CN109891163A - 用于使用太阳能发电的系统 - Google Patents

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Abstract

一种装置，所述设备是使用太阳能的发电系统的子系统的一部分，该装置包括：光伏面板；热附接到光伏面板的底部的第一流体容器；以及温度传感器，其用于感测在第一流体容器内部的流体的温度。子系统还包括加热组件，该加热组件包括第二流体容器、第二温度传感器、以及电加热元件。第二流体容器流体地连接到第一流体容器。加热元件被构造为将第二流体容器中的预加热的流体加热至其蒸气状态。子系统另外包括涡轮发电机，该涡轮发电机流体地连接到第二流体容器，以从蒸气生成AC电力。还提供了采用多个子系统的系统和用于使用子系统的方法。

Description

用于使用太阳能发电的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求以下美国临时申请的优先权：(1)申请序列号62/383,013；(2)申请序列号62/383,026；以及(3)申请序列号62/383,036，所有申请在2016年9月2日在当前发明人Hans Se-young Cho的名义提交。
背景技术
使用来自太阳辐射的能量(通常被称为“太阳能”)发电已经实行数十年。它已经变成“可再生”能源的代表形式，由于关于来源于化石的烃类燃料的稀缺性、可持续性以及安全性的忧虑，可再生能源已经受到越来越多的关注，来源于化石的烃类燃料是今天人类社会使用的电力和其他动力的主要来源。
现今实行的太阳能发电可以主要分类成光伏发电和太阳热发电。在光伏发电的情况下，在半导体固体上入射的太阳辐射将电子从更低能级激发到更高能级，然后，该电子及其带正电荷的配对物(同时形成的空穴)空间地分离并收集在相对的电极处，以构成电流。在太阳热发电中，暴露到太阳辐射的主体的热量直接或间接传递到人类使用-直接为已加热的水或空气的形式、或间接为用于使涡轮转动的蒸汽的形式，该涡轮转而发电。已经在实验室水平提出并演示太阳能发电的其他较小形式，诸如热电发电以及太阳能驱动的氢气生成和捕获。
在包括光伏和太阳热电的发电的传统方法中，每单位面积的太阳能设备和/或制造、安装以及维护设备的每单位成本可以产生的电量受到作为各设备基础的原理固有的因素严重限制。
对于光伏设备，以电力或光伏效率的形式提取的太阳能的少数量主要受两个因素限制：(1)材料的电气带隙，该带隙确定电压；和(2)拥有大于带隙能量或Eg的能量的太阳辐射谱的部分。太阳辐射中的光子各拥有频率ν，并且各光子的能量被表达为hν，其中，h是普朗克(Planck)常数。仅具有等于或超过给定半导体材料的Eg的能量hν的光子能够将半导体的价带内的电子激发到导带，在导带中，电子可以连同价带中的产生的空穴一起被提取为电流。局面在间接带隙的情况下复杂，但维持以下一般原理：需要特定阈值的光子能量来将光子激发到足以收集电流并使其用于外部工作的等级。
能量低于Eg的光子不被吸收，并且在不相互作用的情况下离开光伏材料或被吸收作为设备的基板或其他区域中的热量。限制太阳能设备的效率的其他因素是在从设备提取电子和空穴作为电流之前该两者的重组、以及光伏材料中的、在光子的能量超过Eg且过剩能量传递到光子(其是机械振动模式)时发生的来自所激发电子的能量损失。
由于导致损失的所有这些不同过程，光伏设备的效率远离100％。在单晶Si的情况下，典型效率仅为大约21％，并且生产上更便宜且因此将更期望大量使用的多晶和非晶Si示出远远更低的效率。未转换成电力的能量通常以热量的形式损失。具有更高带隙的半导体、以及具有不同带隙的多个半导体的组合(被称为多结太阳能电池)可以实现更高的光伏效率(在实验室条件下已经实现超过50％)，但仅通过使用更昂贵材料以及更复杂和昂贵的制造过程来实现。作为低效光伏转换的另外不利影响，太阳能电池的效率通常随着温度升高而降低，这可能导致加热和更低的效率的反馈环路。影响光伏设备的效率的另一个问题是生成的电流为直流电(DC)形式，而电力传输和使用通常为交流电(AC)的形式。将DC电力转换成AC还将能量损失引入到发电过程，并且需要逆变器和其他专业电子硬件，其增加了系统的成本。
太阳热能还面临用于实施的固有问题。在地表上的大多数位置中，在表面上入射的太阳辐射的密度通常不足以使与该表面接触的大量水(或其他流体)沸腾，因此，以该方式加热的蒸汽的动能无法用于可靠地发电。为了克服该问题，使用将在宽阔区域上入射的太阳辐射聚焦或以其他方式集中到更小区域上的方法，来将大量水或其他流体加热至足够的温度。这在生成的每单位电能使用的硬件和面积方面增加成本。而且，与集中或聚焦阳光有关的地理和环境约束使得该方法比光伏方法更不可靠且更易受局部和可变时间条件影响。它在大多数城市或住宅设置方面更不灵活且更难以实施。事实上，太阳能使用的光伏和太阳热方法这两者严重依赖天气、当日时间、局部阴影、以及洁净度条件。
在现有技术中，已经提出利用被太阳能面板的主体吸收的热量的若干方法。一种明显方法是将诸如用于太阳热单元中的热交换器并入到光伏面板中，从而捕获否则将被浪费的、由光伏面板吸收的热量。在一些现有技术公报中，诸如Fleshsig等人(WO 2011/012917A1)、Charlton等人(美国专利6434942B1)、Elazari(美国专利公报2011/0272003)以及其他公报，热量用来将水转换成蒸汽并使发电机涡轮转动。在该过程中，还冷却光伏电池。然而，如已经注释的，因为在地球的大多数区域上入射的太阳的区域能量密度有限，所以被太阳能面板本身吸收的热量通常不足以将水转换成蒸汽。为了使得水沸腾，通常需要由其他设备增强所吸收的太阳热，并且现有技术提及太阳光集中、通过使流体穿过太阳热换热器的多个级加热、或由诸如天然气的化石燃料加热，作为将水的温度提升至沸点及以上的手段。但是，因为现有技术中的这些方法需要由其他电源供给的能量或使用在更大区域上收集的太阳能来增强在光伏单元本身的区域内的加热，所以现有技术的这些方法未完全克服太阳热发电的限制。实际上，这些方法降低来自在给定区域上可用的太阳能的组合光伏和太阳热部件的电力转换的效率。
本发明通过描述以每单位瓦特小时的更低成本可靠地提取更高百分比的、来自暴露到阳光的主体的太阳能的子系统、系统以及方法，提出克服太阳能发电的光伏和太阳热这两种方法及其之前组合的限制。
附图说明
图1示出了根据示例的系统，该系统包括三个子系统，子系统各包括光伏面板和第一流体容器，光伏面板与第一流体容器热接触。
图2示出了根据示例的一个子系统的细节。
图3示出了根据示例的、子系统的各种元件到计算机和控制器的电连接的示意图，这些电连接具有在电池与电网之间切换的能力。
图4A至图4C示出了根据示例的单个子系统的不同视图，图4A示出了没有光伏面板的子系统，图4B示出了子系统的相反侧，并且图4C示出了具有光伏面板的子系统。
图5是根据示例的、图4A至图4C所描绘的子系统的一部分的视图，子系统的一部分在截面中示出。
图6是沿着图5的线6-6截取的剖面图。
图7是沿着图5的线7-7截取的剖面图。
图8是示出了形成系统的来自图1的组合子系统的网络的示意图，这些子系统互连到计算机/控制器并受其控制，DC光伏电力存储在电池处并从其递送。
图9是描绘了用于在系统中发电的方法的流程图。
具体实施方式
如从延伸到古代的现有技术所良好理解的，液态水可以通过将其加热至其沸点以上(伴随其体积膨胀大约1600倍的过程)来变换成蒸气(在大多数大气情况下被称为蒸汽)。膨胀蒸气的动能能够在被约束为施加于期望主体或机器上时执行有用的机械功。蒸汽动力的使用推动引起电气时代的工业革命，并且将我们的物质文明变换成其现在的形式。
