[发明专利]群集式太阳能转换阵列及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能转换系统领域。更具体的是，本发明涉及聚集太阳能发电系统的领域。

背景技术

我们现在非常需要利用可再生能源的发电系统。在可利用的许多可再生能源中，一种最基本的能源是太阳能。已经发明了许多不同的采用太阳能发电的系统。所有的这些系统都遇到了一个共同的问题：经济和能量效率低。与常规的原子能和矿物燃料发电系统相比时，这些效率低将导致发电成本显著的增加。也就是说，与原子能和矿物燃料系统相比时，常规的太阳能发电系统经济效率更低，这是因为它们在每单位支出上产生了相对少的千瓦时。

在利用太阳能发电的各种方法中，最具能量效率的是那些利用太阳能转换(SEC)器件的。SEC器件直接将辐射太阳能(热，光或者其他辐射)转换成电能。SEC器件的一个实例是光电池。

采用SEC器件的系统仍然能量效率低，而且能量效率低是经济效率低中的一个因素。对于给定的成本，更具能量效率的SEC器件将导致系统更具经济效率。

最具能量效率的SEC器件是集中式SEC器件，例如集中光电池。在高度聚集太阳能时，这些器件实现了它们的最高效率，一般为几百个太阳能级。这样就提出了使用构造成聚集太阳能的光学和机械结构。为了聚集太阳能，该结构的集能元件(例如，透镜或者镜子)需要具有比电池大得多的面积。例如，500-太阳系统应当需要其面积为电池面积500倍的集能元件。集能元件将所聚集的能量聚焦到电池上。

这些集中式SEC系统中存在跟踪问题。因为集能元件的面积比电池的面积大得多，因此该系统必须非常精确地跟踪从黎明到黄昏的太阳位置。即使跟踪中小的偏差也足以使得被聚集的能量失去目标，即，不能精确集中到电池上。仅有落在电池上的聚集太阳能部分对于发电来说是有效的。因此能量效率取决于跟踪系统的精度。

从系统的每单位成本上的千瓦时角度来看，初始结构成本以及工作成本的消耗对于经济效率产生影响。对于实现给定等级能量效率的系统来说，成本最低的系统将是最具经济效率的。总的来说，以每单位成本上的千瓦时角度来看，系统结构越小，结构和工作成本越低，经济效率越大。许多现有技术的系统必须大于聚集太阳能所必须的面积。也就是说，系统不能捕获落在等效于它们的全部阵列大小(例如，在阵列上/中存在阴影，死点，和/或“洞”)的区域上的太阳能量。这就导致工作成本(定位和控制系统的成本)增加，并导致经济效率显著减小。

使用SEC器件所面临的另一个问题是热。由于能量效率低，因此在太阳能转换成电能的过程中产生了相当大的热。这些热必须被耗散或者得以其他解决。

同样，由于没有器件是绝对具有能量效率的，因此仅有落在电池上的可用能量部分可以被转换成电能。剩余的能量被转换成热。该系统必须同样能处理这些产生的热。

SEC系统的能量效率更多的形式是集中式光电池系统。这种系统面临着两种形式的热。存在于聚集太阳光中的内在热是相当大的。例如，集中式系统在电池上可产生几百个太阳的能量级。该系统必须能处理电池上相对小的表面积上的这些几百个太阳的热量。

热处理本身是伴随能量和经济效率问题的过程。一个有效的热处理方法利用了有源热吸收。但是这种方法是不合乎要求的，这是因为，该方法是有源的，必须消耗功率来吸收热。吸收热所要求的功率从作为整体的SEC系统所产生的功率中得到，因此降低了系统能量和经济效率。

某些常规的高度集中SEC系统是高密度SEC系统。在高密度SEC系统中，必须使用大面积的聚集器来将太阳能聚焦在基本为平面的“焦点区”中。SEC器件(电池)阵列位于“焦点区”中。然后每个SEC器件接收其部分的聚集太阳能。尽管可使用单个大的透镜或者镜子，但是聚集器典型地由多个透镜或者镜子形成。

高密度SEC系统具有两个主要的问题：死区和热。死区是电池阵列的有效区域之间的必要间隔，即，各个SEC电池之间的间隔。从绝对的角度来说，这些区域非常小。然而，由于电池也非常小，并且位于聚集太阳能的地方，因此死区是非常大的。例如，在典型的1平方厘米的电池阵列中，死区为1毫米宽，这意味着每1平方厘米电池代表121平方毫米，其中21平方毫米(17.3％)是死区。这在聚集器中被反射。在小的1000-电池、500-太阳系统中，聚集器的面积为60.5平方米，10.5平方米是无效的。这不考虑聚集器中由于接点、接缝和/或阴影而导致本质上无效的任何部分。因此高密度SEC系统具有由于死区所导致的其他低效率。