高效太阳能光伏电池聚光装置

摘要

本发明涉及一种高效太阳能光伏电池聚光装置，其特征在于：它包括一个以上的聚光单元，每个聚光单元均包括主反射镜、副反射镜、太阳能光伏电池装置、用来支撑副反射镜的副反射镜支撑定位装置以及用来支撑太阳能光伏电池装置的太阳能光伏电池架；所述副反射镜为凸面镜，主反射镜为口径大于副反射镜的凹面镜，副反射镜和主反射镜沿光轴方向一前一后设置组成卡塞格伦型望远聚光组合系统；太阳能光伏电池装置的受光面位于副反射镜后侧的光轴上且正对副反射镜。本发明不仅可显著增强太阳能光伏电池的太阳光聚光倍率，而且结构简单。

权利要求

1.一种高效太阳能光伏电池聚光装置，其特征在于：它包括一个以上的聚光单元，每个聚光单元均包括主反射镜（1）、副反射镜（2）、太阳能光伏电池装置（3）、用来支撑副反射镜（2）的副反射镜支撑定位装置（4）以及用来支撑太阳能光伏电池装置（3）的太阳能光伏电池架（5）；所述副反射镜（2）为凸面镜，主反射镜（1）为口径大于副反射镜（2）的凹面镜，副反射镜（2）和主反射镜（1）沿光轴方向一前一后设置组成卡塞格伦型望远聚光组合系统；太阳能光伏电池装置（3）的受光面位于副反射镜（2）后侧的光轴上且正对副反射镜（2）；所述副反射镜支撑定位装置（4）由粘贴于副反射镜（2）前侧的透明光学玻璃板构成；

所述主反射镜（1）的镜面为柱面型的抛物面，所述副反射镜（2）的镜面为柱面型的抛物面，主反射镜（1）和副反射镜（2）的柱面中心轴相互平行；所述卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面位于主反射镜（1）和副反射镜（2）之间；太阳能光伏电池装置（3）的受光面位于卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面和主反射镜（1）之间；所述太阳能光伏电池装置（3）由两个以上受光面积较大、光电转换效率低且耐热性能差的太阳能光伏电池单体沿平行于副反射镜（2）的柱面中心轴方向排列而成。

2.根据权利要求1所述的高效太阳能光伏电池聚光装置，其特征在于：所述太阳能光伏电池单体为单晶硅电池或非晶硅电池；所述太阳能光伏电池架（5）上设有散热装置。

3.据权利要求1或2所述的高效太阳能光伏电池聚光装置，其特征在于：所述聚光单元的数量为多个，各个聚光单元的光轴相互平行，且多个聚光单元的副反射镜（2）粘贴于同一块透明光学玻璃板后侧的不同位置。

说明书

高效太阳能光伏电池聚光装置

技术领域

[0001] 本发明涉及光电镜头装置，特别是一种高效太阳能光伏电池聚光装置，它适用于带有精密太阳跟踪器且需要增强聚光效能的各种太阳能光伏电池装置，特别适用于采用砷化镓等受光面积小的太阳能光伏电池装置。

背景技术

[0002] 为了增强太阳能光伏电池收集太阳光的效能，目前国内外采用的方法大致是通过塑料压铸的菲涅耳透镜或用多面反射体进行聚光。这些办法取得了一定的效果。但是制作菲涅耳透镜的加工技术难度较大，需投资的成本较高，特别是受光面积越大，其加工难度更大(主要是压铸模具的制作和塑料加工过程)，同时它是由质软的塑料材料制成，在较差的环境条件下较难防护，一般寿命较短，不利于大面积推广。多面反射体聚光制作较容易，但它能增强的聚光效能比较有限。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种高效太阳能光伏电池聚光装置，它不仅可显著增强太阳能光伏电池的太阳光聚光倍率，而且结构简单。

[0004] 本发明技术方案是这样构成的，一种高效太阳能光伏电池聚光装置，其特征在于：它包括一个以上的聚光单元，每个聚光单元均包括主反射镜、副反射镜、太阳能光伏电池装置、用来支撑副反射镜的副反射镜支撑定位装置以及用来支撑太阳能光伏电池装置的太阳能光伏电池架；所述副反射镜为凸面镜，主反射镜为口径大于副反射镜的凹面镜，副反射镜和主反射镜沿光轴方向一前一后设置组成卡塞格伦型望远聚光组合系统；太阳能光伏电池装置的受光面位于副反射镜后侧的光轴上且正对副反射镜。

