太陽能低倍聚光設備和最大化光伏組件電產量的方法

2024-03-23 15:04:05

專利名稱：太陽能低倍聚光設備和最大化光伏組件電產量的方法
技術領域：
以下所描述和公開的本發明基於太陽能低倍聚光系統和依據兩個軸線的跟蹤系 統的組合應用，所追求的最終目標是最大化光伏組件所產生的電量，從而通過該組合方法 獲得電產量的較為具有競爭力的成本。
背景技術：
能源需求量快速增長，同時化石燃料的價格也在增長，這種情勢似乎不可逆轉。隨 著這種燃料的儲量越來越稀少，這種情勢反而將更加惡化。正是這種環境，對於可再生能 源，如乾淨且取之不盡的能源來說，是個巨大機會。在過去的五年間，光伏能源工業已增長了接近40%的比率。這種增長，特別吸引了 很多不同的工業部門的注意力，這些工業部門已經果斷地致力於探索這種令人感興趣的技 術領域可以提供的商業機會。在2006年，這種壯觀的增長在持續，提供給市場約2400MW左右。據分析師的分析， 在未來幾年內這種增長會持續，光伏能源部門能夠期望在2010年達到IOGW的產量(其可 認為是接近720億美元的商業額)。2005年的數據證實，在該年內世界光伏市場增長了高於45%，達到1759麗的產 量。在2006年，該估算定在2400MW這個數值，這表明部門密切注意著它壯觀地增長率。像之前幾年一樣，在2005年，具有最高增長量的市場有德國，為603MW，緊接著是 日本，為291MW，美國，為108MW。在光伏設備這點上，西班牙是位居第二的歐洲國家，僅次於 德國。關於光伏電池和組件的製造，歐洲經歷了 50%的增長，達到470MW的產量。但是， 儘管如此，德國市場的巨大增長意味著歐洲維持作為電池和組件的淨進口者。然而，在不久 的將來這個形勢可能改變。近些年來限制該領域的主要問題之一是矽短缺，因此這種材料的晶片的成本提 高。這導致電池和組件的製造公司籤訂非常長期的合同。這樣，在未來幾年組件廠商尋求 以獲取供應為優先。同樣地，由於矽的短缺，基於利用薄片的電池製造公司和其他開發太陽能聚光產 品的公司出現了，並被漸漸引入市場，使得傳統的採用基於矽的技術的公司的發展多元化。在寄予厚望下，光伏聚光器的市場現狀得以發展。為了獲得適當專業的和經濟的 解決方案，做了大量不同的技術嘗試。關於光伏聚光器的I+D項目就已經被施行數十年。在 七十和八十年代，幾種光伏聚光系統已經有所發展。這些有關改進型電池和高聚光率的開 發持續至今，用於各種技術解決方案。自Hollands和Stacey的開創性研究以來，大量關於帶V型槽聚光器運行的光伏 系統的研究被公開，這些研究與Fraidenraich做出的研究有特殊的關聯。但是，這些仍然 都沒有達到可觀的市場水平，或者使每年產電量達到超過100%的增長，像本發明所詳細闡 述的，部分目的明確的，伴隨著的風險是認為傳統的矽電池的溫度會升高。

發明內容
光伏設備是根據太陽資源得到電產量。這是可變的且依賴於多種參數，例如地理 位置、日期和時間、大氣條件等等。光伏組件的能源產量直接依賴於這種資源的特性，但也 依賴於使用它的方式。為了最大化光伏組件的年電產量，需要最大化在任何時間接收到的太陽輻射量。為此，在本發明中，採用如下措施a)為了增加光伏組件接收到的太陽輻射，增加相鄰的平面鏡。這樣使得能增加甚 至更多的年電產量。所採用的聚光技術為V型槽技術，其容許幾何聚光在1到3χ (χ定義為 光伏組件接納的太陽的數量。也就是，假設曝露在太陽輻射下的傳統平面組件接納一個太 陽，3χ的聚光相當於說該組件接收到3倍的太陽輻射，或相當於3個太陽)之間。這使得傳 統組件具有超過50%的產量增長。b)光伏組件具有一依據兩個軸線的太陽跟蹤系統。這樣，依據地理位置，年產能量 最多能增長42%。通過組合這些改進之處，使年產電量增長超過100%成為可能。c)為了避免光伏組件所面臨的由最大化太陽輻射時溫度過度增長而導致的損壞， 光伏組件具有一溫度傳感器，其受控於跟蹤系統，如果達到預定的高溫，跟蹤系統將它帶至 「無太陽跟蹤或焦外」的位置。近年來，V型槽太陽能聚光技術被廣泛採用。