[发明专利]聚光的光谱分离式多路转换器光伏系统及其方法

说明书

本申请案主张于2009年3月31日提出申请的美国临时专利申请案第61/165,129号的权利，该临时专利申请案以引用方式全文并入本文中。

技术领域

本发明大体而言涉及光伏转换器(photovoltaic converter)，更具体而言涉及聚光式太阳能光伏转换器。

背景技术

光学聚光器(optical concentrator)广泛用于太阳能光伏转换器中，这有两个重要原因。第一，光学聚光器因需要较少的光伏转换材料而能够降低系统成本，光伏转换材料是目前为止光伏系统中最昂贵的部分。通常，聚光式光伏系统的光伏单元的面积不到等效的转换装置中所用光伏单元的面积的1％。第二，众所周知，受到更高通量密度照射的光伏单元可实现更高的太阳能-电能转换效率。

图1中显示典型的现有技术聚光式光伏系统10。聚光式光伏系统10包括聚光菲涅耳透镜2以及位于聚光菲涅耳透镜2的焦点5处的光伏单元4。聚光菲涅耳透镜2与光伏单元4二者共享共用光轴1。在工作中，太阳能辐射22入射于聚光菲涅耳透镜2上，聚光菲涅耳透镜2使太阳能辐射22会聚并在焦点5处聚焦于光伏单元4上。

菲涅耳光学元件可有两种类型：一种类型以透射方式工作，称为菲涅耳透镜；而一种类型以反射方式工作，称为菲涅耳镜(Fresnel mirror)或菲涅耳反射器。菲涅耳透镜和菲涅耳反射器二者均常常用于太阳能聚光器中并均包括具有一系列相当浅的凹槽的菲涅耳微结构，这些凹槽的截面通常呈锯齿状。每一凹槽中执行光学工作的较长表面称为坡面(slope surface)，将各坡面连接在一起的较短的表面则称为牵拉表面或立面(draft or riser surface)。坡面的角度通常在凹槽与凹槽之间略有变化，靠近菲涅耳结构(the Fresnel)的中心处的角度较小、边缘处的角度则较陡。同时，牵拉表面或立面的深度在靠近菲涅耳微结构的中心处较小，在边缘处则较大。

此现有技术聚光光伏系统10有两个主要问题。第一个问题是，由于色差(chromatic aberration)的原因，焦点5不是一个点。相反，根据光学配置的几何结构和通过菲涅耳透镜2的波长的范围而定，焦点的直径可为数厘米。理想的聚光菲涅耳透镜将会传送和聚焦太阳光中包含大量能量的波长内的所有光能。通常，太阳光的波长在约350nm至约1900nm之间。构成聚光菲涅耳透镜2的材料的色散性质使得材料的折射率在此范围内变化很大，这进而会使聚光菲涅耳透镜2的屈光力随波长而变化，而这又会使焦点5的直径随波长而变化。为了对此进行补偿，可在光伏单元4的顶上安装另外的聚光光学器件，或者可使光伏单元4实质上更大，以确保其可捕获最差情况下的焦点5的所有能量。然而，这两种解决方案均会抬高系统的成本和复杂性并降低效率。

此现有技术聚光式光伏系统10的第二个问题是，对于每一聚光菲涅耳透镜2，仅使用一个光伏单元4。利用具有多种层叠光伏结面带隙(stacked photovoltaic junction bandgap)的串叠型光伏单元(tandem photovoltaic cell)可以显著地提高光伏转换效率。这些串叠型光伏单元通过在半导体铸造厂中以相互叠置的方式生长两个或三个光伏单元而形成。

图2中显示典型的三结面单元6的实例。在此三结面光伏单元6中，最上面的结面7将最短的波长转换成电能，中间的结面8将中间的太阳能波长波段转换成电能，而最下面的结面9将最长的波长转换成电能。此配置确实会显著地提高转换效率，因为据报导，光伏单元效率约为40％。遗憾的是，此三结面光伏单元6需要很多层，图2中仅显示其中的某些层。每增加一层均会大大增加器件的复杂性，降低制造良率(yield)并抬高器件的总成本。此外，串叠型光伏单元所产生的电流的量受限于由产生最小量的光电流的内结面所产生的光电流的量。此控制作用可严重地限制由多结面光伏单元所产生的电能的量。

发明内容

一种太阳能转换装置包括两个或更多个转换单元以及反射器组件。所述两个或更多个太阳能转换单元中的每一个均响应于至少来自太阳能辐射的第一波长波段和来自所述太阳能辐射的第二波长波段中的不同的一个波段。所述反射器组件包括至少两个集成反射部。所述至少两个反射部其中之一放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元其中之一反射和引导所述第一波长波段，而所述至少两个反射部中的另一个放置成向所述两个或更多个太阳能转换单元中的另一个反射和引导所述第二波长波段。所述两个集成反射结构中的至少一个包括菲涅耳微结构。