專利名稱：一種高光效聚光型太陽能發電系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及太陽能發電技術，尤其涉及一種高光效聚光型太陽能發電系統。
背景技術：
現今市場上有多種太陽能光伏技術，太陽能作為一種干凈的可再生能源。傳統光伏系統的重要組成單位是太陽能電池。太陽能電池通過某些特殊材料如硅或硒中的光電現象把光能轉化為電能。當太陽光線射到太陽能電池上的時候，電子被“刺激”而成為“自由電子”，并在外部電路中流動從而形成電流。傳統太陽能電池通常分兩類晶態硅電池和薄膜電池，晶態硅電池還可以進一步分為單晶硅電池和多晶硅電池；薄膜電池包括非晶硅電池、銅銦鎵二硒太陽能電池(CIS) 和鎘碲薄膜太陽能電池(CdTe )。太陽能電池的性能可由“能量轉換效率”來表達，即太陽光能轉化為電能的轉化效率。早期的硅電池只有大概百分之幾的轉化效率，現今傳統太陽能電池轉化效率只能達到20%，而采用傳統太陽能電池的光伏系統的轉換效率最多只有17%。為了使系統獲得較高的電能，傳統光伏系統通常會使用大量的太陽能電池，系統的使用占地空間也會成倍擴大。在當前光伏材料短缺而導致成本上升的情況下，為了減少使用光伏系統中的光伏材料，并且提高光伏系統效率，近幾年研發出一種新型高聚度光伏技術。該技術通常采用多接面聚光型太陽能電池、高聚光透鏡和太陽光追蹤器的組合，其太陽能轉化效率高達31%-40. 7%。多接面聚光型太陽能電池必須要在位于高聚光透鏡焦點附近時才能發揮功能，因此為使模塊總是朝向太陽的方位，必須搭配使用太陽追蹤系統。此設計雖然可以提高轉換效率，但卻存在透鏡及太陽光追蹤系統的重量及體積較大等問題，且絕大部分系統在追蹤太陽光時所需運動幅度和范圍很大，并消耗不少因擺動重型系統而所需的能量，不適用于一般住宅屋頂，更難以推廣運用于地域面積有限的地區的高層建筑屋頂。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在于，多接面聚光型太陽能電池必須要在位于高聚光透鏡焦點附近時才能發揮功能，需要模塊總是朝向太陽的方位，必須搭配使用太陽追蹤系統，但存在透鏡及太陽光追蹤系統的重量及體積較大等問題，且絕大部分系統在追蹤太陽光時所需運動幅度和范圍很大，并消耗不少因擺動重型系統而所需的能量，不適用于一般住宅屋頂，針對現有技術的上述缺陷，提供一種高光效聚光型太陽能發電系統。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種高光效聚光型太陽能發電系統，包括至少一個能獨立工作的高光效聚光型太陽能發電模組，高光效聚光型太陽能發電模組包括用于將太陽光聚焦于焦點上的高聚度太陽能收集單元，設于高聚度太陽能收集單元光路的焦點上、將高聚度太陽能收集單元所聚焦的太陽光進行聚光并將光能轉換為電能的太陽能聚光及能量轉換單元、以及控制太陽能聚光及能量轉換單元位于焦點上的太陽能聚光軌跡預測單元。[0009]優選的，所述太陽能聚光軌跡預測單元可同時控制多個高光效聚光型太陽能發電模組的太陽能聚光及能量轉換單元。優選的，所述高聚度太陽能收集單元包括位于同一光路且相互平行的第一非球面菲涅耳透鏡和第二非球面菲涅耳透鏡。第一非球面菲涅耳透鏡的第一個面為平面、第二個面為非曲面菲涅耳面；第二非球面菲涅耳透鏡的第一個面為非曲面菲涅耳面、第二個面為平面。優選的，所述第一非球面菲涅耳透鏡的非曲面菲涅耳面與所述第二非球面菲涅耳透鏡的非曲面菲涅耳面相距一定距離相對設置。優選的，所述太陽能聚光及能量轉換單元包括將高聚度太陽能收集單元所聚焦的太陽光進行聚光的太陽能聚光透鏡，以及與所述太陽能聚光透鏡緊密貼合將太陽能聚光透鏡所聚焦的光能轉換為電能的多接面聚光型太陽能電池。 優選的，所述太陽能聚光軌跡預測單元包括供太陽能聚光及能量轉換單元自動沿著XY軸做線性運動的水平與垂直線性運動軌道、給所述太陽能聚光及能量轉換單元運動提供動力的馬達、存儲太陽光軌跡的太陽光聚光軌跡數據庫、以及根據太陽光聚光軌跡數據庫存儲的太陽光軌跡給馬達發送控制信號的控制器。優選的，所述太陽光聚光軌跡數據庫存儲有至少一個地區的365組該地區的每日太陽光聚光預測軌跡和12組該地區的每月太陽光聚光預測軌跡。優選的，每組每日太陽光聚光預測軌跡包括上午9點正至下午4點正每間隔15分鐘I個坐標點的29個XY坐標點；每組每月太陽光聚光預測軌跡包括12個微調角度。本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統包括四個高光效聚光型太陽能發電模組，朝南方向安裝于建筑頂層平臺、或陽光不會被遮擋的平地。實施本實用新型的高光效聚光型太陽能發電系統，具有以下有益效果采用獨特設計的光學組件配合太陽光聚光預測軌跡，使整個系統在運行過程中不需每時每刻大面積大幅度擺動，并獲得極高的能量轉換效率，且系統無需占用大面積空間。