[0005] 为了进一步简化装配工艺，本发明上述技术方案中，所述副反射镜支撑定位装置由粘贴于副反射镜前侧的透明光学玻璃板构成。利用透明光学玻璃板对副反射镜进行固定，不仅可避免遮挡光线，而且装配工艺简单易操作，此外还能起到防尘的作用。当然，在具体实施时，所述副反射镜支撑定位装置也可由其它各种便于支撑定位副反射镜的支架构成。

[0006] 为了进一步提高本发明所述的高效太阳能光伏电池聚光装置的太阳能聚光效果，本发明上述技术方案的进一步改进在于：所述聚光单元的数量为多个，各个聚光单元的光轴相互平行，且多个聚光单元的副反射镜粘贴于同一块透明光学玻璃板后侧的不同位置。由于采用同一块透明光学玻璃板对各个聚光单元的副反射镜进行固定，因此可避开较复杂的固定用机械件加工，从而既降低生产成本，又简化装配工艺。

[0007] 本发明上述技术方案的基本原理说明如下：参见图3所示，由太阳发出的光束(可视为无穷远发出的平行光)，入射到口径为Φ主的主反射镜(大反射镜)。经主反射镜反射后，再会聚到主反射镜的焦面前，被口径为Φ副的副反射镜(小反射镜)反射到卡塞格伦型望远聚光组合系统的后焦面上。由于在焦点上的热量非常高，而目前生产的太阳能光伏电池装置，无论哪一种都无法承受，因此太阳能光伏电池装置的合适位置，应根据它的大小(设为ΦC)和耐热性能放在焦面前或后。在太阳能光伏电池装置的受光面增强的太阳光聚光倍率可近似定为：

[0008]

[0009] 针对不同类型的太阳能光伏电池装置，本发明提供了以下两种优选技术方案：

[0010] (一)优选方案一：

[0011] 所述主反射镜的镜面优选为对称型的抛物面或二次曲面或球面，所述副反射镜的镜面优选为对称型的抛物面或二次曲面或球面；所述卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面位于主反射镜的后侧，主反射镜的中心开设有透光孔，太阳能光伏电池装置的受光面位于透光孔的后侧且位于卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面所在位置或所在位置的附近，太阳能光伏电池装置由受光面积小、转换效率高且耐热性能好的太阳能光伏电池单体构成。

[0012] 所述主反射镜和副反射镜的镜面最好分别为对称型的抛物面；所述太阳能光伏电池单体为砷化镓太阳能光伏电池装置；所述太阳能光伏电池架上设有散热装置。在极强的太阳光直射的情况下，在太阳能光伏电池装置的受光面的热度仍偏高，会使太阳能光伏电池装置的光电转换效率变低，因此仍需要在太阳能光伏电池架后增设散热装置。

[0013] 为了更有效地把稍偏光轴的光束聚焦到太阳能光伏电池装置的受光面上，所述主反射镜的透光孔内安装有漏斗型内反射导光体，且漏斗型内反射导光体沿光轴方向由前至后口径逐渐减小。这样一方面可使进入太阳能光伏电池装置的受光面的光束匀化，另一方面还可以降低太阳跟踪器对太阳跟踪精度的要求。

[0014] 所述漏斗型内反射导光体与光轴相垂直的截面可呈圆形或方形。

[0015] 为了进一步降低阳光照射到太阳能光伏电池装置上的热量，所述漏斗型内反射导光体内设有镀有红外截止膜的隔热滤色片。所述隔热滤色片能透过可见和近红外光但截止远红外光。

[0016] 根据计算公式(1)，通过本发明优选方案一所述的高效太阳能光伏电池聚光装置，在太阳能光伏电池装置的受光面上增强的聚光倍率约为：

[0017]

[0018] 其中，DP为太阳能光伏电池装置的受光面积。

[0019] (二)优选方案二：

[0020] 所述主反射镜的镜面优选为柱面型的抛物面或二次曲面或球面，所述副反射镜的镜面优选为柱面型的抛物面或二次曲面或球面，主反射镜和副反射镜的柱面中心轴相互平行；所述卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面位于主反射镜和副反射镜之间；太阳能光伏电池装置的受光面位于卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面和主反射镜之间；所述太阳能光伏电池装置由两个以上受光面积较大、光电转换效率低且耐热性能差的太阳能光伏电池单体沿平行于副反射镜的柱面中心轴方向排列而成。

