專利名稱：具有高冷卻速率的聚光光伏系統及方法
具有高冷卻速率的聚光光伏系統及方法
對相關申請的交叉引用
作為非臨時申請的本專利申請為2008年9月17日提交的題目為“SYSTEMS AND METHODS FOR COLLECTING SOLAR ENERGY FOR CONVERSION TO ELECTRICAL ENERGY” 的同樣未決的美國專利申請No. 12/212，249、2008年9月17日提交的題目為“APPARATUS FOR COLLECTING SOLAR ENERGY FOR CONVERSION TO ELECTRICAL ENERGY” 的同樣未決的美國專利申請No. 12/212,408的部分連續申請，上述兩件美國專利申請的每一個都要求2007 年 9 月 17 日提交的題目為 “METHOD AND APPARATUS FOR CONVERTING SOLAR ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY”的美國臨時專利申請No. 60/993，946的優先權，并且通過參考將上述所有三件申請合并于此。技術領域
本發明一般涉及聚光光伏(CP V)系統和方法。尤其是，本發明涉及CPV模塊、系統和方法，其利用CPV模塊在一個或更多光伏(PV)電池上提供均勻地、聚集的太陽能分布以提高PV電池的冷卻以允許聚集更多太陽能，以及提供能夠以高成本效率實施的高能效系統。
背景技術：
聚光光伏(CPV)系統和方法提供聚集的太陽輻射到光伏面上以產生電力。光伏面包括半導體材料，該半導體材料將太陽輻射轉變成直流電。典型材料可包括單晶硅、多晶硅、微晶硅、碲化鎘、硒化/硫化銅銦等等。眾所周知的，在半導體材料上的聚集的太陽輻射在發電方面提供更高的效率。光伏(PV)電池需要太陽能均勻分布。為聚集的太陽輻射提供均勻分布的常規方案包括積分球并利用不同波長下的PV電池。這些常規方案包括各種缺陷，缺陷涉及在多個PV電池上提供均勻太陽輻射、冷卻PV電池以允許極高的太陽輻射集中度以及整體的成本效率。發明內容
在示例性實施例中，一種聚光光伏模塊包括基部，包括設置在其中的孔腔；設置到基部的頂部部分；在頂部部分中的光學窗；設置到頂部部分的一個或更多光伏電池；及在基部中的兩個或更多開口，所述開口構造為在孔腔內提供冷卻流體。基于所述一個或更多光伏電池的數量確定孔腔的尺寸和形狀。孔腔構造成提供從光學窗到每個所述一個或更多光伏電池的聚集太陽福射的朗伯分布(Lambertian distribution)。孔腔可被用高漫反射材料涂覆，所述高漫反射材料包括聚四氟乙烯、壓制氧化鎂粉末和壓制硫酸鋇粉末中任意一種。替代地，基部包括高漫反射材料，并且其中孔腔形成在基部中，并且高漫反射材料包括聚四氟乙烯、壓制氧化鎂粉末和壓制硫酸鋇粉末中任意一種。光學窗構造成從太陽能收集器接收聚集的太陽輻射，其中聚集的太陽輻射包括至少百倍日光的強度。冷卻流體基本上是光學透明的并且不導電的。冷卻流體包括四氯化鍺和四氯化碳中任意一種。
在另一不例性實施例中，一種聚光光伏系統包括聚光光伏模塊，所述模塊包括 基部，包括設置在其中的孔腔；設置到基部的頂部部分；在頂部部分中的光學窗；設置到頂部部分的一個或更多光伏電池；在基部中的兩個或更多開口，所述開口構造為在孔腔內提供冷卻流體；及連接到光學窗的太陽能收集器。其中基于所述一個或更多光伏電池的數量確定孔腔的尺寸和形狀，其中孔腔構造成提供從光學窗到每個所述一個或更多光伏電池的聚集太陽輻射的朗伯分布。可選地，孔腔被用高漫反射材料涂覆，其中所述高漫反射材料包括聚四氟乙烯、壓制氧化鎂粉末和壓制硫酸鋇粉末中任意一種。替代地，基部包括高漫反射材料，并且其中孔腔形成在基部中，其中所述高漫反射材料包括聚四氟乙烯、壓制氧化鎂粉末和壓制硫酸鋇粉末中任意一種。冷卻流體基本上是光學透明的并且不導電的，其中冷卻流體包括四氯化鍺和四氯化碳中任意一種。可選地，太陽能收集器包括初級反射器；次級反射器，其構造為接收從初級反射器反射的太陽能并聚集所述太陽能；及在初級反射器中的開口，其中聚集的太陽能被次級反射器提供到開口 ；其中初級反射器和次級反射器每一個包括可充氣部件，其中聚光光伏模塊設置到初級反射器中的開口。替代地，太陽能收集器包括初級反射器；設置到初級反射器的透明且柔軟材料，其中所述透明且柔軟材料在可見及紅外范圍中基本上光學透明；及其中初級反射器和所述透明且柔軟材料的每一個包括可充氣部件，其中聚光光伏模塊設置到所述透明且柔軟材料。
