專利名稱：窗上太陽能電池散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及聚光和照明，并且特別涉及LED、半導(dǎo)體激光器、太陽能電池和使用光學(xué)器件聚光或校準(zhǔn)光使得光電設(shè)備位于光學(xué)器件(具有光進(jìn)入或退出較大孔徑)的小孔徑處的其他應(yīng)用。這種情況例如在拋物柱面鏡的配置中存著，其中主焦點(diǎn)位于光學(xué)器件孔徑，并且光電設(shè)備位于主焦點(diǎn)。
背景技術(shù)：
光伏太陽能激光器關(guān)于電池位于系統(tǒng)的后面還是前面各不相同。在后一種情況下，其獲得了當(dāng)電池位于反射器的主焦點(diǎn)時(shí)，比位于后面的位置更困難的熱散除。防止散熱器阻擋任何太陽光的唯一方式是將其放到光伏(PV)電池組的上面，其中光錐已經(jīng)被電池組本身阻擋。然而，在這種情況下，僅當(dāng)散熱器不現(xiàn)實(shí)地高且細(xì)的情況下可以或者實(shí)質(zhì)的熱流散出。這樣的配置將是結(jié)構(gòu)脆弱并且美學(xué)不平衡的。這樣的使用XR光學(xué)設(shè)計(jì)(見US 6，639，733關(guān)于XR光學(xué)器件的描述)的前電池系統(tǒng)由Solar American Initiative的力口利福尼亞的 LLC, Boeing Phantom Works of California and Light PrescriptionsInnovators(LPI)開發(fā)，包括若干本發(fā)明的發(fā)明人。來自本項(xiàng)目的XR模塊的交付可以參見LPI 網(wǎng)站(http://www. lpi-llc.com/pdf/Boeing%20ICSC5%20poster.pdf)，下面被稱為“原型A”。散熱器和次級(jí)光學(xué)器件阻擋大約5%落入模塊面的太陽光。圖14示出了現(xiàn)有技術(shù)中的模塊，示出了在該模塊上相當(dāng)尺寸和復(fù)雜度的垂直散熱器。盡管該XR系統(tǒng)的熱性能非常好，但是散熱器具有缺點(diǎn)，包括它的大尺寸、高成本和難于密封。本發(fā)明的實(shí)施例的目的在于通過使得散熱器與透明前蓋集成或位于透明前蓋內(nèi)部來克服或減輕現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)?，F(xiàn)在大的蓋面積使其稱為熱管理鏈的最終鏈接，其還包括接合到蓋上或蓋內(nèi)部的導(dǎo)熱條的棋盤花紋。該細(xì)條也可以用于連接至設(shè)備，以及和陣列內(nèi)的其他條互聯(lián)。已經(jīng)設(shè)計(jì)了實(shí)施例，其中阻擋面積的百分比非常類似于(5-7%)Boeing和LPI的前述“原型A”XR模型。這個(gè)新的方法還可以利用到其他應(yīng)用中，例如在使用折疊光學(xué)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，其中對(duì)象板，其可以是源(LED)或接收器(PV電池)，面向主鏡，并且存在正面的玻璃窗，其可以被修改為用作散熱器。例如這樣的修改可以需要容納玻璃窗的更大熱擴(kuò)散。

發(fā)明內(nèi)容
在聚光和校準(zhǔn)光電應(yīng)用中，通常需要從對(duì)象板光電設(shè)備(例如LED、激光器、太陽能電池)提取熱量。為了這樣的目的通常使用金屬散熱器。在卡賽格倫(后焦點(diǎn))位置的情況下，散熱器可以具有附接的散熱片，以將熱傳遞到主鏡后面的周圍環(huán)境(通常是大氣)。光電設(shè)備的寬度與孔徑的寬度相比通常是小的(否則它將不會(huì)是聚光器)，但是附接的散熱設(shè)備不是。這是因?yàn)閷⒃诠怆娫O(shè)備生成的熱量傳遞到處于合理的溫度下降的環(huán)境所需的面積通常是與孔徑本身類似的面積。散熱片增加該面積但是不過多的增加散熱裝置容量，但是散熱裝置面積依然通常與光學(xué)元件孔徑是相當(dāng)?shù)?。本?shí)施例包括反射聚光器或準(zhǔn)直器的孔徑上的特殊透明蓋，還包括用于將光電設(shè)備的熱量傳播到蓋的內(nèi)部的裝置。當(dāng)熱被傳播時(shí)，熱可以容易地流過蓋的厚度指具有合理溫度下降的環(huán)境，即使玻璃和其他通常使用的蓋材料具有相對(duì)低的熱傳導(dǎo)性。這是因?yàn)闊崃髅娣e已經(jīng)增加了足夠，使得蓋展現(xiàn)了對(duì)熱流的低熱阻。如果熱是直接流過玻璃的，當(dāng)從玻璃的一面到另一面存在1° C溫差時(shí)，6_厚的玻璃將傳導(dǎo)166瓦/平方米。由此高效率太陽能電池的65%熱生成將需要在一個(gè)太陽(1000瓦/平方米)的4° C溫差，這是非常小的溫度下降。特殊蓋由玻璃板形成，在玻璃板上接合有熱傳導(dǎo)材料的細(xì)條，并且該細(xì)條從反射器焦點(diǎn)向外延伸，從而將對(duì)象板的熱量在玻璃蓋上傳播。該特殊蓋由此被稱為熱傳播透明蓋(HSTC)。