CN117957762A - 用于低太阳仰角的光伏*** - Google Patents
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Abstract
一种用于在低太阳仰角期间最大化电力生产的光伏***(1)和组装方法包括：至少一个双面光伏模块(2)，其设置在基本竖直第一平面上，安装在结构支撑件(5)上，并且放置成一侧基本面向东并且另一侧基本面向西；以及至少两个镜面或金属反射器(3)，其相对于竖直方向以73°±20°的角度面向双面光伏模块(2)的每一侧。反射器(3)的形状或结构设计为使得沿着平行于光伏模块(2)的方向入射的太阳光的一部分被重新引导朝向光伏模块(2)，从而在诸如冬季、清晨和傍晚的低太阳仰角条件下最大化电力生产，并且在中午和夏季保护光伏模块免于过热。
Description
技术领域
本发明被包含在光伏技术的领域内。
本发明的目的
本发明的一个目的是提供一种光伏***，以最大化在低太阳仰角条件下，诸如冬季、清晨和晚上的电力生产，这通常与电网峰值需求相吻合，从而避免过度供应和弃电的时段，同时可以保护竖直的光伏太阳能板免受污染、冰雹、过热以及随后的效率下降。
背景技术
由于光伏(PV)的快速成本降低，最近的预报预测称，2050年前将部署数十太瓦的光伏容量。由于电力存储的高成本，人们对能够在冬季以及一天中的早时段和晚时段进行高电力生产的PV***感兴趣，因为预计该时段将是高能量需求的时间。在更适合PV能量生产的地区，预计将有必要用PV发电厂覆盖少量百分比的可用土地。如此大规模的部署将对当地和全球温度产生十分之几摄氏度量级的直接影响，因为高吸收太阳能板将增加地球吸收的热量。因此，还存在将来自太阳的大部分热量反射回太空的PV***的需要。
现有技术中已知的大多数PV***是固定倾斜***、双轴线追踪***或单水平轴线***中的任一种，公用事业规模的装置强烈支持后者，后者在冬季月份期间的生产能力非常差。在这种情况下，非常需要为冬季月份的最大生产进行优化的新PV***。
随着PV发展成为最大的电力生产者，中午和夏季期间产生的PV电力将过多，PV发电厂将被迫在其最大产能时暂时停止运转。这被称为弃电，并且在PV市场渗透率高的地区已经大规模发生。由于PV生产略低于夏季，但空调的电力需求远低于夏季，因此在春季和秋季也经常发生弃电。
在当前的PV技术的情况下，最大电力需求的小时数和最大电力生产的小时数之间存在不匹配，因为当前技术现状下的PV***在清晨和傍晚期间的生产能力较差。因此，净负荷(总电力需求和PV电力供应之间的差异)遵循所谓的“鸭子曲线”。因此，目前的PV技术面临两个挑战：冬季期间太阳能资源的稀缺性和“鸭子曲线”。这两个挑战都可以通过针对低太阳仰角进行优化的PV***来解决。在低太阳仰角下增加生产的一种可能性是将PV太阳能板模块放置在竖直或几乎竖直的定向上。但这会导致年能量生产下降，并且因此，到目前为止，这种解决方案还没有引起太多关注。可以使用反射器以增强太阳能板的能量收集来抵消这一缺点。反射镜在PV技术中的使用已经得到了广泛的探索，然而，现有技术中使用反射器的PV***已经被设计为在中午期间充分利用可用的太阳能，并且因此，这些***容易由于过高的温度而加速太阳能板的退化，抵消了使用反射器所带来的经济优势。此外，最大年能量产量不一定与最大投资回报率相一致，因为电价根据供应和需求而波动，并且除冬季外，所有季节的中午都可能出现PV电力过度供应的情况。这种类型的PV***中的另一个显著困难是找到一种设计，其中通过增加能量生产获得的经济效益高于反射器的附加成本。
专利US2011/197968A1描述了几个实施例，包括竖直双面太阳能板模块、主水平反射器和大的透明光学元件(“偏转器”)，该透明光学元件以与模块和反射器两者成一定角度覆盖整个***。一些实施例被描述为对在一天的开始和结束时增加电力生产有用，并且另一些实施例被描述为对在冬季增加电力生产有用，但它们都不是同时针对两个目的而设计的。所描述的透明偏转器不仅增加了主反射器的成本，还导致了附加光学损耗。专利US2011/197968A1没有描述避免高温的有害影响的方法或手段。
