CN101978225A - 太阳辐射的聚集器及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳辐射聚集器装置，该装置具有用于通过全反射使太阳辐射偏转的光束分离器。而且，本发明涉及一种用于聚集和转换太阳能的装置，该装置具有所述的聚集器和至少一个用于太阳能转换的装置。所述用于转换太阳能的装置例如为太阳能电池、太阳能模块或太阳能集热器。本发明所述的聚集器用于聚集太阳辐射，也可作为防晒板使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳辐射的聚集器(concentrator)装置，该装置具有用于通过全反射使太阳辐射偏转的光束分离器。而且，本发明涉及一种用于聚集和转换太阳能的装置，该装置具有所述聚集器和至少一个用于太阳能转换的装置。所述用于转换太阳能的装置例如为太阳能电池、太阳能模块或太阳能集热器。本发明所述的聚集器用于聚集太阳辐射，也可作为防晒板使用。
背景技术
在光电领域，多年来已采用多种方法聚集太阳辐射，以将太阳能电池材料用量降至最低并达到更高的效率。其原理基于如下事实：采用反光镜和/或透镜使太阳辐射聚集并将其引导至专用的聚集器太阳能电池上。因此，减少了光电活性表面(photovoltaically active surface)，并进而减少了昂贵的太阳能电池材料的必需量。由于使作用于光电活性表面的太阳辐射聚集，因此可以降低太阳能的成本。这尤其适用于具有高直接辐射成分的区域。
在本领域的技术发展水平中，使用折射元件(US 5,977,478)或金属反射元件或全反射元件(US 2007/0227582)将太阳辐射聚集到小面积的光电活性表面上。
对于更大尺寸的光电活性表面，例如具有150×150mm的标准表面积的标准太阳能电池或者具有1000×2000mm的典型表面积的标准太阳能模块，由于折射元件或金属反射元件不能实现紧凑的配置，故只在有限的程度上适用。构造于一侧的折射性的菲涅尔透镜(Fresnel lens)例如仅能实现最多40°的偏转角度。因此，比起透镜的尺寸，透镜平面与接收器平面的间距非常大。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种紧凑的聚集器，该聚集器可显著地降低与用于太阳能转换的聚集器耦合的装置的表面延伸。
具有权利要求1所述特征的聚集器以及具有权利要求14所述特征的用于聚集和转换太阳能的装置可实现上述目的。进一步的从属权利要求揭示了优选的方案。在权利要求18和19中提到了本发明的用途。
根据本发明，提出了一种太阳辐射的聚集器，该聚集器具有至少一个用于偏转太阳辐射的光束分离器。因此，该光束分离器在取向离开太阳辐射的一侧上具有通过全反射使入射至光束分离器上的太阳辐射在两个不同方向上偏转的构造。
本发明所述的光束分离器的构造使得入射的太阳辐射以大的偏转角度发生偏转，因此用于实现太阳能转换的活性表面可布置地距光束分离器很近，并从而使模块的排列非常紧凑。进一步的优点在于，尽管本发明所述的聚集器为平面设计，却能大量地避免遮光损耗。
该构造优选地包括在整个表面上周期性地重复的多个结构单元。
另一优选的替代构造包括多个不同的结构单元，各个结构单元相互配合，从而可将所述已偏转的辐射至少部分地聚集到活性表面上。
所述构造优选地设置成大致呈等腰棱镜的形式。从而，所述棱镜具有的底角范围为45°～75°，具体地为55°～65°。
优选实施例提出，透镜底角是不同的，从而引起所述已偏转的辐射至少部分地聚集。
所述光束分离器优选地包括可构造的基板，所述可构造的基板在400～1100nm的波长范围内具有至少85％的透射率。这里具体地包括玻璃和/或聚合物材料。在根据本发明的本变型中，所述基板的朝向至少一个光电活性表面的表面具有一种构造。
进一步的优选实施例提出，该光束分离器包括基板，该基板在400～1100nm的波长范围内具有至少有85％的透射率，该基板在朝向至少一个光电活性表面的基板表面上具有由聚合物材料构成的构造层。该聚合物材料优选地选自于包括氟聚合物、丙烯酸酯聚合物和/或硅酮聚合物的组。
