CN107710421B - 漂浮的集中光伏系统 - Google Patents
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Abstract
描述了用于将入射太阳辐射(12)集中到光伏元件(4)上的可漂浮组件(1)，组件(1)包括：‑被设置为基本平行细长条带的多个光伏元件(4)，每个具有用于接收入射太阳辐射(12)的表面(14)；‑具有用于将入射太阳辐射(12)集中在所述光伏元件(4)上的主凹面(8)的多个直条状反射体(6)，反射体(6)具有基本上平行于细长条带(4)的水平长轴(L)；和‑反射体(6)和光伏元件(4)放置其上的基部(3)，光伏元件(4)被非水平地放置在基部(3)上使得用于接收入射太阳辐射(12)的表面(14)的法线(N)具有指向上的竖直分量(V)。还描述了包括一个或多个这种组件(1)的系统(10)和组装这种系统(10)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将入射的太阳辐射集中到光伏元件上的可漂浮组件(floatable module)。更具体地，本发明涉及一种这样的可漂浮组件，其包括：多个提供为细长条带的光伏元件，每个光伏元件具有用于接收入射的太阳辐射的表面；用于将所述入射的太阳辐射集中在所述光伏元件上的具有主凹面的多个反射体，所述反射体具有基本上平行于所述细长条带的长轴；以及基部，所述反射体和光伏元件放置在基部上。本发明还涉及包括一个或多个这种组件的系统以及用于安装和操作这种系统的方法。
背景技术
在光伏工业中，降低产生电力的价格一直是持续的目标。25年前，仍然认为太阳/光伏(PV)电池是小众市场并且仅涉及在没有其它电力来源或电力来源过于昂贵的离网和空间应用(off-grid and space applications)领域。如今，局势完全改变了。在降低生产和安装成本情况下增强了电池性能显著地减少了用于太阳能电池组件的能量回馈次数。而且，未来光伏系统必须进一步降低太阳电力的价格才能与其它能量来源成本竞争。在自然能源杂志(Nature Energy magazine)的最近一篇文章中，断定“太阳能的安装成本到2050年必须剧烈地下降从而实现30％的普及率”。基本上，这可通过减少生产和安装成本而不损害组件性能或者通过增加电力输出而不增加生产和安装成本来实现。优选两者都是。
在安装的光伏系统中，光伏元件(太阳能电池)的成本当今约为总材料成本的三分之一。已经试图通过借助于集中反射体或透镜(lenses)来集中入射的太阳辐射从而减少昂贵的材料成本。在这种集中光伏系统(CPV)中，因为减少了对PV材料的需要和增加了对集中入射的太阳辐射所需相对复杂基础设施的需要，包括对冷却和潜在地跟踪天空中太阳通常沿若干可旋转轴运动的需要，在安装系统中成本的分配从光伏元件朝向安装和其它系统成本转移。虽然过去数十年获得了每瓦特成本比的显著改进，仍然需要降低PV能量的成本。
US4,771,764公开了采用用于再引导阳光以用于集中在光伏电池上的多透镜收集器的水传播双轴跟踪(water-borne two-axes tracking)太阳能集中和转换系统。
相关背景技术同样在以下文件中公开：
-WO 2012/131543A1；
-DE 10 2009 038090A1；以及
-US 4,296,731A。
发明内容
本发明的一个目的是提供具有低生产、安装与维修成本的CPV组件和系统。
本发明的一般目的是改良或减少现有技术的至少一个缺陷或提供有用的可选方案。
通过以下说明书和权利要求中叙述的特征获得该目的。
