利用通過平面鏡均勻地收集的光線和通過直接接觸的冷卻法的太陽光發(fā)電裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的技術(shù)目的在于提供具有工業(yè)實(shí)用性的太陽光發(fā)電方法及裝置。尤其，本 發(fā)明的技術(shù)目的在于提供通過結(jié)合太陽光的收集、太陽光跟蹤、太陽能電池板的冷卻來降 低太陽光發(fā)電成本，從而，不依靠政府的補(bǔ)貼政策，也能夠與火力發(fā)電或原子能發(fā)電等以往 的發(fā)電方式競爭的太陽光發(fā)電技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002 ]愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光電現(xiàn)象已經(jīng)有1個多世紀(jì)，且美國NASA所開發(fā)的太陽能電池被利 用于人造衛(wèi)星已經(jīng)有半個多世紀(jì)。從數(shù)十年前起廣為人知的基于太陽能電池的發(fā)電事業(yè)作 為收益型自立事業(yè)還是不成功的。主要理由是因?yàn)樘柲茈姵匕宓母邇r格。在2013年4月目 前太陽能電池板被報告為以大約1$/1W的價格可被供給。在韓國的情況下，電力供應(yīng)價格被 報告為大約〇.l$/KWh，而對IMW級太陽能電池發(fā)電設(shè)備所需的太陽能電池板的購買價格和 年間電氣產(chǎn)生量（電力銷售)進(jìn)行比較如下(在韓國的情況下，在按年計(jì)算平均后換算，結(jié)果 被報告為通過一天平均3.5時間左右接受lKW/m 2的太陽光而可以進(jìn)行太陽光發(fā)電）。
[0003] IMW級太陽能電池板價格:1，000，000$; 1$/1W
[0004] IMW級太陽能電池板的年間發(fā)電量(年間產(chǎn)生的電力價格）：IMW X 3.5h X 365日= 1，277.5麗11/1年（127,750$/1年）
[0005] 即，為了僅購買太陽能電池板的費(fèi)用需要投入在7.8年間的電力銷售收入，而考慮 到其他附帶費(fèi)用(被報告為，除了土地費(fèi)外，還需要投入大約相當(dāng)于太陽能電池板價格的費(fèi) 用），目前太陽光發(fā)電事業(yè)不太有吸引力。例外地，商業(yè)上電力定價為高且日射量豐富的意 大利、夏威夷等幾個地區(qū)被報告為達(dá)到電網(wǎng)平價(Grid Parity) jGrid Parity:商業(yè)上電 力價格和太陽光發(fā)電成本變得相同的時點(diǎn);在韓國的情況下，電力供應(yīng)價格相對低，因此難 以達(dá)到電網(wǎng)平價。）
[0006] 目前包括韓國的各國政府試圖通過FIT、RPS等來開發(fā)太陽光發(fā)電產(chǎn)業(yè)，但因財(cái)政 負(fù)擔(dān)而有限制。因此，需要確保在商業(yè)上可自生的太陽光發(fā)電技術(shù)，這就是說，在太陽光發(fā) 電領(lǐng)域需要降低電力產(chǎn)生成本的技術(shù)。
[0007] 重要的是，通過現(xiàn)有的面積的太陽能電池板產(chǎn)生更多的電力。為此，進(jìn)行提高太陽 能電池的光電變換效率的試圖、通過抑制太陽能電池模塊的溫度上升來提高太陽光發(fā)電效 率的試圖、通過聚光而提高相對于費(fèi)用的電力產(chǎn)生的試圖、低價的太陽能電池板產(chǎn)生試圖 等。
[0008] 與本發(fā)明的技術(shù)思想最接近的現(xiàn)有技術(shù)是應(yīng)用聚光和冷卻的太陽光發(fā)電技術(shù)。
[0009] 圖Ia~圖Id為與利用收集的太陽光發(fā)電技術(shù)有關(guān)的以往公開的專利技術(shù)的代表 圖。按序分別示出JP 2009-545186 A(圖la)、JP 2003-536244 A(圖lb)、JP 2009-533841 A (圖Ic)、JP 2009-545877 A(圖Id)專利的代表圖。圖la、圖Ib、圖Ic都采用透鏡或球面鏡，因 此，依然包括下述的現(xiàn)有技術(shù)的問題(參照下述的"技術(shù)方案"的"1.利用平面鏡的聚光"部 分）。雖然圖Id在將平面鏡利用于聚光的方面與本發(fā)明的內(nèi)容有關(guān)，但在圖Id中所示的結(jié)構(gòu) 下是難以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明要求的高水平的聚光。
[0010]圖Ie為說明下述的"技術(shù)方案"的"1.利用平面鏡的聚光"部分中指出的現(xiàn)有技術(shù) 的問題的附圖。利用曲面透鏡、菲涅耳透鏡或曲面鏡的以往的情況下，存在收集的光線沿徑 向（radical direct ion)具有不均勾的光強(qiáng)度（intensity )，并且，收集的光線的形狀為圓 形，因此，與矩形的太陽能電池板形狀不匹配的問題。
