CN108886030B - 具有非均匀冷却的光伏电池的光伏系统 - Google Patents

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Abstract

描述了光伏系统(1)和相关系统以及用于冷却这种光伏系统(1)的方法。该光伏系统(1)包括并排布置的光伏电池(10)，以形成光伏电池(10)的阵列(5)。它还包括冷却装置(20)，该冷却装置包括一个或多个层(21‑23)，其中这些层(21‑23)与光伏电池(10)的阵列(5)相对地延伸并与其热连通，以便在操作中冷却电池(10)。构造一个或多个层(21‑23)使得光伏系统(1)的热阻在光伏电池(10)的阵列(5)上变化，以便在操作中以不同的热移除速率从阵列(5)的光伏电池(10)移除热量。

Description

具有非均匀冷却的光伏电池的光伏系统
技术领域
本发明一般涉及冷却的光伏系统领域，更具体地涉及具有并排布置的光伏电池以形成光伏电池阵列的光伏系统，并且还涉及用于冷却这种光伏系统的方法。
背景技术
在整个说明书中假设以下定义。
光伏(PV)描述了通过具有光伏效应的半导体将太阳辐射转换成直流电来产生电能。
光伏电池(或PV电池，也称为“太阳能电池”或“光电电池”)是固态装置，其通过光伏效应将光能直接转换成电能。
光伏阵列或模块(也称为“太阳能模块”，“太阳能电池板”或“光伏板”)是连接的光伏电池的组件。
光伏系统通常包括至少一个光伏电池模块，逆变器和互连线路。
热收集器(也称为“太阳能集热器”)通过吸收辐射，通常是太阳辐射，来收集热量。
热交换器或热耦合器是有效地将热量从一种介质传递到另一种介质的装置或设备。
散热器是热交换器，其用于通过将热量从装置散发到另一介质中来冷却装置(例如光伏电池阵列)。
集中的太阳能(也称为“聚光太阳能”或CSP)系统使用镜子或透镜将大面积的辐射通量集中到小区域上，使得当集中的光转换为热时可以产生电功率(也称为“功率”)，其驱动连接到发电机的热力发动机(例如，蒸汽轮机)。常见的聚光形式是抛物槽、碟形、聚光线形菲涅耳反射器和太阳能塔。
聚光光伏(CPV)系统使用光学器件(例如，透镜)将大量太阳光聚集到小面积的光伏材料上以发电。聚光允许使用较小面积的太阳能电池。
CPV不应与CSP混淆。在CSP中，浓缩的太阳光转化为热量，然后热量转化为电能。相反，在CPV中，使用光伏效应将聚集的太阳光直接转换为电。
光伏热混合太阳能收集器(也称为“混合PV/T系统”或PVT)是将太阳辐射转换成热能和电能的系统。这种系统将把光子转换成电能的光伏电池与太阳能集热器相结合，太阳能集热器通过从PV模块移除热量来捕获剩余的能量。通常已知两类PVT收集器，即PV/T流体收集器和PV/T聚光器。
在PV/T流体收集器(空气或液体)中，其通常是水冷的，通常由导热金属管道或附接到PV模块背面的板制成。工作流体通常是水或水-乙二醇混合物。来自PV电池的热量通过金属传导并被工作流体吸收，这假设工作流体比电池的工作温度更冷。在闭环系统中，这种热量或者被排放到环境中或者在热交换器处传递，在热交换器中，热量流到其应用中以供进一步使用。在开环系统中，在拒绝或进一步使用热量之后，工作流体不再循环到PV电池。
在PV/T聚光器(CPVT)中，提供聚光系统以减少所需的太阳能电池的量。与平坦的PV/T收集器相比，CPVT可以达到每单位PV电池面积非常好的太阳能热产率。然而，CPVT的主要障碍是提供足够的太阳能电池冷却和耐用的跟踪系统。
与其他能源相比，PV系统的缺点是直接太阳辐射的间歇性质。这导致间歇性的电力输送，其价值远低于按需电力并且可能导致电网不稳定。在例如电池中存储电能是非常昂贵的，因此用于全天生产的存储电池的成本可能比太阳能电站的成本更高。聚光式太阳能系统(CSP)可以存储收集的热量并按需产生电力，直到储存的热量消散。聚光式光伏(CPV)发电厂比PV和CSP系统具有更高的转换效率。尽管如此，CPV系统还是会间歇性地发电。另外，它们的效率取决于构成阵列或模块的PV电池的性能，以及用于冷却PV电池的冷却系统的性能。由于增加了热量的使用，聚光式光伏热(CPVT)系统具有更高的系统效率。
CPV系统旨在实现PV电池上的高几何太阳辐照度集中，通常类似于500-3000个太阳。这种聚集通常通过刻面镜实现，将光聚焦在一个焦平面上。但是，镜像拓扑结构永远不会完美。各个反射镜的变焦点和接收缝隙导致焦平面上的非均匀照射图案。因此，可以使用光学混合器，其旨在使照射图案均匀化。然而，这降低了聚集效率。圆形照明图案的一个例子如图3A所示。均匀照射图案的一个例子如图4A所示。使用颜色等高线图，并且在每种情况下示出相应的3D图。
CPV系统中使用的聚光光学器件通常导致PV电池表面上的不均匀照明。更均匀的照明将以降低效率为代价，因为需要集成更多的光学元件。为了降低封装和冷却成本，PV电池阵列(并排放置)有时设计有共同的支撑结构，其提供电互连和冷却。然而，在该配置中，阵列中的PV电池暴露于不同的照明，因此表现出不同的电输出特性。为了使每个PV电池具有相同的电输出，若干CPV解决方案依赖于将单个光学元件与单个PV电池(点聚焦系统)配对。