在又一示例性實施例中，提出一種聚光光伏方法，包括在開口處接收聚集的太陽輻射；使聚集的太陽輻射偏轉離開孔腔到一個或更多光伏電池，其中聚集的太陽輻射以均勻分布偏轉到每個所述一個或更多光伏電池；基于聚集的太陽輻射在每個所述一個或更多光伏電池處產生電力；及利用接觸至少一個所述一個或更多光伏電池的冷卻流體來冷卻每個所述一個或更多光伏電池。冷卻流體是基本光學透明的，并且不導電。冷卻流體包括四氯化鍺和四氯化碳中任意一種。


此處參考附圖來說明和描述本發明，在附圖中相同的附圖標記相應地指代相同的系統部件及/或方 法步驟，在附圖中
圖1為根據本發明的示例性實施例的系統，其概略地包括用來收集和聚集太陽能的雙面反射器；
圖2為根據本發明的示例性實施例的用于提供更扁平和緊湊的低輪廓布置的多個低輪廓太陽能收集器；
圖3為根據本發明示例性實施例的用于通過光導組合來自多個低輪廓太陽能收集器的太陽輻射的機構；
圖4為根據本發明的示例性實施例的用于聚焦/準直元件的各種設計的圖示；
圖5為根據本發明的示例性實施例的模塊式太陽能收集器的圖示；
圖6為根據本發明的示例性實施例的聚光光伏(CPV)模塊的圖示；
圖7為根據本發明的示例性實施例的用于以圖6的CPV模塊收集和聚集太陽能的雙面反射器的圖示；及
圖8為根據本發明的示例性實施例的用于以圖6的CPV模塊收集和聚集太陽能的單反射器的圖示。
具體實施方式
在各種示例性實施例中，本發明涉及CPV模塊、系統和方法，其利用CPV模塊在一個或更多光伏(PV)電池上提供均勻的聚集的太陽能分布，以提高PV電池的冷卻以允許集中聞的太陽能，以及提供能夠以聞成本效率實施的聞能效系統。在不例性實施例中，本發明包括聚集太陽能的太陽能收集器以及直接用CPV模塊運送和傳遞聚集的太陽能的機構。此外，CPV模塊包括新的冷卻機構，其利用流體來冷卻模塊的內部和PV電池。
參考圖1，示出根據本發明示例性實施例的雙面反射器100，其用于收集和聚集太陽能102。在雙面反射器100上的雙面包括初級反射器104和次級反射器106。反射器104、 106可以是拋物線形狀、球形等等。還有，取決于次級反射器106相對于初級反射器104的定位，次級反射器106可以是凹入的或凸出的。初級反射器104定位成朝向太陽能102，次級反射器106位于初級反射器104上方。初級反射器104構造成將太陽能102反射到次級反射器106，次級反射器106接著聚集太陽能102通過在初級反射器104的中心的開口 108。
外周支撐環110設置成繞著初級反射器104的邊緣以保持初級反射器104的形狀并且將初級反射器104錨定在適當位置。透明且柔軟材料112連接到初級反射器104并且連接到支撐環110，以保持次級 反射器106在適當位置。透明且柔軟材料112構造成允許太陽能102通過，并且可以由在紅外區域光學透明的材料構成，例如Teflon 系列產品中的材料(例如氟化乙丙烯(FEP)等等)。透明且柔軟材料112提供封閉設計的雙面反射器100。 有利地，透明且柔軟材料112可以密封雙面反射器100不受自然環境，S卩，風、空氣中帶有的顆粒、灰塵、鳥糞等的影響。這防止反射器104、106劣化，并減小了與清潔反射器104、106 有關的維護。
支撐部件114可以設置到外周支撐環110和基部116。基部116可以通過可轉動部件120連接到跟蹤機構118。跟蹤機構118構造成通過啟動可轉動部件120的轉動來轉動基部116、支撐部件114和支撐環110以連續使得反射器104、106指向太陽。例如，跟蹤機構118可包括微控制器等，能夠根據位置(例如，全球定位衛星(GPS)接收器、預編程位置等等)、日期和時間等轉動。另外，跟蹤機構118可包括來自檢測太陽的位置的傳感器的反饋。
基部116可包括一個或更多馬達和發電機122、124。開口 108連接到基部116以將來自反射器104、106的聚集的太陽能提供到所述一個或更多馬達和發電機122、124。對于單個馬達和發電機122，所述馬達和發電機122定位成允許聚集的太陽能在不加熱單個馬達和發電機122的外表面的情況下進入工作流體(例如，流體、氣體或相變物質)。所述一個或更多馬達和發電機122、124可包括壓電發電機、封閉循環熱力發動機或者它們的變型。
圖1示出具有兩個部件，馬達和發電機122、124的示例性實施例。該示例性實施例包括光學開關126和反射面128以將聚集的太陽能指向馬達和發電機122、124中的每一個上。本領域技術人員將認識到基部116可包括超過兩個部件(馬達和發電機122、124)，并且用相應的光學開關126和反射面128來聚集太陽能到多于兩個部件(馬達和發電機122、 124)中的每一個上。光學開關126構造成以預定間隔提供聚集的太陽能到馬達和發電機 122、124的每一個中。
