CN1750274A - 用于太阳能聚光器的光电模块 - Google Patents

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Abstract

一种包括适于接收太阳能(24)并将其转换为电能的太阳能电池(12)的能量转换***(10)。该能量转换***(10)还包括适于接收太阳能(24)并将其引导至太阳能电池(12)上的太阳能聚光器(14)。太阳能聚光器(14)具有透镜，该透镜包括至少一个具有离轴结构的线状聚焦部分(16)、邻近该至少一个线状聚焦部分(16)的至少一个球形部分(18)，其中该至少一个球形部分(18)具有离轴结构，以及与该至少一个线状聚焦部分(16)和至少一个球形部分(18)相邻的无图案部分(20)。

Description

用于太阳能聚光器的光电模块
技术领域
一般说来，本发明涉及一种太阳能转换***，更确切地说，本发明涉及一种将太阳能转换为电能的光电模块。
背景技术
太阳能被认为是当今使用的化石燃料的一种替代能源。目前来说，相对于化石燃料，太阳能比较昂贵。当太阳能的生产更加具有成本竞争力时，太阳能的更广泛使用是有可能的。
将阳光转换为电能的太阳能转换模块通常利用光电模块、光电池或太阳能电池，它们将太阳能转换为电能以便储存。太阳能电池产生的电能能量与太阳电池吸收的太阳能能量直接相关，而后者又基于太阳能电池的大小或表面积，以及照射到太阳能电池上的阳光强度或亮度。
一般说来，太阳能电池成本占太阳能转换模块的元器件成本的大部分。这是因为太阳能电池通常基于单晶硅，而单晶硅是一种比较昂贵的材料。因此，通过增加太阳能电池的大小来提高电池产生的电能是一种花费较高的方法。使用较大的电池也会造成较高的运输成本。
因此就需要一种改进的技术，它利用光电模块或光电池在较低成本下生产电能。
发明内容
依照本技术的一个方面，提供了一种能量转换***，其中包括适于接收太阳能并将太阳能转换为电能的太阳能电池。太阳能聚光器适于接收太阳能并将其引导至太阳能电池。太阳能聚光器包括透镜，透镜又包括至少一个具有离轴结构的线状聚焦部分、至少一个邻近线状聚焦部分并具有离轴结构的球形部分，以及邻近该至少一个线状聚焦部分与该至少一个球形部分的无图案(unpatterned)部分。
附图说明
当阅读下面详细描述并参考附图时，本发明这些和其他特征，方面和优点可以被更好地理解，在所有附图中相同的标号代表相同的零部件，其中：
图1是依照本技术的能量转换***的图，其中包括太阳能聚光器和太阳能电池；
图2是依照本技术的沿太阳能聚光器和太阳能电池的轴线2-2剖开的示例性剖视图；
图3是显示了依照本技术一个方面的太阳能电池阵列和太阳能聚光器阵列的示例性设置的示意图；
图4是显示了依照本技术一方面的在一天中太阳的投射角度随时间变化的图示；
图5是依照本技术一方面的具有反射器的太阳能聚光器和太阳能电池的示意性设置；和
图6是显示了依照本技术一方面的太阳能聚光器的示例性设置的示意图。
部件列表
10    能量转换***
12    太阳能电池
14    太阳能聚光器
16    透镜的线状聚焦部分或柱形部分
18    透镜的球形部分
20    无图案部分
22    图2
24    太阳光
26    太阳光线弯曲
28    图3
30    太阳能电池阵列
32    太阳能聚光器阵列
34    图4
36    太阳的投射角度
38    一天内的时间
40    显示了特定季节的某一天(夏至)中太阳投射角度随时间变化的图表
42    显示了特定季节的某一天(秋分)中太阳投射角度随时间变化的图表
43    显示了特定季节的某一天(冬至)中太阳投射角度随时间变化的图表
44    夏至和秋分之间的太阳投射角度之差
46    图5
48    反射器
50    反射器的支架
54    端盖
具体实施方式
