CN1848656A - 蝶形反射聚光光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蝶形反射聚光光伏发电系统，属于太阳能利用技术领域。该系统包括太阳能电池组件阵列、安装太阳能电池组件阵列的支架和自动跟踪太阳系统，还包括平面反射镜阵列及其框架；所述反射镜阵列由至少四列反射镜组成，分成两组，向两侧伸展，呈蝶形对称安装在框架中心线两侧；所述框架与所述支架固定连接；所述太阳能电池组阵列也分成两组，对称安装在所述支架中心线两侧；每列反射镜反射的光线照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，且照射宽度与被照射的太阳能电池阵列宽度相等。本发明采用的聚光器易于制造、成本低廉，整套系统的聚光比、反射镜利用率和防风性能均有大幅度提高，可进一步提高性价比，有利于光伏发电系统的推广应用。

Description

蝶形反射聚光光伏发电系统

技术领域

本发明涉及一种光伏发电装置，特别是一种蝶形反射聚光光伏发电系统，属于太阳能利用技术领域。

背景技术

随着工业化的快速发展，地球上传统常规能源的开采和使用已经达到了高峰，资源有限性和环境污染加剧越来越制约着经济的长期稳定发展，能源结构必将发生根本性变革。这促使人类去研究开发新的替代能源。太阳能是一种极为丰富的清洁能源，地球每年接受的太阳能总量为1×10¹⁸kwh，是世界年耗总能量的一万多倍。太阳光伏发电技术能将太阳能直接转换为电能，因而是最有应用前景的太阳能利用方式之一，将成为未来基础能源的重要组成部分。近几年来，我国太阳能光伏组件产量几乎是以每年翻番的速度增长，但太阳能光伏技术开发和利用的水平不仅远低于发达国家，也落后于印度、巴西等发展中国家。尽管我国有着很好的太阳能资源和光伏电池制造能力，但是太阳能光伏产业的整体水平与发达国家还有很大的差距，一是太阳能电池所使用的晶体硅原料的生产依赖进口，原料紧缺，目前乃至今后很长一段时期成本下降的空间较小，二是太阳能光伏系统应用还很少。

常规的光伏发电系统一般是将太阳能电池固定安装，价格居高不下，难以迅速推广和普及。根据太阳能电池在一定条件下输出的电流与接受的光照强度成正比增加而又不至于影响光伏电池寿命的特性，人们开始研究采用聚光和跟踪技术，希望在获得同样电能的情况下，减少太阳能电池的用量，而增加的跟踪聚光的成本远低于所节约的太阳能电池的成本相当于用普通的金属玻璃等材料代替昂贵的半导体材料。德国、美国、西班牙、澳大利亚等国都分别开发了菲涅尔透镜聚光、反射聚光等各种聚光光伏发电系统，现有折射聚光的缺点是光强均匀性较差，透过率难以提高，制造成本较高，大型抛物面反射聚光的缺点是抛物面反射镜制造难度大，成本较高，反射镜容易破碎，机构整体防风性能差。这些均导致整套系统性价比提高不明显，使得聚光光伏发电系统的优势难以体现。到目前为止，仅有少量试验、示范性质的聚光光伏发电系统投入运行。

