CN101702598A - 一种反射聚光太阳能光伏发电组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射聚光太阳能光伏发电组件，由一次反光体、二次反光体、透明防护盖板、光伏电池、导电连线、散热器基板、框架组成。一次反光体上设置一组以上的槽形抛物反射镜面，一个槽形抛物反射镜面对应设置一个二次反光体，每个二次反光体上设置有条状曲面反射镜面，每一个槽形抛物反射镜面底部对应一个光伏电池。条状曲面反射镜面与槽形抛物反射镜面配合使用后在光伏电池表面形成具有相同辐射强度的聚光光照，从而提高了单位面积的普通光伏电池的光电转换效率，甚至更高倍数的聚光比，达到在给定功率条件下，使用较少光伏电池的目的，因而可以降低光伏发电***的总成本。

Description

一种反射聚光太阳能光伏发电组件

技术领域

本发明涉及一种聚光光伏***光电转换模块的结构，属于太阳能利用技术领域，特别是一种反射聚光太阳能光伏发电组件。

背景技术

开发新能源和可再生清洁能源是全世界面临的共同课题，在新能源开发与利用方式中，光伏发电倍受瞩目。目前，光伏发电主要采用普通平板光伏发电***。普通平板光伏发电***直接将平板太阳电池组件朝向低纬度地区放置(与地面成一定角度)，以串并联的方式组成太阳能光伏阵列从而达到使用太阳能发电的目的。在普通平板光伏发电***中，太阳电池的成本在***总成本中占很大比例，由于太阳电池的价格比较高昂，从而直接导致了***的成本过高。目前，使用的光伏电池的转换效率低、成本高，是光伏发电没有在市场上广泛推广应用的主要原因之一。

光伏电池可以在相当高的光强条件下工作，在聚光条件下使用光伏电池进行光电转换，是降低太阳能发电成本的有效途径之一。采用聚光光伏***，可以减少给定功率所需的电池面积，用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳电池。在这种***中，太阳电池的总成本会显著降低，发电***的总成本也随之下降。

如果聚光电池在三百倍或更高倍数的太阳光强条件下工作，并可以达到相当高的光电转换效率(25％-36％)。但是，这种高倍聚光的光伏电池需要昂贵的半导体材料(铟化镓或提纯高纯度硅等)，加工工艺也非常复杂，在聚光条件下使用时，光伏电池的温度会变得很高，需要更苛刻且效率很高的冷却技术。尤其是硅材料光伏电池，在日照强度恒定和光伏电池温度升高的情况下，会导致开路电压降低，降低率为-0.4％/K～-0.5％/K，从而使硅材料光伏电池的输出功率也降低。冷却装置会增加光伏发电***的成本，不适合一般场合推广使用。如果聚光电池在3～10倍以内的太阳光强条件下工作，可以节省66～90％的太阳电池。在太阳电池产生的温度，可以通过使用常规散热片的方式进行有效散热。因此，这种聚光电池在降低发电成本方面具有一定优势。

在已公开的专利号ZL200510200596.0、名称为“使用光漏斗反射法在地球上实现数倍聚光的太阳能光伏电池发电装置”的专利文件中，这种装置理论上可以实现3～7倍的聚光比，然而在现实情况下，考虑到尺寸与反射损失等因素，只能达到3.5～4.3倍的聚光比。如果要达到所述的7倍聚光比，其反射面的尺寸需要无限长才可以做到，这在实际生产应用中显然是行不通的。也就是说，这种结构不能在实际生产中实现10倍左右，以及更高倍数之间实现尺寸变换，以适应不同气温与光照环境。这种装置需要进行二维跟踪才可以进行正常工作，即需要在太阳方位角与高度角两个方向进行跟踪，这无疑大大增加了光伏发电的***复杂程度和成本，不利于推广使用。

透射聚光也是实现较高倍数的一个途径，由于菲涅尔透镜的大量生产而降低下来的成本也是十分引人注目的。然而从技术的角度来看，菲涅尔透镜在特定面上的聚光光强的均匀性相对要差一些。从工业化的角度看来说，相比于反射法，特制透镜的成本仍然高于具有高反射率反射镜面的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反射聚光太阳能光伏发电组件，在光伏电池表面各点具有比较均匀的辐射强度，有利于提高光伏电池的整体光电转换效率，适用于一维斜轴跟踪应用。

