專利名稱：光伏電池設(shè)備的制作方法
光伏電池設(shè)備
背景技術(shù)：
在過去的十年左右，為了增大光伏電池產(chǎn)生的電流，聚集太陽光的光學(xué)系統(tǒng)已有了很大的發(fā)展。早些設(shè)計的示例包括本發(fā)明的發(fā)明人的在先專利申請1、于2005年6月3日提交的名為 “Solar Concentrator System” 的 GB 0511366. 7 號專利申請；2、于 2006 年 6 月 2 日提交的名為 “Solar Concentrator” 的 PCT/GB2006/002021 號專利申請。雖然這樣的布置運(yùn)行良好，但這樣的布置卻使用移動組件(moving component), 在許多情況下，不期望具有移動組件，這是由于不具有移動組件的布置因其簡單性而更節(jié)約成本、維修減少且間接的效益增多。由于太陽在天空中移動，所以提供能夠有效地收集太陽光線的固定式光伏電池設(shè)備會是困難的。期望減少昂貴的光伏電池材料的量。期望提高光伏設(shè)備的整體效率。在本說明書中，我們將提到“太陽輻射(solar radiation) ”和“環(huán)境光線(ambient light)”，“太陽輻射”表示從太陽直接(或通過鏡子)接收的輻射，(“太陽輻射”經(jīng)常被稱作“陽光”)，“環(huán)境光線”表示來自天空中的除直射陽光之外的剩余部分的光，“環(huán)境光線” 包括大部分被散射或被折射的陽光。在一些環(huán)境中期望收集太陽輻射并產(chǎn)生電流，同時照明建筑物內(nèi)部。US-A-4143234示出了使用全內(nèi)反射的太陽能收集器。這是一種不包括用于引導(dǎo)輻射的鏡子的單一收集器，其中，輻射沒有從入射孔進(jìn)入到與入射孔相鄰的太陽能收集器。僅光伏材料的一側(cè)用于收集輻射。沒有對裝置的冷卻。US-A-4248643公開了一種被冷卻的太陽能電池的陣列。US-B-6384320公開了一種具有電池陣列的太陽能聚集器。在所提到的情況中均未設(shè)置用于收集輻射的鏡子，這使輻射沒有從入射孔被引導(dǎo)到相鄰的入射孔。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了一種光伏設(shè)備，該光伏設(shè)備包括透明材料的光學(xué)組件，光學(xué)組件的剖面具有形成了用于太陽輻射的入射孔的第一表面、形成了用于穿過入射孔的太陽輻射的出射孔的第二表面、彎曲形狀的相對的表面；光伏材料，被定位為從出射孔接收太陽輻射，相對的表面成形為提供從入射孔傳遞到出射孔的太陽輻射的全內(nèi)反射；鏡表面，設(shè)置為與相對的表面中的至少一個相鄰以將輻射從相鄰表面反射掉。相對的表面可以是拋物線形或雙曲線形?？梢蕴峁┧膫€彎曲的側(cè)表面，從而提供全內(nèi)反射。光伏材料優(yōu)選地具有大致面對彎曲的第一側(cè)表面以從所述彎曲的第一表面接收輻射的第一面，以及大致面對彎曲的第二側(cè)表面以從所述彎曲的第二表面接收輻射的相對的第二面。
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優(yōu)選地，多個這樣的光伏電池可并排布置以形成面板，并且光學(xué)組件的光學(xué)軸彼此平行，但是相對于面板的平面成一定角度。在這種情況下，我們優(yōu)選地在每個光學(xué)組件之間提供鏡表面以反射太陽輻射，所述太陽輻射將撞擊側(cè)表面而不是從入射孔到相鄰光伏電池的入射孔。根據(jù)第二方面，本發(fā)明還提供了一種光伏設(shè)備，所述光伏設(shè)備包括一個或多個(優(yōu)選是固定的)光伏電池，用來接收輻射(通常為太陽輻射)；冷卻裝置，用來冷卻光伏電池，所述冷卻裝置可包括諸如水的液體來去除熱；熱傳遞裝置，用來將通過冷卻裝置去除的熱從光伏電池傳遞到熱存儲器(例如， 水箱)；將熱從熱存儲器提取出的裝置(通常在隨后的時間，例如，在夜間)?？商峁┕鈱W(xué)裝置將太陽輻射聚集到光伏電池上(光學(xué)裝置可包括扁豆形元件)。 可提供裝置來使至少一部分太陽輻射穿過光伏設(shè)備。為了解決上面所列問題中的部分或全部，在優(yōu)選的布置中，我們使用與標(biāo)準(zhǔn)光伏面板的成本相同的單晶硅光伏電池(降低了更復(fù)雜的電池的成本)，使用了能夠使用足夠小面積的電池來產(chǎn)生相同的電流的光學(xué)系統(tǒng)，冷卻了光伏電池從而提高其效率，對產(chǎn)生的廢熱再使用。由此，我們節(jié)約了昂貴的組件、電池的成本，并降低了其余模塊的成本，使得產(chǎn)生電流的成本顯著降低。