CN112511100A - 一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，包括碗状反射镜、镀膜菲涅尔透镜、硅电池板；所述镀膜菲涅尔透镜固定于所述碗状反射镜中部；所述镀膜菲涅尔透镜镀层为电子束蒸镀波长转换薄膜材料；所述碗状反射镜、镀膜菲涅尔透镜、硅电池板组成的所述新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件为集成整体。本发明的有益效果为：所述新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件结构简单，通常使用高分子材料制作，成本低廉，光学性能良好，应用于光伏发电领域将降低单晶硅材料的使用量，增加单晶硅太阳能电池有效入射光通量，达到光伏发电提高光电转换效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件。
背景技术
随着世界各地人们的经济生活水平不断提高，对能源的需求也与日俱增。目前使用的化石燃料如煤炭、石油、天然气等，以目前的消耗速度，在本世纪末将枯竭。太阳能作为一种新型的可再生能源，绿色环保，满足了温室气体排放的严格要求，它在21世纪必将成为世界能源供应的主体。太阳能的利用主要通过单晶硅电池的光生伏打效应，将波长在760nm~900nm太阳光转换成电能。2030年光伏发电在世界总电力供应中的占比将达到10%以上。目前光伏发电已成为国际新能源领域重点扶持的高新技术产业。
目前，利用太阳能的主要方式是通过光电转换材料将太阳辐射的光能量转换成为电能，即利用光生伏打效应原理开发各类光伏发电系统。光伏发电系统主要分为三类，第一类晶体硅电池发电，第二类硅薄膜电池发电，第三类硅聚光光伏发电。第一类和第二类系统技术成熟，成本低廉，但由于太阳辐射能量的分散性，照射在晶体硅电池板和硅薄膜电池板上的太阳光密度和光通量太小，导致它们的光电转换效率最高只能达到18%；而硅聚光光伏发电系统结构复杂，即使系统整体光电转换效率可以达到49%，系统复杂结构和部件加工工艺困难导致发电成本远远高于市场价格，这类系统始终无法得到大面积推广应用。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
本发明提供了一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，包括碗状反射镜、镀膜菲涅尔透镜、硅电池板；
所述镀膜菲涅尔透镜固定于所述碗状反射镜中部；
所述镀膜菲涅尔透镜镀层为电子束蒸镀波长转换薄膜材料；
所述碗状反射镜、镀膜菲涅尔透镜、硅电池板组成的所述新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件为集成整体。
本发明的有益效果是： 通过一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件进行光电转换，所述新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件结构简单，通常使用高分子材料制作，成本低廉，光学性能良好，应用于光伏发电领域将降低单晶硅材料的使用量，增加单晶硅太阳能电池有效入射光通量，达到光伏发电提高光电转换效率的目的。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的原理示意图；
附图标记：
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例中的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，包括碗状反射镜、镀膜菲涅尔透镜、硅电池板；所述镀膜菲涅尔透镜固定于所述碗状反射镜中部；所述镀膜菲涅尔透镜镀层为电子束蒸镀波长转换薄膜材料；
所述碗状反射镜、镀膜菲涅尔透镜、硅电池板组成的所述新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件为集成整体。
在本实施例中，所述碗状反射镜将周围太阳光的直射光、折射光、散射光汇集至所述镀膜菲涅尔透镜表面，增加光输入通量。
由于太阳光的照射分散性，每平方米地面可接收到的太阳光能量一般在1000W/m2，如果硅电池板位置不能与入射太阳光垂直，硅电池板吸收的有效光通量将减少。为了使输入的太阳光垂直照射硅电池板，增大有效光输入量，各类光伏发电设备通常放置在日照时间充沛，年太阳光照射时间大部分在2200小时以上的西北荒漠地区，同时必须配置太阳追踪等辅助部件，时刻保持硅电池板与太阳光照射垂直，这造成系统投资额增加，系统安装占地面积持续扩大，系统结构和控制运行变得精密繁琐，是光伏发电效率低、成本居高不下的另一个主要因素。
