專利名稱：一種改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能光伏應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種聚光光伏組件。
背景技術(shù)：
太陽能光伏應(yīng)用是緩解環(huán)境污染與能源匱乏的理想選擇，具有很好的應(yīng)用前景， 但是其成本較高，影響了光伏應(yīng)用的推廣。因?yàn)楣夥鼞?yīng)用的成本主要集中在光伏電池上，采 用聚光光伏技術(shù)，可以在相對(duì)較小的太陽電池上產(chǎn)生更大的能源輸出，是降低光伏應(yīng)用成 本的有效途徑。 聚光光伏技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，市面上也已出現(xiàn)了聚光光伏應(yīng)用產(chǎn)品，但 是，這些聚光光伏應(yīng)用產(chǎn)品大部分需要進(jìn)行太陽方位跟蹤，其缺點(diǎn)在于系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性 較差、運(yùn)行維護(hù)成本較高，對(duì)安裝環(huán)境要求較高，很難與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合。 在現(xiàn)有技術(shù)中，靜態(tài)低倍聚光光伏系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)接收角寬、不需要跟蹤太 陽、沒有運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件、簡(jiǎn)單可靠，是聚光光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。而楔形的聚光器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接收角寬，非常適用于靜態(tài)低倍聚光光伏系統(tǒng)，能夠與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，比如屋 頂、幕墻等。楔形的聚光器應(yīng)用于太陽能光伏系統(tǒng)最早可以追溯到1978年D.R. Mills與 J.E.Giutronich在《Solar Energy》雜志上發(fā)表的文章[Sol. Energy 21(1978)423]。
如圖1所示為現(xiàn)有的普通楔形聚光的楔形面，該楔形面由頂邊a、底邊b+c及側(cè)邊 d連接組成，其聚光比為
CF = a/d = 1/sinA， 其中，A — iarcsia f) —arcslri (^^〕J A為頂邊與底邊的最小夾角，B是楔形聚光器的臨界入射角，由以上關(guān)系可知，角A 的大小由臨界入射角B與聚光器內(nèi)透明物質(zhì)的折射率n確定(空氣的折射率為1)，如圖2 所示，此時(shí)，楔形聚光器的接收角I范圍為[B，90° )，B角在(-90。 ，90° )之間取值。當(dāng) 臨界入射角B二O時(shí)，即光線沿入射面(從光源發(fā)出的光線直接射到的聚光器表面)的法線 方向入射時(shí)，Aiarcsin(》，當(dāng)透明物質(zhì)分別選擇玻璃和水時(shí)，按照玻璃的折射率n = 1.5，
水的折射率n = 1. 3，可得相應(yīng)的聚光比CF分別為2. 8與2. 4，此時(shí)能夠保證照射到入射面 上
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)本發(fā)明的反射面的一部分為曲面結(jié)構(gòu)，使得折射到該曲面上的光線被額外匯聚，直接反射到出射面上，與現(xiàn)有的楔形聚光器比較，聚光比大大增加，提升了楔形聚光光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。 (2)本發(fā)明的反射面的一部分為曲面結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)整曲面的形狀以及出射面與入射面的夾角，調(diào)整楔形聚光器的聚光比與楔形聚光器的重量。 (3)當(dāng)本發(fā)明中的透明物質(zhì)的折射率越小、臨界入射角越大時(shí)，與現(xiàn)有楔形聚光器的聚光比相比，本發(fā)明的聚光比的增益越大。