有利的，光學開關126使雙面反射器100能夠以脈動方式(僅僅在需要時)在完全可控的一段時間內輸入能量到馬達和發電機122、124的每一個。這使得雙面反射器100能夠避免浪費收集到的太陽能，即，光學開關126使收集到的能量根據需要被用在馬達和發電機122、124的每一個中。例如，光學開關126可構造成只有在加熱循環期間才將收集到的太陽能引向馬達和發電機122、124的每一個的加熱室中。馬達和發電機122、124每一個具有偏置的(offset)加熱循環以允許利用所有收集的太陽能，即，光學開關126在馬達和發電機122、124的每一個之間循環以用于它們各自的加熱循環。
在示例性實施例中,雙面反射器100可包括可充氣部件,例如在初級反射器104和次級反射器106之間的在外周支撐環110中的可充氣部分130。空氣管線132、134可以分別連接到可充氣部分130和外周支撐環110，以允許通過閥136、壓力監控器138和氣泵140 膨脹。另外，微控制器142可以操作地連接到氣泵140、壓力監控器138、閥136、跟蹤機構 118等。微控制器142可以提供對雙面反射器100的各種控制和監控功能。
共同地，部件136、138、140、142可以位于基部116內、附接到基部116、在跟蹤機構 118中，在基部116和跟蹤機構118的外部等。閥136可包括多個閥，諸如OFF閥、0N/0FF 管線132/134閥、0FF/0N0N/0FF管線132/134閥以及用于根據需要的額外管線的閥，或者閥136可包括由微控制器142控制的多個單獨的0N/0FF閥。
可充氣部件可以被放氣和儲存，例如儲存在基部的隔室中。例如，可充氣部件可以在嚴酷的天氣、疾·風等情況下儲存并保護可充氣部件不受損害。微控制器142可連接到傳感器，所述傳感器提供關于當前情況(例如風速等)的反饋。微控制器142可以構造成響應于例如疾風而對可充氣部件自動放氣。
支撐部件114和其它外周支撐環110共同地構造成維持初級反射器104、次級反射器106和透明且柔軟材料112的期望形狀。壓力監控器138構造成提供關于可充氣部件 130和外周支撐環110中的壓力的反饋到微控制器142。雙面反射器100也可以包括可控制的減壓閥(未示出)以使空氣能被釋放而使雙面反射器100放氣。透明且柔軟材料112可以形成封閉空間130，該空間通過空氣管線132充氣而提供次級反射器106的形狀，S卩，空氣包含在由透明且柔軟材料112、次級反射器106和初級反射器104形成的雙面反射器100 的內部。
有利地，可充氣部件提供低成本和低重量。例如，可充氣部件可以減小支撐雙面反射器100 (例如在屋頂上)的負荷要求。還有，在不使用時(例如在嚴酷天氣中)可充氣部件可以被更有效地運輸(由于低成本和放氣的能力)和儲存。
在另一示例性實施例中，初級反射器104、支撐部件114、外周支撐環110、透明且柔軟材料112等，可以通過保持形狀的剛性材料構成。在這種構造中，不需要部件136、138、 140。微控制器142可以用在這種構造中用于控制跟蹤機構118和雙面反射器100的一般操作。
在雙面反射器100的兩個示例性實施例中，微控制器142可包括外部接口(例如通過網絡連接或直接連接)，以使使用者能夠控制雙面反射器100。例如，微控制器142可包括用戶接口(UI)以便能夠進行定制設定。
初級反射器104可以由柔軟材料(諸如聚合物(FEP))制成，該柔軟材料被金屬噴涂薄的高反射金屬層，然后可以有額外涂層，所述額外涂層保護并在紅外范圍內產生高反射。可以用來沉積薄的反射層在可充氣收集器的聚合物基板材料上的一些材料可包括金、銀或介質材料。優選地，初級反射器104的表面被噴涂金屬和涂覆，從而所述表面關于污染、刮擦、天氣和其它潛在損傷元素方面受到保護。
次級反射器106表面可以用和初級反射器104相同的方式制成，用反射金屬層沉積在次級反射器106的內側面上。為了提高性能，次級反射器106可以由具有高精度反射表面形狀的剛性材料制成。在這種情況中，次級反射器可以直接附接到透明且柔軟材料112， 或者繞次級反射器106的周界密封到其上(讓空氣不能透過)。初級反射器104和次級反射器106兩者均可以利用技術(例如多層膜)以將面反射率提高到幾乎100%。
