太阳能装置制造方法
【专利摘要】实现了太阳能的变换，以非常高效的生产率利用了大部分太阳光谱。包括：至少一个太阳能收集器(11)，配备有集中器，所述太阳能收集器(11)适用于收集太阳能辐射并且将所述太阳能辐射集中到集中器中；-太阳能激光器(10)，用于将从集中器接收的辐射变换为激光辐射；以及接收器(1)和／或太阳能反应器(21)，适用于从激光器(10)接收辐射，并且将辐射变换为另一种形式的能量。附加地，还可以包括柔性光导(8)或平面反射镜(26)，用于将从激光器接收的辐射传输至太阳能反应器(21)和／或接收器(1)；此外，还包括：分散在收集器和激光器之间的光伏电池(18)，用于将集中的辐射变换为电能，并且允许未转换的辐射传递至激光器。
【专利说明】太阳能装置【技术领域】
[0001]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】
[0002]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=I / sine (—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。
[0003]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:
[0004]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。[0005]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)等在润轮中发电；或者使用第三物质(锌和其他)在高达2000°C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-1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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。[0009]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)。
[0010]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娃石分子的内在吸收。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)。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]至于由于光纤材料本身导致的内在吸收机制:在制造光纤以增加这种窗口的新材料的研发方面存在进展。一个示例是ZBLAN玻璃纤维和GaLAs。ZBLAN玻璃(由锆、钡、镧、铝和钠的氟化物组成)对于250和4000nm之间波长具有可接受的生产率，在2550nm处具有0.05dB / km的损耗。Galas玻璃(也称作GLS,包括Ga2S3和/或La2S3)具有500nm至IOOOOnm波长透明的区域以及在3500nm周围0.5dB / km的损耗。
[0014]因为在90年代早期，关于光子晶体光纤(下文中简称PCF)的研究正在进行。光子晶体光纤是硅石光纤，其中中心芯区(有时是中空的)被充满空气的孔洞的周期性结构包围。光子晶体施加了折射率的周期性调制，它们的周期是在光学范围内的电磁场的波长量级。
[0015]其中，存在两种类型的PCF:1GF型(“折射率导引光纤”和PBF型(“导引带隙光纤”)。