因?yàn)闊崃勘仨氃诓Ａ蠙M向傳播以及通過玻璃，從金屬條到外部大氣的平均溫度下降如上面計(jì)算的那樣將是每6mm厚超過1° C，并且將依賴于條之間離得多遠(yuǎn)。細(xì)的熱傳導(dǎo)條在深度上可以是淺的(小于Imm)或者在遠(yuǎn)離玻璃的方向上如所需的那樣深。在熱傳導(dǎo)條是深的情況下，可以通過將熱傳導(dǎo)條附接于主鏡的表面以及前蓋而被用作結(jié)構(gòu)支撐。然而，在這種配置下，這些條必須跟隨入射輻射和鏡子反射流線。對(duì)于現(xiàn)有幾何結(jié)構(gòu)，支撐條由此是垂直的(垂直于前蓋)并且從電池徑向布置。此外，條可以是導(dǎo)電的，提供過孔用于多重需要，或者可以形成中空過孔，在中空過孔中運(yùn)行分離布線，其與條本身電絕緣。例如，條可以被用于串行連接PV電池陣列。此外，條可以使用反射太陽光的粘合劑來接合到前蓋，從而緩解由于吸收產(chǎn)生的熱堆積。深的條也可以是高度鏡反射的，從而減少熱堆積但是還將平直的入射光線重新引導(dǎo)到主鏡或光學(xué)器件，以及在相反方向上引導(dǎo)到對(duì)象板。這些鏡垂直條對(duì)于聚光器的光線操作干擾最小，因?yàn)樗鼈兏S入射輻射的流線。在某些典型的優(yōu)選實(shí)施例中，比較光學(xué)空間內(nèi)面積和提取至環(huán)境的余熱所需的面積是有用的。在大多數(shù)太陽能應(yīng)用中，光學(xué)孔徑面積足夠?qū)臒艄庠O(shè)備提取的余熱傳遞到環(huán)境(以合理的溫度升高)。例如，在光伏聚光器中的太陽能電池接收的能量小于具有與聚光器孔徑相同面積的一個(gè)太陽太陽能電池接收的能量。這是因?yàn)楣鈱W(xué)聚光器不具有100%的效率(好的光學(xué)效率是80%)，并且還因?yàn)榇蠖鄶?shù)聚光器不能將來自天空的漫輻射發(fā)送到光伏電池。漫輻射通常貢獻(xiàn)了追蹤太陽的平坦表面接收的總輻射的10-30%，每年進(jìn)行平均。在聚光器中，大多數(shù)損失的輻射是通過孔徑被反射出去的，但是一個(gè)太陽電池吸收了大部分。對(duì)于高效電池來說，許多聚光器電池的熱負(fù)載甚至更低(30%，最大到42%的效率)，所以這些電池實(shí)際上具有比傳統(tǒng)一個(gè)太陽電池更少的整體熱負(fù)載，其通常在15-17%效率的范圍內(nèi)。所有這些因素在一起可以將聚光器電池中的熱負(fù)載減少到大約一半具有與聚光器孔徑面積相等面積的傳統(tǒng)一個(gè)太陽電池的熱負(fù)載。傳統(tǒng)的一個(gè)太陽(沒有聚焦)模塊不需要散熱設(shè)備。這是因?yàn)樗鼈兊臒崦芏茸銐虻鸵詫醾魉偷江h(huán)境而不具有大的deltaT (通常不超過環(huán)境溫度以上25° C)?，F(xiàn)有一個(gè)太陽光伏模塊通常通過導(dǎo)熱后部以及通過前玻璃與環(huán)境交換熱。通過兩個(gè)面的傳導(dǎo)，它的電池至環(huán)境delta溫度等于聚光器的溫度，該聚光器具有僅通過前面消散熱的高效率電池。由此，聚光器電池將不會(huì)比它的大得多的一個(gè)太陽等效物具有更多的熱問題。光伏聚光器散熱設(shè)備的主要目的是將在電池處產(chǎn)生的熱在表面面積上傳播，該表面面積與孔徑的面積相當(dāng)。這是因?yàn)椴恍枰壬w玻璃的面積更多的面積來將熱傳遞到環(huán)境，假定與一個(gè)太陽光伏模塊相同的溫度上升。此外，本發(fā)明的聚光(多接合)電池的電池效率與一個(gè)太陽電池相比具有更小的溫度依賴性。這允許電池在更高的溫度操作而不具有大的不利后果。光伏聚光模塊通常具有串聯(lián)連接的大數(shù)目的電池。這是因?yàn)榫酃獾碾姵卦黾恿讼鄬?duì)于正常太陽光的光流，但是電池保持類似。增加電壓最簡(jiǎn)單的方法是串行連接陣列的電池。實(shí)現(xiàn)高輸出電壓O100V)提高了功率調(diào)節(jié)電子設(shè)備的效率，該設(shè)備通常連接至光伏模塊(例如AC/DC轉(zhuǎn)換器或最大功率點(diǎn)追蹤器或二者)的輸出。在相同的時(shí)間，通常期望將散熱設(shè)備彼此連接或者連接至普通金屬框或金屬外殼。因?yàn)樯嵩O(shè)備是金屬的，這個(gè)過程對(duì)于所有散熱設(shè)備建立了普通的電勢(shì)，由此必須與電池具有好的熱接觸同時(shí)保持與電池的電隔離。這需要使用薄層的電絕緣熱傳導(dǎo)材料鄰近于電池，這是電絕緣故障的電勢(shì)源。本發(fā)明的實(shí)施例通過使用玻璃蓋作為普通框來附接電池和散熱器，以傳統(tǒng)一個(gè)太陽電池中解決方式類似的方式解決該問題。本發(fā)明的實(shí)施例的目的在于對(duì)于前面裝配的聚光器光伏電池，在玻璃孔徑面積上提供足夠的熱傳導(dǎo)，具有最小的太陽光阻隔。因?yàn)殡姵卦诘蜏叵戮哂懈玫男?，將存在給出最大輸出的散熱器尺寸，與不能充分冷卻電池的較小的尺寸或者阻擋太多孔徑面積的較大尺寸相比。通過散熱器的熱傳導(dǎo)性(在環(huán)境溫度之上的瓦特/度)給出散熱器的效率，這與橫截面和熱傳導(dǎo)性成正比，并且與平均傳導(dǎo)距離成反比。增加傳播熱量的條的寬度將改善傳播但是將在那個(gè)家更大的阻擋。