CN114631259A - 聚光光伏-热功率系统的混合接收器及相关方法 - Google Patents

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马修·大卫·埃斯卡拉
卢克·阿茨特
吉亚萍
丹尼尔·科德
马修·巴里奥斯
卡齐·M·伊斯拉姆
大卫·M·巴尔-奥尔
杰奎琳·C·法伊拉
克莱尔·C·戴维斯
麦克斯韦·W·伍迪
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Da WeiMBaer Aoer
Dan NierKede
Jie KuilinCFayila
Ka QiMYisilamu
Ke LaierCDaiweisi
Lu KeAcite
Ma XiuBaliaosi
Ma XiuDaweiAisikala
Mai KesiweiWWudi
Tulane University
Original Assignee
Da WeiMBaer Aoer
Dan NierKede
Jie KuilinCFayila
Ka QiMYisilamu
Ke LaierCDaiweisi
Lu KeAcite
Ma XiuBaliaosi
Ma XiuDaweiAisikala
Mai KesiweiWWudi
Tulane University
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Abstract

用于聚光光伏‑热功率系统的混合接收器结合了聚光光伏(CPV)模块和将聚光阳光转换为电能和热能的热模块。流过冷却块的传热流体去除由在CPV模块中的光伏电池产生的废热。然后，传热流体流过未通过CPV模块的阳光照射的螺旋管。只有一个流体系统被用于去除光伏电池废热和捕获来自阳光的高温热能。离开混合接收器的流体可以具有大于200℃的温度，并且因此可以用作用于各种商业和工业应用的工艺热源。混合接收器可以将光伏电池维持在低于110℃的温度下，同时实现超过80％的总能量转换效率。

Description

聚光光伏-热功率系统的混合接收器及相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求标题为“Concentrated Solar Photovoltaic and PhotothermalSunflower Receiver and System(聚光太阳能光伏和光热向日葵接收器及系统)”并且在2019年6月14日提交的第62/861,716号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合到本文中。
联邦声明
赞助的研究或发展
本发明是在美国能源部的授权号为ARPA-EDE-AR0000473的美国政府支持下作出的。美国政府享有本发明的某些权利。
背景技术
化石燃料，包括煤、油和天然气，目前是世界上的主要能源。在数百万年的过程中，由有机材料形成的化石燃料是被归类为不可再生能源的有限资源。根据美国能源信息管理局，在2017年，化石燃料的燃烧导致76％的美国温室气体排放。这些气体有助于温室效应并且可能导致地球气候的潜在灾难性变化。化石燃料的问题不仅与全球变暖有关，而且与环境问题如空气污染、酸沉淀和臭氧消耗有关。
可再生能源和技术提供了可持续的能源开发并避免了即将来临的化石燃料的短缺。可再生能源来源于在人类时间尺度上自然补充的资源。这种资源包括生物质、地热、阳光、水和风。所有这些源都是国家能源战略的重要组成部分，因为不仅考虑到局部和全球温室气体排放，而且考虑到能源安全和可持续性。可再生资源的潜力巨大，因为它们在理论上可产生世界总能量需求的许多倍。在过去的三十年中，各种可再生能源技术和能量效率测量已经导致总体成本节约，使得化石燃料的置换能够以最小的成本增加。在这些技术中，太阳能是一种有前景的可再生能源，其可以在全世界的许多地方使用。
发明内容
太阳能可以通过光伏(PV)效应转化为电能。半导体材料，诸如单晶硅、多晶硅、微晶硅、硒化铟铜、碲化镉、砷化镓等，在商业上被用于生产PV电池，PV电池被组合成PV板和模块。一种促进光电能量产生的方法是使用将太阳能会聚到PV电池或模块上的光学器件。当与高效多结GaAs基PV电池一起使用时，这些聚光光伏(CPV)模块是有成本竞争力的。能量转换效率，其量化被转换成电能的阳光能量的部分，从1个太阳聚集的非晶硅基PV电池的10.2％变化到508个太阳聚集的III-V多结PV电池的46.9％。
太阳能也可以作为热能收集。热接收器是吸收太阳辐射，将其转化成热并且然后将热传递给流体诸如空气、水或油的装置。基于是否使用聚光光学器件，可将太阳能接收器分类为非聚光或聚光。聚光热接收器通常与抛物面镜或菲涅耳(Fresnel)透镜一起工作，该抛物面镜或菲涅耳透镜将阳光聚焦到热接收器上，从而实现工业应用和电力生产所需的高温。
为了更有效地利用太阳能，已经开发了混合聚光光伏-热(CPVT)功率系统，其将CPV模块与热接收器组合以同时产生电能和热能。工业过程热量占世界总工业能量消耗的三分之二以上，这是太阳能的大市场，几乎完全没有利用。大多数需求是对于低于250℃的温度。由于CPV模块和热接收器的单独可配置性，CPVT功率系统可以达到这些温度。应用包括食品、酒和饮料、纺织品、机械、太阳能加热、脱盐、提高的油回收、以及木浆和纸加工。
尽管与单结PV电池相比，III-V多结PV电池已经显示出改进的性能，但是多于一半的吸收太阳能被转化为热能，导致结温升高。由于PV电池的效率通常随着其温度升高而降低，所以经常使用冷却系统来保持PV电池效率最佳化。用于CPV模块的许多主动冷却系统将传热流体或气体泵过其上安装有PV电池的导热底板。废热被流体捕获(例如，经由从底板到流体的热传导)并从PV电池带走。这种废热可能被排出，这降低了系统效率。或者，废热可用于低温(例如，小于80℃)工艺热应用。