[0016]重点注意，PCF正在使光子学世界和电信数据传输发生根本改变。PCF中不寻常的光导引机制使得PCF具有与传统光学不同的大量独特性质。例如，能够构建具有非常小的芯区(高达I微米的直径)的PCF，以增强非线性效应，构建非常高的数值孔径，或者非常宽的单模传播频带。此外，通过适合于光纤的几何形状设计，灵活地调节了这些光纤的彩色色散，实现了使用传统的光纤技术不可获得的可获得值。在这一方面，一些机构已经设法开发由P2O5掺杂的硅石制成的PCF，所述P2O5掺杂的硅石在1550nm具有高达0.095dB / km的损耗。此外，这些机构已经设法成功地实现640Gbit / s的传输速度。
[0017]PCF也可以用于导引太阳光。在这种情况下，不但是材料成分、而且空气纳米管的几何形状以及它们之间的桥接结构的宽度允许模式性质的控制、针对相同直径和相同长度光纤的数值孔径的增加以及更多太阳光的吸收。太阳光导引的应用带来了高度目标化的规范:高数值孔径(0.9)、光纤直径和透射潜力的最大化以及以dB / km为单位的损耗的最小化。
[0018]目前在持续的发展中，获得了所谓的多结光电电池，所述多结光电电池能够高效率地吸收光谱的一部分，效率随着更多的层而增加。因此，包括InGaAs、Ge和InGaP半导体的三结电池具有39%量级的当前效率，但是存在不能够将光子转换为电能的波长范围。
[0019]光伏技术在其相对于光热技术的优势方面具有提高的效率。
[0020]由上可知，目前开发的先进光导使得能够实现0.9量级的数值孔径。然而，所述先进光导具有由不能够以dB / km的损耗透射太阳的全光谱宽度的趋势，使得这种技术是切实可行的。可以在令人满意的损耗下导引的太阳能光谱的窗口范围从1000nm-1250nm至1650nm的上限，在1550nm附近表现出0.2dB / km的损耗。
[0021]今天，在能够在光谱宽度(紫外、可见光和近红外)转换具有最大生产率的太阳能辐射(转换为电力或热能)的元件方面也实现了进步。具体地，在基于“光子管理”的概念方面实现了进步，所述光子管理试图在通过光伏太阳能电池吸收光子之前分离或者改进太阳能光谱。
[0022]在这些情况下，使用波长转换器，具体地转换至短波长的波长转换器(所谓的“下转换器”)和转换至长波长的波长转换器(所谓的“上转换器”)，所述波长转换器允许将紫外光和/或可见光辐射范围的转换为红外辐射、并且将红外辐射转换为可见光和/或紫外光辐射。在这些转换器的现有技术示例中存在一些问题，它们不允许实现足够高的效率或者维持高的光学集中度，主要是由于转换之后发射的光的方向性-所述光不具有优选的方向。
[0023]否则，存在已知的太阳能激光器，所述太阳能激光器可以将太阳光光谱的一部分转换为激光束。太阳能激光器拥有以下元件:
[0024]-光学腔、谐振器或光学振荡器，包括两个反射镜，其中捕获在两个反射镜之间跳动的激光。为了进行简化，一种方式是谐振器仅允许与c / 2L(其中c是光速，并且L是光束的光程)成比例的谐振频率及其关联的模式；
[0025]-掺杂激活介质，所述掺杂激活介质可以是固体、液体或气体，并且所述掺杂激活介质的功能是为了当光子在腔体内经历多次反射并且通过腔体时对特定范围的波长进行放大；以及
[0026]-太阳光源，能够在激活介质中产生粒子数反转。换句话说，能够使得在所述介质中更多的原子处于激发态(高量子力学能级)而不是低能量状态的光，从而系统中的许多原子将在所谓的受激条件下发光。
[0027]优选地，太阳能激光器的谐振器和激活介质都是柱形的，并且在它们端面处放置两个分离的反射镜。在现有文献中找到的太阳能激光器被经由CPC型(化合物抛物面聚光器)集中器集中的太阳光侧向地照明。腔体的第一反射镜适用于在激光振荡波长及其附近是高反射的。该反射镜仅在该区域具有高反射率。另一个反射镜在激光器输出部分地反射(R2)生成的光，并且透射没有反射的一部分(T2):T2=1-R2。这种透射的光本身是从器件出射的激光。因此，在谐振器中将光子捕获，从一个反射镜移动到另一个反射镜、并且通过激活介质进行放大。从激光器出射的是出射镜允许的随着激光振荡波长处的透射率而变化的激光的一部分。[0028]因此，太阳能激光器在两个反射镜之间具有腔室，所述腔室支持光子的反射，光子在每一个反射镜中交替地被反射，并且在分别通过激活介质之后被放大。如果放大高到足以克服损耗(通常称作阈值条件)，则可以将单个光子放大几个幅度量级以产生在谐振器中捕获的非常大量的相干光子。如果光子在反射镜之间往返足够长的时间段，则激光将达到稳态。
