專利名稱：高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)，具體涉及一種高效利用太陽能的聚光光伏系統(tǒng)。 太陽能作為未來主要的可再生能源，日益受到各個國家的高度重視，相關(guān)研究顯 示出其巨大的應(yīng)用潛力。然而到目前為止，光伏技術(shù)在電子市場上的應(yīng)用并未達到人們預(yù) 想的結(jié)果，一個主要的原因就是光伏系統(tǒng)的成本過高。而光伏系統(tǒng)的成本中又以光伏電池 材料和系統(tǒng)跟蹤的成本為主。由此可見，能否實現(xiàn)大規(guī)模地光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，關(guān)鍵在于降低 電池材料和系統(tǒng)跟蹤的成本。 —種有效地降低電池材料成本和跟蹤成本的途徑是在光伏系統(tǒng)中增加一成本較 低的光學(xué)聚光鏡，構(gòu)成聚光光伏系統(tǒng)。然而傳統(tǒng)聚光光伏系統(tǒng)中的聚光鏡多是基于成像聚 焦理論設(shè)計而成，如槽型拋物面反射鏡，菲涅爾線聚焦，點聚焦透射鏡等。其普遍存在的缺 點是聚光比不高，接收角較小，光能傳輸效率低，高寬比較大。 本發(fā)明的目的是為克服目前太陽能聚光光伏系統(tǒng)存在的上述缺陷，提出一種基于 非成像理論設(shè)計的高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有大接收角、高倍聚光、高能量傳遞 效率、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的優(yōu)點。 本發(fā)明高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)，主要由封裝在外殼中的光學(xué)聚光器件、光伏電 池、外接電路，散熱板以及外部跟蹤設(shè)備組成，所述的光學(xué)聚光器件由聚光鏡和插置在聚光 鏡軸心孔內(nèi)的勻光棒構(gòu)成，所述勻光棒的下端直接座置在所述的光伏電池上，其直徑與光 伏電池的口徑相等，其高度為聚光鏡下表面擬合的高次非球面與光軸的截距；所述聚光鏡 的上、下表面是符合下式的高次非球面鏡 式中，z為矢高、c為頂點曲率半徑、k為圓錐系數(shù)、r為面型上點到光軸距離、a , 為多項式的各項系數(shù)。 聚光鏡的口徑D根據(jù)光學(xué)擴展量相等方程Ei 二E。確定，其中Ei = 2JiDsinei，E。
=2 Ji dsin 9 o，即 D = d*sin ( 9 。) /sin ( 9》 其中，d為光伏電池口徑、9i為接收半角、e。為勻光棒接收端照射角，n為聚光鏡 材料折射率；聚光鏡下表面上鍍有反射膜。 為進一步提高聚光效果，在聚光鏡上表面的中心區(qū)域也鍍有反射膜，該鍍膜區(qū)域 的直徑為聚光鏡口徑D的12% -13%。 本發(fā)明的工作原理是太陽光束最先入射到聚光鏡的上表面，經(jīng)歷一次折射后到 達聚光鏡的下表面，在此經(jīng)歷一次反射后再次回到聚光鏡的上表面，經(jīng)歷一次全反射后到
背景技術(shù)：
發(fā)明內(nèi)容達勻光棒的入射端，太陽光束經(jīng)過勻光棒勻光后，最終照射到光伏電池上表面，實現(xiàn)高效光 電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電流由外接電路導(dǎo)出。為了避免因長時間照射導(dǎo)致光伏電池過熱，而造成系統(tǒng) 的光電損失，我們在光伏電池背面接散熱裝置。最終該裝置安裝在跟蹤設(shè)備上對太陽實施 實時跟蹤。 本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)在于對光學(xué)部件的設(shè)計，設(shè)計時聚光鏡與勻光棒先分開設(shè)計， 加工時再整體加工，這樣有利于系統(tǒng)的裝調(diào)(避免裝調(diào)誤差引入)，減小系統(tǒng)復(fù)雜性，也更 利于降低整個系統(tǒng)成本。 本發(fā)明高倍聚光鏡設(shè)計的理論基礎(chǔ)是非成像理論。首先，要使入射光束的能量最
大程度地傳輸?shù)浇邮斩?，必須保證入射光束的光學(xué)擴展量Ei與出射光束的光學(xué)擴展量E。相
等，亦即Ei = E。。其次，必須保證系統(tǒng)入射端的邊緣光線與出射端的邊緣光線相匹配，即邊
