一种产生太阳能电能的设备通常包括：聚焦太阳辐射的光学部件；准直光学部件；布置于准直光学部件的焦点附近的用于在多个相邻的波长带之间分散入射太阳辐射的半导体光学栅楔；光伏电池阵列，每个电池由将通过楔分散的相应波长带吸收并转换成光伏能量的材料而形成；以及，配置于所述楔和阵列之间用于将分离的波长带引导到相应的光伏电池上的折射光学部件。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】太阳能生成系统太阳能光伏(PV)电池现在为地球上的偏远场所和航天器提供电力，在这些地方 其它电源是昂贵的或不能利用的。太阳能PV技术还不能同大部分中心位置的发电应用相 竞争，因为它们都显著地比其它可用能源(例如，煤，气和核能)昂贵。太阳能PV技术仍然被关注，因为随着其供给的减少，现存的发电形式无疑将会变 得更加昂贵。所有形式的太阳能电力也是可再生的和对环境友好的。当前具有动力来使太 阳能PV电池更便宜并且提高其效率(直接将太阳能转换为电)。当前全球仅电能生产成本大约为$300M/hr ；并且整体的能源市场是该数字的两 倍。能够以比现有的燃煤或核能安装成本低的成本来安装的任何能源生产能力都将会受到 热烈欢迎。太阳能PV电池的现存问题是双重的。首先，基于其安装成本，对于中心位置的发 电而言，它们不能同传统能源相竞争，(太阳能大约$7-$10/安装瓦特，相比而言，煤、核能、 或天然气为$4_$5/瓦特)。其次，目前太阳能PV电池需要与用于众多电子工业(计算机、 LED和二极管激光器)中的稀缺半导体材料相同的稀缺半导体材料。为了使太阳能PV电池 作为发电源具有竞争性，它们必须具有更低的制造成本，在它们将太阳能转换为电时变得 更有效率得多，并且它们必须几乎完全使用便宜且丰富的材料来制造。当前太阳能电池技术在屋顶应用中使用单结电池。这种电池通常具有大约12%到 18%的效率且需要纯硅，纯硅在电子工业大量用于其它应用。为了提高太阳能电池的效率， 已进行了大量尝试来制造“多结”电池。设计这些堆叠的电池，使得电池的不同层吸收入射 太阳能的不同能量带。这种多结电池被证明是更有效率的-在实验室中最好的例子取得的效率是刚刚 超过40%。然而，复杂性限制了其组件中必须用的材料(例如Ge，III-V)并且目前它们比 单结电池要昂贵得多。当前聚光太阳能电池的制造中，可以实现(Spectrolab，波音公司)40%或更大的 最大效率，但只有当每个电池层(包括涂层)的厚度能够极高精度地气相沉积时，才是如 此。每个电池层的厚度必须被精确控制以在电池的每个部分保持相同的电流生成。对于多 结电池，尤其如此，在多结电池中结间相等的电流需要在每个结之间的昂贵的、精确的隧道 二极管。除了与精确制造相关的高工艺成本之外，这些多结部件还必须相互间“晶格匹配”。这意味着电池设计者受限于稀缺的、昂贵的半导体合金组合，以便在每一个结达 到精确相同的分子晶格间距。为了在中心位置发电市场中竞争，太阳能PV电池和聚光系统必须成本低于$2/安 装瓦特。同样，它们必须达到高效率以使它们的“占空比”(duty cycle)有竞争力。目前一 种典型的中心位置发电设备“工作”(on station) 20小时/天。在美国西南部，固定的， SOA太阳能板只有大约6小时/天产生电能，占空比为 25%。跟踪太阳的太阳能电池将 会每天平均约11小时产生电能。
技术实现思路
依照本专利技术用于产生太阳能光伏能量的设备通常包括聚焦太阳辐射的光学部 件；紧接着是准直光学部件；半导体光学栅楔(optical gate wedge)，设置用于将入射的太 阳辐射分散成多个相邻的波长带。该楔可包括多个涂层以减少反射损失。提供光伏电池阵列，每个电池用吸收和转换被该楔分散的相应波长带成为电能的 材料形成。折射光学部件配置在该楔和该阵列之间以将被分离的波长带引导到相应的光伏 电池上。以这种方式，在分散的阵列中的电池中的每种半导体材料为仅匹配该材料吸收和 转换太阳光而成为电能的能力的入射太阳光谱中的波长范围而设置。这些“未堆叠的”(imstacked)太阳能电池阵列使用丰富的且不那么贵的材料以比 现有多结电池低很多的工艺成本制造。一旦每个PV材料和电池针对其适当的光子波长或 能量而被优化，则获得的光伏(PV)电池阵列电能/总功率分数(效率)将超过40%。