用于集中光伏系统中所使用的太阳能集中器的绝热二次光学件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及用于集中光伏系统使用的太阳能集中器领域，尤其涉及改进的二 次光学元件，其能够增加这类太阳能集中器的接受角（acceptanceangle)。
【背景技术】
[0002] 太阳能发电涉及收集太阳能辐射并将其转换成可用能量。现存的用于获取太阳能 能量的技术包括例如太阳能加热和太阳能光伏。太阳能光伏包含生成电力的方法，通过使 用太阳能电池将太阳能辐射转换成直流电来操作该方法，太阳能电池由呈现光伏效应的材 料制成。光伏技术包括集中系统和非集中系统。
[0003] 非集中系统包括直接接收太阳能辐射的光伏太阳能电池平板。在平板光伏技术 中，太阳能电池由硅制成并且基本上覆盖板的整个裸露表面。目前基于硅的太阳能电池的 经济效率大约为16%。考虑到硅具有限制于从450到900纳米（nm)的范围的光谱响应，传 统的光伏技术的经济预期不超过20%左右。
[0004] 集中光伏（CPV)系统使用由透镜、镜子或其它光学器件制成的太阳能集中器来将 大量的太阳能辐射集中到光伏太阳能电池的小的区域上以发电。例如，高集中光伏（HCPV) 系统使用的太阳能集中器能够将阳光集中成100和2500suns或更多的强度到多结太阳能 电池上（lsun=lkW/m2)。在太阳能集中器中，太阳能福射可在到达多结太阳能电池之前经 历多种折射和反射状态。和非集中光伏系统比较，CPV系统中的太阳能电池元件可制造得 更紧凑。因此，可减小光伏材料（其通常是太阳能发电系统中最贵的元件之一）的量并降 低成本。
[0005] 太阳能集中器的效率不仅取决于太阳能集中器捕获到的太阳能能量的量，还取决 于它将集中的阳光准确地引导到具有相对小的光伏区域的太阳能电池上的能力。与它们 的非集中配对物相对照，CPV系统通常需要始终保持与直接垂直入射（DNI)的太阳能辐射 对准，CPV系统被校准到接近±0.27度的角。不合适的对准可能导致可用能量的重要部分 的丢失。为了保持合适的对准，CPV模块通常安装在高精度跟踪系统（例如，具有±0. 1到 ±0. 2度的顺序精度）上，当太阳跨越天空时，高精度跟踪系统跟踪太阳以便最大化地暴露 于并收集DNI太阳能福射。
[0006] 太阳能集中器关于DNI太阳能辐射的未对准的容忍度可被描述成太阳能集中器 的"接受角"。在CPV领域，接受角通常被定义成太阳能辐射的入射角，和DNI时的能量损失 相比，在入射角时集中器的能量损失被增加了一定量，通常10%。太阳能集中器的接受角随 着它的集中因子相反变化，从而对于给定的接受角，存在不可超过的最大理论集中因子。然 而，虽然当前使用的HCPV系统可实现宽范围的集中因子，但是它们的接受角通常被限制于 ±0.5 至IJ±0.8 度。
[0007] 如上所述，HCPV系统通常使用基于III-V半导体的多结太阳能电池而非基于硅的 太阳能电池。多结太阳能电池通常包括三层，每层被调整以便提取太阳能光谱的特定波长 带中的能量。因此，三结电池可呈现出比基于硅的电池更好的光谱响应，它将阳光转换成电 的能量转换效率可有望为55%左右。当前可用三结电池的经济效率大约为40-44%。
[0008] CPV模块中使用的太阳能集中器通过将DNI太阳能辐射聚焦到光伏太阳能电池来 动作。太阳能集中器通常使用一次光学元件和二次光学元件。入射太阳能辐射首先被一次 光学元件聚焦以集中太阳能。集中的太阳能辐射被引导向二次光学元件，二次光学元件可 提供均质化并且可选地进一步提供集中。一次光学元件和二次光学元件均可包括折射、反 射和衍射光学件。
