用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备制造技术

用于采集来自光源的光的设备，所述设备包括：第一光伏电池，所述第一光伏电池具有上表面、下表面以及位于所述第一光伏电池中的光学通道阵列。聚光元件阵列，所述聚光元件阵列在所述上表面上方，限定了受光区域，每个聚光元件与所述光学通道中的一个光学通道相关联，并且被构造/安排成用于将直射光聚集朝向所述光学通道。所聚集的直射光经由光学通道穿过所述第一光伏电池并且作为非平行光束离开。光学重定向元件阵列，所述光学重定向元件阵列在所述下表面下方，每个光学重定向元件与所述光学通道中的一个光学通道相关联；每个光学重定向元件接收来自与所述光学重定向元件相关联的光学通道的光束并且将所述光束光学重定向朝向第二光伏电池。漫射光穿过所述聚光元件阵列至第一光伏电池的上表面。第二光伏电池具有小于所述受光区域的有效区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备交叉引用本申请要求于2014年7月8日提交的题为“DeviceforHarvestingDirectLightandDiffuseLightfromaLightSource(用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备)”的美国临时专利申请序列号62/022,078的权益和优先权，该美国临时专利申请的内容出于所有目的通过引用以其全文结合在此。
本技术涉及用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备。
技术介绍
出于许多原因，用于利用可再生能源作为对通过燃烧碳氢化合物生成能量的替代方案的技术的发展一直在增长。已经受到一些关注的一种这样的可再生能源是太阳能。用于采集太阳能的设备在本领域中已经已知有一段时间了。这类设备中最普遍的是相对较大的平板太阳能电池板组件。这种太阳能电池板通常包括一系列平坦“单结”晶体硅光伏电池，这些电池机械地且电性地连接在一起以形成较大的电池板组件。这个电池板组件然后被安装在支撑结构上。照射在电池板组件上的光进入光伏电池以由其进行采集。这种类型的太阳能电池板组件已被使用了一段时间并且今天仍在使用。这种太阳能电池板组件由于其光伏电池在将太阳光转换成电能时的效率相对较低的事实并不适合用于许多情形中。因此，在一些情形中，将仅生成少量的可用电能，这将不足以满足特定预期应用的电力需求。在其他情形中，将需要较大数量的这种太阳能电池板组件来生成特定期望的电量，使得生成这种电力相比经由另一种发电方法更加昂贵。为了尝试克服这种困难，研发了高效率光伏电池(“HE-PV电池”)(例如，三结电池)。如它们的名称所暗示的，这种HE-PV电池在将太阳光转换成电能时相比以上所提及的常规单结光伏电池实质上更高效。然而，相比常规单结光伏电池，HE-PV电池还制造起来明显更昂贵。如此以致为了使在需要考虑成本的太阳能发电应用(其是大多数应用)中使用这种HE-PV电池经济可行，仅可以使用非常小尺寸(相对以上所提及的较大平板太能电池板组件中发现的常规单结晶体硅光伏电池而言)的HE-PV电池。这种情况已经使得人们对聚光光伏(CPV)系统产生了兴趣。CPV系统背后的理论是使用光学元件来将在相对较大面积上接收到的太阳光聚集到HE-PV电池的相对较小面积中。理论上，因为这种光学元件相对廉价，所以它们与相对较小尺寸的HE-PV电池的结合将使得通过这种系统生成的太阳能经济上可行。(例如，可能在具有给定面积的标准常规平板太阳能电池板组件与具有相同给定面积的受光区域的CPV系统的成本之间进行成本比较。)CPV系统存在重要缺点。用于对照射到系统上的光进行聚集的光学元件针对任何入射光具有非常小的接受角。(通常，仅在该接受角内的光被系统接受以被聚集并最终采集，所有其他光通常不可被系统采集。)这意味着在大多数CPV系统中，通常仅直射法向光(在本领域中通常被称为直射法向辐照(DNI))被系统的光学元件接受并且被系统采集。由于太阳在一天当中在空中移动，所以将CPV系统固定地安装在支撑结构上不是经济可行的。通常，这种系统安装有双轴“跟踪器”，该双轴“跟踪器”是在一整天中对系统进行重定向以维持光入射到太阳法向方向上的光学元件以便使系统接收的DNI量最大化的机构。然而，由跟踪器上的电池板在地球上的特定位置处从太阳接收到的总光量(本领域中已知为全局法向辐照(GNI))中并非所有都是DNI。地球大气中的颗粒和悬浮物将散射从太阳入射到农作物上的部分光束，该部分光束在本领域中被称为“漫射光”(即，在该特定情形中的非直射光)。