專利名稱：集中光伏和熱系統的制作方法
技術領域：
本申請案涉及光伏和熱集中器系統。更具體來說，本申請案涉及光伏接收器組裝件，所述組裝件包括將光源光集中到接收器上的光學元件、次要光學元件以及散熱系統。
背景技術：
集中光伏(CPV)系統大體上將大量的陽光聚集到小面積的光伏電池上以發電。這種陽光集中典型地提高發電的效率，與較常規的光伏系統相比，這使得系統的大小以及成本降低。因此，為了實現電網平價，高效率CPV系統的領域正持續發展。這些發展包含太陽能電池、光學元件以及追蹤系統的改進。為了集中入射的輻射，CPV系統需要光學系統。此光學系統大體上由透鏡、反射鏡或兩者的組合構成。這些光學系統的材料與其替換的光伏材料相比顯著較低廉。光學系統 可以是簡單的，或由主要光學元件以及次要光學元件組成。當前正開發各種光學元件并以不同規模實施，諸如圓形拋物柱面反射器；具有次要光學元件的拋物柱面反射器；正方形扁平菲涅耳(Fresnel)透鏡；具有次要光學元件的正方形扁平菲涅耳透鏡；線性扁平透鏡；線性拱形透鏡；以及線性拋物面反射器。反射性組件大體上用于低集中的CPV系統，例如，平面鏡、拋物柱面反射器或V形鏡。對于中等集中的CPV系統以及高集中的CPV系統來說，實施得最多的光學元件是基于菲涅耳透鏡的折射性裝置，其應用簡單的折射光學器件或二次光學器件。一些高效率CPV系統還裝配了反射性光學元件，但是大多數當前設計的系統使用菲涅耳透鏡作為主要光學元件。菲涅耳透鏡為一種特殊類型的透鏡，其通過將透鏡分裂為被稱為菲涅耳區域的一組同心環形區段來減少對光進行集中所需的材料的量。通過在這些區域之間添加不連續性，這些區域的使用能夠在不增大厚度的情況下保持所需曲率。可實現重要的厚度減小，但降低了透鏡的成像質量。這通常稱為非成像光學器件。CPV系統的接受角僅僅為太陽所對著的角度的幾倍，且其影響常常被低估廣接受角可極大降低組裝以及對齊要求。接受角還在現場安裝中極其重要，其中如果接受角極窄，則不同模塊在追蹤器中的對齊以及組裝可能變得極其困難。追蹤器勁度以及性能也受到接受角極大影響。較廣接受角實現較低勁度的追蹤器，而這表示材料較不密集的追蹤器，且因此表示較低廉的追蹤器。因為追蹤器成本是系統總成本的重要因素，所以成本/瓦特峰值指數可因為接受角的增大而顯著減小。另外，接受角對每年的能量產生有極大影響，因此，其與發出的電力的千瓦時的成本直接相關。即，這可影響由CPV系統產生的能量是否有競爭力以及因此所述系統是否在經濟上可行。與光學系統相關的另一個可能結果是在光伏電池上的輻照分布并不是始終均勻的。光學系統的許多設計在電池上導致輻照峰值，而不是均勻輻照。輻照均勻性的這種缺乏可將電池的長期可靠性置于危險的境地。集中峰值可引起熱應力，而所述熱應力會損壞電池。另外，還沒有顯示哪種最大局部電流密度可通過多結電池中的隧道二極管來處理。此夕卜，均勻性的缺乏可增大有效串聯電阻并減小填充因數。通過增大接受角和/或在電池上均衡輻照來處理集中峰值。這種解決方案常常除了使用主要光學元件(POE)外，還需要使用次要光學元件(S0E)，這可幫助使光源光線穩定并分散。能量產生增強所帶來的效益常常勝于向系統添加額外光學元件所引起的成本。雖然一些不同設計并未并有S0E，但市場上的大多數CPV系統包含SOE。具有良好設計的次要光學元件可提供若干益處，諸如保持電池輻照均勻以及改善到達收集器的能量的總接受角。