專利名稱：一種由小型菲涅爾透鏡陣列組成的聚光太陽能模組的制作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能發電領域，尤其涉及一種由小型菲涅爾透鏡陣列組成的聚光太陽能電池模組。
背景技術：
聚光太陽能(Concentration photovoltaic,簡稱CPV)技術是通過聚光的方式把一定面積上的光通過聚光系統會聚在一個狹小的區域(焦斑)，太陽能電池僅需焦斑面積的大小即可，從而大幅減少了太陽能電池的用量。同樣條件下，倍率越高，所需太陽能電池面積越小。光伏發電經歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池，目前產業化進程正逐漸轉向高效的CPV系統發電。與前兩代電池相比，CPV采用多結的III一V族化合物電池，具有大光譜吸收、高轉換效率等優點。CPV系統模組主要由太陽能電池、高聚光鏡面菲涅爾透鏡等光學聚光元件、太陽光追蹤器(追日系統)組成。用菲涅爾透鏡的作用就是將光線從相對較大的區域面積轉換成相當小的面積上，這種透鏡也被稱做集光器或聚光器。應用菲涅爾透鏡能夠將太陽光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面(高性能電池片)上，比傳統平板光伏(FPV)發電效率提高30%以上，滿足太陽能聚光發電的要求。菲涅爾透鏡克服了普通透鏡重量大的缺點，可省去約80%的材料成本，應用結構簡單。目前常用的聚光太陽能模組普遍采用大倍率，大尺寸的菲涅爾透鏡，以減少半導體電池片的面積。但由于大尺寸的菲涅爾透鏡的焦距也相應較長，導致模組的厚度過大。在實際應用中，聚光太陽能模組必須通過追日系統使其始終朝向太陽。大倍率的菲涅爾透鏡對追日系統的精讀要求很高。以400倍菲涅爾透鏡為例，如果入射角偏離0.5度，光學效率將降為64%，如果入射角偏離I度，光學效率將降為O。為增加對太陽光入射偏離容忍度，可在太陽能電池表面加上二次聚光透鏡，可將容忍度提高到一度。受追日系統的精度和風向等影響，聚光式太陽能模組很難達到理論設計的發光效率。另外由于追日系統在運行中為了保持對日方向準確性，需要頻繁啟動電機來調節整個太陽能模組的姿態，這樣實際消耗了相當一部分太陽能模組的輸出電力。
發明內容
為了克服現有聚光式太陽能電池的不足，本發明的目的是提供一種由小型菲涅爾透鏡陣列和簡易二次聚光透鏡組成的聚光太陽能模組。這種聚光太陽能模組的整體厚度較小，成本較低，對入射太陽光偏離的容忍度大，減少了對追日系統精度的依賴。另外由于避免了追日系統在運行中頻繁調整太陽能模組姿態，運行能耗也降低了。本發明中的單個菲涅爾透鏡尺寸在20x20mm到60x60mm之間，放大倍率在50倍到150倍之間。菲涅爾透鏡材料為透明塑料，采用注塑方式快速成型。菲涅爾透鏡依次排列在鋼化玻璃蓋板上并由環氧樹脂膠粘合，以組成透鏡陣列。
