[0001] 本实用新型涉及一种聚光光伏系统光电转换模块的结构，属于太阳能利用技术领域，特别是一种使用二次反射法实现数倍聚光的太阳能发电装置。

[0002] 开发新能源和可再生清洁能源是全世界面临的共同课题，在新能源开发与利用方式中，光伏发电倍受瞩目。目前，光伏发电主要采用普通平板光伏发电系统。普通平板光伏发电系统直接将平板太阳电池组件朝向低纬度地区放置(与地面成一定角度)，以串并联的方式组成太阳能光伏阵列从而达到使用太阳能发电的目的。在普通平板光伏发电系统中，太阳电池的成本在系统总成本中占很大比例，由于太阳电池的价格比较高昂，从而直接导致了系统的成本过高。目前，使用的光伏电池的转换效率低、成本高，是光伏发电没有在市场上广泛推广应用的主要原因之一。

[0003] 光伏电池可以在相当高的光强条件下工作，在聚光条件下使用光伏电池进行光电转换，是降低太阳能发电成本的有效途径之一。采用聚光光伏系统，可以减少给定功率所需的电池面积，用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳电池。在这种系统中，太阳电池的总成本会显著降低，发电系统的总成本也随之下降。

[0004] 如果聚光电池在三百倍或更高倍数的太阳光强条件下工作，并可以达到相当高的光电转换效率(25％-36％)。但是，这种高倍聚光的光伏电池需要昂贵的半导体材料(铟化镓或提纯高纯度硅等)，加工工艺也非常复杂，在聚光条件下使用时，光伏电池的温度会变得很高，需要更苛刻且效率很高的冷却技术。尤其是硅材料光伏电池，在日照强度恒定和光伏电池温度升高的情况下，会导致开路电压降低，降低率为-0.4％/K～-0.5％/K，从而使硅材料光伏电池的输出功率也降低。冷却装置会增加光伏发电系统的成本，不适合一般场合推广使用。

[0005] 如果聚光电池在3～10倍以内的太阳光强条件下工作，可以节省66～90％的太阳电池。在太阳电池产生的温度，可以通过使用常规散热片的方式进行有效散热。因此，这种聚光电池在降低发电成本方面具有一定优势。

[0006] 在已公开的专利号ZL200510200596.0、名称为“使用光漏斗反射法在地球上实现数倍聚光的太阳能光伏电池发电装置”的专利文件中，这种装置理论上可以实现3～7倍的聚光比，然而在现实情况下，考虑到尺寸与反射损失等因素，只能达到3.5～4.3倍的聚光比。如果要达到所述的7倍聚光比，其反射面的尺寸需要无限长才可以做到，这在实际生产应用中显然是行不通的。也就是说，这种结构不能在3-10倍、甚至更高倍数之间实现尺寸变换，以适应不同气温环境。另一方面，这种装置采用的是塑料壳体，在制造加工与温度等各种因素共同作用下，使以塑料为基底形成的平面反射面极易发生变形，变形后的反射面在其太阳电池表面分布的聚光光线很不均匀，使太阳电池的光电转换能力下降。

[0007] 透射聚光也是实现较高倍数的一个途径，由于菲涅尔透镜的大量生产而降低下来的成本也是十分引人注目的。然而从技术的角度来看，菲涅尔透镜在特定面上的聚光光强的均匀性相对要差一些。从工业化的角度看来说，相比于反射法，特制透镜的成本仍然高于具有高反射率反射镜面的成本。实用新型内容

[0008] 本实用新型的目的在于提供一种使用二次反射法实现数倍聚光的太阳能发电装置，在光伏电池表面各点具有比较均匀的辐射强度，有利于提高光伏电池的整体光电转换效率。

