CN203859722U - 一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，包括多个子单元，所述的子单元包括菲涅尔透镜、带通光学滤波片、二次光学单元，还包括分别放置于菲涅尔透镜在带通光学滤波片透射方向和反射方向的焦斑处的晶硅电池片和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片，所述的晶硅电池片和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片采光面上均设有二次光学单元；本实用新型引入空间光谱分离技术实现光伏高效利用，结构简单，光学处理方案易于实现，且实现不同电池片散热装置的共享，适应面广。

Description

一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组
技术领域
本实用新型涉及太阳能光伏发电领域，具体的为一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组。 
背景技术
公知，聚光太阳能光伏发电技术采用菲涅尔透镜及碟形反射镜面等聚光器，同时通过单轴或双轴追日跟踪伺服***，实现对垂直入射太阳光的会聚，从而大幅减少光伏材料使用面积，降低光伏发电***生产能耗，并且能够实现很高的光电转换效率。 
聚光太阳能光伏发电技术通常采用单片集成多结Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池作为其发电核心器件，该电池通过其各结不同禁带宽度的光伏材料针对太阳光的不同光谱成分进行吸收，从而实现对太阳光的广谱吸收，所以具有很高的光电转换效率，目前GaInP/GaInAs/Ge三结电池的光电转换效率能够达到40％以上。 
对于GaInP/GaInAs/Ge三结电池而言，Ge子电池的光生电流要比其它两结子电池的光生电流大，由于三结子电池是串联连接的，因此其整体输出电流由各子电池中的最小电流决定，而其它子电池输出电流超出该最小电流的部分将会通过串联电阻转换成热能损耗掉，这同时又增加了电池的散热压力，最终影响光伏发电***的总体效率。 
实现对高效光伏转换效率的另一种技术发展趋势是利用光学元件首先将太阳光谱在空间位置上进行分离，进而采用不同禁带宽度的光伏材料进行吸收转换。这种技术方案可以避免进一步增加多结太阳能电池PN结数量引入的半导体工艺复杂度及成本的提升，又增加了选择光伏材料的灵活性，无须考虑单片集成多结太阳能电池各结材料与基底材料之间的晶格匹配问题。将单片集成多结电池与空间分光技术进行有机结合将进一步提升太阳能光伏转换效率。 
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：包括多个子单元，所述的子单元包括菲涅尔透镜、带通光学滤波片、二次光学单元，晶硅电池片和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片；所述的晶硅电池片和GaInP/GaInAs/Ge 三结电池片上均设有二次光学单元，所述的晶硅电池片放置于菲涅尔透镜在带通光学滤波片透射方向的焦斑处，所述的GaInP/GaInAs/Ge三结电池片放置于菲涅尔透镜在带通光学滤波片反射方向的焦斑处。 
所述的晶硅电池片和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片分别与散热管连接，所述的散热管上设有散热翅片。 
所述的菲涅尔透镜与带通光学滤波片表面成45°角设置。 
包括4N个子单元，N为正整数。 
所述的二次光学单元为内表面镀银，顶端被截取通光的倒金字塔状结构。 
所述的晶硅电池片为单晶硅或多晶硅电池片。 
所述的GaInP/GaInAs/Ge三结电池片为基于晶格匹配Lattice-mateched,LM或变形Metamorphic,MM技术的GaInP/GaInAs/Ge三结电池。 
所述的带通光学滤波片的通带为900-1050nm。 
本实用新型的有益效果是：一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组主要针对单片集成GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池的高效应用，采用空间光谱分离技术，将太阳光谱中对应于三结电池Ge子电池吸收谱范围的部分光谱分离出来转由晶硅电池接收，降低三结电池片的热损耗，进一步提高模组的光伏转换效率；一是无须通过改变单片集成多结太阳能电池结构(增加特定带隙宽度材料的PN结)来降低电池内部电流引起的热损耗，而是引入空间光谱分离技术实现光伏高效利用；二是该聚光-分光型太阳能光伏发电模组结构简单，光学处理方案易于实现，且实现不同电池片散热装置的共享，适应面广。 
附图说明
图1.是本实用新型双发电单元的结构示意图； 
图2.1是本实用新型的外观俯视图； 
图2.2是本实用新型的外观仰视图； 
图3.1是本实用新型的4单元外观俯视图； 
图3.2是本实用新型的4单元外观仰视图； 
图4.是本实用新型的4单元结构示意图； 
图5.是本实用新型的4单元结构透视图； 
图6.是本实用新型涉及相关电池片及带通光学滤波片的光谱响应示意图。 
图中：1—菲涅尔透镜；2—带通光学滤波片；3—二次光学单元；4—散热翅片；5—晶硅 电池片；6—GaInP/GaInAs/Ge三结电池片；7—散热管。 
具体实施方式
下面结合参考附图进一步描述本技术方案，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，但该描述仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。 
如图1、一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，包括多个子单元，所述的子单元包括菲涅尔透镜1、带通光学滤波片2、二次光学单元3，晶硅电池片5和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片6；所述的晶硅电池片5和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片6上均设有二次光学单元3，所述的晶硅电池片5放置于菲涅尔透镜1在带通光学滤波片2透射方向的焦斑处，所述的GaInP/GaInAs/Ge三结电池片6放置于菲涅尔透镜1在带通光学滤波片2反射方向的焦斑处。 
所述的晶硅电池片5和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片6分别与散热管7连接，所述的散热管7上设有散热翅片4。 
所述的菲涅尔透镜1与带通光学滤波片2表面成45°角设置。 
包括4N个子单元，N为正整数。如图4，所述的4N个子单元中，每2个子单元以反射方向向内对称设置，如图5，相邻的2个带通光学滤波片2角度相同的子单元中的晶硅电池片5之间由散热管7连接，散热管7对称中心位置装有散热翅片4；相邻的2×2个子单元中的GaInP/GaInAs/Ge三结电池片6之间由U型散热管连接，U型散热管的对称中心位置装有散热翅片4。所述的散热翅片4可分别针对两种不同电池片设计，并采用散热管散热方式，散热翅片包裹在散热管7外面，散热管7利用其中的工作物质散热，散热管7导出的热量进一步通过散热翅片4导到空气中，散热管7内的工作物质为高纯度的水。 
如图4，所述的二次光学单元3分别针对两种不同电池进行设计，其形状皆为顶端被截取的倒金字塔。二次光学单元3的内表面镀银，具有很高的反射率，可将接收到的会聚光线进一步反射到相应电池表面，增加电池片对于入射光线的接收角度，同时提高相应电池片表面的光斑能量均匀性，最终提升电池片及光伏***的发电效率。 
所述的晶硅电池片5为单晶硅或多晶硅电池片。 
所述的GaInP/GaInAs/Ge三结电池片6为基于晶格匹配Lattice-mateched,LM或变形Metamorphic,MM技术的GaInP/GaInAs/Ge三结电池。如图6所示，晶硅电池片5与GaInP/GaInAs/Ge6三结电池6中的Ge子电池具有部分重合的响应光谱范围。 
所述的带通光学滤波片2的通带为900-1050nm。 
本实用新型的工作原理是： 
菲涅尔透镜1对垂直入射太阳光进行会聚，会聚光线在聚焦之前经带通光学滤波片2分光，该带通光学滤波片2与菲涅尔透镜1的镜面成45°放置，透射光束沿原方向聚焦，反射光束沿水平方向聚焦。透射及反射光束分别通过二次光学单元3进行处理，最终分别由放置于透射及反射方向焦斑处的晶硅电池片5和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片6吸收进行光电转换。该结构中的相邻子单元具有对称性，因此可以简化电池片散热单元的结构设计，如图3.1，图3.2，不同发电单元相应电池片的散热翅片可以形成共用。相邻单元中的两个晶硅电池共用一个散热翅片；GaInP/GaInAs/Ge三结电池片6对应的散热翅片4由U型热管连接，相邻单元中的4个GaInP/GaInAs/Ge三结电池片共用一个散热单元,如图2.1，图2.2，构成多单元发电模组。 
在本实用新型实施例中，对所述带通光学滤波片2的光谱特性有一定的要求，其通带波长范围为900-1050nm，包含于晶硅电池与Ge子电池响应光谱的重合部分。图6给出了本实用新型涉及到的相关电池片及带通光学滤波片的光谱响应示意图。由于GaInP/GaInAs/Ge三结电池中各结子电池之间是串联连接，因此三结电池的最终输出电流由各结子电池中的最小电流所限制。因为Ge子电池的输出电流一般会明显大于其它两结子电池的输出电流，所以三结电池的最终输出电流由GaInP子电池或GaInAs子电池的电流所限制，而Ge子电池多出的这部分电流将会通过串联电阻损耗转化为热能，这将会导致电池效率降低，同时增加电池的散热要求。解决这一问题的最佳途径是通过带通光学滤波片滤掉Ge子电池的部分响应光谱，使其电流降为三结电池的串联输出电流，而滤掉的光谱范围即为带通光学滤波片2的通带带宽。因此需要根据GaInP/GaInAs/Ge三结电池中Ge子电池电流与三结电池串联限制电流之间的差值来确定光学滤波片的通带位置及带宽，而通过滤波片通带滤除的光谱成分则由晶硅电池吸收，保证了光伏发电***对太阳光谱的充分利用，并且显著光伏发电***的光电转换效率。 
综上所述，仅为本实用新型之较佳实施例，不以此限定本实用新型的保护范围，凡依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本实用新型专利涵盖的范围之内。 