用于将水加热至其沸点的传统燃料是诸如煤的化石燃料烃类。这是可以理解的发展，因为化石烃类拥有高能量密度，并且已经被大量发现。源于核反应的热能也已经用于利用在核反应堆中实现的极大能量密度来使用于发电的蒸汽沸腾。然而，将太阳能用于使水沸腾的方法是有难度的，这主要是由于其每体积(或面积，面积是用于太阳能的空间资源使用的更典型测度)的更低能量密度。在地表上经历的大多数条件下，来自阳光暴露的加热不足以使大量具有高热容量的水沸腾。为了从共同经历例示，虽然一些水滴在与被太阳加热的热表面(诸如黑色车罩)接触时可能快速蒸发且可能在变换到蒸汽的嘶嘶声的情况下这样做，但更多的事物将快速冷却表面，并且水将不能沸腾或蒸发。(这里将不详细覆盖沸腾与蒸发之间的区分。)因此，用于蒸汽生成的太阳热需要在给定区域上自然入射的阳光集中到小许多倍的区域上，以充分地加热主体和其内部包含的或以其他方式与其热接触的水。
在本示教中，通过由电流的外部源来供电的电加热元件加热预热的水，增强入射到主体上的、来自太阳辐射的热量，其预热包含在该主体内的或以其他方式与该主体热接触的水。外部电力源最理想地也是从集成到同一主体上的设备生成的光伏电流的形式的太阳能，但还可以包括其他形式的可再生能量或电池，甚至可以源于通常的电网，而不管生成方法如何。
该示教的示例性描述如下给出。其表面至少部分由光伏面板组成的第一流体容器吸收太阳辐射，并且将来自太阳辐射的热量传递到内部包含的流体(通常为水)。随着流体被加热，由第一流体容器内的传感器定期测量流体的温度，并且在流体超过特定温度阈值时，传感器或诸如计算机或控制器的外部控制设备发送信号以打开在第一流体容器底部处的阀，这允许被加热的流体离开进入到第二流体容器中，该第二流体容器包含电加热元件或加热器。由外部电流源供电的该电加热元件也受外部控制设备发出的信号控制。而且，另一个温度传感器位于第二容器中，以在流体被电加热时监测流体的温度，并且向外部控制设备发送其读数。外部供电的电加热元件使预加热水沸腾，并且蒸汽在适当时间释放到流体连接的涡轮发电机中，完成热能到电力的转换。以该方式，在水中吸收的潜热被提取为有用功，损失仅由热机的卡诺(Carnot)效率确定。
如这里使用的，冠词“一”旨在具有其在专利技术中的普通含义，即“一个或更多个”。例如，“多束元件”意指一个或或更多个多束元件，由此可见，“所述多束元件”在这里意指“所述多束元件或所述多个多束元件”。而且，对“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”的任意参考在这里不旨在限制。这里，术语“大约”在应用于值时通常意指在用于产生值的设备的公差范围内，或者可以意指加或减10％，或加或减5％，或加或减1％，除非另外明确指定。进一步地，如这里使用的术语“大致”意指大多数、或几乎全部、或全部或在大约51％至大约100％的范围内的量。而且，这里的示例旨在仅为例示性的，并且为了讨论目且并非以限制的方式呈现。
用于太阳能吸收的装置
图1描绘了包括三个子系统110的系统100的实施方式的概述。虽然示出了三个子系统110，但将理解，可以采用少于或多于三个子系统。
子系统110可以每一个相对于太阳不同地成角度，使得太阳在一天的一部分期间将照射至少一个子系统。实际上，使用若干子系统110可以使来自太阳的太阳辐射的使用最大化，而无需通常与太阳能面板一起采用的转向和跟踪机构的复杂度。
每个子系统110包括装置120，该装置包括光伏面板122、热附接到光伏面板的底部的第一流体容器124、以及用于感测在第一流体容器内部的流体的温度的温度传感器126。
装置120是系统100的基本单元。第一流体容器124与光伏面板122热接触，并且可以为挡板或换热器管组件的形式。在理想情况下，热接触确保尽可能地来自光伏面板122的接近100％的热量传递到第一流体容器124。
第一流体容器124包含流体，诸如水或适于这里公开的目的的其他流体。
光伏面板122可以由用于将太阳能转换成DC电力的多个光伏或太阳能电池122a构成。光伏电池122a可以布置在第一流体容器124的顶表面124a上。光伏电池122a可以由单晶硅或其他半导体晶片或一个或更多个光伏薄膜电池构成。在一些实施方式中，在第一流体容器124的表面124a上的光伏电池122a可以包括半导体薄膜，该半导体薄膜是非晶的、多晶的、或包括聚合或单晶的纳米线。关于光伏(太阳能)面板122和光伏(太阳能)电池122a，术语“光伏的”在这里与“太阳能的”同义地可互换使用。
如这里使用的，还被称为吸收面板的装置120包含工作流体并吸收太阳能。流体由于装置120暴露到太阳能而变热。装置120还包含一个或更多个传感器126，该一个或更多个传感器以例如大致几分钟的规则时间间隔测量流体的温度。来自光伏电池的未被转换成DC电力的任何太阳能都可以用于预热第一流体容器124中的流体。
第一流体容器124是装置120的一部分，并且与(一个或多个)光伏电池122a亲密热接触，或以其他方式与光伏面板122的吸收表面紧密地热接触。第一流体容器124可以是在金属块内的管状通道、或弯曲成圈状的管或多个管、挡板、平行的多个管、或具有鳍状突出物的成形通道、或本领域中常见的流体换热器的其他构造的形式。
第一流体容器124可以由不锈钢、铝、镀锌钢、铜、青铜、或耐腐蚀且以所假定的容器的形式不会因在大约-20℃至大约200℃的温度范围内发生的热膨胀和收缩而遭受破裂或其他故障的任意金属工程金属构建。光伏电池122a附着到的第一流体容器102的前表面或顶表面或面向太阳的表面124a可以由上面列举的类型中的一个或更多个的半导体薄膜构成。表面124a可以是玻璃、塑料、陶瓷、金属或其组合。在实施方式中，第一流体容器124的表面124a可以纹理化或以其他方式从地形上被构造为吸收最大部分的入射阳光。纹理可以由第一流体容器124的形状来给予。
光伏面板122可以通过金属紧固件、金属焊料、焊接、胶合剂、环氧树脂或其他粘合胶或机械压缩附着到第一流体容器124的表面124a。可以采用导热环氧树脂或粘合剂来帮助到第一流体容器124中的流体的热传递。
在一实施方式中，光伏电池122a可以直接沉积或以其他方式形成到第一流体容器124的表面124a上，使得(一个或多个)光伏电池在没有大量间隙的情况下共形地附着到流体容器。
可以存在一个或更多个传感器126，该一个或更多个传感器定期测量在第一流体容器124内的水或流体的温度，并且将所测量的值中继到外部计算机(例如，在图2中被示出为200)。在一实施方式中，如图2所示，在第一流体容器124内或热耦合到第一流体容器内的流体的传感器126可以电耦合到计算机200。在另一个实施方式中，传感器126可以与计算机设备封装在一起，该计算机设备可以是微电子芯片或包含微电子芯片的设备。
每个子系统110还包括加热储液器130，该加热储液器包括流体地连接到第一流体容器124的第二流体容器132。第二流体容器132还包括温度传感器134和到加热元件或加热器(图1中未示出，但在图2中被示出为元件138)的引线136。
第一流体容器的后侧或底侧或被遮蔽侧可以被隔热层覆盖，该隔热层防止热量沿被遮蔽的通常更凉的方向从第一流体容器漏出。加热储液器的表面也可以整体地被隔热层覆盖或者朝向后侧、底侧或被遮蔽侧部分地被隔热层覆盖。
各子系统110还包括涡轮发电机140，该涡轮发电机流体连接到第二流体容器132。随后的附图中示出了涡轮发电机140的细节。基本上，流体在第二流体容器132中转换成蒸气(蒸汽，在流体为水的情况下)，并且释放到涡轮发电机140中，该涡轮发电机由涡轮(在图2中被示出为元件142)的旋转将蒸气转换成AC电力。蒸气然后冷凝，以便回收。
系统100包括向第一流体容器124提供诸如水的工作流体的流体源150。可控第一阀152从流体源或储液器150向第一流体容器124提供环境温度流体，而可控第二阀154从第一流体容器124向第二流体容器132提供流体。在第二流体容器132中，流体从其液体状态加热为其蒸气状态。可控第三阀156向涡轮发电机140提供蒸气。在使涡轮142转动之后，蒸气冷凝至其液体状态，并且液化流体由泵158返回到流体源150。可控阀152、154、156受来自控制器的信号控制，该控制器转而受计算机200控制，这两者在下面更详细地讨论。
入口管160将第一阀152连接到第一流体容器124，以便引入工作流体。出口管162将第一流体容器124连接到第二阀154，以允许工作流体离开第一流体容器并进入第二流体容器132。
