光伏结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种光伏结构(1)，其包括第一壁(10)及第二壁(11)，第一壁(10)与第二壁(11)在它们之间限定内部空间(12)，第一壁(10)对太阳辐射为至少部分透明的，第二壁(11)包括内部面(110)，该内部面(110)至少部分反射从第一壁的内部面(101)穿过的太阳辐射，第一壁形成封闭的包封的一部分，第二壁设置在所述包封内部，光伏模块(2)各自包括设置在第一壁的外部面(100)上的多个双面光伏电池(20)，从而当结构(1)暴露于太阳辐射的时候，入射辐射的第一部分(I1)传输至所述双面光伏电池(20)的外部面(200)，所述入射辐射的第二部分(T2)穿过第一壁(10)的一部分(102)而传输且在第二壁的内部面(110)上至少部分反射，所述反射部分(R3)穿过第一壁(10)而传输至双面光伏电池(20)的内部面(201)。
【专利说明】
光伏结构
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种光伏结构，该光伏结构包括在其间限定内部空间的第一壁和第二壁及设置在第一壁上的多个光伏模块。
【背景技术】
[0002]航空部门发挥材料的轻质提高的优势，使得能够制造用于设计飞行物体(例如透镜式飞船)的光伏模块，飞行物体装备有这样的模块以提供用于所述物体的电源供给。
[0003]飞行物体由此包括运载结构，该运载结构包括在其间限定封闭空间(该封闭空间容纳有轻质气体)的两个壁、凸面的上壁以及下壁，该凸面的上壁(上表面)旨在暴露于太阳辐射，该下壁(下表面)的曲率与上壁的曲率相反。
[0004]光伏模块通过吊钩系统设置在上壁上，该吊钩系统允许卸下光伏模块。
[0005]由于所使用的材料，这些光伏模块非常轻质:它们通常由复合材料衬背、密封剂、光伏电池、密封剂以及防护性前表面构成。
[0006]考虑到物体的旋转对称性，光伏模块分布在不同的成角度的扇区中，同一个扇区的模块串联连结，每个扇区与电流转换器连结，该电流转换器自身连结至形成为飞行物体的能量来源的电池。
[0007]然而，该装置的性能在能源产出方面由于光照的变化是不利地(例如，一个或更多扇区由于云而局部或总体地变暗，或者不同扇区根据物体相对于太阳的定向而不均匀的光照)。
[0008]此外该问题并不是飞行物体特有的，而是还可以例如适用于在大海或海洋中漂浮并携带光伏模块的物体，或者其它旨在用于多种项目(运动或其它类型)的轻质结构(可充气的或可拆卸的大帐篷)。
【发明内容】
[0009]本发明的目的因此为设计一种光伏结构，该光伏结构包括多个光伏模块，且尽管在不同的模块的光照条件不均匀的情况下在能量产生方面也具有改进的性能。
[0010]根据本发明，光伏结构设置为包括第一壁及第二壁，所述第一壁与所述第二壁在它们之间限定内部空间，
[0011]所述第一壁对太阳辐射为至少部分透明的并包括外部面和内部面，所述外部面旨在暴露于太阳福射，
[0012]所述第二壁包括面向所述第一壁的内部面的内部面，第二壁的所述内部面相对于太阳辐射为至少部分反射的，所述第一壁形成封闭的包封的一部分，所述第二壁设置在所述包封内部，
[0013]多个光伏模块各自包括多个双面光伏电池，所述模块设置在所述第一壁的外部面上，每个双面电池包括外部面和内部面，该外部面旨在暴露于入射太阳辐射，该内部面面向第一壁的外部面，
[0014]从而当结构暴露于太阳辐射的时候，入射辐射的第一部分朝着所述双面光伏电池的外部面而传输，所述入射辐射的第二部分穿过第一壁的一部分而传输且至少部分在第二壁的内部面上反射，所述反射部分朝着双面光伏电池的内部面穿过第一壁而传输。
[0015]术语“双面”理解为意指光伏电池的每个主面都为光伏的。这样的电池可以通过将常规电池的背面仅仅局部地金属化而获得，例如以网格或任何其它形状的形式。为了实现本发明，可以考虑双面电池的每个面的表面的至少50%适于传输入射辐射。目前商业上可获得的双面电池背面所获得的输出与前面所获得的输出之间的性能比率在85%与95%之间。
[0016]术语“至少部分透明”理解为意指第一壁允许太阳辐射的至少部分强度的传输。通常，太阳辐射的40%与90%之间的强度穿过第一壁。
[0017]术语“设置在包封内部”理解为意指第二壁与包封的壁不同。
