[發明專利]群集式太陽能轉換陣列及其方法

無效

• 申請號: 200680014717.5
• 申請日: 2006-04-28
• 公開（公告）號: CN101496179A
• 公開（公告）日: 2009-07-29
• 發明（設計）人: S·庫塞克;H·T·海登
• 申請（專利權）人: 亞利桑那公共服務公司
• 主分類號: H01L31/042
• 分類號: H01L31/042;H01L31/00;F24J2/38;F24J2/32;F24J2/10;F24J2/18
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 王慶海;陳景峻

技術領域

本發明涉及太陽能轉換系統領域。更具體的是，本發明涉及聚集太陽能發電系統的領域。

背景技術

我們現在非常需要利用可再生能源的發電系統。在可利用的許多可再生能源中，一種最基本的能源是太陽能。已經發明了許多不同的采用太陽能發電的系統。所有的這些系統都遇到了一個共同的問題：經濟和能量效率低。與常規的原子能和礦物燃料發電系統相比時，這些效率低將導致發電成本顯著的增加。也就是說，與原子能和礦物燃料系統相比時，常規的太陽能發電系統經濟效率更低，這是因為它們在每單位支出上產生了相對少的千瓦時。

在利用太陽能發電的各種方法中，最具能量效率的是那些利用太陽能轉換(SEC)器件的。SEC器件直接將輻射太陽能(熱，光或者其他輻射)轉換成電能。SEC器件的一個實例是光電池。

采用SEC器件的系統仍然能量效率低，而且能量效率低是經濟效率低中的一個因素。對于給定的成本，更具能量效率的SEC器件將導致系統更具經濟效率。

最具能量效率的SEC器件是集中式SEC器件，例如集中光電池。在高度聚集太陽能時，這些器件實現了它們的最高效率，一般為幾百個太陽能級。這樣就提出了使用構造成聚集太陽能的光學和機械結構。為了聚集太陽能，該結構的集能元件(例如，透鏡或者鏡子)需要具有比電池大得多的面積。例如，500-太陽系統應當需要其面積為電池面積500倍的集能元件。集能元件將所聚集的能量聚焦到電池上。

這些集中式SEC系統中存在跟蹤問題。因為集能元件的面積比電池的面積大得多，因此該系統必須非常精確地跟蹤從黎明到黃昏的太陽位置。即使跟蹤中小的偏差也足以使得被聚集的能量失去目標，即，不能精確集中到電池上。僅有落在電池上的聚集太陽能部分對于發電來說是有效的。因此能量效率取決于跟蹤系統的精度。

從系統的每單位成本上的千瓦時角度來看，初始結構成本以及工作成本的消耗對于經濟效率產生影響。對于實現給定等級能量效率的系統來說，成本最低的系統將是最具經濟效率的。總的來說，以每單位成本上的千瓦時角度來看，系統結構越小，結構和工作成本越低，經濟效率越大。許多現有技術的系統必須大于聚集太陽能所必須的面積。也就是說，系統不能捕獲落在等效于它們的全部陣列大小(例如，在陣列上/中存在陰影，死點，和/或“洞”)的區域上的太陽能量。這就導致工作成本(定位和控制系統的成本)增加，并導致經濟效率顯著減小。

使用SEC器件所面臨的另一個問題是熱。由于能量效率低，因此在太陽能轉換成電能的過程中產生了相當大的熱。這些熱必須被耗散或者得以其他解決。

同樣，由于沒有器件是絕對具有能量效率的，因此僅有落在電池上的可用能量部分可以被轉換成電能。剩余的能量被轉換成熱。該系統必須同樣能處理這些產生的熱。

SEC系統的能量效率更多的形式是集中式光電池系統。這種系統面臨著兩種形式的熱。存在于聚集太陽光中的內在熱是相當大的。例如，集中式系統在電池上可產生幾百個太陽的能量級。該系統必須能處理電池上相對小的表面積上的這些幾百個太陽的熱量。

熱處理本身是伴隨能量和經濟效率問題的過程。一個有效的熱處理方法利用了有源熱吸收。但是這種方法是不合乎要求的，這是因為，該方法是有源的，必須消耗功率來吸收熱。吸收熱所要求的功率從作為整體的SEC系統所產生的功率中得到，因此降低了系統能量和經濟效率。

某些常規的高度集中SEC系統是高密度SEC系統。在高密度SEC系統中，必須使用大面積的聚集器來將太陽能聚焦在基本為平面的“焦點區”中。SEC器件(電池)陣列位于“焦點區”中。然后每個SEC器件接收其部分的聚集太陽能。盡管可使用單個大的透鏡或者鏡子，但是聚集器典型地由多個透鏡或者鏡子形成。

高密度SEC系統具有兩個主要的問題：死區和熱。死區是電池陣列的有效區域之間的必要間隔，即，各個SEC電池之間的間隔。從絕對的角度來說，這些區域非常小。然而，由于電池也非常小，并且位于聚集太陽能的地方，因此死區是非常大的。例如，在典型的1平方厘米的電池陣列中，死區為1毫米寬，這意味著每1平方厘米電池代表121平方毫米，其中21平方毫米(17.3％)是死區。這在聚集器中被反射。在小的1000-電池、500-太陽系統中，聚集器的面積為60.5平方米，10.5平方米是無效的。這不考慮聚集器中由于接點、接縫和/或陰影而導致本質上無效的任何部分。因此高密度SEC系統具有由于死區所導致的其他低效率。