一種新型低倍聚光光伏發電模塊的製作方法
2024-03-23 18:08:05
專利名稱：一種新型低倍聚光光伏發電模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能光伏發電技術領域，尤其是一種新型低倍聚光光伏發電模塊。
背景技術：
太陽能光伏發電作為一種可再生能源和清潔能源，受到世界各國的高度重視。近幾年來，世界上許多國家開始建設大、中型光伏發電站。今後一個時期，將有更多的這類光伏發電站陸續開工建設。因此，國內外市場對光伏發電組件的需求量也會越來越大。目前，市場上用於建設大、中型光伏發電站的光伏發電組件，主要有平板式晶體娃片光伏電池組件、自動跟蹤低倍聚光光伏發電組件等兩類。傳統的平板式晶體矽片光伏電池組件，歷經二十多年的發展，其生產成本已從早 年的每千峰瓦2 4萬元人民幣降至目前的每千峰瓦O. 5 O. 55萬元人民幣。即使這樣，其單位電量發電成本目前仍遠遠高於火電、水電。在目前的市場價格體系下，平板式晶體矽片光伏電池組件生產成本的下降空間已十分有限。因此，繼續沿著「通過降低平板式晶體矽片光伏電池組件的生產成本，來降低其發電成本」的思路進行研發，已很難取得顯著的成效。通常，聚光倍數不超過100倍時稱為低倍聚光。市場上的自動跟蹤低倍聚光光伏發電組件，一般由低倍聚光光伏發電模塊和太陽自動跟蹤裝置等兩部分組成。這類組件一般以平板式晶體矽片光伏電池組件為對照物，主要通過發揮「聚光優勢」和「跟蹤優勢」來降低單位電量發電成本。「跟蹤優勢」主要表現在提高模塊的太陽光能接收率，從而增加單位裝機容量的年發電量。雖然太陽自動跟蹤裝置的配置和運行都會提高發電成本，但因單位裝機容量年發電量的增加而降低的發電成本，一般都大於前者，所以「跟蹤優勢」確能在一定程度上降低單位電量發電成本。「聚光優勢」傳統的意義是「在模塊生產中，大部分價格較高的晶體矽光伏電池片被價格較低的其它材料替代，從而降低了模塊的生產成本」。從這個意義上說，似乎聚光倍數高一些，「聚光優勢」就會強一些。問題在於模塊聚光倍數的提高，受到聚光光伏電池片散熱成本的制約。市場上一部分低倍聚光光伏發電模塊，採用了數十倍的聚光倍數。從表面上看，其聚光倍數很高，「聚光優勢」應很強。問題在於，因其聚光倍數高，故必須為聚光光伏電池片配置昂貴的強制散熱系統。正是強制散熱系統導致了光伏發電站建設投資和運行成本的顯著提高，最終反過來衝抵掉了大部分「聚光優勢」。市場上另一部分低倍聚光光伏發電模塊，為了免於配置昂貴的強制散熱系統，而將聚光倍數限制在不超過4倍。這部分低倍聚光光伏發電模塊，由於聚光倍數偏低，所以「聚光優勢」的發揮受到了局限，效果也不夠理想。因此，自動跟蹤低倍聚光光伏發電組件的市場佔有率一直不高。目前，晶體矽光伏電池片的價格已大幅度下降，甚至已低於上述「其它材料」的價格。所以，無論是數十倍聚光還是4倍聚光，傳統意義上的「聚光優勢」實際上已基本不存在。
鑑此，突破技術制約，更好地發揮自動跟蹤低倍聚光光伏發電組件的「聚光優勢」和「跟蹤優勢」，進一步降低單位電量發電成本，就成了技術研發人員面臨的一項重要任務。
發明內容
本發明的目的是提供一種通過提升模塊光電轉換效率和太陽光能接收率，來降低光伏發電成本的新型低倍聚光光伏發電模塊。實際使用時，這種模塊必須與斜單軸自動跟蹤裝置配套，組成一種新型自動跟蹤低倍聚光光伏發電組件。為達到上述目的，發明人首先根據現階段市場變化和技術進步的實際情況，提出了 「聚光優勢」的新的意義「應用聚光技術，可以大幅度提升低倍聚光光伏發電模塊的光電轉換效率，並進而顯著降低單位電量發電成本」。這是因為第一，在裝機容量不變的情況下，模塊光電轉換效率的提升，意味著模塊平面面積的減少。