具有旋转光伏电池组合件的聚光型与非聚光型的太阳能光伏系统的制作方法

专利名称：具有旋转光伏电池组合件的聚光型与非聚光型的太阳能光伏系统的制作方法
具有旋转光伏电池组合件的聚光型与非聚光型的太阳能光伏系统技术领域
本发明是有关于一种具有光伏电池的太阳能光伏系统，特别是有关于一种具有一个或多个旋转光伏电池组合件的太阳能光伏系统。其中，此太阳能光伏系统同时收集聚集与非聚集的日光。并且，此光伏电池组合件可形成太阳能光伏与太阳能热能系统组合的一部分。
本发明申请案在此宣告，本案主张于2011年7月7日提交的美国专利商标局的美国临时申请案N0.61/505，154的优先权并请一并参考其内容。
背景技术：
太阳能技术处理许多太阳能用途的实际运用，而光伏电池组合件运用光生伏打效应(Photovoltaic effect)以直接转换太阳能为电能是广为人知的习知技术。
典型的太阳能光伏电池组合件包含一个或多个固定位于地面上的光伏电池组合件，且此光伏电池组合件捕获太阳能，并转换此捕获的太阳能为电能。其中，太阳能包含能量包(光子，photons)。当光子撞击光伏电池组合件时，光子可能被反射、被吸收或通过光伏电池组合件。并且，光伏电池组合件是由半导体材料制作而得的。当光伏电池组合件吸收光子时，来自于半导体材料的原子中的电子会从其位置上脱落以产生电子流，而此电子流产生电能。一般来说，光伏电池组合件的能量输出与光伏电池组合件所吸收的光子数量具有直接关系。此外，借由集中太阳辐射到光伏电池组合件上，可增加光伏电池组合件的能量输出。其中，集中太阳辐射增加光伏电池组合件单位面积所到达的光子数量。另外，可借由使用抛物面反射器、菲涅耳镜(Fresnel miirors)、凸透镜或其它聚光的光学组件，藉以集中太阳辐射。但是，通常用于多接面(mult1-junction)光伏电池组合件的菲涅耳及凸透镜需要高的集中率。而线性或点性聚焦的抛物面反射器可用于不贵的硅基晶体或薄膜式光伏电池组合件，且其可具有较低的集中率。根据集中率的多少，被捕获的太阳能会导致光伏电池组合件过热，进而降低光伏电 池组合件的太阳能转换效率，以及缩短光伏电池组合件的使用寿命。
近年来，具有太阳追踪能力的聚光反射器聚集太阳能与提供较高的能量输出，用以生产太阳能光伏电量已经有一定的应用技术。而一些技术也把重点放在结合聚光式光伏与热能之产生，藉以同时提供热量与光伏电力。习知的聚光太阳能光伏技术通常置放固定的光伏电池组合件于或靠近于聚光反射器的聚焦点或聚焦在线，且此固定的光伏电池组合件面对聚集的光线以吸收此聚集光线的能量。然而，尽管光线的聚集增加光伏电池组合件的输出，其也加热光伏电池组合件。如果光伏电池组合件的热无法有效的消散，则会影响光伏电池组合件的效能。对于典型的多晶或单晶光伏电池组合件来说，当其温度到达70摄氏度或更高时，电池的效率会大幅度的下滑。此外，于长期的高温运作环境下，亦会大幅度的缩短光伏电池组合件的使用寿命。一般来说，于相同的光线照射层级下，且于常见的10摄氏度至70摄氏度的操作温度下，光伏电池组合件的效率会与温度成反比。因此，于聚光及非聚光系统中，降低光伏电池组合件的温度是一个重要的目的。此外，于聚光系统中，当光伏电池组合件相对于聚焦区域产生偏移或过度聚焦时，可能会产生热点或不均匀的暴露于聚集光线下，而此些热点或不均匀地暴露可能会影响太阳能光伏系统的效率及电池的使用寿命。
在强制对流冷却或其它附加冷却方法的情况下，习知的光伏电池组合件借由表面辐射与自然对流，而消散热量到周围环境中。一些光伏设备，特别是那些使用聚光太阳能的光伏设备，可能也会利用散热器连接于光伏电池组合件上以增加冷却。但仍没有一种高效率的设备，可以借由增加表面对流而冷却光伏电池组合件。而且，对于增加电力密度，且提升太阳照射于光伏电池组合件表面的均匀度仍有技术上的需求。尤其特别着重于大尺度的光伏设备，或者当使用反射器以增加光伏电池组合件的能量输出时。发明内容
本发明利用光伏电池组合件旋转于聚光反射器上，以增加光伏电池组合件的电力输出，且此聚光反射器可例如为抛物面反射器或其它的光线聚集组件。光伏电池组合件的旋转使得聚集光线辐射能均匀的分布于光伏电池组合件的表面上，此旋转也可减少光伏电池组合件上的热点的可能性，其中，反射器或镜面于聚光系统的使用会产生此热点。此外，光伏电池组合件的旋转可借由增加对流冷却，藉以降温光伏电池组合件，进而导致电池效率的提升及电池寿命的延伸。并且，借由周期性旋转进出于聚光系统的聚焦点或聚焦线或聚焦区的内外，此旋转光伏电池将以更好的速率进行冷却。于此光伏电池组合件位于聚焦处外的时候，其仍然借由非聚集的太阳能辐射而持续生产电功率。借由放置光伏电池组合件于旋转件的整个表面上，藉以提升光伏电池组合件的有效表面面积，进而于固定设备的尺寸大小时，增加整体电能的生产量。于太阳能光伏系统中，依据反射器的设计，光伏电池组合件放置于向日侧的不同区域，会暴露于不同集中率的太阳辐射，进而以不同的辐射强度照射于光伏电池组合件上。举例来说，于线性聚焦(槽式)的光伏系统中，当光伏电池组合件被放置于靠近聚焦线处且面对反射器时，光伏电池组合件为暴露于最强的聚集辐射中，此亦即为最高的集中率。而当从聚 焦线处移开光伏电池组合件，或者改变与聚集光线的角度时，会降低辐射强度。当光伏电池组合件被完全旋转远离聚集光线，且面对聚光反射器的开口时，光伏电池组合件并无暴露于聚集光线中，但暴露于射向此反射器且还未聚集的光线中。
