一种基于分光元件的聚光光伏系统技术方案

一种基于分光元件的聚光光伏系统，其包括用于将入射光分成至少两路出射光的分光元件；分光元件为透射式光栅或反射式光栅；分别设于各路出射光的光路上的多个聚光元件，每个聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；分别设于各路聚合光的光路上的多个光伏元件，光伏元件用于将聚合光转化为光伏电能。分别通过分光元件和聚光元件的分光、聚光作用，使得设置于后端的不同PN结的光伏电池能够获得与之匹配的太阳光谱波段和适量的太阳光辐射能量，这样能够使得光伏电池上各个PN结输出的电流达到均匀输出效果，利于进一步地提高太阳电池的光电转换效率。

A Concentrating Photovoltaic System Based on Spectral Elements

【技术实现步骤摘要】
一种基于分光元件的聚光光伏系统
本专利技术涉及光伏发电
，具体涉及一种基于分光元件的聚光光伏系统。
技术介绍
太阳能发电技术经过近几十年的发展已经在新能源领域确立了其重要地位。光伏电池是太阳能发电的核心器件，其光电转换效率直接影响整个发电系统的性能，如何提高光伏电池光电转换效率和光伏系统发电效率一直是太阳能发电领域研究人员追求的目标。众所周知，太阳电池的核心是PN结，一个PN结对应固定的禁带宽度，仅能吸收特定波长范围的光子且对特定波长光有最高吸收效率，因此，单结太阳电池对光照能量的吸收十分有限。对不同波段的光谱采用不同禁带宽度的PN结进行吸收可有效提高光子能量吸收率，从而显著提高光电转换效率。高效多结太阳电池技术的研究尤为引人注目，但由于成本高，很难得以大规模地应用。采用聚光技术将太阳光通过透镜收集起来，提高单位面积太阳辐射能流密度，使得多结太阳电池达到较高的光电转换效率，同时也大大减小了所需多结太阳电池的面积，从而降低系统成本。然而，由于太阳光谱的能量分布并不均匀，太阳辐射能量主要集中在可见光部分(400～760nm)，导致不同波段照射在多个PN结的最佳输出电流并不匹配，从而限制了多结太阳电池效率的进一步提升。以三结太阳电池为例，Ga0.50In0.50P、Ga0.99In0.01As、Ge三种材料分别构成电池的上、中、下三个PN结，三个PN结分别吸收太阳光谱中的短波(300～700nm)、中波(700～900nm)、长波(900～1700nm)，上、中、下三个PN结构成串联的子电池，三结电池的总体输出电流被限制为子电池中最小的输出电流。在AM1.5d的标准光谱分布下，Ga0.50In0.50P子电池和Ga0.99In0.01As子电池得到的电流较为匹配，Ge子电池得到的电流较大，这种电流不匹配会导致Ge子电池不能达到最佳工作状态，从而长波段的光照没有被充分利用。因为大气云层、地理纬度、海拔、季节和太阳高度角的变化，入射到太阳能电池的太阳光谱也将偏离AM1.5d，使得三个子电池的电流动态变化，因此动态分配光谱比例以实现三个子电池的电流匹配，可以提高分光光伏系统的效率。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是如何提高光伏电池的能量转换效率。为解决上述技术问题，本申请提供一种基于分光元件的聚光光伏系统，其主要包括：分光元件，用于将入射光分成至少两路出射光；所述分光元件为透射式光栅或反射式光栅，所述透射式光栅用于通过排列分布的狭缝将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光，所述反射式光栅用于通过排列分布的锯齿槽将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光；多个聚光元件，分别设于各路出射光的光路上，所述聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；多个光伏元件，分别设于各路聚合光的光路上，所述光伏元件用于将所在光路上的聚合光转化为光伏电能。在所述透射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个所述聚光元件；或者，在所述反射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个所述聚光元件。通过光栅方程d*(sinα+sinθ)＝kλ设置所述第一路出射光和所述第二路出射光的衍射角度，其中，d为所述透射式光栅的狭缝宽度或者所述反射式光栅的锯齿槽宽度，α为入射光的入射角度，θ为出射光的衍射角度，λ为入射光的波长，k为光谱级数且是大于零的正整数。设置所述透射式光栅的狭缝宽度或设置所述反射式光栅的锯齿槽宽度，使得所述第一路出射光的波长在短波段或中波段的波段范围内，且使得所述第二路出射光的波长在中波段或者长波段的波段范围内。设置所述透射式光栅的狭缝宽度或设置所述反射式光栅的锯齿槽宽度，使得所述第一路出射光的光谱波段和所述第二路出射光的光谱波段为不相重叠的波段或部分重叠的波段。所述聚光元件为菲涅尔透镜或凸透镜，在任意一路聚合光的光路上，设置所述聚光元件和所述光伏元件的相对位置，使得所述聚光元件与所述光伏元件的距离小于所述聚光元件的焦距。所述聚光元件为旋转抛物面镜，在任意一路聚合光的光路上，设置所述聚光元件和所述光伏元件的相对位置，使得所述聚光元件与所述光伏元件的距离大于所述聚光元件的焦距。所述光伏元件为单结光伏电池或多结光伏电池；在任意一路聚合光的光路上，设置所述光伏电池的光伏性能，使得所述光伏电池的光线吸收波段与光路上聚合光的波段相匹配。本申请的有益效果是：依据上述实施例的基于分光元件的聚光光伏系统，包括用于将入射光分成至少两路出射光的分光元件，该分光元件为透射式光栅或反射式光栅；分别设于各路出射光的光路上的多个聚光元件每个聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；分别设于各路聚合光的光路上的多个光伏元件，光伏元件用于将聚合光转化为光伏电能。第一方面，使用反射式光栅或透射式光栅作为分光元件，使得分光元件具备了分光能力，利于将混合波段的入射光分成不同波段的多路出射光，如此可实现太阳光谱的精准分割功能；第二方面，由于在每路出射光的光路设置了聚光元件，使得每一路的出射光能够形成光线汇聚作用，形成的聚合光具有更强的能流密度，在聚合光到达光伏电池时，利于提高光伏电池的吸收作用和光电转换效率；第三方面，由于分别通过分光元件和聚光元件的分光、聚光作用，使得设置于后端的不同PN结的光伏电池能够获得与之匹配的太阳光谱波段和适量的太阳光辐射能量，这样能够使得光伏电池上各个PN结输出的电流达到均匀输出效果，利于进一步地提高太阳电池的光电转换效率，尤其是对于多结光伏电池来说，这种光伏接收系统能够大幅度地提供多结光伏电池的光电转换效率。附图说明图1为一种实施例中透射式光栅和旋转抛物面镜构成的聚光光伏系统的结构图；图2为一种实施例中透射式光栅和菲涅尔透镜构成的聚光光伏系统的结构图；图3为一种实施例中透射式光栅和凸透镜构成的聚光光伏系统的结构图；图4为一种实施例中反射式光栅和旋转抛物面镜构成的聚光光伏系统的结构图；图5为反射式光栅的光路示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。请参考图1，本申请公开一种基于分光元件的聚光光伏系统，其主要包括分光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分光元件的聚光光伏系统，其特征在于，包括：分光元件，用于将入射光分成至少两路出射光；所述分光元件为透射式光栅或反射式光栅，所述透射式光栅用于通过排列分布的狭缝将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光，所述反射式光栅用于通过排列分布的锯齿槽将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光；多个聚光元件，分别设于各路出射光的光路上，所述聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；多个光伏元件，分别设于各路聚合光的光路上，所述光伏元件用于将所在光路上的聚合光转化为光伏电能。

