CN201303294Y - 一种全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，解决了现有技术太阳能发电装置均匀集光效率低、成本高、结构复杂、输出电压不稳定的技术问题。包括光伏电池组件、反射镜面组件以及支撑组件，支撑组件包括太阳跟踪装置，光伏电池组件包括电池支架以及固定在电池支架上端的矩形光伏电池组件；反射镜面组件包括对称分布在电池支架下端外围的四个反射镜面组。整个光伏电池表面的受光均匀。具有集光效率高，成本低，结构简单，低耗能、低污染，易清洁的优点。

Description

一种全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能发电装置，尤其涉及一种反射式均匀、高倍集光的太阳能发电装置。

背景技术

太阳能具有分布密度低、光强随气候和时间变化剧烈，随机性大，光伏器件光电转换效率低等特点，从而导致了太阳能利用成本一直居高不下，使得昂贵的价格制约着太阳能的大规模使用。在太阳能光伏发电成本构成中，太阳电池组件约占50％比重，逆变电源、蓄电池约20～30％，安装费用在20～30％。以目前占市场份额90％的硅太阳能电池为例，单晶和多晶硅价格近年迅速攀升。

目前，生产和实际应用中的单晶硅基片太阳能的光电转换效率通常小于20％，在实验室条件下最高达到了24％。采用集光手段，设计聚光装置，通过聚光和反射等方式增加太阳能电池板单位面积的光辐照强度，进而提高太阳能电池板单位面积的发电功率，是目前提高单位面积光伏器件发电效益、节约紧张的光伏电池组件资源、降低成本最有前途的方法，在光伏电池响应线性范围内，光强提高几倍，输出的发电功率就增加几倍。为获得更高发电效率，增加光伏电池表面光强的方法是聚焦和反射式集光，而这些集光方法均建立在太阳自动跟踪装置的基础之上。目前的集光方式主要包括抛物镜(曲面镜)面聚焦集光和平面镜反射集光两种。抛物镜面聚焦集光的最大弱点是到达光伏电池的光强均匀性较差，导致电池芯片表面温度不均匀和局部高温，而平面镜反射集光在反射光照射范围内没有汇聚焦点，可以实现均匀集光，采用多镜面反射时，光伏电池表面某一点的光强为各镜面反射到该点的光强的叠加。只有每一面反射镜的反射光都完全覆盖电池板，才能实现整个镜面光强的均匀性。因而如何获得完全均匀的高倍数集光效率是技术关键和难题。不过，这两种集光方法实际上都是设法将光伏电池元件周围的太阳光线汇集到太阳能电池板的辐照灵敏面上，使得在同样的太阳光照条件下单位面积光伏电池元件产生更多的电能，从而提高单位面积的发电功率和发电效益。

基于太阳自动跟踪系统研发高倍集光发电装置，提高太阳能发电效益，国内外已有许多尝试。通过抛物镜面聚焦集光，比如利用菲涅尔透镜实现3～7倍的聚光，但透镜汇聚阳光的光强均匀性差；通过平面反射实现阳光汇聚，典型的有德国ZSW公司的V型聚光器实现了2倍聚光，美国的Falbel的四面体的聚光器实现了2.36倍聚光。中国科技大学陈应天教授的聚光系统，可以使照射在太阳能电池板上的辐射强度提高近4倍，北京天羿洁源科技发展有限公司发明了3倍聚光的装置。澳大利亚的聚光装置甚至达到了500倍以上，采用了曲面镜汇聚方式。

目前，虽然基于太阳能自动跟踪系统的光伏发电聚光、集光方法取得了很大进展，但还没有推广应用，显示出在某些方面还不能完全满足低成本光伏发电技术发展的需要。主要存在如下需要改进的元素：

(一)、聚光本身的不足，包括：A.对于抛物面透镜集光，汇聚点光强均匀性差，电池表面温度不平衡，容易出现局部高温，降低温度的技术手段尚不成熟，未见商业化；B.平面镜镜面反射集光其聚光效率还不够理想，获得高强度、完全均匀光束的集光困难。陈应天教授建立了独特的聚光理论，采用光折叠方式研制的聚光装置，汇聚获得的太阳光辐照强度为太阳光自然辐照强度的4倍，在早上7-11点，下午4-8点时间段太阳光辐射强度相对较弱的时刻，高的集光效率有利于光伏电池获得稳定发电的发电效益。但更高倍数的均匀集光方法和装置目前尚未见报道，实际上，目前研制的聚光型光伏电池元件可以承受10倍甚至更高的光强辐照；C.聚光系统结构较为复杂，器件加工精度要求较高。澳大利亚新型聚光太阳能光伏发电装置结构复杂，加工精度要求很高。中国科大研制的近4倍聚光的光伏发电装置，采用光线折叠方法和技术，光通过多次反射汇集在“漏斗型”底部的光伏电池表面，显然，其集光过程不是一次性实现，光路相对复杂，器件加工、安装要求教高。探寻更为简单的平面反射集光结构，更高的集光效率成为本发明研究和解决的课题。