与点聚焦系统相比，密集阵列系统使用密集的PV电池，每个聚光元件包含几个电池。因此，这种解决方案可以提供成本优势。在密集阵列系统中，热量产生可能高于点聚焦系统，因为每个电池的表面积较小，不能散热。通过适当的热管理，密集阵列系统中产生的热量可用于多联产(即，产生电力，热量和其他资源，例如饮用水或空调)，从而改善整体系统的成本-性能。
已经设计了有效的冷却装置，例如在WO2013/144750A1中描述的冷却装置，其中冷却装置提供非常低且在大面积上均匀的热阻，PV电池可以附接到该热阻上。这种冷却装置提供了将PV电池温度保持在所需阈值以下的手段，即使在高聚集的太阳辐射下也是如此。此外，由于其低热阻，该冷却装置允许产生的热量在高温下回收，这进一步允许利用多联产。
发明内容
根据第一方面，本发明的一个或多个实施例体现为光伏(PV)系统。该系统包括并排布置的光伏(PV)电池，以形成PV电池阵列。它还包括冷却装置，该冷却装置包括一个或多个层，其中这些层与PV电池阵列相对地延伸并与其热连通，以便在操作中冷却电池。一个或多个层被构造成使得PV系统的热阻在PV电池阵列上，即在与阵列的平均平面平行的平面中，变化，以便在运行中使用不同的散热率从阵列的PV电池移除热量。
上述解决方案使得可以调节PV电池阵列上的温度，因此可以用于降低每个PV电池在最大功率点(或MPP)的输出特性的不均匀性，例如电压(VMPP)和电流(IMPP)。特别地，如下面详细讨论的，可以利用该特性来允许减小输出电压上的扩展(或VMPP扩展)，并且可能最小化。降低VMPP扩散导致增加最小VMPP，这在电池并联连接时特别有利。这反过来又提高了系统的能量效率。本发明的解决方案尤其可用于在CPV，CPVT或混合PV/T系统中的PV电池的密集阵列。
在一个或多个实施例中，一个或多个层被构造成允许热阻根据阵列的PV电池的预定照射分布(profile)在PV电池阵列上变化。
特别地，PV系统可以是CPV系统，被配置为在操作中将光会聚到PV电池阵列的区域上，从而产生电池的不均匀照射分布。因此，可以构造一个或多个层，以使热阻根据非均匀照射分布在PV电池阵列上的变化。PV电池可以是多结PV电池。
在一个或多个实施方案中，构造一个或多个层以使热阻在0.05至0.7cm2K/W的范围内变化，以最好地适应阵列的不同电池之间的各种热移除速率。例如，在阵列的对应的两个给定PV电池(例如，在阵列中经受显著不同照射的电池)的位置处的系统的平均局部热阻的差异可以大于0.1cm2K/W，或者，甚至大于0.2cm2K/W。
在一个或多个实施例中，如上所述，设计热阻以便限制MPP处的电池的电压扩散，其中阵列的每个PV电池的(个体)MPP电压的最大差异在操作中小于0.2V。这种限制已经在实践中为系统带来了良好的性能。然而，如果在操作中进一步减小最大差值，例如小于0.1V，则会进一步改善性能。
由于可实现VMPP扩散的限制，阵列中的至少一些PV电池(如果不是全部)可以有利地并联电连接。
在一个或多个实施例中，冷却装置设计如下。其包括的一个或多个层可以特别地包括至少一个层，该层具有非均匀的孔口或结构图案，例如，在平面外突出的结构。即，孔口或结构图案在平面内变化，即在平行于PV电池阵列的平均平面的平面内。这允许(通过孔口或结构)进行非均匀的热交换，并且反过来使得可以以不同的热移除速率去除阵列的不同PV电池处的热量。
例如，所述至少一个层可以呈现孔口或结构的局部密度和/或尺寸，其在相对于阵列的中心的位置处比在相对于相应的阵列的外部的一个或多个位置处更大，例如，特别是当预期到中心照明图案时。
在变型中，例如，如果涉及均匀化的照明图案，孔口或结构的局部密度和/或尺寸相对于阵列的外部部分可以更大。
在一个或多个实施方案中，所述一个或多个层包含至少两个层，其呈现不同的、非均匀的孔口图案。布置这样的孔口以便允许流体从两层中的一层连通到两层中的另一层。换句话说，通过图案化两层，例如，冷却装置的两个连续层，来实现变化的热阻，以便在操作中以不同的热移除速率移除阵列的不同PV电池处的热量。
如果需要，冷却装置可以包括三层或更多层，其形成冷却微结构的堆叠，并且允许从三层中的任何一层到三层中的任何另一层的热连通。
例如，在叠层的给定层中，非均匀的孔口图案可以包括同心的圆形狭缝，其中，圆形狭缝之间的间隙在平面内径向变化，即在平行于阵列的平均平面的平面中变化。这种图案非常适合于中心照明图案。
在变型中，由于一维(1D)或二维(2D)狭缝阵列，可以实现非均匀的孔口图案，其中狭缝之间的间隙在平行于阵列平均平面的平面中沿给定方向变化。有利地采用这种设计来匹配均匀化的照明图案。然而，在狭缝之间呈现径向变化的间隙的2D阵列狭缝可同样用于中心照明图案。
根据另一方面，本发明的一个或多个实施例是一种用于冷却PV系统的方法，其中后者包括并排布置的PV电池以形成PV电池阵列。该方法包括通过以不同的热移除速率从阵列的PV电池移除热量来冷却PV电池，与上述原理一致。
特别地，这可以通过如上所述的冷却装置实现，即，包括一个或多个层，与PV电池阵列相对布置并与其热连通，其中一个或多个层构造成使得PV系统具有在PV电池阵列中变化的热阻。
例如，该系统可以是将光会聚到PV电池阵列的区域上的CPV系统，从而产生电池的不均匀照射分布。因此，可以根据非均匀照射分布执行冷却PV电池的步骤。
更一般地，可以根据阵列的PV电池的预定照射分布来执行冷却PV电池。
