CN209881723U - 一种聚光分光光伏系统 - Google Patents

Abstract

一种聚光分光光伏系统，其主要包括用于将入射光汇聚成一路汇合光的第一聚光器，分光元件设于汇合光的光路上且用于将汇合光分成特定波段光线透过的透射光和其余波段光线阻断的反射光，第二聚光器设于反射光或透射光的光路上且用于将所在光路上的光汇聚成一路聚合光；第一光伏电池设于聚合光的光路上且用于将聚合光转化为光伏电能。由于经过第一聚光器、分光元件和第二聚光器的分光、聚光作用，使得设置于后端的不同PN结的光伏电池能够获得与之匹配的太阳光谱波段和适量的太阳光辐射能量，这样能够使得光伏电池上各个PN结输出的电流达到均匀输出效果，利于进一步地提高太阳电池的光电转换效率。

Description

一种聚光分光光伏系统

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种聚光分光光伏系统。

背景技术

太阳能发电技术经过近几十年的发展已经在新能源领域确立了其重要地位。光伏电池是太阳能发电的核心器件，其光电转换效率直接影响整个发电系统的性能，如何提高光伏电池光电转换效率和光伏系统发电效率一直是太阳能发电领域研究人员追求的目标。

众所周知，太阳电池的核心是PN结，一个PN结对应固定的禁带宽度，仅能吸收特定波长范围的光子且对特定波长光有最高吸收效率，因此，单结太阳电池对光照能量的吸收十分有限。对不同波段的光采用不同禁带宽度的PN结进行吸收可有效提高光子能量吸收率，从而显著提高光电转换效率。高效多结太阳电池技术的研究尤为引人注目，但由于成本高，很难得以大规模地应用。采用聚光技术将太阳光通过透镜收集起来，提高单位面积太阳辐射能量密度，使得多结太阳电池达到较高的光电转换效率，同时也大大减小了所需多结太阳电池的面积，从而降低系统成本。

然而，由于太阳光谱的能量分布并不均匀，太阳辐射能量主要集中在可见光部分(400～760nm)，导致不同波段照射在多个PN结的最佳输出电流并不匹配，从而限制了多结太阳电池效率的进一步提升。以三结太阳电池为例，Ga0.50In0.50P、Ga0.99In0.01As、Ge三种材料分别构成电池的上、中、下三个PN结，三个PN结分别吸收太阳光谱中的短波(300～700nm)、中波(700～900nm)、长波(900～1700nm)，上、中、下三个PN结构成串联的子电池，三结电池的总体输出电流被限制为子电池中最小的输出电流。

在AM1.5d的标准光谱分布下，Ga0.50In0.50P子电池和Ga0.99In0.01As子电池得到的电流较为匹配，Ge子电池得到的电流较大，这种电流不匹配会导致Ge子电池不能达到最佳工作状态，从而长波段的光照没有被充分利用。此外因为大气云层、地理纬度、海拔、季节和太阳高度角的变化，入射到太阳能电池的太阳光谱也将偏离AM1.5d，使得三个子电池的电流动态变化，因此动态分配光谱比例以实现三个子电池的电流匹配，可以提高分光光伏系统的总体效率。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提高光伏电池的能量转换效率，为了解决上述技术问题，本申请提供一种聚光分光光伏系统，包括：

第一聚光器，用于将入射光汇聚成一路汇合光；

分光元件，设于所述汇合光的光路上，用于将所述汇合光分成特定波段光线透过的透射光和其余波段光线阻断的反射光；

第二聚光器，设于所述反射光或所述透射光的光路上，用于将所在光路上的光汇聚成一路聚合光；

第一光伏电池，设于所述聚合光的光路上，用于将所述聚合光转化为光伏电能。

所述第一聚光器为菲涅尔透镜、凸透镜或者旋转抛物面镜；所述第一聚光器的聚光倍数的范围是1-50倍。

所述的聚光分光光伏系统还包括准直透镜，所述准直透镜设于所述第一聚光器的后端，用于将所述第一聚光器产生的汇合光进行准直后投射在所述分光元件上。

所述分光元件包括光学基体，所述光学基体为二向色镜、棱镜或滤波片，包括接收所述汇合光的入射面和对应的出射面。

在所述光学基体的入射面上排列分布有多个光学薄膜，用于形成不同光谱波段分光性能的分光区域。

所述光学基体的透射光的波长处于短波段或中波段的范围内，所述光学基体的反射光的波长处于中波段或长波段的范围内。

所述光学基体的入射面面向所述第一聚光器，使得所述汇合光与所述入射面的法线之间形成的夹角θ的取值范围为0°<θ<90°。

所述第二聚光器为旋转抛物面镜、菲涅尔透镜或凸透镜，所述第二聚光器的聚光倍数的取值为1-500倍。

所述的聚光分光光伏系统还包括第二光伏电池，所述第二光伏电池设于所述透射光或所述反射光的光路上，且与所述第二聚光器处于不同光路，所述第二光伏电池用于将所述透射光或所述反射光转化为光伏电能。