专利EP2881997A1描述了一种具有相邻反射器的朝南倾斜的太阳能板模块。因此，模块在中午的大多数时候都直接面向太阳，并且反射器进一步增加了接收功率和太阳能板的温度。没有描述避免太阳能板过热的方法或手段。
如文献JPS60187065中所述，可以通过使用双轴线追踪或使用具有方位角追踪和水平反射器的竖直太阳能板模块来获得所寻求的许多优点，但是追踪器的资本成本和维护成本降低了投资回报率。此外，方位角追踪和双轴线追踪器的一个众所周知的缺点是需要在追踪器之间使用大的间隔来避免遮蔽，从而增加了给定能量生产所需的土地。
因此，需要一种没有移动部件的PV***，该***设计为在由于网络中的PV电力供应过多而导致高太阳仰角时电力价格较低的前提下实现最大投资回报率。由此产生的***还应将太阳能板模块的温度保持得尽可能低，以减缓退化并增加效率。
发明内容
本文公开了一种用于在低太阳仰角期间最大化电力生产的新的光伏***，通过该***已经发现至少减轻了与现有技术解决方案有关的上述缺点。
更具体地，提供了一种用于在低太阳仰角期间最大化电力生产的光伏***，其中，所述光伏***包括：
-静态支撑结构；
-至少一个双面光伏模块，其安装在支撑结构上，安装位置基本垂直于东西轴线，允许偏差为±20°；
-安装在支撑结构上的至少两个金属或基本镜面反射器，其漫反射率小于总半球反射率的一半，反射器的总增加长度基本上匹配或超过光伏模块的增加长度，宽度为光伏模块的高度的1.67倍，允许偏差为所述宽度的±30％，倾斜以面向双面光伏模块的每一侧，使得包括反射器的平面与包括双面光伏模块的平面以基本73°的角度相交，允许偏差为±20°。在一个优选实施例中，包括反射器的平面和包括光伏模块的平面以65°和83°之间的角度相交。
太阳能反射器可以包括平行于远离南北轴线旋转±54°的方位角方向的多个刻面，允许偏差为±20°，所述旋转的方向使得离光伏模块最远的刻面的外端远离赤道旋转。所述方位角方向由平行于所述刻面的平面与水平平面的交线给出。
满足上述描述的一般类别的反射器具有平移对称轴线，但这种对称性本身不是本发明的要求。
本发明中的反射器具有设计的双向反射率分布函数(BRDF)，使得以平行于太阳能板模块的方位角入射的太阳光被反射到模块，否则这些太阳光将不会被收集。当在北半球使用面向东西的双面模块时，将来自南部的太阳光被重新引导以增加中午的能量生产是有利的，尤其是在冬季，当太阳处于低仰角时。改变反射的光线的方位角方向的反射刻面可以在玻璃中创建，例如通过创建产生全内反射的裂纹线，如美国专利US6306510B1中所述。
反射器可以用现有技术中已知的多种材料和方法中的任何一种来构造。当满足全内反射的条件时，透明材料的表面可以在某些入射角下具有高反射性。可替代地，它可以通过金属(主要是银或铝)薄膜涂层在所有入射角下都具有高反射性，这在玻璃和聚合物反射镜中是常见的。弯曲的铝片可以用作反射器，以最小化初始资本成本，而玻璃反射镜更适合耐用，并且聚合物反射镜更适合更高的投资回报率。聚合物反射镜在现有技术中也已知具有诸如低重量、低成本的优点，并且可以通过精密铸造、模制或挤出成形，但是可能需要玻璃盖或添加剂来保护分子结构免受外部暴露和紫外线辐射损伤。丙烯酸聚合物，诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)，由于其良好的抗紫外线辐射性、耐刮擦性和高透明度而适用于本发明。通过挤出、浇铸或压花使聚合物成型，然后真空金属化或粘合商用金属化聚合物膜(通常为聚酯薄膜、BoPET或其他形式的聚酯)，可以在聚(甲基丙烯酸甲酯)上制造多个反射刻面。可替代地，全内反射刻面可以限定在粘附到保护性顶部玻璃和底部反射镜的硅树脂层上。
如果反射器由金属化透明材料(如玻璃或聚合物)制成，则刻面可以基本垂直于反射器放置，允许偏差为±20°，刻面的高度优选地等于刻面之间的距离，偏差为所述距离的±30％。在该用例中，大多数光线在反射器的两个相互垂直的刻面中反射。如果改为使用金属片作为反射器，则优选使每条光线仅反射一次以限制反射损耗。因此，刻面优选地不应处于远离主反射器平面大于70°的角度。
