CN110190147A - 一种基于分光元件的聚光光伏系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于分光元件的聚光光伏系统，其包括用于将入射光分成至少两路出射光的分光元件；分光元件为透射式光栅或反射式光栅；分别设于各路出射光的光路上的多个聚光元件，每个聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；分别设于各路聚合光的光路上的多个光伏元件，光伏元件用于将聚合光转化为光伏电能。分别通过分光元件和聚光元件的分光、聚光作用，使得设置于后端的不同PN结的光伏电池能够获得与之匹配的太阳光谱波段和适量的太阳光辐射能量，这样能够使得光伏电池上各个PN结输出的电流达到均匀输出效果，利于进一步地提高太阳电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种基于分光元件的聚光光伏系统。
背景技术
太阳能发电技术经过近几十年的发展已经在新能源领域确立了其重要地位。光伏电池是太阳能发电的核心器件，其光电转换效率直接影响整个发电系统的性能，如何提高光伏电池光电转换效率和光伏系统发电效率一直是太阳能发电领域研究人员追求的目标。
众所周知，太阳电池的核心是PN结，一个PN结对应固定的禁带宽度，仅能吸收特定波长范围的光子且对特定波长光有最高吸收效率，因此，单结太阳电池对光照能量的吸收十分有限。对不同波段的光谱采用不同禁带宽度的PN结进行吸收可有效提高光子能量吸收率，从而显著提高光电转换效率。高效多结太阳电池技术的研究尤为引人注目，但由于成本高，很难得以大规模地应用。采用聚光技术将太阳光通过透镜收集起来，提高单位面积太阳辐射能流密度，使得多结太阳电池达到较高的光电转换效率，同时也大大减小了所需多结太阳电池的面积，从而降低系统成本。
然而，由于太阳光谱的能量分布并不均匀，太阳辐射能量主要集中在可见光部分(400～760nm)，导致不同波段照射在多个PN结的最佳输出电流并不匹配，从而限制了多结太阳电池效率的进一步提升。以三结太阳电池为例，Ga0.50In0.50P、Ga0.99In0.01As、Ge三种材料分别构成电池的上、中、下三个PN结，三个PN结分别吸收太阳光谱中的短波(300～700nm)、中波(700～900nm)、长波(900～1700nm)，上、中、下三个PN结构成串联的子电池，三结电池的总体输出电流被限制为子电池中最小的输出电流。
在AM1.5d的标准光谱分布下，Ga0.50In0.50P子电池和Ga0.99In0.01As子电池得到的电流较为匹配，Ge子电池得到的电流较大，这种电流不匹配会导致Ge子电池不能达到最佳工作状态，从而长波段的光照没有被充分利用。因为大气云层、地理纬度、海拔、季节和太阳高度角的变化，入射到太阳能电池的太阳光谱也将偏离AM1.5d，使得三个子电池的电流动态变化，因此动态分配光谱比例以实现三个子电池的电流匹配，可以提高分光光伏系统的效率。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是如何提高光伏电池的能量转换效率。为解决上述技术问题，本申请提供一种基于分光元件的聚光光伏系统，其主要包括：
分光元件，用于将入射光分成至少两路出射光；所述分光元件为透射式光栅或反射式光栅，所述透射式光栅用于通过排列分布的狭缝将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光，所述反射式光栅用于通过排列分布的锯齿槽将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光；
多个聚光元件，分别设于各路出射光的光路上，所述聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；
