聚光光伏系統及其聚光方法

2023-05-29 23:04:26

專利名稱：聚光光伏系統及其聚光方法
技術領域：
本發明涉及基於用於截取和聚光入射太陽光線的光束的聚光器
裝置的聚光光伏(photovoltaic)系統；本發明還涉及基於用於截取和 聚光入射太陽光線的光束的聚光器裝置在光伏電池上聚光太陽能的 方法。
背景技術：
如公知的，光伏系統包括一定數量的光伏電池，所述光伏電池允 許接收太陽光線並將其變換為供最終使用的能量，例如電能。
最常見的光伏系統是所謂的"平板"光伏系統，其中所產生的電 能的量與所使用的光伏電池的表面面積成比例；由於該原因，這些電 池實際上覆蓋了暴露在太陽的光線下的面板的全部表面，這些表面必 須具有大的尺寸，以便以有效率的方式產生一定量的可使用的能量。
這些系統的嚴重的缺點在於代表面板的整體成本的大部分的光 伏電池的成本。因此，減小成本的可能性幾乎完全取決於光伏電池的 成本的減小。
該部分(不是一個新的部分)的研究可產生有限的提高，並且僅 以主要在電池技術方面的巨大的投資為代價。
光伏系統的演進在於所謂的"聚光"光伏系統，所述"聚光"光 伏系統使用截取太陽的光線並將其聚光在光伏電池上的聚光器裝置， 所述光伏電池具有與聚光器裝置的聚光因子成反比例的尺寸。
聚光光伏系統確保遠超過傳統平板光伏系統的性能，減小電池的 比例成本，並形成了為改進和更多的擴展研究留有空間的年輕的技 術。
然而，面臨的問題是聚光也導致電池的溫度升高至危險水平，所以幾乎一直在構思適合的散熱器。
溫度的升高是由於導致電子移動(電力)的光子(太陽光)的量 不高(低效率)的事實，因此許多研究都集中在用於提高光子-電子 "轉換"的解決方案上。
對於該問題的一種解決方案構思了使用多接合電池(multi-joint cell)，即一種類型的多層光伏電池，其以顯著的方式有效地增加電 池的整體效率，並允許降低溫度。然而，這些電池是使用例如鍺的昂 貴和稀有的材料生產的，並且該技術有些複雜，所以該方案不容易被 實現。
於2006年10月19日公布的Giuliano Martinelli等人的專利申 請WO 2006/108806描述了一種系統，該系統構思通過兩個或更多同 軸反射盤將太陽能分為兩個或更多頻帶(二色的、三色的和更常見的 多色系統)，所述同軸反射盤中的第一個反射具有特定光譜組成的太 陽輻射，並允許剩餘部分的輻射向其它盤傳遞。
在兩個盤的情況下，這些盤的每一個將相應能量的部分向不與其 它盤的焦點重合的其自己的焦點反射。然後，射入的太陽能被分割為 兩個光束，所述兩個光束具有不同光i普組成和等於總入射能量的一部 分的能量含量，即使與每個光束相關聯的能量的總和明顯地對應於分 割之前的能量。
該分割有兩個效果
*減小了對於相同聚光因子的每個電池的能量負載； *導致光子/電子轉換過程中的較高效率。
整體的結果是被轉換為電能的太陽能的量更高，並且每個電池 中產生的熱被顯著地減小。
儘管所引用的專利申請中所描述的系統形成了在散熱方面的改 進，其還具有下述缺陷
*拋物面反射器具有與拋物面的數學面積大大不同的整體幾何 形狀，並且這導致了構造性質的問題，使得難以大量生產。
*拋物面盤的整個表面必須在其中包括用於所需頻帶的通帶濾波器功能以及非通帶反射功能； *由於非常大的尺寸，不能容易地使用例如塑料注塑技術的低
成本技術；
*電池排列在拋物面盤的焦點處，該拋物面盤具有凸出超過所
述盤並且在本質上非常脆弱的臂；
*難以在大型設備中如可以想像的使用自動系統來執行必須周
期性地進行以確保系統的最佳效率的盤的清潔； *總體來講，整個系統具有複雜的功能，並且操作起來很複雜。 這些缺陷使得所提出的系統難以大規模地應用。 本發明的目的是提供在成本和製造簡單性方面被改進以克服現 有技術的缺點的聚光光伏系統。

發明內容
上面所指出的目的是通過根據權利要求l的聚光光伏系統來實現的。