次要光學元件典型地是固態玻璃或電介質光學器件，其經研磨并拋光或模制成所需形狀，且接著放在太陽能電池的有效表面上。使太陽能收集器追蹤太陽引起了相當大的興趣，這是因為相比具有相同數量的太陽能電池的固定電池板，追蹤太陽可提供多了約40%的功率。當前太陽能追蹤系統相對大，且許多是安裝在可能向空中延伸數米的垂直桿上。這種類型的追蹤器具有許多限制，這些限制可能限制了在大多數住宅建筑以及商用建筑的屋頂上的安裝。這些限制包含重載荷、非分布式載荷、電池板區域遭受高風力載荷以及鄰近電池板上的陰影的形成。此外，為了在太陽處于低仰角時實現追蹤，電池板必須幾乎傾斜到垂直位置；這種傾斜增加了系統占據的垂直距離，而這可能被視為違反了許多城市的規章制度。·現有技術包含CPV系統的數個實例。下文為這些實例的非詳盡列表。美國專利第4，710，588號公開一種光伏-熱電太陽能電池，其中熱電電壓貢獻的大小因太陽能電池材料的熱導系數的減小而增大。這可通過以下方式來實現使用與太陽能電池材料接觸的具有合適熱電電勢的平面電極，增大太陽能電池的正面上的光強度以及熱輸入，以及冷卻太陽能電池的背面。美國專利公開案第20070215198號公開一種熱管理式太陽能電池系統，其包含用于發電以及產生熱的光伏電池。所述系統包含外殼、基座以及熱去除裝置。外殼圍繞太陽能電池系統并具有開放的后部分。基座可安置在外殼的開放部分中且支撐光伏電池。基座也是導熱的且散布從光伏電池產生的熱。熱去除裝置以及基座充當單個單元，其中熱去除裝置耦接到基座以從基座去除熱。美國專利公開案第20090194146號公開圍繞太陽能電池或太陽能電池板布置多個平坦反射器小面的方法與設備，所述太陽能電池或太陽能電池板包括多個反射器小面，所述反射器小面經布置以形成倒置角錐形殼體，其中角錐的頂點被去除且替換為太陽能電池或電池板。或者，這可僅通過三個反射性小面來實現。美國專利第7，569，764號公開具有追蹤以及集中特征的太陽能模塊，其包括具有太陽能追蹤能力的一個或一個以上太陽能集中器組裝件。舉例來說，所述組裝件可包含光伏接收器和/或熱電接收器的陣列；一個或一個以上光學集中器，其經配置以在集中器的孔徑法線與太陽對齊時將太陽能輻射反射和/或折射到接收器陣列上；以及追蹤機構，其用于通過考慮到太陽能輻射的入射角的季節變化而每天至少一次進行對齊調整來維持孔徑法線與太陽的對齊。美國專利公開案第20100275902號公開一種光伏和熱能系統。所述系統通過以下方式將陽光集中在太陽能電池上使用折射性或反射性光學器件，并且使用簡單的電鐘電動機以按照日差追蹤模式從日出到日落來追蹤太陽。通過將太陽的日照集中在數量減小的太陽能電池上，發出的熱增加，這些熱通過在擠壓鋁制品中循環的防凍流體轉移，所述太陽能電池以及集中器反射性或折射性光學器件附接到所述擠壓鋁制品。優選地，光伏系統的光學組件使用平面鏡作為反射性側面板且使用圓柱形菲涅耳透鏡以將陽光聚集在太陽能電池上。美國專利公開案第20080041441號公開一種用于光伏能量產生的太陽能集中器裝置，其包括棱鏡陣列。每個棱鏡經設計以偏轉入射太陽光線并按照均勻強度完全照射長方形光伏電池。含多個棱鏡的組合均勻地照射共同目標區域會在所述目標區域上產生集中的均勻照射。還設置散熱片來幫助耗散光電池產生的過量能量。
發明內容