多个光伏元件，分别设于各路聚合光的光路上，所述光伏元件用于将所在光路上的聚合光转化为光伏电能。
在所述透射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个所述聚光元件；或者，在所述反射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个所述聚光元件。
通过光栅方程d*(sinα+sinθ)＝kλ设置所述第一路出射光和所述第二路出射光的衍射角度，其中，d为所述透射式光栅的狭缝宽度或者所述反射式光栅的锯齿槽宽度，α为入射光的入射角度，θ为出射光的衍射角度，λ为入射光的波长，k为光谱级数且是大于零的正整数。
设置所述透射式光栅的狭缝宽度或设置所述反射式光栅的锯齿槽宽度，使得所述第一路出射光的波长在短波段或中波段的波段范围内，且使得所述第二路出射光的波长在中波段或者长波段的波段范围内。
设置所述透射式光栅的狭缝宽度或设置所述反射式光栅的锯齿槽宽度，使得所述第一路出射光的光谱波段和所述第二路出射光的光谱波段为不相重叠的波段或部分重叠的波段。
所述聚光元件为菲涅尔透镜或凸透镜，在任意一路聚合光的光路上，设置所述聚光元件和所述光伏元件的相对位置，使得所述聚光元件与所述光伏元件的距离小于所述聚光元件的焦距。
所述聚光元件为旋转抛物面镜，在任意一路聚合光的光路上，设置所述聚光元件和所述光伏元件的相对位置，使得所述聚光元件与所述光伏元件的距离大于所述聚光元件的焦距。
所述光伏元件为单结光伏电池或多结光伏电池；在任意一路聚合光的光路上，设置所述光伏电池的光伏性能，使得所述光伏电池的光线吸收波段与光路上聚合光的波段相匹配。
本申请的有益效果是：
依据上述实施例的基于分光元件的聚光光伏系统，包括用于将入射光分成至少两路出射光的分光元件，该分光元件为透射式光栅或反射式光栅；分别设于各路出射光的光路上的多个聚光元件每个聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；分别设于各路聚合光的光路上的多个光伏元件，光伏元件用于将聚合光转化为光伏电能。第一方面，使用反射式光栅或透射式光栅作为分光元件，使得分光元件具备了分光能力，利于将混合波段的入射光分成不同波段的多路出射光，如此可实现太阳光谱的精准分割功能；第二方面，由于在每路出射光的光路设置了聚光元件，使得每一路的出射光能够形成光线汇聚作用，形成的聚合光具有更强的能流密度，在聚合光到达光伏电池时，利于提高光伏电池的吸收作用和光电转换效率；第三方面，由于分别通过分光元件和聚光元件的分光、聚光作用，使得设置于后端的不同PN结的光伏电池能够获得与之匹配的太阳光谱波段和适量的太阳光辐射能量，这样能够使得光伏电池上各个PN结输出的电流达到均匀输出效果，利于进一步地提高太阳电池的光电转换效率，尤其是对于多结光伏电池来说，这种光伏接收系统能够大幅度地提供多结光伏电池的光电转换效率。
附图说明
图1为一种实施例中透射式光栅和旋转抛物面镜构成的聚光光伏系统的结构图；
图2为一种实施例中透射式光栅和菲涅尔透镜构成的聚光光伏系统的结构图；
图3为一种实施例中透射式光栅和凸透镜构成的聚光光伏系统的结构图；
图4为一种实施例中反射式光栅和旋转抛物面镜构成的聚光光伏系统的结构图；
图5为反射式光栅的光路示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
请参考图1，本申请公开一种基于分光元件的聚光光伏系统，其主要包括分光元件1、多个聚光元件(如附图标记21、22)和多个光源元件(如附图标记31、32)，下面分别说明。
分光元件1用于将入射光分成至少两路出射光。本实施例中的入射光由光源发出，可以是各种波段光线组成的混合光，光源可以是太阳或人造光源，这里不做限制。
多个聚光元件(如21、22)分别设于各路出射光的光路上，每个聚光元件(如21或22)用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光。
