CN103165717A - 一种由小型菲涅尔透镜阵列组成的聚光太阳能模组 - Google Patents

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Abstract

一种由小型菲涅尔透镜阵列和简易二次聚光透镜组成的聚光太阳能模组，包括玻璃盖板，菲涅尔透镜阵列，二次聚光柱面镜和太阳能电池阵列以及金属基板。菲涅尔透镜阵列胶合固定在玻璃盖板上；二次聚光柱面镜直接与太阳能电池胶合并固定，太阳能电池片和二次聚光透镜组成的阵列固定在金属基板上，并由导线相连；菲涅尔透镜的主轴和二次聚光柱面镜的主轴重合，玻璃盖板和金属基板之间由结构件保持相对位置固定并平行；菲涅尔透镜的焦点在柱面镜中轴的中间位置。这种聚光太阳能模组的整体厚度较小，成本较低，对入射太阳光偏离的容忍度大，减少了对追日***精度的依赖。

Description

一种由小型菲涅尔透镜阵列组成的聚光太阳能模组
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，尤其涉及一种由小型菲涅尔透镜阵列组成的聚光太阳能电池模组。 
背景技术
聚光太阳能（Concentration photovoltaic， 简称CPV)技术是通过聚光的方式把一定面积上的光通过聚光***会聚在一个狭小的区域（焦斑），太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减少了太阳能电池的用量。同样条件下，倍率越高，所需太阳能电池面积越小。 
光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池，目前产业化进程正逐渐转向高效的CPV***发电。与前两代电池相比，CPV采用多结的III—V族化合物电池，具有大光谱吸收、高转换效率等优点。CPV ***模组主要由太阳能电池、高聚光镜面菲涅尔透镜等光学聚光元件、太阳光追踪器（追日***）组成。用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转换成相当小的面积上，这种透镜也被称做集光器或聚光器。 
应用菲涅尔透镜能够将太阳光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面（高性能电池片）上，比传统平板光伏（FPV)发电效率提高30％以上，满足太阳能聚光发电的要求。菲涅尔透镜克服了普通透镜重量大的缺点，可省去约80%的材料成本，应用结构简单。 
目前常用的聚光太阳能模组普遍采用大倍率，大尺寸的菲涅尔透镜，以减少半导体电池片的面积。但由于大尺寸的菲涅尔透镜的焦距也相应较长，导致模组的厚度过大。在实际应用中，聚光太阳能模组必须通过追日***使其始终朝向太阳。大倍率的菲涅尔透镜对追日***的精读要求很高。以400倍菲涅尔透镜为例，如果入射角偏离0.5度，光学效率将降为64%，如果入射角偏离1度，光学效率将降为0。为增加对太阳光入射偏离容忍度，可在太阳能电池表面加上二次聚光透镜，可将容忍度提高到一度。受追日***的精度和风向等影响，聚光式太阳能模组很难达到理论设计的发光效率。另外由于追日***在运行中为了保持对日方向准确性，需要频繁启动电机来调节整个太阳能模组的姿态，这样实际消耗了相当一部分太阳能模组的输出电力。 
发明内容
为了克服现有聚光式太阳能电池的不足，本发明的目的是提供一种由小型菲涅尔透镜阵列和简易二次聚光透镜组成的聚光太阳能模组。这种聚光太阳能模组的整体厚度较小，成本较低，对入射太阳光偏离的容忍度大，减少了对追日***精度的依赖。另外由于避免了追日***在运行中频繁调整太阳能模组姿态，运行能耗也降低了。 
本发明中的单个菲涅尔透镜尺寸在20x20mm到60x60mm之间，放大倍率在50倍到150倍之间。菲涅尔透镜材料为透明塑料，采用注塑方式快速成型。菲涅尔透镜依次排列在钢化玻璃盖板上并由环氧树脂胶粘合，以组成透镜阵列。 
二次聚光透镜采用一端为球面，另一端为平面的柱面镜，直径为3~12mm，长度为5~15mm，材料为玻璃。柱面镜的生产首先采用高温下拉制大口径玻璃预形体制成所需直径的带有火抛表面的长玻璃棒。再将长玻璃棒的一端局部二次高温加热，玻璃融化后由于表面的张力使其自然形成球面，然后按照所需长度截断。重复上述的局部加热和截断过程即可批量生产柱面镜。最后将批量的柱面镜底端截断面一起研磨抛光，以形成光洁端面。以上二次聚光透镜的生产方式成本较低，适合大规模生产。 
在本发明的聚光太阳能模组中，二次聚光柱面镜与太阳能电池胶合并固定。菲涅尔透镜的焦点在柱面镜中轴的中间位置。因为玻璃的折射率高于周围空气，所以入射光经菲涅尔透镜汇聚进入柱面镜内后形成光导效应，导致入射光在柱面镜内部的传播过程中不断被均匀化。这样底面的太阳能电池片的各部位可以均匀的接收到照射。由于菲涅尔透镜的放大倍率不高，当入射光在一定范围内偏离时，大部分汇聚光线还是能够进入柱面镜，所以这种聚光***对入射光角度偏离的容忍度较高。在光学效率在50%以上的入射光角度容忍度可达4~8度。 
附图说明
图1是小型菲涅尔透镜阵列组成的聚光太阳能模组示意图； 
图2是单个聚光太阳能模块示意图；
图3是聚光太阳能模组的剖面示意图。
其中附图标记 
1为玻璃盖板；
2为菲涅尔透镜；
3为金属基板；
4为二次聚光柱面镜；
5为太阳能电池；