[0011]并且，圖Ib等聚光技術(shù)是為了利用具有高光電變換效率、高價格、小面積的串接太 陽電池，因此，以往的聚光技術(shù)不適合于在大面積的太陽能電池板上以均勻的光強(qiáng)度進(jìn)行 聚光。
[0012] 作為與冷卻有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，存在基于散熱器的氣冷式、裝制冷劑或使制冷劑循 環(huán)的散熱器與太陽能電池模塊的后面接觸的水冷式等方法，但，為了不妨礙太陽光入射，只 冷卻太陽能電池板的后面，制冷劑不直接接觸到太陽能電池板的外部表面，因此，冷卻效率 是大大不夠的。
[0013] JP 2009-545186 A、JP 2003-536244 A、JP 2009-533841 A、JP 2009-545877 A

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 解決的技術(shù)問題
[0015] 本發(fā)明要解決的問題是降低太陽光發(fā)電成本，以便不依靠政府的補(bǔ)貼政策，能夠 商業(yè)上進(jìn)行太陽光發(fā)電事業(yè)。即，本發(fā)明的目的在于提供從一定面積的太陽能電池板能夠 產(chǎn)生更多的電力的方法及裝置。
[0016] 技術(shù)方案
[0017]本發(fā)明的技術(shù)方案是選擇性地結(jié)合如下三個主要技術(shù)思想。
[0018] 1.利用平面鏡的聚光
[0019] 利用現(xiàn)有技術(shù)的聚光透鏡或凹透鏡的聚光技術(shù)具有如下問題。
[0020] (1)因需要高精度而難以制作，且價格較貴，
[0021] (2)矩形狀太陽能電池板與通常聚光為圓形形狀的光線(通過使用凸透鏡、菲涅耳 透鏡或利用拋物線曲面的凹透鏡來聚光）的形狀不匹配，
[0022] (3)聚光器的重量不小，
[0023] (4)收集的太陽光的光強(qiáng)度在徑向（radical direction)不均勾(參照圖Ie)。
[0024] 收集的光線的光強(qiáng)度不均勻，則會給太陽光發(fā)電帶來不好的影響。在與太陽光發(fā) 電區(qū)別的太陽能集熱裝置的情況下，雖然收集的光線的光強(qiáng)度不均勻也沒有問題。在利用 太陽熱的情況下，只達(dá)到太陽能集熱器的收集的太陽光總量被關(guān)注，而收集的太陽光線的 均勻度不太影響到性能。但，在太陽光發(fā)電的情況下，收集的太陽光線的均勻度對性能產(chǎn)生 非常重要的影響。這是因?yàn)榇?lián)的單元電池的輸出電流取決于串聯(lián)的單元電池的輸出電流 中最小值，且各個單元電池的輸出電流與入射到各個單元電池的太陽光的局部光強(qiáng)度成比 例。
[0025] 本發(fā)明通過使用矩形的平面鏡而在太陽能電池板上重疊均勻的反射光來進(jìn)行聚 光，以便與太陽能電池板的形狀(矩形）匹配，因此，能夠以低成本容易避免伴隨所述現(xiàn)有技 術(shù)的聚光方式而產(chǎn)生的問題。
[0026] 2.太陽光跟蹤方式
[0027] 本發(fā)明采用利用收集的太陽光發(fā)電方式，因此，當(dāng)同時應(yīng)用太陽光跟蹤方式時才 能夠得到高效率。太陽光跟蹤系統(tǒng)是在本技術(shù)領(lǐng)域長時間公知的技術(shù)，且商業(yè)上可利用的 系統(tǒng)。
[0028] 3.冷卻
[0029]不收集太陽能的通常的硅太陽能電池模塊也被報告為夏季正午被加熱至攝氏60 ~70度以上的高溫，且在溫度每上升攝氏1度，光電變換效率以一定比率(約0.5%)下降。若 根據(jù)本發(fā)明太陽能被收集到太陽能電池板數(shù)倍至數(shù)十倍，溫度上升和光電轉(zhuǎn)換效率的急速 下降是不可避免的。本發(fā)明人的預(yù)測如下。對于溫度上升最敏感且對光電變換產(chǎn)生最大影 響的部分可能是半導(dǎo)體層。以往的冷卻方式是對離半導(dǎo)體層相對更遠(yuǎn)的后面的外部表面進(jìn) 行冷卻的方法。根據(jù)上述方法，無法有效地防止通過吸收太陽光且產(chǎn)生自由電子來對光電 轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生最大影響的半導(dǎo)體層的溫度上升。
[0030] 本發(fā)明的一實(shí)施例建議將太陽能電池板布置于裝有制冷劑的容器里。太陽能電池 板的受光面以面對太陽光透過的透明窗的方式布置。制冷劑的優(yōu)選例子是水(冷卻水）。為 了所述冷卻水的順利對流，太陽能電池板被布置為與所述透明窗的內(nèi)側(cè)面隔開適當(dāng)間隔， 且所述間隔被設(shè)定為小使得通過冷卻水吸收的太陽光量最小化。