所述第一光伏电池为多结光伏电池或单结光伏电池，所述第二光伏电池为多结光伏电池。

本申请的有益效果是：

依据上述实施例的一种聚光分光光伏系统，其主要包括第一聚光器、分光元件、第二聚光器和第一光伏电池，其中第一聚光器用于将入射光汇聚成一路汇合光，分光元件设于汇合光的光路上且用于将汇合光分成特定波段光线透过的透射光和其余波段光线阻断的反射光，第二聚光器设于反射光或透射光的光路上，用于将所在光路上的光汇聚成一路聚合光；第一光伏电池设于聚合光的光路上且用于将聚合光转化为光伏电能。第一方面，由于在分光元件的前端设置了第一聚光器，使得入射光在形成汇合光后达到第一聚光器，利于形成较高能流密度的汇合光，也利于增强分光元件的分光性能，并且，第一聚光器仅是将入射光汇聚到一个小面积的分光元件上，实现的是低倍率聚光，既起到了光线汇聚作用，也可以防止分光元件因承受高温光线而损坏；第二方面，由于在透射光或反射光的光路设置了第二聚光器，使得所在光路上的光能够形成光线汇聚作用，实现高倍率聚光，形成的聚合光具有更强的能流密度，在聚合光到达第一光伏电池时，利于提高光伏电池的吸收作用和光电转换效率；第三方面，由于分光元件将汇合光分割成两束光，使得其中一束包含一部分光谱波段的光再经过第二聚光器进行汇聚后被匹配的第一光伏电池吸收，另一束其余波段的光由匹配的第二光伏电池吸收，如此有助于达到不同光谱能量的入射光能够被不同太阳能电池高效吸收的目的，使得所有的光谱能量都得到充分利用；第四方面，由于经过第一聚光器、分光元件和第二聚光器的分光、聚光作用，使得设置于后端的不同PN结的光伏电池能够获得与之匹配的太阳光谱波段和适量的太阳光辐射能量，这样能够使得光伏电池上各个PN结输出的电流达到均匀输出效果，利于进一步地提高太阳电池的光电转换效率，尤其是对于多结光伏电池来说，这种光伏接收系统能够大幅度地提供多结光伏电池的光电转换效率。

附图说明

图1为一种实施例中菲涅尔透镜形成第一聚光器和第二聚光器的结构图；

图2为一种实施例中凸透镜形成第一聚光器以及旋转抛物面镜形成第二聚光器的结构图；

图3为旋转抛物面镜形成第一聚光器以及菲涅尔透镜形成第二聚光器的结构图；

图4为旋转抛物面镜形成第一聚光器以及凸透镜形成第二聚光器的结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

请参考图1-4，本申请公开一种聚光分光光伏系统，其主要包括第一聚光器1、分光元件2、第二聚光器3、第一光伏电池4，下面分别说明。

第一聚光器1用于将入射光汇聚成一路汇合光。本实施例中的入射光由光源发出，可以是各种波段光线组成的混合光，光源可以是太阳或人造光源，这里不做限制。

分光元件2设于汇合光的光路上，用于将汇合光分成特定波段光线透过的透射光和其余波段光线阻断的反射光。

第二聚光器3设于反射光或透射光的光路上，用于将所在光路上的光汇聚成一路聚合光。

第一光伏电池4设于聚合光的光路上，用于将聚合光转化为光伏电能。

在本实施例中，第一聚光器为菲涅尔透镜、凸透镜或者旋转抛物面镜，如图1中所示的菲涅尔透镜1，图2中所示的凸透镜1′，以及图3和图4中所示的旋转抛物面镜1″。

在本实施例中，由于入射光的能流密度较低，若入射光直接照射在分光元件2上时需要较大的接收面，不利于进一步地提高分光元件2的分光性能。这里提供的第一聚光器1能够对入射光起到汇聚作用，形成的汇合光具有较高的能流密度，到达分光元件2上时，可利于提高分光元件2的分光性能。因此，为达到一种较好的汇聚和分光效果，可设置第一聚光器1的聚光倍数的范围是1-50倍，优选地为10倍、20倍或30倍。

