CN209982433U - 一种非跟踪式聚光光伏发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非跟踪式聚光光伏发电装置，涉及太阳能发电技术领域，包括串行连接并呈矩阵排列的各光伏发电单元和封装于各光伏发电单元外部的封闭盒体，太阳能电池片位于光纤光锥光伏聚光器底部，其受光面与光纤光锥光伏聚光器的小端紧密贴合，固定支架设于光纤光锥光伏聚光器外部并将光纤光锥光伏聚光器支撑固定，构成光伏发电单元。本实用新型能够利用各个方向的锥形光纤接收其对应的各个方向的太阳光线，不仅可以接收直射光，而且还可以接收漫射光，无需跟踪太阳便可以实现空间大角度太阳光线收集并通过圆形太阳能电池将太阳能转化为电能，解决现有技术在入射光线偏离聚光器轴心较大时不适用的问题。

Description

一种非跟踪式聚光光伏发电装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能发电技术领域，具体涉及一种脱离光线跟踪装置独立工作的聚光光伏发电装置。

背景技术

太阳能有着无限的储能，在开发过程中不会产生废气、废水等污染物，是一种非常适合人类开发及利用的能源。太阳每年辐射到地球表面的有效能量约6×10¹⁷kw·h，而被地球有效利用的不足0.05％，还有极大的开发空间。

随着全球经济的快速发展，对能源的需求也日益增加，太阳能虽具有诸多优点，但其自身固有的两大短板阻碍了太阳能的开发和广泛应用。首先，太阳发出的能量中，到达地球的能量受季节、海拔、纬度等因素影响，最终能够到达地面的平均能量一般不超过1kw/m²，如此低的能量流密度说明太阳能分布较为分散，不适合直接利用。其次，太阳的东升西落以及风云雨雪等气候的影响导致太阳能供给不稳定，存在间断性。

多年来，人们为了在保证太阳能清洁性、长久性等优点的基础上克服分散性、间断性的不足，进行了多方面的探究，其中对折射型菲涅尔聚光器与反射型抛物线聚光器的研究较为深入。

传统的折射型菲涅尔聚光器具有非常高的聚光比，但是必须要求太阳光线时刻与菲涅尔透镜保持垂直，从而导致菲涅尔聚光器的接收角非常小、汇聚的光斑能量分布非常集中、均匀性非常差，不适合直接用于聚光光伏装置。采用菲涅尔透镜做聚光器时必须为聚光光伏装置配备高精度太阳***。这一方面提高了聚光光伏装置的成本，另一方面由于自动跟踪***故障率高，每年都需要花费大量资金来维护光线追踪器的正常工作。据统计，目前聚光光伏失效的绝大部分原因源于太阳能***的失效。

传统的反射型抛物线聚光器虽然可以在一定的时限内不需要跟踪太阳，但是由于抛物线的增长趋势可知反射型抛物线聚光器具有非常高的长宽比，因此该聚光器聚光比一般低于70×，否则将失去实际利用价值。通常使用截断法与填充法来改进抛物线聚光器的性能。截断法虽然一定程度增加了抛物线聚光器的接收角，但是也相应减少了聚光器的几何聚光比，实体抛物线聚光器在增大接受角的同时也导致装置重量增加。

通过专利检索，存在以下已知的技术方案：

现有技术1：

《Optimization design of hybrid Fresnel-based concentrator forgenerating uniformity irradiance with the broad solar spectrum》ZhenfengZhuang,Optics&Laser Technology.Vlume,Argust 2014,Pages 27-33.

该技术方案重新设计了菲涅尔透镜的环形结构，大大改进了聚光器汇聚的光斑在接收面上能量分布的均匀性，但是聚光器的接收角依然非常小。

现有技术2：

《Optical modeling of four Fresnel-based high-CPV units》Ferrer-Rodriguez,J.P.,Solar Energy.155(2017)805–815.

