CN101894875A - 一种高效聚光式太阳能光电转换器 - Google Patents
一种高效聚光式太阳能光电转换器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101894875A CN101894875A CN2010101292009A CN201010129200A CN101894875A CN 101894875 A CN101894875 A CN 101894875A CN 2010101292009 A CN2010101292009 A CN 2010101292009A CN 201010129200 A CN201010129200 A CN 201010129200A CN 101894875 A CN101894875 A CN 101894875A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solar
- efficiency
- photoelectric converter
- spectrum
- photocell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000004075 alteration Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 10
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 7
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N germanium dioxide Chemical compound O=[Ge]=O YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 229940119177 germanium dioxide Drugs 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000009342 intercropping Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Abstract
本发明提出一种高效聚光式太阳能光电转换器。该太阳能光电转换器包括：一个由菲涅尔聚光镜或者一到两个匹配的反光面组成的聚光系统使聚光焦点刚好落在太阳能电池表面；经过聚焦的太阳光束通过一个由高色差材料制成的透镜或者波导组成的分光系统而分裂成完全的太阳光谱；该光谱光束照射到一种新型光电池上，该光电池是由一组能量带差和几何形状刚好与投射其上的太阳光谱束相吻合的高效光敏量子井组成，这些光敏量子井的光电转换量子效率可高达90％以上。通过对量子井巧妙串并联实现分支电流的匹配从而实现极高的光电转换率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效聚光式太阳能光电转换器。
背景技术
根据照在换能器上日光的强度是否大于或小于等于1倍自然日光强度，太阳能装置可以分为聚光型和非聚光型两大类。常见的非聚光型太阳能发电装置(PV)是由多晶硅太阳能电池板构成。照在多晶硅电池板上的日光强度等于1倍的自然日光光强。而聚光型太阳能发电装置(CPV)则通过光学系统将日光聚集到10至1000倍之后再照射到光电池上。
在聚光式太阳能集热系统中，抛物柱面常常被用作聚光元件以便将置于其焦线上的水管加热实现光热转换。
目前聚光型太阳能发电装置多使用两个圆形抛物面反光镜或圆形菲涅尔透镜将阳光汇聚于光电池表面，而光电池也多为多量子井(多PN结)层叠式以便得到较高的光电转化率。
目前获得最高光电转换率(41.7％)的多结层叠式光电池是由GaInP(磷化镓铟)、GaAs(砷化镓)以及锗所构成的三结层叠式光电池。其三结的能带差分别为1.8、1.4以及0.7电子伏。有两个因素制约着多结层叠式光电池的转换率：1)各层材料的晶格常数必须足够接近，这就限制了制造光电池所能使用的材料；2)各层所产生的电流必须相等，从而限定了其能带差的选择及耗尽区的厚度。
聚光式太阳能系统通常需要一维或二维太阳跟踪伺服系统以保证系统的正常工作及高转换效率。
发明内容
本发明涉及一种高效聚光式太阳能光电转换器。
附图说明
图1：本专利提出的聚光式太阳能发电系统的一种实现方案的结构原理图。
图2：本专利提出的聚光式太阳能发电系统的另一种实现方案的结构原理图。
图3：图2方案中一种光波导的放大图。
图4：本专利提出的新型多结太阳能电池的结构图。
具体实施方式
本专利可以以离散的光学和光电转换元件实现，也可以以某种透明光学材料将光学系统和光电转换器集成起来实现。本专利的各种实现方案统称为技术方按。例如，本专利中使用的太阳能电池，在某个时间分段内还可以间作太阳跟踪器的光电传感器。由此派生出来的技术方案，只要其光电转化方式与本专利相符，应看作本专利的一种技术实现。
以下将提供本专利的详细说明以及相关原理图。
在太阳能发电领域中一个广泛的共识是，工业级别的发电设备应当以聚光型的发电系统为基础。这是因为，与非聚光型太阳能发电装置相比，聚光型太阳能发电装置使用更少的昂贵的光电转换材料，从而使制造太阳能发电设备的工艺过程本身更清洁、更绿色。
