一種反射聚光太陽能光伏發電組件的製作方法

2023-06-01 17:12:26

專利名稱：一種反射聚光太陽能光伏發電組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚光光伏系統光電轉換模塊的結構，屬於太陽能利用技術領域，
特別是一種反射聚光太陽能光伏發電組件。
背景技術：
開發新能源和可再生清潔能源是全世界面臨的共同課題，在新能源開發與利用方 式中，光伏發電倍受矚目。目前，光伏發電主要採用普通平板光伏發電系統。普通平板光 伏發電系統直接將平板太陽電池組件朝向低緯度地區放置(與地面成一定角度)，以串並 聯的方式組成太陽能光伏陣列從而達到使用太陽能發電的目的。在普通平板光伏發電系統 中，太陽電池的成本在系統總成本中佔很大比例，由於太陽電池的價格比較高昂，從而直接 導致了系統的成本過高。目前，使用的光伏電池的轉換效率低、成本高，是光伏發電沒有在 市場上廣泛推廣應用的主要原因之一。 光伏電池可以在相當高的光強條件下工作，在聚光條件下使用光伏電池進行光電 轉換，是降低太陽能發電成本的有效途徑之一。採用聚光光伏系統，可以減少給定功率所需 的電池面積，用比較便宜的聚光器來部分代替昂貴的太陽電池。在這種系統中，太陽電池的 總成本會顯著降低，發電系統的總成本也隨之下降。 如果聚光電池在三百倍或更高倍數的太陽光強條件下工作，並可以達到相當高的 光電轉換效率(25% -36% )。但是，這種高倍聚光的光伏電池需要昂貴的半導體材料(銦 化鎵或提純高純度矽等)，加工工藝也非常複雜，在聚光條件下使用時，光伏電池的溫度會 變得很高，需要更苛刻且效率很高的冷卻技術。尤其是矽材料光伏電池，在日照強度恆定 和光伏電池溫度升高的情況下，會導致開路電壓降低，降低率為-0. 4% /K -0. 5% /K，從 而使矽材料光伏電池的輸出功率也降低。冷卻裝置會增加光伏發電系統的成本，不適合一 般場合推廣使用。如果聚光電池在3 10倍以內的太陽光強條件下工作，可以節省66 90%的太陽電池。在太陽電池產生的溫度，可以通過使用常規散熱片的方式進行有效散熱。 因此，這種聚光電池在降低發電成本方面具有一定優勢。 在已公開的專利號ZL200510200596. 0、名稱為"使用光漏鬥反射法在地球上實現 數倍聚光的太陽能光伏電池發電裝置"的專利文件中，這種裝置理論上可以實現3 7倍的 聚光比，然而在現實情況下，考慮到尺寸與反射損失等因素，只能達到3. 5 4. 3倍的聚光 比。如果要達到所述的7倍聚光比，其反射面的尺寸需要無限長才可以做到，這在實際生產 應用中顯然是行不通的。也就是說，這種結構不能在實際生產中實現10倍左右，以及更高 倍數之間實現尺寸變換，以適應不同氣溫與光照環境。這種裝置需要進行二維跟蹤才可以 進行正常工作，即需要在太陽方位角與高度角兩個方向進行跟蹤，這無疑大大增加了光伏 發電的系統複雜程度和成本，不利於推廣使用。 透射聚光也是實現較高倍數的一個途徑，由於菲涅爾透鏡的大量生產而降低下來 的成本也是十分引人注目的。然而從技術的角度來看，菲涅爾透鏡在特定面上的聚光光強 的均勻性相對要差一些。從工業化的角度看來說，相比於反射法，特製透鏡的成本仍然高於具有高反射率反射鏡面的成本。

發明內容