下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中圖I是本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統實施例的內部結構示意圖；圖2是本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統實施例的外部結構示意圖；圖3是本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統實施例的高光效聚光型太陽能發電模組示意圖；圖4是本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統實施例的太陽能聚光軌跡預測單元示意圖；圖5、6是本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統實施例的每日太陽光聚光預測軌跡示意圖；圖7是本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統實施例的每日太陽能聚光及能量轉換單元的預測軌跡示意圖；圖8、9是本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統實施例的每月太陽光聚光預測軌跡示意圖；[0026]圖10是本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統實施例的每月高光效聚光型太陽能發電系統的預測軌跡示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進一步詳細說明。如圖1、2所示，一種高光效聚光型太陽能發電系統，包括至少一個能獨立工作的高光效聚光型太陽能發電模組，高光效聚光型太陽能發電模組包括用于將太陽光聚焦于焦點上的高聚度太陽能收集單元1，設于高聚度太陽能收集單元I光路的焦點上、將高聚度太陽能收集單元I所聚焦的太陽能進行聚光并將光能轉換為電能的太陽能聚光及能量轉換單元2、以及控制太陽能聚光及能量轉換單元2位于焦點上的太陽能聚光軌跡預測單元 3。其中，太陽能聚光軌跡預測單元可同時控制多個高光效聚光型太陽能發電模組的太陽能聚光及能量轉換單元。上述三個單元根據特定的尺寸要求安裝成一個高光效聚光型太陽能發電模組。本實用新型高光效聚光型太陽能發電系統，包括四個高光效聚光型太陽能發電模組。當然，也可按照實際需要選用任意個高光效聚光型太陽能發電模組并將其組裝成一個大型的高光效聚光型太陽能發電系統。如圖3所示，高聚度太陽能收集單元I包括位于同一光路且相互平行的的第一非球面菲涅耳透鏡11和第二非球面菲涅耳透鏡12。其中，第一非球面菲涅耳透鏡11的第一個面為平面、第二個面為非曲面菲涅耳面；第二非球面菲涅耳透鏡12的第一個面為非曲面菲涅耳面、第二個面為平面。第一非球面菲涅耳透鏡11和第二非球面菲涅耳透鏡12的材料選用德國EvonikIndustries專業運用于太陽能技術的ACRYLITE，其形狀為正方形，大小為300mmX 300mm，鏡片厚度分別約為15mm和18mm。經過光學設計軟件LightTools設計、模擬并優化，高聚度太陽能收集單元I的光學效率最高可達90%。另外，第一非球面菲涅耳透鏡11的非曲面菲涅耳面與第二非球面菲涅耳透鏡12的非曲面菲涅耳面相距一定距離相對設置，當該一定距離為105mm時，若有平行光線(假設太陽光線為平行光線)垂直(O度)入射第一非球面菲涅耳透鏡11的平面，平行光線會在穿過高聚度太陽能收集單元I后距離第二非球面菲涅耳透鏡12的平面約280mm平面的中心形成焦點；若平行光線相對第一非球面菲涅耳透鏡11的30度角入射，則平行光線可在穿過高聚度太陽能收集單元I后距離第二非球面菲涅耳透鏡12的平面約190_平面的邊緣形成焦點；以此類推，若平行光線在介于O度與30度間任意角度射入第一非球面菲涅耳透鏡