【技术特征摘要】
1.一种基于分光元件的聚光光伏系统，其特征在于，包括：分光元件，用于将入射光分成至少两路出射光；所述分光元件为透射式光栅或反射式光栅，所述透射式光栅用于通过排列分布的狭缝将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光，所述反射式光栅用于通过排列分布的锯齿槽将所述入射光分成衍射角度依次增大的多路出射光；多个聚光元件，分别设于各路出射光的光路上，所述聚光元件用于将所在光路上的出射光汇聚成一路聚合光；多个光伏元件，分别设于各路聚合光的光路上，所述光伏元件用于将所在光路上的聚合光转化为光伏电能。2.如权利要求1所述的聚光光伏系统，其特征在于，在所述透射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个所述聚光元件；或者，在所述反射式光栅的第一路出射光和第二路出射光的光路上分别设置一个所述聚光元件。3.如权利要求2所述的聚光光伏系统，其特征在于，通过光栅方程d*(sinα+sinθ)＝kλ设置所述第一路出射光和所述第二路出射光的衍射角度，其中，d为所述透射式光栅的狭缝宽度或者所述反射式光栅的锯齿槽宽度，α为入射光的入射角度，θ为出射光的衍射角度，λ为入射光的波长，k为光谱级数且是大于零的正整数。4.如权利要求3所述的聚光光伏系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：金鹏，吴峰，张军斌，周奇峰，高辉辉，佟浩，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，深圳市斯派克光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44