地面太阳能阵列 【技术领域】
大体而言，本发明涉及用于将日光转换成电能的地面太阳能发电系统，且更具体而言，涉及一种太阳能电池阵列，其将III-V族化合物的半导体太阳能电池用于追踪太阳的整体运动。
背景技术
市面上用于地面太阳能发电应用的硅太阳能电池具有处于从8％到15％的效率。基于III-V族化合物的半导体太阳能电池在正常操作条件下具有28％的效率。此外，众所周知，将太阳能聚集到III-V族化合物半导体光电电池上可在聚集时将电池效率增加到37％效率以上。
当前，地面太阳能发电系统使用硅太阳能电池是由于其成本低且可广泛地使用。虽然III-V族化合物的半导体太阳能电池已在卫星应用(在选择这些装置时，其功率与重量的效率比每瓦特成本的考虑因素重要得多)中得到广泛使用，但这些太阳能电池尚未经被设计用于获得最佳的太阳光谱覆盖范围及被配置或优化用于追踪太阳的地面系统，而现有的商用地面太阳能发电系统同样也未经配置及优化以利用化合物半导体太阳能电池。
在硅及III-V族化合物的半导体太阳能电池二者的设计中，通常，一个电触点放置在太阳能电池的光吸收或前侧上，而第二触点放置在所述电池的背侧上。光激活半导体设置在衬底的光吸收侧上并包括一个或多个p-n结，当光吸收于所述电池内时，所述一个或多个p-n结形成电子流。网格线路在电池顶表面上延伸以俘获所述电子流，然后将其连接到前部接触或接合垫中。
太阳能电池系统的一个重要方面是构成太阳能电池的半导体材料层的物理结构。太阳能电池常常制造成垂直、多结的结构以便利用具有不同能隙带的材料并尽可能多地转换太阳光谱。
太阳能电池系统的另一方面是用于组成阵列的电池数量的规格及形状、纵横比和所述阵列的配置。
各个太阳能电池通常设置成水平阵列，其中各个太阳能电池以电串连的方式连接在一起。阵列的形状和结构及其包含的电池数量以及电池间的电连接顺序部分地取决于所希望的系统输出电压及电流。
地面太阳能发电系统的另一方面是使用光束聚集装置(例如，透镜及反射镜)来将入射的太阳光线聚焦到太阳能电池或太阳能电池阵列的表面上。这些系统还需要适合的太阳追踪机构，随着太阳在白天划过天空，所述太阳追踪机构可使太阳能电池的平面能够连续地面对太阳，由此最佳化入射到电池上的日光量。
在本发明以前，尚未有与阵列设计、太阳能电池接收模块有关的最佳特征组合以及适合于地面应用的半导体装置特征。
【发明内容】
本发明提供一种用于产生太阳能的太阳能电池阵列，其包括：中央支撑件，其可安装在地面上且能够绕其中央纵轴旋转；支撑框架，其由所述中央支撑件承载且可相对于所述中央支撑件、围绕正交于所述中央纵轴的轴线旋转；太阳能电池阵列，优选地，多个太阳能电池子阵列安装在所述支撑框架上；及致动器，其用于旋转所述中央支撑件及支撑框架，以便随着太阳横越天空，将所述太阳能电池阵列保持成大体正交于太阳光线。
优选地，所述太阳能电池子阵列包括多个模块或子组合件，每一模块包括单个设置在单个太阳能电池上的Fresnel透镜以将入射的日光聚集到太阳能电池上。
于一优选实施例中，所述太阳能电池阵列包括多个太阳能子阵列，其布置成十个子阵列沿平行于地面的x方向设置的矩形矩阵。每一子阵列沿正交于x方向的y方向垂直地安装在所述支撑件上。
有利地，所述中央支撑件由如下部件构成：第一部件，其设置有用于将中央支撑件安装在地面上的构件；及第二部件，其由所述第一部件以可旋转的方式支撑且自其向上延伸。
优选地，所述支撑框架安装在交叉部件上，所述交叉部件相对于中央支撑件的第二部件以可围绕正交于所述中央纵轴的轴线旋转的方式安装。
于一优选实施例中，所述支撑框架由大体矩形的框架部件构成，所述框架部件设置有多个平行于矩形框架部件的较短侧的平行支撑支柱。于该情况下，面板可进一步包括若干支撑臂，每一支撑臂在一个相应的支撑支柱与所述内部件之间延伸。
【附图说明】
图1是根据本发明构造的地面太阳能电池系统的透视图；
图2是从图1太阳能电池系统的相反侧看去的透视图；
图3是图1系统中所使用的太阳能电池子阵列的一部分的放大透视图；
图4是单个太阳能电池子阵列的俯视平面图；
图5是图解说明太阳随着仰角及方位的变化在地球上方的路径的图；
图6是显示不同纵横比的阵列的占地面积的图；
图7及8是图表，其图解说明在地面区域上定位阵列的最佳立柱间距或点阵位置。且
图9是根据本发明的太阳能电池的俯视平面图，其绘示网格图案。
【具体实施方式】
大体而言，本发明涉及一种地面太阳能发电系统，其用于利用多个安装在地面上、间隔成网格的阵列将日光转换成电能；涉及太阳能电池阵列的光学尺寸及纵横比，所述太阳能电池阵列安装在垂直支撑件的交叉臂上以便实现追踪太阳的整体运动；及涉及构成所述阵列的子阵列、模块或面板的设计。
