[发明专利]被动冷却型太阳能聚光光电装置

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能发电机，尤其涉及在固态电介质太阳能聚光光电(CPV)装置的光电(PV)电池中及其附近所产生的热量的处理。

背景技术

用于产生电能的光电太阳能收集装置大体上包括平面收集器和聚光收集器。平面收集器大体上包括光电电池阵列和形成在半导体(例如，单晶硅或多晶硅)衬底上的相关的电子器件，而从平面收集器输出的电能直接与阵列的面积相关，因而需要大的、昂贵的半导体衬底。聚光收集器通过使用例如聚集光线的抛物线反射镜或透镜聚集光线(即，太阳光)，产生直接照射到小光电电池上的强度更大的太阳能束，从而降低了对大半导体衬底的需求。因而，聚光收集器具有优于平面收集器的优势在于，它们使用数量少得多的半导体。聚光收集器优于平面收集器的另一个优势在于，它们在产生电能的效率更高。

传统聚光太阳能收集器的一个问题在于，其操作和维护的成本非常高。传统收集器所使用的用于聚集光线的反射镜和/或透镜是单独制造的，并且必须小心地组装，以使所会聚的光线和光电电池正确地对齐。此外，随着时间的过去，反射镜和/或透镜会由于热循环或震动而不再对准，并会由于暴露到外界而变脏。以清洗和调整反射镜/透镜为形式的维护非常重要，尤其当反射镜/透镜具有难于清洗的不平坦的形状时。

传统聚光太阳能收集器的另一个问题在于会聚光线所产生的过高的温度导致光电电池和镜体结构的损坏。为了可靠地工作，必须使光电电池和其周围的包装处于安全范围内，典型的安全范围为低于100摄氏度(100℃)。由于平板光电模块受到太阳光(即未聚焦的)直射，在零风状态(zero wind)下，大部分平板光电模块在最好的隔离条件下的温升为高于环境温度约25℃。这样光电电池的最高温度约为70℃(即，假设环境温度为45℃)。相比之下，聚光太阳能收集器在PV电池上产生300至1000日光以上的辐射流密度，典型地少于一半的能量被转化成电能，其余的以热量的形式出现，这个热量使得光电电池的温度可以达到大大高于100℃。传统的降低聚光太阳能收集器中的光电电池温度的方法包括利用加压液体(forced liquid)冷却系统来冷却该光电电池，但是这种加压液体冷却系统的制造和维护的成本很高，从而大幅度地增加了这种聚光太阳能收集器的整体制造和维护成本。

需要一种聚光光电(CPV)装置，该装置相比于传统的聚光型光电电池，组装和维护成本较低，并同时以成本效率高且可靠的方式将聚光光电装置维持在可靠的工作温度下。

发明内容

本发明涉及卡塞格仑型(Cassegrain-type)聚光光电装置，该装置通过利用散热器将居中设置的PV电池发出的热量均匀分布到固体光学元件的背表面，并利用固体光学元件将该散热器发出的热量传导到前面的上面形成有孔的表面，热量从该前面的形成有孔的表面散出，从而有效地从收集器的前面散发热量。这种装置有利于所产生的热量的超过30％从该前面的形成有孔的表面辐射出，从而与从后表面辐射热量的中空收集器系统相比，被动冷却性能提高了约两倍。此外，固体光学元件有利于在其上直接形成主镜和二级镜，从而自动且永久地对准聚光光学器件，并在最小化维护成本的同时保持最佳的光学操作。

根据本发明的一方面，散热器的侧向热阻小于固体光学元件的截面热阻，从而通过使热量分布最大化而优化辐射热传导，以使光学元件保持大致一致的温度，并由此使上面形成有孔的表面保持大致一致的温度。在一个实施例中，固体光学元件包括厚度在5mm至12mm范围内且直径约为28mm的低铁玻璃结构，而散热器包括名义厚度约为70微米的铜散热层。在这个厚度下，铜散热层热阻的侧向热阻远远大于光学元件的截面热阻，从而产生所需的均衡的加热和从前面的形成有孔的表面的辐射。

根据本发明的一个实施例，散热器包括形成于柔性衬底(例如，聚酰亚胺薄膜，如DuPont Electronics所生产的Kapton)上的热传导层(例如，铜)，光电电池在装配到固体光学元件前被安装在散热器上，从而大幅低地简化了组装过程。在一个实施例中，柔性衬底被切割或以其他方式分割成多个从中心支撑区延伸的径向臂，该径向臂有利于在组装时与固体光学元件的曲面的下表面紧密接触。选择性地使用散热器的配线层，以帮助将热量传向光学元件。在一个实施例中，主镜包括薄的银反射层、设置在银层上的铜防迁移层以及设置在该防迁移层上的阻挡漆层。然后，散热器通过适当的粘合剂(如乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA))被固定到该阻挡漆层上，一防护壳(例如Tedlar)利用相同的粘合剂固定到该柔性衬底的背面。

附图说明