CN112769394A - 光学透光元件和对准太阳能组件的方法 - Google Patents

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Abstract

光学透光元件和对准太阳能组件的方法。本发明涉及一种光学透光元件(1)，该光学透光元件(1)用于具有太阳能电池(7)的太阳能组件(2)。光学透光元件(1)包括用于将太阳光(4)引导到太阳能电池(7)上的至少一个收集部(14)。为了太阳能组件(2)的最佳操作，必须小心地对准光学透光元件(1)和太阳能电池(7)。为了促进对准，光学透光元件(1)还包括用于将太阳光(4)会聚到第二聚焦区域(17)上的至少一个对准控制部(16)，第二聚焦区域(17)与主聚焦区域(18)间隔开。根据本发明的方法提供了将第二聚焦区域(17)与和太阳能电池(7)间隔开的目标区(23)对准。

Description

光学透光元件和对准太阳能组件的方法
本申请是原案申请号为201680041529.5的发明专利申请(国际申请号：PCT/CA2016/050807，国际申请日；2016年7月11日，发明名称：用于包括收集部和对准控制部的太阳能组件的光学透光元件及其对准方法)的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学透光元件、太阳能组件和对准太阳能组件的方法。
背景技术
这种光学透光元件例如用于聚光光伏(CPV)。在CPV中，小型但高效率的太阳能电池与聚光器光学器件相结合，该聚光器光学器件将光聚焦到太阳能电池上以收集太阳能。聚光器光学器件在模块制造过程中需要光学器件和太阳能电池的完美对准。在使用期间，必须使用跟踪机构将CPV模块连续调节到太阳的位置，以便保持阳光聚焦在太阳能电池上。任何由于制造或跟踪器未对准而导致的、不被太阳能电池的额外有效区域补偿的透镜到电池未对准都会降低模块的输出功率。
可以在制造期间通过使用透镜中心的位置或CPV透镜相对于电池的焦点，来完成控制模块的对准的解决方案。相机通过镜头查看，并且光学识别软件计算该未对准。
跟踪器的初始对准通过使用类似的原理来进行。利用固定安装在模块中的镜子，技术人员可以通过目视观察电池并按照光斑以太阳能电池为中心的方式来调整模块支架。
制造期间的对准和初始跟踪器对准二者都容易出错。此外，当前的CPV发展设想使用靠近电池的所谓的二次光学器件(反射和/或折射)以便增加电池上的光通量和/或使电池上的光通量均匀。然而，这种二次光学器件引入了阴影效应，所述阴影效应使得当前的对准过程困难甚至不可能。因此，需要开发新的合适的技术。此外，如果光学透光元件使用非聚焦光学器件，则没有基准点可用于对准。
发明内容
鉴于这些缺点，本发明的目的是，提供一种促进在制造期间和在跟踪器上二者的对准的光学透光元件。
根据本发明，该元件在功能上被分成两个不同的部分。收集部用于收集太阳能，因为其允许通过太阳能，或者根据配置将太阳能聚焦到太阳能电池上。收集部可以是非聚焦光学构件或聚焦构件(例如，菲涅耳(Fresnel)或TIR(全内反射：total internalreflection)透镜)。对准控制部将太阳能聚集到与太阳能电池间隔开的聚焦区域上，并且因此可以更容易地用于对准目的。如果收集区域包括导致聚焦区域的聚焦光学器件，则对准控制区域的聚焦区域可以优选地在通过收集部的焦距限定的平面中与收集部的聚焦区域间隔开。
光学透光元件可以包括收集部的阵列，该收集部各与单个太阳能电池相关联。该阵列可以与用于作为整体调整阵列的单个对准控制部和/或与用于调整各个收集部的多个对准控制部相关联。具体地，共享一个对准控制部的收集部的阵列可以彼此单片地连接。如果期望更多的单独的对准控制，则可以存在用于各收集部的对准控制部。
例如，对准控制部可以被限制为位于收集部的周界(circumference)内，其中，该周界确定孔径(即，在收集部的有效区域中)。这促进了通过允许将彼此相邻的收集部无缝平铺而将多个收集部组装成阵列。另选地或累积地，对准控制部可以至少部分地设置在周界外部。如果期望利用透镜的全部有效区域，则对准控制部也可以完全位于周界的外面(例如，在阵列中的相邻收集部之间和/或在阵列的周界外部)。
