小型光伏装置 【技术领域】
在此披露的本发明主题涉及一种光伏装置，特别涉及一种多通道光伏装置以集中入射光用于产生电能。
【发明背景】
尽管太阳光，这个产生太阳能的能源，实际上是免费的且丰富的能源，但是太阳光的这些优点却被有关太阳能光伏(PV)电池的相当昂贵的费用所抵消。而且，对应这类PV电池相当地低效率，PV电池占用一个相当大的面积，以便能够产生期望数量的电能。因此，提高PV电池的效率能够降低太阳能的生成成本和/或提高产生太阳能的能力。
【附图说明】
将参照以下主题描述本发明非限制性和非排他性的实施例，其中在整个说明书里相同参照码表示相同部件，除非另外具体说明。
图1是本发明一个实施例的光伏系统的示意图；
图2是本发明一个实施例的光伏系统的结构侧视图和示意图；
图3-7是本发明一个实施例的光伏系统的示意图。
发明详述
在以下的详细描述里，将阐述众多具体细节以便能够全面理解本发明主题。但是，本领域技术人员将会明白，可能不需要这些具体细节也可以实施本发明主题。另外，为了清晰地描述本发明主题，本领域技术人员所熟知的方法、装置或系统将不作详细描述。
在整个说明书里，“一个实施例”是指关于一个特别实施例而描述的一个特别特征、结构或特性，该特别实施例可以包含在本发明的至少一个实施例内。因此，在说明书里各个地方出现的“在一个实施例里”或“一个实施例”不一定意在指同一个实施例或描述的任何一个特定实施例。此外，将会明白，在一个或多个实施例里，特定特征、结构或特性可以以各种方式进行组合。当然，这样那样的问题会随着特定上下文的使用不同而不同。所以，描述或使用这些术语的特定上下文能够有助于理解有关附图参考。
同样，在此使用的“和”、“和/或”、和“或”可以包括各种涵义，同样至少部分取决于这些术语所使用的上下文。通常，如果“或”和“和/或”和一个列表相关，如A、B或C，意在指A、B和C(在此用作包含涵义)，也可以指A、B或C(在此用作排他涵义)。另外，在此使用的“一个或多个”可以被用来描述单数的任何特征、结构或特性，或者也可以被用来描述一些特征、结构或特性的组合。但是应该注意到，这仅是一个描述性范例，而本发明主题并不受限于此范例
在此描述的实施例包括一个光伏(PV)装置，其使用光学元件和PV元件的特定构造将光转换成电能。例如，一个这样的PV装置可以包含一个聚光器(light concentrator)阵列以收集和聚焦光，以及一个分光器(lightsplitter)以选择性地反射和透射被收集和被聚焦的光。这种选择性可以是至少部分是取决于被收集光的波长。具体地，一组独立分光器阵列可以反射具有特定波长范围的光，并引导这些反射光到第一太阳能电池。另一组特定波长范围的光可以穿透分光器阵列，分光器阵列并引导这些透射光到一个或多个第二太阳能电池。这种分光器阵列可以被设置以引导这些反射光会聚到与第一太阳能电池位置一致的区域。例如，该位置距离聚光器阵列的每个元件有相等的距离。第一和第二太阳能电池可以有互相不同的工作波长范围。这种PV装置可以有许多优点。例如，特定的PV元件，其后称为太阳能电池，仅在特定波长范围上有效地运行。换言之，不同的太阳能电池在不同波长范围上会有不同效能。例如，一种双结(double-junction)(DJ)太阳能电池能够在一个880nm到1270nm的波长范围内有最高的转换效能，而一个硅基太阳能电池能够在一个310nm到880nm的波长范围内最有最高的转换效能，尽管本发明主题并不受限于此方面。由于太阳光包括一个相当广带宽的波长，利用多种类型的太阳能电池以将多种波长范围的光转换成电能是有利的。因此，如上所述的PV装置的一个实施例，能够容纳不止一种类型的太阳能电池，从而提高PV装置的运行波长范围。