本发明的目的是这样实现的：一种反射聚光太阳能光伏发电组件，主要由一次反光体、二次反光体、透明防护盖板、光伏电池、导电连线、散热器基板、框架组成，通过封装固定成为一个发电组件。光伏电池由相应的导电连线进行导电连接，通过胶膜固装在散热器基板上，光伏电池、导电连线与散热器基板之间通过胶膜绝缘。一个散热器基板上固定一个以上的光伏电池，并与导电连线一同装配成电能输出器。一次反光体上设置一组以上的槽形抛物反射镜面，一个槽形抛物反射镜面对应设置一个二次反光体，每个二次反光体上设置有条状曲面反射镜面。每一个槽形抛物反射镜面底部对应一个光伏电池，一次反光体上方开口处通过透明防护盖板进行固装覆盖，具有防水、防尘以及相当的抗撞击功能，同时也作为二次反光体固定的依托。散热器基板的背面有散热片，散热片与散热器基板上固装的光伏电池之间的位置对应，由于聚光而使光伏电池而产生的热量，通过散热器基板后的散热片进行散热。

一个条状曲面反射镜面和一个槽形抛物反射镜面共同组成一个聚光反射曲面组。槽形抛物反射镜面为对称形状，条状曲面反射镜面也为对称形状，并与槽形抛物反射镜面的对称面重合。条状曲面反射镜面和槽形抛物反射镜面对应设置，且曲面的弯曲朝向一致。在位于每个槽形抛物反射镜面的底部处设置一个条形开口，并在开口处设置一个矩形光伏电池，与槽形抛物反射镜面对称面重合。

使槽形抛物反射镜面的焦线设置在与地球自转轴平行的位置，太阳光线位于始终与穿过焦线的对称面平行，太阳位于槽形抛物反射镜面的开口端。这就是通常所指的斜轴跟踪，也称为一维跟踪。当有太阳光线入射时，经槽形抛物反射镜面反射至条状曲面反射镜面上，再反射至光伏电池上。当有与光伏电池表面不垂直的光线经两次反射后，投射在光伏电池表面的区域只在焦线方向上移动。在全年内有日光照射时，以前述方式进行跟踪，具有适当长度的光伏电池上始终会得到聚光光斑。这个特点适合于一维斜轴跟踪聚光太阳能发电。光伏电池的宽度设置为2r(r＞0)，光伏电池表面接受的聚光光线辐射强度为入射光线的n倍，(n＞1)，反射损失率可以忽略不计时，槽形抛物反射镜面的外边沿与其光学焦线相对于光伏电池表面具有相同距离R/2时，槽形抛物反射镜面的上端开口宽度2R与光伏电池的宽度2r之间的设计关系为：R＝r(n+1)。条状曲面反射镜面设置在二次反光体的外侧。条状曲面反射镜面的外沿边与槽形抛物反射镜面的焦线平行，且相对于光伏电池表面具有相同距离R/2。当光伏电池的宽度2r一定，聚光倍数n不同时，槽形抛物反射镜面对应不同的宽度2R。

任意一条垂直于光伏电池的经过坐标(x₂，y₂)的入射光线，经槽形抛物反射镜面反射后，再经条状曲面反射镜面的第二次反射，落于光伏电池表面上E(x₁，0)点。其对应设计关系为：n·x₁＝x₂-r。条状曲面反射镜面截面的函数曲线线段其上端的确定坐标值为(r，R/2)，其中r≤x₂≤R。在槽形抛物反射镜面的焦线方向拉伸延长可形成条状曲面反射镜面，其与槽形抛物反射镜面配合使用可以在光伏电池表面形成具有相同辐射强度的光照。

光伏电池设置在槽形抛物反射镜面底部的开口处。垂直于光伏电池表面的入射光线，在槽形抛物反射镜面上方开口与二次反光体之间形成的两部分入射窗口入射，经槽形抛物反射镜面的第一次反射，再经设置在二次反光体上的条状曲面反射镜面的第二次反射，使聚光光线最终到达光伏电池的表面。接受聚光光线的光伏电池位于槽形抛物反射镜面的底部，使光伏电池的背部有更大的空间固装较大体积的散热器，提高了光伏电池的散热效率。

槽形抛物反射镜面的焦线设置在与地球自转轴平行的位置，位于槽形抛物反射镜面底部的开口内一定长度的光伏电池，在有光照时，在全年内均可接收辐射强度均匀的聚光光线。因此适合于转动方式平行于地球自转轴的斜轴跟踪方式，也就是一维跟踪，相对于二维跟踪的成本更低。

