CN103703569B - 太阳能模块 - Google Patents
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Abstract
单一透镜的太阳能模块包括将太阳能辐射转换成电能的太阳能电池、玻璃平板以及直接形成在玻璃平板上并与太阳能电池相隔一距离的单层全像透镜。所述透镜适用于选择性地偏转包括可见光且不包括不可见光的第一光分量，以将光的第一分量集中到太阳能电池上。
Description
技术领域
本发明通常涉及太阳能，并且更具体地涉及利用太阳能板或模块以从光能产生电力。
背景技术
在太阳能领域中，将太阳辐射转换成电流的原理已为公知的，并使用了超过五十年。这种光能至电流的转换一直以来是通过使用包括硅（传统为单晶硅或多晶硅）的太阳能电池所达成。然而，这些太阳能电池的功率是相对较低的，因为它们仅将撞击辐射的有限的光谱转换成电流。
近年来在制造诸如砷化镓的高质量的半导体连接器（III-IV族半导体材料）的高功率的光伏电池已经达成大大的成功，其以完成显著地更高效率的太阳辐射的大约40％的转换率。这是借由集中太阳光到一个非常小的表面区域来大幅度地完成。更具体地说，它是一种常见的做法，以收集和集中太阳光到达一个给定的光伏电池，因此在没有这种收集和集中***的情况下，不需要必须使用非常大的区域的半导体材料。一般的过去收集***包括光学***，其中的透镜***集中光线并聚焦它至给定的光伏电池上。多个太阳能单元允许经济地使用这种类型的光伏***。
然而，利用直接撞击到太阳能电池的太阳光的这样的透镜***是相对昂贵和大的。常规***主要是通过将具有相对大的焦距的相对较大的菲涅耳透镜并入而运作，并反过来产生相当厚的模块。这些大型结构导致非常厚重的太阳能功率单元。
因此，期望提供一种能够利用大范围波长的光并反过来改善了整体的效率的太阳能模块。此外，期望提供一种并入较少和较小的组件以便减少模块的尺寸和制造成本的太阳能模块。此外，自结合附图和本发明的背景的随后本发明的详细描述和所附的权利要求书，本发明的其它期望的特征和特性将变得显而易见。
发明内容
本发明提供了一种单一透镜的太阳能模块，包括：至少一个太阳能电池，包括将太阳辐射转换成电能的材料；玻璃平板；以及单层全像透镜，其直接形成在所述玻璃平板上并与所述电池分隔一距离。所述透镜适用于选择性地偏转包括可见光且不包括不可见光的第一光分量，并且集中和聚焦光的所述第一分量到所述至少一个太阳能电池。
本发明也提供了一种制造用于单一透镜的太阳能模块的单层全像透镜的方法。所述方法包括以形成所述单层全像透镜的图案将聚合物材料直接滚动印刷至玻璃平板上的步骤。
附图说明
以下将结合所附附图对本发明进行说明，其中相同的数字表示相同的组件，以及
图1是表示根据本发明的示例性实施例借由将太阳光的期望波长的光以高效率被聚焦到太阳能电池的方式的示意图；
图2是表示根据本发明的示例性实施例借由将太阳光的不期望的波长的光聚焦以便它们不撞击到太阳能电池的方式的示意图；
图3是表示根据本发明的一个实施例借由将太阳光的期望和不期望的波长的光以高效率分别聚焦至太阳能电池上，或者聚焦远离太阳能电池且反射远离所述太阳能模块的方式的示意图；以及
图4是表示借由将太阳光的一些不期望的波长的光变换为期望的波长的光，然后其余波长的光根据其波长以高效率被聚焦至不同的太阳能电池上的方式的示意图。
具体实施方式
本发明的以下详细描述在本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明或本应用以及本发明的使用。此外，也无意以任何在本发明的前述背景或本发明的以下详细描述中所呈现的理论所束缚。