这种PV装置带来的另一个优点是PV装置的紧凑性，这可以通过特定光元件和/或这种光元件的特定结构来实现，这将在以下详细描述。另一个优点可以是：这种PV装置可以使用相当小的光元件来运行，这与大尺寸光器件相比，要便宜得多。还有另外一个优点：通过PV装置的一个结构元件(如热管)可以从PV装置有效地去除在运行特定类型的太阳能电池过程中所产生的热，这将在以下详细描述。在此情况下，PV装置不需要包含专用的散热部件。因此，这种PV装置可以有许多优点，一个相当高效的、小尺寸的低成本的太阳能产生装置。当然，这种PV装置的优点不限于上述优点，并且本发明主题也不受此限制。
在一个实施例里，一种制作PV装置如上述实施例的PV装置的方法，包括：组装一组聚光器阵列以收集和/或聚焦光，如太阳光。为了与这种集光器结合运行，可以配置一组独立分光器阵列以便至少部分是根据光的波长而选择性地反射和透射被收集和/或被聚焦的光。该分光器阵列可以被设置以引导反射光到第一太阳能电池，并引导透射光到一个或多个第二太阳能电池。第一和第二太阳能电池可以有互相不同的工作波长范围。另外，反射光可以通过聚光器和分光器的组合被准直，以会聚到一个与第一太阳能电池位置一致的区域。在一个实施里，一个或多个第二太阳能电池可以安置在聚光器阵列和分光器阵列的一个中央轴附近。例如，可以是以中央轴中心对称地安置。
在一个实施例里，一种PV装置如上述实施例的PV装置的运行方法，可以包括：收集和/或聚焦入射光，提供被收集和/或被聚焦的光到一组分光器阵列。这组独立个分光器阵列可以至少部分地是选择性地根据光的波长把光反射，并至少部分地根据所述光的所述波长透射被收集的光。接着，反射光可以被引导以会聚到一个与第一太阳能电池位置一致的区域，而透射光可以被引导到一个或多个第二太阳能电池。第一和第二太阳能电池可以有互相不同的工作波长范围。当然，制作或运行一个PV装置的这些细节仅是范例，而本发明主题并不受此限制。
图1是一个实施例的光伏装置100的示意图。光105落在聚光器120的阵列110上时，可以被聚焦和被引导到一组分光器阵列130上。这组聚光器可以包括折射透镜或一个折射透镜组合(如组合透镜)，和/或菲涅尔(Fresnel)透镜，这仅仅是一些例子。这组聚光器可以有一个相关的焦距，其确定穿过聚光器的光可以被聚焦的距离。另外，这个聚光器可以有一个相关的数值孔径(N.A.)，其确定穿过聚光器的光的会聚角度。因此，这个聚光器可以将光以一个特定角度会聚并聚焦到一个特定焦距上。例如，这个聚光器的光元件下游可以根据该聚光器的焦距和/或N.A.来安置。这个聚光器的一个阵列可以包括一个或多个聚光器以任何可能的方式来安排。在一个特定例子里，这个阵列可以包括以行列排列的的四个聚光器，这将在以下详细描述。相对使用单个大型聚光器元件，使用相对较小聚光器的一个阵列能够有效地降低PV装置100的成本。
在一个实施里，分光器130可以包括一个光元件，其会反射具有特定波长范围的光，同时会透射具有另一个特定波长范围的光。这个分光器可以包括一个光学窗(如石英)，其包括在光学窗一个或两个侧面上的多个光介质涂层。这个光学窗不一定是平坦表面。涂层可以至少部分地根据入射光的波长反射和/或透射入射光。在一个特定实施里，PV装置100可以为每个分光器而包括一个聚光器。在此情况下，聚光器120所收集的入射光105可以引导会聚光到一个对应的分光器130。接着，分光器130可以反射一部分光到第一太阳能电池160，并透射另一部分光到第二太阳能电池140。如上所述，这些部分光可以由光的波长来确定。而且，一个或多个反射镜可以放置在分光器130和第一和/或第二太阳能电池之间，以便能够引导光到太阳能电池上。在PV装置100里，例如，反射镜150可以放置在第一太阳能电池160的前面。当然，PV装置的这些方面和细节仅是范例，本发明主题并不受此限制。
