聚光太陽能電池用聚光器專利技術(shù)分析

劉　莉　薛　源　郭學軍　徐開松

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450002）

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聚光太陽能電池用聚光器專利技術(shù)分析

劉莉薛源郭學軍徐開松

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450002）

摘要：為了提高太陽能匯聚量，進而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，對聚光器結(jié)構(gòu)進行改進已成為提高太陽能電池電能輸出的重要手段。本文就太陽能電池領(lǐng)域中的高效聚光器結(jié)構(gòu)的相關(guān)專利技術(shù)進行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：聚光太陽能電池；聚光器；專利

1　引言

聚光太陽能電池是降低太陽能電池系統(tǒng)整體造價的一種措施。它通過聚光器使較大面積的陽光匯聚在一個較小的范圍內(nèi)，加大光強，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，提高光電轉(zhuǎn)換效率，因此可以用較小面積的太陽能電池獲得較高的電能輸出。

由Spectrolab開發(fā)的GaInP/GaAs/Ge電池，在66個太陽光強下效率達到35.2%，聚光電池的最高效率普遍高于非聚光電池［1］。Spectrolab在2003年7月25日公布的地面聚光電池的效率更是高達36.9%［2］。近年來，日本、美國等國企業(yè)紛紛展示新型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。夏普公司利用鏡頭將太陽光會聚在超高效太陽能電池上，其超高效太陽能電池能效是目前硅電池的2倍。美國能源設(shè)備公司Solfocus也推出一種新的聚光器，在新的聚光系統(tǒng)下，太陽光聚光能力將是原來的500-700倍，可將發(fā)電能力提高幾十倍甚至幾百倍［3］。

2　聚光器的分類

用于聚光太陽能電池方陣的聚光器種類很多，以光學原理的不同可分為折射聚光器、反射聚光器、熒光聚光器、熱光伏聚光器和全息聚光器等。其中以折射聚光器和反射聚光器應(yīng)用較為廣泛。折射聚光器的元件可以是菲涅爾或普通透鏡，反射聚光器包括平板、拋物槽、組合拋物面等。

3　聚光器結(jié)構(gòu)的改進

為了進一步提高光轉(zhuǎn)換效率，提高電能的輸出，在相關(guān)專利文獻中，申請人基于現(xiàn)有技術(shù)中的聚光器結(jié)構(gòu)，對其進行相應(yīng)地改進，提出了更高效的太陽能聚光器結(jié)構(gòu)。下文主要從兩方面對聚光器結(jié)構(gòu)的改進進行總結(jié)：第一方面：對以菲涅爾透鏡為基本聚光元件的聚光器結(jié)構(gòu)進行改進，提高太陽能電池的聚光能力，進而提升光電轉(zhuǎn)換效率，如專利文件：CN101814864A、CN101965645A

公開號CN101814864A的專利文獻公開了一種帶有聚光器的光伏組件。如圖1所示，聚光器包括至少一個第一光入射面聚焦光學元件3和至少一個第二光學元件5，第二光學元件5位于第一光入射面光學元件3的下游和太陽能電池7的上游，在光伏器件的工作位置，即當其對準日光入射方向時，經(jīng)由第一光學元件3聚光的日光輻射落到第二光學元件5上。第一光學元件3可以是菲涅爾透鏡，也可以是彎曲的拋物面；第二光學元件5可以是光管。

公開號CN101965645A的申請公開了一種光伏電池組件，通過其中的聚光單元實現(xiàn)了高倍聚光。如圖2所示，聚光單元包括：固定在電池單元接收器上的筒狀的第一聚光部，其截面面積從下端到上端以第一傾斜角度增加；及從第一聚光部向透鏡方向延伸的第二聚光部，其截面面積以比第一傾斜角度大的第二傾斜角增加。以菲涅爾透鏡的光軸為基準，第二聚光部張開的角度相比第一聚光部更大。透鏡的焦點位于第一聚光部及第二聚光部的分界面上。

公開號CN102282429A的專利文獻公開了一種科勒集成太陽能聚光器，該聚光器是最先將科勒積分器非平面陣列與聚光光學元件相結(jié)合的。如圖3所示，透鏡光柵10包括兩個折射離軸表面、基本光學元件11（POE）、第二光學元件12 （SOE）以及發(fā)光電池13。光科勒聚光器是數(shù)個透鏡光柵對的組合，具有用點虛線示出的共同旋轉(zhuǎn)軸14，實線15限定空間邊緣光束，虛線16限定角度邊緣光束。

圖1（a）第一光學元件為菲涅爾透鏡的聚光器結(jié)構(gòu)；（b）第一光學元件為拋物面的聚光器結(jié)構(gòu)

圖2（a）為光伏電池組件；（b）為聚光單元結(jié)構(gòu)

圖3　科勒集成太陽能聚光器

圖4　復(fù)合曲面二次反射聚光集熱器

圖5　太陽能熱發(fā)電的光學系統(tǒng)　

