專利名稱：分級利用的太陽能聚光發電裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電直接轉化和熱電轉化技術，即是一種分級利用的太陽能聚光發電
裝置。
背景技術：
聚光光伏系統是將太陽能直接轉化為電能的系統，其原理為利用聚光器將太陽 光聚集于太陽能光伏電池片上，在電池片的表面貼有濾波器，使得可轉化波段的太陽光可 以盡量地透射到電池片上，并被轉化為電能對外輸出；而其余波段的太陽光則被反射回去， 以阻止其到達光伏電池使得電池的溫度過分升高而影響電池正常工作。 熱電溫差電池是一種利用材料內部載流子運動實現熱能和電能直接轉換的發電 設備。為了獲得較高的發電效率，溫差電池必須有很高的熱面溫度和較大的溫差。所以在 實際應用中，太陽能溫差電池都是與聚光系統聯系在一起的。利用聚光器將太陽光聚集到 溫差電池上，同時要保證電池的兩面有較大的溫差。 各國光伏工作者在不斷地以實驗結果驗證聚光技術，這是在提高太陽電池轉換效 率的前提下，大幅度降低電池片的消耗量和光伏發電成本的最有效方案。早在1988年， Sandia實驗室就報道其GaAs太陽電池的效率已達27.8X (聚光強度比為216suns) 。 1995 年，FhG-ISE實驗室報道在96倍聚光條件下，Si電池的效率可以達到26.8%。 2004年， FhG-ISE實驗室在92倍聚光條件下將Si電池的效率提高到了 27. 6% 。 2001年，NREL實驗 室報道其CIGS波膜電池在14倍聚光條件下的效率可以達到21. 5%。 由此可見，太陽能聚光光伏系統相對于普通的光伏系統，效率已經有了一定的提 高，但仍然存在一定的問題1、聚光比的增高必然引起電池熱負荷的急劇增加，對散熱器的 性能和功率提出了更高的要求，如果散熱器達不到理想效果的話會使得電池溫度升高，從 而降低電池的效率，所以對于給定的電池，聚光器的聚光比有一個上限值，通過進一步提高 聚光比以提高電池效率的措施受到限制；2、常用的聚光系統有折射聚光系統和反射聚光系 統，分別利用透鏡和反射鏡將太陽光聚焦到太陽能電池上。傳統菲涅爾透鏡存在難以實現 的高接收角、聚光后光強分布不均勻和易老化變形等問題。3、聚光器在會聚過程中不可避 免地存在著能量的損失，如果使得太陽能量在損失前就可以得到一定的利用，則必然使得 系統的效率得以提高。 專利申請分頻吸收的太陽能熱光伏裝置(200710132772.0)提供了一種解決上 述問題的方法，即利用反射式聚光器將光線會聚于一個熱光伏裝置，在聚光器表面設置 有光伏電池，該光伏電池和熱光伏裝置產生的電能共同輸出構成總的輸出電能。專利 200710132772. 0提出了分兩級利用太陽能的思想，但其聚光器采用點聚焦拋物面型，使得 在聚光器表面設置光伏電池比較困難；同時，采用熱光伏裝置，需要將熱光伏裝置中的輻射 器升高到上千度的高溫，這對保溫措施提出了很高的要求；另外，采用熱光伏裝置，需要先 將太陽能轉化為熱能，然后通過輻射器將熱能以輻射能的形式輻射到光伏電池進行發電， 層層轉化導致效率難以提高。
發明內容
本發明的目的在于提供一種系統效率及輸出功率高的分級利用的太陽能聚光發 電裝置，著眼于太陽能的高效利用。 實現本發明目的的技術方案為一種分級利用的太陽能聚光發電裝置，由一個或 一個以上的太陽能聚光發電裝置以陣列的形式排列而成，其中每一個單一的裝置包括反射 式聚光器、一級光伏電池、一級濾波器、二級電池和散熱器，在反射式聚光器表面上設置一 級光伏電池，在該光伏電池表面上貼有一級濾波器，使得可轉化波段的太陽光透過該一級 濾波器到達一級光伏電池，轉化為電能，可轉化波段范圍以外的太陽能則和其余落在聚光 器表面上的太陽能一起反射向設置在聚光器光線會聚處的二級電池。 本發明與現有技術相比，其顯著優點是采用兩級電能轉化裝置，可顯著提高對太 陽能的轉化效率，增大了系統效率及總的輸出電功率。