相反地，如前所述的，现有技术太阳能板系统受限于18%或更少的整体效率。更特别地，折射光学部件设置在该楔和该阵列之间，其目的是将分离的波长带引导到 相应的光伏电池上。每个电池包括单结的III-V或&光伏电池，其显著降低了设备的成本。更特别的，作为一个示例，该阵列可以包括5个电池，其中第一个电池吸收能量为 0. 95到1. 15eV的太阳光子，第二个电池吸收能量为1. 2到1. 4eV的太阳光子，第三个电池 吸收能量为1. 45到1. 7eV的太阳光子，第四个电池吸收能量为1. 75到2. IeV的太阳光子， 并且第五个电池吸收能量为2. 15到2. SeV的太阳光子。更特别的，第一个电池可由(ialnAsP形成，第二个电池可由Si形成，第三个电池可 由GaAs形成，第四个电池可由feilnP形成且第五个电池可由Al2^JnP4形成。为了进一步提高设备的效率和效果，该折射光学部件可以设置用于将来自该楔的 光空间分散到光伏电池上，垂直电池表面入射。依照本专利技术提供一种优化光伏电池阵列的方法，通常包括聚焦太阳辐射到半导 体光学栅楔上；通过该栅楔分散太阳辐射成多个相邻波长带，引导相邻波长带使它们垂直 光伏电池阵列的表面入射。更特别的，该方法进一步包括设置多个单结III-V或Si光伏电 池以形成线性阵列。附图说明通过考虑以下结合附图的详细描述本专利技术将更容易理解，其中图1是依照本专利技术的产生太阳光伏能量的光伏(PV)盒的图示，其一般性地示出了 准直光学部件、半导体光学栅楔、光伏电池阵列以及设置在该楔和该阵列之间的阵列光学 部件；图2是太阳能生成系统的图示，包括与图1所示PV盒操作上有关系地配置的聚焦 光学部件；图3是依照本专利技术图2所示聚焦光学部件的一个实施例的图示，其示例出具有4 面镜子的菲涅耳阵列；图4是依照本专利技术图2所示聚焦光学部件的一个可选实施例的图示，其示例出具 有36面镜子的菲涅耳阵列；以及图5是生成的电学瓦特对太阳光谱与以eV为单位的光子能量之间的关系图，示出 了依照本专利技术通过使用单结二极管光伏电池阵列的设备的效率。具体实施方式参考图1，示出了按照本专利技术的产生太阳光伏能量的光伏(PV)盒，其通常包括准 直光学部件12 ；半导体光学栅楔14，如果需要选择性反射入射辐射，则其可以被涂覆；设置 在楔14和光伏电池22、24J6、28、30的阵列18之间的折射光学部件16。太阳辐射通过窗 口 8进入该PV盒10。如图2所示，太阳能量生成系统2包括聚焦太阳辐射到PV盒10的窗口 8上的聚 焦光学部件4。该PV盒通过几个支柱6附着到聚焦光学部件4的支撑上。聚焦光学部件4可以具有任意适合的构造和尺寸，例如，图3中所示，其中聚焦光 学部件包括具有4面镜子34、36、38、40的菲涅耳阵列4a，每面镜子直径为0. 5m，它们离两 个半导体光学栅楔14约0. 5m的距离。所述楔14具有约0. 04m2的面积。假设太阳能输入为 920ff/m2且聚焦光学部件收集面积为0. 78m2，位于该楔位置处的功率大约是722W。以40% 的效率来计，功率输出差不多为300瓦电能。合适的楔14在by的美国专利No. 7238954 和7286582中描述。这些参考文献在这里整体引入目的是为了描述用于本专利技术的适合的楔 14。PV盒10可通过增加聚焦光学部件4、准直光学部件12、楔1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于产生太阳光伏能量的设备，该设备包括： 用于聚焦太阳辐射的光学部件； 准直光学部件； 半导体光学栅楔，其设置成靠近所述准直光学部件的焦点，用于将入射的太阳辐射分散成多个相邻的波长带； 光伏电池阵列，每个电池由吸收通过所述楔分散的相应波长带并且将所述波长带转换成电能的材料形成；以及 折射光学部件，置于所述楔和所述阵列之间用于将分离的波长带引导到相应的光伏电池上。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：TD费，
申请(专利权)人：楔技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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