(二)、光伏电池发电通常只是单面受光，单面灵敏。日本人虽然研制了双面灵敏光伏电池元件，但在一面全部受光发电的前提下，另一面只能靠周围漫射光发电，其光伏效益只能发挥很少一部分。如何最大限度发挥双面灵敏的光伏电池光电效率，需寻找新的光学结构和光伏电池辐照发电方法，充分发挥双面光伏器件的潜在效益也是进一步研究和解决的课题。

(三)、光照不均匀，容易产生电压波动。中国专利ZL2006200069981.6提出了一种“光伏电池电量多倍增量器”，其采用了由多块反射面组成的反射盘将太阳光反射，使反射焦点分布在光伏电池的受光面上。具有焦点的聚光显然不是采用平面镜反射集光。但是，其采用反射盘的分布结构，利用抛物面反射的原理将太阳光聚焦在光伏电池上的方法，可导致光伏电池表面光辐照强度不均匀，不均匀受照容易导致输出电压不稳定。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种集光效率高、成本低、结构简单、电压稳定的全覆盖反射式高倍均匀集光光伏发电装置，其解决了现有技术太阳能发电装置均匀集光效率低、成本高、结构复杂、输出电压不稳定的技术问题。

本实用新型的技术解决方案为：

一种全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，包括光伏电池组件、反射镜面组件以及支撑组件，所述支撑组件包括太阳跟踪装置，其特殊之处是：所述光伏电池组件包括电池支架以及固定在电池支架上端的矩形光伏电池组件；所述反射镜面组件包括对称分布在电池支架下端外围的四个反射镜面组；所述光伏电池的主受光面朝向电池支架下端；所述电池支架与反射镜面组件固连；所述支撑组件设置在反射镜面组件下方用于放置反射镜面组件和光伏电池组件；所述每个反射镜面组包括至少一个可将太阳光均匀、全覆盖的反射至光伏电池受光面的矩形平面反射镜。

上述每个反射镜面组包括第一反射镜。

上述每个反射镜面组包括第一反射镜和第二反射镜；所述第二反射镜的内侧边与第一反射镜的外侧边连接。

上述每个反射镜面组包括第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜；所述第二反射镜的内侧边与第一反射镜的外侧边连接，所述第三反射镜的内侧边与第二反射镜的外侧边连接。

上述矩形光伏电池为正方形光伏电池组件。

上述两两相邻的两个主反射镜面组之间设置有菱形或方形加强反射镜面组。

上述光伏电池为单面或双面光伏电池，所述光伏电池为单面光伏电池时，其受光面朝向反射镜面组；所述光伏电池为双面光伏电池时，其光电转换效率高的一面朝向反射镜面组，其光电转换效率低的一面直接朝向太阳。

上述反射镜面组件还包括设置在电池支架正下方的中心反射镜面组。

上述电池支架为桌式支架。

上述电池支架为设置在光伏电池和最外侧反射镜之间的加强杆。

本实用新型具有的优点是：

1、整个光伏电池表面的受光均匀。本实用新型通过选择合适的反射镜尺寸、镜面倾斜角度及多个反射镜的分布方式，保证每个反射镜反射的太阳光能够全面覆盖在光伏电池的下表面上，保证了所有反射镜反射的太阳光都能均匀叠加到光伏电池表面，保证了光伏电池产生电压的稳定性，抑制了波动性。

2、集光效率高。本实用新型采用4组主反射镜面组和四组加强型平面镜组进行反光，每组主反射镜面组可由1～4个依次连接成躺椅式结构的平面反射镜面组成，可以形成5倍以上的均匀集光效果。当光伏电池采用正方形结构时，本发明在两两相邻的第一反射镜之间设置相应的菱形或矩形加强反射镜，从而获得10倍以上的集光效果，反射过程一次性完成，效率高。如果采用双面光伏电池，则可以在聚光面背面再获得附加10％以上的光电转换效率，朝下一面作为主发电面，可减少甚至避免光伏电池表面灰尘累积，稳定集光一面光伏电池综合发电效率。在线性响应条件下，具有光伏发电功率倍增功能。选用合适的几何结构，当辐照光强与输出电功率成正比时，其倍增系数理论上可达几十倍。若能够对电池板进行适当冷却，输出功率最多可提高五至数十倍，实现光伏电池功率的高倍放大。本发明采用80％以上高反射率的玻璃平面反射镜或其他具有相同功能的光学元件作为反射器件，采用合适的支撑、铝、不锈钢等材料和结构，最大实现发电功率的高倍放大。本发明还包括太阳跟踪装置，工作时使太阳光尽可能垂直照射光伏电池组件，以实现高效率集光。

