用於測試聚光光伏模塊的裝置的製作方法

2024-03-23 23:31:05

本發明涉及用於測試聚光光伏模塊的裝置和方法。

背景技術：

聚光光伏模塊(CPV)主要包括(例如多結)光伏電池和聚光器，該聚光器被設計成使太陽輻射朝向所述電池聚光。

在多結電池的情況下，不同的結串聯布置，每個結均適應太陽光的特定光譜帶。

大小小於由矽製成的常規太陽電池的多結電池的優點是提供更好的效率，但需要更高的光強度來運行。

在CPV模塊中，電池與例如菲涅爾透鏡的聚光器關聯，該聚光器使太陽輻射朝向電池聚光。

另外，光伏模塊被設計成安裝在太陽跟隨系統(也被稱為「跟蹤器」)上，以使模塊根據太陽軌跡而最佳取向，使得聚光器將太陽的光線聚焦在電池上。

在製造這樣的光伏模塊期間，經常驗證每個模塊的操作和性能，為的是檢測任何一個結的任何故障、聚光器的質量或定位缺陷或模塊在加快之前的任何其它異常。

模塊通過完全或部分串聯安裝而頻繁組合。在這種情況下，整體系統的性能將受限於最弱的元件。因此可以證明有用的是在組合模塊之前選擇模塊，使得模塊的響應是均質的。為此，重要的是能夠測量該模塊的性能。

出於該目的，已知藉助一般稱為「閃光器」的照明裝置來模擬太陽的照明，該照明裝置生成的光束具有接近太陽的光照強度、光譜功率分布和角發散度。待測試模塊的整個表面都符合這些特性。