本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定本发明的有利实施例。
在第一方面中，本发明涉及一种用于在光伏元件上集中入射的太阳辐射的可漂浮组件，组件包括：
-设置为大致平行细长条带的多个光伏元件，每个光伏元件具有用于接收入射的太阳辐射的表面；
-具有用于将所述入射的太阳辐射集中在所述光伏元件上的主凹面的多个直条状(linear)反射体，所述反射体具有基本上平行于所述细长条带的水平长轴，以及
-所述反射体和光伏元件放置其上的基部，其中
-所述光伏元件非水平地被放置在所述基部上使得用于接收入射的太阳辐射的所述表面的法线具有指向上的竖直分量。
大多数入射阳光从反射体的凹面集中并向下指向光伏元件上。这意味着光伏元件不会妨碍/遮挡入射的太阳辐射，导致更高的转换效率。同时，光伏元件的非水平定向防止灰尘和其它有害的杂质积累其上，从而避免遮挡和潜在的“热点”加热，同时减少维护成本。主表面的凹形使得入射的太阳辐射能够基本上均匀地集中到光伏元件的全部接收表面区域上。
用于组件中的光伏元件可由组装的现成太阳能电池制成，或光伏元件可由专门制造或切割以供组件中使用的太阳能电池组装而成。太阳能电池可以是硅基太阳能电池，但是也可使用其它类型的太阳能电池。在某些实施例中，所属技术领域的技术人员可以理解，太阳能电池可以是背接触背结(back-contacted back-junction)硅太阳能电池或它可以是异质结(hetero-junction)太阳能电池。
在一个优选实施例中，下面将参照附图更详细地描述，反射体可成排设置，形成光伏元件连接于其的连续结构。每排的方向于是限定了反射体的长轴。在一个实施例中，光伏元件可被放置为略微高于连续反射体结构的最低点(即使用位置中最接近水的点)，以便进一步减少杂质(主要是灰尘)遮挡光伏元件接收表面的风险。
在一个实施例中，基部基本上是扁平的，意味着反射体和光伏元件可被设置为基本上水平和处于相等高度处。这与其中不同的反射体和光伏元件设置在复杂支架内具有不同高度水平且绕着多个轴追踪的某些CPV系统形成了对比。因而，简单的扁平基部结构可在漂浮CPV系统中提供耐用和易于安装的组件，这将在下面描述。扁平基部也确保了光伏元件可被设置为接近基部的可直接接触水的表面，这可显著改进光伏元件的冷却。在一个优选实施例中，所述基部可设置有上表面和下表面，并且其中所述多个光伏元件可被设置为与基部的所述上表面接触，这对冷却加热的光伏元件是有益的。大致平坦组件的另一个优点是不必泵水至高于水位线才能为光伏元件提供足够的冷却，导致减少能量消耗的同时消除了漏水的风险。
在一个优选实施例中，基部在上下表面之间可设置有基本上平行于光伏元件的所述细长条带延伸的管道。管道可使得水能够平行于光伏元件流过基部从而改进其冷却。在横截面图中，在与管道的长度方向垂直的平面内，基部在上下表面之间可具有桁架结构的外观，这对冷却水的流动是有益的，由于桁架结构将作为散热器因此导致热量从光伏元件向下进入水库，并且赋予基部改进的稳定性和机械强度。
在一个实施例中，所述反射体可包括具有外部反射面材料的外部和具有稳定结构的内部。外部反射面材料典型地可以是高反射金属层例如铝层，内部稳定结构可成形为肋、桁架结构、蜂窝状结构或其它轻质的坚固结构。内部稳定结构可由与反射面相同的材料制成或它可被设置为不同的材料。反射体内部的稳定结构也可为具有相对低密度但具有良好机械强度的填充材料。在一个实施例中，它可为轻质合成泡沫材料，在另一实施例中它可为轻木(balsawood)。根据上述任何一个实施例所述的内部稳定结构具有减少组件成本和重量的优点，这可简化安装而不损失机械强度。还应当注意，外部可被设置为提供更多稳定性的剖面顶端上的反射材料的薄箔，或外部可包括被所述内部稳定结构所支撑的夹心或层状结构，其中这种夹心或层状结构的外层是反射面。
