CN104253584A - 高效光伏系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏系统，包括具有上表面的光伏模块。流体沉积单元被设置为在光伏模块的上表面上沉积流体层。流体收集单元被设置为收集沉积在光伏模块的上表面上的流体。流体容器被连接为接收来自流体收集单元的流体。泵被连接为从流体容器向流体沉积单元供给流体。本发明还提供了一种增大光伏系统效能的方法。

Description

高效光伏系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年6月28日提交的美国临时专利申请第61/840,609号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明总体涉及光伏系统领域，更具体地，涉及在能量生产方面用于增加光伏系统效能的方法和系统。

背景技术

作为化石燃料和核能发电系统的替代方式，光伏发电系统在住宅、商业和公共设施应用中的市场持续增长。根据功率输出与太阳辐照的比率，技术的发展已经导致在光伏系统效能方面具有相对较小的增长。然而，存在导致光伏系统低效的因素，其弱化了由于技术进步带来的增量式光伏效率的增加。

光伏系统将太阳辐照转变为电能。但是，太阳辐照使系统的面板发热。在升高的温度下，通过系统的光伏层产生的能量减小。光伏模块产生能量的负温度系数（介于约-0.26%每摄氏度至约-0.48%每摄氏度）导致在较高温度下严重的能量损失。

另一个导致光伏系统低效的原因是太阳能从太阳能面板的玻璃上表面处反射掉。尽管玻璃是透明的，但介于约3%至8%的大量的入射辐射被反射而未到达光伏吸收层。导致光伏系统低效的又一个原因仅仅是位于面板的上表面上的尘埃等。尘埃减小了太阳能到达光伏吸收层的量并且通过吸收辐射升高了面板的温度。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种光伏系统，包括：光伏模块，具有上表面；流体沉积单元，被设置为在光伏模块的上表面上沉积流体层；流体收集单元，被设置为收集沉积在光伏模块的上表面上的流体；流体容器，被连接为接收来自流体收集单元的流体；以及泵，被连接为从流体容器向流体沉积单元供给流体。

优选地，该光伏系统还包括：控制器，被连接为向泵供给能量。

优选地，该光伏系统还包括：过滤单元，被设置为过滤由收集单元收集的流体。

优选地，该光伏系统还包括：热量提取单元，被设置为从由收集单元收集的流体中提取热量。

优选地，热量提取单元将从由流体收集单元收集的流体中提取的热量转化为电能。

优选地，流体的折射率小于光伏模块的上表面的折射率。

优选地，流体的折射率介于约1.23和1.4之间。

优选地，控制器基于光伏模块的温度向泵供给能量。

优选地，控制器基于流体容器中流体的温度向泵供给能量。

优选地，该光伏系统还包括：多个光伏模块，每一个光伏模块都具有上表面；多个流体沉积单元，被设置为在光伏模块的上表面上沉积流体层；以及多个流体收集单元，被设置为收集沉积在光伏模块的上表面上的流体，其中，流体容器被连接为接收来自流体收集单元的流体；并且泵被连接为从流体容器向流体沉积单元供给流体。

根据本发明的另一方面，提供了一种增大包括光伏模块的光伏系统的效能的方法，光伏模块具有上表面，该方法包括：使流体流过光伏模块的上表面。

优选地，流体的折射率小于光伏模块的上表面的折射率。

优选地，流体的折射率介于约1.23和1.4之间。

优选地，使流体流过光伏模块的上表面包括：将流体沉积在上表面上；收集沉积在上表面上的流体；以及返回所收集的流体以用于沉积在上表面上。

优选地，该方法还包括：在返回所收集的流体之前，冷却所收集的流体。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于增大包括光伏模块的光伏发电机的效能的系统，光伏模块具有上表面，系统包括：流体沉积单元，被设置为在光伏模块的上表面上沉积流体层；流体收集单元，被设置为收集沉积在光伏模块的上表面上的流体；流体容器，被连接为接收来自流体收集单元的流体；以及泵，被连接为从流体容器向流体沉积单元供给流体。

