跟踪型太阳能设备的制作方法

专利名称：跟踪型太阳能设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及到跟踪日光时产生电力的跟踪型太阳能设备(Module)的改进。
因为太阳能电池通常是昂贵的，为了降低成本以前曾提出过会聚式太阳能设备。这种会聚式太阳能设备必须每时每刻跟踪日光的变化，在接收日光时，依照日光的位置移动太阳能电池。
图16描述太阳在一天中的运动以及每一季节中太阳轨道的变化。如图所示，太阳运动通过各个位置与时间和季节有关。已经知道有一个用于跟踪太阳运动的可编程跟踪系统，其中跟踪速度和类似参数是根据太阳的运动事先计算出的，且沿着基于这些计算确定的路径跟踪太阳。
然而，这种可编程跟踪系统有一缺点，当安装太阳能电池时，要求高精度设置罗经点和水平线。所以，存在着一个长期使用后误差积累的问题。还存在一个控制不均匀速度时曲线变得复杂的问题。
所以提出了一个传感器系统跟踪方法，它利用传感器探测太阳的位置，基于来自此传感器的位置擦测信号实现跟踪。由于使用传感器系统时无误差积累，可以相对容易地获得高精度跟踪，无需安装时高精度的先决条件。
利用上述系统的普通会聚式太阳能设备，用透镜会聚日光跟踪太阳，从而减小了太阳能电池的工作面积且成本下降。
然而，用这种方法会聚日光时，存在着太阳能电池温度上升、电力产生效率下降的问题。所以必须冷却太阳能电池以降低温度。太阳能电池冷却的方法诸如在日本专利公开出版物(No.平5-332636)上有披露。该方法用冷却介质通过绝缘膜，间接地冷却太阳能电池，这种方法构成了本文的有关技术。
然而，上述系统有缺点，由于用冷却介质冷却太阳能电池不是直接地而是通过绝缘膜间接地进行的，当增加会聚度时，不能达到适当的冷却效应。
还有一个问题是，当使用上述跟踪太阳的传感器系统时，容易产生误差，例如当日光被云层遮掩时。
本发明企图解决上述问题，并指望提供一种有高性能日光跟踪方法且配置简单的跟踪型太阳能设备，同时实现太阳能电池的太高效率冷却。
为了达到这些目标，本发明的第一方面是跟踪太阳时产生电力的跟踪型太阳能设备，其中太阳能电池和直接冷却太阳能电池的冷却介质是放在透明的冷却管内，藉助冷却介质日光在透明的冷却管内部会聚，而太阳能电池被移动到日光会聚的位置，此位置随太阳的运动而变化。
此外，本发明的第二方面是跟踪太阳产生电力的跟踪型太阳能设备，它包括能透过日光的透明冷却管、安装在此透明冷却管内部的可移动太阳能电池、放在透明冷却管内直接冷却太阳能电池且会聚日光起透镜作用的冷却介质，此介质的折射率使日光在透明冷却管内会聚，探测被冷却介质会聚的日光位置的位置探测传感器，以及按照来自位置探测传感器的信号，移动太阳能电池到达日光会聚位置的驱动装置。
此外，本发明的第三方面是本发明第二方面的跟踪型太阳能设备，其中透明冷却管是圆柱形的。
此外，本发明的第四方面是本发明第二方面的跟踪型太阳能设备，其中透明冷却管是球形的。
此外，本发明的第五方面是本发明第二方面的跟踪型太阳能设备，其中透镜是安装在透明冷却管内，且冷却介质的折射率与该透镜一起使日光在透明冷却管内部会聚。
此外，本发明的第六方面是本发明第三方面的跟踪型太阳能设备，其中太阳能电池安排在透明冷却管的轴向且能置于与透明冷却管轴成指定的角度上。
此外，本发明的第七方面是本发明第四方面的跟踪型的太阳能设备，其中驱动装置有一块设置在透明冷却管外面的磁铁，依靠移动这块磁铁，使太阳能电池移动到日光会聚的位置上。
此外，本发明的第八方面是本发明第二方面的跟踪型太阳能设备，它有一个在透明冷却管外面的光传感器，基于此传感器接收的光能量和位置探测传感器接收的光能量，只有当此光能量超过指定值时，才跟踪日光。
