[发明专利]荧光平面光波导太阳能电池光伏发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及本发明涉及一种利用荧光材料制作的平面光波导捕捉阳光、并将其转换成荧光输入太阳能电池的光伏发电系统。

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源的消耗急剧增长。化石燃料的巨量使用不仅造成了石油、煤、天然气等不可再生资源的日渐枯竭，威胁到人类社会的能源安全，而且大量CO₂的排放也造成了日益严重的社会环境问题。因此，各种可再生能源的开发利用受到越来越大的重视。

在各种可再生能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染、便利等特点成为了重点发展的对象。

太阳能的利用方案主要包括光热和光伏两大类，其中光伏发电以其高效、系统简洁、长寿命、维护简单而备受青睐，成为太阳能利用的主流技术。

光伏发电的核心元件是太阳能电池。太阳能电池按材料的种类可分成无机、有机、复合(燃料敏化)；按结构可分为体材、薄膜、叠层；而按材料的形态又可分为单晶、多晶和非晶。在众多种类的太阳能电池中，以单晶Si和多晶Si的技术最为成熟，市场份额最大(～90％)，是目前市场上的主流。

太阳能电池大规模应用的最大瓶颈是价格。目前Si太阳能电池的价格在3.5$/Wp左右，全寿命发电成本～0.15￥/kWh，约为火力发电的10倍，难以普及。因此，提高效率、降低成本是太阳能电池的研究重点。

人们已尝试了许多途径来提高太阳能电池的效率、降低太阳能电池的成本，但都未能很好地解决这对矛盾。例如：化合物太阳能电池、叠层太阳能电池的效率比Si太阳能高，但成本也高；而利用光学聚焦的聚光太阳能电池可以大幅度减少太阳能电池的用量，但发热造成的效率下降，冷却系统和跟踪系统的成本上升又抵消了太阳能电池用量的减少。

发明内容

本发明的目的是通过荧光材料、平面光波导技术与太阳能电池的结合，构造一种荧光平面光波导太阳能电池的光伏发电系统，以降低太阳能光伏发电的成本。

荧光平面光波导太阳能电池光伏发电系统包括荧光平面光波导和太阳能电池；

所述荧光平面光波导是一种长度、宽度远大于厚度的片状光学结构。

所述荧光平面光波导包括透明介质层和荧光材料层。

所述透明介质层是玻璃或透明聚合物(有机玻璃)或其它透明介质。

所述荧光材料是能够吸收某一波长(或波段)的辐射，放出另一波长(或波段)辐射的物质。本发明所述的荧光材料是指能够吸收阳光，发出太阳能电池能够吸收波长荧光(对晶体硅太阳能电池，波长<1100nm；对于砷化镓太阳能电池，波长<840nm；对于磷镓铟太阳能电池，波长<650nm等)的物质。受平面光波导的限制，满足一定条件的荧光，可以在平面光波导内传播很长的距离。

在荧光平面光波导的四个侧面设置太阳能电池形成耦合光路。

片状荧光平面光波导为平行四边形，荧光平面光波导四个侧面中的一个到三个设置反射膜，剩余的侧面设置太阳能电池，所述反射膜材料为铝、或银、或金。

所述荧光平面光波导的荧光材料层和透明介质层表面设置选择性反射层，其中非阳光入射面可设置反射膜；所述选择性反射层为光子晶体，或光学高反镀层，所述反射膜材料为铝、或银、或金。

本发明的结构如图1所示。荧光平面光波导太阳能电池光伏发电系统包括荧光平面光波导和太阳能电池3；荧光平面光波导由透明介质层1，荧光材料层2组成，四个侧面设置太阳能电池3。其工作原理是：当阳光4从上方或从下方照射在荧光平面光波导时，荧光材料吸收阳光，发出荧光。所产生的荧光在各个方向上均匀分布。

如图2所示，所述荧光在荧光材料层2和透明介质层1的界面上发生一系列的反射、折射，到达荧光平面光波导的上(透明介质/空气界面)、下(荧光材料/空气界面)表面，当其处于透明介质折射率(上表面)、荧光材料折射率(下表面)所决定的全反射角内时，所述荧光将在上、下表面发生全反射，折回荧光平面光波导。这样，荧光通过逐次反射、折射在荧光平面光波导内向荧光平面光波导的侧面传输，直至达到四个侧面出射，耦合进入太阳能电池3，转换为电能输出。

考虑边长l、宽d、厚度(包括透明介质层和荧光层)t的矩形荧光平面光波导，其面积为S＝l×d，4个侧面的总面积为2(l+d)t。荧光材料的荧光量子效率为η，满足全反射条件的荧光占全部荧光的比例为α，则进入太阳能电池的光通量为：

I＝I₀l×d·αη

其中I₀为阳光的强度。同阳光直接照射太阳能电池相比，光强增加了：