优选地，该系统还包括：控制器，被连接为向泵供给能量。

优选地，该系统还包括：过滤单元，被设置为过滤由收集单元收集的流体。

优选地，该系统还包括：热量提取单元，被设置为从由收集单元收集的流体中提取热量。

优选地，流体的折射率小于光伏模块的上表面的折射率。

附图说明

当结合附图阅读以下详细说明时，可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，对各个部件未按比例绘制。事实上，为了清楚讨论起见，各个部件的尺寸可以被任意地增大或减小。

图1是根据本发明不同实施例的系统的部分等比例（partial isometric）、部分框图。

图2是根据本发明的不同实施例的模块温度和功率增益的图表。

图3是在空气-玻璃界面处的反射比与波长之间的关系曲线图。

图4是在空气-玻璃界面处的反射比与波长、入射角之间的关系图。

图5是在空气-水-玻璃界面处的反射比与波长之间的关系曲线图。

图6是在空气-水-玻璃界面处的反射比与波长、入射角之间的关系图。

图7是根据本发明的不同实施例的不同材料的折射率的图表。

图8是根据本发明的不同实施例的工艺流程图。

图9是根据本发明的不同实施例的大型系统的部分等比例、部分框图。

具体实施方式

预期结合附图来阅读对示例性实施例的这种描述，所述附图将被认为是整个说明书的一部分。在说明书中，相对位置术语诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”及其衍生词（例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等）应被解释为是指如随后所述的或者如论述中的附图所示的方位。这些相对位置术语是为了便于描述，并不要求在具体方位上构造或操作装置。除非另有明确描述，术语连接等（诸如“连接”和“互连”）是指其中的器件或节点直接或间接电连接。

应该理解，本发明的以下内容提供了许多用于实施不同实施例的不同特征的不同实施例或实例。以下描述部件和配置的具体实例以简化本发明。当然，这仅仅是实例，并不用于限制本发明。本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简明和清楚的目的，而且其本身没有指定所论述的各种实施例和/或结构之间的关系。

本发明涉及在能量生产方面，通过对光伏面板的上表面进行冷却，减小光伏面板的上表面处的反射比以及去除其上的尘埃等来增加光伏系统的效能的方法和系统。

现参考附图，并且首先参考图1，通常通过标号100来指代根据本发明不同实施例的光伏系统。系统100包括光伏面板101。光伏面板101包括可根据不同的技术（例如，包括c-Si、a-Si、CIGS、CdTe和GaAs等）制造的光伏电池阵列。光伏电池夹置在通常固定在矩形框架中的玻璃板之间。因此，光伏面板101包括从顶端105向下倾斜至底端107的玻璃上表面103。

系统100包括容纳大量流体（例如，诸如水的流体）的流体罐109，而流体可以包括不同的添加剂，其将在下文中详细描述。流体容器或流体罐109通过导管111连接至泵113。在不同的实施例中，泵113是电动操作的以将流体从流体罐109和导管111输送至导管115。导管115连接至安装在光伏面板101的顶端105的流体沉积模块117。

流体沉积模块117包括管119和沿管119间隔分布的多个喷嘴121以将流体喷射到光伏面板101的上表面103上。如图1中的虚线所示，通过喷嘴121喷射的流体在光伏面板101的上表面103上方由顶端105流动至底端107。排列并配置喷嘴121以在光伏面板101的上表面103上沉积一层厚度基本均匀的流体。例如，流体层的厚度可以介于约10纳米（nm）至约3微米（mm）的范围内。

流过光伏面板101的上表面103的流体被收集在安装于光伏面板101的底端107下方的流体收集模块123中。流体收集模块123包括水槽125等，以及连接导管127以将从光伏面板101的上表面103收集到的流体返回至流体罐109。

因此，所述的系统100形成从流体罐109至泵113、位于光伏面板101的上表面103上方的流体沉积模块117、流体收集模块123，最后返回至流体罐109的流体流动回路。如以下详细所述，流过光伏面板101的上表面103的流体通过冷却光伏面板101、减少从上表面103反射的光的量以及去除上表面103的尘埃等增加了光伏面板101的能量效能。

