專利名稱:一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型的目的在于提供一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元，包括大面積碟式拋物面反射聚光器(1)、二次勻光處理單元(2)、鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)，鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)設(shè)置在大面積碟式拋物面反射聚光器(1)上，二次勻光處理單元(2)與鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)固定連接；鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)由上至下依次包括聚光晶硅電池陣列結(jié)構(gòu)(32)、鍥型結(jié)構(gòu)固定鑄件(31)、GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)電池陣列結(jié)構(gòu)(33)、鍥型結(jié)構(gòu)單元支撐固定結(jié)構(gòu)(34)。通過引入光譜分離技術(shù)分別針對(duì)GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽能電池陣列和晶硅太陽能電池陣列實(shí)現(xiàn)高倍聚光和低倍聚光，既保持GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)電池的高光電轉(zhuǎn)換效率，又實(shí)現(xiàn)對(duì)廣譜太陽光能量的充分吸收，有效降低太陽能電池的熱損耗。
【專利說明】一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高效太陽能光伏發(fā)電方案，尤其涉及一種大面積碟式反射聚光型太陽能光伏集成雙發(fā)電組件單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]具有低能耗、低成本、低污染特點(diǎn)的高效聚光型光伏發(fā)電技術(shù)正在成為光伏技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向，與傳統(tǒng)的晶硅光伏發(fā)電技術(shù)相比，聚光型光伏技術(shù)光電轉(zhuǎn)化效率可提高一倍。高效聚光型光伏發(fā)電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗、低成本的原因主要有兩方面:首先，聚光光伏系統(tǒng)所需要的光伏材料大大減少，用來聚光的材料如玻璃、有機(jī)高分子材料或者鐵皮、鋁片都比晶硅材料容易生產(chǎn)，成本低2個(gè)數(shù)量級(jí)；其次，在高倍聚光條件下，可以采用高科技多結(jié)光伏材料，多PN結(jié)光伏材料可以更充分的吸收太陽光能量。高倍聚光、多結(jié)光伏材料是真正體現(xiàn)高科技強(qiáng)大威力的技術(shù)，一旦進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用，高倍聚光發(fā)電成本可以低于核電和火電發(fā)電成本。
[0003]目前的聚光太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要通過菲涅耳透鏡或碟式反射鏡面實(shí)現(xiàn)入射太陽光的會(huì)聚。菲涅耳透鏡對(duì)垂直入射太陽光會(huì)產(chǎn)生較大的光損耗(30%左右)，因此會(huì)降低系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率。而對(duì)于碟式反射鏡聚光技術(shù)，通過光學(xué)鍍膜可使反射鏡面的反射率高達(dá)95%以上，可大幅提升光學(xué)處理系統(tǒng)的效率，降低入射太陽光損耗。同時(shí)，將光譜分離技術(shù)應(yīng)用在聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)中，利用分光技術(shù)將廣譜太陽光在空間位置上按波長(zhǎng)范圍進(jìn)行分離，分別用單片集成疊層三結(jié)電池陣列和傳統(tǒng)單結(jié)晶硅電池陣列進(jìn)行接收，有效地解決了目前普遍使用的GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池各PN結(jié)的電流匹配問題，降低單位面積的熱損耗，最大程度地利用太陽輻射光譜，提升系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本專利要解決的技術(shù)問題:本發(fā)明的目的就在于提供一種高效色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電方案，通過引入光譜分離技術(shù)分別針對(duì)GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽能電池陣列和晶硅太陽能電池陣列實(shí)現(xiàn)高倍聚光和低倍聚光，既保持GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池的高光電轉(zhuǎn)換效率，又實(shí)現(xiàn)對(duì)廣譜太陽光能量的充分吸收，有效降低太陽能電池的熱損耗，同時(shí)針對(duì)上述兩種聚光太陽能電池陣列設(shè)計(jì)有效的水制冷散熱單元，顯著提高聚光太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率，尤其適用于高倍聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型專利的主要目的在于提供一種大面積色散型碟式太陽能光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)方案，該方案主要針對(duì)單片集成GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽能電池的高效應(yīng)用，采用空間光譜分離技術(shù)，將太陽光譜中對(duì)應(yīng)于Ge子電池吸收譜范圍的部分光譜分離出來轉(zhuǎn)由晶硅電池接收，降低三結(jié)電池片的熱損耗，同時(shí)通過引入高效集成的水制冷散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高接收組件的光伏轉(zhuǎn)換效率。