在一个实施例中，所述多个反射体可进一步形成有第二凸面用于将间接的散射的太阳辐射反射到所述光伏元件上。凸面将明显为主凹面的背侧。由于反射体将典型地直线地设置为连续的排，因此“下一排”的凸状背侧将作为用于漫射光和其它不是从凹面反射器直接反射到光伏元件上的入射光的第二反射体。这些反射体的限定一个反射体的凹面与下一个反射体的凸面之间的过渡的下部也可作为第二反射体。
在第二方面中，本发明涉及一种用于在光伏元件上集中入射的太阳辐射的系统，所述系统包括：
-根据本发明第一方面的可漂浮组件；
-具有地面区域的适于容纳所述基部的水库；以及
-用于在所述水库中绕着基本竖直的轴线旋转所述基部的旋转器件。
在其最简单的形式中，根据本发明第二方面的系统可基本上被设置为水库，其中根据本发明第一方面的一个或多个组件可旋转地设置。水库可以是天然水库或它可能人工地形成。在一个优选实施例中，水库可基本上为圆形，这可最大化区域的使用同时使得一个或多个组件能够在水库内旋转。优选地，所述一个或多个组件也可被设置为或组装为互补适配在水库内的大致圆形。
在一个实施例中，旋转器件可被设置为可漂浮组件的一部分，其可进一步简化系统的安装，因为组件或多或少地是完全自包含的(fully self-contained)，几乎不需要现场附加基础结构就能操作。旋转器件可包括接合所述水库的壁或底部的电动装置从而相对于水库的周壁旋转组件。旋转器件在一个实施例中可简单地为一个或多个旋转轮，其通过水库的上述壁与组件之间的摩擦接触产生旋转。可选地，旋转器件可设置在组件外部，典型地在水库的壁内。
在一个优选实施例中，所述系统可进一步包括跟踪器件，用于控制所述组件的旋转使得所述直条状反射体的长轴被定位成在天空中太阳位置的基本竖直下方的点处朝向地平线。跟踪对于优化漂浮CPV系统的性能是有益的。在最简单的实施例中，跟踪可以通过基于有关天空中太阳每日移动的知识以预定速度启动和旋转组件来完成。可选地，系统可设置有跟踪天空中太阳位置且随后旋转组件的光学传感器。
在一个实施例中，系统可包括用于从水库的底部向上朝向漂浮组件循环水的泵。这对于向上朝向漂浮基部移动冷水是有益的，可得到更好的冷却因而改进光伏元件的转换效率。所属技术领域的技术人员知道光伏元件的转换效率随着温度的增加而减小。对于非集中光伏概念来说，过热通常不是大麻烦，冷却成本通常是不合理的。但是在集中的光伏系统中，过热可能变成大麻烦，如果不通过冷却至少部分地补救则严重地减小转换效率。
在一个实施例中，所述组件的顶端可被玻璃所覆盖，并且组件可以是水密封装的。玻璃可防止组件免受周围事物伤害，并且它也可令组件更容易清洁，因为可使用更天然的冲洗/清洁方式，否则可能潜在地损坏组件。在一个实施例中，可能通过洗涤机器人来完成清洁。清洁漂浮光伏系统的另一个优点是水可以重复利用。封装(encapsulation)可使得整个组件在水中下降地更低即提供更少的浮力，使得在使用期间光伏元件设置在水位线下面，这可导致改进的冷却。
在一个实施例中，根据本发明第二方面的系统可与用于热水生成的系统组合。如果系统设置在屋顶或以任何其它方式连接于当地消费者，则这可能是特别感兴趣的。想法就是一旦组件冷却特别是用于冷却光伏元件则被加热的水在家庭中被用作热水。水的流道/管道可连接于基部下侧，或若存在封装则优选在封装的下侧处。随后水在这些管道中沿所述光伏元件循环，藉此在温暖的光伏元件与水之间进行热交换。热水生产系统可赋予光伏系统显著的增值而不限制光伏转换效率并且不以任何显著的方式增加系统成本。
在第三方面中，本发明涉及一种用于组装根据本发明第二方面的系统的方法，所述方法包括步骤：