系统100包括被设置为接收从导管127返回流体罐109的流体的过滤单元129。过滤单元129可以包括被配置为从返回至流体罐109的流体中去除尘埃等的过滤介质床（未示出）。因此，过滤单元129维持流体的清澈和透明。

在一些实施例中，系统100包括热电发电机131。热电发电机131将流过光伏面板101的上表面103上方的流体所吸收的热能转化为电能。因此，热电发电机131冷却返回至流体罐109的流体。热电发电机131也产生可以至少部分地用于向泵113和系统100的其他电部件供电的电能。

热电发电机131电连接至控制器133。根据本发明的不同实施例，控制器133以可编程计算机的形式实现以控制泵113的操作。控制器133可以将从热电发电机接收的能量储存在电池135中。

控制器133还被连接为从太阳能发电机137接收电能。太阳能发电机137可以包括相对小的光伏电池或面板的阵列（未示出）。控制器133可以将从太阳能发电机137接收的电能储存在电池135中。控制器133将电池135、热电发电机131和/或太阳能发电机137的电能提供给泵113。因此，系统100包括用于使流体在光伏面板101的上表面103上方流过的自给供电电源，因此，在不使用由光伏面板101产生的电能的条件下，增加了光伏面板101的效能。当然，由于由光伏面板101产生的电能可以远大于操作泵113以及系统100的其他电部件所需的能量，因此，系统100可以使用光伏面板101或外部电源所产生的电能而基本上没有降低系统100所提供的效能。

系统100包括控制器133可使用的多种传感器，以控制泵113操作。更具体地，系统100包括被连接为测量光伏面板101的温度的一个或多个温度传感器139。系统100还包括被连接为测量流体罐中流体温度的一个或多个温度传感器141。由于光伏面板101的最佳工作温度为约25度℃，因此当光伏面板101的温度接近特定温度时，不需要运行泵113。并且，由于通过流体提供的制冷与流体和光伏面板101之间的温差有关，因此，控制器133可以使用温差信息来控制泵113的操作。

除了制冷可归因于流体和光伏面板101之间的温差之外，通过蒸发流过光伏面板101的上表面103上方的流体可以提供大量的冷却。蒸发速率除了取决于光伏面板101的温度外，还取决于周围的气温、湿度以及风速。因此，系统100包括气温传感器145、湿度传感器147以及风速传感器149，每一个均连接至控制器133。控制器133除了可以使用来自传感器139和141的信息外，还可以使用来自传感器145至149的信息以控制泵113的操作。

系统100也可以包括连接至控制器133的显示器151和用户输入设备153，其可以使操作者能够监控系统100并且与系统100交互。系统100还可以包括连接至控制器133的无线控制器143，其允许远程监控并且操作系统100。

由于可以通过添加诸如各种表面活性剂、盐、糖等的添加剂来提高流体的折射率、热容、沸点和清洗效力，所以系统100包括连接至导管115的添加剂供应器155。可以通过控制器133操作添加剂供应器155以将经过计量的添加剂量加入到流体中。

超过25摄氏度时光伏面板降低的功率输出为约-0.26%至约-0.48%每摄氏度。因此，当面板的温度为75摄氏度时，相对于温度为25摄氏度的面板，其功率输出降低了约15%至约20%。图2示出了流体温度为25摄氏度的情况，面板温度（根据本发明的实施例未进行冷却）以10摄氏度的增量从25摄氏度增加至75摄氏度，并且功率降低的温度系数为-0.31%每摄氏度。图2示出了根据本发明实施例，在进行冷却的情况下，面板温度降低高达30摄氏度而功率增益高达9.3%。

由光伏面板101产生的电能量的数量取决于到达面板的光伏吸收层的太阳光的量。尽管形成上表面103的玻璃呈透明状，但其并不能将其接收到的光100%传送至光伏层；投射在上表面103上的光以一定百分比被反射。

当光从一种介质传播至另一种介质（例如，从空气传播至玻璃）时，反射光的数量取决于介质各自的折射率。当波从一种介质转移至另一种介质时，波的相速度改变但其频率保持恒定。斯涅尔定律（Snell’s law）对折射做了描述，其说明对于给定的一对介质和具有单一频率的光波，入射角θ1的正弦值与折射角θ2的正弦值的比值与在两种介质中相速度的比值（v1/v2）相等或与折射率的反比（n2/n1）相等。