當本發明裝置的二級電池選用光伏 電池時，與普通的聚光光伏裝置相比，利用一級光伏電池吸收了部分太陽光，有以下兩個好 處(l)采用同樣的聚光器的時候，本裝置減少了到達二級電池的太陽能量，減小了二級電 池的熱負荷，降低了對散熱器性能和功率的要求，從而擴展了本發明裝置的適用性；(2)采 用同樣的散熱器的時候，本裝置可以采用聚光比更高的聚光器會聚太陽光，即可以在更寬 的聚光比范圍內選擇聚光器。二級電池可選用光伏電池也可選用熱電溫差電池，使得本發 明的結構應用范圍更加廣泛，同時，不同能量形式之間的轉化次數較少，更有利于提高裝置 的效率。本發明可以應用于航空、航天、生活等領域，為飛行器及日常生活等提供充足的電 能，應用前景廣泛。 下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
圖1是本發明二級電池為光伏電池時，分級利用的太陽能聚光發電裝置的剖面及
光路圖。 圖2是本發明的分級利用的太陽能聚光發電裝置立體示意圖。
圖3是本發明以陣列形式排列的太陽能聚光發電裝置示意圖。
具體實施例方式
結合圖l，本發明分級利用的太陽能聚光發電裝置，由一個或一個以上的太陽能聚 光發電裝置以陣列的形式排列而成，其中每一個單一的裝置1包括反射式聚光器2、一級光 伏電池3、一級濾波器4、二級電池6和散熱器7，在反射式聚光器2表面上設置一級光伏電 池3，在該光伏電池3表面上貼有一級濾波器4，使得可轉化波段的太陽光透過該一級濾波 器4到達一級光伏電池3，轉化為電能，可轉化波段范圍以外的太陽能則和其余落在聚光器 2表面上的太陽能一起反射向設置在聚光器2光線會聚處的二級電池6。其中，二級電池6 可以選用比一級光伏電池3禁帶波長更高的光伏電池，此時，該光伏電池表面上貼有二級 濾波器5，并在二級光伏電池的背面裝有散熱器7。 二級電池6可以選用熱電溫差電池，此 時，該熱電溫差電池面向聚光器2的一面涂黑，并在熱電溫差電池的背面裝有散熱器7 。
根據上述內容，也就是本發明分級利用的太陽能聚光發電裝置包括兩種實施例
實施例1主要包括一個聚光器，如線聚焦拋物線型，在聚光器的表面和光線會聚 位置處分別設置一級光伏電池(如Si電池)和二級光伏電池(如GaSb電池)，兩級電池的 表面都設置有濾波器，以達到透過可轉化波段太陽能和反射非轉化波段太陽能的目的。在 二級電池的背面設置一個散熱器。 實施例2與實施例1的結構基本相同，也包括一個聚光器，例如線聚焦拋物線型， 在聚光器的表面設置一級光伏電池，而在光線會聚位置則設置二級熱電溫差電池，如三元 層結構熱電溫差電池。 一級光伏電池的表面須設置有濾波器，其作用與第一套方案中的相 同，而二級熱電溫差電池的表面則不需要設置有濾波器。溫差電池面向聚光器的一面要涂 黑，以提高表面的吸收比，盡可能多地吸收會聚光能量。在二級電池的背面設置散熱器。
本發明的原理是采用反射式聚光器對太陽光進行會聚，在聚光器的表面設置一 級光伏電池，在聚光器的光線會聚位置處設置二級光伏電池或熱電溫差電池。 一級光伏電 池表面設置具有濾波作用的濾波器，對于可轉化波段的太陽光，濾波器具有很高的透射率， 一般會達到90%左右；對于其他波段的太陽光則具有極高的反射率。所以一級電池可轉化 波段的大部分太陽光可以透過濾波器到達電池表面，直接轉化為電能；未透過濾波器部分 的太陽光則被反射到二級電池，以繼續利用。二級電池放置于聚光器的光線會聚位置處。對 于第一套方案，由于能量比較集中，所以電池工作溫度比較高，為保證光電池處于正常的工 作溫度下，在電池的背面設置一個散熱器以消除電池工作過程中產生的廢熱。對于第二套 方案，可以采用一個表面涂黑的多元層結構熱電溫差電池作為二級電池，電池的背面設置 一個散熱器以保證電池的兩面具有較大的溫差。兩級電池產生的電功率的和即為裝置輸出 的總的電功率。這樣，實現了太陽能的分級高效利用。 結合圖1 ，本發明的分級利用的太陽能聚光發電裝置，包括反射式聚光器2，其型 式和大小可以根據需要適當選取。