在申请号为200520076826.2、名称为“槽式反射聚光光伏发电系统”的发明专利中，申请人公开了一种采用普通太阳能电池和易于加工的跟踪驱动机构的槽式反射聚光光伏发电系统，具有较高的实用价值。但申请人经过进一步研究发现：上述技术方案中还存在以下不足之处：(1)聚光比较小，虽能节约50％的太阳能电池，但是经济效益还不是特别明显；(2)反射镜利用率仍不够高。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中存在的不足之处，提出一种采用易于制造、成本低廉的聚光器，可提高聚光比、反射镜利用率和防风性能的蝶形反射聚光光伏发电系统，从而进一步提高其性价比。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种蝶形反射聚光光伏发电系统，包括太阳能电池组件阵列、安装太阳能电池组件阵列的支架和自动跟踪太阳系统，所述自动跟踪太阳系统主要由驱动太阳能电池组件阵列及其支架运动的驱动机构、控制驱动机构运动的跟踪控制电路、向跟踪控制电路输送信号的太阳光传感器组成，其改进之处在于：还包括平面反射镜阵列及其框架；所述反射镜阵列由至少四列反射镜组成，分成两组，向两侧伸展，呈蝶形对称安装在框架中心线两侧；所述框架与所述支架固定连接；所述太阳能电池组阵列也分成两组，对称安装在所述支架中心线两侧；每列反射镜反射的光线照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，且照射宽度与被照射的太阳能电池阵列宽度相等。

本发明没有采用菲涅尔透镜、抛物面反射镜等制造难度较大的聚光镜，而是采用常见的平面反射镜，通过巧妙的结构设计，使得每列反射镜反射的光线都均匀地照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，照射光线的宽度与该太阳能电池阵列的宽度相等，从而实现聚光功能，具有制造简单、价格低廉的显著优点。

此外，已有技术中的两组太阳能电池组件阵列平行并排放置，反射镜阵列需要有较大的曲度，因而反射镜的利用率较低。而本发明中的两组太阳能电池组件阵列对称安装在支架中心线两侧，呈一定的夹角(0-180°)，使反射镜阵列曲度减小，理论上充分利用的反光面，因此提高了反射镜的利用率。

这样，与固定式光伏发电系统相比，本发明通过采用易于制造、成本低廉的聚光器跟踪太阳，增加了太阳能电池所接受的太阳光照射强度，在获得同样电能的情况下，太阳能电池的用量仅为固定式光伏发电系统的几分之一，而增加的跟踪聚光机构的成本远低于所节约的太阳能电池的成本，因此显著降低了总体成本，提高了性价比。

值得一提的是：本发明的蝶形反射聚光光伏发电系统中，反射镜阵列分成两组，对称安装在框架中心线两侧，形同蝶翼，不仅工整美观，而且其框架支架结构自然留出较大穿风空档，反射镜阵列也形成适当缝隙，显著增强了系统的抗风性能。另外，由于太阳能电池组件被照射面朝下安置，因此可以避免灰尘、鸟粪等污物在被照射面上堆积，不会形成热斑，从而避免出现热岛效应，可延长太阳能电池组件的寿命。换言之，可发更多的电，产生更大的经济效益。

总之，与现有技术方案相比，本发明以十分合理的结构设计，实现了聚光器结易于制造、成本低廉的目的，并且整套系统的聚光比、反射镜利用率和防风性能均有大幅度提高，可进一步提高性价比，有利于光伏发电系统的推广应用。

附图说明

下面结合附图和典型实施例对本发明做进一步说明。

图1为本发明的实施例一的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为图1实施例的立体结构示意图。

图4为图1实施例的支撑机构示意图。

图5为本发明的光学原理示意图。

图6为图1实施例的集成系统结构示意图。

图7为本发明实施例二的结构示意图。

图8为图7实施例的方位角跟踪机构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2、图3所示，本实施例的蝶形反射聚光光伏发电系统包括太阳能电池组件阵列1、安装太阳能电池组件阵列1的支架2和自动跟踪太阳系统。所述自动跟踪太阳系统主要由驱动太阳能电池组件阵列1及其支架2运动的驱动机构3、控制驱动机构3运动的跟踪控制电路、向跟踪控制电路输送信号的太阳光传感器组成(相关内容在本专利申请人以前已经公开的有关专利申请中有详细介绍，不另赘述)。此外，还包括平面反射镜阵列4及其框架5；所述反射镜阵列4由至少四列反射镜组成，分成两组，向两侧伸展，呈蝶形对称安装在框架5中心线两侧。框架5与支架2固定连接；太阳能电池组阵列1也分成两组，对称安装在支架2中心线两侧(参见图5)；每列反射镜反射的光线照射到对应一侧的太阳能电池阵列1上，且照射宽度与被照射的太阳能电池阵列1宽度相等。

