CN201733250U - 一种线聚焦的聚光光伏组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种线聚光的聚光光伏组件，包括：光电转换系统、聚光系统、散热系统和以及用于固定和封装的辅助部件，其中，聚光系统包括平面化的线性菲涅尔透镜和由若干个带有两个完全对称的组合抛物面的反射单元组成的二次反射装置；光电转换系统由若干个电池单元组成，每个电池单元为由若干个相同的太阳能电池芯片在电路板上线性排布构成的串联电路，在最佳聚光率下实现了最高实际光电转换效率；同时配置低成本的被动散热方式和单轴太阳跟踪器。本实用新型不但具有结构简单、加工容易、性能可靠、便于维护等优点，而且通过对各子系统的优化设计和整体的优化组合，大幅度降低了系统发电总成本，为太阳能光伏发电技术大规模应用奠定了基础。

Description

一种线聚焦的聚光光伏组件

技术领域

本实用新型属于太阳能光伏发电技术领域，特别涉及一种线聚焦的聚光光伏组件。

背景技术

开发和利用可再生清洁能源是全世界面临的共同课题，在新能源中，太阳能光伏发电由于生产成本过高，目前尚未充分进入市场。商品化的太阳能电池主要包括：硅基晶片电池(包括单晶硅、多晶硅)、薄膜太阳能电池(包括硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒)和砷化镓太阳能电池，其中，砷化镓太阳能电池通过廉价的光学系统把较大面积的阳光会聚在较小的太阳能电池芯片上，从而减少昂贵的电池芯片的用量，是降低光伏发电系统总成本的一种有效途径。

聚光光伏系统包括：聚光光伏组件和系统跟踪控制部分，其中，聚光光伏组件包括：聚光系统、光电转换系统和散热系统；系统跟踪控制部分包括：太阳跟踪器、控制器和支架等。聚光光伏系统设计的基本原则是：根据光电转换系统选择聚光系统，根据聚光系统选择散热系统和系统跟踪控制部分。通过聚光系统、光电转换系统、散热系统和系统跟踪控制部分的优化组合来提高发电功率，从而达到降低聚光光伏系统发电总成本的目的。

光电转换系统的核心是太阳能电池芯片。目前，商用聚光光伏系统通常采用高效单晶硅太阳能电池(96倍聚光条件下可达26.8％)和砷化镓基多结太阳能电池(31％-42％)作为太阳能电池芯片，二者均具有较高的转换效率，但其生产成本过高，需要较高的聚光率来平衡电池芯片的制造成本，而较高的聚光率需要高精度的太阳追踪系统和良好的散热系统，这增加了系统跟踪控制部分的成本，因而不能有效降低系统发电的总成本。普通的多晶硅电池、硅基薄膜电池和碲化镉薄膜电池的生产成本较低，但其转换效率也较低，一方面不能充分利用汇聚的太阳光产生较多的电能，另一方面电池的效率-温度系数较高，对系统跟踪控制部分提出较高的要求，增加了系统跟踪控制部分的成本，因而不能有效降低系统发电总成本。铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有较高的转换效率、较低的生产成本和较低的效率-温度系数，在聚光光伏发电方面具有很大的发展潜力，但目前的铜铟镓硒(CIGS)电池研究主要集中在通过大面积沉积制备平板太阳能电池方面，而其在聚光光伏发电方面的优势尚未引起人们的注意。

聚光系统的核心是聚光器。根据光学原理，聚光器可分为折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、荧光聚光器、热光伏聚光器和全息聚光器等，其中，折射聚光器和反射聚光器是研究相对成熟的聚光器，目前已被广泛采用。折射聚光器通常采用菲涅耳透镜作为聚光元件，与其它聚光元件相比，菲涅尔透镜具有质量轻、成本低、聚光率高等优点，但同时存在口径难做大、接收角度小、光强分布不均匀和易老化变形等问题。反射聚光器通常采用抛物面式的镀银玻璃或镀铝面作为聚光元件，通过抛物面把入射光反射到太阳能电池芯片上，反射式聚光器聚光倍数较低，难以大幅度降低发电成本。