本实施方式的特征在于一种用于CPVT功率系统的混合接收器，其将CPV模块与热模块相结合，该热模块用作CPV模块中的PV电池的热接收器和冷却系统。混合接收器使用相同的流体用于PV电池冷却和热功率产生，有利地通过将来自PV电池的废热贡献给所产生的热功率来提高效率。因此，代替从PV电池中排出废热，或经由低温热输出输出废热，本实施方式的特征仅在于在高于热接收器自身可产生的温度的温度下的一个高温热输出。
混合接收器可以放置在聚光镜和其焦平面之间，其中来自聚光镜的聚光阳光的射线不平行。一些会聚的阳光直接照射CPV模块，在CPV模块它被转换成电能。一些会聚的阳光还直接照射热模块的顶部和侧面，在热模块它作为热能被吸收。在一些实施方式中，混合接收器还包括围绕混合接收器的反射护罩，并且将来自混合接收器的散射光反射回热模块，在该热模块中可以吸收散射光。护罩还通过阻断风流来减少热模块的对流能量损失。在CPV模块下面流动的传热流体从PV电池带走废热。然后，传热流体流过螺旋管以吸收来自直接阳光和由护罩反射到螺旋管上的散射光的热量。传热流体在流过螺旋管时被连续地加热。然后，传热流体离开螺旋管，在螺旋管它可以用于高温工艺-热应用。传热流体可以是水、油或用于冷却和处理热的另一流体。
利用本实施方式，通过将混合接收器移近或移离聚光镜的焦平面，可以容易地改变电功率与热功率的比率。这种相对于螺旋管的运动改变了聚光阳光到达CPV模块的部分。在水作为传热流体的情况下，本实施方式可以将PV电池温度维持在低于110℃，其中传热流体的输出温度高于200℃。
附图说明
图1和图2分别是在实施方式中具有混合接收器的聚光光伏-热(CPVT)功率系统的立体图和侧视图。
图3示出了光电子叠层中的光伏(PV)电池的流体冷却。
图4示出了在实施方式中，本实施方式如何实现光电子堆叠的流体冷却。
图5是在实施方式中有利地仅使用一个传热流体系统来冷却PV电池和从阳光吸收热两者的混合接收器的立体图。
图6、图7和图8分别是实施方式中图5的混合接收器的CPV和热模块的立体图、侧视图和底视图。
图9是在实施方式中，图5的CPV模块在存在PV电池的区域中的侧剖视图。
图10是图5的CPV模块的俯视图，示出了实施方式中的PV电池的布局。
图11示出了用三结PV电池测量的示例性电流-电压曲线。
图12示出了用于原型CPV模块、冷却块和螺旋管的示例性温度等值线图。
图13示出了用“裸”三结PV电池和原型CPV模块的四个象限中的每个测量的示例性电流-电压曲线。
图14示出了用于原型冷却块的测试的示例性设置和结果。
图15示出了用于原型螺旋管的测试的示例性设置和结果。
图16示出了用于冷却块和螺旋管的质量流量的函数的对流传热系数h的示例性曲线图。
图17示出了作为质量流量的函数的压降的示例性曲线图。
图18示出了可以用于测试图5的混合接收器的原型的碟和跟踪器所测量的示例性辐射照度图。
图19示出了入射在CPV模块和螺旋管上的作为从碟的焦平面向内的电池平面距离的函数的太阳能的示例性曲线图。
图20示出了原型混合接收器的预测性能的示例性曲线图。
图21是列出了当在CPV模块和碟的焦平面之间的不同距离操作时由原型混合接收器产生的预测电能和热能的表。
具体实施方式
图1和图2分别是使用混合接收器110将阳光106转换为电能和热能的聚光光电-热(CPVT)功率系统100的立体图和侧视图。CPVT功率系统100包括聚光碟102，其反射阳光106并且会聚阳光106作为会聚光108到混合接收器110上。通过混合接收器110的聚光光伏(CPV)模块(例如，参见图5中的CPV模块504)将一些会聚光108转换为电能。一些会聚光108通过混合接收器110的热模块(参见图5中的热模块502)被转换成热。混合接收器110位于碟102的焦平面之前(即，在碟102和焦平面之间)，并且定向为直接面对碟102。混合接收器110可以以低聚集(即，小于100个太阳)、中等聚集(即，高达300个太阳)或高聚集(即，高达1000个太阳或更高)使用。
CPVT功率系统100还包括双轴太阳能跟踪器104，其随着太阳在天空上移动而改变聚光碟102的仰角、方位角或两者。混合接收器110固定到支撑臂112，支撑臂112反过来固定到太阳能跟踪器104。因此，当碟102移动时，混合接收器110总是位于离碟102相同的距离处，并且朝向碟102。利用双轴太阳能跟踪器104跟踪太阳使碟102聚焦到混合接收器110上的阳光106的量最大化，从而使混合接收器110产生的电功率和热功率最大化。尽管图1和2中所示的碟102是抛物面碟，但在不脱离本发明范围的情况下，聚光器102可以是另一种类型的聚光镜或碟。
图3示出了光电子堆叠300中的光伏(PV)电池306的流体冷却。光电子堆叠300可用作图1和图2的混合接收器110的CPV模块。会聚光108穿过透明覆盖层(superstrate)304以照射PV电池306，PV电池306将一些会聚光108转换为电能。来自PV电池306的废热312被传导通过传热板308并进入冷却块310，传热流体320流过冷却块310。热交换器322从传热流体320中除去热量312，并泵送传热流体320，从而使其以足够的速度流动以冷却冷却块310，并因此冷却传热板308和光伏电池306。
图4示出了在实施方式中，本实施方式如何实现光电子堆叠400的流体冷却。与图3的光电子堆叠300类似，光电子堆叠400包含产生废热312的PV电池306。在图4中，在吸收废热312之后，传热流体320在z方向上沿着位于光电子叠层后面的螺旋路径404流动(参见右手坐标系420)。光电子叠层400在+z方向面对碟102以接收一些会聚光108。在x-y平面中，光电子叠层400以碟102的光轴440为中心。在z方向上，光电子堆叠300位于碟102的焦平面442的“内侧”，即位于碟102和焦平面442之间。
