CN205176308U - 一种孪生聚光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种孪生聚光器，包括复眼式透镜聚光器以及设置有光伏电池晶片的电路板，所述复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜，在每个聚光透镜下方对应设置有光伏电池晶片，在所述聚光透镜与光伏电池晶片之间设置有聚光球体，每个聚光透镜与其对应的聚光球体构成的结构均为轴对称结构，所述聚光球体的球心与聚光透镜的轴心均在该对称轴上。本实用新型通过两次聚光，减小了光程、降低了聚光组件的整体厚度，通过光线等比压缩数值求解的方式，实现了光斑能量均匀分布，规避了电池内部横向电流，提高了组件的转化效率，延缓了电池效率衰减，从而得到了一种高效的聚光组件，而且提高了系统容错能力，降低了精度要求，降低了制作成本。

Description

一种孪生聚光器

技术领域

本实用新型属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种孪生聚光器。

背景技术

聚光光伏发电技术是公认的可降低光伏发电成本的有效途径。目前，一个完整的聚光光伏发电系统主要包括复眼式聚光太阳电池组件、太阳跟踪器、电能存储或逆变设备等几部分。复眼式聚光太阳电池组件作为光电转换部件，主要由复眼式透镜聚光器和安装有光伏电池晶片的电路板所组成。

其中，复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜。使用时通过太阳跟踪器使聚光透镜基本正对阳光照射方向，然后通过这些聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电路板上与各个聚光透镜相对应的光伏电池晶片的接收面上，从而使各个光伏电池晶片中产生电流，这些电流通过电路板上的线路输出。

公开号为CN101640502A的实用新型专利申请文件所公开的聚光太阳电池组件极具代表性。该电池组件中采用的点聚光菲涅尔透镜已成为业界公认的聚光透镜的最佳选折。另外，仍有许多公开了采用聚光菲涅尔透镜作聚光透镜的聚光光伏发电技术的参考文献，在此不再赘述。

实际上，采用菲涅尔透镜也并非没有缺憾。比如，由于菲涅尔透镜表面纹路的加工缺陷，会造成一部分入射光线的损失，导致光线透过率仅处于75％左右的较低水平上，而且这种加工缺陷又是以目前的加工技术所难以克服的；又如，菲涅尔透镜可看成由多个同光轴凸透镜的组合，故其聚光后光斑能量分布不够均匀。

若采用普遍使用的球面凸透镜替代菲涅尔透镜虽然可解决光线透过率较低的问题，然而，球面凸透镜只能将光线集中于焦点，无论将光伏电池晶片安装在其焦点略靠前或靠后的位置，都会造成聚光后光斑能量分布不均匀，致使电池内部产生电势差，进而形成内部电流，这一部分电流会在电池内部消耗掉，减小了电池输出功率，另外，由于内部电流的产生，电池内部的温度会进一步升高，使得聚光太阳电池组件的效率下降。

综上所述，在现有技术中，目前主要存在的技术问题是：

1、目前的聚光组件大多尺寸较大，难于做到小型化，这不仅增加了封装成本，同时也增大了运输与安装的难度。

2、聚光之后的光强分布不均匀，将产生横向电流，降低了组件的填充因子，致使光电转换效率降低。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够使得光斑能量均匀分布且降低组件厚度，同时还能提高系统容错能力的孪生聚光器。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种孪生聚光器，包括复眼式透镜聚光器以及设置有光伏电池晶片的电路板，所述复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜，在每个聚光透镜下方对应设置有光伏电池晶片，其特征在于：在所述聚光透镜与光伏电池晶片之间设置有聚光球体，太阳光通过平凸的聚光透镜进行第一次汇聚，然后经过其下方的聚光球体进行二次汇聚，最后落在光伏电池晶片表面，每个聚光透镜与其对应的聚光球体构成的结构均为轴对称结构，所述聚光球体的球心与聚光透镜的轴心均在该对称轴上，且通过该对称轴的剖面满足如下方程：

$(h-y)\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}{1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}*tan\left(\mathrm{\ω}\right)}+n\sqrt{\frac{{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}{1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}}=\frac{k*(kr-kh+\sqrt{k^2{r}^2-h^2+2hr-2rb})}{k^2+1-n^2*(1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2)}$ ………①

k＝tg(α)………………………………④

sin(θ)＝n*sin(β)………………………⑤

nsinθ'＝nsin(β'+θ')……………………⑦

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\β}}^{\′}$ ………………………………⑧

其中，h为聚光透镜平面到光伏电池晶片平面的距离，r为聚光球体半径，n为材料折射率，k为光线通过透镜折射后的光线斜率，b为第一条光线折射后与y轴的交点，对于第一点而言b＝ka，a为聚光透镜的半径；α为通过聚光透镜的光线与x轴的夹角，θ为光线在聚光球体表面的入射角,β为光线通过聚光球体后的折射角，ω为光线通过聚光球体后与y轴的夹角，为聚光球体圆心同光线与聚光球体交点的连线与y轴的夹角，θ'为光线在聚光透镜表面的入射角，β'为通过聚光透镜表面的光线与y轴的夹角。

