[发明专利]一种平面超表面太阳光谱分频器及包含其的光伏-光热分频利用系统

说明书

本发明提供一种平面超表面太阳光谱分频器及包含其的光伏‑光热分频利用系统，所述分频器包括平面超表面透射聚光镜或平面超表面反射聚光镜；所述平面超表面太阳光谱分频器的超表面整体尺寸和初始设计焦距可调，在太阳光谱范围内所述实际焦距f随着入射波长λ的减小而逐渐增大，因此，所述平面超表面透射和反射聚光镜对不同波长入射光的聚焦焦线随入射波长的减小依次排列于一个平面内，从而实现全光谱太阳能的连续分频。所述系统还包括凹柱透镜或凸柱面镜，太阳光线经线性聚光镜场汇聚后照射到所述凹柱透镜或所述凸柱面镜上进行传播方向调整，经所述凹柱透镜或所述凸柱面镜后的出射光线垂直照射到所述平面超表面太阳光谱分频器上。

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种平面超表面太阳光谱分频器及包含其的光伏-光热分频利用系统。

背景技术

聚光光伏系统中，由于聚光器以及聚光太阳能电池的引入，使得系统光伏发电量明显增加并且制造成本大大降低，然而聚光光伏系统也存在明显的不足。根据太阳能电池的光谱响应特性，太阳能电池只能响应特定波段(可见光和近红外波)的太阳光谱，入射到太阳能电池表面的太阳辐射能仅有一小部分转化为电能，太阳能电池光谱响应波段以外的大部分太阳辐射能将在电池上转化为热能。随着聚光比的增加，太阳能电池表面温度急剧升高，进而导致电池光电转化效率降低。比如：传统的晶体硅太阳能电池当温度每升高1℃将导致效率下降0.45％，而优化后的传统聚光硅太阳能电池温度每升高1℃电池效率下降0.32％。此外，电池组件是由热膨胀系数不同的材料组成，在长期高温以及冷热交替下将造成电池结构变形，甚至形成永久性破坏。因此，必须对聚光光伏系统中电池组件进行冷却，并将吸收的热量加以利用，然而所获得的热能品质受限于太阳能电池温度，其通常低于60℃。这样，聚光光伏冷却系统不仅庞大复杂，而且所收集的能量品位很低。

分频型光伏光热系统可将系统中光伏单元与光热单元平行独立布置，各自利用其有效波段的太阳光谱，该技术不仅从本质上解决了光伏单元温度升高的问题，而且光热单元热能品质的高低不受光伏单元的影响，从而能够获得高品质热能。分频器是分频型聚光光伏光热系统的核心组成部分，其光学性能的优劣将直接影响整个系统电能和热能的输出。根据分频器结构和原理的不同，目前较成熟的光谱分频器有固体薄膜干涉分频器和液体分频器两种。

固体薄膜干涉分频器的原理是利用不同折射率材料对太阳光谱相互干涉，使得分频器在特定波段内具有高透光和高反射特性。液体分频技术采用光谱选择性吸收液体(纳米流体)作为分频器，将液体分频器布置在光源一侧，利用分频液将不能产生光伏效应的太阳光谱(近红外波段)转化成热能，将可进行光伏转化的太阳光谱(可见光)透过液体分频器入射到太阳能光伏电池表面，进而实现光谱分频利用。此外，若将分频液体作为冷却工质对太阳能电池进行冷却，这样既降低了太阳能电池的温度，还可以获得更多的热能。

固体薄膜干涉分频器和液体分频器只对聚焦之后的太阳光谱进行梯级分频利用，它们存在以下不足之处：1)太阳能聚光器和分频器均需独立设计和制备，不仅浪费材料，而且加工成本高。2)固体薄膜干涉分频器只利用可产生光伏效应的太阳能，将不产生光伏效应的太阳能反射，不能对全光谱太阳能进行利用，综合效率不高。3)液体分频器稳定性差，且不适合大型聚光系统，原因如下：a.分频液(纳米流体)制备昂贵，易发生团聚；b.分频器紧贴于光伏电池表面，它们需要高透光且强隔热材料连接，材料选择不易实现，且对光伏电池散热不利。4)两种分频器均只将太阳光谱分为可产生光伏效应波段和不可产生光伏效应波段，分频利用不够精细，只能利用太阳能光伏电池平均输出电能，不可持续利用其最大输出电能。5)对于高聚光比系统，两种分频器均需加装散光原件(棱镜)，否则将会烧毁光伏电池。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种平面超表面太阳光谱分频器及包含其的光伏-光热分频利用系统。