专利名称：聚光光伏系统及其聚光方法
技术领域：
本发明涉及基于用于截取和聚光入射太阳光线的光束的聚光器
装置的聚光光伏(photovoltaic)系统；本发明还涉及基于用于截取和 聚光入射太阳光线的光束的聚光器装置在光伏电池上聚光太阳能的 方法。
背景技术：
如公知的，光伏系统包括一定数量的光伏电池，所述光伏电池允 许接收太阳光线并将其变换为供最终使用的能量，例如电能。
最常见的光伏系统是所谓的"平板"光伏系统，其中所产生的电 能的量与所使用的光伏电池的表面面积成比例；由于该原因，这些电 池实际上覆盖了暴露在太阳的光线下的面板的全部表面，这些表面必 须具有大的尺寸，以便以有效率的方式产生一定量的可使用的能量。
这些系统的严重的缺点在于代表面板的整体成本的大部分的光 伏电池的成本。因此，减小成本的可能性几乎完全取决于光伏电池的 成本的减小。
该部分(不是一个新的部分)的研究可产生有限的提高，并且仅 以主要在电池技术方面的巨大的投资为代价。
光伏系统的演进在于所谓的"聚光"光伏系统，所述"聚光"光 伏系统使用截取太阳的光线并将其聚光在光伏电池上的聚光器装置， 所述光伏电池具有与聚光器装置的聚光因子成反比例的尺寸。
聚光光伏系统确保远超过传统平板光伏系统的性能，减小电池的 比例成本，并形成了为改进和更多的扩展研究留有空间的年轻的技 术。
然而，面临的问题是聚光也导致电池的温度升高至危险水平，所以几乎一直在构思适合的散热器。
温度的升高是由于导致电子移动(电力)的光子(太阳光)的量 不高(低效率)的事实，因此许多研究都集中在用于提高光子-电子 "转换"的解决方案上。
对于该问题的一种解决方案构思了使用多接合电池(multi-joint cell)，即一种类型的多层光伏电池，其以显著的方式有效地增加电 池的整体效率，并允许降低温度。然而，这些电池是使用例如锗的昂 贵和稀有的材料生产的，并且该技术有些复杂，所以该方案不容易被 实现。
于2006年10月19日公布的Giuliano Martinelli等人的专利申 请WO 2006/108806描述了一种系统，该系统构思通过两个或更多同 轴反射盘将太阳能分为两个或更多频带(二色的、三色的和更常见的 多色系统)，所述同轴反射盘中的第一个反射具有特定光谱组成的太 阳辐射，并允许剩余部分的辐射向其它盘传递。
在两个盘的情况下，这些盘的每一个将相应能量的部分向不与其 它盘的焦点重合的其自己的焦点反射。然后，射入的太阳能被分割为 两个光束，所述两个光束具有不同光i普组成和等于总入射能量的一部 分的能量含量，即使与每个光束相关联的能量的总和明显地对应于分 割之前的能量。
该分割有两个效果
*减小了对于相同聚光因子的每个电池的能量负载； *导致光子/电子转换过程中的较高效率。
整体的结果是被转换为电能的太阳能的量更高，并且每个电池 中产生的热被显著地减小。
尽管所引用的专利申请中所描述的系统形成了在散热方面的改 进，其还具有下述缺陷
*抛物面反射器具有与抛物面的数学面积大大不同的整体几何 形状，并且这导致了构造性质的问题，使得难以大量生产。
*抛物面盘的整个表面必须在其中包括用于所需频带的通带滤波器功能以及非通带反射功能； *由于非常大的尺寸，不能容易地使用例如塑料注塑技术的低
成本技术；
*电池排列在抛物面盘的焦点处，该抛物面盘具有凸出超过所
述盘并且在本质上非常脆弱的臂；
*难以在大型设备中如可以想象的使用自动系统来执行必须周
期性地进行以确保系统的最佳效率的盘的清洁； *总体来讲，整个系统具有复杂的功能，并且操作起来很复杂。 这些缺陷使得所提出的系统难以大规模地应用。 本发明的目的是提供在成本和制造简单性方面被改进以克服现 有技术的缺点的聚光光伏系统。
发明内容
上面所指出的目的是通过根据权利要求l的聚光光伏系统来实现的。
此外，本发明涉及根据权利要求20的用于将入射太阳光线的光 束聚光在光伏电池上的方法。
