CN110677115A - 太阳能发电单元及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开太阳能发电单元及系统。公开的太阳能发电单元包括：至少一个光纤(optical fiber)，其具有形成有出光窗口的出光区域(light output region)和向所述出光区域引导光波的导光区域(light guide region)；管状(tube type)外壳(housing)，其具有用于围绕所述至少一个光纤的出光区域的内部空间；以及发电部(power generation part)，其包括置于所述外壳内部的至少一侧且基于从所述光纤的出光区域入射的光波进行发电的太阳能电池板。

Description

太阳能发电单元及系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年07月02日提交的美国专利临时申请No.62-692971的优先权和权益以及于2019年01月25日提交的韩国专利申请No.10-2019-0010070，其通过引用合并于此用于所有目的，如同在此完全阐述一样。
技术领域
一个或一个以上实施例涉及太阳能发电单元及系统，具体涉及一种可实现高集成度大容量化的太阳能发电单元及系统。
背景技术
利用作为无限能源的太阳光的太阳能发电是在射入有高能量太阳光的结构物中利用具有多个太阳能电池(Solar Cell)的面板或者薄片来实现的。这种太阳能发电系统的光电转换率不高，因此为了进行大容量发电，需要大量的安装用地。
太阳光具有十分广泛的波长区域，其中包括400～700nm范围的可视光区域。这种太阳能根据不同的波段其强度不同。目前，太阳能发电中普遍使用的高纯度的结晶硅系太阳能电池板只对500～850nm波长区域进行90％左右的吸收，而对于其余的波长的吸收效率低或者几乎不吸收。
太阳能发电系统的太阳能电池板单元可分为：使太阳光直达太阳能电池板平面并对太阳能电池板直接进行照射的直下方式，以及在太阳能电池板上利用反射镜或者聚光透镜等的聚光方式。安装在建筑物屋顶或者地面上的太阳能发电设施主要采用直下方式，但这相比于利用透镜或者镜子的聚光方式效率低。用于改善这种直下方式的缺点的聚光方式需要包括复杂的光学结构及支持该结构的结构体。因此，这些现有的方式不仅制造费用高而且无法避免因高聚光导致太阳能电池板的寿命缩短的问题。
发明内容
一个或一个以上的实施例(one or more embodiments)包括在有限的、狭小面积的空间中也能实现大容量发电的太阳能发电单元(solar power generation unit)及利用其的太阳能发电系统(solar generation system)。
具体地，一个或一个以上的实施例包括可实现大量集成(massive integration)的棒状(bar type)的太阳能发电单元及利用其的太阳能发电系统。
根据一个或一个以上的实施例(one or more embodiments)，
太阳能发电单元包括：
至少一个光纤(optical fiber)，其具有形成有出光窗口(light output window)的出光区域(light output region)和向所述出光区域引导光波的导光区域(light guideregion)；
管状(tube type)外壳(housing)，其具有放置所述光纤的内部空间；以及
发电部(power generation part)，其包括置于所述外壳内部的至少一侧且基于从所述光纤的出光区域入射的光波进行发电的太阳能电池板。
根据一个或一个以上的实施例，所述外壳的截面形状可为四边形、多边形、圆形、椭圆形中任意一个。
根据一个或一个以上的实施例，所述外壳可具有形成所述内部空间的多个墙壁体，所述光纤位于所述外壳的内部空间的中央区域，并且所述多个墙壁体中的至少一个上可形成或者设置有所述太阳能电池板。
