CN116802817A - 光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构 - Google Patents

光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏电池或太阳辐射聚光器的空间结构(1)，其包括由至少两个彼此设置的截棱锥或截圆锥(20)和(21)构成的基座体(2)，其中，上截棱锥或截圆锥(21)的底基座(210)的面积小于下截棱锥或截圆锥(20)的顶基座(201)的面积，并且下截棱锥或截圆锥(20)的倾角(α20)和上截棱锥(21)的倾角(α21)在60°至85°的范围内，其中，至少一个棱锥或圆锥形状的p型聚光凸起(4)设置在至少一个截棱锥或截圆锥的顶基座上，并且该聚光凸起(3)的倾角(α3)在20°至55°的范围内。

Description

光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构
技术领域
本发明涉及光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构。
背景技术
目前，各种类型的光伏电池，最常见的是硅光伏电池，被用于将太阳能转换成电能。这些光伏电池具有平面正方形板的形状，通常具有大约100×100mm至大约150×150mm的尺寸，并且它们的生产已经在世界范围内被很大程度地标准化了并被广泛地建立起来了。这些光伏电池以规则的几何结构排列在光伏模块中，最常见的是平面的，由此它们在这些模块中彼此串联(较少见并联)电连接-参见例如2006年7月3日发行的国家照明产品信息程序，照明答案，第9卷，图3“PV面板或PV电池如何工作？”(可在http：//www.lrc.rpi.edu/programs/nlpip/lightingAnswers/photovoltaic/04-photovoltaic-panels-work.asp获得)，或替代能源指南，日期为2014年11月19目的太阳能光伏面板(可在http：//www.alternative-energy-tutorials.com/solar-power/photovoltaics.html获得)。由于模块中的单个光伏电池的电连接方法对该模块的性能或效率没有显著影响，并且串联连接需要较少的材料并占据较少的空间，因此目前通常认为其更有利。
光伏模块中的光伏电池数量和光伏模块的最终尺寸通常是由安装光伏模块的位置及其设置来确定的。目前，光伏模块通常是安装在建筑物屋顶上的或作为用于在宽开放空间的光伏发电站的自主组合件。然而，以这种方式组装的光伏模块具有许多缺点。主要缺点是，由于它们的结构和空间设置，它们基本上仅能够使用直射的阳光，在晴空的情况下，直射的阳光会落在它们上面，因此必须以一定角度来安装它们，并且将它们专门定向到南方。它们的缺点是它们不能捕获和使用散射和反射的太阳辐射，而散射和反射的太阳辐射即使是在具有小程度云层覆盖的情况下，也会带来大部分太阳辐射。另一缺点是由它们提供的电功率的波动相当大，这不仅取决于当前云层覆盖的水平，并且取决于温度和季节，这引起了配电网络稳定性的问题。
除了上述硅光伏电池之外，还有其它类型的光伏电池，例如基于非晶硅或基于硫族化合物(CuInSe、CuInSeGa、CdTe等)的薄膜电池，由于它们的物理性质，它们实现的效率(并且由此而产生能量的量)会比常规硅基光伏电池更低。这些类型的光伏电池通常也会具有尺寸为约100×100mm至约150×150mm的正方形平板的形状。
为了增加入射到光伏电池或模块的单位面积上的太阳辐射光子量，实际上使用了不同类型的太阳能聚光器，最常见的是由反射材料(反射镜)制成-参见例如VolkerQuaschning：“Renewable energy sources”，第96页(ISBN：9788086726489，Profipresss.r.o.，2012年)，或者是以光学透镜形式的。然而，即使使用了这些聚光器，仍然确实基本上仅能利用直接太阳辐射的光子，尽管通过聚光器增加了光强度，但是在模块中仍然仅产生不成比例的小能量。然而，由于使用了聚光器，从而会使光伏模块过热，这进一步降低了潜在的能量产出。此外，例如反射镜形式的聚光器占据了相当大的空间并增加了投资成本，因此只能在非常有限的程度上使用。
现在，没有一种光伏模块或太阳辐射聚光器的结构，其能够有效且定量地捕获和使用直接太阳辐射以及在小程度云层覆盖的情况下从非常不同的方向并以不同的角度入射在光伏模块或太阳辐射聚光器上的散射和反射的太阳辐射。
因此，本发明的目的是提供一种能够实现这一点的光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构。
本发明的原理
本发明的目的是通过一种光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构来实现的，其原理在于，其包含由至少两个彼此设置的截棱锥或截圆锥构成的基座体，其中，上截棱锥或截圆锥的底基座的面积小于下截棱锥或截圆锥的顶基座的面积，并且下截棱锥的倾角和上截棱锥的倾角在60°至85°的范围内，其中，至少一个棱锥或圆锥形状的聚光凸起设置在基座体的至少一个截棱锥或截圆锥的顶基座上，聚光凸起的倾角在20°至55°的范围内。
