用于光伏电池和热应用的集成微透镜制造技术

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。

Integrated microlens for photovoltaic cells and thermal applications

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光伏电池和热应用的集成微透镜相关申请的交叉引用本申请要求于2018年7月18日提交的美国专利技术专利申请第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。
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。
技术介绍
和
技术实现思路
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。单独地但相关的是，当前的太阳能热技术(例如，太阳能集热器)遭受显著地影响了操作规模容量和效率的太阳能热相关的问题，即，在防止利用太阳能系统来生产热水的寒冬季节期间的低能量生产，或者相反地，在能量需求低于由太阳提供的潜在能量生产的热夏季节时的过热问题。这两个方面显著地影响每个太阳能热项目的正确的规模确定。更具体地，太阳能集热器的规模确定通常是系统热接收能力相对于散热需求的平衡。即，参照图1，表面A暴露于来自左侧上的源(例如，太阳)的入射辐射。从太阳接收的能量与表面A的表面面积成比例。相对于同一表面A，根据维恩定律，被加热的主体由于不同的过程诸如重新照射、常规和传导(即，热传递)而损失能量。能量损失的量遵循傅里叶定律：其中，Q是能量损失、k来自材料的导热能力的测量结果、A是暴露于周围环境的面积、Thot是热主体的温度、Tcold是冷主体(例如，周围环境)的温度、t是暴露于周围环境的时间，以及d是材料厚度。即，该公式考虑了有助于在处于不同温度的两个主体之间的热平衡的因素。热量从暖主体到较冷主体的传递继续，直到两者的温度变为相同为止。能量损失与交换表面A成比例。对于太阳能集热器，这是个简单的结论——所有太阳能集热器制造商都希望具有更大的面积A接收太阳光，但同时他们也将旨在具有较小的面积A以减少相关的热损失。因此，根据本专利技术的原理的教导基于纳米级制造方法和零对比度光栅设计采用了关于微透镜(即，微米或更小级的透镜)的新设计，以改善PV和CPV应用的操作。在一些实施方式中，与常规的系统相比本教导提供了许多益处，包括但不限于，提高的角效率(即，由于光的焦点移动而造成的较少的电力损失)；更轻、更小、更紧凑的电池；太阳能热应用中减少的热损失；以及消除了对跟踪系统的需要。此外，这些教导通过微透镜组件的光学性能显著地减轻使接收太阳光的面积A最大化与使减少相关热损失的面积A最小化之间的上述权衡提供了本光学器件的容易可实现的应用，以生成创新的性能(与此相关被描述为热二极管)。根据本文中提供的描述，其他应用领域将变得明显。该概要中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的并且不旨在限制本公开内容的范围。附图说明本文中描述的附图仅用于所选实施方式而不是所有可能的实现的说明性目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。图1示出了暴露于入射辐射的表面的热传递响应；图2示出了根据本专利技术的各种实施方式的太阳能组件；图3示出了与聚光光伏热系统和聚光太阳能热系统相关联的微透镜层；图4示出了根据本专利技术的原理的太阳能热系统的侧视图；图5示出了根据本专利技术的原理的太阳能热系统的分解侧视图；以及图6示出了根据本专利技术的原理的可逆太阳能热系统。贯穿附图的若干视图，相应的附图标记指示相应的部分。具体实施方式现在将参照附图更充分地描述示例实施方式。提供示例实施方式使得本公开内容将是透彻的，并且将范围充分地传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，不需要采用具体细节，示例实施方式可以以许多不同的形式来实施，并且都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，没有详细描述公知的处理、公知的装置结构和公知的技术。本文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而不是旨在限制。如本文中所使用的，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“该(the)”也可以旨在包括复数形式。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含”和“具有”是包含的，并且因此指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚光光伏系统，包括：/n微透镜层，所述微透镜层具有以预定的沉积速率沉积并且限定预定的光栅厚度的基板，所述微透镜层具有多个微透镜，每个微透镜具有范围从微米到毫米的半径，所述微透镜层被配置成接收波长范围从深紫外线到射频的辐射能量，并且将所述辐射能量沿着分立路径聚焦在聚焦区域处，所述多个微透镜由透明介电材料或半导体制成；/n微多结太阳能电池层，所述微多结太阳能电池层被放置成与所述微透镜层的聚焦区域匹配，所述太阳能电池层响应于所述辐射能量输出电力；以及/n电子系统，所述电子系统被配置成管理由所述太阳能电池层生成的电力。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170719 US 62/534,239;20180718 US 16/038,5671.一种聚光光伏系统，包括：
微透镜层，所述微透镜层具有以预定的沉积速率沉积并且限定预定的光栅厚度的基板，所述微透镜层具有多个微透镜，每个微透镜具有范围从微米到毫米的半径，所述微透镜层被配置成接收波长范围从深紫外线到射频的辐射能量，并且将所述辐射能量沿着分立路径聚焦在聚焦区域处，所述多个微透镜由透明介电材料或半导体制成；
微多结太阳能电池层，所述微多结太阳能电池层被放置成与所述微透镜层的聚焦区域匹配，所述太阳能电池层响应于所述辐射能量输出电力；以及
电子系统，所述电子系统被配置成管理由所述太阳能电池层生成的电力。


2.根据权利要求1所述的聚光光伏系统，其中，所述多个微透镜被配置成捕获相对于延伸至所述太阳能电池层的正交轴在-30度至+30度之间的角度的光。


3.根据权利要求1所述的聚光光伏系统，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：易亚沙，叶茂，罗伯托·圣蒂内利，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，德米特拉能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US