有效区域和/或对准控制部可以具有多轴(特别是旋转对称)，以促进将透镜区域组装成阵列，而不管透光元件的方位如何。根据另一个实施方式例，收集部可以具有确定其孔径的多边形有效区域。在这种实施方式中，对准控制部可以至少部分地位于多边形区域的角部处、在有效区域内或在该区域外部、或者横跨该区域的周界。
为了对准控制部起作用，可能需要与收集部的有效区域相比仅非常小的区域。例如，对准控制部可以包括菲涅耳或TIR透镜的恰好一个菲涅耳或TIR(全内反射)棱镜。为了有效的对准控制，看起来当然不需要将超过十个菲涅尔或TIR棱镜分配给对准控制部。由适当的调整过程所需的其聚焦区域的亮度来确定对准控制部的尺寸。
对准控制部可以是相对于收集部的偏心透镜和同心透镜中的至少一个。
在下文中，将参照附图示例性地描述本发明的实施方式。如上所述，可以根据具体应用省略或添加进一步发展本发明的各种特征。
附图说明
在整个附图中，相同的附图标记用于其结构和/或其功能相同的元件。
在附图中：
图1以沿着图2的线I-I的示意性剖视图示出使用根据本发明的光学透光元件的太阳能组件；
图2示出图1的太阳能组件的示意性平面图；
图3示出根据本发明的光学透光元件中的对准控制部的实施方式的示意性平面图；
图4示出平铺在一起的对准齐控制部的另一个实施方式的示意性平面图；
图5示出如图4所示的、平铺在一起的对准控制部的实施方式的整个阵列的示意性平面图；
图6示出位于有效区域外部的对准控制部的另一个实施方式的示意性平面图；
图7示出如图6所示的、位于有效区域外部的对准控制部的实施方式的整个阵列的示意性平面图。
具体实施方式
首先，参照图1说明了根据本发明的透光元件1和包括该透光元件1的太阳能组件体2的结构和功能。
除了光学透光元件1之外，太阳能组件2可以在其朝向提供太阳能的入射光4的正面3处包括优选透明的玻璃板5。光学透光元件1可以例如通过粘合而被设置在玻璃板5的、与正面3相反的内侧6上。该光学透光元件1可以由透明树脂材料制造。
此外，太阳能组件2可以包括用于收集入射光4的太阳能的太阳能电池7。太阳能电池7可以被设置在由诸如金属这样的导热材料制成的板8上。板8可以形成散热器9，以使太阳能电池7的不能转换成可用能量的热能消散。在太阳能组件的背离入射光4的背面10处，可以设置另一个玻璃板11，该玻璃板11可以至少部分透明。
太阳能电池7与光学透光元件1间隔开距离12。所得的体积13可以被充气或排空。
光学透光元件1在功能上被分为两部分。第一部分15用作收集部14，该收集部14用于允许将入射光4传递和/或引导到太阳能电池7上。如三角形15所示，收集部14可以被配置为将光聚焦到太阳能电池7上的透镜。在这种情况下，距离12可以由收集部14的焦距确定。
图1示例性地示出了收集部14可以由菲涅耳或TIR(全内反射)透镜组成，或者包括菲涅耳或TIR(全内反射)透镜。然而，收集部14也可以包括非聚焦光学器件，并且入射光4在太阳能电池上的聚集通过另外元件来进行。
光学透光元件1的第二部分用作对准控制部16。对准控制部16将入射光4的一部分聚焦到与太阳能电池7间隔开的聚焦区域17上，或者如果收集部14包括聚焦光学器件，则从收集部14的聚焦区域18聚焦。通常，太阳能电池7和聚焦区域18一致。对准控制部16实际上可以包括多个断开区域。
根据对准控制部16的配置，聚焦区域17可以是单个相干区域，或者可以包括多个断开区域。在后一种情况下，构成聚焦区域17的断开区域中的每一个可以与对准控制部16的相应断开区域相关联。可选地，对准控制部16的断开区域的子集可以聚焦在聚焦区域17的同一区域上。图2示出了与左上角的对准控制部16相关联的聚焦区域17的可能位置的示例。
聚焦区域17的位置用作太阳能电池7的位置的表示。为此，聚焦区域17与太阳能电池7之间的偏移需要被很好地限定。为了实现在大量产品样品上稳定的准确偏移，对准控制部16的几何形状需要在严格的公差范围内，这需要精确的制造。