入射波仅部分被折射并且从第一介质传播至第二介质。当光从具有给定折射率n1的介质转移至具有折射率n2的第二介质中时，光的反射和折射均可以发生。入射光线IO到达折射率分别为n1和n2的两个介质之间的界面的O点处。部分光线被反射成为光线OR，而部分光线被折射成为光线OT。入射光线、反射光线和折射光线与界面法线的夹角分别为θi、θr和θt。通过反射定律给出这些角度之间的关系为：

θi=θr

并且斯涅尔定律：

sinθ1/sinθ2=n2/n1

菲涅尔公式给出了入射光能中被反射的分量，其中，入射光能的分量R为：

Rs＝|(n1cosθi-n2cosθt)/(n1cosθi+n2cosθt)|²

通过观察，可知介质相应的折射率之间的差值越大，则入射光能量中将被反射的分量越大。图3和图4示出了当不同波长的光线从空气（折射率=1）传播至玻璃（折射率=1.5）时的反射比。空气-玻璃界面的平均反射比为约3.93%，其导致光伏面板101的功率输出的等效损耗。

如果可从菲涅尔公式证明：当光线穿过具有折射率n1的第一介质，经过具有第二折射率n2的第二介质，然后到达具有第三折射率n3的第三介质，其中n1＜n2＜n3，其反射光的总量小于光穿过第一介质直接到达第三介质的反射光的总量。图7示出了不同流体的折射率。图5和图6示出了当不同波长的光线从空气（折射率=1）传播至水（折射率=1.33）然后到达玻璃（折射率=1.5）时的反射比。空气-水-玻璃界面的平均反射比为约1.49%。因此，根据其中流体为水的实施例，进入面板101的光伏层的光线的反射比由3.93%减小至1.49%，其导致光伏面板101的功率输出效能增加了约2.65%。假设光伏面板101的温度为55摄氏度，根据其中流体为水的实施例，实现了约9%的功率增益（其中，2.65%是由于透射比的提高，5.58%是由于制冷，而约1%是由于灰尘的去除等）。

图8是根据本发明的一些实施例的泵113的控制流程图。在方框801处初始化控制器133，泵113为关闭状态。

然后，如方框803所示，控制器133监控时间、光伏面板温度、流体温度、气温、风速和湿度。

在判定框805处，控制器133判断泵113是否关闭。如果确定泵113是关闭的，则在判定框807处，控制器133判断当前时间是否为开启时间。开启和关闭时间为开启或关闭泵113的预定的时间。例如，在一些实施例中，在黑暗时间内，控制器133可以确定关闭泵113。

如果控制器133判断当前时间并非开启时间，则流程回到方框803。如果控制器133确定当前时间为开启时间，则控制器133在判定方框809处判断当前是否存在“开启”泵的温度条件。开启泵的温度条件例如可以是光伏面板101的温度高于阈值，或者其可以基于面板温度与流体温度之间的差值，或者受监控的条件的其他一些关系。

如果控制器确定当前并不存在开启泵的温度条件，则流程返回方框803。如果当前确实存在开启温度条件，则如方框811所示，控制器133开启泵113，并且流程回到方框803。

回到判定框805，如果确定泵113没有被关闭（即，泵113是开启的），则在判定框813处，控制器133判断当前时间是否为关闭泵的时间。如果当前时间为关闭泵的时间，则在方框817处控制器133关闭泵，并且流程回到方框803。如果当前时间并非关闭时间，则在判定框815处，控制器133判断是否存在关闭泵的温度条件。例如，当面板101的温度冷却至25摄氏度，进一步的冷却并不能产生能量效能的增加。并且，如图2的表格所示，在特定的一组条件下，对面板101可以冷却至何种程度存在实际限制。因此，控制器133可以基于图2的表格对关闭泵的温度条件做出判断。如果在判定框815处，不存在关闭泵的温度条件，则流程回到方框803。如果存在关闭泵113的温度条件，则在方框817处控制器133关闭泵113，并且流程回到方框803。

