一种用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，包括二次匀光处理单元、二向色带通光学滤波片、聚光晶硅电池阵列、直角三角型支撑件、GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列和高效水冷散热单元；本实用新型利用定日反射镜群实现对入射太阳光的反射会聚，通过二次匀光处理单元对会聚光束进行能量均匀化处理，进而使用二向色带通光学滤波片将会聚太阳光按波长范围分为两束，分别由聚光晶硅电池阵列和GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列进行接收实现光电转换。本实用新型既保证对太阳光的广谱吸收，又有效地实现GaInP/GaInAs/Ge三结电池中各结子电池的电流匹配，降低单位面积的热损耗，最大程度地利用太阳辐射光谱，提升系统光电转换效率。
【专利说明】一种用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元
【技术领域】
[0001]本实用新型属于高效塔式太阳能光伏发电【技术领域】，尤其涉及一种用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元。
【背景技术】
[0002]塔式太阳能发电技术具有聚光倍数高、发电容量大等优势，逐步成为一些大规模太阳能发电站的首选方案。塔式太阳能发电系统主要通过一个定日镜群将太阳光反射集中到一个高塔顶部的中央接收器上，接收器上的聚光倍数通常超过1000倍。目前的塔式太阳能发电系统多采用光热发电技术，首先将接收的太阳光能转化成热能，再将热能传递给工质，经过蓄热环节，输入热动力机膨胀做工，从而带动发电机，最终输出电能。随着聚光多结太阳能电池技术的迅速发展及商用化，高倍聚光光伏发电方案开始被引入到集中式塔式太阳能发电系统中。相比于光热发电，光伏发电无疑是一种更为直接的太阳能利用方式，最终必将获得更高的能量转换效率。
[0003]目前广泛应用于聚光光伏发电的GalnP/GalnAs/Ge三结电池由于其Ge子电池与其它两结子电池之间无法实现良好的电流匹配，Ge子电池多出的电流部分无法输出到外接负载，会转换成热能导致电池温度升高，从而影响电池及系统效率。
实用新型内容
[0004]为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的就在于提供了一种用于塔式太阳能发电系统的高效色散型中央光伏接收单元。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是:一种用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:包括二次匀光处理单元、二向色带通光学滤波片、聚光晶硅电池阵列、直角三角型支撑件和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列；所述的直角三角型支撑件为两件、左右对称设置，所述的二次匀光处理单元安装在所述的左右对称设置的直角三角型支撑件直角边上，所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列安装在所述的左右对称设置的直角三角型支撑件底边上，所述的二向色带通光学滤波片与所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列成45°安装在所述的左右对称设置的直角三角型支撑件斜边上，所述的聚光晶硅电池阵列与所述的二向色带通光学滤波片平行并用高透明度硅凝胶密封安装在一起；所述的二次匀光处理单元对射入的会聚光束进行能量均匀化处理，进而使用所述的二向色带通光学滤波片将会聚太阳光按波长范围分为两束，透射及反射光束最终分别由所述的聚光晶硅电池阵列和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列进行接收实现光电转换。
[0006]作为优选，所述的二次匀光处理单元外表面密封设置有低铁高透玻璃，用于保持结构内部的清洁。
[0007]作为优选，所述的二向色带通光学滤波片表面密封设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片、低铁高透玻璃、聚光晶硅电池阵列。
[0008]作为优选，所述的聚光晶硅电池阵列设置有水制冷散热单元，包括密封结构、水槽结构和水循环盖板，所述的聚光晶硅电池阵列、水槽结构和水循环盖板依次叠装在一起，所述的聚光晶硅电池阵列表面设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片、低铁高透玻璃、聚光晶硅电池阵列；所述的密封结构采用高透明度硅凝胶将低铁高透玻璃与聚光晶硅电池阵列密封在一起。
[0009]作为优选，所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列设置有水制冷散热单元，包括密封结构、水槽结构和水循环盖板，所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列、水槽结构和水循环盖板依次叠装在一起，所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列表面设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片、低铁高透玻璃、GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列；所述的密封结构采用高透明度硅凝胶将低铁高透玻璃与GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列密封在一起。
