CN102918660B - 集成光伏模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了光集中光伏系统和方法以解决光学集中器和PV电池组件的性能的潜在退化，无论是由光学集中器内的各种部件(如光导、聚焦元件等)的失配，光学集中器和PV电池之间的失配，还是由任何这种部件内的异常或缺陷引起的性能的潜在退化。在单个设备内，多个光学集中器和对应的太阳光接收器组件(包括PV电池)中的每一个都设置有对应的集成功率效率优化器，以调节PV电池的由于集中器-接收器组件之间的不同的效率而导致的输出电压和电流。
Description
对在先申请的引用
本申请要求2010年4月1日递交的名称为″PhotovoltaicSolarConcentratorwithMultipleOutputPowerConditioningComponentsandFunctionsEmbeddedattheIndividualOpticalPhotovoltaicCellLevel″的美国专利申请No.61/320,149的优先权。
技术领域
本申请涉及太阳能领域。特别地，本申请涉及集中式光伏太阳能系统的优化。
背景技术
尽管太阳能是天然充裕的，但将太阳能有效地用作划算的电力源的能力仍然存在挑战。
太阳能通常由设置在一个或更多个太阳能电池板的大表面区域内的光伏(PV)电池的互连组件捕获，用于发电目的。多个太阳能电池板可以设置成阵列。
在高效太阳能电池板的开发中长期存在的问题在于，当PV电池用作电流源时，由每串PV电池产生的功率受到最差的PV电池的限制。类似地，当太阳能电池板串联连接时，太阳能电池板的阵列受到它的最差的太阳能电池板的限制。因此，典型的太阳能电池板在该太阳能电池板的输出功率不同于该阵列的它支撑的另一个太阳能电池板时会表现不佳。用于转换照射在PV电池、电池板或阵列上的太阳能的能力因此受到限制，并且太阳能电池板的物理完整性由于暴露至由未转换的太阳能引起的耗散的热量而受到妥协。
一串PV电池可能由于制造以及运行和环境条件中的不一致性而彼此不同地运行。例如，制造不一致性可能导致两个相同的PV电池具有不同的输出特性。由PV电池产生的功率还受到诸如阴影和运行温度之类的外部因素影响。因此，为了最有效地利用PV电池，制造厂商基于PV电池的效率、PV电池的预期温度行为和其它特性对每个PV电池进行分级或分类，并形成具有类似(即使不等同)的PV电池效率的太阳能电池板。在构造电池板之前不能以这种方式对电池进行分类会导致电池等级失配和运行差的电池板。然而，这种装配线分类过程是耗时的、昂贵的，并且占据工厂场地上的大的占地面积(因为需要太阳模拟器以及自动分类和分级机器，如场致发光成像系统，来表征PV电池)，但对提高太阳能电池板的效率是至关重要的。
为了提高捕获太阳辐射的效率，光学集中器可以用来收集入射在大的表面区域上的光并将该光引向或集中到小的PV电池上。较小的有效PV电池表面因此可以用来实现相同的输出功率。集中器主要包括用于光的收集和集中的一个或更多个光学元件，如相对于PV电池保持在固定的空间位置并光学耦合至PV电池的孔隙的透镜、镜子或其它光学集中装置。
然而，集中式光伏系统将另一等级的复杂性引至不匹配的PV电池效率问题，因为光学集中器的制造以及运行和环境条件中的不一致性也会使光学模块(该光学模块包括与PV电池光连通的集中器)的性能退化。例如，集中器中的点缺陷、光学集中器和PV电池之间的引起PV电池的有效表面上的太阳的图像的错误指引的角度误差或横向位移、太阳能跟踪误差、雾、灰尘或雪积聚、由于使用年限和暴露至自然元素引起的材料变化、弯曲、散焦和生锈影响光学模块的性能。而且，光学模块的结构可能存在固有的损耗。例如，可能存在通过光学集中器的保护盖的传输损耗、镜面反射损耗、或包括吸收和菲涅耳反射损耗的辅助光学元件损耗。如果太阳能电池板内的光学集中器的效率未得到匹配，则由于不匹配的PV电池特性，如波动电池输出电压和/或电流，电池板或阵列的性能将降低至最差的光学模块的水平。
因此，集中式光伏系统的常规制造需要为了它们的效率和其它PV特性而分类和分级PV电池、分类和分级光学集中器、以及分类和分级光学模块。
因此存在对减少分类或分级过程的需要以降低制造时间和成本的集中式光伏系统和方法的需求。还存在对克服或降低由光学集中器和PV电池功率输出的不规律性引起的性能退化以提高集中式光伏太阳能电池板的效率的需求。而且，集中式光伏部件的模块性会便于集中式光伏系统的维护和修理。
发明内容
提供了光集中光伏系统和方法以解决光学集中器和PV电池组件的性能的潜在退化，无论是由光学集中器内的各种部件(如光导、聚焦元件等)的失配，光学集中器和PV电池之间的失配，还是由任何这种部件内的异常或缺陷引起的性能的潜在退化。在单个设备内，多个光学集中器和对应的太阳光接收器组件(包括PV电池)中的每一个都设置有对应的集成功率效率优化器，以调节PV电池的由于集中器-接收器组件之间的不同的效率而导致的输出电压和电流。
根据接下来的描述、附图和随附权利要求，本文中描述的实施例的其它和可替换特征、方面和优点将变得明显。
附图说明
在仅以举例的方式图示本发明的优选实施例的附图中，
图1为太阳光集中光伏(CPV)模块的实施例的示意图；
图2A为光学集中器的正视图；
图2B为图2A的中间部分的放大视图，图示其中的太阳光至PV电池的传播；