现参考图9，通常通过标号900来指代根据本发明各个实施例的大型系统。系统900包括分开的光伏面板903的阵列901。阵列901可以包括多个基本上平行的覆盖大量表面区域的光伏面板903的行。可以根据图1的面板101对每个面板903进行构建和设置。

系统900包括过滤单元和容纳大量流体的流体罐905。过滤单元和流体罐905通过导管907连接至泵909。操作泵909以将流体从过滤单元和流体罐905以及导管907输送至导管911。系统900包括连接至导管911的添加剂供应器912以供给参考图1所述的各种添加剂。导管911连接至多个沉积模块913，沉积模块913被安装为使流体流过每个光伏面板903的表面。

每一个流体沉积模块913都包括管915和沿管915分隔设置的多个喷嘴917以将流体喷射到光伏面板903的上表面上。如参考图1所述，通过喷嘴917喷射的流体在光伏面板903的上表面上方由顶端流动至底端。流过光伏面板903的上表面的流体被收集在安装于光伏面板903的底端下方的多个流体收集模块919中。流体收集模块919连接至导管921，导管921使从光伏面板903的上表面收集的流体返回到过滤单元和流体罐905。因此，系统900形成从过滤单元和流体罐905至泵909、位于光伏面板903的上表面上方的流体沉积模块913、流体收集模块919并且返回至过滤单元和流体罐905的流体流动回路。

根据本发明的不同实施例，系统900包括编程的控制器933以从电源935向泵909供给电能。如参考图1至图8所述，系统900包括控制器933可用的各种传感器937，以控制泵113的操作。过滤单元和流体罐905、泵909、添加剂供应器912和电源935各自的容量根据系统900的尺寸而按比例增加。系统900向大型光伏发电系统提供了参考图1至图8所述的优势。

在一些实施例中，一种光伏系统包括：具有上表面的光伏模块；被设置为使光伏模块的上表面上流过流体层的流体沉积单元；被设置为收集光伏模块的上表面上的流体的流体收集单元；被连接为从流体收集单元接收流体的流体容器；以及被连接为从流体储液罐向流体沉积单元供给流体的泵。

在一些实施例中，光伏系统包括被连接为向泵供给能量的控制器。

在一些实施例中，光伏系统包括被设置为过滤由收集单元收集的流体的过滤单元。

在一些实施例中，光伏系统包括被设置为从由收集单元收集的流体中提取热量的热量提取单元。

在一些实施例中，热量提取单元将从由流体收集单元收集的流体中提取的热量转化为电能。

在一些实施例中，流体的折射率介于约1.23和1.4之间。

在一些实施例中，流体包括水。

在一些实施例中，光伏系统包括：多个光伏模块，每一个光伏模块都具有上表面；多个流体沉积单元，被设置为在光伏模块的上表面上沉积流体层；以及多个流体收集单元，被设置为收集沉积在光伏模块的上表面上的流体，其中，流体容器被连接为接收来自流体收集单元的流体；以及泵被连接为从流体容器向流体沉积单元供给流体。

在一些实施例中，控制器基于光伏模块的温度向泵供给能量。

在一些实施例中，控制器基于流体容器中流体的温度向泵供给能量。

在一些实施例中，一种增加光伏系统效能的方法包括：使流体流过光伏模块的上表面。

在一些实施例中，流体的折射率小于光伏模块的上表面的折射率。

在一些实施例中，流体的折射率介于约1.23和1.4之间。在一些实施例中，流动包括将流体沉积至上表面上；收集沉积在上表面上的流体；以及返回收集的流体以用于沉积在上表面上。

在一些实施例中，该方法包括在返回收集的流体之前冷却收集的流体。

在一些实施例中，一种用于增加包括具有上表面的光伏模块的光伏发电机的效能的系统包括：被设置为在光伏模块的上表面上沉积流体层的流体沉积单元；被设置为收集沉积在光伏模块的上表面上的流体的流体收集单元；被连接为接收来自流体收集单元的流体的流体容器；以及被连接为从流体容器向流体沉积单元供给流体的泵。

