專(zhuān)利名稱(chēng)：一種由小型菲涅爾透鏡陣列組成的聚光太陽(yáng)能模組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種由小型菲涅爾透鏡陣列組成的聚光太陽(yáng)能電池模組。
背景技術(shù)：
聚光太陽(yáng)能(Concentration photovoltaic,簡(jiǎn)稱(chēng)CPV)技術(shù)是通過(guò)聚光的方式把一定面積上的光通過(guò)聚光系統(tǒng)會(huì)聚在一個(gè)狹小的區(qū)域(焦斑)，太陽(yáng)能電池僅需焦斑面積的大小即可，從而大幅減少了太陽(yáng)能電池的用量。同樣條件下，倍率越高，所需太陽(yáng)能電池面積越小。光伏發(fā)電經(jīng)歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池，目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正逐漸轉(zhuǎn)向高效的CPV系統(tǒng)發(fā)電。與前兩代電池相比，CPV采用多結(jié)的III一V族化合物電池，具有大光譜吸收、高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)。CPV系統(tǒng)模組主要由太陽(yáng)能電池、高聚光鏡面菲涅爾透鏡等光學(xué)聚光元件、太陽(yáng)光追蹤器(追日系統(tǒng))組成。用菲涅爾透鏡的作用就是將光線從相對(duì)較大的區(qū)域面積轉(zhuǎn)換成相當(dāng)小的面積上，這種透鏡也被稱(chēng)做集光器或聚光器。應(yīng)用菲涅爾透鏡能夠?qū)⑻?yáng)光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面(高性能電池片)上，比傳統(tǒng)平板光伏(FPV)發(fā)電效率提高30%以上，滿足太陽(yáng)能聚光發(fā)電的要求。菲涅爾透鏡克服了普通透鏡重量大的缺點(diǎn)，可省去約80%的材料成本，應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。目前常用的聚光太陽(yáng)能模組普遍采用大倍率，大尺寸的菲涅爾透鏡，以減少半導(dǎo)體電池片的面積。但由于大尺寸的菲涅爾透鏡的焦距也相應(yīng)較長(zhǎng)，導(dǎo)致模組的厚度過(guò)大。在實(shí)際應(yīng)用中，聚光太陽(yáng)能模組必須通過(guò)追日系統(tǒng)使其始終朝向太陽(yáng)。大倍率的菲涅爾透鏡對(duì)追日系統(tǒng)的精讀要求很高。以400倍菲涅爾透鏡為例，如果入射角偏離0.5度，光學(xué)效率將降為64%，如果入射角偏離I度，光學(xué)效率將降為O。為增加對(duì)太陽(yáng)光入射偏離容忍度，可在太陽(yáng)能電池表面加上二次聚光透鏡，可將容忍度提高到一度。受追日系統(tǒng)的精度和風(fēng)向等影響，聚光式太陽(yáng)能模組很難達(dá)到理論設(shè)計(jì)的發(fā)光效率。另外由于追日系統(tǒng)在運(yùn)行中為了保持對(duì)日方向準(zhǔn)確性，需要頻繁啟動(dòng)電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)太陽(yáng)能模組的姿態(tài)，這樣實(shí)際消耗了相當(dāng)一部分太陽(yáng)能模組的輸出電力。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有聚光式太陽(yáng)能電池的不足，本發(fā)明的目的是提供一種由小型菲涅爾透鏡陣列和簡(jiǎn)易二次聚光透鏡組成的聚光太陽(yáng)能模組。這種聚光太陽(yáng)能模組的整體厚度較小，成本較低，對(duì)入射太陽(yáng)光偏離的容忍度大，減少了對(duì)追日系統(tǒng)精度的依賴(lài)。另外由于避免了追日系統(tǒng)在運(yùn)行中頻繁調(diào)整太陽(yáng)能模組姿態(tài)，運(yùn)行能耗也降低了。本發(fā)明中的單個(gè)菲涅爾透鏡尺寸在20x20mm到60x60mm之間，放大倍率在50倍到150倍之間。菲涅爾透鏡材料為透明塑料，采用注塑方式快速成型。菲涅爾透鏡依次排列在鋼化玻璃蓋板上并由環(huán)氧樹(shù)脂膠粘合，以組成透鏡陣列。