根据一个或一个以上的实施例，所述出光窗口由在所述光纤的外周面上形成的螺旋形的、连续或者不连续的凹槽而形成。
根据一个或一个以上的实施例，所述外壳可具有围绕所述光纤的多个墙壁体，所述光纤位于所述内部空间内所述墙壁体之间的多个角落中的至少任意一个上，而且所述多个墙壁体中至少一个上形成或者设置有用于入射来自所述光纤的出光区域的光的太阳能电池板。
根据一个或一个以上的实施例，围绕所述外壳的内部空间的所述管状外壳的内部空间可具有波状皱纹形态的内壁，而且所述内壁上形成有太阳能电池板。
根据一个或一个以上的实施例，所述外壳的内壁上可形成有用于支撑光纤的肋条，所述外壳的内壁和肋条上可形成有太阳能电池板。
根据一个或一个以上的实施例，所述外壳可具有波状皱纹形态的内壁，所述内壁上形成有所述太阳能电池板，所述光纤可以与所述内壁分开。
根据一个或一个以上的实施例，所述外壳的内部空间可通过端盖与外部隔离并保持密闭(air tightly)或者真空状态。
根据一个或一个以上的实施例(one or more embodiments)，太阳能发电系统包括：
太阳能发电单元：其包括：至少一个光纤(optical fiber)，其具有形成有出光窗口的出光区域(light output region)和向所述出光区域引导光波的导光区域(lightguide region)；管状(tube type)外壳(housing)，其具有用于围绕所述至少一个光纤的出光区域的内部空间；以及多个发电部(power generation part)，其包括置于所述外壳内部的至少一侧且基于从所述光纤的出光区域入射的光波进行发电的太阳能电池板；以及
光学结构体,其在所述光纤的导光区域聚集(converge)太阳光，并向所述太阳能发电单元提供光波。根据一个或一个以上的实施例，从所述多个发电单元的光纤的导光部可集成为一个或一个以上的束(组)，一个或一个以上的束(组)的光纤的径面形成一个光入射面。
根据一个或一个以上的实施例，所述光学结构体可包括向所述太阳能发电单元的光纤端部聚集光波的聚光透镜。
附图说明
图1是图示根据一典型实施例的基于一个光纤及围绕该光纤的多个太阳能电池板的发电系统的概念的立体图。
图2是图示光纤与太阳能电池板的关系的沿图1的I-I线的截面图。
图3是说明在导光区域Ri光波1向所述光纤的纤芯入射及通过出光区域的出光窗口前行(放出)的立体图。
图4是图3中图示的光纤的纵截面图。
图5是图3中图示的光纤的横截面图。
图6例示根据一实施例的包层上形成有螺旋出光部的光纤。
图7概略地图示了具体实施例涉及的四方形长棒(bar)状的太阳能发电单元。
图8是沿图7的II-II线的截面图。
图9立体化地图示了图8的截面图。
图10图示了根据另一实施例的外壳内部设有多个光纤的太阳能发电单元的部分结构。
图11例示了能够应用于图10所示的太阳能发电单元上的光纤。
图12例示了从外壳内部空间中的光纤的出光方向。
图13立体地图示了另一实施例涉及的太阳能发电单元的外壳内部的大致结构。
图14是沿图13的XIV-XIV线的截面图。
图15概略地例示了另一实施例涉及的太阳能发电单元的外壳结构。
图16概略地图示了基于多个太阳能发电单元的发电系统的太阳能发电结构体。
图17部分地图示了图16中图示的太阳能发电结构体的下部。
图18例示了典型实施例涉及的太阳能发电系统的大致结构。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明概念的优选实施例进行详细的说明。但是，本发明概念的实施例可变形为其他各种形态，以下详细说明的实施例不应理解为用于限定本发明概念的范围。本发明概念的实施例应该优选理解为是用于更加完整地向本技术领域具有一般知识的技术人员说明本发明概念而提供的。相同的附图标记始终是指相同的要素。进而，附图中的各种要素和区域是概略地绘制的。因此，本发明概念不受附图中绘制的相对尺寸或者间距的限制。