在太阳能发电领域的另一个共识是，提高光电池效率的关键在于使光电池材料的能带差与太阳光谱相匹配。因此，目前所采用的技术是将具有不同能带差的多个3到5族元素组成的光电PN结层叠在一起。能带差最大的PN结在光电池受光表面，能带差最小的PN结则在最底(内)层。不同能带差的PN结将太阳光中不同能量的光子转变为相应的电能。目前，最高效的层叠式光电池有三层，光电池总转换率为41.7％。其每层光量子转换效率可高达90％以上。
然而，将不同能带差的多个光电PN结层叠在一起所形成的光电池受到两个设计约束：1)各层材料的晶格常数必须足够接近(目前最好的层叠式太阳能电池的晶格常数的匹配达到0.01％)，这就限制了光电池所能使用的材料的范围；2)各层所产生的电流必须相等，这就限制了光电池各层能带差及耗尽区厚度的选择。这些约束阻碍了为进一步提高转换效率所做的优化努力：
如果我们不是把光电PN结层叠起来而是将它们并列在光电池表面，并且使它们的几何尺寸以及能带差与被分裂的太阳光谱相匹配，那么这样设计的太阳能光电池其效率岂不更高？本专利正是为实现这个简单而出色想法提出的。它将有助于实现更加高效的太阳能电池以及更加经济的太阳能电站。
有多种技术方案可以实现本专利。但这些方案都包括三个共同组成部分：一个阳光聚光器、一个光谱分裂器以及一个由多个量子井的线性表面阵列所构成的光电池。
本发明的聚光系统可以由一个一维菲涅尔透镜或者一到两个匹配的柱面反光镜组成。聚光系统的焦点刚好落在光电池表面。聚光比率越高，太阳能发电系统所使用的光电敏感材料就越少；但要求太阳跟踪控制系统精度却越高。聚光系统的一维柱面结构可使光电池的多个量子井具有一维阵列的简单结构，便于制造和多电池的系统集成。尽管聚光系统是一维的，但太阳跟踪系统依旧是二维的，以保证光电转换的高效率。通过将一部分聚光器水平排列而另一部分聚光器垂直排列可以使光电池复用做太阳跟踪器的方向(角度)传感器，从而进一步降低整个系统的成本。图1和图2给出了本专利的两种实现方案。两种方案都使用反射式聚光系统2，但却使用不同的光谱分裂器3和5。由二维太阳跟踪器保证平行太阳光束1垂直射入聚光器2。聚光器2的两个反光柱面镀有合金铝(或者PTFE材料)以提高其对300纳米到1800纳米光波的反射率。聚光镜2连同光谱分裂器3或5组合光学系统的焦点刚好落在光电池4的表面。
如图1和图2所示，光谱分裂器是由一种高色差、低吸收材料制造的光波导5或经特殊设计的透镜3。一般说来，从300纳米到1800纳米透明介质材料的色差越大、透镜3越厚或波导5越长，分光效果就越好，而介质对光波的吸收所导致的能量损失也就越大。出于[0018]段落中所述的同样理由，光谱分裂器同样具有一维的柱面结构。图3给出了光波导5的结构放大图。汇聚后的光线8进入波导的入射面及出射面6以及波导的侧面7均经过优化设计使太阳光的能量损失为最小，同时又保证光谱焦面是一个平面。
如图4所示的新型光电池包括一个量子井的线性阵列9。它们是由元素周期表中3到5族的元素构成、具有不同能带差并被某种绝缘材料10，例如，二氧化硅或二氧化锗，隔开。整个阵列制作在衬底11，例如，硅或锗，上。使用更多的能带差在0,69电子伏至4.01电子伏之间的量子井阵列制造光电池，便能使之更好地与日光谱相匹配从而获得更高的转换效率。此外，还可以通过对量子井(包括不同光电池之间的量子井)的串并联实现光电池组分支电流的最佳匹配，这同样能够提高整个太阳能系统的发电效率。
Claims (15)
1.一种高效聚光式太阳能光电转换器，该太阳能光电转换器包括：一个由菲涅尔聚光镜或者一到两个匹配的反光面组成的聚光系统使聚光焦点刚好落在太阳能电池表面；经过聚焦的太阳光束通过一个由高色差材料制成的透镜或者波导组成的分光系统而分裂成完全的太阳光谱；该光谱光束照射到一种新型光电池上，该光电池是由一组能量带差和几何形状刚好与投射其上的太阳光谱束相吻合的高效光敏量子井组成。通过对量子井的巧妙串并联实现分支电流的匹配从而实现极高的光电转换率。
2.专利权项1中所述的聚光系统是由一维菲涅尔透镜或者一到两个匹配的反光柱面组成。
3.专利权项2中所述的聚光系统将太阳光束聚焦在光电池的表面。
4.专利权项2中所述的反光柱面镀有合金铝(或者PTFE材料)以提高反光镜对300纳米到1800纳米阳光的反射率。
5.专利权项1中所述的光波导或特殊透镜是由一种在300纳米至1800纳米波长范围内具有高色差、低吸波的材料制成，并且具有柱面结构的一维光学特征。
6.专利权项5中所述的光波导或透镜的入射面和出射面系经过减少太阳光能损失的优化设计。
7.专利权项5中所述的光波导侧面角度保证了在需要时对从入射面射入的300纳米至1800纳米光波全反射。
8.专利权项5中所述的光波导的长度或特殊透镜的厚度是在满足光谱充分分离的前提下最短(或最薄)。
9.专利权项1中所述的光电池其表面至少排列有两个以上的具有不同能带差的光敏量子井组成，并且其能带差及几何形状刚好与投射其上的光谱束相匹配。
10.专利权项1中所述的高效聚光式太阳能光电转换器的部分或全部组件可以通过某种光学透明材料集成为整体，因此应看作本专利的一种技术实现。
11.专利权项1中所述反光柱面通过某种材料的封装以保持它们洁净所得到聚光式太阳能光电转换器，属于本专利的一种技术实现。
12.专利权项1中所述太阳能电池和光谱分裂系统通过某种材料的封装以保持它们洁净所得到聚光式太阳能光电转换器，属于本专利的一种技术实现。
13.将专利权项1中所述的高效聚光式太阳能光电转换器安装于具有一维或二维跟踪太阳能力的平台上所得到的装置，属于本专利的一种技术实现。
14.将多个专利权项1中所述的高效聚光式太阳能光电转换器集成为更大规模的太阳能光电转换器，属于本专利的一种技术实现。