本發明的目的在於提供一種反射聚光太陽能光伏發電組件，在光伏電池表面各點 具有比較均勻的輻射強度，有利於提高光伏電池的整體光電轉換效率，適用於一維斜軸跟 蹤應用。 本發明的目的是這樣實現的一種反射聚光太陽能光伏發電組件，主要由一次反 光體、二次反光體、透明防護蓋板、光伏電池、導電連線、散熱器基板、框架組成，通過封裝固 定成為一個發電組件。光伏電池由相應的導電連線進行導電連接，通過膠膜固裝在散熱器 基板上，光伏電池、導電連線與散熱器基板之間通過膠膜絕緣。 一個散熱器基板上固定一個 以上的光伏電池，並與導電連線一同裝配成電能輸出器。 一次反光體上設置一組以上的槽 形拋物反射鏡面， 一個槽形拋物反射鏡面對應設置一個二次反光體，每個二次反光體上設 置有條狀曲面反射鏡面。每一個槽形拋物反射鏡面底部對應一個光伏電池，一次反光體上 方開口處通過透明防護蓋板進行固裝覆蓋，具有防水、防塵以及相當的抗撞擊功能，同時也 作為二次反光體固定的依託。散熱器基板的背面有散熱片，散熱片與散熱器基板上固裝的 光伏電池之間的位置對應，由於聚光而使光伏電池而產生的熱量，通過散熱器基板後的散 熱片進行散熱。 —個條狀曲面反射鏡面和一個槽形拋物反射鏡面共同組成一個聚光反射曲面組。 槽形拋物反射鏡面為對稱形狀，條狀曲面反射鏡面也為對稱形狀，並與槽形拋物反射鏡面 的對稱面重合。條狀曲面反射鏡面和槽形拋物反射鏡面對應設置，且曲面的彎曲朝向一致。 在位於每個槽形拋物反射鏡面的底部處設置一個條形開口 ，並在開口處設置一個矩形光伏 電池，與槽形拋物反射鏡面對稱面重合。 使槽形拋物反射鏡面的焦線設置在與地球自轉軸平行的位置，太陽光線位於始終 與穿過焦線的對稱面平行，太陽位於槽形拋物反射鏡面的開口端。這就是通常所指的斜軸 跟蹤，也稱為一維跟蹤。當有太陽光線入射時，經槽形拋物反射鏡面反射至條狀曲面反射鏡 面上，再反射至光伏電池上。當有與光伏電池表面不垂直的光線經兩次反射後，投射在光伏 電池表面的區域只在焦線方向上移動。在全年內有日光照射時，以前述方式進行跟蹤，具有 適當長度的光伏電池上始終會得到聚光光斑。這個特點適合於一維斜軸跟蹤聚光太陽能發 電。光伏電池的寬度設置為2r (r > 0)，光伏電池表面接受的聚光光線輻射強度為入射光線 的n倍，(n> l)，反射損失率可以忽略不計時，槽形拋物反射鏡面的外邊沿與其光學焦線相 對於光伏電池表面具有相同距離R/2時，槽形拋物反射鏡面的上端開口寬度2R與光伏電池 的寬度2r之間的設計關係為R = r(n+l)。條狀曲面反射鏡面設置在二次反光體的外側。 條狀曲面反射鏡面的外沿邊與槽形拋物反射鏡面的焦線平行，且相對於光伏電池表面具有 相同距離R/2。當光伏電池的寬度2r —定，聚光倍數n不同時，槽形拋物反射鏡面對應不同 的寬度2R。 任意一條垂直於光伏電池的經過坐標(x2， y2)的入射光線，經槽形拋物反射鏡面 反射後，再經條狀曲面反射鏡面的第二次反射，落於光伏電池表面上EOq，O)點。其對應設 計關係為n Xl = x2-r。條狀曲面反射鏡面截面的函數曲線線段其上端的確定坐標值為 (r， R/2)，其中r《x2《R。在槽形拋物反射鏡面的焦線方向拉伸延長可形成條狀曲面反射鏡面，其與槽形拋物反射鏡面配合使用可以在光伏電池表面形成具有相同輻射強度的光 昭。 光伏電池設置在槽形拋物反射鏡面底部的開口處。垂直於光伏電池表面的入射 光線，在槽形拋物反射鏡面上方開口與二次反光體之間形成的兩部分入射窗口入射，經槽 形拋物反射鏡面的第一次反射，再經設置在二次反光體上的條狀曲面反射鏡面的第二次反 射，使聚光光線最終到達光伏電池的表面。接受聚光光線的光伏電池位於槽形拋物反射鏡 面的底部，使光伏電池的背部有更大的空間固裝較大體積的散熱器，提高了光伏電池的散