会聚光108的中心光430沿着光轴440传播或靠近光轴440传播。更具体地说，如图4所示，中心光430的光线几乎平行于光轴440(即，中心光430的光线和光轴440之间的角度接近零)。相反，偏心光432从光轴440传播得更远。更具体地，并且也在图4中示出，偏心光432的光线在x-y平面中比中心光430更远离光轴440移动，并且相对于光轴440形成比中心光430更大的角度。由于这些较大的位移和角度，偏心光432未命中光电子堆叠400，而是照射螺旋路径404的侧面，其中传热流体320吸收偏心光432的热能。注意，由于光电子堆叠300位于焦平面442的“内侧”，因此偏心光432会聚。如果光电子叠层300位于焦平面442的另一侧，则偏心光432将发散，从而错过螺旋路径404的侧面。
有利地，图4所示的流体冷却通过利用来自CPV模块的废热312来增加由热模块产生的热能。因此，传热流体320在离开热模块时可以达到比最大太阳能电池温度更高的温度。
图5是有利地仅使用一个传热流体系统来冷却PV电池和从阳光吸收热的混合接收器500的立体图。混合接收器500是图1和图2的混合接收器110的一个示例。混合接收器500包括CPV模块504，CPV模块504使用PV电池306将会聚光108转换为电能。混合接收器500还包括位于CPV模块504下方的热模块502，热模块502吸收额外的会聚光108以产生热功率。在一些实施方式中，为了增强热功率发电，混合接收器500可以包括围绕热模块502和CPV模块504的反射护罩506。护罩506用作次级反射器，其将来自CPV模块504和热模块502的间接光508重新导向回到热模块502，从而可以被吸收。间接光508可以包括：(a)散射离开CPV模块504和热模块502(例如，通过反射或衍射)的会聚光108，以及(b)由CPV模块504和热模块502发射的热辐射。尽管在图5中未示出，但间接光508在所有方向上离开CPV模块504和热模块502传播。在实施方式中，如图5所示，护罩506围绕热模块502而没有间隙，以使改向回热模块502的间接光508的量最大化。护罩506还通过阻断风流使热模块502的对流能量损失最小化。
图6、图7和图8分别是CPV模块504和热模块502的透视图、侧视图和底视图。图7还示出CPV模块504如何接收中心光430以及热模块502如何接收偏心光432。图6、图7和图8在下面的描述中一起看得最清楚。
热模块502包括螺旋管602和冷却块604。CPV模块504包括安装在与冷却块604的顶面606直接热接触的传热板(参见图9中的传热板920)上的PV电池阵列306。如图5-图8所示，冷却块604可成形为使得CPV模块504的整个底面(参见图9中的底面922)与冷却块604的顶面606直接热接触。然而，冷却块604可以可选择性地成形为使得仅CPV模块504的底面的部分与顶面606直接热接触。
冷的传热流体712在+z方向流过输入管612以经由位于冷却块604的底面804上的入口802进入冷却块604。为了清楚起见，输入管612仅在图7中示出。在冷却块604内，传热流体沿着蛇形路径行进，以通过顶面606从PV电池306吸收热量(参见图12B中的蛇形路径1210)。在从PV电池306吸收废热312之后，温暖的传热流体714经由出口806离开冷却块604并经由刚性传送管614进入螺旋管602。在直接吸收照射螺旋管602的偏心光432之后，热的传热流体716经由输出管608离开螺旋管602。在实施方式中，输入管612是刚性管，其机械地支撑所有CPV模块504和热模块502。
图5-图8示出螺旋管602为具有大约15匝的方形螺旋。然而，螺旋管602可以可选地配置成矩形螺旋、圆形螺旋或另一种类型的螺旋。螺旋管602也可以具有与所示不同的匝数，而不脱离本发明的范围。在图5-图8中，螺旋管602被示出为紧密填充的，即，每一匝直接接触其正上方的一匝(当存在时)，以及直接接触其正下方的一匝(当存在时)。紧密封装有利地通过消除匝之间的间隙来增大捕获偏心光432和间接光508的表面积。为了增强螺旋管602的结构刚度，相邻的匝可以钎焊或焊接在一起，从而填充匝数之间的可能以其他方式存在的间隙。然而，螺旋管602可以可选地成形为在相邻圈之间具有间隙，这也不脱离本发明的范围。
为了增强会聚光108的直接吸收，螺旋管602可以涂覆有黑色饰面。例如，螺旋管602可以涂覆有高吸收性的高温黑色太阳能涂料，诸如Pyromark 2500，或基于纳米材料的黑色涂层。或者，螺旋管602的外表面可被表面处理成黑色(例如，阳极化)或其它吸收性。
螺旋管602可以由弯曲成螺旋形状的单个金属管形成。例如，金属可以是铝、铜或黄铜，它们具有高热导率，可以作为管商购，并且可以使用已知的技术焊接或钎焊。然而，螺旋管602可以由不同类型的金属(例如不锈钢)形成，而不脱离本发明的范围。如图7和图8所示，输出管608可以是在-z方向弯曲的螺旋管602的一部分。
在实施方式中，如图7所示，螺旋管602的最顶部的匝610以偏移715定位在顶面606下方。螺旋管602的后续匝在-z方向上继续。可以选择偏移715以防止偏心光432直接照射冷却块604的侧壁618，这将无意中加热冷却块604。例如，偏移715可以等于或小于螺旋管602的直径。可替换地，偏移715可以是稍微负的，即，最上面的匝610可以定位在顶面606的稍微上方，只要它不阻挡会聚光108到达PV电池308。或者，偏移715可大于图7中所示，以最小化从螺旋管602到冷却块604的热传导，这将无意中加热CPV模块504。
