一种分光谱太阳能光伏系统 |
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| 申请号 | CN201510133927.7 | 申请日 | 2015-03-25 | 公开(公告)号 | CN104682856A | 公开(公告)日 | 2015-06-03 |
| 申请人 | 文华学院; | 发明人 | 俞侃; 廖剑锋; 王方; 周俊杰; 梁军; 王丽君; 刘袁缘; 包佳祺; 尹娟娟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 公开了一种分 光谱 太阳能 光伏系统，包括第一分光单元、第二分光单元、第三分光单元、第一 电池 组 、第二电池组、第三电池组和第四电池组，由于第一电池组、第二电池组、第三电池组和第四电池组为制备工艺较为成熟、对相应波段的光电转换效率高、成本较低的四个不同带隙的单结光伏电池组，取代了制备工艺高、发热严重的叠层光伏电池，结构简单，易于实现，降低了宽谱光伏系统的制备成本，从而提高了宽谱光伏系统的应用范围，同时，光路简单，损耗较低，提高了宽谱光伏系统的光电转换效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种分光谱太阳能光伏系统，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种分光谱太阳能光伏系统技术领域[0001] 本发明涉及光伏领域，尤其涉及一种分光谱太阳能光伏系统。 背景技术[0002] 太阳能是地球上最丰富的可再生能源，实现对太阳能的高效利用对人类社会未来能源结构调整有着重大的意义。请参考图1，图1是太阳能辐射的光谱能量分布图，如图1所示，太阳能辐射光谱非常宽，地表上接收到的太阳能辐射光谱能量的90％位于280nm-2500nm的宽谱波段范围内。 [0003] 为了提高对太阳能能量的利用，人们在单结半导体材料的光伏电池的基础上研发了叠层式多结宽谱光伏系统，请参考图2，图2是现有技术中叠层式多结宽谱光伏系统的示意图，如图2所示，该光伏系统将太阳光谱分成几个连续的波段，用禁带宽度与这些波段有最佳匹配的多个半导体材料做成光伏电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里一层层叠合起来。让波长短、强度大的光被最外层的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度的材料电池利用。这样就可以拓展光伏系统的光谱相应范围，最大限度的将光能转换为电能。 [0004] 但是叠层式多结宽谱光伏系统由于各级器件链接、光能透射与电路连接复杂，产生的损耗很高，并且由于其叠层结构需要采用价格昂贵的高性能光伏材料，还需要考虑各层间电流与晶格结构的匹配问题，布置层数较多时热管理复杂，会导致昂贵的制备成本。 [0005] 因此，现有技术中存在叠层式宽谱光伏系统的制备成本高和光电转换效率低的技术问题。 发明内容[0006] 本发明实施例通过提供一种分光谱太阳能光伏系统，用以解决现有技术中存在的叠层式宽谱光伏系统的制备成本高和光电转换效率低的技术问题。 [0007] 本发明实施例提供了一种分光谱太阳能光伏系统，包括： [0008] 第一分光单元，具有第一透射端与第一反射端，所述第一分光单元能够将入射的太阳能宽光谱分为反射的第一波段光谱与透射的第二波段光谱； [0009] 第二分光单元，设置于所述第一反射端，所述第二分光单元具有第二透射端与第二反射端，所述第二分光单元能够将所述第一波段光谱分为反射的第一子波段光谱与透射的第二子波段光谱； [0010] 第三分光单元，设置于所述第一透射端，所述第三分光单元具有第三透射端与第三反射端，所述第三分光单元能够将所述第二波段光谱分为反射的第三子波段光谱与投射的第四子波段光谱； [0011] 第一电池组，设置于所述第二反射端，用于将所述第一子波段光谱的太阳能转换为电能，所述第一电池组的材料对所述第一子波段光谱的太阳能的光电转换效率超过第一预设值； [0012] 