在一个或多个实施例中，执行冷却步骤以限制每个电池的输出电压在MPP处的扩散，使得每个PV电池的在MPP处的各个电压的最大差异小于0.2V，优选地小于0.1V。由于可实现的电压扩展限制，阵列中的至少一些PV电池可以有利地在阵列中并联电连接，也是为了执行本方法的目的。
在一个或多个实施例中，冷却步骤依赖于通过一个或多个层的非均匀的孔口图案的循环液体，以允许通过孔口的不均匀热交换，并且进而以不同的热移除率，在阵列的不同的PV电池处移除热量。例如，液体可以通过一个或多个层的两个或更多个连续层的不同的、非均匀的孔口图案来循环。
现在将通过非限制性示例并参考附图来描述体现本发明的光伏系统和冷却方法。
附图说明
图1是根据实施例的光伏系统的俯视图，示出了光伏电池阵列；
图2是图1系统的2D横截面图，进一步示出了根据实施例的冷却装置，该冷却装置包括非均匀布置的、位于光伏电池阵列下方并与其热连通的结构；
图3A-3D涉及适合于中心照射图案的实施例(图3A)；
图3B示出了叠加在密集的光伏电池阵列上的中心照射图案；
图3C-3D示出了两层冷却装置的顶视图，其呈现出不同的、非均匀的孔口图案，如实施例中所涉及的，允许以不同的热移除率从图3B的阵列的不同光伏电池移除热量；
图4A-4D描绘了适合于非中心照明图案的实施例；
图4A示出了均匀化图案的示例；
图4B描绘了叠加在密集的PV电池阵列上的这种图案；
图4C-4D示出了两层冷却装置的顶视图，其显示出不同的、非均匀的孔口图案，适于从阵列的不同光伏电池移除热量；
图5A是表示通常在均匀冷却的光伏电池阵列中发生的电压扩展(即，不是根据实施例)的曲线图，作为这种电池的温度的函数；
图5B示出了假设高的、均匀的热阻，电池的温度依赖性作为在电池处实现的光浓度的函数；
图6A和6B是类似于图5A和5B的曲线图，其用均匀冷却装置(即，不是根据实施例)获得，其中假设系统具有低的、均匀的热阻，这导致在最大功率点处的电压扩散减小；
图7A和7B是类似于图5A-B和6A-B的曲线图，反映了非均匀冷却(根据实施例)，这导致所考虑的每个电池的电压扩展显著减小；
图8A-8D示出了通过使用具有用于散热的均匀的孔口图案冷却装置(图8A)均匀地冷却经受中心照射的光伏电池的密集阵列(图8B)而获得的结果(不是根据实施例)；
图8C和8D示出了在阵列上获得的相应热阻和输出电压；以及
图9A-9D类似地示出了通过非均匀地冷却经受与图8B中相同的中心照射的光伏电池的密集阵列(图9B)，并且使用具有非均匀的孔口图案的冷却装置(图9A)而获得的结果(根据实施例)。
附图示出了实施例中涉及的设备或其部分的简化表示。附图中描绘的技术特征不一定按比例绘制。除非另有说明，否则附图中类似或功能相似的元件已被分配相同的附图标记。
具体实施方式
在密集阵列系统中，多个光伏(PV)电池以串联或并联方式电连接。根据本教导已经确定，由于在最大功率点(MPP)处的每个PV电池的特性的不均匀性，例如电压(VMPP)和电流(IMPP)，互连阵列的电输出在量值上受到限制。此外，非均匀照明(如在密集阵列PV系统中通常遇到的)也导致不同的VMPP和IMPP值，因此损害互连阵列的电输出。
因此，根据本发明已经确定可以利用PV电池的温度调节来调节电池的输出特性(在MPP处)，这在电池并联互连时特别有用，例如，在密集的电池阵列内。因此，本发明的一个或多个实施例为PV系统提供了非均匀冷却方法，这使得可以调节PV电池阵列上的温度，并且进而降低每个PV电池的输出特性的不均匀性。可以认识到，这允许增加电池的最小(单独)MPP电压，这可以在PV电池并联电连接时有利地利用。
更详细地，当使用典型的现有技术冷却解决方案时，暴露于较高照度的PV电池经受较高的热通量，这提高了它们的温度，如图5B的曲线图所示。该图描绘了PV电池阵列的五个给定电池的作为光浓度的函数的电池温度。
在图5B、6B和7B中，电池(“电池1”至“电池5”)每次被假定连接到(不同的)冷却装置并暴露于相同的不均匀照明。Rth表示整个PV系统的热阻(包括垂直路径上的每个部件，即，从宏电池组中的液体入口/出口的水平处的从电池到冷却液体，参见例如图1和图2)。热阻将PV电池和冷却液之间的温差ΔT与电池上的热通量q关联起来为
Figure BDA0001822911200000081
其中
Figure BDA0001822911200000082
表示热通量q的时间导数的面密度，即热通量q的时间导数除以热通量通过的表面。
在图5A和5B，其反映了现有技术解决方案中常见的情况，由于PV系统具有相对大的均匀热阻(在这种情况下为0.5cm2K/W，见图5)，电池的MPP电压的差异受到非均匀的光浓度和所产生的温差(在该示例中跨越约50℃)的不利影响。
具有尽可能低的热阻的冷却系统反映在图6A-6B中，其中Rth现在均匀地降低到0.1cm2K/W。逻辑上，低均匀的热阻导致限制电池温度，电池温度现在跨越大约10℃的间隔(图6B)。这也导致降低VMPP扩散，如图6A所示。然而，如图7A-7B所示，使用在电池上不均匀变化的热阻可以获得更好的结果。这里，可以意识到，与图5和图6的情况相比，即使电池的温度与图6B中的情况相比跨越更大的间隔(参见图7B)，调整冷却装置的特性，例如基于非均匀照明，允许MPP电压的跨度显著变窄。