可選擇地，由于我們使用光學(xué)組件來聚集輻射，所以我們比其他情況使用更少量的光伏材料，并且在一些情況下，這可以允許使用更復(fù)雜且更昂貴的光伏材料。此外，在優(yōu)選的光伏設(shè)備中，建筑物的外墻圍(或者是屋頂或者是墻壁)可以包括合適的構(gòu)造，使得建筑物的框架和外墻圍可以是成本節(jié)約了的模塊的框架和外墻圍且所述設(shè)備免受元件和風(fēng)負(fù)載的影響，由此顯著地降低了這些組件的成本。有時，外部透明的外殼可以用作容許低成本聚合物(例如，聚苯乙烯)光學(xué)組件的UV過濾器。此外，在建筑物中集成光伏設(shè)備的其他益處包括利用環(huán)境光來照亮內(nèi)部，這比任何人工照明都具有低熱水平的額外益處。另一益處在于，為了使電池更有效工作應(yīng)將它們冷卻。如果有效地完成冷卻，可將熱用于水加熱或空間加熱并建立通風(fēng)。其他益處在于，直射陽光在建筑物的內(nèi)部變?nèi)?，因此顯著降低了建筑物上的冷卻負(fù)載。如果這些節(jié)約的成本和碳被充分利用，則極大地超過了產(chǎn)生的電帶來的效益，因此使太陽能安裝是可以負(fù)擔(dān)的。優(yōu)選地，多個光伏電池并排布置來形成板，并且光學(xué)組件的光學(xué)軸彼此平行，但是相對于面板的平面成一定角度。在這種情況下，我們優(yōu)選地在每個光學(xué)組件之間提供鏡表面，以反射太陽輻射，所述太陽輻射將撞擊側(cè)表面而不是從入射孔到相鄰光伏電池的入射孔。根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種包括多個光伏電池的設(shè)備，多個光伏電池中的一些或全部包括透明材料(通常是固體的但是在可替換的布置中包括透明的外表面和諸如水的內(nèi)部透明液體)的光學(xué)組件，所述光學(xué)組件的剖面具有形成了用于太陽輻射(即，來自太陽的直射陽光)的入射孔的第一表面(通常是上表面)、相對的表面(通常是側(cè)表面， 可以是彎曲形狀)；光伏材料，安裝成與第一表面相對，以從入射孔接收太陽輻射的光伏材料(優(yōu)選地包括單晶硅光伏材料)，相對的側(cè)表面成形為提供從入射孔傳遞到光伏材料的太陽輻射的全內(nèi)反射，所述設(shè)備形成為使環(huán)境光(太陽輻射以外的光)可穿過所述設(shè)備，從而太陽輻射通過光伏材料提供電并且環(huán)境光穿過所述設(shè)備。這樣的布置對于用在例如玻璃房、溫室(conservatory)或購物中心上的玻璃屋頂來說特別有用。由此，所述設(shè)備可形成為板，太陽輻射(即，來自太陽的直射光線)直射到光伏材料來產(chǎn)生電流，并且所述設(shè)備還通過光伏材料的冷卻來提供熱，但是以不同于從太陽直射的角度穿過板的環(huán)境光可穿過面板來提供建筑物內(nèi)的光。


現(xiàn)在將通過示例的方式并參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選的布置，在附圖中圖1是在本發(fā)明的設(shè)備中使用的光伏電池設(shè)備的剖面；圖2是包括多個在圖1中示出的類型的光伏電池和相關(guān)的光學(xué)組件的太陽能面板的橫向剖面；圖3是包括多個在圖2中示出的類型的光伏電池和相關(guān)的光學(xué)組件的太陽能面板的橫向剖面；圖4示出了光線穿過圖1中示出的類型的光伏電池的光線軌跡；圖5示出了包括在圖2和圖3中示出的類型的面板的建筑物(諸如房子或溫室或玻璃暖房)；圖6和圖7示出了與圖2和圖3的太陽能面板相似的分別用于建筑物的立體水平或垂直外側(cè)表面的太陽能面板的橫向剖面；圖8是可替換的光伏電池設(shè)備的剖面，其中，光伏材料與入射孔大致正交布置且光伏材料的兩側(cè)接收來自入射孔的輻射；圖9是圖1中示出的類型的多個電池的與圖1的剖面成直角的剖面；圖10是圖8中示出的類型的多個電池的與圖8的剖面成直角的剖面；圖11是以組布置的多個電池的剖面，其中，用于一組電池的鏡表面將輻射引導(dǎo)到相鄰組中的一個電池或多個電池的入射孔。