熱效率。 槽形拋物反射鏡面的焦線設置在與地球自轉軸平行的位置，位於槽形拋物反射鏡 面底部的開口內一定長度的光伏電池，在有光照時，在全年內均可接收輻射強度均勻的聚 光光線。因此適合於轉動方式平行於地球自轉軸的斜軸跟蹤方式，也就是一維跟蹤，相對於 二維跟蹤的成本更低。 本發明的關鍵點在於二次反光體外側壁上所具有的條狀曲面反射鏡面是經過計 算後精密製作而成，使經過這個條狀曲面反射鏡面二次反射後的光線匯聚在光伏電池表面 時，在光伏電池表面的每一點，都具有相同的、數倍於入射太陽光的輻射強度，從而提高了 單位面積的普通光伏電池的光電轉換效率，可以比較容易實現3 10倍，甚至更高倍數的 聚光比，達到在給定功率條件下，使用較少光伏電池的目的，因而可以降低光伏發電系統的 總成本。同時在進行一維跟蹤時，給定的一定長度的光伏電池設置在相應聚光接收位置上 時，光伏電池在全年均可接收輻射強度均勻的聚光光線。匯聚光斑位於槽形拋物反射鏡面 的底部，可在光伏電池的背部有更大的空間位置固裝具有較大體積的散熱器，可提高對光 伏電池的散熱效率。


圖1是本發明的對稱剖面結構示意圖； 圖2是本發明的反射面結構示意圖； 圖3是本發明在對稱剖面內的詳細光路示意圖； 圖4是本發明在對稱剖面內的光線反射光路示意圖； 圖5是本發明在對稱剖面內的結構與光路示意圖。 圖中標號說明如下 l-—次反光體；2-二次反光體； 3-透明防護蓋板； 5-膠膜； 6-光伏電池； 7-導電連線； 8-散熱片； 10-條狀曲面反射鏡面；ll-槽形拋物反射鏡面； 13-散熱器基板；14-框架。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明主要由一次反光體1、二次反光體2、透明防護蓋板3、光伏電池 6、導電連線7、散熱器基板13、框架14組成，通過封裝固定成為一個發電組件。光伏電池6 由相應的導電連線7進行導電連接，通過膠膜5固裝在散熱器基板13上，光伏電池6、導電 連線7與散熱器基板13之間通過膠膜5絕緣。 一個散熱器基板13上固定一個以上的光伏電池6，並與導電連線7 —同裝配成電能輸出器。 一次反光體1上設置一組以上的槽形拋物 反射鏡面ll，一個槽形拋物反射鏡面11對應設置一個二次反光體2，每個二次反光體2上 設置有條狀曲面反射鏡面10。每一個槽形拋物反射鏡面11底部對應一個光伏電池6， 一次 反光體1上方開口處通過透明防護蓋板3進行固裝覆蓋，透明防護蓋板3要求透光率很高， 可以用硬化或鋼化玻璃製造，或者用光學塑料製造，要求具有防水、防塵以及相當的抗撞擊 功能，以適應各種室外惡劣氣候，同時也作為二次反光體2固定的依託。散熱器基板13的 背面有散熱片8，散熱片8與散熱器基板13上固裝的光伏電池6之間的位置對應，由於聚光 而使光伏電池6而產生的熱量，通過散熱器基板13後的散熱片8進行散熱，從而保證光伏 電池在適當的溫度條件下正常工作。通過框架14將透明防護蓋板3、一次反光體1、二次反 光體2、光伏電池6、散熱器基板13封裝固定在一個發電組件內。 