[0021] 所述主反射镜的镜面最好为柱面型的抛物面，所述副反射镜的镜面最好为柱面型的球面；所述太阳能光伏电池单体为单晶硅电池或非晶硅电池；所述太阳能光伏电池架上设有散热装置。

[0022] 根据实验，把较大面积的太阳能光伏电池装置放在主反射镜的镜面前，不仅可以使太阳能光伏电池装置的受光面接收到从两反射镜进来的光束，而且对偏离一定角度的直射光束也能照射到它上面，有利于太阳能光伏电池装置的受光面接收更多的光照。从光学加工上看，在比较大的柱面型的抛物面体上开槽的工艺过程比较困难，因此在本发明上述优选方案二中，把由两个以上标准尺寸的太阳能光伏电池单体连成长条形的太阳能光伏电池组，并使它沿平行于副反射镜的柱面中心轴方向放置。为了减少副反射镜的“挡光”，使卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面置于主反射镜和副反射镜之间；太阳能光伏电池装置的受光面位于卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面和主反射镜之间。

[0023] 上述优选方案二所述的高效太阳能光伏电池聚光装置，在太阳能光伏电池装置的受光面上增强的聚光倍率约为：

[0024]

[0025] 上述优选方案一和优选方案二所述的高效太阳能光伏电池聚光装置既可仅由一个聚光单元单独进行高效的聚光，也可由多个相同的聚光单元拼接组合成大型的聚光装置，各单独聚光单元的光轴必须相互平行。

[0026] 较之现有技术而言，本发明具有以下优点：

[0027] (1)采用两个反射面的卡塞格伦型望远聚光组合系统不仅结构简单，加工方便，而且其在太阳能光伏电池装置上增强的太阳光聚光倍率非常高，在达到同样发电效率的情况下，可大大减少太阳能光伏电池装置的面积。

[0028] (2)利用透明光学玻璃板对副反射镜进行固定，不仅可避免遮挡光线，而且装配工艺简单易操作，此外还能起到防尘的作用。

[0029] (3)由于光束经过的两个面都是反射面，对材料要求很低，采用便宜的光学材料压铸成型即可满足要求。特别是当主反射镜采用加工技术成熟的抛物面时，不仅易于加工，投资成本低，而且可以使光学系统的球差大幅降低，使光束弥散斑变小。

[0030] (4)由于在优选方案一中增设了漏斗型内反射导光体，不仅可使进入面积较小的太阳能光伏电池装置上的光照匀化，而且可降低太阳跟踪器对太阳跟踪精度的要求。此外，由于在光路中加入能透可见光反远红外光的镀有红外截止膜的隔热滤色片，因此可降低进入电池面上的光照热度，保证太阳能光伏电池能高效持续工作。

[0031] (5)本发明所述的高效太阳能光伏电池聚光装置不仅可由单个聚光单元单独进行光电转换发电，还可以方便地由多个聚光单元组合成大型的光电转换装置进行光电转换发电，由于采用同一块透明光学玻璃板对各个聚光单元的副反射镜进行固定，因此不仅可避开较复杂的固定用机械件加工，而且调整方便，从而既降低生产成本，又简化装配工艺。

[0032] (6)本发明所述的高效太阳能光伏电池聚光装置能应对较差的环境条件，有利于推广。

附图说明

[0033] 图1为常用的菲涅耳透镜聚光系统的示意图。

[0034] 图2为采用多平面反射镜聚光系统的示意图。

[0035] 图3为卡塞格伦望远系统成像原理的示意图。

[0036] 图4为本发明提供的实施例1-1结构示意图。

[0037] 图5为本发明提供的实施例2-1结构示意图。

[0038] 图6是图5的侧视图。

[0039] 图7是本发明提供的实施例1-2结构示意图。

[0040] 图8是图7的侧视图。

[0041] 图9是本发明提供的实施例2-2结构示意图。

[0042] 图10是图9的侧视图。

[0043] 图11是本发明实施例1-1的高效太阳能光伏电池聚光装置在太阳能光伏电池装置实际位置受光面的点列图。点列图的参数尺寸单位为4000μm。

[0044] 图12为本发明实施例2-1的高效太阳能光伏电池聚光装置在太阳能光伏电池装置实际位置受光面的点列图。点列图的参数尺寸单位为20000μm。

[0045] 图中标号说明：1、主反射镜，2、副反射镜，3、太阳能光伏电池装置，4、副反射镜支撑定位装置，5、太阳能光伏电池架，6、漏斗型内反射导光体，7、隔热滤色片。