增加條的長(zhǎng)度將增加熱分布，直到條接近蓋玻璃可用面積的邊界，但是將增加阻擋。增加條的高度或深度(在遠(yuǎn)離透明蓋板的方向上)改善傳播，并且在阻擋上具有非常小的增加。由此，條的優(yōu)選形狀是具有高的縱向熱傳導(dǎo)和低的太陽光阻擋的垂直散熱片。假定它的高的熱傳導(dǎo)性，這些實(shí)施例的當(dāng)前優(yōu)選材料是銅。然而，先進(jìn)的熱元材料中期望的進(jìn)一步研發(fā)將導(dǎo)致更多的優(yōu)選材料變得可用。術(shù)語“垂直”用于表示與通常的蓋板垂直的方向，或者平行光線通過蓋板的方向。這兩個(gè)方向通常實(shí)質(zhì)上相同。其中設(shè)備是光伏聚光器，并且平行光線是發(fā)生的直接太陽光輻射，蓋方向?qū)⒊蛱柌⑶也皇俏淖忠饬x上的垂直。本實(shí)施例的方法是不能憑直覺得到的，其中該方法利用傳統(tǒng)上被看作絕緣體的材料，即玻璃。因?yàn)榉瓷淦鞑牧先菀资艿交覊m和雨的侵害，蓋玻璃變成常規(guī)的，即使在實(shí)施例中不具有大的孔徑處的折射元件，具有平坦表面比反射器盤更容易清潔的額外優(yōu)勢(shì)。密封的蓋使得控制的內(nèi)部空氣容量能夠被建立，使得電池可以更容易地與潮濕隔絕。


本發(fā)明的前述和其他方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合附圖從下面更具體的描述中變得顯而易見，其中圖IA是太陽能聚光器的實(shí)施例的分解圖；圖IB是組裝的圖IA的太陽能聚光器的視圖；圖IC是覆蓋到圖IA的聚光器的橫截面圖上的溫度輪廓線；圖ID示出覆蓋到圖IA的聚光器的俯視圖上的溫度輪廓線；圖2A是與圖IA聚光器類似的聚光器陣列的分解圖；圖2B是組裝的圖2A的陣列的視圖；圖3A是離軸聚光器的分解圖；圖3B是組裝的圖3A的聚光器的視圖；圖4A是雙離軸聚光器的分解圖；圖4B是組裝的從下面看的圖4A的雙聚光器的視圖；圖4C是組裝的從上面看的圖4A的雙聚光器的視圖；圖5A是與圖3類似的離軸聚光器的陣列的分解圖；圖5B是組裝的圖5A的陣列的視圖；圖6A是從聚光器陣列下面看的側(cè)視圖，包括軸上和雙離軸聚光器；圖6B是從上面看的圖6A的陣列的側(cè)視圖；圖7示出反射聚光器內(nèi)的內(nèi)部導(dǎo)電和對(duì)流散熱片的例子。圖8示出可選形式的導(dǎo)電條；圖9示出可選形式的導(dǎo)電散熱片；圖10示出具有開有溝槽的散熱片的另一個(gè)形式；圖11示出具有鋸齒形散熱片的另一個(gè)形式；圖12示出具有鋸齒狀條的另一個(gè)形式；
圖13示出覆蓋在圖IA的聚光器的橫截面圖上的氣流速度輪廓線；圖14示出了用于前面裝配的電池的現(xiàn)有技術(shù)的散熱器。
具體實(shí)施例方式參考下面的利用本發(fā)明的某些原理闡述示例性實(shí)施例的具體實(shí)施方式
和附圖可以得到本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)的更好理解。初始地參考圖IA到ID (統(tǒng)稱為圖1)，圖IA是太陽能聚光器10的分解圖，并且圖IB是組裝圖，該太陽能聚光器10包括裝配在基底2上的光伏(PV)芯片I ;從基底2徑向延伸的散熱器桿或條3 ;和覆蓋PV芯片I的次透鏡。具有散熱器桿6、PV芯片I的基底2裝配在玻璃蓋6的內(nèi)部,玻璃蓋6面向主反射器5。在一個(gè)例子中，主反射器5側(cè)邊是50mm并且次透鏡IOmm的直徑是10mm。主反射器5接收通過玻璃蓋6入射的直接太陽光線7，并且將光線聚集到次透鏡4上，次透鏡4將光線聚集到芯片I上，芯片I的側(cè)面是2. 24mm。散熱器桿3是O. 5_寬?；?和散熱器桿3具有O. 6mm的深度并且由銅(或具有適合的高傳導(dǎo)性的其他材料)制成。在圖IB中，并且在其他實(shí)施例的類似裝配視圖(見圖2B、3B、4B、4C、5B、6A、6B和7到12)中，為了清楚和簡(jiǎn)單的目的，省略了側(cè)壁、結(jié)構(gòu)支撐和電子鏈接。這些元件可以是公知的，并且可以從本領(lǐng)域讀者的公知知識(shí)提供。盡管所有光線7在芯片I上的極度聚光(幾何聚光500sUns)落入大得多的遮蓋物6，可以實(shí)現(xiàn)僅比環(huán)境溫度高50° C的電池delta溫度。這是基于如下若干因素在該位置的太陽能輻射是850W/m2，光學(xué)效率是80%，PV電池效率是31% (保守?cái)?shù)值)，并且遮蓋物6是普通的6mm厚的玻璃。在上述例子的實(shí)施方式中，必須從遮蓋物6消散的熱僅為I. 175W。這是相對(duì)小尺寸的該系統(tǒng)的直接優(yōu)勢(shì)，這有助于排列。在這種情況下，系統(tǒng)的阻擋百分比僅是7%，這與圖14的現(xiàn)有技術(shù)(具有更復(fù)雜更大和更貴的散熱設(shè)備)的5%相比很好。圖I所述的散熱器桿3是8重徑向?qū)ΨQ的，具有四個(gè)主徑向桿彼此90°定向，并且涵蓋玻璃蓋5的整個(gè)長(zhǎng)度和寬度，同時(shí)剩余的四個(gè)次散熱器桿具有相同長(zhǎng)度，但是距主散熱器桿45°。