CN111327267B - 基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，包括集光单元、传导单元和发电单元，集光单元为可折叠式集光单元，可折叠式集光单元主要由伞筒、折叠式伞状骨架和伞面组成，折叠式伞状骨架由伞筒支撑，伞面布置在折叠式伞状骨架上；伞面为光纤集光层结构，其包括由下至上依次布置的反射层和光纤编制层，光纤编织层由未加包层的光纤束编制成面；所述发电单元包括菲尼尔透镜、半反半透镜组和太阳能电池板，太阳能电池板环绕布置在伞筒内壁，半反半透镜组排列布置在伞筒内部，菲尼尔透镜布置在伞筒上端。本发明采用可折叠式集光单元，能够在有效的空间中尽可能增大太阳光的汇集面积，其价格低廉、结构简单、集光效果良好。

Description

基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统

技术领域

本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统。

背景技术

太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池将太阳的光能直接变成电能对外进行输出，主要分为聚光发电系统和非聚光发电系统两大类。聚光发电系统主要由太阳能电池、集光器、太阳光定位追踪系统组成，应用集光器能够将太阳光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面（太阳能电池）上，相对于非聚光发电系统，聚光发电系统能够大幅度减少太阳能电池的使用面积和提高系统转换效率，进而有效节省光伏发电的成本，相对于平板非聚光太阳能电池而言，其转化电流能够提高2 倍以上，其发电效率可提高30%以上，进而有效地减少了太阳能电池的用量，降低了光伏发电成本。聚光发电系统是将光学技术与太阳能电池发电技术有机结合起来的一种高效发电模式。

然而，聚光发电系统存在以下几个问题：（1）集光器结构精密复杂，整体设计制造难度较大；（2）单晶硅聚光问题，在3到5倍的聚光强度无法有效降低光伏发电成本，要想大幅度降低光伏发电成本必须达到10左右；（3）散热问题，普通的硅电池板在2到5倍太阳光强下会引起起泡氧化问题，从而大幅降低光能转化效率和影响设备的使用寿命；（4）反光板问题，由于设备的工作环境通常设置在沙漠、戈壁滩等日光充足的高温差地带，对反光板的抗老化和抗磨损性工艺制造技术要求较高，因而增加了整个系统的制造成本；（5）太阳光定位追踪系统，是确保太阳能电池始终处于聚光器的焦点位置有效聚光的关键性部件，其结构精密复杂，使用和维护费用较高。

公告号CN110380680A的发明公开了一种非跟踪式聚光光伏发电装置，涉及太阳能发电技术领域，包括串行连接并呈矩阵排列的各光伏发电单元和封装于各光伏发电单元外部的封闭盒体，太阳能电池片位于光纤光锥光伏聚光器底部，其受光面与光纤光锥光伏聚光器的小端紧密贴合，固定支架设于光纤光锥光伏聚光器外部并将光纤光锥光伏聚光器支撑固定，构成光伏发电单元。本发明能够利用各个方向的锥形光纤接收其对应的各个方向的太阳光线，不仅可以接收直射光，而且还可以接收漫射光，无需跟踪太阳便可以实现空间大角度太阳光线收集并通过圆形太阳能电池将太阳能转化为电能，解决现有技术在入射光线偏离聚光器轴心较大时不适用的问题。

该技术方案中各锥形光纤大端对大端、小端对小端由内向外紧贴密排构成整体呈锥形结构且小端朝下、大端朝上的光纤光锥光伏聚光器，太阳能电池片位于所述光纤光锥光伏聚光器底部，其受光面与所述光纤光锥光伏聚光器的小端紧密贴合，固定支架设于所述光纤光锥光伏聚光器外部并将所述光纤光锥光伏聚光器支撑固定，构成所述光伏发电单元。光纤光锥光伏聚光器能够利用各个方向的锥形光纤接收其对应的各个方向的太阳光线，虽然相对于现有的集光器，能够提高太阳光线的汇聚收集，且无需太阳光定位追踪系统，但是其光纤光锥光伏聚光器的结构精密复杂，整体设计制造难度较大，运行成本高。

公告号CN105144403B的发明公开一种太阳能光纤光伏发电装置。该装置包括聚光单元(1)、分光单元(8)和光纤发电单元；聚光单元用于将入射光进行聚光处理；分光单元用于将自然光或经聚光单元处理后的光根据光的波长进行分光处理；发电单元用于利用分光单元处理后的光源转化成电能。该装置将太阳光通过聚光结合分光处理后导入发电单元进行能量转换，可高效、快速的将太阳能转化为电能，发电量大而且环保。

