技术领域

本发明涉及一种聚光太阳能装置。 背景技术

太阳能作为一种洁净、 环保的能源， 长期以来人们一直致力于对其的开 发和利用。 特别是近年来， 由于油价的不断攀升和对环境保护要求的提高 ， 以及大气二氧化碳排放量的限制，各国更加努 力地开展了太阳能利用方面的 研究， 这就对太阳能应用设备中的关键部件， 特别是太阳能接收的效率和制 造成本提出了更高的要求。 聚光具有低成本的优点， 但光学跟踪成本较高。 光学聚光系统中主要有透射聚光和反射聚光两 种； 其中透射镜大部分由有机 材料制作而成； 反射聚光镜由玻璃弯曲成型或注塑而成等； 其外部表面暴露 在大气、 风沙中， 严重影响可靠性及使用寿命。

目前商业化的太阳能聚集装置主要为反射聚光 镜结构， 用于光热的聚集 装置为线性聚焦的槽式结构， 抛物槽开口^艮大， 抗风能力差， 对支撑结构提 出很高的要求， 表面的清洁度很难保证， 且不易清洗， 且焦线位置布置的集 热管布置于反射镜面的上部， 对反射镜有遮光影响， 不易制作过大， 且由于 接收面积大， 无法采取保温措施， 散热损失量大。 用于光伏的太阳能聚集装 置见报道为蝶式聚集装置， 且蝶式聚光反射镜的清洁度亦很难保证， 工作时 间长后效率下降显著， 抗风、 抗沙性能低下， 支撑结构强度要求高， 且常见 于单台控制和单台安装， 推广不便； 再者， 太阳能光伏电池光电转化效率为

10%〜40%,在运行的过程中， 未被利用的太阳辐射大部分被光伏电池转化成 热量， 导致电池温度升高， 导致发电效率降低（据统计电池组件温度每升 高 1K输出电量降低 0.2%〜0.5% ) , 而且光伏电池长期在高温下工作会迅速老 化、 缩短使用寿命， 因此光伏电池中的热量需要及时排出。 目前光伏电池常 用的冷却方法包括： 空气冷却方式和水冷却方式两种。 典型的水冷却系统由 换热器、 水箱、 若干连接阀门等部件组成， 虽然换热效率高， 但存在结构复 杂、 成本高且易于产生工质渗漏和绝缘等问题。

因此， 如何获得一种结构稳定、 运行安全和成本低廉， 且具有优良聚光 效果的太阳能装置， 已经成为太阳能利用领域中的一个很关键的技 术问题。 发明内容

本发明的目的在于解决太阳能聚光装置的结构 稳定性、 实用性以及可 靠性问题， 以及光伏电池的散热问题。

为解决上述问题， 本发明提供了一种聚光太阳能装置， 包括反射镜结 构、 接收装置和盖板玻璃。 其中反射镜结构包括一次反射镜， 用于接收 太阳光线的； 二次反射镜， 用于接收由一次反射镜反射的太阳光线。 其 中二次反射镜布置于一次反射镜的空间内。 接收装置布置于一次反射镜 的底部， 且位于二次反射镜反射光线路径位置， 接收由二次反射镜反射 的太阳光线。 其中反射镜结构、 接收装置和盖板玻璃构成密闭聚光单元。

在进一步的实施方式中， 所述密闭聚光单元的整体机械结构具有一定 抗压性能， 以抵抗因外部温度的变化引起的内部气压的变 化， 且密闭聚 光单元内部充有保护气体

进一步的实施方式中， 所述密闭聚光单元内设置有气压平衡装置。 在进一步的实施方式中， 所述盖板玻璃受布置于一次反射镜的曲面镜 底部和 /或侧边的支撑结构所支撑。

在进一步的实施方式中， 多个所述密闭聚光单元规律阵列布置， 通过 盖板玻璃、 支撑结构及密闭聚光单元背部的刚性支撑构件 所固定和支撑， 构成聚光单元组合的立体复合结构， 大大增加整体强度， 有利于低成本 布置安装。