本发明是有关于布置于转动件四周的旋转光伏电池组合件，且旋转光伏电池组合件依序暴露于聚集太阳辐射与非聚集太阳辐射的区域，此区域因太阳反射器而具有不同的太阳辐射，藉以降低光伏电池组合件设备的电池温度与增加电力输出。借由持续或周期性起止的来回转动，位于周围的光伏电池组合件中的不同区域均可暴露于聚集或非聚集的太阳辐射。并且，可决定照射于聚光太阳能光伏系统中的旋转光伏电池组合件的辐射强度，此是借由聚光反射器或透镜系统的聚光能力或聚光率以决定此辐射强度。此外，旋转式光伏电池组合件于向日侧的位置也会决定此辐射强度。换句话说，可借由光伏电池组合件与聚光反射器的距离决定辐射强度。本发明也揭露放置与调整此旋转光伏电池组合件的方法，藉以于使用聚光太阳能热系统时，可达到不同的预设暴露量层级。
此方法也可以用于低聚光或非聚光的太阳能系统，也就是具有较小或没有聚光函数的太阳反射器反射太阳光到光伏电池组合件的特定区域。因此，于聚光及非聚光太阳能光伏系统均可利用此方法。
除了借由旋转以增加光伏电池组合件的表面对流冷却外，本发明更可结合其它的冷却方法以进一步冷却光伏电池组合件。本发明所揭露的一种方法为结合旋转光伏电池组合件与内流系统，以及利用热转换介质(固体、液体或气体)以回收光伏电池组合件所产生的热能。本发明之此热回收系统也可结合一种分离式热能收集单元，藉以利用相同的太阳能反射器以于高温情况下同时产生光伏电力与热能。本发明也揭露其它的散热方法，例如散热件、热导管与强制对流。并且，此些散热方法也可整合于本发明的系统中。
因此，本发明的一主要目的在于，提供一种具有旋转光伏电池组合件的太阳能光伏系统，特别是借由持续或定期旋转而收集不同级别辐射的聚集或非聚集的太阳光的太阳能光伏系统，且此太阳能光伏系统具有旋转光伏电池组合件。
为达上述目的，本发明借由光伏电池组合件的旋转，藉以更有效的利用太阳能光伏系统的空间、加强冷却光伏电池组合件、增加能量输出、增加光伏电池使用寿命以及降低太阳能的成本。本发明所揭露的方法可利用于聚光与非聚光太阳能光伏系统二者。并且，此旋转可为定速旋转、变速旋转、定期旋转或来回旋转。也就是说，本发明允许调整光伏电池组合件的旋转速度或位置，藉以对于不同级别的太阳能强度与光伏电池组合件的类型，达到最佳化能量输出以及冷却特性。
但是，本发明的样态并不局限于前述所说，下述的实施例中将更详细的揭露本发明的其它样态。
根据本发明的一种目的，提供一种具有旋转光伏电池组合件的聚光与非聚光太阳能光伏系统，包含:至少一反射器具有一向日侧与一非向日侧；至少一光伏电池组合件附接于至少一旋转件的周围，且此旋转件可为空心或实心，以及具有任意的形状及长度。其中，本发明所描述“至少一”一词代表的意思为“一个或多个”。
较佳的，光伏电池组合件可连接于旋转件的全部或部分表面上。
较佳的，光伏电池组合 件连结于支架上的旋转件，此支架可为热绝缘体或热导体，支架也可为热导管以去除光伏电池组合件的热量。
较佳的，具有光伏电池组合件的旋转件可位于相对于反射器的聚焦处(聚焦点、聚焦线或聚焦面)的任何位置以接收特定的太阳能强度。其中，此旋转件位于反射器的向日侧。
较佳的，具有光伏电池组合件的多个旋转件可位于相对于反射器的聚焦处不同距离的不同位置以接收不同特定级别的太阳能强度。其中，此多个旋转件位于反射器的向日侧。
较佳的，旋转件可更包含一个具有任意形状、截面与长度的内流道。
于本发明的较佳实施例中，内流道可填充有固体、液体或气体。
较佳的，旋转件可被用以作为热能收集单元。
较佳的，旋转件可被用以作为散热件以进一步冷却光伏电池组合件。
较佳的，旋转件可更涂布有热吸收涂层或热发射涂层于外表面及内表面之一者或二者之部份或全部表面积上。
较佳的，此一个或多个旋转件可具有螺旋形状的可能性，且此螺旋支撑结构可作为散热件、热导管或流体流道。
较佳的，此连接在旋转件表面的一个或多个光伏电池组合件可包含复数个形状组合，此些形状组合包含方形、三角形、圆形或上述形状的组合。
较佳的，此一个或多个旋转件具有一截面形状，此截面的形状包含六角形、八角形、圆形、椭圆形、三角形、四边形或上述形状的组合。
于本发明的另一实施例中，本发明可更包含滑环附接于每一旋转件上，用于从光伏电池组合件传输出电能。
