CN102177591A - 用于聚光太阳能板的交错开的光收集器 - Google Patents

用于聚光太阳能板的交错开的光收集器 Download PDF

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Abstract

一种太阳能板组件，具有第一组间隔开的太阳能收集模块和第二组间隔开的太阳能收集模块。第一组和第二组分别处于限定了其间的气隙的平行平面上，并且被彼此交错开。第一组和第二组的交错允许未被第一行收获的光被第二行收获，并且为该太阳能板组件提供低的死空间特性。所述平面之间的间隙以及同一组的各个太阳能收集模块之间的空间允许模块中的热耗散得以改进并允许该太阳能板组件提供对风的低阻力。

Description

用于聚光太阳能板的交错开的光收集器
对相关申请的交叉引用
本申请要求2009年9月4日提交的美国临时专利申请第61/094,168号的优先权，通过引用将该申请整体合并于此。
技术领域
本发明一般地涉及太阳能。更具体地，本发明涉及针对安装了跟踪器的太阳能系统、尤其是针对聚光式光伏系统降低风荷载和改进热耗散。
背景技术
聚光式光伏(CPV)系统是已知的，目前由包括Amonix、Concentrix和Sol3g的世界上多家公司生产。聚光式光伏系统基于如下思想：使用诸如透镜或面镜的光学器件制作太阳能模块，以大面积地收集光并将该光聚集到小光伏(PV)电池上，然后小光伏电池将该光转换成电。
该光学器件可以是在有或没有次级光学器件的情况下工作的菲涅耳透镜、卡塞格伦(cassegrain)光学器件、抛物面镜、光导太阳能光学器件或其它任何聚焦光学器件。为了能工作，所有这些光学系统都要求光应从某一指定方向入射；通常，入射角垂直于模块上表面，这被称作法向入射。为了维持光从太阳法向入射，CPV模块被某种类型的跟踪机构倾斜并定向，使得CPV模块面向太阳。该跟踪机构必须持续地调整CPV模块的位置以使得模块随着太阳掠过天空而跟随太阳。还有可能使用有源电光层改变光在CPV模块上的入射角，所述有源电光层被电子地控制并且改变光的入射角以使得光学器件能工作。
在使用跟踪器的传统CPV系统中，模块被排列成网格以覆盖大的面积。跟踪器可容纳200平方米量级的很大面积的模块。为了使所产生的能量最大化，模块被靠拢地包装在一起，彼此之间有小的间隙；这对于给定跟踪器使所采集的光最大化。然而，它对迎面而来的风来说是大而扁平的墙，该风可将可观的力施加到跟踪器上。因风或风荷载而产生的力对于任何太阳能跟踪系统来说是首要的设计考虑。例如，10米×10米跟踪器上的传统板对于以20米/秒迎面入射的风将经受因风产生的42千牛顿的力。由于跟踪器需要将板精确地定向为朝着太阳，其中在大多数情况下使入射阳光与板法向的偏离保持在小于0.1°以内，所以跟踪器不能大程度地弯曲或变形，因而必须由足够的钢制成以便足够硬以阻挡风。
在任何CPV系统中，大量光能聚集于PV电池。在市场上可获得的高效率电池具有约37％的转换效率，这意味着入射在电池上的光的37％被转换成电能。其余光的大部分被转换成热。因此，每产生一瓦可用电能，几乎产生1.7瓦的热。该热必须被耗散。PV电池性能随着温度的升高而降低，且过热可能导致模块的永久损坏，因此需要有效的热散发来使CPV工作。
某些系统采用主动冷却，这涉及到通过热交换器抽运水或其它热交换流体以从PV电池中去除热。然而，大多数系统采用被动冷却，其中热仅通过辐射和对流机构离开系统进入周围空气。热耗散的首要模式是对流；散发的热的辐射成分相比之下可忽略。对流是当空气分子与模块相接触、变热、然后从模块散开时发生的。
在基于菲涅耳透镜的和基于卡塞格伦光学器件的系统中，光学器件位于PV电池上方且PV电池处于模块的底部。PV电池一般安装在某种电介质衬底如氧化铝上，该电介质衬底又附着到热沉。模块的外壳经常被用作热沉。当模块面向正上方且PV电池处于外壳的底部时，加热了的空气上升并变得部分地被外壳截留。这导致低程度的空气循环并可能导致系统的过热。
将各模块间隔开并在它们之间留有间隙可解决风荷载高和热耗散差这两个问题。其有害后果是减小模块的光采集面积，从而降低总体效率。
因此，希望对太阳能模块的风荷载和热耗散方面进行改进。
发明内容
在第一方面，提供了一种光伏跟踪太阳能捕获和转换系统。所述系统包括固定至支撑件的第一组间隔开的太阳能收集模块。所述系统还包括固定至所述支撑件的第二组间隔开的太阳能收集模块，所述第一和第二组太阳能收集模块中的每个太阳能收集模块包括与相应光学光收集元件关联的光伏电池的阵列，所述第一和第二组太阳能收集模块限定了被气隙分离的两个基本上平行的平面，所述气隙被定尺寸为确保热耗散从而防止所述光伏电池过热，所述第一和第二组太阳能收集模块彼此交错开一定量，该交错量允许每个太阳能收集模块的所述光学光收集元件被暴露于基本上相等水平的太阳能以便被所述光学光收集元件和关联的光伏电池捕获，其中所述第一和第二组太阳能收集模块的交错定位以及所述两个平行的平面降低了所述太阳能收集模块上的风荷载。所述系统进一步包括跟踪系统，所述跟踪系统将所述支撑件定向为使所述交错行的太阳能收集模块所捕获的太阳能的量最大化，以对于所述跟踪系统所提供的所述太阳能收集模块的每个位置提供每个光学光收集元件对所述太阳能的最佳暴露并进一步增大光伏电池级的热耗散。