[0009] 本实用新型的目的是这样实现的：一种使用二次反射法实现数倍聚光的太阳能发电装置，胶膜将与导电板配合连接的光伏电池密封在电路板上，导电板及光伏电池所构成的电流输出器一同配合设置在反射镜面体底部开口处的底座内，环形防水密封压圈配合密封反射镜面体下端开口，反射镜面体与光伏电池朝上的受光面相配合设置，散热器基板配合固装在位于反射镜面体底部的底座上；

[0010] 反射镜面体由二次反光体和一次反光碗状壳体相配合构成，一次反光碗状壳体其内周壁设置的一次反射镜曲面为旋转抛物面；位于一次反光碗状壳体内的二次反光体，其外周壁上设置着与一次反射镜曲面相配合的二次反射镜曲面，该二次反射镜曲面的中央轴线与一次反射镜曲面的中央轴线相重合；一次反光碗状壳体上端大圆开口被形状相应呈圆片状的透明防护盖板固装密封；二次反光体相应的上端与透明防护盖板内表面相固接，二次反射镜曲面的上端与一次反射镜曲面的上端平齐，二次反射镜曲面与一次反射镜曲面相对应配合，一次反射镜曲面、二次反射镜曲面与光伏电池受光面之间的位置相互对应配合并形成相应的碗状空腔，相应的入射光线经一次反射镜曲面反射至二次反射镜曲面形成首次反射的一次反射光线，经二次反射镜曲面至光伏电池受光面形成再次反射的二次反射光线，沿着一次反射光线传播方向的延伸线都相交于一次反射镜曲面上方的光学焦点，一次反射镜曲面与二次反射镜曲面的中央轴线相重合于Y轴线，任意一条入射光线与被反射的一次反射光线在一次反射镜曲面上形成的一次相交点至Y轴线的垂直距离为x2，位于一次反射光线与二次反射光线在二次反射镜曲面上形成二次相交点，位于二次反射光线相应在光伏电池受光面上形成的受光点与Y轴线的垂直距离为x1，其中，光伏电池受光面与X轴线相重合，其圆心与坐标原点重合，圆片状光伏电池受光面相应与Y轴线垂直；

[0011] 所述的一次反射镜曲面的旋转抛物面其截面曲线函数为： 其中，x2为位于入射光线与一次反射光线在一次反射镜曲面上形成的一次相交点至Y轴线的已知的垂直距离，0＜x2≤R，R为内周壁一次反射镜曲面上端半径；

[0012] 一次反射镜曲面上端半径R与二次反射镜曲面顶端半径r之间满足的函数关系为：

[0013] 其中，n为底部的光伏电池受光面所接收的聚光辐射强度与入射太阳光辐射强度的比值，r也为圆片状光伏电池的半径；

[0014] 则一次反射镜曲面旋转抛物面截面函数曲线已知的x2值与每一受光点所在位置处相应的已知x1值之间满足的函数关系式为：

[0015] 其中，n为底部的光伏电池受光面所接收的聚光辐射强度与入射太阳光辐射强度的比值，r也为圆片状光伏电池的半径，根据每一个已知的x2值对应可得知相应的x1值；

[0016] 依据一次入射光线与二次入射光线在二次反射镜曲面上遵循光反射的定律和二次反射镜曲面截面的函数曲线线段其上端的已知坐标值，

[0017] 二次反射镜曲面其截面的曲线函数为其相应坐标值与旋转抛物面截面函数曲线轨迹的坐标值一一相对应的曲线。

[0018] 本实用新型由防护玻璃1、一次反光碗状壳体3、二次反光体2、环形防水密封压圈4、胶膜5、光伏电池6、导电片7、散热器、固定螺栓9等组成，一次反光碗状壳体3内部有轴对称旋转抛物面，二次反光体2外周壁上有二次反射镜曲面10，通过一次反光碗状壳体3内部的轴对称旋转的一次反射镜曲面11，将平行于旋转轴的太阳光线向焦点汇聚。二次反射镜曲面10也是轴对称的旋转曲面，位于一次反光碗状壳体3外周壁上设置的一次反射镜曲面11的焦点处，将尚未到达焦点的光线再次反射至一次反光碗状壳体3的底部，在底部安装有光伏电池6。