图3为光学集中器的另一个实施例的分解透视图；
图4A-4I图示光学集中器的可替换实施例；
图5A为光学集中器的另一个实施例的正视图；
图5B为图5A的光学集中器的一部分的放大视图；
图6A为完全对准的PV电池上的太阳图像的图示；
图6B为未对准的PV电池上的太阳图像的图示；
图7A为PV电池在各个运行温度处的典型的I-V曲线的图示；
图7B为PV电池在各个运行温度处的典型的P-V曲线的图示；
图8A为接收器组件的实施例的第一侧的平面图；
图8B为包括多芯片式集成功率效率优化器的接收器组件的实施例的第二侧的平面图；
图8C为图7A和7B的接收器组件的实施例的侧视图；
图9为包括集成功率效率优化器片上系统的接收器组件的另一个实施例的平面图；
图10为包括两个单独的印刷电路板的接收器组件的实施例的平面图；
图11A为由辅助PV电池供电的接收器组件的实施例的第一侧的平面图；
图11B为包括多芯片式集成功率效率优化器的、由辅助PV电池供电的接收器组件的实施例的第二侧的平面图；
图12为接收器组件的另一个实施例的第一侧的平面图；
图13为集成功率效率优化器系统的框图；
图14为由光学模块供电的接收器组件的实施例的电路框图；
图15为由光学模块和/或没有电池的辅助电源供电的接收器组件的实施例的电路框图；
图16为由光学模块和/或有电池的辅助电源供电的接收器组件的实施例的电路框图；
图17为具有通信电路的接收器组件的实施例的电路框图；
图18为具有DC/AC逆变器的接收器组件的实施例的电路框图；
图19A为具有AC输出的串联连接的集成CPV模块的框图；
图19B为具有AC输出的并联连接的集成CPV模块的框图；
图20A为具有DC输出的串联连接的集成CPV模块的框图；
图20B为具有DC输出的并联连接的集成CPV模块的框图；
图21为具有DC输出的并联连接的集成CPV模块和二级DC/AC逆变器的框图；
图22为具有DC输出的集成CPV模块的和二级DC/AC逆变器的阵列的框图；
图23A为CPV电池板的实施例的平面图；
图23B为CPV电池串的实施例的平面图；
图23C为集成CPV模块的实施例的分解侧视图；以及
图24为太阳能电池板的透视图。
具体实施方式
本文中描述的实施例提供了通过互连的光伏(PV)电池将太阳能转换为电力的太阳光集中光伏(CPV)设备和方法。这些实施例对来自接收集中的光的PV电池的输出进行局部功率调节，并且从而至少改善现有技术中存在的不便中的一些。
在一种实施例中，提供了一种太阳光集中光伏设备，包括：适于接收输入太阳光的多个光学集中器，每个光学集中器包括具有第一光学效率的至少一个光学元件，并且所述多个光学集中器中的每一个具有对应的第二光学效率；多个太阳光接收器组件，每个太阳光接收器组件包括光伏电池和与所述光伏电池电连通的集成功率效率优化器，光伏电池被设置为接收从所述多个光学集中器中的对应的一个输出的太阳光，集成功率效率优化器被配置为调节所述光伏电池的输出电压和电流，以减少所述多个光伏电池的由于所述多个光学集中器的第二光学效率之间的差异而导致的输出功率损耗，所述多个光学集中器中的每一个的第二光学效率至少依赖于所述至少一个光学元件和用于所述光学集中器的对应的光伏电池的相对定位。
在该实施例的另一个方面中，第一光学效率包括在所述至少一个光学元件处输入的太阳光的量和从所述至少一个光学元件输出的太阳光的量之间的可测量差值；所述至少一个光学元件包括透镜、波导或弯曲反射表面；第一光学效率由所述至少一个光学元件中包括的异常降低，所述异常选自由光学象差、材料吸收，至少一个太阳光照射表面的退化、至少一个太阳光照射表面的形状的变化、光在到达光学元件的输出表面之前的逃逸及其任何组合构成的组；每个第二光学效率依赖于所述至少一个光学元件的第一光学效率；每个第二光学效率随着时间变化；在第二光学效率随着时间变化时，每个集成功率效率优化器连续地调节该集成功率效率优化器电连通的光伏电池的输出电压和电流；所述太阳光接收器组件中的每一个包括支承所述光伏电池和所述集成功率效率优化器的基板，并且其中所述集成功率效率优化器设置成邻近光伏电池；所述集成功率效率优化器中的每一个还包括整流器和DC/DC转换器；所述集成功率效率优化器中的每一个还包括DC/AC逆变器；太阳光接收器组件中的至少一个还包括通信电路；太阳光接收器组件中的至少一个还包括至少一个旁路二极管和旁路控制电路；所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有DC输出的第一级处串联互连，该DC输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成AC；所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有DC输出的第一级处并联互连，该DC输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成AC；所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有DC输出的第一级处以串联和并联的组合互连，该DC输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成AC。