[0009] 在HCPV模块中使用的太阳能集中器中，总体集中因子通常主要由一次光学元件 提供，而二次光学元件主要用于均质化目的。更具体地，二次光学元件主要的作用主要是均 匀地跨过太阳能电池的光伏区域分布一次光学元件集中的太阳能辐射。由二次光学元件提 供的均质化有助于提高能量转换效率并且减轻形成"热点"的风险，"热点"可导致贫乏的填 充因子、电池损害或失效。
[0010] 在折射型太阳能集中器中，菲涅尔透镜由于它们的低制造成本而通常被用作一次 光学元件。然而菲涅尔透镜呈现的光学透射系数限制于大约80和85%之间。因此，基于菲 涅尔透镜和三结太阳能电池的HCPV系统将有望呈现大约为32% (即，40%X80%)的峰 值效率，这是非集中光伏技术的总体效率的两倍。然而，商用HCPV系统的有效效率（即实 际产生的kWh)通常不超过23%。尝试增加太阳能集中器的效率包括使用更好的跟踪系统 来最大化引入的辐射的强度、以及更改用来制造光学器件的材料以提高他们的反射和折射 属性。也可通过改变HCPV太阳能集中器的个体器件的设计来增加接受角，从而提高它们的 效率。
[0011]关于这点，最近的研究[B.Stafford等人，"Trackeraccuracy:field experience,analysis,andcorrelationwithmeteorologicalconditions"（足艮踪器半青 度：现场试验、分析以及和气象条件的关联性）光伏专家会议（PVSC)，2009第34次IEEE， p. 002256-002259, 7-122009年6月]已经测量了安装在现场的实时HCPV系统的性能，并 且强调了接受角在它们的总体效率中的重要性。研究发现甚至当使用具有±0. 1到±0. 2 度的顺序精度的高精度跟踪系统时，接受角为±0. 5度和± 1度的HCPV模块也将分别产生 60%和25%的额外损失。换句话说，由于这些额外损失，具有低接受角的HCPV系统将倾向 于更容易失去它们和DNI太阳能辐射的对准，因此收集和产生的能量显著地少于预期。制 造缺陷和未对准以及由外部影响（例如风、DNI和围绕太阳的太阳能辐射之间的能量波动、 长期老化、温度、重力、机械应力等）引起的变形会导致这些额外的损失。
[0012] 鉴于以上所说，将理解的是，具有大的接受角的太阳能集中器能够增加CPV系统 的效率，继而减少每kWh的成本并且有助于驱使太阳能发电朝向电网平价发展。
[0013] 因此本领域中仍然需要具有改进的接受角并同时保持高的集中因子和光学效率 的太阳能集中器。
【发明内容】
[0014] 根据本发明的一方面，提供了一种太阳能集中器，其用于朝向太阳能电池集中太 阳能福射。太阳能集中器包括：
[0015]--次光学元件，用于收集和聚焦太阳能辐射；以及
[0016] -二次光学元件，被设置成接收由一次光学元件收集和聚焦的太阳能辐射，二次光 学元件包括输入端、输出端和绝热光导向件，绝热光导向件从输入端朝向输出端逐渐变细， 绝热光导向件被配置成在输入端和输出端之间集中并绝热地导向太阳能辐射。
[0017] 根据本发明的另一方面，提供了一种集中光伏模块，包括：
[0018] -用于集中太阳能辐射的太阳能集中器，包括：
[0019] 〇一次光学元件，用于收集和聚焦太阳能辐射；以及
[0020] 〇二次光学元件，被设置成接收由一次光学元件收集和聚焦的太阳能辐射，二次 光学元件包括输入端、输出端和绝热光导向件，绝热光导向件从输入端朝向输出端逐渐变 细，绝热光导向件被配置成在输入端和输出端之间集中并绝热地导向太阳能辐射；以及 [0021 ]-太阳能电池，放置成接收由太阳能集中器集中的太阳能辐射并将太阳能辐射转 变成电。