参考图1-4和9，现在描述根据一个或多个实施例的本发明的一个方面，其涉及PV系统1。基本上，系统1包括多个PV电池10，其并排布置以形成多个PV电池阵列5。系统1还包括冷却装置20，其涉及一个或多个层21-23(参见，例如图2)，其与PV多个电池10的阵列5相对地延伸。层21-23与多个PV电池10的阵列5热连通，以便在操作中冷却多个PV电池10。
层堆叠21-23被构造成使得PV系统1的热阻不均匀，即，它在PV电池10的阵列5上，即在平行于阵列5平均平面的平面(x，y)中，明显变化。在操作中，热阻的变化使得可以以对电池不同的热移除速率从阵列5的多个PV电池10移除热量。
如前所述，这使得可以调节PV电池阵列上的电池温度。因此可以实现合适的调制，这降低了MPP处的每个PV电池的输出特性(VMPP,IMPP)的不均匀性，并因此降低(或甚至最小化)电池的VMPP扩散。如可以进一步实现的，在保持相似或更高的Rth的同时减小VMPP扩散使得进一步可以提高系统1的整体能量效率。
另外，因为VMPP扩展可以(可能强烈地)被降低，所以多个电池10可以有利地并联(至少其中一些)，而不会不利地影响所有电池10的输出。
冷却装置20的上侧通常跨越对应于阵列5的后侧的表面，即，电池10的非照射侧，如图2中所示。冷却装置20可以特别地包括一个或多个层21-23(即，堆叠的平面结构)，其呈现出不均匀孔或狭缝31、32(或突出结构40)图案。非均匀图案意味着孔口/结构的非均匀尺寸和/或布置(例如，分布的，彼此间隔开)，例如，在平行于平面阵列5和/或垂直于该平面的平面中，如以后的图所示。换句话说，图案在电池之间改变(例如，非重复)，以便改变系统1在多个PV电池10的阵列5上的热阻。这里考虑的热阻是整个PV系统的热阻。然而，热阻的变化基本上由冷却装置20赋予。
冷却装置的“层”21、22、23通常对应于平面元件，该平面元件可以被构造、机械加工等，以便实现期望的不均匀图案。给定的“层”21、22、23可以例如对应于分层冷却堆栈的层级中的给定级别。堆叠的层21-23中的仅一个(例如，顶部上的层，其最接近多个PV电池10)可以呈现出非均匀的孔口或结构图案。然而，当使用孔口(或狭缝)在整个冷却装置20中引导冷却液时，如后面参照图3和4所讨论的那样，一层21中的不均匀图案可能需要在邻接层22中具有非均匀的图案，以便适当地引导冷却液体从一层22到另一层21。
有利地，基于阵列5的多个PV电池10的预期空间照度分布，热电阻可以在电池10上变化，以便在某些特定位置处减小(并且相反地在其他特定位置处增加)。因此，并且如图2-4和9的实施例中所反映的那样，PV系统1的一个或多个层21-23可以被构造成使得热阻根据预定的照射分布在PV电池阵列上变化。这使得可以实现特定的温度调制，其最小化VMPP扩散并增加最小VMPP。
如相关领域的技术人员可以理解的，在阵列5中的某些位置有意地实现更高的热阻值是违反直觉的，因为例如在CPV系统中通常的做法是试图均匀地保持PV电池的低温以提高其电效率。
总体而言，与具有均匀、低热阻的PV系统相比，所提出的系统1可以更加节能，这是由于PV电池的更好的电匹配以及降低整体冷却流速和泵送功率的可能性。注意，改进的电匹配不能直接降低泵送功率。相反，通过允许具有高Rth的区域，相对于整个区域需要呈现低Rth的情况，可以减少总泵送。
为了调制大量电池(例如，至少3×3个电池，5×5或甚至6×6个电池)之上的温度，可以有利地使用特定的主动冷却方案，如下面参考一个或多个实施例所讨论的那样。
与均匀冷却系统(以及PV电池的相同或更好的总性能)相比，可以减少操作冷却装置20所花费的功率，因为可以降低平均泵送功率。实际上，在现有技术的冷却装置中，散热速率是均匀的，并且通常被设置为满足目标PV电池(即，经受最高热速率的电池)的冷却需求。结果，对于经受较低热速率的PV电池，散热速率倾向于过度供应。与上述目标PV电池相比，经受过度供应的PV电池将具有更低的电池温度，但是它们的功率输出可能远小于目标PV电池的功率输出。因此，总体VMPP(由电池组合产生的)将远低于最高的单个VMPP值(对应于目标PV电池的值)，尽管(均匀)热量移除率高。
相反，在本方法中，例如通过引导液体流动以主要作用于目标PV电池，空间上调节热量移除速率，在这种情况下，与上述例子相比，对于该目标PV电池，局部热量移除率更高，其他PV电池的局部热量移除率更低。因此，总流速可以降低到目标PV电池的散热速率相同或稍高的程度，但是(许多)其他PV电池的散热速率降低。因此，组合的VMPP(假设PV电池为并联连接)将至少等于(或优于)上述示例中的值，但是总体冷却液体流速可以降低，因此那种情况需要较少的泵送功率。
另外，因为在较小区域(所有条件相同)上需要高冷却速率，与均匀冷却装置相比，制造现有冷却装置20所需的过程控制不那么具有挑战性。
本解决方案可以在太阳辐射发电中找到应用并且可以导致更高的总能量效率(与模块级别的传统PV系统相比，通常相对增加超过60％)。可以特别考虑本发明的解决方案用于多个PV电池的密集阵列，在CPV、CPVT或混合PV/T系统中。
在一个或多个实施例中，冷却装置20是基于液体的冷却系统，包括一个或多个层21-23，其与多个PV电池阵列5相对地延伸，其中液体可以循环以从多个PV电池的阵列移除热量。如图3和9的实施例中所假设的那样。
在变型中，冷却装置可以是散热器，其基本上通过热传导结构的热扩散确保散热，并且可能通过散热器内的流体流动进行对流。