[0029]可以从激光器的横向侧面和与其纵向地(也就是说从一个端面)产生将太阳能能量泵浦到激光器，使得沿产生激光束的方向注入光。
[0030]太阳能激光器可以将输入的太阳光谱的一部分转换为特定波长下的输出激光束。激光束可以供应激光器本身传送的PCF。激活介质的物质具有不必与其发射光谱相匹配的吸收光谱。因此，利用范围与发射的波长不同波长范围的光对激光器进行泵浦。
[0031]如最前沿技术已知的是双包层PCF激光器，其中通过向PCF光纤的芯区掺杂实现了激活介质。第一包层具有略低于芯区的折射率，并且设计为单模地导引在芯区内部产生的激光辐射，而第二包层包含微结构，所述微结构由典型地经典PCF方面分离开一定距离、并且具有D形形状和其他截面的空气管组成。这种类型的PCF允许非常高的数值孔径。
[0032]由上可知:利用当前介质对于将太阳能转换为电能的效率和可管理性显著地改进，此外可以更加有效率地使用太阳光谱的宽度(紫外光、可见光和近红外光)。
[0033]本专利覆盖的发明目的在于开发一种具有一系列特征的混合光伏-光热太阳能装置，所述特征实现以下优势:首先，光伏技术的使用将太阳能光谱的一部分高效率地转换为电能；其次，光导引原理下光热技术的使用对光谱的其余部分无害。
【发明内容】
[0034]本发明解决了通过太阳能装置造成的问题，所述太阳能装置允许太阳能辐射的最大利用。本发明的太阳能装置包括以下元件:
[0035]-至少一个太阳能收集器，配备有集中器，所述太阳能收集器适用于收集太阳能辐射并且将所述太阳能福射集中到集中器中；
[0036]-至少一个太阳能激光器作为太阳能转换器，其中所述激光器适用于(直接或者间接地)接收来自收集器中的集中器的集中辐射，并且将所述集中的辐射变换为激光辐射；以及
[0037]-接收器，适用于从激光器接收辐射，并且将辐射变换为热能(对传热流体进行加热)或者使用光电效应直接变换为电能；和/或太阳能反应器，适用于获得太阳能燃料，例如通过使用第三物质(锌或其他物质)在高达2000°C的温度下从水中直接获得氢，或者从备选工艺(s-1碘化硫)获得太阳燃料；从氮气和氢气中获得氨气；或者获得任意其他太阳能燃料。
[0038]如下面解释的，激光器可以直接从收集器的集中器接收辐射，或者安装可以合并从收集器的集中器接收集中的辐射的光伏电池，使得将所述辐射的一部分变换为电能，并且对于未被变换的辐射部分是透明的，允许未被变换的辐射部分传递至激光器中。
[0039]本发明的太阳能装置因为通过将激光器插入到收集器和接收器之间而值得注意，确保了将收集器收集的几乎所有辐射进行变换。此外如已知的，由于散射现象，光束始终是发散的。D直径激光器发射的波束(激光束)具有以下特性:达到由衍射(衍射受限波束)施加的最小理论半发散角，最小半发散角在λ / D的量级，其中λ是激光器的工作波长。
[0040]这意味着激光器达到了理论的准直限制。这本身也是使用来自太阳能泵浦激光器的优势，因为可以在光导内部(如下面解释的)以及通过使用平面反射镜直接通过空气将激光束传导至接收器。因此，当激光器和接收器之间的距离允许时，来自激光束发散的损耗的极大减小允许使用平面反射镜的简单反射在接收器处直接导引波束。
[0041]太阳能收集器可以是任意已知的类型，传统类型(抛物面型盘式收集器、菲涅耳透镜型收集器)和利用非成像(非图像形成)光学器件实现的先进类型收集器。
[0042]类似地，优选地将收集器连接至无余弦效应的指向太阳的几个双轴太阳能跟踪器，使得每一个太阳能收集器可以具有其单独的太阳能跟踪装置，或者可以存在连接至相应追日镜的至少一个跟踪装置，在所述至少一个跟踪装置上安装了多个收集器。
