用於太陽能系統的光電聚能器的製作方法
2023-12-10 09:12:57 1
專利名稱：用於太陽能系統的光電聚能器的製作方法
技術領域：
一般地本發明涉及一種太陽能轉化系統，尤其涉及配製成集中並引導進入多個光電電池的入射光的光電聚能器。
背景技術：
相對於其他形式的能量，太陽能被認為是可替代能源。太陽能轉化系統用來將太陽能轉化為電能。典型的太陽能轉化系統包括將太陽能轉化為即時使用的或存儲起來隨後使用的電能的光電模塊、光電電池或太陽能電池。將太陽能向電能的轉化包括光線的接收，例如太陽光，在太陽能電池中將太陽光吸收到太陽能電池中，正電荷和負電荷的產生和分離在太陽能電池中建立了電壓，並且電荷通過與太陽能電池連接的端子聚集並傳輸。
太陽能模塊主要用於住宅和商業區域，例如在由電力公司的網絡供電的區域。由太陽能模塊產生的電能的數量直接與模塊吸收到電池內的太陽能的數量有關，這依次受電池效率、電池覆蓋的表面區域和入射到電池的太陽光的強度或亮度影響。光電模塊的成本隨著被光電電池覆蓋的表面區域的增加而增加。降低與光電模塊有關的成本的一個方法是通過光學聚能技術。通過進行光學聚能，疊片內的電池覆蓋區域被縮小。傳統的用於更高水平的光學聚能的光學聚能器通常很笨重並且需要對光線有源跟蹤。此外，傳統的光學聚能器的成本更高。
因此，提供一種低水平靜態光學聚能器來降低與效率損耗最小的太陽能模塊有關的成本是有益的。
發明內容
根據本技術的一個方面，提供一種能量轉化系統。該系統包括具有平表面和有圖案的表面的第一光學蓋。該有圖案的表面配置成接收來自平表面的太陽能，隨後集中並引導該太陽能。該系統還包括第二光學蓋。該系統進一步包括在第一光學蓋的有圖案的表面和第二光學蓋之間的光電電池層。光電電池層配置成接收來自有圖案的表面的太陽能並將太陽能轉化為電能。
根據本技術的另一個方面，提供一種能量轉化系統。該系統包括由第一表面和第二表面組成的第一光學蓋，其中第一表面包括平表面，第二表面包括有圖案的表面，該有圖案的表面配置成接收來自第一表面的太陽能，並進一步配置成集中並引導該太陽能。該系統還包括由第三有圖案的表面和第四平表面組成的第二光學蓋。該系統進一步包括多個設置在第一光學蓋的有圖案的表面和第二光學蓋之間的雙面光電電池，並且配置成接收來自有圖案的表面的太陽能並將該太陽能轉化為電能。進入光電電池的太陽能直接通過第一光學蓋傳送，或者通過第一光學該的全內反射傳送，或者通過第二光學蓋的全內反射傳送，或者通過它們的結合傳送。
根據本技術的另一個方面，提供一種太陽能聚能器。該太陽能聚能器包括平表面。該太陽能聚能器還包括包含多個相互連接或水平離散的有圖案的表面，以及豎直三角形槽、稜錐結構、圓錐結構或它們的組合結構。該太陽能聚能器進一步包括形成在有圖案的表面的反射層。
在參考附圖閱讀下述詳細說明之後將更好地理解本發明的這些和其它特徵、要點和優點，在附圖中同樣的特徵始終表示同樣的部件，其中圖1是根據本技術的典型實施例的具有前光學蓋、光電電池層和後光學蓋的能量轉化系統的示意圖；圖2是根據本技術的典型實施例的具有有圖案的表面的前光學蓋的透視圖；圖3是表示根據本技術的典型實施例的能量轉化系統中的太陽能相互作用的示意圖；圖4是表示根據本技術的典型實施例的具有多個雙面光電電池的能量轉化系統中的太陽能相互作用的示意圖；圖5是表示根據本技術的某一方面的具有多個交叉三角形槽的能量轉化系統的示意圖；圖6是表示根據本技術的典型實施例的具有多個交叉三角形槽的能量轉化系統的示意圖；圖7是表示根據本技術的某一方面的具有多個交叉三角形槽的能量轉化系統的示意圖；
圖8是表示根據本技術的典型實施例的布置在具有多個交叉三角形槽的前光學蓋上的疊片的頂部平面視圖；圖9是表示根據本技術的典型實施例的具有稜錐點陣的能量轉化系統的示意圖；圖10是表示根據本技術的某一方面的具有稜錐點陣的能量轉化系統的示意圖；圖11是表示根據本技術的典型實施例的布置在具有多個稜錐結構的前光學蓋上的疊片的頂部平面視圖；圖12是表示根據本技術的典型實施例的布置在具有多個稜錐和圓錐結構的前光學蓋上的疊片的頂部平面視圖；以及圖13是表示根據本技術的典型實施例的能量轉化系統的製造工藝的流程圖。