具體實施例方式圖1是在本發(fā)明的設(shè)備中使用的光伏電池設(shè)備10的剖面。該剖面是橫向剖面，光伏電池設(shè)備10從紙面延伸為擠壓外形。(實際上，設(shè)備的材料可以是擠壓塑性材料。)圖1的設(shè)備包括條形11形式的光伏材料的單個光伏電池12，在這種情況下，光伏材料包括成本相對較低的單晶光伏材料。因此，光伏電池12附著到光學(xué)組件15的下表面 13并與光學(xué)組件15的下表面13連通，光學(xué)組件15包含固相透明材料14，固相透明材料14 的橫截面形狀從圖1中是清楚的。由此，設(shè)置了形狀相反的彎曲的(側(cè))表面16、17及上表面18，彎曲的(側(cè))表面16、17的形狀大致為拋物線或雙曲線，上表面18在一些情況下可以是平坦的，但通常為扁豆形。上表面18設(shè)置了入射孔18A，下表面13為作用于上表面 18的光(太陽輻射)設(shè)置了出射孔13A。透明材料可以是諸如塑膠、PMMA、聚苯乙烯、聚碳酸酯、玻璃或硼硅酸鹽玻璃的已知折射率的適合于環(huán)境的任何透明材料，但透明材料應(yīng)該透過太陽輻射。表面16和17的形狀將取決于折射率等。光伏電池12可以粘附地連接到下表面13，但在這種情況下，粘合劑必須透過相應(yīng)的太陽輻射。
可選擇地，由于我們使用光學(xué)組件來聚集輻射，所以我們使用比用其他的方法更少的光伏材料，并且在一些情況下，這允許使用更復(fù)雜和昂貴的材料。為了優(yōu)化效率和成本，所謂的區(qū)熔硅(Float Zone silicon)可用作優(yōu)選的光伏材料。該材料生長成直徑達(dá)大約150mm的柱狀晶并可正常地切割成半方形晶片。如果使用幾乎全部的晶片，就如將在我們利用二維聚集的應(yīng)用中的情形那樣，則我們將可以使用來自晶片另外的35%的硅。得益于另外35%的全電池應(yīng)用，利用這樣的用來幾乎全年捕獲所有直射陽光的材料，我們能夠在二維構(gòu)造中為單面電池聚集大約4. 5倍 (取決于該材料的折射率)的光，為雙面電池(見后)聚集大約9倍的光。表面16、17和扁豆形上表面18的精確形狀將取決于材料的折射率、接收角度和光學(xué)組件15相對于入射的太陽輻射的角度布置。將光學(xué)和電池材料的使用以及直射陽光的入射最少化同時將直射陽光捕獲和環(huán)境光入射最大化的優(yōu)化需要光線追蹤。將很快可見的是，由于扁豆形上表面18的使用以及兩個形狀相反的表面16和17的相對定位，增加了傳遞到光伏電池12的太陽輻射，并且條形光伏電池12的寬度比其他情況更窄。布置成形的表面16和17以及折射率，使得入射的太陽輻射在表面16和17處出現(xiàn)全內(nèi)反射。返回參照圖1，光學(xué)組件15的剖面形狀通常是楔形形狀，而實際上該成形的表面可以是平坦的，但是我們傾向于使用光學(xué)組件15的剖面形狀是立體復(fù)合雙曲線聚集器 (CHC)或復(fù)合拋物線聚集器(CPC)光學(xué)組件(或者與它們相近的形狀，即，開始使用這種曲線并且可以基于設(shè)備的精確位置對特別的應(yīng)用而根據(jù)光線追蹤稍微地對形狀進(jìn)行改變)， 這更有效地將太陽光聚集到附著到太陽光出射孔13A的光伏電池12上。透明材料14通常是線性擠出物(實際可以是擠出的或制模的)。扁豆形入射孔的優(yōu)點在于良好的聚集性而無需在側(cè)面的下部上具有反射表面以及用于相同聚集的材料的量從CPC顯著減少。上述組件提供了光伏組件10。當(dāng)在一種布置中，光伏組件可以是圖1中示出的線性長度的剖面(這允許設(shè)備的塑性部件的擠壓)的同時，通過將將要布置的多個這樣的電池按圖9所示的那樣并排布置可以進(jìn)一步減少所使用的光伏材料的量，其中，圖9示出了圖1中示出的類型的多個電池的與圖1的剖面成直角的剖面。這表明該剖面中的側(cè)表面41和42也可以是復(fù)合雙曲線或復(fù)合拋物線形狀。這樣的其中每個光伏組件10包括四個側(cè)表面16、17、41和41的布置通常需要制模而不是擠出。圖4示出了圖1所示的用于以不同角度到達(dá)的太陽輻射的組件10的光線軌跡。由此當(dāng)太陽位于高空中時，該布置如圖4A所示，當(dāng)太陽位于低空中時，該布置如圖4B所示。圖2示出了多種長度的光伏組件10(可包括具有圖1的剖面的長度的光伏組件或者可以是圖9所示的類型的光伏組件)如何可以在為使用的典型應(yīng)用中并排布置以更換建筑物中的普通透明(玻璃)面板，例如在溫室(greenhouse，玻璃暖房)或溫室 (conservatory)中等。圖2的布置示出了三個并排的光伏組件10，盡管當(dāng)然可以使更多數(shù)量的光伏電池并排來形成期望尺寸的面板19。在這種情況下，光伏組件10的面板19被布置得使面板將在北半球被安裝得大致朝南且水平，盡管大致豎直和朝北屋頂之間的任意角度達(dá)到小于大約M度的緯度角，單個光學(xué)組件15的光學(xué)軸布置為接近于水平的緯度角，準(zhǔn)確的度數(shù)取決于光伏組件安裝在的地球表面上的點的緯度。