主散熱器桿可以被用作相鄰電池之間的電子過孔，和/或從外圍電池到外部的電子過孔，和/或與相鄰電池的散熱器桿的電子連接，或具有外部框。其他布置，包括其他η重對(duì)稱性和更復(fù)雜的平面棋盤布置可以被用于散熱器桿。例如，次散熱器桿可以比主散熱器桿更長(zhǎng)，以進(jìn)一步進(jìn)入遮蓋物6的角。圖IC示出了當(dāng)環(huán)境空氣處于25° C并且遮蓋物上方?jīng)]有風(fēng)的情況下，系統(tǒng)中溫度梯度的等高圖。板的傾斜在45°時(shí)設(shè)置為地，盡管這個(gè)可能每天變化或每個(gè)季節(jié)變化。軟件包COSMOS的仿真充分模擬了對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)效應(yīng)。假設(shè)主鏡具有面向次光學(xué)器件的具有低的輻射率(O. 05)涂層，聚光器10的后表面具有O. 95的輻射率(黑色塑料)，并且側(cè)壁是絕熱的。在PV電池，溫度等高線的值的范圍從30° C到最大75° C。圖IC示出了溫度等高線和光伏芯片I、散熱器桿6、次透鏡4、主反射器5和玻璃蓋6之間的關(guān)系，以剖面圖示出。本發(fā)明的計(jì)算示出了在通常的情況下，近似36%的熱耗散是來自玻璃蓋6的紅外輻射，剩余的熱耗散是傳導(dǎo)到玻璃蓋前面的空氣中并且由空氣對(duì)流進(jìn)行熱耗散。圖ID示出了從主反射器5朝向遮蓋物6看的透視剖面溫度等高線，并且示出了基底3和散熱器桿3。溫度梯度等高線以5°的間隔從45° C到70° C。在光伏芯片I的最大溫度是75° C (參見圖IA和1C)。在圖IA和IB中，聚光器10的側(cè)面示出為開放的。在圖IC和ID中，示出了側(cè)壁。當(dāng)側(cè)壁隔開兩個(gè)相同的電池10并且側(cè)壁是反射的由此到達(dá)側(cè)壁的任何側(cè)擊光線被反射回到主鏡5時(shí)，兩個(gè)配置之間存在非常小的性能差異。側(cè)壁改善了強(qiáng)度和剛性，但是使得構(gòu)造更復(fù)雜，并且通過防止在若干電池上方的大規(guī)模對(duì)流氣體流動(dòng)來減少電池內(nèi)部的對(duì)流，但是如參考圖13下面描述的那樣，電池內(nèi)部的對(duì)流不強(qiáng)。如上所述，設(shè)備10是太陽能聚光器，其中元件I是光伏電池。元件I能夠可替代地為一些其他光電設(shè)備，例如，發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。設(shè)備10然后可以與相反方向行進(jìn)光線一起工作作為發(fā)射高準(zhǔn)直光束的光源。本領(lǐng)域讀者將理解設(shè)備10的其他應(yīng)用，校準(zhǔn)和聚光，是可能的。圖2A和2B (統(tǒng)稱為圖2)示出了圖I的激光器陣列，裝配在大的連續(xù)的作為防護(hù)板的玻璃板25上。所示的板25可以是更大的玻璃板的一部分。圖2A是陣列20的分解圖，包括太陽能電池21、散熱器組件22、次透鏡23、主反射器24 (也形成為波紋板的一部分)和玻璃蓋25。陣列20或陣列20僅為其中一部分的較大的陣列，或者包括陣列20的陣列的較大的陣列可以在操作時(shí)被裝配在追蹤板(未顯示)上。用于太陽能發(fā)電的PV電池陣列的二維追蹤技術(shù)是公知的，并且為了簡(jiǎn)潔的目的，自此不再討論。如圖2A所示，散熱器3的長(zhǎng)臂在各個(gè)激光器之間的邊界上是連續(xù)的，使得組件22在整個(gè)陣列上形成了連續(xù)的金屬網(wǎng)格，保持均勻的電子地電勢(shì)和減少電池之間的任何溫度差異。連續(xù)的臂還可以提供用于電連接PV電池21的布線的電子過孔。圖2B示出了組裝的陣列20，除了電池21被隱藏在次透鏡23下面之外，具有與圖2A相同的附圖標(biāo)記。還示出了直接太陽光線26，其被主鏡24聚焦到次透鏡23，次透鏡23將這些光線聚焦到內(nèi)部的電池21上。圖3A和3B (統(tǒng)稱為圖3)示出了不對(duì)稱的聚光器30，包括電池31、散熱器32、次透鏡33、主鏡34和玻璃蓋35。不對(duì)稱聚光器30可以被看作矩形聚光器的一半。當(dāng)次透鏡33在其側(cè)面具有反射器33R時(shí)，電池31可以具有一半尺寸，用于使得聚光加倍。這個(gè)系統(tǒng)的溫度梯度非常類似于圖I的對(duì)象板XR實(shí)施例。不對(duì)稱散熱器結(jié)構(gòu)對(duì)于這樣的實(shí)施例是有用的，當(dāng)如圖5所示布置時(shí)，其可以被稱為鋸齒配置。在這種情況下，在端單元上的散熱器的布置不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。圖3A是不對(duì)稱聚光器30的分解圖，圖3B示出了組裝的聚光器30，示出了相同的元件，以及直接太陽光線36，主鏡34將太陽光線36聚焦到次透鏡33，次透鏡33將其聚光到內(nèi)部的電池31。圖4A到4C (統(tǒng)稱為圖4)示出了雙聚光器40，包括與圖3中類似的兩個(gè)不對(duì)稱聚光器。每個(gè)單個(gè)聚光器包括兩個(gè)PV電池41中的一個(gè)、散熱器葉片42、次透鏡43的一半，主反射器44的一半，和它的部分玻璃蓋45。兩個(gè)聚光器背對(duì)背裝配，它們的PV電池41在一起。在圖4A中，I梁46是框架保持玻璃蓋45的一部分，并且是金屬的以包括用于電池41的主熱排除器，I梁46與熱排除器緊密熱接觸。這個(gè)系統(tǒng)的熱性能與圖I的實(shí)施例(旋轉(zhuǎn)對(duì)稱情況)和圖3中(不對(duì)稱情況)相同，即使在圖4的實(shí)施例中，在PV電池41的能量密