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖1是現(xiàn)有的普通楔形聚光器楔形面的示意圖，并示出聚光比的推導(dǎo)過程； 圖2是圖1中入射角與接收角范圍關(guān)系示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1聚光器楔形面的示意圖； 圖4是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是圖3聚光器楔形面的側(cè)邊變化時(shí)的示意圖； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例3聚光器楔形面的示意圖； 圖7是由本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是透明物質(zhì)折射率n = 1. 3時(shí)現(xiàn)有聚光器與本發(fā)明聚光比隨臨界入射角變化的比較示意圖； 圖9是透明物質(zhì)折射率n = 1. 5時(shí)現(xiàn)有聚光器與本發(fā)明聚光比隨臨界入射角變化的比較示意圖； 圖10是臨界入射角B二0。時(shí)現(xiàn)有聚光器與本發(fā)明聚光比隨透明物質(zhì)的折射率變化的比較示意圖。
圖中A H各角度用于聚光比的幾何推導(dǎo)；e g為臨界光線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 如圖3 5所示，本發(fā)明改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件包括楔形的聚光器與光伏電池2，該聚光器包括入射面11、反射面12、出射面13及充滿上述各面合圍空間內(nèi)的透明物質(zhì)，光伏電池2設(shè)置在出射面13上，其受光面與出射面13相對(duì)，用于收集從出射面13上射出的光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，聚光器的楔形面由底邊15、側(cè)邊16及頂邊17相互連接合圍構(gòu)成，其中，底邊15、側(cè)邊16及頂邊17分別位于反射面12、出射面13及入射面11上，楔形面的底邊15由一段直線b和一段曲線c組成，直線b所處的反射面是平面，曲線采用拋物線c，為拋物線中最優(yōu)形式的拋物線，該拋物線c與直線b相切，拋物線c所處的反射面為拋物面，該拋物線c的焦點(diǎn)是楔形面上側(cè)邊16與頂邊17的交點(diǎn)O，側(cè)邊16的長(zhǎng)度即為拋物線c上各點(diǎn)到焦點(diǎn)的最短距離。 本發(fā)明制作時(shí)進(jìn)行以下計(jì)算過程設(shè)側(cè)邊的長(zhǎng)度為d，底邊由直線b和拋物線c組成，頂邊的長(zhǎng)度為a，首先，在(-90° ，90° )的范圍內(nèi)選擇一臨界入射角B，透明物質(zhì)選定
后，其折射率為n，根據(jù)公式A = ^^03111 $ —aiXSto 0，得出頂邊與底邊的夾角A，并由以
下的幾何關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo) (1)設(shè)拋物線方程為x2 = 2py， <formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 6</formula> <formula>formula see original document page 6</formula> 即最大聚光比<^ = 3^ = 因此，最大的聚光比CF只與透明物質(zhì)的折射率n和臨界入射角B有關(guān)，當(dāng)臨界入
射角B為0時(shí)，即臨界光線垂直入射到入射面上時(shí)，最大聚光比CF = 2n。 如圖5所示，改變側(cè)邊與頂邊之間的夾角(即出射面與入射面的夾角)，dl在d3
與d所成的夾角范圍內(nèi)都滿足d < dl < d3，在本發(fā)明聚光器的頂邊與底邊夾角、頂邊的長(zhǎng)
度與現(xiàn)有聚光器的相應(yīng)參數(shù)相同的情況下，d3與現(xiàn)有的楔形聚光器的側(cè)邊長(zhǎng)度相等，即本
發(fā)明聚光器楔形面的側(cè)邊只要在d3與d所成的夾角范圍內(nèi)，聚光器的聚光比相對(duì)現(xiàn)有同等