该技术方案中光纤主要应用与发电单元，其对于聚光单元仍存在结构精密复杂以及需要太阳光定位追踪系统的缺陷。

公告号CN102943989A的发明专利提供一种太阳光室内照明光纤传导装置及其工作方法，太阳光室内照明光纤传导装置由定位单元、采光单元、板式框架、固定板、活动板和驱动机构构成。采光单元和定位单元的双球节在双球节定位孔中由固定板和活动板夹持，组成互相平行的双球节组合并行机械结构，由驱动机构驱动活动板，使得采光单元和定位单元在跟踪太阳时平行摆动；采用定位光纤在十字定位光纤头上十字排列以及定位光纤与光敏元件一一对应的光耦合实现光纤传导装置的全部采光单元对太阳同步跟踪。本发明外观紧凑，整体呈板状，安装位置并不局限于楼顶，也可以壁挂于楼宇的外墙上，有利于实现建筑一体化，适用于背阴房间和地下室的自然光照明。

该技术方案首先是作为室内照明用，虽然其中采用光纤进行光纤传导，但其采光单元仍存在结构精密复杂的问题，并且需要定位单元配合跟踪太阳，运行成本较高。

公告号CN107800375A的一种太阳能发电装置，包括立柱、支架结构、驱动机构和多个太阳能聚光发电单元，各太阳能聚光发电单元各包括一支撑架、一多抛物面聚光器、一太阳能电池组件和一栅型散热器。本发明将单抛物面聚光器设计成多抛物面聚光器，不同子抛物面分别将太阳光汇聚到太阳能电池组件表面，通过一定算法，使太阳能电池组件表面得到的光照均匀度、光的能量明显优于相同聚光倍率的单抛物面聚光器。

该技术方案采用单抛物面聚光器，仍是传统的聚光器结构，存在集光器结构精密复杂，整体设计制造难度较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，包括集光单元、传导单元和发电单元，所述集光单元为可折叠式集光单元，可折叠式集光单元主要由伞筒、折叠式伞状骨架和伞面组成，折叠式伞状骨架由伞筒支撑，伞面布置在折叠式伞状骨架上；

伞面为光纤集光层结构，其包括由下至上依次布置的反射层和光纤编织层，光纤编织层由未加包层的光纤束编制成面；

所述传导单元为光纤传导装置，光纤传导装置的输入端连接光纤编织层的光纤束末端，光纤传导装置的输出端连接发电单元；

所述发电单元包括菲尼尔透镜、半反半透镜组和太阳能电池板，太阳能电池板环绕布置在伞筒内壁，半反半透镜组排列布置在伞筒内部，菲尼尔透镜布置在伞筒上端，由光纤传导装置的输出端传输的光线进入菲尼尔透镜，经菲尼尔透镜聚光后经过半反半透镜组，经半反半透镜组改变光路照到太阳能电池板上，太阳能电池板将太阳能转化为电能。

所述发电单元还包括蓄电池，太阳能电池板转化的电能储存在蓄电池中。

所述光纤编织层有两个光纤束末端，其中一个光纤束末端与光纤传导装置的输入端连接。

还包括反向照明单元，反向照明单元包括LED发光装置和LED光传导装置，LED发光装置产生LED光线，LED光线进入LED光传导装置的输入端，LED光传导装置的输出端与光纤编织层的另一个光纤束末端连接。

所述 LED发光装置由发电单元的蓄电池供电。

所述光纤编织层由未加包层的光纤束按纬向法编制。

所述光纤编织层上方还设有防水层。

所述半反半透镜组沿轴向排列布置在伞筒内部。

所述太阳能电池板为柔性太阳能电池板。

所述可折叠式集光单元的伞筒固定在混凝土基座上。

本发明的有益效果是：

1. 本发明的集光单元为可折叠式集光单元，可折叠式集光单元主要由伞筒、折叠式伞状骨架和伞面组成，折叠式伞状骨架由伞筒支撑，伞面布置在折叠式伞状骨架上，且伞面为光纤集光层结构，太阳能电池板环绕布置在伞筒内壁，其采用可折叠式集光单元，能够在有效的空间中尽可能增大太阳光的汇集面积，其价格低廉、结构简单、集光效果良好，能够取代了原有的太阳光定位追踪系统和反光板系统。