但是，至今沒有詳細闡明將其與依據 兩個軸線的太陽跟蹤進行結合的應用，主要是以下兩個因素1.-已知通過該技術獲得的集光角，則執行太陽路徑的跟蹤不是必需的。與傳統的 平面組件相比，一正確導向的簡單固定設施就能足以提高能源產量。2.-雖然太陽跟蹤能顯著地提高接收的輻射量，並因此提高電產量，但是將其與V 型槽太陽能聚光技術結合使用，會使傳統的矽電池面臨溫度的大幅提升，因而會對傳統的 矽電池造成破壞性影響。這是因為電池不能達到過高的溫度，否則它們會被燒壞而完全一 無是處。此時結果是有必要概括論述在該方法中溫度去焦系統較高級別的重要性。沒人能 說，具有依據兩個軸線跟蹤的V型槽技術，採用傳統矽電池，不具備去焦系統也能夠保護組 件以防溫度極度升高。光伏聚光包括將太陽能電池(光伏系統中成本最高的部件)的一部分替換為光學 系統(所謂的聚光器)，使得光直射在具有較小尺寸的電池上。為此目的，光伏聚光系統利 用一光學部件，例如透鏡或平面鏡，能夠將太陽光聚焦在具有較小尺寸的光伏材料上。為了表徵工作完成的聚光級別，採用一稱為幾何聚光的參數。即，所述參數被定義 為太陽輻射區域與各個電池的區域之間的現有關係。太陽能聚光技術所追求的最終目標是降低光伏能源的成本。對於此功效，所必須 考慮的是在傳統的光伏解決方案中增加的光學部件不能超過被替換的電池區域的成本。傳統的光伏組件曝露於太陽輻射中，太陽輻射自然到達它們的表面。一般來說，將 組件放置在與位置的緯度相同的朝向太陽傾斜的位置，接收到的輻射量會增加。如果期望 能最大化入射到組件上的輻射量，需採用一跟蹤設備。所述設備採用一太陽跟蹤器，它容許跟蹤一天內的太陽路徑，便於導向該組件，因而增加照射其上的太陽能總量。在已有的用到的聚光級別和採用的光學系統起作用的過程中，太陽跟蹤是必不可 少的。特別地，在高倍光伏聚焦(幾何聚光大於IOOx)的系統中，設定的集光角很小，只有 利用一依據兩個軸線的太陽跟蹤才能實現。反而，對於低倍聚光系統，通常不需要所述的跟
S示ο採用光伏聚光的主要優點在於能有效利用構成太陽能電池的材料。對於給定的電 產量，與利用平面組件的系統相比，該聚光系統所採用的半導體材料的總量少的多。與半導 體材料的大面積相比，平面鏡或透鏡的大面積使系統成本降低。與太陽能電池的製造過程 相比，聚光器部件的製造過程不那麼複雜，且易於升級，給聚光技術帶來了巨大優勢。一旦具有足夠成熟的技術，對於IOOMWh/年的生產設備，基於聚光技術所需要的 投資能比基於利用薄片或薄膜晶矽的技術所需要的投資低約50-60%左右。對於基於平面 組件的光伏系統，安裝電源的每一瓦特(W)，年成本為5-6美元/W。但是，在短期內，太陽能 聚光技術的成本能到達3美元/W左右。通過本發明所引入的三個改進之處，使得年產量能實現超過100%的增長，且沒有 過分提高系統總成本，也沒有降低它的使用壽命。因而實現了生產能源最終成本的顯著降 低。


圖1為V型腔的基本幾何圖形，反映了集光角函數的通用形式。其中，標記的含義如下1.-太陽光圈區域2.-反射鏡3.-傳統平面光伏板
具體實施例方式下面，本發明的優選應用限於本申請在此所描述的，但並不認為是所申請的發明 專利。現在，將詳細描述有關光伏組件中基於V型槽技術的設備，以及依據兩個軸線的太陽
足艮S宗。圖1示出了 V型腔的基本幾何圖形，使用圖1示出的光圈區域1的V型槽聚光器 至少包括一傳統的平面光伏組件3，以及設置在兩邊且傾斜成一預設角度的兩個附加的粗 糙表面或反射鏡。主要目的是通過減少半導體的面積，降低能源產量成本(€/kWh)。為此目 的，採用反射鏡能夠最大化捕獲通過聚光器光圈區域的能量。由於採用平面光伏組件，並為了避免安裝附加的冷卻系統，該基本設計所需的條 件如下-為了減少因不匹配造成的損失，使接收器中的光分布均勻；-在太陽光到達接收器之前，減少太陽直射光在平面鏡上的反射，從而最大化地減 少因反射造成的損失；以及-為了效率和可靠性的因素，聚光比約為2x。為了最大化產能的目標，通過將光伏 組件的溫度保持在不致損壞的級別，且並未使產能(能量效率)明顯減少。
