專(zhuān)利名稱(chēng)：被動(dòng)冷卻型太陽(yáng)能聚光光電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)，尤其涉及在固態(tài)電介質(zhì)太陽(yáng)能聚光光電(CPV)裝置的光電(PV)電池中及其附近所產(chǎn)生的熱量的處理。
背景技術(shù)：
用于產(chǎn)生電能的光電太陽(yáng)能收集裝置大體上包括平面收集器和聚光收集器。平面收集器大體上包括光電電池陣列和形成在半導(dǎo)體(例如，單晶硅或多晶硅)襯底上的相關(guān)的電子器件，而從平面收集器輸出的電能直接與陣列的面積相關(guān)，因而需要大的、昂貴的半導(dǎo)體襯底。聚光收集器通過(guò)使用例如聚集光線的拋物線反射鏡或透鏡聚集光線(即，太陽(yáng)光)，產(chǎn)生直接照射到小光電電池上的強(qiáng)度更大的太陽(yáng)能束，從而降低了對(duì)大半導(dǎo)體襯底的需求。因而，聚光收集器具有優(yōu)于平面收集器的優(yōu)勢(shì)在于，它們使用數(shù)量少得多的半導(dǎo)體。聚光收集器優(yōu)于平面收集器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，它們?cè)诋a(chǎn)生電能的效率更高。
傳統(tǒng)聚光太陽(yáng)能收集器的一個(gè)問(wèn)題在于，其操作和維護(hù)的成本非常高。傳統(tǒng)收集器所使用的用于聚集光線的反射鏡和/或透鏡是單獨(dú)制造的，并且必須小心地組裝，以使所會(huì)聚的光線和光電電池正確地對(duì)齊。此外，隨著時(shí)間的過(guò)去，反射鏡和/或透鏡會(huì)由于熱循環(huán)或震動(dòng)而不再對(duì)準(zhǔn)，并會(huì)由于暴露到外界而變臟。以清洗和調(diào)整反射鏡/透鏡為形式的維護(hù)非常重要，尤其當(dāng)反射鏡/透鏡具有難于清洗的不平坦的形狀時(shí)。
傳統(tǒng)聚光太陽(yáng)能收集器的另一個(gè)問(wèn)題在于會(huì)聚光線所產(chǎn)生的過(guò)高的溫度導(dǎo)致光電電池和鏡體結(jié)構(gòu)的損壞。為了可靠地工作，必須使光電電池和其周?chē)陌b處于安全范圍內(nèi)，典型的安全范圍為低于100攝氏度(100℃)。由于平板光電模塊受到太陽(yáng)光(即未聚焦的)直射，在零風(fēng)狀態(tài)(zero wind)下，大部分平板光電模塊在最好的隔離條件下的溫升為高于環(huán)境溫度約25℃。這樣光電電池的最高溫度約為70℃(即，假設(shè)環(huán)境溫度為45℃)。相比之下，聚光太陽(yáng)能收集器在PV電池上產(chǎn)生300至1000日光以上的輻射流密度，典型地少于一半的能量被轉(zhuǎn)化成電能，其余的以熱量的形式出現(xiàn)，這個(gè)熱量使得光電電池的溫度可以達(dá)到大大高于100℃。傳統(tǒng)的降低聚光太陽(yáng)能收集器中的光電電池溫度的方法包括利用加壓液體(forced liquid)冷卻系統(tǒng)來(lái)冷卻該光電電池，但是這種加壓液體冷卻系統(tǒng)的制造和維護(hù)的成本很高，從而大幅度地增加了這種聚光太陽(yáng)能收集器的整體制造和維護(hù)成本。
需要一種聚光光電(CPV)裝置，該裝置相比于傳統(tǒng)的聚光型光電電池，組裝和維護(hù)成本較低，并同時(shí)以成本效率高且可靠的方式將聚光光電裝置維持在可靠的工作溫度下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及卡塞格侖型(Cassegrain-type)聚光光電裝置，該裝置通過(guò)利用散熱器將居中設(shè)置的PV電池發(fā)出的熱量均勻分布到固體光學(xué)元件的背表面，并利用固體光學(xué)元件將該散熱器發(fā)出的熱量傳導(dǎo)到前面的孔徑表面，熱量從該前孔徑表面散出，從而有效地從收集器的前面散發(fā)熱量。這種裝置有利于所產(chǎn)生的熱量的超過(guò)30％從前孔徑表面輻射出，從而與從后表面輻射熱量的中空收集器系統(tǒng)相比，被動(dòng)冷卻性能提高了約兩倍。此外，固體光學(xué)元件有利于在其上直接形成主鏡和二級(jí)鏡，從而自動(dòng)且永久地對(duì)準(zhǔn)聚光光學(xué)器件，并在最小化維護(hù)成本的同時(shí)保持最佳的光學(xué)操作。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，散熱器的側(cè)向熱阻小于固體光學(xué)元件的截面熱阻，從而通過(guò)使熱量分布最大化而優(yōu)化輻射熱傳導(dǎo)，以使光學(xué)元件保持大致一致的溫度，并由此使孔徑表面保持大致一致的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，固體光學(xué)元件包括厚度在5mm至12mm范圍內(nèi)且直徑約為28mm的低鐵玻璃結(jié)構(gòu)，而散熱器包括名義厚度約為70微米的銅散熱層。