CN102800732A

CN102800732A - 舱式光伏发电装置

Info

Publication number: CN102800732A
Application number: CN2012102997966A
Authority: CN
Inventors: 高文秀; 王雷; 赵百通; 何海; 高向洲
Original assignee: JIANGSU ANGHUA PHOTOTVALTAIC ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTRAL Co Ltd
Current assignee: JIANGSU ANGHUA PHOTOTVALTAIC ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTRAL Co Ltd
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: CN102800732B

Abstract

本发明公开了一种舱式光伏发电装置，包括多个太阳能电池组件，其中，每个太阳能电池组件包括相对设置的太阳能电池板和光纤定位板，所述光纤定位板通过导光纤维和聚光透镜相连；所述聚光透镜包括多个采用六边形蜂窝组合的凸透镜组，每个凸透镜组通过聚合物光纤或石英光纤和太阳能电池组件相连。本发明提供的舱式光伏发电装置，通过聚光透镜和导光纤维将太阳光过滤收集后太阳能电池板表面，从而明显提高太阳能电池的转换效率，太阳能电池板不再需要安装在直接面对阳光的地方，可根据需要制作不同形状，用于不同空间的电池发电模块。本发明便于大规模生产安装和应用，且结构简单，使用寿命长。

Description

舱式光伏发电装置

技术领域

本发明涉及一种光伏发电装置，尤其涉及一种舱式光伏发电装置。

背景技术

光伏发电***是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电***。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。

目前太阳能电池主要包括多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池等。太阳辐射到地球表面的太阳能的密度低，一般硅太阳能组件标准光强为1000W/m²。在这种条件下，单晶硅的光电转化率可以达到17-19%，多晶硅可以达到16-18.5%，商用太阳能薄膜只能达到约10%。转换效率最高的砷化镓电池片能到25%以上。这样要满足大功率的电能需求，就需要安置大面积的太阳能电池板，它既提高了太阳能发电的成本，也占据了大量空间。这样大面积的太阳能电池板，必须安装在不受其他物体遮挡、直接面对太阳光照射的地方。在许多情况下，占地限制了太阳能发电的推广使用。图1是现有太阳能电池组件结构示意图。组件结构自上而下依次为钢化玻璃1、太阳能电池片2、密封胶EVA 3和背板4。但太阳能电池不能将所有光线都转化成电能，硅太阳能电池对太阳光谱响应范围为300—1100nm左右。在图1中，太阳光从组件表面到硅体内依次经过钢化玻璃1和密封胶EVA 3，玻璃和密封胶对光吸收以及反射产生影响。不同厂家的玻璃透射率有很大区别，透射率越高，则进入到电池的光强大，电池输出功率高。常规超白钢化玻璃经两表面对太阳光的反射和折射后，透射率仅为91%—92%。密封胶EVA，化学品英文名称：ethylene-vinyl acetate copo，中文名称：乙烯-醋酸乙烯共聚物，用于粘结钢化玻璃1、电池片2和背板4，但300nm波长光经过EVA的透射率仅为37%左右，同时它遇到紫外线是不稳定的。紫外线约占太阳光6%，它长时间的照射可造成EVA胶膜的老化、龟裂、变黄，继而降低其透光率，从而降低太阳能电池板寿命，因此很多研究者在EVA中添加抗紫外材料，这样会引起EVA在短波段透射率下降，并且对360nm波长以下范围的光是截止的，从而影响太阳能电池的转换效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种舱式光伏发电装置，能够明显提高太阳能电池的转换效率，太阳能电池板不再需要安装在直接面对阳光的地方，且结构简单，使用寿命长。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种舱式光伏发电装置，包括多个太阳能电池组件,其中，所述每个太阳能电池组件包括相对设置的太阳能电池板和光纤定位板，所述光纤定位板通过导光纤维和聚光透镜相连。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述聚光透镜为红外线及可见光的凸透镜，所述凸透镜的采光视角为90°～135°，经聚光透镜过滤后的太阳光波长为300～1100nm。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述聚光透镜包括多个采用六边形蜂窝组合的凸透镜组，所述每个凸透镜组通过聚合物光纤或石英光纤和太阳能电池组件相连。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述每个凸透镜组置于球型有机玻璃防护罩内。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述太阳能电池板和光纤定位板相对平行设置，所述光纤定位板均匀分布各导光纤维端口，所述导光纤维端口前设置有将倒圆锥形光束转成正方形或者长方形光束的光束整形片。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述太阳能电池板由多晶硅太阳能电池片或单晶硅太阳能电池片拼接形成，所述太阳能电池板和光纤定位板之间的距离为1cm～20cm。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述太阳能电池板为薄膜太阳能电池片，所述太阳能电池板和光纤定位板之间的距离为0.3cm～20cm。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述多个太阳能电池组件呈四周式、叠层式或并排式布置在封闭式黑匣子内。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述黑匣子内密封有二氧化碳、惰性气体或者氮气。