多个光伏元件(如31、32)分别设于各路聚合光的光路上，光伏元件(如31或32)用于将聚合光转化为光伏电能。
在本实施例中，分光元件1为透射式光栅(或称衍射光栅)或反射式光栅(或称闪耀光栅)，可见图1-3所示的透射式光栅1，以及图4-5所示的反射式光栅1′。其中，透射式光栅1用于通过排列分布的狭缝将入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光，例如图1-3中，光线L1经过光栅狭缝时衍射形成衍射角(出射光线相对于狭缝法线的角度)分别为θ1、θ2的出射光线L2、L3，出射光线L2的衍射角θ1小于出射光线L3的衍射角θ2。其中，反射式光栅1′用于通过排列分布的锯齿槽将入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光，例如图4-5，光线L1经过锯齿槽时衍射形成衍射角分别为θ1、θ2的出射光线L2、L3，出射光线L2的衍射角θ1小于出射光线L3的衍射角θ2。
进一步地，在透射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个聚光元件。具体可参考图1，在出射光线L2所在的第一路出射光的光路上设置聚光元件21，对第一路出射光进行汇聚；并且，在出射光线L3所在的第二路出射光的光路上设置聚光元件22，对第二路出射光进行汇聚。
在另一个实施例中，在反射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个聚光元件。具体可参考图4，在出射光线L2所在的第一路出射光的光路上，在出射光线L3所在的第二路出射光的光路上，分别设置聚光元件21、聚光元件22，以对第一路出射光、第二路出射光分别进行汇聚。
在本实施例中，通过光栅方程d*(sinα+sinθ)＝kλ设置第一路出射光和第二路出射光的衍射角度，其中，d为透射式光栅的狭缝宽度或者反射式光栅的锯齿槽宽度，α为入射光的入射角度，θ为出射光的衍射角度，λ为入射光的波长，k为光谱级数且是大于零的正整数。
需要说明的是，在参数k一定时，随着λ、α的改变，不同颜色的主极大位置不同，使得长波的衍射角大，短波的衍射角小。光栅光谱有许多级，每一级都构成光源的一套光谱，如果光源发出的是具有连续谱的白光，则光栅光谱中除0级仍近似为一条白色亮线外，其他级各色主极大亮线都排列成连续的光谱带。对于太阳光而言，其为连续光谱，在经过光栅时能够分成两个以上的出射光，且每路出射光具备不同的光谱波段，但由于大部分的光能主要集中在第一路出射光和第二路出射光上，本着简化系统结构和节约成本的角度，本实施例中仅对前两路的出射光进行汇聚和光伏吸收，而忽略了其它路的出射光。但是，本实施例并不构成对技术方案的限制，用户可以根据实际需要而在其它路出射光的光路上设置聚光元件和光伏元件，由此形成更多路的出射光被汇聚吸收的效果。
例如图5，采用反射式光栅(即闪耀光栅)时，通过光栅方程为d(sinα+sinθ)＝kλ计算每路出射光的衍射角度。入射光以入射角α投射到闪耀光栅的一个锯齿槽11′上且以不同波长λ1、λ2...λk..组成混合光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置，不同波长的衍射光以不同的衍射角进行出射。若入射光沿槽面法线方向入射，即θ＝0，则单槽衍射的0级沿原方向返回，对槽间干涉来说，相邻槽面之间在这方向有光程差△L＝2d sinγ1，第1级闪耀波长满足2d sinγ1＝λ1，γ为闪耀角(锯齿槽的倾斜面与光栅平面之间的夹角)，那么此时，光栅的单槽衍射0级主极大正好落在λ1光波的1级谱线上。又因为，闪耀光栅中的a≈d，λ1光谱的其它级都几乎落在单槽衍射的暗线位置形成缺级，结果80％-90％的光能集中到λ1光的1级谱线上，使其强度大大增加。而λ1光的闪耀方向不可能严格地又是其它波长的闪耀方向，不过由于单槽衍射0级主峰有一定宽度，它可容纳λ1附近一定波段内的其它波长的1级谱线，使它们也有较大的强度，同时这些波长的其它级谱线也都很弱。用同样的方法可以把光强集中到2级闪耀波长λ2附近的2级光谱中去，使得λ2满足2dsinγ2＝2λ2。再就是说，在反射式光栅中，光能集中在前两个出射光上的现象尤其明显，只要收集到第一路出射光和第二路出射光的光谱能量，就能达到较好的光能利用效果。
