專(zhuān)利名稱(chēng)：用于太陽(yáng)能聚光器的光電模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般說(shuō)來(lái)，本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的光電模塊。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能被認(rèn)為是當(dāng)今使用的化石燃料的一種替代能源。目前來(lái)說(shuō)，相對(duì)于化石燃料，太陽(yáng)能比較昂貴。當(dāng)太陽(yáng)能的生產(chǎn)更加具有成本競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)，太陽(yáng)能的更廣泛使用是有可能的。
將陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換模塊通常利用光電模塊、光電池或太陽(yáng)能電池，它們將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能以便儲(chǔ)存。太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能能量與太陽(yáng)電池吸收的太陽(yáng)能能量直接相關(guān)，而后者又基于太陽(yáng)能電池的大小或表面積，以及照射到太陽(yáng)能電池上的陽(yáng)光強(qiáng)度或亮度。
一般說(shuō)來(lái)，太陽(yáng)能電池成本占太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換模塊的元器件成本的大部分。這是因?yàn)樘?yáng)能電池通?；趩尉Ч?，而單晶硅是一種比較昂貴的材料。因此，通過(guò)增加太陽(yáng)能電池的大小來(lái)提高電池產(chǎn)生的電能是一種花費(fèi)較高的方法。使用較大的電池也會(huì)造成較高的運(yùn)輸成本。
因此就需要一種改進(jìn)的技術(shù)，它利用光電模塊或光電池在較低成本下生產(chǎn)電能。

發(fā)明內(nèi)容
依照本技術(shù)的一個(gè)方面，提供了一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中包括適于接收太陽(yáng)能并將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能聚光器適于接收太陽(yáng)能并將其引導(dǎo)至太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能聚光器包括透鏡，透鏡又包括至少一個(gè)具有離軸結(jié)構(gòu)的線狀聚焦部分、至少一個(gè)鄰近線狀聚焦部分并具有離軸結(jié)構(gòu)的球形部分，以及鄰近該至少一個(gè)線狀聚焦部分與該至少一個(gè)球形部分的無(wú)圖案(unpatterned)部分。


當(dāng)閱讀下面詳細(xì)描述并參考附圖時(shí)，本發(fā)明這些和其他特征，方面和優(yōu)點(diǎn)可以被更好地理解，在所有附圖中相同的標(biāo)號(hào)代表相同的零部件，其中圖1是依照本技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的圖，其中包括太陽(yáng)能聚光器和太陽(yáng)能電池；圖2是依照本技術(shù)的沿太陽(yáng)能聚光器和太陽(yáng)能電池的軸線2-2剖開(kāi)的示例性剖視圖；圖3是顯示了依照本技術(shù)一個(gè)方面的太陽(yáng)能電池陣列和太陽(yáng)能聚光器陣列的示例性設(shè)置的示意圖；圖4是顯示了依照本技術(shù)一方面的在一天中太陽(yáng)的投射角度隨時(shí)間變化的圖示；圖5是依照本技術(shù)一方面的具有反射器的太陽(yáng)能聚光器和太陽(yáng)能電池的示意性設(shè)置；和圖6是顯示了依照本技術(shù)一方面的太陽(yáng)能聚光器的示例性設(shè)置的示意圖。
部件列表10能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12太陽(yáng)能電池14太陽(yáng)能聚光器16透鏡的線狀聚焦部分或柱形部分18透鏡的球形部分20無(wú)圖案部分
22圖224太陽(yáng)光26太陽(yáng)光線彎曲28圖330太陽(yáng)能電池陣列32太陽(yáng)能聚光器陣列34圖436太陽(yáng)的投射角度38一天內(nèi)的時(shí)間40顯示了特定季節(jié)的某一天(夏至)中太陽(yáng)投射角度隨時(shí)間變化的圖表42顯示了特定季節(jié)的某一天(秋分)中太陽(yáng)投射角度隨時(shí)間變化的圖表43顯示了特定季節(jié)的某一天(冬至)中太陽(yáng)投射角度隨時(shí)間變化的圖表44夏至和秋分之間的太陽(yáng)投射角度之差46圖548反射器50反射器的支架54端蓋具體實(shí)施方式