再次參照圖2，用于每個光伏組件10的太陽光線的入射孔18A是頂部線，出射孔 13A是底部線。側(cè)面是兩條(大致為雙曲線)曲線(在這種情況下接近直線)，所述曲線被設(shè)計得使對于受光角范圍內(nèi)所有射線的全內(nèi)反射最大化，該范圍是穿過擠出外形的剖面。圖2示出了被設(shè)計為對于位于大約45度緯度的水平表面來說使聚集到電池上的直射太陽輻射(太陽光)全年最大化的光學(xué)系統(tǒng)，同時使內(nèi)部空間在全年的大部分時間免受太陽光直射，并且還允許環(huán)境光盡可能遠(yuǎn)地到達(dá)空間的內(nèi)部。這通過使用透明固體光學(xué)組件和鏡表面21的組合來實現(xiàn)。應(yīng)該注意到，鏡21與光學(xué)組件15分開，鏡21的側(cè)面朝著光學(xué)組件，在期望減少穿過電池陣列的直射陽光的量的情況下(例如，減少進(jìn)入到建筑物的內(nèi)部的光來避免加熱所述內(nèi)部)，鏡21的側(cè)面可以是非反射的，相反，在期望更多的環(huán)境光透射到建筑物中的情況下，鏡21的側(cè)面可以是反射的。鏡表面21被定位為將輻射從光伏組件10的相鄰側(cè)表面17反射掉并到達(dá)相鄰光伏組件10的入射孔18A。將理解的是，光學(xué)組件15被設(shè)計得接收太陽輻射(也就是直接來自太陽的陽光直射)，并將太陽輻射聚焦在光伏材料13上。這通過位于側(cè)表面16和17處的全內(nèi)反射的方式來完成。本布置的一個優(yōu)點在于，環(huán)境光(也就是來自天空的大多數(shù)光)以不同角度到達(dá)面板19，并且該光的大部分可以穿過光學(xué)組件從而允許照亮面板19的下面。由此，本發(fā)明的該布置在例如溫室(glass house)或溫室(conservatory)中特別有用。直射陽光通過光伏材料可以產(chǎn)生電流，并且建筑物的內(nèi)部接收其他環(huán)境光。按這種方式，建筑物的內(nèi)部被照亮但是由于大多太陽直射光線將被光伏電池收集而未被過加熱。此外，光伏電池產(chǎn)生電流，并且冷卻電池還產(chǎn)生了熱。能夠?qū)⑻柟饩€與環(huán)境光分開的一個原因在于在光學(xué)組件的成形的側(cè)表面處太陽光線被全內(nèi)反射引導(dǎo)，但是環(huán)境光以其他角度接觸這些表面并可在沒有內(nèi)反射的情況下穿過這些表面。透明材料的下保護(hù)片22允許環(huán)境光向下穿過組件10并進(jìn)入下面的內(nèi)部空間，而不使下面的灰塵接觸組件10的表面。電池15安裝在加熱槽上。應(yīng)注意到的是，由于電池15在其下表面是敞開的，所以電池15被來自下面的空氣冷卻從而提供空氣冷卻。在一些情況下，電池15以相對于水平線的小傾斜角度設(shè)置，使得當(dāng)透明片安裝在單元下面時，冷卻空氣流由于層流效應(yīng)增多且停止而不進(jìn)入內(nèi)部空間。當(dāng)該類型的構(gòu)造是豎直的時，層流效應(yīng)顯著增大。整個面板19包括上透明膜或片23來使組件10免受上面的灰塵和元件的影響。在特別優(yōu)選的實施例中，可通過可包括其上安裝有水管或熱管的冷卻設(shè)備的方式來冷卻光伏電池12，并且在這種情況下不需要下保護(hù)片22且可將透明材料的片或膜安裝在該構(gòu)造下面。在圖2中，假定緯度是45度，但是通過將組件10的傾斜角度改為水平則水平結(jié)構(gòu)適合其他緯度。該系統(tǒng)的一個優(yōu)點在于可將光學(xué)組件的相同組合用于能夠見到太陽的任何表面。 例如，圖3示出了適用于豎直墻壁上的相似布置。盡管圖3的布置的確示出了鏡21，但是如其他附圖所示來設(shè)置鏡21存在使電池上的太陽光聚集得更多的一些優(yōu)點。另外要考慮熱。由于僅光的25% (更可能是大約18%)被硅電池12轉(zhuǎn)換為電流， 所以期望為使電池有效地工作而去除熱。這可以通過電池后面的攜帶熱傳遞液體(例如，水)的管子來實現(xiàn)?？商鎿Q的是將金屬熱槽附著到光伏電池12，其中，熱槽使空氣流用于冷卻。第三設(shè)備使用附著到光伏電池12的熱管，并且熱被去除而在別處被使用或者消散掉。第四設(shè)備使用光學(xué)組件的本體中的液體流，所以光學(xué)組件僅為中空形狀且該液體參與折射過程。我們已經(jīng)認(rèn)識到所產(chǎn)生的熱是可以用于水加熱、空間加熱和驅(qū)動通風(fēng)的寶貴的資源?？蓜偤脤⒖諝饫鋮s的且不需要環(huán)境光進(jìn)入建筑物內(nèi)部的構(gòu)造安裝在鋁片上，彎曲或按壓為直角。