图2描绘了一个示例子系统100的另外细节。图2中采用图1中使用的相同附图标记。关于加热储液器130和涡轮发电机140示出了另外细节。
除了上述元件之外，加热储液器130还包括电加热元件138。涡轮发电机140包括涡轮142和冷凝室144，该冷凝室包含冷却盘管或用于将蒸气(例如，蒸汽)冷凝成液体(例如，水)的冷凝器146。涡轮发电机140还包括保持冷却盘管146凉爽的冷却单元148。冷却单元148可以是冰箱。更常见地，为了避免使用由系统100生成的电力的一部分并从而降低其效率，冷却单元148可以在环境温度下保持在被遮蔽区域中，诸如在装置120后面或下面。
示出了两个水源150a、150b。然而，虽然水源150a、150b被示出为分开的，但它们可以如图1所示的是单个源150。水源的示例包括市政水、井水、池塘、水车等。
虽然水在这里被讨论为热传递流体，但还可以使用其他HTF。一个常用HTF是通常使用无毒丙二醇的防冻剂/水混合物，但可以使用其他二醇。其他HTF的示例包括烃油和硅酮。
图2中还示出了计算机/控制器200和电池202。虽然计算机/控制器200和电池202这两者被描绘为与子系统110相关联，但将理解，在典型情况下，计算机/控制器200和电池202为系统100中的所有子系统100共用。计算机/控制器200被构造为接收来自温度传感器126、134以及每个子系统110中的其他源的输入以及外部数据，以在适当时间打开和关闭阀152、154、156，并且向电网214输送AC电力。电池被构造为存储由光伏面板122生成的DC电力，并且向加热器和在系统100之内的其他部件提供DC电力。
如由计算机/控制器200指导的，细实心引线206向诸如阀152、154、156的阀提供来自电池202的电力。细虚线208将来自诸如传感器126、134的传感器和来自电池202的传感器信号运送到计算机/控制器200。粗实线210向从电池204到计算机/控制器200所包括的各种部件提供系统电力，如由计算机/控制器向加热器138和泵158所引导的。粗虚线212向电网214提供所生成的电力，诸如由光伏面板122和涡轮142生成的、都输送到计算机/控制器200的电力以及诸如从计算机/控制器200到电网214的AC电力。电网214例如可以为当地分站或区域电力系统的一部分。
存在两个电力源：由光伏面板122生成的DC电力和由涡轮142生成的AC电力。DC电力被内部消耗，例如以利用加热器138加热第二流体容器中的流体、以打开和关闭阀152、154、156、以及以为泵158供电。AC电力被输送到电网214以用于外部消耗。每个子系统110被构造为加热流体，和生成用于内部使用的DC电力和用于输送到电网214的AC电力。
图3是子系统110的各种元件到计算机200a和控制器200b的电连接的示例的示意图，所述电连接具有在电池202与电网214之间切换的能力。再次，将理解，计算机202a、控制器200b以及电池204为多个子系统110共用。图3中采用图1和图2中使用的相同的附图标记。
在图3中，图2的计算机/控制器200被示出为两个分开的部件，计算机200a和控制器200b。控制器200b包括开关300，该开关可以向电池202和电网214二者之一或这两者输送来自太阳能发电机(涡轮)142的AC电力。在实施方式中，开关300可以用于基于到控制器200b的处理器指令同时向电池202和电网214引导所生成的电力。
可以使用具有服务器、监测器以及其他外围设备的有线或无线网络302(诸如WAN或LAN)来与计算机200a和类似子系统中与计算机相似的部件、以及外部电网和整个互联网的信息交互。
网络302可以接收来自电网214的操作员的信号，该操作员将指示计算机200a向控制器200b发信号以关闭加热器138并关闭至少上游水阀152。在电网214存在问题或电网维护且操作员不想新的发电进入时，子系统110必须以及时的方式知道。
关于具有计算机200a的各子系统100，对于所有子系统可以仅需要一个计算机和局部网络302。另选地，可以对于每个子系统110存在一个计算机200a，所有子系统计算机连接到“主”计算机。
对于所有子系统100可以存在一个控制器200b。另选地，每个子系统110可以具有其自己的控制器200b。在一实施方式中，可以存在不依赖于向所有子系统110的控制器200b的每一个发信号的单个独立的计算机200a。虽然控制器200b可以能够处理多于一个子系统110，但每个子系统可以需要至少六个通信线路。还存在单个控制器的硬件或软件使整个系统100出故障并削弱的潜在问题。
同样，可以存在一个蓄电池202或每一个都服务子系统110的多个电池。电池(或者多个电池)202可以被维持在完全充电状态，或者可以在再充电之前部分耗尽。
图4A至图4C提供了子系统110的另外细节。具体地，图4A示出了没有光伏面板安装在第一流体容器124上的子系统110。图4B示出了子系统110的后侧。图4C示出了光伏面板122安装在第一流体容器124上的子系统110。图4A至图4C中采用图1中使用的相同附图标记。
图5描绘了子系统110的一部分，第一流体容器124在截面中示出。第一流体容器包括加热器138。图5还描绘了包括光伏面板122、第一流体容器124以及温度传感器126的装置120的截面6-6和7-7。图6是沿着图5的线6-6截取的剖面图，该剖面图示出了穿过第一流体容器124的纵向截面。图7是沿着图5的线7-7截取的剖面图，该剖面图示出了穿过第一流体容器124的横向截面。图6和图7中示出了在第一流体容器124的背侧上的隔热层600，以帮助保持预热流体中的热量。
图8描绘了包括N个子系统110的太阳能发电系统100。每个各子系统包括加热器138。图8示出了N个加热器138(138-1、138-2、138-3...138-M、138-M+1...138N)。每个子系统110还包括温度传感器134。图8示出了N个温度传感器134(134-1、134-2、134-3...134-M、134-M+1...134N)。
在操作中，且主要参照图1和图2，控制阀152在打开时，借助入口管160将流体源150内的工作流体释放到第一流体容器124中，并且在由从计算机/控制器200接收的信号指示这样做时这样做。第一流体容器124中的流体由太阳能预热。在这一点上，第一流体容器124可以涂布有黑色涂层，例如，油漆，以使来自太阳的热量的吸收最大化。
传感器126测量第一流体容器124中的流体(例如，水)的温度，并且所测量值沿着线路208发送到计算机/控制器200，该计算机/控制器确定该流体是否足够热以进一步加热至沸腾，以生成蒸气(例如，蒸汽)并使涡轮142转动。在其确定流体足够热时，计算机/控制器200沿着线路206发送信号，以释放阀154，以将预热水从第一流体容器124运送到第二流体容器132，在第二流体容器中，该预热水通过使用外部电源的加热元件138来加热至沸腾，该外部电源可以是光伏面板122的光伏输出。计算机/控制器200还沿着线路206发送信号，以释放阀152，该阀打开，以从处于环境温度(室温，或更凉)的流体源150补充第一流体容器124中的流体。
控制阀154可以被构造为在接收到来自计算机200的信号时打开，以使得流体从第一流体容器124释放到通向外部的排水管。这将许可例如在即将冰冻或维护的情况下排空子系统110。
控制阀152在打开时，允许来自诸如市政储液器的外部源150的环境温度(未加热)流体进入到第一流体容器152中，并且在接收的来自计算机200的信号指示这样做时这样做或在流体容器中的内部传感器(未示出)指示它足够空时这样做。
