CN110703424A - 一种强化匀光功能的二级复合聚光器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能光伏发电领域，并具体公开了一种强化匀光功能的二级复合聚光器及其应用。该二级复合聚光器包括沿光线传播方向依次连接的第一聚光器和第二聚光器，其中第一聚光器呈渐缩抛物型，第二聚光器呈渐扩抛物型，并且第一聚光器的聚光比大于第二聚光器的聚光比。本发明将呈渐缩抛物型的第一聚光器与呈渐扩抛物型的第二聚光器依次连接获得二次复合聚光器，能够有效地均匀非平行聚光光源，保证光伏电池的表面光斑均匀，避免由于局部高聚光比导致的高温问题，有效提高光伏电池的效率和寿命，根据蒙特卡洛光线追踪计算得到本发明提供的二级复合聚光器发出光线的均匀性可以提升50％以上。

Description

一种强化匀光功能的二级复合聚光器及其应用
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电领域，更具体地，涉及一种强化匀光功能的二级复合聚光器及其应用。
背景技术
太阳能光伏发电技术，是一种通过太阳能聚光装置(如菲涅尔透镜等)和太阳追踪装置聚集太阳能，利用太阳能光伏电池进行发电的技术。其中太阳能聚光装置直接影响太阳能光伏发电的效率。
但是在实际应用中，常规的聚光器聚光能力有限，在集热器和光伏电池表面获得的聚光太阳能非常不均匀，局部的聚光比可以超过平均聚光比的数倍，导致部分区域超温甚至损坏。CN201310408240公开了用于聚光太阳能光伏***的二次聚光器，该二次聚光器的顶部表面为多个微小单元周期性规则排列或不规则形状构成的凹凸不平的曲面，能够有效提高聚光效率，但是大部分光线仍然无法经过侧壁反射，直接汇聚到底部光伏电池上，因此仍然存在匀光效果较差的问题。
以砷化镓太阳能电池为例，该类型光伏电池可以耐受250℃～350℃高温，但是其效率随着温度上升而下降。在高聚光比点聚光条件下，光斑不均会导致局部聚光能流过高并产生高温，局部高温导致光伏电池效率下降甚至电池损坏，对聚光太阳能光伏发电安全、经济运行带来了巨大挑战，因此，实现匀化光斑是实现太阳能安全、高效利用的基础。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种强化匀光功能的二级复合聚光器及其应用，其中该二级复合聚光器通过将两个聚光器反向连接，并设定第一聚光器的聚光比大于第二聚光器的聚光比，进而获得较强的匀光功能，有效避免光斑不均匀的问题，因而尤其适用于太阳能光伏发电的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种强化匀光功能的二级复合聚光器，所述二级复合聚光器包括沿光线传播方向依次连接的第一聚光器和第二聚光器，其中所述第一聚光器呈渐缩抛物型，所述第二聚光器呈渐扩抛物型，并且所述第一聚光器的聚光比大于所述第二聚光器的聚光比。
作为进一步优选地，所述第一聚光器的聚光比优选为4～36。
作为进一步优选地，所述第二聚光器的聚光比优选为4～9。
作为进一步优选地，所述第一聚光器的聚光比与所述第二聚光器的聚光比的比值小于等于4。
作为进一步优选地，所述第一聚光器的吸收角小于所述第二聚光器的吸收角，同时所述第一聚光器的吸收角和所述第二聚光器的吸收角优选为60°～120°。
作为进一步优选地，所述第一聚光器和第二聚光器的内表面采用抛光工艺或镀膜工艺进行加工，用于提高反射率。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述二级复合聚光器在光伏发电***中的应用，所述光伏发电***包括从上至下依次设置的一次聚光装置、所述二级复合聚光器和光伏电池，所述二级复合聚光器用于将所述一次聚光装置发出的非平行聚光光源均匀地投射到所述光伏电池上。
作为进一步优选地，所述一次聚光装置优选为菲涅尔透镜。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将呈渐缩抛物型的第一聚光器与呈渐扩抛物型的第二聚光器依次连接获得二次复合聚光器，能够有效地均匀非平行聚光光源，保证光伏电池的表面光斑均匀，避免由于局部高聚光比而出现高温问题，从而有效提高光伏电池的效率和寿命；
2.尤其是，本发明通过对第一聚光器的聚光比和第二聚光器的聚光比以及其比值进行优化，能够保证更多的高能聚光光线经过第一聚光器和第二聚光器的两次反射后投射到光伏电池上，从而有效提高聚光光斑的均匀性，采用上述参数设计的二级复合聚光器发出的光线在均匀性上可以提升50％以上；
3.此外，本发明将二级复合聚光器应用到光伏发电***中，在提高光伏电池表面光斑均匀性的同时，能够根据实际需求调整二级复合聚光器的聚光比，从而降低对一次聚光装置和追踪装置的精度要求，进一步降低生产成本。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的强化匀光功能的二级复合聚光器的示意图；