该技术方案为菲涅尔聚光光伏装置设计了多种类型的二次聚光器，但是菲涅尔聚光光伏装置的接收角也仅仅只提高到-1.7°～+1.7°，且二次聚光器的使用一方面增加了聚光光伏装置的重量，另一方面聚光更加复杂，大大提高了聚光光伏装置的成本。

现有技术3：

申请号：201810423387X，申请日：2018.05.06，授权公告日：2018.12.18，本实用新型公开了一种高聚光无追踪式太阳能收集装置，包括：光伏发电组件，所述光伏发电组件包括串联设置并形成阵列的多个光伏发电单元，所述光伏发电单元包括便于组装的具有封闭腔室的本体，所述本体的一侧设置有用于汇聚太阳光线至所述封闭腔室内的光汇聚单元，所述封闭腔室内设置有接收经汇聚的太阳光线并进行光电转换的光伏元件；汇流电路，其与所述光伏发电组件形成电性连接并配置为对多个所述光伏发电单元经光电转换获得的电能进行汇总输出；逆变电路，其配置为将汇流电路输出的直流电能变换为交流电能；变压电路，其配置为将所述逆变电路输出的交流电能进行电压变换。该装置具有结构简单、成本低、无需安装太阳光线检测以及追踪单元即可实现空间大角度区域内太阳光线收集并转化为电能等优点。

但该实用新型利用的是排布在各个方向上的曲面透镜对太阳光线的折射能力从而改变太阳光线的传播轨迹来实现空间大角度光线汇聚收集，但是由于曲面透镜折射能力有限，分布在各个方向上的曲面透镜难以将其对应的太阳光线都汇聚到某一点，因此该聚光器虽然具有较大的接受角，但是实际聚光比较小且光斑过于分散。

通过以上的检索发现，现有技术中的太阳能聚光器收集效率低下，而通过对太阳光线进行追踪可以一定程度上提高太阳光的收集效率，但随之带来了诸多问题，例如结构上复杂难以维护，可靠性差。以上技术方案没有影响本实用新型的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本实用新型的创造性。

实用新型内容

本实用新型正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种非跟踪式聚光光伏发电装置

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：一种非跟踪式聚光光伏发电装置，包括串行连接并呈矩阵排列的各光伏发电单元和封装于各所述光伏发电单元外部的封闭盒体，各锥形光纤大端对大端、小端对小端由内向外紧贴密排构成整体呈锥形结构且小端朝下、大端朝上的光纤光锥光伏聚光器，太阳能电池片位于所述光纤光锥光伏聚光器底部，其受光面与所述光纤光锥光伏聚光器的小端紧密贴合，固定支架设于所述光纤光锥光伏聚光器外部并将所述光纤光锥光伏聚光器支撑固定，构成所述光伏发电单元；所述封闭盒体向阳面由透光材料制成，其余部分由不透光材料制成。

进一步的，各所述锥形光纤沿所述光纤光锥光伏聚光器径向由内向外以直径递增的形式设置，所述光纤光锥光伏聚光器的大端呈外凸的半球形结构，小端呈平面结构。

进一步的，所述太阳能电池片的背光面还设有散热片，所述太阳能电池片通过导热胶固定于所述散热片上，所述散热片与固定支架连接固定；所述太阳能电池片的面积与所述光纤光锥光伏聚光器小端的面积一致，所述散热片的面积大于所述太阳能电池片的面积。

进一步的，所述锥形光纤纵截面母线呈抛物线或直线状，其大端面呈半球面或非球曲面，小端面呈水平面。

进一步的，所述锥形光纤由塑料光纤或石英光纤批量拉制而成，所述塑料光纤或所述石英光纤的数值孔径不小于0.5。

进一步的，所述锥形光纤包括位于内部的光纤纤芯和包裹于所述光纤纤芯外部的光纤包层，所述光纤包层外壁镀有反射膜，所述反射膜的反射率为90％以上。

进一步的，所述封闭盒体向阳面由玻璃或塑料材质制成，其余部分由合金材质制成。

本实用新型提供了一种非跟踪式聚光光伏发电装置，具有以下有益效果：

1、能够利用各个方向的锥形光纤接收其对应的各个方向的太阳光线，不仅可以接收直射光，而且还可以接收漫射光，无需跟踪太阳便可以实现空间大角度太阳光线收集并通过圆形太阳能电池将太阳能转化为电能，解决现有技术在入射光线偏离聚光器轴心较大时不适用的问题；