[0019] 本实用新型的关键点在于二次反光体2外周壁上所具有的二次反射镜曲面10是经过计算后精密制作而成，使经过这个二次反射镜曲面10二次反射后的光线汇聚在光伏电池表面时，在光伏电池6表面的每一点，都具有相同的、数倍于入射太阳光的辐射强度，从而提高了单位面积的普通光伏电池的光电转换效率，可以比较容易实现3～10倍，甚至更高倍数的聚光比，达到在给定功率条件下，使用较少光伏电池的目的，因而可以降低光伏发电系统的总成本。

[0032] 一种使用二次反射法实现数倍聚光的太阳能发电装置，如图1至图6所示，胶膜5将与导电板7配合连接的光伏电池6密封在电路板上，导电板7及光伏电池6所构成的电流输出器一同配合设置在反射镜面体底部开口处的底座12内，环形防水密封压圈4配合密封反射镜面体下端开口，反射镜面体与光伏电池6朝上的受光面相配合设置，散热器基板13配合固装在位于反射镜面体底部的底座12上；

[0033] 反射镜面体由二次反光体2和一次反光碗状壳体3相配合构成，一次反光碗状壳体3其外周壁设置的一次反射镜曲面11为旋转抛物面；位于一次反光碗状壳体3内的二次反光体2，其外周壁上设置着与一次反射镜曲面11相配合的二次反射镜曲面10，该二次反射镜曲面10的中央轴线与一次反射镜曲面11的中央轴线相重合；一次反光碗状壳体3上端大圆开口被形状相应呈圆片状的透明防护盖板1固装密封；二次反光体2相应的上端与透明防护盖板1内表面相固接，二次反射镜曲面10的上端与一次反射镜曲面11的上端平齐，二次反射镜曲面10与一次反射镜曲面11相对应配合，一次反射镜曲面11、二次反射镜曲面10与光伏电池受光面之间的位置相互对应配合并形成相应的碗状空腔，相应的入射光线经一次反射镜曲面11反射至二次反射镜曲面10形成首次反射的一次反射光线，经二次反射镜曲面10至光伏电池6受光面形成再次反射的二次反射光线，沿着一次反射光线传播方向的延伸线都相交于一次反射镜曲面11上方的光学焦点，一次反射镜曲面11与二次反射镜曲面10的中央轴线相重合于Y轴线，任意一条入射光线与被反射的一次反射光线在一次反射镜曲面11上形成的一次相交点至Y轴线的垂直距离为x2，位于一次反射光线与二次反射光线在二次反射镜曲面10上形成二次相交点，位于二次反射光线相应在光伏电池6受光面上形成的受光点与Y轴线的垂直距离为x1，其中，光伏电池6受光面与X轴线相重合，其圆心与坐标原点重合，圆片状光伏电池6受光面相应与Y轴线垂直；

[0034] 所述的一次反射镜曲面11的旋转抛物面其截面曲线函数为： 其中，x2为位于入射光线与一次反射光线在一次反射镜曲面11上形成的一次相交点至Y轴线的已知的垂直距离，0＜x2≤R，R为内周壁一次反射镜曲面11上端半径；

[0035] 一次反射镜曲面11上端半径R与二次反射镜曲面10顶端半径r之间满足的函数关系为：

[0036] 其中，n为底部的光伏电池6受光面所接收的聚光辐射强度与入射太阳光辐射强度的比值，r也为圆片状光伏电池6的半径；

[0037] 则一次反射镜曲面11旋转抛物面截面函数曲线已知的x2值与每一受光点所在位置处相应的已知x1值之间满足的函数关系式为：

[0038] 其中，n为底部的光伏电池6受光面所接收的聚光辐射强度与入射太阳光辐射强度的比值，r也为圆片状光伏电池6的半径，根据每一个已知的x2值对应可得知相应的x1值；