在本说明书中，太阳能板和太阳能模块是可互换的术语，都被定义为一种包括多个太阳能电池的结构，所产生的瓦数是直接与包含在太阳能模块中相关的太阳能电池的数量成正比。太阳能模块也包括框架、连接太阳能电池的绳带、背面片材和玻璃平板。
本发明的一个实施例涉及包括用透镜将光聚集而产生电流的太阳能电池的太阳能模块，透镜与太阳能电池的距离很近，包括硅或其他适当的半导体材料。光学透镜是作为透镜来使用的独特的全像组件，并适用于选择性地集中、偏转并聚焦太阳光谱的不同分量，每个不同的光分量根据包含于光分量中的光的波长而被不同地处理。
如将在下文中讨论的，新颖的全像偏转透镜和它的以预定的方式集中、聚焦并偏转不同波长的光的能力能够使硅和其它半导体材料最小量的使用。事实上，本发明相比于传统的太阳能板能够减少高达90％，同时产生大量的电能。光伏电池的有效使用允许需要显著较少的半导体材料的传统大小的太阳能模块的生产。
此外，借由采用新的全像偏转透镜作为从太阳辐射产生电能的装置，用于产生电能的太阳辐射的比例大大提高。因为透镜能够集中、聚焦和偏转用于不同目的的不同光分量，利用本发明的太阳能模块将所有的太阳辐射转换为电能的高达92％的效率得以实现。
此外，随着结合附图可以看出，新颖的全像偏转透镜可能使得在太阳能模块中透镜和硅或其它半导体材料之间需要非常小的距离。这又给予一种非常小的整体模块的高度和良好成本的生产。因此，与传统的太阳能板相比，实现了构造和输送的显著成本降低。
还有太阳能模块可以在标准的单轴跟踪***上使用的优点。聚光太阳能模块通常在两个方向上跟踪，第一方向是白光或太阳的运动，并且第二方向是太阳的季节或夏冬的位置。本发明的太阳能模块包括全像偏转透镜，能够适用于季节性或夏冬变化。因此，只需要对白光或者太阳的运动进行跟踪，以优化电力输出。
现在转到图1，是用于描述根据本发明的示例性实施例借由太阳光的期望波长的光以高效率被聚焦到在太阳能模块中的太阳能电池的方式的示意图。如图1所示，期望波长的太阳光分量10（即光在可见光波长约380至约750nm之间，优选在约500至约750nm，更优选为500至600nm，最优选在510和580nm之间的范围内）在当其穿过直接形成在玻璃平板12上的全像偏转透镜14时被弯曲并偏转。可见太阳光分量10传递通过用于支持透镜14的玻璃平板12。如图所示，透镜14形成在玻璃平板12内侧而不是外侧。因此，玻璃平板12作为在太阳能模块中的透镜12的盖和保护。
透镜14适用于只有偏转太阳光分量10的方式，从而将其以高效率集中并聚焦在光伏太阳能电池16上。太阳能电池16由合适的半导体材料所制成，例如单晶或多晶硅或具有高纯度（至少99.99999％）的硅。太阳能电池16是硅或其他合适材料的条纹阵列的一部分，每个条纹具有1毫米至3毫米的宽度。
因为只有太阳光分量10被集中并聚焦到太阳能电池16上，没有自第一组件10且穿过透镜14的太阳光未使用。相反地，自第一组件10且穿过透镜14的所有的太阳光或者在另一个实施例中基本上所有（即>99％）的太阳光被集中并聚焦到硅太阳能电池16上，并且被转换成电流。根据一个实施例，即使是最好的质量的玻璃平板和透镜材料的固有半透明性造成一些太阳光不穿过透镜14，造成8％至10％的太阳光的损失。然而，通过玻璃和透镜两者的整个太阳光分量10被转换成电流。
类似地，不是太阳光分量10的一部分的太阳光的90％以上被引导离开太阳能电池16。下面的附图将更好地解释不可见太阳光如何远离太阳能电池16而聚焦，以及远离而反射、集中并聚焦到另一个区域或者转换为落于太阳光分量10的波长范围的光。在这些情况下，根据一个实施例的透镜14完成如刚好相对于太阳光分量10中描述的其它太阳光分量的相同的效率。