本發(fā)明公開(kāi)了一種適于接收太陽(yáng)能并且將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在下面的

中，每個(gè)圖中的相同特征盡可能采用相同標(biāo)號(hào)來(lái)命名。
現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，圖1是能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10的圖示。該系統(tǒng)的每一個(gè)元件都會(huì)在下面詳細(xì)介紹。
能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10包括設(shè)置成用來(lái)接收陽(yáng)光并將陽(yáng)光中的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能電池12。該系統(tǒng)還包括被設(shè)計(jì)成接收太陽(yáng)能并將其引導(dǎo)至太陽(yáng)能電池12的太陽(yáng)能聚光器14。太陽(yáng)能聚光器14包括透鏡，該透鏡又包括至少一個(gè)具有離軸結(jié)構(gòu)的線狀聚焦部分16，至少一個(gè)鄰近該至少一個(gè)線狀聚焦部分并具有離軸結(jié)構(gòu)的球形部分18，以及鄰近線狀聚焦部分16與球形部分18的無(wú)圖案部分20。
在一個(gè)實(shí)施例中，太陽(yáng)能聚光器14包括菲涅爾(Fresnel)透鏡。該菲涅爾透鏡具有分段的透鏡的表面曲率，從而保持了與常規(guī)透鏡相似的主焦距，但重量只有常規(guī)透鏡的一部分。對(duì)于薄的凸透鏡而言，平行的陽(yáng)光陣列通過(guò)透鏡被聚焦到一點(diǎn)，此點(diǎn)被稱(chēng)為主焦點(diǎn)。從透鏡到主焦點(diǎn)的距離是透鏡的主焦距“f’。在本技術(shù)的所示實(shí)施例中，透鏡的球形部分18、透鏡的柱形部分16和透鏡的無(wú)圖案部分20設(shè)置成使得能夠在特定一天內(nèi)太陽(yáng)所處的不同位置中，獲得陽(yáng)光的最大投射寬度。
在所示實(shí)施例中的線狀聚焦部分16包括菲涅爾透鏡的柱形部分。透鏡的無(wú)圖案部分20設(shè)置成可接收發(fā)散的陽(yáng)光并將照射的陽(yáng)光引導(dǎo)至太陽(yáng)能電池12。
應(yīng)當(dāng)注意的是，在本技術(shù)中，盡管只在圖1中公開(kāi)了透鏡的球形部分18、透鏡的柱形部分16和透鏡的無(wú)圖案部分20的特定設(shè)置，然而透鏡的球形部分18、透鏡的柱形部分16和透鏡的無(wú)圖案部分20的多種其它設(shè)置也是可行的。
一般地說(shuō)，參考圖2更詳細(xì)地說(shuō)明了沿太陽(yáng)能聚光器14和太陽(yáng)能電池12的圖1所示軸線2-2的示例性剖視圖22。在所示圖2中，太陽(yáng)光24被引導(dǎo)至太陽(yáng)能聚光器14上。太陽(yáng)能聚光器14包括透鏡的球形部分18、透鏡的柱形部分16和透鏡的無(wú)圖案部分20。太陽(yáng)光相對(duì)于緯度和經(jīng)度的角位置均不改變。這就使得能夠利用透鏡段的透柱形部分16來(lái)使沿太陽(yáng)能電池12平行于緯度方向的太陽(yáng)光24聚焦。菲涅爾透鏡的無(wú)圖案部分20將太陽(yáng)光24中的發(fā)散光和未集中的太陽(yáng)光傳導(dǎo)至太陽(yáng)能電池12上。無(wú)圖案部分20也能夠收集霧天散射的和發(fā)散的陽(yáng)光24，這些光入射到太陽(yáng)能電池12而不會(huì)從太陽(yáng)能電池12中再次導(dǎo)出。在透鏡端部的球形部分18(如圖2所示)對(duì)于太陽(yáng)的東-西運(yùn)動(dòng)提供了更大的高度角范圍，因此能夠?qū)⑻?yáng)光24引導(dǎo)至太陽(yáng)能電池12。通過(guò)沿太陽(yáng)能電池長(zhǎng)度方向形成一條線而不是一個(gè)亮點(diǎn)，柱形部分16將太陽(yáng)光24更加均勻地分布在太陽(yáng)能聚光器14的表面上。因此，以各種投射角度引導(dǎo)至太陽(yáng)能聚光器14上的太陽(yáng)光24以一定圖案會(huì)聚在太陽(yáng)能電池12上，陽(yáng)光聚集程度較小，從而不會(huì)導(dǎo)致由于入射光過(guò)強(qiáng)而引起的太陽(yáng)能電池性能下降。
