用于将太阳能电能转换与太阳能热能利用耦接的红外透射型聚光光伏器件制造技术

使用光伏(PV)电池将太阳能转换成电力正变得越来越普及；然而，仍然存在与广泛采用PV电池用于电力需要关联的显著限制。显然需要以有竞争力的成本供应电力并且提供按需电力供应以及能量储存的高效太阳能发电系统。通过结合聚光太阳能发电和聚光光伏的一些方面，本发明专利技术提供了使得能够以极高效率将太阳光转换成电力并且使得能够将热能传送到热储存装置供后续使用的装置。所公开的装置通过使用安装在透明基底上的多结PV电池来使能透射型CPV。使用多结电池允许高效吸收在最低带隙子电池的带隙以上的光。透明基底允许高百分比地透射在最低带隙子电池的带隙以下的剩余光。本发明专利技术还公开了通过使用透射型CPV装置来生成电力的方法。太阳光被聚集到装置的一个或多个表面上。高能量光被多结PV电池吸收并被直接转换成电力，而低能量光透射通过装置进入热储存装置，热储存装置随后可以耦接到热力发动机，以生成可调度的电力。

Infrared transmission type concentrating photovoltaic device for coupling solar energy conversion and solar energy utilization

The use of photovoltaic (PV) cells to convert solar energy into electricity is becoming more and more popular; however, there are still significant limitations associated with the widespread adoption of PV batteries for power needs. An efficient solar power system is clearly needed to supply electricity at competitive cost and provide on-demand power supply and energy storage. By combining some aspects of concentrating solar power and photovoltaic concentrator, the invention provides high efficiency makes it possible to convert sunlight into electricity and the device can transfer heat energy to the heat storage device for subsequent use. The disclosed device enables the transmission of CPV by using a multi junction PV cell mounted on a transparent substrate. The use of multi junction cells allows efficient absorption of light above the bandgap at the lowest bandgap. The transparent substrate allows a high percentage of residual light to be transmitted below the bandgap of the lowest bandgap cell. The invention also discloses a method for generating electricity by using a transmission type CPV device. Sunlight is gathered on one or more surfaces of the device. High energy light is absorbed and multi junction PV battery is directly converted into electric power, and low energy light transmission through the device into the heat storage device, heat storage device can then be coupled to a heat engine, to generate the scheduling of power.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年6月27日提交的美国临时申请No.62/018,332的优先权，该申请通过引用并入本文中，视同在以下完整地阐述。有关联邦资助的研究的声明本专利技术是美国能源部、高级研究计划署—能源在合约编号为DE-AR0000473的美国政府支持下做出的。美国政府拥有本专利技术中的某些权利。
本专利技术涉及用于将太阳光谱分离，将一些太阳能转换成电力并将其它太阳能耦接到太阳能热能转换和/或储存系统的新型、高效、可扩展装置和用于高效地将一些太阳能转换成电力同时将其它太阳能耦接到太阳能热能转换和/或储存系统的方法。
技术介绍