2、采用锥形光纤排列组合而成的光纤光锥光伏聚光器实现了-45°～+45°大角度范围内的太阳光线的汇聚收集，可以在不使用太阳光线***的情况下，保证光纤光锥光伏聚光器全年平均每天可以有效接收阳光6h以上，解决了聚光太阳能收集装置因使用太阳光线追踪器导致的装置结构复杂、成本提高、装置故障频率高、本身需要耗电等问题；

3、利用太阳光线在锥形光纤中全反射传播的特性，将照射在大端入射面上的太阳光线传递到小端出射面上，实现太阳光线空间大角度汇聚收集；光纤导光能力极强，太阳光线在锥形光纤中传播几乎无损耗，射入锥形光纤大端面内的光线可以几乎无损耗的从锥形光纤小端面射出，光纤光锥光伏聚光器不仅具有较大光线接受角，而且汇聚的光斑能量分布均匀，具有较高的聚光比；

4、结构简单、重量轻、成本低廉，可批量拉直，具有良好的实用性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型光伏发电单元的结构示意图；

图3为本实用新型光纤光锥光伏聚光器的结构示意图。

图4为本实用新型光纤光锥光伏聚光器的俯视图；

图5为本实用新型锥形光纤的结构示意图。

图中：

1、光伏发电单元，2、封闭盒体，3、光纤光锥光伏聚光器，4、太阳能电池片，5、散热片，6、固定支架，7、锥形光纤，8、光纤纤芯，9、光纤包层，10、反射膜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1～图5所示，其结构关系为：包括串行连接并呈矩阵排列的各光伏发电单元1和封装于各光伏发电单元1外部的封闭盒体2，各锥形光纤7大端对大端、小端对小端由内向外紧贴密排构成整体呈锥形结构且小端朝下、大端朝上的光纤光锥光伏聚光器3，太阳能电池片4位于光纤光锥光伏聚光器3底部，其受光面与光纤光锥光伏聚光器3的小端紧密贴合，固定支架6设于光纤光锥光伏聚光器3外部并将光纤光锥光伏聚光器3支撑固定，构成光伏发电单元1；封闭盒体2向阳面由透光材料制成，其余部分由不透光材料制成。封闭盒体2将各光伏发电单元1封闭保护，避免灰尘、水汽的渗透对光伏发电装置性能产生影响；光纤光锥光伏聚光器3的小端与太阳能电池片4的设置方式在保证太阳能电池片4吸收效率不下降的前提下，也可在光纤光锥光伏聚光器3小端与太阳能电池片4受光面间留设间隙。

优选的，各锥形光纤7沿光纤光锥光伏聚光器3径向由内向外以直径递增的形式设置，光纤光锥光伏聚光器3的大端呈外凸的半球形结构，小端呈平面结构。

优选的，太阳能电池片4的背光面还设有散热片5，太阳能电池片4通过导热胶固定于散热片5上，散热片5与固定支架6连接固定；太阳能电池片4的面积与光纤光锥光伏聚光器3小端的面积一致，散热片5的面积大于太阳能电池片4的面积。该种设置方式，既可以将光纤光锥光伏聚光器3输出端输出的光强最大限度的均匀分布在太阳能电池片4上，又可以防止太阳能电池片4温度过高从而影响电池发电效率。

优选的，锥形光纤7纵截面母线呈抛物线或直线状，其大端面呈半球面或非球曲面，以增大光线接受面，小端面呈水平面，以便于和太阳能电池片4紧密连接。

优选的，锥形光纤7由塑料光纤或石英光纤批量拉制而成，塑料光纤或石英光纤的数值孔径不小于0.5。

优选的，锥形光纤7包括位于内部的光纤纤芯8和包裹于光纤纤芯8外部的光纤包层9，光纤包层9外壁镀有反射膜10，反射膜10的反射率为90％以上。

优选的，封闭盒体2向阳面由玻璃或塑料材质制成，其余部分由合金材质制成。

具体使用时，一束光线照射到锥形光纤7大端面时，若光线在锥形光纤7接受角范围内时，光线在锥形光纤7中经过几次全反射便会从锥形光纤7小端面射出，最后均匀照射到底部的太阳能电池片4上；当光线在锥形光纤7中传播不满足全反射条件将要折射出锥形光纤7时，反射膜10可以一定程度将这些光线均匀的反射到太阳能电池片4上，从而提高光纤光锥光伏聚光器3的光线利用率。