通常光伏发电系统会设置在沙漠和戈壁滩等气候恶劣的地区，沙尘暴所带来的沙石是破坏太阳能电池板的主要因素。本发明通过两种结构设计解决了这个问题：（1）采用自动折叠伞架结构，在有恶劣天气的情况下，通过控制系统及时折叠集光器，而在天气好的时候打开折叠结构，有效避免了风沙对整个结构的侵害；（2）采用内置太阳能电池板结构，将太阳能电池放置在伞筒内，能够有效保护太阳能电池板比避免灰尘遮挡和外界物理破坏，有效减少了由于温度、湿度变化以及风雪和冰雹等物理变化对原有太阳能电池板的破坏，从而有效提高了太阳能电池的发电效率和延长了其寿命。

2. 本发明中伞面为光纤集光层结构其包括由下至上依次布置的反射层和光纤编织层，光纤编织层由未加包层的光纤束编制成面，当太阳光线照射在光纤编织层的整段光纤上时，一部分光线发生折射进入到光纤中，在反射层的作用下，一部分光线会在光纤的内部发生反射并沿着光纤纤维的方向传导，最终汇集到光纤纤维束的末端，另外一部分光线产生折射耗散再次传播到空气中，由于光纤编织层中每根光纤都整体暴露在太阳光下，就弥补了这一部分折射光纤的耗散，同时光纤编织层为面结构，接收的太阳光更多，进而提高了光纤对太阳光线的汇集效率。

本发明的光纤集光层结构相对于传统集光器而言，所采用的光纤编织层具有成本低廉、结构简单和制作方便等优点，省去了传统集光器复杂的光学元件集光系统和太阳光定位追踪系统，虽然单位面积上的集光效率不如传统集光器，但是由于采用由光纤束编制成面，能够依据设计要求制作成任意尺寸的编织布，因而，在展开的情况下能够最大的限度的汇聚太阳光，弥补单位面积上的光纤耗散损失。

3．本发明中光纤集光层结构的反射层设计，光纤所收集的光能，要考虑到光能的散射和折射损耗，因而在光纤集光层结构的底面增加反射层，到达减少光能的散射和折射损耗，增加光能的收集效率的目的。

本发明中光纤集光层结构的防水层设计，能够增强整个材料的疏水性，进而大幅提高材料的防水性能。

4.采用半反半透镜组，由菲尼尔透镜所汇集的太阳光，并不能直接照射在柔性太阳能电池板表面，需要通过设置多组半反半透镜改变原有光路，完成最终光纤照射，半反半透镜组可有效的汇聚和分散光能，降低了原有菲尼尔透镜所带来的太阳能电池的散热气泡问题。

5. 太阳能电池板选用柔性太阳能电池板，可弯曲，从而使太阳能电池板能够依据伞筒的尺寸在定制大小，可直接弯曲放置在伞筒的内表面，伞筒根本隔绝了太阳能电池板与外界的接触，有效延长了其使用寿命。

6 本发明还加有反向照明单元，反向照明单元包括LED发光装置和LED光传导装置，LED发光装置产生LED光线，LED光线进入LED光传导装置的输入端，LED光传导装置的输出端与光纤编织层的另一个光纤束末端连接，其结合LED照明和光纤传导原理，利用光线在未加包层的纯光纤中传导的过程中会存在光纤的反射与折射的耗散特性，LED发光装置采用不同滤镜变换灯光颜色，实现整个光纤编织层呈现出不同的颜色，实现夜间警示功能。

7．本发明的利用光纤传导装置将聚集的太阳光汇集在菲尼尔透镜上，通过透镜的聚焦功能，有效的增强光线的强度，结合太阳能电池板和蓄电池，实现了太阳能/电能的有效转化。

太阳能电池板，由于菲尼尔透镜的聚焦作用，大幅提升了光能的利用率，从而有效的减小了太阳能电池板的尺寸。

8. 本发明适用于独立光伏发电、并网光伏发电、分布式光伏发电三种不同的输电方式，具有巨大的市场潜力和产品推广性。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明可折叠式集光单元的示意图；