在另一个实施例中，提供了用于由互连的光伏电池的阵列将太阳能转换成电力的方法，该方法包括下述步骤：对于所述阵列中的每一个光伏电池，通过对应的、适于接收输入太阳光的光学集中器接收太阳光，光学集中器包括具有第一光学效率的至少一个光学元件，并且所述多个光学集中器中的每一个具有对应的第二光学效率，所述第二光学效率至少依赖于所述至少一个光学元件和用于所述光学集中器的对应的光伏电池的相对定位；同时调节该阵列中的每个光伏电池的输出电压和电流，以降低该阵列的由于该阵列的第二光学效率之间的差异而导致的输出功率损耗，并采用集成功率效率优化器转换该阵列中的每个光伏电池的输出功率，所述集成功率效率优化器中的每一个与光伏电池中的对应的一个电连通；以及合并从每个集成功率效率优化器转换的输出功率。
在该实施例的其它方面中，第一光学效率包括在所述至少一个光学元件处输入的太阳光的量和从所述至少一个光学元件输出的太阳光的量之间的可测量差值，并且第一光学效率由所述至少一个光学元件中包括的异常降低，所述异常选自由光学象差、材料吸收，至少一个太阳光照射表面的退化、至少一个太阳光照射表面的形状的变化、光在到达光学元件的输出表面之前的逃逸及其任何组合构成的组；第二光学效率依赖于所述至少一个光学元件的第一光学效率，并且其中当从其接收集中的太阳光的光学集中器的第二光学效率随着时间变化时，随着时间连续地调节每个光伏电池的输出电压和电流；调节该阵列中的每个光伏电池的输出电压和电流的步骤包括检测每个所述光伏电池的输出电流和输出电压，并将输出电流或输出电压中的一个锁定至最大功率点。
在另一个实施例中，提供了一种太阳光集中光伏设备，包括：适于接收输入太阳光的多个光学集中器，每个光学集中器包括具有第一光学效率的至少一个聚焦元件和具有第二光学效率的至少一个光导，所述至少一个光导光耦合至所述至少一个聚焦元件，所述多个光学集中器中的每一个具有对应的第三光学效率；多个太阳光接收器组件，每个太阳光接收器组件包括光伏电池和与所述光伏电池电连通的集成功率效率优化器，光伏电池被设置为接收从所述多个光学集中器中的对应的一个输出的太阳光，集成功率效率优化器被配置为调节所述光伏电池的输出电压和电流，以减少所述多个光伏电池的由于所述多个光学集中器的第三光学效率之间的差异而导致的输出功率损耗，所述多个光学集中器中的每一个的第三光学效率至少依赖于所述至少一个聚焦元件、所述光学集中器的所述至少一个光导和用于所述光学集中器的对应的光伏电池的相对定位。
在该另一个实施例的其它方面中，第一光学效率包括在所述至少一个聚焦元件处输入的太阳光的量和从所述至少一个聚焦元件输出的太阳光的量之间的可测量差值；所述至少一个聚焦元件包括透镜或弯曲反射表面；第一光学效率由所述至少一个聚焦元件中包括的异常降低，所述异常选自由光学象差、材料吸收，至少一个太阳光照射表面的退化、至少一个太阳光照射表面的形状的变化及其任何组合构成的组；第二光学效率包括在所述至少一个光导处输入的太阳光的量和从所述至少一个光导向光伏电池输出的太阳光的量之间的可测量差值；第二光学效率由所述至少一个光导中包括的异常降低，所述异常选自由光学象差、材料吸收，至少一个光照射表面的退化、至少一个光照射表面的形状的变化、光从所述至少一个光导的提前逃逸及其任何组合构成的组；每个第三光学效率依赖于所述至少一个聚焦元件的第一光学效率；每个第三光学效率依赖于第一光学效率和第二光学效率；每个第三光学效率随着时间变化；在第三光学效率随着时间变化时，每个集成功率效率优化器连续地调节该集成功率效率优化器电连通的光伏电池的输出电压和电流；所述太阳光接收器组件中的每一个包括支承所述光伏电池和所述集成功率效率优化器的基板，并且其中所述集成功率效率优化器设置成邻近光伏电池；所述集成功率效率优化器中的每一个由至少一个对应的辅助光伏电池供电；所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有DC输出的第一级处串联互连，该DC输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成AC；所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有DC输出的第一级处并联互连，该DC输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成AC；所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有DC输出的第一级处以串联和并联连接的组合互连，该DC输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成AC；太阳光接收器组件中的至少一个的集成功率效率优化器包括片上系统。
在又一个实施例中，提供了一种用于由互连的光伏电池的阵列将太阳能转换成电力的方法，该方法包括下述步骤：对于所述阵列中的每一个光伏电池，通过对应的、适于接收输入太阳光的光学集中器接收太阳光，光学集中器包括具有第一光学效率的至少一个聚焦元件和具有第二光学效率的至少一个光导，所述至少一个光导光耦合至所述至少一个聚焦元件，并且所述多个光学集中器中的每一个具有对应的第三光学效率，所述第三光学效率至少依赖于所述至少一个聚焦元件、所述光学集中器的所述至少一个光导和用于所述光学集中器的对应的光伏电池的相对定位；同时调节该阵列中的每个光伏电池的输出电压和电流，以降低该阵列的由于该阵列的第三光学效率之间的差异而导致的输出功率损耗，并采用集成功率效率优化器转换该阵列中的每个光伏电池的输出功率，所述集成功率效率优化器中的每一个与光伏电池中的对应的一个电连通；以及合并从每个集成功率效率优化器转换的输出功率。