11的平面，平行光線都可在穿過透鏡組后距離第二非球面菲涅耳透鏡12的平面約280mm至190mm之間的平面的上形成焦點。因此，高聚度太陽能收集單元I也可稱為多焦點式非球面菲涅耳透鏡組。如圖3所示，太陽能聚光及能量轉換單元2包括將高聚度太陽能收集單元I所聚焦的太陽光進行聚光的太陽能聚光透鏡21，以及與太陽能聚光透鏡21緊密貼合將太陽能聚光透鏡21所聚焦的光能轉換為電能的多接面聚光型太陽能電池22。其中，太陽能聚光透鏡21的材料為BK7，透鏡直徑為20mm，厚度約為15mm。經過光學設計軟件LightTools設計、模擬并優化。太陽能聚光透鏡21的第一個面為球面，第二個面為平面，與多接面聚光型太陽能電池22緊密貼合。多接面聚光型太陽能電池22采用德國AZURSPACE的3C40C型電池。電池有效工作區域面積為100mm2，太陽能轉化電能效率為37%。整個太陽能聚光及能量轉換單元2將放置在不同角度的平行光線穿過高聚度太陽能收集單元I后的不同焦點處，以保證聚焦后的平行光線經過太陽能聚光透鏡21后可以均勻分布在多接面聚光型太陽能電池22的工作區域內。高聚度太陽能收集單元I中的多焦點式非球面菲涅耳透鏡組的面積約為太陽能聚光及能量轉換單元2中多接面聚光型太陽能電池22工作區域面積的500倍，故高光效聚光型太陽能發電模組稱為500倍高光效聚光型太陽能發電模組，高光效聚光型太陽能發電系統稱為500倍高光效聚光型太陽能發電系統。使用500倍高聚度太陽能收集單元I可使IOOmm2的多接面聚光型太陽能電池22吸收到與50000mm2的多接面聚光型太陽能電池22相同量的太陽光線，從而減少使用多接面聚光型太陽能電池22，大幅度降低系統成本。
·[0037]太陽能聚光軌跡預測單元3包括供太陽能聚光及能量轉換單元2自動沿著XY軸做線性運動的水平與垂直線性運動軌道31、給太陽能聚光及能量轉換單元2運動提供動力的馬達32、存儲太陽光軌跡的太陽光聚光軌跡數據庫(圖未示出)、以及根據太陽光聚光軌跡數據庫存儲的太陽光軌跡給馬達32發送控制信號的控制器33。如圖4、5、6所示，太陽光聚光軌跡數據庫存儲有至少一個地區(如香港地區)的365組該地區的每日太陽光聚光預測軌跡和12組該地區的每月太陽光聚光預測軌跡。其中，每組每日太陽光聚光預測軌跡包括上午9點正至下午4點正每間隔15分鐘I個坐標點的29個XY坐標點；每月太陽光聚光預測軌跡包括12個微調角度Θ。當然，系統若要使用于其他地區，需要重新編排當地太陽光聚光軌跡數據。所有預測軌跡都經過LightTools的太陽追蹤功能進行精確的分析及模擬，并配合使用當地天文臺提供的該地區太陽照射角度、運行軌跡與日照量等數據，使模塊或系統中的多接面聚光型太陽能電池22能根據每組太陽光聚光預測軌跡有效的收集到所有太陽光聚光。每日太陽運動軌跡都在偏南的方位由東向西運行，若高光效聚光型太陽能發電系統按照圖6中參考坐標擺放，太陽每天由東邊升起，上午9點正時，太陽光線以大約正30度角入射高聚度太陽能收集單元1，在190_處形成焦點，經過太陽能聚光透鏡21后均勻分布在多接面聚光型太陽能電池22上，轉化為電能；同樣，到中午12點半，太陽光線以大約O度角入射高聚度太陽能收集單元I ;到下午4點正，太陽位置偏西，太陽光線以大約負30度角入射高聚度太陽能收集單元I。一年365天整個運行過程中的29X365=10585個XY坐標點都按日期順序儲存在太陽光聚光軌跡數據庫中，并由控制器33給予馬達信號，太陽能聚光及能量轉換單元2可自動沿著XY軸做線性運動到達指定時間的指定坐標點，實現每日太陽光聚光自動捕捉。對于大型高效能聚光型太陽能發電系統，控制器33和馬達32的電力可由系統自身產生的電力供給。由于馬達在上午9點正至下午4點正每間隔15分鐘才會有一次運動，且其推動的太陽能聚光及能量轉換單元2重量極輕，故馬達32可選用較低耗電量的配置。如圖7、8、9所示，每月太陽光聚光預測軌跡包括12個微調角度Θ。每日太陽軌跡會隨著天氣的寒暑轉換而南北移動，根據LightTools的太陽追蹤功能的分析及仿真所得，高光效聚光型太陽能發電系統需要每隔I個月沿著南北方向做一次微調。若高光效聚光型太陽能發電系統如圖9中參考坐標擺放，在一月份時的每日太陽軌跡為偏南約Θ =46°的位置，到六月和七月份時，每日太陽軌跡在偏南約Θ =0°的位置，達到十二月份，每日太陽軌跡再次回到偏南約Θ =46°的位置。一年12次的微調可由手動實現，也可根據不同地區的實際情況決定每隔幾個月進行一次微調。高光效聚光型太陽能發電系統朝南方向安裝于建筑頂層平臺、或陽光不會被遮擋的其他任意平地，使高聚度太陽能收集單元能正確收集到每日太陽光。安裝完成后，按月份微調系統偏南Θ角度，并開啟太陽光聚光軌跡預測單元中的控制器，系統便可自動收集太 陽能，整個系統的能量換率最高可達33. 3% (不計其他電子部件的損耗)。此外，本實用新型是通過實施例進行描述的，但本實用新型不局限于實施例。本領域技術人員知悉，在不脫離本實用新型的范圍情況下，可以進行各種改變。
