專利名稱：改進型平板式光伏換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進的太陽能聚集器。涉及一種純光學的收集手段，與光伏接收器件的材料與性能無關(guān)?？膳c任何光伏接收器件匹配。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今人們漸漸建立起對優(yōu)勢能源進行開發(fā)利用的期望。由于使用過程中不伴隨產(chǎn)生污染，太陽能技術(shù)顯得尤其受歡迎，然而由于光入射到地球表面的能量密度很低，而光伏接收器件的價格昂貴，使得直接用光伏接收器做太陽能發(fā)電的一次性投資遠遠超過其它發(fā)電方法。但是，由于太陽能發(fā)電有它不可代替的優(yōu)點，在一些特別的應用中，例如人造衛(wèi)星及高山氣象站，它仍是唯一選擇。對于較大規(guī)模的太陽能發(fā)電，一般的對策是使用日光聚集器，用折射或反射手段將大面積的日光聚集在很小面積的接收器上。這樣就大大地降低了接收器的費用。然而高倍的聚焦帶來了追蹤太陽方位的需要，越是高倍的聚焦需要越是精密的追蹤設(shè)備。因此，高倍的聚焦只適用于大規(guī)模(千瓧級)的設(shè)施。對于中，小規(guī)模的太陽能發(fā)電，門檻高是目前最大的障礙。在一次性投資集極端不利的條件下，平板式光伏轉(zhuǎn)換器仍然發(fā)展了許多應用領(lǐng)域。列如氣象站，訊號指示燈，概念性的節(jié)能建筑，等等?？梢?，如果將平板式光伏組轉(zhuǎn)換器的一次性投資降下來，同時增加它的適應性，將可以大大拓廣它的應用范疇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種平板式光伏換能器、尤其是小聚光倍數(shù)但靜止的聚集器， 為中，小規(guī)模的太陽能發(fā)電設(shè)備的成本降低門檻。最主要對象是可以是裝在或代替屋頂?shù)奶柲馨l(fā)電設(shè)備。本發(fā)明的設(shè)計在于利用太陽運行規(guī)律的特殊性。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種平板式光伏換能器，在平面上均勻布置反光槽，反光槽底部為吸光槽，用于安裝光伏接收器件，反光槽二側(cè)反射膜的截面為雙曲線。槽底部雙曲線之間是平板狀的接收器；或者是反光槽兩側(cè)反射膜的截面為直線，反光槽的截面構(gòu)成梯形， 相應在槽底部的接收器截面的形狀為圓弧形或直線(平面的光接收器)的光接收器。尤其是由多個(平行)單元反射槽構(gòu)成平板式光伏換能器。接收器截面的形狀為圓弧形的接收器是圓柱形接收器，圓弧是向內(nèi)凸出的。均勻的平行反光槽內(nèi)嵌入或填充透明材料，構(gòu)成平板狀。每個單元的反射槽，其截面如圖1 (a、b)所示，二種反射槽截面各有所長。這二種反射槽截面的共同點是反射膜截面與接收器截面都為平面幾何學中的相互正交曲線。這種相互正交關(guān)系使得在用幾何光學做光反射分析時大大地減少了計算量。當然，可用的幾何面很多，這里只介紹了理論計算方便的二種。其他是設(shè)計需要做更繁復的計算。圖2顯示了陽光在不同的角度進入聚光槽后被導向接受器的情況。反光槽的構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)是將反射膜嵌入或填入透明平板狀材料(玻璃或有機玻璃)內(nèi)部，構(gòu)成平板狀的成品，平板狀看作由條狀單元均勻組成，條狀單元是在東西方向分布的。