在该实施例的其它方面中，第一光学效率包括在所述至少一个聚焦元件处输入的太阳光的量和从所述至少一个聚焦元件输出的太阳光的量之间的可测量差值；并且第二光学效率包括在所述至少一个光导处输入的太阳光的量和从所述至少一个光导输出的太阳光的量之间的可测量差值；每个第三光学效率依赖于第一光学效率和第二光学效率；和/或调节该阵列中的每个光伏电池的输出电压和电流的步骤包括检测每个所述光伏电池的输出电流和输出电压，并将输出电流或输出电压中的一个锁定至最大功率点。
在又一个实施例中，提供了包括上述任一个太阳光集中光伏设备的太阳能电池板。
本文中的实施例因此提供包括多个光学集中器的CPV设备，其中所述多个光学集中器耦合至PV电池。可以包括任何数量的PV电池。为每个PV电池提供新颖的集成功率效率优化器(IPEO)，以降低所述多个光伏电池的输出功率功耗并转换单个PV电池基底上的功率。以这种方式，可以由经历影响集中器和PV电池的性能的内部和/或外部条件的每个PV电池产生恒定电压或输出电流。
在一些实施例中，CPV设备可以被设置为太阳能PV电池板，并且可以包括数个模块，每个模块包括光学集中器、PV电池和IPEO，每个模块单独地运行以提供该太阳能PV电池板的最大总功率输出，该最大总功率输出基本上独立于每个光学集中器或PV电池的个体性能或效率的固有波动。在一些实施例中，每个集中器的输出光学效率会受到下述非详尽的环境因素中的一个或更多个的变化的影响：阴影、灰尘、跟踪误差和雪。同样，在一些实施例中，每个光学集中器的输出光学效率会受到下述非详尽的因素中的一个或更多个的异常或变化的影响：光学传输，光学或材料吸收，折射率的变化，反射系数，表面损坏，雾，相对角位移或横向位移，表面形状的弯曲或其它变化，以及散焦。
在一些实施例中，任何已知类型的单结或多结PV电池可以与集中器和IPEO协同使用。
在太阳田或其它环境中可以采用根据本文中描述的实施例的单个集中太阳能PV电池板，或多个集中太阳能PV电池板。
在一些实施例中，根据其预期应用选择单个集中太阳能PV电池板中的集中器的数量和PV电池的数量之比。而且，在每个集中太阳能PV电池板中，每个IPEO可以连接至单个对应的PV电池，而在其它实施例中，一个IPEO可以连接至数个对应的PV电池。
在一些实施例中，为作为片上系统(SoC)的CPV模块设置IPEO。同样，在一些实施例中，IPEO连接至位于CPV模块的集中器下面的平面中的IPEO支撑装置。在其它实施例中，IPEO可以连接至位于与PV电池相同的平面中的IPEO支撑装置。
太阳能PV电池板中使用的光学集中器可以为任何已知的实际类型，如反射性、折射性、衍射性、全内反射(TIR)波导和发光光学元件。该电池板还可以设置有单轴或双轴太阳能跟踪系统。在其它实施例中，该电池板可以包括连接至每个集中器的光学跟踪系统。
用于每个CPV模块的集中程度可以被选择为具有低范围(如，2-20X)，中间范围(如，20-100X)或高范围(如，100-1000X)。在一些实施例中，每个光学集中器包括单个光学部件。在其它实施例中，每个光学集中器包括数个光学部件。
本发明的实施例可以具有上述方面中的一个或更多个，但没有必要包括本文中描述的上述方面或目标中的全部，无论是明示还是暗示。本领域技术人员将会理解，本文中描述的实施例的一些方面可能源自试图获得本文中暗示地或明确地描述的目标，但可以不满足这些明示或暗示目标，并且相反可以获得未在本文中详述或暗示的目标。
图1和23C图示可以用于本文中描述的实施例的类型的集成CPV模块2。集成CPV模块2主要包括光学模块16，光学模块16又包括太阳光光学集中器4和光耦合至光学集中器4以从光学集中器4接收集中的太阳光的PV电池6。在集成CPV模块2中，PV电池6本身集成在太阳光接收器组件10中，与集成功率效率优化器(IPEO)8电连通。
光学集中器主要包括用于光的收集和集中的一个或更多个光学元件，如相对于PV电池保持在固定的空间位置并光耦合至PV电池的有效表面的包括透镜和镜子的聚焦元件、光或波导、以及其它光学集中装置。光学元件的示例包括温斯顿锥体、菲涅耳透镜、透镜和附属光学元件的组合、全内反射波导、发光太阳能集中器和镜子。
集成CPV模块2的光学集中器可以包括用于收集、集中和重定向入射光到PV电池6上的单个光学元件或数个光学元件。在图4B-4D中图示了单光学元件组件。图4B的光学集中器220包括全内反射波导，该全内反射波导接收入射在该波导的一个或更多个表面222上的光并通过全内反射在出射表面224处将光引导至PV电池6。图4C的光学集中器230包括菲涅尔透镜，其将入射在第一表面232上的光朝向被保持与菲涅尔透镜230的与第一表面232相反的第二表面234成固定关系的PV电池6重新定向。图4D的光学集中器240为抛物面型反射镜，其中PV电池被保持在该反射镜的焦点处。