DNI与GNI之比(即，太阳光在特定位置处是尚未被散射的直射法向太阳光的程度)根据地球上的位置并随时间变化。例如，该比值然后将受地球上接收太阳光的位置处的当前气象状况的影响。例如，在多伦多的阴天，该比值为零，因为所有光都是漫射太阳光。在多伦多晴朗阳光的冬天，所接收的太阳光中约85％是DNI(由于空气中相对缺乏水分和烟雾)；而在多伦多晴朗阳光的夏天，所接收的太阳光中约70％是DNI(由于空气中存在较多的水分和烟雾)。如以上所讨论的，由于其光学元件的较小接受角，常规CPV系统通常不能够采集漫射光。漫射光仅对常规CPV系统而言被丢失了，这部分地偏移了关于在这种系统中采集直射太阳光的效率增益。这还意味着，即使具有跟踪器，仍有一部分GNI是系统不可达的。针对地球上任何特定位置，可以计算平均年DNI和DNI与GNI之比以便评估安装常规CPV系统的经济意义。为了可能地改善常规CPV系统的经济意义，已经提出了部分漫射光也可以被系统接受并采集的系统。在这个方面，已经提出了作为非聚光光伏系统与聚光光伏系统的结合的各种“混合”系统。在2010年5月27日所公开的题为“PhotovoltaicConcentratorwithAuxiliaryCellsCollectingDiffuseRadiation(具有聚集漫辐射的辅助电池的光伏聚光器)”的美国专利申请公开号US2010/0126556A1中描述了一种这样的混合系统；该美国专利申请的摘要提供了：“高度聚集光伏聚光器可以利用更加昂贵的高效率电池，因为它们需要少得多的电池，但是大量的太阳能资源未被其收集。主电池位于所述聚光器的焦斑处。现在将低成本二次太阳能电池添加到所述聚光器中，包围所述主电池。漫射天光和误定向的法向光线照射所述二次电池，添加到输出。并且，发电站在多云天可能具有输出，不像常规聚光器。由于电池成本相对于其他成本下降，此系统变得经济上优于平板和聚光器系统两者。”在2012年10月11日公开的题为“SolarPowerGeneratorModule(太阳能发电机模块)”的美国专利申请公开号US2012/0255594A1中描述了另一种这样的混合系统；该美国专利申请的摘要提供了：“一种太阳能发电机模块包括第一类型的光伏电池和第二类型的光伏电池。所述第二类型的光伏电池不同于所述第一类型的光伏电池。所述模块进一步包括被适配成用于将光聚集到所述第一类型的光伏电池上并用于将漫射光传输到所述第二类型的光伏电池的光学设备。”虽然混合系统(如在该‘556公开和该‘594公开中所描述的那些混合系统)可能是有用的，但是这类系统的改进仍然是可能的。
技术实现思路
本技术的目标在于提供一种相比现有技术的至少一部分改进了的用于采集直射光和漫射光两者的设备。本技术的另一个目标在于提供一种用于采集太阳光的混合设备，该混合设备结合了用于采集直射太阳光的聚光光伏系统和用于采集漫射太阳光的非聚光光伏系统。在其最简单的形式之一中，本技术提供了一种具有聚光方面和非聚光方面的太阳能电池板设备。(应理解的是，随后对这个极其简单的实施例的说明并不旨在定义本技术，而仅帮助理解本技术。复杂得多的实施例在本技术的范围内，并且在本段之后的段落中进行描述。)在这个简单的实施例中，非聚光方面使用类似于常规非聚光太阳能电池板但是在该电池板的非透明部件的一部分中具有一系列孔的太阳能电池板。该聚光方面使用此太阳能电池板作为支撑，使得一系列透镜定位在该电池板的顶部上并且一系列反光镜定位在该电池板的底部上。直射太阳光被这些透镜聚焦穿过这些孔到达这些反光镜，反光镜然后将光反射到高效太阳能电池以进行采集。因此，直射太阳光被该设备采集，如同该设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备，所述设备包括：第一光伏电池，所述第一光伏电池具有上表面、下表面以及位于所述第一光伏电池中与所述上表面和所述下表面光学连通的光学通道阵列；聚光元件阵列，所述聚光元件阵列在所述第一光伏电池的所述上表面上方，限定了受光区域，所述聚光元件中的每个聚光元件与所述光学通道中的一个光学通道相关联，所述聚光元件中的每个聚光元件被构造并安排成用于将来自所述光源照射在那个聚光元件上的直射光聚集朝向所述光学通道中与那个聚光元件相关联的所述一个光学通道，所述聚集的直射光经由所述光学通道穿过所述第一光伏电池并且经由所述下表面作为非平行光束离开所述第一光伏电池，来自所述光源的漫射光穿过所述聚光元件阵列至所述第一光伏电池的所述上表面并且进入所述第一光伏电池以由其进行采集；以及光学重定向元件阵列，所述光学重定向元件阵列在所述第一光伏电池的所述下表面下方，所述重定向元件中的每个重定向元件与所述光学通道中的一个光学通道相关联，所述重定向元件中的每个重定向元件接收来自与那个重定向元件相关联的所述光学通道的光束并且将所述光束光学重定向朝向第二光伏电池以由其进行采集，所述第二光伏电池具有接收所述光束的有效区域，所述第二光伏电池的所述有效区域比由所述聚光元件阵列限定的所述受光区域小聚光因子倍。