在图5-图8中，螺旋管602的每一匝包围稍微大于冷却块604的区域(在x-y平面内)的区域，使得最顶部的圈610可以阻挡冷却块604的侧壁618不受会聚光108的影响。在这种布置中，螺旋管602定位成使得最上部的匝610和侧壁618之间的间隙713较小(例如，小于螺旋管602的直径)。具有低热导率的一个或多个热绝缘件710可以插入在冷却块604和螺旋管602之间，以防止冷却块604和螺旋管602彼此接触，这将导致热短路。螺旋管602可成形为封闭较大的区域，使得间隙713大于所示的间隙。较大的间隙713也可以帮助减少热量从最上匝610到冷却块604的热传导。然而，较大的间隙713也可能导致更加会聚光108照射侧壁618。此外，较大的间隙713增加了绝热件710的厚度，并因此增加了由这些绝热件710直接吸收的会聚光108的量。这种被吸收的光被浪费，因为所产生的热量不能被有效地联接到传热流体。
图9是存在PV电池306的区域中的CPV模块504的侧剖视图。图9中的层没有按比例绘制。在-z方向传播的会聚光108透射通过覆盖层(superstrate)904和密封剂906以到达PV电池306。覆盖层904和密封剂906保护CPV模块504免受外部环境条件，诸如湿气和碎屑。在实施方式中，覆盖层904和密封剂906是光学透明的、抗热冲击的、机械刚性的，并且在CPV模块504的工作温度下是稳定的。
在图9的示例中，PV电池306是具有第一子电池910(1)、第二子电池910(2)和第三子电池910(3)的三结电池。使用电粘合剂912或焊料将PV电池306电连接到导电背衬片914。用热粘合剂916将背衬片914刚性地固定到传热板920上。传热板920的底面922直接接触冷却块604的顶面606。第一子电池910(1)顶部上的汇流条923用作阴极，而背衬片914用作阳极。尽管图9的实例通过三结PV电池306，但是CPV模块504可以配置有具有不同数量的层的PV电池306。例如，每个PV 306可以仅具有一个或两个子电池910、或四个或更多个子电池910。每个PV电池306可以在第一子电池910(1)(图9中未示出)的顶部上具有抗反射涂层。
覆盖层904可以由晶体石英、熔融硅石、蓝宝石、玻璃或另一种类型的刚性光学透明材料制成。覆盖层904还可以在其一个或两个面上具有抗反射涂层。密封剂906可以是使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的有机硅弹性体，例如Dow Corning Sylgard 184。导电背衬片914可以是由银或其它类型的具有高导电性的金属制成的片或箔。传热板920可以由氧化铝制成，氧化铝是具有相对高热导率的电绝缘体。传热板920可以可选地由另一种类型的陶瓷，不同类型的材料或具有高导热性的电绝缘的组合制成。在一些实施方式中，背衬片914是直接沉积(例如，通过电镀)到传热板920上的金属。这些实施方式有利地避免了对热粘合剂916的需要。
图10是示出PV电池306的布局的CPV模块504的俯视图。在该实例中，有16个PV电池306以四行和四列的二维阵列排列。PV电池306被分组为四个组(也称为“象限”)，并且图10中的PV电池306中的每个用它所属的组的数量来标记。每组还包括一半尺寸的PV电池1004，其有效面积大约是其它“全尺寸”PV电池306的有效面积的一半。四个半尺寸PV电池1004的尺寸且被定位成产生一个阴影区域1010，由于支撑臂112的阻碍(参见图1和图2)，太阳辐射照度在阴影区域1010中是最小的。
每组内的所有PV电池306并联电连接，并且所述组串联连接。更具体地，第一线1002(1)连接到组“1”中的四个PV电池306的正面上的汇流条923，第二线1002(2)连接到组“2”中的四个PV电池306的正面上的汇流条923，等等。因此，导线1002连接PV电池306的阴极。连接PV电池306的阳极的类似导线未在图10中示出。第四组PV电池306的阳极连接到第一电端子(在图10中标记为“POS”)，并且第一线1002(1)将第一组PV电池306的阴极连接到第二电端子(在图10中标记为“NEG”)。导线1002可以由银或具有高导电性的另一种金属制成。
PV电池306可以具有与图10所示不同的布置，而不脱离本发明的范围。例如，PV电池306可以形成具有多于四行或少于四行，多于四列或少于四列，或其组合的二维阵列。在图10中，大部分PV电池306与它们最近的相邻电池隔开1mm的间隙。然而，PV电池306可以被隔开，使得间隙具有不同的值。PV电池306也可以以不同的配置布线，并且因此可以被分组为多于四个组或少于四个组。半尺寸PV电池1004的数量和位置也可以改变以改变阴影区域1010的尺寸和位置(例如，与由支撑臂112引起的阴影重叠)。
设计方法论
CPV模块-为了构建混合接收器110的原型，使用图5-图10中所示的几何结构构建CPV模块504的原型。覆盖层904由GE 124熔融石英制成，并且密封剂906是Dow CorningSylgard 184硅树脂。使用SnPd电焊料作为电粘合剂912将PV电池306的阳极粘附到银背衬片914。在银背衬片914和传热板920之间施加热粘合剂916(Cotronic Duralco 128)以增加其间的导热性。传热板920由氧化铝制成，因为它是在室温下具有25W/m·K的高热导率的电绝缘体。这种材料的选择允许来自PV电池306的废热312有效地传导到冷却块604而没有短路。