二次聚光透鏡采用一端為球面，另一端為平面的柱面鏡，直徑為:Tl2mm，長(zhǎng)度為5 15mm，材料為玻璃。柱面鏡的生產(chǎn)首先采用高溫下拉制大口徑玻璃預(yù)形體制成所需直徑的帶有火拋表面的長(zhǎng)玻璃棒。再將長(zhǎng)玻璃棒的一端局部二次高溫加熱，玻璃融化后由于表面的張力使其自然形成球面，然后按照所需長(zhǎng)度截?cái)?。重?fù)上述的局部加熱和截?cái)噙^(guò)程即可批量生產(chǎn)柱面鏡。最后將批量的柱面鏡底端截?cái)嗝嬉黄鹧心伖?，以形成光潔端面。以上二次聚光透鏡的生產(chǎn)方式成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。在本發(fā)明的聚光太陽(yáng)能模組中，二次聚光柱面鏡與太陽(yáng)能電池膠合并固定。菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)在柱面鏡中軸的中間位置。因?yàn)椴ＡУ恼凵渎矢哂谥車(chē)諝?，所以入射光?jīng)菲涅爾透鏡匯聚進(jìn)入柱面鏡內(nèi)后形成光導(dǎo)效應(yīng)，導(dǎo)致入射光在柱面鏡內(nèi)部的傳播過(guò)程中不斷被均勻化。這樣底面的太陽(yáng)能電池片的各部位可以均勻的接收到照射。由于菲涅爾透鏡的放大倍率不高，當(dāng)入射光在一定范圍內(nèi)偏離時(shí)，大部分匯聚光線還是能夠進(jìn)入柱面鏡，所以這種聚光系統(tǒng)對(duì)入射光角度偏離的容忍度較高。在光學(xué)效率在50%以上的入射光角度容忍度可達(dá)41度。


圖1是小型菲涅爾透鏡陣列組成的聚光太陽(yáng)能模組示意 圖2是單個(gè)聚光太陽(yáng)能模塊示意 圖3是聚光太陽(yáng)能模組的剖面示意圖。其中附圖標(biāo)記 I為玻璃蓋板；
2為菲涅爾透鏡；
3為金屬基板；
4為二次聚光柱面鏡；
5為太陽(yáng)能電池；
6為太陽(yáng)能電池的光接收區(qū)域。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。附圖中相同標(biāo)記表示相同部件。為了更好的理解，附圖中所示的部件是示意性表示，它們是按比例繪制的，即該附圖的部件不表示真實(shí)尺寸，這些真實(shí)尺寸對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)都是公知的，因此這里不做詳細(xì)描述。下面參考圖1，小型菲涅爾透鏡陣列組成的聚光太陽(yáng)能模組示意圖，圖1中示意的太陽(yáng)能模組由5x5菲涅爾透鏡陣列組成，實(shí)際使用中可根據(jù)需要調(diào)整陣列的大小，比如從3x3到10x10。注意到大的陣列會(huì)導(dǎo)致各個(gè)子模塊聚光校準(zhǔn)的困難。單個(gè)菲涅爾透鏡2用膠合法固定在整塊鋼化玻璃蓋板I上。玻璃蓋板I的厚度在0.5^2.5mm之間。玻璃蓋板I為表面光潔平整，高 透明度的鋼化平板玻璃，鋼化方式為物理鋼化或化學(xué)鋼化。玻璃蓋板的作用主要是固定和保護(hù)塑料材質(zhì)的菲涅爾透鏡，在實(shí)際使用中，玻璃蓋板可吸收一部分紫外線，以減少對(duì)塑料菲涅爾透鏡的光致老化效應(yīng)。另外鋼化玻璃蓋板與整個(gè)太陽(yáng)能模組的氣密性封裝也起到防水防塵的作用。單個(gè)菲涅爾透鏡2的尺寸在30x30mm到60x60mm之間，放大倍率在50倍到150倍之間。菲涅爾透鏡材料為透明塑料，采用注塑方式一次成型。太陽(yáng)能電池片5組成的陣列固定在金屬基板3上，并由導(dǎo)線相連。金屬基板5的材料選自鋁合金、不銹鋼和銅構(gòu)成的組中至少一種金屬材料，其主要作用是散熱和固定太陽(yáng)能電池片陣列。菲涅爾透鏡2的主軸和二次聚光柱面鏡4的主軸重合，玻璃蓋板I和金屬基板5之間由結(jié)構(gòu)件保持相對(duì)位置固定并平行。下面參考圖2，單個(gè)聚光太陽(yáng)能模塊示意圖。二次聚光柱面鏡4通過(guò)膠合固定在太陽(yáng)能電池片5中心位置，柱面鏡的底面圓形與電池片的正方形光接收區(qū)域6連接。太陽(yáng)能電池片5的光電轉(zhuǎn)換材料由選自砷化鎵、單晶硅、多晶硅、銅銦鎵硒和銻化鎘構(gòu)成的組中至少一種半導(dǎo)體材料形成。二次聚光透鏡4采用一端為球面，另一端為平面的柱面鏡，直徑為:Tl2mm，長(zhǎng)度為5 15mm，材料為玻璃。柱面鏡的制造首先采用高溫下拉制大口徑玻璃預(yù)形體制成所需直徑的帶有火拋表面的長(zhǎng)玻璃棒.再將長(zhǎng)玻璃棒的一端局部二次高溫加熱，玻璃融化后由于表面的張力使其自然形成球面，然后按照所需長(zhǎng)度截?cái)?。重?fù)上述的局部加熱和截?cái)噙^(guò)程即可批量生產(chǎn)柱面鏡。最后將批量的柱面鏡底端截?cái)嗝嬉黄鹧心伖?，以形成光潔端面。以上二次聚光透鏡的生產(chǎn)方式成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。下面參考圖3，聚光太陽(yáng)能模組的剖面示意圖。