本发明所需的反射器也可以仅基于全内反射，而不使用金属化表面或干涉多层。在先前的技术现状中，仅基于全内反射的反射器的光学设计通常是仅在接近法向入射下工作的立方角回射器，因为这些回射器通常用于使车辆在夜间被另一车辆的前灯照亮时可见。基于沿着平行于主反射器平面的方向具有平移对称性的微棱镜阵列的反射器也在现有技术的光导中使用，该光导对于沿着几乎平行于阵列的平移对称方向的方向的光传播具有低损耗。这种微棱镜阵列基于两组相互垂直的全内反射刻面。这些光学设计仅在窄入射角范围(通常在法线入射周围+/-10°)内充当理想回射器。本发明的一个优选实施例使用电介质微棱镜阵列。可选地，全内反射刻面被定向以在高入射角下产生回射(retroreflection)。与现有技术的微棱镜阵列回射器相比，这种设计的一个好处在于，回射发生在更宽的入射角范围内。例如：根据斯涅耳定律，电介质内部围绕表面法线+/-5°的入射角范围对应于电介质外部的+/-7.5°范围(假设折射率为1.5)，但电介质内部从30°至40°的入射角范围对应于电介质外部更宽的范围：从49°至75°。因此，本发明的反射器部件可以有利地在更宽的入射角范围内作为回射器操作。最重要的是，当入射角具有沿着微棱镜阵列的平移对称方向的矢量分量时，该矢量分量增加了导致全内反射的入射角范围。在该用例中，所产生的光路最好不是被描述为回射，而是被描述为偏斜反射或光偏转，因为沿着微棱镜阵列的平移对称方向的矢量分量在反射后保持不变，而其他矢量分量被反转。在使用这些部分透明的微棱镜阵列的本发明的实施例中，在微棱镜阵列下方使用辅助反射器或反射镜以增加由太阳能板收集的光可能是有利的。这种辅助反射器在反射性和镜面性方面有着非常宽松的要求(白色薄膜可能就足够了)，因为***的性能主要由微棱镜阵列主反射器确定。
本发明的一些实施例可以适于通过使用部分透射反射器来允许植物在反射器下生长。使用二向色光谱选择性反射器的可能性是特别有利的。基于干涉多层(也称为布拉格反射器或二向色镜)的光谱选择性电介质反射镜可以被设计为具有非常低的吸收损耗和在特定波长下的选择性反射率，同时在大多数其他波长下具有高透射。对于允许同时进行农业生产和光伏生产的实施例(称为农业光伏***)，具有光合作用所需的那些特定光子能量的高透射率可能是有利的。另一方面，在高于光伏模块的带隙吸收阈值的能量处需要高反射性，并且对于能量低于所述阈值的光子需要低反射性，因为这样的光子不会导致电能生成，并且只会在光伏模块上导致附加热负荷，从而降低其效率和寿命。有害的紫外线将被反射器吸收。满足所有这些要求的反射器可以通过真空沉积110nm的TiO2，然后沉积190nm的SiO2、95nm的TiO2、150nm的SiO2、75nm的TiO2和120nm的SiO2以及60nm的TiO2在聚对苯二甲酸乙二醇酯基板上制造。低成本的二向色反射器可以用通过挤出层倍增技术获得的聚合物多层来制造，但由于这些材料的折射率对比度较低，高性能则需要几百层。
在将本发明与现有技术区分开来时，重要的是要注意，这里提出的反射器与用于聚光太阳能***的菲涅耳反射器有根本的不同，因为光束不会聚在焦点上，而是在反射后保持平行。在本发明的一些实施例中，漫射散射一些入射光或以发散光束反射光以降低由于凹面反射器变形意外地将太阳光集中而导致的PV模块中局部热点的风险可能是有利的，因为这些局部热点可能会损坏PV模块。
在PV应用感兴趣的典型纬度(40°N)，冬季月份期间的太阳的仰角的范围从20°至35°，而方位角范围从90°至270°。在冬季期间，较低的温度允许更高的PV效率，并且由于太阳的低仰角，一部分太阳光以小的入射角直接照射到设置在竖直平面中的PV模块，而类似的一部分太阳光则以掠射角照射到反射器，然后照射到模块，几乎使PV太阳能板收集的太阳光的量翻倍。在低太阳仰角下收集更多的光也是有利的，因为最常用于PV器件(硅)的有源半导体材料的吸收阈值或带隙能量低于对应于高太阳仰角的太阳光谱的最佳吸收阈值或带隙能量，并且因此在低太阳仰角下效率增加，因为穿过大气的较长轨迹降低了到达太阳能板模块的光子的平均能量。