图3是本发明的伞筒内光路图；

图4是本发明的光纤集光层结构的断面示意图；

图5是本发明的光纤集光层结构的平面示意图；

图6是本发明的光纤集光层结构收集太阳光线原理示意图；

图7是本发明的光纤集光层结构反向发光原理示意图；

图8是本发明的储能电路设计图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1至图8所示，本发明的一种基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，包括集光单元、传导单元和发电单元。

所述集光单元为可折叠式集光单元，可折叠式集光单元主要由伞筒5、折叠式伞状骨架6和伞面组成，折叠式伞状骨架6由伞筒5支撑，伞面布置在折叠式伞状骨架上。伞筒5通过螺栓锚固固定在混凝土基座7上，用来稳定整个可折叠式集光单元。

伞面为光纤集光层结构1，其包括由下至上依次布置的反射层11和光纤编织层12，光纤编织层12由未加包层的光纤束按纬向法编制成面。光纤编织层12有两个光纤束末端。

如图6所示，当太阳光线照射在光纤编织层12的整段光纤上时，一部分光线发生折射进入到光纤中，在反射层的作用下，一部分光线会在光纤的内部发生反射并沿着光纤纤维的方向传导，最终汇集到光纤纤维束的末端，另外一部分光线产生折射耗散再次传播到空气中，由于光纤编织层12中每根光纤都整体暴露在太阳光下，就弥补了这一部分折射光纤的耗散，同时光纤编织层为面结构，接收的太阳光更多，进而提高了光纤对太阳光线的汇集效率。

本发明的光纤集光层结构相对于传统集光器而言，所采用的光纤编织层12具有成本低廉、结构简单和制作方便等优点，省去了传统集光器复杂的光学元件集光系统和太阳光定位追踪系统，，虽然单位面积上的集光效率不如传统集光器，但是由于采用由光纤束编制成面，能够依据设计要求制作成任意尺寸的编织布，因而，在展开的情况下能够最大的限度的汇聚太阳光，弥补单位面积上的光纤耗散损失。

反射层11选用图银涂层，光纤所收集的光能，要考虑到光能的散射和折射损耗，因而在光纤集光层结构的底面增加反射层，到达减少光能的散射和折射损耗，增加光能的收集效率的目的。

光纤编织层12上方还可设有防水层13（纳米防水涂层），能够增强整个材料的疏水性，进而大幅提高材料的防水性能。

所述传导单元为光纤传导装置2，光纤传导装置2的输入端连接光纤编织层的其中一光纤束末端，光纤传导装置2的输出端连接发电单元。光纤传导装置为加包层的光纤束。

所述发电单元包括菲尼尔透镜31、半反半透镜组34、太阳能电池板32和蓄电池33，太阳能电池板32环绕布置在伞筒5内壁，半反半透镜组34沿轴向排列布置在伞筒内部，其中半反半透镜与伞筒轴向呈45°或135°夹角，菲尼尔透镜31布置在伞筒上端，由光纤传导装置2的输出端传输的光线进入菲尼尔透镜31，经菲尼尔透镜31聚光后经过半反半透镜组34，经半反半透镜组34改变光路照到太阳能电池板32上，太阳能电池板32将太阳能转化为电能，电能储存在蓄电池33中。

本发明的利用光纤传导装置将聚集的太阳光汇集在菲尼尔透镜31上，通过透镜的聚焦功能，有效的增强光线的强度，结合太阳能电池板32和蓄电池33，实现了太阳能/电能的有效转化。

太阳能电池板32，由于菲尼尔透镜31的聚焦作用，大幅提升了光能的利用率，从而有效的减小了太阳能电池板的尺寸。太阳能电池板32选用柔性太阳能电池板，可弯曲，从而使太阳能电池板能够依据伞筒的尺寸在定制大小，可直接弯曲放置在伞筒的内表面，伞筒根本隔绝了太阳能电池板与外界的接触，有效延长了其使用寿命。

采用半反半透镜组34，由菲尼尔透镜31所汇集的太阳光，并不能直接照射在柔性太阳能电池板表面，需要通过设置多组半反半透镜改变原有光路，完成最终光纤照射，半反半透镜组34可有效的汇聚和分散光能，降低了原有菲尼尔透镜所带来的太阳能电池的散热气泡问题。

本发明的集光单元为可折叠式集光单元，能够在有效的空间中尽可能增大太阳光的汇集面积，其价格低廉、结构简单、集光效果良好，能够取代了原有的太阳光定位追踪系统和反光板系统。