而減少模塊平面面積，必然會相應地減少光伏發電站的建設投資，還會相應地減少光伏發電站運行期間發生的維護費用，最終降低光伏發電站的單位電量發電成本。第二，提升低倍聚光光伏發電模塊光電轉換效率的最有效措施，是提升所用聚光光伏電池片的光電轉換效率。問題在於，聚光光伏電·池片光電轉換效率的大幅度提升，必然帶來其生產成本更大幅度的提升。正是因為這個原因，平板式晶體矽片光伏電池組件的生產，至今還寧可使用光電轉換效率為15 18%的晶體矽光伏電池片，而不願使用光電轉換效率高達24%的高效率晶體矽光伏電池片。但在低倍聚光光伏發電模塊生產中，晶體矽光伏電池片的用量很少(電池片使用面積與模塊有效平面面積的比例，約等於聚光倍數的倒數)，如採用價格較高的高效率晶體矽聚光光伏電池片，則由此而產生的「模塊生產成本增加量」並不大。這就意味著只要聚光倍數足夠高，採用高效率晶體矽聚光光伏電池片生產的模塊，就能因其光電轉換效率的大幅度提升而顯著降低單位電量發電成本。為達到上述目的，發明人根據「聚光優勢」的新的意義，利用高效率單晶矽聚光光伏電池片，設計製造新型低倍聚光光伏發電模塊，以便通過大幅度提升模塊的光電轉換效率,來顯著降低單位電量發電成本。為了突破低倍聚光光伏發電模塊散熱成本對聚光倍數的制約，發明人又應用增透一隔熱膜系對中遠紅外光的增強反射功能，和鋁合金翅片的空氣自然對流散熱功能，設計了附設在模塊中的廉價的組合式非強制散熱系統，從而將新型低倍聚光光伏發電模塊的聚光倍數從4倍提高到了 6 10倍。為了控制低倍聚光光伏發電模塊的生產成本，發明人在模塊設計中採用了「模塊外形扁盒化，零部件多功能化」的設計方案，有效地控制了新型低倍聚光光伏發電模塊的生產成本。新型低倍聚光光伏發電模塊在實際使用中，須與斜單軸跟蹤裝置配合工作。為此，發明人在模塊設計中，採取了必要的協調措施，以保證兩者可以配合協調地工作。當前，市場上可與低倍聚光光伏發電模塊配合工作的太陽自動跟蹤裝置比較多，歸納起來可分為三類平單軸自動跟蹤裝置、斜單軸自動跟蹤裝置、雙軸自動跟蹤裝置。各類自動跟蹤裝置的太陽跟蹤效果、生產成本有所不同，因此各自的適用範圍亦不相同。適合與本發明新型低倍聚光光伏發電模塊配合工作的，是斜單軸自動跟蹤裝置。具體的技術方案為一種新型低倍聚光光伏發電模塊，它包括含玻璃板的聚光蓋板、下底板和端板，以及它們圍成的內光學空腔，還包括設在下底板上面的光伏電池，其特徵在於還包括
鍍制在玻璃板上表面的增透一隔熱膜系；
敷貼在玻璃板下表面的菲涅爾透鏡；
襯墊於所述光伏電池下面的軟性導熱矽膠絕緣墊片；
與所述光伏電池下面的下底板外面固定連接的鋁合金翅片。所述的下底板由鋁合金製成，下底板橫截面為並列的若干個梯形槽。所述的端板為鋁合金製成。
所述的光伏電池採用聚光光伏電池片串聯而成，設置於下底板的梯形槽底面的定位槽中。所述的聚光光伏電池片，為單晶娃聚光光伏電池片，聚光倍數為6—10倍,光電轉換效率> 24%。所述的軟性導熱矽膠絕緣墊片，厚度宜為O. 5 I. 5mm,導熱係數宜彡2. Off/m. k，耐溫範圍應不窄於一 40 100°C,擊穿電壓彡lKv/mm。所述的玻璃板為鋼化超白玻璃板，厚度3. 2 4 mm，透光率彡91%。所述的增透一隔熱膜系，首先是增透膜系，同時又是隔熱膜系，要求增透一隔熱膜系的性能指標為(1)增透功能總透光率> 95%，有效波段是能被單晶矽光伏電池片轉換為電能的波段，其波長在400 1100 nm範圍內；(2)隔熱功能針對波長> 1100 nm的紅外光，保證其總反射率彡40%。所述的菲涅爾透鏡為玻璃基矽膠直線型菲涅爾透鏡，其焦寬比為O. 8 2. O,當玻璃基板厚度為3mm時，其總透光率> 89%。—個低倍聚光光伏發電模塊可以只設置I條菲涅爾透鏡，也可並聯地設置若干條菲涅爾透鏡。在每條菲涅爾透鏡的主光軸上配套設置一條光伏電池。光伏電池位於菲涅爾透鏡鏡面與焦點之間，其與鏡面之間的距離可根據設定的聚光倍數計算確定。每條菲涅爾透鏡的寬度，可根據採用的光伏電池片的寬度和設定的聚光倍數計算確定。上述結構的新型低倍聚光光伏發電模塊，較好地發揮了自身的「聚光優勢」，同時又能與斜單軸自動跟蹤裝置配合工作，共同組成新型自動跟蹤低倍聚光光伏發電組件，較好地發揮「跟蹤優勢」，因此可以進一步降低太陽能光伏發電成本。