在夏季期间，太阳会达到高得多的仰角，并且这里提出的PV模块在大多数时候都背对太阳。夏季期间较高的温度和较低的预期电价使得不希望如现有技术中那样将PV模块直接面向太阳放置。弃电和过度供应减少了中午和夏季期间生产电力的需求，并且高温增加了PV模块损坏的风险，并且因此这里提出的配置在夏季几乎保持最佳。
高温在PV技术中是有害的，因为它降低了太阳能板的效率，并增加了其退化和故障率。在夏季的中午期间，太阳离地平线很高，并且这里提出的反射器拒绝大部分进入的热量将其返回大气层，从而降低了当地和全球的温度。镜面反射器或金属反射器的热量拒绝(heat rejecting)特性在蓄水池上的浮动PV发电厂中也可以是有益的，以减少水的蒸发损失。
能量产量在很大程度上取决于反射器的几何形状，并且光学设计中任何重大变化的结果都不是显而易见的，因为测试每个设计都需要针对不同气象条件下的几个相关位置利用全年的逐时气象数据(诸如温度、风速和辐照度)进行实验或射线追踪建模。特定位置的适当几何形状可以通过最小化平准化能量成本(LCOE)来确定，或者如果可以预测电力销售价格的时间变化，则优选地通过最大化投资回报率来确定。
本发明被设计为当太阳的仰角大约为35°(±10°)时具有最佳性能。为了避免在这些光照条件下PV板上的不均匀反射，假设PV板高度为1m，则需要使用1.67m宽(±30％)的反射镜。
光伏***可以包括多个双面光伏模块和反射器，沿南北轴线布置成至少一排，允许偏差为±20°。反射器延伸的长度比每排两端的光伏模块长，以避免在该排的边缘的双面光伏模块上产生不均匀反射。此外，***可以包括多个所述排，这些排以3.2m的最佳间距布置，允许偏差为±1.1m，这主要取决于相对于***中其他成本的地形成本，并且假设PV板高度为1m。
为了使所描述的光学***的接受角最大化，反射器的倾斜角应该使得它们只阻挡已经被其他障碍物(诸如相邻的太阳能板)阻挡的天空部分。因此，本发明的设计标准是，包括反射器的平面必须与包括光伏模块的平面以一角度相交，该角度的余弦为光伏板高度与反射镜宽度之比的一半。所述角度可允许±20°的偏差，因为与特定安装位置相关的考虑因素(例如：地形地貌、纬度、土壤、气象条件)可能有利于略微不同的几何形状。对于距离赤道40度的位置，最有利的配置是包括反射器的平面与包括光伏模块的平面以73°±20°的角度相交。
倾斜反射器还允许更高的峰值功率面密度，并且因此，东西方向上PV板的排之间的最佳间隔是PV板的高度的3.2±1.1倍。
本发明还涉及一种用于组装所描述的光伏***的组装方法，该方法包括：
-将至少一个双面光伏模块放置在静态支撑结构上；
-将至少一个双面光伏模块定向在基本垂直于东西轴线的位置，允许偏差为±20°；
-将至少两个镜面或金属反射器放置在所述支撑结构上，倾斜以面向双面光伏模块的每一侧，使得包括反射器的平面与包括双面光伏模块的平面以基本73°的角度相交，允许偏差为±20°，以及
-在反射器上放置多个刻面，并将刻面放置成在反射器内平行于与南北轴线相距54°的方位角方向，允许偏差为±20°，从而使离光伏模块最远的刻面的外端远离赤道旋转。
附图说明
为了补充正在进行的描述，并且为了有助于更好地理解本发明的特征，根据本发明的实际实施例的一个优选示例，附上一组具有说明性和非限制性的特征的附图作为所述描述的组成部分，其中，表示了以下内容：
图1a示出了根据本发明的第一优选实施例的PV***的示意性前视图，其中示出了竖直双面PV模块(2)和两个倾斜的太阳能反射器(3)，模块的每一侧各一个，每个反射器由透明聚合物制成，包括主金属化反射表面，以及一组较小的反射刻面，该反射刻面被制造为产生全内反射的空气/聚合物界面(裂缝或压痕)。示出了两条平行光线，一条直接入射到太阳能板模块上，并且另一条被反射并且然后在太阳能板模块上被吸收。