-通过建造优选基本上圆形的壁来提供水库，限定封闭地面区域的体积；
-在所述封闭地面区域上添加水密膜；
-用水填充由壁限定的体积的至少一部分；
-在水库中的水上提供根据本发明第一方面的一个或多个组件。
基于组件和潜在地自包含的系统使得安装特别容易和耗时短。在最简单的版本中，组件可简单地被抬升至水库中的水上并且或多或少准备好开始使用。反射体和基部的潜在轻质结构甚至可以消除对重型起重设备的需要就能安装组件。组件的尺寸使得能够通过标准化运输容器进行运输。
在组装系统之后，所述方法还可包括通过组装的系统生产电力以及潜在地生产热水。优选地，所述方法于是还包括步骤：
-跟踪天空中太阳的运动；以及
-旋转所述一个或多个组件以使所述反射体的长轴被定位成在天空中太阳位置的基本竖直下方的点处朝向地平线从而优化电力生产。
附图说明
在下文中描述附图所示优选实施例的示例，其中：
图1示出根据本发明第一方面的组件的透视侧视图；
图2示出来自图1的细节的放大图；
图3示出根据本发明第二方面的系统的透视和部分切面图；以及
图4-7示意性地示出如图3所示系统的组装方法。
具体实施方式
在下文中，附图标记1将表示根据本发明第一方面的组件，同时附图标记10用于表示包括一个或多个这种组件1的系统。相同的附图标记将用于表示附图中相同或类似的零件。附图被简化和示意性地示出并且附图中的各个特征不一定按比例绘制。
图1示出根据本发明的组件1。组件1包括多个光伏(PV)电池2，它们被组装以形成细长条带形式的光伏元件4。细长条带可由一系列现成的光伏电池2制成，或者光伏电池2可被专门生产和/或切割以用于该组件1。沿每个条带4设置直条状反射体6，其形成有主反射凹面8，用于将入射的太阳辐射12集中在细长条光伏元件4上。反射体的长轴L被定义为平行于细长条带延伸。为清楚起见，仅在附图的一部分中用点划竖直进入线指示入射的太阳辐射。在撞击主反射凹面8之后，如图所示，入射的太阳辐射12以与入射方向相反的方向朝向下集中到光伏元件4上。由于主反射面8的凹型，入射的太阳辐射12基本上均匀地聚焦在光伏元件4的接收表面14上。光伏元件4被定向为使得接收表面14的表面法线(N)具有带有向上指向的竖直分量的法线，这在图2的放大图中清楚可见。这意味着光伏元件4可位于直接入射的太阳辐射12之外从而避免障碍，并且可能避免或至少显著减少杂质(例如沙粒、树叶等)的积聚问题。反射体6的侧视外观可被描述为类似例如公共汽车上的多排座椅，其中座椅被紧密地包装在一起并且形成或多或少连续的结构。每个主反射凹面8具有进入基本水平下部18(“座椅部分”)的平滑曲线过渡16，其中光伏元件被放置在下部18的远端20处。光伏元件4标记从一个反射体6的下部18至下一个反射体6的第二反射凸面22的过渡。第二反射凸面22和下部18将漫射光和其它非直接入射的太阳辐射反射到光伏元件4上。通过该设置，主反射凹面8与光伏元件的接收表面14之间的距离被最大化，这对获得从主反射凹面到接收表面14上的尽可能法线(垂直)方向的反射是有益的。光伏元件4靠近反射体6下部18放置也使得光伏元件在使用位置保持为接近水，这对于冷却是有益的，将在下面描述。同时，光伏元件4被放置为略微高于下部18的最低点24，这也减少了杂质在其上积聚的风险。在所示实施例中，一排排反射体6之间的距离约为10cm。在其它实施例中，所述距离可以在5cm-20cm的范围内，但是本发明不局限于一排排反射体6之间任何特定的距离。
