CN101371368A - 具有定位辅助器的聚光太阳电池设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种将太阳能直接转换为电能的聚光太阳电池设备。所述的设备包括一个外罩(10)，其设有至少一块由一种透明材料制成的光入射板，多个太阳能电池(5)，它们均设置于外罩(10)内部，与至少一块光入射板远离阳光面形成一定间隔，并占据了一个小于光入射板的光入射面的表面积，光入射板设有一个光学器件用于汇聚或聚集穿过光入射面到达更小的太阳能电池(5)表面积上的太阳辐射。外罩(10)包括一个由一种初级材料制成的注塑件(58)，它形成了侧壁。
Description
本发明涉及一种公知的聚光太阳电池设备，例如，公知于文献：A.W.贝蒂等，高光伏汇聚中的FLATCON和FLASHCON概念，Proc.19th欧洲光伏太阳能研讨及展览会，巴黎，法国，2004，2488页。
这种聚光太阳电池设备的具体内容，参见尚未公开的在先技术的德国专利申请：DE 10 2005 033 272.2。
在太阳能应用领域，利用硅元素将太阳能转换为电能已被公知约50年。使用极其普遍的太阳能电池通常是由单晶或多晶硅制成。然而由于只能将有限的入射光光谱转换成电能，这些太阳能电池的输出功率相对较低。在最近的几年里，在提高效率方面取得了巨大的成效，通过使用如砷化镓(GaAs)等高品质半导体化合物(III-IV半导体材料)制成的高效光伏电池，其太阳辐射转换率超过普通的36％以上。
这种电池是基于使用可形成阶梯式的串联、三联或四联式电池结构的半导体材料，并因此可以利用更宽频谱的光。
然而，制造这种大面积电池的成本非常高。因此选择将入射太阳光聚集在一个非常小，如小于1mm2的表面面积上的方法。这样一块太阳能电池就仅需要这么小的一个面积。因此使用的材料可以比平面使用这些电池低1％。这种汇聚使得高性能PV电池中超过39％的高光产额被利用。一个经济实惠的光伏***由且仅由这样几个太阳能器件连接而成，并被完美地组合构成一个聚光太阳电池组件。
之前已使用的***主要是用相对较大的菲涅耳镜头工作的，它的焦距相对较大从而使得模块较厚。它们组装而成的电力装置(太阳能动力设备)非常重(每千瓦1吨重)，结果由于考虑诸如风阻等原因，要求聚光太阳电池具有一个静力学跟踪***来跟踪阳光。这种公知聚光***虽然大幅提高了的光电流产量，但由于费用较高，因此仍未得到广泛的使用。
尽管近几年来也考虑过小面积透镜的聚光***，在某些情况下，它也提供了超过500倍的汇聚光，然而在这些情况下，需要比较多的电池(如：约1.5百万个电池提供500KW的输出功率，是太阳能电池输出功率的30％)，来构建一台经济可行的太阳能动力设备。至今未能解决高汇聚的散热和保护精密太阳能电池不受环境影响，尤其是对潮湿和气体敏感的问题。
此外，相对准确地定位这些聚光透镜及其太阳能电池，使每个电池均处于相同的焦点上的构建问题，在之前所选择的方法中产生了大量的费用，从而大量消耗了计划节省的费用。有关聚光透镜的太阳能电池们的相对定位问题限制了可能的汇聚，从而限制了太阳能电池的尺寸。
在实验室测试中已经基本完美解决了聚光透镜相对于太阳能电池的一个相对定位。但是也需要提供那些在实践中能够花费尽可能低的费用，而尽可能长的使用一个尽可能高的光强的构建和制备方法。
现有技术中，一个聚光太阳电池组件的精确构建及因此，太阳能电池相对于聚光透镜的精确定位受许多因素的影响，其中有一些在操作中是不确定的，从而给实际控制带来困难。
本发明是基于构建一台具有所附权利要求1序言所述特征的聚光太阳电池设备的目的，它用这样的方法利用了聚光太阳电池技术的优点，并避免了上述缺点，完成了一台聚光太阳电池设备的一个精确构建，从而完成了聚光透镜相对于太阳能电池的相对定位，因此花费较低的费用流水线的多种生产制造出一台聚光太阳电池设备。
通过一台如所附权利要求1所述特征的聚光太阳电池设备来完成此目的。
本发明的优选结构是从属权利要求的目的。