典型的透鏡制作成具有中心的機(jī)械和光學(xué)軸線，使陽(yáng)光24能夠通過(guò)而不被彎曲和折射。透鏡表面的頂點(diǎn)在機(jī)械/光學(xué)軸線上，根據(jù)透鏡焦距的正負(fù)來(lái)決定是表面是凹還是凸的。標(biāo)準(zhǔn)透鏡的焦點(diǎn)位于光學(xué)軸線上的距后透鏡頂點(diǎn)為一個(gè)后焦距長(zhǎng)度的位置處。透鏡或反射鏡的離軸段不會(huì)聚焦在透鏡的光學(xué)軸線上。通過(guò)利用透鏡的離軸段，通常在透鏡下均勻入射的太陽(yáng)光現(xiàn)在則聚焦在光學(xué)軸線上。這就有效地使光學(xué)軸以下的光線彎向透鏡的光學(xué)軸。如果使用球面透鏡，則所得的聚焦強(qiáng)度分布是一個(gè)點(diǎn)，而如果使用柱面透鏡，強(qiáng)度分布是一條線。在本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，具有離軸結(jié)構(gòu)的透鏡柱形部分16(包括此部分的機(jī)械中心和圓柱的全部上半部分或下半部分)沿太陽(yáng)能電池12的長(zhǎng)軸來(lái)使用，而在邊角(上或下象限)具有離軸結(jié)構(gòu)的透鏡球形部分18和在無(wú)圖案部分20寬度兩邊的柱形部分16形成了端蓋(未在圖2中標(biāo)出)。在另一個(gè)實(shí)施例中，太陽(yáng)能聚光器的端蓋是透鏡的柱形部分，它能夠在柱形部分16的短邊上(具有制造簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn))獲取太陽(yáng)光24的大部分，但也使得一些太陽(yáng)光被聚焦在太陽(yáng)能電池12之外。
透鏡的柱形部分16和球形部分18的離軸結(jié)構(gòu)能夠在一天中更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)使太陽(yáng)光24彎向(26)太陽(yáng)能電池12的中心。通過(guò)利用菲涅爾透鏡的離軸結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)光24在太陽(yáng)光24的各種投射角下被引導(dǎo)至太陽(yáng)能電池12。這就使得太陽(yáng)能電池12可以比太陽(yáng)能聚光器14尺寸更小，如圖2所示，同時(shí)也減少了太陽(yáng)能電池12的厚度，因此降低了太陽(yáng)能電池的成本。
通常，太陽(yáng)能電池12的成本主要由硅或太陽(yáng)能電池12中任何類(lèi)似材料的成本來(lái)決定。通過(guò)減少為達(dá)到太陽(yáng)能電池12指定的瓦數(shù)而所需的硅的總表面積，系統(tǒng)10的成本因而也得到降低。利用本技術(shù)的聚集光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建的系統(tǒng)可采用更小的矩形太陽(yáng)能電池12，其沿東西方向的長(zhǎng)度比沿南北方向的寬更長(zhǎng)。這些太陽(yáng)能電池12的間距可以比它們寬度大兩倍。除此之外，透鏡的球形部分18和柱形部分16的離軸結(jié)構(gòu)使得在相對(duì)于太陽(yáng)能電池12的各種投射角度下都能夠聚集太陽(yáng)光24。通過(guò)這種方法，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10的效率就可以得到提高，同時(shí)系統(tǒng)的總體成本得到降低。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖3，它說(shuō)明了太陽(yáng)能電池30陣列和太陽(yáng)能聚光器32陣列的示例性設(shè)置。在這樣一種設(shè)置中，多個(gè)太陽(yáng)能聚光器14和多個(gè)太陽(yáng)能電池12形成了太陽(yáng)能電池陣列30和太陽(yáng)能聚光器32陣列，如圖3所示。在本技術(shù)的一個(gè)例子中，一對(duì)太陽(yáng)能電池12和太陽(yáng)能聚光器14可以并排地設(shè)置，如圖3所示。然而，應(yīng)該注意這只是一種示例性布置，任何組合和任何數(shù)量的太陽(yáng)能聚光器14和太陽(yáng)能電池12可設(shè)置成用來(lái)形成太陽(yáng)能電池陣列30和太陽(yáng)能聚光器32陣列。太陽(yáng)能聚光器32陣列和太陽(yáng)能電池陣列30的這種設(shè)置使將被引導(dǎo)至太陽(yáng)能電池12上的太陽(yáng)光24可具有更大的覆蓋范圍，因此提高了能量轉(zhuǎn)換單元10的效率。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖4，它提供了一天中相對(duì)于時(shí)間38的太陽(yáng)投射角度的圖示34。一天或一年中太陽(yáng)投射角度34和時(shí)間38之間的關(guān)系被稱(chēng)為太陽(yáng)高度角。標(biāo)號(hào)40代表的曲線表示特定季節(jié)的特定一天(夏至)中相對(duì)于時(shí)間38的太陽(yáng)總投射角度36。同樣地，標(biāo)號(hào)42代表的曲線表示另一個(gè)季節(jié)的特定一天(秋分)中相對(duì)于時(shí)間38的太陽(yáng)總投射角度36。標(biāo)號(hào)43代表的曲線表示另一個(gè)季節(jié)的特定一天(冬至)中相對(duì)于時(shí)間38的太陽(yáng)總投射角度36?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)證明，太陽(yáng)總投射角度36在夏至和秋分之間存在大約+/-23度的差別，如標(biāo)號(hào)40所示。