[0018]有利地，包封为气密的且不漏液体的。
[0019]有利地，光伏模块以不相连的方式设置在第一壁上，入射辐射的一部分穿过位于两个不相连的光伏模块之间的第一壁的部分而传输。
[0020]根据一个实施方案，第二壁为平面的。
[0021]根据一个实施方案，所述第二壁具有根据第一壁的曲率以及根据第一壁上的光伏模块的分布而调整的曲率，以优化朝着所述模块的电池的内部面穿过第一壁的区域所传输的入射辐射的反射，所述模块位于所述第一壁的相对区域。
[0022]根据特别的实施方案，所述结构包括用于致动所述第二壁的装置，该装置适配成根据所述结构相对于太阳的位置而调整所述第二壁的曲率。
[0023]有利地，该结构具有至少一个对称平面或至少一个对称轴线。
[0024]根据一个实施方案，所述第一壁具有回转对称的凸面的形状，光伏模块在所述第一壁之上分布为多个成角度的扇区，同一个成角度的扇区的光伏模块串联连结。
[0025]所述第一壁的顶部部分可以没有光伏模块。
[0026]特别有利地，设置在第一壁上的所有光伏模块相同。
[0027]有利地，光伏模块可翻转地设置在第一壁上。
[0028]第一壁的材料可以包括玻璃纤维织物，第二壁由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成，所述第二壁的内部面金属化。
[0029]本发明的另一个主题涉及包括如上所述的结构的透镜式飞船，所述结构的包封充满运载气体。
[0030]本发明的另一个主题涉及一种穹隆结构，特别旨在漂浮于海面或洋面上，所述穹隆结构包括如上所述的光伏结构。
【附图说明】
[0031]本发明的其它特征和优点参照所附附图从如下的具体描述变得显而易见，在附图中:
[0032]-图1为根据本发明的实施方案的光伏结构的截面图，
[0033]-图2为图1中的结构在光伏模块层面的截面图，
[0034]-图3为根据本发明的一种执行形式的光伏结构的立体图，
[0035]-图4为用于将模块紧固于光伏结构的壁的装置的立体图，
[0036]-图5A至图5C显示了该结构的第一壁的表面上在一天中三个时刻(上午8:30，下午2:00，下午5:00)的太阳辐射的辐照度的分布，
[0037]-图6为根据本发明的另一个实施方案的光伏结构的截面图，
[0038]-图7为另一个光伏结构的截面图，
[0039]-图8为根据本发明的另一个实施方案的光伏结构的示意图。
【具体实施方式】
[0040]图1为光伏结构为飞船的实施方案的截面图。
[0041]这样的飞行物体在观察任务、制图操作或者将负载运送至难以到达的区域(例如城市或山区)的应用方面具有优势。
[0042]然而本发明并不限制于这种类型的结构，而是可以具有其它应用，特别是例如旨在漂浮于海面上或洋面上的穹隆结构，或者大型帐篷或帐篷。
[0043]通常，光伏结构包括在其间限定内部空间的两个壁:第一壁和第二壁，该第一壁对太阳辐射至少部分透明并包括旨在暴露于太阳辐射的外部面，该第二壁的内部面面对第一壁的内部面，第二壁的所述内部面相对于太阳辐射至少部分地反光。
[0044]各自包括多个双面光伏电池的光伏模块设置在第一壁的外部面上。
[0045]当所述结构暴露于太阳辐射的时候，入射辐射一部分穿过所述电池的外部面(所述电池的外部面暴露于所述辐射)而直接地传输至双面电池，另一部分特别通过模块之间的可能间隔以及光伏电池之间的间隔穿过第一壁传输而进入内部空间。
[0046]这样传输的辐射由第二壁的反射面反射并通过它们的面向第一壁的内部面而传输至双面电池。
[0047]在图1中，结构I包括第一壁10和第二壁14，在该特别地实施方案中，该第一壁10形成飞船的上表面，该第二壁14形成下表面。驾驶舱3设置在下表面下方。
[0048]两个壁10、14由刚性框架13保持在一起并由此形成封闭的且不透水的包封以保持用于该结构升起所需的两个壁的曲率，该包封界定内部空间12，内部空间12容纳有运载气体，该运载气体包括轻质压缩气体。
[0049]第一壁10由轻质且对于太阳辐射至少部分透明的材料制成。
[0050]存在各种适合于该用途的材料:这些特别地包括特别是销售的商标名称为Mylar?的聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，以及销售的商标名称为Rivertex?的工艺织物。