系统100不依赖光伏面板122的效率，并且实际上可以使用极度低效的光伏面板，因为未转换成光伏能量的能量仍然被捕获为热量并转换成有用能量，诸如用于预热第一流体容器124中的流体的能量。许多种类的光伏电池122a可以用于光伏面板122的表面上，并且可以在结构上以各种方式集成到第一流体容器124上。单晶或多晶晶片或板、多晶或非晶膜、聚合物、纳米晶体、纳米线组件等可以用作光伏电池122a，并且这些光伏电池通过直接沉积或通过沉积到单独的基板上来耦合到第一流体容器124的表面124a，该单独的基板转而由焊接、胶合、压缩、钎焊、螺栓连接、铆接等附接到吸收面板。然而，可以期望使光伏面板122与第一流体容器124之间的热耦合最大化。在这一点上，可以采用导热粘合剂(未示出)来增强热耦合。光伏电池122a甚至可以不需要覆盖第一流体容器124的整个表面，因为最终目标不是使所捕获太阳能的光伏元件最大化，相反是所捕获电力的完全转换。
太阳能电池122a可以为常见太阳能电池材料中的任意一个，诸如硅、锗、III-V材料、II-VI材料或其组合。因为电池效率不关键，于是，在一些实施方式中，在实行这里的示教时可以采用最便宜的太阳能电池，诸如薄膜硅太阳能电池。它是来自太阳的热量和由光伏面板122生成的DC电力的组合，该DC电力用于生成使涡轮142转动的蒸气(例如，蒸汽)并从而生成用于传输到电网214的AC电力。
因为在第一流体容器124中的流体的温度状态对于确定它是否被充分预热以利用可用能量煮沸或它在所连接网络中的子系统110当中是否最接近沸腾(即，最热)是重要的，所以第一流体容器124中的温度传感器126可以被优化为在大约40℃至大约100℃的范围内准确。温度传感器126装配有与计算机/控制器200通信的线路208，该线路可以包括简单电线、无线或有线数据连接、或自由空间光学连接。计算机/控制器200可以同样由与线路208类似的线路与其他子系统100的其他类似流体容器124内的许多类似传感器连接。
若干类似的太阳能子系统110可以由信息网络连接，并且如对于来自水的给定的预热主体发电最高效的向彼此递送电力。例如，在太阳能子系统110的这种网络中，每个第一流体容器124和每个第二流体容器或加热储液器132中的温度传感器126可以向诸如计算机/控制器200的中央或本地计算机发送它们的读数，这些计算机可以确定在特定第一流体容器124(例如，装置A)中的水已经用诸如来自光伏面板122的集合体的、此时可用的电能量达到沸腾的足够预热温度。来自光伏面板122的网络的组合光伏电力然后可以递送到装置A的第二流体容器132，用于加热以使其达到沸腾，并且诸如借助于涡轮发电机140提取能量。然后，计算机/控制器200搜索达到阈值温度的下一子系统110，并且重复该过程。该示例使得系统能够调节在任意给定光伏面板122上的入射太阳辐射的局部和临时波动。许多面板上的条件可以变化，但在任意给定时刻，最优地加热的第一流体容器124中的水将利用联网吸收面板的组合光伏电力沸腾。这使得太阳能面板122能够面向不同的、甚至相反的方向，以在任意给定时间更高效地促进太阳能发电，而不重新定位且没有其用于移动太阳能面板的伴随复杂机械。下面描述实现这一点的系统(包括多个子系统)和方法。通常，每个光伏面板122在其面向一方向的表面上具有至少一个光伏电池122a，在所述方向上所述光伏面板可以在一天的至少一部分内暴露到太阳辐射。
在该示例和其他示例中，来自每个子系统110的光伏面板122的DC电力可以首先递送到一个或更多个电池202或其他电力存储装置(未示出)并存储在那里，直到其被输送到预热子系统并用于使其在第二流体容器132中的充分预热的水沸腾为止。
在一些情况下，可能需要从第一流体容器124和第二流体容器132去除流体并将其排出到外部。这可能是由于冬季月份期间的潜在冷冻。在从局部温度传感器126和/或计算机/控制器200或从监测天气情况的中央计算机接收信号时，可以打开在两个流体容器124、142的底部处的阀(未示出)，以排出流体。
继续讨论系统100的操作，将第二流体储液器132中的流体(例如，水)加热至其蒸气状态(例如，蒸汽)。阀156是将蒸气释放到涡轮发电机140中的自动释放阀，在涡轮发电机中，该蒸气使得涡轮142旋转并生成AC电力。电力沿着线路212输送到计算机/控制器200，在计算机/控制器处，电力被输送到电网214。蒸气然后进入冷却室144，在冷却室中，它由冷却盘管146冷凝成其液体状态。冷却盘管146由冷却单元148保持冷却，该冷却单元由计算机/控制器200操作。冷凝的液体由泵158返回到水源150，该泵也由计算机/控制器200操作。
考虑子系统110，该子系统具有装置120(包括光伏面板122、第一流体容器124、以及温度传感器126)、加热储液器130(第二流体容器132、温度传感器134、引线136、以及加热器138)、以及涡轮发电机140(涡轮142、冷却盘管146、以及冷却装置148)的组合构造。在一些实施方式中，虽然到涡轮发电机140的入口可以暴露到太阳下以能够由太阳进行的连续加热，但涡轮发电机140的大部分位于子系统110下方，具体为位于光伏面板122的下方或以其他方式被遮蔽以免于直接暴露于太阳。由冷却盘管146进行蒸气冷却的另一端(排出侧)被保持在通常为典型室温左右的温度或者更低的温度。在这一点上，将理解，在图1、图4A、图4B、图4C以及图5中，光伏面板122看起来被描绘为小于涡轮发电机140。然而，实际上，光伏面板122与涡轮发电机140一样大或大于涡轮发电机，因为发电机的出口端(并且返回到水源150)理想地比入口更凉。
发电机主体的排出侧被保持在更低温度且通常被遮蔽免于太阳作用的原因是，使跨涡轮发电机140的热梯度最大化，从而使蒸汽发动机的卡诺效率最大化。低温储液器和遮蔽的构造的相应位置以使热梯度最大化的目的来确定。在进入更低温度的冷却室144后，已经离开涡轮发电机140的蒸汽将收缩并冷凝成液体，并且该液态水(或其他流体)由泵158泵送或以其他方式返回到存储储液器150。存储储液器150被定位为高于光伏面板122和第一流体容器124，并且经由被自动化阀152调节的管160连接到流体容器。水(或其他工作流体)然后可以被重新引入到子系统110中，具体为第一流体容器124中，用于重复加热和AC电力的生成。返回到存储储液器150的水的速率可以被调节为，使得充分预热的水从装置120到加热储液器130的恒定流动。这可以通过使向存储储液器150返回的冷凝水的量与在每个发电事件时或在多个事件的过程期间排出到发电机中的蒸汽量相等来实现。
在其他实施方式中，在工作流体是水的情况下，进入第一流体容器124的水源可以是本地市政或其他外部水系统，并且从涡轮发电机140排出的蒸汽可以简单地释放到大气，而不是被捕获、冷凝、并返回到第一流体容器124的入口。
来自涡轮发电机140的AC电力沿着电连接212输送到电网214。来自光伏面板122的DC电力通过到引线136的电连接210连接到加热元件138。
来自光伏面板122的DC电力还可以递送到未示出的电磁铁，该电磁铁位于涡轮发电机140内，接近涡轮142的转子线圈。流过电磁铁的电流诱发磁场，该磁场转而在来自加热储液器130的蒸汽使线圈转动时在涡轮142的旋转线圈中诱发AC电流。电磁铁可以代替永磁铁作为涡轮142中的磁场的源，从而消除朝向永磁铁的材料成本。然而，降低的磁铁的成本和损失DC电力的成本平衡，否则该损失DC电力将完全致力于加热第二流体容器132中的水。
该方法的益处是通过使用由主体的区域吸收的热量来显著提高到电力的太阳能转换的组合效率，该热量表示大部分被吸收的太阳能。在主体是具有给定光伏转换效率的太阳能面板122时，未被转换的能量的大部分通常作为热量浪费。代替直接使用由太阳能面板122产生的光伏电流，这里的示教应用光伏电流212来进一步加热由在第一流体容器124中吸收的“浪费”热量预热的、第二流体容器132中的水，并且组合热使水沸腾，使得它的能量可以由蒸汽涡轮发电机140提取为AC电力212。因为热机的卡诺效率在预期操作条件下通常大于50％，所以所述设备的效率可以以显著的余量超过典型光伏转换效率。
