[发明专利]聚集光伏/量子阱热电功率源

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能功率。尤其地，本发明涉及利用聚焦的太阳能和组合的光伏与量子阱热电转换模块的高效率能量转换。

背景技术

用于空间应用的普通被动功率源包括太阳能光伏、太阳能热动力、放射性同位素、核反应堆和燃料电池。用于低地球轨道飞行任务的普通电源利用光伏系统。由于光伏太阳能电池的能量输出与电池的面积直接成正比，所以星载（space-borne）光伏功率系统的实际面积可能相当大。出于效率和重量考虑，有利的是在使功率输出最高的同时，使光伏电源的面积最小。具有提高的光伏转换转换效率的太阳能电池能减小太阳能电池阵列的尺寸。然而，尽管在商业材料中有30%的效率可用，但所述提高仅适度地影响当前满足飞行任务需求的太阳能电池阵列的尺寸。可通过聚焦的太阳能输入提高太阳能电池输出。然而，提高入射太阳能辐射的强度可被伴随于提高的太阳能电池温度的转换效率降低所抵销。

紧凑、高效率的太阳能功率源对于基于空间的应用将是有用的附加。

发明内容

一种将太阳能转化成电能的方法由下列步骤构成：聚焦太阳能以产生聚集的太阳能并且通过把聚焦的太阳能导向光伏装置来产生电能。通过使在光伏装置中产生的热通过电绝缘并且导热的层传送到热电装置中，建立光伏装置温度与暴露于外层空间的热交换器之间的热梯度。在一个实施例中，热电装置利用塞贝克效应产生附加的电能。在另一实施例中，热电装置作为帕尔贴制冷机被操作以冷却光伏装置，从而改善该光伏装置的电转换效率。

一种复合聚集光伏/热电功率源由聚焦透镜模块、光伏模块、热电模块和散热器组成，该聚焦透镜模块用于使入射太阳能辐射聚集，该光伏模块用于将入射的聚集太阳能辐射变换成电功率，热电模块用于将从光伏模块传送的热转化成电功率，并且该散热器与热电模块接触。由入射在光伏模块上的聚集太阳能辐射产生的热经由光伏模块与热电模块之间的并且与两者接触的导热并且电绝缘的层传送至热电模块。

在一个实施例中，光伏模块与散热器之间的热电模块中的热梯度通过塞贝克效应产生电能。在另一实施例中，光伏模块给作为帕尔贴制冷机的热电模块供电，该热电模块冷却光伏模块以改善该光伏模块的电转换效率。

附图说明

图1是复合太阳能光伏/热电功率源的示意图。

图2是作为入射太阳能聚集比率的函数的用于空间应用的商业太阳能电池的效率的曲线图。

图3是示出图1的光伏模块与热电模块的较大视图的示意图。

图4是示出其中热电模块通过塞贝克效应产生电能的实施例的示意图。

图5是示出其中热电模块通过帕尔贴效应冷却光伏模块的实施例的示意图。

具体实施方式

本发明是一种用于远程发电（尤其是用于向星载卫星系统提供功率）的组合聚集光伏(CPV)与热电(TE)功率源。太阳能光伏功率源经由光伏效应将太阳能转化成电能。在一个实施例中，热电功率源经由塞贝克效应将来自太阳能光伏功率源的热能转化成电能。太阳能光伏功率源接近热电功率源，并且两者向系统添加功率。在本发明的另一实施例中，来自太阳能光伏功率源的一部分电能用于启动作为帕尔贴制冷机的热电功率源，以冷却光伏功率源，从而提高该光伏功率源的电转换效率。

借助使用透镜系统，入射的太阳能被聚焦在功率源上并且通过聚焦而被聚集。聚焦的太阳能辐射加热光伏部件，该光伏部件继而加热热电(TE)部件并提高产生附加电能的热电部件的热梯度。使CPV部件的太阳能输入和TE部件中的热梯度最大化使本发明的组合CPV/TE装置的能量输出最高。如以下所讨论地，尽管光伏转换效率随着太阳能电池温度升高而降低，但在本发明的一个实施例中太阳能电池的温度可由热电冷却控制。

图1示出了复合的太阳能光伏/热电功率源10，该复合的太阳能光伏/热电功率源10包括透镜模块12、能量转换模块14和冷却模块22。透镜模块12包括透镜阵列(未示出)，该透镜阵列将由波浪箭头24表示的太阳能聚焦成到能量转换模块14上的、由箭头26表示的聚集太阳能。能量转换模块14包括光伏模块16，其与电绝缘和导热的层20接触并且通过电绝缘和导热的层20与热电模块18隔开。热电模块18连接至冷却翅片结构22，该冷却翅片结构22辐射由波浪箭头28表示的热能。在本发明的实施例中，冷却结构22向外层空间辐射能量。