可以设想混合解决方案，如图2中所假设的那样，其中装置20的多个层是非均匀结构的，以改变跨越电池的热阻，而装置的其他层输送冷却液体以排出热量。
下面详细讨论所有这些变体。
除了层21-23之外，冷却装置20可以包括热耦合结构15。冷却装置15可以在变型中包括层21-23，层21-23延伸到多个PV电池10的边界或其附近，例如，如果多个PV电池嵌入导热基底中(作为热交换器的一部分)。因此，不严格需要热耦合结构15。
热耦合特征15可以是PV电池阵列5的一部分，或者是包含后者的上部结构。PV电池阵列和冷却装置的组件可以混合。仍然，通常，冷却装置和PV阵列还是不同的部件，因为它们通常在组装之前独立地制造。
重要的是，应该注意到，在本解决方案中，系统1的(局部)热阻以可测量的方式从一个电池到另一个电池变化。这种变化应当与局部变化区分开，如由本领域已知的用于热交换的孔口、通道或狭缝的均匀图案引起的，其中热阻在亚电池水平上变化(例如，根据规则晶格，其台阶或间距基本上小于典型的电池尺寸)，以确保均匀的散热。区别很重要，因为已经在标准的现有技术设计中观察到热移除率变化(平面内)，这些变化仅由于通道、孔口或狭缝的对准而出现。然而，例如，对于照射分布的不均匀性或PV电池所经历的实际热速率，这种变化不适于补偿电池之间的差异。
现在参考图9A-C，在实施例中，系统1可以包括一个或多个层21-23，其被构造成使得(垂直)热阻在0.05至0.7cm2K/W的范围内变化。这些值考虑了热耦合层15。更一般地，热阻的估计考虑了从PV电池表面到液体入口/出口内部(包括冷却液体本身)的垂直路径上的所有组分。例如，图2中的液体通道251。因此，这里考虑的热阻是整个系统1的阻抗，即使电池10上的热阻的变化基本上是由于冷却装置20的设计。
在一个或多个实施例中，系统1在对应于阵列5的两个给定PV电池10(不一定是连续的)的位置处的平均局部热阻的差异大于0.1cm2K/W，或者甚至，大于0.2cm2K/W。很危险的两个电池可以例如对应于经受极端照明值的电池。可能发生较大的热阻差异，如图7B所示(例如，大于0.3或甚至0.4cm2K/W)。应注意，图7B中的电池的温度对应于图7A中的温度。局部热阻的特征差异实际上取决于实际的实施设计、人们试图补偿的照明分布、所选择的材料、它们的尺寸、液体流速以及许多其他实验参数。上面提到的下限(0.1cm2K/W)仅反映了对于阵列的两个给定电池最小期望值的合理数量级。但是，请注意，并非所有PV电池都必须具有明显的散热率。根据照明模式，也可能发生小的差异(或根本没有差异)，特别是对于连续的PV电池，其热阻的差异可能远低于0.1cm2K/W。
现在参考图7A，在一个或多个实施例中，系统1的热阻可以设计成使得在MPP处的多个电池10的(单独)输出电压的扩展受到限制。特别地，并且如图7A1中所假设的那样，阵列5的每个PV电池10的输出电压(在MPP处)的最大差异可以有利地在操作中小于0.2V，或甚至小于0.1V。理想情况下，这种差异尽可能小。换句话说，在阵列5的特定位置处从PV元件10移除热量的速率在每个位置10处被调整，以便尽可能地减小所有PV元件10的最大功率点的最大差异。
注意，这里，人们谈到最小化单独考虑的电池的VMPP的扩展，当电池的VMPP连接在阵列中时(例如，并行地)，需要将其与电池的组合VMPP区分开。实际上，因为可以显著减小各个输出电压的最大差异，所以可以理解，在阵列5中，至少一些PV电池10(或可能所有电池)可以有利地以并联方式电连接。
如前所述，系统的热阻可以根据预定的非均匀照射分布而变化，以补偿该分布的不均匀性。这对于CPV系统或类似系统尤其有利，如现在参考图3和图9所讨论的那样。CPV系统等包括光学元件，例如透镜，以将大量太阳光聚集到多个PV电池10的阵列5的小区域上，从而产生多个电池的不均匀照射分布。如图3A和9B所示，通常是中心的径向分布。在这种情况下，冷却装置20的一个或多个层21-23可以被有利地构造(参见例如图3C，3D和9A)，以便热阻Rth在平面内变化(即，横跨PV电池阵列，平行于阵列5的平均平面)，并且与由集中光产生的非均匀照射分布相对应。
电池10可以是多结(MJ)PV电池10。多结电池具有多个p-n结，涉及不同的半导体材料。每个半导体的p-n结响应不同波长的光产生电流。使用多种半导体材料可以吸收更宽范围的波长，从而提高电池的能量转换效率。
通常的晶体硅太阳能电池具有PV效率，在最佳情况下，其在20％至25％之间(其最大理论效率为约34％)，而MJ电池已经证明PV效率超过43％。
因此，在一个或多个实施例中，与诸如基于Si的电池的单结PV电池相比，系统1(特别是CPV系统)可以有利地使用MJ电池来更好地利用太阳光谱。通过使用聚光光学器件来减小电池面积，可以抵消MJ电池的较高电池成本。
如前所述，可以通过构造层21-23来改变热阻。特别地，如图2、3C-4D和9A所示，结构21-23可包括至少一个层(例如，21、22)，其呈现出非均匀的孔口31、32或结构40图案，以允许通过孔口31、32或结构40进行非均匀的热交换。这又允许以不同的热量移除速率从阵列5的不同PV电池中除去热量。