优选地，下截棱锥或截圆锥的倾角和上截棱锥或截圆锥的倾角在65°至75°的范围内。
上截棱锥或截圆锥的基座和下截棱锥或截圆锥的基座优选地为规则的n边多边形，n优选地等于3、4、6、8、12、16或无穷大。
优选地，聚光凸起的基座也具有规则的n边多边形的形状。n优选等于3、4、6、8、12、16或无穷大。
在一种优选的变型中，所述结构的基座体设有至少一个斜面，所述斜面以20°至80°的角度沿基座体的整个高度被延伸。
除了聚光凸起之外，在基座体的至少一个截棱锥或截圆锥的顶基座上可以设置至少一个具有20至55°的倾角的棱锥形或圆锥形的凹部。
在一个优选的实施例变型中，在上截棱锥或截圆锥的顶基座上设置至少两个斜面，其中，在每个斜面上设置至少一个聚光凸起。通过这些聚光凸起的顶点和基座中心的轴线形成一个40°至90°的角α33。
根据本发明的空间结构优选是由透光材料制成的。
在实施例的另一变型中，根据本发明的结构倒像地形成为透光材料块中的一个空腔。
在实施例的任何变型中，根据本发明的空间结构都可以在其表面上设置有至少一个光伏电池。
上截圆锥或截棱锥的至少一个侧壁和/或下截圆锥或截棱锥的至少一个侧壁优选地被形成为断开的/成角度的，其中，在其邻接部分之间形成一个过渡面。至少一个聚光凸起可以设置在至少一个过渡面上和/或至少一个凹部可以形成在其中。
为了在太阳光子路径入射到光伏电池之前使太阳光子路径具有更好的空间设置和进一步的聚光，透光材料的平台位于下圆锥或圆锥的底基座的下。
附图说明
在附图中：
图1a示意性地示出在晴朗到低云天空情况下太阳光子的典型路径；
图1b示出在部分多云到多云天空的情况下太阳光子的典型路径；
图1c示出在多云到阴天天空的情况下太阳光子的典型路径；
图1d示出在实际条件下太阳光子的不同路径的组合；
图2示意性地示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的一个示例性实施例；
图3示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第二示例性实施例。
图4示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第三示例性实施例。
图5示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的两种结构的组合的第四示例性实施例；
图6示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第五示例性变型；
图7示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第六示例性变型；
图8示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第七示例性变型；
图9示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第八示例性变型；
图10示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第九示例性变型；
图11示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第十示例性变型；
图12示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第十一示例性变型；
图13示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第十二示例性变型；
图14示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第十三示例性变型；
图15示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的第十四示例性变型；
图16示出根据本发明的图15的变型中的光伏模块或太阳聚光器的两种结构的有利组合；
图17示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的另一示例性变型；
图18示出图2和图15的变型中的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的空间组合；
图19示出图2a和图15的变型中的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的空间组合的另一示例性变型；
图19a示出根据图19的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的空间组合的另一变型；
图20示出使用根据本发明的图2的变型中的结构的光伏模块的结构的截面；
图21示出入射到根据图15的变型中的本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的表面上的太阳辐射光子的轨迹；
