专利名称：一种实现余热利用的太阳能聚光发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能聚光发电领域，尤指一种采用削顶曲面聚光透镜做为太阳能聚
光装置，同时实现余热利用的太阳能聚光发电装置。
背景技术：
20世纪20年代，物理学家菲涅尔提出透镜的制造理论连续光学表面的成像特
性，主要取决于表面的曲率，而轴向厚度是次要的因素，在大多数情况下，厚度的增加是由
于表面曲率或孔径的要求所造成的.所以，把透镜2个表面之间的厚度减小，光学元件仍可
把光线聚焦到原来的厚透镜焦点上.依据上述理论，产生了平面菲涅尔透镜。 由平面菲涅尔透镜演化的曲面菲涅尔透镜主要有2种类型一种是齿面在凸面
上；一种是齿面在凹面上；菲涅尔透镜主要用于聚光和准直，目前主要应用在液晶显示器、
投影仪、太阳能聚光透镜等。 菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的。镜片表面一面 为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，透镜的要求很高， 一片优质的透镜必须是表面光 洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，齿高多在lmm左右。 目前大型透射式太阳能聚光发电装置中一般都采用平面菲涅尔透镜，这样的菲涅 尔透镜是由一系列的具有偏转光线作用的小棱镜组成的。在操作条件下平面菲涅尔透镜存 在色散、全反射、聚光倍数受限制和对跟踪精度要求高等缺点，而曲面菲涅尔透镜可以弥补 这些缺陷。曲面菲涅尔透镜可以增强系统的机械强度，减小光线的偏转，减小色差，降低对 跟踪精度的要求。色差减小对应着光斑减小，聚焦比增加。所以单从设计的角度来说，若追 求高倍聚光倍数，曲面菲涅尔透镜是首选。然而，由于曲面菲涅尔透镜中间顶部为曲面，模 具和透镜材料存在脱模困难，所以工艺上很难实现，因此曲面菲涅尔透镜的加工成本要大 大高出平面菲涅尔透镜。 出于降低成本的需要，太阳能聚光发电装置中基本只能采用平面菲涅尔透镜，本 领域迫切希望能研发出一种能够将曲面菲涅尔透镜应用到太阳能聚光发电装置中而又不 显著增加成本的太阳能聚光发电装置。 同时现有的太阳能聚光发电装置中，由于采用二次聚光棱镜再次聚光，聚光电池 表面会产生极高的温度，不利于聚光电池进行光电转化从而影响光电转化的效率，因此常 采用在聚光电池下方设置一散热器进行散热从而降低聚光电池的温度。这样一来就造成了 这部分光能还没有得到利用就流失掉了，非常可惜。本领域希望能够设计出一种更为完善 的光电、光热利用装置，能够充分利用太阳能发电过程中产生的高温余热。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现余热利用的太阳能聚光发电装置，本聚光发电装置 采用集热器对聚光电池进行降温，从而一方面实现了光电转化，另一方面实现了光热利用， 提高了太阳能利用效率。
本发明提供的技术方案如下 —种实现余热利用的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组以及安
装所述太阳能聚光发电模组的追日跟踪支架系统，所述太阳能聚光发电模组包括呈矩阵排
列的多个太阳能聚光发电单元，所述太阳能聚光发电单元包括一聚光透镜，一设置在所述
聚光透镜聚光区域的聚光电池；所述聚光电池下方设置一用于对所述聚光电池进行主动散
热的集热器；所述太阳能聚光发电单元的聚光电池之间串联连接后向外输出电能。 进一步地，本专利中所述聚光透镜为削顶曲面聚光透镜，所述削顶曲面聚光透镜
由一平面透镜与一削顶中空曲面菲涅尔透镜组成，所述削顶中空曲面菲涅尔透镜为曲面锥
体形，所述平面透镜粘接固定在所述削顶中空曲面菲涅尔透镜的削顶区域形成削顶曲面聚