利用本发明，可以实现制造成本和效率水平的显著改进。 透镜和电池是使用传统低成本技术生产的。 系统的效率大于现有技术的系统的效率。
参照附图，本发明的特性特征和其它优点将从下文中的完全是通 过非限制性的示例方式提供的本发明的实施例的例子的描述中显现。
图1示出了在停止状态下的，即在没有太阳辐射的状态下的根据 本发明的第一实施例的光伏系统的局部剖开的透视图； 图2示出了操作状态下的根据图1的系统； 图2a、 2b和2c示出了图l和图2的细节； 图3示出了在停止状态下的，即在没有太阳辐射的状态下的根据本发明的第二实施例的光伏系统的局部剖开的透视图； 图4示出了操作状态下的根据图3的系统； 图5示出了根据图3和图4的系统的俯视图； 图6示出了本发明的系统的细节的剖视图。
具体实施例方式
参照这些图，在图1中，聚光光伏系统l包括优选地包含第一部 分18的容器16 (仅局部在图l和图2中被示出)，所述第一部分18 在其下部基座的区域中置于在第二部分110上，其顶部基座的区域打 开。
第一部分18和第二部分110也可具有截头金字塔形状、平行六 面体形状、截头圆锥体形状或与这些形状相似的形状。
第一部分18支持第一聚光器装置2，特别是表面2，用以接收和 聚光而不反射入射太阳光线的光束14 (如图2所示)。
根据本发明，表面2是透镜(特别是，菲涅耳透镜)并且可具有 对应于容器16的第一部分18的形状的不同的外周形状，具体地讲， 方形或圆形。
因此，容器16是菲涅耳透镜和其它所示部件的支架，并且保护 和隔离系统的所有部件。
参照图6所示的圆形透镜的具体情况，菲涅耳透镜的特别特征是 其执行与具有相等的折光力的传统的半球形透镜相同的功能，使得入 射光线会聚在被称为焦点的点上，其优点是具有小的厚度和重量；如 图6中的横截面所示，该透镜是通过将传统的半球形透镜分为一系列 被称为菲涅耳环的同心圆形部分，并将传统的半球形透镜的连续曲线 变换为一系列具有相同曲率但径向不连续的表面2a-2e而获得的。
如图2、 2a和2b所示，透镜将入射和平行的太阳光线的光束14 聚光为会聚光线的光束144;在图2中示例了与图l相同的系统，所 述系统具体示出了太阳光线14的路径，所述太阳光线14照射并穿过 表面2而不^L反射。根据本发明，聚光器装置2与入射太阳光线14的频率无关地工作。因此，会聚光线的光束144是仅被重引导的并没有被衰减、滤波或反射的光束。
在图2a中，从相对于图2的相对侧示出了系统，也就是说，部件501、 601和701为相反顺序。
如图2b所示，根据表面2的特征，光线144被重引导至透镜表面2的焦点。
根据本发明的第一实施例，会聚光线144被引导至用于选择频率的装置，即设置在第二部分110的下部基座附近的第一滤波装置124。滤波装置124被设置在菲涅耳透镜的焦点上方，从而会聚光线144在到达表面2的焦点Fl之前被停止和重引导(图2b)。
装置124包括(图1、 2和2a )滤波光学元件，例如两个带通滤波器501、 601，两个相应的光伏电池502、 602和反射镜127耦合到这两个带通滤波器501、 601。
带通滤波器本身是已知的；每个带通滤波器传送特定频率带宽(带通频率)中包含的光线，并反射其它频率的光线。
已知光伏电池是能够将光辐射转换为电力供应的部分半导体材料。
因为每种半导体材料仅能够在特定频率带宽中以高效率转换，所以使用了具有三个独立的带宽的三个不同的光伏电池。
在图中，所使用的三个电池是相似的；事实上，半导体材料改变了。
具体地讲，具有带通中包含的频率的一部分光线144从第一带通滤波器501被传送至第一光伏电池502,而带通中不包含的部分光线144被反射至第二带通滤波器601;这将一部分光线(带通中不包含的光线)反射至第二光伏电池602，并将光线的其它部分(带通中包含的光线)传送至反射镜127，所述反射镜127接着将其反射至第三光l犬电池702。
