CN201937509U

CN201937509U - 一种聚光光伏系统

Info

Publication number: CN201937509U
Application number: CN2011200207992U
Authority: CN
Inventors: 王东; 于平荣; 李学耕
Original assignee: OPTONY SOLAR (HANGZHOU) CO Ltd
Current assignee: OPTONY SOLAR (HANGZHOU) CO Ltd
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-01-25

Abstract

本实用新型公开了一种聚光光伏系统，包括：聚光系统和电池组件，所述的聚光系统为弯曲的半球形菲涅尔透镜，所述的电池组件设置在所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面上。本实用新型不需要跟踪系统或只需要使用用于跟踪单个电池的低成本跟踪单元，不需要散热系统，从而大大降低了系统成本；同时，有效提高了对太阳光的利用效率，降低了发电成本。

Description

一种聚光光伏系统

技术领域

本实用新型属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种聚光光伏系统。

背景技术

目前光伏发电系统存在着发电成本高、效率低的缺点，需要进一步地降低成本和提高效率。问题的解决方案之一是采用聚光发电系统，采用折射透镜或反光镜将太阳光聚集到光伏电池上，提高太阳电池接受的光照强度，从而提高电池的转换效率。同时聚光发电系统可以降低电池面积，进而降低发电成本。

现有聚光发电系统主要包括聚光系统、光电转换系统、跟踪系统和散热系统。聚光系统主要由聚光器构成，现有的聚光器主要有透射聚光器、反射聚光器等类型。透射聚光器通常采用点聚焦菲涅尔透镜和线聚焦菲涅尔透镜作为聚光元件，它具有质量轻、成本低、聚光率高等优点。

点聚焦的菲涅尔透镜将光聚集到单个薄膜电池上，折射光聚集到薄膜电池上的一个圆形区域。聚光率取决于这个圆形区域以及透镜的有效面积。由于大多数薄膜电池为方形，在四个角上的电池面积就没有被光照射到。这样造成电池受光面积的不均匀和不必要的浪费，另外点聚焦菲涅尔透镜具有高的聚光率，造成太阳能电池温度过高，加剧了太阳电池的热退化效应，因此必须在太阳电池背面加装散热片，而且必须对电池进行二维跟踪，加大了系统成本。

线聚焦的菲涅尔透镜将光聚集到线性排布的薄膜电池组上。聚光率是透镜的有效面积与薄膜电池组的面积之比。根据边缘光线原理，当入射光线沿最小偏折角入射时，透镜反射损失为最小，即入射光线与透镜顶面法线的夹角等于出射光线与透镜底面法线的夹角时，透过透镜的光通量损失最小。但是，使用线聚焦的半球形菲涅尔透镜来获得高密流，通常需要追踪系统，增加了系统成本。

还有一种方法，就是将点聚焦菲涅尔透镜或线聚焦菲涅尔透镜与其它部件如反射V型槽组合起来，以期达到较高的聚光率。由于聚光率取决于点聚焦菲涅尔透镜或线聚焦菲涅尔透镜与电池的几何比例，因此，可以轻易得到上千的高密流；而作为SOE(二级光部件)的V槽，可以抹平整个电池的流量分布。但是，使用点聚焦菲涅尔透镜或线聚焦菲涅尔透镜来获得高密流，仍然需要追踪系统，增加了系统成本。

综上，现有的聚光系统中，采用点聚焦菲涅尔透镜或线聚焦菲涅尔透镜作为聚光器，会带来电池表面光均匀性差、需要昂贵的追逐系统和散热系统等问题，使整个聚光发电系统的成本增加，不利于大面积应用。

发明内容

本实用新型提供了一种聚光光伏系统，采用弯曲的半球形菲涅尔透镜作为聚光器，将薄膜电池设置在弯曲的聚焦面上，可以在不需要跟踪系统的情况下，使得整个从太阳来的直接入射光能够被薄膜电池以任何入射角度进行吸收，成本低廉。

一种聚光光伏系统，包括：聚光系统和电池组件，其中，所述的聚光系统为弯曲的半球形菲涅尔透镜，所述的电池组件设置在所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面上。所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面由所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的焦点构成。

优选的技术方案中，所述的电池组件为若干个薄膜电池，依次排布在所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面上。由于所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面是弯曲的，因此，排布在弯曲的聚焦面上的若干个薄膜电池，可根据太阳位置面向不同的方向来收集直接入射光。当将所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜调节到面对太阳，整个从太阳来的直接入射光能够被电池组件上的各个不同的薄膜电池以任何入射角度进行吸收。该聚光光伏系统不需要追踪系统，可以安装到屋顶。

进一步优选的技术方案中，所述的电池组件中薄膜电池的数量尽可能多，可以使得所述的电池组件的面同所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面匹配良好，这样，从日出到日落，占白天辐照80％的直接入射光能完全被薄膜电池吸收。