[0039] 依据一次入射光线与二次入射光线在二次反射镜曲面10上遵循光反射的定律和二次反射镜曲面10截面的函数曲线线段其上端的已知坐标值，

[0040] 二次反射镜曲面10其截面的曲线函数为其相应坐标值与旋转抛物面截面函数曲线轨迹的坐标值一一相对应的曲线。

[0041] 如图2所示，依据所设定的一次反射光线线段BF与二次反射光线线段FO1构成角度及其角度等分线的三角函数关系和光学反射定律，通过高等数学中的微积分原理、离散数学以及计算机工程算法学或优化设计算法，也就可确定出二次反射镜曲面10其确定的截面函数曲线轨迹或者其方程。当二次反射镜曲面10截面的函数曲线线段其上端的确定坐标值为(r，R/2)，r≤x2≤R时，为最佳的实施技术方案。

[0042] 光伏电池6则由普通的平板硅光电池构成。透明防护盖板1由光学塑料或光学玻璃构成。

[0043] 散热器为散热器基板13下板面上均布设置的垂直于底座12底板面的散热片8。

[0044] 上述具体实施方式本发明的技术方案，以下为本发明具体的实施过程及设计原理的阐释：

[0045] 如图1、图4所示，本发明由透明防护盖板1、二次反光体2、一次反光碗状壳体3、环形防水密封压圈4，胶膜5、光伏电池6、导电片7、散热器8、固定螺栓9等组成，其中二次反光体2上加工有二次反射镜曲面10，如一凸面镜，一次反光碗状壳体3上加工有一次反射镜曲面11，相当于一凹面镜，用层压机依次将胶膜5、光伏电池6、导电片7、散热器8封装固定在一起。通过散热器8的散热作用，使光伏电池6和导电片7上的温度降低，使光伏电池6的光电转换效率不会发生明显降低。导电片7允许通过聚光后产生的较大电流。通过固定螺栓9将散热器8固定在一次反光碗状壳体3的底部时，环形防水密封压圈4的可以阻止水汽、灰尘等入由透明防护盖板1、一次反光碗状壳体3、光伏电池6形成的碗状空腔，可防止二次反射镜曲面10及一次反射镜曲面11的反射率下降。

[0046] 如图2所示，二次反光体2上加工的二次反射镜曲面10、一次反光碗状壳体3上加工的一次反射镜曲面11和光伏电池6的受光面之间具有特定的几何与位置关系。Y轴与太阳光线平行，太阳光线沿NC方向平行入射，Y轴从圆形光伏电池6的圆心穿过，并垂直于光伏电池6的受光面。线段OG与光伏电池6的表面位于同一平面，并表示光伏电池6的半径r。

[0047] 线段AL表示一次反射镜曲面11截面曲线外沿的半径R，B点是一次反射镜曲面11内沿上的一点。曲线BCA是函数曲线为 的抛物线中的一段，以Y轴为中心轴，曲线BCA围绕旋转Y轴一周后，形成一次反射镜曲面11。L点是一次次反射镜曲面11的光学焦点。

[0048] 二次反光体2以Y轴为旋转轴，其中M点是二次反光体2外沿上的一点，M、B、G三点的X轴坐标相同，均为光伏电池6的半径r。曲线MDF以Y轴为旋转轴旋转一周形成二次反射镜曲面10。

[0049] 一次反射镜曲面11的最外沿与反光镜曲面10的最外沿处于同一平面，线段AML位于一次反射镜曲面11的焦平面上，所以，照射于A点的光线经反射后，按AM的方面传播，经M点再次反射后，按MBG的方向传播，最后到射至G点，A、M、L三点具有相同的Y坐标，即R/2。