在這個(gè)厚度下，銅散熱層熱阻的側(cè)向熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光學(xué)元件的截面熱阻，從而產(chǎn)生所需的均衡的加熱和從前孔徑表面的輻射。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，散熱器包括形成于柔性襯底(例如，聚酰亞胺薄膜，如DuPont Electronics所生產(chǎn)的Kapton)上的熱傳導(dǎo)層(例如，銅)，光電電池在裝配到固體光學(xué)元件前被安裝在散熱器上，從而大幅低地簡(jiǎn)化了組裝過(guò)程。在一個(gè)實(shí)施例中，柔性襯底被切割或以其他方式分割成多個(gè)從中心支撐區(qū)延伸的徑向臂，該徑向臂有利于在組裝時(shí)與固體光學(xué)元件的曲面的下表面緊密接觸。選擇性地使用散熱器的配線層，以幫助將熱量傳向光學(xué)元件。在一個(gè)實(shí)施例中，主鏡包括薄的銀反射層、設(shè)置在銀層上的銅防遷移層以及設(shè)置在該防遷移層上的阻擋漆層。然后，散熱器通過(guò)適當(dāng)?shù)恼澈蟿?如乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA))被固定到該阻擋漆層上，一防護(hù)殼(例如Tedlar)利用相同的粘合劑固定到該柔性襯底的背面。


本發(fā)明的這些和其它的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，將通過(guò)隨后的說(shuō)明書(shū)、所附權(quán)利要求、和附圖而變得更加清楚，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的聚光光電裝置的立體分解圖；圖2為圖1中的聚光光電裝置工作時(shí)的剖面?zhèn)纫晥D；圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的聚光光電裝置的立體分解圖；圖4為圖3中的聚光光電裝置的詳細(xì)的剖面?zhèn)纫晥D；圖5為圖3的聚光光電裝置中使用的散熱器襯底的立體圖；以及圖6為圖3中的聚光光電裝置的組裝后的立體圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及處理固體電介質(zhì)太陽(yáng)能聚集器中的光電電池及其周?chē)a(chǎn)生的熱量，如在共有且共同未決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中所公開(kāi)的，該美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的序列號(hào)為11/110,611，題目為“CONCENTRATING SOLAR COLLECTORWITH SOLID OPTICAL ELEMENT”，這里引入其全部?jī)?nèi)容作為參考。具體地，本發(fā)明涉及被動(dòng)熱量處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)使30％以上的產(chǎn)生出的熱量從固體光學(xué)元件的前孔徑表面輻射而避免了導(dǎo)熱的液體冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)和維護(hù)成本。
考慮到聚光光電裝置的輻射平衡，必須了解天空的黑體溫度典型地為-40攝氏度(-40℃)左右。地面的黑體溫度典型地為高于環(huán)境溫度約4℃。從而需要為裝置的前表面提供一熱通道，這樣就可以向空中輻射熱量。
在數(shù)量上，聚集器的前表面的每單元面積的凈輻射通量可以表示為Qf=ϵfσTf4-(1-Rf)σTs4]]>方程1其中，εf為前表面的發(fā)射率(對(duì)低鐵玻璃，典型值為0.85)，σ為斯忒藩玻耳茲曼(Stefan-Boltzmann)常數(shù)(5.67×10-8Watts/m2Kelvin4)，Tf為前表面的絕對(duì)溫度，Rf為前表面的反射率(典型地約為8％)，以及Ts為天空的黑體溫度(約-40℃)。
從聚集器的背面射出的輻射可以類(lèi)似地表示為Qb=ϵbσTb4-(1-Rb)σTg4]]>方程2其中，εb為背表面的發(fā)射率(對(duì)塑料層壓Tedlar，典型地為0.9)，Tb為聚集器的背表面的絕對(duì)溫度，Rb為聚集器的背表面的反射率(在紅外線中，對(duì)于Tedlar，典型地約為10％)，以及Tg為地面或屋頂?shù)暮隗w溫度(典型地為高出環(huán)境溫度約4攝氏度)。