在第二方面，提供了一种紧凑的光伏跟踪太阳能捕获和转换系统。所述系统包括固定至支撑件的第一组太阳能收集模块和固定至支撑件的第二组太阳能收集模块。所述第一和第二组太阳能收集模块中的每个太阳能收集模块包括各自与相应光导光学聚光器关联的光伏电池的阵列，所述第一和第二组中的每个太阳能收集模块与其相应组中的相邻太阳能收集模块间隔开与所述光伏电池的有效区域的宽度加上安装部的宽度基本上相等的距离，所述第一和第二组太阳能收集模块限定了两个基本上平行的平面，所述基本上平行的平面被气隙分离，其中所述第一和第二组中的太阳能收集模块彼此交错开一定量，在不考虑所述光伏电池的相对于所述支撑件为横向的安装部所产生的遮蔽区域的情况下，该交错量提供基本上相等的对太阳能的暴露。所述系统进一步包括跟踪系统，所述跟踪系统将所述支撑件定向为使所述交错行的太阳能收集模块所捕获的太阳能的量最大化，以对于所述跟踪系统所提供的所述太阳能收集模块的每个位置提供每个光学光收集元件对所述太阳能的最佳暴露并进一步增大光伏电池级的热耗散。
在第三方面，提供了一种对聚光式光伏太阳能板中由光学聚光器造成的热积累进行耗散的方法。所述方法包括提供固定至支撑件的第一组太阳能收集模块、并提供固定至所述支撑件的第二组太阳能收集模块的步骤。所述第一和第二组太阳能收集模块中的每个收集模块包括各自与相应光学聚光器关联的光伏电池的阵列，所述第一和第二组太阳能收集模块的每个太阳能收集模块与其相应组中的另一个太阳能收集模块间隔开与太阳能收集模块的光捕获区域的有效区域的宽度基本上相等的距离，以产生热耗散路径，所述第一和第二组太阳能收集模块限定了被气隙分离的基本上平行的平面，以产生额外的热耗散路径，其中所述第一和第二组中的太阳能收集模块彼此交错开一定量，在不考虑所述光伏电池的相对于所述支撑件为横向的安装部所产生的遮蔽区域的情况下，该交错量提供基本上相等的对太阳能的暴露。所述方法进一步包括提供跟踪系统的步骤，所述跟踪系统将所述支撑件定向为使所述交错行的太阳能收集模块所捕获的太阳能的量最大化，以对于所述跟踪系统所提供的所述太阳能收集模块的每个位置提供每个光学光收集元件对所述太阳能的最佳暴露并进一步增大光伏电池级的热耗散。
附图说明
下面仅通过例子、参照附图来描述本发明的实施例，其中：
图1示出了典型的平板太阳能板；
图2示出了菲涅耳透镜聚光系统的立体图；
图3示出了使用菲涅耳透镜的阵列制成的太阳能模块的立体图；
图4示出了可用于聚光的不同光学系统的例子；
图5示出了使用卡塞格伦光学器件的阵列制成的光导太阳能模块；
图6a和6b示出了用于聚光式光伏模块的二轴跟踪系统；
图7a、7b、7c和7d示出了用于太阳能板和聚光式光伏模块的单轴跟踪系统；
图8a和8b示出了通过将光收集器分离成行并将这些行间隔开而制成的太阳能模块；
图9a、9b和9c示出了通过将光收集器分离成行并将这些行交错而制成的太阳能模块；
图10a和10b示出了包含印刷电路板和光伏电池的接收器组件；
图11a和11b示出了采用直接耦合至光伏电池的次级光学器件的菲涅耳透镜聚光系统；
图12a和12b示出了使用菲涅耳透镜的阵列制成的太阳能模块，所述菲涅耳透镜在其底部具有用于热耗散的散热片，并标出了热空气绕模块的移动；
图13a和13b示出了通过将光收集器分离成行并将这些行间隔开以允许热空气在它们之间上升而制成的基于菲涅耳透镜的聚光式光伏系统；
图14a、14b和14c示出了光导太阳能光学器件对法向入射光的作用；
图15a和15b示出了通过将光收集器分离成行并将这些行间隔开而制成的基于光导太阳能光学器件的聚光式光伏系统；
图16示出了由上图中的系统制成的基于光导太阳能光学器件的聚光式光伏模块；
图17a和17b示出了上图中的模块上的有效收集区域与死空间之间的比较；
图18a和18b示出了通过将光收集器分离成行并将这些行交错开而制成的基于光导太阳能光学器件的聚光式光伏系统；
图19示出了由上图中的系统制成的基于光导太阳能光学器件的聚光式光伏模块；
图20示出了上图中的模块上的有效收集区域与死空间之间的比较；
图21a和21b示出了对于图16和19中的模块而言有效收集区域与死空间之间的直接比较；
图22a和22b示出了通过将光收集器分离成行并将这些行交错开而制成的基于菲涅耳透镜的聚光式光伏系统；
图23示出了由上图中的系统制成的基于菲涅耳透镜的模块；
图24a示出了光收集行被小间隙分离的基于光导太阳能光学器件的模块；
图24b示出了图24a的基于光导太阳能光学器件的模块的计算流体动力学热模型；
图25a示出了将光收集行竖直交错开的基于光导太阳能光学器件的模块；
图25b示出了图25a的基于光导太阳能光学器件的模块的计算流体动力学热模型；
图26示出了双轴跟踪器；
图27a、27b和27c示出了在双轴跟踪器上安装有竖直交错开的光收集行的基于光导太阳能光学器件的模块；
图28a和28b示出了安装在双轴跟踪器上的实心扁平太阳能板；
图29示出了使用计算流体动力学建模而制成的、表示实心扁平太阳能板周围的气流的流线；
图30示出了使用计算流体动力学建模而制成的、表示光收集行被小间隙分离的基于光导太阳能光学器件的模块周围的气流的流线；
图31示出了使用计算流体动力学建模而制成的、表示光收集行被竖直交错开的基于光导太阳能光学器件的模块周围的气流的流线；
图32a和32b示出了表示实心扁平太阳能板的大的阵列周围的气流的流线；
图33a和33b示出了表示光收集行被竖直交错开的基于光导太阳能光学器件的模块的大的阵列周围的气流的流线；
图34a和34b示出了具有交错开的光收集行的光导太阳能模块的实施例；
图35示出了寻求热耗散的最佳光收集行间隔的建模分析的结果；
图36a和36b示出了两个不同的基于光导太阳能光学器件的模块的计算流体动力学热模型的结果，在一个模块中，光收集行被小的水平间隙分离，而在另一个模块中，光收集行通过竖直交错而被分离。
具体实施方式