图1b示出了图1a中所表示的优选实施例的俯视图，其中太阳能反射器包括主反射表面和一组反射刻面，反射刻面垂直于主反射器平面并平行于与南北轴线相距54°±20°的方位角方向，所述方位角旋转的方向使得所述刻面的外端(离PV模块最远)远离赤道旋转。
图2示出了表示本发明(实线)和代表了当前技术现状下最具经济优势的***的具有双面光伏模块的水平单轴线追踪器(HSAT)(虚线)在Puertollano(西班牙)典型冬季一周的电力生产的曲线图。
图3示出了表示本发明(实线)和代表了当前技术现状下最具经济优势的***的具有双面光伏模块的水平单轴线追踪器(HSAT)(虚线)在Puertollano(西班牙)典型夏季一周的电力生产的曲线图。
图4示出了安装在有坡度的屋顶上的本发明，其中太阳能板模块基本上垂直于东西轴线，并且反射器几乎垂直于模块，但略微向相邻模块倾斜。在每排的端部需要附加反射器表面积，以避免***的边缘处的不均匀反射。为了清楚起见，图4中没有示出支撑结构，因为支撑结构的细节不是本发明的目的。
图5示出了作为竖直PV模块的方位角定向的函数的平准化能量成本。在原点处，模块的前侧面向东方。对于这一图和随后的图，假设安装在平坦水平地形上的最佳***，并且产生的电力按小时计算并对西班牙Puertollano典型气象年进行积分。
图6示出了作为相对于竖直方向的反射器倾斜角度的函数的平准化能量成本。
图7示出了作为相对于PV模块高度的反射器宽度的函数的平准化能量成本。假设反射器的内边缘紧邻太阳能板模块的下边缘，并紧邻地面。
图8示出了在具有垂直于主反射器的全内反射刻面的丙烯酸聚合物反射器中，作为相对于刻面间距的刻面高度的函数的平准化能量成本。
图9示出了作为相对于南北轴线的刻面方位角的函数的平准化能量成本。
图10示出了使用波纹铝片制成的反射器的一个实施例的南部的透视图。为了清楚起见，图10中没有示出支撑结构，因为支撑结构的细节不是本发明的目的。
图11示出了基于全内反射的带有辅助背反射器的电介质微棱镜阵列反射器的横截面，该反射器设计用于高入射角(低太阳仰角)下的高反射性。
图12示出了光谱选择性二向色反射器的反射和透射光谱，该反射器设计为在光合作用所需的色素(诸如叶绿素和胡萝卜素)的特定波长下具有透射峰。
图13示出了农业光伏温室南部视图，其中东西面向竖直双面光伏模块和部分透射二向色反射器。箭头示出了入射光线的部分透射和反射。
图14示出了现有技术中已知的商业农业光伏***的代表性示例的东部视图。在冬季期间，由于太阳的低仰角，光伏模块遮蔽了大部分作物。
图15示出本发明代表性农业光伏温室的东部视图(本发明相同实施例的南部视图如图13所示)。顶部的箭头表示入射光线，并且底部的箭头表示由光谱选择性反射器部分透射的光线。农作物上的阴影大多被避免。
具体实施方式
以下借助于上述附图提供对本发明的目的的优选实施例的示例的详细说明。
利用部署位置的实际气象数据(诸如温度、风速和辐照度)，考虑到不同时间电力的预期经济价值，并最小化太阳能板的温度以避免太阳能板的退化和故障，通过射线追踪建模，对***几何结构进行了优化。已经测试了定义***几何形状的参数的一系列值，并通过与针对几个特定几何形状获得的实验结果进行比较来验证了建模结果。
图1a示出了根据本发明的第一优选实施例的PV***(1)的示意性前视图，该***没有太阳追踪，其中示出了垂直于东西轴线的基本竖直平面上的双面PV模块(2)，以及朝向紧邻的PV模块倾斜的太阳能反射器(3)，反射器(3)包括基本垂直于主反射器平面(3)的一组反射刻面(4)。
90°反射器倾斜角度(垂直于PV模块的反射器)允许更简单的结构支撑件，并且可能有利于特定的应用和地理位置，但通常会产生比具有倾斜的反射器的***更低的年能量产量。
图1b示出了图1a所示优选实施例的俯视图。双面模块优选地以前侧(是最有效的侧)面向东定向。这种模块定向的优势在图5中示出。
反射器相对于竖直方向朝向紧邻的双面模块倾斜73°。这种模块定向的优势在图6中示出。反射器的横向宽度经过优化，以平衡反射器的附加成本和提供的附加能量产量，如图7所示。