9度近似高兩倍。這是兩個(gè)電池41彼此裝配的非常近的結(jié)果。然而，I梁46可以處理是前述實(shí)施例中兩倍的更高的熱負(fù)載，由此導(dǎo)致與以前相同PV電池的相同溫度。這是有用的，因?yàn)镮梁可以被用于將陣列中的一個(gè)玻璃蓋連接至另一個(gè)。除了在PV電池具有相同溫度之外，I梁散熱器配置還阻擋不比前面的實(shí)施例更多的入射光。這可以使得混合系統(tǒng)例如圖6所示的實(shí)施例能夠有效地工作，因?yàn)樗蠵V電池的溫度是相同的，使得所有電池的光電流生成是相同的。光電流相等是重要的，因?yàn)榇须娺B接的PV電池的陣列運(yùn)行在串行的任何電池的最低光電流。圖4還示出了在鏡44中的接合，該接合與I梁46對(duì)齊。這使得模塊(每個(gè)由單個(gè)聚光器10、30的陣列組成)能夠在工廠制造并且然后通過在I梁46將它們接合和鏡44中對(duì)應(yīng)的接合而組裝成更大的板。如果完整的板太大不方便運(yùn)輸，模塊可以被運(yùn)送到安裝地點(diǎn)來組裝?？蛇x地，如果板是可運(yùn)輸?shù)牡菍?duì)于使用可用設(shè)備進(jìn)行單位制造太大，板也可以在工廠組裝。圖4A示出了聚光器40的分解圖，圖4B示出了組裝的聚光器40，還有太陽光線47，主鏡44將太陽光線37聚集到次透鏡43。圖4C是與圖4B類似的視圖，但是如上所述，還示出了入射的太陽光線47。圖5A和5B (統(tǒng)稱為圖5)示出了與圖3的聚光器30類似的多個(gè)離軸聚光器的陣列50。陣列50包括PV電池51、散熱器52、次透鏡53、在單片材料中的多個(gè)主鏡54和玻璃蓋板55。這個(gè)系統(tǒng)的溫度梯度類似于圖IC和圖ID所示的。圖5A示出了陣列50的分解圖。圖5B示出了組裝的陣列50，還有輸入直接太陽光線56，主鏡54將直接的太陽光線56聚集到次透鏡53，次透鏡53反過來將光線聚焦到電池51。主鏡54在相鄰行的聚光器之間具有壁,在圖5中壁與玻璃蓋55垂直。為了增加陣列50的剛性和強(qiáng)度，壁可以延伸以達(dá)到玻璃的背面。圖6A和6B (統(tǒng)稱為圖6)不出了對(duì)稱和不對(duì)稱聚光器的另一個(gè)組合。圖6A從下面和從一側(cè)不出了光伏陣列60,陣列60包括散熱器62、單個(gè)電池對(duì)稱次透鏡63S、雙電池次透鏡63D、對(duì)稱主反射器64S、不對(duì)稱主反射器64A、防護(hù)板65和熱傳導(dǎo)I梁66。I梁66還可以用作結(jié)構(gòu)地將上部元件連接到主反射器64S的元件。然而，這需要被插入并且連接至I梁66和主反射器64S的額外的垂直結(jié)構(gòu)兀件(沒有不出)。圖6B示出了從陣列60的上面看到的側(cè)視圖，還示出了入射的直接太陽光線67，不對(duì)稱的主反射器64A將太陽光線67聚集到雙次透鏡63D，并且對(duì)稱的主反射器64S將其聚集到次透鏡66S。圖4中的I梁框架部件46和圖6中的65描述了本發(fā)明的實(shí)施例被組裝成大數(shù)目的陣列的能力，例如當(dāng)超過600個(gè)2” (50mm)正方形反射器位于3X6英尺(900X 1800mm)面板，該陣列填充了大的面板。陣列60然后可以主要由與圖I所示的聚光器10類似的聚光器組成，但是具有與圖4的聚光器40類似的雙不對(duì)稱聚光器，從而利用在模塊之間的接合處的I梁框架部件45。假定這里公開的聚光器的閉合環(huán)境，期望內(nèi)部空氣僅持有弱對(duì)流，至少是較小的形式。通過如上圖I給出的尺寸，玻璃蓋6等和主鏡5等的之間的空間僅為約一英尺(25_)，其對(duì)于強(qiáng)對(duì)流來說太窄了。這由下面的圖13所示的等速線1310示出。然而，在較
10大的形式中，氣體可以處于對(duì)流運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于增加從電池到它的熱路徑是有利的。圖7示出了另一個(gè)實(shí)施例，反射聚光器700包括光伏電池701、次透鏡702、主鏡703、散熱片704和玻璃蓋705。散熱片704垂直延伸(垂直于玻璃蓋)并且由此具有大的表面，增加了熱傳導(dǎo)。在這種情況下，散熱片也可以由比銅更便宜的材料制成，因?yàn)橐稽c(diǎn)多余的高度將彌補(bǔ)任何得到的傳導(dǎo)性的減小。它們與空氣的更大的接觸面積也增加了內(nèi)部對(duì)流，盡管它們也用作阻礙對(duì)流的折流裝置。然而，它們可以有利地用于使得玻璃蓋705變硬。散熱片704具有與基底714接合的傾斜切割端704S，在基底上裝配有PV電池701。