[发明专利]密集阵列式聚光光伏系统

说明书

发明领域

本发明涉及太阳能发电系统领域。更具体而言，本发明涉及密集阵列式聚光光伏(Concentrator Photovoltaic,CPV)系统，其使用非成像碟式聚光器(Non-imaging Dish Concentrator,NIDC)和交叉复合抛物面聚光器(Crossed Compound Parabolic Concentrator,CCPC)阵列来提高总能量转换效率。

发明背景

全球发展中国家还在为获得或生产其基本生活必需品而奋斗。这些必需品中，电力等能源供应仍是发展中国家经济领域尚未达到的主要要求之一。这些年来，人们很大程度上依靠化石燃料满足其能源需求。然而，对这些不可再生能源的滥用，已使人类在不久的将来面临着能源枯竭的威胁，因此人们正在寻求替代的能源。由于时间的紧迫和为了满足增长的需求，人们对太阳能等可再生能源的开发在近来已有显著地增加。

太阳能可用量充足，并可以被转换成热能、电能等不同形式的能量来使用。因此，太阳能可以根据消费者的需要以不同的形式将其储存起来使用。然而，与化石燃料相比，常规的平板太阳能转换器效率较低，成本较高。为了提高太阳能转换器的转换效率，研究人员提出了更先进的能量转换系统如太阳能聚光系统。

光伏电池能够对直接照射在其表面上的日光发生作用而转化成电能。不过，由于光伏电池相对昂贵，因此更明智之举是采用聚光器将阳光聚集，然后将聚光器对准光伏电池。以若干单独的光伏电池阵列式地构成光伏接收器可将太阳能转换成电能。

目前已有各种反射式和折射式的太阳能聚光器被设计为各类聚光光伏系统，例如碟式抛物面、碟式线聚焦聚光器、菲涅耳透镜和点聚焦透镜。根据所使用不同类型的聚光器以及聚焦光斑的面积，可以将聚光器的接收器配置为单独电池接收器或密集阵列式太阳能电池接收器。对于单独电池配置来说，聚焦的阳光所入射到太阳能电池表面上面积与单个太阳能电池的有源区的面积大约相同。对于密集阵列配置来说，聚焦日光的面积比单独太阳能电池的有源区大得多，因此使用串联或并联连接方式将多个太阳能电池组成较大面积的密集阵列式太阳能接收器将日光转换成电能。在这种设计里，太阳能电池需要彼此紧密装配，以避免出现没有太阳能电池有源区的空白间隙。在密集阵列式模块组件中，填充因子被定义为太阳能电池有源区面积占总模块面积的百分比。这将有用于定义太阳能发电系统的效率。实际上，由于太阳能电池之间存在物理性连接，并且太阳能电池基板具有物理限制，因此不可能实现100％的填充因子。由于上述限制，组装模块会产生一些无有源区的空白间隙，因此照射在空白间隙处的聚焦日光就不能被转换成电能，这变成了系统效率的损失。

在现有密集阵列式CPV系统中，无论抛物面碟式或中央接收器系统等，次级光学部件并没有被广泛应用或被充分开发来改进CPV接收器的整体性能，尤其是没有用来降低由于太阳能电池填充因子较小所造成的能量损失方面的性能。最常见的次级光学部件应用仅限于联接到菲涅耳透镜，并作为初级聚光器的单个电池CPV模块，其应用主要是提高聚集日光的均匀度。

为了降低所述密集阵列配置系统中的损失，就需要一种改进的系统来增加入射到太阳能电池有源区上的日光。所需系统会通过集成次级聚光器阵列引入更先进的聚光器。此次级聚光器会将照射在太阳能电池有源区之外的日光引导到有源区，从而提高电力输出。

发明内容

本发明是太阳能发电系统的一种高效及改进版的太阳能聚光器总成。本发明在密集阵列式聚光光伏(CPV)系统的应用中使用一种由非成像碟式聚光器(NIDC)和交叉复合抛物面聚光器(CCPC)阵列所组成的太阳能聚光器总成。

所述非成像碟式聚光器由多个平面镜组成，所述平面镜布置方式为使得所有镜像在共同的接收器中叠加，而且不会出现平面镜之间互相遮挡阳光和彼此遮蔽现象。根据本发明的NIDC的弧形或新几何形状是利用特殊计算算法生成的，所述算法被设计来确定每个镜面的相对高度和倾斜角度以便使所有平面像都很好地叠加在共同接收器上，并且所计算的每个平面镜的相对高度和倾角也不会出现互相遮挡阳光和彼此遮蔽现象。多个透镜式CCPC阵列的次级聚光器或次级光学部件，用来引导被NIDC所聚集的日光只射到CPV电池的有源区内。次级光学部件作为入射面面积较大、出射面面积较小的光漏斗，允许留出更多空间使位于出射面的CPV电池以串联或并联方式互连，从而最大限度地减小电路中的电流不匹配，而不会影响CPV系统的整体性能。