[0010]作为优选，所述的二次匀光处理单元为被截去顶部的倒金字塔结构。
[0011]作为优选，聚光晶硅电池阵列和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列均采用半导体封装方案将太阳能电池与导热性能良好的陶瓷覆铜DBC基板进行集成封装，同一电池阵列中的太阳能电池根据其表面接收光斑的能量分布选择其相互之间的串/并联电气连接形式，两种不同的电池阵列之间根据集成光伏接收单元对外的电气输出要求实现相应的电流匹配或电压匹配。
[0012]作为优选，所述的陶瓷覆铜DBC基板为水制冷散热单元的基板，利用硅胶与所述的水制冷散热单元密封成一体单元，实现高效降低电池阵列的温度。
[0013]作为优选，所述的聚光晶硅电池阵列中的水槽结构为内部为一定宽度的蛇形凹槽结构。
[0014]作为优选，所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列中的水槽结构为内部为一定宽度的蛇形凹槽结构。
[0015]本实用新型的中央色散型光伏转换单元利用定日反射镜群实现对垂直入射太阳光的会聚，通过二次匀光处理单元对会聚光束进行能量均匀化处理，进而使用二向色带通光学滤波片将会聚太阳光按波长范围分为两束，分别由聚光晶硅电池阵列和GaInP/GalnAs/Ge三结电池阵列进行接收。
[0016]本实用新型与现有技术相比，其有益的效果:
[0017](I)本实用新型通过引入光谱分离技术分别针对GalnP/GalnAs/Ge三结太阳能电池阵列和晶硅太阳能电池阵列实现高倍聚光和低倍聚光，既保持GalnP/GalnAs/Ge三结电池的高光电转换效率，又实现对广谱太阳光能量的充分吸收，有效降低太阳能电池的热损耗，同时针对上述两种聚光太阳能电池阵列设计有效的水制冷散热单元，显著提高塔式太阳能光伏发电系统效率；
[0018](2)无须通过改变单片集成多结太阳能电池结构(增加特定带隙宽度材料的PN结)来降低电池内部电流引起的热损耗，而是引入空间光谱分离技术实现光伏高效利用；
[0019](3)结构简单，光学处理方案易于实现，且实现不同电池阵列散热装置的共享，适应面广。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1:本实用新型实施例的结构图；
[0021]图2:本实用新型实施例的水制冷散热单元结构图；
[0022]图3:本实用新型实施例的塔式太阳能光伏发电系统结构图；
[0023]图4:相关电池片及带通光学滤波片的光谱响应示意图。
【具体实施方式】
[0024]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0025]目前广泛应用于聚光光伏发电的GalnP/GalnAs/Ge三结电池由于其Ge子电池与其它两结子电池之间无法实现良好的电流匹配，Ge子电池多出的电流部分无法输出到外接负载，会转换成热能导致电池温度升高，从而影响电池及系统效率；解决这一问题的最有效途径是引入空间光谱分离技术，利用色散或分光元件根据不同材料电池的吸收谱将太阳光谱进行空间划分，通过晶体Si电池(或CIGS电池)和GalnP/GalnAs/Ge三结电池分别对相应的子光谱进行吸收，将原本由Ge子电池吸收的部分光谱转由晶体Si电池(或CIGS电池)吸收，既保证对太阳光的广谱吸收，又有效地实现GalnP/GalnAs/Ge三结电池中各结子电池的电流匹配，降低单位面积的热损耗，最大程度地利用太阳辐射光谱，提升系统光电转换效率。
[0026]请见图1，本实用新型提供的一种用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，包括二次匀光处理单元11、二向色带通光学滤波片12、聚光晶硅电池阵列13、直角三角型支撑件14和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15 ;二次匀光处理单元11外表面密封设置有低铁高透玻璃；二向色带通光学滤波片12表面密封设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片12、低铁高透玻璃、聚光晶硅电池阵列13 ;二次匀光处理单元11为被截去顶部的倒金字塔结构；直角三角型支撑件14为两件、左右对称设置，二次匀光处理单元11安装在左右对称设置的直角三角型支撑件14直角边上，GaInP/GalnAs/Ge三结电池阵列15安装在左右对称设置的直角三角型支撑件14底边上，二向色带通光学滤波片12与GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15成45°安装在左右对称设置的直角三角型支撑件14斜边上，聚光晶硅电池阵列13与二向色带通光学滤波片12平行并用高透明度硅凝胶密封安装在左右对称设置的直角三角型支撑件14斜边上。