傾斜切割端704S減少?gòu)闹麋R702入射的反射太陽光的阻擋。圖8示出了與圖I的聚光器類似的設(shè)備800，除了傳導(dǎo)條或桿802現(xiàn)在具有樹狀結(jié)構(gòu)。這些條也可以是垂直于玻璃蓋804延伸的散熱片，如圖7中的散熱片704。為了增強(qiáng)熱傳導(dǎo)性但是使得遮蔽最小化，徑向傳導(dǎo)元件806可以是深的散熱片704，并且傾斜的元件808可以是細(xì)條。這個(gè)新的散熱片結(jié)構(gòu)將熱量更均勻地傳播到玻璃蓋804。總地來說，目的是使得玻璃蓋上的任何點(diǎn)距金屬散熱器802的距離最小化。在整個(gè)玻璃蓋上均勻傳播的溫度改善了向空氣的熱傳遞并且將玻璃和金屬的溫度降低到更接近于PV電池，由此PV電池變得更涼。如圖3的實(shí)施例所示，散熱器桿不需要具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。然而，如果它們具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，則不需要η個(gè)臂的完全η重對(duì)稱性。此外，它們不用必須是直的。例如，不規(guī)則碎片布置也可以，其使用樹狀(較大的分支源自許多較小的分支)2D棋牌布置。最后，可以增加一些或所有散熱器的深度，以改善熱傳導(dǎo)性并且通過元件的溫度梯度的均勻性，從而減輕散熱器的潛在地將玻璃蓋分層或者甚至打破玻璃蓋的可能性。熱工程領(lǐng)域的普通技術(shù)人員當(dāng)完全理解本申請(qǐng)中教導(dǎo)的原理時(shí)能夠得到多個(gè)方案。圖9示出了另一個(gè)配置，其中散熱器桿具有分支以改善玻璃蓋上的熱分布。反射聚光器900包括光伏電池901、次透鏡902、主鏡903、散熱片904和玻璃蓋905。與圖8相同，圖9所示的橫向散熱片904可預(yù)見地遮蔽電池，特別是最接近于PV電池902的橫向散熱片。由此，減少這些散熱片的深度是有益的，特別是在其尖端。因?yàn)閱蝹€(gè)聚光器900是矩形的，主鏡903在其角最接近于玻璃蓋，使得反射的光與從側(cè)面的中間的入射角相比，從角以更平坦的最小入射角接近PV電池901。圖10示出了反射聚光器1000，包括具有上部槽1002和下部槽1003的散熱片1001。這些槽給出了一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和能力來調(diào)節(jié)金屬和玻璃被加熱到正常操作時(shí)的不均勻膨脹。圖11示出了另一個(gè)反射聚光器1100，包括主鏡1104、玻璃蓋1105、中央基底或熱板1101，和具有鋸齒或之字形角1103的散熱片1102。在圖7的情況下，銅的熱膨脹(比玻璃的更大)將導(dǎo)致銅條的尖端相對(duì)于玻璃的相對(duì)大的移動(dòng)。在圖11中這可以通過散熱片的之字形幾何性質(zhì)1102、1103避免。這個(gè)之字形形狀使得每個(gè)段的膨脹本地化(并且也小得多)，由此避免在遠(yuǎn)離1101的徑向方向上不同段堆積的熱膨脹的徑向增加。此外，這種散熱片提供了更均勻的玻璃蓋覆蓋，改善了散熱均勻性。通過從中心進(jìn)一步增加之字形的幅度來進(jìn)一步改善均勻性。這些之字形散熱片也可以給出如圖8所示的樹狀結(jié)構(gòu)，通過之字形散熱片替代直的散熱片。
圖12示出了另一個(gè)反射聚光器1200，包括主鏡1201、玻璃蓋1202和徑向之字形散熱片1203，具有與圖6相同的之字形幾何結(jié)構(gòu)，但是散熱片的高度小得多(在垂直軸玻璃蓋方向上)，更類似于圖I。當(dāng)與金屬相比，玻璃的傳導(dǎo)率對(duì)散熱的限制多得多，使得長(zhǎng)的細(xì)金屬條是可以接受的，從而實(shí)現(xiàn)玻璃上的更短距離。這是不同實(shí)施例的特性可以被組合和替代以提供另一個(gè)優(yōu)勢(shì)實(shí)施例并實(shí)現(xiàn)特定需要的例子。圖13不出了氣流速度圖1300,用于與圖I的聚光器10類似的聚光器1301 (橫截面所示)。等速線1302由圖形1310編碼，以mm/s列出了速度值。在聚光器內(nèi)部，空氣速度在玻璃蓋附近是20毫米/秒或更小，在聚光器底部附近增加到大約40mm/s。低的空氣速度確保了在聚光器內(nèi)部不存在過多對(duì)流，并且很少的熱被傳遞給主鏡。聚光器1301之外的速度聚光器下面大約為20mm/s并且面向上的面上面大約40mm/s，并且在頂角大約上升為80mm/s。在聚光器1301上面存在羽狀加速效應(yīng)，導(dǎo)致在向上流的中心處的小區(qū)域1320中垂直速度高達(dá)200mm/s。圖14示出了現(xiàn)有技術(shù)反射聚光器1400，包括從玻璃蓋1404向前突出的傳統(tǒng)散熱設(shè)備1402。散熱設(shè)備1402非常容易被損壞并且由灰塵和污垢堵塞。此外，它將妨礙玻璃蓋1404的清潔，特別是在大陣列的情況下。金屬散熱片1402的堆疊可以使用柔性熱傳導(dǎo)粘合劑粘結(jié)到玻璃蓋上?？梢詮V泛地使用適合的粘合劑?？