本发明的关键点在于二次反光体外侧壁上所具有的条状曲面反射镜面是经过计算后精密制作而成，使经过这个条状曲面反射镜面二次反射后的光线汇聚在光伏电池表面时，在光伏电池表面的每一点，都具有相同的、数倍于入射太阳光的辐射强度，从而提高了单位面积的普通光伏电池的光电转换效率，可以比较容易实现3～10倍，甚至更高倍数的聚光比，达到在给定功率条件下，使用较少光伏电池的目的，因而可以降低光伏发电***的总成本。同时在进行一维跟踪时，给定的一定长度的光伏电池设置在相应聚光接收位置上时，光伏电池在全年均可接收辐射强度均匀的聚光光线。汇聚光斑位于槽形抛物反射镜面的底部，可在光伏电池的背部有更大的空间位置固装具有较大体积的散热器，可提高对光伏电池的散热效率。

附图说明

图1是本发明的对称剖面结构示意图；

图2是本发明的反射面结构示意图；

图3是本发明在对称剖面内的详细光路示意图；

图4是本发明在对称剖面内的光线反射光路示意图；

图5是本发明在对称剖面内的结构与光路示意图。

图中标号说明如下：

1-一次反光体；   2-二次反光体；       3-透明防护盖板；

5-胶膜；         6-光伏电池；         7-导电连线；

8-散热片；       10-条状曲面反射镜面；11-槽形抛物反射镜面；

13-散热器基板；  14-框架。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由一次反光体1、二次反光体2、透明防护盖板3、光伏电池6、导电连线7、散热器基板13、框架14组成，通过封装固定成为一个发电组件。光伏电池6由相应的导电连线7进行导电连接，通过胶膜5固装在散热器基板13上，光伏电池6、导电连线7与散热器基板13之间通过胶膜5绝缘。一个散热器基板13上固定一个以上的光伏电池6，并与导电连线7一同装配成电能输出器。一次反光体1上设置一组以上的槽形抛物反射镜面11，一个槽形抛物反射镜面11对应设置一个二次反光体2，每个二次反光体2上设置有条状曲面反射镜面10。每一个槽形抛物反射镜面11底部对应一个光伏电池6，一次反光体1上方开口处通过透明防护盖板3进行固装覆盖，透明防护盖板3要求透光率很高，可以用硬化或钢化玻璃制造，或者用光学塑料制造，要求具有防水、防尘以及相当的抗撞击功能，以适应各种室外恶劣气候，同时也作为二次反光体2固定的依托。散热器基板13的背面有散热片8，散热片8与散热器基板13上固装的光伏电池6之间的位置对应，由于聚光而使光伏电池6而产生的热量，通过散热器基板13后的散热片8进行散热，从而保证光伏电池在适当的温度条件下正常工作。通过框架14将透明防护盖板3、一次反光体1、二次反光体2、光伏电池6、散热器基板13封装固定在一个发电组件内。

如图2所示，一个条状曲面反射镜面10和一个槽形抛物反射镜面11共同组成一个聚光反射曲面组。以位于槽形抛物反射镜面11的对称中心的抛物线的顶点o为笛卡尔坐标原点的坐标中，槽形抛物反射镜面11分两部分相对于yz对称面对称，也相对于xy对称面对称。条状曲面反射镜面10相对于yz对称面和xy对称面对称。条状曲面反射镜面10和槽形抛物反射镜面11对应设置，且曲面的弯曲朝向一致。在位于每个槽形抛物反射镜面11的底部处设置一个条形开口，对应在xz平面内，也就是在抛物面顶点所在在平面内，设置一个矩形光伏电池6，且相对于yz对称面和xy对称面对称。使槽形抛物反射镜面11的焦线设置在与地球自转轴平行的位置，也就是使z轴与地球自转轴平行，并使太阳光线位于yz对称面内，太阳位于槽形抛物反射镜面11的开口端。这就是通常所指的斜轴跟踪，也称为一维跟踪。