理论上锥形光纤7的锥角越大，其聚光比就越大，当单根锥形光纤7小端面积无线接近0时，其聚光比理论为无限大。因此，可根据太阳能光电利用的需要，减小锥形光纤7小端面积，增加光锥聚光比。需要注意的是，聚光比不是越大越好，光线在光锥中向前传播时每反射一次，光线的入射角都会减小0.5个锥角大小，锥角越大，光线在光锥中传播每反射一次入射角减小的越大，光锥的接受角越小，当反射次数足够多时光线的入射角便会小于全反射的临界角从而造成能量的损失。当聚光比一定时增加光锥长度可以减小光纤光锥的锥角，但是光锥越长光线在光锥中反射的次数也会增加，虽然锥角较小时每次光线的入射角减小的角度较小，但是光线在光锥中反射的次数也相应增多了，光锥的接受角也会变小。因此，根据实际需求求得光纤光锥锥角、光锥长度两者的平衡求得聚锥形光线最佳的聚光比与最佳的接受角，可同时实现高几何聚光比与大光线接受角，这是折射型菲涅尔聚光器与反射性抛物线聚光器不能与之相比的优势。

光纤光锥光伏聚光器3大端面外凸呈现半球状可以增大采光面积，对于单根锥形光纤7，当光锥锥角与长度参数选择合适，接受角可以达到-20°～+20°，对于按一定规律光纤光锥光伏聚光器3，其接受角可达到-45°～+45°。聚光光伏发电装置可以在不使用太阳光线***固定安装时，保证光纤光锥光伏聚光器3全年平均每天可以有效接收阳光6h以上，这也是折射型菲涅尔聚光器与反射性抛物线聚光器不能与之相比的优势。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种非跟踪式聚光光伏发电装置，其特征在于：包括串行连接并呈矩阵排列的各光伏发电单元(1)和封装于各所述光伏发电单元(1)外部的封闭盒体(2)，各锥形光纤(7)大端对大端、小端对小端由内向外紧贴密排构成整体呈锥形结构且小端朝下、大端朝上的光纤光锥光伏聚光器(3)，太阳能电池片(4)位于所述光纤光锥光伏聚光器(3)底部，其受光面与所述光纤光锥光伏聚光器(3)的小端紧密贴合，固定支架(6)设于所述光纤光锥光伏聚光器(3)外部并将所述光纤光锥光伏聚光器(3)支撑固定，构成所述光伏发电单元(1)；所述封闭盒体(2)向阳面由透光材料制成，其余部分由不透光材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种非跟踪式聚光光伏发电装置，其特征在于：各所述锥形光纤(7)沿所述光纤光锥光伏聚光器(3)径向由内向外以直径递增的形式设置，所述光纤光锥光伏聚光器(3)的大端呈外凸的半球形结构，小端呈平面结构。

3.根据权利要求2所述的一种非跟踪式聚光光伏发电装置，其特征在于：所述太阳能电池片(4)的背光面还设有散热片(5)，所述太阳能电池片(4)通过导热胶固定于所述散热片(5)上，所述散热片(5)与固定支架(6)连接固定；所述太阳能电池片(4)的面积与所述光纤光锥光伏聚光器(3)小端的面积一致，所述散热片(5)的面积大于所述太阳能电池片(4)的面积。

4.根据权利要求1所述的一种非跟踪式聚光光伏发电装置，其特征在于：所述锥形光纤(7)纵截面母线呈抛物线或直线状，其大端面呈半球面或非球曲面，小端面呈水平面。

5.根据权利要求1所述的一种非跟踪式聚光光伏发电装置，其特征在于：所述锥形光纤(7)由塑料光纤或石英光纤批量拉制而成，所述塑料光纤或所述石英光纤的数值孔径不小于0.5。

6.根据权利要求1所述的一种非跟踪式聚光光伏发电装置，其特征在于：所述锥形光纤(7)包括位于内部的光纤纤芯(8)和包裹于所述光纤纤芯(8)外部的光纤包层(9)，所述光纤包层(9)外壁镀有反射膜(10)，所述反射膜(10)的反射率为90％以上。

7.根据权利要求1所述的一种非跟踪式聚光光伏发电装置，其特征在于：所述封闭盒体(2)向阳面由玻璃或塑料材质制成，其余部分由合金材质制成。

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