本發(fā)明的技術(shù)方案是使用截面為雙曲線形的反光槽，反光槽的底部是光接收器截面，反光槽底部可以是平面，也可以是曲面，在此反光槽的兩側(cè)槽涂有反射層，反射層尤其是金屬反射層。根據(jù)入射到反光層的光線的延長線要與構(gòu)造的曲線相切，可求得所構(gòu)造曲線的參數(shù)，從而確定其形狀，為使得經(jīng)反光槽反射后二次入射的入射光也可以與所構(gòu)造光線相切，可以反過來確定截面的雙曲線參數(shù)，利用這樣的方法可以根據(jù)接受角度的需要搭建合適的太陽能收集器。對于已經(jīng)確定的雙曲線，可以在其上選擇不同的高度(包括寬度) 或位置，這樣反光槽的接受面和底部面積比值就可調(diào)，從而聚光度可調(diào)。反光槽可以用透明物質(zhì)來進行填充，此透明物質(zhì)可以是玻璃、塑料等介電常數(shù)大于一的材料，而對于反光槽的反射金屬則是選用銀、鋁等，反射涂層也可以是多多層介質(zhì)膜，反射效率更高。用于日光采集器的反光槽的底部可以根據(jù)底部的形狀銜接有平板狀的或者曲面狀的光電池等光敏裝置；制備均勻條狀反光槽且在底部安裝光電池的專門平板結(jié)構(gòu)的光電池組件，從而更充分地利用從底部收集的光線以產(chǎn)生電力。相應在槽底部的光接收器截面的形狀為平面時，光接收器的中央加一直立雙面接收器部分，直立雙面接收器的高度短于光接收器的寬度，以增加光的接收。整個光接收器截面成為一倒T字型結(jié)構(gòu)，尤其是反光槽截面為直線時更好?？梢詫⒁幌盗械倪@樣的太陽能采集器集成到一塊板上，形成一個整體的太陽能收集板，這樣的收集板可以擁有最大的陽光收集密度。全面積的本發(fā)明平板在接受效率和總能量上優(yōu)現(xiàn)有的純?nèi)矫娴奶柲芙M件。本發(fā)明可以根據(jù)所需接受的光線角度來搭建太陽能收集器，不需要去追蹤太陽的移動，且其聚光度可調(diào)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在東西方向不試圖聚集而在南北方向用反射膜聚集陽光到光伏接收器上。本發(fā)明聚集倍數(shù)的年平均只有大約三倍。但與同樣受光面積的平板式接收器相比，只用三分之一面積的接收器所能得到的電能卻略多于三倍。原因是半導體光伏接收器都有一個共同特征，就是它們的轉(zhuǎn)換效率都與受光強度有關(guān)連。在光強度增高三倍時它們的轉(zhuǎn)換效率都能提高約5-6%。本發(fā)明最終成品呈板狀，與平板式光伏轉(zhuǎn)換器相同，最適合于代替屋頂?shù)慕ú?。因為它是靜止的，完全不需要追蹤設(shè)備，與平板式接收器有同樣使用方便的優(yōu)點。但是它的聚集倍數(shù)使它有成本上的優(yōu)越性。1.本發(fā)明是平板型光伏換能器的改進型，因此繼承了平板型光伏轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點。2.減少了半導體換能器(接收器或光伏電池)面積2/3左右，大大地降低了成本。3.在相同的受光面積條件下，相比較平板光伏轉(zhuǎn)換器只采用1/3面積的接收器或光伏電池可以多得到5 6 %的電能。4.與相同的半導體換能器面積平板型光伏轉(zhuǎn)換器相比，可以得到3倍左右的電能。5.所有光學反射面都由透明材料密封，不受氣候侵襲。6.所有暴露的面積均為透明介質(zhì)(玻璃、高分子透光材料等)，有較大的耐磨及防水性，可以直接代替房頂材料。7.對與陽光入射方向，與平板型光伏轉(zhuǎn)換器相比較，有較大的適應性。8.可以設(shè)計為半靜止式，以半年調(diào)節(jié)一次方向增加的維護支出，可以獲得再增加1倍電能的效益。


