大接收角度免跟蹤太陽能聚光器的製作方法

2023-05-25 23:38:26 3

本發明屬於光電技術領域，涉及一種用於收集太陽輻射並將其聚焦到光伏電池或熱伏電池的接收太陽能設備，具體涉及一種大接收角度免跟蹤的太陽能聚光器。

背景技術：

太陽能以綠色環保、取之不盡、易於開發利用等諸多優點在新型能源開發中佔據了重要的一席之地。針對太陽能能流密度低而設計的各種太陽能聚光器應運而生。目前太陽能聚光器主要包括兩種。一種是跟蹤式聚光器，即設計同步跟蹤系統追蹤太陽方向來進行聚光；另一種是免跟蹤式聚光器，主要利用各種結構對光線折射和反射來適應大範圍偏轉的太陽角度，從而達到聚光目的。跟蹤式聚光器，聚光倍率高，但接收角度不大，跟蹤精度直接影響聚光倍率。因而免跟蹤式聚光器越來越受到人們的關注。

太陽東升西落，相對某固定位置，每小時角度變化15º。四季交替，相對某固定位置，四季的變化太陽會變化約±23º。這對於免跟蹤聚光器提出了挑戰。目前，免跟蹤式聚光器分為三類，分別是折射式，反射式和折反混合式。

發明專利（CN102122061A）免跟蹤式低聚光太陽能聚光器、太陽能聚光器陣列和波導聚光器，公開了一種用於收集太陽輻射並將該太陽輻射聚集到諸如光伏電池或熱伏電池的接收裝置的低聚光太陽能設備。屬於反射式聚光器，聚光倍率較低，只有2.875倍。能量利用率不高。

發明專利（CN103684240A）聚光型太陽能電池模組，公開了一種以透明球體作為聚光元件的聚光器，屬於折射式聚光器。但由於其接收角度較小，無法保證太陽在一天中的任何時間都能以最大倍率聚焦，要實現真正意義上的免跟蹤還有一定的困難。因而專利中提供了兩種跟蹤方式，以彌補這一不足。

發明專利（CN104143954A）一種適用於太陽能光伏和光熱的新型免跟蹤式聚光器，公開了一種適用於太陽能光伏和光熱的新型免跟蹤式聚光器。屬於反射式聚光器，其結構和原理與發明專利（CN103684240A）一種適用於太陽能光伏和光熱的新型免跟蹤式聚光器，與發明專利（CN102122061A）免跟蹤式低聚光太陽能聚光器、太陽能聚光器陣列和波導聚光器類似，其接收角相較於專利CN103684240A大一些。

發明專利（CN101388418A）便攜免跟蹤式非成像太陽能聚光裝置。公開了一種由聚焦透鏡，非成像透鏡，光伏電池，封閉外殼組成的一種折反混合式聚光器。其接收角為±10º。而每小時太陽就要改變15º的照射角度，由此可見，此聚光器適應太陽角度變化的能力較弱。

技術實現要素：

本發明專利跟據以上太陽能聚光器的不足提出一種大接收角度免跟蹤太陽能聚光器，應用於太陽能光伏電池或熱伏電池的聚光系統中。

本發明專利所提出的大接收角度免跟蹤太陽能聚光器由折射式透鏡、反射鏡筒及太陽能接收器組成。

依據本發明專利的一個方面，折射式透鏡是菲涅爾透鏡。其材料為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