另一种优选的技术方案中，还包括跟踪单元，其中，所述的电池组件为单个薄膜电池，所述的跟踪单元与所述的单个薄膜电池相连，所述的单个薄膜电池位于所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面上。由于追踪单元使得该薄膜电池沿着聚焦面进行移动，在不同时刻均能很好地吸收太阳的直接入射光。该系统中，追踪单元仅仅需要控制单个薄膜电池，相比于传统的聚光系统中，追踪单元必须同时能够移动电池和光学元件，本实用新型采用的追踪单元简单、成本低。

再一种优选的技术方案中，所述的电池组件为单个具有柔性衬底的薄膜电池，所述的柔性衬底的形状与所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面的形状相同。通过将薄膜电池沉积到特定形状的柔性衬底上得到所述的单个具有柔性衬底的薄膜电池，与所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面完全匹配，可以收集所有可能的方向的入射光和非直接入射光，从而最大限度地利用太阳光，使得太阳的直接入射光能最大限度被薄膜电池所吸收。

本实用新型中，所述的薄膜电池可以为利用薄膜技术的任何电池，优选为a-Si:H、CdTe、Cu(InGa)Se₂(CIGS)、有机太阳电池或染料敏化电池(DSSC)。这些薄膜电池的成本在0.05-1.0美元/平方厘米，可以有效降低聚光光伏系统的整体成本。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型采用弯曲的半球形菲涅尔透镜作为聚光系统，将电池组件设置在所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面上，不需要跟踪系统或只需要使用用于跟踪单个电池的低成本跟踪单元，不需要散热系统，从而大大降低了系统成本；同时，有效提高了对太阳光的利用效率，降低了发电成本。

附图说明

图1为现有技术中采取点聚焦菲涅尔透镜作为聚光系统的聚光光伏系统示意图。

图2为图1的截面示意图。

图3是现有技术中采取线聚焦菲涅尔透镜作为聚光系统的聚光光伏系统示意图。

图4为图3的截面示意图。

图5是现有技术中采取点聚焦菲涅尔透镜和反射V型槽的组合作为聚光系统的聚光光伏系统示意图。

图6为图5的截面示意图。

图7是现有技术中采取线聚焦菲涅尔透镜和反射V型槽的组合作为聚光系统的聚光光伏系统示意图。

图8是本实用新型的聚光光伏系统的第一种实施方式的示意图。

图9是本实用新型的聚光光伏系统的第二种实施方式的示意图。

图10是本实用新型的聚光光伏系统的第三种实施方式的示意图。

具体实施方式

首先，图1～7给出了背景技术中提及的几种菲涅尔透镜作为聚光器的聚光光伏系统的示意图。

如图1所示的一种聚光光伏系统，以点聚焦的菲涅尔透镜11为聚光器，单个薄膜电池10为电池组件。点聚焦菲涅尔透镜11将光14聚集到薄膜电池10上，折射光15聚集到薄膜电池10上的一个圆形区域。该聚光光伏系统中，聚光率取决于这个圆形区域以及点聚焦菲涅尔透镜11的有效面积。图2为图1所示的上述聚光光伏系统的截面图。由于薄膜电池10通常为方形，在四个角上的电池面积就没有被光照射到。这样造成电池受光面积的不均匀和不必要的浪费。另外，点聚焦菲涅尔透镜11具有高的聚光率，造成太阳能薄膜电池温度过高，加剧了太阳能薄膜电池的热退化效应，因此必须在太阳能薄膜电池背面加装散热片，而且必须对太阳进行二维跟踪，加大了系统成本。

如图3所示的一种聚光光伏系统，以线聚焦的半球形的菲涅尔透镜21为聚光器，以若干个线性排布的薄膜电池构成的薄膜电池组20为电池组件。线聚焦的半球形的菲涅尔透镜21将光14聚集到薄膜电池组20上，以折射光线15入射到薄膜电池组20上。该聚光光伏系统中，聚光率是线聚焦的半球形的菲涅尔透镜21的有效面积与薄膜电池组20的面积之比。图4为图3所示的上述聚光光伏系统的截面图。根据边缘光线原理，当入射光线沿最小偏折角入射时，透镜的反射损失为最小，即入射光线与透镜顶面法线的夹角等于出射光线与透镜底面法线的夹角时，透过透镜的光通量损失最小。球形设计降低了来自于色差和弯曲变形的象散，也极大提高了透镜的刚度。但是，使用线聚焦的半球形的菲涅尔透镜来获得高密流，通常需要追踪系统，增加了系统成本。

如图5所示的一种聚光光伏系统，以点聚焦的菲涅尔透镜11和反射V型槽51组合作为聚光系统，以单个薄膜电池90为电池组件。点聚焦菲涅尔透镜11将光14聚集到反射V型槽51上，折射光15再经反射V型槽51反射到单个薄膜电池90上。图6为图5所示的上述聚光光伏系统的截面图。由于聚光率取决于点聚焦的菲涅尔透镜11与薄膜电池90的几何比例，因此可以轻易得到上千的高密流；作为SOE(二级光部件)的V型槽51，可抹平整个电池的流量分布。但是，使用菲涅尔透镜来获得高密流，通常需要追踪系统，增加了系统成本。