具體實施例方式
正如下面詳細討論，本技術的實施例提供了一種具有太陽能聚能器的能量轉化系統，該太陽能聚能器配置成接收太陽能，並進一步配置成將太陽能集中並引導到光電電池層。該太陽能聚能器配置成接收來自寬範圍的入射通量角度的並具有最小衰減性能的光線。特別地，該太陽能聚能器由具有圖案的表面的前蓋組成，該有圖案的表面配置成集中並引導太陽能。根據本技術，太陽能聚能器的成本與功率比降低了。這些技術還公開了入射到光電電池層的太陽能直接通過上述太陽能聚能器傳送，或者通過太陽能聚能器的全內反射傳送，或者通過它們的結合傳送。這些技術的不同實施例將在下面參考圖1-13進一步詳細論述。
圖1表示包括第一光學蓋12、光電電池層14和第二光學蓋16的能量轉化系統10。在示範實施例中，該第一光學蓋12表示為前蓋，而第二光學蓋16表示為後蓋。光電電池層14介於前蓋12和後蓋16之間，並且可以由一個或多個光電電池組成。
該前蓋12可以由透明材料組成，例如玻璃、聚碳酸酯、Lexan材料等。該前蓋12具有第一表面18和有圖案的第二表面20。該光電電池層14介於有圖案的第二表面20和後蓋16之間。該有圖案的第二表面20配置成接收來自第一表面18的太陽能並且將該太陽能集中和引導到光電電池層14。該有圖案的第二表面20可以利用現有技術形成，例如本領域技術人員熟知的玻璃成型、飛刀切削等。此外，前蓋12可以為如圖1所示的單獨的材料片，或者可替換為一種複合結構，其中第一表面18和有圖案的第二表面20分別製造並隨後連接在一起形成前蓋12。下面將更詳細地說明該有圖案的第二表面20的結構。該光電電池層14包括本領域技術人員熟知的半導體材料。該光電電池層12配置成接收來自有圖案的第二表面20的太陽能，並將該太陽能轉化為電能。後蓋16可以由玻璃、聚氟乙烯膜、聚碳酸酯、Noryl、Lexan材料等組成。後蓋16可以用作光學蓋或用作支撐板。
圖2表示具有有圖案的第二表面20的前蓋12。在該示範實施例中，該有圖案的第二表面20包括多個等距的水平三角形槽22和在前蓋12的長度和寬度上延伸的豎直三角形槽24。該水平和豎直三角形槽22，24相交形成多個等距的矩形區域26。該光電電池層14(在圖1中表示)可以包括多個光電電池，並且可以直接設置在有圖案的第二表面20的矩形區域26之下。多個光電電池電連接，並且還可以嵌入保護密封劑(未示出)。例如，保護密封劑可以包括乙烯醋酸乙烯酯。該保護密封劑配置成為光電電池提供強度，並且還在極端環境狀態下保護光電電池。
圖3表示能量轉化系統10中的太陽能的相互作用。在示範實施例中，保護塗層29形成在前蓋12的第一表面18來濾去紫外光同時傳送可見光。在一個例子中，保護塗層29由sollx材料組成。提供保護塗層29可以有選擇地濾去到達密封劑和光電電池15中的紫外光。保護塗層29還可以用來根據光電電池15的響應度來阻擋一部分紅外光到達光電電池15。在另一個實施例中，可以將紫外線吸收材料添加在前蓋12的材料上，來代替保護塗層29或附加在保護塗層29上。反射層30形成在前蓋12的有圖案的第二表面20上。在一個實施例中，該反射層30包括金屬塗層。在另一個實施例中，該反射層30包括絕緣塗層。該反射層30配置成反射入射到三角形槽22，24的光線。
