CN107689769A - 太阳能聚光组件及碟式太阳能聚光*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能聚光组件及碟式太阳能聚光***，所述聚光组件包括：用于将入射太阳光反射并将反射光汇聚至焦点的第一旋转抛物面聚光镜；顶点与所述第一旋转抛物面聚光镜的焦平面相距预设距离的第二旋转抛物面聚光镜；所述第一旋转抛物面聚光镜的焦点与第二旋转抛物面聚光镜的第一焦点重合；使得在第一旋转抛物面聚光镜的焦点处聚焦的光线在焦点后扩散，扩散的光线透过第二旋转抛物面聚光镜形成平行出射光；接收所述平行出射光并实现光电转换的光伏发电芯片；所述光伏发电芯片中心线与主光轴在同一直线上。本发明极大程度地减少了光伏发电芯片的光斑效应，提高了发电效率，同时节省定日跟踪成本，提高跟踪精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能聚光***，具体为一种太阳能聚光组件及碟式太阳能聚光***。
背景技术
现有的碟式太阳能聚光***通常包括用于汇聚太阳光的碟式聚光镜、接收太阳能并转换为电能的光伏发电芯片(又称太阳能电池、太阳能芯片或光伏电池)、用于追踪太阳位置的定日跟踪***、以及保证光伏发电芯片正常工作的散热冷却***；且碟式聚光镜的结构一般为旋转抛物面，而常规的光伏发电芯片为矩形，由于许多碟式聚光镜投影都采用圆形，为了避免矩形光伏发电芯片的边缘和夹角处光斑分布不均匀，从而光伏发电芯片也需切割成圆形，光伏发电芯片放置于焦平面附近。现有的碟式太阳能聚光***存在如下缺陷：①采用圆形抛物面聚光镜，其形成的光斑能流密度分布梯度为正态分布，光斑也是圆形，对应矩形的光伏发电芯片会产生不均匀光斑，若将入光口改为矩形，则对入光口的材料要求较高，增加***成本；②采用矩形抛物面聚光镜，产生的光斑虽然为矩形，但仍然存在光斑不均匀现象，尤其是在矩形光伏发电芯片的边缘和夹角处更为明显，这样会导致光伏发电芯片产生光斑效应，大幅降低发电效率，另外由于光伏发电芯片制造工艺技术的提高，芯片尺寸逐渐加大，功率提高，进而要求碟式聚光镜的聚光口径也随之加大，从而也造成了光斑均匀度的降低；③采用矩形抛物面聚光镜，拼接用的镜片单元较多，使用模具数量较多，增加成本，光学误差大。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种太阳能聚光组件及碟式太阳能聚光***。
本发明的技术手段如下：
一种太阳能聚光组件，所述聚光组件包括：
用于将入射太阳光反射并将反射光汇聚至焦点的第一旋转抛物面聚光镜；
顶点与所述第一旋转抛物面聚光镜的焦平面相距预设距离的第二旋转抛物面聚光镜；所述第一旋转抛物面聚光镜的焦点与第二旋转抛物面聚光镜的第一焦点重合；并使得在第一旋转抛物面聚光镜的焦点处聚焦的光线在焦点后扩散，扩散的光线透过第二旋转抛物面聚光镜形成平行出射光；
接收所述平行出射光并实现光电转换的光伏发电芯片；所述光伏发电芯片为矩形结构，且所述光伏发电芯片的中心线与主光轴在同一直线上；
进一步地，所述光伏发电芯片为方形结构；
进一步地，所述第二旋转抛物面聚光镜对应的抛物线方程为y＝x^2/4/f2，当时，所述预设距离等于f2，其中：f2为所述第二旋转抛物面聚光镜的第一焦距、b为所述光伏发电芯片的边长。
一种碟式太阳能聚光***，包括支撑架和定日跟踪***，所述聚光***还包括：
多个上述任一项所述的太阳能聚光组件；