圖6　CPC聚光反射裝置

光科勒概念已經(jīng)被應(yīng)用到使用TIR-R聚光器的CPV系統(tǒng)中以及兩鏡卡塞格倫型反射聚光器。

公開號CN101660845A的專利文獻公開了一種復(fù)合曲面二次反射聚光集熱器。如圖4所示，聚光集熱器中的集熱管1位于復(fù)合拋物面二級反射鏡5內(nèi)部，復(fù)合拋物面二級反射鏡5位于復(fù)合圓弧一級反射鏡4的上方并且復(fù)合拋物面二級反射鏡5的鏡面開口朝向復(fù)合圓弧一級反射鏡4，平面一級反射鏡2位于復(fù)合拋物面二級反射鏡5的正上方，折平面二級反射鏡3與復(fù)合圓弧一級反射鏡4連接。落到復(fù)合圓弧一級反射鏡4上的光經(jīng)反射匯聚到復(fù)合拋物面二級反射鏡5內(nèi)，使得進入復(fù)合拋物面二級反射鏡5的光線與軸夾角小于最大接受角，這樣最后所有的光線都到達集熱管上。

公開號CN103134204A的專利文獻公開了一種太陽能熱發(fā)電的光學系統(tǒng)，其中采用多種光學組件進行復(fù)合式聚光，形成一種高效的光學集熱系統(tǒng)。如圖5所示，復(fù)合式聚光結(jié)構(gòu)將兩個平面反射鏡2的一端對稱連接在復(fù)合拋物面型聚光器1底部開口處，且以一個預(yù)設(shè)的小傾斜角連接，平面反射鏡2的另一端與底部拋物面聚光器3通過連接器5連接起來，太陽能高溫集熱器4設(shè)置在兩個平面反射鏡2和底部拋物面聚光器3圍成的空腔中央。兩個平面反射鏡2的一端對稱連接在復(fù)合拋物面型聚光器1底部開口處，與復(fù)合拋物面型聚光器1中心線有一小的傾斜角度，具有二次光學反射作用，同時使得底部腔體擴大，可適當采用面積較大的太陽能高溫集熱器4，增大集熱效果；底部拋物面聚光器3焦點與復(fù)合拋物面型聚光器1的焦點的鏡像點重合，太陽能高溫集熱器位于該焦點處，能更有效的進行集熱。底部拋物面聚光器3與平面反射鏡2之間用連接器5進行連接，外部用高溫真空隔熱材料6封閉，保持腔體內(nèi)部溫度，降低散熱。

公告號CN201466043U的專利文獻公開了一種太陽能聚光光伏組件，通過CPC聚光反射裝置，不需要跟蹤太陽，最多只需要隨季節(jié)作稍許調(diào)整，便可聚光，獲得最佳能量接收。該CPC聚光反射裝置如圖6所示，包括上復(fù)合拋物面反射板31和下復(fù)合拋物面反射板32，上復(fù)合拋物面反射板31和下復(fù)合拋物面反射板32的反射弧面相對，太陽能電池片2設(shè)置在上復(fù)合拋物面反射板31和下復(fù)合拋物面反射板32之間。

4　總結(jié)

本文基于目前公開的中國專利申請，簡述了聚光器結(jié)構(gòu)的種類及改進。作為提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要手段，改進聚光器結(jié)構(gòu)的熱點在于提高太陽光匯聚量。同時，在保證較高轉(zhuǎn)換效率的前提下，如何進一步降低成本也是目前發(fā)展的一個方向。

參考文獻：

［1］GREEN M A，EMERY K，KING D L，et al.Solar cell effi?ciencytables（version22） ［J］.Researchandapplications.2003，11（5）：347-352

［2］MC CONNELL R.First international conference on solar electricconcentrators.29thIEEEPVSC.NewOrleans. 2002：1737-1741.

［3］姚敘紅.高效太陽能電池關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.山西：中北大學，2009.

中圖分類號：TM914.4

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0063-03

收稿日期：2016-1-10

作者簡介：劉莉（1988-），女，漢，研究生，審查員，研究方向：太陽能電池和CN102282429A；第二方面：對以平板、拋物槽、組合拋物面為基本聚光元件的聚光器結(jié)構(gòu)進行改進，以提高太陽能電池聚光能力、提升光電轉(zhuǎn)換效率，如專利文件：CN101660845A、CN103134204A和CN201466043U。

Analysis on the Patent Technology of Concentrator in Concentrator Photovoltaic

Liu LiXue YuanGuo XuejuXu Kaisong
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

Abstract：In order to improve the photoelectric conversion efficiency of solar cell by improve solar energy concentra?tion，improve concentrator's structure is an important method.The various technologies of high efficiency concentra?tor photovoltaic's structure are conculuded in this paper.

Keywords：concentrator photovoltaic；concentrator；patent