如图2所示，当任一条与y轴平行的太阳光线NC入射，经槽形抛物反射镜面11上C点反射至条状曲面反射镜面10上D点，再反射至光伏电池6上E点。当任一条与y轴呈一定夹角且与yz平面平行的太阳光线N′C入射，也就是入射光线与槽形抛物反射镜面11的焦线和顶点所在的平面平行，但不垂直于光伏电池6时，经槽形抛物反射镜面11上C点反射至条状曲面反射镜面10上D′点，再反射至光伏电池6上E′点。与任一条与y轴平行的入射太阳光线NC相比，经C点反射后，最终光线的落点E与E′之间只在z轴方向变化。因此，当有适当长度的槽形抛物反射镜面11上有平行于yz平面的且与y轴具有一定夹角的光线经两次反射后，投射在光伏电池6表面的区域只在z轴方向上移动。当光伏电池6具有适当的长度时，在全年内有日光照射时，以前述方式进行跟踪，光伏电池6上始终会得到聚光光斑。这个特点适合于一维斜轴跟踪聚光太阳能发电。

如图3所示，在xy对称面内，设光伏电池6的宽度设置为2r(r＞0)，在光伏电池6表面接受的聚光光线辐射强度为入射光线的n倍，(n＞1)，反射损失率可以忽略不计，槽形抛物反射镜面11的外边沿上的一点A与其光学焦线上的一点L相对于xz平面具有相同距离R/2时，A点的坐标为(R，R/2)，则槽形抛物反射镜面11的上端开口宽度2R与光伏电池6的宽度2r之间的设计关系为：R＝r(n+1)，其中，AM为其中一侧太阳光线入射的区间。

槽形抛物反射镜面11的焦线通过L点，条状曲面反射镜面10设置在二次反光体2的外侧。条状曲面反射镜面10的外沿边与槽形抛物反射镜面11的焦线平行，在xy对称面第一象限内与xy平面相交于M点，LM的长度与光伏电池6在xy对称面第一象限内的宽度相同，即：

LM＝r    (2)

M点在xy平面内的坐标为(r，R/2)。

根据抛物反射面的知识可知，由A点内侧入射的光线经槽形抛物反射镜面11上A点进行一次反射，再经条状曲面反射镜面10上M点进行第二次反射，再投射在光伏电池6上在x轴方向的最外侧的G(r，0)点，其中ACB段曲线是槽形抛物反射镜面11在xy对称面上的交线，是抛物线：

$y_2=x_2^2/2R---\left(3\right)$

中的一段。其中(x₂，y₂)是此抛物线上的任意一点坐标。由M点外侧入射的光线经B点反射后，再由条状曲面反射镜面10上F点进行第二次反射至O点，其中曲线MDF是条状曲面反射镜面10在xy对称面上的交线。

当n取不同的数值时，槽形抛物反射镜面11有不同的宽度R。因此，当有不同聚光倍数要求时，可以对应不同开口宽度2R的槽形抛物反射镜面11。

在AM区间内，任意一条平行于y轴的入射光线NC经槽形抛物反射镜面上C(x₂，y₂)点反射后，再经条状曲面反射镜面10上D(x，y)点的第二次反射，落于光伏电池6表面上E(x₁，0)点。

因为E(x₁，0)点为光伏电池6表面任意一点，且要求具有相同的聚光辐射强度，因此有：n·x₁·w＝(x₂-r)·w

n·x₁＝x₂-r    (4)

其中，w是在槽形抛物反射镜面11的焦线方向上取一单位宽度w。

k₂为经D(x，y)点的入射光线CD的斜率，k₁为经D(x，y)点的反射光线DE的斜率，k为经D(x，y)点的在xy对称面上的曲线MDF的切线的斜率，θ₂是入射光线CD与此切线之间的夹角，θ₁是反射光线DE与此切线之间的夹角。根据光的反射规律，可知：θ₁＝θ₂。对于每一条经过坐标(x₂，y₂)入射光线，经曲面反射镜面10的二次反射后，落于光伏电池6上一点的坐标(x₁，0)，存在这样的函数关系：n·x₁＝x₂-r。

条状曲面反射镜面10截面的函数曲线线段MDF其上端的确定坐标值为(r，R/2)，其中r≤x₂≤R。根据以上条件和相关的几何数学知识可知MDF是一条确定的曲线，在槽形抛物反射镜面11的焦线方向拉伸延长可形成条状曲面反射镜面10，其与槽形抛物反射镜面11配合使用可以在光伏电池6表面形成具有相同辐射强度的光照。