[0050] 太阳光沿NC方向照射，由曲线BCA形成的一次反射镜曲面11将太阳光线向焦点L点聚焦，聚焦光线通过二次反射镜曲面10的反射后，再次反射至一次反光碗状壳体3底部设置的光伏电池6的受光面上。

[0051] 设一次反射镜曲面11底部的光伏电池6其受光面接收的聚光辐射强度是正常太阳辐射强度的n倍，即n为底部的光伏电池6受光面所接收的聚光辐射强度与正常日光辐射强度的比值，则有：2 2

[0052] ∵(n+1)π·r ＝π·R

[0053] ∴ ①

[0054] 在光伏电池半径r确定的情况下，当n取不同的值时，可以计算出一次反射镜曲面11相应的的截面曲线方程为一抛物线函数方程，即：

[0055] ②

[0056] 相应地，仍如图2所示，反光镜曲面10的截面函数曲线MDF应满足以下条件：

[0057] 1、当任意一条光线经N点入射，由一次反射镜曲面11截面曲线上的点C进行反射，向焦心L点聚集，经二次反射镜曲面10截面曲线上点D再次反射后，照射于光伏电池6受光面上的点E；

[0058] 2、一次反射镜曲面11和二次反射镜曲面10的反射损失很小且可忽略不计时，光伏电池6受光面任一点的辐射强度相同。

[0059] 设C点坐标为(x2，y2)，E点坐标为(x1，0)，则入射光线与光线落点坐标的对应关系为：

[0060] ③

[0061] 根据①、②、③式和光线反射物理定律，可通过计算确定对应一次反射镜曲面11光反射产生的惟一的二次反射镜曲面10截面曲线，即二次反射镜曲面10为光射点扫描曲线MDF的函数方程曲线，其相应的Y值也可以计算确定，根据这个曲线方程，就可以加工出所要求的二次反射镜曲面10。

[0062] 如图3所示，太阳光线沿中心旋转Y轴平行入射，经过一次反射镜曲面11和二次反射镜曲面10的两次反射，光线最后照射在光伏电池6的受光面上，也就是说，本实用新型只能在Y轴指向太阳光时，即与太阳光线平行的情况下，才具有聚光发电功能，因此适用于跟踪发电情形。

[0063] 如图4、图5所示，透明防护盖板1要求透光率很高，可以用硬化或钢化玻璃制造，或者用光学塑料制造，要求具有防水、防尘以及相当的抗撞击功能，以适应各种室外恶劣气候。透明防护盖板1呈圆形，其外径与一次反光碗状壳体3的外径相同，并以一次反光碗状壳体3外沿的结合面粘合固定。二次反光体2外形为上端为平面的实心体，外形也可以是锅状壳体，以其上端通过粘合固定于透明防护盖板1下方的中心位置。一次反光碗状壳体3下方开口为圆形，对应光伏电池6的受光面。

[0064] 如图6所示，固定螺栓9把固定有光伏电池6和导电片7的散热器8固定在一次反光碗状壳体3的底部，同时，固定螺栓9的下方伸出部丝杆用于固定在一次反光碗状壳体3下部的底座上。通过导线将多个本实用新型进行串、并联接，形成更大的光伏发电系统。

[0065] 此外，本实用新型由于其反射面均为弧形结构，在温度及外力作用下，不易发生较大的变形，有利于汇聚光线保持均匀；其汇聚光线光斑为圆形，适用于圆形的硅材料光伏电池，也就是说，当硅棒在切片后，以圆形为基本形状实施一系列的光电池加工工艺，无需将其切割为方形或近似方形，减少了边角碎料的产生；汇聚光斑位于抛物反射面的底部，在此处安放光伏电池6，更有利于在光伏电池的背部固定更大散热面积的散热片，可有提高对光伏电池6的散热效率。