在一些实施例中，该系统包括被连接为向泵供给能量的控制器。

在一些实施例中，该系统包括被设置为过滤由收集单元收集的流体的过滤单元。在一些实施例中，该系统包括被设置为从由收集单元收集的流体中提取热量的热量提取单元。

在一些实施例中，流体的折射率小于光伏模块的上表面的折射率。

可以以计算机执行工艺及用于实施这种工艺的装置的形式至少部分地实施本文中所描述的方法和系统。也可以以编码有计算机程序代码的有形的非瞬态机械可读存储介质编码的形式至少部分地实施本发明的方法。上述介质可以包括例如RAM、ROM、CD-ROM、DVD-ROM、BD-ROM、硬盘驱动器、闪存存储器或其他非瞬态机械可读存储介质，其中，当通过计算机加载入且执行计算机程序代码时，计算机成为用于实施本发明方法的装置。也可以以在加载和/或执行计算机程序代码的计算机的形式至少部分地实施本发明的方法，使得计算机成为用于实施本发明方法的特殊用途的计算机。当在通用处理器上实施时，计算机程序编码部分配置处理器以生成特殊逻辑电路。可以可选地在由应用特殊集成电路形成的用于实施本发明方法的数字信号处理器中至少部分地实施本发明的方法。

上述实施例仅是实施方式的可能的实例，其仅用于阐述以清楚地理解本发明的原理。在基本上不背离本发明的精神和原理的情况下，可以对本发明的上述实施例作出变化和修改。所有这种变化和修改预期均包括在本发明、本发明和所附权利要求要求保护的范围内。

此外，前文已经概述了一些实施例的特征使得本领域普通技术人员可以更好的理解对说明书的具体描述。本领域普通技术人员应该理解，他们可以容易的以本发明作为基础来设计或修改与本发明所介绍的实施例实施相同目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域普通技术人员也可以认识到，这些等效结构并不背离本发明的精神和范围，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下，他们可以对本发明做出各种改变、替换和修改。

已经描述了本文主题的优选实施例，应该理解，描述的实施例仅用于示出的目的且所附权利要求应当与本领域普通技术人员在阅读本文后可以想到的等效例、多种变化例和修改例的所有范围一致。

Claims (10)

1.一种光伏系统，包括：

光伏模块，具有上表面；

流体沉积单元，被设置为在所述光伏模块的上表面上沉积流体层；

流体收集单元，被设置为收集沉积在所述光伏模块的上表面上的流体；

流体容器，被连接为接收来自所述流体收集单元的流体；以及

泵，被连接为从所述流体容器向所述流体沉积单元供给流体。

2.根据权利要求1所述的光伏系统，包括：

控制器，被连接为向所述泵供给能量。

3.根据权利要求1所述的光伏系统，包括：

过滤单元，被设置为过滤由所述收集单元收集的流体。

4.根据权利要求1所述的光伏系统，包括：

热量提取单元，被设置为从由所述收集单元收集的流体中提取热量。

5.根据权利要求4所述的光伏系统，其中，所述热量提取单元将从由所述流体收集单元收集的流体中提取的热量转化为电能。

6.根据权利要求1所述的光伏系统，其中，所述流体的折射率小于所述光伏模块的上表面的折射率。

7.根据权利要求6所述的光伏系统，其中，所述流体的折射率介于约1.23和1.4之间。

8.一种增大包括光伏模块的光伏系统的效能的方法，所述光伏模块具有上表面，所述方法包括：

使流体流过所述光伏模块的上表面。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，使流体流过所述光伏模块的上表面包括：

将所述流体沉积在所述上表面上；

收集沉积在所述上表面上的所述流体；以及

返回所收集的流体以用于沉积在所述上表面上。

10.一种用于增大包括光伏模块的光伏发电机的效能的系统，所述光伏模块具有上表面，所述系统包括：

流体沉积单元，被设置为在所述光伏模块的上表面上沉积流体层；

流体收集单元，被设置为收集沉积在所述光伏模块的上表面上的流体；

流体容器，被连接为接收来自所述流体收集单元的流体；以及

泵，被连接为从所述流体容器向所述流体沉积单元供给流体。