此外，光束分离器优选地构造为：在整个表面上方，在垂直于该表面的平面方向上，具有大致相同的构造深度，该构造深度优选地处于10μm～20mm的范围内，尤其优选地在50μm～5mm的范围内。
从而，所述构造可以使用铸造、注射成型(injection moulding)、挤压成型(extrusion)和/或模压加工(embossing)而获得。
该光束分离器也可优选地设置成平面盘状或板状。
同样，该光束分离器具有在光谱上可选择的透射率，特别是在400～1100nm的范围中具有最大透射率，以利于在光电效应中可用的光谱成分。
本发明提出了一种用于聚集和转换太阳能的装置，该装置具有如前所述的至少一个聚集器以及至少一个用于转换太阳能的装置。因而，所述至少一个聚集器设置为将由光束分离器偏转的太阳辐射引导到至少一个用于转换太阳能的装置上。
用于转换太阳能辐射的装置优选地涉及太阳能电池、太阳能模块或太阳能集热器(thermal solar collector)。
该装置的进一步优选的实施例提出，用于转换太阳能的装置在朝向太阳辐射的表面上具有防反射涂层。该防反射涂层优选地包括光折射率比该装置的基板材料的低的用于太阳能转换的材料。然而，也可采用相当的材料配置，例如纳米多孔玻璃。
此外，用于聚集和转换太阳能的装置优选地具有关于太阳位置的单轴和双轴跟踪能力的配置。
前述的聚集器用于将太阳辐射聚集到光电活性元件上。这样，该聚集器可用于构造聚集场合的光电模块。可使用商业上可获得的用于非聚集场合的硅电池或硅模块作为电池或模块。当这些光电模块被跟踪时，也可将其安装在普通的太阳能***上。同样，所述***也可以通过一次手动操作而单轴地跟踪太阳达几天的时间。
同样，本发明所述的聚集器也可与将太阳能转换为热量的太阳能集热器协同使用。
当具有相应的尺寸时，根据本发明的聚集器也可用于建筑物防晒板中或作为建筑物防晒板使用。此处，所述板为可沿其纵轴旋转的并从而可单轴地跟踪。
附图说明
将参照随后的附图更详细地描述本发明的主题，但所述主题并不局限于此处所示的具体实施例。
图1以示意图表示了本发明使用的光束分离器。
图2以示意图表示了本发明的聚集器。
图3以示意图表示了与对应的活性表面结合的多个光束分离器的配置。
图4以示意图表示了本发明的聚集器的第二变型。
图5以示意图表示了本发明的光束分离器的另一变型。
具体实施方式
在图1中，以横截面图表示了光束分离器1，该光束分离器使入射的太阳辐射以+/-60°进行偏转，从而将其分离为两个不同方向。光束3由此偏转，从而作为光束4离开光束分离器，同时光束3′也由此偏转，从而作为光束4′离开光束分离器。所述分离的结果是使辐射完全偏转而不折射。由此发生在光束分离器与空气的界面上的反射损耗约为8％。只要采用相应的防反射涂层，这些反射损耗可降低至约为3％的值。
在图2中，图示了本发明所述的聚集器，该聚集器具有光束分离器1，太阳辐射3经由该光束分离器1而偏转为第一光束4和第二光束4′。该束光线4因而朝着例如为太阳能电池表面的活性表面5偏转，而第二光束4′朝着光电活性表面5′偏转。采用所述装置可以实现系数为1.5的几何聚集。
图2所示的光束分离器装置和两个光电活性表面可以向两个空间方向任意延伸，例如为类似阵列的配置。在这种情况下，可以实现系数为2的几何聚集。这样的例子在图3中图示，图3示出了光束分离器1与例如太阳能电池表面的活性表面5、5′和5″的线状排列。入射的太阳辐射3例如经由光束分离器1′而分离为两个光束4和4′，随后这两个光束4和4′入射到对应的活性表面5和5′上。
图4示出了本发明所述的聚集器的另一变型。入射的日光3和7通过光束分离器1由此进行偏转。两个光束3和7入射到光束分离器1的不同位置上，而在所述各个区域内配置有不同的结构单元。这导致入射的日光束3的所述已偏转的光束4与入射的日光束7的所述已偏转的光束8入射到光电活性表面5的一个点上，因此日光在该点上聚集。入射到相邻的光电活性表面6上的光束4′和光束8′同样如此。
