[发明专利]太阳能装置

说明书

技术领域

本发明可以包括在太阳能技术领域中。本发明的目的涉及太阳能装置，使得输入太阳辐射光谱的大部分能够转换为电能或热能。

背景技术

太阳能的开发提出了多种挑战。这些挑战之一是太阳能的捕获和集中，这是当前正在广泛研究、开发和应用的问题。在这一方面，太阳能装置的挑战在于：最大化集中器收集器C／Cmax比率(其中C是集中度，并且Cmax=1／sine(一半接受率)是理论最大集中度)，最小化几何形状损耗-余弦效应、跟踪器之间的遮挡和阻挡、光学和热学损耗，以及将装置成本降低至使得技术相比其他能源具有竞争力的水平。重要地，将集中度最大化允许我们减小装置中的热损耗，减小(典型地光热和或者光伏)接收装置的成本和／或增加传热流体或者用于获得太阳能燃料的反应器的典型工作温度。

另一个主要挑战是将太阳能转换为电能。当前存在两种主要的商用途径：

1.光伏技术：包括使用光伏电池通过半导体材料将太阳能电磁辐射直接转换为电。由于未来使用先进材料，这是一项不断发展的技术，具有足以进行改进以超过光热发电装置效率的潜力。然而，其具有不可管理的劣势，并且存在一定的波长范围，大于所述范围时光伏电池不能够将来自光子的所有能量转换为电能，而小于所述范围时由光子转化的过多能量以热的形式损耗掉。

2.光热技术：包括将传热流体并且经由兰金循环(Rankine cycle)、布雷顿循环(Brayton cycle)、斯特林发动机(Stirling engine)等在涡轮中发电；或者使用第三物质(锌和其他)在高达2000℃的温度下进行反应以从水中直接获得氢，或者通过备选工艺(S-I碘化硫循环)；从氮气和氢气获得氨气；任意其他太阳能燃料。这也是一种不断发展的技术。光热技术并没有表现出与光伏技术相关的上述劣势，但是具有下面讨论的其他问题。当前预期的是塔形中央接收装置将在介质方面允许在几十或几百MW量级的较大发电装置市场中的效率和其他商用技术的成本方面的改进。然而，当与光伏技术的潜力相比较时，中心接收装置经受所谓的余弦效应(由于光线相对于所述发射表面的法线形成的角度导致的降低有效反射面积的效果)、接收器中的溢出、来自透射或者限制效率的其他现象的损耗。

在几十kW的分布式或者市场发电方面，斯特灵盘(Stirling discs)是正在开发的技术，这种技术仍然昂贵但是看起来有前途。使得这种技术如此昂贵的问题之一是必须支持在集中器焦点中的繁重悬臂引擎的事实。

在与光伏相比的有利性方面，光热技术具有热惯性、氢化能力和储热能力。

光热接收装置的限制可以通过使用传输集中光的光导来补救。将集中的太阳光以最小损耗从收集区域导引至处理区域是另一个较大的挑战。此外，这种挑战是双重的：一方面是开发利用能够透射太阳光的全部光谱宽度的材料来开发光导，另一方面是使用与先进的收集器(非成像光学器件)兼容并且允许高集中度的光导，即高数值孔径的光导。

光导的示例是传统光纤光学器件、液体光导和光子晶体光纤(PCF)。

传统的光纤光学光中-参见文献“太阳能光纤光学微盘集中器：第一次试验结果和现场试验(D.Feuermann，J.M.Gordon，M Huleihil)，2002年4月”-仅具有有限的数值孔径(最大0.48)，这限制了太阳能收集器潜在的光吸收和集中级别。此外，这些光导不允许在几十米距离上的太阳能光谱的有效导引。光纤光学光导中的损耗是由于以下三个机制引起的：瑞利散射、由于光纤内的金属杂质和水导致的吸收、以及由光纤光学材料本身的硅石分子的内在吸收。这三种机制的汇合限制了可以通过光纤无损导引的太阳能光谱的窗口，从1000-1250nm、高达1650nm的上限，示出了在1550nm附近0.2dB／km的损耗。结论是在最佳情况下，这些光纤不传输太阳能光谱中代表太阳能光谱中积聚的能量的40％以上的主要部分(UV、可见和近红外部分)。

关于瑞利散射机制：这是电磁波和光纤内部的硅分子之间的弹性碰撞的结果。如果将散射的光保持在光纤的数值孔径内部，则所述散射的光通过在光纤内部的全内反射继续其旅程并且不会发生衰减。因此，增加光纤的数值孔径有助于减小来自瑞利散射的损耗并且增加光谱窗口。

至于由于杂质导致的吸收损耗：目前存在诸如MVCD类型(改进的化学气相沉积)或OVD(外部气相沉积)之类的制造方法，允许制造不包括杂质或者只包括非常小浓度杂质的光纤。这些制造方法允许在上述窗口的所有波长处维持足够低的以dB／km为单位的损耗级别。