專利名稱：一種波長(zhǎng)選擇性廣角聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波長(zhǎng)選擇性廣角聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)及其方法，屬于太陽(yáng)能利用中的聚光光伏(CPV)發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能光伏發(fā)電是前景廣闊的新能源，但發(fā)電成本居高不下導(dǎo)致光伏發(fā)電難以大規(guī)模普及應(yīng)用。導(dǎo)致光伏發(fā)電成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)能源的主要原因在于三個(gè)方面:太陽(yáng)能的能源密度太低；光伏電池所采用的半導(dǎo)體材料成本及加工成本較高；光電轉(zhuǎn)換效率低下。近年來(lái)，人們?yōu)榻档凸夥牧系闹苽浜图庸こ杀具M(jìn)行了卓有成效的努力，也不斷致力于光電轉(zhuǎn)換效率的提升，兩方面的成就是巨大的，但即使這樣，光伏發(fā)電仍然比傳統(tǒng)能源發(fā)電成本高出許多，于是聚光光伏成為進(jìn)一步降低光伏發(fā)電成本的主要途徑。光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的能量來(lái)源于太陽(yáng)能電池表面上所獲得的輻射，因此太陽(yáng)能電池的發(fā)電量取決于兩方面:首先，用于獲得太陽(yáng)輻射的太陽(yáng)能電池表面積越大，太陽(yáng)能電池的光電流越大；其次，在太陽(yáng)能光電池所接受的輻照度飽和值以內(nèi)，太陽(yáng)能電池的光電流始終隨輻照度的增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)。由于太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料比如硅晶片的價(jià)格較高，因此如果希望降低太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的造價(jià)及發(fā)電成本，提高太陽(yáng)能光電池所接受的輻照度就成為必然的選擇，所謂的聚光太陽(yáng)能技術(shù)就是這樣一種方法，把大面積的太陽(yáng)光聚集在一個(gè)小面積的娃晶片表面上來(lái)實(shí)現(xiàn)提高太陽(yáng)能光電池所接受的輻照度。聚光光伏的思想就是增加太陽(yáng)能電池上照射的太陽(yáng)光強(qiáng)度，使得同樣面積的半導(dǎo)體材料提供更多的電能，而增加的聚光裝置的成本要低于所節(jié)約的光伏電池的成本，從而在整體上降低了光伏發(fā)電的成本。聚光光伏發(fā)電在光學(xué)上普遍米用兩種光學(xué)模式；一種是反射式聚光，另一種是透射式聚光，透射式聚光通常采用菲涅爾透鏡。但上述兩種通常采用的光學(xué)聚光模式，均存在兩個(gè)弊端:首先，聚光后，必須采用高精度的跟蹤追日，一般用單軸或兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)跟蹤日光，增加了設(shè)備裝置的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)造價(jià)和維護(hù)成本；第二，聚光后，電池表面入射光強(qiáng)度增加，導(dǎo)致光伏電池溫度升高，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效果，還縮短電池使用壽命?，F(xiàn)今的所有光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)都是把太陽(yáng)能電池組件組成太陽(yáng)能電池方陣，根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)入射傾角，太陽(yáng)能電池方陣傾斜安裝保證太陽(yáng)輻射垂直入射太陽(yáng)能電池方陣。若想保證電池隨時(shí)有良好的發(fā)電條件，不僅要隨時(shí)調(diào)整太陽(yáng)能電池方陣，保持向日跟蹤以保證接受太陽(yáng)輻射而且太陽(yáng)能電池方陣的對(duì)地傾角要從冬到夏、從早到晚都要連續(xù)不斷地調(diào)整。這樣的自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)電池方陣需要一定的能量維持其動(dòng)作，一般會(huì)使工程投資、后期維護(hù)、方陣占地都大幅度增加，達(dá)到了不經(jīng)濟(jì)的地步。聚光光伏需要高精度的跟蹤向日，而平板型太陽(yáng)電池方陣的對(duì)地傾角也有三種固定方式:固定式(不調(diào)整的)、一年兩次(春分、秋分)調(diào)整、一年四次(春分和秋分、夏至和冬至)，也就是說現(xiàn)今的平板太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)為了維持成本的經(jīng)濟(jì)性不得不犧牲發(fā)電條件，因此必然帶來(lái)發(fā)電效率的下降，是兩種成本權(quán)衡下的對(duì)策。