该组反射刻面(4)被配置为使得以低仰角(北半球的冬季中午)从南面入射的太阳光被反射到面向东/西的双面模块(2)。太阳光被反射到竖直双面PV模块(2)。来自东面(E)和南面(S)的入射光线的路径被包括在图1b中，以说明本发明的工作原理。
反射刻面(4)垂直于主反射器平面，其高度与刻面间距相匹配(该比率的最佳值与折射率成反比)。如图8所示，***性能随着刻面尺寸的增加而改善，直到当较大的刻面尺寸由于反射器内部的多次反射而导致损失时达到最佳点。
反射刻面(4)平行于远离南北轴线旋转54°±20°的方位角方向，所述旋转的方向使得刻面的外端(离模块最远)远离赤道旋转。图9中示出了反射刻面的这种特定方位角定向的需要。在北半球的冬季期间，当太阳仰角低时，在中午期间来自南面的太阳光被刻面(4)反射朝向模块(2)。在没有刻面(4)的情况下，大部分冬季直接辐照度将被浪费。在夏季期间，太阳仰角高，并且大部分辐照度通过反射器(3)反射回大气层，保护模块(2)免受由于过高温度而造成的损坏。
尽管图中所示的实施例具有包括PV太阳能板的对称平面，但这种对称性不是本发明的要求，并且在大多数位置，在这里为***的主要参数指定的界限内，最佳配置将略微偏离完美对称性。由于下半天的温度往往更高，并且早上的大气层往往更透明，因此稍微旋转或倾斜***的一些元件(太阳能板、反射镜或刻面)以利于上半天的能量生产而不利于下半天的能量生产可能是有利的。另一方面，产生的电力的经济价值可能在下半天更高，有利于略有不同的几何形状。
可替代地，太阳能反射器(3)可以被冲压、压花、弯曲或成形，以实现相同的效果：设计的双向反射率分布函数(BRDF)，使得以平行于光伏模块(2)的方位角入射的太阳光被反射到竖直PV模块(2)。
图2示出了表示本发明以及代表了当前技术现状下最具经济优势的***的具有双面模块的水平单轴线追踪器(HSAT)在Puertollano(西班牙)典型冬季一周的电力生产结果的曲线图。本发明在阳光明媚的冬季期间比现有技术的双面HSAT产生更多的电力，并且较少受到云的存在的影响。其中证明了本发明在冬季产生更丰富、稳定和可靠的能量供应。
图3示出了表示本发明以及代表了当前技术现状下最具经济优势的***的具有双面模块的水平单轴线追踪器(HSAT)在Puertollano(西班牙)典型冬季一周的电力生产结果的曲线图。当太阳仰角低时(早上和傍晚)，本发明被优化用于更高的生产，并且阵列平面上的辐照度随着太阳仰角在中午的增加而降低，从而降低了中午的能量生产，但也降低了太阳能板的温度，从而减缓了已知被热激活的故障和退化过程。对于在Puertollano(西班牙)的本发明的该实施例，年能量产量与装机电力容量的比率为2634kWh/kW，而双面HSAT的产量仅为2134kWh/kW。这23％的利润率留下了足够的空间来支付反射器的附加成本。丙烯酸聚合物的成本目前约为3欧元/千克，而如果实现大规模生产，与材料成本相比，转化和金属化成本可以忽略不计。
如图4所示，本发明可以适用于有坡度的屋顶或地形，因为***的几何形状不是相对于水平平面定义的，而是相对于包括PV模块(2)的竖直平面定义的。
如图10所示，用于建筑屋顶的未抛光铝或波纹铝片可以用于此应用，以降低成本，而不是高光学质量的反射镜，因为由于太阳能板(2)靠近反射镜(3)，反射镜(3)中的划痕和缺陷散射的大部分光仍被收集。反射光中较高的漫射成分也使太阳能板不太可能被不均匀光照损坏。有利的是，这些波纹铝片反射器可以用作建筑物屋顶的组成部分，具有双重用途并增加投资回报率。为了更大的耐久性，铝优选被阳极氧化或由透明涂层保护。通过将屋顶金属片的刻面或波纹沿与南北轴线相距54°±20°的方位角方向定向，来自南面的大部分太阳光朝向太阳能板模块反射。在海洋环境或具有高浓度离子盐的其他环境中，不锈钢由于其较高的耐腐蚀性而优于铝作为反射器。否则，铝由于具有更高的反射性而是优选的。
无框架PV太阳能板对于本发明是有利的，以避免由模块框架在掠入射时引起的阴影。用于所述模块的双玻璃构造对于结构完整性和在高背面辐照度下的较慢退化也是有利的。由于更高的双面性因素，对于本发明，优选使用基于n型硅太阳能电池技术(诸如HJT、TOPCon或PERT技术)的模块。
