混合型太阳能系统及制造方法技术方案

本发明专利技术描述了一种混合型太阳能系统及其制造方法。太阳能装置包括至少一个包封管、至少一个热导管、至少一个反射器设备、至少一个反射过滤器、以及至少一个光伏设备。包封管具有由透射材料制成的外表面以及抽空的内部环境。热导管在至少一个收集器管内纵向延伸。反射器设备固定附接至包封管的内表面，并且反射过滤器定位成使得从反射器设备反射的光被导向至反射过滤器。光伏设备定位成使得由反射过滤器过滤的光的至少第一部分可以被导向至光伏设备，并且与光伏设备不相容的那部分光可以在至少一个热导管中被捕获。

【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为2011年5月2日提交的序列号为61/481，670的美国专利申请以及2011年8月12日提交的序列号为61/523，147的美国专利申请的非临时申请并要求所述美国专利申请的优先权，所述美国专利申请中的每一个以其整体作为参考合并于此。
本专利技术大体涉及用于生产电、热的组合且可选地传输太阳光的混合型太阳能系统，以及制造此类装置的方法，本专利技术还涉及制造用于集中太阳光的装置的系统及方法。
技术介绍
太阳能收集可以理解为是一种令人满意的自由能源。但是太阳辐射是扩散的(峰值位于每平方米大约1300瓦特)并且不断变化到达角度和强度。由于太阳能的不均匀性以及光波长的混合的变化，所以太阳能的收集进一步地复杂。此外，太阳能的多种替代物非常便宜、能量密集且在市场上的地位十分稳固。当需要来自太阳的电力时，采用了半导体的光伏(PV)效应。规模经济使得包含硅电池的光伏板相较于市场上最昂贵的电力(高峰期零买的瓦特数)来说，其成本是极具竞争力的。但是，硅平板收集器仍然是成本相对较高且净效率低(理论上最大值约为25%)的，这限制了太阳能发电。半导体材料及加工的昂贵费用可以视为对太阳能发电的经济开发挑战的关键因素。处于性能效率范围高端的是堆叠多个半导体的多结光伏电池，它们分别转换不同频率范围的光，同时允许其余光穿过。这些多结电池每平米非常昂贵，幸好它们对高度集中的光响应良好(并且某些还号称有高强度下的大于40%的净效率)。费用范围的另一端是热太阳能收集器，其将可用频率的光的主要部分的辐射转换为可感知的热，并且将该热量存储或者立即用于一些应用中。该转换效率(大于80%)以及相对于光伏转换的低成本是热收集器的主要优点。对于热方法的缺点是它们必须与多种便宜的且能量密集的燃料库存(例如天然气和木材)竞争。并且，实现高温(以及由此的更高的能量密度和功用)需要更复杂的机构以及伴随的较高成本。特定的市场和物理技术力量带来混合型太阳能电/热系统(还称作热电联产或PV-T (光伏-热))的发展。通过从单个收集器提取电和可用的热，净孔径效率(作为入射太阳光的一部分捕获的能量)增加。常用方案是将光伏电池安装至循环制冷剂通道并驱使制冷剂穿过该通道，以为光伏材料保持比用其它方法得到的温度更低的温度。这增大了电压以及由此的瓦特时输出。另外，收获的热量能够用于一些有用的功能。热量通常具有较低的经济价值(瓦特时对瓦特时)，所以在其它情况都相同时，较高的电力输出通常是优选的。已知的PV-T (或“混合型收集器系统”)可以被有效地分组为集中式收集器和平板收集器。在这两组收集器中相同的是，允许辐射进入光伏材料全光谱并且仅在此后，去掉多余的、未转换的作为热量的那部分能量。可选择地，已经建议的是，将光谱划分为不同的流以用于由物理分离的光伏电池利用或使用，这将允许使用不是很贵(单结或串联结)的光伏目标。这还将降低了对去除不能转换的能量的需要。这些方法的关键目标是降低光伏部件的操作温度。这里遇到的困难在于报酬减少的定律，并且采用的每个装配件或表面随之带来生产成本和能量损耗。另外，多结电池仍然昂贵，因此需要高集中度的收集器在经济上是可行的。在已知的高集中度收集器中，存在伴随而来的间接光的浪费以及对更多的热管理和更精密的太阳追踪的需求。