CN205545129U - 应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，由低铁高强度透光玻璃、聚光太阳能电池阵列、陶瓷DBC基板、水冷腔体串联构成；所述聚光太阳能电池阵列由6部分串联构成，6部分的各个部分内由2个聚光太阳能电池片并联构成。本实用新型通过不同的聚光太阳能电池的面积大小排列，既实现串联聚光太阳能电池的工作电流匹配及并联聚光太阳能电池的工作电压匹配，又可以避免聚光太阳能电池热逃逸现象的产生，降低整个聚光太阳能电池阵列的热损耗，提高***光电转换效率。

Description

应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组

技术领域

本实用新型属于光伏发电技术领域，涉及一种太阳能电池阵列模组，具体涉及到一种应用于碟式反射型面聚光光伏***太阳能电池阵列模组的设计。

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，与传统的平板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。常规聚光发电技术分两类，即透射点聚光型与反射面聚光型。前者采用菲涅尔透镜将入射太阳光汇聚到聚光太阳能电池上，形成点聚光发电；后者采用高反射率双曲镜面将入射太阳光反射汇聚到聚光太阳能电池上，形成面聚光发电。单个聚光太阳能电池产生功率为1W-10W，在面聚光的应用中往往会采用若干聚光太阳电池串/并联成密集电池阵列模组进行发电。

未加入匀光的光学器件前，入射太阳光经过镜面反射汇聚到聚光太阳能电池上，光斑的光强分布类似于高斯分布。二次匀光单元的引入往往可以改善聚焦光斑的能流分布均匀性，但也无法实现完全均匀化，而且会引入新的光学损耗。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种反射型面聚光光伏***的聚光太阳能电池的阵列模组，通过不同的聚光太阳能电池的面积大小排列，既实现串联聚光太阳能电池的工作电流匹配及并联聚光太阳能电池的工作电压匹配，又可以避免聚光太阳能电池热逃逸现象的产生，降低整个聚光太阳能电池阵列的热损耗，提高***光电转换效率。

本实用新型所采用的技术方案是：一种应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，其特征在于：所述阵列模组由低铁高强度透光玻璃、聚光太阳能电池阵列、陶瓷DBC基板、水冷腔体串联构成；所述聚光太阳能电池阵列由6部分串联构成，6部分的各个部分内由2个聚光太阳能电池片并联构成。

作为优选，所述低铁高强度透光玻璃、聚光太阳能电池阵列、陶瓷DBC基板、水冷腔体均并联设置有旁路二极管，避免出现“热斑效应”。

作为优选，所述聚光太阳能电池片为单片集成GaInp/GaInAs/Ge三结聚光太阳能电池。

作为优选，所述聚光太阳能电池片材料取自同一晶圆，这样所得的聚光太阳能电池片具有非常好的结构一致性。

作为优选，所述聚光太阳能电池阵列中聚光太阳能电池片的面积变化规律为：从内向外，面积大小逐渐增大。

作为优选，所述陶瓷DBC基板由陶瓷绝缘体、铝氧化物或铝氮化物构成。

作为优选，所述水冷腔体采用掺有乙二醇或丙三醇的制冷液进行循环散热；水冷腔体彼此串联，循环液依次进入低铁高强度透光玻璃、聚光太阳能电池阵列、陶瓷DBC基板进行降温处理，控制合适的水流量可以保证各个单元之间的温度达到合适点。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的低铁的透光玻璃可以减少二氧化硅对金属氧化物的着色作用，从而提高入射太阳光的透过率；

(2)本实用新型的聚光太阳能电池片材料取自同一晶圆，这样所得的聚光太阳能电池片具有非常好的结构一致性；

(3)本实用新型的聚光太阳能电池阵列中聚光太阳能电池片的面积变化规律为：从内向外，面积大小逐渐增大，从而保证了阵列模组中各个聚光太阳能电池片的发电功率一致；

(4)本实用新型的陶瓷DBC基板由陶瓷绝缘体、铝氧化物或铝氮化物构成，由于铝氧化物和铝氮化物的热膨胀系数比基板建立在金属或聚合体的基础上的情况更接近于硅芯片，DBC基板具有良好的导热性和极高的绝缘性；

(5)本实用新型的水冷腔体可以散热，保证聚光太阳能电池在较高光电转换效率下工作而且有较长的使用寿命，使得辐射能量能得到二次使用。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中未加入匀光器件时，入射太阳光反射汇聚光斑的能流分布图；