光透镜。 进一步地，本专利中所述平面透镜是指平面菲涅尔透镜。 进一步地，本专利中所述追日跟踪支架系统包括一用于安装所述太阳能聚光发电 模组的支架安装面，所述支架安装面安装在一固定立柱上，所述支架安装面上设有一太阳 光强传感器，所述立柱上设有用于调整所述支架安装面的调整机构及控制机构，所述控制 机构根据所述太阳光强传感器的信号控制所述调整机构调整所述支架安装面转动从而保 证所述支架安装面始终正对着太阳。 进一步地，本专利中所述太阳能聚光发电单元还设有一用于将所述削顶曲面聚光 透镜的出射光进行二次聚光的二次聚光棱镜。 进一步地，本专利中所述调整机构包括一垂直调整机构与一水平调整机构，所述 垂直调整机构包括一设置在所述支架安装面上的齿轮，一设置在所述立柱上的电机，所述 电机的螺旋传动轴与齿轮啮合；所述水平调整机构包括一套设在所述立柱上可围绕所述立 柱转动的转动杆，一安装在所述转动杆一端的电机，所述转动杆的另一端连接在所述支架 安装面上。 进一步地，本专利中所述聚光电池为III-V族多节太阳能电池。
更进一步地，本专利中所述聚光电池为砷化镓太阳能电池。 本专利的太阳能聚光发电装置工作方式主要是将太阳光经过削顶曲面聚光透镜
把太阳光汇聚到二次聚光棱镜上，经过二次聚光棱镜把汇聚后的太阳光均匀化，然后直接
照射到砷化镓太阳能电池上，太阳能电池发生光生伏打效应，产生直流电能，由于各聚光电
池之间串联连接，这样多个聚光电池串联后把电压提高从而向外输出电能。同时，由于太阳
能电池下方紧贴有集热器，这样一来可以避免太阳能电池的温度过高，从而影响太阳能电
池的光电转换效率，二来可以通过集热器将从太阳能电池吸收的热量进行综合利用，如用
于热水等避免了光热能量的浪费。 本专利的效果在于 —直以来，太阳能聚光发电装置中的太阳能聚光透镜主要采用平面菲涅尔透镜进 行聚光，业界虽然已经觉察到平面菲涅尔透镜具有色散、全反射、聚光倍数受限制等缺点， 但是一直无法找到改进的办法，而曲面菲涅尔透镜虽然有良好的光学透射效果，但是其曲 面形状则对制造提出了更高的难度，采用传统的铸模、冲压等方法，制造难度大，成本高，因 此很难大规模推广。本专利巧妙的将平面菲涅尔透镜与曲面菲涅尔透镜结合起来，取平面 菲涅尔透镜或凸透镜的制造简单方便、成本低的优点与曲面菲涅尔透镜的光学透射效果好的优点进行结合，巧妙的规避了曲面菲涅尔透镜制作难度及成本的问题，从而为太阳能聚 光透镜提供了 一种聚光效果更佳、成本更优的聚光透镜。 具体而言，削顶中空曲面聚光透镜，避免了曲面菲涅尔透镜制作过程中顶部曲面 带来的脱膜难题，然后形成一个同削顶区域大小相同的平面菲涅尔透镜，这种平面菲涅尔 透镜的加工简单方便，工艺也非常成熟。最后将这两者粘接固定在一起，就形成了本专利的 削顶曲面聚光透镜。当然平面菲涅尔透镜也可以替换为凸透镜或者其它平面透镜。在制作 削顶中空曲面菲涅尔透镜时，可以采用铸模一次成型的方法，也可以采用在削顶中空曲面 锥体内粘贴透镜薄膜的方式来制作。本专利的太阳能聚光发电装置较现有技术中采用平面 菲涅尔透镜的太阳能聚光发电装置可以显著提高光电转化效率，特别是可以降低高倍聚光 太阳能系统对于追日跟踪支架系统的精度要求。 同时，本专利将传统技术中，设置在太阳能电池下方的散热器用集热器来代替，从 而避免了光热能直接通过散热器散发到环境中，造成能量的浪费，实现了太阳能光电、光热 的综合利用。
图1为本发明中削顶中空曲面菲涅尔透镜的结构示意图； 图2为本发明中削顶曲面聚光透镜的第一种结构示意图； 图3为本发明中削顶曲面聚光透镜的第二种结构示意图； 图4为现有技术太阳能聚光发电装置的工作示意图； 图5为本发明的太阳能聚光发电装置的工作示意图； 图6为本发明装置的后视结构示意图； 图7为本发明装置的侧视结构示意图； 图8为本发明太阳能聚光发电模组的结构示意图； 图9为本发明太阳能聚光发电单元的结构示意图； 图10为本发明集热器结构示意具体实施例方式