我們現(xiàn)在參照圖8，圖8是可替換的光伏電池設(shè)備的剖面，其中，光伏材料的條11 沒有被設(shè)置為附于光學(xué)組件15的下表面13的條，而是布置為與下表面相鄰但在光學(xué)組件的本體的縫隙內(nèi)(提供了出射孔13A)并且是布置得大致與入射孔正交的光伏材料的條的形式。如前所述，光伏材料布置為接收來自出射孔(縫隙的側(cè)面)的所有輻射，并且這通過透明粘合劑來協(xié)助。光伏材料的相對側(cè)面IlA和IlB接收來自入射孔的輻射，并將所述輻射從光學(xué)組件15的相對的側(cè)表面16和17反射掉。在這種情況下，側(cè)表面16和17的上部可以是如參照圖1所述的復(fù)合拋物線或復(fù)合雙曲線曲線，但是下部16A和17A可向內(nèi)導(dǎo)向并成形，從而將輻射反射到光伏材料的相對側(cè)面，并且這些下部16A和17A可以被反光 (mirrored)(即，直接或間接包括反光表面)。按照與使用圖1的光伏電池相似的方式，可將多個圖8的光伏電池按照與圖2或圖3或圖6或圖7所示的相似方式布置。由此，可以將它們并排布置來形成面板，并且光學(xué)組件的光學(xué)軸彼此平行，但是相對于面板的平面成一定的角度。在這種情況下，我們可以在每個光學(xué)組件之間設(shè)置鏡表面21以反射太陽輻射，所述太陽輻射將撞擊側(cè)表面而不是從入射孔到相鄰光伏電池的入射孔。圖10是圖8中示出的類型的多個電池的與圖8的剖面成直角的剖面，并且相對圖 1而與圖9的布置等同。這表明該剖面中的側(cè)表面25和沈也可以是復(fù)合雙曲線形狀或復(fù)合拋物線形狀?，F(xiàn)在我們參照圖5，圖5示出了如何可將光伏組件10的面板應(yīng)用到諸如具有玻璃墻壁的溫室(greenhouse，S卩，玻璃暖房)26、溫室(conservatory)或玻璃頂購物中心之類的建筑物。在所示布置中，溫室沈包括安裝在其屋頂上的組件10的第一面板27，以及相似的第二面板觀。面板27可以是圖2所示的類型，第二面板觀可以是圖3所示的對象。連接到每個面板27和觀的是將每個面板中的光伏材料12產(chǎn)生的電流傳遞到電存儲設(shè)備(簡單地示為蓄電池31)的電連接件四。此外，電連接件四可以連接到燈32或諸如風(fēng)扇33的空調(diào)設(shè)備，或者連接到電加熱設(shè)備34來加熱水箱36形式的水供應(yīng)。熱水箱36可以連接到空間加熱設(shè)備(例如，散熱器37的形式)。此外，用于冷卻光伏材料12的冷卻設(shè)備可以包括利用冷卻水的前述布置，并且冷卻水還可以被直接傳遞到加熱水的熱水槽36內(nèi)的熱交換器38。這樣的布置是高效的。由此，陽光按照通常的方式進(jìn)入到溫室。大部分陽光將被光伏材料12截取并傳遞到光伏材料12，但是在該情況下，一些陽光通過圖2的下保護(hù)片22 穿過第一面板27和第二面板觀，并且當(dāng)太陽最為強(qiáng)勁的日頭最高的過程中，它們中的一些在溫室沈中變?nèi)跻允箿囟冗m當(dāng)?shù)販睾?。由此，本發(fā)明的面板27和面板觀形式的布置具有兩個功能，首先使進(jìn)入溫室沈的墻壁和屋頂?shù)年柟獾目偭窟m中，其次將截取的陽光用來通過光伏材料12產(chǎn)生電流。此外，通過水冷卻系統(tǒng)的方式將熱從光伏材料12和光伏組件10的其他部分去除，然后將熱傳遞到熱水箱36中的水。夜間，溫室沈內(nèi)的溫度一般會顯著下降，則可將水箱36中的熱水通過散熱器37 來循環(huán)以提高溫室內(nèi)的溫度，這將促進(jìn)和提高溫室內(nèi)的植物的生長。此外，可將存儲在蓄電池31中的電用于操作用來延長溫室內(nèi)的有效光照時間的燈32，這將再次促進(jìn)溫室內(nèi)的植物的生長。此外，在陽光特別明媚的一天的中間時段期間，可將通過風(fēng)扇33提供的空調(diào)打開以再次使溫室內(nèi)的溫度適中。在一些情況下，由于煙囪效應(yīng)/層流效應(yīng)可以在沒有風(fēng)扇的情況下驅(qū)動通風(fēng)，所以可不需要將風(fēng)扇打開?？稍谛碌慕ㄖ?除溫室以外)中使用水平和豎直構(gòu)造，并且將水平和豎直構(gòu)造分別嵌入雙層玻璃屋頂和墻壁中。因此，包括雙層玻璃的系統(tǒng)將包括建筑物的屋頂和墻壁， 即，建筑物的外墻圍，提供了生動和有趣外觀的建筑物。除了示出的面板分別用在建筑物的外水平和豎直立體表面上以外，圖6和圖7是與圖2和圖3相似的視圖。在這種情況下，不需要環(huán)境光穿過面板，所以構(gòu)造稍微不同。