根據集中光伏和熱系統的方面，提供一種集中光伏太陽能收集器系統，其包括至少一個集中光伏接收器組裝件；以及太陽追蹤系統，其對至少一個集中光伏接收器組裝件提供支撐以及移動。集中光伏接收器組裝件包括集中光伏太陽能收集器；熱變換裝置，其與太陽能 電池熱連通；以及冷卻單元，其與熱變換裝置和/或太陽能電池熱連通。集中光伏太陽能收集器包括外殼，其具有上開口以及下開口，其中下開口比上開口窄；太陽能電池，其安置在外殼的下開口處；主要光學元件，其安置為接近外殼的上開口 ；以及次要光學元件，其安置在外殼內且接近下開口。主要光學元件以及次要光學元件經成形、設定尺寸以及安置，以將光源光線引導且集中到外殼中，并引導且集中到太陽能電池上。太陽追蹤系統包括基座；平臺，其適于收納至少一個集中光伏接收器組裝件；以及多個線性致動器，其按照可移動方式將平臺連接到基座。多個線性致動器伸展以及縮回以使平臺傾斜。
現將關于圖式來更詳細描述集中光伏和熱系統，其中圖I是集中光伏和熱系統的實施例的透視圖；圖2是如圖I中所示的個別太陽能收集器的透視圖；圖3是如圖2中所示的個別太陽能收集器的側視圖；圖4是根據集中光伏和熱系統的一個實施例的次要光學元件的側視圖；圖5是用于集中光伏和熱系統的一個實施例中的熱離子變換器的側視剖視圖；圖6是根據集中光伏和熱系統的一個實施例的光伏接收器組裝件的下部分的側視剖視圖；圖7是根據集中光伏和熱系統的一個實施例的光伏接收器組裝件的下部分的側視剖視圖；圖8是根據集中光伏和熱系統的一個實施例的用以冷卻光伏接收器組裝件的冷卻單元的側視剖視圖；圖9是根據集中光伏和熱系統的一個實施例的使用三個致動器的太陽追蹤系統的透視圖；圖10是根據集中光伏和熱系統的一個實施例的使用兩個致動器的太陽追蹤系統的透視圖11是根據集中光伏和熱系統的一個實施例的使用兩個致動器的太陽追蹤系統的透視圖；圖12是集中光伏和熱系統的實施例的透視圖；圖13是集中光伏和熱系統的實施例在水平位置中的側視圖；圖14是圖13中所示的集中光伏和熱系統在傾斜或傾斜且提升的位置中的側視圖；圖15是多對太陽能收集器在各種傾斜階段中的側視圖，說明在鄰近的太陽能收集器之間產生的陰影程度。
具體實施例方式對于所屬領域的技術人員來說，集中光伏和熱系統以及其目標與優勢的更好理解 將從以下詳細描述變得顯而易見，在以下詳細描述中，僅以說明方式來描述優選實施例。如將認識到，集中光伏和熱系統能夠在各明顯方面進行修改，所有這些均不偏離本發明的范圍。因此，此描述應視為本質上為說明性的，而非限制性的。圖I說明集中光伏和熱(CPVT)系統1，其包括安裝在追蹤系統7上的光伏接收器組裝件3的組裝件。參看圖2以及圖3，光伏接收器組裝件3包括太陽能收集器5。太陽能收集器5主要用以收集、集中以及引導太陽光線18 (圖6中所示)。太陽能收集器5優選由塑料、玻璃、金屬或其它堅固剛性材料制成，所述材料在收集器5傾斜以及遭遇刮風天氣時對收集器5提供支撐。但是在替代實施例中，太陽能收集器5由諸如氣囊或薄膜的非剛性材料制成，且因此，太陽能收集器5的高度足以維持太陽能收集器5的形狀。為了有效地引導并集中光源光線(如圖6中所示)，優選的是，太陽能收集器5的內壁9由高反射性鏡狀材料制成或涂有高反射性鏡狀材料。根據一個實施例，太陽能收集器5具有上開口 13以及下開口 15，且形式為倒置的對稱截頭角錐，從而在其頂部界定了正方形孔徑。然而，預期有其它形狀的外殼，諸如但不限于截頭圓錐形或拋物線形。優選的是，太陽能收集器5具有相對寬的上開口13，以便增加光源光線18的接受。