在本实施例中，为使得分光元件达到较好的分光效果，设置入射光倾斜到达分光元件(1、1′)的表面。例如，从光源发出的入射光线L1与光栅法线的夹角为α，使得其满足0°<α<90°。
进一步地，设置透射式光栅1的狭缝宽度或设置反射式光栅1′的锯齿槽宽度，使得第一路出射光的波长在短波段或中波段的波段范围内，且使得第二路出射光的波长在中波段或者长波段的波段范围内。本领域的技术人员可以理解，根据光栅方程d*(sinα+sinθ)＝kλ，只要合理地设置透射式光栅的狭缝宽度d(或反射式光栅的锯齿槽宽度d)，就可以使得一个波段入射光沿第一路出射光的光路进行输出，还可以使得另外一个波段入射光沿第二路出射光的光路进行输出；为了达到不同波段的分光作用，因此本实施例中优选地使得第一路出射光的波长在短波段(300-700nm)或中波段(700-900nm)的波段范围内，且使得第二路出射光的波长在中波段(700-900nm)或者长波段(900-1900nm)的波段范围内。
进一步地，设置透射式光栅1的狭缝宽度或设置反射式光栅1′的锯齿槽宽度，使得第一路出射光的光谱波段和第二路出射光的光谱波段为不相重叠的波段或部分重叠的波段。例如，使得第一路出射光的光谱波段为300-900nm，且使得第二路出射光的光谱波段为900-1900nm。
在本实施例中，聚光元件可以为旋转抛物面经、菲涅尔透镜或凸透镜。
在一具体实施例中，聚光元件为菲涅尔透镜或凸透镜。如图2中所示的菲涅尔透镜，则在任意一路聚合光的光路上，设置菲涅尔透镜21′(或22′)和光伏元件31(或32)的相对位置，使得菲涅尔透镜21′(或22′)与光伏元件31(或32)的距离小于菲涅尔透镜21′(或22′)的焦距。如此，可使得经过菲涅尔透镜21′、22′的聚合光与光伏元件31、32形成面接触，既能够起到光线汇聚作用，又能够避免光线聚焦之下形成的高温现象。同样的，如图3所示的凸透镜，则在任意一路聚合光的光路上，设置凸透镜21″(或22″)和光伏元件31(或32)的相对位置，使得凸透镜21″(或22″)与光伏元件31(或32)的距离小于凸透镜21″(或22″)的焦距。
在另一个具体实施例中，聚光元件为旋转抛物面镜。如图1或图4所示的旋转抛物面镜，则在任意一路聚合光的光路上，设置旋转抛物面镜21(或22)和光伏元件31(或32)的相对位置，使得旋转抛物面镜21(或22)与光伏元件31(或32)的距离大于旋转抛物面镜21(或22)的焦距。如此，可使得经过旋转抛物面镜21、22的聚合光与光伏元件31、32形成面接触，既能够起到光线汇聚作用，又能够避免光线聚焦之下形成的高温现象。需要说明的是，由于旋转抛物面镜的出射端口面积往往较小，致使其焦距较短，不适合光伏元件直接设置在出射端口处，因此使得旋转抛物面镜与光伏元件的距离大于聚光元件的焦距。
进一步地，在本实施例中，光伏元件(如31、32)为单结光伏电池(Si、碲化镉、钙钛矿和CIGS等)或多结光伏电池(GaInP/Ga(In)As/Ge、AI-GaAs/GaAs、GaInP/GaAs和GaInP/GaInAs等)。在一具体实施例中，在任意一路聚合光的光路上，设置光伏电池的光伏性能，使得光伏电池的光线吸收波段与光路上聚合光的波段相匹配。例如，若光线L2所在的第一路出射光为短波段(300-700nm)或中波段(700-900nm)的光谱波段，光线L3所在的第二路出射光为中波段(700-900nm)或者长波段(900-1900nm)的波光谱波段，则设置光伏电池31为多结光伏电池，设置光伏电池32为单结光伏电池，如此实现不同光伏性能的光伏电池着重吸收对应光谱波段的出射光。