梢匀缦掳l(fā)現(xiàn)具有高柔性和延長(zhǎng)性的熱傳導(dǎo)電絕緣粘合劑的例子http: //www. masterbond. com/sg/masterbond_tcsg. pdf,以及在 http: //solutions. 3m.com/.，見例如3M熱傳導(dǎo)粘合傳送條9882，其是2. 0密耳(0. 05mm)熱傳導(dǎo)粘合傳送條，用于裝配柔性熱薄片、溫度指示薄膜和熱電冷卻模塊，以及將柔性電路接合到散熱設(shè)備。例如參見3M熱傳導(dǎo)粘合傳送條9885，其是5. O密耳(O. 13mm)熱傳導(dǎo)粘合傳送條，用于裝配熱電冷卻模塊、將柔性電路接合到散熱設(shè)備、將散熱設(shè)備接合到微處理器以及將TAB裝配的IC接合到PCB。用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的當(dāng)前考慮的最佳模式的前述描述并不用于限制目的，但是僅用于描述本發(fā)明的基本原理。從所述的特定實(shí)施例的變形是可能的。例如，上面交叉索引的專利和專利申請(qǐng)描述了可以與本申請(qǐng)的教導(dǎo)有利地結(jié)合的系統(tǒng)和方法。盡管描述了特定實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解到如何組合不同實(shí)施例的特征。通過平坦玻璃蓋描述了所有實(shí)施例，其具有附接于玻璃蓋內(nèi)面的散熱器。這是優(yōu)選的，因?yàn)椴婚g斷的平滑平坦外部表面(除了也許用于I梁46、66或其他這樣的框架)允許容易地清潔玻璃蓋的外部。在聚光太陽能光伏設(shè)備中這是重要的，因?yàn)榛覊m聚集的太陽光不能聚集，減少了設(shè)備的效率。盡管描述了防護(hù)“玻璃蓋”，當(dāng)然也可以使用其他透明材料。然而，玻璃是便宜的、堅(jiān)硬的并且廣泛地可獲得大的平滑平坦片，其具有公知的熟悉并且熟悉處理特性。玻璃由此在大多數(shù)應(yīng)用中是優(yōu)選的。在所述實(shí)施例中，每個(gè)聚光器具有單一的主鏡和單一的次透鏡。其他配置也是可能的。例如，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解到如何應(yīng)用上述US2010/0123954的某些原理。該申請(qǐng)描述了聚光器，其中主鏡和次光學(xué)元件均包括將光聚焦到單個(gè)PV電池的若干小面。本申請(qǐng)圖3-5中的次透鏡中和圖7-12中的主鏡上的細(xì)分可以被解釋作為光學(xué)表面的簡(jiǎn)單細(xì)分的象征。這里公開的散熱器的傳導(dǎo)條的目的是將電池內(nèi)生成的熱均勻地傳播到大的玻璃蓋上。這與太陽能電池中發(fā)生的是并行的，僅為大約另一種方式。在電池內(nèi)，通過電池均勻地生成電子空穴對(duì)，但是為了生成電能，它們必須被收集，通常通過金屬噴鍍網(wǎng)格被收集。由于在金屬噴鍍網(wǎng)格中元件的非常小的寬度和隨后可能需要的精確校準(zhǔn)，很難在電池上產(chǎn)生如圖中相同類型的條。然而，通過散熱器條之間布置的小透鏡將防護(hù)板上的熱條成像在電池的金屬噴鍍條上是可能的。這樣的選項(xiàng)對(duì)于聚光器來說例如是具有平滑鏡的科勒聚光器。圖8可以示出這一概念，具有網(wǎng)格狀的散熱器904，光學(xué)元件(具有感覺不到的彎曲而不能被識(shí)別的小透鏡)位于玻璃蓋905的內(nèi)表面。這樣的元件(通過鏡)將系統(tǒng)接受角(通常大于±1° )成像到覆蓋金屬噴鍍條之間的太陽能電池(也是太小而看不到)的絕緣次光學(xué)元件。絕緣的次光學(xué)元件可以(通過鏡)將玻璃蓋上的小透鏡成像到太陽能電池上。該次光學(xué)元件也可以將玻璃蓋上的散熱器條成像到太陽能電池上。如果蓋上的條圖案和電池上的金屬噴鍍網(wǎng)格是彼此的圖像(它們的圖案匹配)，條投射的陰影可以被成像到金屬噴鍍的網(wǎng)格上，其不是活性的。這將有效地消除玻璃蓋下面的條產(chǎn)生的損耗，盡管在電池金屬噴鍍網(wǎng)格的額外精確的邊際成本。在玻璃蓋上形成了小透鏡或其他光線活性表面，通常優(yōu)選地在蓋的內(nèi)部在金屬噴鍍的條之間形成這樣的表面。然后，蓋的外部仍然是平滑的，并且通常平坦的，從而便于清潔。本發(fā)明的全部范圍應(yīng)當(dāng)參考權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種光電設(shè)備，包括透明蓋板；對(duì)象板，包括裝配在所述透明蓋板的內(nèi)面的光電轉(zhuǎn)換器，所述對(duì)象板在操作中產(chǎn)生余執(zhí).