還預期太陽能收集器5的外表面11涂有能夠耗散過量熱的材料，諸如反射性材料，以便防止收集器5因過熱而損壞，過量熱具體來說是未捕獲在收集器5內的熱。根據一實施例，在太陽能收集器5的頂部處的上開口 13的至少一部分包括主要光學元件(POE) 17。POE 17用以將光源光線18集中和/或聚集在太陽能收集器5內。如圖2以及圖3中所示，POE 17可以是菲涅耳透鏡，但在太陽能收集器5中，可使用其它額外光學元件，諸如凹透鏡或其它光捕獲透鏡。POE 17可位于太陽能收集器5頂部且封閉太陽能收集器5的上開口 13，但也可凹入在太陽能收集器5的上開口 13內。CPVT系統I典型地安置在室外，諸如屋頂上，且因此，每個太陽能收集器5優選設計并配置成實質上對各種天氣環境有抵抗性。舉例來說，通過具有防水接頭以及密封件，太陽能收集器5形成不受氣候影響的包裹體，或者，太陽能收集器5的外殼涂有覆蓋保護層，諸如隔膜。以這種方式配置，太陽能收集器5的壽命將延長，且諸如次要光學元件19 (圖4中所示)或電磁能接收器27 (圖4中所示)的太陽能收集器5的任何內部組件將被屏蔽不受各種天氣環境影響。
根據一實施例，太陽能收集器5包括次要光學元件19。參看圖6，次要光學元件(SOE) 19接收光源光線18且進一步優化光源光線18的集中以及改向。這將具有增大光源光線18的接受角的效果。在此實施例中，SOE 19可直接從光源、直接從POE 17或在光源光線18已從太陽能收集器5的內表面9反射并改向后接收光源光線18。SOE 19位于太陽能收集器5內，且更具體來說，典型地位于太陽能收集器5下部分附近，接近電磁能接收器27，以便將光源光線18引導到電磁能接收器27上。在圖4中說明了示范性SOE 19。在此實施例中，SOE 19包括中空結構，其具有內表面21，且界定入射孔徑23以及出射孔徑25兩者。SOE 19可以是放在太陽能收集器5的外殼內的插入件。或者,SOE 19可與太陽能收集器5的外殼成一體,使得外殼的下部分根據SOE 19的要求而成形并設定尺寸。SOE 19的內表面21接收集中的光源光線18(圖6中所示)，所述光源光線18朝向電磁能接收器27傳播并引導，且因此，SOE 19的內表面21的至少一部分是反射性的。反射性表面優選具有光滑且經拋光的鏡狀光潔度，使得其能夠可靠地反射所接收的光源光線18。內側表面21可任選地加以拋光、陽極化或以其它方式涂布或處理，以便提高光學反射度。所反射的光源光線18最終引導并聚集在電磁能接收器27處。 SOE 19的準確結構、設計、形狀以及大小不應視為限制性的，而是將基于多種因素，諸如POE 17、太陽能收集器5的形狀以及光源的接受角。基于這些因素，SOE 19經設計以進一步將光源光線18 (圖6中所示)反射并引導到電磁能接收器27上。舉例來說，相比上部分，SOE 19可在下部分處較窄，其中上部分是包括入射孔徑23且最接近入射電磁能的部分。入射孔徑23的形成可使得其寬度大于從POE 17透射的集中的光源光線18的射束寬度。出射孔徑25的大小可使得其略大于一個或一個以上電磁能接收器的頂表面31的至少一部分。會聚側表面21可設有任何合適的幾何形狀或配置。根據非限制性實例，SOE 19的會聚側表面21可為杯狀、截頭圓錐形，或呈規則或不規則的多邊形截頭錐形的形式。SOE19的側表面21的斜率可全部相同，或可相互不同。