此外，本發明涉及根據權利要求20的用於將入射太陽光線的光 束聚光在光伏電池上的方法。
利用本發明，可以實現製造成本和效率水平的顯著改進。 透鏡和電池是使用傳統低成本技術生產的。 系統的效率大於現有技術的系統的效率。
參照附圖，本發明的特性特徵和其它優點將從下文中的完全是通 過非限制性的示例方式提供的本發明的實施例的例子的描述中顯現。


圖1示出了在停止狀態下的，即在沒有太陽輻射的狀態下的根據 本發明的第一實施例的光伏系統的局部剖開的透視圖； 圖2示出了操作狀態下的根據圖1的系統； 圖2a、 2b和2c示出了圖l和圖2的細節； 圖3示出了在停止狀態下的，即在沒有太陽輻射的狀態下的根據本發明的第二實施例的光伏系統的局部剖開的透視圖； 圖4示出了操作狀態下的根據圖3的系統； 圖5示出了根據圖3和圖4的系統的俯視圖； 圖6示出了本發明的系統的細節的剖視圖。
具體實施例方式
參照這些圖，在圖1中，聚光光伏系統l包括優選地包含第一部 分18的容器16 (僅局部在圖l和圖2中被示出)，所述第一部分18 在其下部基座的區域中置於在第二部分110上，其頂部基座的區域打 開。
第一部分18和第二部分110也可具有截頭金字塔形狀、平行六 面體形狀、截頭圓錐體形狀或與這些形狀相似的形狀。
第一部分18支持第一聚光器裝置2，特別是表面2，用以接收和 聚光而不反射入射太陽光線的光束14 (如圖2所示)。
根據本發明，表面2是透鏡(特別是，菲涅耳透鏡)並且可具有 對應於容器16的第一部分18的形狀的不同的外周形狀，具體地講， 方形或圓形。
因此，容器16是菲涅耳透鏡和其它所示部件的支架，並且保護 和隔離系統的所有部件。
參照圖6所示的圓形透鏡的具體情況，菲涅耳透鏡的特別特徵是 其執行與具有相等的折光力的傳統的半球形透鏡相同的功能，使得入 射光線會聚在被稱為焦點的點上，其優點是具有小的厚度和重量；如 圖6中的橫截面所示，該透鏡是通過將傳統的半球形透鏡分為一系列 被稱為菲涅耳環的同心圓形部分，並將傳統的半球形透鏡的連續曲線 變換為一系列具有相同曲率但徑向不連續的表面2a-2e而獲得的。
如圖2、 2a和2b所示，透鏡將入射和平行的太陽光線的光束14 聚光為會聚光線的光束144;在圖2中示例了與圖l相同的系統，所 述系統具體示出了太陽光線14的路徑，所述太陽光線14照射並穿過 表面2而不^L反射。根據本發明，聚光器裝置2與入射太陽光線14的頻率無關地工作。因此，會聚光線的光束144是僅被重引導的並沒有被衰減、濾波或反射的光束。
在圖2a中，從相對於圖2的相對側示出了系統，也就是說，部件501、 601和701為相反順序。
如圖2b所示，根據表面2的特徵，光線144被重引導至透鏡表面2的焦點。
根據本發明的第一實施例，會聚光線144被引導至用於選擇頻率的裝置，即設置在第二部分110的下部基座附近的第一濾波裝置124。濾波裝置124被設置在菲涅耳透鏡的焦點上方，從而會聚光線144在到達表面2的焦點Fl之前被停止和重引導(圖2b)。
裝置124包括(圖1、 2和2a )濾波光學元件，例如兩個帶通濾波器501、 601，兩個相應的光伏電池502、 602和反射鏡127耦合到這兩個帶通濾波器501、 601。
帶通濾波器本身是已知的；每個帶通濾波器傳送特定頻率帶寬(帶通頻率)中包含的光線，並反射其它頻率的光線。
已知光伏電池是能夠將光輻射轉換為電力供應的部分半導體材料。
因為每種半導體材料僅能夠在特定頻率帶寬中以高效率轉換，所以使用了具有三個獨立的帶寬的三個不同的光伏電池。
在圖中，所使用的三個電池是相似的；事實上，半導體材料改變了。
具體地講，具有帶通中包含的頻率的一部分光線144從第一帶通濾波器501被傳送至第一光伏電池502,而帶通中不包含的部分光線144被反射至第二帶通濾波器601;這將一部分光線(帶通中不包含的光線)反射至第二光伏電池602，並將光線的其它部分(帶通中包含的光線)傳送至反射鏡127，所述反射鏡127接著將其反射至第三光l犬電池702。