此外，本发明的第九方面是一个太阳能电池，它包括一个由pn结组成的太阳能电池膜层，一个从太阳能电池膜层背面延伸以引出电功率的引线和粘合剂，此粘合剂保护引线并避免引线与冷却介质接触。
此外，本发明的第十方面是跟踪太阳产生电力的跟踪型太阳能设备，它包括利用日光产生电力的太阳能电力产生装置，直接冷却该太阳能电力产生装置的日光会聚装置以及移动该太阳能电力产生装置到日光会聚位置的装置。
图1是本发明中跟踪型太阳能设备第一实施例的侧视图。
图2(a)(b)是图1中所述跟踪型太阳能设备a-a切面的剖面图和顶视图。
图3(a)(b)是当太阳能电池已改变位置时，图1所述跟踪型太阳能设备a-a切面的剖面图和平面图。
图4是用在图1中所述跟踪型太阳能设备的太阳能电池的剖面图。
图5是用在图1中所述跟踪型太阳能设备的位置探测传感器的剖面图。
图6是一方块图，它表示图1中所述跟踪型太阳能设备的太阳能电池位置控制配置。
图7是本发明中跟踪型太阳能设备第二个实施例的侧视图。
图8(a)(b)是图7中所述跟踪型太阳能设备b-b切面的剖面图。
图9是说明太阳轨道的图。
图10是本发明中跟踪型太阳能设备第三个实施例的配置侧视图。
图11是用于图10中所述跟踪型太阳能设备的环和支撑杆的剖面图。
图12是图10中所述跟踪型太阳能设备透明冷却管的顶视图。
图13是本发明中跟踪型太阳能设备第四个实施例配置的剖面图。
图14是本发明中跟踪型太阳能设备第五个实施例配置的顶视图。
图15是一流程图，它表示图14中所述跟踪型太阳能设备的控制流程。
图16说明每一季节中太阳的运动。
本发明的优选实施例结合


如下。实施例1图1表示本发明中跟踪型太阳能设备第一个实施例的侧视图。在此图中，太阳能电池12放在由能透过日光的透明材料制成的透明冷却管10的内部。移动太阳能电池12的电机14放在透明冷却管10的两端，且此电机14通过曲柄16连接到太阳能电池12上。藉助于由电机14和曲柄16组成的驱动装置，太阳能电池12能沿着透明冷却管10的内侧运动。透明冷却管10的内部充满着直接冷却太阳能电池12表面(光接收面)的冷却介质18。
另外，透明冷却管10包含在由能透过日光材料制成的真空保持管20内，透明冷却管10与真空保持管20之间的空间是真空区22以提高绝热性能。此外，探测日光位置的位置探测传感器24放在一部分区域上，太阳能电池12经过此区域在透明冷却管10的内表面上移动。
图2(a)表示图1中所述跟踪型太阳能设备a-a切面的剖面图。因为图2(a)中剖面是圆形的，所以图1中所述跟踪型太阳能设备的透明冷却管10是圆柱形的。
因为透明冷却管10是圆柱形的，进入的日光26被管内充满的冷却介质18折射，并会聚在那个透明冷却管10内的指定部分。换句话说，充满冷却介质18的透明冷却管10起到了透镜的作用。
如上所述，由于透明冷却管10是圆柱形的，当管的半径用R表示、冷却介质18的折射率用n表示时，可以由透镜公式决定焦距f＝R/(n-1)在此计算式中假定透明冷却管10的作用是半圆柱形透镜，而不是圆柱透镜，所以焦点是在圆柱体内。
举例，当折射率n＝1.5，则焦距f＝2R，且当平行光进入时，日光26会聚在透明冷却管10的周边上。日光26的进入角随太阳位置的变化而改变，但此处把日光考虑成平行光。所以，日光26会聚在周边上而与太阳的位置无关。
图2(b)表示图1中所述跟踪型太阳能设备的顶视图。在图2(a)(b)中，透明冷却管10带有-个位置探测传感器24，用于探测上述日光26会聚的位置。图1中所示由电机14和曲柄16组成的驱动装置将太阳能电池12移动到位置探测传感器24探测到的光转换位置上。如图1和图2(a)(b)所示，位置探测传感器24放在沿着透明冷却管10低部位的中间附近。