明確地說，SOE 19可具有多個側表面21，其中每個側表面21具有不同斜率，諸如在圖4中所說明的SOE 19中。圖4中的角度Θ以及β在此實例中分別確定兩個側表面21的斜率，這兩個角度可變化，且經確定以使光源光線在電磁能接收器27上的改向以及集中最大。根據其它非限制性實例，側表面21中的一個或一個以上可采用以下形式彎曲形狀、不規則多邊形、三角形、長方形、正方形、梯形或其它多邊形。根據替代實施例，折射率大于空氣的光學材料，即，能夠透射光源光線18的材料，設置在SOE 19中在入射孔徑23與出射孔徑25之間。光學材料將使進入SOE 19的中間部分29的光源光線18改向。光學材料的厚度不受限制，且光學材料可遍布整個SOE 19從入射孔徑23到出射孔徑25，但也可以是薄層。光學材料可包括以下結構中的一個或一個以上塑料、丙烯酸系材料、石英、玻璃、金屬、半導體材料、薄膜以及流體填充的結構。諸如太陽能電池或光伏電池的電磁能接收器27安置為接近太陽能收集器5的基座。接收器27具有頂表面31以及底表面33，頂表面31暴露于太陽能收集器5的內部。優選地，接收器27接近SOE 19的出射孔徑25，以便使要求光源光線18從SOE 19行進的距離最小。接收器27優選為太陽能電池或光伏電池，如所屬領域的技術人員所知，且能夠將光源光線18 (例如，太陽能)變換為電力。來自太陽能收集器5的光源光線18被反射并引導通過SOE 19的出射孔徑25，且從而集中在電磁能接收器27上。接收器27能夠將集中的光源光線18轉化為由CPV系統I產生的電力。根據一個實施例，光伏接收器組裝件3包括熱變換裝置35，如圖5中所示。熱變換裝置35從光源光線18捕獲熱能并將其變換為電力。熱變換裝置35與太陽能收集器5熱連通，且明確地說，與電磁能接收器27熱連通。舉例來說，熱變換裝置35可以是熱離子變換器，如此項技術中所知。在圖5以及圖6中繪示了示范性熱變換裝置35。典型地，熱離子變換器35是包夾式結構，所述結構包括兩個電極37以及39 :即，剛好位于電磁接收器27之下的熱電極(陰極)37，以及冷電極(陽極)39。兩個電極37以及39由間隔物或電極間間隙41分開。從集中到電磁能接收器27上的光源光線18產生的熱用作熱離子變換器35的熱源。電子實際上從熱電極37 “蒸發”，穿過間隙41，且凝結在冷電極39上，在此處，電子產生會驅動電流的電壓。熱電極37可由任何低電子功函數的金屬制成，包含但不限于Ir、Pt、Au、Re、Mo或具有3-5eV的功函數的那些金屬。或者，熱電極37可由高IR發射率的金屬制成，諸如金屬 碳化物、Co以及Ni。任選地，冷電極39可由高IR反射率的金屬制成，諸如但不限于Al、Cu、Ag以及Au。又，間隔物材料優選包括高電絕緣且熱絕緣的材料，諸如但不限于Ti02。從熱離子變換器產生的電流由杜什曼(Dushmann)公式給出I。=所發射的電流A=常數，120. 4A/cm權利要求
1.一種集中光伏太陽能收集器，其包括 a)外殼，其具有上開口以及下開口，其中所述下開口比所述上開口窄； b)太陽能電池，其安置在所述外殼的所述下開口處； c)主要光學元件，其安置為接近所述外殼的所述上開口；以及 d)次要光學元件，其安置在所述外殼內且接近所述下開口； 其中所述主要光學元件以及所述次要光學元件經成形、設定尺寸以及安置，以將光源光線引導且集中到所述外殼中，并引導且集中到所述太陽能電池上。