第二电池组，设置于所述第二透射端，用于将所述第二子波段光谱的太阳能转换为电能，所述第二电池组的材料对所述第二子波段光谱的太阳能的光电转换效率超过第二预设值； [0013] 第三电池组，设置于所述第三反射端，用于将所述第三子波段光谱的太阳能转换为电能，所述第三电池组的材料对所述第三子波段光谱的太阳能的光电转换效率超过第三预设值； [0014] 第四电池组，设置于所述第三透射端，用于将所述第四子波段光谱的太阳能转换为电能，所述第四电池组的材料对所述第四子波段光谱的太阳能的光电转换效率超过第四预设值； [0015] 其中，所述第一电池组、第二电池组、第三电池组和第四电池组为单结电池组。 [0016] 可选地，所述第一分光单元具体为第一长波通薄膜干涉截止滤光片，所述第一波段光谱为短波段350nm-800nm光谱，所述第二波段光谱为850nm-2000nm光谱。 [0017] 可选地，所述第一长波通薄膜干涉截止滤光片与入射的太阳光的光路呈45°倾斜放置。 [0018] 可选地，所述第二分光单元具体为第二长波通薄膜干涉截止滤光片，所述第一子波段光谱为350nm-500nm光谱，所述第二子波段光谱为500nm-800nm光谱。 [0020] 可选地，所述第二长波通薄膜干涉截止滤光片与所述第一长波通薄膜干涉截止滤光片反射的太阳光的光路呈45°倾斜放置。 [0021] 可选地，所述第三分光单元具体为第三长波通薄膜干涉截止滤光片，所述第三子波段光谱为850nm-1100nm光谱，第四子波段光谱为1200nm-2000nm。 [0022] 可选地，所述第三电池组具体为单晶硅光伏电池组，所述第四电池组具体为锑化镓光伏电池组。 [0023] 可选地，所述第三长波通薄膜干涉截止滤光片与所述第一长波通薄膜干涉截止滤光片透射的太阳光的光路呈45°倾斜放置。 [0024] 本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点： [0025] 1、由于采用了制备工艺较为成熟、对相应波段的光电转换效率高、成本较低的四个不同带隙的单结光伏电池组，取代了制备工艺高、发热严重的叠层光伏电池，结构简单，易于实现，降低了宽谱光伏系统的制备成本，从而提高了宽谱光伏系统的应用范围，同时，光路简单，损耗较低，提高了宽谱光伏系统的光电转换效率。 [0026] 2、由于整个光电转换过程不需要利用制备工艺复杂的叠层光伏电池，结构简单，易于实现，同时整个光伏系统的光路简单，并且太阳能宽光谱占据90％以上能量的350nm-2000nm中每个波段均能够由对应的光电转换效率高的光伏电池组进行转换，对太阳能进行光电转换的光谱范围广，光电转换的利用率高。 附图说明 [0027] 图1为太阳能辐射的光谱能量分布图； [0028] 图2为现有技术中叠层式多结宽谱光伏系统的示意图； [0029] 图3为本发明实施例提供的分光谱太阳能光伏系统的示意图； [0030] 图4为本发明实施例提供的分光谱太阳能光伏系统的实例图； [0031] 图5A为本发明实施例提供的第一长波通薄膜干涉截止滤光片透射光谱的仿真结果示意图； [0032] 图5B为本发明实施例提供的第二长波通薄膜干涉截止滤光片透射光谱的仿真结果示意图； [0033] 图5C为本发明实施例提供的第三长波通薄膜干涉截止滤光片透射光谱的仿真结果示意图。 具体实施方式[0034] 本发明实施例通过提供一种分光谱太阳能光伏系统，用以解决现有技术中存在的叠层式宽谱光伏系统的制备成本高和光电转换效率低的技术问题。 [0035] 请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种分光谱太阳能光伏系统的示意图，如图3所示，该分光谱太阳能光伏系统包括： [0036] 第一分光单元，具有第一透射端与第一反射端，第一分光单元能够将入射的太阳能宽光谱分为反射的第一波段光谱与透射的第二波段光谱； [0037] 第二分光单元，设置于第一反射端，第二分光单元具有第二透射端与第二反射端，第二分光单元能够将第一波段光谱分为反射的第一子波段光谱与透射的第二子波段光谱； [0038] 第三分光单元，设置于第一透射端，第三分光单元具有第三透射端与第三反射端，第三分光单元能够将第二波段光谱分为反射的第三子波段光谱与投射的第四子波段光谱； [0039] 