本發明的系統在整個太陽光i普(從350 nm至1800 nm )中工作；因此，受濾波光學元件502、 602和其它反射元件127影響的三個頻帶的總和基本上等於整個太陽光語。
濾波裝置設置在支持元件126上，而該支持元件126固定在散熱器上，所述散熱器具有支持光伏電池的第一功能並且其錨定帶通濾波器的支持元件和反射鏡，其還具有將光伏電池中產生的熱排出的第二功能。
現在將根據圖3-5描述本發明的第二實施例，其中與第一實施例中相似的部件將保持所描述的部件(帶通濾波器、反射鏡、選擇裝置)的相同的附圖標記和相同的特徵。
聚光光伏系統1包括優選地包含具有中空的截頭圓錐體形狀的第三部分8的容器16，所述容器在兩個基座處打開並且具有設置在頂部的大基座；該第三部分8在其小基座的區域中置於第四部分10上，所述第四部分優選地為圓柱形、中空，並且其頂部基座(base)的區域打開並在底部基座118中有孔；容器6的部分10用作聚光光伏系統的支架。
第三部分8和第四部分10也可具有與本發明的第一實施例的第一和第二部分相同的形狀。
第三部分8在其頂部基座的區域中具有一種支持用於接收和聚光入射太陽光線的光束4的聚光器裝置2 (特別是表面2)的法蘭3(如圖4所示)。
根據本發明，表面2是透鏡，特別是菲涅耳透鏡，並且可具有對應於容器6的第一部分8的形狀的不同的外周形狀，特別是方形或圓形。
如圖4所示，透鏡將入射和平行的太陽光線的光束4聚光為會聚光線的光束44;這樣的圖示出了與圖3相同的系統，圖4具體示出了太陽光線4的路徑，所述太陽光線4照射並穿過表面2而不被反射。
第四部分io的底部基座118具有孔20，會聚光線的光束44在此會聚。
如第一實施例，聚光器裝置2與入射太陽光線4的頻率無關地工
10作。因此，會聚光線的光束44是僅被重引導並沒有被衰減、濾波或反射的光束。
具有向上引導的凹度的拋物面反射鏡22安裝在孔20中，如圖2所示，其焦點F與菲涅耳透鏡的焦點，即光線的光束44向其會聚的點重合。
拋物面反射鏡22將形式為平行光線的光束444的會聚光線的光束44反射至頻率選擇裝置上，所述頻率選擇裝置是位於容器6內部並且沿其在第三部分8內部的軸固定的第二濾波裝置24。裝置24以
光線444執4於分割。
根據預先限定的頻率被分割的光束被引導至例如排列在第三部分8的側表面上的一定數量的光伏電池。
光伏電池的數量及其在第三部分8的側表面(第二實施例)或第二部分110的下部基座(第一實施例)上的位置取決於整個聚光光伏系統1的製造規格和操作。
可構思特別的反射鏡來代替電池，所述反射鏡允許在必要時反射被分割的光束。
因此，對於本發明的第二實施例(圖3-5)，可以決定光伏電池在第一部分8的側表面上的布局，例如可以彼此相對或彼此垂直並靠排列。
對於本發明的第一實施例(圖1-2)，可以決定光伏電池在第二部分110的下基座上的布局，例如，可以恰當地間隔或並排。
根據本發明的優選實施例，示出了三個光伏電池，僅為了更容易
電池被特別設計為接收適合的頻率範圍中的太陽光線，並優化基於這些頻率而產生的能量。從優化產生的能量，最大化系統的效率的角度，基於可按照需要選擇的裝置2上的入射光線在預定頻率範圍的分割，先驗地調整帶通濾波器的數量和光線被反射至其上的光伏電池的特性。在技術行話裡，通常說光伏電池被"調，，至它們必須接收的反射的太陽光線的頻率。根據第二實施例，根據拋物面反射鏡22的凹度，總是從最大化系統的效率的角度來確定拋物面盤的焦點的位置，並且從而確定反射光線的光束444的幅度。
在兩個實施例中，可選擇地，構思散熱器，並且可將其與光伏電池相關聯，以便減小其操作溫度。這些散熱器本身是公知的，是液體或氣體操作的，並且位於容器的外部，以便不以任何方式影響通過系統內部的光線的光束。
通常，這不是必須的，因為能量密度以與電池的數量直接成比例的方式在幾個目的電池被分配，因此溫度降低。