图11示出了用与原型CPV模块504一起使用的三结PV电池306测量的示例性电流-电压曲线。图11中的数据是在25℃的温度下测量的1太阳和492太阳的聚集。由SolAeroTechnologies制造具有n-on-p结构的三结PV电池306，并建立在锗衬底上。三结PV电池306的光伏吸收材料是InGaP(1.86eV)、InGaAs(1.40eV)和Ge(0.67eV)。在PV电池306上沉积抗反射涂层以降低0.3μm和1.8μm之间的反射率。对于1太阳，Voc为2.52V，对于492太阳，Voc为3.21V，而由于高度会聚的入射光，Isc从12.1mA增加到6.9A。Jsc与光强度的比率(Jsc/强度)对于1太阳(0.145A/W)和492太阳(0.148A/W)都是类似的。在492太阳下，AM1.5D光谱的功率转换效率η达到37.8％。
原型CPV模块504具有47mm×47mm的尺寸，如图10所示，在其内部放置12个全尺寸PV电池306和4个半尺寸电池1004。全尺寸PV电池306中的每个具有9.5mm×9.75mm的尺寸。相邻PV电池306之间1mm的间隙为布线和放置热电偶提供了空间。如图10所示，由于图1和图2的支撑臂112投射的阴影，在阴影区域1010中没有PV电池306。PV电池306被分成四个象限，三个全尺寸PV电池306和一个半尺寸PV电池1004在每个象限中并联连接。将四个象限串联接线，留下象限4的阳极和象限1的阴极作为电极以从原型提取电能。利用这种布线策略，实现了4倍的电压增加和3.5倍的电流增加。
热模块-热模块502的原型被设计成优先化简单和低成本的组装、低能量损失、强机械刚度和长寿命。冷却块604的原型由两个用垫圈密封在一起的板制成。在内部，将500微米深的蛇形路径机械加工到其中一个板中，覆盖大部分电池区域。原型冷却块604的尺寸类似于原型CPV模块504，并且包括用于电线的凹口616(见图6)。原型冷却块604由6061-T6铝制造。
螺旋管602的原型由外径为3.17mm和壁厚为0.64mm的3003退火铝管形成。如图5-图8所示，将该管手工弯曲成方形螺旋。铝钎焊用于填充相邻匝之间的间隙。在原型螺旋管602的两个相对内表面上进行这种钎焊，以提高结构完整性和机械强度。在高吸收性黑色太阳能涂料Pyromark 2500中涂覆，原型螺旋管602可以吸收95.0％吸收率的入射会聚光。在原型冷却块604和原型螺旋管602之间放置在200℃下具有0.55W/m·K的低热导率的几个热绝缘件710(Zircar RSLE-57)，以防止原型CPV模块504被原型螺旋管602的高温加热。
内径为1.9mm、外径为3.2mm的管道连接在入口储液器(未示出)和原型冷却块604的入口802之间，以及输出管608和出口储液器(未示出)之间。这些管道还用作整个混合接收器110的排他性结构支撑。由于这些管道的长度和小横截面积，降低了热模块502的高温部件和管道之间的热传导，使能量损失最小化。绝热体也缠绕在出口管周围以进一步最小化热损失。
风干-护罩506的正方形原型由高反射(R>95％)光学级阳极化铝板(Alanod MIRO4400 GP)构成。它用作次级反射器，以将散射的太阳辐射和发射的热辐射重新定向回到螺旋管602。它还减少了由于风引起的从热模块502到环境的热对流损失，否则当螺旋管602的外表面温度超过200℃时，这可能是显著的损失机制。
模型化
电模型-根据在会聚的辐射照度照射下的入射功率对每个PV电池306的性能进行数值建模。利用这些数字，基于物理电路配置和基尔霍夫定律预测CPV模块504的电输出。假定到原型CPV模块504的太阳能输入辐射照度是不均匀的，直接从PV电池306的平面处的辐射照度图计算。在该模型中考虑了由于每个象限内的电压失配引起的功率损耗、四个象限之间的电流失配、由于电池布线引起的增加的串联电阻以及来自银线的遮蔽。
热模型-使用COMSOL的有限元法(FEM)建模被用于模拟冷却块604和螺旋管602的热性能。在冷却块模型中，将十二个全尺寸PV电池306和四个半尺寸PV电池1004作为热源进行处理。使用CPV模块504上的入射功率、由于光学反射引起的电功率损失以及根据电模型确定的CPV模块504的效率来计算热功率。诸如入口温度和质量流量的条件被设定为用于现场操作的期望值。
图12示出了原型CPV模块504(参见图12A)、冷却块604(参见图12B)和螺旋管602(参见图12C)的示例性温度等值线图。图12中的等值线图是从上述热模型获得的。来自PV电池306的作为废热312的总功率被设置为258.4W，这是当混合接收器从碟102的焦平面442内侧60mm定位时的热负荷(电池上的平均聚集为345太阳)。对于传热流体，选择质量流量为2g/s且初始温度为20℃的水。模拟预测PV电池306的最高温度为62.2℃，出口温度为49.3℃。
在原型螺旋管602的模型中，1634.5W的太阳辐射功率均匀地分布在外表面上。黑色太阳能涂料涂层具有0.92的功率发射率。同样，使用初始温度为20℃且质量流量为2g/s的水作为传热流体。考虑到期望输出温度高且功率损失不可忽略，因此热辐射和对流损失包括精确度。如图12C所示，输出管608附近的预测温度达到210.7℃。辐射损失和对流损失一起构成输入功率的5％，这将用于将来的性能评估。
实验室内表征
电表征-图13示出了用“裸露”三结PV电池306和原型CPV模块504的四个象限中的每个象限测量的示例性电流-电压曲线。为了获得这些曲线，将四个象限中的每个单独组装，并在由连续多区太阳模拟器(Unisim，TS-Space System(TS-空间系统))提供的单太阳照明下测试，总强度为0.09W/cm2。对裸露的SolAero三结PV电池306进行类似的测试。图13中的表格列出了用于单太阳测试的物理参数。由于每个象限包含并联的3.5个电池，因此与裸PV电池306相比，对于每个象限预期ISC增加3.5倍。然而，由于来自银线1002的阴影，仅观察到ISC增加3.2倍。所有四个象限都显示出降低的Voc，这是由银线1002的串联电阻引起的。