进一步的实施方式中， 背部的刚性支撑构件为板状结构； 优选为钢化 玻璃板， 与盖板玻璃形成双板平行布局， 在增强整体强度的同时， 形成 空气流通的导流通道， 加大空气流动速度， 增强散热。

在进一步的实施方式中， 所述一次反射镜由金属薄板冲压而成。

在进一步的实施方式中， 多个所述一次反射镜在同一张大金属薄板上 冲压获得， 形成一体的多个一次反射镜阵列与盖板玻璃形 成聚光单元组 合。

在进一步的实施方式中， 所述聚光太阳能装置可以应用于太阳能光伏 领域， 所述接收装置为光伏电池装置； 所述光伏电池装置包括单片光伏 电池片， 焊接在一次反射镜底部， 位于二次反射镜的射出光线路径上， 接收所述二次反射镜反射的太阳光； 所选用的光伏电池片为砷化镓电池、 单晶硅聚光电池、 CIGS聚光薄膜电池等多种光电转换电池。 辅助聚光器 布置于所述光伏电池周围， 用以将部分未直接入射的光线， 再次反射至 光伏电池装置内， 增加光线入射的容差率。

在进一步的实施的方式中， 所述光伏电池装置包括至少两片光伏电池 片布置于所述一次反射镜之上， 且多片光伏电池片与所述一次反射镜之 间设置有薄的绝缘导热层， 多片光伏电池片相互串并联， 形成光伏电池 组， 接收所述二次反射镜反射的太阳光； 通过串并联组合降低产生的高 电流， 减少传导过程中的压降和功率损失。

在进一步的实施方式中， 所述光伏电池装置还可以包括基板， 所述基 板布置于所述一次反射镜的底部， 位于二次反射镜的射出光线路径上； 其中至少两片光伏电池片布置于所述基板之上 ； 且所述多片光伏电池片 与基板之间设置有薄的绝缘导热层。

在进一步的实施方式中， 所述基板为金属基板。

优选地， 所述金属基板为铝或铜合金基板。

在进一步的实施方式中， 所述聚光太阳能装置还包括散热装置， 所述 散热装置布置于所述基板的背部， 由所述一次反射镜的金属冲压薄片和 另一底部金属冲压薄片复合中空构成； 且中空部分填充有介质。

在进一步的实施方式中， 所述底部金属冲压薄片在冲压时形成凹凸点 和向内或向外形成一定尺寸的凹凸翅片结构， 以增加散热面积。

在进一步的实施方式中， 在所述底部金属冲压薄片的外表面向下布置 一定尺寸的翅片 （焊接或粘接或压接等固定方式） ， 以增加散热面积。

在进一步的实施方式中， 所述底部金属冲压薄片在冲压时， 冲压薄片 向上形成一定尺寸的加强筋， 以增强散热装置的机械强度。 反射镜薄板 与底部薄板两层间通过底部层的凹凸点和 /或凹凸翅片用焊接或粘接方式 固定连接， 增加整体强度。

在进一步实施的方式中， 所述光伏电池组的输出正负两极中的一极连 接于金属的反射镜结构， 将电能传送出单元。

在进一步实施的方式中， 所述介质选择在常压附近为低沸点的介质， 所述介质接收光伏电池的多余的热量， 在较低温度点， 例如 100°C以内， 相变成气态向高端运行， 冷却成液态后回流至所述散热装置底部， 迅速 完成单个散热循环， 具有优异的热量传导扩散性能。 需要特别指出的是 该散热装置的整个散热循环过程都在近似一个 大气压的压力范围完成， 具体为 0.75〜1.25个大气压范围， 散热装置的双层薄板形成的空间结构不 刻意通过增加厚度的方法加大承压能力， 以节省材料成本， 并且使吸热 相变温度点基本恒定， 散热效果稳定。