以下参照图2A、2B、3、4E-4I、5A和5B，以及2008年5月1日递交的、名称为″Light-GuideSolarPanelAndMethodOfFabricationThereof″的美国专利申请公开No.2008/0271776，2010年2月12日递交的、名称为″Light-GuideSolarPanelAndMethodOfFabricationThereof″的美国专利申请公开No.2011/0011449，2010年1月26日递交的、名称为″StimulatedEmissionLuminescentLight-GuideSolarConcentrators″的美国临时专利申请No.61/298,460描述多光学元件组件的实施例，通过引用将这些美国专利申请的全部内容结合于此。
图4E的太阳光集中部件250包括主光学元件252和副光学元件254。主光学元件252可以为将入射光向副光学元件254反射的穹顶形反射镜。副光学元件254又将向安装至穹顶的基底的PV电池6反射光。
包括将太阳光聚焦成光束的聚焦元件的光学集中器4，如图4F、4G和4H的示例中的那些光学集中器，还可以包括相对小的光导236和256。光导236和256位于聚焦元件的焦平面中并光耦合至聚焦元件230，250，以将光进一步引向PV电池6，如图4F，4G和4I所示。
参照图2A和2B，光学集中器4可以包括主光学元件和副光学元件24，主光学元件在此包括聚焦元件或光插入级20和光波导级22。光插入级20和光波导级22中的每一个都可以由任何适合的透光材料制成。适合材料的示例可以包括任何类型的聚合物或丙烯酸玻璃，如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，其具有约1.49的折射率，用于光谱中的可见光部分。
光插入级20接收照射在光插入级20的表面21上的太阳光1，并将太阳光1引向光学元件，如反射镜30，其优选通过全内反射将入射太阳光引入光波导或光导级22。反射镜30可以由界面或边界29限定，界面或边界29位于光插入级20的透光材料和邻近每个边界29的第二介质31之间。第二介质31可以包括空气或任何适合的气体，虽然可以选择具有合适的折射率的其它材料。边界29相对于照射的太阳光1的角度以及光插入级20的透光材料的折射率与第二介质31的折射率之比可以被选择为使得照射的太阳光1经历大致全内反射或全内反射。边界29相对于照射太阳光1的角度可以在从临界角至90°的范围内，如从垂直于边界29的表面测量的。例如，对于PMMA-空气界面，该角度的范围可以为从约42.5°至90°。如此限定的反射镜30的形状可以形成为如同抛物面型反射镜，但也可以具有其它合适的形状。
如图2B所示，太阳光随后在光波导级22中向边界32传播，边界32弯曲使得照射在其上的太阳光1由于邻近光波导级22的边界32的另一种介质26而再次经历全内反射。太阳光1随后向邻近光插入级20的表面传播，在那里它再次经历全内反射或大致全内反射。太阳光1通过连续的内反射继续传播通过光波导级22，向定位在光波导级22中的太阳光的进入点的“下游”的输出界面34传播。在形成为大致方形或圆形形式的光学集中器4的实施例中，采用设置在整个光插入级20上的大致圆形同心反射镜30，输出界面34可以被限定为集中器4的中心处的小孔。
太阳光随后在输出界面34处退出光波导级22并进入副光学元件24，副光学元件24为第二聚焦元件24并与输出界面34光连通且引导和聚焦太阳光到PV电池(图2中未示出)的有效表面上。副光学元件可以包括用于将入射光引向PV电池的抛物面型耦合镜28。PV电池可以与副光学元件24对准以在该电池的中心点处或附近接收聚焦的太阳光。副光学元件24还可以在光波导级22和PV电池6之间提供隔热。
在图3中图示的实施例中，类似于图2的光插入级20和光波导22的光插入级120和光波导级122能够与类似于图2的副光学元件24的副光学元件124一起安装在托盘126中，托盘126为大致平坦的级120，122以及副光学元件124和PV电池6提供支撑。第二介质131可以为光波导级122的材料并且可以与光波导级122成一体，在光波导级122的邻近插入级120的表面上形成凸纹。在上文参照图2A和2B描述了光插入级120、光波导级122和副光学元件124。PV电池6可以固定地安装至托盘126以维持它与副光学元件124的对准。托盘126可以由与级120、122相同的透光介质形成，并且可以包括用于安装在太阳能电池板上的装置。
在另一个实施例中，图4A中的在2008年5月1日递交的美国专利申请公开No.2008/0271776中描述的光学集中器202包括设置成与波导206成固定关系的一系列透镜204。入射光1由透镜204聚焦到设置在波导206的表面212处的界面208上，并通过全内反射重新定向至出射界面210，并且可选地在将光1聚焦和集中在PV电池(未示出)上之前传播通过其它光学元件。
可替换地，如图5A和5B所示，多个太阳光集中部件250可以设置为光插入级，其中代替具有安装至穹顶的基部的PV电池，反射镜262设置为在光导258的插入表面260处将光引入光导258。太阳光1随后在光导258中向着面向光插入级的表面264传播，表面264弯曲使得照射在其上的太阳光1再次经历全内反射。太阳光1随后向边界266传播，在那里它再次经历全内反射或大致全内反射。太阳光1通过连续的内反射继续传播通过光波导级258，向太阳光进入光导258的点的“下游”的输出表面268传播。集中的太阳光因此被引导至定位在光导258的输出表面268处的PV电池6上。
聚焦元件因此可以为折射性光学元件，如图2A，2B，3，4A，4C和4F的示例中那样，或者可以为反射性光学元件，如图4D，4E，4H，5A和5B的示例中那样。
