一种可折叠四棱锥式反射聚光太阳能电池阵的制作方法

本发明涉及太阳能技术领域，具体为一种可折叠四棱锥式反射聚光太阳能电池阵。

背景技术：

现有技术的技术方案为：(1)利用平板太阳电池阵直接进行发电；(2)反射聚光阵是通过镜面聚光器的反射将太阳光会聚到电池上。这样，太阳电池表面会聚的太阳光辐射照度得以提高，电池的输出功率也得到相应提高，同时太阳电池片的数量可以大大减少，以达到减轻太阳电池阵质量和降低太阳电池阵成本的目的。现有技术缺点：(1)根据单束光的利用程度来看，现有的反射聚光阵仍是单束光的一次或二次利用，不能突破已有的缺陷，多次利用。(2)现有的太阳电池阵大多不可折叠。

技术实现要素：

本发明基于现有太阳电池阵单束光，单次反射，不能有效利用太阳光问题和现有太阳电池阵不可折叠问题，解决现有光伏板只能单次利用太阳光发电问题，使太阳电池阵的结构向着高功率低质量进行且更灵敏与稳定，提供一种可折叠四棱锥式反射聚光太阳能电池阵，通过控制四棱锥中间材料的角度，增加光在四棱锥里的反射次数，提高光的辐射量，尽最大可能利用太阳能。

本发明采用的技术方案如下：一种可折叠四棱锥式反射聚光太阳能电池阵，由若干个四棱锥连接得到；其特征在于：一个四棱锥是由四块发电板、双面电池组成；四棱锥的四个侧面由四块发电板构成，其中第一发电板和第二发电板铰接，第二发电板和第三发电板铰接，第三发电板和第四发电板铰接，第四发电板和第一发电板铰接；所述第一发电板和第二发电板之间的连接边及第三发电板和第四发电板之间的连接边中间连接有双面电池。

本发明为方便折叠，所述第二发电板和第四发电板从中间断开后铰接。

本发明所述发电板为太阳能光伏发电板和温差发电板的一种或是2种组合。

本发明所述双面电池设置在四棱锥式反射聚光太阳能电池阵中间，双面电池为等腰三角形，表面呈θ＝40.5°经过糙面处理可反光即为双面电池表面呈θ＝40.5的高透明反射板组成，双面电池从中间断开，从发电板的两边进行内压压缩，四棱锥式太阳能电池阵可以折叠。

本发明所述四棱锥或由两翼铰链(两面合页)或由三翼铰链(三面合页)铰接，其中由三翼铰链铰接的为第一发电板和第二发电板之间的连接边，第三发电板和第四发电板之间的连接边，其中由两翼铰链有第二发电板和第三发电板之间的连接边，第四发电板和第一发电板之间的连接边，第二发电板之间的连接边，第四发电板之间的连接边，四棱锥底边与四棱锥底边。

本发明所述四棱锥的发电板从外向内由基板、光伏发电板、高透明反射板(光滑)构成的；基板主要用于固定结构(铰链的固定)为最底侧；光伏发电板用于发电；高透明反射板，用于反射。

本发明所述双面电池能够形成有相应角度的凹槽(双面电池上的高透明反射板糙面处理形成凹槽)，当太阳光打在发电板上，利用发电板上高透明反射板进行反射打在双面电池上，双面电池上的凹槽同样进行反射打在太阳能光伏发电板上，如此进行循环，增加单位面积内的光的福照度，增大辐射量，提高光的利用效率，增大功率进行发电。

本发明四棱锥式反射聚光太阳能电池阵的参数见图5，

将多个单元以铰连接并成一排(以AD、CB为边向两边延伸)，如图10；同时对一排的多个单元相向施力，这样一排能够压缩到一起如图11；将图10中的组单元(五个一组)，并联在一起形成阵单元(一个近似正方形的平面5×5)如图12；同时对电池阵的左右两边相向施加一个力F，将电池阵列压缩，如图13；持续施加作用力，电池阵列的左右两边会相互靠拢到一起，如图14；以图14中A、B为定点，将R、S、T、U经过相应旋转形成如图15；当θ＝40.5°时，单束光线才能在四棱锥里反射12次，由表2可知，反射到12次光强基本可以忽略，理论上四棱锥式反射聚光太阳能电池阵对光的利用率可比平铺式电池阵多44％。

本发明工作原理为：可折叠四棱锥式反射聚光太阳能电池阵，通过现有材料的拼接、组合，利用数学中的微分法，改变材料表面的光滑状况，使之凹凸有度，使四棱锥式反射聚光太阳能电池阵可折叠且增加光在四棱锥里的反射次数，从而解决光在平铺式太阳电池阵中因反射一次而造成的浪费问题，提高太阳能发电的能源转化效率。