进一步地，多个第一旋转抛物面聚光镜拼接成碟式聚光镜；所述碟式聚光镜的抛物面方程根据第一旋转抛物面聚光镜的焦距f1、太阳光入射至第一旋转抛物面聚光镜的入射边缘角和光伏发电芯片的边长得出。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的太阳能聚光组件及碟式太阳能聚光***，本发明提供的太阳能聚光组件及碟式太阳能聚光***，碟式聚光镜的投影形状、光伏发电芯片的形状、以及在光伏发电芯片上所形成的光斑形状之间为线性比例关系，光斑能流密度分布均匀度高，极大程度地减少了光伏发电芯片的光斑效应，提高了发电效率，同时降低了散热冷却***的设计难度，光伏发电芯片的形状更规则，降低了光伏发电芯片的切割和加工成本，集成多个太阳能聚光组件共用同一定日跟踪***，节省定日跟踪成本，提高跟踪精度。
附图说明
图1、图2、图3是本发明所述太阳能聚光组件的结构示意图；
图4是本发明所述碟式太阳能聚光***的结构示意图；
图5是本发明太阳能聚光组件的光线追迹图；
图6-a是现有技术中的太阳能聚光组件的光斑能量密度分布图；
图6-b是本发明太阳能聚光组件的光斑能量密度分布图。
图中：1、第一旋转抛物面聚光镜，2、第二旋转抛物面聚光镜，3、光伏发电芯片，4、主光轴，5、支撑架。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示的一种太阳能聚光组件，所述聚光组件包括：用于将入射太阳光反射并将反射光汇聚至焦点的第一旋转抛物面聚光镜；顶点与所述第一旋转抛物面聚光镜的焦平面相距预设距离的第二旋转抛物面聚光镜；所述第一旋转抛物面聚光镜的焦点与第二旋转抛物面聚光镜的第一焦点重合；在第一旋转抛物面聚光镜的焦点处聚焦的光线在焦点后扩散，扩散的光线透过第二旋转抛物面聚光镜形成平行出射光；接收所述平行出射光并实现光电转换的光伏发电芯片；所述光伏发电芯片为矩形结构，且所述光伏发电芯片的中心线与主光轴在同一直线上；进一步地，所述光伏发电芯片为方形结构；进一步地，所述第二旋转抛物面聚光镜对应的抛物线方程为y＝x2/4/f2，当时，所述预设距离等于f2，其中：f2为所述第二旋转抛物面聚光镜的第一焦距、b为所述光伏发电芯片的边长。
如图4所示的一种碟式太阳能聚光***，包括支撑架和定日跟踪***，所述聚光***还包括：多个上述任一项所述的太阳能聚光组件；进一步地，多个第一旋转抛物面聚光镜拼接成碟式聚光镜；所述碟式聚光镜的抛物面方程根据第一旋转抛物面聚光镜的焦距f1、太阳光入射至第一旋转抛物面聚光镜的入射边缘角和光伏发电芯片的边长得出。
图1示出了本发明所述太阳能聚光组件的结构示意图，其中：箭头方向表示太阳光入射方向、a为太阳光入射至第一旋转抛物面聚光镜的入射边缘角、F为所述第一旋转抛物面聚光镜的焦点、f1为第一旋转抛物面聚光镜的焦距、f2为所述第二旋转抛物面聚光镜的第一焦距、b为所述光伏发电芯片的边长、d为第二旋转抛物面聚光镜顶点与所述第一旋转抛物面聚光镜的焦平面之间的预设距离；图2是所述太阳能聚光组件的正视图，图3是所述太阳能聚光组件的轴视图；所述第二旋转抛物面聚光镜对应的抛物线方程优选为y＝x^2/4/f2，其中x为抛物线上的点的x轴坐标，y为抛物线上的点的y轴坐标。
如图4、图5、图6a以及图6b，本发明应用于投影为正方形的碟式聚光光伏***，在跟踪太阳的情况下第一旋转抛物面聚光镜将太阳光聚焦，聚焦后的光经过第二旋转抛物面聚光镜二次聚光形成平行光打在同样为正方形的光伏发电芯片上形成均匀光斑，光伏发电芯片将光能转换为电能输出；所述第一旋转抛物面聚光镜为反射镜；所述第二旋转抛物面聚光镜为透镜；在透镜光轴上某点发出的光线,通过透镜折射后平行于光轴,该点称为透镜的第一焦点。当入射边缘角a＝45°时有最大截取效率，在第一旋转抛物面聚光镜的焦点处聚焦的光线在焦点后扩散，扩散的光线透过第二旋转抛物面聚光镜形成平行出射光，扩散角度等于a。
