CN205160460U - 一种基于cpc设计的三平面复合平面聚光器 - Google Patents

一种基于cpc设计的三平面复合平面聚光器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于CPC设计的三平面复合平面聚光器,由三平面复合平面聚光反射板、太阳电池板、支架和玻璃盖板组成；每组三平面复合平面聚光器包含两片三平面复合平面聚光反射板，每片三平面复合平面聚光反射板由三组平面构成；该三平面复合平面聚光器仅需每年调整两次倾角即可获得优异的光学性能，相对于CPC聚光器，三平面复合平面聚光器汇聚到太阳电池板上的太阳辐射更加均匀，这有效提高了太阳电池的发电效率，且三平面复合平面聚光器加工制作简单，成本也更低。本技术属于非跟踪低倍太阳能聚光技术领域。

Description

一种基于CPC设计的三平面复合平面聚光器
技术领域
本实用新型涉及一种基于复合抛物面聚光器（CPC）设计的每年只需调整两次倾角的三平面复合平面聚光器，属于非跟踪低倍率太阳能聚光技术领域。
背景技术
一直以来，太阳电池成本较高是光伏系统在实际应用中大规模推广的阻力，太阳电池作为光伏系统的主要元件，其高昂的造价，也使得光伏发电的成本居高不下。Whitfield等人经研究发现，聚光太阳电池在高于正常太阳光辐照的光强下其光电转化效率比在自然太阳光辐照的光强下的光电转化效率要高得多。由于太阳辐射的密度较低，为增强太阳辐射强度，太阳能聚光技术由此应运而生，同时亦可以借助聚光技术来实现对太阳能高温领域的利用。另一方面，若输出功率相同，采用聚光系统的光伏系统所需的太阳电池的数量要少于常规的光伏系统所需的太阳能电池的数量，这也降低了光伏发电的系统成本。当前较为人们所熟悉和研究较多的几种太阳能聚光器有：槽式聚光器、碟式聚光器、塔式聚光器、菲涅尔聚光器以及以复合抛物面聚光器（CPC）为代表的非成像聚光器。而前四种聚光系统为跟踪式聚光系统，虽然有更高的聚光比，但是结构复杂，成本较高，难以维护且跟踪系统会消耗一定的电能导致系统发电效率减小。而CPC不用跟踪，只需做季节性的倾角调整即可达到很好的聚光效果，是比较理想的低倍聚光器。但是复合抛物面聚光器反射面弧度难以制造，增加了成本，并且由于聚光器本身的光学性质，其汇聚在吸收体即太阳能电池上的光通量并不均匀，这也降低了太阳电池的发电效率。针对这些缺陷，本专利中的三平面复合平面聚光器，使用三组平面反射面代替复合抛物面反射面，通过计算及实验优化得到最优化的尺寸结构，使得其年采光量达到相应理想聚光器的99.7%，而且改善了太阳电池上的光通分布，使得光强分布更加均匀，从而提高了电池的发电效率，并且平面较抛物面更易于制造，成本更低。
发明内容
本实用新型旨在克服现有的CPC聚光器存在的一些不足，提出一种基于CPC设计的三平面复合平面聚光器，该复合平面聚光器可达到优异的光学性能，并且可以较大程度的降低制造难度，节约材料，还能大幅提高聚集到太阳电池板上的光的均匀程度，使得太阳电池效率提高。
本实用新型的技术方案为：一种基于CPC设计的三平面复合平面聚光器，由三平面复合平面聚光反射板（1）、太阳电池板（3）、支架（4）和玻璃盖板（2）组成。其特征在于：所述三平面复合平面聚光反射板（1）固定在支架（4）上，所述太阳电池板（3）设置在聚光器吸收体位置即聚光器底部，且太阳电池板的受光面朝向聚光器的入口，所述玻璃盖板覆盖在所有聚光器的采光面上方，两相邻反射板间非光路部分为中空，以便于通风散热；而涉及光线通过的光路部分应封闭，以减少灰尘进入；所述入射角（）为太阳光线（5）与聚光器采光面的的法线（6）的夹角。
上述的三平面复合平面聚光反射板（1）基于CPC反射面（7）设计，其特征在于：每个三平面复合平面聚光反射板（1）具有三个平面反射面；CPC反射面（7）是一个抛物曲面，是所述三平面复合平面聚光反射板（1）的结构来源，但不是所述三平面复合平面聚光反射板（1）的结构；所述三平面复合平面聚光反射板（1）的上下端点（8、9）与对应的CPC反射面（7）的上下端点重合；所述三平面复合平面聚光反射板（1）的三个平面反射面的交点（10、11）在对应的CPC反射面（7）上；所述三平面复合平面聚光反射板（1）的上端点（8）的临界角（）在51°~51.5°范围内，组成三平面复合平面聚光反射板（1）的三个平面反射面中的上反射面与中反射面的交点（10）的临界角（）在64.1°~64.3°范围内，中反射面与下反射面的交点（11）的临界角（）在77.1°~77.3°范围内；在直角坐标系中，单体三平面复合平面聚光反射板（1）对应的CPC反射面（7）的方程为：