本发明的有益效果：目前，国内外对太阳能材料的研究非常普遍，但对太阳能的结构关注非常少，本发明的四棱锥式反射聚光太阳电池阵，是一种通过拼接组合的方式，增加光在四棱锥里的反射次数，从而解决光在平铺式太阳电池阵中因反射一次而造成的浪费问题，提高太阳能发电的能源转化效率。四棱锥式反射聚光电池阵代替平板太阳电池阵主要是为了提高光的利用效率，通过增加光在四棱锥里的反射次数，提高光的利用效率，增大发电量且提高了辐照度，进而提高太阳电池阵的发电功率，使电池片数量减少，节省了材料，节约了成本。就结构而言，四棱锥式反射聚光阵单元可代替普通平铺式太阳电池阵的晶格，且四棱锥式反射聚光阵单元独立性强，容易拆卸，如果某一单元损坏，则可以单独替换，既方便又节约成本。

附图说明

图1为本发明的光线的反射图。

图2为本发明的光面的反射图。

图3为本发明的平行四边形不稳定图。

图4为本发明的正方形受力折叠图。

图5为本发明的源几何图。

图6为本发明的四棱锥模型图。

图7为本发明的四棱锥单元示意图。

图8为本发明的四棱锥折叠图。

图9为本发明的四棱锥效果图。

图10为本发明的横向展开图。

图11为本发明的横向折叠图。

图12为本发明的电池阵列模型图。

图13为本发明的电池阵列折叠图。

图14为本发明的电池阵列折叠后图。

图15为本发明的电池阵列旋转图。

图16为本发明的单束光线反射图。

图17为本发明的四棱锥的结构图。

图18为本发明的发电板的结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明作进一步说明：

1设计原理

1.1光反射原理

(1)环境，a.太阳光为平行光；b.标准大气压1.01×10³pa，温度为25℃的介质；c.空气中的悬浮物质。

(2)光的反射定理，a.(三线共面)反射光线在入射光线和法线所决定的平面内；b.(法线居中)反射光线跟入射光线分别位于法线两侧；C.(两角相等)反射角等于入射角。

(3)原理；光线以α照射在反光面上(α为入射光线与法线的夹角，不考虑在反光面上的折射)，光线会以β反射到空气中，(β为反射光线与法线的夹角)如图1。选取光束，根据图1原理，当入射光面以α照射在反光面上，反射光面会以β反射到空气中，如图2。

1.2结构原理

(1)任何一个四边形都有不稳定性；任意一个进行铰连接的平行四边形，如图3，a图在外力F的作用下，将会变成b图，继续施加作用力将会变成c图。

(2)根据不稳定性，将正方形(如图4)向内进行折叠；M、N分别为AD、BC边的中点；同时对M、N相向施加一个外力F，M、N会相向运动，A、D点相互靠拢，B、C点相互靠拢，使得AB、CD相互靠拢运动，如图4中的a图、b图、c图；随着力的作用，M、N相互靠拢，AB、CD两条边也相互靠拢，如图4中的d图；最终A、D两点，M、N两点，B、C两点分别重合，AB、AM、DM、BN、CN、CD，六边重合，如图4中的e图。

2理论模型

2.1四棱锥参数模型

立体几何：由四边形推广到体，我们选取正方体ABCD-EFGH如图5，将正方体4条体对角线连接交于O点，这样就把正方体ABCD-EFGH分成六个相同的四棱锥，分别为O-ABCD、O-BCGF、O-EFGH、O-ADHE、O-ABFE、O-CDHG。

选取四棱锥O-ABCD为例，如图6。M、N、P分别为AD、BC、MN的中点，连接ON、OM、OP；

设正方形的边长为a；ABCD为正方形，则AB＝BC＝CD＝AD＝a；

ΔAOD⊥ΔBOC，且OA＝OD＝OB＝OC，M、N分别为AD和BC的中点

且OP⊥MN

可根据勾股定理得：

同理可得，OM＝a，ΔOAD⊥ΔOCD

则：

可求出

2.2单元工作原理

根据光的反射原理、四边形的不稳定性原理，我们设计了四棱锥式反射聚光太阳能电池阵列单元如图10，其中四棱锥的四个侧面由可反光的太阳能光伏发电板(或温差电板)制成，ΔBOD由两面均可发电的双面电池制成，如图7；

P为AC中点，OP处断开，M、N分别为AD、BC中点，MO、NO为可向内折叠的铰连接结构。对AD、CB相向施加压力F，根据四边形不稳定性原理，M、N均会向内折叠。如图8中的a图；同时，ΔBON与ΔAOB会向ΔBOP靠近，ΔDOM与ΔCOD向ΔDOP靠近，ΔBON会向ΔNOC靠近，ΔAOM向ΔDOM靠近，使其压缩到不能压缩为止。压缩后会形成近似顶角为70°的等腰三角形，如图8中的b图；选取单面入射光以与ΔCOD成45°入射，经ΔCOD反射到ΔBOD如图9；