进一步地，参见图1和图2，请求保护的聚光分光光伏系统还包括准直透镜6，如准直凹面镜，准直透镜6设于第一聚光器(如附图标记1、1′)的后端，用于将第一聚光器产生的汇合光进行准直后投射在分光元件2上。需要说明的是，菲涅尔透镜、凸透镜或者旋转抛物面镜均具有聚光焦点，使得汇合光往往呈现不平行的出射状态，经过分光元件后也会造成反射光和透射光的发散状态，为光伏电池的接收带来不利影响，因此，为尽量避免这种情况的出现，可以在第一聚光器的后端设置准直透镜来改变汇合光的不平行出射状态，使得到达分光元件的光线都均有平行、准直的特性。

例如，参见图1和图2，光源发出的光线L1经过第一聚光器1后与其它光线进行汇聚，再经过准直透镜6后到达分光元件2的表面，分成反射光线L2和透射光线L3。

在另一个具体实施例中，参见图3和图4，第一聚光器为旋转抛物面镜1″，该旋转抛物面镜1″通过自身的聚光槽将入射光汇聚到槽内的焦点位置，然后通过焦点附近的弧形反射板对汇聚的光线进行二次反射，形成的汇合光从聚光槽底面的端口出射至分光元件2；由于二次反射形成的汇合光已经具备了准直特性，这里就不需要在旋转抛物面镜1″的后端增设准直透镜6，若汇合光的准直效果不佳则依然可以增加准直透镜6。

在本实施例中，详见图3和图4，分光元件2可包括光学基体21，该光学基体21为二向色镜、棱镜或滤波片，且包括接收汇合光的入射面和对应的出射面，特定波段的汇合光通过光学基体21的入射面进入且经出射面射出，其余波段的汇合光沿光学基体21的入射面进行反射。

为提高光学基体21对汇合光的分光效果，可以在光学基体21的入射面上排列分布多个光学薄膜22，用于形成不同光谱波段分光性能的分光区域，使得汇合光到达光学薄膜22的分光区域时，按照特定光谱波段分光性能对该分光区域内的汇合光进行分割，如第一个分光区域透过300-400nm的光，第二个分光区域透过400-500nm的光，依次类推，最终可对汇合光进行精细分割。

例如，在分光元件2的入射面上设置n种不同材料的光学薄膜，其中n为大于或等于1的正整数；各种光学薄膜呈条状栅形分布，按照预设尺寸设置每种光学薄膜的自身宽度和相邻光学薄膜之间的间隔。该些n种不同材料的光学薄膜宽度ai和薄膜间隔bi为相同值或为不同值；薄膜的宽度ai和薄膜间隔bi取值根据所要分离的反射光光谱、透射光光谱、反射光能量、透射光能量和分光元件的自身参数确定。

在本实施例中，设置光学基体21的分光性能，使得光学基体21的透射光的波长处于短波段(300-700nm)或中波段(700-900nm)的范围内，光学基体21的反射光的波长处于中波段(700-900nm)或长波段(900-1900nm)的范围内。如此，可使得透射光主要集中短波段和部分中波段的光线，使得反射光主要集中部分中波段和长波段的光线。

在本实施例中，为达到较好的分光效果，光学基体21的入射面面向第一聚光器(如1、1′、1″)，使得汇合光与入射面的法线之间形成的夹角θ的取值范围为0°<θ<90°。优选地，保证夹角θ的取值为45°。

在本实施例中，第二聚光器3为旋转抛物面镜、菲涅尔透镜或凸透镜，如图1和图3所示的菲涅尔透镜3，如图2所示的旋转抛物面镜3′，如图4所示的凸透镜3″。由于反射光或透射光仅是一部分波段的光，各自的能流密度将有所降低，不利于末端光伏电池的吸收作用，因此，为达到一种较好的汇聚和吸收效果，可设置第二聚光器的聚光倍数的范围是1-500倍，优选为100倍、200倍或300倍。

在另一个具体实施例中，见图4，第二聚光器(如凸透镜3″)设置在发射光的光路上，则可以在透射光的光路上设置第三聚光器(如凸透镜7)，将透射光进行汇聚然后出射至第二光伏电池5，由此来提高第二光伏电池的光电转换效率。