光学收集元件1能够采集的能量的量由入射光4通过的有效区域19的尺寸来确定。该尺寸确定了收集部14的孔径。为了不损害来自入射光4的能量收集，对准控制部16仅占据少量的有效区域19，优选地小于该区域的1/10，或者对准控制部16可以被全部或部分设置在有效区域19的外部。
为了说明的目的，图1仅示出了对准控制部16的聚焦区域17在入射光4的方向上位于对准控制部16的正下方，使得对准控制部16的光轴20平行于收集部的光轴(21)。
然而，在其他实施方式中，对准控制部16的光轴20的方向可以偏离收集部14的光轴21的方向，如图1中的点划线20a和20b所例示的。如果对准控制部14的聚焦区域17应该被定位在特定位置以例如实现更好的可见度，则这可能是必要的。
聚焦区域17位于太阳能电池7的外部，例如，或者如由附图标记17a所指示的在背玻璃板11上，或者如由附图标记17b所指示的在散热器9上。如果玻璃板11具有一些透明性，则可以从前玻璃板5的边缘或者从背面10观察背玻璃板11上的聚焦区域17a。散热器上的聚焦区域17b可以通过使用内部镜子从正面的边缘或从背面看向组件2来观察。
通过借助于对准控制部16使入射光4的一小部分转移到第二聚焦区域17上，极大地促进了光学透光元件1相对于太阳能电池7的对准。如果对准控制部16的光聚焦在目标区23中，则该对准是精确的，该目标区23可以被可视地标记。目标区23的形状可以与第二聚焦区域17的形状对应，以促进对准过程。例如，第二聚焦区域可以是具有内部部分的环形，所述内部部分被调整尺寸为容纳太阳能电池7。这种内部部分可以不被对准控制部16照亮，但仍然被收集部14照亮。在这种情况下，目标区23可以是围绕太阳能电池7延伸的环。再次，如果第二聚焦区域17和目标区23重叠(collapse)，则实现对准。
为了在制造期间对准，包括太阳能电池7以及散热器9和背板11中的至少一个的后部组件必须相对于光学透光元件1移动，直到对准控制部16的聚焦区域17与目标区23一致为止。在初始跟踪器对准时，组件2必须朝向入射光4倾斜，直到聚焦区域17撞击到目标区23为止。在收集部14包括非聚焦光学器件或者聚焦区域18被另外元件(例如，如上面所指出的二次光学器件)覆盖时，对准控制甚至起作用。
另外，聚焦区域17可以促进自动跟踪(例如，通过将光敏传感器阵列(未示出)放置在目标区23中)。聚焦区域17的任何移动因此可以被传感器自动检测到，并被控制设备使用以驱动跟踪器机构。
光学透光元件1和/或收集部14和/或对准控制部16包括光学元件，所述光学元件组合产生针对光学透光元件1、收集部14和/或对准控制部16所期望的光学效应。如果例如光学透光元件1、收集部14和/或对准控制部16被形成为菲涅耳或TIR透镜，则光学元件是一个或多个棱镜24，所述棱镜24可以是环形或环形部分。棱镜24可以被精确切割。
具体地，对准控制部16可以包括至少一个棱镜24。为了聚焦区域17的良好可见度，可能需要1到10个棱镜。
对准控制部16或其至少一个棱镜24可以形成相对于由收集部14形成的透镜同心或偏心的透镜。
如果对准控制部16包括至少一个棱镜24，则斜率优选地大于或等于0°，并且显著小于收集部14的相邻的有效棱镜24的角度。0°的角度导致平行于入射光4的方向22的光轴20。
如果角度大于0°，或者在对准控制部16中使用偏离入射光22的方向的光轴20a，20b，则优选例如通过将对准控制部16细分成对称分布的子部分而使用对准控制部16的对称布置。
图2示出了图1的太阳能组件2的正面3上的平面图。
从图2可以看出，具有倾斜的光轴20a、20b(图1)的对准控制部16的聚焦区域17的位置是温度相关的。随着温度的变化，聚焦区域17a从其原始位置17a位移到另一个位置17'a。类似地，聚焦区域17b可以在温度改变时位移到位置17'b。
从图2中可以进一步看出，光学透光元件1或其有效区域19可以分别是多边形形状，特别是矩形。如果有效区域19是多边形，则对准控制部16可以位于有效区域19的周界25处(例如，在角部26处)。在所示的实施方式中，对准控制部16包括位于所有四个角部26中的离散的三角形区域。该实施方式的变型可以包括较少的区域，例如，只有一个、两个或三个角部。所有区域将其光聚焦到聚焦区域17上。
