用于拋物面太陽能反射器的球面成像透鏡的光伏發電機的制作方法

專利名稱：用于拋物面太陽能反射器的球面成像透鏡的光伏發電機的制作方法
用于拋物面太陽能反射器的球面成像透鏡的光伏發電機
背景技術：
氣候變化被認為是已經受到廣泛關注的重大問題。由于全世界的能量都產生于礦 物燃料，所以大量的溫室氣體正在我們的大氣層中累積。許多專家都認為，如果不馬上采取 行動來減慢或甚至逆轉這樣的積累，那么我們的氣候和我們所居住的世界就會蒙受災難性 的后果。專家們預言，地球的溫度僅僅只上升幾度就可以使極地冰融化，從而導致海平面上 升，足以使許多沿海城市被水淹沒。一些科學家還預言許多種植物和動物會滅絕。考慮到 由燃燒礦物燃料產生能量所產生的這些和其它顯著的負面影響，迫切地需要可以以符合成 本效益的方式產生能量而又不產生大量的溫室氣體的方法和設備。太陽能系統不太可能對大氣層中的溫室氣體的減少具有顯著的影響，除非使用太 陽能發電所用的成本與通過燃燒礦物燃料來發電的成本相比可以是有競爭性的。成本對于 太陽能系統是關鍵的。實際上，成本不可以被過分強調，因為單單成本可能會產生成功和失 敗之間的差別是非常重要的。只要太陽能發電的成本高于通過燃燒礦物燃料來發電的成 本，那么太陽能對我們大氣層中的溫室氣體的減少具有顯著影響的機會極小。太陽能轉換 系統的制造設備和方法一直以來都是迫切需要的，其具有低的總系統成本，且其發電所用 的成本與通過燃燒礦物燃料來發電的成本相比是可以是有競爭性的。在過去，因為相對高的資本成本，特別當與發電的替代方法相比較時，直接由光伏 電池產生太陽電的努力不是完全令人滿意的。太陽能的公共規模的應用大多數使用了熱 力系統，其中，太陽光線被集中起來，以便提供通過使用驅動電磁發電機的發動機來將其隨 后轉換成電的熱。熱力系統普遍使用大的光學反射器來通過聚焦太陽光對工作流體進行加 熱。通過槽式反射器僅僅將太陽光沿著一個維度聚集到中等水平時，系統中的轉換率相對 是低的。已經使用具有多結電池的光伏轉換以便由太陽光來發電，其包括具有太陽光聚集 的布置，以便提高效率，但是完全聚集的光伏系統的成本太高了，以至于在商業方面沒有競 爭力。這樣的高成本的潛在原因在于，在大多數以前的嘗試中使用了聚集光伏系統，因此用 于聚集和轉換太陽能的單元太小，其通常由通過一個小鏡子或透鏡將太陽光聚集在電池中 來驅動的一個光伏電池組成。優選地，小的單元用于將聚集的太陽光轉換成電，因為在尺 寸小時它們可以被簡單地和被動地冷卻，并且容易制造對跟蹤器指向錯誤不敏感的單個電 池，但是大規模地制造和配置這種電池以滿足公共規模電源的需要是昂貴的。因為使用聚 集光伏系統的這種先前的裝置的相對高的成本沒有競爭力，所以這種設備的影響力小，且 每年只占總發電電力的非常小的部分。對于以低成本每單位功率輸送高功率聚集太陽光的光伏發電機系統的需求一直 以來都是迫切的，其成本相對于通過燃燒礦物燃料來發電的替代的傳統方法的成本是具有
競爭力的。

發明內容
本發明的目的和特征
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本發明的目的是通過提供更高額定功率的光電發電機來克服過去的局限性，所述 發電機被設計以與以低成本/單位功率輸送高功率聚集太陽光的大型太陽能反射器一起 高效工作。這種發電機(其均包括許多光電電池)利用主動式冷卻和內部光學元件來保持 該光線均勻地傳播通過所有光電電池，盡管主要反射器發生彎曲和錯誤指向。本發明的主要目的是通過使用太陽能光電轉換而以低成本/單位能量來促進電 力的產生。本發明的一個方面涉及通過指向太陽的大型碟形反射器將聚集在雙面向中的太 陽光的轉換。本發明意圖用于這樣的設備的運行，該設備提供以低成本、但相對高輸入功率 水平(通常在2-20kW的范圍內)遞送的聚集的太陽能。以這樣功率水平進行的轉換導致 比可通過熱傳導到散片結構而簡單冷卻所產生的局部余熱更多的局部余熱。本發明特別適合于與用于強聚集太陽光的設備聯合使用，所述設備公開在和本 文同步提交的、Roger P. Angel 禾口 Warren B. Davison 的、題目為"Solar Concentrator Apparatus with Large,Multiple,Co-Axial Dish Reflectors”的申請No. 