下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。 如图6为本发明装置的后视结构示意图，图7为本发明装置的侧视结构示意图；一 种采用削顶曲面聚光透镜的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组7以及安 装太阳能聚光发电模组7的追日跟踪支架系统5，太阳能聚光发电模组7包括呈矩阵排列的 多个太阳能聚光发电单元6 (参见图8)，如图9为本发明太阳能聚光发电单元的结构示意 图；太阳能聚光发电单元6包括一削顶曲面聚光透镜61， 一设置在削顶曲面聚光透镜61聚 光区域的聚光电池63 ;聚光透镜61下方设有一用于将削顶曲面聚光透镜61的出射光进行 二次聚光的二次聚光棱镜62，聚光电池63下方设有一散热器64。聚光电池63为III-V族 多节太阳能电池，如磷化镓铟、碲化铬、砷化镓等，优选砷化镓太阳能电池。二次聚光棱镜 62通过一固定基板65固定在太阳能聚光发电单元6中，同样，聚光电池63固定在另一固定 基板66上，固定基板66下方设有集热器64，聚光电池63由于聚光产生的高温，需要通过与 其粘贴在一起的集热器64来降低工作温度以获得高光电转换效率。太阳能聚光发电模组7的各聚光电池63之间串联连接后向外输出电能；电能可供离网和并网使用。如图IO所示， 集热器64设有一吸热层81，隔热层82、吸热层81与聚光电池63紧贴在一起，隔热层82将 集热器64围成一密闭空间，密闭空间中设有循环流动的传热介质，如水等，集热器64设有 一个进口 84，一个出口 85，这样吸热层81将聚光电池63的一部分热量传导到传热介质中， 通过传热介质的不断循环流动，从而将聚光电池63的热量不断的带出，传热介质带出的热 量可以进行充分利用，如作为热水供应等。 如图1 图3所示，本专利中的削顶曲面聚光透镜61由一平面透镜2与一削顶中
空曲面菲涅尔透镜1组成，削顶中空曲面菲涅尔透镜1为曲面锥体形，平面透镜2粘接固定
在削顶中空曲面菲涅尔透镜1的削顶区域形成削顶曲面聚光透镜61。
本专利中平面透镜是指光线出射面或入射面为平面的透镜。 作为本专利的一个实施例，平面透镜2为平面菲涅尔透镜3。作为本专利的另一个
实施例，平面透镜2为凸透镜4。为了保证整个透镜的透射效果，平面透镜2的面积小于削
顶曲面聚光透镜61有效受光面积的35%。 本专利中，削顶曲面聚光透镜的制作方法，按照如下步骤进行制作 首先铸模成型形成一削顶中空曲面锥体，削顶区域为一圆形区域； 然后在削顶中空曲面锥体内粘贴透镜薄膜形成削顶中空曲面菲涅尔透镜1 ; 再次铸模成型形成一块与削顶区域相同大小的平面菲涅尔透镜3 ; 最后将平面菲涅尔透镜3粘接固定到削顶中空曲面菲涅尔透镜1的削顶区域形成
削顶曲面聚光透镜61。 粘贴透镜薄膜是指将透镜薄膜按照曲面菲涅尔透镜各个"齿"的折射率、折射角度 的不同对应粘贴到削顶中空曲面锥体内，透镜薄膜可以选择美国3M公司生产的透镜薄膜， 通过这种粘贴的方式可以产生与冲压成型一样的效果。 如图9所示，太阳能聚光发电单元可以设有二次聚光棱镜62也可以不设置二次 聚光棱镜62 ;平行的太阳光经过削顶曲面聚光透镜61把太阳光汇聚到二次聚光棱镜62上 (或者直接照射到砷化镓太阳能电池)，经过二次聚光棱镜62把汇聚后的太阳光均匀化，然 后直接照射到砷化镓太阳能电池上，电池发生光生伏打效应，产生直流电能，多个电池串联 后把电压提高然后向外输出。 如图7所示，追日跟踪支架系统5包括一用于安装太阳能聚光发电模组7的支架 安装面53，支架安装面53安装在一固定立柱51上，支架安装面53上设有一太阳光强传感 器52，立柱51上设有用于调整支架安装面53的调整机构及控制机构，调整机构是指一垂直 调整机构54与一水平调整机构55，垂直调整机构54包括一设置在支架安装面53上的齿 轮，一设置在立柱51上的电机，电机的螺旋传动轴与齿轮啮合；水平调整机构55包括一套 设在立柱51上可围绕立柱51转动的转动杆， 一安装在转动杆一端的电机，转动杆的另一端 连接在支架安装面53上。控制机构根据太阳光强传感器52的信号控制水平调整机构55 及垂直调整机构54调整支架安装面53转动从而保证支架安装面53始终正对着太阳。