散热系统分为主动散热系统和被动散热系统。主动散热系统可以采用气冷或水冷，有的与热水器结合，既获得电能，又得到热水，被动散热系统只需在散热基座上加装散热翅即可。被动散热系统具有较低的生产成本、维护成本和较高的可靠性，是低倍聚光系统的首选散热方式。

要想使汇聚的太阳光斑始终落在太阳能电池芯片上，就必须通过系统跟踪控制部分及时调节光伏阵列倾角，聚光率越高，对系统跟踪控制部分的要求就越高。系统跟踪控制部分的核心是太阳跟踪器。太阳跟踪器包括：双轴跟踪器和单轴跟踪器。点聚焦系统要求对太阳角度进行二维跟踪，以保证光伏组件阵列始终垂直于太阳辐射线，因此要求使用双轴跟踪器。线聚焦系统只要求对太阳角度进行一维追踪，即可把透射的太阳光汇聚到电池片上，因此使用单轴跟踪器即可。单轴跟踪系统的生产与维护成本远小于双轴跟踪系统。

总之，生产成本的高低是决定太阳能光伏发电技术能否大规模推广应用的主要因素，通过聚光系统、光电转换系统、散热系统和系统跟踪控制部分的优化组合来降低组件的生产成本，是降低聚光光伏系统发电总成本的主要途径。聚光光伏系统当前的发展趋势是通过高转换效率的电池芯片、高倍聚光器、可靠的散热系统和高精度的系统跟踪控制部分的组合来降低系统发电总成本，但高精度的系统跟踪控制部分成本会有所增加，所以该技术对降低系统发电总成本的作用十分有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种结构简单、稳定可靠、成本低廉、便于维护的线聚焦的聚光光伏组件，实现了光电转换系统、聚光系统、散热系统和太阳追踪系统的优化组合，大幅度降低了系统发电的总成本，为太阳能光伏发电技术的大规模应用提供了强有力的技术支持。

一种线聚焦的聚光光伏组件，包括：聚光系统、光电转换系统、散热系统、以及用于固定和封装的辅助部件，其中，

所述的聚光系统包括平面化的线性菲涅尔透镜和二次反射装置，所述的二次反射装置为若干个带有两个完全对称的组合抛物面的反射单元；所述的光电转换系统由若干个线性排列的电池单元组成，每个电池单元为由若干个相同的太阳能电池芯片在电路板上线性排布构成的串联电路；所述的散热系统包括散热基座和散热翅，所述的散热翅安装在所述的散热基座的下表面；

所述的光电转换系统通过导热胶粘贴在所述的散热基座上表面，置于所述的平面化的线性菲涅尔透镜的下方，使得所述的光电转换系统上的每个电池单元均位于所述的平面化的线性菲涅尔透镜聚焦所形成的直线光带上；所述的二次反射装置中，每个反射单元的两个组合抛物面设在所述的光电转换系统中每个电池单元的两侧，并且每个反射单元固定在所述的散热基座上表面。

所述的用于固定和封装的辅助部件为带有固定支架和封装面板的辅助框架，所述的平面化的线性菲涅尔透镜和散热基座由所述的辅助框架固定。其中，所述的固定支架用于进一步固定和支撑所述的平面化的线性菲涅尔透镜，所述的封装面板用于与所述的散热基板、平面化的线性菲涅尔透镜和固定支架共同围成一密封空间，所述的光电转换系统和二次反射装置置于所述的密封空间中。

所述的太阳能电池芯片可以为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅基薄膜电池、碲化镉薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池、砷化镓单结电池或砷化镓基多结电池。所述的太阳能电池芯片优选采用铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其具有较高的转换效率、较低的生产成本和较低的效率-温度系数，可以提高对汇聚太阳光的利用率、降低对聚光率和散热系统的要求，使聚光光伏系统的效率-成本处于最佳平衡点。