图2表示由不期望的太阳光分量20聚焦的方式，使得具有不期望的波长的光根据本发明的示例性实施例不撞击到硅太阳能电池16。在这方面的不期望的光是具有在可见光谱以外的波长的光。更好的是，在这方面的不期望的光是具有比750nm还大的波长的光。当可见光太阳光分量10借由偏转、集中并聚焦在硅太阳能电池16上而被捆扎并捕获时，不期望的光分量20穿过玻璃平板12与支撑在其上得全像偏转透镜14，全像偏转透镜14适于弯曲和偏转不期望的光分量20远离电池16。
如图2所示，透镜14的偏转特性会导致不期望的光分量20去做两件事情。在一方面，来自不期望的光分量20的许多或大部分的光直接穿过所述结构，因此不会撞击到硅太阳能电池16上。另一方面，来自不期望的光分量20的光的一小部分被聚焦，但焦点被引导到远离电池16的一个位置。根据一个示例性实施例，红外光聚焦在硅太阳能电池16和全像偏转透镜14之间。达到它们的焦点后，红外光线形成发散的束，其结果是在硅太阳能电池16被固定的板层级处，光线是非常分散的。因此，包括红外光的不期望的光分量20远离硅光伏电池16而聚焦，使得从不期望的光分量20的光（如有）很少撞击到电池16上。
不期望的光分量20可以借由相邻于电池16的镜子的方式来反射。然而，如下面将详细描述的，在本发明的一个优选的实施例中的来自不期望的光分量20的红外光借由全像偏转透镜14的方式被弯曲并偏转，从而将其聚焦到锗热光伏电池，它是适用于透过光子将热差转换为电能的***的一部分。一种或多种其它电池材料也可以使用诸如GaAs、CdS和CdSe取代Ge或与Ge一起使用。
因此，本全像偏转透镜14被独特地适用于选择性集中、偏转和聚焦太阳光谱中的不同分量10、20。为了明确起见，应当理解的是，透镜14是一种全像图，其选择性地弯曲不同于根据包含于光分量中的光波长的各个不同光分量10、20。更具体地说，构成透镜14的结构形成并具有精度地适用以产生依赖于光撞击在透镜14上的波长的偏转的角度与偏转效率。这能够达到硅和其它太阳能电池材料的最小量需求同时产生大量的电能。
根据一个实施例，不期望的光分量20还包括含有在紫外线范围内的波长的光。在本实施例中，在如先前所论述的红外光的有些类似的方式中，全像偏转透镜14适用于处理具有波长低于约380nm的紫外线，并优选包括具有波长低于约500nm的光。在一方面，从不期望的光分量20的大部分或绝大部分的紫外线光直接穿过所述结构，因此不会撞击在硅太阳能电池16上。另一方面，从不期望的光分量20的紫外线的一小部分被聚焦，但焦点被再次引导到远离电池16的一个位置。根据一个示例性实施例，紫外光被聚焦在硅太阳能电池16之外，其结果是在硅太阳能电池16所固定的板层级处，射线是分散的。因此，包括紫外光的不期望的光分量20远离硅光伏电池16而聚焦，使得从不期望的光分量20的光（如有）很少撞击在电池16上。
现在转到图3，示意图被用于表示借由根据该实施例的太阳光的期望和不期望的波长分别以高效率集中到太阳能电池16上或远离太阳能电池16聚焦并远离太阳能模块而反射的方式。如所描绘的，所期望的光10被弯曲并聚焦到太阳能电池16上。在同一时间，包括红外光（由‥—图案所表示）和紫外光（由––图案所表示）的不期望的光被分别聚焦在太阳能电池16之前或之后，以避免撞击到电池16上。
为了确保来自不期望的光分量20的光射线被反射离开电池16，包括独特的镜子的组合件的镜子组件18被利用。镜子组件18包括优选地邻近电池16形成的镜子涂覆。根据一个实施例，镜子涂覆是形成在太阳能电池16所固定的相同的板上的一层或多个层。镜子组件可以由任何合适的光反射性材料所制成，如铜、锡或镀锡铜。
接下来，另一替代实施例将进行讨论，其中包括紫外光的不期望的光不被反射远离太阳能电池16，如在图2和3中所描绘，而被变换成具有期望的波长的光。图4是表示借由太阳光的一些不期望的波长被变换为光的期望的波长的方式，然后光的其余波长的光根据它们的波长以高效率选择性地聚焦到不同的太阳能电池上的示意图。