如图4所示，光伏电池6设置在槽形抛物反射镜面11底部的开口处。平行于y轴的入射光线，在槽形抛物反射镜面11上方开口与二次反光体2之间形成的两部分入射窗口入射，经槽形抛物反射镜面11的第一次反射，再经设置在二次反光体2上的条状曲面反射镜面10的第二次反射，使聚光光线最终到达光伏电池6的表面，形成聚光幅射。。接受聚光光线的光伏电池6位于槽形抛物反射镜面11的底部，使光伏电池6的背部有更大的空间固装较大体积的散热器，提高了光伏电池6的散热效率。

如图2和图5所示，槽形抛物反射镜面11的焦线设置在与地球自转轴平行的位置，太阳位于yz对称面内时，根据天文知识可知，入射太阳光线与xy对称面之间的夹角不一定为零。当太阳处于南回归线或北回归线时，这个夹角会达到最大值，即23.45°。折线N′CD′E′代表太阳位于南回归线或北回归线时最外侧的入射光线传播路径。根据光的反射规律，位于槽形抛物反射镜面11底部的开口内长度为E′E′的光伏电池6，在有光照时，在全年内均可接收辐射强度均匀的聚光光线。因此适合于转动方式平行于地球自转轴的斜轴跟踪方式，也就是一维跟踪，相对于二维跟踪的成本更低。

如图6所示，由框架14封装的发电装置可以观察到内部的一次反光体1、二次反光体2、光伏电池6，以及设置在一次反光体1上的槽形抛物反射镜面11。

Claims (6)

1.一种反射聚光太阳能光伏发电组件，由一次反光体(1)、二次反光体(2)、透明防护盖板(3)、光伏电池(6)、导电连线(7)、散热器基板(13)、框架(14)组成，通过封装固定成为一个发电组件；光伏电池(6)由相应的导电连线(7)进行导电连接，通过胶膜(5)固装在散热器基板(13)上，并与导电连线(7)一同装配成电能输出器，其特征是：一次反光体(1)上设置一组以上的槽形抛物反射镜面(11)，一个槽形抛物反射镜面(11)对应设置一个二次反光体(2)，每个二次反光体(2)上设置有条状曲面反射镜面(10)；每一个槽形抛物反射镜面(11)底部对应一个光伏电池(6)，一个散热器基板(13)上固定一个以上的光伏电池(6)。

2.根据权利要求1所述的一种反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：一次反光体(1)上方开口处通过透明防护盖板(3)进行固装覆盖，透明防护盖板(3)有很高的透光率，用硬化或钢化玻璃制造，或者用光学塑料制造。

3.根据权利要求1所述的一种反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：散热器基板(13)的背面有散热片(8)，散热片(8)与散热器基板(13)上固装的光伏电池(6)之间的位置对应，因聚光而使光伏电池(6)而产生的热量，通过散热器基板(13)后的散热片(8)进行散热。

4.根据权利要求1所述的一种反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：一个条状曲面反射镜面(10)和一个槽形抛物反射镜面(11)共同组成一个聚光反射曲面组；槽形抛物反射镜面(11)具有两个对称面；条状曲面反射镜面(10)也有两个对称面，并与槽形抛物反射镜面(11)的对称面重合；条状曲面反射镜面(10)和槽形抛物反射镜面(11)对应设置，且曲面的弯曲朝向一致；在位于每个槽形抛物反射镜面(11)的底部处设置一个条形开口，在抛物面顶点所在的平面内设置一个矩形光伏电池(6)，条状曲面反射镜面(10)的两个对称面，也与槽形抛物反射镜面(11)的对称面重合。

5.根据权利要求1所述的一种反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：垂直于光伏电池(6)的光线，在槽形抛物反射镜面(11)上方开口与二次反光体(2)之间形成的两部分入射窗口入射，经槽形抛物反射镜面(11)的第一次反射，再经设置在二次反光体(2)上的条状曲面反射镜面(10)的第二次反射，光线最终到达光伏电池(6)的表面，在光伏电池(6)表面任一点，具有均匀的聚光辐射强度。

6.根据权利要求1所述的一种反射聚光太阳能光伏发电组件，其特征是：入射光线与槽形抛物反射镜面(11)的焦线和顶点所在的平面平行，但不垂直于光伏电池(6)时，经槽形抛物反射镜面(11)和条状曲面反射镜面(10)的两次反射，聚光光线仍覆盖具有适当的长度的光伏电池(6)，在光伏电池(6)表面任一点，具有均匀的聚光辐射强度。

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