较佳的，此一个或多个反射器可为平面形、U形、V形、弯曲形、波浪形、菲涅耳形、曲面形、抛物面形或准抛物面形的截面，并延伸于线性方向。或者，也可为点性聚焦碟、抛物面、曲面、菲涅耳形状或其它适合的形状。此外，反射器可形成一个或多个聚焦处以聚集太阳光，且根据反射器的几何形状，此聚焦处可为聚焦点、聚焦线、聚焦面或聚焦区。
于本发明的另一实施例中，本发明更包含复数个连接件，每一连接件的一端连接光伏电池组合件，另一端连接旋转件。
较佳的，此复数个连接件可为散热件或热导管。
较佳的，此具有旋转光伏电池组合件的聚焦与非聚焦太阳能光伏系统可更包含至少一个热能收集单元，此热能收集单元与至少一旋转光伏电池组合件共同设置于反射器的向日侧。另外，此热能收集单元可为热接收导管或热引擎。
较佳的，反射器的向日侧可具有第一聚焦处与第二聚焦处或复数个聚焦处。
较佳的，此第一聚焦处与第二聚焦处或复数个聚焦处可相互平行，且第二聚焦处或其它复数个聚焦处相较于第一聚焦处而言，更接近于反射器。
较佳的，旋转光伏电池组合件可位于或靠近于第一聚焦处或第二聚焦处。
较佳的，旋转光伏电池组合件可位于或靠近于第一聚焦处，或者位于或靠近至少一其它聚焦处。
较佳的，此系统包含有位于或靠近于第一聚焦处的旋转光伏电池组合件，以及位于或靠近于至少一其它聚焦处的其它旋转光伏电池组合件或热能收集单元。
较佳的，此热能收集单元可位于或靠近于第一聚焦点。
本发明的具有旋转光伏电池组合件的聚光与非聚光太阳能光伏系统可具有下述优点:
(I)增加电池冷却。当运作于高温时，光伏电池的效率会降低。借由光伏电池的旋转以增加冷却率，藉以降低光伏电池的温度、增加能量输出及增加光伏电池使用寿命。也可借由外加的冷却方法冷却此电池，此冷却方法包含借由固体、液体或气体传输出热量，其中此固体、液体或气体填充于导管或腔体中，且此导管或腔体连接于光伏电池组合件。并且借由旋转以增加传导，更可有效的移除位于光伏电池组合件表面的水气。
(2)长时间下来可平均所暴露的太阳辐射。光伏电池组合件的旋转降低热点的产生，并于使用光学反射器时，在不同时间暴露于不同强度的太阳辐射下，减少高强度太阳辐射的暴露时间。因此可增加光伏电池的效率与使用寿命，以及降低维修需要。
(3)当使用光学反射器时，加大光伏电池组合件的有效收集面积区域以增加电力输出。同时由位于旋转件的向日侧的光伏电池组合件接收非聚集的太阳能，而面对光学反射器的光伏电池组合件接收聚集的太阳能。如此，可增加固定面积的有效电力密度，且允许更紧密装置的光伏系统。同时，降低光伏电池组合件输出电力的成本，且可用于装设面积受限的地区。
(4)借由旋转，全部的电池均可产生电力。位于聚焦区域或反射区域及面对光学反射器的光伏电池组合件将产生较高的输出，而位于焦点区域或反射区域外的光伏电池组合件，可借由非聚集的太阳光照射以产生太阳能电力。其中，非聚集的太阳光包含直射与散射的太阳光。
(5)借由持续旋转，甚至周期停止旋转，全部的电池会持续地产生电力。位于上表面的光伏电池组合件将持续借由非聚焦或散射太阳光与直射太阳光以产生电力，其中此光伏电池组合件离开光学反射器的聚焦处。同时，面对反射器的光伏电池组合件将于聚焦的太阳辐射光下运作。此外，可持续调整旋转速度及可能的停止期间，藉以最佳化冷却与电力生产量。
(6)此技术可广泛的应用于各种类型的光伏技术，此光伏技术包含单晶体、多晶体、多接面与薄膜光伏方法。
(7)于旋转件的不同位置可使用不同类型的光伏电池，此允许例如选择性旋转光伏电池组合件进入焦点，藉以取得应用不同类型的光伏电池组合件于不同级别太阳能强度的反应的优点。
(8)具有旋转光伏电池组合件的太阳能光伏系统可包含一个或多个旋转件，此旋转件位于相对于反射器聚焦处不同距离的不同的位置上。藉以依据光伏电池的类型及电力输出的需求，接收不同级别的太阳能强度。
(9)此具有旋转光伏电池组合件的太阳能光伏系统可用以结合聚光型太阳热能系统，且共享相同的反射器。因此可简单改造现存的聚光型太阳热能系统，同时可借由此旋转太阳能光伏系统产生电力。



图1A为本发明的具有光伏电池组合件的旋转件的聚光与非聚光太阳能系统的剖面示意图，其中光伏电池组合件附接于旋转件的表面，且聚集与非聚集的太阳辐射部分照射于一线性聚焦的抛物面或曲面反射器；
图1B为聚集与非聚集的太阳能量照射至旋转光伏电池组合件的示意图2为旋转光伏电池组合件与反射器的多种构造的剖面示意图3A-3B为旋转光伏电池组合件与菲涅耳及碟形反射器的剖面示意图4为使用热转移液体、空气或气体流经流道的示意图5为光伏电池组合件连接于旋转件上的不同组合形状的示意图6为不同的旋转件的截面几何形状的示意图7-图10为部分覆盖光伏电池组合件的旋转件的示意图11为允许电力从旋转光伏电池组合件流出的滑环的示意图12为旋转光伏电池组合件使用于太阳能电塔系统的示意图13-图14为具有连接件的旋转光伏电池组合件传导冷却的示意图15为抛物面反射器与可调整位置的旋转光伏电池组合件的剖面示意图16为抛物面反射器与多个旋转光伏电池组合件的剖面示意图17为具有抛物面反射器、热能收集单元与旋转光伏电池组合件的混合旋转热光伏系统的剖面示意图，其中热能收集单元位于或靠近于聚焦处，且光伏电池组合件位于与聚焦处具有一距离处；