其中为CPC反射面的接收半角，，并按Ct=(1.95~2.0)的聚光比截短，所述Ct为CPC聚光器截短后的聚光比，即聚光器上开口的宽度与下方吸收体的宽度的比值。
上述的三平面复合平面聚光器，每年须调整倾角（β）两次，其特征在于：倾角（β）为作为吸收体的太阳电池板（3）与水平面的夹角；每年春分到秋分间调整其倾角为λ-18°(±1°)；而秋分到下一年的春分间调整其倾角为λ+18°(±1°)，其中λ为当地地理纬度，具体调整日期可以根据实际情况提前或延后。
上述的三平面复合平面聚光反射板可使用玻璃镜面或镜面不锈钢制成；玻璃盖板可采用透射率高的超白玻璃或钢化玻璃；电池板采用聚光太阳电池；支架可采用其他形式，但都应可以调节倾角。
本实用新型的工作原理为：在对应日期调整好倾角后，太阳辐射穿过玻璃盖板进入三平面复合平面聚光器的采光面，一部分直接照射到太阳电池板上，一部分经由三平面复合平面聚光反射板反射以后，到达太阳电池板上，入射到整个聚光器采光面上的绝大部分太阳辐射直接或经反射后被太阳电池板吸收，太阳电池板接收到的太阳辐射能成倍增加，本实用新型中的三平面复合平面聚光器聚光比为1.95~2.0之间；太阳能电池发出的电能可经整流后储存在蓄电池里，也可经逆变器后并网发电。
本实用新型的有益效果是：经实验和计算，本实用新型中的三平面复合平面聚光器有不弱于现有的CPC聚光器的光学性能，并且太阳辐射经三平面复合平面聚光器汇聚到太阳电池板上的光通量分布更加均匀，这在提高聚光太阳电池功率的同时可以有效提高聚光太阳能电池的发电效率，经计算三平面复合平面聚光器年采光量可达到对应的CPC聚光器的99.7%，而且三平面复合平面聚光器相对于CPC聚光器制造难度大为降低，并更加节约材料，降低了成本。
附图说明
图1是本实用新型系统结构图；
图2是本实用新型三平面复合平面聚光器的反射板细节图；
图中各标号：1-三平面复合平面聚光反射板，2-玻璃盖板，3-太阳电池，4-可调倾角支架，5-太阳光线，6-聚光器采光面的法线，7-对应的参考CPC反射面，8-三平面复合平面聚光反射板的上端点，9-三平面复合平面聚光反射板的下端点，10-组成三平面复合平面聚光反射板的上反射平面与中反射平面的交点，11-组成三平面复合平面聚光反射板的中反射平面与下反射平面的交点，-太阳辐射的入射角,-聚光器的倾角，-三平面复合平面聚光反射面上端点的临界入射角，-三平面复合平面聚光反射板的上反射面与中反射面交点的临界角，-三平面复合平面聚光反射板的中反射面与下反射面交点的临界角。
具体实施方式
一种基于CPC设计的三平面复合平面聚光器，由三平面复合平面聚光反射板（1）、太阳电池板（3）、支架（4）和玻璃盖板（2）组成；三平面复合平面聚光反射板（1）固定在支架（4）上，支架（4）可以调节倾角（β），所述太阳电池板（3）设置在聚光器吸收体位置即聚光器底部，且太阳电池板的受光面朝向聚光器的入口，所述玻璃盖板（2）覆盖在所有聚光器的采光面上，两相邻反射板间非光路部分为中空，以便于通风散热；而涉及光线通过的光路部分应封闭，以减少灰尘进入。
实施例1
工作状态：一种基于CPC设计的三平面复合平面聚光器，在对应日期通过可调倾角支架（4）调整好倾角后，太阳辐射穿过玻璃盖板（2）投射到三平面复合平面聚光器的采光面上，并且入射角在接收半角范围内，部分太阳辐射直接照射到太阳电池板（3）上，部分太阳辐射照射到三平面复合平面聚光反射板（1）上，经反射到达太阳电池板（3）上，入射到整个聚光器采光面上的绝大部分太阳辐射直接或经反射后被太阳电池板吸收，太阳电池板接收到的太阳辐射能成倍增加，太阳电池板将太阳辐射转化为电能，可经整流后储存在蓄电池里，也可经逆变器后并网发电。
实施例2
倾角调节：所述三平面复合平面聚光器通过可调倾角支架（4）每年调整倾角（β）两次，倾角（β）为作为吸收体的太阳电池板（3）与水平面的夹角；每年春分到秋分间调整其倾角为λ-18°(±1°)；而秋分到下一年的春分间调整其倾角为λ+18°(±1°)，其中λ为当地地理纬度，具体调整日期可以根据实际情况提前或延后，从而保证太阳辐射的入射角（θin）始终在三平面复合平面聚光器的接收半角内。