本发明涉及太阳能收集模块(SECM)的排列。第一组间隔开的SECM限定了第一平面，第一平面与由第二组间隔开的SECM限定的第二平面基本上平行。第一和第二平面被气隙分离，且第一和第二组SECM彼此交错开。第一和第二组SECM的交错允许未被第一组收获的光被第二行收获，并且为太阳能收集模块的该排列提供低的死空间特性。第一和第二平面之间的气隙允许模块中的热耗散得以改进，并防止SECM中包含的光伏元件过热。进一步地，同一组的SECM之间的间隔和气隙允许对风的低阻力。SECM的该排列可固定至跟踪系统，以允许全天的最佳太阳能收获。
聚光式光伏(CPV)模块采用光学器件作为光收集器(其也可称作光学光收集元件)来捕获光并将光聚集到PV电池上。图2示出了具有菲涅耳透镜108的单个CPV单元，菲涅耳透镜108将法向入射光110聚集到高效率PV电池102上。菲涅耳透镜是示例性的光学光收集元件。图3示出了基于菲涅耳透镜的CPV模块112的立体图，CPV模块112包括菲涅耳透镜108的阵列。该CPV模块的外壳114由硬材料如铝制成。剖面116示出了在透镜下面并附着到外壳114的PV电池102。PV电池102在实践中不是裸露的，而是封装在某种接收器组件中。接收器将在后面说明，但在本文中术语“接收器”和“PV电池”可互换使用。所有菲涅耳透镜108的上表面是此模块的光收集器。模块周围的框架是死空间。
也可使用非菲涅耳光学器件作为制作CPV系统的光学光收集元件。各种光学光收集元件的例子在图4中示出。图4示出了可将法向入射光110聚集到PV电池102上的多种光学系统的横截面。像在标题为“Light-guide Solar Panel and Method of Fabrication Thereof”的美国专利申请第12/113,705号中所述的系统那样的光导太阳能光学器件118是这种光学器件的一个例子。菲涅耳透镜108是另一个系统。抛物面反射器120将光聚集于焦点，PV电池可被定位于该焦点，而卡塞格伦光学器件122使用抛物面初级镜124和双曲面次级镜126来将法向入射光110聚集到PV电池102上。
由图4中的任何光学系统制造模块的当前技术水平的手段是将光收集器排列成致密装填的阵列。为了使模块中的死空间最小化，光收集器之间的空间被最小化。
图5a示出了将卡塞格伦光学器件122排列成阵列的另一个示例模块128，其中铝外壳114处于底部并担当PV电池102的热沉。图5b示出了同一模块的剖视图，其中示出了初级抛物面镜124和次级双曲面镜126和PV电池102。图5c示出了呈白色的包括由次级面镜占据的死空间的死空间130以及涂阴影的光收集区域132。将卡塞格伦光学器件排列成如图所示的蜂房图案不是排列卡塞格伦光学器件以制作模块的唯一方式，但它是美国加利福尼亚的SolFocus所采用的方式。
如图6a和6b中所示，大多数CPV系统采用双轴跟踪器来跟随太阳。图6a示出了具有一个基于菲涅耳透镜的模块112的跟踪器134。该跟踪器采用某种机构来使模块旋转136和倾斜138，以便全天地定向模块以使得它们面向太阳。图6b示出了安装有多个模块112的跟踪器134。当模块面向太阳时，来自太阳的直接法向辐射110以自模块法向计起的0°入射角落在光收集器上。入射阳光110垂直于模块112上表面。
如图7a～7d中所示，一些CPV系统以及一些传统光伏系统也使用单轴跟踪器来跟随太阳。图7a示出了具有单个太阳能板100的单轴跟踪器142，而图7b示出了具有许多太阳能板100的跟踪器142。顾名思义，单轴跟踪器142使支撑框架144绕单个旋转轴146旋转。单轴跟踪器142跟随太阳每天掠过天空的东西向运动，但是不针对太阳高度的季节性变化而调整。入射光148不在模块上表面的法向上；入射光148仅在图7c中所示的平面即跟踪器142旋转于的平面的法向上。在任何其它平面上，如图7d中所示，入射光148不在太阳能板的法向上。
图6和7中所示的单轴和双轴跟踪器都是小的，分别仅保持3个和6个1.5米×0.8米的模块。在实践中，在太阳能电厂中使用的跟踪器一般大得多，能够支撑许多个模块，且总收集面积在50米2到200米2之间。模块通常尽可能致密地以阵列安装在这样的跟踪器上以使死空间最小化。死空间被定义为对能量产生没有直接贡献的模块所占据的区域。换言之，死空间由于允许落在系统上的光被浪费而降低了系统的总效率。致密地装填模块从散热的观点来看和在风荷载方面都产生了设计问题。然而，在模块之间留有空间或者在各个模块自身中的光收集器之间留有空间尽管在一定程度上减轻了风荷载和热问题，但却是通过增大死空间以光收集面积为代价实现的。图8a示出了通过将模块100分裂成光收集行150并在它们之间添加横向间隙152而产生的死空间。当从边缘看去时，如图8b中所示，法向入射光156将穿过所产生的间隙并被浪费。只有直接射到PV电池102上的光154被收获。射到铝框架106、层压板104或间隙152上的光156被损失。
本发明是将模块的光收集器分离成彼此交错开的一系列板条状光收集行。这在光收集器之间产生了空间，以便不增大模块的死空间而降低风荷载并改进热耗散。图9示出了被分裂成交错开而不增大死空间的光收集行158和160的模块。每个光收集行可被称作太阳能收集模块。形成第一组太阳能收集模块的较高行158和形成第二组太阳能收集模块的较低行160被竖直间隙162分离。如图9a的示例实施例所示，每个太阳能收集模块都固定至支撑件109。在较高和较低光收集行不在彼此的正上方交叠的意义上，第一组太阳能收集模块与第二组太阳能收集模块交错开。为了更明确本说明书的目的，术语“交错”意在包括：被排列成使得对象(例如，多组太阳能收集模块)彼此偏移。当从侧面看去时，如图9b中所示，可以看出只有射到在PV电池周围的层压板104或框架106上的光164被损失。穿过较高光收集行158和较低光收集行160之间的间隙162的光没有被损失。