为了使得每列反射镜反射的光线照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，且照射光线的宽度与该太阳能电池阵列的宽度相等，在框架5根据几何计算制成特定形状的基础上，必要时，反射镜角度应当可以调整。

如图2所示，本实施例的系统中还包括安装架12，太阳能电池阵列1及其支架2、反射镜阵列4及其框架5组成的聚光太阳能电池部件通过主轴6铰支在安装架12两端，该主轴与驱动机构3衔接，具体铰支结构如图4所示，主轴6由安置在安装架12上的两个支撑轮10支撑，并由一个通过弹簧安置在安装架12上方的压轮11压持，主轴6可在压轮11与两个支撑轮10之间自如转动。驱动机构3采用蜗轮蜗杆副，包括受控于跟踪控制电路的电机7、与电机输出轴连接的减速器8，减速器8采用蜗轮蜗杆减速器，其输出端与主轴6传动连接(除蜗轮蜗杆副驱动外，也可以采用丝杆螺母传动、同步带轮传动、齿轮传动、摩擦轮传动等其它传动形式，具体设计时可根据实际情况加以选择)，从而实现驱动聚光太阳能电池部件跟踪太阳转动的目的。

如图5所示，本实施例的两组太阳能电池组件的夹角可在0°——180°的范围根据需要确定。例如120°、90°、30°……等，总之只要“保证照射宽度”与“被照射宽度”相等即可。聚光比也可以根据电池的性能特点和具体结构形式确定为3.9、5、5.7等。具体应用时，两组太阳能电池组件的夹角和聚光比可通过实验确定最佳匹配参数。

研究证明，在低倍聚光时，太阳能电池的发电量与接受的光强成正比，而且不会产生明显的温度上升，不会影响发电效率和电池寿命。如果聚光比较大，则应考虑在电池背部增加水冷等主动冷却方式，这样可以获得电能和热水双重受益。

申请号为200520076826.2、名称为“槽式反射聚光光伏发电系统”的专利中提到，其反射镜的利用率为50％，采用本发明的技术方案，以聚光比5.7为例，反射镜利用率可达80％以上，显然，不仅聚光比大幅增加，而且反射镜的利用率也大大提高。

本发明可以采用一维跟踪太阳，也可以二维跟踪太阳。当一维跟踪太阳时，既可以东西放置，跟踪太阳的高度角；也可以南北放置，跟踪太阳的方位角。本实施例采用一维跟踪太阳方案，东西放置，跟踪太阳的高度角变化。具体的跟踪控制是这样实现的：在阴雨天气情况下，通过程序计算粗略跟踪，大致对准太阳；当有太阳时，根据太阳光传感器的信号确定太阳的位置，从而通过控制电路控制驱动机构，带动反射镜阵列运动，准确跟踪太阳。

如图1所示，为了防止整套系统、特别是聚光太阳能电池部件被台风损坏，本实施例中还含有防台风拉绳9，该拉绳的一端连接框架5，另一端固定在地面或建筑物上。

本实施例的玻璃反射镜受光口径与太阳能电池阵列的宽度之比为5.7∶1，按照90％的反射效率计算，光强聚光比为5.13∶1。这样，若普通平板固定式光伏发电系统的峰值发电功率为100kW，使用光电转换效率为16％的太阳能电池面积为625平方米，本实施例的反射聚光光伏发电系统在产生同样电能的情况下，太阳能电池用量为122平方米，仅为普通平板固定式光伏发电系统的1/5.13，显然节约了大量的半导体材料，而增加的聚光跟踪部件的成本在规模化生产时仅为所节约的太阳能电池的1/3，明显提高了系统的性能价格比。