[0006]為達(dá)成上述目的，本實(shí)用新型應(yīng)用的技術(shù)方案是:
[0007]一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元，包括大面積碟式拋物面反射聚光器(1)、二次勻光處理單元(2)、鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)，鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)設(shè)置在大面積碟式拋物面反射聚光器(I)上，二次勻光處理單元(2)與鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)固定連接；
[0008]所述鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)由上至下依次包括聚光晶硅電池陣列結(jié)構(gòu)(32)、鍥型結(jié)構(gòu)固定鑄件(31)、GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列結(jié)構(gòu)(33)、鍥型結(jié)構(gòu)單元支撐固定結(jié)構(gòu)
(34)。
[0009]所述聚光晶硅電池陣列結(jié)構(gòu)(32)由上至下依次包括進(jìn)出水導(dǎo)管連接
[0010]口一(325)、密封蓋板(324)、高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)一(323)、聚光晶硅電池陣列(322)、二向色帶通光學(xué)濾波片(321)，進(jìn)出水導(dǎo)管連接口一(325)與密封蓋板(324)連通。
[0011 ] 所述GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列結(jié)構(gòu)(33 )由上至下依次包括GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列(331)、高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)二(332)、進(jìn)出水導(dǎo)管連接口二(333)，進(jìn)出水導(dǎo)管連接口二(333)與鍥型結(jié)構(gòu)單元支撐固定結(jié)構(gòu)(34)連通。
[0012]所述高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)一(323)和高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)二(332)均包括多層鋸齒交錯(cuò)面板單元，使電池陣列中單個(gè)電池背面都存在一個(gè)鋸齒凹槽供水循環(huán)，在兩個(gè)水制冷散熱面板的相鄰部位通過進(jìn)出水導(dǎo)管連接口(333/325)用銅管連接形成循環(huán)水路；多個(gè)間距相同的平行鋸齒面板交錯(cuò)層迭形成供水流通結(jié)構(gòu)，兩通水口一進(jìn)一出，通過外部水泵實(shí)現(xiàn)主動(dòng)水流循環(huán)。鍥型中的兩塊散熱結(jié)構(gòu)水路循環(huán)既可以是串聯(lián)也可以是并聯(lián)。
[0013]所述大面積碟式拋物面反射聚光器(I)由相比于光伏材料非常廉價(jià)的薄鋁或鐵皮制成，并通過多個(gè)扇形拋物面結(jié)構(gòu)拼裝而成一個(gè)完整的碟式拋物面結(jié)構(gòu)，反射面通過鍍銀實(shí)現(xiàn)高反射率。
[0014]所述二次勻光單元(2)采用特定的拋物面結(jié)構(gòu)體與鍥型結(jié)構(gòu)單元光入射口大小相同的長(zhǎng)柱體作與運(yùn)算形成的幾何體，利用低鐵高透光玻璃材質(zhì)制作而成，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光線的高透射率。
[0015]按以上方案，利用大面積碟式反射鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直入射太陽光的會(huì)聚形成方形光斑，進(jìn)而使用帶通光學(xué)濾波片將會(huì)聚太陽光按波長(zhǎng)范圍分為兩束，分別由晶硅電池陣列和GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列進(jìn)行接收，并針對(duì)兩種電池陣列提供高效集成的水制冷散熱單元，有效提升組件的光伏轉(zhuǎn)換效率。
[0016]按以上方案，所述大面積碟式反射聚光器利用其反射拋物面將垂直入射的太陽光進(jìn)行反射會(huì)聚，通過二次勻光處理單元將聚焦光斑能量均勻化分布，處理后的光束再經(jīng)帶通濾光片進(jìn)行空間光譜分離，分別由晶硅電池陣列和GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列進(jìn)行接收，電池陣列下方的水制冷結(jié)構(gòu)有效降低電池工作溫度。
[0017]按以上方案，分光單元、光伏轉(zhuǎn)換單元及散熱單元均集成在一個(gè)鍥形結(jié)構(gòu)中，包括二向色帶通濾光片、晶硅電池陣列、GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列、兩種電池陣列對(duì)應(yīng)的水制冷散熱單元。
[0018]按以上方案，所述鍥形結(jié)構(gòu)利用高強(qiáng)度低鐵高透光玻璃對(duì)其光學(xué)入口進(jìn)行密封。
[0019]按以上方案，二向色帶通濾光片及其玻璃基底直接附于晶硅電池陣列表面，兩者通過高透明度的硅凝膠進(jìn)行密封封裝。濾光片基底采用高強(qiáng)度低鐵高透光玻璃。
[0020]按以上方案，將高強(qiáng)度低鐵高透光玻璃直接附于GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列，兩者通過高透明度的硅凝膠進(jìn)行密封封裝。
[0021]按以上方案，所述晶硅電池陣列和GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列均采用半導(dǎo)體封裝方案將太陽能電池與導(dǎo)熱性能良好的陶瓷覆銅DBC基板進(jìn)行集成封裝。同一電池陣列中的不同太陽能電池根據(jù)其表面接收光斑的能量分布選擇其相互之間的串/并聯(lián)電氣連接形式。兩種不同的電池陣列之間根據(jù)集成光伏接收單元對(duì)外的電氣輸出要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電流匹配或電壓匹配。