如果光收集行150在主动光收集表面周围具有某种框架或切边，则这产生死空间。可通过如图9中那样使光收集行略微交叠来最小化此死空间。图9c示出了图9b的详情，示出了具有切边166的光收集行150，切边166由PV电池周围的层压板104和铝框架106构成。较低光收集行160的切边166位于较高光收集行158的切边166的正下方，从而为较低切边遮蔽了入射光164，并减小了较低行160上的死空间。通过使光收集行略微交叠，可归因于光收集行周围的框架或切边的死空间被减小了几乎一半，且只有射到较低光收集行160上的光168直接射到光收集区域上。在图9的情况下，这是PV电池102。
像这样使光收集行交错开为太阳能系统、尤其是采用跟踪器的聚光式光伏系统带来了巨大优点。本说明书的余下部分将概述本发明带来了哪些方面的优点，首先是太阳能系统散发过多热的能力，其次是模块的风阻力的降低。还将始终强调死空间的减小。
另外，如在美国专利申请第12/113,075号中所概述的那样，本发明的特定实施例适用于光导太阳能光学技术。
本发明与任何CPV系统有关，因为CPV系统使用必须承受风荷载并且需容易散热的跟踪器。本发明可适用于如下情形：模块被在至少一个平面上具有法向入射角的光照射；换言之，光在至少一个平面上垂直于模块上表面而行进。这是图9b中所示的横截面的平面。本发明当光总是维持在法向时可适用于供双轴跟踪器上使用的模块，而当光在一个平面上保持法向时可适用于供单轴跟踪器上使用的模块。当采用竖直交错开的光收集行的模块与单轴跟踪器一起使用时，光收集行理想地平行于跟踪器的轴。
美国测试与材料协会为直接辐射(有时被称为直接法向辐射或DNI)定义了850瓦/米2的标准阳光强度。这是在1.5的空气质量(AM 1.5)下的直接光照的实际整合功率密度的近似。该强度水平被称作1日照，它是用来描述CPV系统的聚光因子的单位。PV电池处的光强用日照描述，因此如果PV电池处的光强是85,000瓦/米2，则系统工作在100日照下。高达10,000日照的聚光因子在理论上是可能的，但是大多数当前技术水平的系统采用300至1400日照的较低聚光比。
供聚光系统中使用的典型PV电池尺寸从约1厘米×1厘米到约1毫米×1毫米不等。例如，考虑使用3毫米×3毫米电池的工作在900日照的聚光下的系统。电池的面积是0.000009米2，电池处的功率密度是765,000瓦/米2。电池处的可用功率是6.9瓦。当前技术水平的CPV模块中所使用的典型太阳能电池具有约37％的转换效率，因此在电池处的光形式的6.9瓦功率中，2.6瓦将被转换成电而其余4.4瓦将在很大程度上被转换成热。一小部分光将因散射和菲涅耳损耗而被损失，但是这与被转换成热的光的量相比是可忽略的。
从3毫米×3毫米电池耗散的4瓦以上的热是大量的热。如果电池只是处在无风的室温空气中，不连接至热沉，通过对流和辐射来耗散热，则电池将加热至1000℃以上。这会毁坏PV电池。为了有助于将热从PV电池运走，PV电池常常安装到采用氧化铝或氮化铝作为衬底的印刷电路板(PCB)上，但任何电绝缘、导热的陶瓷或其它材料也是适用的。PV电池和PCB的组合被称为接收器。
尽管在本文中将仅讨论光伏器件，但也可代替光伏电池而采用将光转换成有用能量的任何其它器件。有用能量包括但不限于电能、热能或动能。光伏电池是最常见形式的器件并在本文中将作为例子使用，但本文中的所有发明都涉及将光转换成可用能量的任何其它器件。
当接收器使用光伏器件时，一个重要的考虑是PCB衬底应与PV电池热匹配，使得当接收器加热和冷却时不因膨胀差异而在易损的电池中产生应力。PCB具有某种使得能够产生采用PV电池的必要电路的导电敷金属。图10a和10b示出了采用光伏器件的示例接收器组件170。PV电池102在其上表面(光接收表面)上具有母线172并在其背面(未示出)上具有敷金属。PCB由电介质174如氧化铝制成，其中敷金属图案176在PV电池102所连接到的上表面上。PCB与PV电池背面之间的连接是通过焊接或通过使用导电环氧树脂来实现的。正面母线172使用如图所示的线接合178或其它熔接或焊接工艺而连接至PCB。旁路二极管180可任选地被包括在接收器组件上。焊盘182被用来将该连接器连接至外部电路；典型地，在模块中许多这样的接收器被串联连接。
如果接收器在聚集的阳光下浮在空气中，则它也将过热，因此它一般连接至某种类型的热沉。接收器与热沉的连接可采取使得能够容易地将热能从接收器中传递至热沉中的方式来实现，这可借助导热环氧树脂、焊接、熔接、热油脂或导热胶带来实现。热沉常常只是将模块一起保持的结构外壳。
紧接着在PV电池之前，一些CPV系统采用了次级光学器件，有时也称为均化器。该光学器件使用光学环氧树脂直接耦合至PV电池，并服务于在光到达PV电池之前将光均匀散开的目的。次级光学器件还可提供某种进一步聚光。从增强聚光的观点来看最佳的次级光学器件被称为Winston锥，但更典型地，次级光学器件是有4个平坦侧面的锥形光学器件。图11a示出了使用菲涅耳透镜和次级光学器件的设计的横截面，而图11b示出了同一设计的立体图。入射光110被菲涅耳透镜108聚集到次级光学器件184上。次级光学器件186内部的光经历内反射188，通常是全内反射。在光途经光学环氧树脂到达PV电池102之前，可发生一次或多次内反射。未示出光学环氧树脂以及PV电池102通常将连接到的PCB。
此处描述的发明适用于采用或不采用次级光学器件和接收器的光伏系统，而且不论是在正文还是在附图中提到PV电池102，其都应被认为是指所有以下PV电池：带有次级光学器件和接收器的PV电池，带有接收器但不带有次级光学器件的PV电池，带有次级光学器件但不带有接收器的PV电池，以及仅仅PV电池。一般而言，大多数CPV系统采用次级光学器件和接收器二者，而大多数普通PV系统对二者皆不采用。