如圖2所示，一個條狀曲面反射鏡面10和一個槽形拋物反射鏡面ll共同組成一 個聚光反射曲面組。以位於槽形拋物反射鏡面11的對稱中心的拋物線的頂點o為笛卡爾 坐標原點的坐標中，槽形拋物反射鏡面11分兩部分相對於yz對稱面對稱，也相對於xy對 稱面對稱。條狀曲面反射鏡面10相對於yz對稱面和xy對稱面對稱。條狀曲面反射鏡面 10和槽形拋物反射鏡面11對應設置，且曲面的彎曲朝向一致。在位於每個槽形拋物反射鏡 面11的底部處設置一個條形開口，對應在xz平面內，也就是在拋物面頂點所在在平面內， 設置一個矩形光伏電池6，且相對於yz對稱面和xy對稱面對稱。使槽形拋物反射鏡面11 的焦線設置在與地球自轉軸平行的位置，也就是使z軸與地球自轉軸平行，並使太陽光線 位於yz對稱面內，太陽位於槽形拋物反射鏡面11的開口端。這就是通常所指的斜軸跟蹤， 也稱為一維跟蹤。 如圖2所示，當任一條與y軸平行的太陽光線NC入射，經槽形拋物反射鏡面11上 C點反射至條狀曲面反射鏡面10上D點，再反射至光伏電池6上E點。當任一條與y軸呈 一定夾角且與yz平面平行的太陽光線N' C入射，也就是入射光線與槽形拋物反射鏡面11 的焦線和頂點所在的平面平行，但不垂直於光伏電池6時，經槽形拋物反射鏡面11上C點 反射至條狀曲面反射鏡面10上D'點，再反射至光伏電池6上E'點。與任一條與y軸平 行的入射太陽光線NC相比，經C點反射後，最終光線的落點E與E'之間只在z軸方向變 化。因此，當有適當長度的槽形拋物反射鏡面11上有平行於yz平面的且與y軸具有一定 夾角的光線經兩次反射後，投射在光伏電池6表面的區域只在z軸方向上移動。當光伏電 池6具有適當的長度時，在全年內有日光照射時，以前述方式進行跟蹤，光伏電池6上始終 會得到聚光光斑。這個特點適合於一維斜軸跟蹤聚光太陽能發電。 如圖3所示，在xy對稱面內，設光伏電池6的寬度設置為2r (r > 0)，在光伏電池 6表面接受的聚光光線輻射強度為入射光線的n倍，(n > l)，反射損失率可以忽略不計，槽 形拋物反射鏡面11的外邊沿上的一點A與其光學焦線上的一點L相對於xz平面具有相同 距離R/2時，A點的坐標為(R， R/2)，則槽形拋物反射鏡面11的上端開口寬度2R與光伏電 池6的寬度2r之間的設計關係為R二r(n+l)，其中，AM為其中一側太陽光線入射的區間。
槽形拋物反射鏡面11的焦線通過L點，條狀曲面反射鏡面IO設置在二次反光體 2的外側。條狀曲面反射鏡面10的外沿邊與槽形拋物反射鏡面11的焦線平行，在xy對稱 面第一象限內與xy平面相交於M點，LM的長度與光伏電池6在xy對稱面第一象限內的寬 度相同，即:
6formula see original document page 7M點在xy平面內的坐標為(r， R/2)。 根據拋物反射面的知識可知，由A點內側入射的光線經槽形拋物反射鏡面11上A 點進行一次反射，再經條狀曲面反射鏡面10上M點進行第二次反射，再投射在光伏電池6 上在x軸方向的最外側的G(r，O)點，其中ACB段曲線是槽形拋物反射鏡面11在xy對稱面 上的交線，是拋物線