上述的舱式光伏发电装置，其中，所述惰性气体为氩气或氦气。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的舱式光伏发电装置，通过设置聚光透镜和导光纤维，首先将太阳光经过聚光凸透镜进行过滤收集，仅阳光中近紫外、可见光和接近红外线部分通过导光纤维；然后经过高耦合光纤***将有用光引入到舱式太阳能电池组件表面，太阳能电池板经过光电转换进行发电。省去了现有电池组件表面的保护玻璃和密封胶EVA，提高了太阳能电池的转化效率。且本发明提供的舱式光伏发电装置轻巧集中，更适于离岛、边防哨所和城市高楼居民区光伏发电，对光伏发电的光采集要求更简单，同时本发明的舱式光伏发电装置单位瓦的组件成本将大幅度下降。高效光耦合光纤***的进光部可以合理设计广角采光***，达到不需要光跟踪***就能即时地收集直接照射的光线和漫反射、背散射等的光能。由于发电方式为体积发电，作为发电模块可以作为建筑材料“砌”在建筑物的墙内，此模块经过防震设计，可以组合在汽车的合适部位发电，为汽车提供辅助动力，可以袖珍化设计，作为大电流便携式充电器等。可根据需要制作不同的形状，用于不同空间的电池发电模块。因此，本发明提供的舱式光伏发电装置便于大规模生产安装和应用，且结构简单，使用寿命长。

附图说明

图1为现有太阳能电池组件结构示意图；

图2为本发明舱式光伏发电装置结构示意图；

图3为本发明太阳光被聚光透镜会聚、耦合入光纤的示意图；

图4为本发明实施例中蜂窝型聚光透镜组采光耦合入光纤束的结构示意图；

图5为本发明光纤输出端太阳光的光束整形示意图；

图6为本发明舱式太阳能电池组件并排组成的光伏发电装置结构示意图；

图7为本发明舱式太阳能电池组件金字塔型排列的光伏发电装置结构示意图；

图8为本发明舱式太阳能电池组件叠层排列的光伏发电装置结构示意图。

图中：

1钢化玻璃 2太阳能电池片 3密封胶EVA

4背板 5防护罩 6聚光透镜

7导光纤维（光纤）8光缆 9太阳光

12光束整形片 14太阳能电池板 15固定支架

17光纤定位板 18太阳能电池组件 20黑匣子

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图2为本发明舱式光伏发电装置结构示意图。

请参见图2，本发明提供的舱式光伏发电装置包括多个太阳能电池组件,其中，每个太阳能电池组件包括相对设置的太阳能电池板14和光纤定位板17，光纤定位板17通过导光纤维7（光纤）汇集的光缆16和聚光透镜6相连将过滤收集的太阳光引入到太阳能电池板14表面。

本发明提供的舱式光伏发电装置，首先将太阳光经过聚光透镜6进行过滤收集，仅阳光中近紫外、可见光和接近红外线部分通过导光纤维；然后经过高耦合光纤***将有用光引入到舱式太阳能电池板14表面，太阳能电池板14经过光电转换进行发电，提高了太阳能电池板寿命；同时省去了太阳能电池板14表面安装钢化玻璃和密封胶EVA，减少了太阳光损失，明显提高太阳能电池的转化效率。太阳能电池板14不再需要安装在直接面对阳光的地方，可根据需要可以制作不同形状，用于不同空间的电池发电模块。