已知的是，光学集中器设计者必须在可用于狭窄聚焦追踪系统(在该过程释放变化的但是比较大的一部分光，这部分光在来自太阳圆盘的直射正常路径中没有被近似地校准)或略去追踪的费用的较高最大集中比率，以及针对组装和安装中相对廉价的贸易最大化集中度之间进行选择。前者通常是基于卡塞格伦和菲涅尔的集中式收集器，而后者通常采用Roland Winston开创的并在其书“非成像光学”中讨论的那类非成像光学器件。这样仍然存在对于在适于屋顶安装的便宜的设备中实现覆盖广泛范围的照明条件的最大化太阳能收集的需求。更具体地，存在针对太阳能收集装置的需求，所述太阳能装置提供相对于环境温度的高温热能。同时，针对太阳能收集装置的光伏部件，低温工作环境是需要的。还存在对混合PV-T系统的需求，该系统中，不能被光伏设备收集的那部分能量能够尽可能便宜地且果断地作为热量被清除和/或被排出，使得其与太阳不会过分放大下面的建筑物的制冷负荷或降低光伏部件的性能。另外，还存在对于混合型太阳能收集系统的需求，所述系统能够提供多种能量并且服务来自与建筑物的能量需求多样化匹配的同一系统的流，并减少变换损耗。
技术实现思路
通过提供能够递送热能和/或电能的太阳能收集系统和方法，本专利技术的实施例在很大程度上克服了已知系统的缺陷。在特定的实施例中，所述系统还可递送过滤了红外光和紫外光(UV)因此是照明所需的光。更具体地，公开的实施例提供混合PV-T系统和方法，其中，一部分光被转换成可感知的热，并且被传导通过用于太阳热能(结合至少一个光伏电池产生PV能量)的热导管。示例性的系统和方法包括抽空的收集器管，具有DC电压、热量、可用光或这三者的组合的混合输出，以及综合性遮阳的供应。示例性实施例在抽空管中包括光学路径，所述光学路径包括带通过滤器，所述带通过滤器优选地反射对于给定的光伏电池有用的光并将其余一大部分传送至热导管。所述管提供了针对光学器件的结构和保护。由于抽空的环境，所述管还抑制对流以及从热导管收集的热量的传导损耗。入射在地球表面的太阳光可以被有效地划分为直射正常辐照(DNI)和非直射辐照(或散射光或天空光)。示例装置对于这两个能量流保持不同的交错的路径。所述装置、设备和方法的目标是以经济有利的方式可选择地并且综合地采用两种类型的光。首先考虑DNI。公开的光学元件将DNI中的能量分为针对光伏的一条路径和第二清除热量路径。指向光伏电池的光能够由卡塞格伦式系统过滤和/或集中。通过这种方式，光伏电池可以接收并转化每平方面积更多的光能，并且由于吸收带通波长过滤器所过滤的不可用波长的光导致的性能削弱的加热更少。公开设备的模块化允许安装设计不仅提供热和电的不同混合的过程质量，还能够提供过滤的光用于日光照明。从光伏电池离开的光主要是对于电池类型来说波长不合适的光，或者以一定入射角度到达的与集中光学元件不相配的光。在其它已知混合收集器中，所述光能将由光伏电池吸收(不必要地升高其温度)和/或由附属系统吸收。替代地，在一些已知领域中，允许该能量从收集器的后部排出。公开的装置和设备的示例性实施例反而致力于捕获漫射光的主要部分以及其热环内不相配的波长的光。示例性实施例包括散射光收集鳍，所述鳍结合至抽空管中的热导管。所述鳍和热导管可以一起涂覆具有广泛吸收力的且辐射最小的表面(“选择性的涂层”)以吸收进入热导管的能量。从此处，该能量被传导至抽空管部的高端部处的冷凝器。现在考虑散射(非直射正常光)的路径。热环部件用作漫射光的主要以及次级目的地。散射的主要部分(或来自太阳的圆盘外部的光能)要么将大部分传递至鳍和/或热导管，要么将小部分朝向天空从管反射出去。导向热环的其它部分的光为直射正常辐照(DNI)的对于光伏电池来说波长不适当(因此不能驱动光伏效应)的那部分光。反而，另外不能用的那部分光传至热导管、散射鳍和光溢出捕获盖。所述鳍还被恰当定位以捕获被所述设备的多种表面和材料中的瑕疵错误引导的光。