CN1780136A - 使同光漏斗反射法在地球上实现数倍聚光的太阳能光伏电池发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用光漏斗的方法达到一次反射的均匀的数倍聚光而提高普通的太阳能光伏电池的输出功率的发电装置，其装置由多个发电单元9组成。每个发电单元由反射镜面1组成的光漏斗、光伏电池2、层压胶膜3、金属电路板5和散热片7组成。所述光漏斗是一种利用反射将太阳光折叠在相同投射表面的八面体装置。发电单元结合在地球表面的跟踪装置将使全部反射光落在光电池的表面。在跟踪方面，只要装置的位置能够朝向本发明提出的方位，本发明中所使用的准单轴太阳跟踪是节省制造成本的另外一种措施。数倍太阳光强在光伏电池表面所形成的过热可以通过光电池2与金属电路板5的直接层压以及大面积的金属电路板5与散热片7直接通过空气散热。

Description

使同光漏斗反射法在地球上实现数倍聚光的太阳能光伏电池发电装置

技术领域：

本发明涉及太阳能光伏发电的装置。用于小型独立及大型联网光伏发电方面。

背景技术：

光伏电池可以在相当高的光强条件下工作，以此原理而制造成功的高聚光电池已经有近十年的商品化历史。这些电池可以在三百个或更高倍太阳光强的条件下工作而具有相当高的光电转换效率(25％-36％)。然而这种高集中度的光伏电池需要昂贵的半导体材料(铟化镓或区熔提纯高纯度硅等等)，需要复杂的工艺过程如IBC，III-V技术等，在使用中需要更苛刻的冷却条件等等。而在另一方面，经过多位研究者的工作(M.Hackmann et al.，SolarEnergy materials & Solar Cells，84，2004，p105)，特别是从硅电池的光电转化效率与温度的关系的系统的测试结果来看，可以得出结论，一般的用于一亇太阳光强的光伏电池的确可以在几个太阳光强的条件下工作而不明显地降低光电效率和工作寿命。这样的基础研究，由于其明显的经济效益，已经导致小量的工业化的进展。我们见到的报导，包括两年前德国ZSW(29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，May 2002)使用的V型的使太阳辐照强度增加一倍的40KW的发电装置，Falbel等(US专利6,034,319)也发明了四边形的聚光器使太阳辐照强度增加一倍多的使用铟化镓光电池的轻型发电装置以用于空间卫星等等。

应用反射法于多个太阳集中光强的光伏电池的主要优点在于光强的均匀性，这是因为当入射光为平行光的情况下，平面反射镜的效果是十分均匀的。然而反射法的缺点是聚光比的有限性。数学可以证明，在图1.1的单面反射的情况下，聚光比极限为2；在图1.2的双面V型反射的情况下，聚光比极限为3(实际上，ZSW用到了2)；在图1.3的四面反射的情况下，聚光比极限为5(实际上，Falbel等人用到2.36)。以上所给出的极限聚光比是假设入射光为平行光，并且假设镜面反射率为1，并且反射镜面的长度可以为无限长；这在实际中是达不到的。这可以觧释以上所举例的工作仅使用了大约二倍集光的原因，然而二倍的太阳光强仅节省50％的硅电池面积，经济效益并不明显。

要用反射的方法突破最高3倍太阳光强的限制，必然需要用到两维折叠太阳光的反射装置不但其装置比较复杂，更需要昂贵的双轴太阳跟踪(Fabel等人不使用跟踪，其结果是集光效率的降低，而且他们所使用的四面体反射聚光器不可能实现一次均匀反射于光电池面上)。以此而增加的成本，使反射型的数倍集中的太阳光电池发电装置传统的方案不能得到广泛应用。

透射聚光是实现较高倍数(譬如讲，3-7倍)的一亇途径。在这方面的进展由于菲涅尔透镜的大量生产而降低下来的成本而十分引人注目。然而从技术的角度看来，相比于反射法，透射聚光的光强均匀性还是比较低的，从工业化的角度着来，特制透镜的成本的降低速度仍然赶不上高反射率的平面镜。

发明内容：

我们所发明的数倍集中的太阳能光伏电池发电装置由多个发电单元的电流串联或并联而成。每个发电单元主要由光漏斗、层压材料、光电池板、电路板及散热片组成。图2是多个太阳光强的光伏电池的发电装置示意图，在一个准单轴跟踪的平台10上合理地放置多个由光漏斗组成的太阳光折叠器，光漏斗的中央部分放置一片太阳能光伏电池。光伏电池的面积是整个光漏斗的集光面积的1/4至1/5，以达到节省晶体的目的。