通常光伏发电系统会设置在沙漠和戈壁滩等气候恶劣的地区，沙尘暴所带来的沙石是破坏太阳能电池板的主要因素。本发明通过两种结构设计解决了这个问题：（1）采用自动折叠伞架结构，在有恶劣天气的情况下，通过控制系统及时折叠集光器，而在天气好的时候打开折叠结构，有效避免了风沙对整个结构的侵害；（2）采用内置太阳能电池板结构，将太阳能电池放置在伞筒内，能够有效保护太阳能电池板比避免灰尘遮挡和外界物理破坏，有效减少了由于温度、湿度变化以及风雪和冰雹等物理变化对原有太阳能电池板的破坏，从而有效提高了太阳能电池的发电效率和延长了其寿命。

本发明的一种基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，还包括反向照明单元，反向照明单元只在夜间工作。反向照明单元包括LED发光装置41和LED光传导装置42，LED发光装置41产生LED光线，LED光线进入LED光传导装置42的输入端，LED光传导装置42的输出端与光纤编织层12的另一个光纤束末端连接。

本实施例中， LED发光装置41由发电单元的蓄电池供电。LED光传导装置为加包层的光纤束。

反向照明单结合LED照明和光纤传导原理，如图7所示，利用光线在未加包层的纯光纤中传导的过程中会存在光纤的反射与折射的耗散特性，LED发光装置采用不同滤镜变换灯光颜色，实现整个光纤编织层呈现出不同的颜色，实现夜间警示功能。

本实施例还公开了基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统的储能电路，如图8所示，储能电路主要由FPVS发电阵列（基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，(Fodable Photovoltaic System，简称FPVS）、控制器、逆变器四个主要部分组成。

FPVS发电阵列：主要由FPVS发电单体构成的串并联组件、防逆流二极管和旁路二极管构成。FPVS发电单体按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。防逆流二极管，能够有效防止电流从蓄电池反向流向FPVS发电阵列以及保护失效FPVS发电单元。旁路二极管，能够保护被旁路组件避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏；控制器：是为了控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用；逆变器：能够按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。

本发明适用于独立光伏发电、并网光伏发电、分布式光伏发电三种不同的输电方式，具有巨大的市场潜力和产品推广性。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “前”、“后”、上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (10)

1.基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，包括集光单元、传导单元和发电单元，其特征在于：所述集光单元为可折叠式集光单元，可折叠式集光单元主要由伞筒、折叠式伞状骨架和伞面组成，折叠式伞状骨架由伞筒支撑，伞面布置在折叠式伞状骨架上；

伞面为光纤集光层结构，其包括由下至上依次布置的反射层和光纤编织层，光纤编织层由未加包层的光纤束编制成面；

所述传导单元为光纤传导装置，光纤传导装置的输入端连接光纤编织层的光纤束末端，光纤传导装置的输出端连接发电单元；

所述发电单元包括菲尼尔透镜、半反半透镜组和太阳能电池板，太阳能电池板环绕布置在伞筒内壁，半反半透镜组排列布置在伞筒内部，菲尼尔透镜布置在伞筒上端，由光纤传导装置的输出端传输的光线进入菲尼尔透镜，经菲尼尔透镜聚光后经过半反半透镜组，经半反半透镜组改变光路照到太阳能电池板上，太阳能电池板将太阳能转化为电能。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述发电单元还包括蓄电池，太阳能电池板转化的电能储存在蓄电池中。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述光纤编织层有两个光纤束末端，其中一个光纤束末端与光纤传导装置的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：还包括反向照明单元，反向照明单元包括LED发光装置和LED光传导装置，LED发光装置产生LED光线，LED光线进入LED光传导装置的输入端，LED光传导装置的输出端与光纤编织层的另一个光纤束末端连接。

5.根据权利要求4所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述 LED发光装置由发电单元的蓄电池供电。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述光纤编织层由未加包层的光纤束按纬向法编制。

7.根据权利要求1-5任一项所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述光纤编织层上方还设有防水层。

8.根据权利要求1-5任一项所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述半反半透镜组沿轴向排列布置在伞筒内部。

9.根据权利要求1-5任一项所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述太阳能电池板为柔性太阳能电池板。

10.根据权利要求1-5任一项所述的基于光纤传导的可折叠太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述可折叠式集光单元的伞筒固定在混凝土基座上。

Images