本发明所述的将太阳能直接转换为电能的聚光太阳电池设备具有多个太阳能电池，它们在每种情况下均设置于外罩(10)内部，与至少一块光入射板远离阳光面形成一定间隔，并占据了一个小于光入射板的光入射面的表面积。在这种情况下，光入射板设有一个光学器件用于汇聚或聚集穿过光入射板的光入射面到达更小的太阳能电池表面积上的太阳辐射。与已知的用于将太阳能直接转换为电能的聚光太阳电池设备相比，该外罩设有一个由初级材料制成的注塑件，适用于注塑来形成侧壁。
在一种本发明所述的聚光太阳电池设备的自动构建法中，通过传统用于注塑的定位法，当通过这种注塑法制造侧壁时，侧壁可以接受一个精确的外形或尺寸，从而提高所制的这些侧壁相对于关联光入射板的相对定位的精确度。这种注塑法能够容易地制造出非常复杂的外罩部分，并在一个高工业量时也非常经济。这就形成了一个相对较大的设计可能差异性；以及多个功能，诸如能够简易地调节波段，位置，密封性及风雨防护。
光入射板通过粘附法被简易地固定在外罩上。
为了光入射板与外罩的相对位置的一个更进一步和长期的稳定性，外罩可以侧向地设有一个阀用于向外罩内导入气体或从外罩内抽出气体及/或水蒸气。借助于一个这种阀，空气及/或水蒸气能够从外罩中排出从而在外罩中产生一个负压，这样通过外罩内外的气压差使得光入射板额外地被固定在外罩朝向光入射板的一边。
注塑可以由一个不透明的材料形成，从而减少经过热辐射由外界到达太阳能电池的热传导。
注塑优选由一种塑料材料混合物形成。由于塑料材料的可成形性好，因此尤其适用于作为注塑法中的模塑材料。塑料材料非常经济且重量轻，这样总体上设备就变得更有利，更轻。此外，由于重量轻跟踪设备(跟踪阳光)也能被简易地制造。
特别由于玻璃增强纤维塑料材料的耐击、耐温性，因此在制造注塑件中使用玻璃纤维增强塑料材料尤其能够提高如本发明所述的将太阳能直接转换为电能的聚光太阳电池设备的服务寿命和操作可靠性。一种具有特殊扩张系数的塑料材料混合物尤其可以被选择用于产生一种特别适于或有益于外罩的扩张性能。
例如，通过使用一个由一种玻璃纤维增强塑料形成的注塑件来达到外罩的一个优选的扩张性能。
通过使用一个由一种玻璃纤维重量含量为10-50％的玻璃纤维增强塑料形成的注塑件来达到更加优选的外罩的扩张性能。
玻璃纤维增强塑料材料也是经济耐温的，且具有一种高断裂伸长性，从而具有一种低断裂敏感性，这样在外罩的制造中使用它们可以提高如本发明所述的将太阳能直接转换为电能的聚光太阳电池设备的服务寿命，并被更经济地制造。
此外，注塑件也可以由一种染色料形成，尤其是染色塑料材料或随后被染色，例如通过喷雾或浸渍。有色注塑的出现意味着本发明所述的一种聚光太阳电池设备特别简单而顺利地被制造，其中光入射板上的外罩的相对定位是借助于外罩朝向光入射板的注塑件较高边的定位完成的。而不需要其它的定位特征。
此外，外罩也优选设有一个朝向光入射板的较高***外罩结构及/或远离光入射板的较低***外罩结构，它被配置为一种注塑件。以较高结构的方式通过朝向光入射板较高的外罩的促进识别，较高的结构使得外罩相对于光入射板的定位更加精确。较高的侧部结构设置于识别并直接侧向连接的间隔里，直接穿过外罩朝向光入射板的侧边。较低的侧部结构可以设置于识别并直接侧向连接的间隔里，直接在外罩远离光入射板的侧边下面。较低结构可以以一个与较高结构相似的方式，从下面允许一个所促进的和更精确定位的外罩，例如从远离光入射面的侧边，在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个自动的并因此更经济构建的方法中。较高结构也用于从上面通过光入射板增加外罩内部的密封可能性。较高结构也用于从下面增加外罩内部的密封可能性。