光漏斗是八面体的光反射器，可以将平行的太阳光在二维情况下折叠实现一次反射并达到在光伏电池表面上的均匀的聚光。这种光漏斗对平行光的的极限聚光比为7倍，比较实际的是四到五倍的太阳集中度。4倍以上的太阳光强的集中对光电池产生的过热可以通过本发明所提出的光电池与金属电路板的直接层压法解决。

图3表示光漏斗的剖面图，图中a是光伏电池的尺寸，l是反射镜的长度，φ是反射镜与光伏电池表平面的角度。在实现一次反射并且反射光全部落入光伏电池表面的条件下，其设计公式为

$\mathrm{\φ}=\arccos \left[\frac{\sqrt{1^2+{8a}^2}-1}{4a}\right]---\left(1\right)$

在我们发明的数倍集中的太阳能光伏电池发电装置，尽管采用了高于3倍的聚光，其跟踪方法是准一维的，其日跟踪轴朝南北方向，跟踪当天太阳；年跟踪轴朝东西方向，随太阳偏转的高低角变化。日跟踪是时钟速率，自动跟踪；年跟踪可用手动调节。以此达到降低成本的目的。4倍以上的太阳光强的集中使光电池产生的过热可以通过本发明所提出的光电池与金属电路板板的直接层压法解决，光伏电池与金属电路板有充分的接触以保证散热。

附图说明：

图1.1是单面反射示意图

图1.2是双面反射示意图

图1.3是四面反射示意图

图2是使同光漏斗反射法在地球上实现数倍聚光的太阳能光伏电池发电装置的示意图

图3是八面体光漏斗的剖视图

图4是发电单元的结构图

图中：反射面1太阳能电池2防护玻璃3胶膜4电路板5导电片6散热片7金属罩8发电单元9准单轴跟踪平台10

具体实施方案：

下面结合图4对数倍集中的太阳光伏电池发电装置的单元作进一步描述：

在图4中，防护玻璃3是由透光率好的硬化或钢化玻璃制成，起到防水、防尘以及防外来硬物冲击的作用。如上所述的八个反射镜面1组成八面体的光漏斗将入射的太阳光一次并且均匀地投射在太阳能光伏电池2上。由于反射镜面1一般采用较薄的玻璃镜子，金属罩8围成一个封闭的八面体防护以保证光漏斗不易受到外来的损害。EVA/PVB胶膜4是用层压机将太阳能电池2直接密封在金属电路板5上。导电片6由大片铜片制成以允许四倍于光伏电池的正常电流的电流通过。为了使光伏电池能充分散热，光电池的背面是同金属制的电路板5直接接触的。电路板5背后的散热片7是为了进一步保证太阳能电池在数倍光强的工作条件下的温度不致于过高而影响到光伏特性的充满因子。

Claims (6)

1.一种使用太阳能光伏电池的发电装置，其装置采用了本发明所描述的光漏斗实现数倍聚光，数倍聚集的均匀的太阳光投射在光伏电池表面产生电流输出，所产生的过热由本发明所描述的光伏电池与金属电路板的直接层压方法通过空气冷却消除。

2.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池的发电装置，其特征在于，所述的光漏斗最少由八面镀银反射镜组成，反射镜在实现一次反射并且反射光全部落入光伏电池表面的条件下，其设计公式由本专利描述中的公式(1)决定。

3.根据权利要求2所述的最少由八面镜片组成的光漏斗，其特征是全部反射镜或反射镜中的一部分，在实现一次反射并且反射光全部落入光伏电池表面的条件下，其设计公式由本专利描述中的公式(1)决定，其长度及相对于光电池表面的角度允忍±10％的变化。

4.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池发电的装置，其特征在于，其所使用的光伏电池系一般的使用于一个太阳光强的平板式光伏电池，包括硅电池，砷化镓电池及其他平板式光电池。

5.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池的发电装置，其特征在于所使用的光伏电池使用PVB或者EVA直接层压在金属电路板上以保证有效的散热。

6.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池的发电装置，其特征在于其跟踪系统采用准单轴方式。其日跟踪轴朝南北方向，跟踪当天太阳；年跟踪轴朝东西方向，随太阳偏转角变化。日跟踪是时钟速率，自动跟踪；年跟踪可用手动调节。

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