如图4所示，太阳光光谱的可见光部分，并优选为约400至约750nm之间的波长的光，穿过玻璃12，并通过全像偏转透镜14弯曲。这可见光以如前所述的方式聚焦到硅太阳能电池16上。
锗热光伏电池22也安装在如硅太阳能电池16的同一板上。一种或多种其它电池材料也可以使用诸如GaAs、CdS和CdSe代替Ge或连同Ge使用。
根据一个实施例，没有弯曲具有包括红外光的大于750nm的较长的波长的不可见光。相反地，红外光通过玻璃12和形成在其上的全像偏转透镜14，并且来自较长的波长的光的热是由锗（或其他合适的材料）热光伏电池22转换成电流。通过使用锗电池，热被使用而不是被浪费，采用所述太阳能电池和热光伏电池22的太阳能模块的效率整体上升。
根据另一个实施例，偏转不可见光具有包括红外光的大于750nm的较长的波长，以便它被聚焦在热光伏电池22上。全像偏转透镜14适用于聚焦较长的波长的光不仅如图2和3中描绘地远离太阳能电池16，也聚焦这样的光到热光伏电池22以利用太阳光到最大效率。
用硅太阳能电池的最佳光波长区域为500nm至750nm。为了优化从硅太阳能电池的电力输出，所述全像偏转透镜14在结构上适用于将光转换。包括紫外线的太阳光的较短波长当通过全像偏转透镜14时被转换成500nm至750nm的最佳光波长区域。
在此和本发明的所有实施例中，玻璃板14优选的厚度为0.4和0.6cm之间的范围内。更优选地，所述玻璃板14是有约0.5cm的厚度。
正如前面提到的，新颖的全像偏转透镜14可能使得在太阳能模块中透镜14以及任何的硅电池和热光电池之间需要非常小的距离。这个距离d描绘在图3中，但适用于本文所讨论的所有实施例。透镜14和太阳能电池16（和任何热光伏电池）之间的距离d不大于1.1cm，而且优选地不大于0.5cm。根据一个实施例的距离d为0.4cm和1.1cm之间的范围，优选在0.5和1.0cm之间，最优选在0.5cm至0.7cm之间。这又给人一种非常小的整体模块的高度和良好地成本生产。因此，与传统的太阳能电池板相比，实现了构造和输送的显著成本降低。
正如前面提到的那样，全像偏转透镜14独特地适用于选择性地集中、偏转并聚焦太阳光谱的不同分量。如刚刚讨论过的，同样的透镜14被独特地适用于将从包括紫外光的低波长的光的一些光分量选择性变换成特定的范围内的可见光波长。
全像透镜14是具有非常精细透镜结构的单层***，其带有精度地适用于根据包含于光分量中的光的波长选择性地弯曲和/或变换各个不同光分量。这不仅能够使硅和其他的太阳能电池材料的需求最小量以产生大量的电能，而且全像偏转透镜14的单层特性也赋予作为整体地简单可复制到透镜。传统的全像网格是由涂覆、曝光并显影薄膜或箔片的重复步骤所制造。箔片被层压到全像箔片丛集，并在常规***中四个或更多的箔片层压成一个箔片。这种制造方法是昂贵的，因为它需要大量的机械且极为缓慢。
与此相反，全像偏转透镜14最好是网格结构的印刷全像图，但不同于全像网格，其必定以如上所述的各制造而昂贵地暴露。相反地，本发明的偏转表面释放结构可以几乎任何次数的重复地复制。这种新的方法包括以辊到辊制程在模块的玻璃12上印刷全像图。所述全像图被优选地印刷，并且更优选地使用聚合物材料，在单一的印刷步骤中。此外，全像图是以一个简单的滚动印刷制程印刷的单层。这没有必要涂覆、曝光和/或显影箔片。因为所述方法的简单和单一印刷滚动步骤的性质，全像偏转透镜14可以在玻璃平板12的内侧上被复制。
所述的全像偏转透镜14可以由硅树脂或硬化的紫外线胶制成。具有在一侧上的表面浮雕的箔片的生产也有可能由于透镜14的性质。箔片也可以贴在玻璃12上或层压在其上。因此，玻璃12可以如用于全像偏转透镜14的支撑材料的功能，它可保护透镜14免于破坏性的环境影响。