本发明公开了一种适于接收太阳能并且将太阳能转换为电能的能量转换***。在下面的附图说明中，每个图中的相同特征尽可能采用相同标号来命名。
现在参见附图，图1是能量转换***10的图示。该***的每一个元件都会在下面详细介绍。
能量转换***10包括设置成用来接收阳光并将阳光中的太阳能转换为电能的太阳能电池12。该***还包括被设计成接收太阳能并将其引导至太阳能电池12的太阳能聚光器14。太阳能聚光器14包括透镜，该透镜又包括至少一个具有离轴结构的线状聚焦部分16，至少一个邻近该至少一个线状聚焦部分并具有离轴结构的球形部分18，以及邻近线状聚焦部分16与球形部分18的无图案部分20。
在一个实施例中，太阳能聚光器14包括菲涅尔(Fresnel)透镜。该菲涅尔透镜具有分段的透镜的表面曲率，从而保持了与常规透镜相似的主焦距，但重量只有常规透镜的一部分。对于薄的凸透镜而言，平行的阳光阵列通过透镜被聚焦到一点，此点被称为主焦点。从透镜到主焦点的距离是透镜的主焦距“f’。在本技术的所示实施例中，透镜的球形部分18、透镜的柱形部分16和透镜的无图案部分20设置成使得能够在特定一天内太阳所处的不同位置中，获得阳光的最大投射宽度。
在所示实施例中的线状聚焦部分16包括菲涅尔透镜的柱形部分。透镜的无图案部分20设置成可接收发散的阳光并将照射的阳光引导至太阳能电池12。
应当注意的是，在本技术中，尽管只在图1中公开了透镜的球形部分18、透镜的柱形部分16和透镜的无图案部分20的特定设置，然而透镜的球形部分18、透镜的柱形部分16和透镜的无图案部分20的多种其它设置也是可行的。
一般地说，参考图2更详细地说明了沿太阳能聚光器14和太阳能电池12的图1所示轴线2-2的示例性剖视图22。在所示图2中，太阳光24被引导至太阳能聚光器14上。太阳能聚光器14包括透镜的球形部分18、透镜的柱形部分16和透镜的无图案部分20。太阳光相对于纬度和经度的角位置均不改变。这就使得能够利用透镜段的透柱形部分16来使沿太阳能电池12平行于纬度方向的太阳光24聚焦。菲涅尔透镜的无图案部分20将太阳光24中的发散光和未集中的太阳光传导至太阳能电池12上。无图案部分20也能够收集雾天散射的和发散的阳光24，这些光入射到太阳能电池12而不会从太阳能电池12中再次导出。在透镜端部的球形部分18(如图2所示)对于太阳的东-西运动提供了更大的高度角范围，因此能够将太阳光24引导至太阳能电池12。通过沿太阳能电池长度方向形成一条线而不是一个亮点，柱形部分16将太阳光24更加均匀地分布在太阳能聚光器14的表面上。因此，以各种投射角度引导至太阳能聚光器14上的太阳光24以一定图案会聚在太阳能电池12上，阳光聚集程度较小，从而不会导致由于入射光过强而引起的太阳能电池性能下降。
典型的透镜制作成具有中心的机械和光学轴线，使阳光24能够通过而不被弯曲和折射。透镜表面的顶点在机械/光学轴线上，根据透镜焦距的正负来决定是表面是凹还是凸的。标准透镜的焦点位于光学轴线上的距后透镜顶点为一个后焦距长度的位置处。透镜或反射镜的离轴段不会聚焦在透镜的光学轴线上。通过利用透镜的离轴段，通常在透镜下均匀入射的太阳光现在则聚焦在光学轴线上。这就有效地使光学轴以下的光线弯向透镜的光学轴。如果使用球面透镜，则所得的聚焦强度分布是一个点，而如果使用柱面透镜，强度分布是一条线。在本技术的一个实施例中，具有离轴结构的透镜柱形部分16(包括此部分的机械中心和圆柱的全部上半部分或下半部分)沿太阳能电池12的长轴来使用，而在边角(上或下象限)具有离轴结构的透镜球形部分18和在无图案部分20宽度两边的柱形部分16形成了端盖(未在图2中标出)。在另一个实施例中，太阳能聚光器的端盖是透镜的柱形部分，它能够在柱形部分16的短边上(具有制造简单的优点)获取太阳光24的大部分，但也使得一些太阳光被聚焦在太阳能电池12之外。