可容易地將根據本發明的若干聚光光伏系統耦合在一起，並且使其同步移動，但不集成在一個還具有可以安裝在任何類型的水平或垂直表面(包括建築物的屋頂和牆面)上的小尺寸的框架內。
以該方式，在大規模上確保了效率上的進一步提高。
從迄今所提供的說明，可以理解根據本發明的聚光光伏系統的操作，其使用聚光太陽能的革新方法進行操作。
聚光器裝置2被定位以截取作為入射平行太陽光線的光束4， 114的太陽光線。由於其固有的物理特性，該裝置使得太陽光線的光束以聚光太陽光線的光束44，144的形式會聚而與它們的頻率無關。
在第一實施例中，光束144被引導至第一帶通濾波器501。光線入射到第一帶通濾波器501 (在聚光器裝置2的焦點Fl的上遊)。帶通濾波器501將帶通頻率中的光線傳送至第一光伏電池502，而非帶通中的光線144被反射至第二帶通濾波器601，第二帶通濾波器601將不在第二帶寬中的光線反射至第二光伏電池602，並將帶通中的光線發送至反射鏡127，所述反射鏡127將所述光線反射至第三光伏電池702。
在第二實施例中，光線的光束44照射拋物面反射鏡22 (在聚光器裝置2的焦點F的下遊)。菲涅耳透鏡的焦點F與拋物面反射鏡22的焦點重合。
拋物面反射鏡反射再次平行的但具有小於入射光線的光束4的直徑的以光線的光束444的形式的聚光太陽光線44。
其直逕取決於系統的預先限定的要求的該光束444照射如選擇
裝置124工作的選擇裝置24。不在兩個之前的濾波器的帶通中的頻帶
的光線通過反射鏡27被反射至最後的電池14上。
然後從電池12、 14、 16、 502、 602和702中提取能量用於最終使用。
權利要求
1.一種聚光光伏系統(1，11)，包括-聚光器裝置(2)，用於截取照射並穿過所述聚光器裝置(2)並與頻率無關地被聚光為聚光太陽光線的光束(44，144)的入射太陽光線的光束(4，114)，其特徵在於所述聚光光伏系統包括-用於頻率的選擇的裝置(24，124)，所述裝置包括能夠根據預先限定的範圍選擇之前被所述聚光器裝置(2)截取的所述入射太陽光線的光束(4，14)的頻率的多個濾波光學元件。
2. 根據權利要求l所述的聚光光伏系統(1, 11),其中所述濾波光學元件包括帶通濾波器(25， 26， 501， 601)。
3. 根據權利要求1或2所述的聚光光伏系統，其中所述濾波光學元件能夠選擇之前與頻率無關地被所述聚光器裝置(2)截取的入射太陽光束(4， 114)。
4. 根據權利要求1或2所述的聚光光伏系統，其中所述選擇裝置(24， 124)還包括與所述對應的帶通濾波器(25， 26， 501， 601)相耦合的多個光伏電池(16， 12， 502， 602 )。
5. 根據權利要求4所述的聚光光伏系統，其中所述選擇裝置(24，124)包括與相應的反射光學元件(27， 127)相耦合的其它光伏電池(14， 702 )。
6. 根據前述權利要求中任一項的聚光光伏系統，還包括用於將所述聚光太陽光線的光束(44)以反射太陽光線的光束(444 )反射至所述頻率選擇裝置(24)的反射裝置(22)。
7. 根據權利要求5所述的光伏系統，其中所述反射太陽光線的光束(444 )的所述選擇裝置(24)還包括能夠將之前沒有被所述多個帶通濾波器(25, 26 )濾波的所述反射太陽光線的光束(444)反射至所述光伏電池(14)的反射光學元件(27)。
8. 根據權利要求4所述的光伏系統，其中所述入射太陽光線的光束(114)的所述選擇裝置(124)還包括能夠將之前沒有從所述多個帶通濾波器(501， 601)反射的所述入射太陽光線的光束反射至光伏電池702的反射鏡(127)。
9. 根據權利要求6或7所述的光伏系統，其中所述反射光線的光束(444)是平行直線光線的光束。
10. 根據權利要求1所述的光伏系統，其中入射太陽光線的光束(4， 114)是平行直線光線的光束。
11. 根據前述權利要求中任一項所述的光伏系統，其中所述聚光器裝置(2)是透鏡類型。