接下来解释当与并入菲涅耳透镜的常规***相比的本发明的太阳能模块的一些其它优点的价值。所有波长的太阳光以菲涅耳透镜被分解和放大几百倍，而没有任何特定波长的选择性。因为即使红外光及紫外光被分解并放大，若干缺点是在菲涅耳透镜的模块中固有的。热借由包括红外光的所有的太阳光波长放大所产生，以产生巨大量的热。因此，常规的太阳能模块必须配备有一些类型的冷却***，以避免包括半导体材料的太阳能电池模块组件以及所作为整体的述太阳能板的早期磨损和破坏。此外，菲涅耳透镜具有高达20cm的相对大的焦距，而这反过来又产生了相当厚的模块。这些大型结构导致太阳能发电装置是非常厚重的。
与此相反，本发明的太阳能模块根据包含于每个分量的光的波长不同地处理不同的太阳光分量。根据本发明的一个实施例的示例性太阳能模块包括全像偏转透镜14，其适合于弯曲和集中具有特定的波长范围的可见光的所选择的分量，优选在500和600nm之间的范围，更优选在510和580nm之间的范围，以及集中光到太阳能电池16上。因此，由于光被弯曲和集中，而不是以菲涅耳透镜被分解和放大，透镜14和太阳能电池16之间的距离最优选为0.4和0.5cm之间。
此外，因为包括红外光的较高频率的光分量不是根据一个实施例远离太阳能电池16反射，就是根据另一实施例使用相同的全像透镜14选择地弯曲并集中到热光伏电池，所以本发明的太阳能模块中不需要包括冷却结构。
最后，因为包括紫外光的较低频率的光分量不是根据一个实施例而远离太阳能电池16反射，就是根据另一实施例转化为优选的波长范围的可见光，所以能够以没有任何菲涅耳透镜、任何额外的全像透镜或包括在太阳能模块中的任何类型的任何其它的透镜而以单一全像透镜14基本上从整个太阳光谱产生电力。换句话说，太阳能模块是单一透镜***，其中，所使用的唯一的透镜是偏转全像透镜14，其直接固定在玻璃平板12上并且借由玻璃平板12所支持。此外，包括这种太阳能电池的太阳能模块是由单一透镜的全像透镜14所组成。
尽管至少一个示例性实施例已经在本发明的上述详细描述被呈现，但应理解的是存在广大的变化。还应当理解的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例性，并且不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反地，前面的详细描述将提供本领域技术人员以方便的路线图实现本发明示例性实施例，可以理解的是，可以在示例性实施例中描述的组件的功能和配置上做各种改变而不脱离如所附权利要求书及其合法的等价物所给出的本发明的范畴。
Claims (16)
1.一种单一透镜的太阳能模块，包括：
至少一个太阳能电池(16)，包括将太阳辐射转换成电能的材料；及
玻璃平板(12)；其中
所述单一透镜的太阳能模块包括仅有单一个的光偏转组件，所述光偏转组件由单层全像透镜(14)所组成，
所述单层全像透镜直接形成在所述玻璃平板上，
所述单层全像透镜与所述至少一个太阳能电池分隔一距离，
所述单层全像透镜和所述玻璃平板经排列而平行所述太阳能电池的入射表面，
所述单层全像透镜适用于选择性地偏转第一光分量并且集中所述第一光分量到所述至少一个太阳能电池上，所述第一光分量包含可见光，及
所述单层全像透镜适用于选择性地偏转第二光分量远离所述至少一个太阳能电池，所述第二光分量包括不可见光。
2.根据权利要求1所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述至少一个太阳能电池包括硅。
3.根据权利要求1所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述单层全像透镜借由不大于1.1cm的距离与所述至少一个太阳能电池分离。