如果面板19與相關(guān)的墻表面隔開，特別是在圖7的豎直構(gòu)造的情況下，則允許空氣穿過豎直墻壁的外表面與板的后表面之間的間隙40。在冬季，環(huán)境空氣可進(jìn)入所述墻壁和所述面板之間的間隙的下邊緣并在墻壁的上端部處進(jìn)入到建筑物中。按這種方式，來自光伏電池后部的熱將傳遞到建筑物中。在夏季，布置可以是不同的。來自建筑物內(nèi)部的空氣可以在墻壁的下邊緣處從合適的孔排出，并通過間隙40向外傳遞到建筑物的外部環(huán)境， 在這種情況下，從建筑物內(nèi)部引出空氣從而有效地對建筑物進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。在對立體墻面建筑物有用的同時，還可以將其用在溫室以及透明墻壁和屋頂中。圖6和圖7中的鏡的位置比圖2和圖3中的鏡的位置允許更大的聚集，但是卻減少了到達(dá)內(nèi)部的環(huán)境光。在一些情況下，這在特別是豎直墻壁中是有益處的，其中，環(huán)境光可以是不重要的。如上所述的面板在例如室內(nèi)(甚至是在英格蘭)或者相似建筑物中的使用會產(chǎn)生足夠多的電流和熱，從而向房屋(并也許為家用汽車)提供電力。在更靠南部(例如，西班牙)的氣候下，應(yīng)該產(chǎn)生足夠的電流，以使相當(dāng)多的電流被輸出到柵格。在良好氣候下的溫室中，該系統(tǒng)可變成發(fā)電站，同時由于減少了冷卻和加熱負(fù)載，所以使溫室運(yùn)行更為節(jié)省成本。由此，按這種方式，我們不僅像已知的那樣利用光伏材料來收集電流，而且我們通過提供光學(xué)系統(tǒng)來利用較少量的光伏材料，該光學(xué)系統(tǒng)將太陽輻射聚集在所述材料上，同時冷卻該材料及其他組件并在外部溫度降低時(例如，在夜間)利用熱來保持建筑物的內(nèi)部溫暖。同時我們已經(jīng)示出了應(yīng)用到溫室沈的本發(fā)明的設(shè)備，其可相似地應(yīng)用于例如附于建筑物的玻璃溫室，或者僅被簡單地應(yīng)用到一般建筑物的有關(guān)屋頂和墻壁(即，立體墻壁或可以形成半透明墻壁)。由此，我們更充分地利用落在該設(shè)備上的太陽光子，以考慮到應(yīng)用而將它們轉(zhuǎn)換為有用的輸出并在不需要直射陽光的情況下阻止透射直射太陽光。圖11示出了光伏電池設(shè)備按組布置的面板的布置。不同于具有與每個單個的光學(xué)組件的側(cè)表面相鄰的鏡21，為光伏設(shè)備的特定組提供了鏡表面21，該鏡表面21被定位為將沒有進(jìn)入第一組的電池的入射孔的輻射反射到第二組的一個或更多個電池的入射孔。本發(fā)明不限于前述示例的細(xì)節(jié)?？蓪⒏鞣N其他特征合并到本發(fā)明的設(shè)備中，以更有效地利用太陽能。由此，例如，光伏材料12可與其他電組件集成。可劃分光伏材料12來分隔電池， 并且可提供斷路二極管來將沒有被太陽完全照射的那些電池斷路。一個問題在于如果所有電池按通常那樣以串聯(lián)連接，則在一天的特定時間面板的一部分落入陰影的情況下，面板的輸出會減小。通過使用斷路二極管將那些沒有產(chǎn)生電流的電池斷路，可以保持輸出。例如，為了產(chǎn)生更有效的輸出，可以在裝置上結(jié)合其他特征，例如，光傳感器、功率調(diào)節(jié)、熱管理、互聯(lián)相鄰組件的即插即用設(shè)備等。例如，可以將用于各種目的的電子設(shè)備集成到設(shè)備中，使得從太陽接收并由光伏電池轉(zhuǎn)換的能量將驅(qū)動諸如傳感器、控制器、與建筑物管理系統(tǒng)的中央控制單元連通的無線設(shè)備之類的電子設(shè)備。這與具有光伏電池的普通光驅(qū)動的系統(tǒng)的一個區(qū)別在于，為了光伏電池效率(也是為了處理器效率)，光學(xué)器件被集成到使用相同熱槽的相同的單個組件中。第二區(qū)別在于，光學(xué)器件被特別設(shè)計為將到達(dá)光學(xué)器件的太陽光子的使用最大化，這與光伏電池的普通玻璃罩的情況截然不同。這需要考慮太陽全年的位置變化、基于太陽位置和大氣條件的太陽光譜變化、按不同方式的環(huán)境太陽光和直射太陽光的使用以及所產(chǎn)生的熱的使用。第三區(qū)別在于，為了實現(xiàn)太陽光子的該有效使用，裝置必須正確定位，或者永久固定在特定位置或者臨時定位，而無論選擇為自動地或是手動的。如果當(dāng)前光學(xué)組件的穩(wěn)健性為裝置提供了充足的結(jié)構(gòu)來保護(hù)電子元件甚至是熱管理系統(tǒng)，則不需要提供單獨結(jié)構(gòu)化的房屋。我們設(shè)想，在某些情況下本發(fā)明的設(shè)備表現(xiàn)為建筑物的智能外墻圍，使內(nèi)部免受外部因素的影響并將所述外部因素轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的良性條件和寶貴資源。我們認(rèn)為僅通過示例的方式示出各種構(gòu)造。