图18为双聚焦线性菲涅耳反射器结构与二个旋转光伏电池组合件的剖面示意图；以及
图19为双聚焦线性抛物面反射器与光伏电池组合件及热能收集单元的剖面示意图，其中光伏电池组合件位于或靠近于一聚焦处，而热能收集单元位于或靠近于另一聚焦处。
附图标记说明:
101:反射器；102:光伏电池组合件；103:旋转件；104:流道；105:热转移流体；106:连接件；107:散热件；108:滑环；109:热能收集单元；110:电塔。
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明本发明具有旋转光伏电池组合件的聚光与非聚光太阳能光伏系统的较佳实施例，为使便于理解，下述实施例中的相同组件是以相同的符号标示来说明。
借由参考下述较佳实施例的详细说明及图式，可更容易了解本发明与完成本发明的方法的优点与特征。然而，本发明可以不同的实施例表示，但不应该局限于下述所提到的实施方式。并且，此些实施例提供详细且完整的揭露本发明的技术特征，但本发明仅定义于前述的权利要求。另外，为了使本发明的技术特征更加清晰，可能夸示图式的尺寸或尺寸比例，因此图示并不代表本发明的实际大小及比例。并且，本发明的内文与权利要求中所提到的“至少一” 一词的意思相同于“一个或复数个”。
于此，参考本发明的较佳实施例的说明，应可预期任何经由说明而可得到的任何变化,此变化也应包含于本发明的权利要求中,此变化可例如为制造技术或方法。因此,本发明的权利要求并不应局限于实施例提到的特定形状或区域，任何因应变化的结构或方法均应包含于本发明的权利要求中。 另外，图示仅为示意，其形状仅为本发明的其中一种示意形状，并不应依此局限本发明的权利要求范围。
以下，将依据参考图式，更详细说明本发明的较佳实施例。
请参阅图1A所示，图1A为本发明的具有光伏电池组合件的旋转件的聚光与非聚光太阳能系统的剖面示意图，其中光伏电池组合件附接于旋转件的表面，且聚集与非聚集的太阳辐射部分照射于一线性聚焦的抛物面或曲面反射器。该附接的光伏电池组合件102延伸于线性轴向，且位于或靠近于反射器101的聚焦线上。依据本发明之较佳实施例之具有旋转光伏电池组合件之聚光(如图1A之实线II所示)与非聚光(如图1A之虚线I所示)太阳能光伏系统，包含一个或多个反射器101以及附接于旋转件103上之光伏电池组合件102，其中光伏电池组合件102覆盖旋转件103的全部或部分表面，且旋转件103可为实心或空心，并且旋转件103的截面为任意的形状。另外，光伏电池组合件102延伸于平行于反射器101的聚焦线的轴向上。反射器101具有向日侧与非向日侧；光伏电池组合件102附接于或整体形成旋转件103的一部分，并且光伏电池组合件102位于全部或部分的旋转件103上，且延伸于反射器101的轴向上，此外光伏电池组合件102可沿着R或R’的方向进行旋转(如图1中的顺时钟或逆时钟方向)。但是，本发明并不局限于此；举例来说，光伏电池组合件102可以用周期性来回或起止方式以固定或变动速度旋转。光伏电池组合件102也可维持固定，也就是不旋转，此时环绕旋转件103的光伏电池组合件102依据其位置接收非聚集(I)或聚集(II)的太阳光。
此外，请参阅图1A与图1B所示，图1B为聚集与非聚集的太阳能量照射至旋转光伏电池组合件的示意图。光伏电池组合件102及其附接于的旋转件103与反射器101的聚焦处具有一预设距离，且光伏电池组合件102具有至少一表面以接收及吸收太阳光。并且，借由旋转件103，聚集(如图1B的实线II所示)与非聚集(如图1B的虚线I所示)的太阳能可依序照射附接的光伏电池组合件102，藉此最大化有限空间的可用电力密度与电力输出，同时借由旋转以增加对流冷却，藉以提升表面冷却度。当光伏电池组合件102从聚集太阳能辐射区域旋转到聚焦处外的非聚集太阳能辐射区域，可借由降低不同级别的太阳照射温度，藉以提升冷却效率。旋转件103也可作为散热件，藉以进一步冷却光伏电池组合件102。另外，若旋转件103为空心，则可借由流体或气体通道以从附接的光伏电池组合件102上引出额外的热能，藉以冷却旋转件103，并进而冷却光伏电池组合件102。为此目的，旋转件103的内部可完全为空心，或是旋转件103的内壁上附接有散热件(图未示)。旋转件103的外表面与内表面之一者或二者可进一步全部或部份涂有热发射涂层，藉以增加散热(图未示)。旋转件103也可作为密封热导管以引出热能。
光伏电池组合件102可以用固定的旋转速度或周期性起止的形式而持续旋转。另夕卜，当使用变化速度驱动系统时，光伏电池组合件102也可用变化的速度，藉以最佳化不同时间或季节的太阳能强度的电力输出，或者改变光伏电池组合件102的冷却率。此旋转速度可具有固定的旋转周期或以任 何适合的形式随着时间而变化。另外，光伏电池组合件102可以来回旋转运动而旋转经过任意角度，藉以最佳化电力输出及改变冷却率。若具有不同特性的光伏电池组合件102顺着布置于旋转件103上，旋转件103可定位旋转以携带不同种类的光伏电池组合件102进入反射器101的太阳光聚集区域，藉以得到一优点，且此优点为按照不同电池种类的电池输出特性与温度极限，具有可能的不同性。此外，可利用不同位置的太阳辐射情况，藉以产生最佳化的电力生产量。
此外，反射器101的类型并不局限于此；请参阅图2至图3所示，图2为旋转光伏电池组合件与反射器的多种构造的剖面示意图。反射器101可具有平面形、U形、V形、弯曲形、曲面形、菲涅耳形、波浪形、抛物面形或准抛物面形的截面形状延伸于线性方向，或点聚焦的碟状、抛物面形状、曲面形状或其它适合的形状，或者上述形状的适合组合。依据反射器的几何形状，反射器可形成聚集太阳光的一个聚焦处或多个聚焦处，此聚焦处可为聚焦点、聚焦线、聚焦面或聚焦区域(图未示)。
图3A-3B为旋转光伏电池组合件与菲涅耳及碟形反射器的剖面示意图。附接于旋转件103上的光伏电池组合件102可接收从一个或多个适合形状的反射器101反射的太阳能，图3A显示一种菲涅耳反射器的较佳实施例。并且，如图3B所示，此旋转光伏电池组合件102可耦合抛物面碟或半抛物面碟引导太阳能到光伏电池组合件102上。对此，光伏电池组合件102可附接于旋转件103上，且此旋转件103的形状为球形、方块形或其它适合的几何形状，而此旋转件103可相较于一个或多个轴进行旋转，举例来说，如图3B所示的R、R'、R"*R" /。为简单起见，下述将说明可能的不同；本发明的大部分相同的组件借由类似的参考而指出，且将忽略或简化此组件的详细描述。
请参阅图4所示，图4为使用热转移液体、空气或气体流经流道的示意图。依据本发明的一种具有旋转光伏电池组合件102的聚光或非聚光太阳能光伏系统更包含流道104，此流道104可为旋转件103的完整部分。并且，流道104可填充有热转移流体105。如果旋转件103被用以作为热收集组件，流道104中的热转移流体105可被用以吸收热能以冷却光伏电池组合件102，藉以增加电池效率与延长电池使用寿命。另外，前述被吸收的热能可以回收再利用或被用于其它流程。而于其它的应用上，光伏电池组合件102仅部分覆盖旋转件103(如图5、图7-10所示)，太阳能量可直接撞击旋转件103中未被光伏电池组合件102覆盖的表面，并藉流道104中的热转移流体105以吸收太阳能。于前述应用的一较佳实施例中，旋转件103中未被光伏电池组合件102覆盖的表面上的一个或多个区域，可更涂有热吸收涂层以增加来自于太阳光的太阳能吸收量。于前述的较佳实施例中，旋转件103与光伏电池组合件102之间可使用绝热层，藉以降低光伏电池组合件102与旋转件103之间的热接触。借由热转移流体105 (液体、气体或固体)收集的太阳热能可被用以提供热能给其它组件或程序。
此外，请参阅图5所示，图5为光伏电池组合件连接于旋转件上的不同形状组合的示意图。图5显示光伏电池组合件102于旋转件103上的不同形状组合，前述的形状组合可为方形、三角形、圆形或其它适合的形状。要注意的是，尽管只显示一侧及一区域，光伏电池组合件102可全部或部分附接于旋转件103的其它侧或其它区域。且光伏电池组合件102的不同结构可为上述的形状或上述形状的混合组合。
另外,请参阅图6所示，图6为不同的旋转件截面的几何形状的示意图。图6显示一些旋转件103的截面的较佳几何形状，此几何形状例如为六边形、八边形、圆形、椭圆形、三角形、四边形或其它适合的形状。
请参阅图7至图10所 示，图7至图10为部分覆盖光伏电池组合件的旋转件的示意图。于使用上，光伏电池组合件102与旋转件103可以持续、变速、往复或起止形式进行旋转。旋转件103可为实心或包含流道104，此流道104内具有热转移流体105，以从附接的光伏电池组合件102上收集热量。光伏电池组合件102可沿着环形或轴长的全部或部分覆盖旋转件103的外表面，且可借由旋转组件(图未示)沿着箭头R或R’的方向(如图7-8所示)进行旋转。另一方面，旋转件103可为螺旋(如图9所示)支撑结构以支撑光伏电池组合件102，也可成为散热或热能收集单元，并且也可借由旋转件以R或R’的方向进行旋转。于另一实施例中，如图9所示，光伏电池组合件102可附接于一种开放式的螺旋形旋转件103，此螺旋形旋转件103可例如为固定螺旋或螺旋开槽或钻孔的管件，借由增加气流F穿过旋转件103的螺旋开口，藉以增加光伏电池组合件102的冷却度。但是，此些变化并不局限于此。举例来说，若使用封闭式结构，光伏电池组合件102以封闭式螺旋形状附接于旋转件103上，此可用以同时冷却光伏电池组合件102以及提供热能给热转移流体105。如图10所示，依据本发明的具有旋转光伏电池组合件的太阳能光伏系统更包含复数的连接件106，此连接件106可为实心、空心或依照需求形成散热件或热导管的全部或部分。前述的连接件106的一端连接于旋转件103，且复数个安装面或散热件107各别附接于此复数个连接件106的另一端。此外，光伏电池组合件102附接于此复数个散热件107与此连接件106上。此复数个散热件107被用于从光伏电池组合件102上移除热量。旋转件103可具有实心或空心的截面。若为空心，可使用内部或流动的流体从光伏电池组合件102带走热量，其中光伏电池组合件102借由连接件106附接于旋转件103上。
请参阅图11所示，图11为允许电力从旋转光伏电池组合件导出的滑环的示意图。依据本发明的具有旋转光伏电池组合件102的太阳能光伏系统可更包含滑环108附接于旋转件103上。滑环108连结光伏电池组合件102，以从光伏电池组合件102上传输所产生的电力至适合的稳定电连接装置。
于另一较佳实施例中，旋转光伏电池组合件102可被用于电塔。请参阅图12所示，图12为旋转光伏电池组合件使用于太阳能电塔系统的示意图。对于应用上，光伏电池组合件102附接于全部或部分的旋转件103，且根据一个或多个轴进行旋转。举例来说，以R、R'、R"或R"，的方向进行旋转，且使用电塔110，藉以使得反射器101聚焦太阳能到旋转光伏电池组合件102上。旋转件103可为任意的几何形状，以及可为实心或空心架构；若为空心，可使用流体以增加从光伏电池组合件102的热转移。
请参阅图13至图14所示，图13至图14为旋转光伏电池组合件传导冷却的示意图。由于本发明之另一目的，本发明可更包含复数个连接件106，且部分的连接件106可形成散热件107或热导管的一部份，每一连接件106的一端连接旋转件103，另一端连接光伏电池组合件102，且前述的光伏电池组合件102延伸于旋转件103的直线轴向。当光伏电池组合件以R或R’的方向进行旋转，气流F可流过旋转光伏电池组合件102的周围及附接于旋转件103的连接件106的周围。此气流F将借由光伏电池组合件102、连接件106及旋转件103的对流冷却，藉以导致光伏电池组合件102的温度下降。旋转件103可具有实心或空心截面，且可具有任意形状的截面；若为空心(如图14所示)，此通道可用以作为流道104，藉以冷却附接的光伏电池组合件102。并且为了提供额外的冷却度，可使用热转移流体105。
于本发明的另一实施例中，依据太阳能强度的需求，使用光伏电池组合件102的类型，与最佳化的运作温度，具有光伏电池组合件102的旋转件103可与反射器101的主要聚焦线或聚焦点具有一距离 ，且位于反射器101的向日侧以接收不同级别的太阳能辐射量。此外，多个具有光伏电池组合件102的旋转件103具有不同需求的太阳能强度、温度或不同的光伏电池组合件102的类型，且可装置于反射器101的向日侧的不同位置，以分别接收不同级别的太阳能辐射量。图15至图16显示利用此概念的两种不同的实施例。请参阅图15所示，图15为线性抛物面反射器与可调整位置的旋转光伏电池组合件的剖面示意图。依据本发明的具有旋转光伏电池组合件102的太阳能光伏系统可具有旋转件103，且此旋转件103附接有光伏电池组合件102，其中旋转件103的轴线与反射器101的聚焦线平行，且与反射器101的聚焦线(在剖面示意图上显示为聚焦点f)的距离为d。
如图15所示，当具有光伏电池组合件102的旋转件103位于与反射器101的聚焦线有较短距离d的地方时，因为反射器101有较大区域的反射光会照射到具有光伏电池组合件102的旋转件103上，所以此光伏电池组合件102会接收到较强的太阳辐射量。而当具有光伏电池组合件102的旋转件103位于与反射器101的聚焦线具有较长距离d’的地方时，因为此时具有光伏电池组合件102的旋转件103距离反射器较近，因此反射器101只有较小部分区域的反射光会照射到具有光伏电池组合件102的旋转件103上。相较于位于距离d处，此位于距离d’处的光伏电池组合件102会接收到较弱的太阳辐射量。因此，具有光伏电池组合件102的旋转件103可放置于反射器101的向日侧的任意位置，藉以接收特定的辐射强度。此外，本发明可更包含调整机构(图未示)以调整与反射器101的聚焦线或聚焦点之间的距离d，藉以改变光伏电池组合件102的辐射强度暴露情况。
于本发明之另一实施例中，图16为线性抛物面反射器与多个旋转光伏电池组合件的剖面示意图。三个具有光伏电池组合件102的旋转件103分别放置于反射器101的向日侧不同位置。其中三个旋转件103的轴线与反射器101的聚焦线平行，且与反射器101的聚焦线(在剖面示意图上显示为聚焦点f)的距离分别为dl、d2及d3，以分别吸收不同强度的太阳辐射。于较佳的结构中，图16显示dl为0，也就是第一旋转件103位于反射器101的聚焦线上。需注意的是，具有光伏电池组合件102的旋转件103的数量及其放置的位置并不局限于图16所示，而可依照系统的实际需求以决定旋转件103的数量及放置的位置。