优选地， 所述介质为丙酮或乙醇或水。

优选地， 所述介质为丙酮、 乙醇和水的两者或三者混合物。

优选地， 所述介质中具有添加剂， 例如緩蚀剂。

在进一步的实施方式中， 所述聚光太阳能装置为二维点式光伏聚光装 置， 其所述一次反射镜的曲面镜面形为抛物线的一 部分绕平行于自身中 心轴的旋转轴旋转而获得， 具有焦点或环形焦线； 曲面镜的面型可通过 不同的形状结构， 例如， 圆形， 椭圆形或矩形等形状沿旋转轴线方向截 取旋转的抛物面而获得

在进一步的实施方式中， 所述二次反射镜的曲面镜为至少一条平面内 连续的直线拟合获得， 使光线经过二次反射镜后汇聚点产生发散， 以在 接收面上获得更加均勾的太阳光入射。

在进一步的实施方式中， 所述二次反射镜的曲面镜为柱面镜， 截面面 型为抛物面、 椭圆面或双曲线的一部分， 也或是多条直线拟合而获得。

在进一步的实施方式中， 所述聚光太阳能装置为一维线性光伏聚光装 置， 其所述一次反射镜的曲面镜为柱面镜， 截面面型为抛物面型的一部 分或其它汇聚面型或多种汇聚面型的组合。

优选地， 在上述一维线性聚光装置中， 接收装置部分在沿平行于线性 焦线的维度和与之垂直的另一维度上设置辅助 聚光器， 形成在沿线性焦 线的维度上一定的聚光能力， 提高聚光倍数， 简化跟踪驱动结构， 降低 成本， 增加可靠性。

在进一步的实施方式中， 所述聚光太阳能装置可以应用于太阳能光热 领域， 所述接收装置为集热装置， 所述集热装置布置于聚光太阳能装置 底部， 实现大尺寸设计和大厚度绝热包裹。

在进一步的实施方式中， 所述聚光太阳能装置可以阵列布置， 实现规 模化统一跟踪。

本发明较其它太阳能跟踪系统有以下优点： 1、 具有密闭聚光和接收 的空间， 结构性能可靠、 强度高、 外部便于清洗、 成本低廉， 寿命长； 2、 反射镜结构金属薄板冲压获得， 成本低、 精度高； 3、 可以阵列安装， 进行规模化应用； 4、 散热效果良好， 性能稳定， 成本低， 保证电池效率 和寿命。 附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行 更详细的说明， 在附图 中：

图 1是本发明的聚光太阳能装置的结构示意图；

图 2是本发明的应用于光伏领域的实施例结构示� �图；

图 3 是本发明的光伏电池装置的另一实施例结构示 意图；

图 4a是本发明的聚光太阳能装置的结构阵列布置� ��意图；

图 4b是本发明的聚光太阳能装置的另一实施例结� ��示意图； 图 5是本发明的另一实施例的聚光太阳能装置的� �构示意图； 图 6是本发明的实施例的散热结构示意图；

图 7是本发明的应用于光热领域的实施例结构示� �图。

附图标示说明： 1、 聚光太阳能装置； 2、 反射镜结构； 3、 一次反射 镜； 4、 二次反射镜； 5、 接收装置； 6、 盖板玻璃； 7、 支撑结构； 8、 刚 性支撑构件； 9、 光伏电池装置； 10、 基板； 1 1、 光伏电池； 12、 辅助聚 光器； 13、 散热装置； 14、 加强筋； 15、 金属翅片； 16、 集热装置。 具体实施方式