[0031] 具有高比熱的冷卻水直接接觸到太陽能電池板的整個外部表面(前面和后面），因 此，與以往方式的冷卻技術(shù)相比，會具有顯著高的冷卻效率。
[0032]發(fā)明的效果 [0033]本發(fā)明具有如下效果：
[0034] 1.太陽光發(fā)電成本下降。即，在為太陽光發(fā)電設(shè)備和維修而投入相同費(fèi)用時，與以 往方式相比產(chǎn)生更多的電力。平面鏡比聚光所需的現(xiàn)有技術(shù)的手段(透鏡、曲面鏡等)更加 便宜、輕松、可實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)。
[0035] 2.防止太陽能電池板的劣化，延長使用壽命。這是從太陽能電池板布置于用于冷 卻的容器內(nèi)部的實(shí)施例可得到的附加效果。
[0036] 3.在太陽光的強(qiáng)度低的條件(上午和下午晚些時候、冬天、高煒度地區(qū)、多云或多 霧的天氣）下也向各個太陽能電池板能夠照射足夠的光強(qiáng)度。這是因?yàn)楫?dāng)充分增加平面鏡 的個數(shù)時，在太陽光的強(qiáng)度非常低的情況下也能夠?qū)⑻柲芫鶆虻厥占教柲茈姵匕澹?使得其光強(qiáng)度高于在太陽位于天頂時的太陽光的強(qiáng)度。
[0037] 4.雖然精度低，也在整個太陽能電池板上能容易實(shí)現(xiàn)均勻的光強(qiáng)度的聚光。這是 通過對平面鏡的橫豎幅作為余裕加以預(yù)定的值使得橫豎幅大于下述的由m x = px cos0x及my =py c〇S0y求得的值來能夠獲得的效果。所述余裕的大小越大，所需的精度會更低(參照圖4 及5的內(nèi)容，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能容易理解其理由）。
【附圖說明】
[0038] 圖Ia至圖Id為利用聚光的與太陽光發(fā)電有關(guān)的現(xiàn)有專利的代表圖。
[0039] 圖Ie為說明利用透鏡或曲面鏡的現(xiàn)有聚光技術(shù)問題的圖。
[0040] 圖2為說明本發(fā)明的利用平面鏡的聚光方式及太陽光跟蹤系統(tǒng)的圖。
[0041 ]圖3為同時說明本發(fā)明的利用容器(Housing)的冷卻方式及利用平面鏡(Mirror) 的聚光方式的圖（本發(fā)明的代表圖）。
[0042]圖4及圖5為說明根據(jù)本發(fā)明的平面鏡的聚光能力計(jì)算過程及大小關(guān)系的圖。
[0043]圖6為說明假設(shè)圖2的24個平面鏡的布置和x-y對稱的情況的聚光能力的計(jì)算過程 的圖。
[0044] 圖7為詳細(xì)說明本發(fā)明的用于冷卻的容器(Hous ing)的圖。
[0045] 圖8為提出與圖2的實(shí)施例不同形狀的框架形狀，且關(guān)于框架的重量中心(Q)說明 的圖。
[0046]圖9為說明輔助太陽能電池板(Supplementary Panel)的圖。
[0047]圖10a、圖10b、圖IOc為說明根據(jù)太陽高度變化的大氣層通過距離計(jì)算及根據(jù)太陽 高度變化的太陽光強(qiáng)度衰減的圖。
[0048]圖IOd為計(jì)算太陽能電池板和平面鏡排列的結(jié)構(gòu)物之間的根據(jù)距離變化的聚光能 力變化的圖表。
[0049] 圖Ila及圖Ilb為說明浸泡于冷卻水中的太陽能電池模塊的熱量放出能力的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 本發(fā)明提供通過采用利用平面鏡的聚光、用于所述收集的太陽光跟蹤、對由于聚 光產(chǎn)生的熱進(jìn)行冷卻的方式來以相同的太陽能電池板最大限度地產(chǎn)生電力的方法及裝置， 而參照附圖對示意性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。圖2是為使直觀上理解方便而提出的利用平面 鏡的均勻的聚光和用于所述收集的太陽光跟蹤方法，而圖3為表示對由于聚光產(chǎn)生的熱進(jìn) 行冷卻的方法的一個例子。
[0051] 參照圖2進(jìn)行說明如下。
[0052] 太陽能電池板(Photovoltaic Panel)被布置使得在其受光面與太陽光的入射方 向垂直的狀態(tài)下背向太陽。即，在將太陽光的進(jìn)行方向定義為+z軸時，太陽能電池板的受光 面?zhèn)确ň€為+z軸方向。在此，需要注意的是，當(dāng)太陽光的進(jìn)行方向的單位向量為(0,0，1)時， 最優(yōu)選是將太陽能電池板受光面的法線方向的單位向量布置為(〇,〇，1)，這樣，既有效，又 方便計(jì)算。但，在本發(fā)明的權(quán)利要求書，為了防止回避本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍的試圖，將 太陽能電池板受光面的法線方向的單位向量不限于上述的(0，0，1)。