TWI424657B - 具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統 - Google Patents

Description

具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統

　　本發明係有關於一種聚光型太陽能電池系統，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，且可同時產生光電與熱電轉換之聚光型太陽能發電系統。

　　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。
　　可參照美國專利公告號第6,818,818號，標題為聚光型太陽能接收器(Concentrating solar energy receiver)，其主要揭示一種使用III-V族材料製備之聚光型太陽能電池模組，其中更包含一可聚集不同波長太陽光之聚光模組。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。
　　為了解決上述問題，本發明提供一種具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統以克服先前技術的缺點。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，終於研究一種聚光型太陽能電池陣列，由複數個聚光型矽基太陽能電池模組所組成。其具有高功率輸出、可多倍聚光、可節省面積、可同時使用太陽光能及熱能及低成本製造之優點。

　　職是之故，申請人研究出一種具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統。亦即，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，進而達到節省面積、同時使用太陽光能及熱能及低成本製造之目的。因此本發明之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統可以提高目前聚光型太陽能電池的應用範圍。此外，本發明係引用美國公告案第6,818,818號，其標題為：“聚光型太陽能接收器(Concentrating solar energy receiver)”作引證參考文獻。
　　本發明提出一種具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統，其包含: 一具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列；一接續箱；一電力調節裝置；一分電盤；一住宅負載；一電錶；一併聯系統；一配電箱；一社區負載；一儲存裝置。其中，該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列，係由複數個具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組所組成；該接續箱，係電性連接於該聚光型太陽能電池陣列，用以整合並輸出該聚光型太陽能電池陣列產生之電能；該電力調節裝置，係電性連接於該接續箱，用以轉換該接續箱輸出之一直流電能為一交流電能；該分電盤，係電性連接於該電力調節裝置，用以當負載不平衡時作為切斷器使用；該住宅負載，係電性連接於該分電盤；該電錶，係電性連接於該分電盤，用以計算該住宅負載所耗費之電能；該併聯系統，係電性連接於該電錶，用以傳送該交流電能；該配電箱，係電性連接於該併聯系統，用以轉換該交流電能之電壓;該社區負載，係電性連接於該配電箱；該儲存裝置，係連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列，用以儲存該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列所產生之熱能。其中該複數個具導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。
　　根據本發明之聚光型太陽能電池系統具有以下功效：
　　1.藉由該矽基垂直多接面晶片太陽能電池之設計，提供高電壓，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於電力系統內之極低串聯電阻值。
　　2.本發明相較於傳統單一接面之矽基太陽能電池，該矽基垂直多接面晶片太陽能電池之設計，於N倍聚光下產生相同之功率時，其約可節省N倍之面積。
　　3.本發明相較於III-V族電池之昂貴的真空生產設備，該矽基垂直多接面晶片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。
　　4.本發明係配置於社區住宅之屋頂或其鄰近之空地，為可同時產生光電與熱電轉換之聚光型太陽能發電系統，用於提供一般住宅或社區公用設備之用電需求，此外，剩餘之電能可回送至電力公司之併聯系統，由電力公司躉購。
　　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，並請了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。
　　根據本發明之實施例中，將揭示一種具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統100。
　　現請參照第1圖，其為配置於住宅之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統200示意圖。一般而言，該具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統100通常配置於該住宅201鄰近且未使用之土地。為節省用地面積也可配置於該住宅201之屋頂，其設置方式可分為屋頂設置型或屋頂建材型。此處之該社區負載109係以路燈為例。該配置於住宅之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統200發電量約為0.1MW至1MW。配合第2圖，顯示為本發明之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統100之功能方塊圖。其包含：一具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101；一接續箱102；一電力調節裝置103；一分電盤104；一住宅負載105；一電錶106；一併聯系統107；一配電箱108；一社區負載109；以及一儲存裝置110。
　　該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101係由複數個具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1011所組成，用以由光能轉換為電能。該接續箱102係電性連接於該聚光型太陽能電池陣列101，用以整合並輸出該聚光型太陽能電池陣列101產生之電能。該電力調節裝置103係電性連接於該接續箱102，用以轉換該接續箱102輸出之一直流電能為一交流電能。該分電盤104係電性連接於該電力調節裝置103，用以當負載不平衡時作為切斷器使用。該住宅負載105係電性連接於該分電盤104。該電錶106係電性連接於該分電盤104，用以計算該住宅負載105所耗費之電能。該併聯系統107係電性連接於該電錶106，用以傳送該交流電能。該配電箱108，係電性連接於該併聯系統107，用以轉換該交流電能之電壓。該社區負載109，係電性連接於該配電箱108。該儲存裝置110，係連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101，用以儲存該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101之熱能。
　　該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101於照光後所產生之電能，可藉由該接續箱102整合後將電能輸出至該電力調節裝置103。該電力調節裝置103之結構包含一轉換用變流器及一系統併聯保護裝置。轉換用變流器係用以轉換該接續箱102所輸出之一直流電能為一交流電能，其操作原理為利用功率電晶體將直流電能進行高速的震盪，進而轉換為交流電能。而系統併聯保護裝置係用於檢測交流電能之頻率昇高、或降低，電壓過高、或過低，及電力公司的併聯系統故障時。經由該電力調節裝置103輸出之交流訊號將被傳送至該分電盤104，其係用以當負載不平衡時作為切斷器使用，或者可將交流電能分配至該住宅負載105使用及該電錶106。其中，該住宅負載105係包含一般家庭之用電設備，其所需用電量約為3KW至10KW。
