CN103026496A - 单片式光伏太阳能集中器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光伏太阳能收集和集中装置，其由耦合到光伏电池的固体的单件透光非成像光学元件构成。光伏太阳能收集和集中装置具有包括聚焦元件的进入表面和包括未涂覆反射器元件的相对表面。通过全内反射由反射器元件将聚焦的太阳光直接地引向光伏电池，而没有来自入射表面的任何反射。基于全内反射并与收集和集中光学元件成一体的附加的重定向元件用来将来自反射器元件的太阳光耦合到定位在平行于进入表面的平面中的光伏电池。
Description
相关申请的交叉引用
根据35U.S.C.s.119(e)，本申请要求2010年6月11日提交的美国临时申请号61/354,039以及2010年8月17日提交的美国临时申请61/374,499的优先权，通过引用将这两个申请结合于此。
技术领域
本发明涉及集中型光伏太阳能收集装置。更具体地说，本发明涉及使用基于全内反射的光导的低集中度太阳能收集光伏装置。
背景技术
光伏(PV)太阳能收集装置用于从太阳能中产生电力。平板型收集器一般地包括形成在半导体基板(例如，单晶硅、多晶硅或诸如碲化镉的薄膜材料)上的PV电池阵列。来自平面型光伏收集器的电能输出是该阵列的面积的直接函数，从而需要大型昂贵的半导体基板。
通过使用例如反射器或透镜的各种光学元件，该光学元件聚焦和引导太阳光到用于放置小得多的PV电池的较小的区域上，集中型太阳能收集器减少对大型半导体基板的需要。以这种方式，集中型太阳能收集器通常更有效，并且成本低于平板型收集器。
根据输入太阳能收集面积与在PV电池的水平处的输出集中太阳光点的尺寸之间的比率，光学集中器可以提供如2X-10X-20X的低集中度和如高达500X-1000X-2000X的高集中度。
低集中度光伏太阳能收集器是已知的。使用光导光学元件的低集中度光伏太阳能收集器是已知的。使用基于全内反射(TIR)的光导光学元件的低集中度光伏太阳能收集器也是已知的。由太阳能聚焦部件和单独的光导组成的基于TIR的低集中度光伏太阳能收集器也是已知的。在这方面，参考Ghosh的US2011/0096426和Ford的WO2010/033859。在这两个参考设计中，在波导中的单独的聚焦元件和反射器之间的对准问题在制造和运行中产生效率问题。使用具有在整个表面上的聚焦元件和在单独表面上的镜面涂覆反射器的、不是基于TIR的光导的单片或单块式低集中度光伏太阳能收集器也是已知的。在这方面，参考US2007/0251568。在这个设计中，镜面涂覆反射器的使用变成不仅是制造和成本的问题，而且还是输出效率的问题，因为镜面涂覆层不得不在每个位置处在本地太阳光谱范围内都具有高的反射率，它引起固有损耗并且容易衰减。如果衰减在一电池板的单个集中器之间是不同的，则该电池板的总输出将由最低性能的反射器确定。
需要新的和改进的低太阳能光伏集中器，其不仅实现更高的性能，而且制造、维护、运营和服务还更简单且具有成本效益。
发明内容
本发明涉及由固体单件透光光学元件构成的非成像太阳能集中器，具有包括聚焦元件的进入表面和与进入表面相对的台阶形表面，该台阶形表面包括对应于聚焦元件的光反射器和与集中器耦合的太阳能电池。根据本发明的一个实施例，到达太阳能电池的太阳光从反射器直接地耦合在PV电池上，所述反射器在一角度下相对于聚焦元件定位，以确保由反射器聚焦的太阳光进行全内反射，并且因此无需使用反射涂层。根据本发明的另一个实施例，到达太阳能电池的太阳光通过为集中器的一部分的附加光学元件从反射器耦合在PV电池上。根据本发明的另一个实施例，所述附加光学元件基于全内反射操作。
太阳能电池可以是硅或多结型光伏(PV)电池。
附图说明
参照附图，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为根据本发明的实施例的线性太阳能集中器和PV电池的示意性等距视图；