每个子系统110且由此的系统100不依赖于光伏面板122的效率，实际上可以使用极其低效的光伏设备，因为未被转换成光伏能量的能量仍然被捕获作为热量并转换成有用能量。许多种类的光伏电池122a可以用于光伏面板122的表面上，并且可以在结构上以各种方式集成到子系统110及其第一流体容器124上。单晶或多晶晶片或板、多晶或非晶膜、聚合物、纳米晶体、纳米线组件等可以用作光伏电池122a，并且这些光伏电池可以通过直接沉积或通过沉积到分开的基板上来耦合到光伏面板122，该分开的基板转而由焊接、胶合、压缩、钎焊、螺栓连接、铆接等附接到吸收面板。然而，可以期望使光伏面板122与第一流体容器124之间的热耦合最大化。在这一点上，可以采用导热粘合剂(未示出)来增强热耦合。光伏电池122a甚至可以不需要覆盖第一流体容器124的整个表面124a，因为最终目标不是使所捕获太阳能的光伏元件最大化，相反是所捕获电力的完全转换。
在示例中，因为用于使预热水最终沸腾的电力可以来自任意数量的外部源，所以不需要集成光伏面板122。因此，这里的示教可以被认为对外部电力的源是不可知的。然而，子系统110的最期望示例是使用所吸收太阳能的光伏面板122和太阳能供电的热元件138这两者来使到电力的转换最大化的示例。
因为第一流体容器124中的水的温度状态对于确定其是否利用可用能量被充分预热以沸腾或其在所连接的网络中的子系统110当中是否是最接近沸腾(即，最热)的来说是重要的，所以第一流体容器124中的温度传感器126可以被优化为在大约40℃至大约100℃的范围内是准确的，并且装配有与计算机200通信的线路208，该线路可以包括简单电线、无线或有线数据连接、或自由空间光学连接。计算机200可以同样地通过线路208与不同位置或节点(未示出)处的其他类似第一流体容器124内的许多类似传感器126连接。
例如，若干类似太阳能发电子系统110和电池202可以通过由计算机/控制器200控制的信息网络连接，以形成系统100。子系统110可以被构造为向彼此和从彼此递送电力，如对于包含在子系统内的水的预热主体的发电是最高效。在一实施方式中，在太阳能发电子系统110的这种网络中，每个第一流体容器124中的温度传感器126可以向中央或本地计算机/控制器200发送它们的读数，该计算机/控制器然后将来自所有温度传感器的读数进行比较并找到最热或最接近沸腾的读数。例如，计算机/控制器200可以确定在被称为储液器A的第一流体容器124中的水已经达到足以利用此时来自网络的可用的电能的量沸腾的预热温度。计算机/控制器200然后(a)经由阀154从第一流体容器124向第二流体容器132释放预热的水，并且(b)指示来自光伏面板122和电池(或多个电池)202的网络的组合DC光伏电力然后递送到第二流体容器132的加热器138，以使水沸腾，并且经由涡轮142提取能量。然后，计算机/控制器200搜索达到接近于足以利用来自网络的可用DC电力沸腾的关键点的下一子系统110，并且顺序地重复该过程。该示例使得系统能够调节在任意给定光伏面板122上的入射太阳辐射的局部和临时波动。许多光伏面板122上的条件可以变化，但在任意给定时刻，最优地加热的光伏面板122中的水将利用联网面板的组合光伏电力来沸腾。这使得面向不同、甚至相反方向的光伏面板122能够在任意给定时间更高效地促进太阳能发电，不重新定位。该方法避免了必须使用具有增加的维护负担的昂贵太阳能跟踪设备。
在该示例和其他示例中，来自光伏面板122的DC电力212可以首先经由计算机/控制器200递送到一个或更多个电池202或其他电力存储装置并存储在那里，直到它被输送到所选择的加热储液器132并用于使来自第一流体容器124的充分预热的水沸腾为止。
作为子系统110的网络的系统100的功能及其操作的示例如下给出。
如上所述的网络或系统100空间地分布在大区域上，光伏面板122沿面向任意相同或不同的方向。在每个光伏面板122上入射的阳光的方向和强度可以根据其位置、方位以及洁净度或局部遮蔽的单独状态等，对于每个面板以不同模式全天变化。来自所有光伏面板122的光伏能量经由电连接212随着时间的推移连续地递送到中央电池202或电池的分布式网络(未示出)并存储在其中，这些电连接与计算机/控制器200连接或被引导到电池202。每个第一流体容器124中的温度传感器126例如在大约80°F的温暖的一天监测由撞击在光伏面板122上的阳光加热的水的温度，如果大部分装置120中的水被加热至超过90°F，则计算机/控制器200将所有装置的温度进行比较，并且选择超过或最接近给定阈值(例如，105°F)的装置。在计算机/控制器400从装置120接收到该阈值以上的读数的一瞬间，它向致动器(未示出)发送信号，该致动器控制该装置处的释放阀154将预热的水释放到其相关联的第二流体容器132，并且在递送特定量的水之后(即，在第一流体容器124成为空的之后或加热储液器130被充满之后或所递送的量等于可以凭借可用DC电力沸腾的量之后)关闭阀。预热水从第一流体容器124到第二流体容器132的转移可以通过若干步骤来发生，这些步骤散布于通过使用在之前步骤中递送的水的沸腾和发电事件。然后，在自从之前发电事件开始的时间间隔期间，在电池网络中存储的组合光伏能量经由电连接或引线136递送到该特定第二流体容器132中的加热元件138，以将水从105°F进一步加热至212°F(水的沸点)以上。(水通常需要被加热至显著高于其沸点，因为热机的卡诺效率随着其温度而增加。然而，在该示例中，为了例示，使用绝对最小值沸腾的情况。)此时，水膨胀多达大约1600倍，并且在第二流体容器132内的高压下。通信线路208从温度传感器134向计算机/控制器200传达温度读数；通信线路206向阀156传达致动器信号，以打开(和关闭)它，以允许蒸汽逸散到涡轮发电机140中，在涡轮发电机中，蒸汽使涡轮142转动，以生成AC电力。
加压蒸汽再次借助由计算机/控制器200致动的释放阀156释放到涡轮发电机140中，以使涡轮142转动，该涡轮由旋转叶片构成，这些叶片耦合到轮轴，该轮轴借助计算机/控制器直接或间接地与永磁铁或电子感应磁铁同轴耦合，该永磁铁或电子感应磁铁与连接到外部电网214的电线圈紧密接近。蒸汽使涡轮叶片转动，涡轮叶片转而使磁铁旋转并在线圈中感应AC电流，该AC电流是最终生成的电力212。由该事件生成的电量是蒸汽温度、压力以及系统的具体卡诺效率的函数，但通过适当地实施，可以证明它比单独由面板生成的光伏电力潜在地大一倍甚至两倍。然后，在满足由计算机设置的阈值温度准则的另一个装置120中触发下一发电事件，然后在另一个中进行，以此类推。
被递送到加热元件138以加热水的能量可以足以使被保持在第二流体容器132中的水量沸腾(其等于在第一流体容器124中预热的水量)。如果例如水量是100g，则将其从105°F加热至213°F(稍微超过沸腾)将需要大约240kJ热量。这等同于240kW-sec或大约等同于由在240瓦特下操作1000秒的典型太阳能面板122产生的能量。如果系统100中存在10个这种面板是可利用的，则这相当于100秒的它们的存储能量，因此基于可用的存储的光伏能量，使水沸腾且其蒸汽使涡轮发电机140转动的发电事件可以每1分钟40秒一次。假定该恒定操作速率将暗示每个子系统110中的水通常需要在16分钟40秒内从其原始温度(环境，对于该处理被通常假定为室温，25℃或77°F)加热至期望的105°F，该时间为在系统100中的每一个子系统110按顺序经受发电事件时消耗的时间。然而，太阳能加热速率在子系统110之间的变化、递送DC电力212和使用该电力的加热的低效、以及使水沸腾所需的时间通常延迟发电可以发生的速率。降低触发发电事件的温度阈值可以提高速率，但将增大对来自光伏面板122的输出的依赖性。使用在电池202中存储的能量或在本地系统或电网214中的总可用能量的量作为主要变量，通过计算机/控制器200来确定用于发起发电事件的计时和温度阈值。联网设备之间的通信的手段可以遵循通常实行的手段，并且可以被描述为“智能电网”或物联网(IoT)的子集的变体。本示教不依赖感测、通信以及致动的特定方法，只要它实现这里描述的效果即可。
如上参照系统100描述的，通过由电加热元件138进一步加热由暴露到太阳辐射来预热的水的主体，实现来自所述水的主体的AC电力的生成。为了使该发电的效率最大化，可以紧密监测和/或控制若干性能参数：
温度测量准确度、可靠性、以及及时性；