所謂V型槽的聚光技術是基於利用傳統設置的平面鏡對部分太陽輻射的進行反 射，這部分太陽輻射不會直接到達光伏組件整體的表面。因此，面板接收直接來自太陽以及 平面鏡反射過來的太陽輻射。由於平面鏡的表面單元的成本與光伏組件相比至少低30倍， 對於採用這項技術的設備，獲得了其投資成本的降低。對於歐洲的緯度，依據兩個軸線跟蹤太陽的系統(太陽跟蹤器)提供了年產能量 價值的增長，其範圍在靜止的光伏系統所產生的能量價值的35%和50%之間。特別地，對 於聚光系統，太陽跟蹤必要的，這是因為在此類型系統的產能中，直射是最具代表性的。使用太陽跟蹤系統的成本遠高於使用固定結構的系統。但是，對於高效率的光伏 發電器來說，產能每年的增加證實了太陽跟蹤系統的效用。用以下數字說明這裡所描述的設備技術的可行性1. _對於平面組件，每年能量增長介於60-90%之間。2.-對於固定組件，每年能量增長介於35-50%之間。3.-對於傳統型的固定平面系統，每年能量增長介於81-135%之間。因此，能源單元的生產成本只佔平面光伏組件的常規生產成本的50%。由於光伏組件表現出對極端溫度的高度敏感性，本發明所限定的設備包括保護系 統，當組件溫度到達能夠損壞組件其自身的一定高度時，該保護系統允許降低組件溫度。通過升高的溫度來去焦太陽跟蹤器的系統，根據它跟隨到達太陽焦外的一定路徑 來測量電池溫度。應該直接在光伏組件的表面實施溫度測量。周圍的溫度不是有效數據， 這是因為電池到達的地方依賴於其他參數，如風速或光伏電池自身的熱吸收特性。同樣地， 在太陽能跟蹤器應該追隨的到達一保護位置(太陽焦外)的路徑中，應該避免光伏面板上 的不均勻反射，這會導致它的老化。所述路徑的準確設定將會顯著地影響組件的老化，因而 影響系統的壽命。系統提供的太陽跟蹤器用於監控光伏組件的溫度。假使所述監控結果超過預定門 限，系統應該自動地執行沿著一定路徑的去焦運動，該路徑能避免光伏組件上的不均勻反 射。對於本領域技術人員來說，沒有必要作出更為廣泛地描述使之理解本發明的範 圍，例如能夠從其中推導出的技術效果和新的優點。本發明技術說明書中所描述的方案總是應該從最廣泛且少有限制性的意義上來 理解，其結果與所描述的本發明和權利要求的本質兼容。
權利要求
一種太陽能低倍聚光設備和最大化其光伏組件電產量的方法，其特徵在於，為了最大化傳統光伏組件的電產量，採用跟蹤和太陽能低倍聚光技術的結合；採用一保護所述組件的系統，設計成用於當存有極端溫度時，保護光伏組件以防它們遭到損壞的任何系統。
2.根據權利要求1所述的太陽能低倍聚光設備和最大化其光伏組件電產量的方法，其 特徵在於，所述保護光伏組件的系統構建在一個去焦太陽跟蹤器的系統中，該系統決定太 陽跟蹤器應該追隨的路徑，直至到達保護位置(太陽焦外)。
3.根據權利要求1所述的太陽能低倍聚光設備和最大化其光伏組件電產量的方法，其 特徵在於，所述太陽跟蹤器具有監控光伏組件溫度的系統。
4.根據權利要求2所述的太陽能低倍聚光設備和最大化其光伏組件電產量的方法， 其特徵在於，從光伏組件的溫度超過能對該光伏組件造成不可挽回的損壞的門限的時刻開 始，測量和/或控制光伏組件溫度的系統啟動所述去焦太陽跟蹤器的系統。
5.根據權利要求3或4所述的太陽能低倍聚光設備和最大化其光伏組件電產量的方 法，其特徵在於，直接在光伏組件的表面進行溫度測量。
全文摘要
本發明提供一種太陽能低倍聚光設備和最大化其光伏組件電產量的方法，為了最大化傳統光伏組件的電產量，採用跟蹤和太陽能低倍聚光技術的結合，用於保護組件的系統，設計成用於當受到高密度太陽輻射時，保護光伏組件以防他們遭受損壞。優選地，為了避免可能的損壞，本發明提供一溫度測量和/或控制系統，當所述輻射達到預設級別時，該系統協助去焦光伏組件。本發明應用於光伏太陽電量生產。
文檔編號H01L31/052GK101939848SQ200880125633
公開日2011年1月5日 申請日期2008年12月5日 優先權日2008年1月30日
發明者A·佩揚羅德裡格斯, J·恩裡萊邁德尼, O·佩雷爾斯利格羅, R·奧蘇納岡薩雷斯-阿圭勒, V·費爾南德斯克羅 申請人:阿文戈亞太陽能新技術公司