图2是图1的实施例的示意性剖视图，示出被选择用于说明目的的光束；
图3是图2的由标号3表示的部分的放大图；
图4是与图1相似的视图，添加附图标记以显示第一实施例的尺寸；
图5是根据本发明的另一个实施例的双面型线性太阳能集中器和PV电池的示意性等距视图；
图6是根据本发明的另一个实施例的线性太阳能集中器的局部的示意性剖视图，示出被选择用于说明目的的光束；
图7是根据另一个实施例的线性太阳能集中器的局部示意性剖视图；
图8是另一个实施例的局部示意性剖视图，显示用于说明目的的一些光束；
图9是根据另一个实施例的太阳能集中器的局部示意性剖视图，具有水平定向的PV电池；
图10是根据本发明的另一个实施例的线性太阳能集中器的等距视图；
图11是根据本发明的另一个实施例的圆形太阳能集中器的等距视图；
图12是根据本发明的另一个实施例的具有水平定向的PV电池的圆形低集中度太阳能集中器装置的示意性剖视图，显示被选择用于说明目的的光束。
图12是根据本发明的另一个实施例的具有水平定向的PV电池的圆形低集中度太阳能集中器装置的示意性剖视图，显示被选择用于说明目的的光束。
图13是根据本发明的另一个实施例的具有水平定向的PV电池的低集中度太阳能集中器装置的示意性剖视图，显示被选择用于说明目的的光束。
具体实施方式
定义
如本文所用，如“上部”、“顶部”、“下部”、“底部”、“上方”、“下方”、“水平”、“垂直”等的方向性术语的目的，在于提供用于描述的目的的相对位置，而不是为了指定绝对的参考框架。
术语“包括”是指包括但不仅限于所列举的整数。术语“由...构成”是指仅包括所列举的整数并且没有他附加元件。
“受光角”是指相对于光轴的最大角度，入射光束可以以该角度进入系统，对于该角度，电力生产是最大值的90％。
“厚度”是指根据本发明的光学元件的第一和第二相对表面之间的最大尺寸。在附图中，以垂直维度显示厚度。
“纵横比”是指镜片的顶部收集表面的最长长度与光学元件的厚度之间的比率。对于本文所描述的太阳能集中器的圆形的实施例中，最长长度将是光学元件的直径。
“收集面积”在这里被定义为是指太阳能集中器(concentrator)的垂直于入射太阳能辐射的面积，包括其非活性部分。
术语“集中度”是指收集面积与出射表面的面积的比例。
图1、图2和图3显示根据本发明的实施例的一般由标号10指定的非成像太阳能收集(collector)装置。该装置包括由固体的单件透光光学元件12构成的太阳能集中器，光学元件12在本实施例中通过注射成型由塑料材料制成。光学元件12被耦合到单结或多结型光伏电池30形式的太阳能电池。
光学元件12包括(i)进入或输入表面14和一系列聚焦元件16，进入或输入表面14和一系列聚焦元件16一起形成用于收集太阳光束17的顶部收集表面。如在图1中可以看出，聚焦元件16大致形成在平面18中，平面18被以虚线轮廓显示，该平面18是根据垂直于平面18的一个侧面轴线20限定的。在本发明的一个实施例中，聚焦元件16在第一方向上线性地延伸，多行在第二方向上相对于轴线20横向地隔开，第二方向垂直于第一方向。聚焦元件16具有可以是球形的、圆柱形或自由形状的弯曲的上表面。由下垂27限定的曲率，其值取决于聚焦元件16的焦距。较短的焦距是优选的，以减小集中器的厚度和从而能够更快模制它。
光学元件12还包括与第一表面14相对的台阶形表面22，台阶形表面22包括光学地耦合至并且因此对应于聚焦元件16的一系列光反射台阶24。
在图1-13中所示的所有的实施例中的聚焦元件16的进入表面可以是球形的、圆柱形的、抛物线形的、双曲线形的或自由形状中的一种。
在图1-13中所示的所有的实施例中的台阶形表面22的反射器25可以是平面的、球形的、圆柱形的、抛物线形的、双曲线形的或自由形状中的一种。