诸如由孔口31、32，通道(例如，狭缝)或结构40提供的特征的不均匀图案隐含着这些特征31、32、40的尺寸(平面内和/或平面外)和/或这些特征31、32、40之间的平面内间隙在阵列5中从一个电池到另一个电池变化，以便以不同的移除速率从这些电池移除热量。注意，尽管如此，对于若干电池，特征31、32、40的相同的图案可以局部地出现。也就是说，不需要为每个电池具有严格不同的特征图案，因为电池的子集可以经受相同的加热速率，这简化了整体图案。然而，如图2-4和9所示，至少两个(但可能更多)PV电池将在冷却装置20的一个或多个层21、22、23中面对结构化特征31、32、40的不同局部图案。
例如，在图3C、3D、4C、4D和9A中，提供的孔口31、32的面密度在冷却装置的一个或多个层21、22中，跨与电池阵列5相对的表面(x，y)从一个电池到另一个电池变化。在图3C-D和9A中，冷却狭缝31、32的密度在中心处较大，与在这种情况下预期的中心径向分布一致。
更一般地，冷却特征的密度可以变化，因此热阻Rth与电池经历的热通量(大致)相反地变化(例如比较图9C和9D)。理想地，调节补偿以在每个电池的输出中产生均匀的电特性，如图9D中获得的各个电池的扁平VMPP曲线所示。
在基于液体的冷却装置中，其中特征31、32的密度是变化的，与如图8A-8B所示(不是根据本发明)的情况相比，其中冷却特征的密度是均匀的并且FPP和Rth的曲线是平坦的，可以调节部分的泵送功率FPP(图9C)以匹配热通量曲线(图9D)，其可以导致平均泵送功率降低。在图8A中，假设Rth＝0.3cm2K/W的(均匀)值，与现有技术的铜基散热器获得的典型值一致。如图8D中进一步描绘的那样，所得到的电池的VMPP曲线显著变化，导致与图9A的实施例相比其他条件相同却较低的性能。
当期望中心照射分布时(如同对于CPV系统)，堆叠21-23的至少一个层可以呈现出孔口31、32(图3和9)或结构40(图2)的局部密度和/或尺寸，其在相对于PV电池阵列5的中心(或对应于照射分布的最大值的任何位置)的位置处比在外部部分或者阵列5相对于各自的一个或多个位置处更大，如图3C，3D和9A所示。
在变型中，例如，当期望均匀化的照射分布时(如图4A-D中所示)，堆叠21-23的一个或多个层可呈现出相对于外部或阵列5，孔口31、32或结构40的更高密度，和/或这些特征31、32、40更大的尺寸。
如前所述，可以通过改变如图3C和3D所示的特征31、32的面内尺寸，和/或如图3C和图4D所示的这些特征之间的面内间隙，或者甚至在图2所示的例子中构成层21的突出结构40的面外尺寸，来改变热阻。可以考虑不同的组合。例如，在图2中，特征40的空间(平面内)分布和平面外尺寸从一个电池10到另一个电池10变化，以便适当地补偿期望的照射分布的不均匀性。
另外，观察到一层(例如层21)中的不均匀图案可能需要在连续层22中的不均匀图案，以确保从一层22到另一层21的适当液体通道，如图图3C和3D(中心照射分布)和图4C和4D(均匀照射分布)所示。
在图3C-3D所示的示例中，孔口31、32(在各自的层21、22中)形成非均匀的径向图案，与期望的照射分布一致。特别地，层21包括同心的圆形狭缝，其中，圆形狭缝之间的间隙在径向上随着层21在平面内变化，即，间隙在平行于阵列5的平均平面的平面(x，y)中被调制。即，如图9A所示，冷却特征的密度在层21的表面上径向变化，与中心相比，垂直狭缝的面密度在边缘处减小。
在图4C-4D的示例中，孔口31、32形成对于层22的狭缝的1D阵列(图4D)或2D阵列(图4C)，其中狭缝之间的间隙沿着给定方向(x或y)。
在图3C-3D和图4C-4D的每个实施例中，冷却模式适合于特定PV电池的照明图案和/或期望的操作温度。由于水平21-23的分级布置，并且根据给定的冷却结构层次，冷却通道的取向和尺寸，液体流速和热耦合由冷却装置20的设计控制。狭缝是通孔，允许从一个层21到另一个层22的流体连通。例如，在层22中，孔口32与上层21的狭缝31一致地布置，以确保适当的液体分布。可以在层22下方的下一层(未示出)中提供额外的狭缝/通道，以确保合适的液体通道。需要提供额外的结构以将液体限制在层21的顶部(未示出)。在变型中，层21中的狭缝31可以是盲缝，顶部封闭，使得液体循环由层21界定。
更一般地，根据实施例的PV系统1可以包括两个(或更多个)层21、22，其呈现出不同的，非均匀的孔口31、32的图案，布置成允许从两个层中的一个到另一个层的流体连通，又以不同的热移除速率去除阵列5的不同PV电池10处的热量。这样，如图3,4和9的实施例中所示，液体可以在整个层堆叠21-23中循环，以确保跨越电池的非均匀的热量移除。
另外的有用信息可以在WO 2013/144750 A1中找到，涉及孔口(或通道)的可能布置和互连。当然，WO 2013/144750 A1中的教导需要适当地适用于解释本文中所需的非均匀图案。
例如，冷却装置20可以涉及两个流体回路(具有相应的入口和出口)。如WO 2013/144750 A1中所述，这些回路中的每一个可包括孔口和通道部分的特定布置，其中通道部分根据自相似图案细分成多组旋转通道部分等。这些孔口和通道部分之间的面内尺寸和/或间隙可以适于产生非均匀的图案，以便适当地改变系统1在PV电池10的阵列5上的热阻。