3、成本低。本实用新型相对于现有的光伏发电装置，仅增加了平面反射镜的成本，相比较抛物面反射镜的成本也大大降低。本发明配有太阳跟踪装置，垂直于太阳电池组件的太阳光，通过反射系统的集光，使光伏电池组件单位面积光强大幅度提高，输出电功率高倍放大，从而降低光伏发电的成本。取放大倍数为5计算，采用400Wp左右的电池组件，可以获得2000Wp的实际输出功率，若以35元/W计算，电池成本可降低到15元/Wp以下。考虑到太阳跟踪装置的成本，可降低一半成本。

4、结构简单。本实用新型光伏电池组件采用矩形结构，反射镜面采用矩形和菱形结构，用于集光的平面反射镜对称分布于以光伏电池组件中心轴的同心圆周上，同轴同心，结构简单，可适用于各类光伏电池芯片作发电元件，包括：晶体硅光伏发电元件、非晶体硅光伏发电元件、薄膜电池、纳米电池等各类商用和研究用光伏发电元件。

5、低耗能、低污染。本实用新型采用一面直接收集太阳直射光，一面(背面)收集镜面系统反射光的桌-椅结构光伏发电模式，实现了光伏电池组件高倍均匀集光、双面直接受光和单位面积光伏输出功率的高倍放大，大幅降低了太阳能的利用成本和单位电功率输出的相对能耗。太阳能芯片生产是一种高污染、高能耗的产业，让同一块太阳能电池芯片发挥5倍的效益，相当于产生相同电功率时减少了五分之四的污染和耗能。对于光电转换效率分别为A、B(A＞B)的双面光伏电池组件，设集光倍数为a(集光强度与太阳光强的比值)，则总的等效光电转换效率为X＝aA+B，功率放大倍数为n＝(aA+B)/A，若取A＝15％，B＝12％，a＝5，则X＝87％，n＝5.8，对于单面光伏电池组件，B＝0，n＝a。这种设计，当集光系数为a＝5时，相对于单面光伏电池组件和双面光伏电池组件的光伏功率放大倍数分别为5和5.8。通常，单面灵敏的光伏电池组件的光电转换效率比双面的要高，可达17％以上，此时，总的等效光电效率为X＝85％。选择何种光伏电池组件作为发电元件，对于本实用新型来说，取决于双面和单面光伏电池组件的性能和可能获取的集光系数a。例如，当单面效率为A＝17％，集光系数a＝6时，X＝102％，而通常的双面电池组件，A＝15％，B＝12％，a＝6时，X＝102％，两者总效率可持平。

6、易清洁。本实用新型光伏电池的主要受光面朝下，不易落灰粘脏，使用寿命长，转换效率高；本实用新型采用了平面反射镜，且镜面与水平面之间有一定的倾角，下雨时的自然冲刷将大大减少灰尘的沉集。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；其中：1-第三反射镜，2-加强杆，3-光伏电池，4-桌式支架，5-加强反射镜，6-中心反射镜，7-第一反射镜，8-第二反射镜，9-支撑组件，10-太阳跟踪装置；