如上所述調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池方陣的仰角和保持太陽(yáng)能電池方陣向日跟蹤的目的就是為了保證太陽(yáng)輻射垂直入射太陽(yáng)能電池方陣，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池系統(tǒng)工作條件最優(yōu)化。因此只有在免調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池方陣的仰角和免向日跟蹤的同時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池系統(tǒng)工作條件最優(yōu)化，才能夠在降低成本的同時(shí)提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，其經(jīng)濟(jì)意義就十分重要。光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)所需依據(jù)的理論，就太陽(yáng)輻射計(jì)算來(lái)說一般遵照三個(gè)基本定律:太陽(yáng)福射的直散分離原理、布格-朗伯定律(Bouguer-Lambert Law)、余弦定律。所謂太陽(yáng)輻射的直散分離原理就是:太陽(yáng)總輻射等于直接輻射和散射輻射之和。散射輻射是太陽(yáng)輻射經(jīng)空氣中的水蒸氣、二氧化碳、塵埃、氣溶膠和云等散射的輻射。散射輻射沒有方向性，即射向各個(gè)方向，這種輻射經(jīng)過物體遮擋不形成明顯的影子。散射輻射與直接輻射的強(qiáng)度大小和所處的地點(diǎn)(經(jīng)緯度)、季節(jié)、地面海拔高度以及時(shí)間相關(guān)。在晴朗的天氣下，散射輻射占總輻射的10% -20%左右；但在多云天氣，散射輻射可以高達(dá)100%。一天中散射輻射占總輻射的比例也可能有較大的變化。對(duì)于當(dāng)前的光伏系統(tǒng)而言，由于只有垂直入射的輻射和較小入射角的離軸輻射可以被太陽(yáng)能電池硅晶片吸收，而大入射角的離軸輻射會(huì)被太陽(yáng)能電池硅晶片反射掉而不會(huì)產(chǎn)生光電流，因此在這些計(jì)算中是不考慮大角度離軸輻射的。但在我國(guó)東部地區(qū)，煤炭等化石能源賦存不足，用電需求量較大，本來(lái)是光伏發(fā)電大有作為的地區(qū)，但由于一年中空氣濕度較大、云量較多，散射輻射占比例較高，在傳統(tǒng)光伏發(fā)電技術(shù)條件下，這些東部地區(qū)難以通過光伏實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)和居民生活的供電。由于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能夠利用的散射輻射只能是較小入射角(一般小于5度)的離軸輻射，因此光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常不考慮大入射角的離軸輻射，由此計(jì)算出總輻射中，直接輻射大約是小入射角散射輻射的5倍。由于一般散射輻射是均勻分布的，空間180度范圍內(nèi)的總散射輻射實(shí)際上大約是小入射角(一般小于5度)光束散射輻射的18倍，也就是說總散射輻射是直接輻射的2-3倍。已有光學(xué)科技工作者根據(jù)理論模型計(jì)算得到:太陽(yáng)的直接輻射大約占太陽(yáng)總輻射32%、散射輻射大約占太陽(yáng)總輻射68%。因此如果能設(shè)計(jì)一種把全部散射輻射都利用的光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，而不是像現(xiàn)在僅僅接受垂直入射的輻射和較小入射角的離軸輻射的光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，那么在不改變其它元器件的條件下光電流也就是發(fā)電能力就可以提高3倍，這樣可以降低發(fā)電成本。一般的光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)電池光電轉(zhuǎn)換率僅僅在20%，其余80%的入射能量大部分轉(zhuǎn)化為熱。如果設(shè)計(jì)一種利用全部散射輻射的光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，由于入射輻射總量增加3倍，那么產(chǎn)生的熱也會(huì)增加3倍，沒有有效的散熱器件，太陽(yáng)能電池晶片的工作溫度將急劇升高?，F(xiàn)有的太陽(yáng)能電池，溫度每升高I攝氏度，功率減少0.35%，功率的減少實(shí)際上就是光電轉(zhuǎn)換效率的降低，也就是提高了成本。如果采用散熱器件，也將提高成本，一般是在兩種成本間進(jìn)行權(quán)衡。更有效的方法是提高光電轉(zhuǎn)換效率，減少熱的產(chǎn)生。圖1所示為硅太陽(yáng)能電池相對(duì)光譜響應(yīng)曲線，一般說來(lái)硅太陽(yáng)能電池對(duì)于波長(zhǎng)小于250nm的紫外光和波長(zhǎng)大于1150nm的紅外光沒有反應(yīng)，響應(yīng)峰值在800-900n范圍內(nèi)，響應(yīng)峰值由太陽(yáng)能電池制造工藝和材料電阻率決定。如果對(duì)太陽(yáng)能電池的入射輻射光譜進(jìn)行過濾或者用電子技術(shù)的術(shù)語(yǔ)“選頻”，只保留700-900nm的近紅外光，從硅太陽(yáng)能電池相對(duì)光譜響應(yīng)曲線可以看到理論上太陽(yáng)能電池的的光電轉(zhuǎn)換效率將遠(yuǎn)高于全頻譜的20 %左右，那么入射輻射能量最多也只有少量轉(zhuǎn)化為熱。與普通的80%的入射能量大部分轉(zhuǎn)化為熱的現(xiàn)有太陽(yáng)能電池系統(tǒng)相比，波長(zhǎng)選擇是革命性的進(jìn)步。更為重要的是只使用700-900nm的紅外光，需要用到光學(xué)濾波的器件或材料，可以將對(duì)電池PN結(jié)有害的射線粒子完全過濾掉，這也將延長(zhǎng)太陽(yáng)能電池的壽命。所有采用聚光技術(shù)的系統(tǒng)由于對(duì)入射光的聚集，投射在焦面時(shí)光束是匯聚的，如果太陽(yáng)能電池晶片就放在焦面上，那么除了垂直入射的光束和較小入射角的離軸光束可以使太陽(yáng)能電池晶片產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換外，大入射角的離軸光束就會(huì)被晶片反射而不會(huì)產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換。