图3是本实用新型实施例中单片集成GaInp/GaInAs/Ge三结聚光太阳能双二极管模型的等效电路；

图4是本实用新型实施例中聚光太阳能电池阵列中聚光太阳能电池片的形状分布；

图5是本实用新型实施例中聚光太阳能电池阵列中聚光太阳能电池片的平面设计示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型专利的主要目的在于提供一种反射型面聚光光伏***的聚光太阳能电池的阵列模组的实现方案，该方案主要针对由多个聚光太阳能电池串/并联连接所形成的阵列模组的高效应用，结合实际光强在阵列表面的分布，依据聚光太阳能电池的电气特性，列出函数关系式，规划出每个聚光太阳能电池的面积大小，使各聚光太阳能电池的工作电流与工作电压一致。采用切割拼接的方式，得到聚光太阳能电池阵列的排列方案。

请见图1，本实用新型提供的一种应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，由低铁高强度透光玻璃1、聚光太阳能电池阵列2、陶瓷DBC基板3、水冷腔体4串联构成；低铁高强度透光玻璃1、聚光太阳能电池阵列2、陶瓷DBC基板3、水冷腔体4均并联设置有旁路二极管；陶瓷DBC基板3由陶瓷绝缘体、铝氧化物或铝氮化物构成。聚光太阳能电池阵列2由6部分串联构成，6部分的各个部分内由2个聚光太阳能电池片5、6并联构成。聚光太阳能电池片5、6为单片集成GaInp/GaInAs/Ge三结聚光太阳能电池，材料取自同一晶圆，这样所得的聚光太阳能电池片5、6具有非常好的结构一致性；聚光太阳能电池阵列2中聚光太阳能电池片的面积变化规律为：从内向外，面积大小逐渐增大。水冷腔体4采用掺有乙二醇或丙三醇的制冷液进行循环散热。水冷腔体彼此串联，循环液依次进入低铁高强度透光玻璃1、聚光太阳能电池阵列2、陶瓷DBC基板3进行降温处理，控制合适的水流量可以保证各个单元之间的温度达到合适点。

本实用新型在工作时，入射光经过镜面反射汇聚到太阳能电池阵列模组上，透过含铁量低于0.5％的高强度透光玻璃1至聚光太阳能电池阵列2。在不使用任何匀光装置时，聚光太阳能电池阵列2表面的光强分布如图2所示：光强大小呈高斯分布，中心光强最强，越趋近于边沿的地方光强越小。整个聚光太阳能电池阵列2是由若干个单独的聚光太阳能电池片串联/并联组成。单片三结聚光太阳能双二极管模型的等效电路如图3所示，由该等效电路图可以得到单个聚光太阳能电池的工作电流表达式为：

其中，I_sci I_01i I_02i的表达式为：

I_sci＝∫S×聚光倍数×量子效率×光谱响应dλ (公式2)

I_01i＝Sκ_1iT³ exp[-E_gi/(k_BT)] (公式3)

I_02i＝Sκ_2iT^5/2exp[-E_gi/(2k_BT)] (公式4)

其中：I为单个聚光太阳能电池的工作电流；I_sci为第i结单p-n结电池的光生电流；I_0li为第i结单p-n结电池等效二极管D_1i的反向饱和电流；I_02i为第i结单p-n结电池等效二极管D_2i的反向饱和电流；e为单位电荷量，1.60×10^-19C；V_i为第i结单p-n结电池的工作电压；R_si为第i结单p-n结电池的等效串联电阻；R_shi为第i结单p-n结电池的等效并联电阻；k_B为玻尔兹曼常数，1.38×10^-23JK；T为电池的绝对温度；S为三结电池的面积；κ_1i、κ_2i为第i结单p-n结电池的经验参数；E_gi为第i结单p-n结电池半导体化合物的带隙宽度；L为单个聚光太阳能电池的各个点光强之和；A为高斯分布中的比例系数；

假设聚光太阳能电池片对应的响应波长相同，则理论上可以用光强的物理量替代光谱响应。单个聚光太阳能电池片的工作电流在只考虑面积和光强的影响时，表达式可以简化为：

I＝SLm-Sn-g(m,n,g为与S，L无关的变量多项式)