[0022]按以上方案，聚光電池陣列的陶瓷覆銅DBC基板直接作為其水冷散熱單元的蓋板，使電池陣列的高導(dǎo)熱基板與水冷散熱結(jié)構(gòu)通過密封硅膠成一體單元，能夠有效降低電池陣列溫度。
[0023]按以上方案，聚光電池陣列對(duì)應(yīng)的高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)使用外部水泵泵浦的主動(dòng)循環(huán)模式依次流過進(jìn)出水口，并根據(jù)電池陣列散熱的實(shí)際要求來控制泵浦中制冷液的流速。
[0024]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益的效果:一是無須通過改變單片集成多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)(增加特定帶隙寬度材料的PN結(jié))來降低電池內(nèi)部電流引起的熱損耗，而是引入空間光譜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)光伏高效利用；二是該色散型碟式太陽能光伏發(fā)電單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)處理方案易于實(shí)現(xiàn)，且實(shí)現(xiàn)不同太陽能電池陣列水冷單元的互通和共享，適應(yīng)面廣。

【附圖說明】

[0025]圖1是本實(shí)用新型的實(shí)物圖。
[0026]圖2是本實(shí)用新型的光線仿真圖。
[0027]圖3是本實(shí)用新型中鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)的結(jié)構(gòu)細(xì)分圖。
[0028]圖4是本實(shí)用新型的高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)整體示意圖。
[0029]圖5是本實(shí)用新型涉及到的相關(guān)電池陣列及二向色帶通光學(xué)濾波片的光譜響應(yīng)示意圖。
[0030]其中:
[0031]I一大面積碟式反射聚光器；
[0032]2—二次勻光單元；
[0033]3—鍥型結(jié)構(gòu)單元；
[0034]31—鍥型結(jié)構(gòu)固定鑄件；
[0035]32—聚光晶硅電池陣列結(jié)構(gòu)；
[0036]321—二向色帶通光學(xué)濾波片；
[0037]322—聚光晶硅電池陣列；
[0038]323—(聚光晶硅電池陣列對(duì)應(yīng)的)高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)一；
[0039]324—密封蓋板；
[0040]325—進(jìn)出水導(dǎo)管連接口一；
[0041]33—GalnP/GalnAs/Ge 三結(jié)電池陣列結(jié)構(gòu)；
[0042]331—GalnP/GalnAs/Ge 三結(jié)電池陣列；
[0043]332— (GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列對(duì)應(yīng)的)高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)二 ；
[0044]333—進(jìn)出水導(dǎo)管連接口二；
[0045]34—鍥型結(jié)構(gòu)單元支撐固定結(jié)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0047]如圖2至圖4所示，本實(shí)用新型提供一種高效色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電模組結(jié)構(gòu)，包括大面積碟式反射聚光器1、二次勻光單元2、二向色帶通光學(xué)濾波片321、聚光晶硅電池陣列322、聚光晶硅電池陣列對(duì)應(yīng)的高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)323、GaInP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列331、GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)電池陣列對(duì)應(yīng)的高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)332以及高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)的進(jìn)出水導(dǎo)管連接口 325/333，其中:
[0048]該大面積碟式反射聚光器I對(duì)垂直入射太陽光進(jìn)行全反射，在反射光線形成的焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)處放置二次勻光單元2，通過該二次勻光單元2出射的光線幾乎垂直于鍥型結(jié)構(gòu)單元光入射口平面，完全透射的光線照射到與入射光線方向成45°角的二向色帶通光學(xué)濾波片321進(jìn)行處理，最終分別由放置于透射及反射方向的聚光晶硅電池陣列322和GaInP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列331吸收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。該模型結(jié)構(gòu)緊湊，可以簡(jiǎn)化各聚光電池陣列散熱單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩陣列電池的散熱結(jié)構(gòu)可以在鍥型銜接處連通。聚光晶硅電池陣列對(duì)應(yīng)的高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)323和GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列對(duì)應(yīng)的高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)332包括多層鋸齒交錯(cuò)面板單元組合而成，使電池陣列中單個(gè)電池背面都存在一個(gè)鋸齒凹槽供水循環(huán)，在兩水制冷散熱面板的相鄰部位通過進(jìn)出水導(dǎo)管連接口333/325用銅管連接形成循環(huán)水路。