图 1是本发明的聚光太阳能装置的结构示意图。 图 1示意了聚光太阳 能装置 1的横截面或旋转截面的结构示意图， 主要包括反射镜结构 2、 接 收装置 5和盖板玻璃 6, 其中反射镜结构 2由两个曲面镜构成， 分别为一 次反射镜 3和二次反射镜 4。一次反射镜 3经过金属薄片冲压、镀膜获得； 且具有环形的焦线； 二次反射镜 4布置于一次反射镜的空间内， 且位于 两条相互平行的焦线或环形焦线附近位置， 这种布局有利于提高整个光 学系统的角度容差性， 减轻对机械跟踪系统的精度要求压力。 在实际的 使用中， 一次反射镜 3的曲面镜为抛物面的一部分， 二次反射镜 4的曲 面镜截面设计为同一平面内至少一条连续的直 线拟合， 将可以获得更加 均匀的太阳光入射； 接收装置 5布置于二次反射镜 4的反射光线路径上 的位置； 反射镜结构 2的顶部为盖板玻璃， 受垂直布置于一次反射镜 3 的曲面镜底部和 /或侧边的金属支撑结构 7所支撑； 其中反射镜结构 2、 接收装置 5和盖板玻璃 6构成密闭聚光单元； 密闭聚光单元的整体机械 结构具有一定的抗压性能， 能抵抗因外部温度的变化引起的内部气压的 变化； 密闭聚光单元内部充有保护气体， 隔离反射镜面反射层与外界的 水汽之间的接触， 保持反射层的清洁度和性能稳定性， 同时保护电池片 不受损害并减少封装成本； 降低反射镜结构反射镜的镜面和接收装置的 处理要求及制作成本， 同时保持高效镜面反射率和电池接收率； 密闭聚 光单元内布置有气压平衡装置， 能持续地保证内部的保护气体的成分和 压力， 保证聚光装置的使用寿命。

图 2是本发明的应用于光伏领域的实施例结构示� �图。 该聚光太阳能 装置可以应用于二维点式聚光太阳能光伏领域 ， 其中接收装置为光伏电 池装置 9,该光伏电池装置 9包括基板 10、光伏电池 11和辅助聚光器 12, 其中基板 10布置于一次反射镜 3的底部， 位于二次反射镜 4的反射光线 路径附近， 通常为铝合金或铜合金的金属基板 10; 两片以上光伏电池 11 布置于基板之上且相互串并联， 形成光伏电池组， 接收二次反射镜 4反 射的太阳光； 辅助聚光器 12环绕在光伏电池组周围， 将未直接入射光伏 电池装置 9的太阳光再次反射至光伏电池装置 9。在实际的操作中光伏电 池组与基板 10之间布置有薄的绝缘导热层， 该薄的绝缘导热层具有良好 的绝缘效果， 同时具有很好的导热性能； 由于结构设计非常巧妙， 光伏 电池组的正负两极可以分别连接于支撑盖板玻 璃 6的金属支撑结构 7和 金属的反射镜结构 2 , 将接收到的电能输送出去， 由于这两部分金属结构 尺寸较大， 导通电阻很小， 可以有效减少压降和能量的损失。 为了结构 的加工简便， 辅助聚光器 12为设计成圆柱面， 该方式制作简单， 安装方 便， 且提高光伏电池的勾光性， 聚光倍率， 增加光线入射的容差率。 优 选地， 做为接收装置的光伏电池装置 9也可以不用设置基板 10,

图 3是本发明的光伏电池装置的另一实施例结构� �意图。如图 3所示， 该光伏电池组应用于二维点式聚光太阳能光伏 领域， 其中光伏电池装置 9, 该光伏电池装置 9包括单片光伏电池 11和辅助聚光器 12, 其中光伏 电池 11布置于一次反射镜 3 (图中未标示） 的底部， 位于二次反射镜 4 (图中未标示） 的反射光线路径附近； 辅助聚光器 12布置于单片光伏电 池 11的周围， 其形状与单片光伏电池 11的形状有关， 如图 3所示， 辅 助聚光器 12的内部为等多边形柱面镜， 将未能直接入射光伏电池装置 9 的太阳光， 再次反射后入射至光伏电池装置 9内， 提高光伏电池的匀光 性， 聚光倍率， 增加光线入射的容差率； 再者单片光伏电池 11直接布置 于一次反射镜 3的底部， 对光线的不均勾性的要求较低， 可直接将光伏 电池 11双电极的一极连接于金属的一次反射镜 3 , 将产生的电能， 低损 耗地输送出系统之外。