圖I是本發明的主視結構示意圖。圖2是圖I的俯視圖。圖3是圖I中沿A-A線剖視的放大結構示意圖。在圖中，端板1，聚光蓋板2，增透一隔熱膜系3，光學空腔4，光電轉換單元5，菲涅爾透鏡6,下底板7,玻璃板8,定位槽9,光伏電池10,軟性導熱娃膠絕緣墊片11,招合金翅片12，支座13，側板14。
具體實施例方式下面，結合附圖對本發明作進一步說明。
圖I所示，是本發明的主視結構示意圖。從圖中可知，本發明包括兩端的鋁合金端板I及其支座13、鋁合金製成的下底板7、用於散熱的鋁合金翅片12、兩側面的側板14、聚光蓋板2和光電轉換單元5。其中，下底板7、兩端的鋁合金端板I、聚光蓋板2、兩側面的側板14和光電轉換單兀5合圍構成光學空腔4 ;兩端招合金端板I下面的支座13支撐著光學空腔4 ;兩側面的側板14的結構見圖3，圖3是圖I中沿A-A線剖視的放大結構示意圖。從圖I的俯視2中可知，聚光蓋板2和光學空腔4的上面為長方體。從圖I對聚光蓋板2的局部剖視中可知，聚光蓋板2包括玻璃板8、鍍制在玻璃板8上表面的增透一隔熱膜系3和敷貼在玻璃板8下表面的菲涅爾透鏡6。光電轉換單元5包括光伏電池10和軟性導熱矽膠絕緣墊片11。從圖I和圖3中可看到，光伏電池10與下面墊襯的軟性導熱矽膠絕緣墊片11，一起設置在下底板7梯形槽底面的定位槽9中，利用軟性導熱矽膠絕緣墊片11的熱熔特性，使其上下分別與光伏電池10和鋁合金下底板7密切貼合。下底板7採用橫截面由若干個梯形槽並聯的結構，並由鋁合金材料製成。在下底板7的底面外側，縱向固定連接有用於散熱的鋁合金翅片12。光伏電池片10上接收到的熱量，通過軟性導熱矽膠絕緣墊片11傳導到鋁合金底殼中，然後通過鋁合金翅片12以空氣自然對流方式散入空氣中。由圖可看到，在光學空腔4中的下底板7梯形槽底面的定位槽9中，設有若干條聚光光伏電池，而 各條聚光光伏電池又分別由若干光伏電池片10串聯而成。下底板7兩邊側的兩側面側板14外斜向上引伸，與上方的聚光蓋板2的兩側邊聯接，構成光學空腔4的兩閉合的側面，使學空腔4的橫截面為上大下小的梯形面。所述的菲涅爾透鏡為玻璃基矽膠直線型菲涅爾透鏡，其焦寬比為O. 8 2. O,當玻璃基板厚度為3mm時，其總透光率> 89%。關於直線型菲涅爾透鏡的供貨，市場上有玻璃基矽膠菲涅爾透鏡和有機玻璃菲涅爾透鏡等兩類產品可供選擇定製。這兩類產品，透光率和生產成本大體相等，但玻璃基矽膠菲涅爾透鏡的使用壽命更長，能與聚光光伏發電模塊的使用壽命相匹配。由圖I和圖3可看到，一個低倍聚光光伏發電模塊可以只設置I條菲涅爾透鏡，也可並聯地設置若干條菲涅爾透鏡。在每條菲涅爾透鏡的主光軸上配套設置一條光伏電池。光伏電池位於菲涅爾透鏡鏡面與焦點之間，其與鏡面之間的距離可根據設定的聚光倍數計算確定。每條菲涅爾透鏡的寬度，可根據採用的光伏電池片的寬度和設定的聚光倍數計算確定。在光學空腔4下部的下底板7中，在每條梯形槽底面的定位槽9中，各設有一條光伏電池10，而每條光伏電池10又分別由若干聚光光伏電池片串聯而成。所述的聚光光伏電池片，米用美國Sunpower公司生產的背接觸單晶娃聚光光伏電池片，聚光倍數為6 —10倍，光電轉換效率> 24%。也可採用其它企業生產的類似產品。