由方程1和方程2可以明顯看出，與背面相比，前表面向溫度低的多的路徑輻射。在平面光電系統(tǒng)中，典型地，從面板前面散失的熱量比從后面散失的熱量多兩倍。本發(fā)明的有用方面為制造一種模仿這個(gè)有利的散熱機(jī)制的聚光型PV系統(tǒng)。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一簡(jiǎn)化實(shí)施例的內(nèi)鏡的卡塞格侖型(Cassegrain-type)聚光光電(CPV)裝置的分解立體圖。聚光太陽(yáng)能收集器100一般包括光學(xué)元件110、光電(PV)電池120、主鏡130、二級(jí)鏡140以及散熱器150。
光學(xué)元件110為固體、盤(pán)狀、透光的結(jié)構(gòu)，包括上層111；從上層111的下側(cè)突出的相對(duì)較大的凸面112；設(shè)置在上層111上側(cè)的基本平坦的孔徑表面115；以及，限制在孔徑表面115中(即，延伸到上層111內(nèi))的相對(duì)較小的凹(彎曲)面(凹陷)117。為了最小化材料、重量、厚度和光吸收，上層111可以是非常小的。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)元件110利用低鐵玻璃(例如，英國(guó)Pilkington PLC生產(chǎn)的Optiwhite玻璃)結(jié)構(gòu)，采用已知的玻璃成型方法塑成的。可選地，可以加工并拋光透明塑料來(lái)形成單片的光學(xué)元件110，或者可以粘合或以其他方式固定多個(gè)分離的片來(lái)形成光學(xué)元件110。在優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)元件110為5mm至12mm厚，且20mm至40mm寬。這個(gè)厚度有助于保證從而背面的凸面112到孔徑表面115的熱傳導(dǎo)路徑不會(huì)像更厚或者中空的光學(xué)元件那樣具有過(guò)大的熱阻。
光電電池120位于限定在凸面112中心的中心第一側(cè)(凹腔)區(qū)113。舉例來(lái)說(shuō)，光電電池120通過(guò)合適的導(dǎo)線122和124(如圖2所示)利用已知技術(shù)連接到相鄰的聚光光電裝置(未示出)的PV電池。舉例來(lái)說(shuō)，由Spectrolab，Inc.of Sylmar，California，USA生產(chǎn)的合適的光電(聚光太陽(yáng)能)電池。
主鏡130和二級(jí)鏡140分別設(shè)置在凸面112和凹面117上。如圖2所示，主鏡130和二級(jí)鏡140被設(shè)置成，使得沿通過(guò)孔徑表面115的特定區(qū)域進(jìn)入到光學(xué)元件110的預(yù)定方向(例如，垂直于孔徑表面115)傳播的光束LB，被主鏡130的相應(yīng)區(qū)域反射到二級(jí)鏡140的相關(guān)區(qū)域，并從二級(jí)鏡140的相關(guān)區(qū)域反射到光電電池120(例如，直接從二級(jí)鏡140反射到光電電池120，或通過(guò)位于二級(jí)鏡和光電電池120之間的反射面或折射面反射到光電電池120)。這里所示用的方向術(shù)語(yǔ)如“上”、“下”、“上方”和“下方”，僅用于為說(shuō)明提供相對(duì)的位置，而不用于指定參考的絕對(duì)結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，主鏡130和二級(jí)鏡140通過(guò)在凸面112和凹面117上濺射或以其他方式沉積反射性鏡面材料(例如銀(Ag)或鋁(Al))而制成，從而使得制造成本最小化并提供優(yōu)良的光學(xué)特性。利用已知的鏡面制造技術(shù)，通過(guò)濺射或其它方式在凸面112和凹面117上形成鏡面膜，主鏡130大致為凸面112的形狀，二級(jí)鏡140大致為凹面117的形狀。這樣，模塑或采用其它的方式制造光學(xué)元件110，使得凸面112和凹面117被設(shè)置并成形為所需的鏡面形狀。注意，通過(guò)形成具有所需的鏡面形狀和位置的凸面112和凹面117，主鏡130和二級(jí)鏡140可以有效地自形成并自對(duì)準(zhǔn)，從而消除了伴隨傳統(tǒng)聚光太陽(yáng)能收集器的高昂的組裝和校準(zhǔn)成本。此外，由于主鏡130和二級(jí)鏡140保持粘貼在光學(xué)元件110上，它們的相對(duì)位置被永久性地設(shè)定，從而消除了對(duì)傳統(tǒng)多部件裝置中可能需要的調(diào)整和重心校準(zhǔn)的需求。在一個(gè)實(shí)施例中，主鏡130和二級(jí)鏡140利用同一的(相同的)一種或多種材料(如電鍍銀)同時(shí)形成，從而使制造成本最小化。