formula see original document page 7 中的一段。其中(x2，y2)是此拋物線上的任意一點坐標。由M點外側入射的光線 經B點反射後，再由條狀曲面反射鏡面10上F點進行第二次反射至0點，其中曲線MDF是 條狀曲面反射鏡面lO在xy對稱面上的交線。 當n取不同的數值時，槽形拋物反射鏡面ll有不同的寬度R。因此，當有不同聚光 倍數要求時，可以對應不同開口寬度2R的槽形拋物反射鏡面11。 在AM區間內，任意一條平行於y軸的入射光線NC經槽形拋物反射鏡面上C(x2， y2)點反射後，再經條狀曲面反射鏡面10上D(x， y)點的第二次反射，落於光伏電池6表面 上E(x!，O)點。 因為E(Xl，0)點為光伏電池6表面任意一點，且要求具有相同的聚光輻射強度，因 此有formula see original document page 7
其中，w是在槽形拋物反射鏡面11的焦線方向上取一單位寬度w。 k2為經D (x， y)點的入射光線CD的斜率，、為經D (x， y)點的反射光線DE的斜率，
k為經D(x， y)點的在xy對稱面上的曲線MDF的切線的斜率，9 2是入射光線CD與此切線
之間的夾角，9i是反射光線DE與此切線之間的夾角。根據光的反射規律，可知e工二 e2。
對於每一條經過坐標(x2，y2)入射光線，經曲面反射鏡面10的二次反射後，落於光伏電池6 上一點的坐標(XpO)，存在這樣的函數關係formula see original document page 7
條狀曲面反射鏡面IO截面的函數曲線線段MDF其上端的確定坐標值為(r，R/2)， 其中r《x2《R。根據以上條件和相關的幾何數學知識可知MDF是一條確定的曲線，在槽 形拋物反射鏡面11的焦線方向拉伸延長可形成條狀曲面反射鏡面io，其與槽形拋物反射 鏡面11配合使用可以在光伏電池6表面形成具有相同輻射強度的光照。
如圖4所示，光伏電池6設置在槽形拋物反射鏡面ll底部的開口處。平行於y軸 的入射光線，在槽形拋物反射鏡面11上方開口與二次反光體2之間形成的兩部分入射窗口 入射，經槽形拋物反射鏡面11的第一次反射，再經設置在二次反光體2上的條狀曲面反射 鏡面10的第二次反射，使聚光光線最終到達光伏電池6的表面，形成聚光幅射。。接受聚光 光線的光伏電池6位於槽形拋物反射鏡面11的底部，使光伏電池6的背部有更大的空間固 裝較大體積的散熱器，提高了光伏電池6的散熱效率。 如圖2和圖5所示，槽形拋物反射鏡面11的焦線設置在與地球自轉軸平行的位 置，太陽位於yz對稱面內時，根據天文知識可知，入射太陽光線與xy對稱面之間的夾角不 一定為零。當太陽處於南回歸線或北回歸線時，這個夾角會達到最大值，即23.45。。折線 N' CD' E'代表太陽位於南回歸線或北回歸線時最外側的入射光線傳播路徑。根據光的 反射規律，位於槽形拋物反射鏡面11底部的開口內長度為E' E'的光伏電池6，在有光照時，在全年內均可接收輻射強度均勻的聚光光線。因此適合於轉動方式平行於地球自轉軸 的斜軸跟蹤方式，也就是一維跟蹤，相對於二維跟蹤的成本更低。 如圖6所示，由框架14封裝的發電裝置可以觀察到內部的一次反光體1、二次反光 體2、光伏電池6，以及設置在一次反光體1上的槽形拋物反射鏡面11。
權利要求