15.一种接收利用太阳能的方法，包括：接收太阳射线并按照专利权项2中所述的方法聚光；按照专利权项5中所述的方法将光束分裂为光谱束；用专利权项9中所述的光电池将光谱束的能量转换为电能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010129200.9A CN101894875B (zh) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | 一种高效聚光式太阳能光电转换器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010129200.9A CN101894875B (zh) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | 一种高效聚光式太阳能光电转换器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101894875A true CN101894875A (zh) | 2010-11-24 |
| CN101894875B CN101894875B (zh) | 2017-03-15 |
Family
ID=43104016
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201010129200.9A Expired - Fee Related CN101894875B (zh) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | 一种高效聚光式太阳能光电转换器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101894875B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102593203A (zh) * | 2011-01-14 | 2012-07-18 | 张一熙 | 聚光型非晶硅透明薄膜电池和三五族薄膜电池发电系统 |
| CN104022172A (zh) * | 2014-05-27 | 2014-09-03 | 南昌大学 | 一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构 |
| CN104952952A (zh) * | 2015-06-02 | 2015-09-30 | 张一熙 | 一种聚光型非晶硅透明薄膜电池和三五族薄膜电池发电系统 |
| CN115039237A (zh) * | 2019-10-10 | 2022-09-09 | 太阳密度公司 | 用于增加太阳能转换的方法和设备 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030213514A1 (en) * | 2002-05-17 | 2003-11-20 | Ugur Ortabasi | Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies |
| US20040246596A1 (en) * | 2003-06-03 | 2004-12-09 | Rensselaer Polytechnic Institute | Concentrating type solar collection and daylighting system within glazed building envelopes |
| CN101083288A (zh) * | 2007-06-12 | 2007-12-05 | 邱定平 | 分光谱太阳能光电池 |
| CN201336637Y (zh) * | 2008-08-21 | 2009-10-28 | 周成荣 | 自动跟踪太阳能的光电转换装置 |
-
2010
- 2010-03-22 CN CN201010129200.9A patent/CN101894875B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030213514A1 (en) * | 2002-05-17 | 2003-11-20 | Ugur Ortabasi | Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies |
| US20040246596A1 (en) * | 2003-06-03 | 2004-12-09 | Rensselaer Polytechnic Institute | Concentrating type solar collection and daylighting system within glazed building envelopes |
| CN101083288A (zh) * | 2007-06-12 | 2007-12-05 | 邱定平 | 分光谱太阳能光电池 |
| CN201336637Y (zh) * | 2008-08-21 | 2009-10-28 | 周成荣 | 自动跟踪太阳能的光电转换装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 寿莎等: "对太阳能电池研究进展的探究", 《交通节能与环保》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102593203A (zh) * | 2011-01-14 | 2012-07-18 | 张一熙 | 聚光型非晶硅透明薄膜电池和三五族薄膜电池发电系统 |