此外，通過(guò)利用光學(xué)元件110的表面制造鏡面，一旦光通過(guò)孔徑表面115進(jìn)入到光學(xué)元件110中，光線在到達(dá)光電電池120之前，僅被主鏡130/凸面112和二級(jí)鏡140/凹面117反射。這樣，光線僅僅經(jīng)過(guò)一個(gè)空氣/玻璃分界面(即，孔徑表面115)，從而最小化傳統(tǒng)的多部件聚光太陽(yáng)能收集器中所出現(xiàn)的損失。單一的空氣/玻璃分界面損失可以通過(guò)在孔徑表面115上設(shè)置一防反射涂層而進(jìn)一步降低。雖然也可以單獨(dú)形成主鏡130和二級(jí)鏡140，然后將鏡面分別貼在凸面112和凹面117上，然而這種生產(chǎn)方法會(huì)大幅度增加制造成本，并會(huì)降低將鏡面薄膜直接形成在凸面112和凹面117上所帶來(lái)的優(yōu)良的光學(xué)特性。
散熱器150包括中心部151和從該中心部151向外延伸的曲面的外圍部152。散熱器150包括一種具有相對(duì)高的熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料，并包括一厚度，選擇該厚度使得散熱器150的側(cè)向熱阻TR1(即，從中心部151到外圍部152的外邊緣沿徑向測(cè)量得到的)小于光學(xué)元件110的截面熱阻TR2(即，從凸面112到孔徑表面115測(cè)量得到的)。在一實(shí)際的例子中，多個(gè)小的聚光光電裝置100排列在一起，以防止玻璃的體積變得過(guò)大，并在不進(jìn)行主動(dòng)冷卻的條件下保持每個(gè)光電電池的能量的量可控。在優(yōu)選實(shí)施例中，使用厚度介于5mm至12mm的低鐵玻璃制造光學(xué)元件110，而散熱器150包括一厚度為70微米的銅質(zhì)熱分散層(即，兩盎司銅)，該銅質(zhì)熱分散層的熱阻TR1大于光學(xué)元件110的熱阻TR2。在這個(gè)厚度下，銅制熱分散層的側(cè)向熱阻大于光學(xué)元件的截面熱阻。
如圖2所示，散熱器150的中心部151被設(shè)置為覆蓋凹腔113，彎曲的外圍部152形成在或者以其它方式固定在主鏡130的背面(非反射面)。光電電池120被安裝在中心部151的內(nèi)表面上，使得光電電池120被設(shè)置在凹腔113中。如硅樹(shù)脂(例如，聚二苯基聯(lián)苯硅氧烷或聚甲基苯基硅氧烷)的填充間隙的透明粘合劑128也設(shè)置在凹腔113中覆蓋光電電池120，用于使得凹腔113和光電電池120之間的折射率的破壞性突變最小。注意，在主鏡130中限定中心開(kāi)口131，以利于光通過(guò)開(kāi)口131射到光電電池120上。在一個(gè)實(shí)施例中，光電電池通過(guò)散熱塊(heat slug)127安裝在中心區(qū)域151上。在另一個(gè)實(shí)施例中，在中心區(qū)域151和散熱塊127上形成有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，以利于從光電電池120導(dǎo)出電流，例如，通過(guò)導(dǎo)線122和124導(dǎo)出。在另一個(gè)實(shí)施例中，電流以與共有且共同待決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)11/110,611(上文引用)中公開(kāi)的相似的方式，通過(guò)散熱器150或主鏡130從光電電池120中導(dǎo)入或者導(dǎo)出。
雖然主鏡130和散熱器150在圖1和圖2中作為單獨(dú)的層來(lái)示出，在一個(gè)實(shí)施例中，可以在凸面112上形成單一的層，用于實(shí)現(xiàn)主鏡130和散熱器150的功能。也就是說(shuō)，鏡面典型地通過(guò)薄的500埃的Ag層和一個(gè)或多個(gè)防護(hù)層形成，該防護(hù)層可以包括薄的1000埃的Cu防遷移層和/或阻擋漆層。這種傳統(tǒng)的鏡面具有一相對(duì)較高側(cè)向熱阻，但還不足以充分地分散光電電池120的熱量使光學(xué)元件110實(shí)現(xiàn)均衡的熱分布。因此，覆蓋鏡面的背面形成有具有高的熱傳導(dǎo)率的材料(如銅)的相對(duì)較厚的層，以提供所需的熱分布。當(dāng)需要這兩個(gè)單獨(dú)的層不僅提供最佳反射表面并且提供足夠的熱傳導(dǎo)時(shí)，可以使用單一的(例如，銀或銅)層來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)反射和熱傳導(dǎo)功能。盡管如此，目前形成促進(jìn)充分熱傳導(dǎo)所需厚度的銀在經(jīng)濟(jì)上是不可行的，而使用已知技術(shù)沉積銅被認(rèn)為只能形成無(wú)法滿足要求的鏡面。