目前市售的CPV模塊具有相對較小的尺寸(具有0.5到1.5m2的量級)。存在著在這種類型的模塊上模擬太陽照明的照明裝置。

Soitec公司銷售大尺寸太陽模塊，具有若干m2的表面，包括由單個機殼連接的若干CPV子模塊。

所以例如，8m2的模塊可以由可以任選地串聯連接的兩行各六個子模塊形成。

因此，能夠測試大尺寸模塊是成問題的。事實上，因為子模塊完全或部分串聯地連接並且其機械完整性由單個機殼保證，所以子模塊不能單獨地測試。

另一方面，重要的是在安裝之前確保組件的操作。

因此有必要能夠通過模擬最可能接近太陽輻射的照明來驗證完整模塊的性能。

為此，照明裝置必須考慮的約束如下：

-比得上太陽在地面水平產生的光照強度，即1kW/m2量級；

-通過考慮光譜密度再現從紫外到紅外的完整太陽光譜；

-接近太陽光的角發散度，即0.5°(±0.25°)；

-光照強度的相當大的空間均勻性(目的是光照強度的不均質性小於或等於5％)。

已知照明裝置不響應於大尺寸模塊的這些需求。

事實上，這些裝置提供更減少的領域或特性(尤其是角發散度)(太遠難以從太陽中除去)。

設計照明裝置時考慮的另一約束是測試設施的緊湊。

所以，將光源遠離模塊放置以獲得較低角發散度是不可行的，因為給定模塊的表面，這將暗示數十米的距離，與工業設施不兼容。

保持測試裝置的緊湊需要使用多個反射鏡。

但這帶來與拋物面反射鏡的成本相關聯的經濟問題。

事實上，在一定程度上，照明裝置的拋物面反射鏡的表面缺陷有可能影響發送給模塊的光強度的同質化，一般使用非常高質量的反射鏡，諸如天文學中採用的反射鏡。

這些反射鏡是非常昂貴的。

對於僅使用單個反射鏡的已知裝置，這種成本是可接受的。

然而，在規劃的測試裝置中使用多個這樣的反射鏡將在經濟上是非常不利的。

還可以通過模製或熱成形塑料材料板然後在塑料材料板上沉積反射薄膜來製造反射鏡。

然而，該技術獲得的表面狀態是不理想的。

即使最小幅度的表面缺陷存在於反射鏡上，由於反射鏡與待測試模塊之間的距離，也可能造成抵達模塊處的光強度的實質性變化。

因此，有必要找到一種對於由所述源傳送的光強度能夠獲得預期同質化的方案，比現有技術更便宜。

本發明的目的是設計一種用於測試大尺寸的聚光光伏模塊的裝置，其考慮上述約束並提供尤其非常良好的光強度同質化，並且成本低於現有裝置。

技術實現要素：

按照本發明，提出了一種用於測試聚光光伏模塊的裝置，所述聚光光伏模塊包括至少一個由光伏電池和聚光器構成的組件，所述聚光器相對於所述電池布置成將以正交入射抵達的輻射朝向所述電池聚光，所述裝置的特徵在於包括：

-至少一個光源；

-至少一個拋物面反射鏡，所述至少一個拋物面反射鏡聯接到所述源，以便在垂直於所述模塊的表面的方向上將來自所述源的光以幾乎準直的光束往回發送到待測試模塊；以及

-強度過濾器，在所述待測試模塊的上遊將所述強度過濾器放在幾乎準直的光束的軌跡上，所述過濾器包括相對於所述光束具有中性光譜密度的至少部分吸收區域，所述至少部分吸收區域被布置成面對光束的最大強度區域，以使所述光束的強度差衰減。

在本文中，幾乎準直的光束指的是發散度低，通常小於1°的光束。在本發明中，為了再現太陽的發散，幾乎準直的光束具有+/-0.25°的發散度。

如本身已知的，通過將每個光源的孔放置在與之聯接的拋物面反射鏡的焦點處或焦點附近而獲得每個幾乎準直的光束，技術人員能夠限定孔的尺寸特性以及源–反射鏡對的尺寸特性，以獲得這樣的幾乎準直的光束。

儘管本發明對包括多個子模塊的大尺寸模塊是特別有利的，上文描述的裝置還具有對於測試尺寸減小的單一模塊的顯著優點，在一定程度上，所述強度過濾器是比為確保光束的強度的均勻分布而公知的非常高質量反射鏡更便宜的方案。

根據一個實施方式，所述強度過濾器包括可透過所述幾乎準直的光束的支撐件並且包括附著在所述支撐件上的膜，所述膜包括相對於所述幾乎準直的光束具有中性光譜密度的至少部分吸收區域，所述至少部分吸收區域對應於所述光束的最大強度區域。

替代地，所述強度過濾器包括可透過所述幾乎準直的光束的支撐件，所述支撐件包括印刷層，所述印刷層包括相對於所述幾乎準直的光束具有中性光譜密度的至少部分吸收區域，所述至少部分吸收區域對應於所述光束的最大強度區域。

所述過濾器的所述至少部分吸收區域有利地由基本圖案組成，所述圖案包括可透過光束的圖案和不可透過光束的圖案。

根據特定實施方式，所述基本圖案具有方形或矩形形狀。

所述拋物面反射鏡可以有利地包括覆蓋有反射膜或一疊薄反射層的玻璃板。

根據優選實施方式，測試裝置適於測試包括多個光伏子模塊的聚光光伏模塊，每個光伏子模塊均包括至少一個由光伏電池和聚光器構成的組件。

在這種情況下，所述裝置包括多個光源和多個拋物面反射鏡，所述拋物面反射鏡聯接到所述源以將幾乎準直的光束髮送到所述待測試模塊，並且在所述待測試模塊的上遊將強度過濾器放在每個幾乎準直的光束的軌跡上，每個強度過濾器均包括相對於光束具有中性光譜密度的至少部分吸收區域，所述至少部分吸收區域被布置成面對所述光束的最大強度區域，以使每個光束的強度差衰減。