2.3系统工作示意图

将多个单元以铰连接并成一排(以AD、CB为边向两边延伸)，如图10；

同时对一排的多个单元相向施力，这样一排能够压缩到一起如图11；

将图10中的组单元(五个一组)，并联在一起形成阵单元(一个近似正方形的平面5×5)如图12；

同时对电池阵的左右两边相向施加一个力F，将电池阵列压缩，如图13；

持续施加作用力，电池阵列的左右两边会相互靠拢到一起，如图14；

以图14中A、B为定点，将R，S、T、U经过相应旋转形成如图15。

5.3理论证明

当平行的太阳光照在四棱锥式反射聚光太阳电池阵列单元上时，就一束光线为例分析光强。假如一束光线与高反光电池板四棱锥四个侧面(ΔAOD、ΔDOC、ΔCOB、ΔBOA)成45°照射(图9)。依据反射定理，光线会垂直照射在双面电池ΔBOD，为了提高光的利用率，我们采用光在四棱锥里的多次反射的办法，避免光线因原路反射而造成损失，故在ΔBOD上形成一个可反射的凹槽θ。利用数学中的微分法，可在材料表面形成无数个凹槽，进行反射。

当光打在可反光的电池板上时会出现三种情况：一种直接被光伏电池通过光生伏打效应转换成电；一种因各种原因消耗(发热、漫反射、其他消耗等)；一种因光反射原理被直接反射。

设一束光线的阳光强度为1，光伏板的光电转换效率为a，各种原因损失的光强效率为b。

表1光强反射变化表

目前太阳能光伏市场中，投入量产的单晶硅电池转换效率约为17％，多晶硅电池转换效率约为16％。而现今较为热门的薄膜电池量产的转换效率也仅约为10％。光电转化效率在10％-18％的太阳能电池已经实现大规模产业化应用。常用的太阳能高反射材料为银、铝，其半球反射率分别达到了97％和92％。对银而言，目前实际应用中最好的反射率仅达到了90％。

当a＝16％，b＝10％时，根据光强反射变化表，可得表2。

表2光强反射变化表

根据表2可知当光反射到第十二次时，光强为3.64％，基本可以忽略。到第十二次为止光伏板总共吸收光的利用率比平铺式电池阵(反射一次)多44％。

反射次数与θ(θ为双面电池ΔBOD上一个可反射的凹槽)的大小有关，选取部分光反射路线分析如图16。

由图16知，同角的余角相等得θ₂＝θ，根据反射原理和三角内角和定理列出如下等式：

整理得：

θ₁+(n-1)(θ-45°)＝θ_n (2)

θ——双面电池ΔBOD上一个可反射的凹槽；

n——光在四棱锥里的反射次数；

θ_n——光在第n次时的反射角

当反射次数为12次时，θ_n＝0°，n＝12，θ₁＝45°

求得θ＝40.5°。

当双面电池上的凹槽为θ＝40.5°时，单束光线在四棱锥式反射聚光太阳电池阵列里反射12次。

如图17、图6、图7所示，一种可折叠四棱锥式反射聚光太阳能电池阵，由若干个四棱锥连接得到；其特征在于：一个四棱锥是由四块发电板、双面电池组成；四棱锥的四个侧面由四块发电板构成，其中第一发电板1和第二发电板2铰接，第二发电板2和第三发电板3铰接，第三发电板3和第四发电板4铰接，第四发电板4和第一发电板1铰接；所述第一发电板1和第二发电板2之间的连接边及第三发电板3和第四发电板4之间的连接边中间连接有双面电池5。

所述第二发电板2和第四发电板4从中间断开后铰接，四棱锥两个侧面ΔAOD、ΔCOB从中间MO、NO除断开。所述发电板为太阳能光伏发电板和温差发电板的一种。所述双面电池设置在四棱锥太阳能电池阵中间，双面电池5为等腰三角形，表面呈θ＝40.5°经过糙面处理可反光，双面电池从中间断开，从发电板的两边进行内压压缩，四棱锥式太阳能电池阵可以折叠；所述四棱锥或由两翼铰链或由三翼铰链铰接，其中由三翼铰链铰接的为第一发电板1和第二发电板2之间的连接边，第三发电板3和第四发电板4之间的连接边，其中由两翼铰链有第二发电板2和第三发电板3之间的连接边，第四发电板4和第一发电板1之间的连接边，第二发电板2之间的连接边，第四发电板4之间的连接边，四棱锥底边与四棱锥底边。

如图18所示，所述四棱锥的发电板从外向内由基板6、光伏发电板7、高透明反射板8构成的；所述发电板和双面电池能够形成有相应角度的凹槽，当太阳光打在发电板上，利用发电板上的凹槽进行反射打在双面电池上，双面电池上的凹槽同样进行反射打在太阳能光伏发电板上，如此进行循环，增加单位面积内的光的辐照度，增大辐射量，提高光的利用效率，增大功率进行发电。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。