图2包括一个实施例的光伏系统200的结构侧视图和示意图。聚光器220的阵列210可以收集入射光272，入射光不需要一定是垂直入射到聚光器220的表面上，如图2所示。从聚光器220出来(即透射出)的光274可以落在分光器230上，其可以沿中央轴205对称分布。聚光器220也可以沿中央轴205对称分布。在一个实施里，中央轴205可以与聚光器220的一个中央点和分光器230的一个中央点相交。分光器230可以反射具有特定波长范围的一部分光274。例如，光可以从相对中央轴205以一个角度285倾斜的分光器被反射，反射光276可以通过反射镜250被引导到第一太阳能电池260。在这个实施里，调整倾斜角度285能够将多个光束(丛各个分光器230反射的光)聚焦到第一太阳能电池260上，方法简单。为了叙述一个特定的例子，最好的倾斜角度285大约为66度，在这个角度上，落在第一太阳能电池260上的光斑形状和尺寸可以被调整以增强PV装置200的光准直。特别地，各个分光器可以以角度285倾斜，角度285可以包括一个与中央轴成60度到70度之间的范围。当分光器230的倾斜角度偏差于此倾斜角度的范围可能误导光276，导致只有相当少部分的光276能被引导到第一太阳能电池260的位置上。光278表示从反射镜250反射到到第一太阳能电池260的光。因此，分光器230的角度调整可以提供一种技术用于调整PV装置200的工作效能。当然，对涉及具有不同于上述例子的焦距的光元件(如聚光器)的实施而言，在角度285上实现期望的光准直可能也是不同的。PV装置200的一个特定特征是如下事实：多个光路径，或如下所述的“通道”，可以被引导以会聚到第一太阳能电池260上，其可能包括单个太阳能电池。这种多个光路径会聚在一个相当小区域上(包括第一太阳能电池260)的结果是，在第一太阳能电池260上集中有相当大数量的热量。因此，例如，第一太阳能电池260可以安装在一个热管上或靠近热管(如图3-5所示)以从第一太阳能电池260将热传导走。
一部分未被分光器230反射的光274可以被分光器230透射。如上所述，这些透射光282可以是与反射光276拥有的不同波长范围的光。例如，透射光282可以被引导到第二太阳能电池240。PV装置200的一个特定特征是以下事实：单个第二太阳能电池240可以被配置以接收来自单个光路径的光。这种一对一对应的结果是，在第二太阳能电池240上集中的热可以相对平均地分布在多个第二太阳能电池240所占的相对较大的面积上。因此，PV装置200能够避免由于太阳能电池过热引起的问题。
在一个特定实施里，第一太阳能电池260可以包括一个DJ(DoubleJunction)太阳能电池，而第二太阳能电池240可以包括一个硅基(silicon)太阳能电池，尽管本发明主题并不受此限制。可以使用任何类型的太阳能电池，可以至少部分地根据不同类型太阳能电池的工作波长范围而选择特定的太阳能电池。特定太阳能电池的这种工作波长范围和/或位置可以配合分光器230的光谱属性而选择。例如，有特定工作波长范围的太阳能电池的位置可以根据分光器230是否引导该特定波长范围的光到该太阳能电池被安置的地方。
在一个实施例里，一个光学路径包括一个聚光器220、一个分光器230、第二太阳能电池240、和光路径276和278，其可以被看作一个光通道。尽管PV装置200在图2内被显示为有四个光通道，其它数目的光通道也是可能的，本发明主题并不受此限制。而且，这种光通道不一定沿中央轴205对称配置的而可以是不对称配置，尽管这种配置可以产生一个相当小型的PV装置。这种对称配置也可以允许各个通道内的光学元件是大致相同的(如相似的焦距、N.A.等)。例如，一个关于中央轴205的非对称配置的光通道可能产生不平衡的光通道，这会相当困难地进行光准直和/或聚焦。类似地，第一太阳能电池260相对PV装置200其它部件的位置也可以产生一个相当紧凑的PV装置。例如，在一个特定实施里，第一太阳能电池260的位置可以是位于分光器阵列中间的中央轴205上的一个中央区。当然，PV装置的这些方面和细节仅是范例，本发明主题并不受此限制。