使用光伏(PV)电池将太阳能转换成电力正变得越来越普及；然而，仍然存在与广泛采用PV电池用于电力需要相关联的显著限制。为了以公用设施规模提供太阳能发电的更大实现，需要具有更高效率的系统和装置。高效的PV电池还必须是低成本的并且可扩展成邻域大小的阵列或公用设施规模的工厂。由于太阳光和光伏发电的间歇性性质，导致PV必须被设计成与其它能量转换技术协同工作，这些其他能量转换技术允许进行能量储存和可调度的能量产生。生产高效太阳能电池的一种策略是使电池的光学吸收和入射光之间的光谱重叠最大化。多结PV电池在这个方面表现出好的前景，因为具有不同带隙能量的多个PV电池的堆叠准许更多的太阳光谱被单个装置收集。据报告，使用单片集成III-V半导体的结果是在聚集的太阳光中的大于40％的效率。然而制造成本依然十分高，这将延迟用于超出空间应用的用途(诸如，用于发电厂)的多结PV电池的大批量生产和大规模安装。从太阳能发电生成电力的另一个限制是按需求提供足够电力的能力。储存来自太阳能发电的电力受可用电池技术以及受家用规模太阳能发电机连接到电网的能力的限制。应对太阳能生成电力的储存以供后续使用以及按需求调度的能力的现有解决方案目前不具有与石油燃料生成电力的成本竞争力。聚光太阳能发电(CSP)采取与PV电池不同的方法，不同之处在于CSP系统聚集太阳光并且将其转换成驱动热力发动机的热。考虑到当前平准化能源成本(LCOE)是约$0.21/kWh，即使最先进技术的CSP也是高成本的，因此不是可用于广泛部署的能量解决方案。现有的CSP项目展示了CSP的技术可行性，但无法得到使太阳能热力发电成为切实可行且广泛使用的能源所要求的低成本。建造CSP工厂涉及目前大致30亿美金的极高的资金成本，这阻止了未经证实的技术的并入并且从开发者的观点来看是让人望而却步的。为了使CSP变成太阳能发电切实可行的选择，必须应对两个方面。整个系统的成本必须降低至具有与PV的竞争力或者比PV更便宜。然而，为了真正地竞争，CSP系统的成本需要具有与天然气或煤炭的LCOE匹配的LCOE。另外，构建CSP工厂的成本必须在数百万美元的量级而不是数十亿美元的量级。优选地，这将用可扩展的现场大小来实现，该可扩展的现场大小将使得能够将成功的现场进行迭代，最终完成大规模电网部署。聚光光伏(CPV)系统使用透镜、曲面镜或其它光学仪器将太阳光聚集到PV电池上，以生成电力。因为光被聚集到PV电池的小的区域上，所以当使用昂贵的电池材料时，CPV系统一般比非聚光光伏器件更具成本效益。然而，存在用于光学仪器设备以聚集光以及用于冷却系统以消散与聚集的光关联的高温的附加的成本。由于这些成本，导致CPV没有像基于更便宜的电池材料(诸如，硅)的非聚光PV系统一样广泛。显然需要以有竞争力的成本供应电力并且提供按需的电力供应以及储存的高效太阳能发电系统。通过结合CSP和CPV的一些方面，本专利技术提供了使得能够以极高效率将太阳光转换成电力并且使得能够将太阳能热能传送到热储存装置供后续使用的装置，所有这些在成本方面(可推测)都反映为与替换技术(诸如，PV+电池)有竞争力。所储存的热能可以用于生成可调度电力或者出于需要热量的其它目的，诸如，工业过程、脱盐、家庭水加热等。本专利技术公开了通过使用安装在透明基底(或基板)上的多结PV电池来实现透射型CPV的装置。使用多结电池允许高效吸收在最低带隙子电池的带隙以上的光。透明基底允许高百分比地透射在最低带隙子电池的带隙以下的剩余光(也被称为带外光)。本专利技术还公开了通过使用透射型CPV装置来生成电力的方法。太阳光被聚集到装置的一个或多个表面上。高能量光被多结PV电池吸收，而低能量光透射通过装置进入储存装置中。虽然在随附权利要求书中指出了以下示出和描述的本专利技术的某些新颖特征，但本专利技术不意在限于所指定的细节，因为相关领域的普通技术人员将理解，可以在不以任何方式脱离本专利技术的精神的情况下，对所例示的本专利技术及其操作进行形式和细节上的各种省略、修改、替代和改变。本专利技术中的特征不是关键或必要的，除非它被明确声明为是“关键的”或“必要的”。
技术实现思路
本专利技术提供了吸收高能量光而透射低能量光的聚光光伏装置。根据本发现，本专利技术的一个目的是为CPV模块提供既使得能够立即从光生成电力又使得能够储存来自光的能量以供后续转换成电力或者作为热量使用的能力。本专利技术的另外一个目的是提供通过使用透射型CPV模块来生成电力的方法。根据接下来的描述，本专利技术的其它目的和优点将变得容易明了。附图说明下面的附图形成本说明书的部分，并且被包括以进一步展示本专利技术的某些方面。通过参照这些附图中的一个或多个并结合本文中提出的特定实施例的描述，可以更好地理解本专利技术。图1A示出CPV模块的一个实施例。图1B示出CPV模块的第二实施例。图1C示出CPV模块的第三实施例，其中，所述模块包括透明盖板和透明基板，透明盖板和透明基板均包含蓝宝石。图2示出CPV模块的一个实施例，该CPV模块包括在全都支撑在金属框架上的玻璃基板上安装的多个较小的多结PV电池。图3示出示例性CPV模块，其中，所述示例性模块包括安装在红外透明基板上的十六(16)个多结PV电池的阵列，所述电池经由互连引线而互连；并且还示出所述子电池的制造。图4示出太阳光聚光系统的视图，包括反射器的透视图、模块的近视图和没有透明盖板的模块的视图，该透明盖板覆盖CPV模块。图5A示出相对于理想反射器的焦点的示例性焦点模块的放置，该焦点模块包括热接收器和CPV模块。图5B示出相对于示例性非理想反射器的焦点的焦点模块的放置。图6示出具有多结阵列元件的三个CPV模块，其中，阴影程度指示各阵列元件的相对温度。图7示出图6中示出的CPV模块，但是使用取代温度图线的光强度图线。图8示出CPV模块的两个变化形式，其各分别具有37个多结阵列元件和21个多结阵列元件。