图3是在图2中显示的光学元件12的由标号3表示的部分的放大图。如在图2和图3中可以看出，台阶形表面22包括反射台阶24和反射器25，反射器25相对于台阶24倾斜一角度，该角度允许在没有朝向光输出表面26传播的光损失情况下由反射器25对太阳光束进行全内反射(TIR)，而不通过来自进入表面14的附加反射或反弹。在本实施例中，受光角离垂直于平面18的轴线约为1°。正如在图3中示出，光束17垂直于平面18，与光轴成零度角。受光角为在图3中由标号31所示的孔径张角的1/2。集中的太阳光被定向到多节型光伏(PV)电池30形式的太阳能电池。光伏电池30通过传统装置连接到光接收区域并且将光转换成电力。光伏电池30可以通过已知的手段耦合到太阳能收集装置的其他组件(图中未显示)。
图4示出的长方形光学元件12的尺寸，包括其厚度“T”、长度“L”和宽度“W”。在本实施例中，长度可以是从20毫米至900毫米，宽度为约10毫米至500毫米，厚度约10毫米。另外，在本实施例中，聚焦元件16跨过整个第一表面14，并且因此光学元件12的整个上表面用作用于光束的收集表面。在本实施例中，收集面积“A”等于L×W。入射在整个第一表面14上的光束被反射台阶24朝向等于T×W的面积“B”重新定向，面积“B”小于面积“A”，以实现A/B集中度，在本实施方式中A/B集中度是5。
如在本领域中是已知，当入射在从较大光学密度介质到较小光学密度介质的边界上的光束的入射角大于临界角θc时，会发生“全内反射”，临界角θc由下式给出：
其中，n2是的较小光学密度介质的折射率，而n1是较大光学密度介质的折射率。关于在折射边界处的法线测量入射角。
图5示出了本发明的另一个实施例，具有双面线性或复合的非成像太阳能收集装置210。太阳能收集装置210包括根据上述第一实施例的两个太阳能收集装置10a、10b，以这两个太阳能收集装置10a、10b的两个图像镜面区域2126a、212b面对面的方式将这两个太阳能收集装置10a、10b放在一起。两个光伏电池(图中未显示)(一个光伏电池用于一个光学元件212a、212b)被夹在两个光学元件212a、212b之间，用于接收集中的光，并且将光转换为电能。还可以使用双面PC电池。在一些实施例中，设置与光伏电池接触的散热器。采用使用热管或珀耳帖(Peltier)装置的非常薄的散热器。
图6是根据本发明的另一个实施例的包括光学元件212的太阳能收集装置200的局部示意性剖视图。光学元件212的尺寸和形状形成为引起在光学元件内的光在台阶形表面622处经历两次反射，即通过反射器225的第一TIR反射，和在台阶224处的第二TIR反射。这样做是为了放宽施加在反射器225上的TIR约束条件。这也允许在下述情况中使用低折射率材料，该情况可能不支持采用单次TIR反射对离开表面225的角度进行必要的改变，但是可以使用两次TIR反射实现。
图7和图8是包括根据本发明的另一个实施例的光学元件312的太阳能收集装置300的局部剖视图。这里，光学元件312具有一系列线性延伸的横向间隔开的多行聚焦元件316和相应的一系列线性延伸的反射器334，反射器334具有弯曲表面，该弯曲表面的尺寸形成为产生如在图8中所示的光线束336。所述光线束可以被准直。在本实施例中，台阶332是倾斜的，并且不平行于限定这个集中器的进入表面314的平面318’。
图9是示出根据本发明的另一个实施例的光学元件412的局部示意性剖视图，其是图7和图8中示出的光学元件312的变化。除了具有附加的TIR光学表面440，光学元件412类似于光学元件312，，TIR光学表面440是弯曲的以向下朝向光伏电池430连接到其上的水平定向的出射表面426反射光束。水平定向的光出射表面426平行于平面418’，聚焦元件416通常形成在平面418’上，并且与相对的台阶面422是一体的(即是其一部分)。正如在其它实施例的情况中一样，被反射离开第二反射器440的光在本实施方式中经历全内反射。本实施例可以被制成线性或圆形太阳能集中器。稍后在本说明书中描述圆形太阳能集中器。