通過接收透過透明且柔軟的材料112的太陽輻射的太陽能102，雙面反射器100 工作，該太陽輻射從初級反射器104反射到次級反射器106，次級反射器準直或者朝向開口 108略微聚焦太陽輻射。一個或更多發動機(在圖5中示出)可以定位在開口 108處以接收聚集的太陽輻射(例如，利用光學開關126和反射器128以便使用多個發動機)。來自次級反射器106的準直的或者聚焦的太陽輻射通過發動機上的光學透明窗進入并朝向熱力發動機的熱端(太陽能吸收器)。
有利地，雙面反射器100聚焦太陽能102并將其引入每個馬達和發電機122、124 中并用于它們各自的加熱循環，并且避免加熱除了馬達和發電機122、124的加熱室中的太陽能吸收元件之外的發動機部件。具體地說，開口 108延伸到光學開關126，所述開關通過加熱室的透明窗將聚集的太陽能直接引入馬達和發電機122、124的每一個中。形成開口 108和透明窗的材料包括對紅外輻射的吸收接近零的材料。
雙面反射器100包括大容積，并優選適于露天場所。例如，雙面反射器100可用在用于電廠、發電場等的露天太陽能發電場中。在示例性實施例中，雙面反射器100可以是四到六米的直徑。替代地，雙面反射器100可以減小尺寸而用于個人住宅使用。有利地，可充氣部件的輕重量可以讓雙面反射器100能夠構用在屋頂上。例如，基于住宅的雙面反射器 100可以是O.1到I米直徑。還有，成本的降低使得雙面反射器100能夠用作例如后備發電機。
參考圖2，示出多個太陽能收集器200，根據本發明的示例性實施例，它們提供更扁平和緊湊的布置，即，低輪廓設計。圖2示出所述多個太陽能收集器200的側視圖和俯視圖。在俯視圖中，多個太陽能收集器200可以沿著X軸和y軸并列布置。每個太陽能收集器2 00包括構造成將太陽輻射102集中到相應的光導204中的聚焦/準直元件202。在圖 2中示出具有典型輪廓的聚焦/準直元件202，另外的示例性輪廓形狀在圖4中示出。
聚焦/準直元件202將太陽輻射102聚焦成光錐，其數值孔徑小于光導204的數值孔徑。聚焦/準直元件202可以由對紅外太陽輻射透明的材料，例如FEP制成。聚焦/ 準直元件202可以是實心材料或者是中空的并帶有柔軟外皮以允許通過充氣來形成元件 202。通過充氣形成該元件在重量和材料成本上提供優勢。
光導204可以由在紅外范圍中光學透明的材料(諸如FEP、玻璃或者rJeHo丨I 系列的其它氟化聚合物)制成，或者光導204可以由薄管(例如FEP)制成，在薄管中填充對紅外輻射透明的流體(諸如四氯化鍺或四氯化碳)。有利地，光導204包括選定材料從而該材料在太陽能102的波長中具有接近零的吸收率。管的材料必須具有高于其內部的流體的折射率，以便形成階梯折射率光導，這樣的光導允許聚集的太陽輻射傳播。多個太陽能收集器 200的陣列可以根據需要在X和Y方向上延伸以收集更多的太陽能。
聚焦/準直元件202、光導204和接口 206可以轉動地附接到太陽跟蹤機構(未示出)。跟蹤機構構造成保證聚焦/準直元件202連續指向太陽。與圖1的微控制器142類似的微控制器(未示出)可以控制跟蹤機構以及多個太陽能收集器200的其它功能。跟蹤機構可以單獨地將每個聚焦/準直元件202指向太陽，或者替代地，組跟蹤機構(未示出)可以將一組元件202 —起對準。
參考圖3，示出根據本發明的示例性實施例的機構300，其用于組合來自圖2中的多個光導204的太陽輻射102。多個光導204構造成接收來自聚焦/準直元件202的聚集的太陽輻射并引導所述輻射以及將所述輻射釋放到多個發動機及/或發電機的熱端的內部。可以使用光耦合器302來組合多個光導204到單個輸出端304中。例如，圖3示出通過總計三個級聯的光耦合器302將總計四個光導204組合到單個輸出端306中。本領域技術人員將認識到可以利用各種構造的光耦合器302來組合任意數量的光導204。部署在圖 3中的樹形構造中的光耦合器204減小了到達發動機及/或發電機的光導204的數量。替代地，每個光導204可以被單獨引入到發動機及/或發電機中。