图22示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的另一示例性变型的截面；
图23示出根据本发明的光伏模块的一个示例性变型的截面；
图24示出根据本发明的光伏模块的另一示例性变型的截面；
图24a示出根据本发明的光伏模块的又一示例性变型的截面；
图25示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的另一示例性变型；
图26示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的另一示例性变型；
图27示出图26的变型中的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的空间组合的一个示例性变型；
图28示出根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的另一示例性变型；
图29示出图28的变型中的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的空间组合的一个实施例；
图30示出根据图11的变型中的本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的一个示例性实施例的修改变型。
实施例的示例
基于发明人的研究，使用真实的实验光伏电池和模块并且在现代光学和电气设备的支持下，发现了在各种程度的云层覆盖下的太阳辐射光子的全新的、迄今为止未被怀疑的路径。它是将光子路径分组成特定的圆锥a、b、c，圆锥a、b、c是由直线光子路径的复杂网络形成的，并且终止在具有特定尺寸和能量强度的特定焦点V上。根据云层覆盖的程度，并且因此也根据所产生的太阳辐射类型，这些圆锥a、b、c在顶角处的宽度和大小上彼此不同。由直接太阳辐射光子路径形成的圆锥a具有最小的顶角，而散射和反射的太阳辐射光子路径具有最大的顶角。光子路径的圆锥a、b、c的顶角越小，则该网络结构越紧密和致密，并且光子的能量越会聚在其顶点V处-参见图1a，其示意性地示出了对于晴空到几乎晴空(即，天空中云覆盖的部分不大于约2/8)的情况下的太阳辐射光子路径的典型圆锥，通常具有约20°的顶角，参见图1b，其示意性地示出了对于低云层覆盖(即，天空被云覆盖的部分大约3/8)到半云层天空(即，天空被云覆盖的部分大约4/8)的情况下的太阳辐射光子路径的典型圆锥b，其由于穿过云时的散射而通常具有大约40°的顶角，以及参见图1c，其示意性地示出了对于多云天空(即，天空被云覆盖的部分大约5/8)到阴云天空(即，天空被云覆盖的部分大约8/8)的情况下的太阳辐射光子路径的典型圆锥c，其由于穿过云时的较大程度的散射和反射而通常具有大约60°的顶角。利用所有这些类型的云层，太阳辐射在白天期间和地球大气中的任何地方实时产生几何上精确的相同形状的全空间网络结构，该全空间网络结构由聚光在这些圆锥a、b、c的顶点V中的光子的圆锥a、b、c形成，并且由于光子路径的不同长度而包含不同的能量强度。当条件改变时，太阳辐射入射地球表面的方向特性也会改变。例如，在半多云天空的情况下，可能会出现具有较大和较小强度的两种或更多种类型的光子路径的组合，其中，部分辐射通量以直接辐射的形式出现，部分以散射和/或反射辐射的形式出现-参见图1d。在这些条件下，这些网络混合，并且由于相同的基本形状，形成圆锥a、b、c及其顶点V的光谱、量子和全空间网络。
所有这些光子路径均在圆锥a、b、c的顶点V处相遇，然后离开它们，在圆锥a、b、c的顶点V处再次相遇，这些圆锥起源于大气的下部，并且具有较大或甚至较小顶角的光子的圆锥a、b、c可以在它们到达地球表面的途中流入这些圆锥。
根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构1(在附图中以不同的变型示意性地示出)对应于该理论，并且通过其形状适于捕获(在光伏模块的情况下)或以合适的方式引导(在太阳辐射聚光器的情况下)在任何云层下面的最大可能数量的太阳辐射光子路径。下面描述的该结构1的每个变型都可以单独使用或者与相同或类似的结构组合使用，作为较大单元的一部分，在该较大单元内，单个结构1可以设置在平面基座上或者处于任何空间布置下，参见例如图16、18、19a、27和29。在实际测量期间，已经观察到形状对应于根据本发明的空间结构1的光伏模块或者配备有形状对应于根据本发明的结构1的太阳辐射聚光器的光伏模块的效率增加了百分之几十。附图中的空间结构1的变型仅是示例性的，并且各个结构1可以进一步基本上任意地修改并彼此组合。
根据本发明的光伏电池或太阳辐射聚光器的空间结构1包括由至少两个彼此叠置的截棱锥20和21构成的基座体2。上截棱锥21的底基座210设置在下截棱锥20的顶基座201上，优选地设置在其中心，其中，上截棱锥21的底基座210的面积小于下截棱锥20的顶基座201的面积。下截棱锥20的倾角α20，即其底基座200和侧壁2000之间的夹角，以及上截棱锥21的倾角α21在60°至85°的范围内，优选地在65°至75°的范围内。在一种优选的实施例变型中，构成基座体2的所有截棱锥20、21的倾角α20和α21是相同的。构成基座体2的至少一个截棱锥20、21可以沿其高度方向由两个或多个具有不同倾角α20或α200的连续的部分棱锥设置，例如参见图7，其示出了一种变型，其中，下截棱锥20是由两个连续的部分棱锥20a和20b组成的，上截棱锥的倾角α200小于下截棱锥的倾角α20。