6为太阳能电池的光接收区域。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对发明作详细说明。但本发明的实施方式不限于此。附图中相同标记表示相同部件。为了更好的理解，附图中所示的部件是示意性表示，它们是按比例绘制的，即该附图的部件不表示真实尺寸，这些真实尺寸对本领域普通技术人员来说都是公知的，因此这里不做详细描述。 
下面参考图1，小型菲涅尔透镜阵列组成的聚光太阳能模组示意图，图1中示意的太阳能模组由5x5菲涅尔透镜阵列组成，实际使用中可根据需要调整阵列的大小，比如从3x3到10x10。注意到大的阵列会导致各个子模块聚光校准的困难。单个菲涅尔透镜2用胶合法固定在整块钢化玻璃盖板1上。玻璃盖板1的厚度在0.5~2.5mm之间。玻璃盖板1为表面光洁平整，高透明度的钢化平板玻璃，钢化方式为物理钢化或化学钢化。 玻璃盖板的作用主要是固定和保护塑料材质的菲涅尔透镜，在实际使用中，玻璃盖板可吸收一部分紫外线，以减少对塑料菲涅尔透镜的光致老化效应。另外钢化玻璃盖板与整个太阳能模组的气密性封装也起到防水防尘的作用。单个菲涅尔透镜2的尺寸在30x30mm到60x60mm之间，放大倍率在50倍到150倍之间。菲涅尔透镜材料为透明塑料，采用注塑方式一次成型。 
太阳能电池片5组成的阵列固定在金属基板3上，并由导线相连。金属基板5的材料选自铝合金、不锈钢和铜构成的组中至少一种金属材料，其主要作用是散热和固定太阳能电池片阵列。 
菲涅尔透镜2的主轴和二次聚光柱面镜4的主轴重合，玻璃盖板1和金属基板5之间由结构件保持相对位置固定并平行。 
下面参考图2，单个聚光太阳能模块示意图。二次聚光柱面镜4通过胶合固定在太阳能电池片5中心位置，柱面镜的底面圆形与电池片的正方形光接收区域6连接。太阳能电池片5的光电转换材料由选自砷化镓、单晶硅、多晶硅、铜铟镓硒和锑化镉构成的组中至少一种半导体材料形成。 
二次聚光透镜4采用一端为球面，另一端为平面的柱面镜，直径为3~12mm，长度为5~15mm，材料为玻璃。柱面镜的制造首先采用高温下拉制大口径玻璃预形体制成所需直径的带有火抛表面的长玻璃棒.再将长玻璃棒的一端局部二次高温加热，玻璃融化后由于表面的张力使其自然形成球面，然后按照所需长度截断。重复上述的局部加热和截断过程即可批量生产柱面镜。最后将批量的柱面镜底端截断面一起研磨抛光，以形成光洁端面。以上二次聚光透镜的生产方式成本较低，适合大规模生产。 
下面参考图3，聚光太阳能模组的剖面示意图。左侧第一个聚光模块示意当光在垂直正入射时，聚光点位置在柱面镜中轴的中间位置。左侧第二个聚光模块示意当入射光偏离5度射入时，聚光点向左偏离中轴，但仍然在柱面镜内部。 
上述实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不受所述实施例的限制，任何其他未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变，修饰，替代，组合，简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种聚光太阳能模组，包括，玻璃盖板，菲涅尔透镜阵列，二次聚光柱面镜和太阳能电池阵列以及金属基板。
2.根据权利要求1所述的聚光太阳能模组，其特征在于，菲涅尔透镜阵列胶合固定在玻璃盖板上，二次聚光柱面镜直接与太阳能电池胶合并固定，太阳能电池片和二次聚光透镜组成的阵列固定在金属基板上，并由导线相连；菲涅尔透镜的主轴和二次聚光柱面镜的主轴重合，玻璃盖板和金属基板之间由结构件保持相对位置固定并平行；菲涅尔透镜的焦点在柱面镜中轴的中间位置。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的菲涅尔透镜镜，其特征在于，菲涅尔透镜外形为方形，尺寸在20x20mm到60x60mm之间，放大倍率在50倍到150倍之间，材料为透明塑料，采用注塑方式快速成型。
4.根据上述权利要求1或2所述的玻璃盖板，其特征在于，玻璃盖板的厚度在0.5~2.5mm之间，材质为表面光洁平整，高透明度的钢化平板玻璃，钢化方式为物理钢化或化学钢化。
5.根据上述权利要求2所述的的二次聚光柱面镜，其特征在于，柱面镜的一端为球面，另一端为平面，直径为3~12mm，长度为5~15mm，材料为玻璃，柱面镜的制造首先采用高温下拉制大口径玻璃预形体制成所需直径的带有火抛表面的长玻璃棒，再将长玻璃棒的一端局部二次高温加热，玻璃融化后由于表面的张力使其自然形成球面，然后按照所需长度截断，重复上述的局部加热和截断过程即可批量生产柱面镜，最后将批量的柱面镜底端截断面一起研磨抛光，以形成光洁端面。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的的太阳能电池，其特征在于，二次聚光柱面镜通过胶合固定在太阳能电池片中心位置，柱面镜的底面圆形与电池片的正方形光接收区域外接；
太阳能电池片的光电转换材料由选自砷化镓、单晶硅、多晶硅、铜铟镓硒和锑化镉构成的组中至少一种半导体材料形成。
7.根据上述权利要求中任意一项所述的的金属基板，其特征在于，金属基5的材料选自铝合金、不锈钢和铜构成的组中至少一种金属材料，其主要作用是散热和固定太阳能电池片阵列。
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