因此，如果聚光系統(tǒng)不對(duì)聚焦的光束進(jìn)行光路準(zhǔn)直校正，即使有較大的聚光比例，大多數(shù)匯聚的光線也不會(huì)參與光電轉(zhuǎn)換過程。對(duì)匯聚的光束進(jìn)行光路準(zhǔn)直校正一般是采用反射或折射的方法，在光束反射或折射時(shí)如果配合采用光學(xué)選通濾波膜就可以優(yōu)選某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光而把其它波長(zhǎng)范圍的光消去，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)選光電轉(zhuǎn)換效率高范圍內(nèi)的光線來(lái)參與光電轉(zhuǎn)換，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。光線波長(zhǎng)選擇利用的是調(diào)整光學(xué)增透膜、增反膜的材料、層數(shù)、厚度等參數(shù)，有選擇地使某些波長(zhǎng)的光在光學(xué)增透膜、增反膜界面產(chǎn)生相消干涉或相長(zhǎng)干涉，即可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇，光學(xué)術(shù)語(yǔ)為“濾波”或“選頻”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種波長(zhǎng)選擇性廣角聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)及其方法，可以有效增加光伏電池表面入射光強(qiáng)度，同時(shí)避免光伏電池的顯著升溫，大幅度降低光伏發(fā)電成本。本發(fā)明提供一種聚光光伏單元，包括:曲面微透鏡陣列100，其中包含多個(gè)透鏡單元101，所有透鏡單元101的焦點(diǎn)重合，形成主焦點(diǎn)；漏斗狀光錐200，為具有中空空腔的臺(tái)體202，中空空腔202的上口徑大于下口徑，中空空腔202的內(nèi)側(cè)面203為高斯曲面組合，主焦點(diǎn)位于漏斗狀光錐200的中心對(duì)稱軸上，經(jīng)過曲面微透鏡陣列100的入射光線經(jīng)內(nèi)側(cè)面203反射后，以比相對(duì)于中心對(duì)稱軸的入射角更小的出射角從漏斗狀光錐200的下口射出；光伏電池500，其受光面垂直于中心對(duì)稱軸設(shè)置在漏斗狀光錐200的下口的下方；波長(zhǎng)選擇層300，附著于漏斗狀光錐200的內(nèi)側(cè)面203，波長(zhǎng)選擇層300對(duì)該光伏電池500的高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的入射光全反射，而對(duì)低響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的入射光全透射出漏斗狀光錐200。聚光光伏單元，還包括準(zhǔn)直光纖束400，位于漏斗狀光錐200的下口與光伏電池之間，且漏斗狀光錐200的射出光線入射準(zhǔn)直光纖束400中，光伏電池500的受光面接收從準(zhǔn)直光纖束400中出射的光線。聚光光伏單元的準(zhǔn)直光纖束400的主軸線與漏斗狀光錐200的中心對(duì)稱軸線重
八
口 o聚光光伏單元的曲面微透鏡陣列100呈球面的空間分布，或呈橢球面的空間分布，或呈雙曲面的空間分布，或呈拋物面的空間分布，或上述各面的組合形狀。聚光光伏單元的多個(gè)透鏡單元101的大小是均一的，或者是位于曲面微透鏡陣列100的中部的透鏡單元的直徑較大而位于曲面微透鏡陣列100的邊緣的透鏡單元101的直
徑較小。聚光光伏單元的中空空腔202為圓臺(tái)或棱臺(tái)結(jié)構(gòu)。
聚光光伏單元所定義的高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍是指位于光伏電池500的光譜響應(yīng)曲線的峰值波長(zhǎng)入p的0.7 1.2倍的波長(zhǎng)范圍；低響應(yīng)波長(zhǎng)范圍是指小于入p的0.7倍或大于Xp的1.2倍的波長(zhǎng)范圍。聚光光伏單元的高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍是700_900nm的波長(zhǎng)范圍。聚光光伏單元的波長(zhǎng)選擇層300是濾光膜或?yàn)V光涂層。聚光光伏單元的在準(zhǔn)直光纖束400與光伏電池500之間布置有光學(xué)濾波層450，該光學(xué)濾波層450允許高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的入射光透過。聚光光伏單元的曲面微透鏡陣列100的視場(chǎng)角為165度。聚光光伏單元的曲面微透鏡陣列100的凸面的表面積為光伏電池500的受光面的多倍，實(shí)現(xiàn)聚光效果。聚光光伏單元的漏斗狀光錐200設(shè)置在曲面微透鏡陣列100的正下方，準(zhǔn)直光纖束400位于漏斗狀光錐200的正下方，三者之間彼此連接或留存一定的間隙，其中曲面微透鏡陣列100、漏斗狀光錐200、和準(zhǔn)直光纖束400的中心對(duì)稱軸線均保持重合。本發(fā)明還提供由聚光光伏單元組成的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，一般包括多個(gè)聚光光伏單元，并且排布在一起，其中的光伏電池彼此串聯(lián)或并聯(lián)。聚光光伏單兀的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中，多個(gè)聚光光伏單兀以不追蹤陽(yáng)光移動(dòng)和不調(diào)節(jié)對(duì)日仰角的方式固定至地面或地面附屬物。