构成基座体2的截棱锥20、21的基座200、201、210、211通常可具有n边多边形的形状，包括星形多边形，优选地为规则的，其中，n等于3至无穷大，更优选地为3、4、6、8、12、16，最优选地为4。如果n等于无穷大，则基座体2的给定部分的基座200、201、210、211是由圆形、椭圆形、圆锥形截面或其它连续形状形成的，并且基座体2的给定部分因此是由截圆锥形成的。在一种优选的实施例变型中，构成基座体2的所有截棱锥/圆锥20、21的两个底基座200、201、210、211具有相同的形状。
根据要求和预期应用，下截棱锥/圆锥20的底基座200是平面的或在其表面的至少一部分中是空间成形的，优选地是连续的，例如，作为凸面或凹面。图3和图29示出了下截棱锥20的底基座200在其整个区域为凹形的优选变型。底基座200的这种形状有助于太阳辐射聚光器将太阳辐射更优化地导向位于基座体2的底基座200下的未示出的光伏电池或模块上。下截棱锥/圆锥20的底基座200的类似凹形可形成在根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构1的任何所述变型中。该凹曲线的半径(优选地大于下截棱锥/圆锥20的底基座200的直径)和该曲线的位置是由空间结构1的具体尺寸和具体位置的条件决定的。在该变型中，以及在下截棱锥/圆锥的底基座200与下截棱锥/圆锥20的底基座200的圆周上的所有点相交的平面具有不同形状的变型中，测量下截棱锥/圆锥20的倾角α20。在一个未示出的实施例变型中，至少一个截棱锥/圆锥20、21是由截圆锥形成的，即，其基座200、201、210、211都是由n边多边形形成的，其中，n等于无穷大。然而，本发明的原理将进一步解释为具有带有正方形底基座200、201、210、211的截棱锥20、21的实施例。对于其它形状的基座200、201、210、211来说，可以类似地应用下面的所有信息。
在另一未示出的变型中，构成基座体2的各个截圆锥20、21可以在其高度和/或倾角α20、α21方面不同。
在下截棱锥20的顶基座201上，呈棱锥或圆锥形状的向上定向的聚光凸起3均匀地设置在上截棱锥21的底基座210的圆周周围。在这种情况下，这些聚光凸起3的高度等于或小于基座体2的上截棱锥21的高度。在图2所示的实施例的优选变型中，16个相同的聚光凸起3均匀地设置在上截棱锥/圆锥21的底基座210的圆周周围。
优选地，至少一个聚光凸起3设置在上截棱锥21的顶基座211上。在图2、3、10、11、12、13、14、20、22和23所示的实施例中，在上截棱锥21的顶基座211上，四个彼此相同的呈棱锥或圆锥形状的向上定向的聚光凸起3彼此相邻地设置成2×2的矩阵。这些聚光凸起3的基座31优选地覆盖了上截棱锥21的顶基座211的整个区域。
聚光凸起3的倾角α3，即这些凸起的底基座30与它们的侧壁31之间的角度在20°至55°的范围内，优选地在23°至48°的范围内。这些聚光凸起3的基座30通常可以具有n边多边形的形状，包括星形多边形，优选地是规则的，其中，n等于3至无穷大，更优选地是3、4、6、8、12、16，最优选地是4，或者无穷大。在n为无穷大的情况下，给定的聚光凸起3的底基座30则是由圆形、椭圆形、圆锥形或其它连续形状形成的，并且因此聚光凸起3的给定部分是由圆锥或截圆锥形成的。在一个优选的实施例变型中，聚光凸起3具有与基座体2的下截棱锥/圆锥2和/或上截棱锥/圆锥21相同形状的底基座30。
该结构的任何聚光凸起3都可以以尖点或倒圆终止。
在最优选的实施例变型中，结构1的所有聚光凸起3彼此相同，但这不是必要条件。
在未示出的实施例变型中，至少一个聚光凸起3可以沿其高度由具有不同倾角α3或α31的两个或多个连续部分形成。
为了使根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构1正确地起作用，如果至少一个聚光凸起3设置在基座体1的至少一部分的至少一个基座上就足够了。然而，随着聚光凸起3数量的增加，所获得的光焦度也会增加。
在实施例的一些变型中，基座体2的上截棱锥/圆锥21的顶基座211可以没有聚光凸起3，其中，它可以是直的(参见例如图4)，或者至少在其表面的一部分上是倾斜的、弯曲的(凸的或凹的)(参见例如图5)，是断开的或折叠的，或者可以在其中形成至少一个凹部4或至少一排相邻的凹部4，由此，凹部/多个凹部的形状可以例如对应于上述变型的任一个中的倒置的聚光凸起3的形状(参见例如图6)，或者在上截棱锥21的顶基座211的区域的至少一部分上设置至少一个聚光凸起3，优选地例如具有矩形基座的棱锥或截棱锥的聚光凸起3，或者其顶点由边缘形成的三棱柱(优选地具有斜面)的聚光凸起3(参见例如图7等)。
在另一未示出的实施例变型中，下截棱锥/圆锥20的顶基座201不具有聚光凸起3，并且聚光凸起3是设置在上截棱锥/圆锥21的顶基座211上的。
