[发明专利]混合型太阳能系统及制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请为2011年5月2日提交的序列号为61/481,670的美国专利申请以及2011年8月12日提交的序列号为61/523,147的美国专利申请的非临时申请并要求所述美国专利申请的优先权，所述美国专利申请中的每一个以其整体作为参考合并于此。

技术领域

本发明大体涉及用于生产电、热的组合且可选地传输太阳光的混合型太阳能系统，以及制造此类装置的方法，本发明还涉及制造用于集中太阳光的装置的系统及方法。

背景技术

太阳能收集可以理解为是一种令人满意的自由能源。但是太阳辐射是扩散的（峰值位于每平方米大约1300瓦特）并且不断变化到达角度和强度。由于太阳能的不均匀性以及光波长的混合的变化，所以太阳能的收集进一步地复杂。此外，太阳能的多种替代物非常便宜、能量密集且在市场上的地位十分稳固。

当需要来自太阳的电力时，采用了半导体的光伏（PV）效应。规模经济使得包含硅电池的光伏板相较于市场上最昂贵的电力（高峰期零买的瓦特数）来说，其成本是极具竞争力的。但是，硅平板收集器仍然是成本相对较高且净效率低（理论上最大值约为25%）的，这限制了太阳能发电。半导体材料及加工的昂贵费用可以视为对太阳能发电的经济开发挑战的关键因素。

处于性能效率范围高端的是堆叠多个半导体的多结光伏电池，它们分别转换不同频率范围的光，同时允许其余光穿过。这些多结电池每平米非常昂贵，幸好它们对高度集中的光响应良好（并且某些还号称有高强度下的大于40%的净效率）。

费用范围的另一端是热太阳能收集器，其将可用频率的光的主要部分的辐射转换为可感知的热，并且将该热量存储或者立即用于一些应用中。该转换效率（大于80%）以及相对于光伏转换的低成本是热收集器的主要优点。对于热方法的缺点是它们必须与多种便宜的且能量密集的燃料库存（例如天然气和木材）竞争。并且，实现高温（以及由此的更高的能量密度和功用）需要更复杂的机构以及伴随的较高成本。

特定的市场和物理技术力量带来混合型太阳能电/热系统（还称作热电联产或PV-T（光伏-热））的发展。通过从单个收集器提取电和可用的热，净孔径效率（作为入射太阳光的一部分捕获的能量）增加。常用方案是将光伏电池安装至循环制冷剂通道并驱使制冷剂穿过该通道，以为光伏材料保持比用其它方法得到的温度更低的温度。这增大了电压以及由此的瓦特时输出。另外，收获的热量能够用于一些有用的功能。热量通常具有较低的经济价值（瓦特时对瓦特时），所以在其它情况都相同时，较高的电力输出通常是优选的。

已知的PV-T（或“混合型收集器系统”）可以被有效地分组为集中式收集器和平板收集器。在这两组收集器中相同的是，允许辐射进入光伏材料全光谱并且仅在此后，去掉多余的、未转换的作为热量的那部分能量。可选择地，已经建议的是，将光谱划分为不同的流以用于由物理分离的光伏电池利用或使用，这将允许使用不是很贵（单结或串联结）的光伏目标。这还将降低了对去除不能转换的能量的需要。这些方法的关键目标是降低光伏部件的操作温度。这里遇到的困难在于报酬减少的定律，并且采用的每个装配件或表面随之带来生产成本和能量损耗。另外，多结电池仍然昂贵，因此需要高集中度的收集器在经济上是可行的。在已知的高集中度收集器中，存在伴随而来的间接光的浪费以及对更多的热管理和更精密的太阳追踪的需求。

已知的是，光学集中器设计者必须在可用于狭窄聚焦追踪系统（在该过程释放变化的但是比较大的一部分光，这部分光在来自太阳圆盘的直射正常路径中没有被近似地校准）或略去追踪的费用的较高最大集中比率，以及针对组装和安装中相对廉价的贸易最大化集中度之间进行选择。前者通常是基于卡塞格伦和菲涅尔的集中式收集器，而后者通常采用Roland Winston开创的并在其书“非成像光学”中讨论的那类非成像光学器件。

这样仍然存在对于在适于屋顶安装的便宜的设备中实现覆盖广泛范围的照明条件的最大化太阳能收集的需求。更具体地，存在针对太阳能收集装置的需求，所述太阳能装置提供相对于环境温度的高温热能。同时，针对太阳能收集装置的光伏部件，低温工作环境是需要的。还存在对混合PV-T系统的需求，该系统中，不能被光伏设备收集的那部分能量能够尽可能便宜地且果断地作为热量被清除和/或被排出，使得其与太阳不会过分放大下面的建筑物的制冷负荷或降低光伏部件的性能。另外，还存在对于混合型太阳能收集系统的需求，所述系统能够提供多种能量并且服务来自与建筑物的能量需求多样化匹配的同一系统的流，并减少变换损耗。