依據本發明專利的一個方面，折射式透鏡是球面透鏡，其材料為玻璃。

依據本發明專利的一個方面，折射式透鏡是球面透鏡，其材料為塑料。

依據本發明專利的一個方面，折射式透鏡是非球面透鏡，其材料為玻璃。

依據本發明專利的一個方面，折射式透鏡是非球面透鏡，其材料為塑料。

依據本發明專利的一個方面，太陽能接收器是光伏電池。

依據本發明專利的一個方面，太陽能接收器是熱伏電池。

依據本發明專利的一個方面，太陽能接收器是其它熱太陽裝置。

反射鏡筒位於折射式透鏡之後，太能接收器之前。依據太陽能接收器的形狀可以設計為四個或多個平面反射鏡組合而成。

依據本發明專利的一個方面，反射鏡為前表面反射，鍍銀。

折射式透鏡的焦距及口徑與聚光倍率有關，且太陽能接收器放置與折射式透鏡焦面前，其位置由聚光倍率確定。

反射鏡的尺寸與傾角與聚光倍率、折射式透鏡的口徑、折射式透鏡的焦距、太陽能接收器的尺寸，同時還要考慮拉氏不變量進行確定。

附圖說明

附圖1，太陽垂直入射時光線在大接收角度免跟蹤太陽能聚光器內走向示意圖。

附圖2，太陽以±12º角度入射時光線在大接收角度免跟蹤太陽能聚光器內走向示意圖。

附圖3，太陽以±24º角度入射時光線在大接收角度免跟蹤太陽能聚光器內走向示意圖。

附圖4，一維跟蹤旋轉方向示意圖。

具體實施方式

以下參照附圖說明本發明，其中類似的附圖標記用於表示類似的元件。

實施方式1

圖1為四倍聚焦太陽能聚光器，折射式透鏡（10）為菲涅爾透鏡，材料為PMMA。太陽能接收器（20）為光伏型太陽能電池板，反射鏡筒（30）採用四片形式，前表面反射，鍍銀。菲涅爾透鏡與太陽能電池板平行。

安裝固定時，將菲涅爾透鏡一面朝向天空，儘量保證太陽能電池板與地面平行，將太陽能電池板固定在地面上。

太陽能聚光器設備被設計成能夠對太陽日射範圍進行工作。在一年期間，由於地軸的傾斜，太陽相對於地球的傾角變化約為46º。太陽能聚光設備被設計成接收角度大於46º，實現了年免跟蹤。在實現日免跟蹤時，特定時間段可以達到四倍聚光，其它時間聚光倍率會低一些。

由於太陽能電池板為方形，固菲涅爾透鏡也設計成方形。

太陽垂直入射時，如圖1，聚光器入射端面處照明範圍內平均輻照度為416.64 W/m2。總功率51.0W。

聚光器聚焦後，太陽能電池板聚焦範圍內平均輻照度為1779.3 W/m2。 總功率43.3W。

能量利用率：入射到太陽能電池板的輻射通量/入射到聚光器入射端面處的輻射通量≈84.9%。

太陽能電池板平均輻照度/聚光器入射端面處平均輻照度=4.27。

太陽以±12º角傾斜入射時，如圖2，聚光器入射端面處照明範圍內平均輻照度為407.48 W/m2。 總功率49.92W。

聚光器聚焦後，太陽能電池板聚焦範圍內平均輻照度為1695.0 W/m2。總功率41.26W。

能量利用率：入射到太陽能電池板的平均輻射通量/入射到聚光器入射端面處的輻射通量≈82.7%。

太陽能電池板平均輻照度/聚光器入射端面處平均輻照度=4.16。

太陽以±24º角傾斜入射時，如圖3，聚光器入射端面處照明範圍內平均輻照度為380.1 W/m2。 總功率46.6W。

聚光器聚焦後，太陽能電池板聚焦範圍內平均輻照度為1376.7 W/m2。總功率33.5W。

能量利用率：入射到太陽能電池板的平均輻射通量/入射到聚光器入射端面處的輻射通量≈71.9%。

太陽能電池板平均輻照度/聚光器入射端面處平均輻照度=3.62。

在±24º的範圍內基本實現四倍聚焦。均勻性良好，可以用於太陽能電池聚光器。

實施方式2

將太陽能聚光器固定於一個一維轉臺上，東西方向實時跟蹤太陽，跟蹤精度優於3º。如圖4所示。以40箭頭所示的方向跟蹤沿東西方向跟蹤太陽。

此時可以保證日照時間內聚光倍率始終保持最高。以四倍聚光為例，聚光器入射端面處照明範圍內平均輻照度為416.64 W/m2。總功率51.0W。

聚光器聚焦後，太陽能電池板聚焦範圍內平均輻照度為1779.3 W/m2。 總功率43.3W。

能量利用率：入射到太陽能電池板的輻射通量/入射到聚光器入射端面處的輻射通量≈84.9%。

太陽能電池板平均輻照度/聚光器入射端面處平均輻照度=4.27。