[0043]在接收器并不足够接近激光器的情况下，有利地是经由平面反射镜将激光束引导向接收器，并且可以预想的是本发明附加地合并柔性光导，所述柔性光导接收激光束并且将激光束传输至接收器。
[0044]所使用的光导可以是许多不同的现有类型和技术中的任一种。
[0045]具体地，考虑制造技术，可以使用以下类型的光导作为示例:
[0046]-传统的光纤光学光导，
[0047]-PCF类型的光导，
[0048]-液体光导(LLG)。
[0049]具体地，考虑所使用的材料，可以使用以下类型的光导作为示例:
[0050]-硅石光导；
[0051]-ZBLAN 玻璃光导；
[0052]-GaLaS 玻璃光导。
[0053]优选地，光导的数值孔径与光伏电势、激光器和太阳能收集器的数值孔径至少部分地兼容。
[0054]本发明可以附加地包括:透镜，用于对波导中包含的辐射进行复用，或者如果将辐射直接传输通过大气时重新集中激光束，以便优化在接收器上入射的辐射。在第一种情况下，可以将光导分为几个组，并且将这些组的每一个复用到组合的光导中。
[0055]为了对入射辐射进行优化的相同目的，本发明可以附加地刚好在接收器之前合并集中器。
[0056]可选地，可以将光导有利地引导至接收器，使得第一端面设置在相邻位置的光导不会影响相邻的接收器定位。因此，在接收器的特定区域上的入射辐射不会来自收集器的单一区域，从而抵消了一些收集器被周期性遮挡的效果，并且获得了在接收器管上的均匀入射。根据在以下非排除性列表中选择的选项的至少一个，可以在将光导直接导引至接收器的情况以及将透镜设置为将光导复用至组合的光导的情况下实现以上所解释的内容:
[0057]-将收集器的单个区域的光导复用至组合的光导，并且与相邻区域相对应的这些组合的光导进而入射到接收器的不同区域上；以及
[0058]-组合的光导包括来自收集器的不同区域的光导。
[0059]至于接收器，本发明可应用于与集中收集器的使用可兼容的任意类型的接收器，并且如果必要可应用于光导。[0060]具体地，优选地是垂直布置的管状接收器，传热流体通过所述管状接收器循环。
[0061]因此，可以将接收器的管布置成一行或几行，优选地将管子交叠的多于一行，因此辐射总是会找到管子之一。附加地，可以将管子在真空下封闭或者不封闭在外壳中，其中针对多个管子具有单独的或者公共的外壳。此外，所述管子可以配备有抗反射涂层。
[0062]优选地，所述光导可以引起在管子处在所述光子的表面上法向的接收辐射，优选地从两个相对的方向以避免管子中的热应力。
[0063]因为通过光伏电池将太阳能辐射直接转换为电能具有比经由传热流体进行转换更高效率的潜力，因此本发明的装置还包括至少一个光伏电池(优选地是多个)，布置在收集器集中器上并且散布在收集器和激光器中，以将太阳能光谱的一部分转换为电能，其中所述光伏电池对于没有被转换的太阳能辐射是透明的，允许所述辐射传递至激光器。因此，光伏电池可以用于更加有效地获得电能，以向系统装置的一部分(例如激光器)供电，或者在适当的情况下向其他类型系统消耗或者甚至为代售到电网系统消耗供电。
[0064]本发明允许不同技术的光伏电池的使用，尽管对于每一个具体的装置，如果根据装置的条件和元件的光学特性来合理地选择部件(收集器、光导、光伏电池、激光器)，性能是优选的。
[0065]在任一种情况下，所谓的HCPV电池是优选的(高浓度光伏电池)，具体地在这种类型中是多结电池。
[0066]当使用柔性光导时，激光器适用于直接或者通过光伏电池将来自收集器集中器的辐射集中到波长与光导的最优工作范围可兼容的的激光束。
[0067]如已经解释的，通过光伏电池将太阳能辐射的一部分转换为电能，通过光导的激光器将另一部分转换以路由至光热或光伏接收器，用于实现太阳能光谱的最优使用的最终结果。
[0068]本发明适用于任意类型的激光器，尽管装置需求依赖于其余元件(收集器、光导、光伏电池)的光学特性通知针对每一种情况的特定激光器的使用。