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.08 US 62/022,0781.一种用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备，所述设备包括：第一光伏电池，所述第一光伏电池具有上表面、下表面以及位于所述第一光伏电池中与所述上表面和所述下表面光学连通的光学通道阵列；聚光元件阵列，所述聚光元件阵列在所述第一光伏电池的所述上表面上方，限定了受光区域，所述聚光元件中的每个聚光元件与所述光学通道中的一个光学通道相关联，所述聚光元件中的每个聚光元件被构造并安排成用于将来自所述光源照射在那个聚光元件上的直射光聚集朝向所述光学通道中与那个聚光元件相关联的所述一个光学通道，所述聚集的直射光经由所述光学通道穿过所述第一光伏电池并且经由所述下表面作为非平行光束离开所述第一光伏电池，来自所述光源的漫射光穿过所述聚光元件阵列至所述第一光伏电池的所述上表面并且进入所述第一光伏电池以由其进行采集；以及光学重定向元件阵列，所述光学重定向元件阵列在所述第一光伏电池的所述下表面下方，所述重定向元件中的每个重定向元件与所述光学通道中的一个光学通道相关联，所述重定向元件中的每个重定向元件接收来自与那个重定向元件相关联的所述光学通道的光束并且将所述光束光学重定向朝向第二光伏电池以由其进行采集，所述第二光伏电池具有接收所述光束的有效区域，所述第二光伏电池的所述有效区域比由所述聚光元件阵列限定的所述受光区域小聚光因子倍。2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二光伏电池具有上表面和下表面，并且来自所述光学重定向元件阵列的所述光束穿过所述第二光伏电池的所述下表面进入所述第二光伏电池。3.如权利要求2所述的设备，其中，所述光束仅穿过所述第二光伏电池的所述下表面进入所述第二光伏电池。4.如权利要求2和3中任一项所述的设备，其中，所述第二光伏电池的所述上表面与所述第一光伏电池的所述下表面相邻。5.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二光伏电池与所述第一光伏电池竖向间隔开并且具有上表面和下表面，来自所述光学重定向元件阵列的所述光束穿过所述第二光伏电池的所述上表面进入所述第二光伏电池。6.如权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述第二光伏电池是单个第二光伏电池。7.如权利要求1至6中任一项所述的设备，进一步包括集光元件，所述集光元件接收来自所述光学重定向元件阵列的所述光束并且将所述光束光学重定向朝向所述第二光伏电池。8.如权利要求7所述的设备，其中，所述集光元件直接将所述光束重定向朝向所述第二光伏电池。9.如权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述重定向元件直接将所述光束重定向朝向所述第二光伏电池。10.如权利要求1至9中任一项所述的设备，其中，所述聚光元件是透镜。11.如权利要求10所述的设备，其中，所述透镜被安排为包括具有第一公共圆心的第一系列同心圆的第一图案，并且针对所述第一系列同心圆中的一个同心圆，所述第一系列同心圆中的那一个同心圆的透镜具有相同的表面面积，所述透镜的表面随着行进离开所述第一公共圆心而增大。12.如权利要求10所述的设备，其中，所述透镜被安排为六边形阵列。13.如权利要求10所述的设备，其中，所述透镜被安排为笛卡尔阵列。14.如权利要求10所述的设备，其中，所述透镜被安排为不规则间隔的由算法确定的阵列。15.如权利要求1至14中任一项所述的设备，其中，所述光学通道是穿过所述第一光伏电池的开口。16.如权利要求10至14以及直接或间接从属于权利要求10时的权利要求15中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：奈杰尔·莫里斯，约翰·保罗·摩根，斯蒂芬·迈尔斯科戈，布雷特·巴恩斯，迈克尔·辛克莱尔，
申请(专利权)人：摩根阳光公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA