CN222655139U - 一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构，通过独特的聚光光学系统设计，解决太阳运行从日出到日落其光线入射角度变化范围大，不采用追踪装置难以高效稳定收集阳光的问题。同时通过聚光集热单元与光伏发电面板的有效组合，构成一种免追踪聚光集热单元与光伏发电的组合结构，实现聚光集热与光伏发电与一体化运行，提升阳光的综合利用效能。本实用新型可与相对成熟的光伏技术，光热技术，光导照明技术形成多种有效组合，适应从低倍到高倍、从小型到大型的各种聚光光场，可广泛应用在太阳能聚光集热、照明、发电等领域，应用场景广阔。

Description

一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构

技术领域

本实用新型涉及太阳能利用技术，具体涉及一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构。

背景技术

人类利用太阳能，无论采用何种技术途径，首先必须收集阳光。为了高效利用太阳能，克服太阳辐照本身能流密度低的不足，其主要方法是采用聚光方式来实现。由于太阳运行轨迹其方位角和高度角时刻在变化，不采用定日追踪系统，难以实现对阳光的高效稳定收集，因此现有技术普遍采用追踪装置来建立聚光光场。现有聚光技术采用的追踪装置主要有单轴或双轴追日系统，其机械结构较为笨重复杂，追踪精度要求高，不仅需要外部动力来驱动其机械结构运行，而且对安装条件有特定要求，导致建站成本高，长期运行的可靠性不强，系统在运行中的维护成本高，其安全性、可靠性、经济性亟待提升与改进。为此，人们在持续探索和研究开发免追踪聚光光学系统，以便实现更加安全可靠、经济性更好的阳光资源高效开发利用。围绕这一方向研究开发和公开的专利文献比较多，例如中国专利申请202010915633.0《一种免追踪复合结构式的太阳能收集器》、202311503455.0《光导聚能平面太阳能聚光器》等，为推动免追踪聚光技术进步提出了不同的解决方案，但还存在实用性不强，推广应用的难度较大。同时，太阳能光伏发电技术日趋成熟，已大规模商业化应用在各种场景，但光电转换效率还不高（商用光伏面板光电转换效率普遍约为25%左右），如何将光伏发电与高效的聚光光热有效组合提升阳光的综合利用效能也是人们研究探索的重点方向。

实用新型内容

为解决现有技术中的问题，本实用新型提供一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构，通过独特的聚光光学系统设计，解决太阳运行从日出到日落其光线入射角度变化范围大，不采用追踪装置难以高效稳定收集阳光的问题；同时，通过聚光单元与光伏发电面板的有效组合，构成一种免追踪聚光单元与光伏发电的组合结构，实现光伏发电与聚光光热/照明一体化运行，提升阳光的综合利用效能。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构，其特征在于：由光线入射角调制腔与聚光透镜、二次聚光匀光器构成免追踪聚光单元；在光线入射角调制腔的上部两侧安装有光伏发电面板，在聚光单元的下部光线汇聚位置安装有聚光集热器或光导照明接受器，一体化构成免追踪聚光集热与光伏发电组合结构；所述光线入射角调制腔由一组具有倾斜角的对称反射面组成；聚光透镜位于光线入射角调制腔的下部；所述二次聚光匀光器对通过聚光透镜聚焦的光线进行再次反射汇聚并匀光的器件，位于聚光透镜下方，其两侧壁为具有倾角的反射面。

进一步地，所述光线入射角调制腔的反射面与反射面的倾角、间距、高度满足的条件为：将太阳光从东至西运行过程中所产生的倾斜光线入射角变化范围α_s调制为所需的相对较小的光线入射角变化范围β_s，从而实现在α_s范围内的大角度倾斜入射光线通过调制腔后入射至聚光透镜表面的入射光线变化角控制在较小角度β_s范围内；所述二次聚光匀光器件的反射面的倾角、高度、宽度满足的条件为：聚光透镜所接受的入射角变动范围为β_s的出射光线经反射面汇聚至聚光集热器或光导照明接受器。

进一步地，所述聚光透镜为菲涅尔透镜或其他形状的聚光透镜。

进一步地，所述免追踪聚光单元多个有序连接排列，构成免追踪聚光集热或聚光照明与光伏发电组合结构阵列。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

通过独特的光线入射角调制腔设计，当阳光大角度倾斜入射时，其入射光线α_s被调制为相对较小角度入射光线β_s后入射至聚光透镜的上表面，β_s所调制的角度按下式计算：

β_s=α_s - 2δ₁

当阳光正入射或光线入射角在0°—≤δ₁时，所有光线则直接入射至聚光透镜的上表面，此时入射至聚光透镜上表面的光线角度变化范围为0°—δ₁。

上述结构可有效调制阳光入射的大角度变动范围，解决了由于太阳在运行过程中其大角度倾斜入射光线导致的聚光透镜聚光效率低、焦斑散乱且变化范围大的问题，所聚焦的光线无论是近轴光线还是旁轴光线都能有效可靠导入二次聚光匀光器后再次汇聚至聚光集热器或光导照明接受器，无需加装追日跟踪装置即可实现阳光的高效收集或照明。由于光线入射角调制腔的对称反射面BG、CF设计有倾角δ₁，阳光照射至其上部两侧AB、CD范围内的光线不能进入聚光单元，利用此位置合理安装太阳能光伏发电板，实现了阳光照射范围内的光能综合高效利用。