[0069]激光器典型地包括谐振器、具有掺杂了激活介质的放大器以及能够在激活介质中产生粒子数反转的光源。
[0070]具体地，激光器可以与掺杂了激活液体、气体或固体介质(包括半导体)一起使用，并且激光器可以与横向和纵向泵浦两者一起使用，纵向泵浦是优选的，因为纵向泵浦确保了以下内容:
[0071]-较高效率的太阳光至激光转换；
[0072]-高质量的激光束，如果将集中的太阳光的周长保持在谐振器基模的体积内(至少在激光器的玻璃的周长内)，所述高质量激光束将在具有最大的理论准直度(衍射限制光束质量)的TEMOO基横模下出射。最大的准直度近似是激光器输出的波长除以典型的模式直径。
[0073]根据描述的所有实施例，本发明的装置还包括用于聚集能量的存储装置。
[0074]所述存储装置涉及系统的其他元件:因此例如，所述存储装置可以包括以下的至少之一:
[0075]-蓄电池，用于聚集光伏电池传递的电能；
[0076]-热空气/气体的容器，如果接收器管子中的传热流体是基于布雷顿循环馈送至气体涡轮的空气或气体；
[0077]-压缩饱和蒸汽的容器，如果接收器管中的载热流体是基于兰金循环的馈送至蒸汽涡轮的水，或者如果传热流体是通过为了相同目的的交换器加热水的液体盐；
[0078]-高温下的盐(在利用盐的兰金循环情况下)。
[0079]根据所述的包含接收器的所有实施例，本发明的装置可以包括:蒸汽涡轮、气体涡轮、斯特林发动机、微涡轮、AMTEC元件(碱金属热电转换器)、或者多结、单结、有机或无机型光伏电池。
[0080]如上所述，本发明的太阳能装置使得可以按照可管理的方式以比当前太阳能装置更大的生产率将太阳能转换为电能，并且有效地利用了太阳光谱的宽度(紫外光、可见光和近红外光)。
【专利附图】
【附图说明】
[0081]为了对这里给出的描述进行补充、并且为了更好的理解本发明特性，基于本发明实际应用的推荐模型，附加了一组附图作为说明书的一部分，所述附图的描述包括但不限于以下内容:
[0082]图1a和Ib示出了在透镜型集中器装置中发射的波束以及由激光型集中器装置发射的波束的相应发散性之间的比较。
[0083]图2示出了本发明第一模型的操作图。
[0084]图3示出了本发明第二模型的操作图。
[0085]图4示出了本发明第三模型的操作图。
[0086]图5示出了根据第三模型的本发明装置的顶视图。
[0087]图6示出了详细地根据第一模型的本发明装置的一部分的顶视图。
【具体实施方式】
[0088]下面是在所附图1至图6的帮助下对本发明的推荐模型的描述。
[0089]推荐的模型I
[0090]如附图所示的本发明指的是用于在太阳光谱的最优利用下从太阳辐射获得能量
(20)(参见图5)的太阳能装置。
[0091]如图1a中可以看出，第一透镜型集中器装置(31)生成的光束具有一些发散性。与这些第一集中器装置(31)相关联的发散性与所实现的集中度有联系。尝试的集中度越大，输出波束的发散性越大。通过Etendue守恒定理解释这种现象。在三维系统中，η2.Α.8θη2(β/2) = cte，其中η是介质的折射率，A是属于发生集中的第一集中装置(31)的元件的面积，并且β是射线离开透镜的发散角度。
[0092]对于第二种激光型集中器装置(32)的情况，如图1b所示，半发散角度是θ = λ /D，其中λ是激光器(32)发射的激光束的波长，D是激光束的直径。
[0093]发现半发散角度Θ的值明显小于β / 2。
[0094]第一本发明的第一推荐模型中，太阳能装置包括如图2和图6所示的以下元件:
[0095]-多个太阳能收集器(11)，配置有两个分离的集中器(未示出)，以及沿两个轴的太阳能跟踪装置(未示出)，所述太阳能收集器(11)适用于收集太阳辐射、并且将太阳辐射集中在太阳能收集器的相应集中器中；
[0096]-至少一个太阳能激光器(10)作为太阳能转换器，其中激光器(10)适用于从收集器(11)中的集中器直接接收集中的辐射，并且将这种辐射转换为激光辐射；以及