本实施例中使用所述碗状反射镜将周围太阳光的直射光、折射光、散射光汇集至所述镀膜菲涅尔透镜表面，将太阳光入射角区间范围扩展到0°～180°，从而最大程度增加了光伏发电系统的光输入通量，避免了太阳追踪部件的使用。
在本实施例中，所述镀膜菲涅尔透镜将所述碗状反射镜汇集的太阳光进行2次折射，使其中的可见光和红外光转换为760nm~900nm的波段光后，均匀照射至所述硅电池板表面。
太阳光是一种超宽波谱光源，波长变化范围为200nm~3000nm。根据波长可以将太阳光分为三个区域：紫外区（波长280nm~380nm，总波长占比为6%），可见光区（波长380nm~780nm，总波长占比为52%），红外区（波长780nm~3000nm，总波长占比为42%）。由此可见，如果要最大程度的利用太阳能，必须使用可见光区域和红外区域的光能量，才能保证光伏发电系统的输入光通量充沛；受硅材料固有属性的限制，硅电池板仅能将760nm~900nm频段的光转换成为电能，其余频段的光无法转化成为电能，只能以热量的形式散发出去，造成了目前的三类光伏发电系统必须配备体积庞大的散热部件散发多余的太阳光能量，才能保证光伏发电系统安全稳定运行，这是造成光伏发电成本居高不下的一个主要因素。
在本实施例中，利用非成像光学原理和透镜自身蒸镀的波长转换薄膜，经过2次折射，使得输入太阳光中大部分的可见光和红外光转换成为760nm~900nm频段的光，聚焦均匀照射至硅电池板表面区域，提高光输入通量，从而提高光电转换效率。
在本实施例中，所述镀膜菲涅尔透镜平面下侧刻蚀有等距、等高的齿纹，用于入射所述镀膜菲涅尔透镜的光线的波长转换和聚集。
菲涅尔透镜高效的聚光效果要求配备太阳追踪部件，以保证菲涅尔透镜时刻与太阳光照射呈垂直关系；照射菲涅尔透镜的太阳光，由于其通过透镜的折射率各不相同，聚集到硅电池板照射光斑分布的不均匀性要求配备散热部件，以保证硅电池板局部升温不能危及到系统安全工作。在本实施例中所述碗状反射镜及所述镀膜菲涅尔透镜上的电子束镀膜避免了上述情况，因此所述镀膜菲涅尔透镜利用刻蚀齿纹，将太阳光折射后得到汇聚至硅电池板表面的波长相等，均匀分布的光斑。
在本实施例中，所述镀膜菲涅尔透镜第n环齿纹的齿纹倾角为
，则：
其中
表示第n环齿纹到所述镀膜菲涅尔透镜中心的距离，
表示焦距；
根据几何光学折射定律：
所述镀膜菲涅尔透镜中第n环齿纹倾角α公式如下：
其中
表示齿纹的倾角，
表示加工光学常数，在0~1之间，
表示太阳入射光与折射光的夹角，Z表示菲涅尔透镜材料的折射率，
表示第n环齿纹中心到所述镀膜菲涅尔透镜中心的距离，
表示焦距。
所述镀膜菲涅尔透镜齿纹坐标位置不同，折射后的等波长光线聚集形成多个分布均匀的等距光斑。
所述镀膜菲涅尔透镜刻蚀齿纹时根据具体光路、材料属性、工艺流程，确定坐标位置并进行参数复制和工艺移植。
实施例2
本实施例中的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件应用于光伏发电系统，包括新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件及外接电池转换器；
在本实施例中，传统光伏发电的四个组成部分：聚光部件、硅电池板、太阳追踪部件、散热部件简化成为两大部分：新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件及外接电池转换器，将太阳光入射角区间范围扩展到0°～180°，将硅电池板接收的有效光通量较传统提高60%，将硅太阳能电池板的光电转换效率提高到36%，其最终联网发电成本价降低到0.25元/kwh。它不仅可以在西北荒漠大面积安装，而且可以在年日照时间较少的云贵川高原和江南水乡等地的房屋、农田、丘陵、水塘、湖面上大面积普及使用，极大的节约了有限的国土面积，最大程度的发挥了技术优势：不受有效光照时间、硅电池板方位角度和安装地理环境的限制，一年365天，无论阴晴雨雪，只要太阳升起，就可以发电。
实施例3
本实施例中的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件使用高分子材料制作，其中包括：（1）新型菲涅尔透镜几何参数确定和模具结构设计；（2）透镜材质选型；（3）塑化、注射、模塑；（4）脱模退火、清洗；（5）各种保护膜及波长转换材料镀膜。
在本实施例中，制作工艺为：（1）设计的新型菲涅尔透镜的几何参数如下：孔径1.0m，相对孔径1:0.6，槽宽2.2mm，槽峰半径0.0025mm，槽根半径0.0025mm，工作侧面角50°，干扰侧面角85°。模具采用平凸模成型两腔膜，模具腔底采用镶嵌式。