為此，由于在夏天和冬天之間存在太陽(yáng)投射角度36的差別，因此在能量轉(zhuǎn)換單元10中使用了多個(gè)反射器，以便提高夏天和冬天太陽(yáng)高度角極值時(shí)的照度。在太陽(yáng)能電池12的每一邊都可布置有反射器(將在下面解釋)，使得太陽(yáng)光24在太陽(yáng)高度角極值時(shí)能夠聚焦在太陽(yáng)能電池12上。以這種方式，那些在夏天和冬天會(huì)落在太陽(yáng)能電池12的上、下部分之外的太陽(yáng)光24被反射回太陽(yáng)能電池12的有效區(qū)域內(nèi)。這些反射器形成有1/2頂角的銳角，其典型值在15至30度范圍內(nèi)。
圖5說(shuō)明了配有反射器48的太陽(yáng)能聚光器14和太陽(yáng)能電池12的示意性設(shè)置示例。如前所述，在太陽(yáng)能電池12的每一邊都安置有多個(gè)反射器48，用來(lái)在太陽(yáng)高度角極值時(shí)聚集太陽(yáng)光24。然而應(yīng)當(dāng)注意的是，在另外一個(gè)示例性實(shí)施例中，反射器48集成在太陽(yáng)能電池12中，這就使對(duì)太陽(yáng)能電池12的設(shè)計(jì)更加通用化和模塊化(出于簡(jiǎn)便目的而未在圖5中顯示)。反射器48通常配有支架，如圖5中的標(biāo)號(hào)50所示。這種布置同樣適用于圖4中說(shuō)明的太陽(yáng)能電池12陣列。圖5還包括在前面段落中說(shuō)明的由菲涅爾透鏡的柱形部分16、球形部分18和無(wú)圖案部分20組成的太陽(yáng)能聚光器14的示例性設(shè)置。然而，在本技術(shù)另外一個(gè)實(shí)施例中，柱形部分16可以用來(lái)代替圖5中球形部分18而設(shè)在太陽(yáng)能聚光器14的每一端。這種設(shè)置沿太陽(yáng)能電池12的短端方向產(chǎn)生了對(duì)太陽(yáng)光24的線狀聚焦。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖6，它提供了說(shuō)明太陽(yáng)能聚光器的示例性設(shè)置的示意圖。在這樣的一種排列中，具有離軸結(jié)構(gòu)的透鏡柱形部分16設(shè)在太陽(yáng)能聚光器14的兩個(gè)端蓋54處。在本技術(shù)另外一個(gè)實(shí)施例中，球形部分18和柱形部分16的組合也可以設(shè)在太陽(yáng)能聚光器14的兩個(gè)端蓋54處。太陽(yáng)能聚光器14的這些設(shè)置也可以用在上述太陽(yáng)能聚光器陣列中。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣，雖然本技術(shù)公開(kāi)了太陽(yáng)能聚光器14中的球形部分18、柱形部分16和無(wú)圖案部分20的某種圖案，然而柱形部分16、球形部分18和無(wú)圖案部分20的任何組合均可以設(shè)在太陽(yáng)能聚光器14周?chē)?br> 上面介紹的技術(shù)提供了一種適于接收太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)換為電能的有效的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10。系統(tǒng)10有助于減少太陽(yáng)能電池12的大小，因而減少了太陽(yáng)能電池12中硅的使用，從而降低了系統(tǒng)10的成本。除此之外，系統(tǒng)采用了菲涅爾透鏡的柱形部分16和球形部分18的離軸結(jié)構(gòu)與無(wú)圖案部分20組合，使得在各種太陽(yáng)高度角下的各種太陽(yáng)36投射角度處都能夠?qū)⑻?yáng)光24聚集在太陽(yáng)能電池12上。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣，在不偏離本發(fā)明范疇和實(shí)質(zhì)的同時(shí)，可以做出各種形式和內(nèi)容上的修改。例如，在一些實(shí)施例中可以使用折射、開(kāi)口和/或散射透鏡，還可以使用具有合適結(jié)構(gòu)或控制機(jī)構(gòu)的可移動(dòng)或可調(diào)節(jié)透鏡、反射鏡和棱鏡來(lái)引導(dǎo)小角度范圍內(nèi)的陽(yáng)光至太陽(yáng)能電池上。進(jìn)一步說(shuō)，所有或任何太陽(yáng)能電池陣列和太陽(yáng)能聚光器陣列不必是同樣大小。最佳設(shè)置可以包括在大小和/或其他特征上明顯相似的陣列。