热表征-图14示出了用于原型冷却块604的测试的示例性装置1400和结果1402。如装置1400所示，热传递油灰被用于将带状加热器1404固定到中间过渡铝件1408的背面。铝件1408的前侧1410用作CPV模块504的底面922(参见图9)，并与原型冷却块604的顶面606直接接触。七个热电偶(TC)定位在不同的界面处，以及定位在冷却块604的入口(TC1)和出口(TC2)中。七个TC的位置在图14中由数字1到7标识。然后用矿棉绝缘材料紧紧地包裹装置1400以减少热损失。流过冷却块604和带状加热器1404的室温水被设定为输出57W的热功率。每60秒称量来自出口的水以确保粘附到所需的质量流量。在连接到八通道数据记录器的计算机上显示和记录TC温度。结果1402显示测量的TC温度作为测试期间经过的时间的函数。对1g/s、2g/s和3g/s的质量流量进行测试。结果1402用于2g/s的测试。
图15示出了用于原型螺旋管602的测试的示例性装置1500和结果1502。导热环氧粘合剂(3M TC-2707)用于在图15中标记为1至7的位置处将七个K型热电偶(TC)固定到螺旋管602上。然后将硅氧烷加热垫缠绕在螺旋管602上，再次使用传热油灰以确保可靠的热接触。为避免能量损失，用矿棉建立了隔热材料。室温水以1g/s和3g/s之间的流速流过螺旋管602，而硅加热垫向螺旋管602施加热能(230W、113W、59W)。结果1502显示测量的TC温度作为时间的函数，水以3g/s的质量流量和230W的输入功率流动。如预期的，温度沿流动方向(从上到下)升高。用不同的功率输入和质量流量进行另外的测试。
图16示出了作为(A)冷却块604和(B)螺旋管602的质量流量的函数的对流传热系数h的示例性曲线图。从流体通道的几何参数和测量的温度获得h的实验值。由具有相同边界条件的COMSOL模拟的结果计算h的建模值。h的实验值与模型值一致，显示了与质量流量的预期线性关系。这些结果证实了用作传热流体的水在该区域中是层流的。螺旋管602与冷却块604类似地运行，但是与设计一致地具有更小的h的值(即，冷却通道越小，h的值越大)。
流体流动表征-图17示出了作为质量流量的函数的压降的示例性曲线图。在将原型冷却块604和螺旋管602安装在一起以形成原型热模块502之后，重力分析用于表征质量流量和施加到原型热模块502中的水的压力之间的关系。热模块502定位在水泵上方大约6英尺处，以模拟安装在太阳能跟踪器上时所经历的液压头。使用压力调节器，将水压设定为离散的整数值。将所有的流出液收集在贮存器中并每60秒称量10分钟。然后计算所有时间间隔的平均重量并转化为质量。对于额外增加的整数压力值重复该过程，测试压力值的整个范围从3psi延伸到25psi。图17中的数据点是压降的测量值，压降与二次曲线非常吻合，表示集成热模块中的非层流。这可能是由于冷却块中的通道角落中的停滞水，或一些管弯曲区域和管道连接端口中的紊流。
浸没式静态加压测试-为了确认原型热模块502在超过200℃的输出温度下操作时包含将水限定为液相所必需的压力的能力，将出口806密封并将入口802连接到加压氩气。在将热模块502加压到400psi之后关闭箱阀。将热模块502浸没在水中5分钟以检查气体泄漏。没有检测到气泡或压力降低。
室外性能预测
测量和分析辐射照度图以识别原型CPV模块504和原型热模块502上的功率分布。根据该电模型，可以计算电功率输出和热负荷。然后将来自每个PV电池306的热负荷输入到COMSOL冷却块模型，以预测当其离开冷却块604时的PV电池温度和水温。在将入射到螺旋管602上的功率设定为输入功率并且将来自冷却块604的出口水温设定为COMSOL热线圈模型中的入口温度之后，预测最终的输出水温。
太阳辐射照度分析-图18示出了可用于测试原型混合接收器110的碟和跟踪器测量的示例性辐射照度图。在朝向碟的方向(即，内侧)在距焦平面63.5mm的位置处测量辐射照度图。如图18所示，直接法向辐照度(DNI)仅为800W/m2，总功率为1973W，用安装在跟踪器上的比重计测量。对于以下模型，辐射照度图中的辐射照度分布已被放大到900W/m2的标准DNI，总功率为2220W。在45毫米、50毫米、55毫米、60毫米、65毫米、70毫米、75毫米和80毫米处的另外的辐射照度图也通过三角形投影方法获得，假定射线向焦点会聚。
MATLAB代码用于使用DNI数和直接辐射计的已知直径来分析辐射照度图。利用从MATLAB代码计算的图像中的每个像素的辐射照度密度和功率，通过在相应区域上积分功率辐射照度来获得原型CPV模块504和每个PV电池306上的入射功率。在图18中，CPV模块504没有完全覆盖在辐射照度图上，留下大部分入射功率到达螺旋管602。
图19示出了入射在CPV模块504和螺旋管602上的作为从碟102的焦平面442向内的电池平面距离的函数的太阳能的示例性曲线图。在45mm处，入射光在CPV模块504和热模块502之间几乎相等地分开。沿着更靠近碟102的方向(即，远离焦平面442)，螺旋管602上的功率由于辐射照度面积增加而增加，其中较少的阳光入射到CPV模块504上。
预测室外性能-图20示出了原型混合接收器110的预测性能的示例性曲线图。来自辐射照度图分析的每个PV电池306上的辐射照度密度和功率被输入到上面讨论的电模型。该模型预测来自CPV模块504的电功率。对于CPV模块504相对于聚光碟102的焦平面442的每个位置，该过程进行多次。图20A示出了作为离焦平面442的距离的函数的预测电功率。它显示出与图19中的螺旋管602相同的趋势。CPV模块504的效率在29.8％和32.1％之间。电压和电流失配是损失功率的最大来源，对应于入射到PV电池306上的功率的几乎3％。