透镜的柱形部分16和球形部分18的离轴结构能够在一天中更长的时间内使太阳光24弯向(26)太阳能电池12的中心。通过利用菲涅尔透镜的离轴结构，太阳光24在太阳光24的各种投射角下被引导至太阳能电池12。这就使得太阳能电池12可以比太阳能聚光器14尺寸更小，如图2所示，同时也减少了太阳能电池12的厚度，因此降低了太阳能电池的成本。
通常，太阳能电池12的成本主要由硅或太阳能电池12中任何类似材料的成本来决定。通过减少为达到太阳能电池12指定的瓦数而所需的硅的总表面积，***10的成本因而也得到降低。利用本技术的聚集光学结构来构建的***可采用更小的矩形太阳能电池12，其沿东西方向的长度比沿南北方向的宽更长。这些太阳能电池12的间距可以比它们宽度大两倍。除此之外，透镜的球形部分18和柱形部分16的离轴结构使得在相对于太阳能电池12的各种投射角度下都能够聚集太阳光24。通过这种方法，能量转换***10的效率就可以得到提高，同时***的总体成本得到降低。
现在参见图3，它说明了太阳能电池30阵列和太阳能聚光器32阵列的示例性设置。在这样一种设置中，多个太阳能聚光器14和多个太阳能电池12形成了太阳能电池阵列30和太阳能聚光器32阵列，如图3所示。在本技术的一个例子中，一对太阳能电池12和太阳能聚光器14可以并排地设置，如图3所示。然而，应该注意这只是一种示例性布置，任何组合和任何数量的太阳能聚光器14和太阳能电池12可设置成用来形成太阳能电池阵列30和太阳能聚光器32阵列。太阳能聚光器32阵列和太阳能电池阵列30的这种设置使将被引导至太阳能电池12上的太阳光24可具有更大的覆盖范围，因此提高了能量转换单元10的效率。
现在参见图4，它提供了一天中相对于时间38的太阳投射角度的图示34。一天或一年中太阳投射角度34和时间38之间的关系被称为太阳高度角。标号40代表的曲线表示特定季节的特定一天(夏至)中相对于时间38的太阳总投射角度36。同样地，标号42代表的曲线表示另一个季节的特定一天(秋分)中相对于时间38的太阳总投射角度36。标号43代表的曲线表示另一个季节的特定一天(冬至)中相对于时间38的太阳总投射角度36。可以通过实验证明，太阳总投射角度36在夏至和秋分之间存在大约+/-23度的差别，如标号40所示。
为此，由于在夏天和冬天之间存在太阳投射角度36的差别，因此在能量转换单元10中使用了多个反射器，以便提高夏天和冬天太阳高度角极值时的照度。在太阳能电池12的每一边都可布置有反射器(将在下面解释)，使得太阳光24在太阳高度角极值时能够聚焦在太阳能电池12上。以这种方式，那些在夏天和冬天会落在太阳能电池12的上、下部分之外的太阳光24被反射回太阳能电池12的有效区域内。这些反射器形成有1/2顶角的锐角，其典型值在15至30度范围内。
图5说明了配有反射器48的太阳能聚光器14和太阳能电池12的示意性设置示例。如前所述，在太阳能电池12的每一边都安置有多个反射器48，用来在太阳高度角极值时聚集太阳光24。然而应当注意的是，在另外一个示例性实施例中，反射器48集成在太阳能电池12中，这就使对太阳能电池12的设计更加通用化和模块化(出于简便目的而未在图5中显示)。反射器48通常配有支架，如图5中的标号50所示。这种布置同样适用于图4中说明的太阳能电池12阵列。图5还包括在前面段落中说明的由菲涅尔透镜的柱形部分16、球形部分18和无图案部分20组成的太阳能聚光器14的示例性设置。然而，在本技术另外一个实施例中，柱形部分16可以用来代替图5中球形部分18而设在太阳能聚光器14的每一端。这种设置沿太阳能电池12的短端方向产生了对太阳光24的线状聚焦。
现在参见图6，它提供了说明太阳能聚光器的示例性设置的示意图。在这样的一种排列中，具有离轴结构的透镜柱形部分16设在太阳能聚光器14的两个端盖54处。在本技术另外一个实施例中，球形部分18和柱形部分16的组合也可以设在太阳能聚光器14的两个端盖54处。太阳能聚光器14的这些设置也可以用在上述太阳能聚光器阵列中。正如本领域的技术人员所理解的那样，虽然本技术公开了太阳能聚光器14中的球形部分18、柱形部分16和无图案部分20的某种图案，然而柱形部分16、球形部分18和无图案部分20的任何组合均可以设在太阳能聚光器14周围。