第一、第二等术语用于说明各种组成要素，但所述组成要素不受所述术语的限定。所述术语仅用于将一个组成要素与另一组成要素进行区分。例如，在不超出本发明概念的权力范围内，第一组成要素可命名为第二组成要素，相反地，第二组成要素可命名为第一组成要素。
本申请中使用的术语仅用于说明特定的实施例，并非用于限定本发明概念。单数的表述如在前后文中没有其他明确的定义则包括多数的表述。本申请中，“包括”或者“具有”等的表述应该理解为用于指出说明书中记载的特征、数量、步骤、动作、组成要素、部件或者其组合的存在，而非事先排除一个或一个以上的其他特征、数量、步骤、动作、组成要素、部件或者其组合的存在或者新增的可能性。
只要不另行定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语，具有与本发明概念所属技术领域的普通技术人员所共同理解的含义相同的含义。此外，常用的、如字典中所定义的术语应解释为在相关技术的前后文中其所指的含意，其中如果没有给出明确的定义，则不应过度地以字面上的含义进行解释。
当某一实施例能够以不同的方式实施时，特定的工艺顺序也能够以与不同于说明的顺序执行。例如，连续说明的两个工艺，实质上也可以同时执行，也能够以与说明的顺序相反的顺序执行。
在附图中，例如，可预料到因制造技术和/或公差导致图示的形状的变形。因此，本发明的实施例不应理解为受本说明书图示的区域的特定形状的限制，例如应该包括在制造过程中产生的形状的变化。这里使用的所有术语“和/或”包括提及的每个组成要素及其一个以上的所有组合。此外，本说明书中使用的术语“基板”可指基板自身，或者是指包括基板及其表面上形成的预定的层或者膜等的叠层结构体。此外，本说明书中“基板的表面”的含义可指基板自身露出的表面，或者基板上形成的预定的层或者膜等的外侧表面。此外，如“上部”或者“上”的记载可包括经接触直接位于上面的情况以及以非接触的方式位于上面的情况。
以下说明的典型的实施例中采用的发电部的太阳能电池板或者太阳能电池不受特定结构的限制。即，一个或一个以上的实施例中采用的太阳能电池板也可由基于光波产生电能的任何形式的光电转换装置或者光电转换元件取代。
根据优选实施例，发电部可包括具有硬质材料的基板的固态太阳能电池板或者具有柔韧性基板的柔性太阳能电池板。根据另一实施例，发电部可包括有机高分子或者无机半导体太阳能电池。根据又一实施例，发电部可包括非晶体或者多晶体硅系太阳能电池板。根据一个或一个以上的实施例，所述发电部可包括在柔性金属或者无机薄膜状的基板上形成的有机高分子或者无机化合物光电转换物质。根据一个或一个以上的实施例，所述发电部可包括钙钛矿太阳能电池板或者染料敏化太阳能电池板。根据一个或一个以上的实施例，所述发电部可包括直接形成于所述外壳内壁的光电转换结构物，当然以下说明中提及的太阳能电池板或者太阳能电池不受如上所述的特定结构的限制。
图1是根据一典型实施例图示了基于一个光纤及围绕该光纤的多个太阳能电池板的发电系统的概念的立体图，图2是图示光纤与太阳能电池板的关系的沿图1的I-I线的截面图。
参照图1和图2，光纤11的出光区域Ro的外周面上形成有多个可供光波1通过的出光窗口11c，光纤11的周围布置有由多个太阳能电池板30构成的发电部。在此，由太阳能电池板30部分地或者全面地围绕的光纤的一部分相当于出光部或者出光区域Ro，光波1被注入的部分相当于导光部或者导光区域Ri。
光波1通过光纤11的纤芯11a注入到导光区域Ri，在出光区域Ro，纤芯11a中前行的光波1的一部分穿过覆盖纤芯11a的包层(Clad)11b上形成的出光窗口11c。
所述出光区域Ro的出光窗口11c通过去除包层11b的一部分而形成，在其底部有纤芯11a露出。在本实施例中，与以4个方向布置的4个太阳能电池板30相对应地，所述光纤11的出光窗口11c在径向的4个方向上形成。
所述太阳能电池板30布置在从光纤11的出光窗口11c射出的光波前行路径上。太阳能电池板30不受其数量限制，根据另一实施例可具有两块或者三块或者四块及其以上，从而光纤11的出光区域被所述太阳能电池板30部分地或者全面地围绕。此外，根据另一典型的实施例，所述太阳能电池板30可设置于外壳12的内部，所述外壳12是具有围绕所述光纤11的多个墙壁体12a的四边形柱体或者多边形柱体。