為了實現模塊的「扁盒化」，聚光光伏電池片的寬度宜裁切為20 30 mm。例如，將125mmX 125mm的整塊背接觸單晶矽聚光光伏電池片，裁切為6塊20. 8mmX 125mm的聚光光伏電池片。所述的軟性導熱矽膠絕緣墊片，厚度宜為O. 5 I. 5mm,導熱係數宜彡2. Off/m. k，耐溫範圍應寬於一 40 100°C，擊穿電壓彡lKv/mm。市場上有多種產品可供選購。所述的玻璃板採用鋼化超白玻璃板，厚度3. 2 4 mm，透光率彡91%。所述的增透一隔熱膜系，首先是增透膜系，同時又是隔熱膜系。要求增透一隔熱膜系的性能指標如下
(1)增透功能針對有效波段的太陽光，提高聚光蓋板的透光率6個百分點，保證其總透光率>95%。有效波段是能被單晶矽光伏電池片轉換為電能的波段，其波長在400 1100 nm範圍內；
(2)隔熱功能針對波長彡1100nm的紅外光，保證其總反射率彡40%。這部分紅外光如被單晶矽光伏電池片吸收，則不會被轉換為電能，而只會轉換為熱能，導致單晶矽光伏電池片溫度升高，工作效率下降，甚至遭高溫損毀。所述的增透一隔熱膜系是基於光的幹涉原理，由鍍制在玻璃板上的I層或若干層折射率不同的化合物薄膜組成。膜層厚度等於四分之一中心波長。中心波長在有效波段範 圍內設定。 能達到上述性能指標的增透一隔熱膜系設計方案較多，任一種能實現上述性能指標的設計方案，只要取材方便且成本合理，都可採用。需要注意的是一些膜層的折射率，不僅與膜料種類有關，而且與鍍制工藝(方法、流程、鍍膜設備、工藝參數等)有關。因此，選擇膜料時必須同時選定鍍制工藝，並測定對應的折射率。增透一隔熱膜系設計方案，具體可在以下範圍內選擇
(1)膜料二氧化鈦、二氧化矽、二氧化鋯、三氧化二鋁、氟化鎂等等；
(2)層數和排列次序一層或若干層，各膜層依其折射率高低的不同，按照「玻璃板+
高+低+高+低......」這樣的規律性交替排列。總層數根據「性能指標達到要求」
的原則確定。最外層膜的耐磨性、耐腐蝕性應高於玻璃。這樣的增透一隔熱膜系，對於在中心波長附近的有效波段內的陽光，具有增透(減反射)作用，對於遠離中心波長的紅外光，有增強反射作用，即隔熱作用。空氣散熱，即利用鋁製散熱翅片12，以空氣自然對流方式，將聚光光伏電池10上的熱量散發出去。理論計算和試驗測試結果表明，本發明利用增透一隔熱膜系3對中遠紅外光的增強反射功能，和鋁合金翅片12的空氣自然對流散熱功能，組合而成的組合式非強制散熱系統，可讓新型低倍聚光光伏發電模塊的聚光倍數突破4倍限制，達到6 10倍，從而發揮了更多的聚光優勢。組合式非強制散熱系統採用的散熱元器件，生產成本和運行成本都很低，同時還都具有多功能性，例如，隔熱膜系同時也是增透膜系，既起著隔熱作用，又起著提高組件聚光光伏電池片太陽光能接收率的作用。又如，鋁合金散熱翅片12同時也是新型低倍聚光光伏發電模塊承力結構的一個組成部分，既起著散熱作用，又起著承力作用。因此，組合式非強制散熱系統的生產成本和運行成本都很低廉，對組件「聚光優勢」的衝抵作用很輕微。與固定安裝的光伏發電組件相比，照射到新型低倍聚光光伏發電模塊聚光蓋板表面的陽光，由於配套斜單軸自動跟蹤裝置帶動的跟蹤運動，而消除了大部分餘弦效應損失，從而為提升新型低倍聚光光伏發電模塊聚光光伏電池片的太陽光能接收率，創造好了外部條件。這就是自動跟蹤給新型低倍聚光光伏發電模塊帶來的「跟蹤優勢」。陽光透過新型低倍聚光光伏發電模塊的聚光蓋板和光學空腔，大致均勻地照射到聚光光伏電池片的表面。這個過程中，由於增透一隔熱膜系對有效波段陽光的減反射作用(即增透作用)，又由於玻璃基矽膠直線型菲涅爾透鏡的高透光率特性，而顯著地減少了有效波段陽光因反射、吸收等效應造成的損失。