CN204272008U - 一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元，包括大面积碟式抛物面反射聚光器(1)、二次匀光处理单元(2)、锲型结构单元(3)，锲型结构单元(3)设置在大面积碟式抛物面反射聚光器(1)上，二次匀光处理单元(2)与锲型结构单元(3)固定连接；锲型结构单元(3)由上至下依次包括聚光晶硅电池阵列结构(32)、锲型结构固定铸件(31)、GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列结构(33)、锲型结构单元支撑固定结构(34)。通过引入光谱分离技术分别针对GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池阵列和晶硅太阳能电池阵列实现高倍聚光和低倍聚光，既保持GaInP/GaInAs/Ge三结电池的高光电转换效率，又实现对广谱太阳光能量的充分吸收，有效降低太阳能电池的热损耗。

Description

一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元

技术领域

本发明涉及一种高效太阳能光伏发电方案，尤其涉及一种大面积碟式反射聚光型太阳能光伏集成双发电组件单元的结构设计。

背景技术

具有低能耗、低成本、低污染特点的高效聚光型光伏发电技术正在成为光伏技术发展的一个主要方向，与传统的晶硅光伏发电技术相比，聚光型光伏技术光电转化效率可提高一倍。高效聚光型光伏发电技术能够实现低能耗、低成本的原因主要有两方面：首先，聚光光伏***所需要的光伏材料大大减少，用来聚光的材料如玻璃、有机高分子材料或者铁皮、铝片都比晶硅材料容易生产，成本低2个数量级；其次，在高倍聚光条件下，可以采用高科技多结光伏材料，多PN结光伏材料可以更充分的吸收太阳光能量。高倍聚光、多结光伏材料是真正体现高科技强大威力的技术，一旦进入大规模应用，高倍聚光发电成本可以低于核电和火电发电成本。

目前的聚光太阳能光伏发电***主要通过菲涅耳透镜或碟式反射镜面实现入射太阳光的会聚。菲涅耳透镜对垂直入射太阳光会产生较大的光损耗（30%左右），因此会降低***光电转换效率。而对于碟式反射镜聚光技术，通过光学镀膜可使反射镜面的反射率高达95%以上，可大幅提升光学处理***的效率，降低入射太阳光损耗。同时，将光谱分离技术应用在聚光光伏发电***中，利用分光技术将广谱太阳光在空间位置上按波长范围进行分离，分别用单片集成叠层三结电池阵列和传统单结晶硅电池阵列进行接收，有效地解决了目前普遍使用的GaInP/GaInAs/Ge三结电池各PN结的电流匹配问题，降低单位面积的热损耗，最大程度地利用太阳辐射光谱，提升***光电转换效率。

发明内容

 本专利要解决的技术问题 ：本发明的目的就在于提供一种高效色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电方案，通过引入光谱分离技术分别针对GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池阵列和晶硅太阳能电池阵列实现高倍聚光和低倍聚光，既保持GaInP/GaInAs/Ge三结电池的高光电转换效率，又实现对广谱太阳光能量的充分吸收，有效降低太阳能电池的热损耗，同时针对上述两种聚光太阳能电池阵列设计有效的水制冷散热单元，显著提高聚光太阳能光伏发电***效率，尤其适用于高倍聚光太阳能发电***。

为解决上述技术问题，本实用新型专利的主要目的在于提供一种大面积色散型碟式太阳能光伏发电实现方案，该方案主要针对单片集成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，同时通过引入高效集成的水制冷散热结构进一步提高接收组件的光伏转换效率。

为达成上述目的，本实用新型应用的技术方案是：

一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元，包括大面积碟式抛物面反射聚光器（1）、二次匀光处理单元（2）、锲型结构单元（3），锲型结构单元（3）设置在大面积碟式抛物面反射聚光器（1）上，二次匀光处理单元（2）与锲型结构单元（3）固定连接；

所述锲型结构单元（3）由上至下依次包括聚光晶硅电池阵列结构（32）、锲型结构固定铸件（31）、GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列结构（33）、锲型结构单元支撑固定结构（34）。

所述聚光晶硅电池阵列结构（32）由上至下依次包括进出水导管连接

口一（325）、密封盖板（324）、高效集成水制冷散热结构一（323）、聚光晶硅电池阵列（322）、二向色带通光学滤波片（321），进出水导管连接口一（325）与密封盖板（324）连通。

