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(fā)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(fā)電機
背景技術(shù)：
氣候變化被認為是已經(jīng)受到廣泛關(guān)注的重大問題。由于全世界的能量都產(chǎn)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(zhuǎn)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(zāi)難性 的后果。專家們預(yù)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(dǎo)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(yù)言許多種植物和動物會滅絕?？紤]到 由燃燒礦物燃料產(chǎn)生能量所產(chǎn)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(chǎn)生能量而又不產(chǎn)生大量的溫室氣體的方法和設(shè)備。太陽能系統(tǒng)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(fā)電所用的成本與通過燃燒礦物燃料來發(fā)電的成本相比可以是有競爭性的。成本對于 太陽能系統(tǒng)是關(guān)鍵的。實際上，成本不可以被過分強調(diào)，因為單單成本可能會產(chǎn)生成功和失 敗之間的差別是非常重要的。只要太陽能發(fā)電的成本高于通過燃燒礦物燃料來發(fā)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(zhuǎn)換 系統(tǒng)的制造設(shè)備和方法一直以來都是迫切需要的，其具有低的總系統(tǒng)成本，且其發(fā)電所用 的成本與通過燃燒礦物燃料來發(fā)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(fā)電的替代方法相比較時，直接由光伏 電池產(chǎn)生太陽電的努力不是完全令人滿意的。太陽能的公共規(guī)模的應(yīng)用大多數(shù)使用了熱 力系統(tǒng)，其中，太陽光線被集中起來，以便提供通過使用驅(qū)動電磁發(fā)電機的發(fā)動機來將其隨 后轉(zhuǎn)換成電的熱。熱力系統(tǒng)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(tǒng)中的轉(zhuǎn)換率相對 是低的。已經(jīng)使用具有多結(jié)電池的光伏轉(zhuǎn)換以便由太陽光來發(fā)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(tǒng)的成本太高了，以至于在商業(yè)方面沒有競 爭力。這樣的高成本的潛在原因在于，在大多數(shù)以前的嘗試中使用了聚集光伏系統(tǒng)，因此用 于聚集和轉(zhuǎn)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(qū)動的一個光伏電池組成。優(yōu)選地，小的單元用于將聚集的太陽光轉(zhuǎn)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(guī)模地制造和配置這種電池以滿足公共規(guī)模電源的需要是昂貴的。因為使用聚 集光伏系統(tǒng)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(shè)備的影響力小，且 每年只占總發(fā)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(fā)電機系統(tǒng)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(fā)電的替代的傳統(tǒng)方法的成本是具有
競爭力的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的和特征
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本發(fā)明的目的是通過提供更高額定功率的光電發(fā)電機來克服過去的局限性，所述 發(fā)電機被設(shè)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(fā)電機(其均包括許多光電電池)利用主動式冷卻和內(nèi)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(fā)生彎曲和錯誤指向。本發(fā)明的主要目的是通過使用太陽能光電轉(zhuǎn)換而以低成本/單位能量來促進電 力的產(chǎn)生。本發(fā)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(zhuǎn)換。本發(fā)明意圖用于這樣的設(shè)備的運行，該設(shè)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(nèi))遞送的聚集的太陽能。以這樣功率水平進行的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致 比可通過熱傳導(dǎo)到散片結(jié)構(gòu)而簡單冷卻所產(chǎn)生的局部余熱更多的局部余熱。本發(fā)明特別適合于與用于強聚集太陽光的設(shè)備聯(lián)合使用，所述設(shè)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(fā)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(fā)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(tǒng)的優(yōu)化，其包括用于最低成本的材料和制造的設(shè)計。因此，使用了將支持、 排列和跟蹤反射器的功能結(jié)合起來的鋼結(jié)構(gòu)，并且所述剛結(jié)構(gòu)被優(yōu)化以賦予焦點最低質(zhì)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(yōu)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(fā)電量。本發(fā)明的第二個目的是在緊湊的發(fā)電機單元中構(gòu)造光電電池，該單元只實施整個 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換功能，并且收集和聚集太陽能的附加功能在設(shè)計中清楚地分離。