[发明专利]使用光伏二阶聚光的混合槽太阳能发电系统

说明书

技术领域

本发明通常涉及太阳能发电，尤其涉及一种结合热能和光伏以产生能量和热能存储的混合系统。

背景技术

图1是使用抛物槽的太阳能收集装置(现有技术)。Brunotte等人的设计【非专利文献1(NPL1)】是将线聚焦转换为一系列更高聚集的焦点的最早的尝试之一。在此设计中，抛物槽被用于照射一系列的实心复合抛物聚光(compound parabolic concentration，CPC)二级件，每个二级件连接于一个单体光伏(photovoltaic，PV)电池。槽被绕极对准轴跟踪，因此全年中，倾斜角度范围被限制在+/-23.5°。CPC具有正方形或矩形的光孔，并可以具有不对称的接受角。在槽的横向平面上的接受角由槽的最大边缘角度所决定。当不对称槽被使用时，如图所示，CPC可以被倾斜至中位角，而接受角仅为槽的边缘角度的一半。在其他维度中(沿着槽的轴向平面)，CPC需要具有一个+/-23.5°的接受角，以保持季节性运转。

图2记述的设计公开了用于传统槽、离轴槽和卡塞格林槽的跟踪二级件(现有技术)。Cooper等人【非专利文献3(NPL3)】和Thesan S.p.a【专利文献1(PTL1)】均使用了跟踪自由度的第二自由度。除了单轴槽跟踪外，二级光学元件可以允许旋转或翻转以补偿入射角的变化(在槽的轴向平面内)。二级件包括中空的、可旋转的CPC和实心电介质反射器。具有中空CPC阵列的设计在主聚焦附近工作。可替换地，可以使用横向平移的柱面或球面镜【PTL1】。

图3是表示M2光谱分离器(现有技术)的反射和透射波长带的部分截面图。原则上，这样的设计允许紫外(UV)和红外(IR)光在集热器1(HR1)被收集为热能，而可见光(Vis)和近红外光(NIR)被收集为光伏能量。卡塞格林几何结构给获得高聚光提出了新的障碍。由于卡塞格林光学元件具有大的焦距，在M2的下方形成的太阳能图像也同样变大。来自卡塞格林槽的主聚光因此比其应该在主聚焦时低。为了保持在卡塞格林M2之后的太阳能图像较小，M2的尺寸应该非常大。然而，这会导致M2在M1(槽)上投下大的阴影。或者，M2可以被做的非常小，如此则有最小的阴影效应。然而，在槽的底部的太阳能图像的尺寸变得非常大。而替代方法需要升高接收器(光伏电池)以更靠近M2。这允许焦距的一定减小。然而，这可能会因为重心上升而影响槽稳定性。因此，没有附加聚光，则所述设计用于聚集光伏(CPV)和聚集太阳能(CSP)目的都是不现实的。

美国专利5,505,789使用具有实心二级漏斗的铺设线聚焦来解决与卡塞格林光学元件【专利文献2(PTL2)】相关的上述问题。美国专利5,505,789揭示了线聚焦透镜和线聚焦PV模组。整个系统是一个线性弧形菲涅尔透镜阵列，其具有沿着每一个透镜的焦线定位的线性PV电池接收器。光伏电池接收器由互连成一串的高效电池组成，并具有被黏贴结合于这些电池的实心二级光学元件。每个二级光学元件的进光光孔在形状上为矩形，光学二级件被彼此对接在一条线上，以形成一个沿着焦线的连续的进光光孔。除了提供更聚集的阳光，实心光学二级件将这些电池与空气、湿气和污染物隔离，以达到辐射伤害较低程度。然而，由于这个系统不使用卡塞格林光学元件或附加手段来将阳光聚集至PV电池，其是低聚光的CPV系统。依据以上提到的所有理由，这个系统可以被修改以使用卡塞格林光学元件，或者被收集于这样一个系统的光线可以被充分聚集给PV收集，是非显而易见的。

其他用于太阳能发电的分光方法包括Imenes等人【非专利文献4，(NPL4)】，DeSandre等人【非专利文献5，(NPL5)】的混合太阳能的二向色滤光片设计，Hamdy等人【非专利文献6，(NPL6)】的混合太阳能能效分析，及Soule等人【非专利文献7,8，(NPL7，8)】的混合太阳能系统设计。

图4是在槽的底部具有PV的卡塞格林混合槽系统的部分截面图【非专利文献9，(NPL9)】(现有技术)。一个相似的具有分光镜，但在槽的顶点(vertex)的狭缝中的PV电池上没有聚集的卡塞格林槽系统已被Jian等人【非专利文献10，(NPL10)】描述。

如果使用卡塞格林光学元件的混合太阳能系统可以被设计为最优地收集热能和PV能二者的话，那将是有益的。

现有技术文献

专利文献