本实用新型以相对简单可靠的光学系统更新现有技术所普遍采用的结构相对复杂、笨重、昂贵的追日系统，大幅降低聚光光场的建站、安装、运维成本。涉及本实用新型所采用的材料及制造的加工工艺与技术成熟度高，容易实现，其经济性、安全性、可靠性、实用性强。同时，本实用新型可与相对成熟的光伏技术，光热技术，光导照明技术形成多种有效组合，适应从低倍到高倍、从小型到大型的各种聚光光场，可广泛应用在太阳能聚光集热、照明、发电等领域，应用场景广阔。

附图说明

图1为一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构示意图；

图2为较大光线入射角变化范围的光线路径示意图；

图3为阳光正入射或较小光线入射角的光线路径示意图；

图4为一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述：

依据太阳对地运行规律，春分、秋分位于天赤道0°，夏至位于23.5°,冬至位于-23.5°，从春分—夏至—秋分—冬至周而复始。取聚光单元（100）的光学中心线O正对天赤道0°安装，则南北方向每年的太阳高度角在±23.5°范围内变化，而每日接受阳光从东到西的方位角α_s在±90°范围内变化，根据安装地的经纬度可以准确计算出阳光照射的变化轨迹，由此主要针对太阳运行过程中东西方向其方位角α_s大角度变动范围进行调制设计（例如从入射角±80°调制为±30°），同时兼顾适应南北方向太阳高度角±23.5°的变化，使入射至聚光透镜（200）表面的光线控制在较小的立体空间角度内变化（例如±30°），使经过聚光透镜（200）聚焦后的光线能高效可靠导入至二次聚光匀光器（300）再次反射汇聚至聚光集热器（500）的有效接受面积上，实现免追踪聚光集热的目的。

如图1所示，一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构，由光线入射角调制腔（100）与聚光透镜（200）、二次聚光匀光器（300）构成免追踪聚光单元；在光线入射角调制腔（100）的上部两侧AB与CD处安装有光伏发电面板（400），在聚光单元的下部光线汇聚位置安装有聚光集热器（500），一体化构成免追踪聚光集热与光伏发电组合结构。

所述光线入射角调制腔（100）由一组倾斜角为δ₁、高度为h₁、BC间距为d的对称反射面BG与CF组成；聚光透镜（200）是焦距为f的光学透镜（例如菲涅尔透镜或其他形状的聚光透镜），位于光线入射角调制腔BCEF下部；所述二次聚光匀光器（300）对通过聚光透镜（200）聚焦的光线进行再次反射汇聚并匀光的器件，JK与IL均为反射面，其倾角为γ，高度为h₂，位于聚光透镜（200）下方。

如图1所示，所述光线入射角调制腔（100）的BG反射面与CF反射面的倾角δ₁、BC间距d、高度h₁满足的条件为：将太阳光从东至西运行过程中所产生的较大光线入射角变化范围α_s调制为所需的相对较小的光线入射角变化范围β_s（例如当δ₁=25°时，将入射范围为±80°的光束调制到±30°），从而实现在α_s范围内的大角度倾斜入射光线通过调制腔（100）后入射至聚光透镜（200）表面的入射光线变化角控制在较小角度β_s范围内。所述二次聚光匀光器件（300）的反射面JK与IL的倾角γ、高度h₂、JI的宽度满足的条件为：聚光透镜（200）所接受的入射角变动范围为β_s的出射光线全部反射汇聚至聚光集热器（500）。

如图2、3所示，当阳光正入射或光线入射角在0°—≤δ₁变化时，所有光线则直接入射至聚光透镜（200）的上表面，此时入射至聚光透镜（200）上表面的光线角度变化范围为0°—δ₁。

将上述免追踪聚光单元下方安装的聚光集热器（500）转换为光导照明接受器，构成免追踪聚光照明与光伏发电组合结构。

如图4所示，将上述组合结构多个有序连接排列，构成免追踪聚光集热或聚光照明与光伏发电组合结构阵列。

以上所述仅是对本实用新型的结构进行具体描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域的技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落在本实用新型确定的保护范围。

Claims (4)

1.一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构，其特征在于：由光线入射角调制腔（100）与聚光透镜（200）、二次聚光匀光器（300）构成免追踪聚光单元；在光线入射角调制腔（100）的上部两侧安装有光伏发电面板（400），在聚光单元的下部光线汇聚位置安装有聚光集热器（500）或光导照明接受器，一体化构成免追踪聚光集热与光伏发电组合结构；所述光线入射角调制腔（100）由一组具有倾斜角的对称反射面组成；聚光透镜（200）位于光线入射角调制腔（100）的下部；所述二次聚光匀光器（300）对通过聚光透镜（200）聚焦的光线进行再次反射汇聚并匀光的器件，位于聚光透镜（200）下方，其两侧壁为具有倾角的反射面。

2.根据权利要求1所述的一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构，其特征在于：所述光线入射角调制腔（100）的反射面与反射面的倾角、间距、高度满足的条件为：将太阳光从东至西运行过程中所产生的倾斜光线入射角变化范围α_s调制为所需的相对较小的光线入射角变化范围β_s，从而实现在α_s范围内的大角度倾斜入射光线通过调制腔（100）后入射至聚光透镜（200）表面的入射光线变化角控制在较小角度β_s范围内；所述二次聚光匀光器（300）的反射面的倾角、高度、宽度满足的条件为：聚光透镜（200）所接受的入射角变动范围为β_s的出射光线经反射面汇聚至聚光集热器（500）或光导照明接受器。

3.根据权利要求1所述的一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构，其特征在于：所述聚光透镜（200）为菲涅尔透镜。

4.根据权利要求1所述的一种免追踪聚光单元与光伏发电组合结构，其特征在于：所述免追踪聚光单元多个有序连接排列，构成免追踪聚光集热或聚光照明与光伏发电组合结构阵列。