主鏡，布置為在將光聚集到所述對(duì)象板和通常校準(zhǔn)地通過所述蓋板之間反射光；以及散熱器，與所述對(duì)象板熱接觸，所述散熱器包括將所述對(duì)象板和所述蓋板的內(nèi)表面熱接觸的熱導(dǎo)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中，所述對(duì)象板還包括布置在所述之間和所述光電轉(zhuǎn)換器之間的次透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中，所述光電之前包括多接合光伏電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中，所述散熱器附接于所述透明蓋板的內(nèi)面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中，所述熱導(dǎo)體包括從所述對(duì)象板向外延伸的輻條。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，至少部分所述所述輻條在遠(yuǎn)離所述蓋板的方向上比在與它們的長(zhǎng)度橫向并且平行于所述蓋板的方向上的它們的寬度更高。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，至少一些所述輻條具有從所述蓋板一直延伸到所述主鏡的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述輻條在所述蓋板的所述內(nèi)表面上呈鋸齒形。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述輻條包括從所述對(duì)象板向外連接的分支。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，至少一個(gè)所述輻條延伸到設(shè)備的邊緣，并且形成過孔用于電連接至所述高度轉(zhuǎn)換器。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述輻條阻擋少于10%的通過所述蓋板進(jìn)出所述光電轉(zhuǎn)換器的光。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述輻條阻擋少于7%的通過所述蓋板進(jìn)出所述光電轉(zhuǎn)換器的光。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述輻條阻擋少于5%的通過所述蓋板進(jìn)出所述光電轉(zhuǎn)換器的光。
14.一種光電陣列，包括普通透明蓋板；和多個(gè)光電設(shè)備，每個(gè)所述設(shè)備包括對(duì)象板，包括裝配在所述透明蓋板的內(nèi)面的光電轉(zhuǎn)換器；主鏡，布置為在將光聚集到所述對(duì)象板和通常校準(zhǔn)地通過所述蓋板之間反射光；以及散熱器，與所述光電轉(zhuǎn)換器熱接觸，所述散熱器包括布置在所述主鏡和所述蓋板之間并且與所述蓋板熱接觸的向外延伸的導(dǎo)熱臂。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的陣列，其中，至少一些所述臂在相鄰的光電設(shè)備之間是連續(xù)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的陣列，其中，所述連續(xù)的臂是導(dǎo)電的，并且形成連接所述光電設(shè)備的普通電勢(shì)的網(wǎng)絡(luò)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的陣列，其中，所述連續(xù)的臂形成過孔，所述過孔包括不同的所述光電設(shè)備的所述光電轉(zhuǎn)換器之間的電連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的陣列，其中，至少一個(gè)所述臂裝配在所述透明蓋板的邊緣處的不透明支撐件，所述支撐件形成了所述散熱器的一部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的陣列，包括兩個(gè)所述普通透明蓋板，其中所述支撐件接合并支撐所述兩個(gè)蓋板。
20.一種太陽能聚光器，包括聚光光學(xué)器件、對(duì)象板、透明蓋和散熱器，所述散熱器包括與所述對(duì)象板熱接觸的基底和從所述基底徑向延伸的多個(gè)輻條，所述散熱器的材料具有高導(dǎo)熱性，所述散熱器與所述透明蓋熱接觸。
全文摘要
具有光源或光伏聚光器的光電設(shè)備具有透明蓋板。具有在操作中產(chǎn)生余熱的光電轉(zhuǎn)換器的對(duì)象板被裝配到透明蓋板的內(nèi)面。主鏡在將光聚集到對(duì)象板和通過蓋板通常校準(zhǔn)地通過光之間反射光。散熱器與對(duì)象板熱接觸。散熱器具有熱導(dǎo)體，其將對(duì)象板與蓋板的內(nèi)部熱接觸。熱導(dǎo)體可以是徑向向外延伸的臂，并且可以是直的，之字形的或者分支的。對(duì)象板的陣列可以裝配在普通蓋板上，并且它們的散熱器可以從對(duì)象板到對(duì)象板是連續(xù)的。
文檔編號(hào)H01L31/052GK102934238SQ201080062380
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者J·C·米納諾, P·本尼茲, J·C·查韋斯, W·法利科夫, Y·孫 申請(qǐng)人:光處方革新有限公司