條件下的聚光器的聚光比都有所增加。 從以上的計(jì)算過程，可得出本發(fā)明聚光器的具體結(jié)構(gòu)。 如圖8所示，當(dāng)聚光器采用透明物質(zhì)為水時(shí)，其折射率n = 1.3，從圖中可明顯看出，隨臨界入射角的變化，本發(fā)明聚光比一直大于現(xiàn)有聚光器的聚光比，而且本發(fā)明聚光比增益較大。 如圖9所示，當(dāng)聚光器采用透明物質(zhì)為玻璃時(shí)，其折射率n二1.5，從圖中可明顯看出，隨臨界入射角的變化，本發(fā)明聚光比一直大于現(xiàn)有聚光器的聚光比，而且本發(fā)明聚光比增益較大。 如圖10所示，是臨界入射角B二0。不變時(shí)，聚光比隨透明物質(zhì)的折射率變化的示意圖，從圖中可看出，雖然本發(fā)明聚光比隨透明物質(zhì)折射率的增加，其增益在不斷減少，但是本發(fā)明的聚光比一直大于現(xiàn)有聚光器的聚光比。 如圖8 10所示，本發(fā)明的聚光比與現(xiàn)有聚光器的聚光比相比較，當(dāng)透明物質(zhì)的折射率越小，臨界入射角越大，本發(fā)明的聚光比比現(xiàn)有聚光器聚光比的增益越大。具體來說，透明物質(zhì)的折射率n在[1. 1，3.0]范圍內(nèi)選擇，臨界入射角B在[-80° ，80° ]范圍內(nèi)，進(jìn)行二者聚光比的比較，考慮正午太陽高度角全年的變化范圍不超過47。，取臨界入射角B = 30°時(shí)，楔形聚光器的接收角為90。 -30° =60° ，完全能夠滿足聚光要求，若采用折射率為1. 5的玻璃作為聚光器的透明物質(zhì)，此時(shí)本發(fā)明的聚光比為6，比現(xiàn)有楔形聚光器的聚光比5. 16大16. 2%;若采用折射率為1. 3的水，此時(shí)本發(fā)明的聚光比為5. 2，比現(xiàn)有楔形聚光器的聚光比4. 18大24. 3%。 因此，與現(xiàn)有聚光器比較，本發(fā)明聚光比的增加量十分明顯。本實(shí)施例中，本發(fā)明
聚光器的入射面、出射面與反射面所合圍的空間是封閉空間。
實(shí)施例2 本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于底邊的c段為最優(yōu)形式的拋物線是曲線的一種特殊形式，c段還可以為一般的向外凸出的曲線，曲線所處的反射面為曲面，曲面與出射面相接，曲線上任意一點(diǎn)的切線的斜率小于等于當(dāng)該曲線采用實(shí)施例1中拋物線時(shí)，相應(yīng)臨界光線與拋物線交點(diǎn)處拋物線的切線的斜率，以使折射到曲面上的光線直接被反射到出射面上。直線與曲線的分界點(diǎn)由從c段反射的臨界光線確定，該光線在頂邊與側(cè)邊的交點(diǎn)處剛好發(fā)生全反射，其在頂邊上的入射角為arcsin(l/n);入射到直線段的光線可能需要再被反射到入射面發(fā)生全反射，而入射到曲線的光線反射后直接到達(dá)出射面；曲線所在的曲面將入射到曲面上的光線更多地匯聚，因此可增加聚光器的聚光比，而從上述公式的推到過程中可知，當(dāng)本發(fā)明聚光器與現(xiàn)有的聚光器的聚光比相同時(shí)，本發(fā)明聚光器的耗材量減少，也減小了聚光器的重量。 作為c段為曲線的一種特殊形式，曲線還可采用弧形線，該弧形線所處的反射面為弧形面，曲線也可以采用其它形式的拋物線。
實(shí)施例3 如圖6所示，是本發(fā)明的實(shí)施例3，本實(shí)施例與實(shí)施例1、2的不同之處在于楔形面底邊的曲線采用多段直線c，該多段直線c所處的反射面由多個(gè)前后相接的平面組成，臨界光線g確定底邊的直線與多段直線c的分界點(diǎn)，該光線在頂邊與側(cè)邊的交點(diǎn)處剛好發(fā)生全反射，其在頂邊上的入射角為G = arcsin(l/n)，入射到多段直線c的光線反射后直接到達(dá)出射面，因此，與現(xiàn)有楔形聚光器比較同樣可提高聚光比。