[0027]请见图2，本实施例的聚光晶硅电池阵列13设置有水制冷散热单元，包括密封结构131、水槽结构132和水循环盖板133，聚光晶硅电池阵列13、水槽结构132和水循环盖板133依次叠装在一起，聚光晶硅电池阵列13表面设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片12、低铁高透玻璃、聚光晶硅电池阵列13 ;密封结构131采用高透明度硅凝胶将低铁高透玻璃与聚光晶硅电池阵列13密封在一起；GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列15设置有水制冷散热单元，包括密封结构151、水槽结构152和水循环盖板153，GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列15、水槽结构152和水循环盖板153依次叠装在一起，GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15表面设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片12、低铁高透玻璃、GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15 ;密封结构151采用高透明度硅凝胶将低铁高透玻璃与GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15密封在一起；聚光晶硅电池阵列13和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15均采用半导体封装方案将太阳能电池与导热性能良好的陶瓷覆铜DBC基板进行集成封装，同一电池阵列中的太阳能电池根据其表面接收光斑的能量分布选择其相互之间的串/并联电气连接形式，两种不同的电池阵列之间根据集成光伏接收单元对外的电气输出要求实现相应的电流匹配或电压匹配；陶瓷覆铜DBC基板为水制冷散热单元的基板，利用硅胶与水制冷散热单元密封成一体单元，实现高效降低电池阵列的温度。
[0028]请见图3，本实施例的塔式太阳能高效色散型光伏发电系统，在高达95%以上反射效率的地面定日反射镜群2作用下，将太阳光反射会聚于中央色散型光伏转换单元1，会聚反射光通过带有低铁高透光玻璃的二次匀光处理单元11后均匀透射到与GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15成45°放置的二向色带通光学滤波片12上，其中透射光束沿原方向照射到利用硅凝胶密封的高强度低铁高透光玻璃与聚光晶硅电池阵列13，反射光束垂直照射到利用硅凝胶密封的高强度低铁高透光玻璃与GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15上。透射及反射光束最终分别由聚光晶硅电池阵列13和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列15吸收进行光电转换。本实施例考虑到过大的聚光太阳倍数，因此采用高效集成水制冷散热单元的水槽结构132/152、水循环盖板133/153组成的电池阵列散热单元结构，通过内部一定宽度的蛇形凹槽水循环结构132/152，将电池阵列上的温度快速降低，以提高塔式太阳能高效色散型光伏系统的发电效率。两块高效集成水制冷散热单元通过导水管在V型结构接口处链接，利用外部水泵泵浦以加速水流速度。
[0029]在本实用新型实施例中，对所述二向色带通光学滤波片12的光谱特性有一定的要求，其通带波长范围必须包含于晶硅电池与Ge子电池响应光谱的重合部分。图4给出了本实用新型涉及到的相关电池片及带通光学滤波片的光谱响应示意图。由于GaInP/GalnAs/Ge三结电池中各结子电池之间是串联连接，因此三结电池的最终输出电流由各结子电池中的最小电流所限制。因为Ge子电池的输出电流一般会明显大于其它两结子电池的输出电流，所以三结电池的最终输出电流由GaInP子电池或GaInAs子电池的电流所限制，而Ge子电池多出的这部分电流将会通过串联电阻损耗转化为热能，这将会导致电池效率降低，同时增加电池的散热要求。解决这一问题的最佳途径是通过带通光学滤波片滤掉Ge子电池的部分响应光谱，使其电流降为三结电池的串联输出电流，而滤掉的光谱范围即为二向色带通光学滤波片12的通带带宽。因此需要根据GalnP/GalnAs/Ge三结电池中Ge子电池电流与三结电池串联限制电流之间的差值来确定光学滤波片的通带位置及带宽，而通过滤波片通带滤除的光谱成分则由晶硅电池吸收，保证了光伏发电系统对太阳光谱的充分利用，并且显著光伏发电系统的光电转换效率。
[0030]尽管本说明书较多地使用了二次匀光处理单元11、二向色带通光学滤波片12、聚光晶硅电池阵列13、直角三角型支撑件14、GaInP/GaInAs/Ge三结电池阵列15、水制冷散热单元、密封结构131、水槽结构132、水循环盖板133、密封结构151、水槽结构152和水循环盖板153等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