请参见图3，本发明的聚光透镜6可采用凸透镜或菲涅尔透镜，把入射太阳光9会聚、耦合入大芯径（如直径1mm）的多模光纤7中，使得太阳光9对光纤7的耦合效率可达80%。由于太阳光9覆盖了从紫外到远红外的波长范围，不同波长的光线，经过菲涅尔透镜后会聚的焦点不同。适当选择聚光透镜6焦距和调节聚光透镜6与光纤7端面的距离，可使得紫外线和大部分红外线的会聚焦点，不能进入多模光纤7，从而使耦合进导光纤维7并被传输的太阳光9主要是可见光和近红外光部分，共占太阳光辐射能的97%左右。大芯径多模光纤7可采用廉价的塑料光纤或者采用传输损耗很小（百米损耗<5%）并可传输高密度光能的石英光纤。导光纤维7的柔性和满足临界角要求的光的全反射特性，可以保证把高密度的太阳能能量，低损耗地传输到太阳能电池板表面。

请继续参见图4，聚光透镜6采用六边形蜂窝型凸透镜组结构，也可采用其它形状的凸透镜或菲涅尔透镜。每个六边形凸透镜的外接圆直径可根据实际需要设定。每个六边形凸透镜把（垂直）照射其表面的太阳光耦合入一根大芯径（直径≧1mm）的石英光纤7中。该蜂窝型结构的一组透镜，可以把整个透镜组上方的入射太阳光9除了有意滤掉的紫外线和红外线部分，都耦合进各条光纤7中。整个蜂窝型凸透镜组被装在一个球型有机玻璃防护罩5内，防护罩5优选为亚格力防护罩。所有的光纤7汇集入一根光缆8中，穿过底座，通向太阳能电池组件18安放的地方。整个蜂窝型凸透镜组为红外线及可见光的凸透镜，采光视角为90°～135°，很容易就实现广角采光，经聚光透镜6过滤后的太阳光波长为300～1100nm。如果必须要光纤***时，聚光透镜6对太阳光***的要求更低，更容易用小的能量实现跟踪。比如整个透镜组可进一步置于机械支架上，并使用了微电脑控制的智能追光***。该***能自动感应阳光，及时做出调整动作、使横竖(X、Y)双轴全方位联动转动，确保任何时刻透镜组镜面都能准确对准太阳。微电脑自动控制***安装在底座中。

请参见图5，在光纤7的输出端口发射出来的太阳光9光强很高，它沿一定的发散角以倒圆锥形向前投射。其光强分布不均匀，一般中间高，周边低。为保证太阳能电池板高效正常工作，可在输出端口前加装光束整形片12，使得整形后的光束截面呈正方形或者长方形，而且光强分布基本均匀。在光纤定位板17上均匀定位固定各光纤7端口时，要使各条光纤7的输出光束在太阳能电池板13的照射面上紧密相连，相互错开避免重叠并尽量完全覆盖整个照射面，防止同一电池片内的光照不均匀引起的自耗电现象。

理论分析表明，太阳能电池板14在承受低于100倍的标准光强时，所生成的电功率与照射光强基本上呈线性关系。但是在实际应用上，由于高温和材料属性问题，硅电池板很难承受15倍以上的光强。砷化镓薄膜电池片可以承受1000倍的光强，但一是价格昂贵，二是其中的砷是剧毒物质，在高温下的扩散会对人体造成伤害。光纤定位板17与硅太阳能电池板14之间的距离d（固定支架15的长度）由实际工艺决定，如图2所示。一般来讲，当d＝4cm时，硅太阳能电池板14承受约10倍的标准光强；d＝3cm时，硅太阳能电池板14承受约18倍的光强。太阳能电池板14的特殊处理，散热问题的解决，是成功实现低倍聚光太阳能电池板发电的关键。因此，当太阳能电池板14由多晶硅太阳能电池片或单晶硅太阳能电池片拼接而成时，太阳能电池板14和光纤定位板17之间的距离d为1cm~20cm，最佳为3cm～4cm；若太阳能电池板14为砷化镓薄膜太阳能电池片，则太阳能电池板14和光纤定位板17之间的距离d距离可为0.3cm～3cm，以便接受更高的光强。一块太阳能电池板14和一块光纤定位板17构成一个舱式太阳能电池的组件模块，它对应一个蜂窝型凸透镜组。设定一个蜂窝型凸透镜组的受光面积为S m²（它可以看成正常情况下的面积为S m²的一块太阳能电池板）,则相应舱式太阳能电池的组件模块中的太阳能电池板的面积约为S/n m²，它可以产生正常光照情况下一块面积为S m²所产生的电能。这里n是模块中的太阳能电池板14所承受光强对标准光强的倍数。这样在产生等效电能（电功率）的情况下，舱式太阳能电池***所用的太阳能电池板14的面积大大缩小。由于光纤、光缆的柔性，多个舱式太阳能电池的组件模块可以并排放置，也可平行组合；可以“砌”在建筑物的墙内（要保证通风、散热），也可装在天花板顶棚内；可以放置在地下室内、车库内，也可放置在其它任何方便的空间内。本发明提供的新型舱式光伏发电装置轻巧、集中，更适于离岛、边防哨所和城市高楼居民区的光伏发电，对光伏发电的光采集要求更简单，所占面积更小。