12/463，001 中。 本發明所使用的大型碟形反射器可以有利地使用在和本文同時提交的、Roger P. Angel和 Blain H. Olbert 的、題目為“Method of Manufacturing Large Dish Reflectors for a Solar Concentrator Apparatus”的申請No. 12/463，0 來制成。當傳播到各單個焦點上 的太陽能大約為8kW時，這些發明一起提供了用于聚集太陽能的最低成本。這一最低的成 本來源于對系統的優化，其包括用于最低成本的材料和制造的設計。因此，使用了將支持、 排列和跟蹤反射器的功能結合起來的鋼結構，并且所述剛結構被優化以賦予焦點最低質量 的鋼/千瓦。當以每年30平方公里的速度制造時，該反射器是薄的整塊玻璃材料，其通過 具體地優化用于低成本的制造工藝制成，并且足夠每年增加大約7千兆瓦(峰值電量)的 發電量。本發明的第二個目的是在緊湊的發電機單元中構造光電電池，該單元只實施整個 系統的能量轉換功能，并且收集和聚集太陽能的附加功能在設計中清楚地分離。通過設計 這樣的分離，對于各功能，制造成本可以獨立地被最小化，以便以最低的資本成本來提供非 常大規模的生產。根據本發明的發電機單元包括光電電池系統(具有包括于小尺寸包內的 它們的關聯光學、電子和冷卻元件)，以便有利于大規模生產、運輸和替代，并以便如果該發 電機位于主要反射器的主焦點處，使光阻最小化。本發明的另一個目的是利用低成本/單位能量，該能量通過由與高度聚集光一起 使用的光電電池所產生。因此，當其以為1000的非常高的太陽能聚集系數來使用時，即使 聚光器光電電池的每單位電池面積比標準硅光電電池貴100倍，其還是可以取得電池成本 的減少，該減少是每單位電力輸出的大約10倍。因此，本發明的目的就是提供適合于以高 達1000或更高的非常高的太陽能聚集度來運行電池的實用設備。本發明的另外一個目的是通過輸入給定的聚集太陽能來產生最大可能的電能，該 太陽能來自于用于光學聚集并跟蹤太陽移動的給定的符合成本效益的設備。當根據本發明 有效地減少了每單位的能量輸出時，全部太陽能電力發生系統的主要成本可能就是用于光 學聚集和在完全的系統中進行跟蹤的設備的主要成本，而不是光電電池的成本。在這一成 本體制中，通過根據本發明來使用的多結面的光電電池所獲得的大約為40%的高轉換效率 是特別有價值的。可以獲得的發電機效率越高，由給定聚光系統所分配的每單位電能的成 本部分越小。
本發明另一個目的是使該發電機可以以高的總效率持續地運轉，甚至在當其與低 成本和輕盈的聚光器系統和支持結構一起運行時。這種系統可以向發電機提供沒有理想地 中心聚集的、且其可以在陣風和機械彎曲的作用下相對于發電機入口移來移去的太陽光。 因此，盡管在輸入中有這樣的缺點，但是該發電機應向單個的光電電池或成組的電池提供 基本上相同數量的太陽輻射光，以使該光電電池將各自地產生基本上相等的電流，并在其 串聯時將保持持續的高輸出功率。本發明的另一個目的是將傳遞到本發明的發電機上的聚集光指向光電電池的光 電活性區域，而不是電池上的非光敏性母線或是兩者之間的任何間隔，以使轉換效率最大 化。本發明的另一個目的是提供用于低的壽命能量成本的高度可靠的發電機。因此， 本發明的特征在于在光電電池的照射期間避免局部熱點的光學系統，以及其特征在于有效 冷卻以使熱循環和運行溫度最小化。本發明的重要的特征是在該發電機內引入新型光學元件以滿足以上目的。根據本 發明的光學元件通過許多或所有的光電電池提供期望均勻性的照射，盡管進入的光的非均 勻性以及盡管錯誤指向。根據本發明的內部發電機光學元件可被構造，以使進入到發電機 中的幾乎所有聚集的太陽光都朝向光電電池的活性區域。該內部發電機光學元件的另一個 特征是維持電池照射和高通量的均勻性，盡管在電池處非常高聚集度的光。一般來說，所設 置的以高聚集度來照射多個光電電池的光聚集系統對于錯誤指向和彎曲往往具有低的容 差。