图4表示上述太阳能电池12的剖面图。在此图中，构成太阳能电池的pn结组成太阳能电池膜层28，放在太阳能电池12的最上部。
此太阳能电池膜层28通过粘合剂32粘结剂支承板30上。另外，如上所述，冷却介质18直接地冷却接收日光的太阳能电池膜层28的表面。所以，为了防止腐蚀，从太阳能电池膜层28中引出电功率的导线34全部在太阳能电池膜层28背面中延伸，以保证这些导线不与冷却介质18相接触。如图4所示，这些导线34通过粘合剂层32延伸到外部，由此受到粘合剂32的保护。用这种方法把导线34包围在粘合剂32中就防止了导线与冷却介质18的接触。
图5表示上述位置探测传感器24的剖面图。在此图中，光传感器36上的表面镀了减光滤光膜38，为的是防止日光散射光线引起光传感器36探测强度的饱和以及防止伴随着冷却介质18收集的光进入到图2(a)中位置探测传感器24的误差。
当太阳能电池12完全地接收日光时，光传感器36位于太阳能电池12底部的部分接收不到光，因为日光被挡住了。所以，当用可见光传感器作光传感器36时，可以利用电机14调整太阳能电池12的位置来跟踪日光，以保证位置探测传感器24不暴露在日光中。
此外，当用红外光传感器作光传感器36时，由于日光中的红外光线透过太阳能电池12，可以使用上术相同的方法来跟踪日光，即藉助于红外光传感器来探测这些红外光线，并把太阳能电池12移动到红外光线正在被探测到的部位。
本实施例中跟踪型太阳能设备的运行说明如下。
图6表示太阳能电池12的位置控制机构方块图。在此图中，当日光照射到位置探测传感器24的特定位置上时，位置探测传感器24送出确定日光照射位置的信息到控制部分40。基于来自位置探测传感器24的信息，控制部分40控制电机14，将太阳能电池12移动到日光照射的部位。基于来自控制部分40的信号，由机14利用曲柄16将太阳能电池12移动到与日光相一致的位置。
如图2(a)所示，当日光26从透明冷却管10的正上方进入时，此日光26照射到位置探测传感器24的中心附近，所以控制部分40就驱动电机14将太阳能电池12移动到那个位置。
或者，当日光26从图3(a)中所示的右上方进入时，被充满透明冷却管10内的冷却介质18会聚，日光的位置到了比图2(a)中更远的左侧。所以位置探测传感器24将日光26会聚位置的运动信息传送给控制部分40，控制部分40驱动电机14将太阳能电池12移动到图3(a)和3(b)中所示日光26会聚位置。
藉助于上述的运行原理，即使当太阳的位置随时间变化时，也可以移动太阳能电池12的位置来跟踪太阳。由于太阳能电池12在位置探测传感器24的上方运动，位置探测传感器24适合太阳能电池12运动的分辨率最好应等于或大于太阳能电池12的宽度。例如，当位置探测传感器24分割成多段，日光由这些单元段探测，如图6中所示，则每一段的宽度W应最好等于或窄于太阳能电池12的宽度。
在本实施例中，透明冷却管10和真空保持管20都是圆柱形的，但它们不局限于这种形状。只要某种配置使太阳能电池12能在透明冷却管10内移动和日光26会聚到接近太阳能电池12运动路径，那么对这两种管子的形状是没有限制的。
此外，虽然图1中所述的驱动装置有两个电机14，但一个电机14是足够的。实施例2图7表示本发明中跟踪型太阳能设备第二个实施例的侧视图。图8(a)和(b)表示图7中b-b切面的剖面图，用相同的数字分别表示图1和图2中描述的相同部分。
在此实施例中，由于折射率为1.33的水用作冷却介质18，因此，此处公式为f＝R/(n-1)＝3R。因而，日光26并不会聚在透明冷却管10的内部。所以，在本实施例中，使用了单个透镜或多个透镜，为的是在透明冷却管10内部使日光会聚。