本發(fā)明還提供了一種根據(jù)上述裝置，進(jìn)行聚光光伏單元的光伏發(fā)電的方法，其中，包括下述步驟:I)采集直射、散射和/或折射光線進(jìn)入到曲面微透鏡陣列100的凸面一側(cè)；2)經(jīng)過曲面微透鏡陣列100的透鏡單元101折射，以不同入射角進(jìn)入到漏斗狀光錐200的中空空腔302，少部分光線直接通過漏斗狀光錐200的中空空腔202，經(jīng)過準(zhǔn)直光纖束400照射到光伏電池500，其余大部分光束首先照射到漏斗狀光錐200的內(nèi)側(cè)面203，高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的光線被波長(zhǎng)選擇層300全反射，低響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的光線被波長(zhǎng)選擇層300全透射出漏斗狀光錐200，全反射的光線經(jīng)過內(nèi)側(cè)面203的高斯曲面的一次或多次反射后，光線與漏斗狀光錐200的中心對(duì)稱軸的夾角變小，再經(jīng)過準(zhǔn)直光纖束400，成為平行光或接近平行光，最終垂直或接近垂直照射到光伏電池500表面；3)在光伏電池500中產(chǎn)生光電流而發(fā)電。采用上述聚光光伏單元進(jìn)行光伏發(fā)電的方法，其中，步驟2中還包括:少部分光線經(jīng)過準(zhǔn)直光纖束400后，還通過光學(xué)濾波層450照射到光伏電池500，其中光學(xué)濾波層450允許高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的入射光透過。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)弊端，所提出的單元中包含了曲面微透鏡陣列，可以在免跟蹤的靜態(tài)安裝條件下不僅對(duì)直射光而且同時(shí)對(duì)折射光和散射光進(jìn)行廣角采集，包含了波長(zhǎng)選擇層，只截取對(duì)光伏電池光電轉(zhuǎn)換最有利的優(yōu)勢(shì)波長(zhǎng)光線照射光伏電池，另外漏斗狀光錐配合準(zhǔn)直光纖束對(duì)各種入射角度的光線進(jìn)行準(zhǔn)直校正，成為均勻分布的垂直光線，入射到光伏電池。整個(gè)系統(tǒng)輸入的光福射的面積遠(yuǎn)大于光伏電池的表面積，實(shí)現(xiàn)聚光功能。由于上述技術(shù)方案的使用，本發(fā)明具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。下面闡述本發(fā)明所依據(jù)的基本理論、現(xiàn)實(shí)條件以及帶來(lái)的進(jìn)步效果:1、包含折射光、散射光的全效采集和光束大角度采集:曲面微透鏡陣列采用了球面外輪廓的微透鏡陣列，宏觀上球面形狀的外形和微觀上球面形狀的微透鏡可以采集大角度的入射光線，具有全輻射采集光線的功能，從仿生學(xué)角度看，類似昆蟲的復(fù)眼結(jié)構(gòu)，能夠接受大視場(chǎng)角的光輻射，可以達(dá)到165度的視場(chǎng)角，甚至更大。這是本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)免向日跟蹤的技術(shù)基礎(chǔ)。一般光伏電池只有在直射光的照射下，才會(huì)產(chǎn)生光電流。本發(fā)明由于米用了曲面微透鏡陣列，可以將折射光、散射光等斜射光都采集進(jìn)來(lái)，配合漏斗狀光錐的內(nèi)側(cè)面反射，再通過準(zhǔn)直光纖束進(jìn)一步準(zhǔn)直校正，將斜射光準(zhǔn)直為垂直光伏電池的光束，實(shí)現(xiàn)了直射光、折射光、散射光的全效采集，而普通平板光伏電池只能接受垂直入射光線，普通聚光光伏裝置也只能采集對(duì)于第一聚光器垂直入射的光線。在不同的氣象條件、地理?xiàng)l件下，直射光只占總的陽(yáng)光輻射能量的一部分，其余的折射光、散射光攜帶了相當(dāng)比例的輻射能量，因而本發(fā)明提高了光伏電池可用的輻射能量。通常觀點(diǎn)認(rèn)為日照條件較差的地區(qū)，云霧水汽對(duì)日光散射較大，散射輻射占據(jù)了陽(yáng)光輻射能的很大比例，本發(fā)明可以有效地將散射輻射收集進(jìn)而光伏轉(zhuǎn)化，因此對(duì)日照等氣象條件有更高的適應(yīng)性。2、免跟蹤:一般聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)需要高精度的跟蹤日光的裝置，通常是雙軸系統(tǒng)。每天從上午到中午到下午，發(fā)電系統(tǒng)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)水平旋轉(zhuǎn)，同時(shí)調(diào)整仰角。即使單軸跟蹤系統(tǒng)，除了每天不同時(shí)刻進(jìn)行水平轉(zhuǎn)動(dòng)，也需要隨著季節(jié)調(diào)整系統(tǒng)對(duì)日的仰角。本發(fā)明中，上述效果使得能夠?qū)崿F(xiàn)165度大視角光采集，因此該裝置可以無(wú)需跟蹤陽(yáng)光就可以獲得比較好的太陽(yáng)光輸入，省去了復(fù)雜的跟蹤機(jī)構(gòu)以及運(yùn)行期間的維護(hù)。3、波長(zhǎng)選擇、減少光伏電池升溫:每一種光伏電池都有其光譜響應(yīng)特征，即光伏電池對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光線的光子會(huì)產(chǎn)生不同的光電流，據(jù)此繪出該光伏電池的光譜相應(yīng)曲線，為該光伏電池的商品特征之一。如圖1所示，為硅電池的光譜響應(yīng)曲線，峰值波長(zhǎng)為