本实用新型中，所述的电路板由轻质合金基板和表面分割为若干相互绝缘周期单元的金属箔层构成，所述的金属箔层通过绝缘导热胶粘贴在所述的轻质合金基板上。金属箔层采用铜箔或铝箔材料，其厚度为10-200um；轻质合金基板采用铝合金或铜合金材料，其厚度为0.5～1.0mm；绝缘导热胶采用掺有导热颗粒的环氧树脂材料。所述的电路板的制作过程如下：通过绝缘导热胶把金属箔层粘贴在轻质合金基板表面，然后通过化学刻蚀法在金属箔的表面形成若干刻蚀线，刻蚀线划穿金属箔层，并把金属箔层分割成若干个相互绝缘的周期单元，以此形成电路板作为串联电路载体。

所述的太阳能电池芯片通过导电胶或导热胶粘贴在所述的金属箔层的周期单元里，相邻的太阳能电池芯片通过金属箔层进行串联连接，形成串联电路，构成单个电池单元。其中，所述的金属箔层和太阳能电池芯片之间的连接通过金属导线导通。当太阳能电池芯片的基底为导体，如不锈钢基底，此时采用导电胶；当太阳能电池芯片的基底为绝缘材料，如玻璃基底，此时采用导热胶。导电胶优选采用导电银胶，导热胶优选采用导热灌封硅橡胶或导热灌封环氧胶。

所述的若干个电池单元线性排列在所述的散热底座上，组成光电转换系统。所述光电转换系统在所述的散热底座上的固定是通过导热胶将所述的轻质合金基板粘贴在散热基座上表面上实现的。

由于在温度一定的情况下，光电转换系统的理想转换效率与辐照强度近似为对数关系，随光强(聚光率)增加而增加；同时，由于聚光率的增加会导致光电转换系统的工作温度升高、光强分布不均匀度增加和串联电阻损耗增加，因此，光电转换系统实际光电转换效率取决于聚光系统和散热系统。

本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件中的聚光系统中，平面化的线性菲涅尔透镜为主要的聚光器件，二次反射装置为辅助的聚光器件。聚光系统的聚光率可调，通过针对不同太阳能电池芯片组成的光电转换系统调整不同的聚光率，使得光电转换系统的光电转换效率达到最佳。同时，还在聚光系统中配置二次反射装置，既通过增大了对入射光的接收角提高了对太阳光的利用效果，又提高了光电转换系统表面光线分布均匀度，同时还降低了对太阳跟踪精度的要求。在最佳聚光率下，光线分布均匀度越高，光电转换系统的转换效率越高，因此，本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件中采取的聚光系统与相应的光电转换系统的优化组合，有效提高光电转换系统的实际转换效率。

本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件中的光电转换系统中，由于采用横截面积大的金属箔片作为导线联接各太阳能芯片构成串联电路，其中金属箔片增大了导电面积，可以有效降低太阳能电池芯片之间的串联损耗和发热量；同时，由于金属箔片作为各电池芯片与基板之间的导热介质，可以把电池芯片在工作过程产生的热量快速传导至散热系统，降低了对散热系统的要求。

由于太阳光线主要折射到光电转换系统和二次反射装置，因此所述的光电转换系统和二次反射装置是主要的热源。本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件中采取散热翅片作为主要的散热区，散热基座作为热源与散热区之间的热交换媒介。由于从热源到空气的温度差至少是热源内部温度差的5倍，所以热源和空气之间的界面是主要的热阻。本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件中在机械固定的基础上，采用导热胶把二次反射装置粘贴在散热基座上，以此来减小二次反射装置和散热基座之间空气隙的面积，从而提高二次反射装置和散热基座之间的热交换能力。

此外，本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件中的聚光系统和光电转换系统的结合，降低了对系统跟踪控制器件的要求，只需要采用单轴跟踪器对太阳跟踪即可，可有效降低跟踪器成本，而且便于安装和维护，该聚光光伏系统在户外运行更加稳定和可靠。