在另一个另选替代方案中，如图2所示的太阳能组件2可以具有每太阳能电池7多于一个的聚焦区域17。如果对准控制部16将光聚焦到两个或更多个聚焦区域17上，则可以实现这一点。例如，每对两个对角相对的角区域可以具有分离的聚焦区域17。
图3指示了如何可以形成相对于收集部14的偏心透镜形式的对准控制部16：对准控制部16由环形的(优选为圆形的)聚焦透镜27与光学透光元件1的交叉部产生。产生对准控制部16的这种交叉部可导致光学透光元件1的角部处的均匀分布的部分。如果环形透镜27由如图1所示的收集部14的棱镜24之后的像菲涅耳或TIR棱镜24的一系列环形或环形截面实现，则是这种情况。然而，通过从由棱镜24形成的结构30切出光学透光元件1，限定收集部14的内部部分和限制对准控制部16的外部部分、透镜27的中心28(即，对准控制部16)也可以相对于有效区域19的几何中心29偏移。由于中心28的偏移，一些角部26比其他角部26被提供有更大面积的对准控制部16，一些角部26甚至可能没有对准控制部16。这可以用于增加收集部14相对于光学透光元件1的有效面积。另选地或附加地，对于偏移，透镜27的光轴20(图1)可以相对于收集部14的光轴21倾斜。
因此，对准控制部16由光学透光元件1的改进结构产生(例如，通过元件1的表面的角度或棱镜24的角度的突变)。
通过将对准控制部16限制到周界和/或角部26，确保了入射光4的主要部分可以直接穿过光学透光元件1到太阳能电池7，并且收集部14的孔径不会过度地受损。
在太阳能组件2中，多个太阳能电池7和相应的收集部14可以被组合成阵列。在这种情况下，可以为每个太阳能电池7设置一个收集部14。光学透光元件1可以包括单个收集部14，或者多个收集部14可以单片地或者通过使用框架(未示出)将多个分离的收集部14安装在一起，来组合成单个光学透光元件1。
如果多个光学透光元件1并排地平铺在一起以形成阵列，则各个对准控制部16可以在如图4所示的角部处相遇。如果使用偏心透镜，则每个角部26中的棱镜24的实际数量根据例如如图3所说明的对准控制部28的几何中心的偏移而改变。
作为图4所示实施方式的变型，在角部26处相遇的对准控制部16可以不属于多个单独的透镜，而是以组合形成以邻接角部的尖端为中心的透镜。为此，图4中所示的棱镜24的曲率可以被反向，使得形成围绕角部的尖端的同心圆。
在图4的实施方式中，对准控制部16的结构位于每个角部中的有效区域19的孔径中。这可能会导致能量损失。如果对准控制部分16不被对称地设置，而是如图3所示那样偏移，使得一些角部不具有对准控制部16，则这种能量损失可能降低。
图5示出了太阳能组件2，该太阳能组件2包括多个收集区域14。收集区域14被平铺以形成阵列。每个收集部14可以被设置有对准控制部16。这可以用于每个太阳能电池7及其相关收集部14的单独对准。每个对准控制部16形成光学元件，该光学元件具有其自己的光轴20(图2)和其自身的聚焦区域17。
如果对准控制部16部分地或完全地位于有效区域19的周界25的外部，则能量损失可以降低。图6示出示了这种布置。对准控制部16可以再次位于角部26处或沿着周界25的另一部分。对准控制部16不是三角形区域，而在一个或更多个角部26处沿着周界25条状地延伸。对准控制部16还可以形成环绕单个收集部14或多个收集部14的框架。
然而，如果多个收集部14在紧密公差内系统地刚性结合，则较少数量的对准控制部16可能就足够了。例如，如果多个收集部14被单片地组合，则该组合被提供有仅一个或两个对准控制部16可能就足够了。这种实施方式在图7中示例性地示出，其中，对准控制部16被布置在组合孔径的外部在或者收集部14的阵列的周界25的外部。
如图7所示例性地示出的，太阳能组件2可以包括跟踪器设备30，该跟踪器设备30适于将光学透光元件1或整个太阳能组件2朝向入射光4移动。后者设备可以通过聚焦区域17距目标区23的位置的偏差来控制。为了获取该偏差，光敏传感器31(图1)可以位于目标区23处和/或目标区23周围。
