CN101938112A - 聚光太阳能发电模组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚光太阳能发电模组，它包括框体、菲涅尔透镜、多个锥体玻璃棱镜、多个GaAs电池组件和多个金属散热器。其中的菲涅尔透镜由多个菲涅尔透镜单元组成阵列定位在框体的顶部并与框体密封相连；GaAs电池组件包括GaAs电池、旁路二极管以及由上层电极板、中层绝缘板和下层铜板组成的覆铜板；各菲涅尔透镜单元的光轴与对应设置的锥体玻璃棱镜的中心和GaAs电池的中心同轴。本发明的聚光太阳能发电模组与现有技术相比，具有更高的聚光效率和发电效率，而且安装简单方便，成品率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电装置，尤其涉及一种聚光太阳能发电模组。
背景技术
人类面临能源短缺，温室效应加剧，环境污染严重。太阳能作为一种主要的清洁能源，日益受到重视。目前人类利用的主要能源都来自太阳能，煤炭、石油是地球储存的远古太阳能，风能和水力也是太阳能加热空气和水产生的能源，植物的生长也是利用太阳光来进行光合作用。
近年来，将太阳光直接转化成日常生活最常用的电能研究发展迅速。目前的太阳能发电主要采用单晶硅电池、多晶硅电池或者薄膜电池。这几种电池受工艺和原理的限制，效率比较低；与传统能源相比，成本高出1倍以上，这成为制约太阳能发电大规模应用的瓶颈之一。
现有太阳能发电技术有如下不足：
1.由单晶硅电池或多晶硅电池构成的太阳能发电模组效率较低，工艺较复杂，提纯过程污染较严重，并且生产过程耗电量巨大，能量回收期长，***发电成本高出传统能源1倍以上。目前仍无法大批量推广。
2.薄膜太阳能电池效率低，光电转换效率低于10％，并且衰减严重。
3.现有的硅电池模组和薄膜电池模组受工艺限制，每个硅光电池都没有旁路二极管保护，如果一块硅光电池断开了，则整个模组不能工作。
4.对于基于硅电池的低倍聚光***，在硅电池价格昂贵时，低倍硅聚光有一定的成本优势。但是随着硅电池价格的急剧下降，低倍硅聚光***的价格甚至高于平板硅电池***的价格，已经不具有实用价值。
5.基于硅电池的聚光电池需要聚光***，无论透射还是反射式的聚光***都会带来20％左右的太阳光损失，造成低倍聚光***的效率低于平板硅模组的效率，已经不具有实用价值。
6.低倍硅电池聚光***具有装配复杂，密封困难，散热困难等特点，生产工艺性不好。
近年来，随着GaAs(砷化镓)3PN节电池效率提升到40％，1000倍以上(***有效受光面积与太阳能电池有效面积之比)高倍聚光太阳能发电***的研发日益受到重视，高倍聚光发电具有更高的发电效率，更低的发电成本。
发明内容
本发明的目的，就是为了提供一种聚光效率和发电效率更高的聚光太阳能发电模组。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种聚光太阳能发电模组，其包括：
框体，包括密封相连的四个侧面板和底板，在四个侧面板和底板上设有至少一个透气窗口；
菲涅尔透镜，由多个菲涅尔透镜单元组成阵列定位在框体的顶部并与框体密封相连；
多个锥体玻璃棱镜，分别对应于各菲涅尔透镜单元设置在框体的底部；
多个GaAs电池组件，分别连接在各锥体玻璃棱镜的底面；
多个金属散热器，分别对应于各GaAs电池组件固定在框体的底板外侧并与相应的GaAs电池组件固定相连。
所述的GaAs电池组件包括GaAs电池、旁路二极管以及由上层电极板、中层绝缘板和下层铜板组成的覆铜板，上层电极板包括间隔设置的正极板和负极板，GaAs电池的背面焊接在正极板上，GaAs电池的正面通过导线与负极板相连，旁路二极管并联在正极板和负极板之间；所述的锥体玻璃棱镜的底面通过透明的光学胶与GaAs电池的正面固定相连；所述的金属散热器通过导热胶与下层铜板固定相连。
所述的由多个菲涅尔透镜单元组成的阵列包括3×3、3×4、或者4×4个相同的菲涅尔透镜单元组成的阵列，单元与单元之间紧密相连。
所述的各菲涅尔透镜单元的光轴与对应设置的锥体玻璃棱镜的中心和GaAs电池的中心同轴。