緣光線原理。在此前提下，兩邊緣光線之間的光線也會照射到接受面的兩個邊緣點內(nèi)，換句
話說，小于最大接受角的其它入射角光線都能照射到接受面的兩個邊緣點之間，在這里，接
受面的兩個邊緣點指的是勻光棒的入射端的左右端點。 本發(fā)明高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)，具有以下突出優(yōu)點 1.可以獲得較大的接收角0. 5 5度，這就意味著太陽能光伏系統(tǒng)的跟蹤精度可 以大幅降低，相應(yīng)地降低了跟蹤成本。 2.相當高的幾何聚光比30000 300，相對地減少了光伏電池的面積，節(jié)省了光 伏電池材料，即大幅降低了整個系統(tǒng)的成本。 3.高寬比一般小于0.5，整個光伏聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，有利于大規(guī)模陣列式 集成化。 4.能量傳輸效率達80%以上(考慮折、反射損失及吸收損失等)，光能損失很少， 更為高效地利用太陽能。 5.面型精度要求不高。相比于基于成像理論的聚光鏡，本發(fā)明的聚光鏡面型精度 要求不是很高，這便更有利于利用有機材料PMMA的注塑成型，大規(guī)模加工生產(chǎn)該聚光鏡， 從而大幅度降低光伏系統(tǒng)成本。
圖1是本發(fā)明高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的高倍聚光鏡設(shè)計原理示意圖。圖中虛線表示勻光棒； 圖3是本發(fā)明在截短后，正的最大接收半角情況下的聚光示意圖； 圖4是本發(fā)明在截短后，負的最大接收半角情況下的聚光示意圖； 圖5是本發(fā)明聚光鏡在接收角為2. 7度，聚光比500倍，情況下的能量傳輸率與角
度關(guān)系圖。(不考慮介質(zhì)吸收，折、反射損失，和上表面中央處鍍反射膜遮擋)。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖給出的實施例對本發(fā)明作進一步詳細闡述。 參照圖l，一種高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)，主要由封裝在外殼(5)中光學(xué)聚光器件 (1)、光伏電池(3)、外接電路，散熱板(4)以及外部跟蹤設(shè)備組成。在開始設(shè)計前，我們首 先選擇電池尺寸， 用較小的平面光伏電池，圓形，直徑d二2mm，裝置接收角ei = 2.7° 。接下來確定幾何聚光比C，根據(jù)幾何聚光比公式C = (n/sin e》2，其中n為聚光鏡折射率， 我們選取PMMA :n = 1. 5，可以求得幾何聚光比C = 1014。再根據(jù)光學(xué)擴展量相等方程Ei 二E。(其中Ei二2JiD。sinei，E。二2Jidsine。，為實現(xiàn)最大限度聚光，一般e。 = ji/2)，我 們可以求得聚光鏡口徑D = d*sin( e 。)/sin( e》=d*sin ( ji/2)/sin (2. 7) = 63mm。
本發(fā)明聚光鏡的具體設(shè)計步驟如下 第一步選取任意一曲線作為聚光鏡的上表面，如圖2(a)中1. 1。該曲線應(yīng)盡量 取得平滑，一般選取二次曲線。 第二步構(gòu)造負的入射邊緣光線族-p，如圖2(a)中6。根據(jù)邊緣光線原理，該部分 光束經(jīng)聚光鏡上表面1. 1折射，下表面1. 2反射，再經(jīng)上表面1. 1全反射后，應(yīng)到達出射端 左端點，即勻光棒的左端點2. 1，結(jié)合等光程和折、反射定律，我們可以求得聚光鏡的下表面 1. 2。 第三步構(gòu)造正的入射邊緣光線族+p，如圖2(b)中7。同樣根據(jù)邊緣光線原理，該 部分光束經(jīng)聚光鏡上表面1. 1折射，下表面1. 2反射，再經(jīng)新的上表面1. 3全反射后，應(yīng)到 達出射端右端點，即勻光棒的右端點2.2。再次根據(jù)光程相等和折、反射定律，我們可以求得 聚光鏡新的上表面1.3。 第四步如果新的上表面1.3和步驟二中的上表面1. l足夠的接近，則我們的設(shè)計 過程結(jié)束，否則重復(fù)步驟二、三，直至滿足設(shè)計要求。
第五步分析聚光鏡上表面全反射情況。經(jīng)對聚光鏡最終設(shè)計結(jié)果分析知道，上表 面中央靠近光軸處有一小部分是不滿足全反射條件的，需求出該鍍反射膜區(qū)域范圍。
