一种波长选择性广角聚光光伏发电系统及其方法技术方案

一种波长选择性广角聚光光伏发电系统及其方法，采用了曲面微透镜阵列、漏斗状光锥实现对直射光、折射光、散射光的全效采集和广角采集，并将折射光和斜射光共同准直为垂直光伏电池入射的光线，免除了跟踪追日的旋转机构。采用波长选择层，对光线进行波长选择，滤除了导致光伏电池发热升温的波长范围的光线，只保留光伏电池响应灵敏度高的波长范围的光线，降低了聚光条件下光伏电池散热的要求。系统整体实现广角、全效、免跟踪追日、免仰角调节、波长优选的聚光光伏功能，显著降低光伏发电成本至常规能源的水平。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于太阳能利用中的聚光光伏(CPV)发电领域。
技术介绍
太阳能光伏发电是前景广阔的新能源，但发电成本居高不下导致光伏发电难以大规模普及应用。导致光伏发电成本远高于传统能源的主要原因在于三个方面:太阳能的能源密度太低；光伏电池所采用的半导体材料成本及加工成本较高；光电转换效率低下。近年来，人们为降低光伏材料的制备和加工成本进行了卓有成效的努力，也不断致力于光电转换效率的提升，两方面的成就是巨大的，但即使这样，光伏发电仍然比传统能源发电成本高出许多，于是聚光光伏成为进一步降低光伏发电成本的主要途径。光伏太阳能发电系统的能量来源于太阳能电池表面上所获得的辐射，因此太阳能电池的发电量取决于两方面:首先，用于获得太阳辐射的太阳能电池表面积越大，太阳能电池的光电流越大；其次，在太阳能光电池所接受的辐照度饱和值以内，太阳能电池的光电流始终随辐照度的增长而线性增长。由于太阳能电池的半导体材料比如硅晶片的价格较高，因此如果希望降低太阳能电池系统的造价及发电成本，提高太阳能光电池所接受的辐照度就成为必然的选择，所谓的聚光太阳能技术就是这样一种方法，把大面积的太阳光聚集在一个小面积的娃晶片表面上来实现提高太阳能光电池所接受的辐照度。聚光光伏的思想就是增加太阳能电池上照射的太阳光强度，使得同样面积的半导体材料提供更多的电能，而增加的聚光装置的成本要低于所节约的光伏电池的成本，从而在整体上降低了光伏发电的成本。聚光光伏发电在光学上普遍米用两种光学模式；一种是反射式聚光，另一种是透射式聚光，透射式聚光通常采用菲涅尔透镜。但上述两种通常采用的光学聚光模式，均存在两个弊端:首先，聚光后，必须采用高精度的跟踪追日，一般用单轴或两轴转动来跟踪日光，增加了设备装置的复杂性，提高了系统造价和维护成本；第二，聚光后，电池表面入射光强度增加，导致光伏电池温度升高，降低电池的光电转换效果，还缩短电池使用寿命。现今的所有光伏太阳能系统都是把太阳能电池组件组成太阳能电池方阵，根据当地的太阳入射倾角，太阳能电池方阵倾斜安装保证太阳辐射垂直入射太阳能电池方阵。若想保证电池随时有良好的发电条件，不仅要随时调整太阳能电池方阵，保持向日跟踪以保证接受太阳辐射而且太阳能电池方阵的对地倾角要从冬到夏、从早到晚都要连续不断地调整。这样的自动跟踪太阳电池方阵需要一定的能量维持其动作，一般会使工程投资、后期维护、方阵占地都大幅度增加，达到了不经济的地步。聚光光伏需要高精度的跟踪向日，而平板型太阳电池方阵的对地倾角也有三种固定方式:固定式(不调整的)、一年两次(春分、秋分)调整、一年四次(春分和秋分、夏至和冬至)，也就是说现今的平板太阳能发电系统为了维持成本的经济性不得不牺牲发电条件，因此必然带来发电效率的下降，是两种成本权衡下的对策。如上所述调节太阳能电池方阵的仰角和保持太阳能电池方阵向日跟踪的目的就是为了保证太阳辐射垂直入射太阳能电池方阵，实现太阳能电池系统工作条件最优化。因此只有在免调节太阳能电池方阵的仰角和免向日跟踪的同时，仍能实现太阳能电池系统工作条件最优化，才能够在降低成本的同时提高太阳能发电系统的发电效率，其经济意义就十分重要。