在一套系统当中，可将聚光太阳能电池部件进行串联或者并联，也可以先串联再并联，或者并联后再串联，构成一套发电功率较大的系统，系统性价比可进一步提高，规模化效益更加明显。图6仅显示了一排串联的聚光太阳能电池部件，实际上可以放置多排，此时一套跟踪控制电路和一套驱动机构就可以带动众多的聚光太阳能电池部件，从而有利于进一步降低整体制造成本(具体情况可以参阅申请号为200520076826.2、名称为“槽式反射聚光光伏发电系统”的专利申请)。

实施例二

本实施例的蝶形反射聚光光伏发电系统如图7所示，与实施例一的基本结构相同，主要区别在于：

(1)主轴6通过轴承铰支在安装架12上；

(2)采用二维跟踪太阳，还包括一套方位角跟踪机构，该方位角跟踪机构包括三个连接安装架12底部的滚轮13和一个主动轮14。主动轮通过减速器8与电机7衔接(参见图8)。高度角跟踪机构安装在方位角跟踪机构之上，这样构成的二维跟踪太阳的蝶形反射聚光光伏发电系统可以通过东西和南北二维跟踪机构的复合运动，更准确的跟踪太阳。

具体设计时，根据实际情况决定采用何种支撑方式，通常系统整体结构较长时，宜采取一维跟踪太阳的形式；而系统整体结构较短时则可以考虑采用二位跟踪机构，以避免太阳能电池组件始终受到阳光照射。当然，如果将反射镜阵列做得足够长，即使系统整体结构较短，也可以采用一维跟踪太阳的方式。

Claims (8)

1.一种蝶形反射聚光光伏发电系统，包括太阳能电池组件阵列、安装太阳能电池组件阵列的支架和自动跟踪太阳系统，所述自动跟踪太阳系统主要由驱动太阳能电池组件阵列及其支架运动的驱动机构、控制驱动机构运动的跟踪控制电路、向跟踪控制电路输送信号的太阳光传感器组成，其特征在于：还包括平面反射镜阵列及其框架；所述反射镜阵列由至少四列反射镜组成，分成两组，向两侧伸展，呈蝶形对称安装在框架中心线两侧；所述框架与所述支架固定连接；所述太阳能电池组阵列也分成两组，对称安装在所述支架中心线两侧；每列反射镜反射的光线照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，且照射宽度与被照射的太阳能电池阵列宽度相等。

2.根据权利要求1所述的蝶形反射聚光光伏发电系统，其特征在于：还包括安装架，所述太阳能电池阵列及其支架、反射镜阵列及其框架组成的聚光太阳能电池部件通过主轴铰支在安装架两端，所述主轴与驱动机构衔接。

3.根据权利要求2所述的反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述主轴铰支处由安置在安装架上的两个支撑轮支撑，并由一个通过弹簧安置在安装架上方的压轮压持，主轴可在压轮与两个支撑轮之间转动。

4.根据权利要求2所述的蝶形反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述主轴通过轴承铰支在安装架上。

5.根据权利要求3或4所述的蝶形反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述驱动机构包括受控于跟踪控制电路的电机、与电机输出轴连接的减速器，减速器输出端与主轴连接，构成高度角跟踪机构。

6.根据权利要求5所述的蝶形反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述驱动机构还包括方位角跟踪机构，所述方位角跟踪机构由安装架及其底部的滚轮构成，所述滚轮之一为主动轮，所述主动轮通过减速器与受控于跟踪控制电路的第二电机传动衔接，所述高度角跟踪机构安装在方位角跟踪机构之上。

7.根据权利要求6所述的蝶形反射聚光光伏发电系统，其特征在于：还含有防台风拉绳，所述拉绳的一端连接框架，另一端固定在地面或建筑物上。

8.根据权利要求7所述的蝶形反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述聚光太阳能电池部件有二个以上，相互串联或者并联。

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