CN101277078B - 一种太阳能聚光光伏发电*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能光伏发电领域，特别是公开了一种太阳能聚光光伏发电***。该***包括聚光接收装置(1)、光传输管道(2)、光伏电池、分光镜(3)和黑盒(4)，所述光伏电池设置在黑盒(4)内，光线通过所述聚光接收装置(1)、光传输管道(2)、分光镜(3)选择性地进入黑盒(4)，照射相应禁带宽度的光伏电池进行发电。本发明具有较高的聚光比，能够节约大量光伏电池面积，利用分光镜将光线分光后选择性地照射不同禁带宽度光伏电池，提高了光线利用率以及光伏电池发电效率和发电功率。

Description

一种太阳能聚光光伏发电*** 

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电领域，特别涉及一种太阳能聚光光伏发电***。 

背景技术

地球表面每平方米面积上最多能接收到的太阳能每天仅一千瓦左右，如果光伏电池效率按15％计算，要建设1MW的电站，采用平板式光伏发电装置，仅光伏电池面积就需要一万平方米左右。由于光伏发电装置的主要成本在光伏电池，节约光伏电池面积就能降低装置成本，这就是聚光式光伏发电装置应运而生的原因。虽然菲涅耳透镜聚光比可以做得很高，然而对光伏电池材料、工艺、冷却等要求更高，因此，限制了它的应用。 

目前反射式聚光光伏发电装置应首推光漏斗，其理论极限聚光比为7倍，实际应用为3～4倍。光漏斗节约了光伏电池面积，降低了发电成本，无疑是一大进步，但由于其结构的长径比限制，聚光比受到限制，成本降低有限。 

光漏斗虽然具有3～4倍的聚光比，同时也引进了3～4倍的热量，虽然设计中利用大导电片导热和增加散热片，但仍存在高温度下光伏电池效率下降的问题。原因在于，光漏斗聚光后，不但提高了对光伏电池的辐照度，使发电功率成比例提高，同时也提高了光伏电池的温度，使发电效率降低。如果温度过高，也有可能使光伏电池不能工作。聚光倍数提高造成光伏电池温度上升，这是制约聚光技术发展的一个瓶颈问题。 

目前的光伏电池，不论是平板式还是聚光式，太阳照射后有一部分光线被反射出去，因此，通过增加减反射膜以便增加进入光伏电池的光线，光线利用率可以达到了90％。然而光伏电池的发电效率仅达到15％左右，大部分光线能量没有转化为电能，而是转化为热能，其中一部分光线能量小于光伏电池禁带宽度不能发电加热了光伏电池，另一部分光线能量(hv-Eg)超过光伏电池禁带宽度也变成了热量。 

叠层式光伏电池可以较大程度地将光线能量转化为电能。它是将光伏电池分成多层，上层用禁带宽度宽的光伏电池如砷化镓，下层用禁带宽度窄的光伏电池如锡化镓，光线照射在禁带宽度宽的光伏电池上，大于禁带宽度的光线发电，小于禁带宽度的光线穿过上层，照射下层禁带宽度窄的光伏电池发电。通过将光线分成多段，各段用禁带宽度不同的光伏电池发电，hv-Eg的差值能量累积小，这样，光线利用率高，发电效率高。然而叠层光伏电池制造工艺比普通光伏电池复杂得多，且光伏电池热量高的问题难以解决，致使推广难度大。 

发明内容

针对目前反射式聚光光伏发电***聚光倍数低、辐照度低、光伏电池温度高、光线利用率低等缺陷，本发明的目的在于提出一种太阳能聚光光伏发电***，该***不仅能够克服上述缺陷，而且能够提高光伏电池发电效率和发电功率，降低发电成本。 

为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种太阳能聚光光伏发电***，包括聚光接收装置、光传输管道、光伏电池，其特征在于，还包括分光镜和黑盒，所述光伏电池设置在黑盒内，光线通过所述聚光接收装置、光传输管道、分光镜选择性地进入黑盒，照射相应禁带宽度的光伏电池进行发电。 

本发明进一步改进技术特点在于： 

(1)所述分光镜为热光镜或冷光镜，不同禁带宽度的光伏电池设置在不同的黑盒内，光线经过热光镜或冷光镜分光后，选择性地进入不同黑盒，照射相应禁带宽度的光伏电池进行发电。 

(2)所述黑盒包括盒底、盒盖和设置在盒盖内顶部的光分配器，所述 的盒盖内表面与光分配器外表面均为抛物线旋转面，两抛物线旋转面均为基本抛物线的轴线平移后旋转而成，其焦点均为圆环且重合，所述光伏电池设置在盒底上；所述盒底为光伏电池；所述光伏电池为平板式光伏电池，所述平板式光伏电池表面无减反射膜。 