　　需注意的是，該具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統100可與電力公司之供電系統併聯，其屬於可逆送電之併聯型系統。該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101所產生之電能不敷該住宅負載105所需時，不足的電能將由電力公司之該併聯系統107提供。相反的，當該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101所產生之電能剩餘時，多餘之電能可回送至電力公司之該併聯系統107上，販售予電力公司。或者，可將剩餘電能藉由該配電箱108利用於該社區負載109，其包含社區所使用之一切公共用電設備，如路燈、電梯及抽水馬達等，其所需用電量約為1MW至10MW。
　　現請參照第3圖，具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101是由該複數個具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1011所組成，其包含: 複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1012；複數個導熱模組1014；複數個聚光模組1015；以及追日裝置1016。
　　現請參照第4圖，其為矽基垂直多接面太陽能電池1012結構示意圖，該結構中共包含5個p-n-n⁺ 接面。其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1012之接面數為30層至50層、厚度約為375 μm至625 μm及平均輸出功率密度為5 W/cm² 至50 W/cm² 。此外，該複數個聚光模組1015之聚光倍率可為500倍至2000倍。於一較佳實施例中，當該複數個聚光模組1015聚光倍率為100倍，該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1012之接面為40層、厚度為500 μm，其平均輸出功率密度為18W/cm² 。
　　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。此外，該複數個導熱模組1014係用於承載該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1012，其具有一通道1013。太陽光能所產生之額外熱能可透過流動於該複數個導熱模組1014之該通道1013中之流體散逸；其材料可選自陶瓷、金屬、金屬合金、不銹鋼、石墨及高分子化合物之一。需注意的是，該通道1013係透過一管線111連接於該儲存裝置110，經由該複數個導熱模組1014流出之流體可儲存於該儲存裝置110中。一般而言，儲存於該儲存裝置110之流體為水，其可做為盥洗所使用。
　　該複數個聚光模組1015，其需配置與該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1012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1012之表面。其中該複數個聚光模組1015，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1015聚焦於該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1012之表面上，如圖3(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1015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1015反射聚焦於該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1012之表面上，如圖3(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1016，其配置於該複數個具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1011之一側，用以使該複數個具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1011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1012產生更多電能。一般而言，多為採用雙軸式追日裝置。
<實施例一>
　　在本發明之該具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統100之實施例中，首先，將一厚度為250 um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1.2 cm、寬1cm、厚度0.05 cm，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矽基垂直多接面晶片太陽能電池1012。於1000倍之聚光倍率下，如串連10組之該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1012，其可產生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1012以及搭配複數個導熱模組1014；複數個聚光模組1015以及追日裝置1016可形成該具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1011，可產生1800W之電能。該具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1011可進一步串聯或併聯可形成該具有加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列101。因此，該聚光型太陽能電池陣列101配合接續箱102；電力調節裝置103；分電盤104；住宅負載105；電錶106；併聯系統107；配電箱108；社區負載109；以及一儲存裝置110即形成該具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統100。
<實施例二>
　　相似於第一實施例中所提及之製作方式，且該複數個聚光型矽基太陽能電池模組1011串連使用10組之該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池1012，於2000倍之聚光倍率下，其可產生320W之電能。藉由進一步串聯多10組該垂直多接面之矽基太陽能電池1012以及搭配複數個導熱模組1014；複數個聚光模組1015以及追日裝置1016可形成該具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組1011，可產生3200W之電能。
　　綜上所述，根據本發明之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統具有以下功效：
　　根據本發明之聚光型太陽能電池系統具有以下功效：
　　1.藉由該矽基垂直多接面晶片太陽能電池之設計，提供高電壓，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於電力系統內之極低串聯電阻值。
　　2.本發明相較於傳統單一接面之矽基太陽能電池，該矽基垂直多接面晶片太陽能電池之設計，於N倍聚光下產生相同之功率時，其約可節省N倍之面積。
　　3.本發明相較於III-V族電池之昂貴的真空生產設備，該矽基垂直多接面晶片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。
　　4.本發明係配置於社區住宅之屋頂或其鄰近之空地，為可同時產生光電與熱電轉換之聚光型太陽能發電系統，用於提供一般住宅或社區公用設備之用電需求，此外，剩餘之電能可回送至電力公司之併聯系統，由電力公司躉購。
　　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，而不會破壞此發明的精神。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‧‧‧具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統