構(gòu)造應(yīng)用
面板緯度角、不透明、空氣冷卻太陽能農(nóng)場，屋頂安裝式樣
的
面板緯度角、不透明、水冷卻的屋頂安裝式樣、電和熱水
墻_〖半透明、水冷卻的所有類型的新建筑物
墻_〖半透明、空氣冷卻的所有類型的新建筑物
墻_〖不透明、水冷卻的新的且式樣翻新的建筑物
墻_〖不透明、空氣冷卻的新的且式樣翻新的建筑物
11
屋頂半透明、水冷卻的屋頂半透明、空氣冷卻的屋頂不透明、水冷卻的屋頂不透明、空氣冷卻的
包括溫室的新建筑物包括溫室的新建筑物新建筑物新建筑物本發(fā)明不限于前述示例的細(xì)節(jié)。已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種優(yōu)選實施例，并且認(rèn)為在不脫離本發(fā)明范圍的情況下為了使用而可以將本發(fā)明的這些實施例或本發(fā)明的各部分適當(dāng)組合，在所述使用中可提出這些實施例和各部分。對包括角度的尺寸的參照僅是示例的方式。形狀和尺寸，具體來講反射面的形狀和尺寸僅為示例，并將根據(jù)要使用的設(shè)備的安裝情況(例如，要使用地面上的設(shè)備的情況以及安裝設(shè)備的(指南針)方向)而不同。通常相對太陽的角度來布置尺寸和角度，并且為了固定安裝的最大效果而根據(jù)晝夜平分點的正午太陽方向來排列尺寸和角度。當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用到園藝環(huán)境時，特定緯度的特定植物需要特定的光量和特定的頻率(例如，紫外線)。這可以通過優(yōu)化各變量來最佳地實現(xiàn)。結(jié)果，可以不總是耗時耗力地抵擋所有的直射陽光。其次，在高緯度國家(在占全年一半的冬天中幾乎不需要空調(diào))中，對于建筑物的整體能量產(chǎn)生更有效的是光伏設(shè)備的受光角度僅包括太陽的夏季軌跡。在冬季，直射陽光將所需的光和溫暖直接帶入建筑物中，并且安裝有這種構(gòu)造的設(shè)備的屋頂將比以下情形更有價值如果受光角度包括了夏季和冬季兩者的太陽軌跡則將產(chǎn)生相對少量的電。
1權(quán)利要求
1.一種光伏設(shè)備，所述光伏設(shè)備包括光伏電池，所述光伏電池包括透明材料的光學(xué)組件，光學(xué)組件的剖面具有形成了用于太陽輻射的入射孔的第一表面、形成了用于穿過入射孔的太陽輻射的出射孔的第二表面、彎曲形狀的相對的表面；光伏材料，定位為從出射孔接收太陽輻射，所述相對的側(cè)表面成形為提供從入射孔傳遞到出射孔的太陽輻射的全內(nèi)反射；鏡表面，定位為將輻射從所述側(cè)表面中的一個側(cè)表面反射掉。
2.如權(quán)利要求1所述的光伏設(shè)備，其中，所述透明材料是固體的。
3.如權(quán)利要求1所述的光伏設(shè)備，其中，所述透明材料包括內(nèi)部含有透明液體的透明的固體外表面。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，所述第一表面包括上表面。
5.如權(quán)利要求4所述的光伏設(shè)備，其中，所述第二表面包括下表面。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，所述相對的表面形成側(cè)表面。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，所述相對的表面是拋物線形。
8.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，所述相對的表面是雙曲線形。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，所述光伏材料包括單晶硅光伏材料。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，提供了四個側(cè)表面，所述四個側(cè)表面中的每個側(cè)表面是彎曲的從而將穿過入射孔的太陽輻射的全內(nèi)反射提供到光伏材料。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，所述光伏材料具有大致面對彎曲的第一側(cè)表面以從所述彎曲的第一表面接收輻射的第一面，以及大致面對彎曲的第二側(cè)表面以從所述彎曲的第二表面接收輻射的相對的第二面。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，所述鏡表面設(shè)置得與所述側(cè)表面中的所述一個側(cè)表面的外表面相鄰。