使用上述热模型研究PV电池温度。要求PV电池306的温度决不超过CPV模块504的上限操作温度，通常为约110℃。图20B示出了对于1g/s、2g/s和3g/s的质量流量的预测的最大电池温度。如上所述，PV电池306在较高的质量流量下较冷，因为对流传热系数随着质量流量线性增加。除了在45mm和1g/s下的所有点都低于110℃。
还使用上述热模型来研究来自热模块502的输出温度。为了在工业或商业应用中更广泛地应用工艺热，可以优选大于120℃的输出温度。图20C示出了对于三个质量流量，输出温度与到焦平面的距离的函数关系。最终的输出温度主要受到质量流量的影响，而不是相对于焦平面的位置。水吸收来自CPV模块504的废热312和撞击螺旋管602的外表面的太阳能。即使当CPV模块504从焦平面442移开时，螺旋管602吸收更多的功率，冷却块604的较低出口温度(以及对螺旋管602的相应输入温度)也补偿了不同电池操作平面之间的温度差。在热模型中使用的操作参数都导致大于120℃的输出温度。该模型对于63.5mm的操作平面和2g/s的质量流量预测了螺旋管602的94.6％的效率。
图21是列出当在CPV模块504和焦平面442之间的不同距离操作时由原型混合接收器110产生的预测电能和热能的表。图21中的数据是在质量流量为2g/s的情况下获得的。通过移动混合接收器110靠近或远离焦平面，可以调节电能和热能。CPVT效率通过将电功率和热功率的能量分数相加而获得。当混合接收器定位在远离焦平面442时，CPVT效率更大，如所期望的，因为热模块502中的热吸收效率增加得比CPV模块504中的电转换效率降低得快。
特征组合
在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征以及下面要求保护的那些特征可以以各种方式组合。以下实施方式说明了上述特征和实施方式的可能的非限制性组合。应当清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本实施方式进行其它改变和修改。
(A1)混合接收器可以包括具有传热板和热耦合到传热板的光伏电池阵列的聚光光伏模块。混合接收器可以包括具有冷却块的热模块，该冷却块形成传热流体可以流过的内部路径。传热板的底面可以与冷却块的顶面直接热接触。热模块可具有围绕冷却块并且连接到冷却块的螺旋管，使得传热流体在流过冷却块之后流过螺旋管。
(A2)在表示为(A1)的混合接收器中，混合接收器可以包括围绕聚光光伏模块和热模块的反射护罩。反射护罩可以成形为将来自热模块的热辐射和散射光反射到螺旋管上。
(A3)在表示为(A2)的混合接收器中，反射护罩可以由铝制成。
(A4)在表示为(A1)至(A3)的混合接收器中的任何一个中，混合接收器可以包括连接到冷却块的背面的入口管和连接到螺旋管的输出端口的出口管。入口管可以机械地支撑热模块和聚光光伏模块。
(A5)在表示为(A1)至(A4)的混合接收器中的任何一个中，混合接收器可以包括多个定位在冷却块和螺旋管之间的热绝缘隔离件。
(A6)在表示为(A1)至(A5)的混合接收器中的任何一个，混合接收器可以包括在螺旋管上的吸收涂层。
(A7)在表示为(A1)至(A6)的混合接收器中的任何一个中，传热板可以由电绝缘材料制成。
(A8)在表示为(A7)的混合接收器中，电绝缘材料可以是氧化铝。
(A9)在表示为(A1)至(A8)的混合接收器中的任何一个，传热板的所有底面可以与冷却块的顶面直接热接触。
(A10)在表示为(A1)至(A9)的混合接收器中的任何一个，螺旋管可以形成正方形螺旋或圆形螺旋。
(A11)在表示为(A1)至(A10)的混合接收器中的任何一个中，光伏电池阵列中的每个可以是III-V多结电池。
(A12)在表示为(A1)至(A11)的混合接收器中的任何一个中，聚光光伏模块可以包括：导电背衬片；电粘合剂，将光伏电池阵列中的每个的背面结合到导电背衬片，以及热粘合剂，将导电背衬片结合到传热板的顶面。
(A13)在表示为(A12)的混合接收器中，导电背衬片可以由银制成。
(A14)在表示为(A1)至(A13)的混合接收器中的任何一个中，混合接收器可以包括定位在光伏电池阵列上方的覆盖层窗，以及将光伏电池阵列中的每个的正面与覆盖层窗的底面接合的密封剂。
(A15)在表示为(A1)至(A14)的混合接收器中的任何一个中，内部路径的尺寸设置成可以使得传热流体作为微流体流过内部路径。
(A16)在表示为(A1)至(A15)的混合接收器中的任何一个中，内部路径可以具有500μm或更小的深度。
(B1)聚光光伏-热功率系统可以包括表示为(A1)到(A16)的混合接收器中的任何一个、聚光镜和太阳能跟踪器，太阳能跟踪器具有支撑臂，支撑臂固定到混合接收器并且定位混合接收器，使得聚光光伏模块面向聚光镜。
(B2)在表示为(B1)的聚光光伏-热功率系统中，支撑臂可以定位混合接收器，使得聚光光伏模块位于聚光镜和聚光镜的焦平面之间。
(C1)一种用于聚光光伏-热功率发电的方法可以包括：当聚光阳光的第一部分照射光伏电池阵列时，将聚光阳光的第一部分转化为电能；将由光伏电池阵列产生的热量热耦合到传热板中；通过使传热流体流过与所述传热板直接热接触的冷却块的内部路径来冷却传热板；以及使传热流体流过螺旋管，以从照射螺旋管的聚光阳光的第二部分吸收热能。
(C2)在表示为(C1)的方法中，该方法可以包括将来自热模块的热辐射和散射光反射到螺旋管上。
(C3)在表示为(C2)的方法中，所述反射可以用围绕螺旋管、冷却块、传热板和光伏电池阵列的反射护罩来执行。
(C4)在表示为(C3)的方法中，该方法可以包括用反射护罩阻挡来自螺旋管和冷却块的风。
(C5)在表示为(C1)至(C4)的任何一种方法中，该方法可以包括经由连接到冷却块的背面的入口管将传热流体供应到冷却块，并且利用出口管从螺旋管接收传热流体。该方法还可以包括利用入口管机械地支撑螺旋管、冷却块、传热板和光伏电池阵列。