图2是本实用新型原理示意图。

具体实施方式

本实用新型为实现平面镜反射式均匀和高倍数聚光，置于桌面的光伏电池3采用矩型结构。反射镜采用躺椅式长方形平面结构，躺椅之间的四角处采用矩形或菱形平面镜，它们与光伏电池3“桌面”同心并对称放置于四周，对来自太阳的垂直入射光进行反射。四个正面方位采用1～4个倾角不同的平面长方形镜面(图1中为3个)，形成躺椅式反射结构，通过几何设计进行角度选择，每一节平面镜与水平面夹角保证垂直于光伏电池板面方向的太阳光均匀反射到电池板平面上。在躺椅反射镜面之间的四个夹角采用方形或菱形平面反射镜，增加阳光反射面积和集光效率和集光系数。结构如图1所示。图1中，本发明全覆盖反射式高倍均匀集光光伏发电装置，包括光伏电池组件、反射镜面组件以及支撑组件9，支撑组件9设置在反射镜面组件下方用于放置反射镜面组件和光伏电池组件；支撑组件9包括太阳跟踪装置10，光伏电池组件包括桌式支架4以及固定在桌式支架4上端的正方形双面光伏电池3；反射镜面组件包括设置在桌式支架4下端外围正交方向设置的四个反射镜面组；光伏电池3的光电转换效率高的受光面朝向反射镜面组，其光电转换效率低的受光面直接朝向太阳；每个反射镜面组包括三个可将太阳光均匀、全覆盖的反射至光伏电池受光面的矩形平面反射镜，(全覆盖反射含义：每个反射镜的反射光均匀覆盖整个光伏电池组件)其中，桌式支架4与反射镜面组件的四个第一反射镜7固连，第二反射镜8的内侧边与该反射镜面组的第一反射镜7的外侧边连接，第三反射镜1的内侧边与该反射镜面组的第二反射镜8的外侧边连接，两两相邻的两个第一反射镜7之间设置有菱形加强反射镜5面组。为了增加反光效率，反射镜面组件还可包括设置在桌式支架4正下方的中心反射镜6，其镜面与光伏电池3受光面平行或成一定角度，为了增加反射镜面组件的机械强度，支撑组件9包括连接在桌面支架4上端与第三反射镜1上端之间的8个加强杆2。反射镜为高反玻璃镜面或平行镜面。

本实用新型原理如图2所示：将传统的光伏发电元件安装在装置光伏电池桌面处，来自太阳的直射光和镜面反射光分别照射电池两表面，朝上一面接受太阳光直照，像其他光伏电池3一样正常发电，朝下一面接收镜面系统的高强度均匀反射光，实现光伏电池3倍增发电；综合两面光伏发电的总输出，该装置可实现相同面积光伏电池组件光伏发电功率高倍倍增，倍增系数可达5倍以上，在电池芯片获得适当的冷却时，单位面积发电倍增系数理论上可超过10倍。通过几何设计，选择不同的高(电池组件支撑高度H)/宽(电池组件宽度D)比，可以实现5倍以上的高倍数平行集光，采用这种集光方式到达光伏电池表面光强均匀。同时，对于双面灵敏光伏电池组件，另一面可以同时接收太阳直射光，这种光学设计，电池组件双面发电潜力可以完全发挥和利用，不会造成资源浪费；对于单面电池组件，主要靠镜面反射光发电。为了获得最高发电效益，双面灵敏的光伏元件，光电效率高的一面朝下；单面灵敏的光伏元件，则选择光电转换效率高的电池组件，其光敏面朝下。

如图2所示，躺椅式镜面的每一节镜面的宽度与电池芯片宽度D一致。即：D_f＝D，镜面长度的选取，使得在满足反射定律的前提下，反射面反射的太阳光恰好全部位于电池芯片平面上。此时各节镜面的长度L_i(i＝1，2，3，4)需满足一定的关系。在躺椅式反射镜的夹角处，设置的方形或菱形反射镜也满足同样的关系，不过，其长度分别是电池芯片和反射镜对角线长度。因此，本实用新型的几何特征是，电池芯片和反射集光装置的所有反射面为矩形(长方形、正方形)和菱形平面镜。反射过程为平面反射。

定义： $\mathrm{\α}=\frac{H}{D}---\left(1\right)$

则反射角满足：

$\mathrm{tg}2{\mathrm{\θ}}_1=\frac{D}{H}=\frac{1}{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

${\mathrm{tg}2\mathrm{\θ}}_2=\frac{D+L_1\cos {\mathrm{\θ}}_1}{H-L_1\sin {\mathrm{\θ}}_1}---\left(3\right)$

${\mathrm{tg}2\mathrm{\θ}}_3=\frac{D+L_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+L_2\cos {\mathrm{\θ}}_2}{H-L_1\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2\sin {\mathrm{\θ}}_2}---\left(4\right)$

${\mathrm{tg}2\mathrm{\θ}}_4=\frac{D+L_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+L_2\cos {\mathrm{\θ}}_2+L_3\cos {\mathrm{\θ}}_3}{H-L_1\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2\sin {\mathrm{\θ}}_2-L_3\sin {\mathrm{\θ}}_3}---\left(5\right)$

各节躺椅式镜面长度为：

$L_1=\frac{\mathrm{Htg}2{\mathrm{\θ}}_1}{\cos {\mathrm{\θ}}_1+\sin {\mathrm{\θ}}_1\mathrm{tg}2{\mathrm{\θ}}_1}---\left(6\right)$