Claims (8)

1.一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：包括多个子单元，所述的子单元包括菲涅尔透镜(1)、带通光学滤波片(2)、二次光学单元(3)，晶硅电池片(5)和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片(6)；所述的晶硅电池片(5)和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片(6)上均设有二次光学单元(3)，所述的晶硅电池片(5)放置于菲涅尔透镜(1)在带通光学滤波片(2)透射方向的焦斑处，所述的GaInP/GaInAs/Ge三结电池片(6)放置于菲涅尔透镜(1)在带通光学滤波片(2)反射方向的焦斑处。 
2.根据权利要求1所述的一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：所述的晶硅电池片(5)和GaInP/GaInAs/Ge三结电池片(6)分别与散热管(7)连接，所述的散热管(7)上设有散热翅片(4)。 
3.根据权利要求2所述的一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：所述的菲涅尔透镜(1)与带通光学滤波片(2)表面成45°角设置。 
4.根据权利要求3所述的一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：包括4N个子单元，N为正整数。 
5.根据权利要求1-4任一所述的一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：所述的二次光学单元(3)为内表面镀银，顶端被截取通光的倒金字塔状结构。 
6.根据权利要求1-4任一所述的一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：所述的晶硅电池片(5)为单晶硅或多晶硅电池片。 
7.根据权利要求1-4任一所述的一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：所述的GaInP/GaInAs/Ge三结电池片(6)为基于晶格匹配Lattice-mateched,LM或变形Metamorphic,MM技术的GaInP/GaInAs/Ge三结电池。 
8.根据权利要求1-4任一所述的一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组，其特征在于：所述的带通光学滤波片(2)的通带为900-1050nm。 
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