在注塑方法中，较高结构可以在它面向光入射面侧边的较高转角上接受一个定位标记。在这种情况下，本发明所述的直接将太阳能转变为电能的聚光太阳电池设备的制造费用将减少，因为外罩相对于光入射板的相对定位仅借助于较高结构相对于相应转角的定位标记或在相应转角上的相关光入射板的定位标记定位。在注塑法中，一个相应于较高转角的较低转角的较低结构也可以接受一个在远离光入射面的侧边上的定位标记。在这种情况下，本发明所述的直接将太阳能转变为电能的聚光太阳电池设备的制造费用仍可以进一步的减少，因为外罩从下面的定位，例如，远离光入射板的侧边仅借助于较低结构上的定位标记定位。
注塑件优选为一种金属注塑件，尤其是轻金属制成的，如铝，或一种部分由MIM(即：金属注塑)法制成的。在MIM法中，加有一种塑料材料的金属材料被加热，然后被注射入一个模型。即，通过MIM法所部分制成的既具有使用金属的优点，又具有使用塑料材料的优点。
本发明所述的一种重量较轻的聚光太阳电池设备由于将轻金属用于外罩，因此这些光学组件具有简单跟踪相关关光源的优点。
选择性地，外罩相对于光入射板的侧边上可以设有至少一块由导热率大于初级材料的次级材料制成的基板。基板的导热率大于外罩，使得在操作中产生的热量能够很好的从太阳能电池中散发到外界。基板也可以由铝或其它材料形成，铝和钢的导热性均很好。
基板可以以这样的方式被定制，从而将外罩从下面密封。外罩内部的良好密封更好的保护了太阳能电池不受环境的影响，因为外罩从下面较好的密封意味着将减少灰尘颗粒和湿气由外面进入外罩。这样增加了所相应构建的本发明所述的聚光太阳电池设备的操作的可靠性。
本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选结构中，形成基板的材料能够选自那些使基板具有一个与侧壁热膨胀系数相近的热膨胀系数。
优选基板的热膨胀系数，差值约为100％至200％，与侧壁热膨胀系数相差不超过100％。更优选基板的热膨胀系数，与侧壁的热膨胀系数相差不超过50％。
在本发明所述的聚光太阳电池设备中，通过选择热膨胀系数接近侧壁的基板可以达到一个相对稳定的形状和良好密封，因为在温度影响下，侧壁的膨胀或缩小相对地相似于基板。基板相对于侧壁的定位因此保持相对不变。由于太阳能电池附着在基板上，光入射板设置在侧壁上，此时基板和侧壁的热膨胀性使得第一光学器件的光入射板与太阳能电池的相对位置相对地稳定，因为要达到直接入射辐射的理想效率，太阳能电池应该经常保持定位于第一光学装置的焦点上。太阳能电池相对于相应焦点的一个小位移也会较大的丢失入射辐射的效率和太阳能电池产生的电能。
在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选例中，至少一个由导电材料制成的附加板被设置于外罩底板的内板上或基板上；至少一个附加板电绝缘于底板或基板的外面，至少一个太阳能电池或一个太阳能电池小组设置于至少一个附加板的上面。至少一个导电材料制成的附加板被作为一个太阳能电池的一个阴极或阳极或一个太阳能电池组的一个共同的阴极或阳极使用。这种作为太阳能电池组的一个共同阴极或阳极使用的一块板使得在本发明所述的一种聚光太阳电池设备的自动化生产过程中的制造步骤数量减少，从而降低了这种聚光太阳电池设备的造价。
按照其中使用了本发明所述的聚光太阳电池设备的太阳能***的构建要求，多个具有至少一个太阳能电池的这样的板，作为一个或多个太阳能电池的阴极或阳极使用。当使用至少一个由导电材料制成的板时，它与本发明所述的设备的底板或基板的外面电绝缘，以这种方法构建的聚光太阳电池设备与外界电绝缘从而适于聚光太阳电池设备操作中的安全要求之一。
在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选例中，多个面积小于底板或基板的附加板，可以被彼此间隔地设置在底板或基板上。多个面积小于底板或基板的附加板，可以按照本发明所述的聚光太阳电池设备或一个太阳能***的操作要求设置为一定特定的排列。优选地，较小的板可以占据基板的多个相同部分表面。使用多个具有相同表面积的较小板使得本发明所述的相应的聚光太阳电池设备的自动化制造很简单。