上述設(shè)計過程不一定總是收斂，這取決于步驟一中所取任意曲線是否合適，一旦 設(shè)計過程不收斂，我們可以選取更為平滑的曲線作為聚光鏡上表面1. l，重新開始設(shè)計過 程，直至滿足我們的設(shè)計要求。 從上述設(shè)計過程，我們一般可以得到聚光鏡上下表面各1000多個數(shù)據(jù)點，然后采 用基于最小二乘法的非球面高次多項式對數(shù)據(jù)點進行擬合，得到2D曲線。3D面型由該2D 曲線繞對稱軸旋轉(zhuǎn)而得。最終我們擬合所得聚光鏡上表面1.1滿足如下非球面方程Z 二20 1
+ + CO射:c = 0， k = o，其它高次多項式系數(shù)分別為a i =-2.968723752057118e-002a 2=9.578901915412360e-003a 3 =-1.054537717243669e-003a4=-6. 553014937945029e-003a 5 =-1. 296080897617321e-004a6=8.154575515178800e-005a 7 =1.174455186859848e-004a8=3.596494741656907e-005a9 =6.774150382578909e-007a 10=9.049049829938531e-007a u ==9.013708058464528e-008a 12=6.844174049336993e-■a 13 ==3.995979286701326e-010a 14=1.793400727048338e--Oila 15 ==6.134389965925459e-014a 16=1.570168537821995e--014a 17 ==2.911123308884652e-016a 18=3.691113208473048e-■a 19 ==2.862557790283019e-020a 20=1.023908352475696e--022
5
聚光鏡下表面1. 2同樣滿足如下非球面方禾
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中c = 0， k = O，其它高次多項式系數(shù)分別為
a i =8.063349804964906e-003a 2=2.643189651057634e-002a 3 =1.495787427468164e-003a4=-6. 842429168186267e-儒
a 5 =-6.975081732538938e-004a6=-3. 563992090534584e-儒
a 7 =-1.163479728523440e-003a8=-2. 656457882329482e--004
a9 =-4.449383419358939e-005a k=-5. 623839924370509e-006
a u =-5.456138282119727e-007a 12=-4. 100576430850643e--008
a 13 =-2.394016870217314e-010a 14=-1. 082133698314836e--010
a 15 =-3.748361315024322e-012a 16=-9. 758465287902727e--013
a 17 =-1.846908194829235e-014a 18=-2. 398002986017931e--017
a 19 =-1.909588979925858e-019a 20=-7. 030515308414840e--022 ^ 二 -, +
勻光棒2直徑為電池尺寸d二2mm，長度等于聚光鏡下表面1.2擬合多項式曲線的 y軸截距14. 2mm。 聚光鏡下表面1. 2靠近軸心處需開一尺寸與勻光棒尺寸相匹配的軸心孔，其頂端 開口直徑dht為dht = 2mm，底端開口直徑dhb為dhb = 5mm，深度為勻光棒的高度14. 2mm。
聚光鏡下表面1.2全口徑鍍有反射膜，上表面靠近中央軸心處鍍有反射膜，其直 徑Dm為Dm = D*13%= 63*0. 13 = 8. 2mm。 為使全部光線在勻光棒中滿足全反射條件，進一步增大到達光伏電池的光能，我 們可以對聚光鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即對聚光鏡口徑進行截短操作。根據(jù)光學(xué)擴展量相等方程Ei = E。確定，其中Ei = 2JiDsin9i， E。 = 2 ji dsin e 。，可以求得截短后聚光鏡的口徑，但此時照 射角9 。 = 90-arcsin(l/n)。截短后的聚光鏡口徑為