[0051]壁10包括外部面100和内部面101，该外部面100旨在暴露于太阳辐射，该内部面101朝向内部空间12。
[0052]壁10的厚度通常在0.2mm与Imm之间。
[0053]有利地，壁14由与壁10相同的材料制成。
[0054]在由壁10、14形成的包封内部，壁11设置为具有至少部分反射的内部面110，该内部面110布置为面向壁10的内部面101。
[0055]壁11有利地由框架13支撑。
[0056]壁11可以由布形成，其内部面110涂覆有反射涂层。
[0057]根据有利的实施方案，壁11可以通过在其面110上金属化的衬背形成。例如，壁11可以由透明的聚合物(例如PET、PMMA或PC)制成并涂覆有反射层。反射层有利地为金属层，例如铝或银。
[0058]在壁10的旨在暴露于太阳辐射的面100上，壁10部分地涂覆有光伏模块2。
[0059]这些光伏模块通常不是相连的。
[0060]特别地，在邻近的光伏模块之间存在间隔，在该实施方案中，该间隔特别是由于模块2通常为矩形，而壁10具有回转的形状。
[0061]对于间隔存在于模块之间的另一个原因是模块的数量受到光伏结构的质量的限制，其通常不允许模块放置在形成上表面的壁的整个表面之上。
[0062]此外，结构的顶端通常不装备光伏模块。事实上，当模块串联连接在形成上表面的壁的成角度的扇区之上的时候，由所述扇区产生的功率受到经受最弱的光照的光伏模块的限制。因此，通常避免将光伏模块放置为直至上表面的顶端的以避免在该区域的对整个扇区不利的光照缺陷。
[0063]因此在结构I中，壁10的表面的相当大的部分102不被光伏模块遮罩而允许入射辐射穿过所述壁。
[0064]传输至内部空间12的辐射的该很大一部分至少部分地由壁11的反射面110回收，并指向双面电池，特别是指向双面电池的背面。
[0065]对此，部分反射壁设置在包封中而并不形成该包封的一部分(例如下表面)的事实使得可以分离结构限制(例如，特殊的曲率以确保结构的升起的需要和/或包封通常经受相当大的机械应力的事实)与光学限制(例如存在调整至少部分反射面的轮廓以优化反射现象的选项)。
[0066]因此，至少部分反射壁比包封本身经受更低的机械应力，这使得可以利用其它材料而不是包封的那些材料。其次，可以独立于控制包封形状的那些空气动力学考虑来限定所述壁的形状和几何结构。
[0067]图2为图1中示出的结构I的壁10的细节视图。
[0068]在该视图中，模块2以剖面图的形式表示。
[0069]模块2通常包括多个双面光伏电池20，所述双面光伏电池20设置在衬背21上，电池组件以及衬背封装在对太阳辐射至少部分透明的封装材料中。
[0070]衬背21例如为对太阳辐射透明的聚合物，例如PMMA、PC、PET或FEP(氟化乙烯丙烯)。依赖于应用，衬背21还可以由薄玻璃制成，例如厚度小于或等于0.8mm且具有一定弹性的玻璃。
[0071]每个双面电池20包括外部面200以及内部面201，该外部面200旨在暴露于太阳辐射，该内部面201面向壁10的外部面100。两个面200和201为光敏的。
[0072]来自太阳S的入射辐射的部分Il穿过每个电池的外部面200而传输。
[0073]此外，模块之间的间隔，以及有利地同一个模块的电池之间的间隔将壁10的区域102暴露于太阳福射，该区域朝着内部空间12传输所述福射的部分T2。
[0074]传输的辐射T2经过内部空间12朝向壁11且在所述壁的反射面110上反射。
[0075]该反射的辐射的部分R3经过内部空间12并穿过部分透明的壁10然后穿过设置在其上的双面电池20的内部面201而传输。
[0076]因此，壁11可以回收进入内部空间12的辐射的很大一部分并由此提高由该结构产生的电功率。
[0077]图3为图1中的结构的上表面的立体图。
[0078]光伏模块2设置在壁10上，壁10在此为穹隆结构的形状从而形成在一定高度之上延伸的环形，下部部分连结至下表面，上表面的顶端未支撑光伏模块。也可以是具有竖直轴线或对称平面的其它形状，例如锥体形状以及例如具有对称水平轴线的椭圆形状。
[0079]模块优选可翻转地设置在第一壁上，这使得它们允许被替换。特别优选地，所有模块2为相同的，这简化了备件的维护和管理。
[0080]图4显示了用于将模块2紧固至第一壁(未示出)的部件22的实施例。