實(shí)施例4 如圖7所示，可將本發(fā)明的多個(gè)單體聚光光伏組件拼接組合，各組件的入射面齊平，單個(gè)聚光光伏組件的大小可進(jìn)行調(diào)整，組合后的聚光光伏器外觀與普通的太陽能光伏組件相類似，如可通過粘接方式將各聚光光伏組件依次連接在一起，并使聚光光伏組件的入射面貼合在玻璃安裝板上，再與建筑相結(jié)合。 作為其它的實(shí)施方式，本發(fā)明聚光器的入射面、出射面與反射面所合圍的空間可以是不封閉的，比如將反射鏡面與普通光伏組件安裝一定的角度與距離置于透明物質(zhì)_水中或油中。 本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，在不脫離上述基本技術(shù)思想前提下，本發(fā)明的反射面通過鍍膜或者增設(shè)反射鏡構(gòu)成，而本發(fā)明曲面部分的具體形狀也可以有多種實(shí)施方式，因此本發(fā)明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件，包括楔形的聚光器與光伏電池(2)，該聚光器包括入射面(11)、反射面(12)、出射面(13)及充滿上述各面合圍空間內(nèi)的透明物質(zhì)，光伏電池(2)設(shè)置在所述出射面(13)上，光伏電池(2)的受光面與聚光器的出射面(13)相對(duì)，聚光器的楔形面由底邊(15)、側(cè)邊(16)及頂邊(17)相互連接合圍構(gòu)成，其中，底邊(15)、側(cè)邊(16)及頂邊(17)分別位于所述反射面(12)、出射面(13)及入射面(11)上，其特征在于所述楔形面的底邊(15)由一段直線和一段向外凸出的曲線組成，所述直線所處的反射面(12)為平面，所述曲線所處的反射面(12)為曲面，所述曲面與出射面(13)相接，使折射到曲面上的光線直接被反射到出射面(13)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件，其特征在于所述楔形 面底邊(15)的曲線為拋物線，所述拋物線所處的反射面(12)為拋物面，所述拋物線與所述 楔形面底邊的直線具有切點(diǎn)，所述楔形面上側(cè)邊(16)與頂邊(17)的交點(diǎn)是該拋物線的焦 點(diǎn)，側(cè)邊(16)的長(zhǎng)度即為拋物線上各點(diǎn)到焦點(diǎn)的最短距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件，其特征在于所述楔形 面底邊(15)的曲線為多段直線，該多段直線所處的反射面(12)由多個(gè)前后相接的平面組 成，所述多段直線上任意一點(diǎn)的切線的斜率小于等于當(dāng)所述曲線采用所述拋物線時(shí)，相應(yīng) 臨界光線與所述拋物線交點(diǎn)處拋物線的切線的斜率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3任一所述的改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件，其特征在于 所述的透明物質(zhì)為液態(tài)或者固態(tài)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件，其特征在于所述反射 面(12)通過鍍膜或者增設(shè)反射鏡構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件，其特征在于所述聚光 器的入射面(11)、出射面(13)和反射面(12)所合圍的空間是封閉或者不封閉的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件，包括楔形的聚光器與光伏電池，該聚光器包括入射面、反射面、出射面及充滿上述各面合圍空間內(nèi)的透明物質(zhì)，光伏電池設(shè)置在所述出射面上，光伏電池的受光面與聚光器的出射面相對(duì)，聚光器的楔形面由底邊、側(cè)邊及頂邊相互連接合圍構(gòu)成，其中，底邊、側(cè)邊及頂邊分別位于所述反射面、出射面及入射面上，所述楔形面的底邊由一段直線和一段向外凸出的曲線組成，所述直線所處的反射面為平面，所述曲線所處的反射面為曲面，所述曲面與出射面相接，使折射到曲面上的光線直接被反射到出射面上。與普通楔形聚光器相比，本發(fā)明改進(jìn)型靜態(tài)低倍楔形聚光光伏組件具有更高聚光比，從而提高光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)光伏技術(shù)的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L31/0232GK101752442SQ20091021387
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者梁齊兵, 沈輝, 舒碧芳, 葛文君, 鄭海興, 陳美園 申請(qǐng)人:中山大學(xué)