| CN104022172A (zh) * | 2014-05-27 | 2014-09-03 | 南昌大学 | 一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构 |
| CN104952952A (zh) * | 2015-06-02 | 2015-09-30 | 张一熙 | 一种聚光型非晶硅透明薄膜电池和三五族薄膜电池发电系统 |
| CN115039237A (zh) * | 2019-10-10 | 2022-09-09 | 太阳密度公司 | 用于增加太阳能转换的方法和设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101894875B (zh) | 2017-03-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mojiri et al. | Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review | |
| US6469241B1 (en) | High concentration spectrum splitting solar collector | |
| CN103888051B (zh) | 全息聚光分光太阳能发电模块 | |
| US10608134B2 (en) | Solar power system using hybrid trough and photovoltaic two-stage light concentration | |
| US20100229908A1 (en) | Solar power conversion system and methods of use | |
| US9905718B2 (en) | Low-cost thin-film concentrator solar cells | |
| Escarra et al. | Spectrum-splitting photovoltaics: Holographic spectrum splitting in eight-junction, ultra-high efficiency module | |
| US20140174498A1 (en) | Solar energy production system | |
| WO2012083821A1 (zh) | 多波段集光及能量转换模块 | |
| US20110186106A1 (en) | Hybrid concentrator solar energy device | |
| CN202737785U (zh) | 一种高效波长分光式太阳能综合利用系统 | |
| CN101894875A (zh) | 一种高效聚光式太阳能光电转换器 | |
| JP2015530747A (ja) | スペクトル光分割用モジュールおよび集光器光学部品を含んでいる光起電力システム | |
| Karp et al. | Multiband solar concentrator using transmissive dichroic beamsplitting | |
| KR101715667B1 (ko) | 파장 분리를 이용한 집광형 태양광-태양열 복합 시스템 및 방법 | |
| US20120260970A1 (en) | Device for concentrating and converting solar energy | |
| CN103580601B (zh) | 一种高效波长分光式太阳能综合利用系统 | |
| CN101771368A (zh) | 分级利用的太阳能聚光发电装置 | |
| US20170279406A1 (en) | High Efficiency Hybrid Solar Energy Device | |
| Atwater et al. | Full spectrum ultrahigh efficiency photovoltaics | |
| CN209881723U (zh) | 一种聚光分光光伏系统 | |
| US20150287842A1 (en) | Photovoltaic system including light trapping filtered optical module | |
| Taudien et al. | Concentrating and spectrum splitting optical device in high efficiency CPV module with five bandgaps | |
| Alvarez et al. | Optics design key points for high-gain photovoltaic solar energy concentrators | |
| KR20150048841A (ko) | 광 포획 여과 광학 모듈을 포함하는 광전지 시스템 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170315 |