所述光纤11设置于外壳12或者由其内侧的多个太阳能电池板30形成的内部空间中，并向所有的太阳能电池板30提供光波1。
图3是说明在导光区域Ri光波1向所述光纤11的纤芯11a入射及通过出光区域Ro的出光窗口11c的光波前行(放出)的立体图，图4是光纤11的纵截面图，并且图5是光纤11的横截面图。
参照图3、图4及图5，供光波1前行的纤芯11a被包层11b覆盖。包层11b通过界面反射将光波1屏蔽在纤芯11a内并进行引导，从而使光波在纤芯11a内部前行。在出光区域中，包层11b上形成的出光窗口11c的下部或者底面上有纤芯11a的表面露出，因此通过在纤芯11a中前行的光波1的一部分在该部分向外部泄露。
图6例示了具有在包层形成的螺旋式出光部11d的光纤11。所述螺旋式出光部11d可由围绕光纤11的外周面且以螺旋式形成的凹槽(groove)形成。所述凹槽可在光纤的整个外周面上连续地形成，或者可部分中断地在包层上非连续地形成。但是，显而易见的是，在技术上各种实施例不受包层上形成的具有特定结构或者形态的出光窗口的限制。
图7概略地图示了更具体的实施例涉及的四方形长棒(bar)状的太阳能发电单元。
图7中图示的太阳能发电单元10可包括外壳12，所述外壳12具有多个墙壁体12a，所述多个墙壁体12a用于形成内置光纤11的出光区域Ro的内部空间。如图1和图2的说明中所提及，所述外壳12的内部布置有部分地或者全面地围绕光纤11的出光区域Ro的一个或一个以上的太阳能电池板30。
所述外壳12的两端结合有密封部件或者端盖13、14，光纤11贯通一侧端盖13。所述外壳12的内部空间与外部隔离，并可保持真空状态。真空状态的外壳12的内部空间可防止因潮气或者杂质等导致的光衍射或光吸收，可提高发电时的光利用率。
图8是沿图7的VIII-VIII线的截面图，图9立体地图示了图8的截面图。
如图7、图8及图9所示，外壳12为具有四边形截面的四方形长棒(bar)状，光纤11的出光区域位于外壳12的中央。此外，从外壳内部的四角向其内部中心的对角线方向的肋条12b(rib)以预定长度延伸，从而支撑形成于外壳内部中心的光纤11。此外，外壳12的内部的4个墙壁体12a的内面分别设置有太阳能电池板30。
所述太阳能电池板30不受特定物质或者结构的限制，能够以在其他基板上形成的成品状态设置在所述外壳12的内壁上，根据另一实施例，可通过在所述外壳12的内壁上涂布光电转换物质膜以及在其两侧涂布电极来形成所述太阳能电池板30。
图10图示了根据另一实施例的外壳内部设有多个光纤的太阳能发电单元的部分结构，图11例示了能够用于图10中图示的太阳能发电单元中的光纤，而且图12例示了从外壳内部空间的光纤的出光方向。
参照图10，太阳能电池板30设置或者形成在四方形中空棒状的外壳12的内壁上。此外，外壳12的内侧的4个角落中设置有光纤11。该结构中采用光纤11，如图11所示，所述光纤11上形成有只向一个方向射出光波的出光窗口11c。此时，如图12所示，光纤11布置成出光方向(箭头)朝向外壳12的内部空间，此时对出光方向进行取向使其朝向内部中心(实线箭头)或者从内部中心偏离并朝向对面两个太阳能电池板中的任意一个(虚线箭头)。
图13立体地图示了另一实施例涉及的太阳能发电单元的外壳内部的大致结构，图14是沿图13的XIV-XIV线的截面图。
参照图13和图14，外壳15具有圆形或者椭圆形管(pipe)或者管道(tube)形态，其内部中心放置有光纤11，所述光纤11受到从外壳15的内壁向其中心方向延伸的多个肋条15a的支撑，在外壳15的内面附着或者形成有太阳能电池板33。所述太阳能电池板30作为所述外壳15内壁自身具有光电转换物质及电极的叠层结构体，也可以直接形成于内壁上，根据另一实施例，可由以柔性薄膜为基础的柔性太阳能电池板取代。在这类实施例中，从光纤11到太阳能电池板的各部分的光波的前行距离的差小于前面所述的实施例的四方形外壳的太阳能发电单元中的前行距离的差。