在一個實施例中，入射到光電電池15的光線28或者是直接通過前蓋12傳送到光電電池15，或者從有圖案的第二表面20反射，並隨後在碰撞(impinge)光電電池15之前從第一表面18反射。光線由於全內反射(TIR)而從第一表面18反射，在光線在折射率較高的介質中到達與折射率較低的介質界面的入射角成大於臨界角的角度時發生全內反射。如本領域普通技術人員熟知的，臨界角取決於相鄰兩種媒質折射率的差。在示範實施例中，在第一表面18的反射光線的入射角度取決於入射太陽光線的入射角度、三角形槽22，24的傾斜角度和前蓋12的材料的折射率。三角形槽的傾斜角度如此選擇，即使給定材料的平板區域入射光線的太陽能的聚集效率最大化。
圖4表示本發明的另一實施例，並表示在能量轉化系統10中的太陽能的相互作用。根據圖4中所示的實施例，該系統10包括設置在介於前蓋12和後蓋16之間的密封劑31之內的多個光電電池15。在示範的實施例中，如本領域技術人員熟知的，光電電池15是雙面電池。根據該示範的實施例，後蓋16包括平表面21和有圖案的表面23。反射層27形成在後蓋16的有圖案的表面23上。可以提供支撐板33(例如聚氟乙烯板)支撐後蓋16。該前蓋12、後蓋16和密封劑31可以具有類似的折射率。
在示範實施例中，入射到雙面光電電池15的光線或者直接通過前蓋12傳送到光電電池15，或者從後蓋16的有圖案的表面23反射，並隨後在碰撞雙面光電電池15之前從前蓋12的第一表面18反射。如上面論述的，光線由於全內反射(TIR)而從第一表面18反射。從後蓋16的有圖案的表面23反射的光線也可以直接碰撞雙面光電電池15。
圖5表示能量轉化系統10的另一實施例。在該示範實施例中，前蓋12由玻璃組成。如上所述，該反射層30形成在前蓋12的有圖案的第二表面20上。後蓋16由平板組成。光電電池15形成在有圖案的第二表面20和後蓋16之間。
圖6表示能量轉化系統10的另一實施例。在該示範實施例中，前蓋12由聚碳酸酯組成。如上所述，反射層30形成在前蓋12的有圖案的第二表面20。根據示範實施例，後蓋16由Noryl材料組成，並具有有圖案的第三表面32和平的第四表面34。在示範實施例中，有圖案的第二表面20和有圖案的第三表面32包括多個等距水平三角形槽和豎直三角形槽。如上面論述的，該水平和豎直三角形槽交叉形成多個等距矩形區域。在另一個例子中，有圖案的第二表面20和有圖案的第三表面32包括多個等距水平三角形槽和豎直三角形槽、稜錐結構、圓錐結構或者它們的混合結構。光電電池層14的每個光電電池15介於有圖案的第二表面20和有圖案的第三表面32之間。光電電池15可以嵌入保護密封劑31。在示範實施例中，粘合塗層或密封劑36形成在後蓋16的有圖案的第三表面32上。
圖7表示能量轉化系統10的另一實施例。如上面論述的，前蓋12可以包括玻璃、聚碳酸酯等。三角形槽的傾斜角度(θ)根據前蓋12的折射率(nc)、光電電池15的寬度(Wc)和光電電池15的長度(Lc)來選擇，從而確保光線在寬的光入射角度範圍內發生全內反射。在示範實施例中，可以通過增加三角形槽的高度(hb)與前蓋12的高度(hc)的比值來增強光電電池15捕獲的光。三角形槽的寬度由參考變量「Wb」表示。三角形槽的曲率半徑由參考變量「r」表示。三角形槽可以由金屬塗層(例如銀塗層)覆蓋來反射入射光線。
在一個例子中，對於能量轉化系統10的48％的電池覆蓋率，前蓋12的高度(hc)等於5.6mm，三角形槽的的高度(hb)等於3.6mm，三角形槽的寬度(Wb)等於12.5mm，光電電池的長度(Lc)等於25mm，光電電池的寬度(Wc)等於25mm並且三角形槽的傾斜角度(θ)等於34.5376度。
圖8表示布置在具有有圖案的第二表面20的前蓋12上的疊片的頂部平面視圖。在示範實施例中，有圖案的第二表面20包括多個等距的排列成5行19列的水平三角形槽22和豎直三角形槽24。有圖案的第二表面20的長度由參考變量「Ll」表示。有圖案的第二表面20的寬度由參考變量「Wl」表示。光電電池的寬度由參考變量「Wc」表示。三角形槽的寬度由參考變量「Wb」表示。在一個例子中，「Ll」等於700mm，「Wl」等於175mm，「Wc」等於25mm並且「Wb」等於12.5mm。