圖1、顯示本發(fā)明兩種平板式光伏轉(zhuǎn)換器的改進方案，其中圖Ia反射膜1為雙曲面，光伏換能器2為平面。設(shè)雙曲面截面之方程為雙曲線χ2/ a2+y2/b2 = 1而其中a，b必須滿足a2+b2= 1，則選定H與W就定了 a與b。圖中的長度單位為雙曲線兩個焦點之間距離的二分之一。圖Ib反射膜為平面，光伏換能器為園柱面。我們用園柱的半徑為圖中的長度單位。以園心為坐標原點，若反射膜右上角的坐標為X，y則H，W與X，y的關(guān)系為W = 2x ；
H = y-Xl^x2 +/。反射膜與換能器呈長槽狀嵌入透明材料內(nèi)部，反射膜的內(nèi)外均嵌入透
明材料，然后集合成為一塊大的均勻材料平板3。圖2、分別表示本發(fā)明兩種反光膜設(shè)計(雙曲面圖2a、2b、2c、2d和平面圖&、2f、 2g、2h)在日光與其法線偏離3°、8°、14°、23.44°日光進入聚光槽后反射的情況。其中，圖2^加是3°是正午日光在春(秋)分與其前后12天的偏差的度數(shù)；圖2b、2f是8°是正午日光在春(秋)分與其前后32天的偏差的度數(shù)；圖2c、2g是14°是正午日光在春(秋)分與其前后58天的偏差的度數(shù)；圖2d、》!是23. 44°是正午日光在春(秋)分與冬(夏)至的偏差的度數(shù)，也是日光最大的偏差。圖3、是兩種反光膜設(shè)計(雙曲面圖3a與平面圖3b)聚光倍數(shù)年平均的等高線圖， 橫坐標是聚光器單元的寬度W，縱坐標是聚光器單元的高度H，H與W的定義見圖1的說明。兩種設(shè)計所達到的最高效益相同。在高、寬比比較小時，雙曲面型的效益略有優(yōu)勢。圖4、曲線表示該換能器的聚光倍數(shù)與南北方向陽光入射角的關(guān)系[采用圖3 (a) 中”Α”點參數(shù)(寬=0. 3，高=2. 8)所得改進型平板光伏換能器的特性圖]。圖中陰影部分為陽光南北方向變化的范圍(士23. 44度)。圖5、兩種反光膜設(shè)計(雙曲面圖fe和平面圖5b)聚光倍數(shù)半年(春分至秋分) 平均等高線圖，在高、寬比比較大的時候，得到的聚光倍數(shù)比年平均的等高線圖(圖3)高出一倍。圖中橫坐標為聚光器單元的寬度，縱坐標為聚光器單元的高度。圖6中為了增強接收器的效率，可以改變接收器形狀的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖6a顯示了截面為雙曲線反射膜設(shè)計的光線反射狀況，圖6b是圖6a的底部的詳細圖；圖6c顯示了將接收器形狀改變后的情況，圖6d顯示了另一種設(shè)計的光線反射狀況，圖6e是圖6d的詳細圖；圖6f顯示將圓柱面接收器改成平面接收器的結(jié)構(gòu)，圖6f中加一直立接收器4部分，直立的高度與圖6d中圓弧高度相近，最好是相等，直立接收器是雙面接收器，接收器截面為T型。圖7、通過改變反射面的形狀，可以使日光聚集器獲得最佳的受光方向。以適應不同緯度地區(qū)或不同坡度房頂?shù)陌惭b。其中箭頭表示最佳受光方向。