左側(cè)第一個(gè)聚光模塊示意當(dāng)光在垂直正入射時(shí)，聚光點(diǎn)位置在柱面鏡中軸的中間位置。左側(cè)第二個(gè)聚光模塊示意當(dāng)入射光偏離5度射入時(shí)，聚光點(diǎn)向左偏離中軸，但仍然在柱面鏡內(nèi)部。上述實(shí)施例為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式不受所述實(shí)施例的限制，任何其他未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所做的改變，修飾，替代，組合，簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種聚光太陽(yáng)能模組，包括，玻璃蓋板，菲涅爾透鏡陣列，二次聚光柱面鏡和太陽(yáng)能電池陣列以及金屬基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光太陽(yáng)能模組，其特征在于，菲涅爾透鏡陣列膠合固定在玻璃蓋板上，二次聚光柱面鏡直接與太陽(yáng)能電池膠合并固定，太陽(yáng)能電池片和二次聚光透鏡組成的陣列固定在金屬基板上，并由導(dǎo)線相連；菲涅爾透鏡的主軸和二次聚光柱面鏡的主軸重合，玻璃蓋板和金屬基板之間由結(jié)構(gòu)件保持相對(duì)位置固定并平行；菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)在柱面鏡中軸的中間位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的菲涅爾透鏡鏡，其特征在于，菲涅爾透鏡外形為方形，尺寸在20x20mm到60x60mm之間，放大倍率在50倍到150倍之間，材料為透明塑料，采用注塑方式快速成型。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求1或2所述的玻璃蓋板，其特征在于，玻璃蓋板的厚度在0.5^2.5_之間，材質(zhì)為表面光潔平整，高透明度的鋼化平板玻璃，鋼化方式為物理鋼化或化學(xué)鋼化。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求2所述的的二次聚光柱面鏡，其特征在于，柱面鏡的一端為球面，另一端為平面，直徑為3 12mm，長(zhǎng)度為5 15mm，材料為玻璃，柱面鏡的制造首先采用高溫下拉制大口徑玻璃預(yù)形體制成所需直徑的帶有火拋表面的長(zhǎng)玻璃棒，再將長(zhǎng)玻璃棒的一端局部二次高溫加熱，玻璃融化后由于表面的張力使其自然形成球面，然后按照所需長(zhǎng)度截?cái)?，重?fù)上述的局部加熱和截?cái)噙^(guò)程即可批量生產(chǎn)柱面鏡，最后將批量的柱面鏡底端截?cái)嗝嬉黄鹧心伖?，以形成光潔端面?br> 6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的的太陽(yáng)能電池，其特征在于，二次聚光柱面鏡通過(guò)膠合固定在太陽(yáng)能電池片中心位置，柱面鏡的底面圓形與電池片的正方形光接收區(qū)域外接； 太陽(yáng)能電池片的光電轉(zhuǎn)換材料由選自砷化鎵、單晶硅、多晶硅、銅銦鎵硒和銻化鎘構(gòu)成的組中至少一種半導(dǎo)體材料形成。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的的金屬基板，其特征在于，金屬基5的材料選自鋁合金、不銹鋼和銅構(gòu)成的組中至少一種金屬材料，其主要作用是散熱和固定太陽(yáng)能電池片陣列。
全文摘要
一種由小型菲涅爾透鏡陣列和簡(jiǎn)易二次聚光透鏡組成的聚光太陽(yáng)能模組，包括玻璃蓋板，菲涅爾透鏡陣列，二次聚光柱面鏡和太陽(yáng)能電池陣列以及金屬基板。菲涅爾透鏡陣列膠合固定在玻璃蓋板上；二次聚光柱面鏡直接與太陽(yáng)能電池膠合并固定，太陽(yáng)能電池片和二次聚光透鏡組成的陣列固定在金屬基板上，并由導(dǎo)線相連；菲涅爾透鏡的主軸和二次聚光柱面鏡的主軸重合，玻璃蓋板和金屬基板之間由結(jié)構(gòu)件保持相對(duì)位置固定并平行；菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)在柱面鏡中軸的中間位置。這種聚光太陽(yáng)能模組的整體厚度較小，成本較低，對(duì)入射太陽(yáng)光偏離的容忍度大，減少了對(duì)追日系統(tǒng)精度的依賴(lài)。
文檔編號(hào)H01L31/052GK103165717SQ20131010568
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者張倩 申請(qǐng)人:蘇州百納思光學(xué)科技有限公司