101‧‧‧具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列

102‧‧‧接續箱

103‧‧‧電力調節裝置

104‧‧‧分電盤

105‧‧‧住宅負載

106‧‧‧電錶

107‧‧‧併聯系統

108‧‧‧配電箱

109‧‧‧社區負載

110‧‧‧儲存裝置

111‧‧‧管線

1011‧‧‧複數個具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組

1012‧‧‧複數個垂直多接面之矽基太陽能電池

1013‧‧‧通道

1014‧‧‧複數個導熱模組

1015‧‧‧複數個聚光模組

1016‧‧‧追日裝置

200‧‧‧配置於住宅之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統

201‧‧‧住宅

第1圖顯示為本發明之配置於住宅之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統200示意圖； 第2圖顯示為本發明之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統之功能方塊圖；第3圖顯示為本發明之系統中之具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組示意圖；以及第4圖顯示為模組中之垂直多接面之矽基太陽能電池結構示意圖。

100‧‧‧具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統

101‧‧‧具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列

102‧‧‧接續箱

103‧‧‧電力調節裝置

104‧‧‧分電盤

105‧‧‧住宅負載

106‧‧‧電錶

107‧‧‧併聯系統

108‧‧‧配電箱

109‧‧‧社區負載

110‧‧‧儲存裝置

Claims (7)

1. 一種具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統，包含：一具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列，係由複數個具導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；一接續箱，係電性連接於該聚光型太陽能電池陣列，用以整合並輸出該聚光型太陽能電池陣列產生之電能；一電力調節裝置，係電性連接於該接續箱，用以轉換該接續箱輸出之一直流電能為一交流電能；一分電盤，係電性連接於該電力調節裝置，用以當負載不平衡時作為切斷器使用；一住宅負載，係電性連接於該分電盤；一電錶，係電性連接於該分電盤，用以計算該住宅負載所耗費之電能；一併聯系統，係電性連接於該電錶，用以傳送該交流電能；一配電箱，係電性連接於該併聯系統，用以轉換該交流電能之電壓；一社區負載，係電性連接於該配電箱；以及一儲存裝置，係連接於該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列，用以儲存該具加熱裝置之聚光型太陽能電池陣列所產生之熱能；其中該複數個具導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 矽基太陽能電池由多層矽基材p-n接面，以垂直串聯而成，該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池之厚度約為375μm至625μm；複數個導熱模組，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，並可將該複數個聚光型矽基太陽能電池模組所產生之熱能透過該複數個導熱模組加熱流動於該通道中之一流體，該複數個導熱模組之材料係為陶瓷，該流體為水；複數個聚光模組，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，該複數個聚光模組之聚光倍率可為500倍至2000倍；以及一追日裝置，係配置於該複數個具導熱模組之聚光型矽基太陽能電池模組之一側，用以使該複數個具導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項所述之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統，其發電量約為0.1MW至5MW。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統，其中該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池之接面數為30層至50層。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統，其中該複數個垂直多接面之矽基太陽能電池之平均輸出功率密度為5W/cm² 至50W/cm² 。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統，其中該追日裝置為雙軸追日裝置。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統，其中該住宅負載約為3KW至10KW。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之具加熱裝置之聚光型太陽能光電系統，其中該社區負載約為1MW至5MW。