Claims (3)

1.一种基于CPC设计的三平面复合平面聚光器，由三平面复合平面聚光反射板（1）、太阳电池板（3）、支架（4）和玻璃盖板（2）组成；其特征在于：所述三平面复合平面聚光反射板（1）固定在支架（4）上，所述太阳电池板（3）设置在聚光器吸收体位置即聚光器底部，且太阳电池板的受光面朝向聚光器的入口，所述玻璃盖板（2）覆盖在所有聚光器的采光面入口上方，两相邻反射板间非光路部分为中空，以便于通风散热；而涉及光线通过的光路部分应封闭，以减少灰尘进入；入射角（）为太阳光线（5）与聚光器采光面的的法线（6）的夹角。
2.根据权利要求1所述的三平面复合平面聚光器，其三平面复合平面聚光反射板（1）基于复合抛物面聚光器（CPC）反射面（7）设计，其特征在于：每个三平面复合平面聚光反射板（1）具有三个平面反射面；CPC反射面（7）是一个抛物曲面，是所述三平面复合平面聚光反射板（1）的结构来源；所述三平面复合平面聚光反射板（1）的上下端点（8、9）与对应的CPC反射面（7）的上下端点重合；所述三平面复合平面聚光反射板（1）的三个平面反射面的交点（10、11）在对应的CPC反射面（7）上；所述三平面复合平面聚光反射板（1）的上端点（8）的临界角（）在51°~51.5°范围内，组成三平面复合平面聚光反射板（1）的三个平面反射面中的上反射面与中反射面的交点（10）的临界角（）在64.1°~64.3°范围内，中反射面与下反射面的交点（11）的临界角（）在77.1°~77.3°范围内；在直角坐标系中，单体三平面复合平面聚光反射板（1）对应的CPC反射面（7）的方程为：
其中为CPC反射面的接收半角，，并按Ct=(1.95~2.0)的聚光比截短，所述Ct为CPC聚光器截短后的聚光比，即聚光器上开口的宽度与下方吸收体的宽度的比值。
3.根据权利要求1所述的三平面复合平面聚光器，还包含有倾角β，每年须调整倾角（β）两次，其特征在于：倾角（β）为作为吸收体的太阳电池板（3）与水平面的夹角；每年春分到秋分间调整其倾角为λ-18°(±1°)；而秋分到下一年的春分间调整其倾角为λ+18°(±1°)，其中λ为当地地理纬度，具体调整日期可以根据实际情况提前或延后。
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