[0031]应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0032]应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本实用新型专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本实用新型的保护范围之内，本实用新型的请求保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:包括二次匀光处理单元(11)、二向色带通光学滤波片(12)、聚光晶硅电池阵列(13)、直角三角型支撑件(14)和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15);所述的直角三角型支撑件(14)为两件、左右对称设置，所述的二次匀光处理单元(11)安装在所述的左右对称设置的直角三角型支撑件(14)直角边上，所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15)安装在所述的左右对称设置的直角三角型支撑件(14)底边上，所述的二向色带通光学滤波片(12)与所述的GaInP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15)成45°安装在所述的左右对称设置的直角三角型支撑件(14)斜边上，所述的聚光晶硅电池阵列(13)与所述的二向色带通光学滤波片(12)平行并用高透明度硅凝胶密封安装在一起；所述的二次匀光处理单元(11)对射入的会聚光束进行能量均匀化处理，进而使用所述的二向色带通光学滤波片(12)将会聚太阳光按波长范围分为两束，透射及反射光束最终分别由所述的聚光晶娃电池阵列(13)和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15)进行接收实现光电转换。
2.根据权利要求1所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:所述的二次匀光处理单元(11)外表面密封设置有低铁高透玻璃，用于保持结构内部的清洁。
3.根据权利要求1所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:所述的二向色带通光学滤波片(12)表面密封设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片(12)、低铁高透玻璃、聚光晶硅电池阵列(13)。
4.根据权利要求1所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:所述的聚光晶硅电池阵列(13)设置有水制冷散热单元，包括密封结构(131)、水槽结构(132 )和水循环盖板(133 )，所述的聚光晶硅电池阵列(13 )、水槽结构(132 )和水循环盖板(133)依次叠装在一起，所述的聚光晶硅电池阵列(13)表面设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片(12)、低铁高透玻璃、聚光晶硅电池阵列(13);所述的密封结构(131)采用高透明度硅凝胶将低铁高透玻璃与聚光晶硅电池阵列(13)密封在一起。
5.根据权利要求1所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15)设置有水制冷散热单元，包括密封结构(151)、水槽结构(152)和水循环盖板(153)，所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15)、水槽结构(152)和水循环盖板(153)依次叠装在一起，所述的GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15)表面设置有低铁高透玻璃，光线经过的顺序依次为二向色带通光学滤波片(12)、低铁高透玻璃、GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15);所述的密封结构(151)采用高透明度硅凝胶将低铁高透玻璃与GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15)密封在一起。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:所述的二次匀光处理单元(11)为被截去顶部的倒金字塔结构。
7.根据权利要求6所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:聚光晶娃电池阵列(13)和GalnP/GalnAs/Ge三结电池阵列(15)均米用半导体封装方案将太阳能电池与导热性能良好的陶瓷覆铜DBC基板进行集成封装，同一电池阵列中的太阳能电池根据其表面接收光斑的能量分布选择其相互之间的串/并联电气连接形式，两种不同的电池阵列之间根据集成光伏接收单元对外的电气输出要求实现相应的电流匹配或电压匹配。
8.根据权利要求7所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:所述的陶瓷覆铜DBC基板为水制冷散热单元的基板，利用硅胶与所述的水制冷散热单元密封成一体单元，使有效降低电池阵列的温度得以实现。
9.根据权利要求4所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:所述的水槽结构(132)为内部为一定宽度的蛇形凹槽结构。
10.根据权利要求5所述的用于塔式太阳能发电系统的中央色散型光伏转换单元，其特征在于:所述的水槽结构(152)为内部为一定宽度的蛇形凹槽结构。
【文档编号】H02S40/42GK204231293SQ201420717764
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】吕辉, 盛飞, 黄楚云, 郑优, 徐少刚, 曾火根, 刘 文 申请人:湖北工业大学