图2是将本发明提供的二级复合聚光器应用到光伏发电***中的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-第一聚光器，2-第二聚光器，3-一次聚光装置，4-二级复合聚光器，5-光伏电池。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种强化匀光功能的二级复合聚光器，二级复合聚光器包括沿光线传播方向依次连接的第一聚光器1和第二聚光器2，其中第一聚光器1呈渐缩抛物型，第二聚光器2呈渐扩抛物型，第一聚光器1的聚光比大于第二聚光器2的聚光比，并且第一聚光器1的吸收角小于第二聚光器2的吸收角，工作时太阳光从第一聚光器1的入口经过一次反射或者直接入射至第一聚光器1的出口，其中大部分光线经过第二聚光器2的二次反射后从第二聚光器2的出***出，从而在光伏电池上形成更加均匀的光斑，避免局部高温的出现。
进一步，第一聚光器1的入口截面积为S1，第一聚光器1的出口截面积为S2，第一聚光器1的聚光比R1采用式(1)进行计算：
Figure BDA0002221746570000041
为保证第一聚光器1的接收和均匀功能，使得更多高能聚光光线可以经过第一聚光器1的一次反射，第一聚光器的聚光比R1的取值优选为4～36；
第二聚光器2的入口截面积即第一聚光器1的出口截面积为S2，第二聚光器2的出口截面积为S3，第二聚光器2的聚光比R2采用式(2)进行计算，
Figure BDA0002221746570000042
为保证第二聚光器2的接收和均匀功能，使得更多高能聚光光线可以经过第二聚光器2的二次反射，第二聚光器的聚光比R2优选为4～9；
此外，第一聚光器的聚光比与第二聚光器的聚光比的比值小于等于4，避免二级复合聚光器加工难度过大的同时，有效提高二级复合聚光器的匀光效率，使得二级复合聚光器发出的光线在均匀性上提升50％以上。
进一步，可以采用传统铸造方法或者3D打印技术制备二级复合聚光器，并且第一聚光器1和第二聚光器2的内表面采用抛光工艺或镀膜工艺进行加工，用于提高反射率。
进一步，第一聚光器1的吸收角和第二聚光器2的吸收角优选为60°～120°。
按照本发明的另一方面，如图2所示，提供了一种上述二级复合聚光器在光伏发电***中的应用，光伏发电***包括从上至下依次设置的一次聚光装置3、二级复合聚光器4和光伏电池5，太阳光经过菲涅尔透镜等一次聚光装置3后产生具备更大张角的非平行聚光光源，经过第一聚光器1的一次反射集中和第二聚光器2的二次反射发散后，使得原本不均匀分布的光源更加有序分布，均匀地投射到光伏电池5上。
在提高光伏电池表面光斑均匀性的同时，能够根据实际需求调整二级复合聚光器的聚光比，从而降低对一次聚光装置和追踪装置的精度要求，进一步降低生产成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种强化匀光功能的二级复合聚光器，其特征在于，所述二级复合聚光器包括沿光线传播方向依次连接的第一聚光器(1)和第二聚光器(2)，其中所述第一聚光器(1)呈渐缩抛物型，所述第二聚光器(2)呈渐扩抛物型，并且所述第一聚光器(1)的聚光比大于所述第二聚光器(2)的聚光比。
2.如权利要求1所述的强化匀光功能的二级复合聚光器，其特征在于，所述第一聚光器(1)的聚光比优选为4～36。
3.如权利要求1或2所述的强化匀光功能的二级复合聚光器，其特征在于，所述第二聚光器(2)的聚光比优选为4～9。
4.如权利要求1～3任一项所述的强化匀光功能的二级复合聚光器，其特征在于，所述第一聚光器(1)的聚光比与所述第二聚光器(2)的聚光比的比值小于等于4。
5.如权利要求1所述的强化匀光功能的二级复合聚光器，其特征在于，所述第一聚光器(1)的吸收角小于所述第二聚光器(2)的吸收角，同时所述第一聚光器(1)的吸收角和所述第二聚光器(2)的吸收角优选为60°～120°。
6.如权利要求1所述的强化匀光功能的二级复合聚光器，其特征在于，所述第一聚光器(1)和第二聚光器(2)的内表面采用抛光工艺或镀膜工艺进行加工，用于提高反射率。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的二级复合聚光器在光伏发电***中的应用，其特征在于，所述光伏发电***包括从上至下依次设置的一次聚光装置(3)、所述二级复合聚光器(4)和光伏电池(5)，所述二级复合聚光器(4)用于将所述一次聚光装置(3)发出的非平行聚光光源均匀地投射到所述光伏电池(5)上。
8.如权利要求7所述的二级复合聚光器在光伏发电***中的应用，其特征在于，所述一次聚光装置(3)优选为菲涅尔透镜。
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