为了避免湿气、灰尘、风沙刻蚀和化学腐蚀等环境因素对光电转换装置和二次反射装置的影响，本实用新型通过辅助部件把光电转换装置和二次反射装置密封在由散热基座、辅助部件和平面化的线性菲涅尔透镜围成的空间内，以提高组件的使用寿命。

所述的聚光系统中各主要部件的材质和制备方法分别为：所述的平面化的菲涅尔透镜可采用玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯等材料通过冷加工或压制工艺制备而成，优选采用聚甲基丙烯酸甲酯材料通过压制工艺制备而成的线性菲涅尔透镜，其质量轻、成本低，并且制造简单。所述的二次反射装置中的反射单元可采用带有两个完全对称的组合抛物面的玻璃或铝合金聚光元件，组合抛物面为镀银或镀铝抛物面，优选带有两个完全对称的镀银抛物面的铝合金二次聚光元件，其制造成本低、安装方便、不易损坏。

所述的散热底座和散热翅片组成的散热装置可采用铝合金材料通过挤压工艺制成。所述的散热装置中采取设置若干个散热翅片，并且散热翅片可以采用发散式的设计，以尽可能的增大翅片的散热面积和较好的空气流通，增大热源与空气的换热面积和对空气的扰动提高组件的散热能力，达到更好的效果。该散热系统结构简单、制作容易、价格便宜，而且具有较高的可靠性，能够满足500倍以下聚光系统的冷却要求，因此完全满足本实用新型的散热要求。

本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件的工作原理如下：

垂直入射到平面化的线性菲涅尔透镜的外表面(平面)上的太阳光，经过平面化的线性菲涅尔透镜的内表面(条形曲面)折射，一部分折射到光电转换系统的电池单元上，被电池吸收利用；另一部分折射到二次反射装置的反射单元的组合抛物面上，并被反射到光电转换系统的电池单元上，被电池吸收利用。光电转换系统的电池单元吸收太阳光线后进行光电转换，太阳能转换为电能，实现太阳能发电。工作过程中光电转换系统和二次反射装置产生的热量通过散热基座快速扩散到各个散热翅上进行散热。

本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件中，通过对聚光系统、光电转换系统和散热系统的优化设计组合，提升主要部件的性能，降低主要部件的成本，从而降低系统发电总成本。与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

(1)采用电路板工艺把高效率、低成本的电池芯片串联起来构成光电转换系统的电池单元，该电池单元不仅具有结构简单、稳定可靠、制作容易、价格低廉、便于散热等特点，而且降低了聚光率的限制，可以用于不同的聚光倍数。

(2)采用平面化的线性菲涅尔透镜和二次反射装置的组合构成线聚焦的低倍聚光系统，该系统不仅增大了对入射光的接收角，提高了系统的聚光率和光线分布均匀度，而且降低了菲涅尔透镜和二次反射装置的加工难度和生产成本，提高了聚光系统的性价比。

(3)散热系统结构简单、制作容易、稳定可靠、价格便宜，不仅适用于本系统，还能满足500倍以下聚光系统的冷却要求。

(4)采用廉价的单轴跟踪器即可满足本实用新型对太阳跟踪的要求。单轴跟踪器不仅价格低廉，而且便于安装和维护，还具有很好的稳定性和可靠性。

以上各主要部件的组合具有以下效果：进一步提高了光电转换系统的转换效率；降低了对散热系统和系统跟踪控制部分的要求；提高了系统运行的稳定性和可靠性；降低了系统发电的总成本。

总之，本实用新型的主要部件均具有结构简单、加工容易、性能可靠、便于维护和价格低廉等特点，主要部件的优化组合不仅提高了系统的光电转换效率和可靠性、而且大幅度地降低了系统发电总成本，为光伏发电技术的大规模推广应用奠定了技术基础。

附图说明

图1为本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件的横断面的结构示意图；

图2为本实用新型中电池单元的示意图，以不锈钢基底的太阳能电池芯片为例。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图来详细说明本实用新型，但本实用新型并不限于此。