于一个方面中，本发明涉及太阳追踪系统及太阳能电池模块的阵列的设计，如图1中所示。所述系统具有由第一部件11a及第二部件11b所构成的中央支撑件。部件11a是大体中空的圆柱形部件，其可通过螺栓(未显示)连接到安装在地面上的支撑件。部件11b以可旋转方式安装在部件11a内，并支撑交叉部件14，所述交叉部件14连接到支撑框架15。支撑框架15由一个矩形框架15a、三个平行支撑支柱15b及两个对角支持支柱15c构成，所述三个平行支撑支柱平行于框架11a的较短端部。此外，支撑框架15还通过一对倾斜臂14a支撑在内部件11b上，所述倾斜臂分别从其中两个支撑支柱15b延伸到内部件的底部。另外的支撑臂14b从内部件11b的顶部延伸到中央支撑支柱15b。以这种方式来安装支撑框架15可确保支撑框架15以可通过部件11a及11b绕其中央纵轴旋转的方式固顶到中央支撑件的第二部件11b的顶部。
支撑框架15支撑一太阳能电池阵列，所述太阳能电池阵列由十个太阳能电池子阵列或面板16所组成的水平序列构成。每一太阳能电池子阵列均由十三个太阳能模组17所组成的垂直堆叠所构成。提供背对支撑框架15的Fresnel透镜20，且将其设置在单个接收器19上方以将日光聚集到安装在所述接收器内的太阳能电池上。
所述光学系统是反射性的，并使用Acrylic Fresnel透镜来实现f#约为2的520X的聚集。还可使用反射性辅助光学元件。各电池/光学系统的接收角为+/-1.0度。所述光学系统在太阳下的效率为90％，其接受角定义在系统效率从其最大值减少不超过10％的点。
接收器19-印刷电路板或子组合件，包括单个面朝所述支撑框架的III-V族化合物半导体太阳能电池以及附加的电路系统(例如，绝缘旁路二极管(未显示))。所述接收器的设计更加具体地阐述于名为“Solar Cell Receiver Having an InsulatedBypass Diode”的第11/830,576号美国专利申请案中，其与本申请案同时提出申请。
图3是根据本发明的太阳能电池模块17的剖切图。每一模块17由太阳能电池与接收器的2x13矩阵构成。每一模块包括：锥形支撑件22；9英寸×9英寸的正方形Fresnel透镜20，其位于支撑件22的一端处；及接收器19，其位于支撑件22的另一端处。支撑件22安装在基底18上(接收器19也安装在基底18上)，且支撑件22用于使热从接收器且更具体而言从各个太阳能电池消散。
于所述优选实施例中，如图4的平面图中所示，子阵列或面板16优选地约为282英寸高及71英寸宽，并由模块17的堆叠构成。每一模块17包括接收器子组合件的2x13矩阵，总共有26个接收器子组合件。
每一接收器19在全AM 1.5太阳辐照时产生10瓦特以上的DC功率。所述接收器包括可让其通过电缆21并行或串行连接在一起的连接器，因此整个子阵列或面板16中的总共182个模块将产生超过1820瓦特的峰值DC功率。每一子阵列16本身也串行连接，因此由十个子阵列构成的典型阵列将产生超过18kW的功率。于所述优选实施例中，产生25kW的峰值DC功率。
电机(未显示)提供使部件11b相对于外部件11a的驱动，且另一电机(未显示)提供使交叉部件14(且因此使支撑框架15)相对于中央支撑件11绕其纵轴旋转的驱动。提供控制构件(未显示)以控制内部件11b相对于部件11a的旋转，且控制交叉部件14(及支撑框架15)绕其轴线的旋转以确保每一由Fresnel透镜20构成的模块17的平面外表面正交于太阳光线。优选地，使用相依于太阳相对于所述系统的方位及仰角对电机进行控制的软件，对所述控制构件进行电脑控制。每一Fresnel透镜20均以500X以上的因数将入射日光聚集到各自接收器中的相关联太阳能电池上，由此增强日光到电的转换而使转换效率达37％以上。于所述优选实施例中，聚集度为520X。
每一太阳能电池均组装在接收器板上的陶瓷包装中，所述陶瓷包装还包括旁路二极管及两脚式连接器。一子阵列中配置有总共182个电池。来自各个电池的电压在所述子阵列中加在一起以至少提供最小的系统电压，以在发电系统规范所规定的适合反相器电压下操作。每一由182个电池组成的子阵列通过绝缘二极管与9个其他子阵列并行连接。这10个子阵列构成了在458V下产生约55A的阵列。