二次聚光透鏡采用一端為球面，另一端為平面的柱面鏡，直徑為:Tl2mm，長度為5 15mm，材料為玻璃。柱面鏡的生產首先采用高溫下拉制大口徑玻璃預形體制成所需直徑的帶有火拋表面的長玻璃棒。再將長玻璃棒的一端局部二次高溫加熱，玻璃融化后由于表面的張力使其自然形成球面，然后按照所需長度截斷。重復上述的局部加熱和截斷過程即可批量生產柱面鏡。最后將批量的柱面鏡底端截斷面一起研磨拋光，以形成光潔端面。以上二次聚光透鏡的生產方式成本較低，適合大規模生產。在本發明的聚光太陽能模組中，二次聚光柱面鏡與太陽能電池膠合并固定。菲涅爾透鏡的焦點在柱面鏡中軸的中間位置。因為玻璃的折射率高于周圍空氣，所以入射光經菲涅爾透鏡匯聚進入柱面鏡內后形成光導效應，導致入射光在柱面鏡內部的傳播過程中不斷被均勻化。這樣底面的太陽能電池片的各部位可以均勻的接收到照射。由于菲涅爾透鏡的放大倍率不高，當入射光在一定范圍內偏離時，大部分匯聚光線還是能夠進入柱面鏡，所以這種聚光系統對入射光角度偏離的容忍度較高。在光學效率在50%以上的入射光角度容忍度可達41度。
圖1是小型菲涅爾透鏡陣列組成的聚光太陽能模組示意 圖2是單個聚光太陽能模塊示意 圖3是聚光太陽能模組的剖面示意圖。其中附圖標記 I為玻璃蓋板；
2為菲涅爾透鏡；
3為金屬基板；
4為二次聚光柱面鏡；
5為太陽能電池；
6為太陽能電池的光接收區域。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖，對發明作詳細說明。但本發明的實施方式不限于此。附圖中相同標記表示相同部件。為了更好的理解，附圖中所示的部件是示意性表示，它們是按比例繪制的，即該附圖的部件不表示真實尺寸，這些真實尺寸對本領域普通技術人員來說都是公知的，因此這里不做詳細描述。下面參考圖1，小型菲涅爾透鏡陣列組成的聚光太陽能模組示意圖，圖1中示意的太陽能模組由5x5菲涅爾透鏡陣列組成，實際使用中可根據需要調整陣列的大小，比如從3x3到10x10。注意到大的陣列會導致各個子模塊聚光校準的困難。單個菲涅爾透鏡2用膠合法固定在整塊鋼化玻璃蓋板I上。玻璃蓋板I的厚度在0.5^2.5mm之間。玻璃蓋板I為表面光潔平整，高 透明度的鋼化平板玻璃，鋼化方式為物理鋼化或化學鋼化。玻璃蓋板的作用主要是固定和保護塑料材質的菲涅爾透鏡，在實際使用中，玻璃蓋板可吸收一部分紫外線，以減少對塑料菲涅爾透鏡的光致老化效應。另外鋼化玻璃蓋板與整個太陽能模組的氣密性封裝也起到防水防塵的作用。單個菲涅爾透鏡2的尺寸在30x30mm到60x60mm之間，放大倍率在50倍到150倍之間。菲涅爾透鏡材料為透明塑料，采用注塑方式一次成型。太陽能電池片5組成的陣列固定在金屬基板3上，并由導線相連。金屬基板5的材料選自鋁合金、不銹鋼和銅構成的組中至少一種金屬材料，其主要作用是散熱和固定太陽能電池片陣列。菲涅爾透鏡2的主軸和二次聚光柱面鏡4的主軸重合，玻璃蓋板I和金屬基板5之間由結構件保持相對位置固定并平行。下面參考圖2，單個聚光太陽能模塊示意圖。二次聚光柱面鏡4通過膠合固定在太陽能電池片5中心位置，柱面鏡的底面圓形與電池片的正方形光接收區域6連接。太陽能電池片5的光電轉換材料由選自砷化鎵、單晶硅、多晶硅、銅銦鎵硒和銻化鎘構成的組中至少一種半導體材料形成。二次聚光透鏡4采用一端為球面，另一端為平面的柱面鏡，直徑為:Tl2mm，長度為5 15mm，材料為玻璃。柱面鏡的制造首先采用高溫下拉制大口徑玻璃預形體制成所需直徑的帶有火拋表面的長玻璃棒.再將長玻璃棒的一端局部二次高溫加熱，玻璃融化后由于表面的張力使其自然形成球面，然后按照所需長度截斷。重復上述的局部加熱和截斷過程即可批量生產柱面鏡。最后將批量的柱面鏡底端截斷面一起研磨拋光，以形成光潔端面。以上二次聚光透鏡的生產方式成本較低，適合大規模生產。下面參考圖3，聚光太陽能模組的剖面示意圖。