所述的各菲涅尔透镜单元的面积与相应GaAs电池的有效面积之比大于500。
所述的锥体玻璃棱镜的上下表面均为正方形，下表面的面积不大于GaAs电池的有效口径，上表面的面积不小于GaAs电池有效面积的2倍，高度不小于下表面宽度的3倍。
所述的各金属散热器的散热表面积之和不小于菲涅尔透镜的受光面积的1.5倍。
所述的透气窗口上安装有防水透气膜。
本发明聚光太阳能发电模组由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，具有以下的优点和和特点：
1、本发明在一块平板玻璃上集成多个菲涅尔透镜单元组成阵列，减少了安装工作，也简化了框体的设计，减轻了模组的重量。
2、本发明在一块平板玻璃上集成多个菲涅尔透镜单元组成阵列，单元之间没有缝隙，最大化菲涅尔透镜的有效口径，也解决了单元与单元之间的密封性问题。
3、本发明采用四棱锥体玻璃棱镜将聚焦的光斑导到GaAs电池上，锥体玻璃棱镜上表面面积不小于GaAs电池有效面积的2倍，这样就相当于扩大了接收面积，降低了***对太阳光对准角度精度要求。
4、由于任何光学材料都有色散存在，不同波长的光在特定的焦平面上具有大小不等的光斑，为了改善不同波长光斑的均匀性，本发明采用锥体玻璃棱镜来导光。菲涅尔透镜聚光在玻璃棱镜的上表面，光在玻璃棱镜内经过全反射后照射到GaAs电池表面，从而使不同波长的光在光电池表面的均匀性，比直接聚焦在GaAs表面的设计提高效率10％以上。
5、本发明中每个电池都有旁路二极管保护，GaAs电池之间为串联关系，当发生电池断开故障时，电流也可以通过旁路二极管导通，不影响***工作。
6、本发明采用独立的散热器工作，散热面积不小于1.5倍的受光面积，有效的降低了电池的工作温度，提高了***效率和可靠性。
7、本发明采用独立的散热器工作，而GaAs电池组件和锥体棱镜都固定在散热器上，因此这部分可以模块化生产，有利于提高装配效率和成品率。
附图说明
图1是本发明的聚光太阳能发电模组的基本结构示意图；
图2是本发明中的菲涅尔透镜的结构示意图；
图3是本发明的光学原理示意图；
图4是本发明中的锥体玻璃棱镜的结构示意图；
图5是本发明中的GaAs电池组件的正面结构示意图；
图6是本发明中的覆铜板的结构示意图；
图7是本发明中的GaAs电池组件的反面结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的聚光太阳能发电模组，包括框体1、菲涅尔透镜2、多个锥体玻璃棱镜3、多个GaAs电池组件4和多个金属散热器5。
框体1由玻璃钢材料整体压制而成，或者由金属材料拼接而成，为方形，由四个侧面板和底板组成。四个侧面板之间，以及四个侧面板与底板之间完全密封。上端完全开口。在四个侧面板和底板上(本实施例为其中一个侧面板)设有至少一个透气窗口11，在透气窗口11上安装有防水透气膜(未图示出来)。当框体由玻璃钢材料制作时，需要设置防烧蚀金属隔板12，防烧蚀金属隔板固定在框体内部，用于保护太阳光斜入射时框体不会被聚焦的光斑烧蚀。防烧蚀金属隔板也包括四个侧面板和底板。防烧蚀金属隔板的四个侧面板用于保护框体的侧面板不被烧蚀，其顶部不低于框体高度的一半。防烧蚀金属隔板的底板用于保护框体的底板以及模组内部导线不被烧蚀，其位置不高于玻璃棱镜的上表面。当框体材料为金属时，可以不需要防烧蚀金属隔板。
菲涅尔透镜2定位在框体的顶部，通过密封胶带或硅胶固定在框体上，四周密闭，防尘防水。使用时太阳光垂直照射在菲涅尔透镜上。包括3×3、3×4、或者4×4个相同的菲涅尔透镜单元组成的阵列，单元与单元之间紧密相连，没有间隙，这样平板玻璃具有最大的有效口径。菲涅尔透镜上表面光洁平整，下表面为一系列同心圆构成的菲涅尔齿形。图2为一个3×3菲涅尔透镜的阵列示意图。
配合参见图4，本发明中的多个锥体玻璃棱镜3分别对应于各菲涅尔透镜单元设置在框体1的底部；锥体玻璃棱镜为六面抛光，不倒边，上下表面为正方形。下表面32不大于GaAs电池的有效口径，上表面31的面积不小于2倍的GaAs电池有效面积。高度不低于3倍的下表面宽度。上表面朝向菲涅尔透镜。下表面通过透明的光学胶固定在GaAs电池表面。