4.根据权利要求3所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述单层全像透镜借由不大于0.5cm的距离与所述至少一个太阳能电池分离。
5.根据权利要求1所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述单层全像透镜适用于选择性地偏转由500nm至600nm的范围的可见光所组成的所述第一光分量，并集中和聚焦所述第一光分量至所述至少一个太阳能电池上。
6.根据权利要求5所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述单层全像透镜适用于选择性地绕射由510nm至580nm的范围的可见光所组成的所述第一光分量，并集中和聚焦所述第一光分量至所述至少一个太阳能电池上。
7.根据权利要求1所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述单层全像透镜适用于选择性地偏转包含红外光的第二光分量远离所述至少一个太阳能电池，并进一步适用于选择性地偏转包括紫外光的第三光分量远离所述至少一个太阳能电池。
8.根据权利要求7所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述单层全像透镜适用于选择性地集中和聚焦所述第二光分量至远离所述至少一个太阳能电池的第一点上，并进一步适用于选择性地集中和聚焦所述第三光分量至不同于所述第一点的第二点上且远离所述至少一个太阳能电池。
9.根据权利要求8所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述第一点是在所述全像透镜与所述太阳能电池之间的点，以及所述第二点是在所述太阳能电池之外。
10.根据权利要求7所述的单一透镜的太阳能模块，进一步包括镜像组件，其被定位以反射所述第二和第三光分量中的至少一个。
11.根据权利要求7所述的单一透镜的太阳能模块，进一步包括至少一个热光伏电池，其包含将热转换成电能的至少一种材料，其中所述单层全像透镜进一步适用于集中和聚焦所述第二光分量至所述至少一个热光伏电池上。
12.根据权利要求1所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述单层全像透镜适用于选择性地偏转包含红外光的第二光分量远离所述至少一个太阳能电池，并进一步适用于将包括紫外光的第三光分量选择性地转换成可见光以及集中和聚焦所述第一光分量和经转换的所述第三光分量至所述至少一个太阳能电池上。
13.根据权利要求12所述的单一透镜的太阳能模块，进一步包括至少一个热光伏电池，其包含将热转换成电能的至少一种材料，其中所述单层全像透镜进一步适用于集中和聚焦所述第二光分量至所述至少一个热光伏电池上。
14.根据权利要求1所述的单一透镜的太阳能模块，其中所述单层全像透镜和所述太阳能电池被设置在所述玻璃平板的同一侧上。
15.根据权利要求1所述的太阳能模块，其中所述太阳能模块完全没有任何冷却***。
16.一种制造用于单一透镜的太阳能模块的仅有单一个的光偏转组件的方法，所述光偏转组件由单层全像透镜所组成，所述方法包括：
以形成所述单层全像透镜的图案将聚合物材料直接滚动印刷至玻璃平板上，
其中，所述单层全像透镜和所述玻璃平板平行于太阳能电池的入射表面，且所述单层全像透镜与所述太阳能电池分隔一距离，
其中，所述单层全像透镜适用于选择性地偏转包括可见光的第一光分量并且集中所述第一光分量到所述太阳能电池上，及
其中，所述单层全像透镜适用于选择性地偏转包括不可见光的第二光分量远离所述太阳能电池。
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