图3是本发明一个实施例的光伏装置300的分解示意图。聚光器320的一个阵列310可以配置以便接收穿过顶部框架345的入射光，顶部框架345是PV装置300的部分支撑结构。例如，这个支撑结构可以包括一个底部框架358和支撑柱355。分光器330可以被配置以便接收穿过阵列310的光。对应聚光器320数目的特定数目的分光器320可以沿一个垂直于阵列310中心的轴对称安置，如图2的中央轴205。聚光器320也可以沿这个轴对称安置。如上所述，分光器330可以反射一部分具有特定波长范围的入射光。这些反射光随后可以通过反射镜350被引导到第一太阳能电池360。连接器362，如焊球、插针、引线等，可以包括电连接器和/或机械连接器以连接外部元件(图中未显示)到第一太阳能电池350。在一个特定实施里，分光器330可以安装在PV装置300的支撑结构的一部分372上，使得分光器可以沿一个或多个轴旋转调整以调整分光器的倾斜角度。这种可调整性可以提供一种技术，以便精细调整从分光器330到第一太阳能电池360的光的准直性。如上所述，PV装置300光学元件的光准直效率至少部分会影响PV装置300的工作效率。在一个实施里，分光器倾斜角度和/或光准直可以至少部分地是取决于聚光器320的焦距而作出调整。
由于多个光通道可以被引导到单个第一太阳能电池360，在第一太阳能电池上集中有相当大数量的热。因此，第一太阳能电池360可以安装在一个包含热管的中央支撑结构390上以从第一太阳能电池360将热传导走。在一个实施里，这种热管可以机械地连接到PV装置300的一个支撑结构。热管不一定仅是支撑第一太阳能电池360的结构元件。中央支撑结构390可以提供如下优点，即其可以相对容易地设置以避免阻挡PV装置300内的太阳光或其它光。例如，中央支撑结构390可以是一个相对笔直的、垂直的结构以支撑第一太阳能电池360。当然，PV装置的这种热管和其它方面以及细节仅是范例，本发明主题并不受此限制。
图4是本发明一个实施例的PV装置400的示意图。一组聚光器阵列410可以配置以接收穿过顶部框架445的入射光，顶部框架445是PV装置400的支撑结构的一部分。如上所述，分光器430可以反射一部分具有特定波长范围的入射光。这些反射光随后可以通过反射镜450被引导到第一太阳能电池460。第一太阳能电池460可以安装在热管490上并从第一太阳能电池460将热传导走。在一个特定实施里，由热管490提供的一个额外优点可以包括如下事实，即热管490可以被设置以避免阻挡入射太阳光，因为太阳能电池460直接安装在热管490上得以去除额外支撑结构，借以减少所霸占的空间。反射镜450可以提供一种技术，在光到达第一太阳能电池460过程中反射镜450把光折曲，以降低PV装置400的高度。在此例子里，第一太阳能电池460可以包括一个面朝上的工作面，其中“朝上”被定义相反于入射光进入到阵列410的方向。
图5是本发明一个实施例的光伏装置500的示意图。一个聚光器阵列510可以配置以接收穿过顶部框架545的入射光，顶部框架545是PV装置500的支撑结构的一部分。如上所述，分光器530可以反射一部分具有特定波长范围的入射光。这些反射光随后可以被引导到第一太阳能电池560。与图4所述的PV装置400的构造相比，不需要一个反射镜再引导光从分光器530到第一太阳能电池560。在此例子里，第一太阳能电池560可以包括一个面朝下的工作面，其中“朝下”被定义为相等于入射光进入到阵列510的方向。在一个实施里，第一太阳能电池560可以安装在一个热管590上以从第一太阳能电池560将热传导走。在这样一个实施里，由热管590提供的一个额外优点可以包括如下事实，即热管590可以设置以避免阻挡入射太阳光，因为太阳能电池560直接安装在热管590上得以去除额外支撑结构，借以减少所霸占的空间。
