降低太阳能光电池每瓦成本的太阳光伏装置和系统

摘要

一种使用混合太阳光伏和聚光伏的系统，用以降低太阳光伏系统的生产成本。特别是提出一种简化近抛物线太阳能低聚光光伏系统，具有较大的追踪器指向误差容忍度。近抛物线反射槽是以离焦来覆盖在整个线性太阳能板阵列上，线性太阳能板是从一个大长方形太阳光伏面板缩减而成。总结来说，近抛物线太阳光伏系统是由低成本的近抛物线反射板、一组较密集而低成本的线型太阳光电池阵列以及一宽松要求的单轴式或双轴式太阳追踪器所组成，这些较低成本的技术结合可以让太阳光伏系统每千瓦小时的生产成本降到最低。

说明书

【技术领域】

本发明是关于一种混合太阳光伏(photovoltaic，PV)及太阳聚光伏系统(concentrated photovoltaic，CPV)的方法及其装置，用以降低太阳光伏系统的生产成本。特别是所揭露的方法提出一种简化近抛物线低聚光的太阳光伏系统(quasi-parabolic trough PV，QPTPV)，具有较大的追踪器指向误差容忍度。近抛物槽(quasi-parabolic trough，QPT)反射镜是以离焦来覆盖在整个线性太阳能板阵列上，线性太阳能板是从一个大长方形太阳能电池面板减缩而成。总地来说，近抛物线太阳光伏系统是由低成本的近抛物线反射板、一组较密集而低成本的线型太阳能光电池阵列以及一宽松要求的单轴式或双轴式太阳追踪器所组成，这些较低成本的技术结合可以让太阳能光电系统每千瓦小时的生产成本降到最低。

【背景技术】

太阳光伏面板通常由一个二维阵列的太阳能电池所建构，封装在长方形的太阳能面板上，用以积累太阳能，但并无聚光而转化成实用的电力。此外，如果太阳能板安装在双轴式太阳追踪器上，使得所述太阳能光电池面板在任何时候都能面向太阳，相对于固定式模块可以收集多约40％至50％的太阳能。由于住宅屋顶安装上的限制，常见在住宅屋顶上的太阳能光电池面板通常是固定式的硅电池面板。硅电池面板较其他种类的高效率太阳能电池(例如多接面镓电池)便宜得多。在当今市场最好的硅电池效率已超过20％，而太阳能电池效率在实验室甚至可达到25％。然而，硅电池面板若没有太阳的聚光，需要大量的硅电池以覆盖整个太阳能电池面板。由于制造的困难，较高效率的硅电池(超过20％)需较高的成本。因此，屋顶太阳能板主要是低效率(15％-17％)的硅电池。在2010年，硅电池面板的零售价格大约每瓦2美元，屋顶安装费用约为每瓦5至6美元。对现今业界而言，提出以一个简化的程序将利用带有双轴式太阳追踪器的QPTPV系统来将太阳光伏生产成本降至约1美元，是不可想象的。然而，本发明正是提出了一种系统性的方法和装置，可以实现这个最低成本的目标。

对于太阳能聚光电池系统来说，由于原料稀少和复杂的处理步骤及低产出，使得多接面太阳能电池昂贵得多。当今三接面太阳能电池的效率可以达到两倍于单结硅电池，约为40％左右或更高。但这种电池的价格超高于硅电池；因此要将数百到数千倍的高度聚光，以节省太阳能电池的成本，也同时达到高效率。因此，目前三接面太阳能电池切割成非常小的单元尺寸，约1平方厘米或更少，以节省电池成本。此外还需依靠精密的聚光装置，才能达到高能量转换效率。太阳能聚光电池系统所要求的是以太阳能板用追踪器直接面对阳光照射，以精密的光学太阳能追踪器收集太阳光束。太阳能聚光电池系统的主要成本费用为传统式高精度双轴式太阳能追踪器、两阶段聚光学系统及冷却系统和超高价位的聚光电池。目前太阳能聚光电池每瓦的安装成本远高于太阳能光电池面板。