在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选例中，太阳能电池可以设置在至少一个附加板或较小板上的规则网格中。由于太阳电池设置在至少一个附加板或较小板上的规则网格中，因此在一个自动化方法中，附加板或较小板可以按照构建要求预制在本发明所述的聚光太阳电池设备上，从而使得相应的聚光太阳电池设备制造简单，成本降低。
在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选例中，外罩被分隔，优选被均一地分隔为多个间隔。因此，外罩可以按照本发明所述的聚光太阳电池设备的构建要求在自动化方法中被预先建造组合，使得相应的聚光太阳电池设备制造简单，成本降低。
在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选例中，在每种情况下单独的间隔都可以被各自的底板或基板覆盖底部，优选能被密封。使用多个底板或基板意味着按照本发明所述的一种聚光太阳电池设备的构造要求间隔都能在底部被互相独立的使用；尤其是这使得外罩从下面被更好的密封，并保护太阳能电池免受环境影响。此外，在这种方式中单独板的热膨胀被处理的更好，重调更简易。
在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选例中，在每种情况下单独的间隔都可以被各自的具有一个光学器件的光入射板覆盖或密封顶部。由于在每种情况下单独的间隔都可以被各自的具有一个光学器件的光入射板覆盖或密封顶部，间隔在顶部按照本发明所述的聚光太阳电池设备的构建要求互相独立的使用；优选地，这使得外罩从顶部与外界更好的密封，进一步保护太阳能电池不受环境的影响。此外，由于这种结构，一个光学器件相对于相应的一个或多个太阳能电池的相对位置能被重调，并独立地用于一个单独间隔或多个单独间隔。这使得太阳能电池上的直接入射辐射的效率增加。
在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选例中，外罩内可以设置交叉网来分隔间隔。交叉网的使用是一个极其简单和经济的方法将外罩内分隔成多个间隔。网也能优选作为一个支撑使用于一个光入射板及/或一个或多个底板，从而进一步增加了定位的准确性。
在本发明所述的聚光太阳电池设备的一个优选例中，可以设置网内是空心的，用来设置太阳能电池的电连接线。因此，电线能被绝缘并空间间隔于本发明所述的聚光太阳电池设备的剩余部分，从而增加了操作的稳定性。此外，网因此具有两个作用，使得一个相应的聚光太阳电池设备被经济地制造。
优选地，整个外罩能被光入射板覆盖及/或密封顶部，因此可以简单并经济地制造本发明所述的聚光太阳电池设备。
此外，至少一个光入射板设有光学器件及/或一个附加较高盖板能被一个四周框架结构所围绕，被用于密封外罩的较高部分及/或作为一种识别方式来分开聚光太阳电池设备的外部装置。通过使用一个四周框架结构于光入射板及/或附加较高盖板，外罩能从上面被更好地密封，因此进一步保护太阳能电池不受环境的影响。构建四周框架结构后它就能连接光入射板及/或附加盖板朝光面的一个最外边缘表面和附加较高盖板的外边表面及附加更高盖板的外侧面和外罩较高结构或外罩的最高外侧面，最外边缘表面通常小于所连接的侧面。四周框架结构通过粘附法被简单地固定在光入射板上。单独聚光太阳电池设备的独立性使一个相应太阳能***的维修变得容易，同样地，例如，将四周框架结构的染色作为聚光太阳电池设备被分隔或设置为单独被的聚光太阳电池设备或单独的聚光太阳电池设备组的信息使一个相应太阳能***的维修变得特别顺利而简单，从而控制简单，操作简易。
选择性地，外罩可以侧向地设有一个阀用于向外罩内导入或从外罩内抽出气体及/或水蒸气。通过侧向地安装阀的方式，可以抽出外罩内的空气或蒸汽及/或使太阳能电池间产生一个负压。太阳电池及它们的阳极或阴性直接邻近的湿气被减少从而提高了一个所相应构建的聚光太阳电池设备的操作稳定性。此外，通过在太阳能电池间产生负压的方式破坏了外界通过对流传导入太阳能电池的热量。