光伏太阳能系统在设计时所需依据的理论，就太阳辐射计算来说一般遵照三个基本定律:太阳福射的直散分离原理、布格-朗伯定律(Bouguer-Lambert Law)、余弦定律。所谓太阳辐射的直散分离原理就是:太阳总辐射等于直接辐射和散射辐射之和。散射辐射是太阳辐射经空气中的水蒸气、二氧化碳、尘埃、气溶胶和云等散射的辐射。散射辐射没有方向性，即射向各个方向，这种辐射经过物体遮挡不形成明显的影子。散射辐射与直接辐射的强度大小和所处的地点(经纬度)、季节、地面海拔高度以及时间相关。在晴朗的天气下，散射辐射占总辐射的10% -20%左右；但在多云天气，散射辐射可以高达100%。一天中散射辐射占总辐射的比例也可能有较大的变化。对于当前的光伏系统而言，由于只有垂直入射的辐射和较小入射角的离轴辐射可以被太阳能电池硅晶片吸收，而大入射角的离轴辐射会被太阳能电池硅晶片反射掉而不会产生光电流，因此在这些计算中是不考虑大角度离轴辐射的。但在我国东部地区，煤炭等化石能源赋存不足，用电需求量较大，本来是光伏发电大有作为的地区，但由于一年中空气湿度较大、云量较多，散射辐射占比例较高，在传统光伏发电技术条件下，这些东部地区难以通过光伏实现对工业和居民生活的供电。由于太阳能发电系统能够利用的散射辐射只能是较小入射角(一般小于5度)的离轴辐射，因此光伏系统设计计算时，通常不考虑大入射角的离轴辐射，由此计算出总辐射中，直接辐射大约是小入射角散射辐射的5倍。由于一般散射辐射是均匀分布的，空间180度范围内的总散射辐射实际上大约是小入射角(一般小于5度)光束散射辐射的18倍，也就是说总散射辐射是直接辐射的2-3倍。已有光学科技工作者根据理论模型计算得到:太阳的直接辐射大约占太阳总辐射32%、散射辐射大约占太阳总辐射68%。因此如果能设计一种把全部散射辐射都利用的光伏太阳能发电系统，而不是像现在仅仅接受垂直入射的辐射和较小入射角的离轴辐射的光伏太阳能发电系统，那么在不改变其它元器件的条件下光电流也就是发电能力就可以提高3倍，这样可以降低发电成本。一般的光伏太阳能发电系统电池光电转换率仅仅在20%，其余80%的入射能量大部分转化为热。如果设计一种利用全部散射辐射的光伏太阳能发电系统，由于入射辐射总量增加3倍，那么产生的热也会增加3倍，没有有效的散热器件，太阳能电池晶片的工作温度将急剧升高。现有的太阳能电池，温度每升高I摄氏度，功率减少0.35%，功率的减少实际上就是光电转换效率的降低，也就是提高了成本。如果采用散热器件，也将提高成本，一般是在两种成本间进行权衡。更有效的方法是提高光电转换效率，减少热的产生。图1所示为硅太阳能电池相对光谱响应曲线，一般说来硅太阳能电池对于波长小于250nm的紫外光和波长大于1150nm的红外光没有反应，响应峰值在800-900n范围内，响应峰值由太阳能电池制造工艺和材料电阻率决定。如果对太阳能电池的入射辐射光谱进行过滤或者用电子技术的术语“选频”，只保留700-900nm的近红外光，从硅太阳能电池相对光谱响应曲线可以看到理论上太阳能电池的的光电转换效率将远高于全频谱的20 %左右，那么入射辐射能量最多也只有少量转化为热。与普通的80%的入射能量大部分转化为热的现有太阳能电池系统相比，波长选择是革命性的进步。更为重要的是只使用700-900nm的红外光，需要用到光学滤波的器件或材料，可以将对电池PN结有害的射线粒子完全过滤掉，这也将延长太阳能电池的寿命。所有采用聚光技术的系统由于对入射光的聚集，投射在焦面时光束是汇聚的，如果太阳能电池晶片就放在焦面上，那么除了垂直入射的光束和较小入射角的离轴光束可以使太阳能电池晶片产生光电转换外，大入射角的离轴光束就会被晶片反射而不会产生光电转换。因此，如果聚光系统不对聚焦的光束进行光路准直校正，即使有较大的聚光比例，大多数汇聚的光线也不会参与光电转换过程。