图8示出了根据本发明的结构1的一种变型，其中，在上截棱锥/圆锥21的顶基座211中形成了上述实施例的任何变型中的倒置聚光凸起3形状的凹部4。在下截棱锥/圆锥20的顶基座201上，聚光凸起3和倒置聚光凸起3形状的凹部4交替地设置在上截棱锥/圆锥21的底基座210的圆周周围。优选地，聚光凸起3和凹部4彼此平滑地融合。在所示的实施例变型中，上截棱锥/圆锥21的顶基座211中的凹部4具有至少一个大于下截棱锥/圆锥2的顶基座201中的凹部4的尺寸。在一个未示出的变型中，它可以与它们相同，或者它可以具有至少一个较小的尺寸。下截棱锥/圆锥20的顶基座201中的凹部4的尺寸对应于下截棱锥/圆锥20的顶基座201上的聚光凸起3的尺寸。在未示出的实施例变型中，所有凹部4都可以是相同的。在一个结构1内，可以组合更多类型的聚光凸起3和/或凹部4。
图9中还示出了根据本发明的结构1的类似变型，不同之处在于，在这种情况下，在上截棱锥21的顶基座21中形成实施例1的任何上述变型中的倒置聚光凸起3形状的凹部4(以2×2矩阵)。在围绕上截棱锥/圆锥21的底基座210的圆周的下截棱锥/圆锥20的顶基座201上交替地设置聚光凸起3，在倒置聚光凸起3形状的凹部4，其中，上截棱锥/圆锥21的顶基座211中的凹部4具有与下截棱锥/圆锥20的顶基座201上的聚光凸起3相同的尺寸，并且下截棱锥/圆锥20的顶基座201中的凹部4具有至少一个更大的尺寸。在未示出的实施例变型中，上截棱锥/圆锥21的顶基座211中的凹部4和下截棱锥/圆锥20的顶基座201中的凹部4可以相同，或者，当适当时，上截棱锥/圆锥21的顶基座211中的凹部4可以具有至少一个大于上截棱锥/圆锥21的顶基座211中的凹部4的尺寸。可以将几种类型的聚光凸起3和/或凹部4组合在一个结构1中。
图10示出了根据本发明的光伏电池或太阳辐射聚光器的特殊结构1的变型，其对应于图2所示的变型，不同之处在于，聚光凸起3是由彼此设置的两个截棱锥/圆锥301、302形成的，其中，构成聚光凸起3的上截棱锥/圆锥302设置成其底基座3020优选地位于构成聚光凸起3的下截棱锥/圆锥301的顶基座30101的中心，其中，上截棱锥/圆锥302的底基座3020的面积小于下截棱锥/圆锥301的顶基座3010的面积。这种类型的聚光凸起3可以在光伏模块或太阳辐射聚光器的一个空间结构1内，任意地与任何上述类型的聚光凸起3组合，或者在适当的时候与凹部4组合。
在图11所示的根据本发明的光伏电池或太阳辐射聚光器的一个特定变型1中，在上截棱锥/圆锥21、2111的顶基座211上形成两个斜面2110，其中，至少一个聚光凸起3设置在它们中的每一个上，其中，这些聚光凸起3相互设置成使得穿过它们的顶点32和它们的基座30中心的它们的轴线300形成40°至90°、优选地45°至65°的角α33。更多的这种聚光凸起3对可以设置在上截棱锥21的顶基座211上，例如，它们可以设置成至少两个平行的行，或者设置成围绕顶基座211的圆周设置的两对或更多对。类似地，也可以在至少一个斜面2110、2111中形成至少一个凹部4。
设置在上截棱锥/圆锥21的顶基座211上的斜面2110、2111上的聚光凸起3具有上述聚光凸起3的形状中的一种，其中，在一些参数中，它们可以与设置在下截棱锥/圆锥20的顶基座201上的聚光凸起3不同，或者也可以与它们相同。在上截棱锥/圆锥21的顶基座211上的斜面2110,2111上的聚光凸起3在所示的实施例变型中是相同的，然而，在其它变型中，它们也可以在形状和/或至少一个尺寸上彼此不同。
在所示实施例变型中，上截棱锥/圆锥21的顶基座211上的斜面2110,2111直接彼此连接。然而，在一个未示出的变型中，在它们之间也可以形成基本上任意形状的过渡面。可选地，上述构造中的任何构造的至少一个另外的聚光凸起3可以设置在过渡面上。
图12示出了根据图11所示的本发明的光伏电池或太阳辐射聚光器的空间结构1的变型。在该变型中，基座体2的底基座20的至少两个相对边缘形成斜面，在空间结构1用作太阳辐射聚光器的情况下，斜面有助于将太阳辐射聚光到设置在其下的未示出的光伏电池或模块上，光伏电池或模块的面积小于聚光器1的基座体2的底基座20的面积。同时，在基座体2中以虚线示出了用于冷却结构1的可能的冷却剂管道。
图13示出了根据图11所示的本发明的光伏电池或太阳辐射聚光器的空间结构1的另一变型。在该变型中，在上截棱锥21的顶基座211上的斜面2110、2111和聚光凸起3设置在它们上，使得这些聚光凸起3的侧壁31与基座体2的上截棱锥21的侧壁2100位于同一平面。
在一个未示出的实施例变型中，在上截棱锥21的顶基座211上的斜面2110、2111和其上的聚光凸起3设置成使相邻聚光凸起3的相邻侧壁31位于一个共同的平面中。这使得例如可以用适当的平面材料覆盖它们以便对它们进行机械保护。
图14中还示出了与图13中的结构1类似的变型。在该变型中，围绕上棱锥/圆锥21的底基座210的圆周的下截棱锥/圆锥20的顶基座201的部分形成为斜面，设置在其上的聚光凸起3定向成倾斜地远离上截棱锥/圆锥21。在基座体2的下部是由截棱锥形成的情况下，在它们的拐角处形成了成对的互连的三角形过渡面PI和PII。这些过渡面PI和PII适当地增加了光伏电池或太阳辐射聚光器的空间结构1的面积。