0.9 u m,即900nm。光學(xué)選通膜或者說濾波材料，已經(jīng)普遍應(yīng)用于攝錄像設(shè)備、望遠(yuǎn)鏡、激光測(cè)距儀、夜視儀等，成為商品化的光學(xué)材料，可以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)某一波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的光束實(shí)現(xiàn)全透過，而對(duì)于另外某一波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的光束實(shí)現(xiàn)全反射，通過材料組合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的選擇性透過或選擇性反射。例如波長(zhǎng)選擇層對(duì)于700nm至900nm的光束實(shí)現(xiàn)全反射，這一波長(zhǎng)范圍的光束最終通過漏斗狀光錐準(zhǔn)直后，垂直入射到硅電池表面，實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率要大于硅電池在全光譜范圍內(nèi)的20%左右的光電轉(zhuǎn)換效率，在光輻射轉(zhuǎn)化成電能的比例升高的同時(shí)，光輻射轉(zhuǎn)化成熱能的比例相應(yīng)下降，使得光伏電池溫度沒有明顯升高，降低了聚光后需要加強(qiáng)電池散熱的要求。同時(shí)，波長(zhǎng)選擇還可以濾除對(duì)光伏電池產(chǎn)生損傷的射線粒子，延長(zhǎng)電池服役壽命。4、光束準(zhǔn)直:入射到漏斗狀光錐中空空腔的光線，其中符合波長(zhǎng)選擇范圍的光線，被內(nèi)側(cè)面表面專門設(shè)計(jì)的高斯曲面進(jìn)行一次或多次反射，光線與漏斗狀光錐的中心軸線的夾角逐漸變小，再經(jīng)過準(zhǔn)直光纖束的進(jìn)一步校正準(zhǔn)直，最終以垂直或接近垂直的平行光入射到光伏電池表面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射到漏斗狀光錐中空空腔的入射光線的準(zhǔn)直效果。漏斗狀光錐內(nèi)側(cè)面的高斯曲面的設(shè)計(jì)基于非球面光學(xué)專業(yè)知識(shí)，通常使用光學(xué)軟件來(lái)協(xié)助完成設(shè)計(jì)，例如ZEMAX軟件、CodeV軟件等。5、聚光效應(yīng):曲面微透鏡陣列的米光表面積,遠(yuǎn)大于光伏電池面積,形成聚光效應(yīng)。


圖1為硅電池相對(duì)光譜響應(yīng)曲線；圖2a為一種曲面微透鏡陣列示意圖；圖2b為六角形透鏡單元呈六角對(duì)稱分布的曲面微透鏡陣列；圖3為系統(tǒng)靜態(tài)示意圖；圖4為漏斗狀光錐內(nèi)側(cè)面局部放大示意圖；圖5為大范圍入射角光路示意圖。圖中部件編號(hào)100——曲面微透鏡陣列101——透鏡單元200——漏斗狀光錐201——漏斗狀光錐體202——中空空腔203-內(nèi)側(cè)面230——高斯曲面組合的痕跡線300——波長(zhǎng)選擇層400——準(zhǔn)直光纖束450——光學(xué)濾波材料500——光伏電池
具體實(shí)施例方式本發(fā)明具體系統(tǒng)裝置如圖3系統(tǒng)靜態(tài)示意圖所示。由圖2a和2b可以看到整個(gè)曲面微透鏡陣列100的透鏡單元101的形狀可以是六邊形，也可以是四邊形、圓形、矩形或其它形狀，空間分布也可以多種變化。根據(jù)整個(gè)曲面微透鏡陣列的口徑和透鏡單元數(shù)目很容易計(jì)算出透鏡單元口徑。本發(fā)明設(shè)計(jì)、計(jì)算了曲面微透鏡陣列的曲面曲率，使得整個(gè)曲面微透鏡陣列的全部透鏡單元組合本質(zhì)上等同于一個(gè)大凸透鏡，這樣就使得所有的透鏡單元的焦點(diǎn)重合在一起，這就可以保證來(lái)自不同透鏡單元的入射輻射聚焦在一起。太陽(yáng)每日早晨從東方升起晚上在兩方落下，因此不但太陽(yáng)直射輻射的方位角時(shí)時(shí)刻刻在變化，太陽(yáng)直射輻射的入射角也在變化。根據(jù)中午時(shí)分的太陽(yáng)直射輻射的入射角和方位角(一般取春分日或秋分日的數(shù)據(jù))，本發(fā)明的曲面微透鏡陣列中心垂直于入射太陽(yáng)直射輻射安裝，那么每日從早到晚不同時(shí)刻太陽(yáng)直射輻射投射在曲面微透鏡陣列上的軌跡是一條雙曲拋物線。在中午太陽(yáng)直射輻射垂直投射在曲面微透鏡陣列中心的透鏡單元上，但在其它的透鏡單元上太陽(yáng)直射輻射卻是傾斜投射；而其它時(shí)刻太陽(yáng)直射輻射則是隨機(jī)地垂直投射在某一垂直于太陽(yáng)直射輻射的透鏡單元上，同時(shí)傾斜投射在其它透鏡單元上。這樣在每一時(shí)刻都能接受太陽(yáng)直射輻射，再加上微透鏡陣列可以采集大角度的散射輻射，因此就不再需要隨時(shí)調(diào)節(jié)微透鏡陣列相對(duì)于太陽(yáng)的方位角和對(duì)日仰角，可以在全天實(shí)現(xiàn)免跟蹤接受太陽(yáng)輻射。至于一年中由于每日太陽(yáng)對(duì)地傾角的變化，相對(duì)于春分、秋分的對(duì)地傾角也只是更高或更低，具體到本發(fā)明中的曲面微透鏡陣列所變化的只是代表太陽(yáng)直射輻射投射軌跡的雙曲拋物線向更高或更低方向移動(dòng)而已，具體說就是垂直于太陽(yáng)直射輻射的透鏡單元不同而已，沒有本質(zhì)的不同。因此這一曲面微透鏡陣列并不需要每日調(diào)整對(duì)地傾角，也就是說不僅不需要向日跟蹤，也不需要調(diào)整仰俯角，真正實(shí)現(xiàn)任何時(shí)刻免跟蹤接受太陽(yáng)直射輻射。如圖5所示的整個(gè)單元的光路，曲面微透鏡陣列安裝完成后，不僅能接受到太陽(yáng)直接輻射而且也接受空中的散射、折射輻射，這些散射、折射輻射或垂直入射或傾斜入射地投射在微透鏡陣列的不同透鏡單元上。無(wú)論是太陽(yáng)直接輻射還是散射、折射輻射經(jīng)由不同的透鏡單元的聚焦最后聚焦在微透鏡陣列的主焦點(diǎn)上，投射在微透鏡陣列上的輻射幾乎全部被接受。入射的太陽(yáng)光照射在整個(gè)曲面微透鏡陣列100表面，部分垂直入射到曲面微透鏡陣列對(duì)稱中心處透鏡單元的入射光經(jīng)透鏡單元折射后，沿曲面微透鏡陣列100對(duì)稱軸進(jìn)入漏斗狀光錐200中空空腔202，通過準(zhǔn)直光纖束400，照射在位于在準(zhǔn)直光纖束400與光伏電池500之間的光學(xué)濾波材料450。光學(xué)濾波材料450能使波長(zhǎng)介于相應(yīng)峰值波長(zhǎng)入p的