对汇聚的光束进行光路准直校正一般是采用反射或折射的方法，在光束反射或折射时如果配合采用光学选通滤波膜就可以优选某些波长范围内的光而把本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚光光伏单元，其特征在于，包括：曲面微透镜阵列(100)，其中包含多个透镜单元(101)，所有透镜单元(101)的焦点重合，形成主焦点；漏斗状光锥(200)，为具有中空空腔的台体(202)，中空空腔(202)的上口径大于下口径，所述中空空腔(202)的内侧面(203)为高斯曲面组合，所述主焦点位于所述漏斗状光锥(200)的中心对称轴上，经过曲面微透镜阵列(100)的入射光线经内侧面(203)反射后，以比相对于中心对称轴的入射角更小的出射角从漏斗状光锥(200)的下口射出；光伏电池(500)，其受光面垂直于所述中心对称轴设置在所述漏斗状光锥(200)的下口的下方；波长选择层(300)，附着于漏斗状光锥(200)的内侧面(203)，所述波长选择层(300)对该光伏电池(500)的高响应波长范围的入射光全反射，而对低响应波长范围的入射光全透射出漏斗状光锥(200)。

【技术特征摘要】
1.一种聚光光伏单兀，其特征在于，包括: 曲面微透镜阵列(100)，其中包含多个透镜单元(101)，所有透镜单元(101)的焦点重合，形成主焦点； 漏斗状光锥(200)，为具有中空空腔的台体(202)，中空空腔(202)的上口径大于下口径，所述中空空腔(202)的内侧面(203)为高斯曲面组合，所述主焦点位于所述漏斗状光锥(200)的中心对称轴上，经过曲面微透镜阵列(100)的入射光线经内侧面(203)反射后，以比相对于中心对称轴的入射角更小的出射角从漏斗状光锥(200)的下口射出； 光伏电池(500)，其受光面垂直于所述中心对称轴设置在所述漏斗状光锥(200)的下口的下方； 波长选择层(300)，附着于漏斗状光锥(200)的内侧面(203)，所述波长选择层(300)对该光伏电池(500)的高响应波长范围的入射光全反射，而对低响应波长范围的入射光全透射出漏斗状光锥(200)。2.如权利要求1所述的聚光光伏单元，其特征在于，还包括: 准直光纤束(400)，其位于所述漏斗状光锥(200)的下口与所述光伏电池之间，且所述漏斗状光锥(200)的射出光线入射所述准直光纤束(400)中，光伏电池(500)的受光面接收从准直光纤束(400)中出射的光线。3.如权利要求2所述的聚光光伏单元，其特征在于，所述准直光纤束(400)的主轴线与漏斗状光锥(200)的中心对称轴线重合。4.如权利要求2所述的聚光光伏单元，其特征在于，所述曲面微透镜阵列(100)呈球面的空间分布，或呈椭球面的空间分布，或呈双曲面的空间分布，或呈抛物面的空间分布，或上述各面的组合形状。5.如权利要求2所述的聚光光伏单元，其特征在于，所述多个透镜单元(101)的大小是均一的，或者是位于曲面微透镜阵列(100)的中部的透镜单元的直径较大而位于曲面微透镜阵列(100)的边缘的透镜单元(101)的直径较小。6.如权利要求2所述的聚光光伏单元，其特征在于，所述中空空腔(202)为圆台或棱台结构。7.如权利要求2所述的聚光光伏单元，其特征在于，所述高响应波长范围是指位于所述光伏电池(500)的光谱响应曲线的峰值波长X p的0.7 1.2倍的波长范围；所述低响应波长范围是指小于入P的0.7倍或大于入p的1.2倍的波长范围。8.如权利要求2所述的聚光光伏单元，其特征在于，所述高响应波长范围是700-900nm的波长范围。9.如权利要求2所述的聚光光伏单元，其特征在于，所述波长选择层(300)是滤光膜或滤光涂层。10.如权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张万钧，刘立涛，牛强，
申请(专利权)人：张万钧，刘立涛，牛强，
类型：发明
国别省市：