在沿著每個光導204通向發動機及/或發電機的最優位置處，光分束器308和光學開關310也可以包含在光路中(示出為連接到光導312，所述光導包括所有光導204的組合)。光分束器308和光學開關310允許聚集的太陽能脈動進入一個或更多壓電發電機。光分束器308的每個(例如，兩個或更多分支)通向不同發動機或發電機。光學開關310將沿著光導312傳播的聚集的太陽能依序引向光分束器308的不同臂。例如，發動機及/或發電機可包括偏置的加熱循環，而光分束器308和光學開關310在其對應加熱循環處將太陽能102引入每個發動機/發電機中。有利地，這樣提高了效率，而保證收集到的太陽能102 不被浪費(如果是單個發動機的話，就會出現浪費，因為單個發動機僅僅在加熱循環中需要能量)。光學開關310可以集成到光分束器308中，如圖3中所示，或者它能夠獨立存在， 即，光分束器308可以不用而光學開關310可具有圖1中所表現出的結構(即，光學開關126 和反射面128)。在光學開關310獨立于光導312的情況中，光導終端設計成準直那些引向光學開關310的光線。對光分束器308插入的最優點的選擇取決于光學開關310的功率操縱能力以及經濟因素。例如，如果光學開關310插入到靠近發動機及/或發電機的光路中， 則需要更少的開關310和更短的光導204，但是光學開關310需要能夠應對更大的光強。
參考圖4,示出根據本發明的示例性實施例的針對聚焦/準直元件202a_202e的各種設計。聚焦/準直元件202a、202b、202c每一個包括光學透明的固體材料402，所述材料成形為或者雙凸(元件202a)、平凸(元件202b)以及新月形式(元件202c)，所有這些形狀的目的都是聚焦太陽能102。另外，每個元件202a、202b、202c還包括柔軟的“外皮”材料404， 該外皮材料與光學透明材料402 —起形成可充氣結構406，能用空氣或不同氣體對該可充氣結構充氣。在可充氣結構406中的空氣/氣體壓力可以被動態控制，以在固體材料402 和發動機及/或發電機之間維持最優焦距。光學透明的固體材料402和柔軟的“外皮”材料404由對可見光和紅外太陽輻射透明的材料(例如FEP)制成。聚焦/準直元件202d為完全由光學透明的固體材料402構造成的固體凸出聚焦元件。
聚焦/準直元件202e包括可充氣雙面反射器，該反射器初級反射面408和在可充氣結構406內的更小的次級反射面410。初級反射面408和次級反射面410構造成共同聚集太陽輻射102到通向光導204的開口 412中。兩個反射面408、410可以是剛性的或者柔性的(諸如金屬化膜)，或僅僅次級反射器410可以由剛性材料制成并具有高精度的反射面形狀。在這種情況中，次級反射器410可以直接附接到透明材料404或者可以繞著次級反射器410的周界密封到其上(不讓空氣透過)。可以用于在可充氣收集器的聚合物基板材料上金屬噴涂出薄反射層的材料可包括金、鋁、銀或者介質材料。將被噴涂金屬的優選表面為可充氣太陽能收集器的內側，從而保護其不受污染、刮擦、天氣或者其它潛在破壞性環境的影響。
可以利用技術來提高表面反射率(諸如多層電介質涂層)至幾乎100 %。再一次，基于來自監控可充氣聚焦元件的內部壓力的壓力傳感器的反饋，可以動態控制空氣/氣體， 以維持最優焦距。太陽輻射和聚集的太陽輻射通過的所有透明材料可以讓它們的表面被寬帶抗反射涂層覆蓋，以便使光線的透射最大化。在圖3中示出的聚焦元件202的設計是用于說明目的，本領域技術人員將認識到，能夠滿足聚焦元件202的功能和目的的其它設計也是可以的。
可以在建筑(諸如辦公樓、住宅等)中利用多個太陽能收集器200。例如，多個聚焦 /準直元件202可以放在屋頂上，其中光導204朝著服務區、地下室等延伸到建筑物內到發動機及/或發電機。另外，基于它們的材料組成，光導204很少加熱。有利地，太陽能收集器 200的低輪廓設計使得能夠進行屋頂安置，而光導使得建筑物能夠有單獨的發動機位置。
參考圖5，示出了根據本發明示例性實施例的模塊化太陽能收集器500。模塊化太陽能收集器500與此處描述的為多功能的模塊化系統構造的雙面反射器100類似。另外， 模塊化太陽能收集器500可包括可充氣結構。模塊化太陽能收集器500包括公共收集器子系統502，該子系統可連接到多個模塊，每個模塊具有不同功能。可以連接到可充氣雙面反射器收集器的四個典型模塊在本說明書中描述a)發電模塊；b)飲水模塊；c)加熱模塊，以及d)切割模塊。本領域技術人員應該意識到，本發明可以想到與模塊化太陽能收集器500 集成一體的額外模塊。取決于期望的能量輸出，模塊化的太陽能收集器500和它的不同模塊可以制造為不同尺寸。例如，因此可以將小的和輕重量的模塊化太陽能收集器500制成為便攜的。這樣的系統可以用在緊急情況中，用于野營，被士兵使用等等。還有，對前面描述的收集器100作出的多個創新優化了系統的操作。