12. 根據前述權利要求中任一項所述的光伏系統，其中所述聚光器裝置(2)包括菲涅耳透鏡。
13. 根據權利要求6所述的光伏系統，其中從所述反射裝置(22)反射的所述聚光光線的光束(44)是會聚在所述聚光器裝置(2)的焦點(F)處的直線光線的光束。
14. 根據權利要求12或13所述的光伏系統，其中所述焦點(F)是所述菲涅耳透鏡的焦點。
15. 根據權利要求13所述的光伏系統，其中所述反射裝置(22)包括反射鏡(22 )。
16. 根據權利要求13或14所述的光伏系統，其中菲涅耳透鏡的所述焦點(F)與所述拋物面反射鏡(22)的焦點(F)重合。
17. 根據權利要求l所述的光伏系統，其中所述聚光光線的光束(144)是被引導至所述聚光器裝置(2)的焦點(Fl)的直線光線的光束。
18. 根據權利要求17所述的光伏系統，其中所述焦點(F1)是菲涅耳透鏡的焦點。
19. 根據權利要求18所述的光伏系統，其中所述焦點(F1)被設置在所述選擇裝置(124)的下面，並且從所述光線(l")不能達到。
20. —種使用根據權利要求1至19所述的聚光光伏系統(1， 11)來聚光照射光伏電池(12, 14, 16， 502， 602, 702 )的太陽光線的光束(4， 114)的方法，包括下述步驟-通過聚光器裝置(2)截取照射並穿過所述聚光器裝置(2)並與頻率無關地被聚光為聚光太陽光線的光束(44， 144)的入射太陽光線的光束(4， 114)，其特徵在於所述步驟包括下述步驟-通過包括多個帶通濾波器(25， 26， 501， 601)的選擇裝置(24，124),根據預先限定的頻率範圍選擇所述入射光線的光束(4， 14)。
21. 根據權利要求20所述的方法，還包括將選擇的光線引導至多個光伏電池(12， 14， 16, 502, 602, 702)的步驟。
22. 根據權利要求20所述的方法，包括通過反射裝置(22 )以反射光線的光束(444)反射所述聚光太陽光線的光束的步驟。
23. 根據權利要求22所述的方法，其中所述反射光線的光束(444)從所述反射裝置(22)被反射至所述選擇裝置(24)。
24. 根據權利要求20所述的方法，其中第一帶通濾波器(25,501)對笫一頻率範圍內的光線進行濾波，並將其反射至第二帶通濾波器(26， 601)。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中所述未反射的光線被發送至第一光伏電池(16， 502)。
26. 根據權利要求20所述的方法，其中第二帶通濾波器(26，601)對第二頻率範圍內的太陽光線進行濾波，並將帶通中的光線發送至反射鏡(27， 127)。
27. 根據權利要求25所述的方法，其中未反射的光線被發送至第二光伏電池(12， 602)。
28. 根據權利要求26所述的方法，其中所述反射鏡(27， 127)將在帶通頻率中的頻率範圍中的光線反射至第三光伏電池(14， 702)。
29. 根據權利要求20至28中任一項所述的方法，其中所述電池(12， 14， 16， 502， 602， 702 )將接收的太陽光線轉換為供最終使用的能量。
全文摘要
一種聚光光伏系統(1，11)，包括用於截取並聚光入射太陽光線的光束(4，114)的透鏡型聚光器裝置(2)，其特徵在於所述系統包括用於選擇進入光伏系統(1，11)的太陽光線的光束的頻率的選擇裝置(24，124)，其能夠將選擇的光線引導至多個光伏電池(12，14，16，502，602，702)。本發明還包括用於使用所描述的聚光光伏系統聚光入射太陽光線的光束(4，114)的方法。
文檔編號H01L31/052GK101681948SQ200880011761
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月11日 優先權日2007年4月12日
發明者M·澤諾比, R·巴蒂斯頓 申請人:安吉爾安東尼工業股份公司