同样，如图7所示的一种聚光光伏系统，以线聚焦的菲涅尔透镜21和反射V型槽51组合作为聚光系统，以若干个线性排布的薄膜电池构成的薄膜电池组91为电池组件，线聚焦的菲涅尔透镜21将光14聚集到反射V型槽51上，折射光15再经反射V型槽51反射到薄膜电池组91上。该聚光光伏系统具有与如图5所示的聚光光伏系统相同的问题。

图8～10为本实用新型的聚光光伏系统的几种具体实施方式的示意图，以下将下面结合实施例和附图来详细说明本实用新型，但本实用新型并不仅限于此。

实施例1：

如图8所示的一种聚光光伏系统，包括：聚光系统和电池组件，其中，聚光系统为弯曲的半球形菲涅尔透镜101，电池组件为13片薄膜电池110-122，薄膜电池110-122依次排布在弯曲的半球形菲涅尔透镜101的聚焦面100上。

由于弯曲的半球形菲涅尔透镜101的聚焦面100是弯曲的，因此，排布在弯曲的聚焦面110上的13片薄膜电池110-122，可根据太阳位置面向不同的方向来收集直接入射光。

当将弯曲的半球形菲涅尔透镜101调节到面对太阳，整个从太阳来的直接入射光能够被电池组件上的各个不同的薄膜电池110-122以任何入射角度进行吸收。比如，在早上，太阳在位置106沿着光线104在30°入射角103的位置入射，再沿着折射光线105聚集在薄膜电池112上；正午，太阳在位置116沿着光线114垂直入射到弯曲的半球形菲涅尔透镜101上，再沿着折射光线115聚集在薄膜电池116上；在下午，太阳在位置126沿着光线124入射，再沿着折射光线125聚集在薄膜电池120上。

采用尽可能小尺寸的薄膜电池(或者在所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面100上布置数量尽可能多的薄膜电池)，可以使得电池组件的面同透镜的聚焦面匹配良好，这样，从日出到日落，占白天辐照80％的直接入射光能完全被薄膜电池吸收。

上述的聚光光伏系统不需要追踪系统，可以安装到屋顶102。

在该例子中，为了朝向所有可能的方向，需要较大数量的电池来覆盖弯曲的半球形菲涅尔透镜101的聚焦面100。

实施例2：

如图9所示的一种聚光光伏系统，包括：聚光系统、电池组件和追踪单元，其中，聚光系统为弯曲的半球形菲涅尔透镜101，电池组件为单个薄膜电池108，单个薄膜电池108位于在弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面100上，追踪单元107与单个薄膜电池108相连。追踪单元107使得单个薄膜电池108沿着聚焦面100进行移动，在不同时刻均能很好地吸收太阳的直接入射光。在该系统中，追踪单元107仅仅需要控制单个薄膜电池108，相比于传统的聚光系统中，追踪单元必须同时能够移动电池和光学元件，此处采用的追踪单元107结构简单、成本低。

实施例3：

如图10所示的一种聚光光伏系统，包括：聚光系统和电池组件，其中，聚光系统为弯曲的半球形菲涅尔透镜101，电池组件为具有柔性衬底的单个薄膜电池130，柔性衬底的形状与弯曲的半球形菲涅尔透镜101的聚焦面100的形状相同。

通过将薄膜电池沉积到特定形状的柔性衬底上得到具有柔性衬底的单个薄膜电池130，与弯曲的半球形菲涅尔透镜101的聚焦面100完全匹配，可以收集所有可能的方向的入射光和非直接入射光，从而最大限度地利用太阳光，使得太阳的直接入射光能最大限度被具有柔性衬底的单个薄膜电池130所吸收。这个系统中没有追踪单元，电池也不会多于一块，该系统结构简单、成本低。

上述各实施例中的薄膜电池可以为利用薄膜技术的任何电池，优先选用a-Si:H、CdTe、Cu(InGa)Se₂(CIGS)、有机太阳电池或染料敏化电池(DSSC)。这些薄膜电池的成本在0.05～1.0美元/平方厘米，可以有效降低聚光光伏系统的整体成本。

Claims

1.一种聚光光伏系统，包括：聚光系统和电池组件，其特征在于，所述的聚光系统为弯曲的半球形菲涅尔透镜，所述的电池组件设置在所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面上。

2.如权利要求1所述的聚光光伏系统，其特征在于，所述的电池组件为若干个薄膜电池，依次排布在所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面上。

3.如权利要求1所述的聚光光伏系统，其特征在于，还包括跟踪单元，其中，所述的电池组件为单个薄膜电池，所述的跟踪单元与所述的单个薄膜电池相连，使得所述的单个薄膜电池沿着所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面进行移动。

4.如权利要求1所述的聚光光伏系统，其特征在于，所述的电池组件为单个具有柔性衬底的薄膜电池，所述的柔性衬底的形状与所述的弯曲的半球形菲涅尔透镜的聚焦面的形状相同。

5.如权利要求2～4任一所述的聚光光伏系统，其特征在于，所述的薄膜电池为a-Si:H、CdTe、Cu(InGa)Se₂、有机太阳电池或染料敏化电池。