在图15所示的实施例变型中，基于所进行的实验，该变型看起来更有利于实际应用，根据图2的结构1的基座体2设置有斜面5，该斜面以20°至85°范围内的角度α5沿着基座体2的整个高度延伸(从下截棱锥/圆锥2的底基座200到上截棱锥/圆锥21的顶基座211的中心，沿着长度的至少一部分，优选地沿着下截棱锥/圆锥20的底基座200的一个边缘的整个长度)。尤其是如果下棱锥/圆锥20的底基座200具有多于4个边缘，则光伏电池或太阳辐射聚光器的结构1的基座体2可以设置有更多的部分斜面5，这些部分斜面中的每一个可以沿着下截棱锥/圆锥20的底基座200的一个边缘的长度的至少一部分延伸。在实施例的一个优选变型中，这些斜面5是彼此紧密相邻的。在实施例的另一变型中，斜面5或至少一个斜面5沿着下棱锥20的底基座200的两个不相邻的顶点的连接线的长度的至少一部分延伸。由于该斜面/这些斜面5，在上棱锥/圆锥21的顶基座211上和下棱锥/圆锥20的顶基座201上设置了较少数量的聚光凸起3。在图15所示的变型中，在上棱锥21的顶基座211上有2个聚光凸起3(在图15的视图中，一个接一个地设置)并且在下棱锥/圆锥20的顶基座201上有11个聚光凸起3。同样在该变型中，上棱锥/圆锥21的顶基座211可以形成在上述变型之一中，例如在其表面的至少一部分上没有聚光凸起3，例如是直的、倾斜的、圆形的(凸起或凹入)。或者，可以在其中形成至少一个凹部4或至少一排并排设置的凹部4，其形状例如对应于上述类型的聚光凸起3之一的倒像形状，或者，在适当的情况下，在上截棱锥21的顶基座211的至少部分区域上可以设置至少一个聚光凸起3，例如，其形状为棱锥或具有矩形基座的截棱锥，或者其形状为顶点由一个边缘形成的一个三棱柱(优选地具有斜面)。
为了清楚起见，图17示出了根据图15的光伏电池或太阳辐射聚光器的空间结构的变型。在下截棱锥/圆锥20的顶基座201上，聚光凸起3和形状为倒置的聚光凸起3的凹部4交替地设置在上截棱锥/圆锥21的底基座210的圆周周围。优选地，聚光凸起3和凹部4平滑地彼此融合。在所示的变型中，凹部4的尺寸对应于下截棱锥/圆锥20的顶基座201上的聚光凸起3的尺寸。几种类型的聚光凸起3和/或凹部4可被组合在一个结构1内。
类似地，在图8和9所示的实施例中，至少一个凹部4可以形成在上截棱锥/圆锥21的顶基座211中。
在图15或17所示的变型中，在根据本发明的多个空间结构1的组合的情况下，这些结构1优选地以它们的斜面5彼此面对，这防止了它们彼此遮蔽(参见图16、18、19和19a)。图18示出了更为复杂的空间结构10，其结合了根据本发明的图15的变型中的光伏电池或太阳辐射聚光器的结构1，并且其本身以其形状对应于图2的光伏电池或太阳辐射聚光器的结构1。结构1设置有朝向相对结构1定向的斜面5，角结构1设置有两个斜面5，每个斜面朝向相邻结构1中的一个。在一个未示出的实施例变型中，该空间结构10作为整体也可设置有与图15的结构1的斜面5对应的斜面(参见由虚线表示的)。此外，这些结构10以类似的方式进一步结合到其它更复杂的空间结构中。
图19示出了根据图18的空间结构10的另一变型，不同之处在于，在该变型中，根据本发明的一些空间结构1被类似的倒置凹部41代替。图19a示出了如图19中的空间结构10的类似变型，不同之处在于，凹部41中的一个具有不同的构造(其由两个(或更多个)互连的截圆锥形或棱锥形的子凹部411和412形成)，其中，上述任何构造的聚光凸起3围绕上子凹部411的顶基座4111的圆周、围绕下子凹部412的顶基座4121的圆周以及在下子凹部412的底基座4122上设置。在图24a中还更详细地示出了该结构1。在未示出的实施例变型中，聚光凸起3不需要围绕子凹部411、412的基座4111、4121、4122的圆周均匀地设置。类似地，凹部41可以由若干子凹部411、412形成。在一个单个凹部41内，可以将上述任何结构的聚光凸起和上述任何结构的子凹部4组合。
根据本发明的光伏电池或太阳辐射聚光器的结构1优选地是单片的。
根据本发明的光伏电池或太阳辐射聚光器的结构1可以用作安装在其外表面上的光伏电池7的载体，与其结合构成空间成形的光伏模块，参见图20，或者其由透光材料制成，例如玻璃、透明塑料等，并且用作将太阳辐射引导到安装在其下的光伏电池/模块的太阳辐射聚光器。如果它用作光伏电池7的载体，其形状可以确保无论是直接的、散射的或反射的太阳辐射总是以最大限度使用的合适角度入射在光伏电池上。如果它用作太阳辐射聚光器，其形状确保了无论是直接的、散射的还是反射的、入射在其表面的任何部分上的太阳辐射将总是可以以适当的角度被导向设置在结构1下的光伏电池7或模块(未示出)的表面上，即使在非常小的入射角的情况下(参见图21)，其示出了入射到根据本发明的光伏电池或根据图15的实施例中的太阳辐射聚光器的结构1的表面上的太阳辐射光子的路径。
在图22和23所示的实施例变型中，倒像地形成光伏模块或太阳辐射聚光器的结构1，即，在透光材料块6中形成的空腔60。这种透光材料可以用作太阳辐射聚光器，该聚光器朝向位于该空腔60中或其下的一个或多个光伏电池7，或者朝向位于该空腔60内壁上的一个或多个光伏电池7。在图22所示的实施例变型中，光伏电池7的阴极矩阵被加在该空腔60的壁上。在图23所示的实施例变型中，它完全填满了该空腔60。
