密集陣列式聚光光伏系統的制作方法
【專利說明】密集陣列式聚光光伏系統 發明領域
[0001]本發明設及太陽能發電系統領域。更具體而言，本發明設及密集陣列式聚光光 伏（Concentrator Photovoltaic,CPV)系統，其使用非成像碟式聚光器（Non-imaging Dish Concentrator, NIDC)和交叉復合拋物面聚光器（Crossed Compound Parabolic Concentrator, CCPC)陣列來提高總能量轉換效率。
[000引發明背景
[0003] 全球發展中國家還在為獲得或生產其基本生活必需品而奮斗。該些必需品中，電 力等能源供應仍是發展中國家經濟領域尚未達到的主要要求之一。該些年來，人們很大程 度上依靠化石燃料滿足其能源需求。然而，對該些不可再生能源的濫用，已使人類在不久的 將來面臨著能源枯竭的威脅，因此人們正在尋求替代的能源。由于時間的緊迫和為了滿足 增長的需求，人們對太陽能等可再生能源的開發在近來已有顯著地增加。
[0004] 太陽能可用量充足，并可W被轉換成熱能、電能等不同形式的能量來使用。因此， 太陽能可W根據消費者的需要W不同的形式將其儲存起來使用。然而，與化石燃料相比，常 規的平板太陽能轉換器效率較低，成本較高。為了提高太陽能轉換器的轉換效率，研究人員 提出了更先進的能量轉換系統如太陽能聚光系統。
[0005] 光伏電池能夠對直接照射在其表面上的日光發生作用而轉化成電能。不過，由于 光伏電池相對昂貴，因此更明智之舉是采用聚光器將陽光聚集，然后將聚光器對準光伏電 池。W若干單獨的光伏電池陣列式地構成光伏接收器可將太陽能轉換成電能。
[0006] 目前已有各種反射式和折射式的太陽能聚光器被設計為各類聚光光伏系統，例如 碟式拋物面、碟式線聚焦聚光器、菲涅耳透鏡和點聚焦透鏡。根據所使用不同類型的聚光 器W及聚焦光斑的面積，可W將聚光器的接收器配置為單獨電池接收器或密集陣列式太陽 能電池接收器。對于單獨電池配置來說，聚焦的陽光所入射到太陽能電池表面上面積與單 個太陽能電池的有源區的面積大約相同。對于密集陣列配置來說，聚焦日光的面積比單獨 太陽能電池的有源區大得多，因此使用串聯或并聯連接方式將多個太陽能電池組成較大面 積的密集陣列式太陽能接收器將日光轉換成電能。在該種設計里，太陽能電池需要彼此緊 密裝配，W避免出現沒有太陽能電池有源區的空白間隙。在密集陣列式模塊組件中，填充因 子被定義為太陽能電池有源區面積占總模塊面積的百分比。該將有用于定義太陽能發電系 統的效率。實際上，由于太陽能電池之間存在物理性連接，并且太陽能電池基板具有物理限 審IJ，因此不可能實現100%的填充因子。由于上述限制，組裝模塊會產生一些無有源區的空 白間隙，因此照射在空白間隙處的聚焦日光就不能被轉換成電能，該變成了系統效率的損 失。
[0007] 在現有密集陣列式CPV系統中，無論拋物面碟式或中央接收器系統等，次級光學 部件并沒有被廣泛應用或被充分開發來改進CPV接收器的整體性能，尤其是沒有用來降低 由于太陽能電池填充因子較小所造成的能量損失方面的性能。最常見的次級光學部件應用 僅限于聯接到菲涅耳透鏡，并作為初級聚光器的單個電池CPV模塊，其應用主要是提高聚 集日光的均勻度。
[000引為了降低所述密集陣列配置系統中的損失，就需要一種改進的系統來增加入射到 太陽能電池有源區上的日光。所需系統會通過集成次級聚光器陣列引入更先進的聚光器。 此次級聚光器會將照射在太陽能電池有源區之外的日光引導到有源區，從而提高電力輸 出。
【發明內容】
[0009] 本發明是太陽能發電系統的一種高效及改進版的太陽能聚光器總成。本發明在密 集陣列式聚光光伏（CPV)系統的應用中使用一種由非成像碟式聚光器（NIDC)和交叉復合 拋物面聚光器（CCPC)陣列所組成的太陽能聚光器總成。
[0010] 所述非成像碟式聚光器由多個平面鏡組成，所述平面鏡布置方式為使得所有鏡像 在共同的接收器中疊加，而且不會出現平面鏡之間互相遮擋陽光和彼此遮蔽現象。根據本 發明的NIDC的弧形或新幾何形狀是利用特殊計算算法生成的，所述算法被設計來確定每 個鏡面的相對高度和傾斜角度W便使所有平面像都很好地疊加在共同接收器上，并且所計 算的每個平面鏡的相對高度和傾角也不會出現互相遮擋陽光和彼此遮蔽現象。多個透鏡式 CCPC陣列的次級聚光器或次級光學部件，用來引導被NIDC所聚集的日光只射到CPV電池的 有源區內。次級光學部件作為入射面面積較大、出射面面積較小的光漏斗，允許留出更多空 間使位于出射面的CPV電池W串聯或并聯方式互連，從而最大限度地減小電路中的電流不 匹配，而不會影響CPV系統的整體性能。