然而，本發明的發電機的特征在于具有對于錯誤指向和彎曲有相對高的容差的光聚集 系統，以使可以使用低成本的遞送設備。在本發明中所使用的內部發電機光學元件被設計 以便也盡可能地降低施加在光聚集系統上的要求和制造的容差，并支持使用來向該系統提 供輸入能量的結構，目的在于降低總系統成本。可以修整內部結構以用于特定主要反射器， 以便無論反射器的尺寸和形狀都確保高效的照射。發明概述根據本發明，提供了一種電光發電機，其用于在彎曲的集光器或鏡的焦點處運行， 該集電器或鏡子優選地為拋物面并優選地將2-20KW的太陽光聚集進緊湊的聚焦區。該發 電機優選地合并了多個有效冷卻的光伏電池，以便由聚集的太陽光產生電。在工作時，發電 機被牢固地安裝在所提供的集光器或鏡的焦點處，通過所提供的雙軸跟蹤器將這個牢固的 組件指向太陽。根據本發明所構造的多個可重復的發電機非常適合用于公共規模的發電。根據本發明，發電機將優選地包括多結光伏電池，與其他的光伏電池設計相比，其 具有相對高的轉換效率。在本發明中，為了極大地降低電池每單位功率輸出的成本，優選地 以達到或超過太陽能級1000倍的聚光度照射多結光伏電池。本發明的一個重要方面就是其用作以主反射器的焦點為中心的實心球體或球的 形式的向場透鏡，該主反射器向其提供聚集的太陽光。根據本發明的球透鏡提供了光伏電 池的大體均勻和穩定的照射，盡管進入到發電機中的光的分配是不均勻和可變化的。對于 在發電機內采用串聯電連接的許多光伏電池的本發明的大多數優選實施例來說，照射的均 勻性和穩定性是難得的。在該構造中，如果這些電池沒有接收到基本上相同的太陽能輸入 并且輸送了相同的電流輸出，那么效率就會打折扣。本發明對于輸入光的不均勻和可變化 的分配具有相對高的容限，這樣就允許了太陽能發電機是高度有效的，即使當其由低成本的輸送設備所驅動時，其中，輸送設備易受到彎曲、風的連續沖擊、不對準和光學制造誤差 的影響，從而導致了輸入照射是不均勻且是可變化的。在本發明中，由球透鏡所提供的穩定的照射的區出現在主集光器的凹圖像處。因 為即使在出現中等程度的錯誤指向的情況下，由本發明所提供的該圖像也沒有相對于發電 機移動，所以在安裝于發電機內且相應于穩定化圖像的凹表面(被稱為“接收面”)處，照射 大體是穩定的。期望的是，在發電機中的光伏電池的構造與用來驅動發電機的主集光器的 透鏡所形成的圖像相匹配。因此，在集光器的特定形狀和焦距比方面，根據本發明的發電機 優選地都與其使用的主集光器相匹配。例如，如果將光傳送到發電機上的主集光器是方形 的，那么聚集的光就被分配在整個接收面上，作為該接收面上球透鏡所形成的方形集光器 的凹圖像。根據本發明的發電機中所使用的透鏡的高度優選的形狀是球形，因為本發明中的 球面透鏡廣角成像，從而可以與短焦距的主集光器一起使用。此外，球面透鏡可以被設置具 有小的直徑和短的焦距，這樣得到了主反射器的小圖像并獲得了高的聚光度。球面透鏡是 優選的，也是因為其可以以低成本來制造。具有低OH容量的熔融的石英玻璃是用于球面透 鏡和球透鏡的高度優選的材料，因為在整個太陽光譜上其光吸收率非常低。在實踐中，這種 材料的透鏡可以獲得高的通過量。基于整個太陽光譜上的石英的折射率，圖像(其是光穩 定的地方)將在常規條件(通過f/0. 5的拋物面照射)下優選地被安置在大致為球面的表 面上，該表面以半徑“b”與半徑為“a”的球透鏡同心，“b”如下定義b 1. 546a (1)本發明的一些實施例的重要方面在于其使用了“次反射器”。在這些實施例中，電 池沒有被設置成與接收面直接相符以便接收由球透鏡所提供的穩定的光，而是其在接收面 后面凹進(或偏移)，其中，次反射器處于接收面和光伏電池之間。次反射器的目的在于將 接收面的聚集的太陽光穩定且持續的通量重新引導到離散的區域內，所述區域恰好照射了 分離的電池的光伏活性區域。穿過接收面的給定區域并進入到次反射器中的光直接地或者 通過向內傾斜的鏡像壁的反射到達了凹的光伏電池，該壁從接收面向下延伸到達電池的光 伏活性區域的周界。構造次反射器的入射面，以使次反射器的組無間隔地平鋪接收面的整 個照射區域。凹的且分隔的光伏電池被保持為接收面后面的凹陣列。