圖2為工作中的聚光太陽(yáng)能收集器100的側(cè)視圖。與傳統(tǒng)的聚光太陽(yáng)能收集器類(lèi)似，收集器定位系統(tǒng)(圖中未示出，例如，在Amonix，Incorporated ofTorrance，California，U.S.A生產(chǎn)的MegaModuleTM系統(tǒng)中所使用的跟蹤系統(tǒng))被用于定位聚光太陽(yáng)能收集器100，使得光束LB(如太陽(yáng)光線)以所需的方向(如垂直于孔徑表面115)直接進(jìn)入孔徑表面115。光電電池120大致設(shè)置在會(huì)聚區(qū)F中，該聚光區(qū)F指光束LB被主鏡130、二級(jí)鏡140和任何中間光學(xué)結(jié)構(gòu)(例如，電通量聚集器)會(huì)聚的區(qū)域。為了便于在中心區(qū)域113中定位會(huì)聚區(qū)F，凸面112、主鏡130、凹面117和二級(jí)鏡140在光軸X上對(duì)中并大致繞光軸X對(duì)稱(chēng)設(shè)置(即，凸面112和凹面117的曲面部分由一繞光軸X旋轉(zhuǎn)的弧所限定)，其中，該光軸X沿大致垂直于孔徑表面15的方向延伸。
根據(jù)本發(fā)明，如圖2中的虛線箭頭CH1所示，在焦點(diǎn)F上產(chǎn)生的廢熱(即，由沒(méi)有被光電電池120轉(zhuǎn)化成電能的太陽(yáng)能所產(chǎn)生的熱量)，經(jīng)由中心部151(當(dāng)有散熱塊127時(shí)，經(jīng)過(guò)該散熱塊127)通過(guò)傳導(dǎo)熱傳遞被傳遞到外圍部152。對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)焦點(diǎn)用于既指由成像元件會(huì)聚也指由非成像元件會(huì)聚。如圖2中的虛線箭頭CH2所示，以這種方式傳向外圍部152的熱量通過(guò)主鏡130和凸面112被傳到光學(xué)元件110中，并通過(guò)傳導(dǎo)性熱傳遞被傳到孔徑表面115。如波狀虛線箭頭RH所示，熱量從孔徑表面115被輻射到空間中。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的聚光光電裝置200的立體分解示意圖。與聚光太陽(yáng)能收集器100相似，聚光太陽(yáng)能收集器200包括光學(xué)元件210、光電電池220、形成在光學(xué)元件210的凸面212上的主鏡230、形成在光學(xué)元件的凹面217上的二級(jí)鏡240、以及散熱器250。
如圖3所示，光學(xué)元件210包括繞孔徑表面215的外圍邊緣設(shè)置的六個(gè)相互鄰接的面219。如在共有且共同待決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)11/110,611(上述引用)中所詳細(xì)論述的，這種六面結(jié)構(gòu)有利于以高空間利用率的方式形成聚光太陽(yáng)能收集器200的大型陣列。在其它的實(shí)施例中，可以利用具有其它外圍形狀(如前面所述的聚集器100的圓形外圍形狀)的聚集器生產(chǎn)空間利用率較低的聚光太陽(yáng)能收集器陣列。在凸面212中限定(例如，模塑成)中心區(qū)(凹腔)213，用于容納光電電池220。
圖4為簡(jiǎn)化的、局部的分解剖視圖，具體示出了聚光光電裝置200的各個(gè)部件。
在一個(gè)實(shí)施例中，用于制造聚光光電裝置200的生產(chǎn)工藝從在光學(xué)元件210上形成主鏡230和二級(jí)鏡240開(kāi)始。首先，高反射性(鏡面)材料層232和242(如銀)分別被沉積在凸面212和凹面217上?？梢酝ㄟ^(guò)各種技術(shù)涂覆銀，包括建筑用途常用的在玻璃生產(chǎn)鏡子的液態(tài)鍍銀技術(shù)。銀也可以通過(guò)已知的如直流磁控濺射的濺射技術(shù)來(lái)涂覆。
接下來(lái)，防遷移層234和244(例如，銅)分別被沉積在高反射材料層232和242上。在浸液或噴霧技術(shù)中，這個(gè)過(guò)程典型地使用化學(xué)鍍Cu工藝(electroless Cu process)。在濺射工藝中，如鈦或鉻鎳鐵合金(inconel)的金屬被用于覆蓋并保護(hù)銀不銹蝕。接下來(lái)，可選的阻擋漆層236和246分別形成在防遷移層234和244上。典型地，通過(guò)噴涂工藝涂覆阻擋漆并在隨后烘烤以使阻擋漆變干變硬。