如图7所示，透镜42是放在太阳能电池12的正上方，并与太阳能电池12一起藉助曲柄16连接到电机14。所以，太阳能电池12和透镜42由电机14驱动而一起转动。
图8(a)和(b)表示图7中b-b切面的剖面图。在这些图中，透镜42的横断面形状是半圆形。然而，此外透镜42的形状不一定要求是半圆形，只要它能把日光26会聚到透镜42正下方的太阳能电池12上。
如图8(a)所示，当日光26从正上方进入时，一定量的日光26被透镜42会聚，并且日光26被透明冷却管10内充满作为冷却介质18的水再一次会聚，最终，日光26聚集在位于透镜42正下方的太阳能电池12上。
或者，当日光26从右上方进入时，安放在透明冷却管10下半部表面上的位置探测传感器24探测到日光会聚位置的移动。基于此日光会聚位置，电机14带动太阳能电池12和透镜42转动，太阳能电池12移动到日光会聚的位置。
如上所说明的，本实施例中不需要特殊的液体用作冷却介质18。可以利用普通的水，因而成本不降。另外，在本实施例中，构成冷却介质18的水直接冷却太阳能电池12的表面。
此外，本实施例是这样配置的，使得太阳能电池12和透镜42一起被电机14和曲柄16带动，但若日光26能会聚到太阳能电池上面，可以修改配置方案，使得透镜42被固定住，而只有太阳能电池12移动。
在第一和第二个实施例中，冷却介质18是充满在透明冷却管10内部的，但此冷却介质也能够用图中未表示的循环装置加以循环。这就可以使冷却介质18维持在一固定的温度上，因而进一步提高了太阳能电池12的冷却效果。实施例3当安装本发明的跟踪型太阳能设备时，由于有关设备定位的限制和类似问题，会出现这样的情况，就是不可能使透明冷却管10的长轴方向对准南北或东西方向。在这些情况中，日光可以斜照射透明冷却管10。
图9描述这种状态。在此图中，多个透明冷却管10安排成互相平行，且当这些透明冷却管10的长轴方向对准南北方向时，太阳沿着用符号A指出的方向运动。在此情况中，可以利用上述第一个实施例和第二个实施例中的跟踪型太阳能设备跟踪太阳的位置。然而，当透明冷却管10的长轴方向安装在与南北方向有一特定的偏离角时，太阳就会沿着由B指出的方向运动与A指出的方向有一特定的偏离角，A方向与透明冷却管10的长轴方向交叉成一直角。所以就必须移动太阳能电池使之与透明冷却管10的长轴方向偏离一特定角度，使太阳能电池对准太阳的运动。
图10表示按照本实施例跟踪型太阳能设备的太阳能电池12的侧视图。在此图中，太阳能电池12被分割成许多块，每一块与图4中所述的太阳能电池12有相同的结构。这些太阳能电池12的各块用弹簧44连结在一起。另外，每个块的支撑板30有一环46，支撑杆48穿过这些环46插入，因而提供了支撑以保证太阳能电池12的各块中没有一块会向上或向下偏离。
图11表示上述穿过环46插入的支撑杆48的横截面图。环46中开孔47的直径大于支撑杆48的直径，使得支撑杆48在一定范围内可以在环46的开孔47中自由运动。
图12表示本实施例跟踪型太阳能设备的透明冷却管10的顶视图。在此图中，有两个位置探测传感器24，每一个靠近透明冷却管10的一端。所以，即使当太阳沿着与透明冷却管10的长轴成直角方向有倾斜的运动时，从而使透明冷却管10两端的日光会聚位置互相偏离，这两个位置也能够被探测到。图上未标明的控制部分现在控制安装在透明冷却管10每一端的驱动电机，使太阳能电池12的两端分别对准由位置探测传感器24探测到的相应日光会聚位置。因此，太阳能电池12移动到与图12中所述透明冷却管10的长轴成一特定偏离角的位置上。上述配置也可以应用到透明冷却管10的长轴位于与东西方向成一特定偏转角的情况中。