D = d承sin (90-arcsin (1/n)) /sin ( 9》=31. 65mm 如附圖3、4所示，我們用光學(xué)軟件對截短后的聚光鏡系統(tǒng)進行光線追跡，結(jié)果顯
示，最大接收角時的太陽光束6、7正好到達勻光棒端點處2. 1、2. 2，再經(jīng)過勻光棒2經(jīng)歷多
次全反射后，太陽光束均勻的照射在光伏電池3表面上，完成光電轉(zhuǎn)換。 由附圖5我們可知，本發(fā)明的聚光鏡是一種高效的太陽能聚光裝置，在接收角內(nèi)
的太陽光束幾乎都能聚集到光伏電池表面，而且在光伏電池的表面能夠得到均勻性很好的
光能分布。
權(quán)利要求
一種高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)，主要由封裝在外殼(5)中的光學(xué)聚光器件(1)、光伏電池(3)、外接電路，散熱板(4)以及外部跟蹤設(shè)備組成，其特征在于所述的光學(xué)聚光器件由聚光鏡(1)和插置在聚光鏡(1)軸心孔內(nèi)的勻光棒(2)構(gòu)成，所述勻光棒(2)的下端直接座置在所述的光伏電池(3)上，其直徑與光伏電池(3)的口徑相等，其高度為聚光鏡下表面擬合的高次非球面與光軸的截距；所述聚光鏡(1)的上、下表面是符合下式的高次非球面鏡 <mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>cr</mi><mn>2</mn> </msup> <mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <msup><mi>c</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>r</mi><mn>2</mn> </msup></msqrt> </mrow></mfrac><mo>+</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mn>1</mn> <mn>20</mn></munderover><msub> <mi>α</mi> <mi>i</mi></msub><msup> <mi>r</mi> <mi>i</mi></msup> </mrow>式中，z為矢高、c為頂點曲率半徑、k為圓錐系數(shù)、r為面型上點到光軸距離、αi為多項式的各項系數(shù)，聚光鏡(1)的口徑D根據(jù)光學(xué)擴展量相等方程Ei＝Eo確定，其中Ei＝2πD sinθi，Eo＝2πdsinθo，d為光伏電池口徑、θi為接收半角、θo為勻光棒接收端照射角，取θo＝π/2，n為聚光鏡材料折射率；下表面上鍍有反射膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)，其特征在于，所述聚光鏡(1)的上 表面的中心區(qū)域鍍有反射膜，該鍍膜區(qū)域的直徑為聚光鏡口徑D的12% -13%。
全文摘要
本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)，具體涉及一種高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)，由封裝在外殼中的光學(xué)聚光器件、光伏電池、外接電路，散熱板以及外部跟蹤設(shè)備組成，所述的光學(xué)聚光器件由聚光鏡和插置在聚光鏡軸心孔內(nèi)的勻光棒構(gòu)成，所述聚光鏡的上、下表面為高次非球面鏡，所述勻光棒的下端直接座置在所述的光伏電池上，其直徑與光伏電池的口徑相等，其高度為聚光鏡下表面擬合的高次非球面與光軸的截距。本系統(tǒng)克服了目前太陽能聚光光伏系統(tǒng)存在聚光比低、接收角較小、光能傳輸效率低的缺陷，該系統(tǒng)具有大接收角、高倍聚光、高能量傳遞效率、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的優(yōu)點。
文檔編號G02B19/00GK101719738SQ20091021806
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者劉華, 劉 英, 盧振武, 荊雷, 趙會富 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所