0.7倍至1.2倍波長(zhǎng)的光束完全透過而照射到光伏電池500，同時(shí)使波長(zhǎng)小0.7倍X p和波長(zhǎng)大于1.2倍X p的光束全反射，不照射到光伏電池500表面。具體到硅光電池，取高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍700-900nm，使該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光照射到光伏電池500表面。波長(zhǎng)小于700nm和波長(zhǎng)大于900nm的光被濾掉。斜射到其它透鏡單元的入射光經(jīng)透鏡單元折射后大部分光束并不平行曲面微透鏡陣列100的對(duì)稱軸，只有某些特定入射角的光束被折射成平行于曲面微透鏡陣列100的對(duì)稱軸的離軸光束，這些光束一樣最后直接通過漏斗狀光錐200中空空腔202、準(zhǔn)直光纖束400、光學(xué)濾波材料450照射到光伏電池500表面。一般不平行于曲面微透鏡陣列100的對(duì)稱軸的光束傾斜出射到曲面微透鏡陣列100的的下方，也就是射入漏斗狀光錐200中空空腔202。由于各個(gè)透鏡單元的出射光束的角度各不相同，這樣接受的太陽(yáng)光的光束方向并不相同，如果光伏電池就安放在曲面微透鏡陣列的焦點(diǎn)上，聚焦在焦面上大多數(shù)光將是傾斜投射到太陽(yáng)能電池晶片表面而不是垂直照射在太陽(yáng)能電池晶片上，這些光將被反射回去而不會(huì)參與光電轉(zhuǎn)換過程。因此如果希望入射的太陽(yáng)輻射全部參與光電轉(zhuǎn)換過程，就必須對(duì)這些光進(jìn)行光路準(zhǔn)直校正。如果這些光束的角度在43度范圍內(nèi)采用光纖即可,但現(xiàn)在光束的角度差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過43度,僅僅使用光纖是不能實(shí)現(xiàn)光束準(zhǔn)直的?？紤]到本發(fā)明對(duì)于市場(chǎng)占有率很高的晶硅電池而言，希望使用700-900nm范圍內(nèi)的近紅外光進(jìn)行太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換，這必然要對(duì)太陽(yáng)入射光譜進(jìn)行濾波處理，那么把光路準(zhǔn)直校正和入射光譜濾波組合在一起完成就更有成本上的優(yōu)勢(shì)。于是本發(fā)明選擇使用漏斗狀光錐。如圖3系統(tǒng)示意圖所示，漏斗狀光錐200位于曲面微透鏡陣列100下面，來(lái)自曲面微透鏡陣列100的光直接進(jìn)入光錐，其中來(lái)自曲面微透鏡陣列100平行于對(duì)稱軸的光束，已如上文所述不再提及。傾斜射入漏斗狀光錐200的光束，各自傾角不同。根據(jù)曲面微透鏡陣列100的接受光的空間范圍和透鏡的焦距的參數(shù)，可以很容易地計(jì)算出不同光束射入漏斗狀光錐200的位置和入射傾角。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203的不同位置加工出不同參數(shù)的高斯曲面結(jié)構(gòu)，使得傾斜入射的光線經(jīng)過在漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203的若干次反射后，準(zhǔn)直校正為小角度入射光，近似平行于漏斗狀光錐200對(duì)稱軸的平行光束，并且在垂直于漏斗狀光錐200對(duì)稱軸的平面內(nèi)光束基本均勻分布。
如圖4所示，本發(fā)明優(yōu)選的漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203高斯曲面結(jié)構(gòu)在每一局域?yàn)榍嫖⒗忡R。傾斜射入漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203某一點(diǎn)的光束的入射角各不相同，在漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203該點(diǎn)加工出曲面微棱鏡，由于漏斗狀光錐200優(yōu)選地是圓臺(tái)體，在漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203上這一曲面微棱鏡的曲面表面是一個(gè)環(huán)面，在內(nèi)側(cè)面203形成高斯曲面組合的痕跡線230。光束入射在曲面微棱鏡上，入射角大于45度的光束直接被全反射；入射角小于45度的光束折射進(jìn)入曲面微棱鏡內(nèi)部，再被棱鏡底面反射出來(lái)。根據(jù)光學(xué)理論比如使用光學(xué)軟件ZEMAX軟件、CodeV軟件計(jì)算，入射角大于45度的光束經(jīng)過3_4次反射即可校正成為偏離漏斗狀光錐200對(duì)稱軸不超過20度的近似平行光束；而入射角小于45度的光束則需要至少5-6次反射才能校正成為偏離漏斗狀光錐200對(duì)稱軸不超過20度的近似平行光束。這一近似平行光束可以采用準(zhǔn)直光纖束400進(jìn)一步校正為幾乎完全平行的光束。曲面微棱鏡230的表面是曲面，根據(jù)拉格朗日理論，用于光路校正補(bǔ)償?shù)那姹仨毷桥即吻?，本發(fā)明具體實(shí)施即是偶次曲面，曲面的具體曲率數(shù)值采用光學(xué)軟件ZEMAX軟件、CodeV軟件計(jì)算獲得。利用漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203實(shí)現(xiàn)光路準(zhǔn)直校正，其原理與通常光纖對(duì)光束的準(zhǔn)直校正過程原理相同。彎曲的光纖可將入射角各不相同的入射光線最終準(zhǔn)直為近似平行光線，從光纖中射出。