TWI420798B - 混成式太陽能發電系統 - Google Patents

Description

混成式太陽能發電系統

本發明係有關於一種聚光型太陽能電池發電裝置，特別關於一種使用垂直多接面之矽基太陽能電池作為發電元件，可同時產生光電與熱電轉換之混成式太陽能發電系統。

習知技術之聚光型太陽能電池(Concentration solar cells)多採用高效率多接面III-V族太陽能晶片(Multiple junction III-V solar cells)，其優點包含：(1)利用聚光技術，大幅減少太陽能電池尺寸與模組面積；(2)高轉換效率與減少太陽能電池使用尺寸與模組面積，可大大降低發電成本；(3)利用太陽追蹤器追蹤日射角度，提高每日光照吸收率；以及(4)提供大型公用與工(商)業用再生能源的最佳解決方案。由於半導體材料的使用量大幅減少，加上其他相關配件如透鏡等並不昂貴，聚光型太陽能電池確實具有高度經濟效益。

雖然多接面III-V族太陽能晶片的轉換效率高(理想可達30%以上)，然而，與傳統矽基太陽能電池比較，其晶片成本比矽晶片成本高上數十倍，此外在製程中，III-V族電池尚有所使用真空生產設備價格昂貴、接面上形成之缺陷控制不易以及III-V族原料昂貴且具高毒性等缺點。

參照美國專利公告號第6,530,369號，標題為太陽能電廠(Solar energy plant)，其主要揭示一種用於太陽能聚光系統，特別用於具有高功率輸出之太陽能電 廠。然而該案中採用高效率多接面III-V族太陽能晶片作為發電元件，對其他類型之太陽能晶片並無進一步揭示其使用方法。

職是之故，申請人乃細心試驗與研究，並一本鍥而不捨的精神，終於研究出可一種混成式太陽能發電系統。為了要解決上述之問題，本發明使用低成本之矽基太陽能電池作為混成式太陽能發電系統之發電元件。

本發明之目的於提出一種混成式太陽能發電系統，其使用一種垂直多接面之矽基太陽能電池取代傳統III-V族太陽能電池，其具有多倍聚光與高功率輸出，可節省發電元件面積並具有可同時使用太陽光能及熱能及低成本製造之優點。

為達上述目的，本發明提供混成式太陽能發電系統，其包含：一具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列；一熱能發電裝置；一電力調節站；一電能傳輸網路；一負載。該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列係由複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組所組成；該熱能發電裝置係藉由耐高溫之管路連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列用以產生電能；該電力調節站係藉由電力饋線電性連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列及該熱能發電裝置用以整合、調節並輸出該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列及該熱能發電裝置產生之電能；該電能傳輸網路用以傳輸該電力調節站輸出之電能；該負載係藉由電力饋線電性連接於該電能傳輸網路。其中該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電 池模組主要包含複數個垂直多接面之矽基太陽能電池。

本發明之一種混成式太陽能發電系統具有以下之功效：1.藉由聚光模組之設計，該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池可具有高電壓，低電流操作的可能性，且具有於最大功率負載過程及高容許範圍內之極低串聯電阻值；2.本發明之該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池具有非常高的抗反轉電壓擊穿能力，從而降低額外加入旁通二極體保護之需求；3.本發明相較於傳統單一接面之矽基太陽能電池，該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池之設計，於N倍聚光下產生相同之功率時，其約可節省N倍之面積；4.本發明相較於III-V族電池之昂貴的真空生產設備，該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池製程不需昂貴的真空設備，其製程可藉由較低成本之非真空設備達成，因此可降低生產成本；以及5.本發明相較於傳統太陽能電池發電廠，本發明之聚光型太陽能發電系統可同時產生光電與熱電轉換之電能，其利用水對具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列進行散熱，具有高溫蒸氣之水可流入熱電發電站，產生額外之電能。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明可之較佳實施例，並請瞭解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。

現請參照第1圖，其為混成式太陽能發電系統100示意圖。根據本發明之實施例中，將揭示一種混成式太陽能發電系統100，其包含：一具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110；一熱能發電裝置120；一電力調節站130；一電能傳輸網路140；一負載150。

該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110，係由複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102所組成，用以由光能轉換為電能。該熱能發電裝置120，係藉由耐高溫之管路連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110，用以產生電能。該電力調節站130，係藉由電力饋線電性連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110及該熱能發電裝置120，用以整合、調節並輸出該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110及該熱能發電裝置120產生之電能。該電能傳輸網路140用以傳輸該電力調節站130輸出之電能。該負載150，係藉由電力饋線電性連接於該電能傳輸網路140。其中該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102主要包含複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103。

該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110於照光後所產生之電能，可藉由電力饋線將產生之電能傳輸至該電力調節站130。其發電量約為1MW至10GW，而輸出電壓 約為0.2kV至30kV。該輸出電壓可藉由該電力調節站130將電壓調升至154kV至345kV，亦即為電力系統中之超高壓系統所要求之電壓，主要目的為將電能有效地藉由該電能傳輸網路140，傳輸至電能使用量較多且較遠之該負載150。常見之負載150多為都市、工廠或大眾運輸系統，而該電能傳輸網路140通常包含一次系統變電所、二次系統變電所、配電變電所桿上變壓器，其功能為將電能之電壓分別調降至69kV、22.8kV或11.4kV、3.3kV或6.6kV、220V或110V。一般而言，工廠、大廈及公寓地區用電為22.8kV或11.4kV，而家庭之用電則為220V或110V。

請配合參考第2圖，其進一步說明具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102示意圖。從該圖中可知具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110是由複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102所組成，其更包含：複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103；複數個加熱模組1105，其包含通道1104；複數個聚光模組1106；以及追日裝置1101。請配合參考第3圖，其進一步說明複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103示意圖。

該複數個加熱模組1105係用於承載複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103，其主要用途為避免複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102於長時間日照下，該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103過熱，進而影響其發電效率。產生之熱能可透過流動於複數個加熱模組1105之通道1104中之流體散逸，通常該流體為水，而複數個加熱模組1105之材料可選自陶瓷、金屬 、金屬合金、不銹鋼、石墨及高分子化合物之一。

該複數個聚光模組1106，其需配置與該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103同側，用以集中太陽光能至該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103之表面。其中該複數個聚光模組1106，可選自穿透式模組，亦即太陽光能直接經由該複數個聚光模組1106聚焦於該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103之表面上，如圖2(a)所示。常見之穿透式模組多為菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)，其製作材料可為玻璃或穿透率90%以上之高分子材料所製成。此外，該複數個聚光模組1106亦可選自反射式模組，亦即太陽光能直接經由該複數個聚光模組1106反射聚焦於該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103之表面上，如圖2(b)所示。常見之反射式模組多為碟形反射鏡，其製作材料多為背面具有金屬薄膜之玻璃。

該追日裝置1101，其配置於該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102之一側，用以使該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102與太陽光能保持垂直，進而使得該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103產生更多電能，常見之該追日裝置1101多為採用雙軸式追日裝置。

請配合參考第3圖，其進一步說明複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103示意圖。舉例來說，該結構中共包含5個p-n-n⁺接面。特點在於該太陽能電池由多層矽基材p-n接面，以垂直串聯而成，具有(1)高電壓輸出(2)高功率輸出(3)高度商業化的可行性(4)低材料成本及製 造的可行性等優點。該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1103之接面數為30層至80層、厚度約為375μm至625μm及平均輸出功率密度為10W/cm²至100W/cm²。此外，該複數個聚光模組1106之聚光倍率可為1000倍至3000倍。

現請再次參照第1圖，用以說明本發明之聚光型太陽能發電系統可同時產生光電與熱電轉換之電能。被加熱後之流體可藉由連結於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110之耐高溫之管路並經由泵浦加壓傳輸至該熱能發電裝置120。一般而言，該熱能發電裝置120具有蒸氣渦輪機，可藉由被加熱後之流體所產生之高溫蒸氣，推動蒸氣渦輪機運轉後產生電能。該電能可再藉由電力饋線傳輸至該電力調節站130進行電能之整合、調節並輸出。而降溫後之加熱用之流體，可再重複循環使用至該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102進行加熱。

<實施例一>

在本發明之混成式太陽能發電系統之實施例中，首先，將一厚度為250um之n型矽晶片經由擴散製程形成p⁺晶片-n晶片-n⁺晶片，再將40層之p⁺晶片-n晶片-n⁺晶片堆疊和黏接在一起，形成垂直串聯之多層堆疊。接著，適當切割該堆疊之矽晶片使其每片尺寸為長度1.2cm、寬1cm、厚度0.05cm，並塗佈抗反射塗層以鈍化照光面。最後，將引線連接附加於接觸末端形成上電極及下電極即為本發明之該垂直多接面之矽基太陽能電池1103。於1000倍之聚光倍率下，如串連10組之該垂直多接面之 矽基太陽能電池1103可產生180W之電能。藉由進一步串聯10組該垂直多接面之矽基太陽能電池1103以及搭配複數個加熱模組1105、複數個聚光模組1106以及追日裝置1101可形成該具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102，可產生1800W之電能。該具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102可進一步串聯或並聯可形成該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110。