本实用新型所述的孪生聚光器，其所述聚光球体位于光伏电池晶片正上方且与聚光球体相切，经过聚光球体二次汇聚的光线全部落在光伏电池晶片上。

本实用新型通过设置在聚光透镜下方的聚光球体对经过聚光透镜汇聚后的光线进行二次汇聚，利用将光线等比压缩的设计方式，获得均匀的光斑，从而获得高效的光伏组件，而且通过聚光球体的二次聚光作用，有助于增大系统的容错能力，降低工艺精度，提升装配效率，还能削弱色散等因素引起的光斑尺寸较大的问题，从而提高聚光倍数，降低电池用量，节约成本，同时还降低了封装厚度，提升了运输与安装的便捷性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型入射光线经过两次折射的原理图。

图中标记：1为聚光透镜，2为光伏电池晶片，3为聚光球体。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1和2所示，一种孪生聚光器，包括复眼式透镜聚光器以及设置有光伏电池晶片的电路板，所述复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜1，在每个聚光透镜1下方对应设置有光伏电池晶片2，在所述聚光透镜1与光伏电池晶片2之间设置有聚光球体3，所述聚光球体3位于光伏电池晶片2正上方且与聚光球体3相切，太阳光通过平凸的聚光透镜1进行第一次汇聚，然后经过其下方的聚光球体3进行二次汇聚，最后落在光伏电池晶片2表面，经过聚光球体3二次汇聚的光线全部落在光伏电池晶片2上，每个聚光透镜1与其对应的聚光球体3构成的结构均为轴对称结构，所述聚光球体3的球心与聚光透镜1的轴心均在该对称轴上，且通过该对称轴的剖面满足如下方程：

$(h-y)\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}{1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}*tan\left(\mathrm{\ω}\right)}+n\sqrt{\frac{{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}{1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}}=\frac{k*(kr-kh+\sqrt{k^2{r}^2-h^2+2hr-2rb})}{k^2+1-n^2*(1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2)}$ ………①

k＝tg(α)………………………………④

sin(θ)＝n*sin(β)………………………⑤

nsinθ'＝nsin(β'+θ')……………………⑦

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\β}}^{\′}$ ………………………………⑧

其中，h为聚光透镜平面到光伏电池晶片平面的距离，r为聚光球体半径，n为材料折射率，k为光线通过透镜折射后的光线斜率，b为第一条光线折射后与y轴的交点，对于第一点而言b＝ka，a为聚光透镜的半径；α为通过聚光透镜的光线与x轴的夹角，θ为光线在聚光球体表面的入射角,β为光线通过聚光球体后的折射角，ω为光线通过聚光球体后与y轴的夹角，为聚光球体圆心同光线与聚光球体交点的连线与y轴的夹角，θ'为光线在聚光透镜表面的入射角，β'为通过聚光透镜表面的光线与y轴的夹角。通过上述方程组能够求解出聚光球体的半径尺寸以及聚光球体与聚光透镜的相对位置。

本实用新型通过两次聚光，减小了光程、降低了聚光组件的整体厚度，通过光线等比压缩数值求解的方式，实现了光斑能量均匀分布，规避了电池内部横向电流，提高了组件的转化效率，延缓了电池效率衰减，从而得到了一种高效的聚光组件，而且提高了系统容错能力，降低了精度要求，降低了制作成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种孪生聚光器，包括复眼式透镜聚光器以及设置有光伏电池晶片的电路板，所述复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜(1)，在每个聚光透镜(1)下方对应设置有光伏电池晶片(2)，其特征在于：在所述聚光透镜(1)与光伏电池晶片(2)之间设置有聚光球体(3)，太阳光通过平凸的聚光透镜(1)进行第一次汇聚，然后经过其下方的聚光球体(3)进行二次汇聚，最后落在光伏电池晶片(2)表面，每个聚光透镜(1)与其对应的聚光球体(3)构成的结构均为轴对称结构，所述聚光球体(3)的球心与聚光透镜(1)的轴心均在该对称轴上，且通过该对称轴的剖面满足如下方程：

$(h-y)\sqrt{1-n^2\frac{{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}{1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}*tan\left(\mathrm{\ω}\right)}+n\sqrt{\frac{{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}{1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2}}=\frac{k*(kr-kh+\sqrt{k^2{r}^2-h^2+2hr-2rb})}{k^2\mathrm{+1}-n^2*(1+{\left(\frac{dy}{dx}\right)}^2)}$ ………①

…………②

…………………………③

k＝tg(α)………………………………④

sin(θ)＝n*sin(β)………………………⑤

………………………………⑥

nsinθ'＝nsin(β'+θ')……………………⑦

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\β}}^{\′}$ ………………………………⑧

其中，h为聚光透镜平面到光伏电池晶片平面的距离，r为聚光球体半径，n为材料折射率，k为光线通过透镜折射后的光线斜率，b为第一条光线折射后与y轴的交点，对于第一点而言b＝ka，a为聚光透镜的半径；α为通过聚光透镜的光线与x轴的夹角，θ为光线在聚光球体表面的入射角,β为光线通过聚光球体后的折射角，ω为光线通过聚光球体后与y轴的夹角，为聚光球体圆心同光线与聚光球体交点的连线与y轴的夹角，θ'为光线在聚光透镜表面的入射角，β'为通过聚光透镜表面的光线与y轴的夹角。

2.根据权利要求1所述的孪生聚光器，其特征在于：所述聚光球体(3)位于光伏电池晶片(2)正上方且与聚光球体(3)相切，经过聚光球体(3)二次汇聚的光线全部落在光伏电池晶片(2)上。