具体安装时，首先将立柱51垂直固定在地面上；垂直调整机构54调整支架安装面 53的高度角，水平调整机构55调整支架安装面53的方位角；太阳光强传感器52实时检测 太阳角度，控制机构根据太阳光强传感器52检测到的太阳角度调整水平调整机构55及垂 直调整机构54，使太阳光垂直照射到太阳能聚光发电模组7的上表面。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式
只是示例性的，是为了更好的 使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制，只要是根据 本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
权利要求
一种实现余热利用的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组以及安装所述太阳能聚光发电模组的追日跟踪支架系统，其特征在于，所述太阳能聚光发电模组包括呈矩阵排列的多个太阳能聚光发电单元，所述太阳能聚光发电单元包括一聚光透镜，一设置在所述聚光透镜聚光区域的聚光电池；所述聚光电池下方设置一用于对所述聚光电池进行主动散热的集热器；所述太阳能聚光发电单元的聚光电池之间串联连接后向外输出电能。
2. 根据权利要求1所述实现余热利用的太阳能聚光发电装置，其特征在于， 所述聚光透镜为削顶曲面聚光透镜，所述削顶曲面聚光透镜由一平面透镜与一削顶中空曲面菲涅尔透镜组成，所述削顶中空曲面菲涅尔透镜为曲面锥体形，所述平面透镜粘接 固定在所述削顶中空曲面菲涅尔透镜的削顶区域形成削顶曲面聚光透镜。
3. 根据权利要求2所述实现余热利用的太阳能聚光发电装置，其特征在于， 所述平面透镜是指平面菲涅尔透镜。
4. 根据权利要求1所述实现余热利用的太阳能聚光发电装置，其特征在于， 所述追日跟踪支架系统包括一用于安装所述太阳能聚光发电模组的支架安装面，所述支架安装面安装在一固定立柱上，所述支架安装面上设有一太阳光强传感器，所述立柱上 设有用于调整所述支架安装面的调整机构及控制机构，所述控制机构根据所述太阳光强传 感器的信号控制所述调整机构调整所述支架安装面转动从而保证所述支架安装面始终正 对着太阳。
5. 根据权利要求1所述实现余热利用的太阳能聚光发电装置，其特征在于， 所述太阳能聚光发电单元还设有一用于将所述削顶曲面聚光透镜的出射光进行二次聚光的二次聚光棱镜。
6. 根据权利要求4所述实现余热利用的太阳能聚光发电装置，其特征在于， 所述调整机构包括一垂直调整机构与一水平调整机构，所述垂直调整机构包括一设置在所述支架安装面上的齿轮，一设置在所述立柱上的电机，所述电机的螺旋传动轴与齿轮 啮合；所述水平调整机构包括一套设在所述立柱上可围绕所述立柱转动的转动杆，一安装 在所述转动杆一端的电机，所述转动杆的另一端连接在所述支架安装面上。
7. 根据权利要求1所述实现余热利用的太阳能聚光发电装置，其特征在于，所述聚光电池为ni-v族多节太阳能电池。
8. 根据权利要求7所述实现余热利用的太阳能聚光发电装置，其特征在于， 所述聚光电池为砷化镓太阳能电池。
全文摘要
本发明公开了一种实现余热利用的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组以及安装所述太阳能聚光发电模组的追日跟踪支架系统，所述太阳能聚光发电模组包括呈矩阵排列的多个太阳能聚光发电单元，所述太阳能聚光发电单元包括一聚光透镜，一设置在所述聚光透镜聚光区域的聚光电池；所述聚光电池下方设置一用于对所述聚光电池进行主动散热的集热器；所述太阳能聚光发电单元的聚光电池之间串联连接后向外输出电能。本聚光发电装置采用集热器对聚光电池进行降温，从而一方面实现了光电转化，另一方面实现了光热利用，提高了太阳能利用效率。
文档编号G02B3/00GK101710803SQ20091020174
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者王士涛 申请人:上海聚恒太阳能有限公司;王士涛