所述GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列结构（33）由上至下依次包括GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列（331）、高效集成水制冷散热结构二（332）、进出水导管连接口二（333），进出水导管连接口二（333）与锲型结构单元支撑固定结构（34）连通。

所述高效集成水制冷散热结构一（323）和高效集成水制冷散热结构二（332）均包括多层锯齿交错面板单元，使电池阵列中单个电池背面都存在一个锯齿凹槽供水循环，在两个水制冷散热面板的相邻部位通过进出水导管连接口（333/325）用铜管连接形成循环水路；多个间距相同的平行锯齿面板交错层迭形成供水流通结构，两通水口一进一出，通过外部水泵实现主动水流循环。锲型中的两块散热结构水路循环既可以是串联也可以是并联。

所述大面积碟式抛物面反射聚光器（1）由相比于光伏材料非常廉价的薄铝或铁皮制成，并通过多个扇形抛物面结构拼装而成一个完整的碟式抛物面结构，反射面通过镀银实现高反射率。

所述二次匀光单元（2）采用特定的抛物面结构体与锲型结构单元光入射口大小相同的长柱体作与运算形成的几何体，利用低铁高透光玻璃材质制作而成，实现对太阳光线的高透射率。

按以上方案，利用大面积碟式反射镜实现对垂直入射太阳光的会聚形成方形光斑，进而使用带通光学滤波片将会聚太阳光按波长范围分为两束，分别由晶硅电池阵列和GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列进行接收，并针对两种电池阵列提供高效集成的水制冷散热单元，有效提升组件的光伏转换效率。

按以上方案，所述大面积碟式反射聚光器利用其反射抛物面将垂直入射的太阳光进行反射会聚，通过二次匀光处理单元将聚焦光斑能量均匀化分布，处理后的光束再经带通滤光片进行空间光谱分离，分别由晶硅电池阵列和GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列进行接收，电池阵列下方的水制冷结构有效降低电池工作温度。

按以上方案，分光单元、光伏转换单元及散热单元均集成在一个锲形结构中，包括二向色带通滤光片、晶硅电池阵列、GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列、两种电池阵列对应的水制冷散热单元。

按以上方案，所述锲形结构利用高强度低铁高透光玻璃对其光学入口进行密封。

按以上方案，二向色带通滤光片及其玻璃基底直接附于晶硅电池阵列表面，两者通过高透明度的硅凝胶进行密封封装。滤光片基底采用高强度低铁高透光玻璃。

按以上方案，将高强度低铁高透光玻璃直接附于GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列，两者通过高透明度的硅凝胶进行密封封装。

按以上方案，所述晶硅电池阵列和GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列均采用半导体封装方案将太阳能电池与导热性能良好的陶瓷覆铜DBC基板进行集成封装。同一电池阵列中的不同太阳能电池根据其表面接收光斑的能量分布选择其相互之间的串/并联电气连接形式。两种不同的电池阵列之间根据集成光伏接收单元对外的电气输出要求实现相应的电流匹配或电压匹配。

按以上方案，聚光电池阵列的陶瓷覆铜DBC基板直接作为其水冷散热单元的盖板，使电池阵列的高导热基板与水冷散热结构通过密封硅胶成一体单元，能够有效降低电池阵列温度。

按以上方案，聚光电池阵列对应的高效集成水制冷散热结构使用外部水泵泵浦的主动循环模式依次流过进出水口，并根据电池阵列散热的实际要求来控制泵浦中制冷液的流速。

本实用新型与现有技术相比，其有益的效果：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；二是该色散型碟式太阳能光伏发电单元结构简单，光学处理方案易于实现，且实现不同太阳能电池阵列水冷单元的互通和共享，适应面广。