關(guān)于漏斗狀光錐200及準(zhǔn)直光纖束400對(duì)光線的匯聚并進(jìn)行準(zhǔn)直的原理，在光學(xué)的著作中有詳細(xì)論述。例如美國(guó)作者W.T.Welford和R.Winston合著的光學(xué)專著《TheOptics of Nonimaging Concentrators:Light and SolarEnergy》，由 Academic Press 于1978年出版，中譯本《非成像聚光器光學(xué):光和太陽(yáng)能》(原著者W.T.威爾福德、R.維恩斯頓，王國(guó)強(qiáng)譯)由中國(guó)北京的科學(xué)出版社1987年出版發(fā)行。由于光路準(zhǔn)直校正是借助于在漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203的反射實(shí)現(xiàn)的，可以在漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203鍍或貼光學(xué)選通膜作為波長(zhǎng)選擇層，這樣在完成光路校正補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)就可以完成波長(zhǎng)選擇。通過計(jì)算設(shè)計(jì)出所用光學(xué)波長(zhǎng)選擇層材料、層數(shù)、厚度，例如選擇波長(zhǎng)在700-900nm范圍的光被全反射，而其他波長(zhǎng)范圍的光則從漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203透過，穿過漏斗狀光錐體201逸出到漏斗狀光錐200外面，這樣通過漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203的反射既實(shí)現(xiàn)了光路的準(zhǔn)直校正，也實(shí)現(xiàn)了光的波長(zhǎng)選擇。光學(xué)波長(zhǎng)選擇層的計(jì)算、設(shè)計(jì)已經(jīng)是成熟的常規(guī)方法，可以很容易實(shí)現(xiàn)。如上文所述由漏斗狀光錐200中空空腔202出射的光束并不是理想的平行光束而是離軸角20度以內(nèi)的近似平行光束，由于太陽(yáng)能電池要求垂直入射，因此還需進(jìn)一步準(zhǔn)直校正。在漏斗狀光錐200下面設(shè)置準(zhǔn)直光纖束400，可以把漏斗狀光錐200中空空腔202出射的光束進(jìn)一步校正為幾乎完全平行的光束，最終照射到光伏電池500表面。這樣入射的太陽(yáng)光照射在整個(gè)曲面微透鏡陣列100表面，經(jīng)透鏡單元折射后進(jìn)入漏斗狀光錐200中空空腔202，或直接投射到準(zhǔn)直光纖束400或經(jīng)漏斗狀光錐200內(nèi)側(cè)面203的反射校正光路和波段優(yōu)選再投射到準(zhǔn)直光纖束400，經(jīng)過光學(xué)濾波材料450最終照射到光伏電池500表面實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇廣角聚光光伏發(fā)電。盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
權(quán)利要求
1.一種聚光光伏單兀，其特征在于，包括: 曲面微透鏡陣列(100)，其中包含多個(gè)透鏡單元(101)，所有透鏡單元(101)的焦點(diǎn)重合，形成主焦點(diǎn)； 漏斗狀光錐(200)，為具有中空空腔的臺(tái)體(202)，中空空腔(202)的上口徑大于下口徑，所述中空空腔(202)的內(nèi)側(cè)面(203)為高斯曲面組合，所述主焦點(diǎn)位于所述漏斗狀光錐(200)的中心對(duì)稱軸上，經(jīng)過曲面微透鏡陣列(100)的入射光線經(jīng)內(nèi)側(cè)面(203)反射后，以比相對(duì)于中心對(duì)稱軸的入射角更小的出射角從漏斗狀光錐(200)的下口射出； 光伏電池(500)，其受光面垂直于所述中心對(duì)稱軸設(shè)置在所述漏斗狀光錐(200)的下口的下方； 波長(zhǎng)選擇層(300)，附著于漏斗狀光錐(200)的內(nèi)側(cè)面(203)，所述波長(zhǎng)選擇層(300)對(duì)該光伏電池(500)的高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的入射光全反射，而對(duì)低響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的入射光全透射出漏斗狀光錐(200)。
2.如權(quán)利要求1所述的聚光光伏單元，其特征在于，還包括: 準(zhǔn)直光纖束(400)，其位于所述漏斗狀光錐(200)的下口與所述光伏電池之間，且所述漏斗狀光錐(200)的射出光線入射所述準(zhǔn)直光纖束(400)中，光伏電池(500)的受光面接收從準(zhǔn)直光纖束(400)中出射的光線。
3.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述準(zhǔn)直光纖束(400)的主軸線與漏斗狀光錐(200)的中心對(duì)稱軸線重合。
4.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述曲面微透鏡陣列(100)呈球面的空間分布，或呈橢球面的空間分布，或呈雙曲面的空間分布，或呈拋物面的空間分布，或上述各面的組合形狀。
5.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述多個(gè)透鏡單元(101)的大小是均一的，或者是位于曲面微透鏡陣列(100)的中部的透鏡單元的直徑較大而位于曲面微透鏡陣列(100)的邊緣的透鏡單元(101)的直徑較小。