（2）透镜材质选择：选择聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,即有机玻璃）制作菲涅尔透镜，它的物性参数如下：折射率1.49，透射率92%，硬度M97，密度是1.97kg/m3。
（3）采用国产注塑成型一体机-2000g系列产品完成塑化、注射、模塑工艺，主要工艺参数包括：材料预热层厚度为20mm，预热温度为80°，预热时间为24h。
（4）透镜脱模退火和清洗：首先采用热风干燥24小时（温度70°），再使用去离子水溶液清洗透镜表面杂质和粉末。
（5）使用电子束镀膜技术生长分光膜、防静电膜、防水膜以及波长转换材料膜。
碗状反射镜的孔径为1.6m，深度1.2m，内表面侧壁生长反射膜材料。硅电池板面积依据菲涅尔透镜口径确定，采用正方形1*1m2单晶硅电池板。
在本实施例中由于所述镀膜菲涅尔透镜每一个齿纹坐标位置不同，经过多个齿纹折射出等波长的光线会形成多个分布均匀的等距光斑，避免了传统菲涅尔透镜稀疏、不规则的汇聚光斑形成。新型菲涅尔透镜内部的齿纹可以按照具体光路的的特点与加工材料属性、工艺流程综合考虑，在坐标位置确定的情况下进行参数复制和工艺移植，最大程度保证折射到硅电池板的光线形成分布均匀的等距光斑。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，其特征在于，包括碗状反射镜、镀膜菲涅尔透镜、硅电池板；
所述镀膜菲涅尔透镜固定于所述碗状反射镜中部；
所述镀膜菲涅尔透镜镀层为电子束蒸镀波长转换薄膜材料；
所述碗状反射镜、镀膜菲涅尔透镜、硅电池板组成的所述新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件为集成整体。
2.根据权利要求1所述的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，其特征在于，所述碗状反射镜将周围太阳光的直射光、折射光、散射光汇集至所述镀膜菲涅尔透镜表面，增加光输入通量。
3.根据权利要求2所述的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，其特征在于，所述镀膜菲涅尔透镜将所述碗状反射镜汇集的太阳光进行2次折射，使其中的可见光和红外光转换为760nm~900nm的波段光后，均匀照射至所述硅电池板表面。
4.根据权利要求3所述的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，其特征在于，所述镀膜菲涅尔透镜平面下侧刻蚀有等距、等高的齿纹，用于入射所述镀膜菲涅尔透镜的光线的波长转换和聚集。
5.根据权利要求4所述的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，其特征在于，所述镀膜菲涅尔透镜第n环齿纹的齿纹倾角为
，则：
其中
表示第n环齿纹到所述镀膜菲涅尔透镜中心的距离，
表示焦距；
根据几何光学折射定律：
所述镀膜菲涅尔透镜中第n环齿纹倾角α公式如下：
其中
表示齿纹的倾角，
表示加工光学常数，在0~1之间，
表示太阳入射光与折射光的夹角，Z表示菲涅尔透镜材料的折射率，
表示第n环齿纹中心到所述镀膜菲涅尔透镜中心的距离，
表示焦距。
6.根据权利要求5所述的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，其特征在于，所述镀膜菲涅尔透镜齿纹坐标位置不同，折射后的等波长光线聚集形成多个分布均匀的等距光斑。
7.根据权利要求6所述的一种新型菲涅尔透镜聚光式光伏元件，其特征在于，所述镀膜菲涅尔透镜刻蚀齿纹时根据具体光路、材料属性、工艺流程，确定坐标位置并进行参数复制和工艺移植。
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| CN114303722A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-12 | 中国科学技术大学 | 一种智能型光伏玻璃温室及其运行方法和应用 |
| CN114303722B (zh) * | 2021-12-20 | 2022-08-30 | 中国科学技术大学 | 一种智能型光伏玻璃温室及其运行方法和应用 |
| WO2023116506A1 (zh) * | 2021-12-20 | 2023-06-29 | 中国科学技术大学 | 一种智能型光伏玻璃温室及其运行方法和应用 |
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