CN211959154U - 一种聚光镜和聚光光伏组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种聚光镜和聚光光伏组件，涉及聚光装置技术领域，包括透射面，用于接收照射在其表面的太阳光，第一反射面，设置在透过所述透射面的太阳光的光路上，用于反射从所述透射面射入的太阳光，第二反射面，设置在所述第一反射面的反射光光路上，用于反射所述第一反射面的反射光，及单晶硅电池板，设置在所述第二反射面的反射光光路上且位于反射光所形成的焦平面下方1mm处。本实用新型的聚光镜及聚光光伏组件能够有效提高单晶硅电池的转换效率、接收角大、照度均匀、聚光比适当、支架可变倾角且简易实用且制造低成本，可实现工业化生产，应用前景广，具有很高的推广价值和生产可行性。

Description

一种聚光镜和聚光光伏组件

技术领域

本实用新型涉及聚光装置技术领域，具体涉及一种聚光镜和聚光光伏组件。

背景技术

迫于全球能源问题，太阳能在能源消费结构中急需快速增大比例，降低光伏发电系统的成本一直是近年来人们研究的热点。目前大规模使用的主要是单晶硅、多晶硅以及非晶硅光伏电池，但是实际使用中转换率不高，仅25%左右。而聚光镜作为光伏发电系统的主要部件，在提高光转换率方面起着非常重要的作用。

近半个世纪以来，研究者们也提出了不少相关设计。早在1979年A.luque设计了双面太阳电池的准静态聚光器，要求充满高折射率的透明油，1994年S.Bowden等人设计了添加全反射介质的静态聚光器，1999年K.Yoshioka等提出二维复合椭圆透镜的设计，2013年李桂强等人的Lens-walled CPC结构聚光器，2015年陈镇光等人的线聚焦平板反射聚光器，等等。

上述聚光镜各有优势，但同时也各有不足和局限，例如，高倍聚光系统必须要配备精准的跟踪系统和复杂的冷却系统，且易形成热岛效应；V型、凹漏斗型等以及其它表面不平整的聚光镜积雨雪沙尘等且不便清洁，还有的聚光镜有较大的高度，需要增大支架的抗风等级，还有聚光镜所需材料昂贵。目前，缺乏一种可实现高效、小体积、接收角大、照度均匀、聚光比适当、支架简易实用的低成本的聚光光伏组件，尤其在高纬度、气温低太阳光强度弱、风又大的地方迫切需要。

发明内容

本实用新型针对上述问题，

本实用新型提供的技术方案之一为：一种聚光镜，包括：

透射面，用于接收照射在其表面的太阳光，

第一反射面，设置在透过所述透射面的太阳光的光路上，用于反射从所述透射面射入的太阳光，

第二反射面，设置在所述第一反射面的反射光光路上，用于反射所述第一反射面的反射光，及

单晶硅电池板，设置在所述第二反射面的反射光光路上且位于反射光所形成的焦平面下方1mm处。

进一步地，所述聚光镜的材质为PMMA透明玻璃且所述第一反射面与第二反射面上均渡有反射率为95%的反射膜；所述透射面为平面且渡有透光率为95%的透射膜。

更进一步地，所述第一反射面为对称且连续设置的若干个凹弧形面，

更进一步地，所述第二反射面为对称且连续设置的若干个凸弧形面，所述第二反射面凸弧形面的个数与第一反射面凹弧形面的个数相同。

更进一步地，所述凸弧形面的个数为6个。

更进一步地，所述单晶硅电池板的长为750mm、宽25mm，通过光学胶粘接在所述第一反射面上。

更进一步地，所述聚光镜的长为750mm、宽为175mm，高为35mm。

本实用新型提供的技术方案之一为：一种聚光光伏组件，所述聚光光伏组件包括上述技术方案所述的聚光镜和支架；所述支架包括：矩形框、支撑杆、旋转支撑架和底座；所述矩形框设置在所述聚光镜四周，用于对聚光镜进行固定；所述支撑杆与底座连接，两个平行设置的支撑杆上均设置有若干个挡块；所述旋转支撑架一端与矩形框的两个对称边活动连接，另一端设置在两个挡块中间。

进一步地，所述挡块的个数为6个。

本实用新型的优点：

本实用新型是一种有效提高了单晶硅电池转换效率、接收角大、照度均匀、聚光比适当、支架可变倾角且简易实用的低成本的聚光光伏组件，可实现工业化生产，应用前景广，具有很高的推广价值和生产可行性。

另外，本实用新型制造成本低，采用PMMA透明玻璃材质，上表面光滑，不积雨雪、灰尘，易清洁。所述聚光镜体积小，无需为增加抗风等级而额外增加支架的成本。所述支架简易，可变倾斜角。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型实施例的一种聚光镜的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的聚光镜光路示意图；