[0097]-接收器(I)，适用于通过与第一端相对的第二端(未示出)从光导(8)接收辐射，并且使用所述辐射对传热流体进行加热(未示出)或者将所述辐射传输至光电传感器(未示出)和/或适用于获得太阳能燃料的太阳能反应器。
[0098]之前针对激光束解释的发散特性使得可以通过简单的平面反射镜(26)将激光束直接指向接收器(参加图2和图6)，而不会有可感知的功率损耗。
[0099]推荐的模型2
[0100]对于接收器和激光器之间距离不受限的情况，本发明还合并了如图3所示的柔性光导(8)，所述柔性光导将光从激光器传输至接收器。
[0101]推荐的模型3
[0102]在本发明的第三推荐模型中，如图4和图5示意性地所示，在收集器集中器(11)中，在适当的位置存在至少一个光伏电池(18)，以将集中的辐射转换为电能(I)。光伏电池
(18)对于不能转换为电能(I)的那些太阳辐射是透明的。最优选的，使用多结HCPV光伏电池(18)，尽管也可以利用单结、有机或无机光伏电池(18)。
[0103]将光伏电池(18)散布在收集器(11)和激光器(10)之间，使得来自收集器的没有被光伏电池(18)转换的辐射在通过光伏电池(18)之后到达激光器(10)。所述激光器(10)将这些波长转换为要通过光导(8)长距离地传输至接收器(I)的正确特性的一个或多个波长，所述接收器可以是光热接收器或光伏接收器(例如，未示出的另一个光伏电池)。
[0104]光伏电池(18)的使用与上述讨论的两个模型中的任一个可兼容。
[0105]根据以上的模型2和3的任一个，优选地选择高数值孔径的光导(8)。更优选地，选择约0.9的数值孔径，其中所述数值孔径与太阳能激光器的光伏电池以及太阳能收集器的开口尽可能地兼容。
[0106]为了获得更大的辐照度，所述装置包括:透镜(14)，用于将至少一组光导⑶的辐射组合(复用)到至少一个组合的光导(15)中。类似地按照同样的方式，组合的光导(15)也可以彼此组合，等等。
[0107]为了使用光热型接收器(I)，第一端布置在相邻位置的光导(8)不会影响光热接收器(I)的相邻位置，抵消了可能被遮挡一些收集器(11)的效果，从而在接收器上产生了更加均匀的入射。典型地，将太阳能收集器(11)分组成模块(17)。因此，可以至少在以下非完尽列表的情况的至少一个中实现刚刚解释的内容:
[0108]-将光导⑶直接路由至光热接收器(I)，使得单个模块(17)的光导⑶不会全部去往相同的接收器区域(I)，而是在每一个接收器区域(I)，与来自相同模块(17)的光导相邻的光导(8)来自位于其他地方的模块；
[0109]-将单个模块(17)的光导⑶复用到组合的光导(15)中，并且将针对相邻块(17)的这些组合的光导(15)进而路由至非相邻的接收器区域(I);以及
[0110]-组合的光导(15)对来自不同模块的光导⑶进行组合。
[0111]尽管本发明可应用于与集中器收集器(11)的使用可兼容的任意类型的接收器
(I)，并且适当地，可应用于光导(8)，但是在光热接收器的情况下，沿垂直位置的吸收器管状接收器(I)(未示出)是优选的，传热流体通过所述管子循环。
[0112]因此，接收器(I)的管子可以布置成一行或几行，优选地将管子交叠的多于一个行，所以辐射始终找到管子之一。附加地，所述管子可以在真空下封闭或者不封闭在透明容器中。所述容器可以是针对每一个吸收器管的单独类型，或者可以存在多个吸收器管公用的一个或多个容器。此外，所述管可以配备有抗反射涂层。
[0113]优选地，使得所述光导(8)将辐射从两个相对的方向路由至与吸收器管的表面垂直的吸收器管，以避免所述吸收器管中的热应力。
[0114]本发明可以与任意类型的激光器(10)合作，尽管优选的是纵向泵浦激光器(10)。
[0115]本发明的装置也包括用于聚集能量的存储装置(16)，例如在太阳能辐照超过额定值的情况下，或者使得可以在低辐射(或者没有辐射)的时间段使用存储的能量，例如在阴天、夜间等等。