(C6)在表示为(C1)至(C5)的任何一种方法中，该方法可以包括利用多个热绝缘隔离件将冷却块与螺旋管热隔离。
(C7)在表示为(C1)至(C6)的任何一种方法中，该方法可以包括定位光伏电池阵列、传热板、冷却块和螺旋管，以调节由光伏电池阵列产生的电功率与由传热流体输出的热功率的比率。
(C8)在表示为(C1)至(C7)的任何一种方法中，传热流体可以在冷却块之后流过螺旋管，使得传热流体在离开螺旋管时的平均温度大于光伏电池阵列的最大温度。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以在上述方法和系统中进行改变。因此，应当注意，包含在上述描述中或附图中所示的内容应当被解释为说明性的，而不是限制性的。下面的权利要求旨在覆盖本文中描述的所有一般的和特定的特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述，作为语言的问题，可以说落在它们之间。

Claims (26)

1.一种混合接收器，包括：
聚光光伏模块，具有传热板和热耦合到所述传热板的光伏电池阵列；以及
热模块，具有：
(i)冷却块，形成传热流体能够流过的内部路径，所述传热板的底面与所述冷却块的顶面直接热接触；以及
(ii)螺旋管，围绕所述冷却块并且连接到所述冷却块，使得所述传热流体在流过所述冷却块之后流过所述螺旋管。
2.根据权利要求1所述的混合接收器，还包括围绕所述聚光光伏模块和所述热模块的反射护罩，并且所述反射护罩成形为将来自所述热模块的热辐射和散射光反射到所述螺旋管上。
3.根据权利要求2所述的混合接收器，其中，所述反射护罩由铝制成。
4.根据权利要求1所述的混合接收器，
还包括连接到所述冷却块的背面的入口管和连接到所述螺旋管的输出端口的出口管；
所述入口管机械地支撑所述热模块和所述聚光光伏模块。
5.根据权利要求1所述的混合接收器，还包括多个定位在所述冷却块和所述螺旋管之间的热绝缘隔离件。
6.根据权利要求1所述的混合接收器，还包括在所述螺旋管上的吸收涂层。
7.根据权利要求1所述的混合接收器，所述传热板由电绝缘材料制成。
8.根据权利要求7所述的混合接收器，其中，所述电绝缘材料是氧化铝。
9.根据权利要求1所述的混合接收器，其中，所述传热板的所有所述底面与所述冷却块的所述顶面直接热接触。
10.根据权利要求1所述的混合接收器，所述螺旋管形成正方形螺旋或圆形螺旋。
11.根据权利要求1所述的混合接收器，其中，所述光伏电池阵列中的每个是III-V多结电池。
12.根据权利要求1所述的混合接收器，所述聚光光伏模块还包括：
导电背衬片；
电粘合剂，将所述光伏电池阵列中的每个的背面结合到所述导电背衬片；以及
热粘合剂，将所述导电背衬片结合到所述传热板的顶面。
13.根据权利要求12所述的混合接收器，所述导电背衬片由银制成。
14.根据权利要求1所述的混合接收器，还包括：
覆盖层窗，定位在所述光伏电池阵列上方；以及
密封剂，将所述光伏电池阵列中的每个的正面与所述覆盖层窗的底面接合。
15.根据权利要求1所述的混合接收器，其中，所述内部路径的尺寸设置成使得传热流体作为微流体流过所述内部路径。
16.根据权利要求1所述的混合接收器，所述内部路径具有500μm或更小的深度。
17.一种聚光光伏-热功率系统，包括：
根据权利要求1所述的混合接收器；
聚光镜；以及
太阳能跟踪器，所述太阳能跟踪器具有支撑臂，所述支撑臂固定到所述混合接收器并且定位所述混合接收器，使得所述聚光光伏模块面向所述聚光镜。
18.根据权利要求17所述的聚光光伏-热功率系统，其中，所述支撑臂定位所述混合接收器，使得所述聚光光伏模块位于所述聚光镜和所述聚光镜的焦平面之间。
19.一种用于聚光光伏-热功率发电的方法，包括：
当聚光阳光的第一部分照射光伏电池阵列时，将所述聚光阳光的第一部分转换为电能；
将由所述光伏电池阵列产生的热量热耦合到传热板中；
通过使传热流体流过与所述传热板直接热接触的冷却块的内部路径来冷却所述传热板；以及
使所述传热流体流过螺旋管，以从照射所述螺旋管的聚光阳光的第二部分吸收热能。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括将来自所述热模块的热辐射和散射光反射到所述螺旋管上。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述反射用围绕所述螺旋管、所述冷却块、所述传热板和所述光伏电池阵列的反射护罩执行。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括用所述反射护罩阻挡来自所述螺旋管和所述冷却块的风。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括：
经由连接到所述冷却块的背面的入口管将所述传热流体供应到所述冷却块；
利用出口管从所述螺旋管接收所述传热流体；以及
利用所述入口管机械地支撑所述螺旋管、所述冷却块、所述传热板和所述光伏电池阵列。
24.根据权利要求19所述的方法，还包括利用多个热绝缘隔离件将所述冷却块与所述螺旋管热隔离。
25.根据权利要求19所述的方法，还包括定位所述光伏电池阵列、所述传热板、所述冷却块和所述螺旋管，以调节由所述光伏电池阵列产生的电功率与由所述传热流体输出的热功率的比率。
26.根据权利要求19所述的方法，其中，所述传热流体在所述冷却块之后流过所述螺旋管，使得所述传热流体在离开所述螺旋管时的平均温度大于所述光伏电池阵列的最大温度。
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