圖9表示具有有圖案的第二表面20的前蓋12的另一實施例。有圖案的第二表面20包括形成稜錐點陣40的多個等距的稜錐結構38。多個光電電池15設置在稜錐結構38之間。如上面的實施例所示，入射到光電電池15的光線或者直接通過前蓋12傳送，或者從稜錐結構38反射(反射一次或者多次)，隨後由於全內反射在碰撞到光電電池15之前從第一表面反射(如上所示反射一次或者多次)。提供稜錐結構38來接收寬範圍的入射光線，並且為了使光電電池的尺寸為一個寬範圍可以將稜錐結構38最優化。由於光濃度低並且相對均勻地穿過光電電池15，由於熱效應的光電電池的性能降低被最小化。
圖10表示能量轉化系統10的另一實施例。在示範實施例中，前蓋12由Lexan材料組成。在第一蓋20的有圖案的第二表面20和後蓋16之間提供光電電池15。有圖案的第二表面20包括多個與反射層30一起提供的稜錐結構38。在另一個例子中，具有圖案的第二表面20包括多個等距的水平三角形槽和豎直三角形槽、稜錐結構、圓錐結構或其混合結構。
在示範實施例中，前蓋12的高度由參考變量「hc」表示。稜錐結構的高度由參考變量「hb」表示。稜錐結構的傾斜角度由參考變量「θ」表示。光電電池的寬度由參考變量「Wc」表示。稜錐結構的寬度由參考變量「Wb」表示，並且後蓋的厚度由參考變量「p」表示。在一個例子中，「hc」等於15.5mm，「hb」等於13.9mm，「θ」等於29度，「Wc」等於50mm，「Wb」等於50mm並且「p」等於1.5mm。
圖11表示布置在具有有圖案的第二表面20的前蓋12上的疊片的另一實施例的頂部平面視圖。在示範實施例中，有圖案的第二表面20包括多個等距的稜錐結構38形成排列成7行27列的稜錐點陣40。有圖案的第二表面20的長度由參考變量「Ll」表示，而有圖案的第二表面20的寬度由參考變量「Wl」表示。在一個例子中，「Ll」等於1400mm，而「Wl」等於350mm。
圖12表示布置在具有有圖案的第二表面20的前蓋上的疊片的另一實施例的頂部平面視圖。有圖案的第二表面20包括多個等距的稜錐結構38和圓錐結構42形成點陣。光電電池15設置在稜錐結構38和圓錐結構42之間。提供稜錐結構38和圓錐結構42來接收寬範圍的入射光線，並且為了使光電電池的尺寸為一個寬範圍可以將稜錐結構38和圓錐結構42最優化。在另一實施例中，有圖案的第二表面20僅包括多個等距的圓錐結構42形成點陣。在圓錐結構42和光電電池15之間可以形成剩餘空間。可以通過利用反射塗層、通過形成在前蓋的剩餘空間提供有反射層的微結構或者通過利用反射的後層來捕獲一些入射到剩餘空間的光線來降低剩餘空間的影響。在上述實施例中表示的前蓋12既提供了光濃度又提供了光引導功能。光電電池15中的太陽能光濃度低並且相對均勻。結果由於熱效應使光電電池15的性能下降減小了。
參考圖13，流程圖表示了根據本技術的實施例的能量轉化系統10提供的製造方法。如步驟44所示，該方法包括提供具有第一平表面18和第二有圖案的表面20的第一光學蓋12。第二有圖案的表面20配置成集中並引導太陽能。在一個實施例中，有圖案的第二表面20包括多個等距的水平三角形槽22和豎直三角形槽24。水平和豎直三角形槽22，24交叉形成多個等距的矩形區域26。在另一個實施例中，有圖案的第二表面20包括多個等距的稜錐結構38形成稜錐點陣40。在另一個實施例中，有圖案的第二表面20包括多個等距的圓錐結構42形成圓錐點陣。還在另一實施例中，有圖案的第二表面可以包括多個等距的稜錐結構38和圓錐結構42的混合結構。如步驟46所示，該方法還可以包括在第一光學蓋12的有圖案的第二表面20上提供反射層30來反射入射光線。