模塊化太陽能收集器500可具有類似的關于雙面反射器100描述的雙面反射器布置。具體地說，模塊化太陽能收集器500包括大表面初級反射器104、放在初級反射器104 的焦點處或附近的小的次級反射器106、設置在初級反射器104內的中央小孔108，以及設置在初級反射器104和透明表面112交叉處周圍的支撐環110。模塊化太陽能收集器500 可以構造成可充氣結構，其中初級反射器104、次級反射器106、支撐環110以及透明面112 形成的內部能被充氣。透明面112為次級反射器106提供支撐，支撐環110提供支撐以使太陽能收集器500具有期望形狀。支撐環110也可以是可充氣部件。可充氣太陽能收集器被附接到太陽指向及跟蹤機構116，該機構還控制收集器5 00中的空氣壓力。
太陽輻射102通過透明面112進入，并被從初級反射器104反射到次級反射器 106，注意到反射器106在形狀上可以是凹入的或者凸出的。聚集的太陽輻射從次級反射器 106通過初級反射器104的中央小孔108而到達公共收集器子系統502，在那里聯接器504 允許附接各種模塊。聯接器504在特定附接模塊和包括收集器500在內的系統的其余部件之間形成氣密密封。到達公共收集器子系統502的聚集的太陽能被此時所附接的所述特定模塊利用。
模塊化收集器500可以被優化以(例如通過過濾元件506)濾出不需要的太陽輻射。過濾元件506可以直接集成到形成收集器500的部件中。例如，利用圖1中的示意圖， 如果我們想要濾除波長大于1.7μπι的太陽輻射102，我們可以將濾光片放到收集器500的前部透明面112中。濾光片由堆疊在一起的具有適當厚度和折射率的多層光學透明薄膜制成，類似于制作一般在光通訊工業中使用的介質濾光片。濾除不想要的太陽輻射102的另一選擇包括保持收集器500的透明面112完全光學透明(如諸如FEP的內在材料特性所允許的那樣)并且使初級反射器104的表面僅僅選擇性反射太陽輻射102中被系統所需要的那一部分。太陽輻射102的剩余部分將通過初級反射器104的表面。此處，初級反射器104 是通過將具有適當厚度和折射率的多層光學透明薄膜堆疊在一起而形成。消除不想要的輻射的第三選擇是保持收集器500的前部透明面112完全光學透明(如諸如FEP的內在材料特性所允許的那樣)，為初級反射器104使用寬帶反射面(例如噴涂金屬的薄膜)，并且讓次級反射器106的表面僅僅選擇性反射系統需要的太陽輻射。太陽輻射的其余部分將通過次級反射器106的表面。此處，可以通過將具有適當厚度和折射率的多層光學透明薄膜堆疊在一起以形成介質反射器而制成次級反射器106。
參考圖6，示出根據本發明的示例性實施例的聚光光伏(CPV)模塊600。CPV模塊 600包括基塊610，該基塊具有形成或限定在模塊600的內部的孔腔615。CPV模塊600還包括頂塊620、設置在頂塊620中的光學窗640、設置在頂塊620中或者附接到頂塊620的一個或更多光伏(PV)電池650，以及在基塊610的外部和孔腔615之間延伸的端口 660、670。 在這種示例性實施例中，頂塊620示出為設置到形成孔腔615的基塊610。替代地，頂塊620 可以和基塊610—體形成。孔腔615可形成在基塊610內，端口 660、670可以被鉆孔等而通過基塊610。在一個示例性實施例中，基塊610可以作為塊形成為一體，并從所述一體形成的塊形成孔腔615和端口 660、670。在另一示例性實施例中，基塊610可以形成為包含孔腔615和端口 660、670。孔腔615可包括被一定材料涂覆的表面，所述材料具有以朗伯分布的高的漫反射，諸如燒結聚四氟乙烯(PTFE)、壓制氧化鎂粉末、壓制硫酸鋇粉末或者其它陶 瓷材料。替代地，整個基塊610可以由具有高的漫反射的材料制成。
在圖6的示例性實施例中，孔腔615具有球形杯形狀。孔腔615的形狀可以不同于球形杯，例如可以是橢圓形狀、穹頂形狀、圓錐形、卵形、拋物線形狀等等。眾所周知，孔腔 615的形狀是PV電池650的數量和PV電池650的空間布置的函數。具體地說，孔腔650的形狀構造成優化從光學窗640到孔腔615到各種PV電池650的均勻能量分布。頂塊620 可包括適于保持各種PV電池650的開口 680。在圖6中，頂塊620包括用于兩個PV電池 650的兩個開口 680。本領域技術人員將認識到頂塊620可構造成保持任意數量的PV電池 650，且相應選擇孔腔615的尺寸和形狀以提供均勻的能量分布到所述任意數量的PV電池 650的每一個上。