在太阳能光电池系统使用的追踪器成本必须低于太阳能板总成本的40％，因为使用双轴式太阳追踪器改善太阳能光电池的发电量大约是40％至50％不等而取决于当地纬度和面板的固定安装方向。目前的双轴式太阳追踪器在市场上的价格很少低于太阳能板的40％成本。因此，除非有大型太阳能电站指定使用，否则双轴式太阳追踪器很少用于太阳能光电池。由于目前双轴式太阳追踪器成本高，有较多的固定式面板或单轴式太阳追踪器应用在大型发电站。

因为一般太阳能聚光电池很微小，大约1平方厘米，所以太阳能聚光电池系统的追踪器需要高精密度。指向误差可以很容易导致太阳光聚焦在电池板区域外。即使使用一些辅助的光学或镜面漏斗收集器(mirror funnel collector)减轻指向误差的影响，太阳能追踪器仍然需要高指向精密度，典型的指向精密度控制在0.25度以下。相反地，太阳能追踪器用于太阳光伏面板则不需要高指向精密度。太阳能光电板即使倾斜也能收集太阳能，例如用在屋顶上。其效率是和太阳射线与法线(垂直线)夹角的余弦值(cos)成正比。举例来说，如果太阳射线与法线的夹角是5度，其效率仍然是垂直太阳射线的99.6％(即COS 5°)。

总地来说，可以得出下列结论：双轴式太阳追踪器的指向要求是可以放宽的用在太阳光伏系统。例如，太阳光伏的追踪控制器可以使用一个开路系统，只记忆太阳轨道上的位置(太阳历)无须太阳传感器。在则，本发明提出可以使用一个输出功率回授指向算法来实现最大输出功率。只要光电池产生出最大的输出功率指向分辨率可以放宽。这些放宽指向器的要求可以降低追踪器的成本。申请人在另提出一项发明申请，提出了若干装置和系统，可以大幅降低太阳能追踪器的成本。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种有别于现有太阳光伏系统或太阳聚光伏系统的光电系统及装置，让成本可以低于目前任何一种太阳聚光伏系统及太阳光伏系统。

本发明所揭露的QPTPV系统是采用价格相当低廉的近抛物线反射槽板(QPT)。而本发明还揭露一种制作近抛物线反射槽板的技术。近抛物线反射槽板不像真正的抛物线槽或抛物线反射碟一样具备高聚光率，但却可以很容易地用一块自然弯曲且正面覆盖一镜片的金属或塑料反射板制成。在此覆盖镜片的表面，可以覆上一层因应天气变化的保护膜，并可再弹性覆上一纳米材质膜，兼具防水及防止灰尘堆积的功能。这种低价的玻璃镜片在一般镜片零售市场上常见的五金店里都买得到。弯曲的近抛物线槽反射板也使用类似的低价镜膜，背面为金属或复合材质，正面则覆上一层介电质保护膜，以提升阳光反射效果。

另一方面，一般大型太阳光伏板(或模块)是由太阳能电池排成6x12的阵列所组成。在相同范围的情况下，如果近抛物线反射槽将太阳光集中在1x12的线性太阳能电池阵列上，那么只需使用六分之一的太阳能电池即可。同理，如果太阳照射的面积是太阳光电板全幅的两倍大，而且太阳照射的范围集中在相同的1x12线性太阳能电池阵列上，那么只需使用十二分之一的太阳能电池即可。

另外一方面，6到12次集中太阳光伏的低聚光率为可达成的抛物线槽聚光率的低标。若采用输出功率测量值作为回授的指向演算，可让太阳追踪器的指向精准度变得较宽松。如此一来，虽降低了双轴式太阳追踪器成本，但仍然可以产出最大量的能源。具体来说，太阳聚光伏系统所要求的指向精准度一般是在0.25度以下。而近抛物线太阳聚光伏系统所要求的指向精准度较宽松到1度左右，所以将低价的单轴式或双轴式太阳追踪器应用在近抛物线光电系统上是十分理想的。该较宽松的太阳追踪器使用一混合式太阳历追踪器，搭配输出功率测量值进行回授，以控制太阳追踪器指向精准度。