本发明的系统在整个太阳光i普(从350 nm至1800 nm )中工作；因此，受滤波光学元件502、 602和其它反射元件127影响的三个频带的总和基本上等于整个太阳光语。
滤波装置设置在支持元件126上，而该支持元件126固定在散热器上，所述散热器具有支持光伏电池的第一功能并且其锚定带通滤波器的支持元件和反射镜，其还具有将光伏电池中产生的热排出的第二功能。
现在将根据图3-5描述本发明的第二实施例，其中与第一实施例中相似的部件将保持所描述的部件(带通滤波器、反射镜、选择装置)的相同的附图标记和相同的特征。
聚光光伏系统1包括优选地包含具有中空的截头圆锥体形状的第三部分8的容器16，所述容器在两个基座处打开并且具有设置在顶部的大基座；该第三部分8在其小基座的区域中置于第四部分10上，所述第四部分优选地为圆柱形、中空，并且其顶部基座(base)的区域打开并在底部基座118中有孔；容器6的部分10用作聚光光伏系统的支架。
第三部分8和第四部分10也可具有与本发明的第一实施例的第一和第二部分相同的形状。
第三部分8在其顶部基座的区域中具有一种支持用于接收和聚光入射太阳光线的光束4的聚光器装置2 (特别是表面2)的法兰3(如图4所示)。
根据本发明，表面2是透镜，特别是菲涅耳透镜，并且可具有对应于容器6的第一部分8的形状的不同的外周形状，特别是方形或圆形。
如图4所示，透镜将入射和平行的太阳光线的光束4聚光为会聚光线的光束44;这样的图示出了与图3相同的系统，图4具体示出了太阳光线4的路径，所述太阳光线4照射并穿过表面2而不被反射。
第四部分io的底部基座118具有孔20，会聚光线的光束44在此会聚。
如第一实施例，聚光器装置2与入射太阳光线4的频率无关地工
10作。因此，会聚光线的光束44是仅被重引导并没有被衰减、滤波或反射的光束。
具有向上引导的凹度的抛物面反射镜22安装在孔20中，如图2所示，其焦点F与菲涅耳透镜的焦点，即光线的光束44向其会聚的点重合。
抛物面反射镜22将形式为平行光线的光束444的会聚光线的光束44反射至频率选择装置上，所述频率选择装置是位于容器6内部并且沿其在第三部分8内部的轴固定的第二滤波装置24。装置24以
光线444执4于分割。
根据预先限定的频率被分割的光束被引导至例如排列在第三部分8的侧表面上的一定数量的光伏电池。
光伏电池的数量及其在第三部分8的侧表面(第二实施例)或第二部分110的下部基座(第一实施例)上的位置取决于整个聚光光伏系统1的制造规格和操作。
可构思特别的反射镜来代替电池，所述反射镜允许在必要时反射被分割的光束。
因此，对于本发明的第二实施例(图3-5)，可以决定光伏电池在第一部分8的侧表面上的布局，例如可以彼此相对或彼此垂直并靠排列。
对于本发明的第一实施例(图1-2)，可以决定光伏电池在第二部分110的下基座上的布局，例如，可以恰当地间隔或并排。
根据本发明的优选实施例，示出了三个光伏电池，仅为了更容易
电池被特别设计为接收适合的频率范围中的太阳光线，并优化基于这些频率而产生的能量。从优化产生的能量，最大化系统的效率的角度，基于可按照需要选择的装置2上的入射光线在预定频率范围的分割，先验地调整带通滤波器的数量和光线被反射至其上的光伏电池的特性。在技术行话里，通常说光伏电池被"调，，至它们必须接收的反射的太阳光线的频率。根据第二实施例，根据抛物面反射镜22的凹度，总是从最大化系统的效率的角度来确定抛物面盘的焦点的位置，并且从而确定反射光线的光束444的幅度。
在两个实施例中，可选择地，构思散热器，并且可将其与光伏电池相关联，以便减小其操作温度。这些散热器本身是公知的，是液体或气体操作的，并且位于容器的外部，以便不以任何方式影响通过系统内部的光线的光束。
通常，这不是必须的，因为能量密度以与电池的数量直接成比例的方式在几个目的电池被分配，因此温度降低。
可容易地将根据本发明的若干聚光光伏系统耦合在一起，并且使其同步移动，但不集成在一个还具有可以安装在任何类型的水平或垂直表面(包括建筑物的屋顶和墙面)上的小尺寸的框架内。