左側第一個聚光模塊示意當光在垂直正入射時，聚光點位置在柱面鏡中軸的中間位置。左側第二個聚光模塊示意當入射光偏離5度射入時，聚光點向左偏離中軸，但仍然在柱面鏡內部。上述實施例為本發明的較佳實施方式，但本發明的實施方式不受所述實施例的限制，任何其他未背離本發明的精神實質與原理下所做的改變，修飾，替代，組合，簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種聚光太陽能模組，包括，玻璃蓋板，菲涅爾透鏡陣列，二次聚光柱面鏡和太陽能電池陣列以及金屬基板。
2.根據權利要求1所述的聚光太陽能模組，其特征在于，菲涅爾透鏡陣列膠合固定在玻璃蓋板上，二次聚光柱面鏡直接與太陽能電池膠合并固定，太陽能電池片和二次聚光透鏡組成的陣列固定在金屬基板上，并由導線相連；菲涅爾透鏡的主軸和二次聚光柱面鏡的主軸重合，玻璃蓋板和金屬基板之間由結構件保持相對位置固定并平行；菲涅爾透鏡的焦點在柱面鏡中軸的中間位置。
3.根據權利要求1和權利要求2所述的菲涅爾透鏡鏡，其特征在于，菲涅爾透鏡外形為方形，尺寸在20x20mm到60x60mm之間，放大倍率在50倍到150倍之間，材料為透明塑料，采用注塑方式快速成型。
4.根據上述權利要求1或2所述的玻璃蓋板，其特征在于，玻璃蓋板的厚度在0.5^2.5_之間，材質為表面光潔平整，高透明度的鋼化平板玻璃，鋼化方式為物理鋼化或化學鋼化。
5.根據上述權利要求2所述的的二次聚光柱面鏡，其特征在于，柱面鏡的一端為球面，另一端為平面，直徑為3 12mm，長度為5 15mm，材料為玻璃，柱面鏡的制造首先采用高溫下拉制大口徑玻璃預形體制成所需直徑的帶有火拋表面的長玻璃棒，再將長玻璃棒的一端局部二次高溫加熱，玻璃融化后由于表面的張力使其自然形成球面，然后按照所需長度截斷，重復上述的局部加熱和截斷過程即可批量生產柱面鏡，最后將批量的柱面鏡底端截斷面一起研磨拋光，以形成光潔端面。
6.根據上述權利要求中任意一項所述的的太陽能電池，其特征在于，二次聚光柱面鏡通過膠合固定在太陽能電池片中心位置，柱面鏡的底面圓形與電池片的正方形光接收區域外接； 太陽能電池片的光電轉換材料由選自砷化鎵、單晶硅、多晶硅、銅銦鎵硒和銻化鎘構成的組中至少一種半導體材料形成。
7.根據上述權利要求中任意一項所述的的金屬基板，其特征在于，金屬基5的材料選自鋁合金、不銹鋼和銅構成的組中至少一種金屬材料，其主要作用是散熱和固定太陽能電池片陣列。
全文摘要
一種由小型菲涅爾透鏡陣列和簡易二次聚光透鏡組成的聚光太陽能模組，包括玻璃蓋板，菲涅爾透鏡陣列，二次聚光柱面鏡和太陽能電池陣列以及金屬基板。菲涅爾透鏡陣列膠合固定在玻璃蓋板上；二次聚光柱面鏡直接與太陽能電池膠合并固定，太陽能電池片和二次聚光透鏡組成的陣列固定在金屬基板上，并由導線相連；菲涅爾透鏡的主軸和二次聚光柱面鏡的主軸重合，玻璃蓋板和金屬基板之間由結構件保持相對位置固定并平行；菲涅爾透鏡的焦點在柱面鏡中軸的中間位置。這種聚光太陽能模組的整體厚度較小，成本較低，對入射太陽光偏離的容忍度大，減少了對追日系統精度的依賴。
文檔編號H01L31/052GK103165717SQ20131010568
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者張倩 申請人:蘇州百納思光學科技有限公司