由于单个光伏发电芯片的功率较小，一般为2～5kW，按DNI＝900W/㎡，芯片转换效率为40％～50％计算，则光伏发电芯片所需为第一旋转抛物面聚光镜的面积为10～20㎡，单独为一个光伏发电芯片设计一个定日跟踪***会造成发电成本的增加，因此可将多个第一旋转抛物面聚光镜加设于一个支撑架上，集中采用一个定日跟踪***。
下面通过实例说明本发明的参数计算与选取：
以一个32kW的光伏发电***设计为例，假设单个光伏发电芯片为边长b等于12cm的正方形、额定发电功率为3.2kW(能流密度典型值64.5W/cm2.).单个第一旋转抛物面聚光镜的水平投影为方形，则集成10个单元于一个支撑架上，整个***的额定发电功率为32kW，根据芯片功率计算其它规格参数，得出所需截光面积为64.5w/cm2*0.12m*0.12m/900w即10.32平方米，将10.32平方米划分为4个1.6*1.6的正方形，即为碟盘的投影，根据以上参数计算出碟盘的抛物面方程为6424Z＝X^2+Y^2,f1＝1606mm,已知芯片的尺寸为120mm*120mm，b＝120mm，a＝45度，计算得出d＝f2＝60mm,具体计算过程：由于a＝45,b＝120,发电芯片的能流值典型值为64.5w/cm2,额定发电功率3.2kw,可得需要的截光面积为64.5w/cm2*0.12m*0.12m/900w＝10.32平方米；同时因为a＝45，而第一旋转抛物面的面积为10.32m2，所以正方形的边长为3212mm，因此第一抛物面的焦距＝3212/2＝1606，根据方程可知碟盘的抛物面方程为6424Z＝X^2+Y^2，d＝b/2＝f2＝60mm.,故2次聚光抛物面透镜的抛物面方程为z＝(1/4f2)*(x^2+y^2)，使得透镜的口径大于b即可。
综上所述，本发明提供的太阳能聚光组件及碟式太阳能聚光***，其碟式聚光镜的投影形状、光伏发电芯片的形状、以及在光伏发电芯片上所形成的光斑形状之间为线性比例关系，光斑能流密度分布均匀度高，极大程度地减少了光伏发电芯片的光斑效应，提高了发电效率，同时降低了散热冷却***的设计难度，光伏发电芯片的形状更规则，降低了光伏发电芯片的切割和加工成本，集成多个太阳能聚光组件共用同一定日跟踪***，节省定日跟踪成本，提高跟踪精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种太阳能聚光组件，其特征在于，所述聚光组件包括：
用于将入射太阳光反射并将反射光汇聚至焦点的第一旋转抛物面聚光镜；
顶点与所述第一旋转抛物面聚光镜的焦平面相距预设距离的第二旋转抛物面聚光镜；所述第一旋转抛物面聚光镜的焦点与第二旋转抛物面聚光镜的第一焦点重合；并使得在第一旋转抛物面聚光镜的焦点处聚焦的光线在焦点后扩散，扩散的光线透过第二旋转抛物面聚光镜形成平行出射光；
接收所述平行出射光并实现光电转换的光伏发电芯片；所述光伏发电芯片中心线与主光轴在同一直线上。
2.根据权利要求1所述的太阳能聚光组件，其特征在于所述光伏发电芯片为正方形结构。
3.根据权利要求2所述的太阳能聚光组件，其特征在于所述第二旋转抛物面聚光镜对应的抛物线方程为y＝x^2/4/f2，当时，所述预设距离等于f2，其中：f2为所述第二旋转抛物面聚光镜的第一焦距、b为所述光伏发电芯片的边长。
4.一种碟式太阳能聚光***，包括支撑架和定日跟踪***，其特征在于，所述聚光***还包括：
多个权利要求1至3任一项所述的太阳能聚光组件。
5.根据权利要求1所述的碟式太阳能聚光***，其特征在于多个第一旋转抛物面聚光镜拼接成碟式聚光镜；所述碟式聚光镜的抛物面方程根据第一旋转抛物面聚光镜的焦距f1、太阳光入射至第一旋转抛物面聚光镜的入射边缘角和光伏发电芯片的边长得出。
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