请参阅图17所示，图17为具有线性抛物面反射器、热能收集单元与旋转光伏电池组合件的混合旋转热光伏系统的剖面示意图，其中热能收集单元位于或靠近于聚焦线，且旋转光伏电池组合件位于与反射器101聚焦线具有一距离处，且与聚焦线(在剖面示意图上显示为聚焦点f)平行。依据本发明的具有旋转光伏电池组合件的太阳能光伏系统可更包含太阳热能收集单元109，此太阳热能收集单元109可为热接收导管，且此太阳热能收集单元109位于或靠近于反射器101的聚焦线(在剖面示意图上显示为聚焦点f)。一个或多个具有光伏电池组合件102的旋转件103平行于太阳热能收集单元109的轴线，且距离此轴线d’处，并且旋转件103与太阳热能收集单元109均位于反射器101的向日侧。于此结构中，旋转件103可位于反射器101的表面上方的任意位置。此结构可借由同时收集热能与光伏电能，藉以提升能量转换效率，并且此结构可借由使用相同的反射器101，藉以降低热光伏混合系统的成本。
请参阅图18至图19所示，图18为双聚焦线性菲涅耳反射器结构与二个旋转光伏电池组合件的剖面示意图，图19为双聚焦线性抛物面反射器与光伏电池组合件及热能收集单元的剖面示意图，其中光伏 电池组合件位于或靠近于一聚焦线，而热能收集单元位于或靠近于另一聚焦线。依据本发明的具有旋转光伏电池组合件的聚光型或非聚光型太阳能光伏系统可更包含在向日侧具有第一聚焦线与第二聚焦线的反射器101。其中，剖面示意图显示第一聚焦点Π以作为第一聚焦线，显示第二聚焦点f2以作为第二聚焦线。此外，第一聚焦线与第二聚焦线的轴相互平行，且第二聚焦线较靠近于反射器101。于此特定的反射器系统中，此结构具有较高的能量效率，且更弹性的允许生产太阳能光伏与太阳热能的结合。此反射器101可聚焦太阳光到具有光伏电池组合件102的旋转件103上，同时，热能收集单元109可为热接收导管；此光伏电池组合件102位于不同的聚焦线上，且从具有不同的聚焦距离的菲涅耳反射器101上接收热能。其中，光伏电池组合件102与热能收集单元109为分开的组件。
以上所述仅为举例性说明，而非为限制性说明。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本发明的权利要求范围中。
权利要求
1.一种具有旋转光伏电池组合件的聚光型与非聚光型的太阳能光 伏系统，其特征在于，包含: 至少一反射器，具有一向日侧与一非向日侧； 至少一光伏电池组合件全部或部分覆盖至少一旋转件，且该至少一光伏电池组合件与该至少一旋转件位于该至少一反射器的该向日侧，且该至少一光伏电池组合件附接于该至少一旋转件的部份或全部外周围；以及 其中该旋转件与该光伏电池组合件具有至少一表面积照射有该至少一反射器反射的太阳光，或者，直接照射有来自于周围的太阳光与散射辐射。
2.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该至少一旋转件连接于一驱动系统，且用以旋转于特定速度、运动方式及方向。
3.如权利要求2所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该至少一旋转件的旋转运动方式与速度为定位的且可控制的，藉以最佳化该光伏电池组合件的电力输出及调整冷却率，包含持续旋转于一预设速度、周期性起止模式、固定或变动速度或其它预设旋转模式与速度。
4.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该旋转件为实心或空心。
5.如权利要求4所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该旋转件用以作为一散热件。
6.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该旋转件为空心且用以作为一开放式或封闭式流道或腔体以冷却附接于该旋转件的外表面的该光伏电池组合件。
7.如权利要求6所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该旋转件更涂有一热发射涂层于该旋转件的外表面及内表面之一者或二者之部份或全部表面积上。
8.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该旋转件为空心且用以作为一开放式或封闭式流道或腔体以从该附接的光伏电池组合件或从该旋转件未覆盖该光伏电池组合件的至少一区域引出热量。
9.如权利要求8所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该流道或腔体更填充有至少一气体、至少一液体或至少一固体，藉以带走从该光伏电池组合件产生的热量，以及转换太阳辐射为热量。