以该方式，在大规模上确保了效率上的进一步提高。
从迄今所提供的说明，可以理解根据本发明的聚光光伏系统的操作，其使用聚光太阳能的革新方法进行操作。
聚光器装置2被定位以截取作为入射平行太阳光线的光束4， 114的太阳光线。由于其固有的物理特性，该装置使得太阳光线的光束以聚光太阳光线的光束44，144的形式会聚而与它们的频率无关。
在第一实施例中，光束144被引导至第一带通滤波器501。光线入射到第一带通滤波器501 (在聚光器装置2的焦点Fl的上游)。带通滤波器501将带通频率中的光线传送至第一光伏电池502，而非带通中的光线144被反射至第二带通滤波器601，第二带通滤波器601将不在第二带宽中的光线反射至第二光伏电池602，并将带通中的光线发送至反射镜127，所述反射镜127将所述光线反射至第三光伏电池702。
在第二实施例中，光线的光束44照射抛物面反射镜22 (在聚光器装置2的焦点F的下游)。菲涅耳透镜的焦点F与抛物面反射镜22的焦点重合。
抛物面反射镜反射再次平行的但具有小于入射光线的光束4的直径的以光线的光束444的形式的聚光太阳光线44。
其直径取决于系统的预先限定的要求的该光束444照射如选择
装置124工作的选择装置24。不在两个之前的滤波器的带通中的频带
的光线通过反射镜27被反射至最后的电池14上。
然后从电池12、 14、 16、 502、 602和702中提取能量用于最终使用。
权利要求
1.一种聚光光伏系统(1，11)，包括-聚光器装置(2)，用于截取照射并穿过所述聚光器装置(2)并与频率无关地被聚光为聚光太阳光线的光束(44，144)的入射太阳光线的光束(4，114)，其特征在于所述聚光光伏系统包括-用于频率的选择的装置(24，124)，所述装置包括能够根据预先限定的范围选择之前被所述聚光器装置(2)截取的所述入射太阳光线的光束(4，14)的频率的多个滤波光学元件。
2. 根据权利要求l所述的聚光光伏系统(1, 11),其中所述滤波光学元件包括带通滤波器(25， 26， 501， 601)。
3. 根据权利要求1或2所述的聚光光伏系统，其中所述滤波光学元件能够选择之前与频率无关地被所述聚光器装置(2)截取的入射太阳光束(4， 114)。
4. 根据权利要求1或2所述的聚光光伏系统，其中所述选择装置(24， 124)还包括与所述对应的带通滤波器(25， 26， 501， 601)相耦合的多个光伏电池(16， 12， 502， 602 )。
5. 根据权利要求4所述的聚光光伏系统，其中所述选择装置(24，124)包括与相应的反射光学元件(27， 127)相耦合的其它光伏电池(14， 702 )。
6. 根据前述权利要求中任一项的聚光光伏系统，还包括用于将所述聚光太阳光线的光束(44)以反射太阳光线的光束(444 )反射至所述频率选择装置(24)的反射装置(22)。
7. 根据权利要求5所述的光伏系统，其中所述反射太阳光线的光束(444 )的所述选择装置(24)还包括能够将之前没有被所述多个带通滤波器(25, 26 )滤波的所述反射太阳光线的光束(444)反射至所述光伏电池(14)的反射光学元件(27)。
8. 根据权利要求4所述的光伏系统，其中所述入射太阳光线的光束(114)的所述选择装置(124)还包括能够将之前没有从所述多个带通滤波器(501， 601)反射的所述入射太阳光线的光束反射至光伏电池702的反射镜(127)。
9. 根据权利要求6或7所述的光伏系统，其中所述反射光线的光束(444)是平行直线光线的光束。
10. 根据权利要求1所述的光伏系统，其中入射太阳光线的光束(4， 114)是平行直线光线的光束。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏系统，其中所述聚光器装置(2)是透镜类型。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏系统，其中所述聚光器装置(2)包括菲涅耳透镜。