例如，孔口和通道部分的布置可以形成树结构，其分支代表孔口，节点代表通道部分。每个回路进一步通过树形结构L≥3的L级延伸，并且通过叶子通道部分(即，对应于树的叶节点)与另一回路流体连接。对于每个回路，对应于兄弟节点的通道部分彼此平行，并且还不平行于对应于兄弟节点的父节点的通道部分。最后，一个流体回路的通道部分可以与另一个回路的通道部分平行并相互交叉。更多细节可以在2013/144750 A1中找到。
如上所述的结构允许在PV电池的水平处、或嵌入PV电池的基板处、或在热交换器15的水平处、或者是与PV电池直接热接触的热耦合结构处，实现孔口的致密且(一旦适合于本文)非均匀的布置。
在更简单(但不是那么有效)的变型中，可以依赖简单的导热结构40，如图2所示的实施例中那样，其中由于更简单的液体循环，最终除去热量。
在图2所示的实施例中，三层21、22、23形成冷却微结构的分级堆叠，允许从三层中的任何一层到三层中的任何一层的热连通。电池10嵌入基板(或主体)27中。分级排序的冷却微结构堆21-21嵌入主体27中，主体27本身由另一个主体25支撑。液体导管251集成在支撑体25中，用于散热，从而形成冷却宏观结构堆叠。因此，图2的实施例可视为混合散热/基于液体的冷却解决方案。
热耦合器(或热交换器)15位于电池10下方；此外，热耦合器15与PV电池基板接触。
分层冷却堆21-23由L≥3个不同水平的冷却结构组成，其中第一层21与热耦合器15紧密热接触。最后层23连接到宏观结构堆25。假设照明区域基本上覆盖所有PV电池阵列5，其横向尺寸基本上与主体25和27的横向尺寸匹配。显然，为了清楚起见，在该示例中，电池的数量是有限的。类似地，所描绘的各种组件未按比例绘制。
真实设备可能包含更多电池，通常以3×3,4×4,5×5或6×6阵列排列。更大的阵列也是可能的。在(x,y)平面中的单个电池的典型边缘长度在5mm和20mm之间，并且连续电池的边缘之间的距离可以在50μm和300μm之间的范围内。如上所述，PV电池可以是MJ型，包括例如包含Ge,InGaAs和InGaP的那些材料。电池通常经由中间导电层(未示出)连接到主体27，中间导电层与PV电池的相应底部电极互连。
导电层可以由诸如铜的金属制成，其通过本领域技术人员已知的方法，例如电镀、粘合剂粘合或机械压制，附接到主体27的顶部。在实施例中，铜导电层可以体现为一组热耦合器15。PV电池的顶部电极可以通过已知的工艺互连，包括熔接、焊接和使用金或银线/带的线或带结合、或者其他金属互连。主体27通常由包括硅和/或玻璃层的分层结构制成。使用已建立的粘合工艺，包括熔融粘合、阳极粘合或共晶粘合，将层状结构的各个层连接在一起。
在实施例中，主体27可以通过使用金属和合金(例如不锈钢，镍或钛)的增材制造技术来生产。主体25可以由工程塑料制成，包括但不限于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，聚甲醛塑料(POM)或聚苯硫醚(PPS)。可以使用本领域技术人员已知的已建立的粘合剂粘合方法，例如但不限于单组分粘合剂、多组分粘合剂或接触粘合剂，将主体27和25连接在一起。
根据另一方面，本发明可以体现为用于冷却PV系统的方法。先前参考图1-4和9已经注意到这种方法的各个方面。基本上，该方法适用于如图1所示的包括并排布置的PV电池10以形成PV电池10的阵列5的PV系统。该方法基本上涉及通过以不同的热移除速率从阵列5的PV电池10移除热量来冷却PV电池10。即，与目前描述的原理一致，以从一个电池10到另一个电池10的不同的热移除速率去除热量。
在实施例中，冷却PV电池10的步骤由于诸如前面描述的冷却装置20而执行，即，包括一个或多个层21-23的装置，其与PV电池10的阵列5相对地延伸并且在与之热交流。与前面的一致，层21-23被适当地构造，以便系统1在跨电池10上，即在平行于阵列5的平均平面的平面(x,y)中，呈现出变化的热阻。
系统1尤其可以是CPV系统或混合系统。在一个或多个实施例中，根据阵列5的多个PV电池10的预定照射分布，例如中心或均质分布，执行冷却。如图7A所示，如前所述，可以执行冷却以限制电池10的输出电压在MPP处的扩展，使得阵列5的所有PV电池10的最大功率点处的电压的最大差异小于0.2V，甚至小于0.1V。由于扩散的减小，PV电池10可以有利地并联连接。
可以使用基于液体的冷却系统，允许通过孔口31、32的非均匀图案在冷却装置20的层21-23上循环液体，以允许通过孔口31、32进行非均匀的热交换；反过来，以不同的热移除速率去除阵列5的不同PV电池10处的热量。如前面参考图3-4所讨论的那样，冷却PV电池10可以特别地涉及经由两个连续层21、22或更多层堆叠21-23的不同的非均匀的孔口31、32图案循环液体。
已经参考附图简洁地描述了上述实施例，并且可以容纳许多变型。可以预期上述特征的若干组合。特别地，参考PV系统描述的变型可以在冷却方法中使用，并且互逆。
虽然已经参考有限数量的实施例、变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定实施例、变型或图中示出的特征(类似装置或类似方法)可以与另一实施例、变型或附图中的另一特征组合或替换。因此可以预期关于任何上述实施例或变型描述的特征的各种组合，这些组合仍然在所附权利要求的范围内。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多微小的修改以使本发明的教导适应于特定情况或材料。因此，意图在于本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。例如，冷却装置20可包括各种歧管层设计，并且可使用其他尺寸/材料。