通過設(shè)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(guī)模的生產(chǎn)。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機單元包括光電電池系統(tǒng)(具有包括于小尺寸包內(nèi)的 它們的關(guān)聯(lián)光學、電子和冷卻元件)，以便有利于大規(guī)模生產(chǎn)、運輸和替代，并以便如果該發(fā) 電機位于主要反射器的主焦點處，使光阻最小化。本發(fā)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(chǎn)生。因此，當其以為1000的非常高的太陽能聚集系數(shù)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(fā)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(shè)備。本發(fā)明的另外一個目的是通過輸入給定的聚集太陽能來產(chǎn)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(shè)備。當根據(jù)本發(fā)明 有效地減少了每單位的能量輸出時，全部太陽能電力發(fā)生系統(tǒng)的主要成本可能就是用于光 學聚集和在完全的系統(tǒng)中進行跟蹤的設(shè)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(jù)本發(fā)明來使用的多結(jié)面的光電電池所獲得的大約為40%的高轉(zhuǎn)換效率 是特別有價值的?？梢垣@得的發(fā)電機效率越高，由給定聚光系統(tǒng)所分配的每單位電能的成 本部分越小。
本發(fā)明另一個目的是使該發(fā)電機可以以高的總效率持續(xù)地運轉(zhuǎn)，甚至在當其與低 成本和輕盈的聚光器系統(tǒng)和支持結(jié)構(gòu)一起運行時。這種系統(tǒng)可以向發(fā)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(fā)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(fā)電機應(yīng)向單個的光電電池或成組的電池提供 基本上相同數(shù)量的太陽輻射光，以使該光電電池將各自地產(chǎn)生基本上相等的電流，并在其 串聯(lián)時將保持持續(xù)的高輸出功率。本發(fā)明的另一個目的是將傳遞到本發(fā)明的發(fā)電機上的聚集光指向光電電池的光 電活性區(qū)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(zhuǎn)換效率最大 化。本發(fā)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(fā)電機。因此， 本發(fā)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(tǒng)，以及其特征在于有效 冷卻以使熱循環(huán)和運行溫度最小化。本發(fā)明的重要的特征是在該發(fā)電機內(nèi)引入新型光學元件以滿足以上目的。根據(jù)本 發(fā)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(jù)本發(fā)明的內(nèi)部發(fā)電機光學元件可被構(gòu)造，以使進入到發(fā)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(qū)域。該內(nèi)部發(fā)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(shè) 置的以高聚集度來照射多個光電電池的光聚集系統(tǒng)對于錯誤指向和彎曲往往具有低的容 差。然而，本發(fā)明的發(fā)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(tǒng)，以使可以使用低成本的遞送設(shè)備。在本發(fā)明中所使用的內(nèi)部發(fā)電機光學元件被設(shè)計 以便也盡可能地降低施加在光聚集系統(tǒng)上的要求和制造的容差，并支持使用來向該系統(tǒng)提 供輸入能量的結(jié)構(gòu)，目的在于降低總系統(tǒng)成本?？梢孕拚麅?nèi)部結(jié)構(gòu)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(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電光發(fā)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(yōu)選地為拋物面并優(yōu)選地將2-20KW的太陽光聚集進緊湊的聚焦區(qū)。該發(fā) 電機優(yōu)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(chǎn)生電。在工作時，發(fā)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(jù)本發(fā)明所構(gòu)造的多個可重復(fù)的發(fā)電機非常適合用于公共規(guī)模的發(fā)電。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)電機將優(yōu)選地包括多結(jié)光伏電池，與其他的光伏電池設(shè)計相比，其 具有相對高的轉(zhuǎn)換效率。在本發(fā)明中，為了極大地降低電池每單位功率輸出的成本，優(yōu)選地 以達到或超過太陽能級1000倍的聚光度照射多結(jié)光伏電池。本發(fā)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(jù)本發(fā)明的球透鏡提供了光伏電 池的大體均勻和穩(wěn)定的照射，盡管進入到發(fā)電機中的光的分配是不均勻和可變化的。對于 在發(fā)電機內(nèi)采用串聯(lián)電連接的許多光伏電池的本發(fā)明的大多數(shù)優(yōu)選實施例來說，照射的均 勻性和穩(wěn)定性是難得的。在該構(gòu)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(fā)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(fā)電機是高度有效的，即使當其由低成本的輸送設(shè)備所驅(qū)動時，其中，輸送設(shè)備易受到彎曲、風的連續(xù)沖擊、不對準和光學制造誤差 的影響，從而導(dǎo)致了輸入照射是不均勻且是可變化的。在本發(fā)明中，由球透鏡所提供的穩(wěn)定的照射的區(qū)出現(xiàn)在主集光器的凹圖像處。