根据上述内容，首先整个***经图4中六边形蜂窝状凸透镜组结构的聚光透镜6后，对太阳光9进行过滤采集。图3为阳光采集和光纤传输示意图，入射太阳光9经过聚光透镜6的焦点不同，紫外线焦点在进入高耦合光纤7之前，无法进入光纤7传输部分，对电池片和密封胶EVA老化的紫外等有害光去除，被光纤7传输的光源主要是近红外和可见光。

最后，如图2和5所示，将凸透镜组采集到的近红外和可见光光源经光缆8输入***，通过光纤定位板17传输到太阳能电池板14表面，太阳能电池进行光电转换而进行发电。

图6为本发明舱式太阳能电池组件并排组成的光伏发电装置结构示意图。

下面对两组同样品质的多晶硅太阳能光伏发电装置进行测试。测试条件：光源为X-25太阳模拟器，总辐射为AM1.5的标准阳光光谱，光强度为1000W/m²，测试温度为25℃±2℃。一组为现有的多晶硅太阳能电池光伏发电装置，经标准阳光直接照射，另一组为本发明的舱式光伏发电装置，如图6所示，将太阳能电池组件18进行并排放置，经蜂窝型聚光透镜组对标准阳光进行过滤采集，经光缆8传输到黑匣子20内的光纤定位板17，最后照到多晶硅太阳能电池板14表面。黑匣子20内密封有二氧化碳、惰性气体或者氮气等气体，以防止元件老化，惰性气体优选为氩气或氦气等。多晶硅太阳能电池板14表面无钢化玻璃和密封胶EVA。经测试，标准阳光直接照射的多晶硅太阳能光伏发电装置转换效率为14.0～16.0%，平均转换效率为15.0%左右。本发明舱式光伏发电装置内的多晶硅太阳能电池模块转换效率为16.0～19.0%，平均转换效率超过17%。

图7为本发明舱式太阳能电池组件金字塔型排列的光伏发电装置结构示意图。

请参见图7，对两组同样品质的单晶硅太阳能光伏发电装置进行测试，测试条件和上述步骤相同。一组为现有的单晶硅太阳能光伏发电装置，经标准阳光直接照射，另一组为本发明的舱式光伏发电装置，如图7所示，将太阳能电池组件18呈金字塔式并排放置，经蜂窝型聚光透镜组对标准阳光进行过滤采集，经光缆8传输到黑匣子20内光纤定位板17，最后传输到单晶硅太阳能电池板14表面。黑匣子20内密封有二氧化碳、惰性气体或者氮气，惰性气体优选为氩气或氦气。单晶硅太阳能电池板14表面无钢化玻璃和密封胶EVA。经测试，标准阳光直接照射的单晶硅太阳能光伏发电装置转换效率为15.8～16.6%，平均转换效率为16.3%。本发明的舱式光伏发电装置内的单晶硅太阳能电池模组的转换效率为17～20%，平均转换效率超过18%。