在图24所示的实施例变型中，倒像地形成光伏模块或太阳辐射光学聚光器的结构1，即，在材料块6中形成的空腔60，其空间布置与图22和23的相反。
图24a示出了光伏模块或太阳辐射光学聚光器的结构1的另一变型，其倒像地形成为材料块6中的空腔60。该空腔60是由两个(或在其它变型中甚至更多)相互连接的呈截圆锥或截棱锥形状的子凹部411和412形成的，其中，上述任何构造的聚光凸起3是围绕上子凹部411的顶基座4111的周边、围绕下子凹部412的顶基座4121的周边以及在下子凹部412的底基座4122上设置的。在未示出的实施例变型中，聚光凸起3不需要均匀地围绕子凹部411、412的基座4111、4121、4122的圆周设置。在未示出的类似变型中，可以有子凹部411、412的任何基座4111、4121、4122而没有聚光凸起3。在实施例的其它未示出的变型中，可以在子凹部411、412的任何基座4111、4121、4122上组合上述任何构造的聚光凸起和上述任何构造的凹部4，或者在适当的时候，仅在其上形成凹部4。
在根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的一个空间结构1内，不同尺寸的聚光凸起3可以以任何变型组合起来(参见例如图25，其示出了根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构1)，其中，不同尺寸的聚光凸起3组合在基座体2的各个截棱锥20、21的顶基座201、211上。此外，在所示的实施例变型中，每个截棱锥20、21的侧壁2010、2100中的至少一个形成为断开的，其中，其他聚光凸起3设置在形成于其互连部分之间的过渡面20001或21001上。在所示的实施例变型中，过渡面20101、21001与给定的截圆锥20、21的顶基座211或201平行，但这不是必要条件，过渡面20001、21001也可以大致任意地定向，其中，它们也可以没有聚光凸起3。在未示出的变型中，至少一些过渡面20001、21001上没有聚光凸起3或凹部4，或者也可以在它们中形成聚光凸起3和凹部4的组合。图26示出了根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的结构的一个变型，其中，根据图25的结构安装在由具有平行四边形截面的棱镜构成的支撑块8上，其中，该棱镜在下截棱锥20的底基座200的宽度上延伸，并且有助于将相同或类似的结构1组装成更复杂的空间构造10(参见例如图27)。在该空间结构10中，可以为每个结构1分配单独的光伏电池7或光伏模块(未示出)，或者可选地，可以为几个结构1分配一个共同的光伏模块。
在所有上述和所示的变型中，基座体2的每个截棱锥/圆锥20、21的顶基座210或211总是平行于该截棱锥/圆锥20、21的底基座200或201。然而，这不是该结构1的正确功能的必要条件。图28示出了光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构1的变型，其中，下截棱锥20的底基座200是倾斜的。在一个未示出的变型中，其可以进一步是凹形的或具有其它空间形状。这种形状允许将这些结构1适当地组装成更复杂的结构10，其中，构成例如太阳辐射聚光器的这些结构1中的更多结构被分配给一个光伏电池/模块7，同时保持太阳辐射在其表面上的适当定向。例如，在图29中示出了这种结构10的一个例子。在这种情况下，根据图28的两个结构倾斜地彼此相邻设置，彼此邻接，它们的底基座200位于它们的最低高度的点处。这些结构1与设置在它们下面的光伏电池/模块7一起设置在由可透过太阳辐射材料制成的支撑和/或保护性构造9中。在根据本发明的光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构1的任何变型中，不同尺寸和/或设计的聚光凸起3可以基本上任意地组合。
在太阳辐射聚光器的空间结构1的情况下，如果将由可透过太阳辐射材料制成的平台9设置在下截棱锥或截圆锥20的底基座200的下，则是有利的。该平台9允许在太阳光子入射到设置在该平台9下的光伏电池7或模块上之前对太阳光子的路径进行更好的空间设置和进一步聚光。该平台9可以在其结构中具有用于使太阳辐射光子的路径进一步会聚的元件。这种元件是例如凹槽91或其他插入元件等。在凹槽91的壁上，太阳光子的路径如图30所示被折射。凹槽91优选地以与基座体2的下截棱锥或截圆锥20的侧壁2000中的一个相同的方式定向，以角度α91＝α20延伸。同时，平台9可以用作用于大量空间结构1的支撑元件，在图90中由点表示。在一个优选的实施变型中，平台9的厚度等于基座体2的下截圆锥或截棱锥20的高度。
如果需要，任何结构1都可以由主动冷却系统(使用合适的液体冷却剂-参见例如图12)和/或被动冷却系统(使用导热材料，例如以金属元件-条、板等的形式，设置在光伏电池7下面)补充。
参考标号列表
1 光伏电池或太阳辐射聚光器的空间结构
10 组合光伏电池或太阳辐射聚光器的结构的空间构造
100 空间结构的顶基座
1000 空间结构的中基座
2 结构的基座体
20 下截棱锥/圆锥
20a 构成下截棱锥/圆锥的部分棱锥/圆锥
20b 形成下截棱锥/圆锥的部分棱锥/圆锥
200 下截棱锥/圆锥的底基座