(3)所述聚光接收装置由聚光接收器的阵列组成。所述聚光接收器包括聚光器、反射器、光收缩器，反射器设置在所述聚光器上部中心，光收缩器设置在所述聚光器底部中心，收集光线，汇入所述光传输管道；所述聚光器的内表面为开口向上的抛物面，所述反射器的内表面为开口向下的抛物面，上述两抛物面焦点重合，所述光收缩器的上部为圆锥形孔，下部为圆柱形孔，该圆锥形孔和圆柱形孔同轴连通。 

本发明的技术方案与现有技术相比，具有明显的有益效果，具体如下： 

(1)采用热光镜或冷光镜，将光线分成两部分，分别照射不同禁带宽度的光伏电池。尤其是将对禁带宽度宽的光伏电池发电有害的红外线分离出来，相对降低了光伏电池温度，同时又利用这部分光线照射禁带宽度窄的光伏电池进行发电，提高发电效率。这样，利用普通平板式光伏电池达到了叠层式光伏电池效能。而且，由于光伏电池温度相对降低，又可以进一步提高聚光接收器的聚光比，能够更大程度提高发电功率。 

(2)将光伏电池设置在黑盒盒底，进入黑盒的光线均匀照射光伏电池，光线在黑盒内表面与光伏电池表面间反射，逸出概率小，提高了辐照度和光线利用率；而且光伏电池的背面与金属板接触，使聚光后的较大电流顺利通过，同时使聚光发电后产生的较高温度传递给表面积较大的黑盒散热。利用光伏电池做为盒底，上述效果更加明显。 

(3)聚光接收装置由聚光接收器的阵列组成，聚光比的大小可随阵列中聚光器口径面积与光伏电池面积的比值调整。如不考虑光线损耗，聚光比提高X倍，光辐照度就提高X倍，短路电流提高X倍，开路电压提高[(nkT/q)lnX/v₀]倍，功率提高X{1+[(nkT/q)lnX/v₀]}倍。如果X＝10时， ln10＝2.30，功率达到10×1.21＝12.1倍。 

(4)聚光接收器的聚光器体型小，可直接冲压成型，既降低了成本又减小了风阻。 

通过理论分析表明，该发明采用小型抛物面型聚光接收器阵列，可获得10～20倍聚光比，如不考虑光线损耗，可以提高10～20倍的辐照度和短路电流，开路电压提高20％～25％，发电功率提高11～24倍。采用本发明，发电成本大幅降低，从而使太阳能光伏发电进入大规模市场化阶段成为可能。 

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 

图1是太阳能聚光光伏发电***示意图； 

图2是聚光接收装置示意图； 

图3是聚光接收器剖面图； 

图4是聚光器俯视图； 

图5是黑盒剖面图。 

具体实施方式

参照图1、图2，本发明为一种太阳能聚光光伏电池发电***，包括聚光接收装置1、光传输管道2、分光镜3、设置有不同禁带宽度光伏电池的黑盒4，太阳光线通过所述聚光接收装置1、光传输管道2、分光镜3分别送入设置有不同禁带宽度光伏电池的黑盒4中。 

聚光接收装置1可以由多个聚光接收器5的阵列组成，安装在跟踪装置6上。聚光接收器5聚集的光线通过各支管道传输到光传输管道2中，光传输管道2的中部安装分光镜3。分光镜3可以是热光镜或冷光镜。当分光镜3采用热光镜时，光线被热光镜分成两部分，穿过热光镜的光线进入设置有禁带宽度宽的光伏电池的黑盒内，热光镜反射的光线进入设置有禁带宽度窄的光伏电池的黑盒内。当分光镜3采用冷光镜时，光线被冷光镜分成两部分， 穿过冷光镜的光线进入设置有禁带宽度窄的光伏电池的黑盒内，冷光镜反射的光线进入设置有禁带宽度宽的光伏电池的黑盒内。 

分光镜3可以采用多个，可以将光线分为多路，分别进入设置有不同禁带宽度光伏电池的黑盒4进行发电。也可以采用分光镜分离出一路特定波长范围的光线进行光伏发电。 

参照图3、图4，聚光接收器5包括聚光器8、透光玻璃9、反射器10、光收缩器11，透光玻璃9设置在所述聚光器8上部开口处，反射器10位于透光玻璃9下面，通过支架固定于所述聚光器8上部开口中心，其内表面为开口向下抛物面，聚光器8内表面为开口向上的抛物面，上述两抛物面的焦点重合。光收缩器11设置在所述聚光器8的底部中心，其上部为圆锥形孔，下部为圆柱形孔，该圆锥形孔和圆柱形孔同轴连通。平行光线被聚光器8聚集到焦点，在焦点发出的光线被反射器10平行向下射入光收缩器11中，汇入光传输管道2。所述透光玻璃9可以采用高透光率钢化玻璃或硬化玻璃。所述聚光器可以是单一的抛物面聚光器，也可以由菲涅尔透镜组成。 