上面介绍的技术提供了一种适于接收太阳能并将其转换为电能的有效的能量转换***10。***10有助于减少太阳能电池12的大小，因而减少了太阳能电池12中硅的使用，从而降低了***10的成本。除此之外，***采用了菲涅尔透镜的柱形部分16和球形部分18的离轴结构与无图案部分20组合，使得在各种太阳高度角下的各种太阳36投射角度处都能够将太阳光24聚集在太阳能电池12上。
正如本领域的技术人员所理解的那样，在不偏离本发明范畴和实质的同时，可以做出各种形式和内容上的修改。例如，在一些实施例中可以使用折射、开口和/或散射透镜，还可以使用具有合适结构或控制机构的可移动或可调节透镜、反射镜和棱镜来引导小角度范围内的阳光至太阳能电池上。进一步说，所有或任何太阳能电池阵列和太阳能聚光器阵列不必是同样大小。最佳设置可以包括在大小和/或其他特征上明显相似的阵列。
尽管这里只说明和描述了本发明的某些特征，然而，本领域的技术人员可以做出很多修改和变化。因此可以理解，所附权利要求旨在涵盖属于本发明实质精神内的所有这些修改和变化。

Claims (10)

1.一种能量转换***(10)，其包括：
设置成可用来接收太阳能(24)并将太阳能(24)转换为电能的太阳能电池(12)；和
设置成可用来接收太阳能(24)并将太阳能(24)引导至所述太阳能电池(12)上的太阳能聚光器(14)，所述太阳能聚光器(14)包括透镜，所述透镜又包括：
包括离轴结构的至少一个线状聚焦部分(16)；
邻近所述至少一个线状聚焦部分的至少一个球形部分
(18)，其中所述至少一个球形部分(18)包括离轴结构；和
邻近所述至少一个线状聚焦部分(16)和所述至少一个球形
部分(18)的无图案部分(20)。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述透镜包括设在所述太阳能电池(12)之上的菲涅尔透镜的一部分。
3.根据根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述至少一个线状聚焦部分(16)包括菲涅尔透镜的柱形部分。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述至少一个无图案部分(20)设置成将光线均匀地分布在所述太阳能电池(12)的表面上。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述透镜还包括两个被所述无图案部分(20)相互隔开的线状聚焦部分和两个被所述无图案部分(20)相互隔开的球形部分。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述太阳能聚光器(14)成形为细长的形状，其中所述两个线状聚焦部分设在其相对的两端处。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述太阳能聚光器(14)设置成使得其两端呈东-西定向。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***包括多个反射器(48)，其设置成用来改进太阳高度角极值时的照度。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述至少一个线状聚焦部分(16)设在所述太阳能聚光器(14)的每一端。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述至少一个线状聚焦部分(16)和所述球形部分(18)的组合设在所述太阳能聚光器(14)的每一端处。
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