[发明专利]用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备

说明书

交叉引用

本申请要求于2014年7月8日提交的题为“Device for Harvesting Direct Light and Diffuse Light from a Light Source(用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备)”的美国临时专利申请序列号62/022,078的权益和优先权，该美国临时专利申请的内容出于所有目的通过引用以其全文结合在此。

技术领域

本技术涉及用于采集来自光源的直射光和漫射光的设备。

背景技术

出于许多原因，用于利用可再生能源作为对通过燃烧碳氢化合物生成能量的替代方案的技术的发展一直在增长。已经受到一些关注的一种这样的可再生能源是太阳能。

用于采集太阳能的设备在本领域中已经已知有一段时间了。这类设备中最普遍的是相对较大的平板太阳能电池板组件。这种太阳能电池板通常包括一系列平坦“单结”晶体硅光伏电池，这些电池机械地且电性地连接在一起以形成较大的电池板组件。这个电池板组件然后被安装在支撑结构上。照射在电池板组件上的光进入光伏电池以由其进行采集。这种类型的太阳能电池板组件已被使用了一段时间并且今天仍在使用。

这种太阳能电池板组件由于其光伏电池在将太阳光转换成电能时的效率相对较低的事实并不适合用于许多情形中。因此，在一些情形中，将仅生成少量的可用电能，这将不足以满足特定预期应用的电力需求。在其他情形中，将需要较大数量的这种太阳能电池板组件来生成特定期望的电量，使得生成这种电力相比经由另一种发电方法更加昂贵。

为了尝试克服这种困难，研发了高效率光伏电池(“HE-PV电池”)(例如，三结电池)。如它们的名称所暗示的，这种HE-PV电池在将太阳光转换成电能时相比以上所提及的常规单结光伏电池实质上更高效。然而，相比常规单结光伏电池，HE-PV电池还制造起来明显更昂贵。如此以致为了使在需要考虑成本的太阳能发电应用(其是大多数应用)中使用这种HE-PV电池经济可行，仅可以使用非常小尺寸(相对以上所提及的较大平板太能电池板组件中发现的常规单结晶体硅光伏电池而言)的HE-PV电池。

这种情况已经使得人们对聚光光伏(CPV)系统产生了兴趣。CPV系统背后的理论是使用光学元件来将在相对较大面积上接收到的太阳光聚集到HE-PV电池的相对较小面积中。理论上，因为这种光学元件相对廉价，所以它们与相对较小尺寸的HE-PV电池的结合将使得通过这种系统生成的太阳能经济上可行。(例如，可能在具有给定面积的标准常规平板太阳能电池板组件与具有相同给定面积的受光区域的CPV系统的成本之间进行成本比较。)

CPV系统存在重要缺点。用于对照射到系统上的光进行聚集的光学元件针对任何入射光具有非常小的接受角。(通常，仅在该接受角内的光被系统接受以被聚集并最终采集，所有其他光通常不可被系统采集。)这意味着在大多数CPV系统中，通常仅直射法向光(在本领域中通常被称为直射法向辐照(DNI))被系统的光学元件接受并且被系统采集。由于太阳在一天当中在空中移动，所以将CPV系统固定地安装在支撑结构上不是经济可行的。通常，这种系统安装有双轴“跟踪器”，该双轴“跟踪器”是在一整天中对系统进行重定向以维持光入射到太阳法向方向上的光学元件以便使系统接收的DNI量最大化的机构。

然而，由跟踪器上的电池板在地球上的特定位置处从太阳接收到的总光量(本领域中已知为全局法向辐照(GNI))中并非所有都是DNI。地球大气中的颗粒和悬浮物将散射从太阳入射到农作物上的部分光束，该部分光束在本领域中被称为“漫射光”(即，在该特定情形中的非直射光)。DNI与GNI之比(即，太阳光在特定位置处是尚未被散射的直射法向太阳光的程度)根据地球上的位置并随时间变化。例如，该比值然后将受地球上接收太阳光的位置处的当前气象状况的影响。例如，在多伦多的阴天，该比值为零，因为所有光都是漫射太阳光。在多伦多晴朗阳光的冬天，所接收的太阳光中约85％是DNI(由于空气中相对缺乏水分和烟雾)；而在多伦多晴朗阳光的夏天，所接收的太阳光中约70％是DNI(由于空气中存在较多的水分和烟雾)。

如以上所讨论的，由于其光学元件的较小接受角，常规CPV系统通常不能够采集漫射光。漫射光仅对常规CPV系统而言被丢失了，这部分地偏移了关于在这种系统中采集直射太阳光的效率增益。这还意味着，即使具有跟踪器，仍有一部分GNI是系统不可达的。针对地球上任何特定位置，可以计算平均年DNI和DNI与GNI之比以便评估安装常规CPV系统的经济意义。