在所示实施例中，反射体6形成有外侧上包括铝反射层的外部28和内侧上具有稳定结构的内部30。稳定结构30在附图中未详细示出，但在以上描述的一般部分中论述了各种实施例。内部稳定结构减少了材料成本和重量并且增加了组件1的浮力。在主反射凹面8与下部18之间的弯曲过渡16中，反射体6形成有有助于增加浮力的凸起26/增加的宽度部分，进一步证明反射体在光伏元件4下面的区域32内的更薄结构是正确的，减少了光伏元件4与水之间的距离以改进冷却。在它们的顶端34附近，反射体6被制为修长/尖的从而尽可能地减少阴影。尖的顶端34从结构角度来看也是有益的，因为作用于反射体6上的力矩朝向它们的顶端34减少。
反射体6和光伏元件4的连续结构被放置在基部3上，反射体通过未示出的连接装置连接于基部3。连接装置例如是胶、螺栓或螺钉之一或其组合。基部3形成有上表面36和下表面38，具有在上、下表面36、38之间平行于光伏元件4延伸的管道40。当水循环通过管道40时，由于阳光富集可能变得非常温暖的光伏元件4被冷却。在所示实施例中，管道40形成有三角形横截面，其赋予基部3在侧或横截面图中桁架结构的外观。管道40的三角形状对加强基部3的结构也是有益的。
图2示出标记有图1中虚线矩形的区域的详细视图。附图稍微更详细地示出光伏元件4的接收表面14的法线N及其指向上的竖直分量V。水平分量H也在图中示出。
图3示出根据本发明第二方面的系统10的部分切面侧视图。在所示实施例中，组件1被赋予大致圆形以互补地适配在水库44的地面区域42内，水库的体积由壁46和水密膜(water tight membrane)48的限定。在参照以下附图示意性示出的可选实施例中，系统10可包括多个组件1，多个组件1被组装以适配在水库44中同时优化水库的地面区域42的使用。大致圆形的组件1可旋转地设置在水库44中。在所示实施例中，形为多个轮的旋转器件50设置在组件1上，多个轮中的一个或多个轮可被主动驱动，旋转器件50适于接合壁46的内侧以便通过壁46内侧与轮50之间的摩擦力而产生组件1在水库44中的旋转。组件1绕着未示出的竖直轴线沿顺时针方向旋转，如弯曲的虚线箭头所示。系统进一步设置有适于跟踪太阳在天空中运动的跟踪器件52，此处形式为光学传感器。感测的太阳运动被读入未示出的控制单元，该控制单元进一步控制旋转以使直条状反射体6的长度方向L(如图1所示)总是在太阳基本上竖直下面的点处指向地平线。还示出系统10包括适于从水库44底部朝向基部3循环水的泵54。水流如图中箭头所示将主要由通过管道40在基部3中循环水的泵54产生。
图4-7非常示意性地示出根据本发明第三方面的方法，即根据本发明的第二方面系统10的组装方法。设置此处示为圆形的壁46，之后水密膜48适配在由所述壁封闭的地面区域42中。由壁限定的体积随后被填充水56，最后，根据本发明第一方面的一个或多个组件1被提升进水库44内从而在其内漂浮。在图7所示的示意性实施例中，若干组件1被组装以产生大致圆形的形式互补地适配在水库44内。
应注意到，上述提及的实施例示出而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计很多可选实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，括号之间的任何附图标记不一定被诠释为限制权利要求。单词“包括”及其词形变化的使用不排除权利要求所列出之外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一个”不排除多个这种元件的存在。
某些测量值记载在彼此各异的从属权利要求中这个纯粹事实并不表明不能利用这些测量值的组合。
Claims (15)
1.一种用于将入射的太阳辐射(12)集中到光伏元件(4)上的可漂浮组件(1)，所述组件(1)包括：
-多个光伏元件(4)，被设置为基本平行的细长条带，每个光伏元件具有用于接收入射的太阳辐射(12)的表面(14)；