具体实施方式

[0046] 下面结合说明书附图、具体实施方式和实施例对本发明内容进行详细说明：

[0047] 本发明具体实施方式提供了一种高效太阳能光伏电池聚光装置，其特征在于：它包括一个以上的聚光单元，每个聚光单元均包括主反射镜1、副反射镜2、太阳能光伏电池装置3、用来支撑副反射镜2的副反射镜支撑定位装置4以及用来支撑太阳能光伏电池装置3的太阳能光伏电池架5；所述副反射镜2为凸面镜，主反射镜1为凹面镜，且副反射镜2和主反射镜1沿光轴方向一前一后设置组成卡塞格伦型望远聚光组合系统；太阳能光伏电池装置3的受光面位于副反射镜2后侧的光轴上且正对副反射镜2。

[0048] 所述副反射镜支撑定位装置4由粘贴于副反射镜2前侧的透明光学玻璃板构成。

[0049] 实施例1-1

[0050] 所述主反射镜1的镜面为对称型的抛物面或二次曲面或球面，所述副反射镜2的镜面为对称型的抛物面或二次曲面或球面；所述卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面位于主反射镜1的后侧，主反射镜1的中心开设有透光孔，太阳能光伏电池装置3的受光面位于透光孔的后侧且位于卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面所在位置或所在位置的附近，太阳能光伏电池装置3由受光面积小、转换效率高且耐热性能好的太阳能光伏电池单体构成。

[0051] 所述主反射镜1和副反射镜2的镜面分别为对称型的抛物面；所述太阳能光伏电池单体为砷化镓太阳能光伏电池装置3；所述太阳能光伏电池架5上设有散热装置。

[0052] 表1是本发明实施例1-1采用的光学结构数据。其中卡塞格伦型望远聚光组合系统的组合焦距为f合′＝794mm(采用对称型的抛物面的主反射镜1的焦距为f主′＝267.2mm，采用对称型的抛物面的副反射镜2的焦距为f副′＝-99.5mm)。主反射镜1的最大口径为Φ主＝320mm，该卡塞格伦型望远聚光组合系统的相对孔径D/f＝1∶2.5，其在太阳能光伏电池焦面上的像方孔径为u′＝0.196。本实施例使用的太阳能光伏电池装置(如砷化镓太阳能光伏电池装置)的最大尺寸为10×10mm(对角线为2y′＝14mm)，系统的视场角2ω约1.1度左右。

[0053] 为了使卡塞格伦型望远聚光组合系统能比较方便安装太阳能光伏电池架5和散热装置，本实施例设计的太阳能光伏电池装置3的受光面放在主反射镜1的后面。由于像面离副反射镜2的距离越远，副反射镜2的口径就越大，因此合理地选取聚光点位置是很重要的。根据计算把后截距l1′规定在 是比较合适的。受光面的位置选取可以取在光轴上光束弥散盘最小的位置。本实施例取l1′＝216mm。拦光后可取的副反射镜2的口径为Φ副＝81.6mm。如图11所示是实施例1-1在卡塞格伦型望远聚光组合系统的受光面上用11条光束计算出的不同视场(0、0.5ω、0.7ω、0.85ω、1ω)的弥散斑点列图。从图中可以看出，光束在各个视场分布还是比较均匀的。

[0054] 根据计算公式(1)，可以算出实施例1-1的聚光装置在太阳能光伏电池装置3的受光面上增强的聚光倍率为：

[0055]

[0056] 所述主反射镜1的透光孔内安装有漏斗型内反射导光体6，且漏斗型内反射导光体6沿光轴方向由前至后口径逐渐减小。所述漏斗型内反射导光体6与光轴相垂直的截面呈圆形或方形。所述漏斗型内反射导光体6可以是用金属件和电镀加工成的，也可以用两片半圆锥玻璃压铸和镀反射膜而成或用薄的镀有反射膜的塑料件折叠而成。增设的目的：一是降低了太阳跟踪器的跟踪精度；二是把偏离聚光系统一定角度(大约±20′)的太阳直射光束收集到太阳能光伏电池面上，使照明更加匀化。所述漏斗型内反射导光体6内设有镀有红外截止膜的隔热滤色片7(厚度为0.7mm)，该滤色片反红外光透可见光，可降低进入太阳能光伏电池装置的受光面的热量。

[0057] 表1

[0058] f合′＝798.4mm D/f＝1∶2.49 2ω＝1°NA＝0.1965单位：mm

[0059]

