[发明专利]用于光伏电池和热应用的集成微透镜

说明书

关于微透镜(即，微米级的透镜)的设计并入了现有的纳米制造技术，并且可以被并入到高聚光光伏(HCPV)、太阳能集热器和传统的平板PV系统中。使用波动光学的理论，该设计能够实现高数值孔径，即，它可以接收更宽角度范围内的光。该设计还减小了焦点随着光源移动而移动的距离；这消除了在CPV和PV应用中对跟踪系统的需要。减小透镜尺寸还有助于更小的、重量轻的CPV系统，这使得CPV吸引另外的应用。最后，这些聚光器减小了典型的平板太阳能热系统接收热量的交换面积，这提高了整体系统的效率并且还允许其在严冬时间期间使用。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年7月18日提交的美国发明专利申请第16/038567号的优先权，并且还要求于2017年7月19日提交的美国临时申请第62/534239号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容涉及太阳能技术，以及更具体地，涉及用于聚光光伏电池和传统光伏电池两者以及热应用的集成微透镜。

背景技术

该部分提供与本公开内容有关的不一定是现有技术的背景信息。该部分还提供本公开内容的总体概要，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

传统上，太阳能面板采用从太阳光生成电力的光伏电池。当前的太阳能技术主要基于硅光伏技术，硅光伏技术在光子到传导电子的有效转换方面显现出了强大的局限性。该局限性主要源于量子物理学原因和经典光学考虑因素两者。

量子物理学通过将光子转换仅限制于AM1.5太阳光谱中入射光的特定频率并且具体地限制于与硅p-n结的价电子与传导电子之间的能带隙(1.1eV)相匹配的特定频率来影响电力生成。随着第三代光伏的出现和多结太阳能电池的使用，已经部分解决了太阳光谱的特定频率的局限性。然而，用于制造这些特殊的太阳能电池的稀有材料的过高成本使得需要大量减少其使用，并且因此大量降低了聚光光伏技术(CPV)的概念。

利用“余弦效应”的概念来最好地解释当前太阳能技术的光学局限性。即，与相对于入射光完美取向的太阳能模块相比，非最佳取向的太阳能模块接收较低量的太阳能辐射。因子是入射光的方向与太阳能模块的法线方向之间形成的角度的余弦。所生成的电力通过该因子被成比例地减小。这就是为什么固定的太阳能设备的日电力曲线类似于典型的高斯线形状，而不是双轴跟踪的光伏所显示的“类矩形”形状的原因。尽管根据本教导的原理的新型光学器件也减轻了次级效应如由于原子的太阳能电池结构的热搅动、太阳能模块表面的污染而导致的电子空穴重组和也影响捕获光的能力的反射效应，但是也不考虑次级效应和反射效应。

聚光光伏(CPV)使用透镜和曲面镜将太阳光聚焦在小但高效的太阳能电池上。在常规系统中，随着太阳移动，聚光器的焦点也移动，这减少电力收集或者需要使用复杂且昂贵的跟踪系统。此外，常规系统通常大且重，从而减少了它们的应用。常规的CPV很大程度上取决于总体辐射的DNI(直接法向入射)分量，并且在漫射辐射条件下简直不能工作。这严重限制了可以有效安装CPV的合适的地理位置(即，仅太阳带区域)，从而限制、抑制或以其他方式防止这种新兴技术渗透到全球太阳能市场。

通常，CPV应用包括使用透镜或镜子的太阳能聚光器、跟踪机制、太阳能电池和散热器。通常需要跟踪系统来允许对太阳的可调节跟踪以提高太阳能效率。然而，大部分设备在2013年通常提供小于5MW的输出，其中平均售价为每瓦特2.90美元。因此，常规的CPV系统的资本支出(CAPEX)和运营费用(OPEX)因此再次限制、抑制或以其他方式防止在全球太阳能市场的渗透。

通常，太阳能光伏(PV)市场驱动因素包括政府激励、太阳能PV模块价格下降、对碳排放的担忧、相对于风能和水力发电的低安装和维护成本。另一方面，太阳能PV市场限制包括气候限制的可行性区域、降低的上网电价和供大于求。