在聚光器2表面設置一級光伏電池3，如Si電池，在一級 光伏電池3表面貼有一級濾波器4，使得可轉化波段的太陽光可以透過該濾波器到達電池， 轉化為電能，此波段范圍以外的太陽能則和其余落在聚光器表面上的太陽能一起反射向設 置在聚光器光線會聚處的二級電池6，可轉化波段的太陽光不可能都透過濾波器4而到達 一級電池表面，即濾波器的透射率是達不到100%的，這就導致一部分可轉化波段的太陽能 不可避免地被反射了出去，這一部分能量和可轉化波段以外的太陽光一起射向二級電池繼 續產生電能。上述二級電池6可以為比一級電池禁帶波長更高的光伏電池，如GaSb電池，其 表面貼有二級濾波器5，作用和4相同，即透過可轉化波段太陽光反射非轉化波段太陽光。 在二級光伏電池的背面設置散熱器7，其作用是消除電池工作過程中產生的廢熱。
由濾波器5、二級光伏電池6組成的二級電池也可以用一個多元層結構熱電溫差 電池來代替，該熱電溫差電池面向反射式聚光器2的一面涂黑，以提高表面的吸收比，盡可 能多地吸收會聚光能量；結構中可以省去濾波器，電池的背面設置散熱器7，以保證電池的 兩面具有較大的溫差。典型的三元層熱電溫差電池為SiGe-PbTe-Bi2Te3電池。第一層為 SiGe層，首先接觸會聚光，在溫差電池中SiGe層工作溫度最高；第二層為PbTe層，工作在 次高溫度下；第三層為BiJ^層，工作溫度最低。單級熱電溫差電池效率較低，采用三層聯 級的結構，電池的效率可以顯著提高。利用上述結構，我們可以實現太陽能的充分高效利 用。 結合圖2，聚光器2表面上設置一級光伏電池，按照每層最多可能設置的數量進行
5設置，以使得聚光器表面盡量被電池布滿。電池的數量由聚光器的大小決定。本發明裝置 可加工成圖2所示的結構，只有一個聚光器以及相對應的一級、二級電池，整個裝置由支架 7支撐。 結合圖3，本發明分級利用的太陽能聚光發電裝置也可加工成由若干個上述的單 一的裝置1組合而成的形式。各單一裝置產生的電功率的和即為輸出的總的電功率。
權利要求
一種分級利用的太陽能聚光發電裝置，其特征在于由一個或一個以上的太陽能聚光發電裝置以陣列的形式排列而成，其中每一個單一的裝置[1]包括反射式聚光器[2]、一級光伏電池[3]、一級濾波器[4]、二級電池[6]和散熱器[7]，在反射式聚光器[2]表面上設置一級光伏電池[3]，在該光伏電池[3]表面上貼有一級濾波器[4]，使得可轉化波段的太陽光透過該一級濾波器[4]到達一級光伏電池[3]，轉化為電能，可轉化波段范圍以外的太陽能則和其余落在聚光器[2]表面上的太陽能一起反射向設置在聚光器[2]光線會聚處的二級電池[6]。
2. 根據權利要求l所述的分級利用的太陽能聚光發電裝置，其特征在于二級電池[6] 選用比一級光伏電池[3]禁帶波長更高的光伏電池，此時，該光伏電池表面上貼有二級濾 波器[5]，并在二級光伏電池的背面裝有散熱器[7]。
3. 根據權利要求l所述的分級利用的太陽能聚光發電裝置，其特征在于二級電池[6] 選用熱電溫差電池，此時，該熱電溫差電池面向聚光器[2]的一面涂黑，并在熱電溫差電池 的背面裝有散熱器[7]。
全文摘要
本發明涉及一種分級利用的太陽能聚光發電裝置，由一個或一個以上的太陽能聚光發電裝置以陣列的形式排列而成，其中每一個單一的裝置包括反射式聚光器、一級光伏電池、一級濾波器、二級電池和散熱器，在反射式聚光器表面上設置一級光伏電池，在該光伏電池表面上貼有一級濾波器，使得可轉化波段的太陽光透過該一級濾波器到達一級光伏電池，轉化為電能，可轉化波段范圍以外的太陽能則和其余落在聚光器表面上的太陽能一起反射向設置在聚光器光線會聚處的二級電池。本發明可顯著提高對太陽能的轉化效率，增大了系統效率及總的輸出電功率；減少了到達二級電池的太陽能量，減小了二級電池的熱負荷，降低了對散熱器性能和功率的要求，從而擴展了本發明裝置的適用性。
文檔編號G02B5/10GK101771368SQ20081024290
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者宣益民, 韓玉閣, 黃金國 申請人:南京理工大學