用于触发流体转移和沸腾的阈值温度的设定点；
实时生成的、来自电池或本地源的DC电力的可用性；
DC电力到加热元件的递送的计时；以及
将DC电力递送到联网系统100内多个这样的单元中的单个加热元件138的优先权。
换言之，系统100需要确定何时从一个部件向下一部件转移水和何时从哪一个源向该子系统110递送电力、以及在给定时间为该过程选择哪一个子系统。所有这些必须在由于发电事件的次最优计时而在操作部件或损失上耗费最小量的能量的情况下进行。
在一些示例中，如果没有对来自电网214的电力的需求，则即使在一些子系统中存储的水的温度超过阈值温度时，也可以延迟发电事件的触发。在这种情况下，可以增大温度阈值，以便降低发电事件的频率，或者在涡轮处生成的电力可以存储在电池中，以用于稍后的发电事件。相反，如果存在对来自电网214的电力的严重需求，则可以降低阈值，以便触发更频繁的发电事件，代价是使用更多的已存储的或实时生成的光伏电力。
用于使用太阳能发电的方法
图8描绘了示例系统100，该系统包括多个子系统110-1、110-2、110-3...110-M、110-M+1...110-N。各子系统110包括在之前附图中示出的部件。在图8中特别聚焦的是用于每个子系统的温度传感器134和加热器138的描绘。对应于各个子系统110，示出温度传感器134-1、134-2、134-3...134-M、134-M+1...134-N以及加热器138-1、138-2、138-3...138-M、138-M+1...138-N。
计算机/控制器200链接到所有温度传感器134和所有加热器138，但为了清楚起见，未示出所有连接。然而，示出涉及第M个子系统的所有连接，该子系统包括温度传感器134-M、加热器138-M以及允许蒸汽进入涡轮发电机140的阀156-M。
同样，电池202链接到所有加热器138，但为了清楚起见，未示出所有连接。然而，示出涉及包括加热器138-M的第M个子系统的所有连接。
计算机/控制器200接收关于电网需求、电网稳定性、电力价格、以及帮助计算机/控制器计量到电网214的AC电力的其他数据的输入800。
可以使用对使用光伏能量增强太阳能加热的水的发电的子系统110进行排序的算法或决策图的示例，利用基于其的各种输入和逻辑功能的计算装置，以用于导致用于触发发电事件的特定子系统的选择。
除了接收来自各个子系统110的各种部件的输入之外，计算机200还接收诸如电网需求、电网稳定性、电力价格等的外部输入800。
在图8所描绘的示例中，假定存在N个子系统110，从而设置N个加热器138、N个温度传感器124、以及将要打开以驱动涡轮142的N个阀156。现在考虑第M个子系统(其中，M<N),下面的算法或决策图例示了为打开阀156-M采取的一系列步骤：
1.→t0：
2.Max{Ti}＝TM
3.TM>Tthreshold吗？是
4.电池电力足够吗？是
5.电网需求？是
6.电网稳定？是
7.→t1：打开阀VM
8.→t2：触发加热器M
如果将子系统110一直处理到(但不包括)第M个子系统110-M，则计算机/控制器200现在转到第M个子系统并将内部时钟重设为时间t＝0(步骤1)。如果已处理之前的子系统110，则计算机/控制器200将第二流体储液器132中的流体的最大温度T识别为TM(步骤2)。计算机/控制器200确定温度TM是否超过预设的阈值温度Tthreshold(步骤3)。如果“否”，那么计算机/控制器200移至第M+1个子系统，将时间重设为t＝0，并且从开始重复该过程。如果“是”，那么计算机/控制器200确定存在于电池202中的电力是否足以操作加热器138-M(步骤4)。如果“是”，那么计算机/控制器200确定是否存在足够的电网需求(步骤5)。如果“是”，那么计算机/控制器200确定电网是否稳定(步骤6)。如果“是”，那么在时间t1，计算机/控制器200向阀156-M(出口阀)发送信号，以打开它(步骤7)。然后，在时间t2，计算机/控制器200向加热器138-M和电池202发送信号，以发起加热(步骤8)。用于第M个子系统110-M的过程在第M个子系统的第二流体容器132为空时完成。此时，计算机/控制器200关闭阀156-M，移至第M+1个子系统110-M+1，将时间重设为t＝0，并且重新开始上述过程。
在水借助阀154从第一流体容器124进入具有热水器138-M的第二流体容器132且使水沸腾至如由温度传感器或压力传感器(未示出)测量的足够温度之后，156-M打开，以将蒸汽释放到涡轮发电机140，在涡轮发电机中，涡轮142的涡轮叶片的旋转耦合到磁场内的线圈，并且引起AC电流的感应生成，该AC电流被直接或经由计算机/控制器200递送到电网214。
另选地，而且与图8所描绘的示例一致地，计算机/控制器200可以在任意时间将其内部时钟设置到t＝0，然后将从N个子系统110(Ti)接收的所有所测量温度输入与彼此进行比较。在这N个输入当中，在可以被称为第M个子系统110-M的一个子系统110处测量最大值。计算机/控制器200然后可以确定温度TM是否超过预设阈值温度Tthreshold。如果“否”，那么计算机/控制器200将时间重设为t＝0，从开始重复该过程，直到发现子系统温度确实超过阈值。如果“是”，那么计算机/控制器200确定存在于电池202中的电力是否足以操作加热器138-M。如果“是”，那么计算机/控制器200确定是否存在足够的电网需求。如果“是”，那么计算机/控制器200确定电网是否稳定。如果“是”，那么在时间t1，计算机/控制器200向阀156-M发送信号，以打开它。然后，在时间t2，计算机/控制器200向加热器138-M和电池202发送信号，以发起加热。用于第M个子系统110-M的过程在第M个子系统110-M的第二流体容器132为空时完成。此时，计算机/控制器200关闭阀156-M，将时间重设为t＝0，并且重新开始上述过程。
除了在上述示例中描述的步骤之外，在发电事件中还涉及多个另外的步骤，所述步骤可以是由计算机/控制器200以类似样式排序并致动的，诸如切断到加热器138的电力，打开和关闭第二流体容器132与涡轮发电机140之间的阀156，以及打开和关闭调节到第一流体容器124的入水口的阀152，以在第一流体容器124成为空的之后将其再装满。基于预定或可变但编程的准则，这些步骤可以使用在致动器命令之间的预定时间间隔来排序或响应于来自相关部件的指示已经满足用于致动的条件的信号来排序。
根据本示教，可以被测量并控制的发电事件的所有方面和围绕发电事件的所有方面由计算机测量并控制，并且取决于其复杂度，这些方面可以被调节并优化，以使得发电的效率考虑到可用的太阳辐射和外部能源而最大化，或作为替换地使这种发电的成本效率最大化。通过控制在子系统110中和整个系统100包含的各种机构的计时、持续时间以及顺序，来实现这样做的手段。
在多个子系统110同时超过温度阈值且需求保证这一点时，计算机可以同时在多个子系统中触发发电事件。
计算机/控制器200或多个计算机/控制器可以由电气、光学或射频装置连接到温度传感器134、管中的释放阀152、154、156、以及与由光伏面板122和第一流体容器124构成的发电单元相关联的加热元件138。
由(一个或多个)传感器134发起的、到达计算机/控制器200的信号可以被评价并彼此比较，并且和预定设定点进行比较。在满足一组准则后，信号可以触发打开释放阀156并将电力递送到第二流体容器132中的加热元件138的命令，所述电力是实时生成的或存储在电池202中的电力。
图9描绘了用于在系统100中发电的方法900。方法900包括从包括多个太阳能电池122a的光伏面板122生成905DC电力。方法900还包括以下步骤：由来自太阳辐射(未由光伏面板以其他方式使用)的热量预加热910第一流体容器124中的流体，所述第一流体容器124热附接到光伏面板122的底部。方法另外包括将预加热的流体释放915到第二流体容器132以进一步加热，该第二流体容器132流体连接到第一流体容器124。方法900又包括利用由DC电力供电的加热器138将流体加热920至足够高的温度，以蒸气化流体，从而驱动涡轮142。方法900以以下步骤结束：将蒸气化的流体释放925到流体连接到第二流体容器132的涡轮发电机140中的涡轮142，以生成AC电力。上面已经描述了用于实施这些步骤的细节。