优选地，通过阀向外罩中导入一种惰性气体，从而在外罩内产生一个负压。太阳能电池间存在的一种惰性气体保护它们不受湿气及外面进入外罩的空气的渗透，由于惰性气体的性质不活跃，也不会受侵蚀，从而增加了太阳能电池或一个所相应构建的聚光太阳电池设备的操作稳定性。
优选地，每个太阳电池的光学器件，可以具有一个透镜部分，尤其是一个菲涅尔透镜部分。按这种方式，可以提高光入射板上的直接辐射的效率。
本发明的一个优点是可以简单地将一个形成所有侧壁的整体外罩器件制造为一整块。例如，这些侧壁是一个四周框架结构的一部分。在转角处，将这些侧壁连接在一起是没有问题的，尤其是不具有密封问题，因为没有连接点。
下面借助于附图描述了本发明的一个实施例，其中：
图1显示了一个如本发明所述具有一个较高和较低结构的外罩的分解图，交叉网将外罩分隔成四个间隔，四块单独的基板或底板与多个太阳能电池组的多个共同的阴极或阳极，每个太阳能电池组由多个太阳能电池构成。
图1显示了一个外罩10，它设有交叉网50将外罩10分隔成多个单独的间隔50。
外罩10有一个***较高结构20和一个***较低结构22。
外罩10的单独间隔50的底部被单独底板或基板30覆盖或密封。
网52在外罩10的内部曼延，包括较低结构22。网52的内部是空心的，用来设置太阳能电池5的电连接线(未显示)。
此外，一块附加板40固定在一块对应的底板或基板30上，电绝缘于底板或基板30的外部，被用作多个太阳能电池5的共同阴极或阳极，以一个规则的网格被设置在附加板40上。
太阳能电池的第二电连接通过多块附加小面积板42被应用在每个间隔50中，每块附加更小板42被作为多个太阳能电池形成的小组的一个共同阴极或阳极，被设置为一个规则的网格，一个间隔50中出现的太阳能电池5的。
外罩10的网52和四个侧壁54，55，56，57形成一个完整器件，它由玻璃增强纤维塑料材料通过注塑法制成作为一个组分58。
这个注塑件58在转角处被设置有一个形为一个特定凹洞的定位标记(未显示)。借助于这种定位标记，单独部分被分别设置在一个特定位置。
相关标记列表：
5 太阳能电池
10 外罩(侧壁)
20 较高结构
22 较低结构
30 单独底板或基板
40 附加板
42 附加较小板
50 单独间隔
52 网
54 侧壁 55 侧壁
56 侧壁 57 侧壁
58 注塑件
Claims (25)
1.将太阳能直接转换为电能的聚光太阳电池设备包括：
一个外罩(10)，其设有至少一块由一种透明材料制成的光入射板，多个太阳能电池(5)，它们在每种情况下均设置于外罩(10)内部，与至少一块光入射板远离阳光面形成一定间隔，并占据了一个小于光入射板的光入射面的表面积，光入射板设有一个光学器件用于汇聚或聚集穿过光入射面到达更小的太阳能电池(5)表面积上的太阳辐射，其特征在于外罩(10)有一个由一种初级材料制成的注塑件(58)，它形成了侧壁。
2.如权利要求1所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的注塑件(58)由一种塑料材料混合物制成。
3.如权利要求2所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的注塑件(58)由一种玻璃增强纤维塑料材料制成。
4.如权利要求5所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的玻璃增强纤维塑料材料所含的玻璃纤维重量为10-50％，优选30-40％。
5.如权利要求4所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的注塑件(58)由染色料制成，尤其是染色塑料材料或随后被染色，例如通过喷雾或浸渍。
6.如权利要求1或5所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的注塑件(58)是一种金属注塑件，尤其是轻金属制成的，如铝，或一种部分由MIM法制成的。