如本领域技术人员将认识到的那样，所使用的光学集中器可以为任何已知的、实际类型的。可以使用的光学集中器4的类型的其它示例包括温斯顿锥体和发光太阳能集中器。
通过光学集中器4实现的集中度是基于本领域已知的多种因素选择的。集中度可以在低范围(如，2-20suns)、中范围(如，20-100suns)或高范围(如，100suns和更高)中。
在前述实施例中的多个中，PV电池6可以与光学集中器4集成在一起以提供容易组装的光学模块16，如在图3的示例中一样。PV电池6可以为多结电池(如双结或三结电池)，以改善频率范围内的入射太阳光的吸收，虽然也可以使用单结电池。PV电池6可以具有单个或多个有效表面。在一些实施例中，太阳能电池上的正负触点通过跨接线电连接至导电迹线，如下文进一步详细描述的那样。
如上文描述的光学模块16的效率基本上由光学集中器4和PV电池6的效率决定。通常，PV电池6以结合量子效率的光伏效率和它的电效率为特征。光学集中器以光学效率为特征。
两个部件的效率依赖于内部和外部因素二者，并且整个光学模块16的效率可能受到其它因素的影响。在光学集中器的情况中，设计、制造和材料误差，以及运行和环境条件可能导致集中器以及整个模块的退化。例如，集中器的一个或更多个光学元件中的可能在制造期间引入的点缺陷将降低集中器的效率。因此每个光学元件至少具有给定的光学效率，其可以包括在光学元件处输入的太阳光的量和从光学元件输出的太阳光的量之间的可测量差值。在包括一个或更多个聚焦元件和一个或更多个光导的多光学元件集中器的实施例中，每个聚焦元件将具有第一光学效率，每个光导将具有第二光学效率。在具有单个光学元件的光学集中器中，单个光学效率可以与之相关联。
光学元件的可能在制造、运输或者设置在场地中引入的角度误差或横向位移也将影响整个集中器的光学效率。即使没有外部影响，也会遇到由诸如镜面反射率、吸收和菲涅耳反射之类的因素导致的传输损耗。在多光学元件集中器4的情况中，光学元件的不重合和其它因素影响光学集中器4的第三光学效率。
在光学模块16本身内，集中器4和PV电池6之间的不重合会导致聚焦光300在PV电池6上远离PV电池6的最灵敏的中间区域(如图4F和6A所示)和朝向边缘(如图4G和6B所示)的错误指向。集中器4和PV电池6之间的这种不重合也会影响多光学元件集中器4的第三光学效率，或者引入单光学元件集中器4的另一种光学效率。在用于光学模块16的太阳能跟踪系统出现故障时也会引入错误指向。而且，关于所有部件，老化和诸如灰尘、雾和雪之间的环境条件通常不利地影响部件材料并且导致性能随着时间退化。
与聚焦元件和波导相关的确定它们中的每一个的光学效率的设计、制造和材料误差会混合，并且会导致光学集中器4的误差。单光学元件集中器4的第二光学效率因此可能依赖于第一光学效率。类似地，多光学元件集中器4的第三光学效率可能依赖于第一光学效率和/或它的构成光学元件(在上文实施例中它的构成光学元件为聚焦元件和光导)的第二光学效率。
而且，PV电池6本身的制造和性能的变化会不利地影响效率。图7A和7B图示太阳能电池的输出电流-输出电压特性(I-V曲线)和输出功率-输出电压特性(P-V曲线)如何可以分别在不同的运行温度处变化。已知的是，每个PV电池具有它们自己的最佳的工作点，称为最大功率点(MPP＝IMPP·VMPP)，其高度依赖于PV电池上的温度和入射光并且随着使用年限而变化。PV电池的组件也具有依赖于其构成PV电池的MPP的MPP。
总而言之，多种因素，包括内部的和环境的，都会不利地影响任何CPV模块的整体效率，并且可以在组成成串88的集中器4、太阳能电池板14或阵列中形成光学效率范围。如果太阳能电池板14内的光学集中器的效率未得到匹配，则电池板或阵列的性能将降低至最差光学模块的水平。虽然这些因素中的一些通过如上所述的在制造阶段的分级和分类而是可控的或至少可以管理的，但仍然存在在运输或安装工艺期间，或者甚至在现场使用期间将引入其它失配的可能性，而在运输或安装工艺期间或者在现场使用期间进一步的分级或分类可能是不实际的。甚至最初匹配非常好的模块的串或阵列的性能也会由于制造之后引入的变化或缺陷而退化。因此，整体上光学元件和集中器的光学效率随着时间变化。
为了解决这些可能的缺陷中的一些，诸如DC-DC转换器之类的功率调节器可以被设计为跟踪太阳能电池板或PV电池串的MPP。这种工具已知为最大功率点跟踪器(MPPT)。包括MPPT的功率调节器通常定位在太阳能电池板的接线箱或接线盒中。找到能够匹配来自太阳能电池板的变化的输出功率的、诸如MPPT或换流器之类的功率调节器是极其困难的、耗时的和昂贵的；在一些情况中，可能不存在用来转换这种不规律的功率水平的装置。在PV电池失配的情况中，输出功率在太阳能电池板中将极大地不同，因此需要功率调节器匹配每个单独的太阳能电池板或MPPT的输出。
因此，在如1所示的集成CPV模块2的实施例中，接收器组件10设置有由PV电池6和IPEO8二者，PV电池6和IPEO8用于同时调整PV电池的输出电压和电流，以降低多个光伏电池的由于光学集中器的第二光学效率之间的差异和PV电池输出功率的功率转换而导致的输出功率损耗。因此，IPEO8可以逐个电池地将光学模块的输出锁定至恒定电压和/或恒定电流-MPP电压、VMPP，和/或MPP电流，IMPP-从而基板上减少或消除集中器4或PV电池6的光学效率和/或光伏效率的变化的不希望的影响。通过以这种方式提供PV电池电平优化，包括多个模块16的电池板、串或阵列中的个体光学模块16之间的由制造前或后、运输、安装或现场使用事故引起的变化的影响将被减少，从而改善电池板、串或阵列的整体性能。