图9示出与图8相同的模块，但光强度图线已经被示出各阵列元件的相对温度的温度图线取代。图10示出均具有多结阵列元件的三个CPV模块，其中，阴影程度指示各阵列元件的相对温度。图11示出记录在个体多结阵列元件上的温度的改变和由从CPV模块去除选择的阵列元件导致的所述温度的改变。图12示出包括二十一(21)个阵列元件的CPV模块，其中，所述阵列元件经由互连引线连接到系统总线(未示出)。图13示出具有阵列元件的替换布置的CPV模块，其中，所述阵列元件经由互连件(其中互连件不表示物理连接阵列元件的准确方式，而是表示所述元件如何串联连接)连接到系统总线(未示出)。图14示出具有阵列元件的替换布置的CPV模块，其中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透射型聚光光伏装置，包括：基板；以及至少两个光伏子电池，其中，所述两个或更多个光伏子电池中的每个包含具有吸收带隙的材料；其中，所述两个或更多个光伏子电池设置在所述基板上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.27 US 62/018,3321.一种透射型聚光光伏装置，包括：基板；以及至少两个光伏子电池，其中，所述两个或更多个光伏子电池中的每个包含具有吸收带隙的材料；其中，所述两个或更多个光伏子电池设置在所述基板上。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述两个或更多个光伏电池中的每个相应光伏子电池的吸收带隙不同于所述两个或更多个光伏子电池中的其它相应光伏子电池中的每个的吸收带隙。3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述至少两个光伏子电池包括三个光伏子电池。4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述三个光伏电池包含具有约2.20eV、约1.8eV和约1.51eV的相应带隙的材料。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述约2.20eV带隙的子电池包含AlGaInP。6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述约1.80eV子电池包含InGaP。7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述约1.51eV子电池包含AlGaAs。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少两个光伏子电池被布置成具有顶部和底部的垂直堆叠。9.根据权利要求8所述的装置，还包括盖板，其中，所述基板设置在所述垂直堆叠的所述底部上并且所述盖板设置在所述垂直堆叠的所述顶部上。10.根据权利要求1所述的装置，其中，用粘合剂将所述至少两个光伏子电池连接到所述基板。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述粘合剂是光学粘合剂。12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述粘合剂选自包括透明液体光聚合物光学粘合剂、巯基酯和硫族化物材料的组。13.根据权利要求1所述的装置，其中，用直接晶片键合将所述基板连接到所述至少两个光伏子电池。14.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在所述至少两个子电池之上、之下或之上及之下的一种或多种包封材料。15.根据权利要求14所述的装置，还包括施加在所述一种或多种包封材料上的抗反射涂层。16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基板对于红外光是透明的。17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述基板包含高度红外透明玻璃。18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述高度红外透明玻璃透射具有至少从约800nm至约5微米的范围的光。19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基板是红外级熔融石英。20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基板选自包括CaF2、MgF2、ZnSe的组。21.根据权利要求1所述的装置，还包括施加于所述基板的任一侧或两侧的抗反射涂层。22.根据权利要求1所述的装置，还包括框架，使得所述基板设置在所述框架的内部或顶部上。23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述框架是金属的。24.根据权利要求1所述的装置，还包括冷却机构。25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述冷却机构选自包括空气冷却、水冷却、被动冷却和流体冷却的组。26.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·D·艾斯卡拉，B·罗森，季亚萍，徐琦，A·欧兰尼克，
申请(专利权)人：杜兰教育基金管理者，
类型：发明
国别省市：美国;US