这样，由于结构单元的微小变化，可以使所述已偏转的辐射聚集。这样，可以使光电活性表面减半，因此，可以使几何聚集的系数从2增加到3以上。
图5表示本发明所述的基于非对称原理的一个变型。此处，侧面2和侧面2′的侧面角为59°或66.7°。这使得太阳辐射3以不同于太阳辐射3′的角度进行偏转。
Claims (19)
1.一种太阳辐射的聚集器，其包括用于偏转太阳辐射的至少一个光束分离器，所述光束分离器在取向离开所述太阳辐射的一侧上具有通过全反射而使入射至所述辐射分离器上的太阳辐射以两个不同方向进行偏转的构造。
2.如权利要求1所述的聚集器，其特征在于，所述构造包括在整个表面上方周期性地重复的多个结构单元。
3.如权利要求1所述的聚集器，其特征在于，所述构造包括多个不同的结构单元，各个所述结构单元互相配合，从而引起所述已偏转的辐射至少部分地聚集。
4.如前述权利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述构造配置成大致呈等腰棱镜的形式。
5.如权利要求5所述的聚集器，其特征在于，所述棱镜的底角范围为45°～75°，具体地为55°～65°。
6.如前一权利要求所述的聚集器，其特征在于，所述棱镜的所述底角是不同的，从而引起所述已偏转的辐射至少部分地聚集。
7.如前述权利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述光束分离器包括可构造的基板，所述可构造的基板在400～1100nm的波长范围内具有至少85％的透射率，具体地由玻璃或聚合物材料制成，在朝向至少一个光电活性表面的表面具有一种构造。
8.如前述权利要求1至6之一所述的聚集器，其特征在于，所述光束分离器包括在400～1100nm的波长范围内具有至少85％的透射率的基板，所述基板在朝向所述至少一个光电活性表面的所述表面上具有由聚合物材料制成的构造层。
9.如权利要求8所述的聚集器，其特征在于，所述聚合物材料选自于包括氟聚合物、丙烯酸酯聚合物和/或硅酮聚合物的组。
10.如前述权利要求之一所述的聚集器，其特征在于，在所述整个表面上方，在垂直于所述表面的平面方向上，所述构造具有大致相同的构造深度，所述构造深度处于10μm～20mm的范围内，具体地处于50μm～5mm的范围内。
11.如前述权利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述构造使用铸造、注射成型、挤压成型和/或模压加工来获得。
12.如前述权利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述光束分离器设置成平面盘状或板状。
13.如前述权利要求之一所述的聚集器，其特征在于，所述光束分离器具有在光谱上可选择的透射率，以利于在光电效应中可用的光谱成分。
14.一种用于聚集和转换太阳能的装置，其包括如前述权利要求之一所述的至少一个聚集器以及至少一个用于转换太阳能的装置，所述至少一个聚集器设置为将所述光束分离器偏转的太阳辐射引导至所述至少一个用于转换太阳能的装置上。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述用于转换太阳能的装置为太阳能电池、太阳能模块或太阳能集热器。
16.如前一权利要求所述的装置，其特征在于，所述用于转换太阳能的装置在朝向太阳辐射的所述表面上具有防反射涂层，所述防反射涂层具体地由光折射率比所述基板材料低的材料制成。
17.如权利要求14至16之一所述的装置，其特征在于，所述装置具有关于太阳位置的单轴和双轴跟踪能力的配置。
18.一种如权利要求1至13之一所述的聚集器的用途，其中所述聚集器用于将太阳辐射聚集至用于转换太阳能的装置上，所述用于转换太阳能的装置具体地为太阳能电池、太阳能模块或太阳能集热器。
19.一种如权利要求1至13之一所述的聚集器的用途，其中所述聚集器作为防晒板使用。
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