如步驟48所示，該方法還可以包括在第一光學蓋12的第一平表面18提供配置成選擇性濾去紫外線的保護塗層29。該保護塗層29可以是吸附塗層、絕緣塗層或金屬塗層。如步驟50所示，該方法還包括提供第二光學蓋16。在一個實施例中，第二光學蓋16由平板組成。在另一實施例中，第二光學蓋16由有圖案的第三表面32和平的第四表面34組成。如步驟52所示，該方法還包括提供密封在第二有圖案的表面20和第二光學蓋16之間的光電電池層14。該光電電池層14包括多個配置成接收來自有圖案的第二表面20的太陽能並將太陽能轉化成電能的光電電池。
這裡在僅表示和說明了本發明的某些特徵的同時，本領域技術人員可以進行很多修改和變化。因此可以理解的是，所附的權利要求書旨在覆蓋在本發明的真正精神範圍之內的所有的這樣的修改和變化。
權利要求
1.一種能量轉化系統(10)，包括第一光學蓋(12)，包括第一表面(18)和第二表面(20)，其中第一表面(18)包括平表面，而第二表面(20)包括有圖案的表面，配置成接收來自第一表面(18)的太陽能，並進一步配置成集中並引導該太陽能；第二光學蓋(16)；以及多個光電電池(15)，設置在第一光學蓋(12)的有圖案的表面(20)和第二光學蓋(16)之間，並且配置成接收來自有圖案的表面(20)的太陽能，並將該太陽能轉化成電能。
2.權利要求1的系統(10)，還包括覆蓋在第一光學蓋(12)的有圖案的表面(20)上的反射層(30)。
3.權利要求1的系統(10)，其中該有圖案的表面(20)包括多個等距的水平和豎直三角形槽(22，24)，交叉形成多個等距的矩形區域(26)。
4.權利要求1的系統(10)，其中該有圖案的表面(20)包括等距的稜錐點陣(40)。
5.權利要求1的系統(10)，其中該有圖案的表面(20)包括稜錐和圓錐的混合結構(38，42)。
6.權利要求1的系統(10)，其中多個光電電池(15)嵌入在保護密封劑(31)中。
7.權利要求1的系統(10)，還包括形成在第一蓋(12)的平表面(18)上的保護塗層(29)，用來有選擇地將可見光傳送到多個光電電池(15)。
8.權利要求1的系統(10)，其中入射到光電電池(15)的太陽能直接通過第一光學蓋(12)傳送，或者通過第一光學蓋(12)的全內反射傳送，或者通過其結合傳送。
9.一種能量轉化系統(10)，包括第一光學蓋(12)，包括第一表面(18)和第二表面(20)，其中該第一表面(18)包括平表面，而第二表面(20)包括有圖案的表面，配置成接收來自第一表面(18)的太陽能，並進一步配置成集中並引導該太陽能；第二光學蓋(16)，包括第三表面(32)和第四表面(34)，其中第三表面(32)包括有圖案的表面，而第四表面(34)包括平表面；以及多個雙面光電電池(15)，設置在第一光學蓋(12)的有圖案的表面(20)和第二光學蓋(16)之間，並且配置成接收來自有圖案的表面(20，32)的太陽能，並將該太陽能轉化為電能，其中入射到光電電池(15)的太陽能直接通過第一光學蓋(12)傳送，或者通過第一光學蓋(12)的全內反射傳送，或者通過第二光學蓋(16)的全內反射傳送，或者通過其結合傳送。
10.權利要求9的系統(10)，其中多個雙面光電電池(15)嵌入在保護密封劑(31)中。
全文摘要
能量轉化系統(10)包括具有平表面(18)和有圖案的表面(20)的第一光學蓋(12)。該有圖案的表面(20)配置成接收來自平表面(18)的太陽能，隨後集中並引導該太陽能。該系統(10)還包括第二光學蓋(16)。該系統(10)進一步包括在第一光學蓋(12)的有圖案的表面(20)和第二光學蓋(16)之間提供光電電池層(14)。該光電電池層(14)配置成接收來自有圖案的表面(20)的太陽能，並且將該太陽能轉化為電能。
文檔編號H01L31/052GK1877865SQ20061009964
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月6日 優先權日2005年6月6日
發明者R·S·杜爾瓦蘇拉 申請人:通用電氣公司