$L_2=\frac{(H-L_1\sin {\mathrm{\θ}}_1)\mathrm{tg}2{\mathrm{\θ}}_2-L_1\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\cos {\mathrm{\θ}}_2+\sin {\mathrm{\θ}}_2\mathrm{tg}2{\mathrm{\θ}}_2}---\left(7\right)$

$L_3=\frac{(H-L_1\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2\sin {\mathrm{\θ}}_2)\mathrm{tg}2{\mathrm{\θ}}_3-L_1\cos {\mathrm{\θ}}_1-L_2\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\cos {\mathrm{\θ}}_3+\sin {\mathrm{\θ}}_3\mathrm{tg}2{\mathrm{\θ}}_3}---\left(8\right)$

$L_4=\frac{(H-L_1\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2\sin {\mathrm{\θ}}_2-L_3\sin {\mathrm{\θ}}_3)\mathrm{tg}{2\mathrm{\θ}}_3-L_1\cos {\mathrm{\θ}}_1-L_2\cos {\mathrm{\θ}}_2-L_3\cos {\mathrm{\θ}}_3}{\cos {\mathrm{\θ}}_4+\sin {\mathrm{\θ}}_4\mathrm{tg}2{\mathrm{\θ}}_4}---\left(9\right)$

躺椅夹角反射镜面长度也满足上述关系。此时上式中的D、L为为太阳电池芯片和反射镜面的对角线长Da、La度。在该集光系统中，通常取1≤α≤2。对于高强度聚光，α大于2。

表1不同高宽比时反射镜倾角和宽度

电池高/宽比 θ₁     θ₂    θ₃    θ₄    L₁/D  L₂/D  L₃/D  L₄/D

(H/D)

2.0          13.3° 23.3° 30.0° 34.3° 0.919 0.748 0.578 0.441

1.5          16.8° 27.9° 34.2° 37.9° 0.869 0.637 0.446 0.311

1.0          22.5° 35.78°              0.707 0.356

由上表可知，电池组件相对于镜面底部的高度H与电池组件宽度D之比大于1才可能实现5倍以上均匀聚光，但考虑到在没有冷却条件时过强的聚光会导致电池温度升高，影响其光电转换效率，因此，通常H/D在[1，2]之间较好。

Claims (10)

1、一种全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，包括光伏电池组件、反射镜面组件以及支撑组件(9)，所述支撑组件(9)包括太阳跟踪装置(10)，其特征在于：所述光伏电池组件包括电池支架以及固定在电池支架上端的矩形光伏电池组件；所述反射镜面组件包括对称分布在电池支架下端外围的四个反射镜面组；所述光伏电池(3)的主受光面朝向电池支架下端；所述电池支架与反射镜面组件固连；所述支撑组件(9)设置在反射镜面组件下方用于放置反射镜面组件和光伏电池组件；所述每个反射镜面组包括至少一个可将太阳光均匀、全覆盖的反射至光伏电池受光面的矩形平面反射镜。

2、根据权利要求1所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述每个反射镜面组包括第一反射镜(7)。

3、根据权利要求1所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述每个反射镜面组包括第一反射镜(7)和第二反射镜(8)；所述第二反射镜(8)的内侧边与第一反射镜(7)的外侧边连接。

4、根据权利要求1所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述每个反射镜面组包括第一反射镜(7)、第二反射镜(8)以及第三反射镜(1)；所述第二反射镜(8)的内侧边与第一反射镜(7)的外侧边连接，所述第三反射镜(1)的内侧边与第二反射镜(8)的外侧边连接。

5、根据权利要求2或3或4所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述矩形光伏电池(3)为正方形光伏电池组件。

6、根据权利要求5所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述两两相邻的两个主反射镜面组之间设置有菱形或方形加强反射镜5面组。

7、根据权利要求6所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述光伏电池(3)为单面或双面光伏电池，所述光伏电池为单面光伏电池时，其受光面朝向反射镜面组；所述光伏电池为双面光伏电池时，其光电转换效率高的一面朝向反射镜面组，其光电转换效率低的一面直接朝向太阳。

8、根据权利要求7所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述反射镜面组件还包括设置在电池支架正下方的中心反射镜面组。

9、根据权利要求8所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述电池支架为桌式支架(4)。

10、根据权利要求8所述的全覆盖反射式高倍完全均匀集光光伏发电装置，其特征在于：所述电池支架为设置在光伏电池和最外侧反射镜之间的加强杆(2)。

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