许多CPV制造商将散热片放置在外壳的底部上以增大热可与空气交换的表面积。图12示出了添加至菲涅耳透镜模块192的底部的散热片190。然而，当太阳直接在头顶上且板面向正上方时，散热片无助于改进热耗散。这是因为热空气倾向于上升，这样热空气上升并变得被截留在散热片之间。这导致如螺线194所示的空气循环。热空气仅能够如线196所示通过在板周围在两侧流动来散逸。模块底部处被截留的空气防止它有效地冷却。去除散热片尽管减小了热截留，但也减小了热可在外壳与空气之间交换的面积。
如图13中所示将模块分裂成光收集模块的更窄行198并在光收集模块的行之间留有空间200是一种可显著改进模块的热散发的技术。热空气202可在光收集模块的行之间以及在模块外侧的上方196上升。该方法的缺点是它在光收集行之间产生了不收集光的死空间，从而降低了总体系统效率。
如美国专利申请第12/113,705号中所述的光导太阳能光学器件与菲涅耳透镜不同地工作，结果，模块也具有差异。此处不论述光导太阳能光学器件的内部工作，但是图14示出了由偏转层204和光导层206组成的光导太阳能光学器件118的外部效应。图14a示出了光学器件118的立体图，图14b示出了光学器件118的俯视图，而图14c示出了光学器件118的侧视图。法向入射光110被聚集并被传导(传播)于光导太阳能光学器件110之内并到达PV电池102。聚集的光与入射光110相比具有高得多的单位面积强度。
因为PV电池处于光学器件的边缘而不是光学器件的下面，所以外壳比采用菲涅耳透镜的系统显著更浅。图15a示出了在行之间有间隙200地排列的光导太阳能光学器件118的多个光收集行208的立体图。图15b示出了在行之间有间隙200地排列的基于光导的光收集行208的剖视图。还示出了支撑光学器件210的铝轮廓件。如同图13中的基于菲涅耳透镜的系统那样，热空气可如箭头202所示在行208之间上升，且热空气可如箭头196所示在模块周围散逸。
图16示出了由如图15中那样排列的行208制成的模块212。行208每个都在端部附着到“C”形铝端帽214，该端帽可被称作支撑件。在不脱离本公开的范围的情况下，可使用任何合适的结构元件以便将光收集行208保持在一起。
尽管在光收集行之间留有小空间地制作模块产生了热散发特性良好的模块，但也产生了相当大量的不必要的死空间。图17示出了与图16中的模块212关联的死空间的图示分解。图17a示出了模块212的立体图，而图17b示出了模块212的俯视图。光收集区域216被描绘为实心黑色区域，而阴影区域218是死空间。死空间由光学器件周围的任何切边或框架以及行之间的任何空间组成。在所示的例子中，模块表面的约60％是收集区域，40％是死空间。这是为了解释的目的而夸张的；真实模块上的死空间的实际数目在5％～25％之间。对于在模块自身的结构内不留有间隙或空间以供热散逸的模块，当将模块以阵列安装在跟踪器上时，在模块之间常常需要间隙。在这些情况下，模块之间的间隙起到与模块内的间隙相同的透气作用，并且将在系统中在模块之间产生死空间且结果相同。
将光收集行竖直交错开在不增大模块上的死空间的情况下提供了间隙。图18示出了图17中的行208的交错排列。如图18b所示，在较高行222与较低行224之间竖直地留有间隙220，也称作气隙。较高行222形成第一组太阳能收集模块，较低行形成第二组太阳能收集模块。较高行222和较低行224彼此交错成使得它们略微交叠，从而铝结构元件226的与较高光收集行222的光收集器相邻的部分(前面称作光收集器周围的“切边”)在较低光收集行224的切边230上投下影子228。这防止了阳光射到底部行224上的铝结构元件210上，从而减小了本来会被这些结构元件占据的死空间。竖直间隙220允许热空气在行之间上升232，并且还允许热空气在模块外侧的周围196流动。
图19示出了可使用也可称作支撑件的端帽214将交错开的光收集行208排列成模块234的一种方式。端帽214需要制作得更高以容纳竖直交错，但这是设计方面的唯一改变。此设计中死空间的量显著减小。图20示出了利用此设计实现的死空间与收集区域216的对比。在该图中，几乎80％的模块面积是收集表面，而仅20％是死空间。如果光收集行被制作得更长而端帽更窄，则收集表面可占据多达95％的模块面积。图21a和21b示出了就损失的光而言的竖直交错与光收集行208的水平间隔之间的并排比较。粗线236表示错过光收集区域的光。
至此还未指定较高行222与较低行224之间的竖直间隙220的尺寸。在所有图中采用的间隙尺寸是光收集行宽度的约30％；然而，在不脱离本公开的范围的情况下，可使用任何其它合适的间隙尺寸。如果行是10厘米宽，则间隙尺寸将被示出为约30毫米。更小的间隙也将是适用的，且内部研究表明：从热散发的观点来看，小至光收集行宽度的6％～10％的间隙将会良好地工作。非常大的间隙导致笨重的设计并且在热散发方面几乎没有优点。然而，可使用任何合适尺寸的间隙，且间隙不必具有相同的尺寸。
两组太阳能收集模块之间的交错还减小了采用菲涅耳透镜的模块中的死空间。图22a和22b示出了以竖直交错模式排列的基于菲涅耳透镜的系统的光收集行198。热可在光收集行之间以及在外侧的周围196上升232。光收集行198被描绘为不具有散热片但是也可具有散热片。在图22b中示出了第一组1000太阳能光收集模块和第二组1002太阳能光收集模块。较高光收集行的外壳238遮蔽240较低光收集行的外壳242。图23示出了使用也可称作支撑件的端帽214组装了行198的模块。两组太阳能收集模块之间的上述交错将相同的热耗散优点扩展到任何基于菲涅耳透镜的系统或任何其它CPV系统。