10.如权利要求8所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该旋转件更涂有一热吸收涂层或一热发射涂层于外表面及内表面之一者或二者之部份或全部表面积上。
11.如权利要求1所 述的太阳能光伏系统，其特征在于，该旋转件的外表面全部或部分覆盖有该光伏电池组合件。
12.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，附接于该至少一旋转件的外表面上的该光伏电池组合件具有复数个形状组合，包含四边形、三角形、圆形、其它适合形状或上述形状的混合组合，该至少一旋转件具有一截面，且该截面的形状为六边形、八边形、圆形、椭圆形、三角形、四边形或上述形状的组合。
13.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该光伏电池组合件为多晶、单晶、多接面、薄膜、其它光伏电池类型或上述类型的组合。
14.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该至少一旋转件具有一螺旋形状。
15.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，更包含一滑环位于每一该旋转件的两端、内部、外部或其它适合位置，藉以传输电力到一固定电力连接装置中。
16.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该至少一反射器具有一平面形状、一 U形、一 V形、一弯曲形、一波浪形、一菲涅耳形、一曲面形、一抛物面形或一准抛物面形的截面形状延伸于一线性方向，或者具有一点性聚焦碟状、一抛物面碟状或一曲面碟状或上述形状的组合。
17.如权利要求16所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该至少一反射器更具有太阳光集中的至少一聚焦处或至少一聚焦区域，依据该反射器的形状，包含至少一聚焦点、至少一聚焦线、至少一聚焦面或至少一聚焦区域。
18.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该至少一旋转件更包含复数个连接件，该些连接件的一端连接该旋转件，另一端连接该光伏电池组合件。
19.如权利要求18所述的太阳能光伏系统，其特征在于，更包含复数个散热件位于该些连接件与该光伏电池组合件之间，且该些连接件为热绝缘体、热导体或热导管。
20.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该至少一旋转件位于该至少一反射器的该向日侧上的一任意位置，该任意位置包含位于或靠近于至少一聚焦线、至少一聚焦点、至少一聚焦面或至少一聚焦区域，且该至少一旋转件的位置为固定或可调整的。
21.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，更包含至少一热能收集单元，该热能收集单元为一热引擎或一热接收导管。
22.如权利要求1所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该至少一反射器的该向日侧具有一第一聚焦处与一第二聚焦处或复数个聚焦处。
23.如权利要求22所述的太阳能光伏系统，其特征在于，该第一聚焦处与该第二聚焦处或该些聚焦处于一线性聚焦反射系统中具有平行轴，且相较于该第一聚焦处，该些其它的聚焦处邻近于该反射器。
24.如权利要求22所述的太阳能光伏系统，其特征在于，具有该光伏电池组合件的该些旋转件之一者位于或靠近于该第一聚焦处，或者位于或靠近于该第二聚焦处，或者位于或靠近于任一该些聚焦处。
25.如权利要求22所述的太阳能光伏系统，其特征在于，一热能收集单元位于或靠近于一聚焦处，且具有 该光伏电池组合件的该至少一旋转件位于该至少一反射器的该向日侧上的一任意位置，或者位于或靠近于另一聚焦处。
全文摘要
本发明揭露一种具有旋转光伏电池组合件的聚光型与非聚光型的太阳能光伏系统以提升冷却效能、接收聚集与非聚集的太阳光、避免热点与延长光伏电池的使用寿命。此太阳能光伏系统包含至少一反射器具有一向日侧与一非向日侧；以及至少一旋转件附接有光伏电池组合件位于反射器的向日侧，于此，旋转件是用以旋转。此具有光伏电池组合件的至少一旋转件位于反射器的向日侧且与反射器的焦点具有一预设距离，并且于运作时，光伏电池组合件具有至少一光照射表面用以接收从反射器的不同位置反射的太阳光，以及接收太阳的直射辐射与来自于四周的散射太阳能辐射。
文档编号H01L31/052GK103219409SQ20121023465
公开日2013年7月24日 申请日期2012年7月6日 优先权日2011年7月7日
发明者郑佳卿, 约翰·霍姆斯 申请人:郑佳卿, 约翰·霍姆斯