具體實施例方式如圖1所示。為了說明反射膜構(gòu)成的反射槽的形狀，反光槽截面為口大底部小的喇叭型。不妨把平板狀的成品看作由條狀單元組成(反光槽安裝時平行于東西方向)。每個單元的反射膜制成槽狀，其截面如圖1(圖la、b)所示，有二種式樣。二種式樣各有所長。 第一種式樣反射膜截面為雙曲線。槽底部截面為雙曲線的反光膜之間是平板狀的接收器， 一般而言，雙曲線采用共焦雙曲線，兩側(cè)雙曲線可以采用不同偏心率的雙曲線。(接收器的形狀又有幾種變化，見下述)第二種式樣反射膜截面為直線，而接收器截面為圓弧。這二種式樣的共同點是反射膜截面與接收器截面都為平面幾何學中的相互正交曲線。這種相互正交關(guān)系使得在用幾何光學做光反射分析時大大地減少了計算量。當然，可用的幾何面很多，這里只介紹了理論計算方便的二種。其他是設(shè)計需要做更繁復的計算。1、反射槽的結(jié)構(gòu)有多種方式，如金屬或塑料片制成槽形，在其反光平面鍍或貼反射膜層，反光槽的內(nèi)外均填充或嵌入透明材料，如玻璃、PMMA、PC或PS等透明塑料。在平面上均勻平行的布置反光槽，反光槽截面為口大底部小的喇叭型，反光槽底部為吸光槽位置， 用于安裝光伏接收器件，反光槽側(cè)反射膜截面可以為雙曲線，槽底部雙曲線之間是平板狀的光電接收器；或者是反光槽(反射膜)截面為直線，構(gòu)成梯形的直線，相應在槽底部的接收器截面的形狀為圓弧形或直線；接收器截面的形狀為圓弧形時，則可以是幾塊平行條狀光電接收器排列成截面為圓弧形，圓弧形在槽底是向內(nèi)凸起的。將反射槽嵌入或填充透明平板狀材料(槽內(nèi)外均充填滿玻璃或有機玻璃等高分子透明材料)內(nèi)部，構(gòu)成平板狀的成品，平板狀看作由條狀單元均勻組成，條狀單元是在東西方向分布的。反光槽的槽壁涂有反射涂層，反光槽制備好后用透明的玻璃或塑料填充，如通過平板擠塑工藝進行。吸光槽的底部位置為平面，用于放置平板狀的光伏接收器件。吸光槽的底部為曲面，結(jié)合有曲面狀的光伏接收器件，或條狀拼成。η條槽平行集成構(gòu)成一平板形成密度最大的聚光板。反光槽的高度會大概決定板的厚度，根據(jù)圖3和圖1的定義，本發(fā)明可以選擇板厚 0. 1至6厘米的厚度即大致是反光槽的高度，根據(jù)圖3選擇聚光倍數(shù)，設(shè)計槽底寬度。屋頂板的厚度尤其可以是1. 5至4厘米。截面為雙曲線反光槽或梯形的直線反射槽的中線與平面板的垂直線設(shè)有角度，角度根據(jù)安裝斜面而定。使安裝后反射槽的中線對應著太陽的方向。圖2顯示了陽光在不同的角度進入聚光槽后被導向接受器的情況。2.年平均聚光倍數(shù)的計算對于以上的每一種式樣，每一組參數(shù)(高與寬)的選擇，我們都可以計算聚光倍數(shù)，即受光面積與接收器面積的比。根據(jù)太陽在一年當中方位的變化，我們還可以計算聚光倍數(shù)的年平均。圖3以等高線圖來表達年平均聚光倍數(shù)與設(shè)計參數(shù)的關(guān)系(高H與寬W的定義參照圖1的說明)。因本發(fā)明只涉及光的聚集，與光伏接收器件的效率無關(guān)，因此這些圖適用與任何光伏接收器。須要指出，圖3(a)中的A點似乎是低倍數(shù)完全靜止式聚集器的最佳參數(shù)。相應此點參數(shù)反射膜截面與接收器截面如圖4所示，根據(jù)圖3的計算聚光倍數(shù)， 即受光面積與接收器面積的比，可以獲得無限的實施方式。當然膜的實際反射率會有下降， 與理論的聚光度略有差距。但本發(fā)明的實施依據(jù)可以確立。3.半固定式聚光倍數(shù)的計算
如果說為了完全靜止的要求而犧牲了太多的聚集倍數(shù)。則可以考慮一個折中的方案。如果考慮可以每半年以人工方式調(diào)整接收器的受光方向，則我們可以計算半年聚光倍數(shù)的平均。如圖5a、b所示均是本發(fā)明的實施例。我們注意到平均聚光倍數(shù)增加了超過一倍。每半年調(diào)整一次應該不是太大的代價，因為它可以跟正常的維護或清潔工作相結(jié)合。當然還可以考慮更頻繁的調(diào)整次數(shù)，但是高聚光倍數(shù)也會帶來高反射損失。