[0022] 根据本发明的又一方面，提供了一种用于在太阳能集中器中使用的二次光学元 件，太阳能集中器朝向太阳能电池集中太阳能辐射并且包括用于收集和聚焦太阳能辐射的 一次光学元件，二次光学元件包括：
[0023] -输入端，用于接收由一次光学元件收集和聚焦的太阳能辐射；
[0024] -输出端，用于将太阳能辐射输出到太阳能电池上；以及
[0025] -绝热光导向件，绝热光导向件从输入端朝向输出端逐渐变细，绝热光导向件被配 置成在输入端和输出端之间集中并绝热地导向太阳能辐射。
[0026] 在参照所附附图阅读本发明的优选的实施例后，将更好地理解本发明的实施例的 其它特征和优点。
【附图说明】
[0027] 图1是根据一实施例的CPV模块的示意性图示，其中CPV模块包括太阳能集中器 和太阳能电池；
[0028] 图2是图1的CPV模块内部的太阳能辐射传播的示意性光线轨迹图示；
[0029] 图3是根据另一实施例的CPV模块的示意性图示，其中CPV模块包括太阳能集中 器和太阳能电池；
[0030] 图4是示出了随着几何集中因子变化的理想太阳能集中器的理论最大接受角的 曲线图；
[0031] 图5是根据一实施例的用在太阳能集中器中的二次光学元件的示意性图示，其中 二次光学元件包括输入端、输出端和绝热锥形的光导向件；
[0032] 图6示出了将随着根据实施例的CPV模块的DNI太阳能辐射的入射角变化的光学 透射效率与传统CPV模块的进行比较的试验数据；
[0033] 图7是示出了随着用于入射校准光束的太阳能集中器的视场变化的图2示出的太 阳能集中器的光学透射的光学仿真的曲线图；
[0034] 图8示出了根据三个实施例的CPV模块的随着DNI太阳能辐射的入射角变化的光 学透射效率的试验数据；
[0035] 图9示出了根据一实施例的集中因子为900X的CPV模块的试验电流-电压（I-V) 曲线；
[0036] 图10A-图10D是根据多个实施例的用于太阳能集中器中的二次光学元件的示 意性图示，其中二次光学元件的绝热光导向件的横截面为方形的（图10A)、六角形的（图 10B)、椭圆形的（图10C)和大体上非圆形的（图10D)。
【具体实施方式】
[0037] 在下面的说明中，附图中相似的特征采用相似的附图标记，并且为了不过度地妨 碍图，如果一些元件已经在之前的图中确定，则在一些图中不指示这些元件。也应该理解文 中的附图的元件不必按比例描绘，因为重点在于清楚说明本实施例的元件和结构。
[0038] 本发明的实施例大体上涉及用于朝向太阳能电池集中太阳能辐射的太阳能集中 器，涉及配备有太阳能集中器的集中光伏（CPV)模块，以及涉及用于用作太阳能集中器的 器件的二次光学元件。
[0039] 如同文中定义的，术语"太阳能辐射"和"阳光"旨在指从太阳发出到达地球的电 磁辐射的总光谱。太阳能辐射可包括波长范围从大约280-2500nm的辐射，延伸跨过电磁光 谱的紫外线部分、可见部分和红外线部分。当然，提出的波长范围只是作为到达地球的典型 的太阳能辐射，而不应该被解释成限制。
[0040] 本发明的实施例在其中希望提供具有高的接受角同时保持高的集中因子和光学 效率的太阳能集中器的太阳能光伏应用中是有用的。
[0041] 在太阳能光伏领域中，太阳能集中器的接受角α表示这样的角：在这个角太阳能 集中器或配备有太阳能集中器的CPV系统可以从关于DNI太阳能辐射的希望的对准偏离， 但是仍保持产生能量效率的希望的百分比，通常90%。换句话说，接受角表示太阳能集中器 可在该角有效捕获到引入的太阳能辐射的最大角。
[0042] 如上所述，在实际CPV系统中希望或需要最大化或优化太阳能集中器的接受角。 太阳能集中器的接受角可被理解成对太阳能集中器必需如何精确地跟踪天