[0081 ]所述紧固部件22包括底座23以及接头，该底座23旨在被紧固至第一壁，该接头从底座23延伸穿过模块2中形成的通道。
[0082]优选地，模块2具有矩形形状。
[0083]光伏模块的数量和尺寸优选地根据结构I的尺寸以及其所能够承载的质量来进行选择。
[0084]因此在两个毗邻的模块之间以及在上表面的顶端处存在间隔，这使得处于下面的层10的表面的一部分102暴露。
[0085]环形的圆周被分为多个成角度的扇区。在本文示出的实施例中，扇区Si包括26个模块。
[0086]属于同一个扇区的模块以串联方式电连接。
[0087]扇区以并联方式电连接到电流转换器，该电流转换器自身连结至构成结构I的能量来源的至少一个电池。
[0088]结构I的这种设置由此能够回收太阳辐射的很大一部分并由此增加每个光伏电池对于恒定质量的单位输出。
[0089]本发明由此利用壁10的未被光伏模块遮罩的区域102从而增加了每个模块的光伏转换的输出而不会增加所述结构所承载的质量。
[0090]优选地，该结构具有至少一个对称轴线或至少一个对称平面。这是因为这种对称能够补偿所述结构的不均匀光照，并使两个相对的成角度的扇区之间的成角度的扇区的光伏产出一致。
[0091]模块有利地设置在至少4个成角度的扇区中，以便使一对沿直径相对的成角度的扇区的光伏产出一致。成角度的扇区的数量将特别地适配结构的特殊形状及所选择的应用类型。
[0092]图5A至图5C分别显示与图1至图3类似的结构的第一壁的表面上在一天中三个时刻(即上午8:30，下午2:00，下午5:00)的太阳辐射的辐照度的分布。
[0093]因此可以清晰地看到根据一天的时刻，该结构给定扇区的光照及由此产生的功率明显不同。
[0094]例如，在图5C的情况下，光照最好的成角度的扇区A能够比与其沿直径相对的成角度的扇区B产生多得多的光伏电功率。数值模拟显示由两个扇区所产生的电功率之间的差值在最有利的情境中(当两个扇区分别指向南和北的时候)可以有几个百分点的不同，而在最不利的情境中达到5倍(当两个扇区分别指向东和西的时候)。
[0095]在这些不利的方案中，允许一部分辐射(经受强光照的扇区暴露于这部分辐射)通过部分反射内部面110的反射而加入到经受弱光照的扇区，这就潜在地允许经受弱光照的扇区产生几乎与经受强光照的扇区所产生的电功率相当的电功率，即使考虑到壁10的传输损失，射线的反射中的损失以及由于第一扇区的模块引发的阴影造成的损失。估算两个沿直径相对的扇区之间的电产出的差值则可以减少至少一半。
[0096]自然地，该结构除了图3中示出的分布可以具有另外的模块分布而并不脱离本发明的范围。
[0097]在图1的实施方案中，壁11为平面的。框架13因此包括用于在壁11上施加拉力并将其保持为平面的装置。
[0098]图6显示图1中的实施方案的变体，其中壁11具有优化的凹形的曲率以将穿过结构的一个扇区传输的太阳福射朝着相对的扇区引导，因此使该对扇区的产出均勾。
[0099]光学模拟使得能够根据壁10上的模块的定位，特别是根据扇区中的它们的结构，同时考虑背面处的辐射的均匀性需求以及任何聚焦的需求来限定壁11的优化曲率。
[0100]壁11可以具有平面的形状或随时间恒定的弯曲的形状。
[0101]可替代地，该结构可以包括用于致动壁11以根据结构相对于太阳的位置而调节所述壁的曲率的装置以便能够瞬时优化电性能。
[0102]图7显示了与图1至图6中的光伏结构相似地形成飞船的光伏结构。在该结构中，壁11形成下表面，即为包封本身的一部分，该壁11具有至少部分反射的面。至少部分反射的表面110设置为面向第一壁10的内部面101。两个壁10、11由刚性框架13保持在一起由此形成封闭的且防水的包封，从而保持用于该结构的升起所需的两个壁的曲率，该包封界定容纳有运载气体的内部空间12，该运载气体包括轻质压缩气体。壁11由轻质材料制成并在面110上涂覆有反射层，该轻质材料可以与壁10的材料相同或不同。
[0103]图8显示根据本发明所设计的另一种类型的结构。在此情况下该结构旨在漂浮于海洋O上。
[0104]这样的结构包括包封，该包封由至少部分透明的第一壁10及旨在置于海洋的表面上的另一个壁13制成，第一壁10形成穹隆结构。
[0105]包括至少部分反射的面的壁11设置在该包封的内部。