頂塊620具有形成在其中央的小孔，該小孔被光學窗640覆蓋。CPV模塊600構造成和太陽能收集器/聚集器(例如雙面反射器100、多個太陽能收集器200、模塊化太陽能收集器500等)一起工作。具體地，太陽能收集器/聚集器構造成提供聚集的太陽輻射690 到光學窗640。光學窗640可包括對可見及紅外太陽輻射基本透明的材料，諸如FEP等。太陽能收集器/聚集器構造成提供聚集的太陽能，例如等于成百上千倍日光的聚集的太陽輻射690。聚集的太陽輻射690構造成反射離開孔腔615，并被均勻分配到各種PV模塊650。 如此處所示，可以將任何數量的PV電池650放入開口 680中，及/或頂塊620可包括任何數量的開口 680。電池放置成使得所有PV電池向孔腔215開口。作為初級收集器的尺寸和每個PV電池650所能忍受的最大日光強度的函數，PV電池的數量650可以被優化。有了充分的冷卻，當前的PV電池可以在千倍日光的日光聚集程度下工作。
兩個端口 660、670是在孔腔615和塊610的外部之間的開口。典型地，通過將熱量移除裝置(諸如普通熱交換器或者熱管)附接到PV電池650的背面來冷卻PV電池650。 在本發明的各種示例性實施例中，PV電池650可利用這種典型的包括熱交換器或熱管的背面冷卻布置。另外，兩個端口 660、670允許冷卻流體在孔腔615內循環以便也移走熱量和冷卻PV電池650的前面。冷卻流體必須是基本光學透明的和非導電的。例如，冷卻流體可包括四氯化鍺或四氯化碳。循環的冷卻流體從PV電池650移走熱量并通過例如熱交換器將熱量散入到空氣中。替代地，熱管布置可以和冷卻流體一起使用以便獲得更高冷卻速率。 因而，端口 660、670的一個可用于流體進入而另一個用于流體排出。
在操作中，新穎的CPV模塊600以下述方式工作太陽能收集器收集、聚集并聚焦能量到孔腔615中，孔腔615的表面將聚焦的太陽能反射成均勻的漫射朗伯分布而照射設置在頂塊620的頂部上或頂部中的PV電池650的表面，結果，PV電池650產生電力。從PV 電池650輸出的電力可以串聯或并聯連接。
參考圖7，示出根據本發明的示例性實施例的聚光光伏(CPV)系統700。CPV系統 700包括圖1中描述的雙面反射器100的一部分。雙面反射器100包括大表面的初級反射器104，其將太陽輻射聚焦到放置在初級反射器104的焦點處或附近的小的次級反射器106 上，以及支撐環110和透明面112。注意到，雙面反射器100的各種部件可以是充氣的。還有，CPV系統700可包括太陽指向及跟蹤機構116，該機構還控制可充氣部件內的空氣壓力， 由此關于太陽保持正確定位。初級反射器104和次級反射器106的組合設計成聚焦太陽光 102穿過開口 108并且穿過CPV模塊600的窗640(圖6中 示出)。CPV模塊600與系統700 的其余部分形成氣密密封。
雙面反射器100可以優化以濾除不需要的太陽輻射。濾光元件可以直接集成到形成雙面反射器100的部件中。例如，利用圖7中的計劃，如果希望濾除波長大于1. 7μπι的太陽輻射，濾光片可以放到雙面反射器100的前部透明面112中。濾光片由堆疊在一起的具有適當厚度和折射率的多層光學透明薄膜制成，類似于制作一般在光通訊工業中使用的介質濾光片。濾除不想要的太陽輻射102的第二種可能方法是保持反射器100的前部透明面112完全光學透明(如諸如FEP的內在材料特性所允許的那樣)并且使初級反射器104 的表面僅僅選擇性反射系統700需要的太陽輻射。太陽輻射的剩余部分將通過初級反射器 104的表面。初級反射器104是通過將具有適當厚度和折射率的多層光學透明薄膜堆疊在一起而形成。消除不想要的輻射的第三種方法是保持收集器的前部透明面112完全光學透明(如諸如FEP的內在材料特性所允許的那樣)，為初級反射器104使用寬帶反射面(例如噴涂金屬的薄膜)，并且讓次級反射器106的表面僅僅選擇性反射系統700需要的太陽輻射。 太陽輻射的其余部分將通過次級反射器106的表面。可以通過將具有適當厚度和折射率的多層光學透明薄膜堆疊在一起以形成介質反射器而制成一個實施例的次級反射器106。
參考圖8，示出根據本發明示例性實施例的聚光光伏(CPV)系統800。CPV系統800 包括可充氣太陽能收集器，其構造為CPV模塊600位于初級反射器104的焦點附近。CPV模塊600與太陽能收集器的光學透明的前部表面112形成氣密連接。這種布置免除了對次級反射器的需要，在這種情況中，開口 108主要用于通過基部116來調節可充氣收集器內的壓力。