Claims (22)

1.一种光伏系统，包括：
光伏电池，并排排列以形成光伏电池阵列；以及
冷却装置，包括一个或多个层，与所述光伏电池阵列相对地延伸并与其热连通，其中所述冷却装置配置成在操作中冷却所述光伏电池；
其中，所述一个或多个层被配置成使得所述光伏系统的热阻在所述光伏电池阵列上变化，以便在操作中以不同的热移除速率从所述光伏电池阵列的光伏电池移除热量，
其中，所述一个或多个层被配置成使得所述热阻根据所述光伏电池阵列的所述光伏电池的预定照射分布在所述光伏电池阵列上变化。
2.根据权利要求1所述的光伏系统，其中：
配置一个或多个层使得所述热阻在0.05至0.7cm2 K/W的范围内变化。
3.根据权利要求2所述的光伏系统，其中：
在对应于所述光伏电池阵列的两个光伏电池的位置处所述光伏系统的平均局部热阻差异大于0.1cm2 K/W。
4.根据权利要求3所述的光伏系统，其中：
平均局部热阻的差异大于0.2cm2 K/W。
5.根据权利要求1所述的光伏系统，其中：
所述热阻足以将电池的电压扩展限制在最大功率点，使得所述光伏电池阵列中每个光伏电池的最大功率点处的电压的最大差异在操作中小于0.2V。
6.根据权利要求5所述的光伏系统，其中：所述最大差异在操作中小于0.1V。
7.根据权利要求1-6之一所述的光伏系统，其中：
至少一些光伏电池在所述光伏电池阵列中并联电连接。
8.根据权利要求1-6之一所述的光伏系统，其中：
所述光伏系统是一个集中的光伏系统，配置成在操作中将光聚集到所述光伏电池阵列的一个区域上，产生非均匀的电池照射分布；以及
一个或多个层被配置成使得所述热阻根据所述非均匀照射分布在所述光伏电池阵列上变化。
9.根据权利要求8所述的光伏系统，其中：
所述光伏电池是多结光伏电池。
10.根据权利要求1-6之一所述的光伏系统，其中：
所述一个或多个层包括至少一个层，其具有非均匀的孔口或结构的图案，以允许通过所述孔口或结构进行非均匀的热交换，并且进而在所述光伏电池阵列的不同的光伏电池处以不同的散热率移除热量。
11.根据权利要求10的所述光伏系统，其中：
所述至少一个层表现出孔口或结构的局部密度和/或尺寸，其在相对于阵列中心的位置处比相对于阵列的相应的外部部分的一个或多个位置处更大。
12.根据权利要求10所述的光伏系统，其中：
所述一个层或多个层包括至少两层，所述层具有不同的、非均匀的孔口或结构的图案，允许流体从所述两层中的一层连通到所述两层中的另一层，以便在运行中以不同的散热率在所述光伏电池阵列的不同光伏电池处移除热量。
13.根据权利要求10所述的光伏系统，其中：
所述一个或多个层包括至少三个层，所述至少三个层形成冷却微结构的堆叠，允许从所述三个层中的任何一个到所述三个层中的任何一个的热连通。
14.根据权利要求10所述的光伏系统，其中：
非均匀的孔口或结构的图案包括同心的圆形狭缝，其中，所述圆形狭缝之间的间隙在平行于所述光伏电池阵列的平均平面的平面中径向变化。
15.根据权利要求10所述的光伏系统，其中：
非均匀的孔口或结构的图案包括一维或二维狭缝阵列，其中狭缝之间的间隙在平行于所述光伏电池阵列的平均平面的平面中沿给定方向变化。
16.一种用于冷却光伏系统的方法，所述方法包括：
并排布置光伏电池以形成光伏电池阵列；以及
通过以不同的热移除速率从所述光伏电池阵列的光伏电池移除热量来冷却光伏电池，其中：
由包括一个或多个层的冷却装置执行冷却光伏电池，所述冷却装置与所述光伏电池阵列相对布置并与其热连通，其中所述一个或多个层被构造成使得所述光伏系统具有跨越所述光伏电池阵列变化的热阻，其中：根据所述光伏电池阵列的所述光伏电池的预定照射分布来执行冷却光伏电池。
17.根据权利要求16所述的方法，其中：
执行冷却所述光伏电池以便将所述光伏电池的电压扩展限制在最大功率点，使得所述光伏电池阵列的每个光伏电池的最大功率点处的电压的最大差异小于0.2V。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
执行冷却所述光伏电池，使得所述最大差异小于0.1V。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
至少一些所述光伏电池在所述光伏电池阵列中并联电连接。
20.根据权利要求16-19之一所述的方法，其中：
冷却所述光伏电池包括通过一个或多个层的非均匀的孔口或结构的图案循环液体，以允许通过所述孔口或结构的的不均匀热交换，并且进而以不同的散热率在阵列的不同光伏电池处移除热量。
21.根据权利要求20所述的方法，其中：
冷却所述光伏电池包括通过一个或多个层的两个连续层的不同的、非均匀的孔口或结构的图案循环液体。
22.根据权利要求16-19中任一所述的方法，其中：
所述光伏系统是聚光光伏系统(1)，其配置成将光聚集到所述光伏电池阵列的区域上，从而产生所述光伏电池的不均匀照射分布；以及
根据非均匀照射分布冷却光伏电池。
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