圖6給出為了增強接收器的效率，可以改變接收器形狀的結(jié)構(gòu)，即在槽底的，圖6c顯示了將接收器形狀改變后的情況，反光槽至少一側(cè)反光膜的下端部與槽底亦設(shè)計有光接收器5，實施例中是二側(cè)，則此光接收器與反光槽底光接收器的截面為梯形。圖6c是截面為雙曲線形的反光槽，圖6c的結(jié)構(gòu)同樣可以適用于圖6e和圖6f的結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)光接收器總體上比底面平面的接收效率略高。圖6f中加一直立接收器部分，直立的高度與圖6d中圓弧高度相近，最好是相等， 直立接收器是雙面接收器，接收器截面為T型，既增加受光效率，重要的是簡化制作工藝。4.多次反射的考慮反光槽的反射金屬則是選用銀、鋁等，反射涂層也可以是多層介質(zhì)膜，反射效率更高，鍍膜的結(jié)構(gòu)和工藝均是現(xiàn)有成熟的技術(shù)。在以上聚光倍數(shù)的計算中，我們把反射效率假定為100%。這當然是不現(xiàn)實的。如果說每次反射的損失是15%，則在平均聚光倍數(shù)為3 的接收器，其平均反射次數(shù)約為0. 67，反射的損失應當是10%。對平均聚光倍數(shù)為7的接收器，則反射的損失就會增加到。更高的聚光倍數(shù)則反射的損失就會增加得更快，成冪數(shù)關(guān)系。因此，高聚光倍數(shù)的設(shè)計必須對反射膜的反射效率有很好的控制。前面提到半固定反射聚光器可以以人工方式調(diào)整接收器的受光方向來提高聚光倍數(shù)。但是高聚光倍數(shù)也會帶來高反射損失。多於半年一次的調(diào)整是否有實在經(jīng)濟利益必須依照反射膜的反射特性來做分析后決定。5.接收器入射角的考慮本發(fā)明采用的非成象式聚光方法使得一些經(jīng)過多次反射才抵達接收器的光線，在抵達時有很大的入射角。這一點對接收器的要求是很高的。為了適應不能滿足高入射角的接收器不妨改變接收器型狀。以增加接收器面積的代價來彌補。圖6顯示了兩種方案。具體的方案必須在知道接收器特性后做分析決定。6.制造工藝本發(fā)明的原理是純幾何光學，因此，每個單元的尺寸有很大的自由度。整個板狀的成品由單元組成，自由度更大。完全可以由采取的工藝來決定。一個直接的方案是以透明材料制成長條狀，長條狀的四個面分別為入射面、兩個反射面和接收器面，兩個反射面鍍上反射膜。接受面可以安裝光伏換能器或直接在該面鍍薄膜光伏換能器。然后，排列成平板狀，以相同材料填入換能器之間的空隙，以增加機械強度和密封性。本方案所要求的工藝比較普通平板型光伏換能器要高，制備成組件有多種結(jié)構(gòu)，比如是將反光槽平面板先擠好，最后安裝光伏電池組件，構(gòu)成本發(fā)明組件。7.適應屋頂坡度的考慮一個平板式光伏接收器的最佳受光方向就是它的法線方向。作為一個固定的光伏轉(zhuǎn)換器或接收器，它的取向應當是一年當中陽光的平均方向。這個方向就是自天頂在子午面內(nèi)向南旋轉(zhuǎn)與當?shù)氐木暥认嗟鹊慕嵌取Ｒ虼?，若將一個平板式光伏接收器直接鋪設(shè)在屋頂上來獲取電能，則屋頂?shù)姆ň€必須朝著或接近這個方向。否則須要用支架來調(diào)整方向，因而提高了成本及維護需求。本發(fā)明的接收器在這一點比平板接收器較有優(yōu)勢。本發(fā)明接收器的反射膜構(gòu)成的反射槽可以在制造過程中調(diào)整方向使它的最佳受光方向偏離它的法線， 如圖7所示。這樣，本發(fā)明接收器就可以直接鋪設(shè)在更多的屋頂上。
圖中數(shù)字均參見圖1的說明。