所述裝置可以進一步包括用於所述待測試模塊的支撐件，所述光源按照在所述支撐件上的模塊放置點的兩側延伸的兩行進行布置。

可優選地，所述拋物面反射鏡被布置為形成面對所述待測試模塊的所述支撐件的水平兩行。

另一目的涉及一種用於測試聚光光伏模塊的方法，所述模塊包括至少一個由光伏電池和聚光器構成的組件，所述聚光器相對於所述電池布置成將以正交入射抵達的輻射朝向所述電池聚光，所述方法的特徵在於：藉助聯接到拋物面反射鏡的至少一個光源將至少一個幾乎準直的光束髮送到所述模塊，並且在待測試模塊的上遊將強度過濾器放在所述幾乎準直的光束的軌跡上，所述強度過濾器包括相對於所述光束具有中性光譜密度的至少部分吸收區域，所述至少部分吸收區域被布置成面對光束的最大強度區域，以使所述光束的強度差衰減。

根據一個實施方式，通過將膜附著在可透過所述幾乎準直的光束的支撐件上而形成所述強度過濾器，所述膜包括相對於所述幾乎準直的光束的至少部分吸收區域，所述至少部分吸收區域對應於所述光束的最大強度區域。

根據另一實施方式，通過將至少部分吸收區域印刷在可透過所述幾乎準直的光束的支撐件上而形成所述強度過濾器，所述至少部分吸收區域相對於所述幾乎準直的光束具有中性光譜密度，所述至少部分吸收區域對應於所述光束的最大強度區域。

通過使玻璃板或塑料板熱成形然後覆蓋反射膜或一疊薄反射層而有利地形成所述拋物面反射鏡。

根據本發明的優選實施方式，待測試光伏模塊包括多個光伏子模塊，並且藉助聯接到多個拋物面反射鏡的多個光源將多個幾乎準直的光束髮送到所述模塊；在所述待測試模塊的上遊將強度過濾器放在每個幾乎準直的光束的軌跡上，所述強度過濾器包括相對於光束具有零光譜密度的至少部分吸收區域，所述至少部分吸收區域被布置成面對光束的最大強度區域，以使每個光束的強度差衰減。

可以使用與所述待測試光伏模塊的子模塊一樣多的光源、拋物面反射鏡和強度過濾器，每個光源和每個拋物面反射鏡均被聯接以將幾乎準直的光束髮送到對應的子模塊。

根據特定實施方式，所述待測試模塊的表面大於或等於8m2。

如特別有利的，所述強度過濾器的所述至少部分吸收區域通過實施以下步驟來限定：

-採集源自所述拋物面反射鏡的幾乎準直的光束的圖像；

-在所述圖像上確定最大強度的光束的區域；

-將所述圖像的所述區域分解為基本圖案；

-歸因於相對於光流的可透過或不可透過特性的每個基本圖案，以面對光束的最大強度的所述區域形成由所述圖案組成的至少部分吸收區域。

附圖說明

本發明的其它特性和優點將參考附圖從以下詳細描述中出現，其中：

-圖1A是包括串聯連接的若干子模塊的聚光光伏模塊的示意圖；

-圖1B是屬於這樣的模塊的子模塊的光伏電池—聚光器組件的示意圖；

-圖2是根據本發明實施方式的測試裝置的概略圖；

-圖3是屬於根據本發明的測試裝置的光源、反射鏡和強度過濾器組件的示意圖；

-圖4是用於限定放在光束軌跡上的強度過濾器的裝置的示意圖；

-圖5A和圖5B分別是由光源—拋物面反射鏡組件和負過濾器產生的光強度的圖像，所述負過濾器用於補償所述反射鏡的表面缺陷對光束強度的影響；

-圖6示出了過濾器的包括一組可透過圖案和不可透過圖案的至少部分吸收區域的示例。

具體實施方式

圖1A是本發明允許測試的光伏模塊的示意圖。

待測試的所述模塊1包括多個聚光子光伏模塊10。

每個子模塊10均包括多個電池—聚光器組件。

如圖1B中圖示的，每個組件100主要包括(例如多結)光伏電池101和聚光器102，該聚光器102被設計成將以正交入射抵達的太陽輻射朝向所述電池101聚光。任選地，電池101放置在散熱器103上以限制其溫度上升。