图3是本实用新型实施例的聚光镜反射面的子反射面弧度和长度原理图；

图4是本实用新型实施例的准静态聚光光伏组件结构示意图

图5是太阳高度角图示意图；

图6是地球和太阳相对运动关系图。

附图标记：

1为第一反射面、2为第二反射面、3为单晶硅电池板、4为透射面、6为矩形框、7为旋转支撑架、8为支撑杆、10为挡块、11为底座。

具体实施方式

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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-4所示，一种聚光镜，包括：

透射面4，用于接收照射在其表面的太阳光，

第一反射面1，设置在透过所述透射面4的太阳光的光路上，用于反射从所述透射面4射入的太阳光，

第二反射面2，设置在所述第一反射面1的反射光光路上，用于反射所述第一反射面1的反射光，及

单晶硅电池板3，设置在所述第二反射面2的反射光光路上且位于反射光所形成的焦平面下方1mm处。

其中一个实施例中，所述聚光镜的材质为PMMA透明玻璃且所述第一反射面1与第二反射面2上均渡有反射率为95%的反射膜；所述透射面4为平面且渡有透光率为95%的透射膜。

其中一个实施例中，所述第一反射面1为对称且连续设置的若干个凹弧形面。

其中一个实施例中，所述第二反射面2为对称且连续设置的若干个凸弧形面，所述第二反射面2凸弧形面的个数与第一反射面1凹弧形面的个数相同。

其中一个实施例中，所述凸弧形面的个数为6个。

其中一个实施例中，所述单晶硅电池板3的长为750mm、宽25mm，通过光学胶粘接在所述第一反射面1上。

其中一个实施例中，所述聚光镜的长为750mm、宽为175mm，高为35mm。

一种聚光光伏组件，所述聚光光伏组件包括所述的聚光镜和支架；所述支架包括：矩形框6、支撑杆8、旋转支撑架7和底座11；所述矩形框6设置在所述聚光镜四周，用于对聚光镜进行固定；所述支撑杆8与底座11连接，两个平行设置的支撑杆8上均设置有若干个挡块10；所述旋转支撑架7一端与矩形框6的两个对称边活动连接，另一端设置在两个挡块10之间。

其中一个实施例中，所述挡块10的个数为6个。

工作原理：参考图2，太阳光照射到透射面4上并透射到达第一反射面1，经第一反射面1反射后到达第二反射面2，经第二反射面2反射后汇聚于焦平面。但是太阳能电池片并没有位于焦平面处，而是为了照射到电池片的光照度均匀且适当增大接收角，本申请使焦平面位于电池片之上1mm处，太阳光均匀到达单晶硅电池片上，进行光伏发电。

本申请的设计原理：

如图2所示，第一反射面由3段子反射面构成，第二反射面也由3段子反射面构成，而且反射光线一一对应。首先确定第一反射面和第二反射面最右边的面型和位置，其它段面型的确定方法相同。

如图3所示，入射光束经第一反射面M₁₁、M₁₂反射后汇聚于焦点M2，根据等光程原理，第一反射面M₁₁、M₁₂为以M₂为焦点的抛物线，所满足的方程为

（1）

再结合M₁₂点的确定即可求出点M₂和M₁₁的坐标值（x_m2，y_m2）和（x_m11，y_m11）。

采用光线逆向追迹法确定该段反射面的另一端点M₁₂。若图3中由F₁点发出逆向光线照射到点M₂即光线F₁→M₂，该光线由M2处反射的光线必然是反射光线M₂→M₁₁，于是可以求出点M₂的法线M₂N_M2，那么由F₂点发出逆向光线由点M₂反射，反射光线与抛物线的交点即为该段反射面的另一端点M₁₂。

至此，若给出M₁₁点和F₁的位置坐标，进而可以确定出M₁₂以及M₂的位置。

接下来确定第二反射面相应的子反射面即M2所在子反射的面型以及端点M₂₁和M₂₂的坐标位置。图3中，不同入射角的光线入射到M₁₁点，反射后所有到达第二反射面M₂所在的子反射面M₂₁ M₂₂的光线，必然反射到点F₁，根据等光程原理，曲线M₂₁ M₂₂为以F₁和M₁₁为焦点且经过M₂的椭圆，方程为：

（2）

端点M₂₁和M₂₂的确定依然采用追迹法。垂直于镜面入射到M₁₁点的光线，反射后到达M₂点，由此确定的M₁₁点处的法线。再结合边缘光线原理，最大接收角

对应的入射到M₁₁点的两条入射光线，分别反射到边缘点M₂₁和M₂₂，再次反射后必然到达F₁点，由此确定端点M₂₁和M₂₂。

至此，聚光镜第一反射面和第二反射面彼此对应的最外段子反射面的端面曲线函数以及各端点位置都已确定，其它段的求法相同，可依次确定，直至计算到该聚光镜的对称中心。对所述聚光镜进行建模仿真，仿真结果显示，太阳光最大接收角也是影响聚光镜聚光比的因素之一，聚光比越大接收角会越小，本实用新型所需聚光比为6倍，相应的最大接收角范围等于±5°。所述聚光镜的焦平面位于电池片上方1mm处，焦平面宽度等于23mm，略小于电池片宽度，以保证入射光有足够的最大接收角以及太阳光的有效利用率。