三结III-V族化合物的半导体太阳能电池中半导体结构的设计更加具体地阐述于第6,680,432号美国专利中，该专利以引用方式倂入本文。由于其中阐述这些电池最适合于空间(辐照AMO)太阳能辐射，故本发明一个方面是修改或改造这些电池设计以用于根据本发明的在地面(辐照AM1.5)太阳光谱下的聚集光电应用。
所述太阳能电池为三结装置，其中顶部电池具有以InGaP的组合物，中间电池以GaAs为主，而底部电池以Ge为主。这种电池的典型能隙带分别为1.9eV、1.4eV及0.7eV。电池随温度改变而改变的典型性能显示：开路电压Voc以-5.9Mv/℃的速率改变，且相对于温度系数，电池效率每绝对℃改变-0.06％。
如背景技术中所阐述，通常，一个电触点放置在太阳能电池的光吸收或前侧，而第二触点放置在电池的背侧。光激活半导体设置在所述衬底的光吸收侧上且包括一个或多个p-n结。当光吸收在电池中时，所述p-n结形成电子流。网格线路在电池顶表面上方延伸以俘获所述电子流，然后将所述电子流连接到前部触点或接合垫中。本发明的一个方面是最大化电池顶表面上方的网格线路数量，以增加电流通过量而不会不利地干扰进入有效半导体区域内的光传输。一个实施例是利用具有4-折旋转对称性的密网格图案来实现所述目的。图9绘示根据本发明的此种太阳能电池的俯视平面图，其更加具体地显示此种网格图案。
本发明的另一方面是：通过适当地确定每一阵列的大小且以预定间距将每一塔或立柱定位在预定地面区域内的规则点阵或网格中，最大化或优化太阳能发电设备的发电量。大小的确定(包括阵列定向及纵横比)旨在最大化建筑物的平坦屋顶或地面区域上所能安装的电池数量。每一立柱必须定位成离其他立柱充分得远，以便不会被安装于毗邻立柱上的移动阵列所遮挡。
于此一布置中，所述矩形阵列的双轴线追踪在任一指定地点、一年的每一天均可改变每一太阳能电池阵列的倾斜角。相应地，每一阵列所投下的阴影会有所不同，因此所述立柱必须间隔开充分地远以避免一个阵列遮挡另一个阵列，否则会减少阵列的总体照射且因此减少阵列的电输出。
一指定矩形阵列所投下的阴影取决于那个系统的大小及形状，且还取决于太阳在天空中的位置。在东-西方向，太阳的位置可变化多达150°。关于这一点，应注意，人们普遍认为，如果太阳仰角高出地平线不到15°，则其光线的强度不足以产生有用的电量。因此，系统阵列S所处的纬度几乎没有任何影响。
在南北方向，在地轴相对于其轨道绕太阳倾斜23°角的条件下，太阳位置变化46°。关于这一点，应了解，23°以下的纬度受到不同条件的影响，而45°以上的纬度可能由于直射标准日照率(DNI)水平不佳而不恰当，此为所属领域的技术人员所共知。
图5至图8图解说明本发明的另一方面，其中遮挡的问题得到防止或最小化以使指定的系统S布置的占地面积最小。关于所述立柱正确间距的要求为：对于其中太阳高出地平线15°的所有位置，所述布置的每一阵列应均得到完全的照射，且任一指定阵列不会被任一其他的阵列遮挡。关于这一点，应了解，当每一系统S具有最小阵列高度时阴影的长度最小，且此取决于每一系统的纵横比。所述纵横比由所述系统的宽度相对于其高度的比率来定义。因此，具有1∶1(1比1)纵横比的系统成正方形配置，而具有1∶4纵横比的系统由其高度为其宽度1/4的矩形构成。
更具体而言，图5是太阳路径的图表，其显示北纬35°所有15°以上角的太阳仰角。所述图表显示一年当中的三个时期的太阳路径，所述三个时期即，夏至(由最上方的虚线显示)、冬至(由最下方的虚线显示)及春(秋)分(由中间的虚线显示)。于所有其他的时期，太阳路径均落在由最上方与最下方虚线所界定的包络中。因此，在冬至，太阳路径为从约45°的负方位角行走到约45°的正方位角，且从15°仰角行走到约37°仰角，并然后回到15°。显然，夏至及春(秋)分的太阳路径有着类似的范围。
图6图解说明针对由各自具有100平方英尺有效面积的系统组成的布置的优化；根据该优化，应注意，介于1∶3与1∶5之间的纵横比最为有利，其中纵横比1∶4比1∶3或1∶5好一些，而显著地比1∶1、1∶2、1∶6或1∶7要好。
图7及图8图解说明具有纵横比分别为1∶4及1∶5的四个系统S的布置的定位。显而易见，通过比较图4及图5，四个各自纵横比为1∶5的系统S的东西间距约为40英尺，而所述纵横比的南北间距约为25英尺。将此与纵横比为1∶4的太阳能系统的约30英尺东西间距及约20英尺的南北间距相比较。因此，很明显，纵横比为1∶4的系统的占地面积比纵横比为1∶5的系统要小。可通过改变框架15上所定位的子阵列数量来改变一指定系统S的纵横比。
显然，在实践中，所述布置可具有比所示四个系统S多得多的系统S。但是，此种放大布置的系统S将布置成矩形网格图案。