例如，聚光器102包括菲涅爾透鏡。

在本文中，待測試模塊的表面是聚光器的表面。

任選地，形成模塊1的子模塊10可以串聯或並聯地電連接。

每個子模塊10的表面一般具有矩形形狀，其寬度和高度分別在以下範圍中：寬度介於30到80cm之間，例如為60cm；並且高度介於60到150cm之間，例如為120cm。

子模塊10通常布置成行和/或列的形狀以形成所述模塊。

例如，8m2的模塊可以由兩行各六個子模塊形成，每個子模塊具有約0.7m2的表面。

圖2是根據本發明的測試裝置的概略圖。

所述裝置包括用於待測試模塊1的支撐件3。

可優選地，支撐件3被布置成使得待測試模塊的表面是豎直的。

本文中的「豎直」指的是垂直於供測試裝置安裝的建築物的地板的方向。

在支撐件3前面，測試裝置包括多個光源2和多個拋物面反射鏡4，該拋物面反射鏡4聯接到光源，以便在垂直於模塊表面的方向上以幾乎準直的光束反射從每個源始發的光。

根據優選實施方式，每個源均布置在對應拋物面反射鏡的焦點處。

在這種情況下，測試裝置因此包括與反射鏡一樣多的源。

這利用多個相同的反射鏡，其位置和取向被調整為朝向待測試模塊往回發送垂直於所述模塊的表面的幾乎準直的光束。

根據另一實施方式，每個光源均可以聯接到若干反射鏡，在一定程度上這些反射鏡被布置成使其焦點重合，所述源布置在放置這些焦點的地方。

在圖2圖示的實施方式中，模塊1包括水平兩行各六個子模塊10，測試裝置包括位於模塊1任一側的按照水平兩行放置的十二個光源2，並且包括面對模塊1的按照水平兩行放置的十二個拋物面反射鏡4。