接下來(lái)，內(nèi)部粘合層260(如Dupont生產(chǎn)的EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)粘合劑)被沉積在阻擋層236上，而透明粘合劑228被沉積到凹腔213中。舉例來(lái)說(shuō)，凹腔213可以在進(jìn)行層壓工藝之前用未硬化的粘合劑填充。在涂覆內(nèi)部粘合層260時(shí)應(yīng)當(dāng)非常小心，以確保其不進(jìn)入到孔213中。在另一實(shí)施例中，粘合層260被粘附在散熱器250上，而不是光學(xué)元件210上。粘合層260的公稱(chēng)厚度約為100微米。關(guān)于聚光光電裝置200的各層的層壓的其它細(xì)節(jié)在共有且共同待決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中公開(kāi)，該專(zhuān)利申請(qǐng)的序列號(hào)為11/382,008，題目為“LAMINATED SOLAR CONCENTRATING PHOTOVOLTAIC DEVICE”[代理編號(hào)為No.20060351-US-NP(XCP-071)]中公開(kāi)，該專(zhuān)利申請(qǐng)與本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)一起提交并在此引入其全部?jī)?nèi)容作為參考。
制造散熱器250，并在將其安裝到粘合層260之前，與光電電池220組裝。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，散熱器250為包括形成在柔性襯底250A(例如，聚酰亞胺膜，如DuPont Electronics生產(chǎn)的Kapton，0.5mm厚)上的一層或多層傳導(dǎo)層250B(例如銅或其它金屬)的多層襯底(工業(yè)上稱(chēng)為“柔板(flex)”)?？梢允褂?M公司(美國(guó)明尼蘇達(dá)州圣保羅)的Kapton柔板制造散熱器250。如圖5所示，散熱器(柔板)250由平坦的薄片通過(guò)切割或其它方式構(gòu)成圖案而制成，使其包括中心部251和從該中心部251沿徑向延伸并被切口254分隔開(kāi)的多個(gè)外圍部252(徑向臂)。光電電池220典型地具有頂部(受光側(cè))電插頭和底部電插頭。安裝在散熱器250上并與之保持機(jī)械接觸和電接觸的光電電池220，其頂部電插頭可以與散熱塊電連接，該散熱塊又與柔板的一個(gè)導(dǎo)電部電連接。底部電插頭與柔板的第二導(dǎo)電部電連接。在熱傳導(dǎo)層250B中包括多個(gè)電通道的一個(gè)實(shí)施例中，光電電池220的基極和發(fā)射極均與熱傳導(dǎo)層250B電連接。在能量單元陣列中，傳導(dǎo)層250B的一部分可用于通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)從光電電池220將電流導(dǎo)出。光電電池220和熱傳導(dǎo)層250B之間可以直接連接，也可以通過(guò)中層封裝或散熱塊連接。在另一實(shí)施例中，銅傳導(dǎo)層可以由熱膨脹系數(shù)與光學(xué)元件210的更匹配但不是很好的導(dǎo)電體或?qū)狍w的金屬或合金(如合金42(Fe-Ni合金))替代。進(jìn)一步的改進(jìn)為利用粘結(jié)的層疊金屬，例如銅和合金42，來(lái)形成散熱器。這種結(jié)構(gòu)與銅相比具有優(yōu)良的熱膨脹特性，且不會(huì)降低電導(dǎo)率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，散熱器250通過(guò)粘合層260共形地貼附到主鏡230上，使得熱傳導(dǎo)層250B與光學(xué)元件210實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械接觸和熱接觸。通常，如圖5所示，柔板以張或卷的形式處理，所以其本身是平的。通過(guò)將散熱器250的外圍部252A和252B做成圖5所示的圖案，當(dāng)散熱器250被安裝到內(nèi)部粘合層260上時(shí)，柔性襯底250A和熱傳導(dǎo)層250B與彎曲的凸面212相適應(yīng)，如圖3和圖6所示，從而有利于對(duì)散熱器250造型，以在熱傳導(dǎo)層250B和光學(xué)元件210之間提供緊密地?zé)峤佑|?？梢栽谕鈬?52上打通孔，以有利于粘合層260和275之間的結(jié)合。