如图1所示，本实用新型的线聚焦光的聚光光伏组件包括：平面化的线性菲涅尔透镜101、由若干反射单元102组成的二次反射装置、由若干电池单元105组成的光电转换系统、散热基座107、散热翅108和辅助部件106，辅助部件106为带有固定支架和封装面板的辅助框架。

平面化的线性菲涅尔透镜101和二次反射装置组成聚光系统。

其中，平面化的线性菲涅尔透镜101的外表面(接收太阳光线的面)为平面，内表面为条形曲面，平面化的线性菲涅尔透镜101通过辅助部件106中的固定支架支撑和固定在辅助部件106的辅助框架上端，散热基座107固定在辅助部件106的辅助框架下端，平面化的线性菲涅尔透镜101和散热基座107互相平行；由若干电池单元105平行排列组成的光电转换系统通过导热胶粘贴在散热基座107上，光电转换系统位于平面化的线性菲涅尔透镜101的下方，使得光电转换系统上的每个电池单元105均位于平面化的线性菲涅尔透镜101聚焦所形成的直线光带上；由于平面化的线性菲涅尔透镜101聚焦成若干条平行的直线光带，所述的光电转换系统上的每个电池单元105都位于其中一条直线光带上，电池单元105上的每片太阳能电池芯片均能有效接收太阳光线，平面化的线性菲涅尔透镜101是主要的聚光器件。

反射单元102包括两个完全对称的组合抛物面103，组合抛物面103为镀银玻璃，两个组合抛物面103位于电池单元105的两侧，这样，平面化的线性菲涅尔透镜101聚焦的部分直线光带对应反射单元102的组合抛物面103时，会进一步被组合抛物面103反射到电池单元105表面，进而由池单元105上的太阳能电池芯片接收，因此，由若干反射单元102组成的二次反射装置为辅助的聚光器件。

反射单元102通过固定螺丝104固定在散热基座107上，反射单元102和散热基座107之间设有导热胶，减小了反射单元102和散热基座107之间空气隙的面积，提高了反射单元102和散热基座107之间的热交换能力，把电池单元105和反射单元102在工作过程中产生的热量通过散热基座107快速扩散到各个散热翅108上，通过增大热源与空气的换热面积和对空气的扰动提高组件的散热能力。

散热基座107和散热翅108构成散热系统。散热翅108安装在散热基座107的下表面，散热翅108采取发散式结构。即：每个散热翅108由七个均匀分布的散热翅片组成，散热翅片之间的间隔为7～8mm，散热翅片的翅根的宽度为1.5～2mm，翅尖宽度为1～1.5mm，散热翅片的长度为40～50mm。散热基座107和散热翅108采用铝合金材料通过挤压工艺制成。

本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件中，若干个电池单元105组成的光电转换系统和二次反射装置密封在由散热基座107、辅助部件106和平面化的线性菲涅尔透镜101围成的空间内，以避免湿气、灰尘、风沙刻蚀和化学腐蚀等环境因素对光电转换系统和二次反射装置的影响，以提高组件的使用寿命。辅助部件106采用通过冲压工艺压制而成的铝合金面板。

本实用新型的线聚焦的聚光光伏组件工作时，平面化的线性菲涅尔透镜101把垂直入射在其外表面上的太阳光通过内表面一部分折射到电池单元105上，被电池吸收利用；另一部分折射到反射单元102的组合抛物面103上，并反射到电池单元105表面，被电池吸收利用。光电转换系统的电池单元105吸收太阳光线后进行光电转换，把太阳能转换为电能，实现太阳能发电。工作过程中光电转换系统和二次反射装置产生的热量通过散热基座107快速扩散到各个散热翅108上进行散热。