[0106]壁10支撑多个光伏模块2，优选地设置为扇区。
[0107]对于该应用，材料必须适合于海上环境的限制，特别是潮湿、水盐浓度、涌浪以及风。
[0108]本发明还可以应用于装备有光伏板的且旨在用于各种类型项目(运动或其它类型)的光结构(例如可拆卸的大帐篷或可充气的结构)。
【主权项】
1.一种光伏结构(I)，所述光伏结构(I)包括第一壁(10)及第二壁(11)，所述第一壁(10)与所述第二壁(11)在它们之间限定内部空间(12)， 所述第一壁(10)对太阳辐射为至少部分透明的并包括外部面(100)和内部面(101)，所述外部面(100)旨在暴露于太阳辐射， 所述第二壁(11)包括面向所述第一壁的内部面(101)的内部面(110)，第二壁的所述内部面(110)至少部分反射太阳辐射，所述第一壁形成封闭的包封的一部分，所述第二壁设置在所述包封内部， 多个光伏模块(2)各自包括多个双面光伏电池(20)，所述模块(2)设置在所述第一壁的外部面(100)上，每个双面电池(20)包括旨在暴露于入射太阳辐射的外部面(200)和面向第一壁的外部面(100)的内部面(201)， 从而使得当结构(I)暴露于太阳辐射的时候，入射辐射的第一部分(Il)朝着所述双面光伏电池(20)的外部面(200)而传输，所述入射辐射的第二部分(T2)穿过第一壁(10)的一部分(102)而传输且至少部分在第二壁的内部面(110)上反射，所述反射的部分(R3)朝着双面光伏电池(20)的内部面(201)穿过第一壁(10)而传输。2.根据权利要求1所述的结构，其中，光伏模块(2)以不相连的方式设置在第一壁(10)上，入射辐射的一部分穿过位于两个不相连的光伏模块之间的第一壁的部分而传输。3.根据权利要求1或2所述的结构，其中，所述第二壁(11)为平面的。4.根据权利要求1或2中的任一项所述的结构，其中，所述第二壁(11)具有根据第一壁(10)的曲率以及根据第一壁上的光伏模块(2)的分布而调整的曲率，从而优化朝着所述模块的电池的内部面(201)穿过第一壁的区域所传输的入射辐射的反射，所述模块位于所述第一壁的相对区域。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的结构，包括用于致动所述第二壁(11)的装置，该装置适配成根据所述结构(I)相对于太阳的位置而调整所述第二壁的曲率。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的结构，所述结构具有至少一个对称平面或至少一个对称轴线。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的结构，其中，所述第一壁(10)具有凸面的回转的形状，光伏模块(2)在所述第一壁(10)之上分布为多个成角度的扇区(si)，同一个成角度的扇区的光伏模块串联连结。8.根据权利要求7所述的结构，其中，所述第一壁(10)的顶部部分没有光伏模块。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的结构，其中，设置在第一壁上的所有光伏模块(2)相同。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的结构，其中，光伏模块(2)能够翻转地设置在第一壁(10)上。11.根据权利要求1至10中的任一项所述的结构，其中，第一壁(10)的材料包括玻璃纤维织物。12.根据权利要求1至11中的任一项所述的结构，其中，第二壁(11)由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成，所述第二壁(11)的内部面(110)金属化。13.—种包括根据权利要求1至12中的任一项所述的结构的透镜式飞船，所述结构的包封充满运载气体。14.一种穹隆结构，其特别旨在漂浮于海面或洋面上，所述穹隆结构包括根据权利要求1至12中的任一项所述的结构。
【文档编号】H01L31/068GK105830231SQ201480068829
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月17日
【发明人】E·格里森, C·曼热昂
【申请人】原子能和能源替代品委员会