在反射器(3)上限定的刻面(4)的目的是获得双向反射率分布函数(BRDF)，使得以平行于光伏模块(2)的方位角入射的太阳光被反射到竖直PV模块(2)。如图11所示，满足这一要求的附加实施例是基于全内反射的电介质微棱镜阵列反射器的横截面，该反射器设计用于在高入射角(低太阳仰角)下的高反射性。更具体地，沿着垂直于横截面的方向具有平移对称性的线性光学元件(6)优选地由高度透明的材料(诸如丙烯酸聚合物)制成。不满足光学元件(6)上的全内反射要求的那些光线被透射到可选的背面反射器(7)，从而增加了朝向光伏模块反射的能量。在该实施例中，微棱镜阵列(6)用于偏转入射的太阳光，该微棱镜阵列可以例如通过在紫外线固化的丙烯酸树脂上进行辊对辊压印来制造。图11中的示例性光学设计类似于基于全内反射的常规回射器，但有两个修改：平移对称方向，用以保留一个入射矢量分量；以及一对正交回射刻面的可选倾斜，使得回射发生在从南面的大入射角而不是法向入射。当入射光线沿着微棱镜阵列的平移对称方向具有大的矢量分量时，对入射矢量的影响最好描述为入射光的偏斜反射或偏转，而不是回射，但这仍然会导致一些入射光到达光伏模块，从而增加电力生产。这种类型的光学元件是角度选择性反射器，因为在低入射角(高太阳仰角)下有很小或没有反射。可选的附加反射表面(7)可以在下面使用，以确保在所有角度下都有一些反射。
反射器(3)和(7)也可以通过包括具有周期性折射率对比度的透明多层而在光谱上具有选择性或二向色性，从而对某些波长下的反射光产生相长干涉。如图12所示，这种二向色反射器可以被设计成反射对光伏电力生产最有利的光子能量范围，同时透射光合作用(8、9)所需的特定光子能量，从而使反射器下的地面农业生产成为可能，如图13所示。
图12示出了光谱选择性二向色反射器的反射和透射光谱，该反射器设计为在光合作用所需的色素(叶绿素(8)和胡萝卜素(9))的特定波长下具有透射峰。图12中所示的特定示例对应于在聚对苯二甲酸乙二醇酯基板上通过沉积110nm的TiO2、然后沉积190nm的SiO2、95nm的TiO2、150nm的SiO2，75nm的TiO2和120nm的SiO2以及60nm的TiO2而制造的反射器。其他成本较低的二向色反射器可以使用挤出聚合物膜来制造，该挤出聚合物膜用较大数量的层来补偿较低的折射率对比度。
图12的反射器还被设计为在光伏模块的带隙吸收阈值(波长<1100nm)之上具有高反射率并且对其余红外光谱具有高透射率，以避免光伏模块不必要的加热造成的损失。
如图14中的示例所示，大多数常规的农业光伏***使用追踪或朝南的光伏模块，不可避免地导致遮蔽和农业产量下降。与现有技术现状的农业光伏***相比，本发明的主要优点不仅在于反射器提供的更高的能量产量，而且在于太阳能板在冬季中午期间是侧向的这一事实，从而最大化可用于光合作用的太阳光，如图15所示，在冬季中午期间的本发明的一个优选实施例的东部视图。
Claims (15)
1.一种包括金属或基本镜面反射器表面的双面光伏***(1)，所述双面光伏***包括：
-至少一个双面光伏模块(2)，其安装在支撑结构上，安装位置基本垂直于东西轴线，允许偏差为±20°，
-至少两个金属或基本镜面反射器(3)，其在所述双面光伏模块(2)的每一侧上，并且漫反射率小于总半球反射率的一半，
其中，所述反射器(3)在垂直于南北轴线的方向上的所述宽度是所述光伏模块(2)在垂直于地面的方向上的高度的1.67倍，允许偏差为所述宽度的±30％，并且其特征在于，所述反射器(3)被倾斜以面向所述双面光伏模块(2)的每一侧，使得包括所述反射器(3)的平面与包括双面光伏模块(2)的平面以基本73°的角度相交，允许偏差为±20°，其中，所述反射器(3)包括平行于远离所述南北轴线旋转±54°的方位角方向的多个刻面(4)，允许偏差为±20°，所述旋转的所述方向使得离所述光伏模块(2)最远的所述刻面(4)的外端远离赤道旋转。