在距离聚光太阳能电池中心为r处，光强大小为：

$L=\underset{0}{\overset{r}{\∫}}{I}_0\exp (-{\mathrm{Ar}}^2)dr$

阵列模组由低铁高强度透光玻璃1、聚光太阳能电池阵列2、陶瓷DBC基板3、水冷腔体4串联构成，当聚光太阳能电池阵列2分布是均匀排列时，在一个模块单元内的单独聚光太阳能电池片照射到的光强大小不一样，从而产生大小不同的工作电流。串联的聚光太阳能电池区域中，若各个聚光太阳能电池的工作电流不同则会导致串联后的总工作电流被最小的工作电流限制，功率无法最大化，造成能量的损失。本实用新型中设计出如图4所示的聚光太阳能电池阵列2分布，图4所示的聚光太阳能电池阵列2由4个图5所示的聚光太阳能电池片5、6组成。在确定聚光太阳能电池片尺寸时，由于入射太阳光的光强呈高斯分布，所以只要确定图1中各单独聚光太阳能电池片面积即可。如图5，单独聚光太阳能电池片5和单独聚光太阳能电池片6并联后再和邻近的并联后的聚光太阳能电池片串联，依次连接，形成6个串联的区域，面积大小从中心向旁边依次增大。六个区域单独聚光太阳能电池的长均为h,以中心点为原点0，则六个部分的宽依次为a、(b-a)、(c-b)、(d-c)、(e-d)、(f-e).

为了准确计算出每个单独聚光太阳能电池面积的尺寸，根据图5中前三个部分串联工作电流相等得到函数关系式如下：

m、n为与S，L无关的变量多项式，A为比例系数。从公式5到公式6可以分析可以得到a、b、c的相关关系。公式5和公式6的左边部分相等，而在高斯分布中从0到h的积分和从h到2h的积分，只有在h趋向0时才符合，显然实际中单独电池片的长度不可能趋于0，故可以得到c-2b+a＝0，即c＝2b-a；同理根据公式6和公式7可以得到b＝2a.整理可得到a、b、c三者的关系：

c＝3a、b＝2a.

图5后三部分的由串联电流相等同样得到关系式：

d＝4a e＝6a f＝8a

本实用新型中采用聚光太阳能电池片的尺寸为34(mm)*12(mm),即h＝12m、f＝34mm,即可得到a＝4.25mm、b＝8.5mm、c＝12.75mm、d＝17mm、e＝25.5mm、f＝34mm.最小单元太阳电池的尺寸为12(mm)*4.25(mm).

本实用新型专利考虑不引入匀光单元的情况，在各个串/并联的单个聚光太阳能电池形状面积相同的情况下，阵列模组单元的各个聚光太阳电池表面的光强大小会出现较大的差异，从而各个聚光太阳能电池所产生的光生电流不同，短路电流及开路电压差异较大。于是会造成各串联聚光太阳能电池的工作电流受限于其中工作电流最小的聚光太阳能电池。各并联聚光太阳能电池的输出电压又会被其中工作电压最低的聚光太阳能电池所限制，严重时还会出现聚光太阳能电池的热失控现象，效率无法达到最大化。聚光太阳能电池阵列模块中各个电池面积的优化设计，可缩小各个聚光太阳能电池表面光能量的差异，有效地解决目前普遍使用的聚光太阳能电池阵列模组各电池间的电流/电压匹配问题，降低整个电池阵列模组的热损耗，提升***光电转换效率。

尽管本说明书较多地使用了低铁高强度透光玻璃1、聚光太阳能电池阵列2、陶瓷DBC基板3、水冷腔体4、聚光太阳能电池片5、6等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本实用新型专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本实用新型的保护范围之内，本实用新型的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，其特征在于：所述阵列模组由低铁高强度透光玻璃（1）、聚光太阳能电池阵列（2）、陶瓷DBC基板（3）、水冷腔体（4）串联构成；所述聚光太阳能电池阵列（2）由6部分串联构成，6部分的各个部分内由2个聚光太阳能电池片（5、6）并联构成。

2.根据权利要求1所述的应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，其特征在于：所述低铁高强度透光玻璃（1）、聚光太阳能电池阵列（2）、陶瓷DBC基板（3）、水冷腔体（4）均并联设置有旁路二极管。

3.根据权利要求1所述的应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，其特征在于：所述聚光太阳能电池片（5、6）为单片集成GaInp/GaInAs/Ge三结聚光太阳能电池。

4.根据权利要求1所述的应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，其特征在于：所述聚光太阳能电池片（5、6）材料取自同一晶圆。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，其特征在于：所述聚光太阳能电池阵列（2）中聚光太阳能电池片的面积变化规律为：从内向外，面积大小逐渐增大。

6.根据权利要求5所述的应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，其特征在于：所述陶瓷DBC基板（3）由陶瓷绝缘体、铝氧化物或铝氮化物构成。

7.根据权利要求6所述的应用于碟式反射型面聚光光伏***的太阳能电池阵列模组，其特征在于：所述水冷腔体（4）采用掺有乙二醇或丙三醇的制冷液进行循环散热；水冷腔体（4）彼此串联，循环液依次进入低铁高强度透光玻璃（1）、聚光太阳能电池阵列（2）、陶瓷DBC基板（3）进行降温处理。