[0066] 采用本实用新型所提供的使用二次反射法实现数倍聚光的太阳能电池发电装置，具有以下优点：一是这种结构可以很容易实现3～10倍，甚至更高倍数的聚光比；二是这种结构在光伏电池6表面各点具有均匀的辐射强度，有利于提高光伏电池的整体光电转换效率；三是由于两个反射面均为弧形结构，在温度及外力作用下，不易发生较大的变形，有利于汇聚光线保持均匀；四是汇聚光线光斑为圆形，适用于圆形的硅材料光伏电池，也就是说，当硅棒在切片后，以圆形为基本形状实施一系列的光伏电池加工工艺，无需将其切割为方形或近似方形，减少了边角碎料的产生；五是汇聚光斑位于抛物反射面的底部，在此处安放光伏电池6，更有利于在光伏电池的背部固定更大散热面积的散热片，可有提高对光伏电池6的散热效率。

[0067] 如图2所示，太阳光从上面均匀地照射下来，垂直于上表面，通过(一次反射镜曲面11)抛物面的反射后，反射至中间的二次反射面(二次反射镜曲面10)上，再反射至底部的光伏电池受光面上。光路图如图2及图3所示：

[0068] 底部接收面的半径为OG＝r，与上部二次反射面(二次反射镜曲面10)的半径LM相等；底部接收面接收的光强是正常光强的n倍，因此光线接收面处LA＝半径R，[0069] ∵(n+1)π·r2＝π·R2

[0070] ∴

[0071] 焦点L的坐标也是确定的，即(0，R/2)，一次抛物反射面(一次反射镜曲面11)的扫描线的端点A的坐标(R，R/2)。

[0072] 一次抛物反射面(一次反射镜曲面11)的扫描线方程为：

[0073]

[0074] 一次反射面(一次反射镜曲面11)的最外缘与二次反射面(二次反射镜曲面10)的底面处于同一平面，即AML位于一次抛物面(一次反射镜曲面11)的焦平面上，点L是一次抛物反射面(一次反射镜曲面11)的焦点。所以，照射于A点的光线经反射后，应按AM的方面传播，经M点再次反射后，按MBG的方向传播。

[0075] 现在要解决的问题是：

[0076] 计算出曲线MDF段的函数，用于数控机床的回转切削，要求满足以下条件：

[0077] 1、曲线MDF经过M点，即LM＝r；

[0078] 2、由A点入射的光线反射至M点后，交于G点；

[0079] 3、由M点外侧入射的光线经B点反射至F点，再反射至原点O；

[0080] 4、在MA范围内的任一条入射光线NC，经C点反射至D点，再反射到E点；

[0081] 5、在底部光线接收面的任一点，光线能量密度相等。也就是说，底部任一区域的光强是正常光强的n倍，即：

[0082]

[0083] 式中，x1为底部横坐标，x2为在一次抛物线上与x1一一对应的横坐标，n为常数，r为常数，所以有：

[0084]

[0085] 这是入射光线的一次相交点与光伏电池受光面的受光点坐标的对应关系。

[0086] 根据上述坐标的对应关系，可以进行以下求证：

[0087] 设一条曲线的函数为；f(x，y)＝0

[0088] 对于任意一条垂直入射的光线NC，在(一次反射镜曲面11)抛物线 上都有一个坐标C 线段LC的斜率：

[0089]

[0090] 在曲线上，D点的斜率为k；

[0091] DE为反射光线，因此，根据反射定律与倒角公式：

[0092] 和 应该有：

[0093] 其中，θ1＝∠FDE，θ2＝∠MDC；

[0094] 曲线f(x，y)＝0经过点M，坐标为

[0095] 曲线f(x，y)＝0经过点M，在这一点的导数：y′＝1；(因为经A点的光线AM反射至MG，因此M点的切线与x轴的夹角为45°)

[0096] 点D(x，y)与点C(x2，y2)之间的对应关系是：

[0097] 根据上述条件计算出函数f(x，y)＝0的形式。