尽管已经示出了对准控制部16位于上述区域中的角部26处，但是通过修改针对有效区域19中的一个或更多个位置处的收集部所设置的结构，对准控制部16位于有效区域内也是可能的。例如，对准控制部16可以包括位于有效区域19内的外透镜27，收集部14邻接在透镜27的外侧周界和内侧周界上。
附图标记
1 光学透光元件
2 太阳能组件
3 正面
4 入射光/太阳光
5 玻璃板
6 玻璃板的内侧
7 太阳能电池
8 板
9 散热器
10 背面
11 背玻璃板
12 距离
13 体积
14 收集部
15 光锥
16 对准控制部
17、17a、17’a、17b、17’b 对准控制部的聚焦区域
18 收集部的聚焦区域
19 有效区域
20、20a、20b 对准控制部的光轴
21 收集部的光轴
22 入射光的方向
23 目标区
24 形成透光元件1的最小元件(例如，棱镜)
25 周界
26 角部
27 透镜
28 对准控制部16的几何中心
29 有效区域19的几何中心
30 跟踪器设备
31 光敏传感器

Claims (11)

1.一种光学透光元件(1)，所述光学透光元件(1)用于具有至少一个太阳能电池(7)的太阳能组件(2)，所述光学透光元件(1)包括用于将太阳光(4)引导到所述太阳能电池(7)上的至少一个收集部(14)，其特征在于，所述光学透光元件(1)还包括至少一个对准控制部(16)，所述至少一个对准控制部(16)用于将太阳光(4)聚集到聚焦区域(17)上，所述对准控制部(16)的所述聚焦区域(17)与所述至少一个太阳能电池(7)间隔开，并且所述对准控制部(16)是通过对所述收集部(14)的结构进行修改而形成的。
2.根据权利要求1所述的光学透光元件(1)，其特征在于，所述对准控制部(16)的光轴(20)相对于所述收集部(14)的光轴(21)在方向和位置中的至少一个上移位。
3.根据权利要求1或2所述的光学透光元件(1)，其特征在于，所述收集部(14)的表面积与所述对准控制部(16)的表面积的比为至少10:1。
4.根据权利要求1或2所述的光学透光元件(1)，其特征在于，所述光学透光元件(1)是多边形的，并且，所述对准控制部(16)至少位于一个角部(26)处。
5.根据权利要求1或2所述的光学透光元件(1)，其特征在于，所述至少一个收集部(14)被包括在周界(25)内，并且，所述对准控制部(16)位于所述周界(25)处。
6.根据权利要求1或2所述的光学透光元件(1)，其特征在于，所述对准控制部(16)包括至少一个棱镜(24)。
7.根据权利要求1或2所述的光学透光元件(1)，其特征在于，所述光学透光元件(1)包括收集部(14)的阵列，并且，至少两个对准控制部(16)被设置在至少两个收集部(14)之间。
8.根据权利要求7所述的光学透光元件(1)，其特征在于，所述聚焦区域(17)从所述太阳能组件(2)的正面(3)和背面(10)中的至少一个是可见的。
9.根据权利要求7或8所述的光学透光元件(1)，其特征在于，所述太阳能组件(2)还包括跟踪器设备(30)，所述跟踪器设备(30)适于将所述光学透光元件(1)或整个太阳能组件(2)定向为朝向太阳光(4)，所述跟踪器设备(30)适于根据所述聚焦区域(17)的位置与相对于所述太阳能电池(7)固定的目标区(23)的位置之间的偏差而使所述光学透光元件(1)或整个太阳能组件(2)倾斜。
10.一种用于对准太阳能组件(2)的方法，该太阳能组件(2)包括根据权利要求1至6中任一项所述的光学透光元件(1)，所述方法包括以下步骤：将光聚焦在聚焦区域(17)上，所述聚焦区域(17)与所述太阳能电池(7)间隔开；以及调整所述太阳能电池(7)和所述收集部(14)的位置中的至少一个，直到所述聚焦区域(17)位于预定目标区(23)处为止，所述预定目标区(23)与所述太阳能电池(7)间隔开。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述太阳能组件(2)根据所述目标区(23)的位置与所述聚焦区域(17)的位置之间的偏差来跟踪太阳光(4)。
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