<實施例二>

相似於第一實施例中所提及之製作方式。串連使用10組之該垂直多接面之矽基太陽能電池1103，於2000倍之聚光倍率下，其可產生320W之電能，藉由進一步串聯或並聯可形成該具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102。而該具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102可進一步串聯或並聯可形成該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110。

<實施例三>

相似於第一實施例中所提及之製作方式。串連18組之該垂直多接面之矽基太陽能電池1103，於1000倍之聚光倍率下，其約可產生320W之電能，藉由進一步串聯或並聯可形成該具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102。而該具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1102可進一步串聯或並聯可形成該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列110。

綜上所述，根據本發明之混成式太陽能發電系統具有以下功效：1.藉由聚光模組之設計，該複數個垂直多接面之矽 基太陽能電池可具有高電壓，低電流操作的可能性，且具有於最大功率負載過程及高容許範圍內之極低串聯電阻值；2.本發明之該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池具有非常高的抗反轉電壓擊穿能力，從而降低額外加入旁通二極體保護之需求；3.本發明相較於傳統單一接面之矽基太陽能電池，該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池之設計，於N倍聚光下產生相同之功率時，其約可節省N倍之面積；4.本發明相較於III-V族電池之昂貴的真空生產設備，該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池製程不需昂貴的真空設備，其製程可藉由較低成本之非真空設備達成，因此可降低生產成本；以及5.本發明相較於傳統太陽能電池發電廠，本發明之聚光型太陽能發電系統可同時產生光電與熱電轉換之電能，其利用水對具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列進行散熱，具有高溫蒸氣之水可流入熱電發電站，產生額外之電能。

雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此創作的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧混成式太陽能發電系統

110‧‧‧具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列

120‧‧‧熱能發電裝置

130‧‧‧電力調節站

140‧‧‧電能傳輸網路

150‧‧‧負載

1101‧‧‧追日裝置

1102‧‧‧具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組

1103‧‧‧垂直多接面之矽基太陽能電池

1104‧‧‧通道

1105‧‧‧加熱模組

1106‧‧‧聚光模組

第1圖顯示為本發明之混成式太陽能發電系統示意圖； 第2圖顯示為本發明之複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組示意圖；以及第3圖顯示為進一步說明複數個垂直多接面之矽基太陽能電池示意圖。

100‧‧‧混成式太陽能發電系統

110‧‧‧具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列

120‧‧‧熱能發電裝置

130‧‧‧電力調節站

140‧‧‧電能傳輸網路

150‧‧‧負載

Claims (6)

1. 一種混成式太陽能發電系統，包含：一具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列，係由複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組所組成，用以由光能轉換為電能；一熱能發電裝置，係藉由耐高溫之管路連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列，用以由熱產生電能；一電力調節站，係藉由電力饋線電性連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列及該熱能發電裝置，用以整合、調節並輸出該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列及該熱能發電裝置產生之電能；一電能傳輸網路，用以傳輸該電力調節站輸出之電能；以及一負載，係藉由電力饋線電性連接於該電能傳輸網路；其中該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組主要包含：複數個垂直多接面之矽基太陽能電池，將光產生電能，該垂直多接面之矽基太陽能電池由多層矽基材p-n接面，以垂直串聯而成，該垂直多接面之矽基太陽能電池之接面數為30層至80層，該些垂直多接面之矽基太陽能電池之平均輸出功率密度為10W/cm²至100W/cm²；複數個加熱模組，具有一通道，用以承載該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池，並可將該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組所產生之熱能透過該複數個加熱模組加熱流動於該通道中之一流體； 複數個反射式聚光模組，用以集中太陽光能至該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池之表面，該些加熱模組之材料係為陶瓷；以及一追日裝置，係配置於該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組之一側，用以使該複數個具加熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組與太陽光能保持垂直。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之混成式太陽能發電系統，其中該混成式太陽能發電系統之發電量約為5MW至10GW。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之混成式太陽能發電系統，其中該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池之厚度約為375μm至625μm。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之混成式太陽能發電系統，其中該複數個聚光模組之聚光倍率可為1000倍至3000倍。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之混成式太陽能發電系統，其中該流體為水。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之混成式太陽能發電系統，其中該追日裝置為雙軸追日裝置。