權利要求1.一種高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，包括至少一個能獨立工作的高光效聚光型太陽能發電模組，所述高光效聚光型太陽能發電模組包括用于將太陽光聚焦于焦點上的高聚度太陽能收集單元(1)，設于所述高聚度太陽能收集單元(I)光路的所述焦點上、將所述高聚度太陽能收集單元(I)聚焦的太陽光進行聚光并將光能轉換為電能的太陽能聚光及能量轉換單元(2)，以及控制所述太陽能聚光及能量轉換單元(2)位于所述焦點上的太陽能聚光軌跡預測單元(3)。
2.根據權利要求I所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，所述太陽能聚光軌跡預測單元(3)可同時控制多個所述高光效聚光型太陽能發電模組的所述太陽能聚光及能量轉換單元(2)。
3.根據權利要求I所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，所述高聚度太陽能收集單元(I)包括位于同一光路且相互平行的第一非球面菲涅耳透鏡(11)和第二非球面菲涅耳透鏡(12)。
4.根據權利要求3所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，所述第一非球面菲涅耳透鏡(11)的第一個面為平面、第二個面為非曲面菲涅耳面；所述第二非球面菲涅耳透鏡(12)的第一個面為非曲面菲涅耳面、第二個面為平面；所述第一非球面菲涅耳透鏡(11)的非曲面菲涅耳面與所述第二非球面菲涅耳透鏡(12)的非曲面菲涅耳面相距一定距尚相對設置。
5.根據權利要求I所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，所述太陽能聚光及能量轉換單元(2)包括將所述高聚度太陽能收集單元(I)所聚焦的太陽光進行聚光的太陽能聚光透鏡(21)，以及與所述太陽能聚光透鏡(21)緊密貼合將所述太陽能聚光透鏡(21)所聚焦的光能轉換為電能的多接面聚光型太陽能電池(22)。
6.根據權利要求I所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，所述太陽能聚光軌跡預測單元(3)包括供所述太陽能聚光及能量轉換單元(2)自動沿著XY軸做線性運動的水平與垂直線性運動軌道(31)、給所述太陽能聚光及能量轉換單元(2)運動提供動力的馬達(32)、存儲太陽光軌跡的太陽光聚光軌跡數據庫、以及根據所述太陽光聚光軌跡數據庫存儲的太陽光軌跡給所述馬達(32 )發送控制信號的控制器(33 )。
7.根據權利要求6所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，所述太陽光聚光軌跡數據庫存儲有至少一個地區的365組所述地區的每日太陽光聚光預測軌跡和12組所述地區的每月太陽光聚光預測軌跡。
8.根據權利要求7所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，每組所述每日太陽光聚光預測軌跡包括上午9點正至下午4點正每間隔15分鐘I個坐標點的29個XY坐標點；每組所述每月太陽光聚光預測軌跡包括12個微調角度。
9.根據權利要求I所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，所述高光效聚光型太陽能發電系統包括四個高光效聚光型太陽能發電模組。
10.根據權利要求I或9所述的高光效聚光型太陽能發電系統，其特征在于，所述高光效聚光型太陽能發電系統朝南方向安裝于建筑頂層平臺、或陽光不會被遮擋的平地。
專利摘要本實用新型公開了一種高光效聚光型太陽能發電系統，包括至少一個能獨立工作的高光效聚光型太陽能發電模組，高光效聚光型太陽能發電模組包括用于將太陽光聚焦于焦點上的高聚度太陽能收集單元(1)，設于高聚度太陽能收集單元(1)光路的所述焦點上、將高聚度太陽能收集單元(1)所聚焦的太陽能進行聚光并將光能轉換為電能的太陽能聚光及能量轉換單元(2)、以及控制太陽能聚光及能量轉換單元(2)位于焦點上的太陽能聚光軌跡預測單元(3)。采用獨特設計的光學組件配合太陽光聚光預測軌跡，使整個系統在運行過程中不需每時每刻大面積大幅度擺動，并獲得極高的能量轉換效率，且系統無需占用大面積空間。
文檔編號H01L31/052GK202616271SQ20122024989
公開日2012年12月19日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者周圣胤, 王智才, 黃駿業, 雷致行 申請人:香港生產力促進局