每個源及對應的拋物面反射鏡相對於彼此取向，使得由反射鏡發送回的光束垂直於對應子模塊的表面。

所述源與拋物面反射鏡之間的距離被限定成使得由每個反射鏡發送回的幾乎準直的光束以優選的特性照射對應子模塊的整個表面。

該距離以及反射鏡的表面因此取決於待測試模塊的子模塊的表面。

不希望限制，應考慮的是，拋物面反射鏡與光源之間的在地面處測量的2米到6米量級的距離是合理的，該距離確定了在測試裝置的地面處的大部分表面。

但並非必不可少的是，光源和拋物面反射鏡的數目與待測試光伏模塊的子模塊的數目相同。

事實上，如果每個子模塊的表面足夠低，則可以歸結為：光源—拋物面反射鏡對會照射若干子模塊並且保留對於測試裝置和反射鏡大小而言可接受的地面空間，這不損害其製造成本。

另一方面，在相鄰的幾乎準直的光束之間的邊界處可能存在強度不能滿足均勻性或發散標準的區域。

在這種情況下，光源和拋物面反射鏡有利地布置成使得未被反射鏡所發送的幾乎準直的光束照射的區域與將子模塊從待測試模塊分離的區域重合，就光電轉換而言這是不實用的。

出於組裝模塊的原因，從圖1A中可以看到的，事實上在兩個相鄰的子模塊10之間存在空間，在該空間處，不發生光電轉換。

以這種方式，如果在這些區域中發生均勻性的任何缺陷，則這些缺陷對測試質量沒有負面影響。

為了允許這種調整，測試裝置被設計成使得可以調整每個反射鏡的位置和取向。

間隙有利地設置在反射鏡之間以實現這樣的調整。

如圖3中示出的，為了補償拋物面反射鏡4的的形狀缺陷(其影響幾乎準直的光束的強度均勻性)，在模塊1的上遊將強度過濾器11放在光束的軌跡上。

強度過濾器11包括相對於光束具有中性光譜密度的至少部分吸收區域。

「具有中性光譜密度的吸收區域」是指在強度上以與所有光束波長等同的方式與過濾器塊有關的區域。在這種情況下並非選擇性地吸收確定範圍的波長。

過濾器11特別適合反射鏡4，即過濾器的至少部分吸收區域被布置成面對光束的最大強度區域。

任選地，過濾器11可以特別適合反射鏡—光源對，該反射鏡—光源對補償除了反射鏡以外的源的任何均勻性缺陷。

所以，至少部分吸收區域減小了穿過其中的光束的強度。

過濾器的其它區域是可透過的或不那麼可吸收的，以在呈現較低強度的光束的區域中發送整個光束或大多數強度(針對不那麼可吸收的情況)。

在實踐中，至少部分吸收區域在過濾器上的分布以及所述區域的吸收程度基本上對應於負的光束強度分布。

以這種方式，過濾器使光束強度差衰減並且產生抵達模塊處的強度的改進的均勻性。

實施這樣的過濾器使用質量小於已知閃光器中使用的反射鏡的拋物面反射鏡，大幅降低了反射鏡的成本。

特別是，可以使用以低成本方法(例如通過使玻璃板或塑料材料熱成形，隨後塗覆反射膜或一疊薄反射層)製成的拋物面反射鏡。

根據圖3中圖示的實施方式，過濾器11包括可透過所述幾乎準直的光束的支撐件110並且包括附著在所述支撐件110上的膜111，所述膜111包括上述吸收區域。

根據在此未示出的另一實施方式，強度過濾器包括可透過幾乎準直的光束的支撐件並且包括施加到所述支撐件以形成所述吸收區域的印刷層。

支撐件是平面的以使幾乎準直的光束不變形，並且垂直於所述光束定位。

如特別有利的是，支撐件是玻璃板。

圖4圖示了用於限定適合確定反射鏡的強度過濾器的裝置的布置。

光源2布置在反射鏡4的焦點F處，使得反射鏡4將由所述源發射的光以幾乎準直的光束髮送回去。

均勻著色的屏幕12放置在所述光束的軌跡上，垂直於所述光束。

圖像傳感器放置在位置C處面對屏幕12，並且投射到屏幕12上的光束的圖像被記錄。

結果是諸如圖5A中圖示的光束強度的繪圖。

清楚可見，光束的強度以灰度(最亮的區域具有最大的強度)顯示，並非均勻的。

創建圖5B中圖示的該圖像的負像，具有面對光束圖像的亮區的更暗吸收區，並且具有面對光束圖像的暗區的可透過或不那麼可吸收的亮區。

該負像用於形成強度過濾器11。

根據一個實施方式，該負像印刷在膜上，膜又施加到可透過光束的支撐件。

如特別有利的，該膜是可透過自黏膜，旨在在印刷之後附著在支撐件上。

替代地，負像通過印刷方法直接形成在可透過支撐件上。

如特別有利的，在製造過濾器之前，負像被轉換為二進位組基本圖案，包括可透過光束的圖案11a和不可透過光束的圖案11b。

在圖6的示例中，以放大方式示出了呈棋盤形狀的過濾器的區域，由可透過方形11a和可吸收黑色方形11b組成。

自然地，可以選擇任何其它形式的基本圖案，如此並不脫離本發明的範圍，圖案的形狀和尺寸進一步能夠從過濾器的一個區域到另一個區域變化。

事實上，過濾器相對於光束的吸收度可以通過不同圖案的形狀和尺寸進行調節。

根據過濾器的區域，不同形式和/或尺寸的圖案可以因此促使優選吸收。

純粹通過指出的方式，對於方形形式的圖案，邊長介於0.5到10mm之間。

負像的該二值化簡單地通過使用黑色油墨印刷以形成基本可吸收的圖案而產生過濾器。

在測試大尺寸模塊的情況下，對於測試裝置的每個拋物面反射鏡製成對應的強度過濾器，並且每個過濾器均裝設在由對應反射鏡發送回的光束的軌跡上。