2.根据权利要求1所述的光伏***(1)，包括多个双面光伏模块(2)和多个反射器(3)，所述多个反射器沿所述南北轴线布置成至少一排(5)，允许偏差为±2°，其中，在每一排(5)的两端处的所述反射器(3)沿着所述南北轴线延伸比所述双面光伏模块(2)更长的距离，以避免在所述排(5)的边缘处的所述双面光伏模块(2)上的不均匀反射。
3.根据权利要求2所述的光伏***，其中，多个所述排(5)沿所述东西轴线重复布置，间隔距离是所述光伏模块(2)在垂直于地面的方向上的高度的3.2倍大，允许偏差为所述高度的±1.1倍。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏***(1)，其中，所述太阳能反射器(3)由未抛光的铝、波纹铝或不锈钢片制成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏***(1)，其中，所述太阳能反射器(3)是玻璃反射镜。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的光伏***(1)，其中，所述太阳能反射器(3)是聚合物反射镜。
7.根据权利要求5所述的光伏***(1)，其中，所述反射刻面(4)中的至少一些是玻璃中产生全内反射的裂纹或裂缝和/或金属化玻璃表面。
8.根据权利要求4或5或6中任一项所述的光伏***(1)，其中，所述反射刻面(4)中的至少一些由铝片或不锈钢片制成。
9.根据权利要求5或6中任一项所述的光伏***(1)，其中，所述反射刻面(4)中的至少一些是产生全内反射的聚合物表面和/或金属化聚合物表面。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光伏***(1)，其中，所述刻面(4)基本上垂直于所述反射器(3)，允许偏差为±20°，并且所述刻面(4)的所述高度等于所述刻面(4)之间的距离，允许偏差为所述距离的±80％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光伏***(1)，其中，包括所述反射器的平面和包括所述光伏模块(2)的平面以65°和83°之间的角度相交。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光伏***(1)，其中，所述反射器包括沿一个方向具有平移对称性的电介质微棱镜阵列(6)，其中，所述微棱镜阵列(6)通过在特定入射角下的全内反射操作。
13.根据权利要求12所述的光伏***(1)，其中，当所述入射角不满足所述全内反射条件时，所述微棱镜阵列(6)下方的附加反射表面(7)反射由所述微棱镜阵列(6)透射的光线。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光伏***(1)，其中，所述反射表面(3、7)或刻面(4)中的至少一个在光谱上是选择性的，如在二向色反射器中，以选择性地反射能量高于所述光伏模块(2)的带隙吸收阈值的光子，同时透射具有光合作用所需的特定波长的光子并吸收有害的紫外线光子。
15.一种用于组装根据权利要求1至14中任一项所述的光伏***(1)的组装方法，所述方法包括：
-将所述至少一个双面光伏模块(2)放置在所述静态支撑结构上；
-将所述至少一个双面光伏模块(2)定向在基本垂直于所述东西轴线的位置，允许偏差为±20°；
-将所述至少两个镜面或金属反射器(3)放置在所述支撑结构上，倾斜以面向所述双面光伏模块(2)的每一侧，使得包括所述反射器(3)的平面与包括所述双面光伏模块(2)的平面以基本73°的角度相交，允许偏差为±20°，以及
-在所述反射器(3)上放置所述多个刻面(4)，并将所述刻面(4)放置成在所述反射器内平行于与所述南北轴线相距54°的方位角方向，允许偏差为±20°，从而使离所述光伏模块(2)最远的所述刻面(4)的所述外端远离所述赤道旋转。
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