7.如上述任一权利要求所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的外罩(10)有一个朝向光入射板的附加较高(20)***外罩结构(20，22)及/或一个远离光入射板的较低***外罩结构(22)，外罩结构优选被配置为一种注塑件。
8.如权利要求7所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的外罩(10)在相对于光入射板的一边至少有一块由一种次级材料制成的基板(30)，所述的次级材料的导热率大于初级材料。
9.如权利要求8所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的次级材料是一种金属材料，尤其如铝或钢。
10.如上述任一权利要求所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的基板(30)密封了外罩(10)的底部，并被用于散热。
11.如上述任一权利要求所述的聚光太阳电池设备，其特征在于侧壁的热膨胀系数与基板(30)的相似。
12.如上述任一权利要求，尤其是权利要求8所述的聚光太阳电池设备，其特征在于至少一个由导电材料制成的附加板(40)被设置于外罩(10)底板(30)的内板上或基板(30)上；至少一个附加板(40)电绝缘于底板(30)或基板(30)的外面，其中至少一个太阳能电池或一个太阳能电池小组设置于至少一个附加板(40)上。
13.如权利要求12所述的聚光太阳电池设备，其特征在于多个面积小于底板或基板(30)的附加板(40)被彼此间隔地设置在底板或基板(30)上。
14.如权利要求13所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的较小板(40)占据了多个基板(30)的同一表面部分。
15.如上述任一权利要求所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的太阳能电池(5)以一种规则网格状排列在至少一块附加板(40)或较小板(40)上。
16.如上述任一权利要求所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的外罩(10)被分隔，优选被均一地分隔为多个间隔(50)。
17.如权利要求16所述的聚光太阳电池设备，其特征在于在每种情况下所述的单独间隔(50)都可以被各自的底板或基板(30)覆盖底部，优选能被密封。
18.如权利要求16或17所述的聚光太阳电池设备，其特征在于在每种情况下单独间隔(50)都可以被各自的具有一个光学器件的光入射板覆盖顶部，优选能被密封。
19.如权利要求7或16-18中任一所述的聚光太阳电池设备，其特征在于外罩内设有交叉网(52)来分隔间隔(50)。
20.如权利要求19所述的聚光太阳电池设备，其特征在于网(52)的内部是空心的，用来设置太阳能电池(5)的电连接线。
21.如权利要求16、17、19或20中任一所述的聚光太阳电池设备，其特征在于整个外罩(10)能被光入射板覆盖及/或密封顶部。
22.如权利要求1或其它任一所述的聚光太阳电池设备，其特征在于至少一个光入射板设有光学器件及/或一个附加较高盖板能被一个四周框架结构所围绕，被用于密封外罩的较高部分及/或作为一种识别方式来分开聚光太阳电池设备的外部装置。
23.如上述任一权利要求所述的聚光太阳电池设备，其特征在于外罩侧向地设有一个阀用于向外罩(10)内导入或从外罩(10)内抽出气体及/或水蒸气。
24.如权利要求23所述的聚光太阳电池设备，其特征在于所述的导入外罩(10)内的气体是惰性气体。
25.如上述任一权利要求所述的聚光太阳电池设备，其特征在于每个太阳电池(5)的光学器件具有一个透镜部分，尤其是一个菲涅尔透镜部分。
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