图24和图25示出了使用Dassault Systèmes S.A.开发的软件COSMOSFloWorks、使用计算流体动力学(CFD)制成的热模型，示出了相同条件下的两个太阳能模块。图24a示出了由光收集行244组成的太阳能模块的横截面，其中光收集行244由光导太阳能光学器件118、PV电池102和铝结构元件246制成并且间隔开4毫米间隙248。还示出了结构粘合剂元件250。除了支撑结构由两个“L”形铝件而不是一个实心件制成以外，行244与图15、16、18、19和21中的光收集行208在效果上相同。图24b示出了计算流体动力学研究的结果，其中图中的彩色表示温度。所述仿真是在以下条件下进行的：环境温度为30℃、无风且空气中湿度为0％。所述仿真假设850瓦/米2的DNI入射到每个都具有0.011米2的上表面积的光导太阳能光学器件上，所述光导太阳能光学器件将该光聚集到具有0.00003米2的面积的小PV电池上。假设光收集行是1.6米长且10厘米宽的，由15个光学器件和PV电池组成。假设光学器件中的因散射和吸收而导致的光损失为25％，这样PV电池处的聚光约为275日照。耦合至每个PV电池的总光功率是7瓦，假设其中30％被转换成电。假设在每个电池处有约5瓦的功率被转换成热。然后，该热经过由氧化铝制成的PCB传导至将热散发至空气中的铝结构元件。PCB与PV电池之间的连接被建模为焊点，而PCB与铝之间的连接被建模为热粘合。在结构铝“L”形件246之间留有4毫米的间隙248。“L”形件246是3毫米厚的。该模型中的最大温度在PV电池自身处达到76.8℃。
图25a示出了由与图24完全相同的光收集行180组成的另一个模块的横截面。以竖直间隙252代替水平间隙来使光收集行交错开。在图25a中示出了第一组1004太阳能收集模块和第二组1006太阳能收集模块。顶部光收集行的与较低光收集行的结构“L”形件246交叠，这样，该构造中有更小的死空间。竖直间隙252约为40毫米。在与图24中所示的模型完全相同的条件下，所达到的最大电池温度仅为69.6℃，这样，由于将光收集行竖直交错开改进了热散发，电池保持变冷7℃以上。此外，消除了因较低光收集行上的“L”形件246和水平间隙248造成的死空间。光收集行可能已被水平地间隔开40毫米以在热方面获得相同的效果，但这将显著增大死空间。基于其它光学器件的系统(比如基于菲涅耳透镜的CPV系统)在热散发能力方面将获得类似的增益。图25b示出了图25a的基于光导太阳能光学器件的模块的计算流体动力学热模型。
将光收集行交错开的另一个优点是大大降低了太阳能模块上的风荷载。CPV模块安装在跟踪器上，跟踪器可将CPV模块精确地定向为面向太阳。风荷载可能造成跟踪器弯曲并使CPV模块不对准。风荷载还对用来维持对准的电动机施加应力，并可能造成大的振动，这可能导致跟踪器的结构损坏。为了消除这一点，跟踪器被制作得很硬，这就钢而言具有高的成本。通过在CPV模块中将光收集行竖直交错开，在模块上并因此在跟踪器上因风产生的力可被减半。通过大大减小风所造成的力，跟踪器框架可被制作得不太硬，从而需要更少的钢并因此成本更低。
图26示出了无太阳能模块的跟踪器254。图27a示出了由以交错式排列来排列的光收集行244制成的太阳能单元256。单元256与模块234的区别在于有10个而不是6个光收集行，且光收集行是10厘米宽×1米长。光收集表面258被填充有阴影标记。图27b示出了包括被覆盖有9个模块256的跟踪器254的太阳能跟踪系统101。图27c示出了跟踪器(在此视角中被隐藏)上的单元256的正面图。光收集表面258被填充有阴影标记，表现出很小的死空间。尽管在图27b中未详细示出，也称作支撑件的端帽214连接至跟踪器254以使得该跟踪器可将端帽214以及固定于它的各组太阳能收集模块定向为面向太阳。端帽214可通过例如粘合剂、紧固器和互链部件的任何合适手段连接至跟踪器254。
图28a示出了1米×1米即与单元256尺寸相同的扁平太阳能板260。扁平板260产生大的连续区域262，它可起到帆的作用并抵御强风。包含交错开的光收集行244的单元256的断开表面允许风穿过表面并因此不起到帆的作用。跟踪器254的表面积仅为9米2；这是小的，但作为示范而示出。在太阳能电厂中使用的普通跟踪器—比如西班牙的Titan Trackers公司制造的跟踪器—具有200米2的模块表面积。
图29示出了20米/秒的风入射在1米×1米的正方形板260上而形成的流线。图30示出了20米/秒的风入射在由间隔开但不交错开的光收集行244制成的模块264上而形成的流线，其中每行是10厘米宽×1米长，并且在模块中有10个光收集行，它们之间有4毫米的间隙。图31示出了20米/秒的风入射在竖直交错地排列有10个光收集行244的单元256上而形成的流线。图29、30和31中的流线上的灰度级代码表示沿着流线和在表面上的气压。与图29中的实心正方形板260相比，图30中的模块264上的光收集行之间的间隙太小以致不能明显地变更气流并且几乎不能扰乱流线型。相比之下，具有交错开的光收集行244的单元256完全变更了气流并导致很不相同的流线型。
比较单个模块上的流线和力给出了使光收集行交错相对于太阳能模块的实心构造的优点的某种提示，而当考虑跟踪器的表面积时，优点甚至进一步增加。跟踪器将许多个模块相组合以覆盖20米2到200米2。为了分析的目的，在20米/秒的风下使用计算流体动力学对10米×10米面积的板进行建模。对于实心板以6毫米的板间间隙、并对于由交错开的光收集行制成的模块创建模型。具有1/4英寸间隙的1米×1米实心板的100米2阵列经受因风产生的49,000牛顿的力。相比之下，由交错开的光收集行制成的模块的100米2阵列经受因风产生的仅18,000牛顿的力。风荷载的该巨大差异使得能够构造笨重程度低得多的跟踪系统。
