处)分散于太阳能芯片21上的多处，并形成四个高斯分布的光斑，相互重叠相加后形成一均匀化且平均分布在太阳能芯片21上的平均光斑，进而达到均匀分散热能而得以消除过热光斑并降低暗电流进而大幅提升散热效率，并且维持较高的开路、工作电压及填充因子(fill factor，FF)，而得以大幅提升该太阳能聚光系统2的光电转换效率高于32％以上的效果，并且也可免除现有的需使用均光器克服热点及暗电流而造成成本过高的缺失，而具有大幅降低成本的功效。
此外，尤须说明的是，本发明多焦点自由曲面太阳能聚光系统的框架3的尺寸大小并不设限，该框架3的大小系根据所述反射聚光镜20及太阳能芯片21的几何面积比于该框架3内做最佳排列的态样组合，合先叙明。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非是对本发明的限制，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神指引下，所做出的等效替换与修饰，均落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：包括一具有复数曲率的反射聚光镜，用于反射太阳光以形成一聚光区；及一太阳能芯片，装设于一框架上，该太阳能芯片接收由所述反射聚光镜所反射的太阳光并于该太阳能芯片上形成复数焦点。
2.根据权利要求1所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述反射聚光镜的曲率数量为N的平方，其中N为大于二或等于二的正整数。
3.根据权利要求1所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述焦点的数量为N的平方，其中N为大于二或等于二的正整数。
4.根据权利要求3所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述焦点更包含一第一焦点、一第二焦点、一第三焦点及一第四焦点。
5.根据权利要求4所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述第一、二、三、四焦点位置依据该反射聚光镜的曲率及该太阳能芯片的位置运算所得。
6.根据权利要求4所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述第一、二、三、四焦点的运算公式为
7.根据权利要求1所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述反射聚光镜为一抛物面镜。
8.根据权利要求1所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述反射聚光镜选择为高分子材料或玻璃材料所制成。
9.根据权利要求1所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述太阳能芯片的尺寸选用2mm至15mm。
10.根据权利要求1所述的多焦点自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于：所述框架内部更形成一容置空间用以容设所述反射聚光镜，至少一凸条对应装设于该框架的内周侧，所述太阳能芯片对应装设于该凸条上。
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