参照图5，黑盒4包括盒底12、盒盖13和设置在盒盖13内顶部的光分配器14，所述的盒盖13内表面与光分配器14外表面为抛物线旋转面，两抛物线旋转面均为基本抛物线的轴线平移后旋转而成，其焦点均为圆环且重合，所述的光分配器14被支架固定在盒盖13上，所述光伏电池设置在盒底12上。黑盒4接收经过分光后的光线，照射光分配器14的外表面，聚焦为圆环，从圆环焦点射出的光线经盒盖13内抛物线旋转面的反射，均匀地照射在位于盒底12处的光伏电池表面上。光伏电池的反射光线被盒盖13内抛物线旋转面进行反射，同新进入黑盒4的光线又一同照射光伏电池，这样就提高了辐照度，提高了发电功率。盒底12被光分配器14遮挡部分不设置光伏电池单元，而铺设表面为镜面的材料。盒底12也可以直接用光伏电池代替，这样还有利于光伏电池的散热。光伏电池也可设置在黑盒盒盖13内表面，例如在盒盖13内表面贴敷薄膜式光伏电池。 

盒底12设置的光伏电池为平板式光伏电池，可以是使用一个光强的普通平板式光伏电池，它的表面可以有减反射膜，也可以无减反射膜。当光线进入黑盒4内，其逸出概率很小，光伏电池表面可以不做减反射膜，没有减反射膜的光伏电池表面反射率很高(约30％)，在黑盒4内反射光线与进入光线共同照射光伏电池，可以大幅提高辐照度。 

针对不同禁带宽度的光伏电池，分别采用两种不同禁带宽度的光伏电池进行配合，如砷化镓和锡化镓，单晶硅和锗等。也可用两种以上不同禁带宽度的光伏电池进行配合。 

本实施例中，聚光接收器5、光传输管道2、黑盒4以及它们之间的连接均处于密封状态，并且防水、防尘、防腐蚀，能够保证聚光、发电的有效性和可靠性，并提高本发电***的使用寿命。 

Claims (9)

1.一种太阳能聚光光伏发电***，包括聚光接收装置(1)、光传输管道(2)、光伏电池，其特征在于，还包括分光镜(3)和黑盒(4)，所述光伏电池设置在黑盒(4)内，光线通过所述聚光接收装置(1)、光传输管道(2)、分光镜(3)选择性地进入黑盒(4)，照射相应禁带宽度的光伏电池进行发电。

2.如权利要求1所述的一种太阳能聚光光伏发电***，其特征在于，所述分光镜(3)为热光镜或冷光镜，不同禁带宽度的光伏电池设置在不同的黑盒(4)内，光线经过热光镜或冷光镜分光后，选择性地进入不同黑盒(4)，照射相应禁带宽度的光伏电池进行发电。

3.如权利要求1所述的一种太阳能聚光光伏发电***，其特征在于，所述黑盒(4)包括盒底(12)、盒盖(13)和设置在盒盖(13)内顶部的光分配器(14)，所述的盒盖(13)内表面与光分配器(14)外表面为抛物线旋转面，两抛物线旋转面均为基本抛物线的轴线平移后旋转而成，其焦点均为圆环且重合，所述光伏电池设置在盒底(12)上。

4.如权利要求3所述的一种太阳能聚光光伏发电***，其特征在于，所述盒底为光伏电池。

5.如权利要求1所述的一种太阳能聚光光伏发电***，其特征在于，所述光伏电池为平板式光伏电池。

6.如权利要求5所述的一种太阳能聚光光伏发电***，其特征在于，所述平板式光伏电池表面无减反射膜。

7.如权利要求1所述的一种太阳能聚光光伏发电***，其特征在于，所述聚光接收装置(1)由聚光接收器(5)的阵列组成。

8.如权利要求7所述的一种太阳能聚光光伏发电***，其特征在于，所述聚光接收器(5)包括聚光器(8)、反射器(10)、光收缩器(11)，反射器(10)设置在所述聚光器(8)上部中心，光收缩器(11)设置在所述聚光器(8)底部中心，收集光线，汇入所述光传输管道(2)。

9.如权利要求8所述的一种太阳能聚光光伏发电***，其特征在于， 所述聚光器(8)内表面为开口向上的抛物面，所述反射器(10)内表面为开口向下的抛物面，上述两抛物面焦点重合，所述光收缩器(11)的上部为圆锥形孔，下部为圆柱形孔，该圆锥形孔和圆柱形孔同轴连通。 

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