图15概略地例示了另一实施例涉及的太阳能发电单元的外壳结构。本实施例中的外壳16具有中空圆柱状，其内部形成有具有波状皱纹形态的内壁16a。因此，在外壳的截面上，外壳内部空间为形成有皱纹的波状或者星状。根据这种结构，波状内壁16a的面积被大大地扩大。
在这种形成有皱纹的内壁16a中，用于太阳能发电的光电转换结构物可层叠形成，其内部可设置有一个或一个以上的前面所述的各种形态的光纤。
此外，形成有皱纹的内壁的突出部可支撑位于内部空间中心区域的光纤。
图16概略地图示了基于多个太阳能发电单元的发电系统的太阳能发电结构体，图17部分地图示了图16中图示的太阳能发电结构体的下部。
参照图16和图17，以一方向(附图中的上下方向)对齐的太阳能发电单元10在一个平面上二维密集地排列多个。太阳能发电单元10具有四角软管形态的外壳12和光纤，所述光纤一侧的出光区域Ro位于外壳12的内部。这种太阳能发电单元10向两个方向密集多个，从而实现大规模的太阳能发电结构体40。
在图16中图示的太阳能发电结构体中，其上部形成的无数个(很多个)光纤11的导光区域Ri以一个或者多个束进行捆绑(bundling)，各捆将太阳光基于光学系统进行聚集。
图18是采用图16，17中图示的太阳能发电结构体的发电系统的概略结构图。
如图18所示，将图16中图示的太阳能发电结构体40的外部光纤，即光纤的导光部Ri的前端部捆绑成一个，并形成基于集成多个光纤的截面(facet)的一个共同的光入射面或者光入射部41，并在此处设置将太阳光聚集到光入射部41上的光学系统50。
在如上所述的典型的实施例中，太阳能发电单元的太阳能电池板可采用习知的钙钛矿太阳能电池板或者钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池板或者太阳能电池包括钙钛矿结构化合物。
根据一个或一个以上的实施例，提供圆柱形、方柱形或多面棱柱形的太阳能发电单元及系统。该发电单元可具有在放置有一个或一个以上的光纤的一个空间周围布置阳能电池板的结构。这种棒(bar)状的太阳能发电单元能够以立体方式集成多个，从而可实现在狭小的空间进行大容量发电，而且可将除了光入射面之外的发电系统的本体设置在室内。根据这种太阳能发电单元，不仅能够显著地降低移动性、费用及安装面积，而且能够将大容量的太阳能发电站以及中、小型发电系统向大众普及。尤其，能够全新地改善在安装现有的太阳能发电站时为了确保较大的面积而发生的破坏环境的问题及因周边环境变化引起寿命缩短导致的管理费用增加的问题。进而，具有广泛应用于家庭用太阳能供电、用地难地区的太阳能发电、航空科技、大型船舶、电动车、可携带的电子产品等应用领域的效果。
虽然已在此描述了某些示例性实施例和实施方式，但是根据该描述，其它实施例和修改将是明显的。因此，本发明构思不限于这些实施例，而是限于所附权利要求的更宽范围，并且对于本领域普通技术人员来说，各种显而易见的修改和等同布置将是明显的。

Claims (19)

1.一种太阳能发电单元，其特征在于包括：
至少一个光纤，其具有形成有出光窗口的出光区域和向所述出光区域引导光波的导光区域；
管状外壳，其具有放置所述光纤的内部空间；以及
发电部，其包括置于所述外壳内部的至少一侧且基于从所述光纤的出光区域入射的光波进行发电的太阳能电池板。
2.如权利要求1所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述外壳的截面形状为四边形、多边形、圆形、椭圆形中任意一个。
3.如权利要求1所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述外壳具有形成所述内部空间的多个墙壁体，
所述光纤位于所述外壳的内部空间的中央区域，