进一步地，参考图1-4，请求保护的聚光分光光伏系统还包括第二光伏电池5，该第二光伏电池5设于透射光或反射光的光路上，且与第二聚光器3处于不同光路，这里的第二光伏电池5用于将透射光或反射光转化为光伏电能。

进一步地，为提高光电转换效率以及节省系统应用成本，第一光伏电池4为多结光伏电池或单结光伏电池，第二光伏电池5为多结光伏电池，其中多结光伏电池由GaInP/Ga(In)As/Ge、AI-GaAs/GaAs、GaInP/GaAs或GaInP/GaInAs等材料制成，单结光伏电池由Si、碲化镉、钙钛矿或CIGS等材料制成。具体地，设置第一光伏电池4(或第二光伏电池5)的光伏性能，使得光伏电池的光线吸收波段与光路上聚合光的波段相匹配。例如，若光线L3所在的透射光为短波段(300-700nm)或中波段(700-900nm)的光谱波段，光线L2所在的反射光为中波段(700-900nm)或者长波段(900-1900nm)的波光谱波段，则设置第一光伏电池光伏电池4为单结光伏电池，设置第二光伏电池5为多结光伏电池，如此实现不同光伏性能的光伏电池着重吸收对应光谱波段的出射光。

综上所述，本申请请求保护的一种聚光分光光伏系统，其通过第一聚光器1将太阳光能量汇聚到一个小面积的分光元件2的表面，由于分光元件2不能承受太高温度，所以第一聚光器1仅实现低倍率聚光。此外，分光元件2通过反射和透射作用将汇聚后的入射光分离成两束光，其中一束包含中波和长波光谱能量的反射光再经过第二聚光器3汇聚后，通过相匹配的第一光伏电池4(单结光伏电池)吸收，另一束包含短波和中波光谱能量的透射光则由相匹配的第二光伏电池5(多结光伏电池)吸收。第一光伏电池4要达到高效光电转换效率要求高密度太阳光，因此第二聚光器3可以采用高倍率聚光器。如此，使得本系统可以将所有波段的光谱能量都得到充分利用，提高入射光作用于光伏电池上的光电转换效率，发挥光伏电池的最大发电性能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种聚光分光光伏系统，其特征在于，包括：

第一聚光器，用于将入射光汇聚成一路汇合光；

分光元件，设于所述汇合光的光路上，用于将所述汇合光分成特定波段光线透过的透射光和其余波段光线阻断的反射光；

第二聚光器，设于所述反射光或所述透射光的光路上，用于将所在光路上的光汇聚成一路聚合光；

第一光伏电池，设于所述聚合光的光路上，用于将所述聚合光转化为光伏电能。

2.如权利要求1所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，所述第一聚光器为菲涅尔透镜、凸透镜或者旋转抛物面镜；所述第一聚光器的聚光倍数的范围是1-50倍。

3.如权利要求2所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，还包括准直透镜，所述准直透镜设于所述第一聚光器的后端，用于将所述第一聚光器产生的汇合光进行准直后投射在所述分光元件上。

4.如权利要求3所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，所述分光元件包括光学基体，所述光学基体为二向色镜、棱镜或滤波片，包括接收所述汇合光的入射面和对应的出射面。

5.如权利要求4所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，在所述光学基体的入射面上排列分布有多个光学薄膜，用于形成不同光谱波段分光性能的分光区域。

6.如权利要求4所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，所述光学基体的透射光的波长处于短波段或中波段的范围内，所述光学基体的反射光的波长处于中波段或长波段的范围内。

7.如权利要求4所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，所述光学基体的入射面面向所述第一聚光器，使得所述汇合光与所述入射面的法线之间形成的夹角θ的取值范围为0°<θ<90°。

8.如权利要求1-7中任一项所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，所述第二聚光器为旋转抛物面镜、菲涅尔透镜或凸透镜；所述第二聚光器的聚光倍数的取值为1-500倍。

9.如权利要求8所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，还包括第二光伏电池，所述第二光伏电池设于所述透射光或所述反射光的光路上，且与所述第二聚光器处于不同光路，所述第二光伏电池用于将所述透射光或所述反射光转化为光伏电能。

10.如权利要求9所述的聚光分光光伏系统，其特征在于，所述第一光伏电池为多结光伏电池或单结光伏电池，所述第二光伏电池为多结光伏电池。