因 為即使在出現(xiàn)中等程度的錯誤指向的情況下，由本發(fā)明所提供的該圖像也沒有相對于發(fā)電 機移動，所以在安裝于發(fā)電機內(nèi)且相應(yīng)于穩(wěn)定化圖像的凹表面(被稱為“接收面”)處，照射 大體是穩(wěn)定的。期望的是，在發(fā)電機中的光伏電池的構(gòu)造與用來驅(qū)動發(fā)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(jù)本發(fā)明的發(fā)電機 優(yōu)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(fā)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(jù)本發(fā)明的發(fā)電機中所使用的透鏡的高度優(yōu)選的形狀是球形，因為本發(fā)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(shè)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(yōu)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(yōu)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?；谡麄€太陽光譜上的石英的折射率，圖像(其是光穩(wěn) 定的地方)將在常規(guī)條件(通過f/0. 5的拋物面照射)下優(yōu)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(fā)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(shè)置成與接收面直接相符以便接收由球透鏡所提供的穩(wěn)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(wěn)定且持續(xù)的通量重新引導(dǎo)到離散的區(qū)域內(nèi)，所述區(qū)域恰好照射了 分離的電池的光伏活性區(qū)域。穿過接收面的給定區(qū)域并進入到次反射器中的光直接地或者 通過向內(nèi)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(qū)域的周界。構(gòu)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(qū)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(fā)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(fā)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(jié)合光伏電池使用的光漏斗的功能和 運行有很大的區(qū)別。通常地，這種光漏斗的功能是用于均勻化不穩(wěn)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(fā)明的次反射器提供了幾個優(yōu)點。第一個優(yōu)點就是高度有效地使用太陽能輸 入，因為由球透鏡所穩(wěn)定的幾乎所有的入射光都指向了其內(nèi)多個平坦電池的光伏活性區(qū) 域。次反射器的第二個優(yōu)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(chǎn)具有這樣分隔的電池的發(fā)電機，每個接收器組件攜帶一個電 池，并且所述發(fā)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(jù)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(yōu)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(qū)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(xiàn)了冷卻這些區(qū)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(zhuǎn)換效率以及用于驅(qū)動冷卻泵電機的發(fā)電機輸出的更低的寄生損失?；谝韵驴紤]，根據(jù)本發(fā)明，可以針對給定的拋物面反射器設(shè)計發(fā)電機。根據(jù)本 發(fā)明與焦距比為f > 0. 5的主反射器一起使用的發(fā)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(quán)利要求
1. 一種用于由太陽輻射發(fā)電的設(shè)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(fā)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(fā)電。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于將聚集的太陽光光伏轉(zhuǎn)換成電的發(fā)電機。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)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(fā)電機中，次光學元件將射入的聚集光轉(zhuǎn)遞到布置成密集凹陣列的電池上。以與高光伏轉(zhuǎn)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(fā)電機中，首先優(yōu)選地通過密封的窗，并傳播經(jīng)過向場透鏡，優(yōu)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(fā)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(wěn)定光，該電池相應(yīng)于給定的主反射器的凹像被構(gòu)造成凹陣列。發(fā)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(wěn)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(dǎo)致傳送到該發(fā)電機上的光出現(xiàn)像差。在一些實施例中，電池被設(shè)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(shè)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(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者羅格·P·安杰拉 申請人:亞利桑那大學董事會