一種反射聚光太陽能光伏發電組件，由一次反光體(1)、二次反光體(2)、透明防護蓋板(3)、光伏電池(6)、導電連線(7)、散熱器基板(13)、框架(14)組成，通過封裝固定成為一個發電組件；光伏電池(6)由相應的導電連線(7)進行導電連接，通過膠膜(5)固裝在散熱器基板(13)上，並與導電連線(7)一同裝配成電能輸出器，其特徵是一次反光體(1)上設置一組以上的槽形拋物反射鏡面(11)，一個槽形拋物反射鏡面(11)對應設置一個二次反光體(2)，每個二次反光體(2)上設置有條狀曲面反射鏡面(10)；每一個槽形拋物反射鏡面(11)底部對應一個光伏電池(6)，一個散熱器基板(13)上固定一個以上的光伏電池(6)。
2. 根據權利要求1所述的一種反射聚光太陽能光伏發電組件，其特徵是一次反光體(1)上方開口處通過透明防護蓋板(3)進行固裝覆蓋，透明防護蓋板(3)有很高的透光率，用硬化或鋼化玻璃製造，或者用光學塑料製造。
3. 根據權利要求1所述的一種反射聚光太陽能光伏發電組件，其特徵是散熱器基板(13)的背面有散熱片(8)，散熱片(8)與散熱器基板(13)上固裝的光伏電池(6)之間的位置對應，因聚光而使光伏電池(6)而產生的熱量，通過散熱器基板(13)後的散熱片(8)進行散熱。
4. 根據權利要求1所述的一種反射聚光太陽能光伏發電組件，其特徵是一個條狀曲面反射鏡面(10)和一個槽形拋物反射鏡面(11)共同組成一個聚光反射曲面組；槽形拋物反射鏡面(11)具有兩個對稱面；條狀曲面反射鏡面(10)也有兩個對稱面，並與槽形拋物反射鏡面(11)的對稱面重合；條狀曲面反射鏡面(10)和槽形拋物反射鏡面(11)對應設置，且曲面的彎曲朝向一致；在位於每個槽形拋物反射鏡面(11)的底部處設置一個條形開口，在拋物面頂點所在的平面內設置一個矩形光伏電池(6)，條狀曲面反射鏡面(10)的兩個對稱面，也與槽形拋物反射鏡面(11)的對稱面重合。
5. 根據權利要求1所述的一種反射聚光太陽能光伏發電組件，其特徵是垂直於光伏電池(6)的光線，在槽形拋物反射鏡面(11)上方開口與二次反光體(2)之間形成的兩部分入射窗口入射，經槽形拋物反射鏡面(11)的第一次反射，再經設置在二次反光體(2)上的條狀曲面反射鏡面(10)的第二次反射，光線最終到達光伏電池(6)的表面，在光伏電池(6)表面任一點，具有均勻的聚光輻射強度。
6. 根據權利要求1所述的一種反射聚光太陽能光伏發電組件，其特徵是入射光線與槽形拋物反射鏡面(11)的焦線和頂點所在的平面平行，但不垂直於光伏電池(6)時，經槽形拋物反射鏡面(11)和條狀曲面反射鏡面(10)的兩次反射，聚光光線仍覆蓋具有適當的長度的光伏電池(6)，在光伏電池(6)表面任一點，具有均勻的聚光輻射強度。
全文摘要
本發明公開了一種反射聚光太陽能光伏發電組件，由一次反光體、二次反光體、透明防護蓋板、光伏電池、導電連線、散熱器基板、框架組成。一次反光體上設置一組以上的槽形拋物反射鏡面，一個槽形拋物反射鏡面對應設置一個二次反光體，每個二次反光體上設置有條狀曲面反射鏡面，每一個槽形拋物反射鏡面底部對應一個光伏電池。條狀曲面反射鏡面與槽形拋物反射鏡面配合使用後在光伏電池表面形成具有相同輻射強度的聚光光照，從而提高了單位面積的普通光伏電池的光電轉換效率，甚至更高倍數的聚光比，達到在給定功率條件下，使用較少光伏電池的目的，因而可以降低光伏發電系統的總成本。
文檔編號H02N6/00GK101702598SQ20091011352
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者修強, 馮剛, 呂紹勤, 張德勝, 李衛華, 林閩 申請人:新疆維吾爾自治區新能源研究所