盡管這里只說(shuō)明和描述了本發(fā)明的某些特征，然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以做出很多修改和變化。因此可以理解，所附權(quán)利要求旨在涵蓋屬于本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神內(nèi)的所有這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(10)，其包括設(shè)置成可用來(lái)接收太陽(yáng)能(24)并將太陽(yáng)能(24)轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能電池(12)；和設(shè)置成可用來(lái)接收太陽(yáng)能(24)并將太陽(yáng)能(24)引導(dǎo)至所述太陽(yáng)能電池(12)上的太陽(yáng)能聚光器(14)，所述太陽(yáng)能聚光器(14)包括透鏡，所述透鏡又包括包括離軸結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)線狀聚焦部分(16)；鄰近所述至少一個(gè)線狀聚焦部分的至少一個(gè)球形部分(18)，其中所述至少一個(gè)球形部分(18)包括離軸結(jié)構(gòu)；和鄰近所述至少一個(gè)線狀聚焦部分(16)和所述至少一個(gè)球形部分(18)的無(wú)圖案部分(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡包括設(shè)在所述太陽(yáng)能電池(12)之上的菲涅爾透鏡的一部分。
3.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)線狀聚焦部分(16)包括菲涅爾透鏡的柱形部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)無(wú)圖案部分(20)設(shè)置成將光線均勻地分布在所述太陽(yáng)能電池(12)的表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡還包括兩個(gè)被所述無(wú)圖案部分(20)相互隔開(kāi)的線狀聚焦部分和兩個(gè)被所述無(wú)圖案部分(20)相互隔開(kāi)的球形部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽(yáng)能聚光器(14)成形為細(xì)長(zhǎng)的形狀，其中所述兩個(gè)線狀聚焦部分設(shè)在其相對(duì)的兩端處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽(yáng)能聚光器(14)設(shè)置成使得其兩端呈東-西定向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括多個(gè)反射器(48)，其設(shè)置成用來(lái)改進(jìn)太陽(yáng)高度角極值時(shí)的照度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)線狀聚焦部分(16)設(shè)在所述太陽(yáng)能聚光器(14)的每一端。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)線狀聚焦部分(16)和所述球形部分(18)的組合設(shè)在所述太陽(yáng)能聚光器(14)的每一端處。
全文摘要
一種包括適于接收太陽(yáng)能(24)并將其轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能電池(12)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(10)。該能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(10)還包括適于接收太陽(yáng)能(24)并將其引導(dǎo)至太陽(yáng)能電池(12)上的太陽(yáng)能聚光器(14)。太陽(yáng)能聚光器(14)具有透鏡，該透鏡包括至少一個(gè)具有離軸結(jié)構(gòu)的線狀聚焦部分(16)、鄰近該至少一個(gè)線狀聚焦部分(16)的至少一個(gè)球形部分(18)，其中該至少一個(gè)球形部分(18)具有離軸結(jié)構(gòu)，以及與該至少一個(gè)線狀聚焦部分(16)和至少一個(gè)球形部分(18)相鄰的無(wú)圖案部分(20)。
文檔編號(hào)H01L31/052GK1750274SQ20051010418
公開(kāi)日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者M·M·邁爾斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司