-多个直条状反射体(6)，具有主凹面(8)，用于将所述入射的太阳辐射(12)集中到所述光伏元件(4)上，基本上均匀地集中在用于接收入射的太阳辐射的所述表面(14)上，所述反射体(6)具有基本上平行于所述平行的细长条带的水平长轴(L)；以及
-基本上扁平的基部(3)，所述反射体(6)和光伏元件(4)放置在所述基部上，藉此光伏元件(4)和反射体(6)被设置在相等的高度处，其特征在于：
-所述光伏元件(4)被非水平地放置在所述基部(3)上使得用于接收入射的太阳辐射(12)的所述表面(14)的法线(N)具有指向上的竖直分量(V)。
2.根据任何前述权利要求所述的组件(1)，其中所述基部(3)是基本上扁平的。
3.根据权利要求2所述的组件(1)，其中所述基部(3)设置有上表面(36)和下表面(38)，并且其中所述多个光伏元件(4)被设置为与基部(3)的所述上表面(36)相接触。
4.根据权利要求3所述的组件(1)，其中所述基部(3)在所述上、下表面(36,38)之间设置有基本上平行于光伏元件(4)的所述细长条带延伸的管道(40)。
5.根据前述权利要求任意一项所述的组件(1)，其中所述多个反射体(6)包括具有外部反射面材料的外部(28)和具有稳定结构(30)的内部。
6.根据权利要求1所述的组件(1)，其中所述多个反射体(6)进一步形成有第二凸面(22)，用于将间接的散射太阳辐射反射到相邻的光伏元件(4)上。
7.一种用于将入射的太阳辐射(12)集中到光伏元件(4)上的系统(10)，所述系统(10)包括：
-根据权利要求1-6任意一项所述的可漂浮组件(1)；
-适于容纳所述基部(3)的具有地面区域(42)的水库(44)；以及
-用于在所述水库(44)内绕大致竖直轴线旋转所述基部(3)的旋转器件(50)。
8.根据权利要求7所述的系统(10)，其中所述旋转器件(50)包括在所述组件(1)内。
9.根据权利要求7或8所述的系统(10)，其中所述系统(10)进一步包括跟踪器件(52)，用于控制所述组件(1)的旋转使得所述直条状反射体的长轴(L)被定位成在天空中太阳的位置的基本竖直下方的点处朝向地平线。
10.根据权利要求7或8所述的系统(10)，其中所述系统(10)进一步包括泵(54)，用于将水从所述水库(44)的底部向上朝向所述可漂浮组件(1)循环。
11.根据权利要求7或8所述的系统(10)，其中所述组件(1)的顶端被玻璃所覆盖，并且其中所述组件(1)是水密封装的。
12.根据权利要求11所述的系统(10)，其中所述系统(10)进一步包括用于热水生产的装置。
13.根据权利要求12所述的系统(10)，其中用于生产和传输热水的流道连接于所述组件(1)的下侧。
14.一种用于组装根据权利要求7所述的系统(10)的方法，所述方法包括步骤：
-通过建造壁(46)提供水库(44)，水库优选是大致圆形，限定具有封闭地面区域(42)的体积；
-在所述封闭地面区域(42)上添加水密膜(48)；
-用水(56)填充由所述壁(46)限定的所述体积的至少一部分；以及
-在所述水库(44)中的水(56)上设置一个或多个根据权利要求1-6任意一项所述的组件(1)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法进一步包括通过组装的系统(10)经由以下步骤产生电力：
-跟踪天空中太阳的运动；以及
-旋转一个或多个所述组件以使所述反射体的长轴被定位成在天空中太阳的位置的基本竖直下方的点处朝向地平线。
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