已经关于若干部件之间的相互作用描述了前面提及的系统和部件。可以理解，这种系统和部件根据前述的各种排列和组合可以包括这些部件或指定子部件、指定部件或子部件中的一些、和/或另外部件。子部件还可以被实施为通信地耦合到其他部件(而不是被包括在父部件内(分层的))的部件。另外，应注意，一个或更多个部件可以组合为提供聚集功能的单个部件或分成若干分开的子部件。这里描述的任意部件还可以与这里未特别描述的一个或更多个其他部件相互作用。
另外，虽然可以仅关于若干实施方案中的一个来公开本主题创新的特定特征，但这种特征，如可以期望且对于任意给定或特定应用有利地，可以与其他实施方案的一个或更多个其他特征组合。此外，对于术语“包括”、“具有”、“包含”、其变体以及用于说明书或权利要求中的其他类似词语的程度，这种术语旨在以术语“包括”类似的方式具有包容性，作为开放的过渡词不排除任何另外或其他元素。
这里阐述的实施方式和示例被呈现为最佳地说明本发明的各种所选实施方式及其特定应用，从而使得本领域技术人员能够实现并使用本发明的实施方式。然而，本领域技术人员将认识到，前述描述和示例仅为了例示和示例的目的而提出。如所阐述的说明不旨在使本发明的实施方式穷尽，或者将其限于所公开的精确形式。
由此，已经描述了使用太阳能发电的系统和用于在这种系统中发电的方法的示例和实施方式。将理解，上述示例仅例示了表示这里描述的原理的许多特定示例中的一些。明显地，本领域技术人员可以容易地想到大量其他的设置，而不偏离如由以下权利要求限定的范围的情况。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
光伏面板；
流体容器，所述流体容器热附接到所述光伏面板的底部；以及
温度传感器，所述温度传感器用于感测在所述流体容器的内部的流体的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光伏面板包括多个太阳能电池，所述太阳能电池被构造为提供DC电力。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，未被转换成DC电力的任何太阳能用于预加热所述流体容器中的所述流体。
4.一种用于使用太阳能的发电系统的子系统，包括：
装置，所述装置包括：
光伏面板，所述光伏面板包括被构造为生成DC电力的多个太阳能电池；
第一流体容器，所述第一流体容器热附接到所述光伏面板的底部，并且被构造为利用来自未由所述光伏面板以其他方式使用的太阳辐射的热量，预加热包含在所述第一流体容器的内部的流体；以及
第一温度传感器，所述第一温度传感器用于感测在所述第一流体容器的内部的流体的温度；
加热组件，所述加热组件包括第二流体容器、第二温度传感器、以及电加热元件，所述第二流体容器流体地连接到所述第一流体容器，所述加热元件被构造为将所述第二流体容器中的预加热的流体加热至其蒸气状态；以及
涡轮发电机，所述涡轮发电机流体地连接到所述第二流体容器，以从所述蒸气生成AC电力。
5.根据权利要求4所述的子系统，其中，所述光伏面板在其面向一方向的表面上具有至少一个光伏电池，在所述方向上所述表面能够暴露于太阳辐射。
6.根据权利要求5所述的子系统，其中，所述第一流体容器具有在金属块内的管状通道、弯曲成圈状的一个或多个管、挡板、平行的多个管、或具有鳍状突出物的成形通道、或流体热交换器的其他构造。
7.根据权利要求5所述的子系统，其中，所述光伏电池直接沉积或以其他方式形成到所述流体容器的所述表面上，使得所述光伏电池共形地附着到所述流体容器而没有实质性的间隙。
8.根据权利要求4所述的子系统，还包括第一控制阀，所述第一控制阀在打开时允许来自外部源环境温度流体进入所述第一流体容器中，并且所述第一控制阀在从外部计算机/控制器接收的信号指示这样做时或在所述第一流体容器中的内部传感器指示所述第一流体容器足够空时这样做。
9.根据权利要求4所述的子系统，还包括第二控制阀，所述第二控制阀在打开时将所述第一流体容器内的所述流体释放到所述第二流体容器，并且所述第二控制阀在从外部计算机/控制器接收的信号指示这样做时这样做。
10.根据权利要求4所述的子系统，还包括第三控制阀，所述第三控制阀在打开时、在从外部计算机/控制器接收的信号指示将所述第二流体容器内的所述流体释放到所述涡轮发电机时，将所述第二流体容器内的所述流体释放到所述涡轮发电机。
11.一种用于使用太阳能发电的系统，所述系统包括多个根据权利要求4所述的子系统，并且还包括：
计算机/控制器，所述计算机/控制器接收来自温度传感器和每个子系统中的其他源的输入以及外部数据，以在适当时间打开和关闭阀，并且向电网运送AC电力；和
电池，所述电池存储由所述光伏面板生成的DC电力，并且向所述电加热元件和在所述系统的内部的其他部件提供DC电力。
12.一种用于使用太阳能发电的系统，包括多个子系统，每个子系统包括：
光伏面板，所述光伏面板热连接到包含流体的第一流体容器，所述光伏面板被构造为生成DC电力；
加热组件，所述加热组件包括第二流体容器、温度传感器、以及电加热元件，所述第二流体容器流体地连接到所述第一流体容器，所述加热元件被构造为将所述第二流体容器中的所述流体加热至其蒸气状态；
涡轮发电机，所述涡轮发电机流体地连接到所述第二流体容器，以从所述蒸气生成AC电力；
计算机/控制器，所述计算机/控制器接收来自温度传感器和每个子系统中的其他源的输入以及外部数据，以在适当时间打开和关闭阀，并且向电网发送AC电力；和
电池，所述电池存储由所述光伏面板生成的DC电力，并且向所述电加热元件和所述系统的内部的其他部件提供DC电力。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光伏面板在其面向一方向的表面上具有至少一个光伏电池，所述表面在所述方向上能够暴露于太阳辐射。
14.根据权利要求12所述的系统，还包括第一控制阀，所述第一控制阀在打开时允许环境温度流体从外部源进入所述第一流体容器，并且所述第一控制阀在从外部计算机/控制器接收的信号指示这样做时或在所述第一流体容器中的内部传感器指示所述第一流体容器足够空时这样做。
15.根据权利要求12所述的系统，还包括第二控制阀，所述第二控制阀在打开时将所述第一流体容器内的所述流体释放到所述第二流体容器，并且所述第二控制阀在从外部计算机/控制器接收的信号指示这样做时这样做。
16.根据权利要求12所述的系统，还包括第三控制阀，所述第三控制阀在打开时、在从外部计算机/控制器接收的信号指示将所述第二流体容器内的所述流体释放到所述涡轮发电机时，将所述第二流体容器内的所述流体释放到所述涡轮发电机。
17.根据权利要求12所述的系统，还包括：
所述涡轮发电机中的涡轮，所述涡轮由所述蒸气提供动力；
冷凝器，所述冷凝器用于将所述蒸气冷凝至其液体状态；
储液器，所述储液器用于存储用于回收到所述第一流体容器的所述液体；以及
泵，所述泵将所述流体从所述冷凝器泵送到所述储液器。
18.一种用于在使用太阳能的系统中发电的方法，所述方法包括：
从包括多个太阳能电池的光伏面板生成DC电力；
由来自未由所述光伏面板以其他方式使用的太阳辐射的热量预加热第一流体容器中的流体，所述第一流体容器热附接到所述光伏面板的底部；
将所述预加热的流体释放到与所述第一流体容器流体连接的第二流体容器，以进一步加热；
用由所述DC电力供电的加热器将所述流体加热至足够高的温度，以蒸气化所述流体，以驱动涡轮；以及
将蒸气化的流体释放到与所述第二流体容器流体连接的涡轮发电机中的所述涡轮，以生成AC电力。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述系统包括：
多个子系统，每个子系统被构造为加热流体并且生成用于内部使用的所述DC电力和用于传送到电网的所述AC电力；