在可選的實(shí)施例中，可以使用既能實(shí)現(xiàn)熱傳遞又能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電功能的沖壓金屬片料作為散熱器250。當(dāng)多聚光光電裝置陣列并聯(lián)時(shí)，可以制作包括散熱塊、散熱器和接線的并具有在陣列外部系在一起的發(fā)射極和基極導(dǎo)線的沖壓件或成形件，從而在層壓之后可以將其整理并分開(kāi)。光電電池可以滑入到三明治結(jié)構(gòu)中，該三明治結(jié)構(gòu)以經(jīng)過(guò)一個(gè)焊接回流(solder reflow)步驟來(lái)進(jìn)行兩面接觸的結(jié)構(gòu)從電池前面套入并與背面相接觸。但是，這種設(shè)置的作用類(lèi)似于閘刀(guillotine)，當(dāng)施加壓力時(shí)可能會(huì)破壞電池。一可選的實(shí)施例中，利用單獨(dú)的沖壓金屬件或成形金屬件來(lái)形成在聚集器內(nèi)部的散熱塊、散熱器和電池陣列并聯(lián)接線的一邊。并聯(lián)接線的另一邊可以被設(shè)置為例如一塊柔板。關(guān)于熱嵌片的使用和其它的封裝特性在共有且共同待決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中公開(kāi)，該美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)為11/382,004，題目為“SOLAR CONCENTRATINGPHOTOVOLTAIC DEVICE WITH RESILIENT CELL PACKAGE ASSEMBLY”[代理編號(hào)為No.20060466-US-NP(XCP-070)]，該申請(qǐng)與本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)一起提交并在此引入其全部?jī)?nèi)容作為參考。
在另一可選的實(shí)施例中，一雙面散熱器裝置在Kapton襯底的兩側(cè)均設(shè)有銅。這會(huì)使結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，但會(huì)消除Kapton/EVA分界面。
之后，使用外部(例如，EVA)粘合層275將一塑料防護(hù)殼層270(例如，DuPont生產(chǎn)的厚度為150微米的Tedlar)固定到柔性襯底250A的暴露表面。由于Kapton為惰性材料，需要進(jìn)行表面處理以適于粘附到EVA。例如，可以在組裝前通過(guò)對(duì)Kapton表面進(jìn)行等離子體處理或?qū)apton使用硅烷偶聯(lián)劑來(lái)進(jìn)行表面處理。在一個(gè)實(shí)施例中，在將層疊的部件組裝到一起以進(jìn)行層壓之前，可以在該表面處理之后直接在柔性襯底上涂覆一層EVA。
聚光光電裝置200的柔性導(dǎo)體(例如，銅)沿側(cè)向的熱阻與光學(xué)元件玻璃沿垂直方向的熱阻是可比的，而聚光光電裝置200利用了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。其結(jié)果是，本發(fā)明的聚集器具有5mm至12mm厚的玻璃和70微米厚的銅層，該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)零件都不會(huì)成為從孔徑表面215熱傳遞的嚴(yán)重瓶頸。充足的散熱確保了在聚光光電裝置200的前面和背面的大面積上產(chǎn)生輻射冷卻和對(duì)流冷卻。這使得光電電池的表面溫度更加均勻且結(jié)溫(junction temperature)更低。正常工作條件下的聚光光電裝置200的熱模型，在環(huán)境溫度為300°K，電池轉(zhuǎn)換效率為35％的條件下，其結(jié)溫比環(huán)境溫度高不到30℃。盡管本裝置將太陽(yáng)光會(huì)聚幾百倍而且僅使用被動(dòng)冷卻，電池的結(jié)溫僅比傳統(tǒng)的不聚光的平板模式的太陽(yáng)光收集器高出了環(huán)境溫度約5℃。對(duì)這里所述的發(fā)明，在正常工作條件下，熱流計(jì)算預(yù)計(jì)67％或約三分之二的熱流穿過(guò)上表面流出聚集器。
雖然參照特定的具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明的發(fā)明特征還可以應(yīng)用到其它實(shí)施例中，所有這些都落入本發(fā)明的范圍中。舉例來(lái)說(shuō)，可以先形成主鏡和二級(jí)鏡，然后利用合適的粘接劑將其安裝到光學(xué)元件上，但這種嘗試會(huì)大幅度地增加生產(chǎn)成本。在另一可選實(shí)施例中，用于形成二級(jí)鏡的曲面可以是凸面而不是凹面，從而形成經(jīng)典的格利高里型系統(tǒng)(Gregorian type system)。在另一可選實(shí)施例中，用于形成主鏡和二級(jí)鏡的曲面可以是橢圓形的、橢球形的、球形的、和其他的曲面形狀。
權(quán)利要求