图 4a本发明的二维点式光伏聚光太阳能装置的结� ��阵列布置示意图。 如图 4a所示， 二维点式聚光装置中一次反射镜的曲面镜面形 为抛物线的 一部分绕平行于自身中心轴的旋转轴旋转而获 得， 具有焦点或环形焦线； 即曲面镜的面型可通过不同的形状结构， 例如， 圆形， 椭圆形或矩形等 形状沿旋转轴线方向截取旋转的抛物面而获得 。 该聚光太阳能装置 1阵 列的多个反射镜结构 2,例如 2-1 , 2-3规律阵列布置受顶部布置整体覆盖 的盖板玻璃 6所覆盖， 多个一次反射镜 3阵列， 与盖板玻璃 6形成的密 闭空间， 受支撑结构 7和背部的刚性支撑结构 8所固定、 支撑， 形成密 闭的聚光单元组合， 其中刚性支撑结构 8优选地采用板状结构的钢化玻 璃板。

图 4 b为本发明的二维点式光伏聚光太阳能装置的� �一实施例的结构 示意图。 如图 4b所示， 多个所述反射镜结构 2, 例如 2-1 , 2-2, 在同一 张大的金属薄板上冲压， 形成一个大的一次反射镜 3阵列整体， 与覆盖 于一次反射镜之上的玻璃盖板构成聚光单元组 合。

图 4a和图 4b描述的聚光装置可以阵列布置， 规模化生产， 且可以统 一跟踪驱动 （只要某种驱动装置驱使聚光装置满足太阳光 线垂直入射反 射镜结构即可完成跟踪） 。

图 5是本发明的另一实施例的聚光太阳能装置的� �构示意图。 如图 5 所示， 太阳光经过盖板玻璃 6 (图中没有示出）入射至具有柱面的一次反 射镜 3后会聚于线性的焦线位置。 二次反射镜 4布置于一次反射镜 3的 焦线附近， 将入射的太阳光线再次反射至一次反射镜 3底部附近； 聚光 太阳能装置 1的接收装置为线性布置的光伏电池装置 9,布置于二次反射 镜 4的反射光线路径附近有于接收太阳光线， 持续不断地将太阳光转化 成电能。一次反射镜 3、光伏电池装置 9和盖板玻璃 6构成密闭聚光单元； 密闭聚光单元内部充有保护气体用于隔离反射 镜面反射层与外界的水汽 之间的接触， 保持反射层的清洁度和性能稳定性， 同时保护电池片不受 损害并减少封装成本， 降低反射镜结构反射镜的镜面和接收装置的处 理 要求及制作成本， 同时保持高效反射率和接收率； 密闭聚光单元内布置 有气压平衡装置， 能持续地保证内部的保护气体氛围， 保证聚光装置的 使用寿命。 多个光伏电池装置， 例如 9-5 , 9-7阵列线性布置， 形成相互 连接的光伏电池组合。 在实际操作中， 一次反射镜 3柱面的截面为抛物面型， 具有线性的焦 线， 二次反射镜 4柱面的截面可以为抛物面型的一部分， 也可以为椭圆 形或双曲线形的一部分， 也或者是多条直线拟合的线； 其中的光伏电池 装置 9包括基板 10 (图中未示出） 、 光伏电池 11和辅助聚光器 12; 其 中基板 10布置于一次反射镜 3的底部， 位于二次反射镜 4的反射光线路 径附近， 通常为铝合金或铜合金的金属基材 10; 多个光伏电池 11布置于 基板之上且相互串并联形成光伏电池组用于接 收二次反射镜 4反射的太 阳光； 辅助聚光器 12, 环绕在光伏电池组周围并将未直接入射光伏电 池 装置 9的太阳光再次反射至光伏电池装置；如图所� �，辅助聚光器 12包括 两个方向的分布， 分别为沿线性焦线平行布置的辅助聚光器 12-1和与之 垂直方向布置的辅助聚光器 12-2 , 辅助聚光器 12-1可以容忍一定范围内 的光线入射， 使得在辅助聚光器 12-2可以在不用主动跟踪的情况下， 对 在与一次反射镜 3的汇聚维度垂直的另一维度内的光线进行一� �倍率的 会聚， 线性焦线上布置更少的光伏电池 11 , 使总体装置获得更高倍聚光 效果。 在设计范围内减少一个维度的主动跟踪， 大大提高装置的简单实 用性， 适宜更大规模的推广。 在实际的操作中光伏电池组 11与基板 10 之间布置有薄的绝缘导热层， 该薄的绝缘导热层具有良好的绝缘效果， 同时具有很好的导热性能； 该利用于线性光伏的聚光太阳能装置具有与 点式光伏的聚光太阳能装置 （如图 3 , 4所述） 的多个优点， 例如传热性 能优良， 光伏电池组的正负两极接线巧妙等优点， 此处不做过多描述。