[0011] 本發明能夠減少由于電池互連所需不可避免的間距造成難W實現高填充因子而 引起的密集陣列式CPV電池中的能源損失，因此使發電系統的聚集日光吸收最大化。次級 光學部件還使CPV電池之間的互連接更靈活，從而使電流不匹配損失最小化。此外，次級聚 光器陣列能夠增大密集陣列式CPV系統的接收角，因此允許太陽跟蹤系統具有更大的跟蹤 誤差值。而且，所提出的初級NIDC能夠將聚集的日光福射相當均勻地和W正方形或矩形圖 案投射到次級聚光部件上。
[0012] 結合附圖，根據W下詳細說明，該里所述實施案例的其他目的和優點將變得顯而 易見。
【附圖說明】
[0013] 參照附圖，閱讀W下說明，本發明的其他目的、特征和優點將顯而易見。在附圖中， 其中所有幾幅圖中相同的參考標記表示相應的部件：
[0014] 圖1示出了根據本發明一個示例性實施例的太陽能發電系統的太陽能聚光器總 成的透視圖。
[0015] 圖2的示意圖示出了根據本發明一個優選實施例的非成像碟式聚光器、W形成陣 列的方式布置的多個次級聚光器、W及聚光光伏接收器。
[0016] 圖3示出了根據本發明一個優選實施例的由多個平面鏡組成的非成像碟式聚光 器和位于中央的聚光光伏接收器的俯視圖。
[0017] 圖4的示意圖W截面視圖示出了太陽光線如何被非成像碟式聚光器聚焦到次級 聚光器陣列上，然后聚焦到聚光光伏接收器上。
[001引 圖5示出了；
[0019] (3);維笛卡爾坐標系，表示了1^'平面鏡的坐標始，1,，1,)、入射角（0。.）和一 對傾角（0, 丫），其中F是NIDC的焦距，原點"0"是聚光器框架的中屯、。了是入射太陽光線 的單位向量，是i，j平面鏡的法線的單位向量，是i，j平面鏡的反射太陽光線的單 位向量。
[0020] 化）非成像碟式聚光器的最初平面鏡配置。所述聚光器可分為四個象限，即右上、 左上、右下和左下象限。
[0021] 圖6的流程圖示出了描述如何計算非成像碟式聚光器（NIDC)的多個平面鏡的幾 何形狀的特殊計算方法或算法或計算機程序運算步驟，其首先定義了 W陣列形式布置在相 同高度的所有平面鏡的最初取向，然后逐個得出從NIDC的中央到周邊區域的平面鏡的最 終取向，該些平面鏡的高度逐漸升高，使得所有鏡像都能保持疊加在共同接收器上，而不會 出現遮擋陽光和相鄰平面鏡之間遮蔽的現象。
[0022] 圖7示出了根據本發明一個實施例使用如圖6所述的特殊計算方法或算法或計算 機程序運算步驟得出非成像碟式聚光器中平面鏡的最終位置和取向。在此程序中，我們首 先定義W陣列形式布置在相同高度的所有平面鏡的最初取向，然后逐個得出從NIDC的中 央到周邊區域的平面鏡的最終取向，該些平面鏡的高度逐漸升高，使得所有鏡像都能保持 疊加在共同接收器上，不會出現遮擋陽光和相鄰平面鏡之間遮蔽的現象；(a)y-z方向的側 視圖，化)x-z方向的側視圖。
[0023] 圖8示出了根據本發明一個優選實施例的模擬太陽通量分布的一個示例，其中由 非成像碟式聚光器在次級聚光器陣列入射面上聚焦的最大太陽能聚光率為435suns。太陽 通量分布的模擬結果是使用光線跟蹤技術對每個平面鏡維度為49. 8cmX49. 8畑1，焦距為 10m的22X22平面鏡陣列執行的。
[0024] 圖9的示意圖示出了交叉復合拋物面聚光器陣列W及由聚光光伏電池、聚光光伏 電池基板和散熱器組成的聚光光伏接收器的布置的截面圖。
[002引圖10的示意圖示出了（a)交叉復合拋物面聚光器陣列的斜軸測圖。其只是具有 5X5塊次級聚光器的陣列的示例，但實際設計不限于該數量；化）其中一個交叉復合拋物 面聚光器的斜軸測圖。
[0026] 圖11的流程圖示出了使用非成像碟式聚光器、交叉復合拋物面聚光器陣列和聚 光光伏接收器作為太陽能發電系統來操作密集陣列式聚光光伏系統W優化太陽能發電效 率的方法。
【具體實施方式】
[0027