盡管已經參考優選實施例和具體例子示出和描述了本發明，本領域技術人員很容易想到， 其它實施例和例子也可以執行類似的功能及/或獲得類似的結果。所有這樣等同的實施例和例子均在本發明的精神和范圍內，并被所附權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種聚光光伏模塊，包括 基部，包括設置在其中的孔腔； 設置到基部的頂部部分； 在頂部部分中的光學窗； 設置到頂部部分的一個或更多光伏電池；及 在基部中的兩個或更多開口，所述開口構造為在孔腔內提供冷卻流體。
2.根據權利要求1所述的聚光光伏模塊，其中基于所述一個或更多光伏電池的數量確定孔腔的尺寸和形狀。
3.根據權利要求2所述的聚光光伏模塊，其中孔腔構造成提供從光學窗到每個所述一個或更多光伏電池的聚集太陽輻射的朗伯分布。
4.根據權利要求1所述的聚光光伏模塊，其中孔腔被用高漫反射材料涂覆。
5.根據權利要求4所述的聚光光伏模塊，其中所述高漫反射材料包括聚四氟乙烯、壓制氧化鎂粉末和壓制硫酸鋇粉末中任意一種。
6.根據權利要求1所述的聚光光伏模塊，其中基部包括高漫反射材料，并且其中孔腔形成在基部中。
7.根據權利要求6所述的聚光光伏模塊，其中高漫反射材料包括聚四氟乙烯、壓制氧化鎂粉末和壓制硫酸鋇粉末中任意一種。
8.根據權利要求1所述的聚光光伏模塊，其中光學窗構造成從太陽能收集器接收聚集的太陽輻射，其中聚集的太陽輻射包括至少百倍日光的強度。
9.根據權利要求1所述的聚光光伏模塊，其中冷卻流體基本上是光學透明的并且是不導電的。
10.根據權利要求9所述的聚光光伏模塊，其中冷卻流體包括四氯化鍺和四氯化碳中任意一種。
11.一種聚光光伏系統，包括 聚光光伏模塊，包括 基部，包括設置在其中的孔腔； 設置到基部的頂部部分； 在頂部部分中的光學窗； 設置到頂部部分的一個或更多光伏電池；和 在基部中的兩個或更多開口，所述開口構造為在孔腔內提供冷卻流體；及 連接到光學窗的太陽能收集器。
12.根據權利要求11所述的聚光光伏系統，其中基于所述一個或更多光伏電池的數量確定孔腔的尺寸和形狀，其中孔腔構造成提供從光學窗到每個所述一個或更多光伏電池的聚集太陽輻射的朗伯分布。
13.根據權利要求11所述的聚光光伏系統，其中孔腔被用高漫反射材料涂覆，其中所述高漫反射材料包括聚四氟乙烯、壓制氧化鎂粉末和壓制硫酸鋇粉末中任意一種。
14.根據權利要求11所述的聚光光伏系統，其中基部包括高漫反射材料，并且其中孔腔形成在基部中，其中所述高漫反射材料包括聚四氟乙烯、壓制氧化鎂粉末和壓制硫酸鋇粉末中任意一種。
15.根據權利要求11所述的聚光光伏系統，其中冷卻流體基本上是光學透明的并且是不導電的，其中冷卻流體包括四氯化鍺和四氯化碳中任意一種。
16.根據權利要求11所述的聚光光伏系統，其中太陽能收集器包括 初級反射器； 次級反射器，其構造為接收從初級反射器反射的太陽能并聚集所述太陽能；及 在初級反射器中的開口，其中聚集的太陽能被次級反射器提供到所述開口 ； 其中初級反射器和次級反射器每一個包括可充氣部件，其中聚光光伏模塊設置到初級反射器中的所述開口。
17.根據權利要求11所述的聚光光伏系統，其中太陽能收集器包括 初級反射器； 設置到初級反射器的透明且柔軟材料，其中所述透明且柔軟材料在紅外范圍中基本上光學透明；及 其中初級反射器和所述透明且柔軟材料的每一個包括可充氣部件，其中聚光光伏模塊設置到所述透明且柔軟材料。
18.一種聚光光伏方法，包括 在開口處接收聚集的太陽輻射； 使聚集的太陽輻射偏轉離開孔腔到一個或更多光伏電池，其中聚集的太陽輻射以均勻分布偏轉到每個所述一個或更多光伏電池； 基于聚集的太陽輻射在每個所述一個或更多光伏電池處產生電力；及利用接觸至少一個所述一個或更多光伏電池的冷卻流體來冷卻每個所述一個或更多光伏電池。
19.根據權利要求18所述的聚光光伏方法，其中冷卻流體是基本光學透明的，并且不導電。
20.根據權利要求19所述的聚光光伏方法，其中冷卻流體包括四氯化鍺和四氯化碳中任意一種。
全文摘要
本發明涉及聚光光伏(CPV)模塊、系統和方法，其使用CPV模塊在一個或更多光伏(PV)電池上提供均勻的聚集的太陽能分布，以提高PV電池的冷卻效果以便允許更高的日光集中度，以及提供能夠以高成本效率實施的高能效系統。在示例性實施例中，本發明包括聚集太陽能的太陽能收集器以及用CPV模塊直接傳送和轉移聚集的太陽能的機構。另外，CPV模塊包括新穎的冷卻機構，該冷卻機構利用流體來冷卻PV電池和模塊的內部。
文檔編號H01L31/052GK103003958SQ201180031558
公開日2013年3月27日 申請日期2011年5月13日 優先權日2010年5月14日
發明者克里斯蒂安·彭丘 申請人:帕爾薩能源有限公司