太阳能电池12分割成互相之间用弹簧44连接的许多块，如图10所示。当太阳能电池12的角度与透明冷却管10的角度相符时，偏差也能补偿。所以，把整个太阳能电池12放在与透明冷却管10的长轴成一特定角的位置上也是可能的。
按照以上配置，可以准确地跟踪太阳而不必把跟踪型太阳能设备的长轴对准南北方向或东西方向。实施例4图13表示本发明中跟踪型太阳能设备第四个实施例的剖面图。在此图中，透明冷却管10是球形的，其光会聚作用能比圆柱形透明冷却管效率更高。
在本实施例中，使用一个圆形的太阳能电池12，因为日光26的焦点是一圆形光斑。此太阳能电池12的横断面结构与图4中所示的完全相同。
如同上述全部实施例一样，在本实施例中用位置探测传感器24探测日光26的会聚位置来跟踪日光26，并把太阳能电池12移动至那个位置。太阳能电池12的移动是依靠在透明冷却管10外部的磁铁52，并利用例如一个极坐标型机器人50使这磁铁52在三维方向上移动。
在本实施例中，当折射率为1.5的硅油用作冷却介质18时，日光26转换位置聚焦到透明冷却管10的球表面上，所以太阳能电池12应该在此球表面的内侧运动。
例如，当半径为150mm的球体用作透明冷却管10和半径为15mm的圆形太阳能电池用作太阳能电池12时，通过计算得到光会聚度为10；然而，用微处理器控制的极坐标型机器人50控制上述磁铁52，可以得到的电功率超过同样面积的平面型非会聚光太阳能电池近80倍。
在本实施例中，用循环装置56循环冷却介质18，冷却介质18的温度可以维持在一固定的温度值上，从而进一步提高太阳能电池12的冷却效率。实施例5在上述每一个实施例中，通过探测日光会聚的位置并移动太阳能电池12到那个位置来实现跟踪，但是，若操作运行无误差，那么即使天空多云以及日光被遮掩时或者在傍晚时，也可以进一步提高跟踪效率。
图14表示依照第五个实施例跟踪型太阳能设备的顶视图。在此图中，有四个透明冷却管10，备有四个位置探测传感器24。然而，也可以只使用一个位置探测传感器24。
此外，在本实施例中，除了位置探测传感器24以外，在透明冷却管10的外侧有一光传感器54，它用于探测现在是早上还是晚上，或者天空是否多云。位置探测传感器24和光传感器54组成一个鉴别装置，用来鉴别跟踪操作的起始状态。
有了以上配置，就可以区别开早上、晚上和云的情况，可以依照这些状态中任意一种实现恰当的日光跟踪操作。
图15表示本实施例中太阳能电池10的位置控制流程图。在图15中，日光探测输出Io是从光传感器54中读出。此处的实施例是这样设计的，当日光强度超过一预定的阈值时，Io的值为1，当日光强度小于该阈值时，Io为0。此阈值设置成光传感器54的探测输出Io只是在夜间为0(S1)。
其次，日光探测输出Ii是从位置探测传感器24中读出。此处也是这样，当日光强度超过一预定阈值时，Ii的值为1，当日光强度小于该阈值时，Ii为0。此阈值设置成位置探测传感器24的探测输出Ii在早上、晚上、夜间或多云天气下为0，晴朗天气下会聚的日光照射到太阳能电池12时，Ii为1。由于位置探测传感器24装在透明冷却管10的内部，即使在暴露在相同强度的日光中，位置探测传感器24接收到的光强度比光传感器54接收到的也要少。所以，光传感器54的阈值和位置探测传感器的阈值可以完全相同(S2)。
然后，利用光传感器54的输出Io和位置探测传感器24的探测输出Ii，可以计算出I＝Io×Ii。这样计算出的值成了上述鉴别装置的输出(S3)。
下面决定I＝1是否成立(S4)。
在S4，当I＝1时，由于日光被光传感器54和位置探测传感器24二者都探测到，这表明日光并不由于一天中的时候(早上、晚上、夜间)或天气条件(云层)而减少，而是强烈的日光被会聚且照射到太阳能电池12上，所以使太阳能电池12运动的电机开始驱动(S5)。