本领域的技术人员可以理解，为达到形式多样化的应用效果，还可以将图4中的旋转抛物面镜(21、22)替换为菲涅尔透镜或凸透镜，可依然实现出射光汇聚为聚合光的功能，菲涅尔透镜和凸透镜的设置形式可参考图2和图3，这里不做赘述。
综上所述，本发明提出的一种基于分光元件的聚光光伏系统，能够精细的分割太阳光谱和分配各个光谱波段的辐射能量，使得不同PN结太阳电池获得与之匹配的光谱照射和适宜的辐射能流密度，从而改善多结太阳电池(即多结光伏电池)各个子电池输出电流不匹配的问题，进一步提高多结太阳电池的光电转换效率，其余太阳光能量由单结或多结太阳电池吸收，充分利用太阳光谱，使得整个光伏系统发电效率得到提高。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (8)
1.一种基于分光元件的聚光光伏系统，其特征在于，包括：
分光元件，用于将入射光分成至少两路出射光；所述分光元件为透射式光栅或反射式光栅，所述透射式光栅用于通过排列分布的狭缝将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光，所述反射式光栅用于通过排列分布的锯齿槽将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光；
多个聚光元件，分别设于各路出射光的光路上，所述聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；
多个光伏元件，分别设于各路聚合光的光路上，所述光伏元件用于将所在光路上的聚合光转化为光伏电能。
2.如权利要求1所述的聚光光伏系统，其特征在于，
在所述透射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个所述聚光元件；或者，
在所述反射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个所述聚光元件。
3.如权利要求2所述的聚光光伏系统，其特征在于，通过光栅方程d*(sinα+sinθ)＝kλ设置所述第一路出射光和所述第二路出射光的衍射角度，其中，d为所述透射式光栅的狭缝宽度或者所述反射式光栅的锯齿槽宽度，α为入射光的入射角度，θ为出射光的衍射角度，λ为入射光的波长，k为光谱级数且是大于零的正整数。
4.如权利要求3所述的聚光光伏系统，其特征在于，设置所述透射式光栅的狭缝宽度或设置所述反射式光栅的锯齿槽宽度，使得所述第一路出射光的波长在短波段或中波段的波段范围内，且使得所述第二路出射光的波长在中波段或者长波段的波段范围内。
5.如权利要求4所述的聚光光伏系统，其特征在于，设置所述透射式光栅的狭缝宽度或设置所述反射式光栅的锯齿槽宽度，使得所述第一路出射光的光谱波段和所述第二路出射光的光谱波段为不相重叠的波段或部分重叠的波段。
6.如权利要求1-5中任一项所述的聚光光伏系统，其特征在于，所述聚光元件为菲涅尔透镜或凸透镜，在任意一路聚合光的光路上，设置所述聚光元件和所述光伏元件的相对位置，使得所述聚光元件与所述光伏元件的距离小于所述聚光元件的焦距。
7.如权利要求1-5中任一项所述的聚光光伏系统，其特征在于，所述聚光元件为旋转抛物面镜，在任意一路聚合光的光路上，设置所述聚光元件和所述光伏元件的相对位置，使得所述聚光元件与所述光伏元件的距离大于所述聚光元件的焦距。
8.如权利要求1-5中任一项所述的聚光光伏系统，其特征在于，所述光伏元件为单结光伏电池或多结光伏电池；在任意一路聚合光的光路上，设置所述光伏电池的光伏性能，使得所述光伏电池的光线吸收波段与光路上聚合光的波段相匹配。
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