本發明的次反射器的 運行取決于在各次反射器上的球透鏡所輸送的光的接近垂直的入射角。本發明實施例次反射器實施例次反射器次反射器次反射器次反射器次反射器次 反射器次反射器的次反射器的功能和運行都與事先結合光伏電池使用的光漏斗的功能和 運行有很大的區別。通常地，這種光漏斗的功能是用于均勻化不穩定地且可變地分配的光， 且其在漏斗入口處散布大范圍的入射角。本發明的次反射器提供了幾個優點。第一個優點就是高度有效地使用太陽能輸 入，因為由球透鏡所穩定的幾乎所有的入射光都指向了其內多個平坦電池的光伏活性區 域。次反射器的第二個優點就是簡化了電池陣列的制造。布置在次反射器的凹陣列后的電 池保持在凹陣列中，但是其被分隔開，用于方便地并排安置旁路二極管和布線。用平坦接收 器組件、以低成本大批量生產具有這樣分隔的電池的發電機，每個接收器組件攜帶一個電 池，并且所述發電機被制造成配合凹陣列所需的形狀和尺寸。以這種方式，通過成熟的電子 制造方法并且根據最小的特殊要求，可以將標準的平坦光伏電池組裝在標準的單面印刷電路上。次反射器的第三個優點是在于其有效地通過冷氣劑的強制流動來冷卻電池。通過使 用電池后面高熱濃度的局部區域之間的空隙(其由使用次反射器所造成)做為排放管道， 實現了冷卻這些區域的有效流動。由此獲得了更高的凈輸出功率，因為有效的耦合獲得了 更高的轉換效率以及用于驅動冷卻泵電機的發電機輸出的更低的寄生損失。基于以下考慮，根據本發明，可以針對給定的拋物面反射器設計發電機。根據本 發明與焦距比為f > 0. 5的主反射器一起使用的發電機的光線跟蹤計算顯示了 對于高達 δ ffl ^ a/2F, (2)的最大值的光線偏差角，在接收面處的強度幾乎保持不變，其中，“F”是主 拋物面的焦距。在實踐中，光線的偏差是由一些原因引起的，諸如，太陽的有限角大小(在 分支處，δ = 0.004弧度)或制造和指向上的誤差。由球透鏡所提供的太陽光的聚集取決于接收面上的位置(從中心向外增加)。對 于通過具有焦距F的拋物面進行的照射，在任意點處以角度θ在對著球透鏡中心的具有半 徑“b”的球面接收面上的聚光度C1可以由以下等式獲得
權利要求
1. 一種用于由太陽輻射發電的設備，其包括碟形反射器，所述碟形反射器具有焦點，并適合于將所述太陽輻射聚集在所述焦點處；大體球面的透鏡，所述透鏡被定位在所述碟形反射器的焦點上； 多個光電電池，所述光電電池被定位在位于超過所述球透鏡的光路中的接收面處，所 述光電電池可操作用于當所述光電電池被所述太陽輻射照射時發電；以及其中，所述碟形反射器可操作用于將太陽輻射反射到所述球透鏡上，所述球透鏡可操 作用于將所述太陽輻射傳播到所述光伏電池上，所述光伏電池可操作用于當太陽輻射通過 所述碟形反射器和所述球透鏡被聚集在所述光伏電池上時發電。
全文摘要
本發明是一種用于將聚集的太陽光光伏轉換成電的發電機。根據本發明的發電機將多個光伏電池合并起來，意圖用于在指向太陽的大拋物面反射器的焦點附近運行。在該發電機中，次光學元件將射入的聚集光轉遞到布置成密集凹陣列的電池上。以與高光伏轉換率和每單位輸出功率低電池成本相符的高聚光度，將該光傳送到該電池上。光進入到發電機中，首先優選地通過密封的窗，并傳播經過向場透鏡，優選地采用以拋物面焦點為中心的實心球或球透鏡的形式。該透鏡形成了主反射器的同心的凹廣角圖像，其中，該聚集光的強度不隨著射入到發電機中的聚集光的位置的變化而變化。被制成不同的形狀和尺寸的平坦光電電池接收了穩定光，該電池相應于給定的主反射器的凹像被構造成凹陣列。發電機中的光電電池還依大小排列并互連，以便提供保持高而穩定的單一電輸出，盡管例如通過主反射器的錯誤指向或彎曲會導致傳送到該發電機上的光出現像差。在一些實施例中，電池被設置成在球透鏡所形成的圖像后，并且部分光被反射到各電池的小型次反射器上，次反射器采用的是圍繞電池周界設置的鏡的形式。
文檔編號H01L31/052GK102113135SQ200980116968
公開日2011年6月29日 申請日期2009年5月8日 優先權日2008年5月12日
發明者羅格·P·安杰拉 申請人:亞利桑那大學董事會