附图说明

图1是本实用新型的实物图。

图2是本实用新型的光线仿真图。

图3是本实用新型中锲型结构单元（3）的结构细分图。

图4是本实用新型的高效集成水制冷散热结构整体示意图。

图5是本实用新型涉及到的相关电池阵列及二向色带通光学滤波片的光谱响应示意图。

其中：

1—大面积碟式反射聚光器；

2—二次匀光单元；

3—锲型结构单元；

31—锲型结构固定铸件；

32—聚光晶硅电池阵列结构；

321—二向色带通光学滤波片；

322—聚光晶硅电池阵列；

323—（聚光晶硅电池阵列对应的）高效集成水制冷散热结构一；

324—密封盖板；

325—进出水导管连接口一；

33—GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列结构；

331—GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列；

332—（GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列对应的）高效集成水制冷散热结构二；

333—进出水导管连接口二；

34—锲型结构单元支撑固定结构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图2至图4所示，本实用新型提供一种高效色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电模组结构，包括大面积碟式反射聚光器1、二次匀光单元2、二向色带通光学滤波片321、聚光晶硅电池阵列322、聚光晶硅电池阵列对应的高效集成水制冷散热结构323、GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列331、GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列对应的高效集成水制冷散热结构332以及高效集成水制冷散热结构的进出水导管连接口325/333，其中：

该大面积碟式反射聚光器1对垂直入射太阳光进行全反射，在反射光线形成的焦点对应处放置二次匀光单元2，通过该二次匀光单元2出射的光线几乎垂直于锲型结构单元光入射口平面，完全透射的光线照射到与入射光线方向成45°角的二向色带通光学滤波片321进行处理，最终分别由放置于透射及反射方向的聚光晶硅电池阵列322和GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列331吸收并进行光电转换。该模型结构紧凑，可以简化各聚光电池阵列散热单元的结构设计，两阵列电池的散热结构可以在锲型衔接处连通。聚光晶硅电池阵列对应的高效集成水制冷散热结构323和GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列对应的高效集成水制冷散热结构332包括多层锯齿交错面板单元组合而成，使电池阵列中单个电池背面都存在一个锯齿凹槽供水循环，在两水制冷散热面板的相邻部位通过进出水导管连接口333/325用铜管连接形成循环水路。

在本实用新型实施例中，对所述二向色带通光学滤波片321的光谱特性有一定的要求，其通带波长范围必须包含于晶硅电池阵列与Ge子电池响应光谱的重合部分。图5给出了本实用新型涉及到的相关电池片及二向色带通光学滤波片321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321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二向色带通光学滤波片321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阵列吸收，保证了光伏发电***对太阳光谱的充分利用，并且显著提高光伏发电***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 (6)

1.一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元，其特征在于：包括大面积碟式抛物面反射聚光器(1)、二次匀光处理单元(2)、锲型结构单元(3)，锲型结构单元(3)设置在大面积碟式抛物面反射聚光器(1)上，二次匀光处理单元(2)与锲型结构单元(3)固定连接；

所述锲型结构单元(3)由上至下依次包括聚光晶硅电池阵列结构(32)、锲型结构固定铸件(31)、GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列结构(33)、锲型结构单元支撑固定结构(34)。

2.根据权利要求1所述的一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元，其特征在于：所述聚光晶硅电池阵列结构(32)由上至下依次包括进出水导管连接口一(325)、密封盖板(324)、高效集成水制冷散热结构一(323)、聚光晶硅电池阵列(322)、二向色带通光学滤波片(321)，进出水导管连接口一(325)与密封盖板(324)连通。

3.根据权利要求2所述的一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元，其特征在于：所述GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列结构(33)由上至下依次包括GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列(331)、高效集成水制冷散热结构二(332)、进出水导管连接口二(333)，进出水导管连接口二(333)与锲型结构单元支撑固定结构(34)镶嵌在一起。

4.根据权利要求3所述的一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元，其特征在于：所述高效集成水制冷散热结构一(323)和高效集成水制冷散热结构二(332)结构相同，均包括多个间距相同的平行锯齿面板交错层迭形成供水流通结构，进出水导管连接口一(325)和进出水导管连接口一(333)两者一进一出，通过外部水泵实现主动水流循环；两个高效集成水制冷散热结构的水路循环是串联或并联。

5.根据权利要求1所述的一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元，其特征在于：所述大面积碟式抛物面反射聚光器(1)由薄铝或铁皮制成，并通过多个扇形抛物面结构拼装而成一个完整的碟式抛 物面结构，反射面通过镀银实现高反射率。

6.根据权利要求1所述的一种色散型碟式反射聚光太阳能光伏发电组件单元，其特征在于：所述二次匀光处理单元(2)采用抛物面结构体与锲型结构单元光入射口大小相同的长柱体形成几何体，利用低铁高透光玻璃材质制作而成，实现对太阳光线的高透射率。