這就是新型低倍聚光光伏發電模塊憑自身的優良性能而進一步提升聚光光伏電池片太陽光能接收率的過程。由於增透一隔熱膜系3對紅外光的增強反射作用，照射到新型低倍聚光光伏發電模塊聚光蓋板2表面的陽光，其中近半的紅外光被反射到空中，未能透過聚光蓋板到達聚光光伏電池片的表面。這就是增透一隔熱膜系發揮隔熱功能的過程。聚光光伏電池片上接收到的陽光，一部分轉換為電能，經由引出導線輸出，另一部分轉化為熱能，通過軟性導熱矽膠絕緣墊片11傳導到鋁合金下底板7中，然後通過鋁合金 翅片12以空氣自然對流方式散入空氣中。由於同時發揮了「跟蹤優勢」和「聚光優勢」，又由於較好地控制了模塊生產成本，所以本發明新型低倍聚光光伏發電模塊可以實現更低的單位電量發電成本。據測算，在同樣的建站條件下，利用本發明新型自動跟蹤低倍聚光光伏發電模塊建設的光伏發電站，單位電量發電成本比固定安裝的平板式晶體矽片光伏電池組件低20 25%。
權利要求
1.一種新型低倍聚光光伏發電模塊，它包括含玻璃板的聚光蓋板、下底板和側板圍成的內光學空腔，以及設在下底板上面的光伏電池，其特徵在於還包括 鍍制在玻璃蓋板(8)上表面的增透一隔熱膜系(3)； 敷貼在玻璃板(8)下表面的菲涅爾透鏡(6)； 襯墊於所述光伏電池(10)下面的軟性導熱矽膠絕緣墊片(11)； 與所述聚光光伏電池(10)下面的下底板(7)外面固定連接的鋁合金翅片(12)。
2.根據權利要求I所述的新型低倍聚光光伏發電模塊，其特徵在於 所述的下底板(7)由鋁合金製成截面為梯形槽。
3.根據權利要求I所述的新型低倍聚光光伏發電模塊，其特徵在於 所述光伏電池(10)設置於下底板(7)的梯形槽底面的定位槽(9)中。
4.根據權利要求I所述的新型低倍聚光光伏發電模塊，其特徵在於 所述的玻璃板(8)為鋼化超白玻璃，透光率> 91%。
5.根據權利要求I所述的新型低倍聚光光伏發電模塊，其特徵在於 所述的增透一隔熱膜系(3)既是隔熱膜系，也是增透膜系，由I層或2層或多層折射率不同的化合物薄膜組成。
6.根據權利要求5所述的低倍聚光光伏發電模塊,其特徵在於 所述的化合物薄膜包括但不限於利用二氧化鈦、二氧化矽、二氧化鋯、三氧化二鋁、氟化鎂材料在玻璃板上鍍制的膜層，其厚度為四分之一中心波長，其中心波長可在有效波段範圍內設定。
7.根據權利要求I所述的新型低倍聚光光伏發電模塊，其特徵在於 所述的菲涅爾透鏡(6)為玻璃基矽膠直線型菲涅爾透鏡。
8.根據權利要求I或3所述的新型低倍聚光光伏發電模塊，其特徵在於 所述的光伏電池(10)為單晶矽聚光光伏電池，聚光倍數為6 —10倍，光電轉換效率≥ 23%。
9.根據權利要求I所述的新型低倍聚光光伏發電模塊，其特徵在於 所述的側板(I)為鋁合金製成。
全文摘要
本發明公開了一種新型低倍聚光光伏發電模塊，它包括含玻璃板的聚光蓋板、下底板和側板圍成的內光學空腔，以及設在下底板上面的光伏電池片，其特徵在於還包括鍍制在玻璃蓋板上表面的增透－隔熱膜系；設在玻璃板下表面的菲涅爾透鏡；襯墊於所述聚光光伏電池片下面的軟性導熱矽膠絕緣墊片；與所述聚光光伏電池片下面的下底板外面固定連接的鋁合金翅片。該結構的新型低倍聚光光伏發電模塊，利用增透－隔熱膜系的增透功能和矽膠菲涅爾透鏡的高透光性，來提升聚光光伏電池的太陽光能接收率；利用高效率聚光光伏電池片和低成本的組合散熱系統來提升模塊的光電轉換效率。從而達到降低發電成本的目的。發電成本低，適用於太陽照射多的地區發電。
文檔編號H01L31/052GK102810592SQ20121032503
公開日2012年12月5日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者杜阿青, 杜翔 申請人:廣西天洋機電設備有限公司