[0049]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，對(duì)所述二向色帶通光學(xué)濾波片321的光譜特性有一定的要求，其通帶波長(zhǎng)范圍必須包含于晶硅電池陣列與Ge子電池響應(yīng)光譜的重合部分。圖5給出了本實(shí)用新型涉及到的相關(guān)電池片及二向色帶通光學(xué)濾波片321的光譜響應(yīng)示意圖。由于GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池中各結(jié)子電池之間是串聯(lián)連接，因此三結(jié)電池的最終輸出電流由各結(jié)子電池中的最小電流所限制。因?yàn)镚e子電池的輸出電流一般會(huì)明顯大于其它兩結(jié)子電池的輸出電流，所以三結(jié)電池的最終輸出電流由GaInP子電池或GaInAs子電池的電流所限制，而Ge子電池多出的這部分電流將會(huì)通過串聯(lián)電阻損耗轉(zhuǎn)化為熱能，這將會(huì)導(dǎo)致電池效率降低，同時(shí)增加電池的散熱要求。解決這一問題的最佳途徑是通過帶通光學(xué)濾波片321濾掉Ge子電池的部分響應(yīng)光譜，使其電流降為三結(jié)電池的串聯(lián)輸出電流，而濾掉的光譜范圍即為二向色帶通光學(xué)濾波片321的通帶帶寬。因此需要根據(jù)GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池中Ge子電池電流與三結(jié)電池串聯(lián)限制電流之間的差值來確定光學(xué)濾波片的通帶位置及帶寬，而通過濾波片通帶濾除的光譜成分則由晶硅電池陣列吸收，保證了光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)太陽光譜的充分利用，并且顯著提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0050]綜上所述，僅為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，不以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡依本實(shí)用新型專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆為本實(shí)用新型專利涵蓋的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元，其特征在于:包括大面積碟式拋物面反射聚光器(I)、二次勻光處理單元(2)、鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)，鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)設(shè)置在大面積碟式拋物面反射聚光器(I)上，二次勻光處理單元(2)與鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)固定連接； 所述鍥型結(jié)構(gòu)單元(3)由上至下依次包括聚光晶硅電池陣列結(jié)構(gòu)(32)、鍥型結(jié)構(gòu)固定鑄件(31)、GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)電池陣列結(jié)構(gòu)(33)、鍥型結(jié)構(gòu)單元支撐固定結(jié)構(gòu)(34)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元，其特征在于:所述聚光晶硅電池陣列結(jié)構(gòu)(32)由上至下依次包括進(jìn)出水導(dǎo)管連接口一(325)、密封蓋板(324)、高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)一(323)、聚光晶硅電池陣列(322)、二向色帶通光學(xué)濾波片(321)，進(jìn)出水導(dǎo)管連接口一(325)與密封蓋板(324)連通。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元，其特征在于:所述GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列結(jié)構(gòu)(33)由上至下依次包括GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池陣列(331)、高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)二(332)、進(jìn)出水導(dǎo)管連接口二(333)，進(jìn)出水導(dǎo)管連接口二(333)與鍥型結(jié)構(gòu)單元支撐固定結(jié)構(gòu)(34)鑲嵌在一起。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元，其特征在于:所述高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)一(323)和高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)二(332)結(jié)構(gòu)相同，均包括多個(gè)間距相同的平行鋸齒面板交錯(cuò)層迭形成供水流通結(jié)構(gòu)，進(jìn)出水導(dǎo)管連接口一 (325)和進(jìn)出水導(dǎo)管連接口一(333)兩者一進(jìn)一出，通過外部水泵實(shí)現(xiàn)主動(dòng)水流循環(huán)；兩個(gè)高效集成水制冷散熱結(jié)構(gòu)的水路循環(huán)是串聯(lián)或并聯(lián)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元，其特征在于:所述大面積碟式拋物面反射聚光器(I)由薄鋁或鐵皮制成，并通過多個(gè)扇形拋物面結(jié)構(gòu)拼裝而成一個(gè)完整的碟式拋物面結(jié)構(gòu)，反射面通過鍍銀實(shí)現(xiàn)高反射率。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種色散型碟式反射聚光太陽能光伏發(fā)電組件單元，其特征在于:所述二次勻光處理單元(2)采用拋物面結(jié)構(gòu)體與鍥型結(jié)構(gòu)單元光入射口大小相同的長(zhǎng)柱體形成幾何體，利用低鐵高透光玻璃材質(zhì)制作而成，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光線的高透射率。
【文檔編號(hào)】H02S40-42GK204272008SQ201420688591
【發(fā)明者】呂輝, 盛飛, 劉 文, 鄭優(yōu), 徐少剛, 曾火根, 黃楚云, 官成鋼 [申請(qǐng)人]湖北工業(yè)大學(xué)