所述多个墙壁体中的至少一个上形成或者设置有所述太阳能电池板。
4.如权利要求3所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述外壳的墙壁体上突出地形成有一个或一个以上的肋条,所述肋条用于支撑位于所述内部空间的光纤。
5.如权利要求3所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述出光窗口由在所述光纤的外周面上形成的螺旋形的、连续或者不连续的凹槽而形成。
6.如权利要求4所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述出光窗口由在所述光纤的外周面上形成的螺旋形的、连续或者不连续的凹槽而形成。
7.如权利要求1所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述外壳具有围绕所述光纤的多个墙壁体，
所述光纤位于所述内部空间内所述墙壁体之间的多个角落中的至少任意一个上，
所述多个墙壁体中至少一个上形成或者设置有用于入射来自所述光纤的出光区域的光的太阳能电池板。
8.如权利要求2所述的太阳能发电单元，其特征在于，
围绕所述外壳的内部空间的所述管状外壳的内部空间具有波状皱纹形态的内壁，
所述内壁上形成有太阳能电池板。
9.如权利要求2所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述外壳的内壁上形成有用于支撑光纤的肋条，
所述外壳的内壁和肋条上形成有太阳能电池板。
10.如权利要求2所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述外壳具有波状皱纹形态的内壁，
所述内壁上形成有所述太阳能电池板，所述光纤与所述内壁分开。
11.如权利要求1所述的太阳能发电单元，其特征在于，
所述外壳的内部空间通过端盖与外部隔离并保持密闭或者真空状态。
12.一种太阳能发电系统，其特征在于包括：太阳能发电单元，其包括至少一个光纤，其具有形成有出光窗口的出光区域和向所述出光区域引导光波的导光区域；管状外壳，其具有用于围绕所述至少一个光纤的出光区域的内部空间；以及多个发电部，其包括置于所述外壳内部的至少一侧且基于从所述光纤的出光区域入射的光波进行发电的至少一个太阳能电池板；以及
光学结构体,其在所述光纤的导光区域聚集太阳光，并向所述太阳能发电单元提供光波。
13.如权利要求12所述的太阳能发电系统，其特征在于，
来自所述多个发电单元的光纤的导光部集成为一个或一个以上束(组)，一个或一个以上束(组)的光纤的径面形成一个光入射面。
14.如权利要求12所述的太阳能发电系统，其特征在于，
所述外壳具有用于形成所述内部空间的多个墙壁体，
所述光纤位于所述外壳的内部空间的中央区域，
所述多个墙壁体中至少一个上形成或者设置有所述太阳能电池板。
15.如权利要求13所述的太阳能发电系统，其特征在于，
所述外壳的墙壁体上突出地形成有一个或一个以上的肋条(rib)，所述肋条用于支撑位于所述内部空间的光纤。
16.如权利要求13所述的太阳能发电系统，其特征在于，
所述出光窗口由在所述光纤的外周面上形成的螺旋形的、连续或者不连续的凹槽而形成。
17.如权利要求14所述的太阳能发电系统，其特征在于，
所述出光窗口由在所述光纤的外周面上形成的螺旋形的、连续或者不连续的凹槽而形成。
18.如权利要求15所述的太阳能发电系统，其特征在于，
所述外壳具有围绕所述光纤的多个墙壁体，
所述光纤位于所述内部空间内所述墙壁体之间的多个角落中的至少任意一个上，
所述多个墙壁体中至少一个上形成或者设置有用于入射来自所述光纤的出光区域的光的太阳能电池板。
19.如权利要求12所述的太阳能发电系统，其特征在于，
所述外壳的内部空间通过端盖与外部隔离并保持密闭或者真空状态。
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