權(quán)利要求
1.一種平板式光伏換能器，其特征是在平面上均勻布置反光槽作為日光采集器，反光槽底部為吸光槽，用于安裝光伏接收器件，反光槽截面為口大底部小的喇叭型；反光槽二側(cè)反射膜的截面為雙曲線。槽底部雙曲線之間是平板狀的光伏接收器；或者是反光槽兩側(cè)反射膜的截面為直線，反光槽的截面構(gòu)成梯形，相應在槽底部安裝截面形狀為圓弧形或直線的光接收器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板式光伏換能器，其特征是在反光槽內(nèi)嵌入或填充透明材料，構(gòu)成平板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平板式光伏換能器，其特征是此日光采集器的反光槽的底部根據(jù)底部的形狀銜接有平板狀的或者曲面狀的光電池等光敏裝置構(gòu)成專門平板結(jié)構(gòu)的光電池組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平板式光伏換能器，其特征是反光槽的槽壁涂有銀、鋁或多層介質(zhì)反射涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平板式光伏換能器，其特征是反光槽截面為直線，在槽底部的光接收器截面的形狀為平面時，光接收器的中央加一直立雙面接收器部分，直立雙面接收器的高度短于光接收器的寬度，增加光的接收，整個光接收器截面成為一倒T字型結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平板式光伏換能器，其特征是反光槽至少一側(cè)反光膜的下端部與槽底亦設(shè)計有光接收器，此光接收器與反光槽底光接收器的截面面梯形。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的平板式光伏換能器，其特征是反光槽至少一側(cè)反光膜的下端部與槽底亦設(shè)計有光接收器，此光接收器與反光槽底光接收器的截面面梯形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平板式光伏換能器，其特征是截面為雙曲線反光槽或梯形的直線反射槽的中線與平面板的垂直線設(shè)有角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的平板式光伏換能器，其特征是截面為雙曲線反光槽或梯形的直線反射槽的中線與平面板的垂直線設(shè)有角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平板式光伏換能器，其特征是板厚0.1至6厘米。
全文摘要
改進型平板式光伏換能器，在平面上均勻布置反光槽作為日光采集器，反光槽底部為吸光槽，用于安裝光伏接收器件，反光槽截面為口大底部小的喇叭型；反光槽二側(cè)反射膜的截面為雙曲線。槽底部雙曲線之間是平板狀的光伏接收器；或者是反光槽兩側(cè)反射膜的截面為直線，反光槽的截面構(gòu)成梯形，相應在槽底部安裝截面形狀為圓弧形或直線的光接收器。本發(fā)明在光強度增高三倍時它們的轉(zhuǎn)換效率都能提高約5-6％。本發(fā)明最終成品呈板狀，與平板式光伏轉(zhuǎn)換器相同，最適合于代替屋頂?shù)慕ú摹?br> 文檔編號H02N6/00GK102315796SQ20111011880
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者郭保光 申請人:郭保光