[0116]本发明的装置还可以包括变换装置(未示出)，用于将来自接收器的热能变换为热能，例如蒸汽涡轮、气体涡轮、斯特林发动机、微涡轮或者AMTEC元件。
[0117]存储装置(16)与变换装置相关，使得可以从以下选择存储装置:
[0118]-蓄电池，用于聚集在光伏型接收器(I)中产生的电能的至少一部分；
[0119]-热空气/气体的容器，如果接收器是适用于对传热流体进行加热的光热接收器，并且变换介质是气体涡轮；
[0120]-压缩饱和蒸汽的容器，如果接收器(I)是适用于对传热流体进行加热的光热型，并且变换装置是蒸汽涡轮；
[0121]-高温下的盐的容器，如果接收器是适用于基于兰金循环将作为在蒸汽涡轮中要使用的盐的传热流体进行加热的光热型。
[0122]如图5中可以看出的，存储装置(16)可以存储来自光导(8，15)或接收器(I)的能量，并且太阳能反应器(21)可以从光导(8，15)接收能量。附加地，管道(25)设置为将传热流体从接收器(I)传送至变换装置或者传输至其他使用位置(未示出)。管道(25)也布置为将传热流体在接收器(I)和存储装置(16)之间来回传送。
【权利要求】
1.一种太阳能装置，其特征在于包括: -至少一个太阳能收集器(11)，配备有集中器，所述太阳能收集器(11)适用于收集太阳能辐射并且将所述太阳能辐射集中到集中器中； -至少一个太阳能激光器(10)，作为太阳能转换器，其中所述激光器(10)适用于直接或者间接地接收来自收集器(11)中的集中器的集中辐射，并且将所述集中辐射变换为激光辐射；以及 -太阳能接收器(I)和/或反应器(21)，适用于从激光器(10)接收辐射，并且将辐射变换为另一种形式的能量，其中所述接收器(I)适用于使用这种辐射对传热介质(未示出)进行加热，或者将所述辐射传输至光电传感器(未示出)，并且太阳能反应器(21)适用于获得太阳能燃料。
2.根据权利要求1所述的太阳能装置，其特征在于还包括:分离的平面反射镜(26)，适用于经由反射将来自激光器(10)的光导引至太阳能反应器(21)和/或接收器(I)。
3.根据权利要求1所述的太阳能装置，其特征在于还包括:分离的柔性光导(8)，适用于使得所述柔性光导从一端收集激光器(10)发射的辐射，并且将所述辐射传输至太阳能反应器(21)和/或接收器(I)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的太阳能装置，其特征在于还包括:插入到收集器(11)和激光器(10)之间的至少一个光伏电池(18)，所述光伏电池(18)适用于接收在集中器中集中的辐射的一部分，并且将辐射的所述部分变换为电能，所述光伏电池对于未被变换的那部分辐射是透明的，允许未被变换的辐射部分到达激光器(10)中。
5.根据权利要求4所述的太阳能装置，其特征在于所述光伏电池(18)是HCPV电池。
6.根据权利要求5所述的太阳能装置，其特征在于所述光伏电池(18)是多结型HCPV电池。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的太阳能装置，其特征在于从包括以下的列表中选择所述接收器(I): -光热接收器； -光伏接收器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的太阳能装置，其特征在于从包括以下的列表中选择太阳能收集器(11): -抛物面型盘式收集器， -透镜型菲涅耳收集器， -基于非成像光学器件研发的先进收集器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能装置，其特征在于还包括:至少一个双轴跟踪装置以定向收集器。
10.根据权利要求9所述的太阳能装置，其特征在于将每一个太阳能收集器与其自己的单独跟踪装置相连接。
11.根据权利要求9所述的太阳能装置，其特征在于包括:与多个接收器(11)相连接的至少一个跟踪装置。