计算机/控制器，所述计算机/控制器接收来自温度传感器和每个子系统中的其他源的输入以及外部数据，以在适当时间打开和关闭阀，并且向电网发送AC电力；以及
电池，所述电池存储由所述光伏面板生成的DC电力，并且向所述加热器和所述系统的内部的其他部件提供DC电力。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：向所述计算机/控制器提供一组指令以：
选择子系统；
将内部时钟重设为时间t＝0；
识别在所述第二流体容器中的所述流体的温度；
确定所述温度是否超过预设定的阈值温度，并且如果“是”；
确定存在于所述电池中的电力是否足以对所述加热器供电，并且如果“是”；
确定是否存在足够的电网需求，并且如果“是”；
确定电网是否稳定，并且如果“是”；
然后在时间t1，向与所述第二流体容器相关联的出口阀发送信号，以打开所述出口阀并允许所述第二流体容器中的所述流体操作所述涡轮发电机；以及
然后在时间t2，向所述加热器发送信号，以发起加热。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109540339B (zh) * 2018-12-29 2023-09-26 中国科学院大气物理研究所 用于分析高空气球平台大气温度测量受辐射影响的装置
CN110729961B (zh) * 2019-11-25 2021-07-02 郑州航空工业管理学院 一种基于低维光电材料的太阳能发电仪
CN113570203B (zh) * 2021-07-05 2023-11-14 西安交通大学 光伏发电储能储热一体化系统及其规划方法
WO2023064881A2 (en) * 2021-10-15 2023-04-20 Stephens Erich Gademan Thermal energy storage
US11721980B2 (en) 2021-11-15 2023-08-08 Kalindha Rashmi LLC Power generation system employing power amplifying thermo-mechanical inverter technology
US11870253B2 (en) 2021-12-03 2024-01-09 Power8 Tech Inc. Energy storage systems and methods using heterogeneous pressure media and interactive actuation module
CN116291792A (zh) * 2021-12-03 2023-06-23 能源8科技公司 使用异质性压能交互致动模组的能量储存系统及其方法
CN114865196A (zh) * 2022-06-10 2022-08-05 贵州电网有限责任公司 一种寒区自控温光伏系统电池箱及控温方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2849593Y (zh) * 2005-10-18 2006-12-20 崔继民 一种节能太阳能热水器
CN201181050Y (zh) * 2008-03-24 2009-01-14 昆山恒辉新能源有限公司 全自动太阳能光电/光热一体装置
CN102518571A (zh) * 2011-12-29 2012-06-27 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种大型光热、光伏发电站整体化利用系统
CN103362577A (zh) * 2013-08-02 2013-10-23 华北电力大学（保定） 光伏光热集热器与燃气-蒸汽联合循环机组联合供能系统
CN103400884A (zh) * 2013-08-09 2013-11-20 河海大学常州校区 一种家用型自然循环光伏光热一体化装置
CN103607166A (zh) * 2013-11-26 2014-02-26 华北电力大学 一种聚光光伏光热复合发电系统
CN104422147A (zh) * 2013-08-30 2015-03-18 南京帕偌特太阳能有限公司 一种低层建筑物中太阳能光伏光热联合智能供水系统
US20150255006A1 (en) * 2014-03-06 2015-09-10 Matthew Kibbe Photovoltaics Teaching Aid

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0015907D0 (en) * 2000-06-30 2000-08-23 White Christopher P Desalination systems
US20050183962A1 (en) * 2004-02-24 2005-08-25 Oakes Thomas W. System and method for generating hydrogen gas using renewable energy
WO2010078473A2 (en) * 2009-01-05 2010-07-08 Gustafson Vincent K Solar energy utilization systems and methods
US20100330511A1 (en) * 2009-06-25 2010-12-30 Vladimir Moldovanu Method and system of preheating
US20190178531A9 (en) * 2010-01-11 2019-06-13 Donald B. Hilliard Solar receiver and energy conversion apparatus
CN103062927B (zh) * 2012-12-26 2014-12-31 江苏振发投资发展有限公司 一种太阳能分布式发电热水联供系统
US9884772B2 (en) * 2014-04-17 2018-02-06 Farouk Dakhil Solar desalination and power generation plant

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2849593Y (zh) * 2005-10-18 2006-12-20 崔继民 一种节能太阳能热水器
CN201181050Y (zh) * 2008-03-24 2009-01-14 昆山恒辉新能源有限公司 全自动太阳能光电/光热一体装置
CN102518571A (zh) * 2011-12-29 2012-06-27 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种大型光热、光伏发电站整体化利用系统
CN103362577A (zh) * 2013-08-02 2013-10-23 华北电力大学（保定） 光伏光热集热器与燃气-蒸汽联合循环机组联合供能系统
CN103400884A (zh) * 2013-08-09 2013-11-20 河海大学常州校区 一种家用型自然循环光伏光热一体化装置
CN104422147A (zh) * 2013-08-30 2015-03-18 南京帕偌特太阳能有限公司 一种低层建筑物中太阳能光伏光热联合智能供水系统
CN103607166A (zh) * 2013-11-26 2014-02-26 华北电力大学 一种聚光光伏光热复合发电系统
US20150255006A1 (en) * 2014-03-06 2015-09-10 Matthew Kibbe Photovoltaics Teaching Aid

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