聚光太阳能电池用聚光器专利技术分析

刘　莉　薛　源　郭学军　徐开松

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450002）



聚光太阳能电池用聚光器专利技术分析

刘莉薛源郭学军徐开松

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450002）

摘要：为了提高太阳能汇聚量，进而提高太阳能电池的光电转换效率，对聚光器结构进行改进已成为提高太阳能电池电能输出的重要手段。本文就太阳能电池领域中的高效聚光器结构的相关专利技术进行总结。

关键词：聚光太阳能电池；聚光器；专利

1　引言

聚光太阳能电池是降低太阳能电池系统整体造价的一种措施。它通过聚光器使较大面积的阳光汇聚在一个较小的范围内，加大光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，提高光电转换效率，因此可以用较小面积的太阳能电池获得较高的电能输出。

由Spectrolab开发的GaInP/GaAs/Ge电池，在66个太阳光强下效率达到35.2%，聚光电池的最高效率普遍高于非聚光电池［1］。Spectrolab在2003年7月25日公布的地面聚光电池的效率更是高达36.9%［2］。近年来，日本、美国等国企业纷纷展示新型太阳能光伏发电系统。夏普公司利用镜头将太阳光会聚在超高效太阳能电池上，其超高效太阳能电池能效是目前硅电池的2倍。美国能源设备公司Solfocus也推出一种新的聚光器，在新的聚光系统下，太阳光聚光能力将是原来的500-700倍，可将发电能力提高几十倍甚至几百倍［3］。

2　聚光器的分类

用于聚光太阳能电池方阵的聚光器种类很多，以光学原理的不同可分为折射聚光器、反射聚光器、荧光聚光器、热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应用较为广泛。折射聚光器的元件可以是菲涅尔或普通透镜，反射聚光器包括平板、抛物槽、组合抛物面等。

3　聚光器结构的改进

为了进一步提高光转换效率，提高电能的输出，在相关专利文献中，申请人基于现有技术中的聚光器结构，对其进行相应地改进，提出了更高效的太阳能聚光器结构。下文主要从两方面对聚光器结构的改进进行总结：第一方面：对以菲涅尔透镜为基本聚光元件的聚光器结构进行改进，提高太阳能电池的聚光能力，进而提升光电转换效率，如专利文件：CN101814864A、CN101965645A

公开号CN101814864A的专利文献公开了一种带有聚光器的光伏组件。如图1所示，聚光器包括至少一个第一光入射面聚焦光学元件3和至少一个第二光学元件5，第二光学元件5位于第一光入射面光学元件3的下游和太阳能电池7的上游，在光伏器件的工作位置，即当其对准日光入射方向时，经由第一光学元件3聚光的日光辐射落到第二光学元件5上。第一光学元件3可以是菲涅尔透镜，也可以是弯曲的抛物面；第二光学元件5可以是光管。

公开号CN101965645A的申请公开了一种光伏电池组件，通过其中的聚光单元实现了高倍聚光。如图2所示，聚光单元包括：固定在电池单元接收器上的筒状的第一聚光部，其截面面积从下端到上端以第一倾斜角度增加；及从第一聚光部向透镜方向延伸的第二聚光部，其截面面积以比第一倾斜角度大的第二倾斜角增加。以菲涅尔透镜的光轴为基准，第二聚光部张开的角度相比第一聚光部更大。透镜的焦点位于第一聚光部及第二聚光部的分界面上。

公开号CN102282429A的专利文献公开了一种科勒集成太阳能聚光器，该聚光器是最先将科勒积分器非平面阵列与聚光光学元件相结合的。如图3所示，透镜光栅10包括两个折射离轴表面、基本光学元件11（POE）、第二光学元件12 （SOE）以及发光电池13。光科勒聚光器是数个透镜光栅对的组合，具有用点虚线示出的共同旋转轴14，实线15限定空间边缘光束，虚线16限定角度边缘光束。

图1（a）第一光学元件为菲涅尔透镜的聚光器结构；（b）第一光学元件为抛物面的聚光器结构

图2（a）为光伏电池组件；（b）为聚光单元结构

图3　科勒集成太阳能聚光器

图4　复合曲面二次反射聚光集热器

图5　太阳能热发电的光学系统　

图6　CPC聚光反射装置

光科勒概念已经被应用到使用TIR-R聚光器的CPV系统中以及两镜卡塞格伦型反射聚光器。

公开号CN101660845A的专利文献公开了一种复合曲面二次反射聚光集热器。如图4所示，聚光集热器中的集热管1位于复合抛物面二级反射镜5内部，复合抛物面二级反射镜5位于复合圆弧一级反射镜4的上方并且复合抛物面二级反射镜5的镜面开口朝向复合圆弧一级反射镜4，平面一级反射镜2位于复合抛物面二级反射镜5的正上方，折平面二级反射镜3与复合圆弧一级反射镜4连接。落到复合圆弧一级反射镜4上的光经反射汇聚到复合抛物面二级反射镜5内，使得进入复合抛物面二级反射镜5的光线与轴夹角小于最大接受角，这样最后所有的光线都到达集热管上。

公开号CN103134204A的专利文献公开了一种太阳能热发电的光学系统，其中采用多种光学组件进行复合式聚光，形成一种高效的光学集热系统。如图5所示，复合式聚光结构将两个平面反射镜2的一端对称连接在复合抛物面型聚光器1底部开口处，且以一个预设的小倾斜角连接，平面反射镜2的另一端与底部抛物面聚光器3通过连接器5连接起来，太阳能高温集热器4设置在两个平面反射镜2和底部抛物面聚光器3围成的空腔中央。两个平面反射镜2的一端对称连接在复合抛物面型聚光器1底部开口处，与复合抛物面型聚光器1中心线有一小的倾斜角度，具有二次光学反射作用，同时使得底部腔体扩大，可适当采用面积较大的太阳能高温集热器4，增大集热效果；底部抛物面聚光器3焦点与复合抛物面型聚光器1的焦点的镜像点重合，太阳能高温集热器位于该焦点处，能更有效的进行集热。底部抛物面聚光器3与平面反射镜2之间用连接器5进行连接，外部用高温真空隔热材料6封闭，保持腔体内部温度，降低散热。

公告号CN201466043U的专利文献公开了一种太阳能聚光光伏组件，通过CPC聚光反射装置，不需要跟踪太阳，最多只需要随季节作稍许调整，便可聚光，获得最佳能量接收。该CPC聚光反射装置如图6所示，包括上复合抛物面反射板31和下复合抛物面反射板32，上复合抛物面反射板31和下复合抛物面反射板32的反射弧面相对，太阳能电池片2设置在上复合抛物面反射板31和下复合抛物面反射板32之间。

4　总结

本文基于目前公开的中国专利申请，简述了聚光器结构的种类及改进。作为提高太阳能电池光电转换效率的重要手段，改进聚光器结构的热点在于提高太阳光汇聚量。同时，在保证较高转换效率的前提下，如何进一步降低成本也是目前发展的一个方向。

参考文献：

［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］姚叙红.高效太阳能电池关键技术研究［D］.山西：中北大学，2009.

中图分类号：TM914.4

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）02-0063-03

收稿日期：2016-1-10

作者简介：刘莉（1988-），女，汉，研究生，审查员，研究方向：太阳能电池和CN102282429A；第二方面：对以平板、抛物槽、组合抛物面为基本聚光元件的聚光器结构进行改进，以提高太阳能电池聚光能力、提升光电转换效率，如专利文件：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