图32示出了其间有小间隙的1米×1米实心板260的10米×10米阵列268上通过剖视图看到的流线266。图32a示出了流线266和阵列268的缩小图。图32b示出了流线266和阵列268的放大图。板260之间的小间隙270对流线270有某种影响，但是风很大程度上环绕阵列并在阵列之后形成大的涡流272。如图所示，流线上的灰度级代码表示压力。
图33示出了每个都是1米×1米且通过将10厘米宽的光收集行大致交错开40毫米而制成的单元256的10米×10米阵列274上通过剖视图看到的流线。这些单元与图31中所示的单元256相同。图33a示出了阵列274和流线266的缩小图。图33b示出了流线266和阵列274的放大图。通过将光收集行交错开而留下的大的竖直间隔276使得风能够不间断地穿过阵列278。风被扭曲但不形成涡流。在各个光收集行之后可形成小的涡流，但是阵列上因风产生的合力被大大减小。
将光收集行交错开实现了具有更好的热散发和小得多的风阻力的模块。光收集行可略微交叠以削减与模块的结构组件关联的死空间。还有可能制作将平板模块交错开的跟踪器，从而将实现交错的负担转移到跟踪器框架而不是模块结构。这与在模块内将光收集行交错开相同，只是整个模块往往会跨约1米并因此益处变少。
因为模块中光收集行的交错增大了模块的厚度，所以其特别适合于光导太阳能模块。这是因为：与基于菲涅耳透镜的系统不同，光导太阳能模块在开始时是很薄的。这样，模块的最终厚度仍小于大多数CPV模块，约10厘米厚。
图34示出了使用多组太阳能收集模块的交错而构建的光导太阳能模块278的实施例。光收集行280每个都包含15个光学器件118和PV电池接收器组件170，并且是10.5厘米宽×3.3厘米高×1.5米长。以2.5厘米的竖直间隔或气隙、对于总共225个光学器件118和接收器组件170在模块中排列有15个光收集行。总模块是1.5米×1.5米且10厘米厚。图34b示出了横截面图。光收集行280与光收集行208类似，只是它们更长。图34b示出了第一组1008太阳能收集模块和第二组1010太阳能收集模块。如上所述，光收集行可称作太阳能收集模块。
光收集行的宽度和交错高度可变化。认为范围从1到50厘米宽的横向间隙是可行的，并可考虑从小到5毫米至大到光收集器宽度的一半的竖直间隔或气隙。然而，也可使用任何合适的间隙尺寸和交错间隙。在图35中示出了关于交错高度对模型中的最大温度的影响的初步热建模分析。这表明了：热耗散的增益随着竖直气隙高度迅速地发生，并且在气隙高度超过10毫米时对降低最大温度几乎没有影响。
图24和25示出了用于与图34a和34b的实施例光收集行280很类似但不相同的光收集行的、在指定条件下的热耗散的热模型。图36示出了使用具有光收集行280的实施例从计算流体动力学热模型得到的结果。当光收集行280如图36a中那样被略微间隔开4毫米时，所达到的最大温度是74.5℃，当光收集行280竖直交错开38毫米时，所达到的最大温度是67.5℃。竖直交错开的光收集行再次并且一如既往地实现更低的温度和死空间的减小。
在前面的描述中，为了解释的目的，为了提供对本发明的实施例的透彻理解，阐述了众多细节。然而，本领域的技术人员应容易明白，这些具体细节不是实践本发明所必需的。在其它情况下，为了不使本发明晦涩难懂，将众所周知的电结构和电路以框图形式示出。
本发明的上述实施例仅意在举例。在不脱离仅由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员可对特定实施例进行修改和变化。

Claims (24)

1.一种光伏跟踪太阳能捕获和转换系统(101)，包括：
固定至支撑件(109)的第一组(158，222)间隔开的太阳能收集模块(100，112，192，198)；
固定至所述支撑件(109)的第二组(160，224)间隔开的太阳能收集模块(100，112，192，198)，所述第一和第二组太阳能收集模块中的每个太阳能收集模块(100，112，192，198)包括与相应光学光收集元件(108，112，118，120，122)关联的光伏电池(102，170)的阵列，所述第一和第二组太阳能收集模块限定了被气隙分离的两个基本上平行的平面，所述气隙(162)被定尺寸为确保热耗散从而防止所述光伏电池(102，170)过热，所述第一和第二组太阳能收集模块彼此交错开一定量，该交错量允许每个太阳能收集模块的所述光学光收集元件(108，112，118，120，122)被暴露于基本上相等水平的太阳能以便被所述光学光收集元件和关联的光伏电池捕获，其中所述第一和第二组太阳能收集模块(100，112，192，198)的交错定位以及所述两个平行的平面降低了所述太阳能收集模块上的风荷载；以及