13. 根据权利要求6所述的光伏系统，其中从所述反射装置(22)反射的所述聚光光线的光束(44)是会聚在所述聚光器装置(2)的焦点(F)处的直线光线的光束。
14. 根据权利要求12或13所述的光伏系统，其中所述焦点(F)是所述菲涅耳透镜的焦点。
15. 根据权利要求13所述的光伏系统，其中所述反射装置(22)包括反射镜(22 )。
16. 根据权利要求13或14所述的光伏系统，其中菲涅耳透镜的所述焦点(F)与所述抛物面反射镜(22)的焦点(F)重合。
17. 根据权利要求l所述的光伏系统，其中所述聚光光线的光束(144)是被引导至所述聚光器装置(2)的焦点(Fl)的直线光线的光束。
18. 根据权利要求17所述的光伏系统，其中所述焦点(F1)是菲涅耳透镜的焦点。
19. 根据权利要求18所述的光伏系统，其中所述焦点(F1)被设置在所述选择装置(124)的下面，并且从所述光线(l")不能达到。
20. —种使用根据权利要求1至19所述的聚光光伏系统(1， 11)来聚光照射光伏电池(12, 14, 16， 502， 602, 702 )的太阳光线的光束(4， 114)的方法，包括下述步骤-通过聚光器装置(2)截取照射并穿过所述聚光器装置(2)并与频率无关地被聚光为聚光太阳光线的光束(44， 144)的入射太阳光线的光束(4， 114)，其特征在于所述步骤包括下述步骤-通过包括多个带通滤波器(25， 26， 501， 601)的选择装置(24，124),根据预先限定的频率范围选择所述入射光线的光束(4， 14)。
21. 根据权利要求20所述的方法，还包括将选择的光线引导至多个光伏电池(12， 14， 16, 502, 602, 702)的步骤。
22. 根据权利要求20所述的方法，包括通过反射装置(22 )以反射光线的光束(444)反射所述聚光太阳光线的光束的步骤。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中所述反射光线的光束(444)从所述反射装置(22)被反射至所述选择装置(24)。
24. 根据权利要求20所述的方法，其中第一带通滤波器(25,501)对笫一频率范围内的光线进行滤波，并将其反射至第二带通滤波器(26， 601)。
25. 根据权利要求24所述的方法，其中所述未反射的光线被发送至第一光伏电池(16， 502)。
26. 根据权利要求20所述的方法，其中第二带通滤波器(26，601)对第二频率范围内的太阳光线进行滤波，并将带通中的光线发送至反射镜(27， 127)。
27. 根据权利要求25所述的方法，其中未反射的光线被发送至第二光伏电池(12， 602)。
28. 根据权利要求26所述的方法，其中所述反射镜(27， 127)将在带通频率中的频率范围中的光线反射至第三光伏电池(14， 702)。
29. 根据权利要求20至28中任一项所述的方法，其中所述电池(12， 14， 16， 502， 602， 702 )将接收的太阳光线转换为供最终使用的能量。
全文摘要
一种聚光光伏系统(1，11)，包括用于截取并聚光入射太阳光线的光束(4，114)的透镜型聚光器装置(2)，其特征在于所述系统包括用于选择进入光伏系统(1，11)的太阳光线的光束的频率的选择装置(24，124)，其能够将选择的光线引导至多个光伏电池(12，14，16，502，602，702)。本发明还包括用于使用所描述的聚光光伏系统聚光入射太阳光线的光束(4，114)的方法。
文档编号H01L31/052GK101681948SQ200880011761
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月11日 优先权日2007年4月12日
发明者M·泽诺比, R·巴蒂斯顿 申请人:安吉尔安东尼工业股份公司