[0060] 实施例1-2

[0061] 本实施例所提供的高效太阳能光伏电池聚光装置与实施例1-1的区别在于：所述聚光单元的数量为多个，各个聚光单元的光轴相互平行，且多个聚光单元的副反射镜2粘贴于同一块透明光学玻璃板后侧的不同位置。2

[0062] 如图7和图8所示为采用上述实施例1-1设计的9个相同聚光单元在1m 的整机组合光学示意图。各个聚光系统的光轴需调整成相互平行。由于采用统一的保护玻璃，避开了较复杂的固定用机械件加工，可降低生产成本。

[0063] 实施例2-1

[0064] 所述主反射镜1的镜面优选为柱面型的抛物面或二次曲面或球面，所述副反射镜2的镜面优选为柱面型的抛物面或二次曲面或球面，主反射镜1和副反射镜2的柱面中心轴相互平行；所述卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面位于主反射镜1和副反射镜2之间；太阳能光伏电池装置3的受光面位于卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦平面和主反射镜1之间；所述太阳能光伏电池装置3由两个以上受光面积较大(一般大于30×30mm)、光电转换效率低且耐热性能差的太阳能光伏电池单体沿平行于副反射镜2的柱面中心轴方向排列而成。

[0065] 所述主反射镜1的镜面最好如图5所示为柱面型的抛物面，所述副反射镜2的镜面最好如图5所示为柱面型的球面；所述太阳能光伏电池单体为单晶硅电池或非晶硅电池；所述太阳能光伏电池架5上设有散热装置。

[0066] 表2是实施例2-1的光学结构数据。其中：卡塞格伦型望远聚光组合系统的组合焦距为f合′＝509mm(采用柱面型的抛物面的主反射镜1的焦距为f主′＝238.5mm，采用柱面型的球面的副放射镜2的焦距为f副′＝-110mm)。主反射镜1的最大线径为Φ主＝250mm。该卡塞格伦型望远聚光组合系统的相对孔径D/f′＝1∶2.04，它在太阳能光伏电池装置3的受光面上的像方孔径角为u′＝0.238。该实施例使用的太阳能光伏电池单体的标准尺寸为50×50mm，沿弧矢方向可串联成50×400mm或更长的电池组。塞格伦型望远聚光组合系统的视场角2ω＝3°左右。

[0067] 当采用长条形的电池组时，所需的主反射镜1的体积较大，要在它上面开一条长孔口，把太阳能光伏电池装置3置于主反射镜1后比较困难。因此本实施例选取的太阳能光伏电池装置3的受光面置于主反射镜1的前面。这样的安排，对减小副反射镜2的口径有利。副反射镜2通光高度的减少，除可通过卡塞格伦型望远聚光组合系统增强太阳能光伏电池装置3的受光效率外，还可以让太阳光通过副反射镜2的两边直射到太阳能光伏电池装置3的受光面上，可进一步提高受光效能。副反射镜2的实际通光高度为64mm。

[0068] 由于本实施例采用的太阳能光伏电池装置耐热性能较差(温度高过阈值，会使电池的光电转化效率急速降低)，因此卡塞格伦型望远聚光组合系统的焦面应偏离太阳能光伏电池装置3的受光面的位置。经计算，我们把受光面位置选在： 它能确保照射到受光面(50mm高)的光束均匀以及便于太阳能光伏电池架5和散热装置的安装。

[0069] 根据计算公式(1)，可算出实施例2-1的聚光装置在太阳能光伏电池装置3的受光面上增强的聚光倍率为：

[0070]

[0071] 如图12所示是实施例2-1在卡塞格伦型望远聚光组合系统的受光面上用20条光束计算出来的不同视场(0、+/-0.7ω、+/-1ω)在实际受光面的弥散斑点列图，从图中可以看出，光束在各个视场的分布还是比较均匀的。

[0072] 表2

[0073] f合′＝509.4mm D/f＝1∶2.04 2ω＝3°(像面高度50mm)NA＝0.238单位：mm

[0074]

[0075] 实施例2-2

[0076] 本实施例所提供的高效太阳能光伏电池聚光装置与实施例2-1的区别在于：所述聚光单元的数量为多个，各个聚光单元的光轴相互平行，且多个聚光单元的副反射镜2粘贴于同一块透明光学玻璃板后侧的不同位置。

[0077] 如图9和图10所示是采用上述实施例2-1设计的6个相同聚光单元在1m2的整体组合光学示意图。各单个聚光单元的轴线需调整成相互平行。