配合参见图5、图6、图7，本发明中的多个GaAs电池组件4分别连接在各锥体玻璃棱镜3的底面。各GaAs电池组件都包括GaAs电池41、旁路二极管42以及由上层电极板43、中层绝缘板44和下层铜板45组成的覆铜板，上层电极板43包括间隔设置的正极板431和负极板432，GaAs电池41的背面焊接在正极板431上，GaAs电池41的正面通过导线与负极板432相连，旁路二极管42并联在正极板和负极板之间。锥体玻璃棱镜3的底面通过透明的光学胶与GaAs电池41的正面固定相连；金属散热器5通过导热胶与下层铜板45固定相连。导热胶可以是电绝缘材料，也可以不是电绝缘材料。
本发明中的多个金属散热器5分别对应于各GaAs电池组件4固定在框体的底板外侧并与相应的GaAs电池组件固定相连。各金属散热器的散热表面积之和不小于菲涅尔透镜的受光面积的1.5倍。
框体内部的GaAs电池之间正负极串联，并通过2根导线引出框体。
本发明的光学原理如图3所示，每个菲涅尔透镜单元2对应一个锥体玻璃棱镜3、一个GaAs电池组件4(包括GaAs电池41、旁路二极管42以及由上层电极板43、中层绝缘板44和下层铜板45组成的覆铜板)和一个散热器5。锥体玻璃棱镜的中心和GaAs电池的中心与菲涅尔透镜单元光轴同轴。透镜单元的面积与GaAs电池的有效面积之比称为几何聚光倍数，本发明中的几何聚光倍数不低于500倍，即每个菲涅尔透镜单元的面积与电池有效面积之比大于500。以一个单元为例，太阳光垂直照射在菲涅尔透镜上，菲涅尔透镜将太阳光聚焦在玻璃棱镜的上表面，玻璃棱镜的四个侧面抛光，利用全反射原理，将光线导向射在玻璃棱镜底部的GaAs电池上，GaAs电池将太阳光直接转换成直流电。GaAs电池的效率随温度上升而下降，电池效率在40％左右，部分太阳光转换为热能。热能经过覆铜板导向散热器，并通过散热器向空气散热。有效降低电池温度。
Claims (8)
1.一种聚光太阳能发电模组，其特征在于包括：
框体，包括密封相连的四个侧面板和底板，在四个侧面板和底板上设有至少一个透气窗口；
菲涅尔透镜，由多个菲涅尔透镜单元组成阵列定位在框体的顶部并与框体密封相连；
多个锥体玻璃棱镜，分别对应于各菲涅尔透镜单元设置在框体的底部；
多个GaAs电池组件，分别连接在各锥体玻璃棱镜的底面；
多个金属散热器，分别对应于各GaAs电池组件固定在框体的底板外侧并与相应的GaAs电池组件固定相连。
2.如权利要求1所述的聚光太阳能发电模组，其特征在于：所述的GaAs电池组件包括GaAs电池、旁路二极管以及由上层电极板、中层绝缘板和下层铜板组成的覆铜板，上层电极板包括间隔设置的正极板和负极板，GaAs电池的背面焊接在正极板上，GaAs电池的正面通过导线与负极板相连，旁路二极管并联在正极板和负极板之间；所述的锥体玻璃棱镜的底面通过透明的光学胶与GaAs电池的正面固定相连；所述的金属散热器通过导热胶与下层铜板固定相连。
3.如权利要求1所述的聚光太阳能发电模组，其特征在于：所述的由多个菲涅尔透镜单元组成的阵列包括3×3、3×4、或者4×4个相同的菲涅尔透镜单元组成的阵列，单元与单元之间紧密相连。
4.如权利要求1所述的聚光太阳能发电模组，其特征在于：所述的各菲涅尔透镜单元的光轴与对应设置的锥体玻璃棱镜的中心和GaAs电池的中心同轴。
5.如权利要求1所述的聚光太阳能发电模组，其特征在于：所述的各菲涅尔透镜单元的面积与相应GaAs电池的有效面积之比大于500。
6.如权利要求1所述的聚光太阳能发电模组，其特征在于：所述的锥体玻璃棱镜的上下表面均为正方形，下表面的面积不大于GaAs电池的有效口径，上表面的面积不小于GaAs电池有效面积的2倍，高度不小于下表面宽度的3倍。
7.如权利要求1所述的聚光太阳能发电模组，其特征在于：所述的各金属散热器的散热表面积之和不小于菲涅尔透镜的受光面积的1.5倍。
8.如权利要求1所述的聚光太阳能发电模组，其特征在于：所述的透气窗口上安装有防水透气膜。
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