1.一種聚光光電裝置，包括固體的透光的光學(xué)元件，其包括相對(duì)的第一表面和第二表面，并限定了一焦點(diǎn)，該光學(xué)元件所接收的光被會(huì)聚到該焦點(diǎn)；散熱器，包括覆蓋該光學(xué)元件的焦點(diǎn)設(shè)置的中心部，以及一個(gè)或多個(gè)從該中心部在改第一表面上延伸的外圍部；以及光電電池，設(shè)置在散熱器的中心部上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光電裝置，其特征在于，所述散熱器具有從該中心部向該外圍部延伸的側(cè)向熱阻；所述光學(xué)元件具有從該第一表面向該第二表面延伸的截面熱阻；以及所述截面熱阻大于所述側(cè)向熱阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光電裝置，其特征在于，所述散熱器包括一個(gè)或者多個(gè)金屬鍍層，而所述光電電池與所述一個(gè)或者多個(gè)金屬鍍層電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光電裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件包括相對(duì)較大的凸面，該凸面限定了中心第一側(cè)區(qū)，以及相對(duì)的孔徑表面和相對(duì)較小的曲面，該相對(duì)較小的曲面位于該孔徑表面的中心部；所述中心第一側(cè)區(qū)包括一凹腔；以及該光電電池設(shè)置在該凹腔孔中在散熱器的中心部和光學(xué)元件的鄰近表面的之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚光光電裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括設(shè)置在凹腔中的在該光電電池和所述光學(xué)元件的鄰近表面之間的透明粘合劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚光光電裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述凸面和所述散熱器的外圍部之間的主鏡，以及設(shè)置在所述曲面上的二級(jí)鏡，其中，設(shè)置所述主鏡和二級(jí)鏡使得通過(guò)孔徑表面進(jìn)入到光學(xué)元件的光線會(huì)聚到該中心第一側(cè)區(qū)，從而該會(huì)聚的光在所述中心第一側(cè)區(qū)產(chǎn)生熱量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚光光電裝置，其特征在于，所述主鏡和所述二級(jí)鏡包括分別直接形成在所述凸面和所述凹面上的反射鏡膜。
8.一種制造聚光光電裝置的方法，包括形成一固體的透光的光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有限定了中心第一側(cè)區(qū)的相對(duì)較大的凸面、以及相對(duì)的孔徑表面和被限定在該孔徑表面的中心部的相對(duì)較小的曲面；形成一散熱器，所述散熱器包括覆蓋光學(xué)元件的中心第一側(cè)區(qū)而設(shè)置的中心部，以及從該中心部延伸的外圍部；以及將散熱器安裝到光學(xué)元件上，使得外圍部共形地設(shè)置在該凸面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將光電電池安裝到散熱器的中心部，其中，將散熱器安裝到光學(xué)元件包括在中心第一側(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置光電電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在將散熱器安裝到光學(xué)元件之前，將外圍部分割為多個(gè)徑向指狀物。
全文摘要
一種卡塞格侖型聚光太陽(yáng)能收集電池，包括設(shè)置在透光(如玻璃)光學(xué)元件的凸面和凹面上的主鏡和二級(jí)鏡。光進(jìn)入圍繞二級(jí)鏡的孔徑表面，并被主鏡反射射向二級(jí)鏡，該二級(jí)鏡再次反射該光到光電電池。光電電池安裝到覆蓋主鏡延伸的散熱器的中心部。散熱器以在光學(xué)元件上均勻分布熱量的方式從光電電池傳遞廢熱，從而將熱量最大限度地從孔徑表面輻射到空間中。該散熱器包括形成在柔性襯底(如聚酰亞胺薄膜)上的厚的銅層，該柔性襯底被設(shè)置成便于安裝到光學(xué)元件的凸面上的徑向臂的樣式。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101075646SQ20071010175
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月5日
發(fā)明者戴維·K·?？? 斯蒂芬·J·霍恩 申請(qǐng)人:索爾?？怂构煞萦邢薰? (施樂(lè)公司)帕洛阿爾托研究中心股份有限公司