13.多個如權(quán)利要求1至12中任一項所述的光伏設(shè)備，其中，所述鏡表面和相鄰的光伏設(shè)備定位為將將要撞擊所述側(cè)表面的輻射或光反射到另一光伏設(shè)備的入射孔。
14.如權(quán)利要求13所述的多個光伏設(shè)備，其中，為每個光伏設(shè)備設(shè)置鏡表面，所述鏡表面定位為將將要撞擊光伏設(shè)備的所述側(cè)表面的輻射或光反射到相鄰光伏設(shè)備的入射孔。
15.如權(quán)利要求13所述的多個光伏設(shè)備，其中，為每個光伏設(shè)備設(shè)置鏡表面，所述鏡表面定位為將將要撞擊光伏設(shè)備的所述側(cè)表面的輻射或光反射到下一光伏設(shè)備的入射孔。
16.如權(quán)利要求13所述的多個光伏設(shè)備，其中，為一組相鄰的光伏設(shè)備設(shè)置鏡表面，所述鏡表面定位為將將要撞擊所述一組光伏設(shè)備的所述側(cè)表面的輻射或光反射到相鄰光伏設(shè)備的入射孔。
17.如權(quán)利要求13至16中任一項所述的多個光伏設(shè)備，所述多個光伏設(shè)備包括冷卻裝置，用來冷卻光伏電池；熱傳遞裝置，用來將通過所述冷卻裝置去除的熱從所述光伏電池傳遞到熱存儲器；將熱從所述熱存儲器提取出的裝置。
18.如權(quán)利要求13至17中任一項所述的多個光伏設(shè)備，其中，所述光伏設(shè)備被布置得使環(huán)境光可穿過所述光伏設(shè)備，從而在使用中太陽輻射通過光伏材料提供電流并且環(huán)境光穿過所述光伏設(shè)備。
19.一種光伏設(shè)備，所述光伏設(shè)備包括光伏電池，所述光伏電池包括透明材料的光學(xué)組件，光伏組件的剖面具有形成了用于太陽輻射的入射孔的第一表面、四個側(cè)表面、彎曲形狀的第一對相對的側(cè)表面和第二對相對的側(cè)表面；光伏材料，定位為接收來自入射孔的太陽輻射，兩對相對的側(cè)表面成形為將穿過入射孔的太陽輻射的反射提供到光伏材料。
20.一種光伏設(shè)備，所述光伏設(shè)備包括光伏電池，所述光伏電池包括透明材料的光學(xué)組件，光伏組件的剖面具有形成了用于太陽輻射的入射孔的第一表面、彎曲形狀的相對的表面；光伏材料，與用來從入射孔接收太陽輻射的所述第一表面相對地安裝，所述光伏材料具有大致面對彎曲的第一側(cè)表面的第一面和大致面對彎曲的第二側(cè)表面的相對的第二面， 所述相對的側(cè)表面成形為將穿過入射孔的太陽輻射的反射提供到光伏材料的所述第一面和所述第二面。
21.一種光伏設(shè)備，所述光伏設(shè)備包括一個或多個光伏電池，用來接收輻射；冷卻裝置，用來冷卻光伏電池；熱傳遞裝置，用來將通過所述冷卻裝置去除的熱從所述光伏電池傳遞到熱存儲器；將熱從所述熱存儲器提取出的裝置。
22.—種設(shè)備，所述設(shè)備包括多個光伏電池，所述多個光伏電池的一部分或者全部包括透明材料的光學(xué)組件，光學(xué)組件的剖面具有形成了用于太陽輻射的入射孔的第一表面、 相對的表面；光伏材料，與用來從入射孔接收太陽輻射的第一表面相對地安裝，所述相對的側(cè)表面成形為將穿過入射孔的太陽輻射的全內(nèi)反射提供到所述光伏材料，所述設(shè)備形成為使得環(huán)境光可穿過所述設(shè)備，從而在使用中太陽輻射通過光伏材料提供電流并且環(huán)境光穿過所述設(shè)備。
全文摘要
光伏設(shè)備包括光伏電池，所述光伏電池包括透明材料的光學(xué)組件，光學(xué)組件的剖面具有形成了用于太陽輻射的入射孔的第一表面、形成了用于穿過入射孔的太陽輻射的出射孔的第二表面、彎曲形狀的相對的表面；光伏材料，定位為從出射孔接收太陽輻射，所述相對的側(cè)表面成形為提供從入射孔傳遞到出射孔的太陽輻射的全內(nèi)反射；鏡表面，定位為將輻射從所述側(cè)表面中的一個側(cè)表面反射掉。
文檔編號H01L31/052GK102160195SQ200980134883
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者巴里·克萊夫 申請人:巴里·克萊夫