将图1所示的聚光镜根据用户用电量的大小进行设计，然后安装于支架上，如图4所示。

如图4所示，支架可以通过移动旋转支撑架7在挡块10上的位置来改变聚光镜的倾斜角度，

下一步确定支架安装的电池方阵方位角ʘ和所需倾斜角β，以兰州地区为例。

太阳电池方阵的方位角是电池方阵的垂直面与正南方向的夹角。方位角按电池片纵向东西方向安装，结合兰州地区的经纬度，方位角在0°（方阵朝向正南）和13°（偏向西）之间就可以。

倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角。根据天文学，太阳相对于地球的位置如图5所示，图中描绘了地面观察者在春分、秋分、夏至、冬至这四天观察到的太阳相对于地球的运动轨迹。显然在不同季节太阳最大高度角（即图6中角ʘ）差异较大，所以为了尽可能做到太阳对电池方阵的直射，不同季节电池方阵所需倾斜角也有较大差别。从一年的夏天至冬天，ʘ从最大变化至最小，从冬天至来年的夏天，ʘ又从最小变化至最大。若求出太阳高度角ʘ，利用互余关系即可确定相应方阵倾角β。兰州地区（北纬36°03’，东经103°40’）太阳高度角ʘ计算如下，

sinʘ=sinδsinφ＋cosδcosφcosτ（3）

式中，δ就是太阳赤纬角，φ为当地的地理纬度，τ为当时的太阳时角。

式中N为积日，所谓积日，就是日期在年内的顺序号，例如，1月1日其积日为1。

式中，t为北京时间，J为当地经度。

由此可以算出任意时间任意地点的太阳高度角。表1列出了兰州地区每个月月中正午时刻太阳的高度角和聚光镜的倾斜角。

表1 兰州地区每个月月中正午时刻太阳的高度角和聚光镜的倾斜角

由表1中数据可知，相邻两月太阳高度角差值不大于10°，而本实用新型所述聚光镜最大接收角范围等于±5°，正好满足所需要求。支架底框左右两边上的6个锯齿状挡块对应的就是倾斜角β的6个平均值,考虑到夏天光强充足，而且为了易于雨水冲刷灰尘，5-8月份共用20°倾角的同一档位即可。

本实用新型的聚光镜及聚光光伏组件能够有效提高单晶硅电池的转换效率、接收角大、照度均匀、聚光比适当、支架可变倾角且简易实用且制造低成本，可实现工业化生产，应用前景广，具有很高的推广价值和生产可行性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种聚光镜，其特征在于，包括：

透射面（4），用于接收照射在其表面的太阳光，

第一反射面（1），设置在透过所述透射面（4）的太阳光的光路上，用于反射从所述透射面（4）射入的太阳光，

第二反射面（2），设置在所述第一反射面（1）的反射光光路上，用于反射所述第一反射面（1）的反射光，及

单晶硅电池板（3），设置在所述第二反射面（2）的反射光光路上且位于反射光所形成的焦平面下方1mm处。

2.根据权利要求1所述的聚光镜，其特征在于，所述聚光镜的材质为PMMA透明玻璃且所述第一反射面（1）与第二反射面（2）上均渡有反射率为95%的反射膜；所述透射面（4）为平面且渡有透光率为95%的透射膜。

3.根据权利要求1所述的聚光镜，其特征在于，所述第一反射面（1）为对称且连续设置的若干个凹弧形面。

4.根据权利要求1所述的聚光镜，其特征在于，所述第二反射面（2）为对称且连续设置的若干个凸弧形面，所述第二反射面（2）凸弧形面的个数与第一反射面（1）凹弧形面的个数相同。

5.根据权利要求4所述的聚光镜，其特征在于，所述凸弧形面的个数为6个。

6.根据权利要求1所述的聚光镜，其特征在于，所述单晶硅电池板（3）的长为750mm、宽25mm，通过光学胶粘接在所述第一反射面（1）上。

7.根据权利要求1-6任一所述的聚光镜，其特征在于，所述聚光镜的长为750mm、宽为175mm，高为35mm。

8.一种聚光光伏组件，其特征在于，所述聚光光伏组件包括权利要求1-7任一所述的聚光镜和支架；所述支架包括：矩形框（6）、支撑杆（8）、旋转支撑架（7）和底座（11）；所述矩形框（6）设置在所述聚光镜四周，用于对聚光镜进行固定；所述支撑杆（8）与底座（11）连接，两个平行设置的支撑杆（8）上均设置有若干个挡块（10）；所述旋转支撑架（7）一端与矩形框（6）的两个对称边活动连接，另一端设置在两个挡块（10）之间。

9.根据权利要求8所述的聚光光伏组件，其特征在于，所述挡块（10）的个数为6个。

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