6.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述中空空腔(202)為圓臺(tái)或棱臺(tái)結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍是指位于所述光伏電池(500)的光譜響應(yīng)曲線的峰值波長(zhǎng)X p的0.7 1.2倍的波長(zhǎng)范圍；所述低響應(yīng)波長(zhǎng)范圍是指小于入P的0.7倍或大于入p的1.2倍的波長(zhǎng)范圍。
8.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍是700-900nm的波長(zhǎng)范圍。
9.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述波長(zhǎng)選擇層(300)是濾光膜或?yàn)V光涂層。
10.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，在準(zhǔn)直光纖束(400)與光伏電池(500)之間布置有光學(xué)濾波層(450)，該光學(xué)濾波層(450)允許所述高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的入射光透過。
11.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述曲面微透鏡陣列(100)的視場(chǎng)角為165度。
12.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述曲面微透鏡陣列(100)的凸面的表面積為光伏電池(500)的受光面的多倍。
13.如權(quán)利要求2所述的聚光光伏單元，其特征在于，所述漏斗狀光錐(200)設(shè)置在所述曲面微透鏡陣列(100)的正下方，所述準(zhǔn)直光纖束(400)位于所述漏斗狀光錐(200)的正下方，三者之間彼此連接或留存一定的間隙，其中曲面微透鏡陣列(100)、漏斗狀光錐(200)、和準(zhǔn)直光纖束(400)的中心對(duì)稱軸線均保持重合。
14.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一所述的聚光光伏單兀的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng),其中，包括多個(gè)聚光光伏單元，所述多個(gè)聚光光伏單元排布在一起，其中的光伏電池彼此串聯(lián)或并聯(lián)。
15.如權(quán)利要求14所述的聚光光伏單元組成的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)聚光光伏單元以不追蹤陽(yáng)光移動(dòng)和不調(diào)節(jié)對(duì)日仰角的方式固定至地面或地面附屬物。
16.一種使用根據(jù)權(quán)利要求2 13所述的聚光光伏單元進(jìn)行光伏發(fā)電的方法，其中，包括下述步驟: 1)采集直射、散射和/或折射光線進(jìn)入到曲面微透鏡陣列(100)的凸面一側(cè)； 2)經(jīng)過曲面微透鏡陣列(100)的透鏡單元(101)折射，以不同入射角進(jìn)入到漏斗狀光錐(200)的中空空腔(302)，少部分光線直接通過漏斗狀光錐(200)的中空空腔(202)，經(jīng)過準(zhǔn)直光纖束(400)照射到光伏電池(500)，其余大部分光束首先照射到漏斗狀光錐(200)的內(nèi)側(cè)面(203)，高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的光線被波長(zhǎng)選擇層(300)全反射，低響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的光線被波長(zhǎng)選擇層(300)全透射出漏斗狀光錐(200)，全反射的光線經(jīng)過內(nèi)側(cè)面(203)的高斯曲面的一次或多次反射后，光線與漏斗狀光錐(200)的中心對(duì)稱軸的夾角變小，再經(jīng)過準(zhǔn)直光纖束(400)，成為平行光或接近平行光，最終垂直或接近垂直照射到光伏電池(500)表面； 3)在光伏電池(500)中產(chǎn)生光電流而發(fā)電。
17.采用如權(quán)利要求16所述的聚光光伏單元進(jìn)行光伏發(fā)電的方法，其中，所述步驟2中還包括:所述少部分光線經(jīng)過準(zhǔn)直光纖束(400)后，還通過光學(xué)濾波層(450)照射到光伏電池(500)，其中所述光學(xué)濾波層(450)允許所述高響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的入射光透過。
全文摘要
一種波長(zhǎng)選擇性廣角聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)及其方法，采用了曲面微透鏡陣列、漏斗狀光錐實(shí)現(xiàn)對(duì)直射光、折射光、散射光的全效采集和廣角采集，并將折射光和斜射光共同準(zhǔn)直為垂直光伏電池入射的光線，免除了跟蹤追日的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。采用波長(zhǎng)選擇層，對(duì)光線進(jìn)行波長(zhǎng)選擇，濾除了導(dǎo)致光伏電池發(fā)熱升溫的波長(zhǎng)范圍的光線，只保留光伏電池響應(yīng)靈敏度高的波長(zhǎng)范圍的光線，降低了聚光條件下光伏電池散熱的要求。系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)廣角、全效、免跟蹤追日、免仰角調(diào)節(jié)、波長(zhǎng)優(yōu)選的聚光光伏功能，顯著降低光伏發(fā)電成本至常規(guī)能源的水平。
文檔編號(hào)H01L31/052GK103077990SQ20131001087
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者張萬(wàn)鈞, 劉立濤, 牛強(qiáng) 申請(qǐng)人:張萬(wàn)鈞, 劉立濤, 牛強(qiáng)