现在参照图10，示出了根据本发明的另一个实施例的包括线性光学元件512的线性太阳能收集装置500。光束(图中未显示)由形成在限定收集表面的第一(上)表面514的一部分上的多行线性延伸的横向间隔开的聚焦元件516接收。第一表面的形成聚焦元件516的部分在该部分用来折射和引导入射光到反射台阶524上这个意义上是“有效的”。正如在上述实施例的情况中一样，在小于1度的预定受光角内入射在聚焦元件516上的光被折射并且被引导到相应的线性延伸的光反射台阶524上，在光反射台阶524上以全内反射朝向上部第二反射表面540的全内反射反射光。这里，光经历向下朝向衬有光伏电池(图中未显示)的光接收区域526的第二次反射。同样在这里，光接收区域526是与第一表面514相对并且与第一表面514隔开的第二表面522的一部分，并且平行于聚焦元件516通常形成在其中的平面518。
在本实施例中，收集面积大于聚焦元件516的垂直于入射光的面积，聚焦元件516的垂直于入射光的面积大致相当于在图10中所示的宽度“X”乘以横向距离“Y”的二倍。还可以看出，在图10中，光接收区域526具有的面积小于聚焦元件的面积，由此入射在聚焦元件516上的光被集中和引导到光接收区域526上并且被传输到一个或多个光伏电池(图中未显示)，用于转换成电力。
根据本发明的光学元件不需要具有线性延伸聚焦元件。图11示出根据本发明的第7实施例的包括圆形光学元件612的太阳能收集装置600。光学元件612大致关于以限定平面618(部分地显示在虚线轮廓中)的虚线轮廓显示的轴线620对称。光学元件612具有在平面618中延伸并且在A和B之间横向间隔开的连续的多行聚焦元件616，以及由与其中形成聚光元件616的第一表面614相对的第二表面622形成的一系列光反射台阶624。正如在该图中可以看出，聚焦元件616和光反射台阶624形成围绕轴线620的同心环。轴线620位于集中光接收区域626的中心并且垂直于集中光接收区域626，集中光接收区域626在平行于平面618的平面中延伸，并且是第二表面622的一部分。当在使用中时，光束(图中未显示)由聚焦元件616折射并且引导，被以全内反射从光反射台阶624朝向第二环形上反射表面640反射，并且被向下反射到光接收区域626，和被传输到光伏电池(图中未显示)。
图12是根据本发明的第八实施例的圆形的低集中度太阳能收集装置800的示意性剖视图，包括光学元件812和水平定向的光伏电池830，示出被选定的光束17用于说明目的。光学元件812提供低集中度，因为收集面积(第一表面81)与出射表面(光接收区域826的形式)之比低。
根据本发明的实施例的聚焦元件的形状可以是双曲线形的、抛物线形的、球面的、非球面的、抛物面形的、椭圆形的或任何自由形状。同样地，光反射台阶的形状可以是直的、弯曲的、椭圆形的、抛物线形的、双曲线形的或任何自由形状。
光学元件的尺寸将取决于若干因素，包括聚焦元件的大小和形状、制造公差以及该元件是否是直线的或圆形的。
对于线性实施例，长度的范围例如可以为从10毫米至500毫米。宽度范围例如可以为从10毫米至500毫米。输出表面的厚度的范围例如可以为从2毫米至80毫米。集中度的范围例如可以为2至50。
例如，根据本发明的线性光学元件的一个实施例的具有约4毫米的厚度、约60毫米的长度、约100毫米的宽度和约15的集中度。
根据本发明的光学元件的圆形实施例将具有从25毫米到50毫米、40毫米至200毫米或从100毫米至400毫米的直径(即长度)范围。该厚度可以是从1毫米至3毫米、2毫米至5毫米或从5毫米到15毫米的范围。集中度可以是从10到300或从5至20的范围。纵横比可以是从3到6或从5至10或从2至20的范围。
优选的实施例是被设计为提供较高的集中度用于更有效的功率产生并且减少使用的材料的量和制造成本的那些实施例。
光学元件可以由表现高的光学清晰度的任何材料制成，并且可以由玻璃、塑料(例如丙烯酸和聚碳酸酯)、硅树脂、氨基甲酸乙酯和共聚物制成。在Grateau等人的US5288669中公开了可以用来制造具有低密度和高折射率的本光学元件的合适材料。