接收器组件10可以紧凑地和便利地设置在单个集成组件中。参照图8A，接收器组件10可以设置在印刷电路板上。在一种实施例中，PV电池6固定至电路板的基板40，并在其正负触点90处由跨接线92电连接至印刷在基板40上的正负导电迹线42，44。基板40还支撑与PV电池6电连通的IPEO8。接收器组件10可以具有通路46。以这种形式，接收器组件10例如可以支撑在图3中图示的光学模块的托盘126中，夹在图4中图示的集中器的光学部件之间，或相对于图4A-4H中示出的多个集中器安装。
IPEO8因此可以为其上设置IPEO8的同一接收器组件10的单个PV电池6提供MPPT和功率转换。在一种实施例中，IPEO8包括用于执行MPPT的控制电路或片上系统(SoC)控制器。在图8A的实施例中，PV电池6固定至基板40的第一面，虽然在其它实施例中，如在图8B和8C中示出的实施例中，IPEO8可以固定至基板40的与其上安装PV电池6的一面相反的第二面。在这些实施例中，IPEO8包括采用数个集成电路(IC)芯片48和/或诸如热沉(未示出)之类的无源部件实现的专用控制电路以提供鲁棒控制器。该实施例还提供两个通路46；一个通路46穿过一个导电迹线42，44。
在图9和12中示出的可替换实施例中，除了IPEO8包括单个SoC38并且还可以包括凹口无源部件(未示出)之外，接收器组件10基本上类似于图8A和8B中示出的接收器组件。SoC38可以为微控制器。SoC38的使用可以降低成本并便于集成CPV模块的制造。
在其它实施例中，如图10中所示，IPEO8可以安装在形成为接收器组件10的一部分的单独的印刷电路板41上。IPEO8经由引线47与PV电池6电连通。
IPEO8接收从PV电池6传输的电力，跟踪光学模块16的MPP，并将输入功率50转换成恒流或恒压电压52。IPEO8系统因此包括MPPT控制器54和功率转换控制器56，并且还可以包括旁路控制器58、通信控制器60、系统保护电路64和/或辅助电源62，如图13所示。可以用来实现IPEO8的电路配置的示例在图14-18的框图中示出。
MPPT控制器54通过采用传感器66、68检测输入电压和电流并分析来自PV电池的输入电压和电流而跟踪MPP，并将输入电压和电流锁定至光学模块的MPP。可以使用任何合适的MPPT控制算法18。MPPT控制算法的示例包括：扰动和观测，递增传导，恒压，和电流反馈。
功率转换控制器56可以包括整流器和DC/DC转换器82，整流器和DC/DC转换器82用来将变化的非恒定电流和非恒定电压输入转换成用于供给至电力总线的恒定电压或恒定电流。可替换地，功率转换控制器56可以包括用来将直流(DC)输出转换为交流(AC)的AC/DC换流器84，如图16所示。
在具有用于集成CPV模块的串联连接的一个或更多个旁路二极管59的实施例中，旁路控制器58控制旁路二极管59。在光学模块16产生太少的将被转换的功率时，启用旁路二极管59。
任何电源可以向接收器组件10上的有源部件供电。在一种实施例中，辅助电源，如一个或更多个电池76，可以用来给接收器组件10的有源部件供电。为了利用集成CPV模块的光学元件，电池76可以由来自一个或更多个辅助PV电池36(如图11A和11B所示)的被转换成电力的太阳能充电。可替换地，电池76可以由系统的电源总线充电。所述电池76中的一个或更多个可以为机载电池，并且辅助PV电池36可以被放置为捕获光学集中器4的主光学元件或副光学元件下面的散射光。辅助电源62可以包括辅助功率控制器以控制电力从装载电池、电力总线和/或或直接从辅助PV电池36至芯片48或SoC38的供给。
系统保护电路64可以包括低压切断(UVLO)和过压切断(OVLO)电路70、用于电涌和限流保护的输入和输出滤波器72，74。
IPEO8还可以具有通信电路78，通信电路78包括通信控制器60和通信总线80(其实施例在图17中示出)，用于IPEO8内的控制信号和数据与其它集成CPV模块和/或中央控制器的通信。所传输的数据可以为测量数据，如性能指示器和所产生的功率。
集成CPV模块2可以如图19A，20A和23B所示的那样串联，或者如图19B和20B所示的那样并联。如图22所述，串联连接的集成CPV模块2的串88也可以与其它串88并联连接，以形成集成CPV模块2的矩阵或阵列，如图19所示。采用处于转换的第二级的DC/AC逆变器86，可以将由具有位于第一级的DC输出的互连集成CPV模块2产生的功率转换成AC，如图21和22所示。
太阳能电池板14可以包括互连集成CPV模块2的阵列，如图23A和24所示。太阳能电池板14可以包括任何数量的集成PV模块2。事实上，并不是太阳能电池板14的所有的PV电池6都需要与光学集中器4连接在一起。给定太阳能电池板14上的光学集中器4的数量和PV电池6的数量之比是基于其应用选择的。在一些实施例中，每个PV电池6连接至IPEO8。在其它实施例中，数个光学模块16或PV电池6可以连接至单个IPEO，使得太阳能电池板14具有比PV电池6少的IPEO8。然而，后一实施例将不能实现太阳能电池板14的最佳性能，虽然它们的制造将可能不贵。
包括集成CPV模块2的太阳能电池板14可以连接具有一个或更多个轴的太阳能跟踪系统。此外或可替换地，太阳能电池板14可以包括连接至每个光学集中器的太阳能跟踪系统。