图 6是本发明的实施例散热结构示意图。 聚光太阳能装置的散热装置 不仅可以应用于线性一维聚光太阳能光伏发电 装置， 也可以应用于点式 二维聚光太阳能光伏发电装置， 图 6为散热装置 13的横截面或旋转截面 结构示意图，散热装置 13布置于光伏电池结构的背部， 为了更好地散热， 设计由一次反射镜 3的金属冲压薄片和另一金属冲压薄片复合中� �构成； 在实际的操作中， 底部金属冲压薄片在冲压时形成凹凸点和向下 形成一 定尺寸的翅片 15 , 以增加散热面积， 或则底部金属冲压薄片向下布置一 定尺寸的翅片 15 , 以增加散热面积。 为了增加散热装置 13的机械强度， 底部金属冲压薄片在冲压时， 冲压薄片向上形成一定尺寸的加强筋 14。 散热装置 13的中空部分填充有介质； 介质在常压附近状态下可以采用低 沸点液态介质。 在实际的运行中低沸点液态介质可以为丙酮或 乙醇水， 也或者二者或三者的的混合物； 该介质接收光伏电池 11的多余热量， 在 较低温度点， 例如 100°C以内 （丙酮 56.5 °C ) , 相变吸热， 变成气态向高 端运行， 冷却成液态后回流至所述散热装置 13底部， 在较短时间内完成 一个散热循环， 如此循环， 持续不断地保证光伏电池 11正常的工作温度 和使用寿命。 需要特别指出的是该散热装置 13的整个散热循环过程都在 一定气压范围内完成，例如一个大气压附近， 具体为 0.75〜1.25个大气压， 内外金属薄板不刻意提供承压支撑。

图 7是本发明的应用于光热领域的实施例结构示� �图。 该聚光太阳能 装置 1的实施例应用于光热领域， 其接收装置布置集热装置 16, 如图 7 所示多个反射镜结构 2线性布置， 例如 2-1和 2-3 , 具有相隔一定距离的 多个会聚焦点， 集热装置 16沿多个会聚焦点线性布置， 接收反射镜装置 2会聚来的光线； 实际操作中， 反射镜结构 2由一次反射镜 3和二次反射 镜 4所构成 （图中没有详细示出） ， 其顶部由盖板玻璃 6所封盖， 阻隔 空气和水器且内部充有保护气体等， 以保护反射镜结构 2内部结构， 保 证高效运行精度和使用延长； 集热装置 16的一定长度内只接收有限的几 个会聚点的热量， 其外部可以为了保持更少的热量损失， 将除几个接收 点之外的所有面积都可以进行低热导率材料的 包裹， 再者因集热装置 16 布置于聚光太阳能装置 1的下部， 无遮光和挡光问题， 其体积可以制作 的很大， 用以大尺寸储存热量。

显而易见， 在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下， 在此描述的本 发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域 技术人员来说显而易见的改变， 都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。 本发明所要求保护的范围仅由 所述的权利要求书进行限定。