如图2所示，本用新型中的单个电池单元105的结构为多个相同的太阳能电池芯片A、B、C、D在电路板上线性排布构成的串联电路。这里用到的太阳能电池芯片A、B、C、D均为铜铟镓硒薄膜电池芯片，电路板由铝合金基板和表面分割为若干相互绝缘周期单元的铜箔201构成，铜箔201通过绝缘导热胶粘贴在铝合金基板上，采用化学刻蚀工艺制成，具体过程为：通过导热胶把铜箔201粘贴在铝合金基板表面，并通过化学刻蚀法在铜箔201的表面形成若干刻蚀线202，刻蚀线202划穿铜箔201，把铜箔201分割成若干个相互绝缘的周期单元a、b、c、d，e，以此形成电路板载体。太阳能电池芯片A、B、C、D的联接方式为串联联接，通过金属导线205把电池芯片的电极203、204与铜箔201的相应单元进行联接，形成串联电路。具体来说，通过高导热环氧树脂将电池芯片A、B、C、D分别粘贴在铜箔的周期单位a、b、c、d内，电池芯片A、B、C、D的不锈钢基底即为电池芯片A、B、C、D的正极，分别和铜箔的周期单元a、b、c、d直接导通；电池芯片A、B、C、D的负极为电池芯片的电极203、204，通过金属导线205把电池芯片A、B、C、D的电极负极分别与铜箔201的相应单元b、c、d、e进行连接和导通，从而实现电池芯片A、B、C、D的串联。其中，铜箔201的厚度为140um；铝合金基板的厚度为0.5～1.0mm。本实用新型中的光电转换系统是由上述的若干个相同结构的电池单元105线性排列组成。

Claims (8)

1.一种线聚焦的聚光光伏组件，包括：聚光系统、光电转换系统、散热系统、以及用于固定和封装的辅助部件，其特征在于，

所述的聚光系统包括平面化的线性菲涅尔透镜和二次反射装置，所述的二次反射装置为若干个带有两个完全对称的组合抛物面的反射单元；所述的光电转换系统由若干个线性排列的电池单元组成，每个电池单元为由若干个相同的太阳能电池芯片在电路板上线性排布构成的串联电路；所述的散热系统包括散热基座和散热翅，所述的散热翅安装在所述的散热基座的下表面；

所述的光电转换系统通过导热胶粘贴在所述的散热基座上表面，置于所述的平面化的线性菲涅尔透镜的下方，使得所述的光电转换系统上的每个电池单元均位于所述的平面化的线性菲涅尔透镜聚焦所形成的直线光带上；所述的二次反射装置中，每个反射单元的两个组合抛物面设在所述的光电转换系统中每个电池单元的两侧，并且每个反射单元固定在所述的散热基座上表面。

2.如权利要求1所述的线聚焦的聚光光伏组件，其特征在于：所述的太阳能电池芯片为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅基薄膜电池、碲化镉薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池、砷化镓单结电池或砷化镓基多结电池。

3.如权利要求2所述的线聚焦的聚光光伏组件，其特征在于：所述的太阳能电池芯片为铜铟镓硒薄膜电池。

4.如权利要求1～3任一所述的线聚焦的聚光光伏组件，其特征在于：所述的电路板由轻质合金基板和表面分割为若干相互绝缘的周期单元的金属箔层构成，所述的金属箔层通过绝缘导热胶粘贴在所述的轻质合金基板上。

5.如权利要求4所述的线聚焦的聚光光伏组件，其特征在于：所述的太阳能电池芯片通过导电胶或导热胶粘贴在所述的金属箔层的周期单元里，相邻的太阳能电池芯片通过金属箔层联接构成串联电路。

6.如权利要求1所述的线聚焦的聚光光伏组件，其特征在于：所述的散热翅为发散式散热翅。

7.如权利要求1所述的线聚焦的聚光光伏组件，其特征在于：所述的反射单元为带有两个完全对称的镀银组合抛物面的玻璃或铝合金聚光元件。

8.如权利要求1所述的线聚焦的聚光光伏组件，其特征在于：所述的反射单元为带有两个完全对称的镀铝组合抛物面的玻璃或铝合金聚光元件。