12.根据权利 要求3至11中任一项所述的太阳能装置，其特征在于从包括以下的列表中选择所述光导(8):-传统光纤光导， -PCF型光导， -液体光导。
13.根据权利要求12所述的太阳能装置，其特征在于从包括以下的列表中选择传统的光纤光导⑶: -MCVD型光导，以及 -OVD型光导。
14.根据权利要求12所述的太阳能装置，其特征在于从包括以下的列表选择PCF型光导⑶: -1GF型光导， -PBF型光导。
15.根据权利要求12所述的太阳能装置，其特征在于所述PCF型光导⑶掺杂有P205。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的太阳能装置，其特征在于利用从包括以下的列表中选择的材料设计所述 光导(8): -熔融的娃石光导； -ZBLAN玻璃光导；以及 -GaLaS玻璃光导。
17.根据权利要求13至15中任一项所述的太阳能装置，其特征在于其特征在于还包括透镜(14)，所述透镜(14)的每一个适用于将辐射复用到至少一个组合的光导(15)中。
18.根据权利要求7所述的太阳能装置，其特征在于所述接收器(I)是光热型的，其中在接收器(I)的相邻区域上入射的辐射来自于位于收集器(11)的非相邻区域中的光导(8，15)。
19.根据权利要求18所述的太阳能装置，其特征在于将光导(8)直接路由至接收器(I)，使得收集器(11)的单个区域的光导(8)不会全部路由至接收器(I)的相同区域，而是在接收器(I)的每一个区域中，与来自收集器(11)的一个区域的光导相邻的光导(8)是来自位于其他地方的收集器区域(11)。
20.根据权利要求18和19所述的太阳能装置，其特征在于收集器区域(11)的光导(8)进行复用，使得接收器(I)中相邻的组合光导(15)对来自位于其他地方的收集器区域(11)的光导(8)进行组合。
21.根据权利要求18和19所述的太阳能装置，其特征在于所述组合的波导(15)对来自收集器(11)的不同区域的光导⑶进行组合。
22.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能装置，其特征在于所述激光器(10)是纵向泵浦的。
23.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能装置，其特征在于还合并了用于存储变换的太阳辐射的一部分的存储装置(16)。
24.根据权利要求23所述的太阳能装置，其特征在于所述存储装置(16)包括以下列表中的至少一个: -蓄电池； -热空气/气体的容器；-饱和压缩蒸汽的容器；以及 -高温下的盐型传热流体的容器。
25.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能装置，其特征在于还包括:变换装置，用于将接收器的热能变换为电能。
26.根据权利要求25所述的太阳能装置，其特征在于从包括以下的列表中选择所述变换装置: -蒸汽涡轮； -气体涡轮； -斯特林发动机； -微涡轮；以及 -AMTEC 元件。
27.根据权利要求1所述的太阳能装置，其特征在于所述太阳能反应器(21)适用于获得从包括以下的列表中选择的至少一种太阳能燃料: -氢气，在不超过2000°C的温度下从水中直接获得；以及 -氨气，从氮气和氢气获 得。
28.根据权利要求27所述的太阳能装置，其特征在于所述太阳能反应器(21)适用于使用锌产生氢气。
29.根据权利要求27所述的太阳能装置，其特征在于所述太阳能反应器(21)适用于使用碘化硫工艺产生氢气。
【文档编号】F24J2/07GK103703636SQ201280033246
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2011年7月5日
【发明者】胡安·帕布洛·努内斯布特鲁, 曼努埃尔·格拉斯特里拉 申请人:阿文戈亚太阳能新技术公司