第一电池组，设置于第二反射端，用于将第一子波段光谱的太阳能转换为电能，在实际应用中，为保证光电转换效率，可以将第一电池组的材料设置为对第一子波段光谱的太阳能的光电转换效率超过第一预设值的材料，当然，第一预设值可以根据实际情况进行具体设置，例如为20％等等，以满足实际情况的需要，在此不做限制； [0040] 第二电池组，设置于第二透射端，用于将第二子波段光谱的太阳能转换为电能，在实际应用中，为保证光电转换效率，可以将第二电池组的材料设置为对第二子波段光谱的太阳能的光电转换效率超过第二预设值的材料，当然，第二预设值可以根据实际情况进行具体设置，例如为20％等等，以满足实际情况的需要，在此不做限制； [0041] 第三电池组，设置于第三反射端，用于将第三子波段光谱的太阳能转换为电能，在实际应用中，为保证光电转换效率，可以将第三电池组的材料设置为对第三子波段光谱的太阳能的光电转换效率超过第三预设值的材料，当然，第三预设值可以根据实际情况进行具体设置，例如为20％等等，以满足实际情况的需要，在此不做限制； [0042] 第四电池组，设置于第三透射端，用于将第四子波段光谱的太阳能转换为电能，在实际应用中，为保证光电转换效率，可以将第四电池组的材料设置为对第四子波段光谱的太阳能的光电转换效率超过第四预设值的材料，当然，第四预设值可以根据实际情况进行具体设置，例如为20％等等，以满足实际情况的需要，在此不做限制； [0043] 其中，第一电池组、第二电池组、第三电池组和第四电池组均为制备工艺较为成熟、对相应波段的光电转换效率高、成本较低的单结电池组。 [0044] 通过上述部分可以看出，由于采用了制备工艺较为成熟、对相应波段的光电转换效率高、成本较低的四个不同带隙的单结光伏电池组，取代了制备工艺高、发热严重的叠层光伏电池，结构简单，易于实现，降低了宽谱光伏系统的制备成本，从而提高了宽谱光伏系统的应用范围，同时，光路简单，损耗较低，提高了宽谱光伏系统的光电转换效率。 [0045] 请继续参考图4，图4是本发明实施例提供的分光谱太阳能光伏系统的实例图，在接下来的部分中，如图4所示，将以第一分光单元具体为第一长波通薄膜干涉截止滤光片、第二分光单元具体为第二长波通薄膜干涉截止滤光片、第三分光单元具体为第一长波通薄膜干涉截止滤光片为例，来进行详细的举例描述。当然，在其他实施例中，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，将分光单元采用其他合适的装置或者部件，例如透镜或者多个透镜的组合等等，以实现本实施例中长波通薄膜干涉截止滤光片的功能，在此就不再赘述了。 [0046] 在本实施例中，由于所需利用的太阳能光谱范围较宽，因此对于长波段的分光谱需要对截止滤光片进行多级基本膜系级联，以拓展高反射区域和达到高截止度的光谱。同时本系统拟采用分光路结构将截止滤光片组分光谱后的窄谱段聚焦到对应波段的光伏电池上，因此在光路设计上要求这些不同膜系结构的截止滤光片处于45°倾斜入射状态。而在大角度倾斜入射的情况下，薄膜滤光片的光谱特性会受到偏振效应的影响，截止边带会向短波方向移动，S偏振分量的反射带会展宽，P偏振分量的反射带会减小。由此会导致滤光片在透射带出现透射率下降，反射带出现反射次峰，边带截止度降低。同时选用的不同半导体材料的相邻吸收波段之间的间隔很窄小于50nm，对设计的干涉截止滤光片在大角度倾斜入射时的光谱特性要求较高，应具有良好的截止边带特性。 [0047] 对于第一长波通薄膜干涉截止滤光片，经过消偏振优化设计后，其在45°倾斜入射时的分光谱范围为：850nm-2000nm为高透射区，350nm-800nm为高反射区。截止边带小于50nm。其透射光谱的仿真结果如图5A所示。 [0048] 对于第二长波通薄膜干涉截止滤光片，经过消偏振优化设计后，其在45°倾斜入射时的分光谱范围为：550nm-800nm为高透射区，350nm-500nm为高反射区，截止边带小于50nm。其透射光谱的仿真结果如图5B所示。 [0049] 对于第三长波通薄膜干涉截止滤光片，经过消偏振优化设计后，其在45°倾斜入射时的分光谱范围为：1200nm-2000nm为高透射区，850nm-1100nm为高反射区，截止边带小于100nm。其透射光谱的仿真结果如图5C所示。 [0050] 如图4所示，第一长波通薄膜干涉截止滤光片401401与入射的太阳光的光路呈45°倾斜放置，从而能够将入射的太阳能宽光谱分为反射的第一波段光谱与透射的第二波段光谱，其中，第一波段光谱为短波段350nm-800nm光谱，第二波段光谱为850nm-2000nm光谱。需要说明的是，在其他实施例中，第一波段光谱与第二波段光谱的划分可以为其他段，如第一波段光谱可以为350nm-1200nm，第二波段光谱可以为1200-2000nm等等，在此不做限制，当然，若第一波段光谱和第二波段光谱的范围均发生变化，则后续的第二分光单元、第三分光单元和对应的电池组也需要进行相应的调整，以尽量提高分光谱太阳能光伏系统的光电转换效率，在此就不再赘述了了。 [0051] 请继续参考图4，第二长波通薄膜干涉截止滤光片402与第一长波通薄膜干涉截止滤光片401反射的太阳光的光路呈45°倾斜放置，第一子波段光谱为350nm-500nm光谱，第二子波段光谱为500nm-800nm光谱。 [0052] 在本实施例中，第一电池组为对350nm-500nm波段的光电转换效率高的非晶硅光伏电池组404，第二电池组为对550nm-800nm波段的光电转换效率高的砷化镓(GaAs)光伏电池组405。 [0053] 请继续参考图4，第三长波通薄膜干涉截止滤光片403与第一长波通薄膜干涉截止滤光片401透射的太阳光的光路呈45°倾斜放置，第三子波段光谱为850nm-1100nm光谱，第四子波段光谱为1200nm-2000nm。 [0054] 在本实施例中，第三电池组具体为对850nm-1100nm波段的光电转换效率高的单晶硅光伏电池组406，第四电池组具体为对1200nm-1800nm波段的光电转换效率高的锑化镓(GaSb)光伏电池组407。 [0055] 可以上述实施例看出，当外部入射的宽光谱太阳光(350nm-2000nm)照射到与输入光路呈45°倾斜放置的第一长波通薄膜干涉截止滤光片时，第一长波通薄膜干涉截止滤光片将350nm-800nm的短波段光谱经由反射端输出到第二长波通薄膜干涉截止滤光片，同时第一长波通薄膜干涉截止滤光片将850nm-2000nm的长波段光谱经由透射端输出到第三长波通薄膜干涉截止滤光片；第二长波通薄膜干涉截止滤光片将入射的350nm-800nm波段分成350nm-500nm的反射波段和550nm-800nm的透射波段分别聚焦到非晶硅光伏电池组和砷化镓光伏电池组上；第三长波通薄膜干涉截止滤光片将入射的850nm-2000nm波段分成850nm-1100nm的反射波段和1200nm-2000nm的透射波段，分别聚焦到单晶硅光伏电池组和锑化镓光伏电池组上。整个光电转换过程不需要利用制备工艺复杂的叠层光伏电池，结构简单，易于实现，同时整个光伏系统的光路简单，并且太阳能宽光谱占据90％以上能量的350nm-2000nm中每个波段均能够由对应的光电转换效率高的光伏电池组进行转换，对太阳能进行光电转换的光谱范围广，光电转换的利用率高。 [0056] 本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点： [0057] 1、由于采用了制备工艺较为成熟、对相应波段的光电转换效率高、成本较低的四个不同带隙的单结光伏电池组，取代了制备工艺高、发热严重的叠层光伏电池，结构简单，易于实现，降低了宽谱光伏系统的制备成本，从而提高了宽谱光伏系统的应用范围，同时，光路简单，损耗较低，提高了宽谱光伏系统的光电转换效率。 [0058] 2、由于整个光电转换过程不需要利用制备工艺复杂的叠层光伏电池，结构简单，易于实现，同时整个光伏系统的光路简单，并且太阳能宽光谱占据90％以上能量的350nm-2000nm中每个波段均能够由对应的光电转换效率高的光伏电池组进行转换，对太阳能进行光电转换的光谱范围广，光电转换的利用率高。 |
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