图8为本发明舱式太阳能电池组件叠层排列的光伏发电装置结构示意图装置示意图。

请参见图8，对两组同样品质的砷化镓薄膜太阳能光伏发电装置进行测试，测试条件和上述步骤相同。一组为现有的砷化镓薄膜太阳能光伏发电装置，经标准阳光直接照射，另一组为本发明的砷化镓薄膜舱式光伏发电装置，如图8所示，将太阳能电池组件18进行叠层放置，经菲涅尔蜂窝型聚光透镜组6对标准阳光进行过滤采集，经光缆8传输到黑匣子20内的光纤定位板17，最后传输到太阳能电池板14表面，其中，光缆8为石英光纤电缆。黑匣子20内密封有二氧化碳、惰性气体或者氮气，惰性气体优选为氩气或氦气。经测试，标准阳光直接照射的砷化镓薄膜太阳能光伏装置转换效率为11.4～12.1%，平均转换效率为11.7%。本发明的舱式光伏发电装置内的砷化镓薄膜太阳能电池模块转换效率为11.5～12.8%，平均转换效率为12.4%。

另外，还可根据需要对太阳能电池组件18制作成不同形状，在黑匣子20内进行不同形式的空间排列，除了上述列举的并排式、叠层式排列，还可以是四周式等排列方式，以用于不同空间的电池发电模块。

试验表明，本发明通过凸透镜或菲涅尔透镜和高耦合导光光纤对阳光的过滤采集，大大提高了太阳能电池的转化效率，延长了太阳能电池的寿命；本发明提供的舱式光伏发电装置不但节省安装空间，而且安装更简便，对安装的自然气象因素要求大幅降低，从而对大规模生产安装和应用太阳能电池具有重大意义。

综上所述，本发明提供的舱式光伏发电装置不再是传统平板型和清一的深蓝色呆板产品印象，避免了太阳能光伏发电的组架及其抗风的组件加固，单位面积和体积上安装太阳能电池组件数量大幅增加。本发明提供的舱式光伏发电装置省去了电池组件表面的保护玻璃和保护玻璃与太阳能电池片之间的密封胶EVA，提高了太阳能电池的转化效率。由于本发明的舱式光伏发电装置轻巧集中，更适于离岛、边防哨所和城市高楼居民区光伏发电，对光伏发电的光采集要求更简单，要求更低。同时本发明的舱式光伏发电装置单位瓦的组件成本将大幅度下降。高效光耦合光纤***的进光部可以合理设计广角采光***，达到不需要光跟踪***就能即时地收集直接照射的光线和漫反射、背散射等的光能。由于发电方式为体积发电，作为发电模块可以作为建筑材料“砌”在建筑物的墙内，此模块经过防震设计，可以组合在汽车的合适部位发电，为汽车提供辅助动力，可以袖珍化设计，作为大电流便携式充电器等。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种舱式光伏发电装置，包括多个太阳能电池组件,其特征在于，所述每个太阳能电池组件包括相对设置的太阳能电池板和光纤定位板，所述光纤定位板通过导光纤维和聚光透镜相连将过滤收集的太阳光引入到太阳能电池板表面。

2.如权利要求1所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述聚光透镜为红外线及可见光的凸透镜，所述凸透镜的采光视角为90°～135°，经聚光透镜过滤后的太阳光波长为300～1100nm。

3.如权利要求2所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述聚光透镜包括多个采用六边形蜂窝组合的凸透镜组，所述每个凸透镜组通过聚合物光纤或石英光纤和太阳能电池组件相连。

4.如权利要求3所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述每个凸透镜组置于球型有机玻璃防护罩内。

5.如权利要求1所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述太阳能电池板和光纤定位板相对平行设置，所述光纤定位板上均匀分布各导光纤维端口，所述导光纤维端口前设置有将倒圆锥形光束转成正方形或者长方形光束的光束整形片。

6.如权利要求5所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述太阳能电池板由多晶硅太阳能电池片或单晶硅太阳能电池片拼接形成，所述太阳能电池板和光纤定位板之间的距离为1cm～20cm。

7.如权利要求5所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述太阳能电池板为薄膜太阳能电池片，所述太阳能电池板和光纤定位板之间的距离为0.3cm～20cm。

8.如权利要求1所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述多个太阳能电池组件呈四周式、叠层式或并排式布置在封闭式黑匣子内。

9.如权利要求8所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述黑匣子内密封有二氧化碳、惰性气体或者氮气。

10.如权利要求9所述的舱式光伏发电装置，其特征在于，所述惰性气体为氩气或氦气。