图6是本发明一个实施例的光伏装置600的示意图。阵列610可以包括多个透镜620，其结合聚光器和分光器的功能，聚焦入射光672，至少部分是根据光的波长有选择性地反射和透射不同部分的光，如上所述。在一个实施里，尽管阵列610被描述包括多个透镜，阵列610可以是单个复合透镜(如单块形状的光学材料)，其包括包含透镜620的不同部分。在另一个实施里，在阵列610里多个透镜620可以被相互物理隔离，或多个透镜620可以被组合(如粘合)以形成阵列610。这种透镜可以包括一个具有光介质涂层的折射透镜，其通过建设性和/或破坏干涉现象达到透射或反射光的目的。结果，反射光674可以被聚焦，并被引导到第一太阳能电池660，而透射光676可以被聚焦，并被引导到第二太阳能电池640。在一个实施里，从多个透镜620的表面反射的光674可以在第一太阳能电池660上聚合，第一太阳能电池660至少部分地根据这些相当高强度的聚合光而产生电能。同时，透射穿过多个透镜620的光676可以聚焦到各个第二太阳能电池640上，其中每个这种太阳能电池可以对应一个透镜620，尽管本发明主题并不受此限制。例如，在另一个实施里，每两个第二太阳能电池640可以对应一个透镜620，等等。将会理解，PV装置600可以包括额外的光学元件如反射镜以准直光672，674，以及结构支撑元件以支撑PV装置600的这些元件。例如，可以有一个从第一太阳能电池660散热的热管以物理支撑第一太阳能电池660。例如，一个折叠反射镜，如反射镜250，可以被放置以折射光674，使得第一太阳能电池660的工作面朝上，其中“朝上”被定义相反于入射光进入到阵列610的方向。
图7是本发明一个实施例的光伏装置700的示意图。阵列700可以包括多个透镜720，其结合聚光器和分光器的功能，聚焦入射光772，并至少部分地根据光的波长有选择性地反射和透射不同部分的光，如上所述。在一个实施里，尽管阵列710被描述包含多个透镜，但是阵列710也可以是单个复合透镜(如单个形状块的光学材料)，其包括包含透镜720的不同部分。在另一个实施里，在阵列710里，多个透镜720可以被互相物理隔离，或多个透镜720可以被组合(如粘合)以形成阵列710。这些透镜可以包括一个具有光学涂层的折射透镜，其透射或反射如上所述的光。结果，反射光774可以被聚焦，并被引导到第二太阳能电池740，而透射光776可以被聚焦，并被引导到第一太阳能电池760。在一个实施里，透射穿过多个透镜720的光776可以在第一太阳能电池760上聚合，第一太阳能电池760可以至少部分地基于这写相当高强度的聚合光而产生电能。同时，从多个透镜720的表面反射的光774可以聚焦在各个第二太阳能电池740上，其中每个这种太阳能电池可以对应一个透镜720，尽管本发明并不受此限制。例如，在另一个实施里，每两个第二太阳能电池740可以对应一个透镜720，等等。将会理解，PV装置700可以包括额外的光学元件如反射镜以准直光772，774，和/或776，以及结构支撑元件以支撑PV装置700的这些元件。例如，可以有一个从第一太阳能电池760散热的热管以物理支撑第一太阳能电池760。在一个实施里，支撑PV装置700的一个结构或框架的一个底部分可以包括一个热沉，其上可以放置第一太阳能电池760。当然，以上所述的PV装置700的细节仅是可能构造的范例，本发明主题并不受此限制。
本领域技术人员将会认识到，对以上描述作出无限次数的各种改变是可能的，范例和附图仅是用来描述一个或多个特定实施。
尽管已经描述和叙述了示范实施例，但本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明主题的前提下可以对其作出各种修改和替换。另外，在不脱离在此所述的中心概念的情况下，可以作出许多修改以将一个特别情景适用到本发明的教义。因此，本发明主题不会受限于在此披露的特定实施例，相反，本发明主题还可以包括属于所附权利要求及其等同物的范围内的所有实施例。