包括集成CPV模块2的太阳能电池板14可以独自工作，或者如图23A所示与太阳田或其它环境中的数个其它太阳能电池板协作工作。所述其它太阳能电池板可以包括或可以不包括集成CPV模块2。
对本领域技术人员来说将会明显的是，虽然本文中描述的实施例中的多个包括光学集中器4，但接收器组件10也可以在没有光耦合至PV电池6的集中器的情况下工作。
虽然已经因此以举例的方式描述了本发明的多个实施例，但对本领域技术人员来说将会明显的是，可以进行不偏离本发明的变化和修改。本发明包括落入随附权利要求的保护范围之内的所有这种变化和修改。
Claims (16)
1.一种太阳光集中光伏设备，包括多个集成集中光伏(CPV)模块，每个集成集中光伏模块包括：
适于接收输入太阳光的光学集中器，所述光学集中器包括至少一个光学元件，所述光学集中器具有对应的光学效率；
太阳光接收器组件，所述太阳光接收器组件包括光伏电池和与所述光伏电池电连通的集成功率效率优化器，所述光伏电池被设置为接收从所述光学集中器输出的太阳光，所述集成功率效率优化器被配置为调节所述光伏电池的输出电压和电流，以减少所述多个集成集中光伏模块的光伏电池的由于所述多个集成集中光伏模块的光学集中器的对应的光学效率之间的差异而导致的输出功率损耗，
所述多个集成集中光伏模块的光学集中器中的每一个的对应的光学效率至少依赖于所述光学集中器的至少一个光学元件和用于所述光学集中器的对应的光伏电池的相对定位。
2.根据权利要求1所述的太阳光集中光伏设备，其中所述至少一个光学元件包括具有第一光学效率的至少一个聚焦元件和具有第二光学效率的至少一个光导，所述至少一个光导光学地耦合到所述至少一个聚焦元件，并且所述第一光学效率包括在所述至少一个聚焦元件处输入的太阳光的量和从所述至少一个聚焦元件输出的太阳光的量之间的可测量差值。
3.根据权利要求2所述的太阳光集中光伏设备，其中所述至少一个聚焦元件包括透镜或弯曲反射表面。
4.根据权利要求2或3所述的太阳光集中光伏设备，其中所述至少一个聚焦元件中包括的异常使所述第一光学效率降低，所述异常选自由光学象差、材料吸收、至少一个太阳光照射表面的退化、至少一个太阳光照射表面的形状的变化及其任何组合构成的组。
5.根据权利要求2或3所述的太阳光集中光伏设备，其中所述第二光学效率包括在所述至少一个光导处输入的太阳光的量和从所述至少一个光导输出的太阳光的量之间的可测量差值。
6.根据权利要求2或3所述的太阳光集中光伏设备，其中所述至少一个光导中包括的异常使所述第二光学效率降低，所述异常选自由光学象差、材料吸收、至少一个太阳光照射表面的退化、至少一个太阳光照射表面的形状的变化、光从所述至少一个光导的过早的逃逸及其任何组合构成的组。
7.根据权利要求2或3所述的太阳光集中光伏设备，其中每个对应的光学效率依赖于至少一个聚焦元件的第一光学效率。
8.根据权利要求2或3所述的太阳光集中光伏设备，其中每个对应的光学效率还依赖于第二光学效率。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳光集中光伏设备，其中每个对应的光学效率随着时间变化。
10.根据权利要求9所述的太阳光集中光伏设备，其中在对应的光学效率随着时间变化时，每个集成功率效率优化器连续地调节与该集成功率效率优化器电连通的光伏电池的输出电压和电流。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳光集中光伏设备，其中所述太阳光接收器组件中的每一个包括支承所述光伏电池和所述集成功率效率优化器的基板，并且其中所述集成功率效率优化器设置成邻近光伏电池。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳光集中光伏设备，其中所述集成功率效率优化器中的每一个由至少一个对应的辅助光伏电池供电。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳光集中光伏设备，其中所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有直流输出的第一级处串联互连，该直流输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成交流。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳光集中光伏设备，其中所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有直流输出的第一级处并联互连，该直流输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成交流。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳光集中光伏设备，其中所述多个太阳光接收器组件的集成功率效率优化器在具有直流输出的第一级处以串联和并联组合的方式互连，该直流输出由第二级处的DC/AC逆变器转换成交流。
16.一种太阳能电池板，包括权利要求1所述的太阳光集中光伏设备。
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