2.根據權利要求I所述的集中光伏太陽能收集器，其中所述外殼的形狀是倒置的對稱截頭角錐。
3.根據權利要求I或2所述的集中光伏太陽能收集器，其中所述主要光學元件是菲涅耳透鏡。
4.根據權利要求I到3中任一權利要求所述的集中光伏太陽能收集器，其中所述次要光學元件是連續的中空結構，其具有入射孔徑以及出射孔徑，且包括反射性內表面。
5.根據權利要求4所述的集中光伏太陽能收集器，其中所述次要光學元件包括具有第一斜率的第一面以及具有第二斜率的第二面。
6.根據權利要求4或5所述的集中光伏太陽能收集器，其中所述次要光學元件包括折射 率大于空氣的光學材料，所述光學材料安置于所述入射孔徑與所述出射孔徑之間。
7.根據權利要求I到6中任一權利要求所述的集中光伏太陽能收集器，其中所述外殼的內表面是反射性的。
8.一種集中光伏太陽能收集器系統，其包括 a)至少一個集中光伏接收器組裝件，所述集中光伏接收器組裝件包括 i)根據權利要求I到7中任一權利要求所述的太陽能收集器； ii)熱變換裝置，其與所述太陽能電池熱連通；以及 iii)冷卻單元，其與所述熱變換裝置和/或所述太陽能電池熱連通；以及 b)太陽追蹤系統，其對至少一個集中光伏接收器組裝件提供支撐以及移動。
9.根據權利要求8所述的集中光伏收集器系統，其中所述太陽追蹤系統包括 a)基座； b)平臺，其適于收納所述至少一個集中光伏接收器組裝件；以及 c)多個線性致動器，其按照可移動方式將所述平臺連接到所述基座； 其中所述多個線性致動器伸展以及縮回以使所述平臺傾斜。
10.根據權利要求9所述的集中光伏收集器系統，其中所述多個線性致動器通過球形連接器連接到所述平臺和/或所述基座。
11.根據權利要求8到10中任一權利要求所述的集中光伏收集器系統，其中所述冷卻單元使冷卻劑在電磁能接收器之上以及之下循環。
12.根據權利要求11所述的集中光伏收集器系統，其中所述電磁能接收器具有透明涂層以防止所述冷卻劑與所述電磁能接收器直接接觸。
13.根據權利要求12所述的集中光伏收集器系統，其中所述電磁能接收器具有透明涂層以防止所述冷卻劑與所述電磁能接收器直接接觸。
14.一種太陽追蹤系統，其包括a)基座； b)平臺，其適于收納所述至 少一個集中光伏接收器組裝件；以及 c)多個線性致動器，其按照可移動方式將所述平臺連接到所述基座； 其中所述多個線性致動器伸展以及縮回以使所述平臺傾斜。
15.根據權利要求14所述的太陽追蹤系統，其中所述多個線性致動器通過球形連接器連接到所述平臺和/或所述基座。
16.根據權利要求14或15所述的太陽追蹤系統，其中所述多個線性致動器中的一個將所述基座連接到所述平臺的中央部分，以便提升以及降低所述平臺。
全文摘要
本發明公開一種集中光伏和熱系統。所述系統包括產生高度集中的太陽能的光伏接收器組裝件，從而產生有效的能量變換，這與缺乏這些高集中度的布置相比需要較少的光伏接收器。所述接收器組裝件包括主要光學元件，其將光源光集中到電磁能接收器上；次要光學元件，其輔助進一步集中所述光源；熱能變換器；以及散熱單元。所述光伏接收器組裝件優選安裝在追蹤系統上以使太陽照射最大。
文檔編號G02B7/00GK102893415SQ201180017620
公開日2013年1月23日 申請日期2011年2月10日 優先權日2010年2月10日
發明者拉耶德·阿拉巴, 尤瑟夫·阿瓦德, 密海·葛魯瑪瑟庫 申請人:夸卓太陽能公司