另一情况是，在S4，当I不是1时，这是因为现在是夜间，Io和Ii都为0，或者因为现在是早上、晚上或多云，日光因此减弱，只有Ii为0，在这样的条件下，若移动太阳能电池12，也不能正确地实行控制，所以，移动太阳能电池12的电机就停止工作。
如以上所说明的，按照本发明，由于冷却介质即冷却太阳能电池又起了透镜的作用，可以藉助一个简单配置得到高效率的跟踪型太阳能设备。
另外，由于冷却介质直接冷却太阳能电池，在成本下降的同时，可以增加冷却效率，提高光会聚度并增加产生电力的效率。
可以把水用作冷却介质，从而进一步降低成本。
此外，当冷却管设置在与太阳轨道倾斜的位置上时，太阳能电池也可以移动到倾斜的位置，从而增加日光会聚效率。
还有，由于可以应用适合于早上、晚上、夜间或多云天气下运行的控制方法，太阳能电池系统可以完全实现自动化。
因为已经描述了目前认为是本发明优选的各个实施例，不言自明，其中可以有各种变更，我们的意图是，所附的权利要求包括全部在本发明精神实质和范围内的这种变更。
权利要求
1.在跟踪太阳的同时产生电力的跟踪型太阳能设备，其中太阳能电池和直接地冷却太阳能电池的冷却介质放在透明冷却管内；以及日光被冷却介质会聚到透明冷却管内部，太阳能电池被移动到会聚日光的位置，此位置随太阳的运动而变化。
2.在跟踪太阳的同时产生电力的跟踪型太阳能设备包括能透日光的透明冷却管；安装在透明冷却管内能移动的太阳能电池；放在透明冷却管内的冷却介质，它直接冷却太阳能电池，也同时有会聚日光的透镜作用，其折射率恰能使透明冷却管内的日光发生会聚；探测被冷却介质会聚的日光位置的位置探测传感器；以及根据来自位置探测传感器的信号，将太阳能电池移动到日光会聚位置的驱动装置。
3.根据权利要求2的跟踪型太阳能设备，其中透明冷却管是圆柱形的。
4.根据权利要求2的跟踪型大阳能设备，其中透明冷却管是球形的。
5.根据权利要求2的跟踪型太阳能设备，其中透镜安装在透明冷却管内，冷却介质的折射率与透镜一起使透明冷却管内部的日光发生会聚。
6.根据权利要求3的跟踪型太阳能设备，其中太阳能电池安排在沿透明冷却管的轴向，这种安排也可以与透明冷却管轴成一指定角度。
7.根据权利要求4的跟踪型太阳能设备，其中驱动装置有一块放在透明冷却管外侧的磁铁，且移动这块磁铁可以将太阳能电池移动到日光会聚的位置。
8.根据权利要求2的跟踪型太阳能设备，其中还包括一个在透明冷却管外侧的光传感器，基于此传感器接收的光能量和位置探测传感器接收的光能量，只有当日光能量超过规定值时才跟踪日光。
9.太阳能电池包括由pn结构成的太阳能电池膜层；从太阳能电池膜层背面引出用于获取电功率的引线；以及保护引线并防止引线与冷却介质相接触的粘合剂。
10.在跟踪太阳的同时产生电力的跟踪型太阳能设备包括利用日光产生电力的太阳能电力产生装置；在直接冷却太阳能电力产生装置同时转换日光的装置；以及将太阳能电力产生装置移动到日光转换位置的装置。
全文摘要
提供一种跟踪型太阳能设备，它藉助一简单配置而有高性能的日光跟踪作用，并同时高效率地冷却太阳能电池，太阳能电池安装在透明冷却管内并能移动，且通过曲柄与一电机相连。位置探测传感器也安装在透明冷却管内。日光被透明冷却管内充满的冷却介质所折射并会聚到透明冷却管的内表面。位置探测传感器探测日光会聚的位置，电机将太阳能电池移到那个位置以跟踪日光。与此同时，透明冷却管内的冷却介质直接地冷却太阳能电池。
文档编号G01S3/78GK1165278SQ9710344
公开日1997年11月19日 申请日期1997年3月10日 优先权日1996年3月11日
发明者日比野光悦, 丹下恭一, 长岛知理 申请人:丰田自动车株式会社