在此以交错方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能装置，包括：至少一个包封管，所述至少一个包封管具有由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境；至少一个热导管，所述至少一个热导管在所述至少一个包封管内纵向地延伸；至少一个反射器设备，所述至少一个反射器设备固定地附接至所述包封管的内表面；至少一个反射过滤器，所述至少一个反射过滤器定位成使得射到所述反射器设备上的光被导向至所述反射过滤器；以及至少一个光伏设备，所述至少一个光伏设备定位成使得由所述反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至所述光伏设备；其中光的第二部分被转换为所述热导管能够感知的热并被传导通过所述热导管。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.02 US 61/481,670;2011.08.12 US 61/523,1471.一种太阳能装置，包括: 至少一个包封管，所述至少一个包封管具有由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境; 至少一个热导管，所述至少一个热导管在所述至少一个包封管内纵向地延伸； 至少一个反射器设备，所述至少一个反射器设备固定地附接至所述包封管的内表面；至少一个反射过滤器，所述至少一个反射过滤器定位成使得射到所述反射器设备上的光被导向至所述反射过滤器；以及 至少一个光伏设备，所述至少一个光伏设备定位成使得由所述反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至所述光伏设备； 其中光的第二部分被转换为所述热导管能够感知的热并被传导通过所述热导管。2.根据权利要求1所述的太阳能装置，其中所述光伏设备和所述反射过滤器定位成使得所述光伏设备被所述反射过滤器遮挡直射光。3.根据权利要求1所述的太阳能装置，进一步包括冷凝器，所述冷凝器流体地连接至所述热导管，其中所述能够感知的热通过所述热导管传导至所述冷凝器。4.根据权利要求1所述的太阳能装置，进一步包括至少一个散射鳍，所述散射鳍固定地附接到至少一个热导管。5.根据权利要求1所述的太阳能装置，进一步包括反射涂层，所述反射涂层位于所述至少一个反射器设备上。6.根据权利要求1所述的太阳能装置，其中进入所述包封管的光分裂为多个路径，所述光包括直射正常光和非直射光； 其中所述直射正常光和非直射光被以不同比率集中。7.根据权利要求1所述的太阳能装置，其中光的所述第一部分包括直射正常光。8.根据权利要求1所述的太阳能装置，其中光的所述第二部分包括入射在所述热导管上的直射正常光和非直射光。9.根据权利要求1所述的太阳能装置，进一步包括光的第三部分，所述光的第三部分包括由所述反射器设备反射至散射鳍的非直射光和直射光，使得所述非直射光被所述热导管吸收，或者从所述包封管离开。10.一种混合太阳能系统，包括: 多个太阳能装置，每个装置具有: 包封管，其包括由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境； 至少一个热导管，其在所述至少一个包封管内纵向地延伸； 至少一个反射器设备，其固定地附接至所述包封管的内表面； 至少一个反射过滤器，其定位为使得由所述反射器设备反射的光被导向至所述反射过滤器；以及 至少一个光伏设备，其定位为使得经由所述反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至所述光伏设备； 其中光的第二部分被转换为能够感知的热并且被传导通过所述热导管；以及 支撑组件，所述支撑组件保持所述多个太阳能装置。11.根据权利要求10所述的太阳能系统，进一步包括连接至所述支撑组件的热交换器外壳。12.根据权利要求11所述的太阳能...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·艾伦·博斯特威克，
申请(专利权)人：保罗·艾伦·博斯特威克，
类型：
国别省市：