可以由各种生产方法制造根据本发明的光学元件，包括注塑成型、压缩成型、精压、烧结、机械加工、冷铸和热铸。如本技术领域的普通技术人员将会理解，实际采用的方法将取决于使用的材料。例如，塑料可以注塑成型，而玻璃可以压缩成形。
根据本发明的实施例是固体的一件式单元，其形状和尺寸形成为在内部反射光，不存在光束通过空气在聚焦元件16的下游和光学元件的集中光接收区域的上游进行“自由空间”传播，即传输的情况。换言之，仅具有发生在限定聚焦元件的第一表面处的光的一次折射。这用于减少发生在具有不同折射率的材料的边界处的能量损失。发生在光学元件内的每个反射优选地是全内反射但不必是全内反射。应理解，反射表面的角度的细微变化是可能的，同时还产生商业上可行的产品。尽管如此，为了最大限度地减少在光传播通过光学元件时的能量损失，在光学元件内的全内反射是优选的。应理解，即使在被设计为提供全内反射的系统中，由于由材料本身吸收能量和通过常规的制造方法和公差引起的材料表面中的轻微缺陷，将损失一些能量。
与诸如US2007/0251568的现有技术文献不同，以上在图1至13中描述的本发明的实施例在所有的实施例中的都不具有在反射器25、台阶24或重定向元件440和等同部件上的反射(例如，镜面)涂层。US2007/0251568的镜面涂层表面在阳光存在下随着时间的推移而退化，并且会导致性能的降低或将来需要使用新电池代替太阳能集中器。本发明的实施例采用全内反射来将聚焦的太阳光引向出射表面和光伏电池。这需要相对于聚焦元件精确定位反射器和台阶，以在集中器的受光角范围内实现TIR。因此，本发明的集中器是相对成本有效的，并且更容易制造，因为它们可以通过例如塑料注塑成型而被大规模制造，而不需要任何反射涂层。此外，由于本太阳能集中器是单件或单片，因此不存在多部件太阳能集中器或光学元件可能会出现的类型的对齐和组装关键问题。
以上描述的实施例可以有许多变化。前面的描述仅作为示例的方式，并且不被解释为限制如由下面的权利要求书所定义的本发明的范围。
单片光伏太阳能集中器
Claims (9)
1.一种光伏太阳能收集和集中装置，包括：
由固体的单件透光部件构成的非成像太阳能集中器，所述固体的单件透光部件具有：
(i)输入表面，包括多个太阳光收集和聚焦元件；
(ii)与所述输入表面相对的台阶形表面，限定对应于聚焦元件的一系列太阳光反射器；和
(iii)聚光的光输出表面；
光伏太阳能电池，光学地耦合到所述集中器，并且其中，
由聚焦元件接收的在受光角度内的入射太阳光被聚焦在光反射器上，光反射器被定位成
(a)直接地和没有来自输入表面的附加反射地或
(b)间接地通过附加的光学重定向元件
经由全内反射将来自光反射器的聚焦的太阳光引向光伏太阳能电池。
2.根据权利要求1或2所述的光伏太阳能收集和集中装置，其中，光反射器没有镜面涂层。
3.根据权利要求1所述的光伏太阳能收集和集中装置，其中，光学元件由选自玻璃和塑料的材料制成。
4.根据权利要求4所述的光伏太阳能收集和集中装置，其中，所述塑料选自丙烯酸树脂、硅树脂和聚碳酸酯。
5.根据权利要求1-7中任何一项所述的光伏太阳能收集和集中装置，其中，聚焦元件是球形的、非球面的、抛物线形的、椭圆形的、自由形状或它们的组合。
6.根据权利要求1-8中任何一项所述的光伏太阳能收集和集中装置，其中，光反射器是平面的或曲面的、椭圆形的、抛物线形的、双曲线形的或自由形状。
7.根据权利要求1所述的光伏太阳能收集和集中装置，其中，台阶形表面包括在光反射器之间的多个反射台阶。
8.根据权利要求12所述的光伏太阳能收集和集中装置，其中，聚焦元件和光反射台阶形成围绕所述轴线的同心环，并且所述轴线位于集中光接收区域的中心且垂直于集中光接收区域。
9.一种光伏太阳能收集和集中装置，包括：
由固体的单件透光部件构成的非成像太阳能集中器，所述固体的单件透光部件具有耦合到多个TIR反射表面的多个聚焦元件；
光伏太阳能电池，光学地耦合到所述集中器以接收直接地来自TIR反射表面的聚焦的光。
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