跟踪系统(134，136，254)，所述跟踪系统将所述支撑件(109)定向为使所述交错行的太阳能收集模块所捕获的太阳能的量最大化，以对于所述跟踪系统所提供的所述太阳能收集模块的每个位置提供每个光学光收集元件对所述太阳能的最佳暴露并进一步增大光伏电池级的热耗散。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组中的太阳能收集模块处于所述第二组中的太阳能收集模块的上方，以将所述第一组中的太阳能收集模块的影子投在所述第二组中的太阳能收集模块上而又不减少入射在有效光伏电池(102)上的太阳能。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述影子的宽度基本上等于所述第二组中的太阳能收集模块的无效区域的宽度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学光收集元件包括光导(118)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学光收集元件包括菲涅耳透镜(108)。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学光收集元件包括抛物面反射器(120)。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学光收集元件包括卡塞格伦光学器件(122)。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学光收集元件包括第一和第二光学元件(184，206)。
9.一种紧凑的光伏跟踪太阳能捕获和转换系统，包括：
固定至支撑件(109)的第一组太阳能收集模块；
固定至所述支撑件(109)的第二组太阳能收集模块，所述第一和第二组太阳能收集模块中的每个太阳能收集模块包括各自与相应光导光学聚光器关联的光伏电池的阵列，所述第一和第二组中的每个太阳能收集模块与其相应组中的相邻太阳能收集模块间隔开与所述光伏电池的有效区域的宽度加上安装部的宽度基本上相等的距离，所述第一和第二组太阳能收集模块限定了两个基本上平行的平面，所述基本上平行的平面被气隙分离，其中所述第一和第二组中的太阳能收集模块彼此交错开一定量，在不考虑所述光伏电池(102)的相对于所述支撑件(109)为横向的安装部(104，106)所产生的遮蔽区域(164)的情况下，该交错量提供基本上相等的对太阳能的暴露；以及
跟踪系统(134，136，254)，所述跟踪系统将所述支撑件(109)定向为使所述交错行的太阳能收集模块所捕获的太阳能的量最大化，以对于所述跟踪系统所提供的所述太阳能收集模块的每个位置提供每个光学光收集元件对所述太阳能的最佳暴露并进一步增大光伏电池级的热耗散。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一组中的太阳能收集模块处于所述第二组中的太阳能收集模块的上方，以将所述第一组中的太阳能收集模块的影子投在所述第二组中的太阳能收集模块上而又不减少入射在有效光伏电池(102)上的太阳能。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述影子的宽度基本上等于所述第二组中的太阳能收集模块的无效区域的宽度。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述光学光收集元件包括光导(118)。
13.根据权利要求9所述的系统，其中所述光学光收集元件包括菲涅耳透镜(108)。
14.根据权利要求9所述的系统，其中所述光学光收集元件包括抛物面反射器(120)。
15.根据权利要求9所述的系统，其中所述光学光收集元件包括卡塞格伦光学器件(122)。
16.根据权利要求9所述的系统，其中所述光学光收集元件包括第一和第二光学元件(184，206)。
17.一种对聚光式光伏太阳能板中由光学聚光器造成的热积累进行耗散的方法，所述方法包括以下步骤：
提供固定至支撑件(109)的第一组太阳能收集模块；
提供固定至所述支撑件(109)的第二组太阳能收集模块，所述第一和第二组太阳能收集模块中的每个收集模块包括各自与相应光学聚光器关联的光伏电池的阵列，所述第一和第二组太阳能收集模块中的每个太阳能收集模块与其相应组中的另一个太阳能收集模块间隔开与太阳能收集模块的光捕获区域的有效区域的宽度基本上相等的距离，以产生热耗散路径，所述第一和第二组太阳能收集模块限定了被气隙分离的基本上平行的平面，以产生额外的热耗散路径，其中所述第一和第二组中的太阳能收集模块彼此交错开一定量，在不考虑所述光伏电池(102)的相对于所述支撑件(109)为横向的安装部(104，106)所产生的遮蔽区域的情况下，该交错量提供基本上相等的对太阳能的暴露；以及
提供跟踪系统(134，136，254)，所述跟踪系统将所述支撑件(109)定向为使所述交错行的太阳能收集模块所捕获的太阳能的量最大化，以对于所述跟踪系统所提供的所述太阳能收集模块的每个位置提供每个光学光收集元件对所述太阳能的最佳暴露并进一步增大光伏电池级的热耗散。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一组中的太阳能收集模块处于所述第二组中的太阳能收集模块的上方，以将所述第一组中的太阳能收集模块的影子投在所述第二组中的太阳能收集模块上而又不减少入射在有效光伏电池(102)上的太阳能。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述影子的宽度基本上等于所述第二组中的太阳能收集模块的无效区域的宽度。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述光学光收集元件包括光导(118)。
21.根据权利要求17所述的系统，其中所述光学光收集元件包括菲涅耳透镜(108)。
22.根据权利要求17所述的系统，其中所述光学光收集元件包括抛物面反射器(120)。
23.根据权利要求17所述的系统，其中所述光学光收集元件包括卡塞格伦光学器件(122)。
24.根据权利要求17所述的系统，其中所述光学光收集元件包括第一和第二光学元件(184，206)。
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