201 下截棱锥/圆锥的顶基座
2000 下截顶棱锥/圆锥的侧壁
20001 过渡面
21 上截棱锥/圆锥
210 上截棱锥/圆锥的底基座
211 上截棱锥/圆锥的顶基座
2100 上截棱锥/圆锥的侧壁
21001 过渡面
2110 斜面
2111 斜面
3 聚光凸起
30 聚光凸起的底座
300 聚光凸起的轴
31 聚光凸起的侧壁
301 聚光凸起的下截棱锥/圆锥
3010 聚光凸起的下截棱锥/圆锥的顶基座
302 聚光凸起的上截棱锥/圆锥
3020 聚光凸起的上截棱锥/圆锥的底基座
32 聚光凸起的顶点
4 凹部
41 凹部
411 子凹部
4111 子凹部的基座
412 子凹部
4121 子凹部的基座
4212 子凹部的基座
5 斜面
6 透光材料块
60 透光材料块中的空腔
7 光伏电池
8 支撑块
9 平台
91 凹槽
N 支撑和/或保护结构
α20 下截棱锥/圆锥的倾角
α200 部分截棱锥/圆锥的倾角
α21 上截棱锥/圆锥的倾角
α3 聚光凸起的倾角
α33 聚光凸起的轴之间的角
α5 斜面角度
PI 表面
PII 表面

Claims (15)

1.一种光伏模块或太阳辐射聚光器的空间结构(1)，其特征在于，所述空间结构包括由设置在彼此上的至少两个截棱锥或截圆锥(20)和(21)构成的基座体(2)，所述上截棱锥或截圆锥(21)的底基座(210)的面积小于所述下截棱锥或截圆锥(20)的顶基座(201)的面积，并且所述下截棱锥(20)的倾角(α20)和所述上截棱锥(21)的倾角(α21)在60°至85°的范围内，其中，至少一个截棱锥或截圆锥形的聚光凸起(4)设置在至少一个截棱锥或截圆锥的顶基座上，所述聚光凸起(3)的倾角(α3)在20°至55°的范围内。
2.根据权利要求1所述的空间结构(1)，其特征在于，所述下截棱锥或截圆锥(20)的所述倾角(α20)和所述上截棱锥或截圆锥(21)的所述倾角(α21)在65°至75°的范围内。
3.根据权利要求1所述的空间结构(1)，其特征在于，所述上截棱锥或截圆锥(21)的基座(210，211)和所述下截棱锥或截圆锥(20)的基座(200，201)具有规则n边多边形的形状。
4.根据权利要求3所述的空间结构(1)，其特征在于，所述上截棱锥或截圆锥(21)的基座(210，211)和所述下截棱锥或截圆锥(20)的基座(200，201)具有规则n边多边形的形状，其中，n等于3、4、6、8、12、16或无穷大。
5.根据权利要求1所述的空间结构(1)，其特征在于，所述聚光凸起(3)的基座(30)具有规则n边形的形状。
6.根据权利要求5所述的空间结构(1)，其特征在于，所述聚光凸起(3、4)的基座(30)具有规则的n边多边形的形状，其中，n等于3、4、6、8、12、16或无穷大。
7.根据权利要求1所述的空间结构(1)，其特征在于，所述空间结构的基座体(2)具有至少一个斜面(5)，所述斜面沿着所述基座体(2)的整个高度以20°至80°的角度(α5)从所述下截棱锥或截圆锥(2)的底基座(200)延伸到所述上截棱锥或截圆锥(21)的顶基座(211)的中心。
8.根据权利要求1、3、4、5中任一项所述的空间结构(1)，其特征在于，在至少一个截棱锥或截圆锥(20，21)的顶基座(201或211)上形成有至少一个凹部(4)，所述凹部呈具有20°至55°的倾角的棱锥或圆锥形状。
9.根据权利要求1所述的空间结构(1)，其特征在于，在所述上截棱锥或截圆锥(21)的顶基座(211)上形成至少两个斜面(2110，2111)，其中，至少一个聚光凸起(3)设置在这些斜面(2110，2111)中的每一个上，其中，穿过所述聚光凸起的顶点(32)和所述聚光凸起的基座(30)的中心的所述聚光凸起(3)的轴线(300)形成40°至90°的角(α33)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的空间结构(1)，其特征在于，所述空间结构是由透光材料制成的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的空间结构(1)，其特征在于，所述空间结构形成为透光材料块(6)中的一个空腔(60)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的空间结构(1)，其特征在于，所述空间结构在其表面上具有至少一个光伏电池(7)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的空间结构(1)，其特征在于，所述上截圆锥或截棱锥(21)的至少一个侧壁(2100)和/或所述下截圆锥或截棱锥(20)的至少一个侧壁(2100)形成为断开的，其中，在其邻接部分之间形成一个过渡面(20001或21001)。
14.根据权利要求13所述的空间结构(1)，其特征在于，至少一个聚光凸起(3)和/或至少一个凹部(4)设置在至少一个过渡面(20001或21001)上。
15.根据权利要求1或8所述的空间结构(1)，其特征在于，透光材料的平台(9)设置在所述下截棱锥或截圆锥(20)的下基座(200)下。
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