再者，使用近抛物线太阳聚光伏系统的另一选择，可附带用在热水器。一般来说，为了将聚光太阳光伏系统中的太阳能电池控制在使用温度范围内，因此必须对太阳能电池进行冷却，以确保运作功能。装设冷却装置对任何一种太阳聚光伏系统都是一项负担。然而，本发明长条型太阳能板却可以善用其线性结构的优势，使主动冷却系统转变成一线性水管加热系统。通过主动冷却的方式，可以进一步吸收逸散的太阳能，而将其中60％到70％左右的散热能源转换成热水能源。根据最佳商业化的水加热系统的数据显示，结合电、热而吸收到的总太阳能可达照射太阳能的75％。

在太阳聚热发电系统(CSD)的应用上，使用长型串接的抛物线反射槽来集中太阳热能。而太阳热能会集中在隔热管上将水蒸气加热以驱动涡轮发电机。现今所用的抛物线槽为一大型结构，包含成形玻璃反射镜或复合材质反射板。近抛物线反射槽的反射板可以应用于像这样使用两个近抛物线反射槽的大型抛物线槽。如果将使用近抛物线反射槽的反射板的太阳聚热发电系统应用在进行简易旋转的单轴式太阳追踪器上，既可以减轻重量，也可以降低成本。

总地来说，降低近抛物线太阳光伏系统每瓦成本的关键在于：(1)使用简单的近抛物线反射槽板，降低抛物线反射板的成本；(2)减少线性阵列上太阳能电池的数量，减少到相当面积太阳光电板之太阳能电池数量的六分之一或到十二分之一；(3)使用以输出功率测量值作为回授的指向算法宽松指向精密度，以降低双轴式或单轴式太阳追踪器的成本。本发明所使用的低价抛物线反射板，可以完成6到12次聚光的任务。此低价抛物线反射板由表面覆盖镜片的弯曲反射板制成。线性阵列所减少的太阳能电池数量可以有更多的经费空间使用效能比太阳能电池超出20％的硅电池。若将本发明连同申请人已申请的低价双轴式太阳追踪器(参见美国专利申请号12/852,454)一起使用，对于想要达成目前太阳光电发电每瓦只需美金一元的目标指日可待。

【附图说明】

附图1所示是本发明的近抛物线反射槽。

附图2所示是QPT反射槽的侧视图。

附图3A～3C所示是QPTPV系统安装于双轴式太阳追踪器的实施例。

附图4A～4C所示是QPTPV系统安装于双轴式太阳追踪器的另一实施例。

附图5A～5D所示是QPTPV系统安装于单轴式太阳追踪器的另一实施例。

附图6所示是本发明结合低成本的PV和CPV的特性以获得更低成本的QPTPV系统。

【具体实施方式】

接下来结合附图详细介绍本发明所述的降低太阳能光电池每瓦成本的光电系统和装置的具体实施方式。

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

近抛物线反射槽的定义与聚光比率

请参见附图1，附图1所示为本发明的近抛物线(quasi-parabolic trough，QPT)反射槽。QPT反射槽包含一弯曲反射板52。在较佳实施例中，反射板52采用防锈金属板材，反射板呈自然弯曲的形状。反射板52两侧的弯曲力会使得反射板52的弯曲曲线呈现近抛物线性。反射板52也可以使用玻璃纤维、塑料、亚克力、铝或铝合金、不锈钢板等材料制作，并在所述使用材料的前表面披覆镜面和因应天气变化的保护膜。另一方面，将弯曲的刚性玻璃或亚克力放置于加热舱内也可达成类似的弯曲效果，只需要在清晰的刚性玻璃或亚克力的前表面或后表面放置镜面即可。

使用真正的抛物线反射槽板对太阳能电池而言并非最好的选择，因为抛物线反射槽板会将太阳光聚焦于一直线上，可能导致强烈的太阳光烧坏或伤害电池。理想上，聚集的太阳光线必须均匀地分散在太阳能电池表面。这个技术通常应用在非成像光学(non-imaging optics)产业中。本发明揭露在特定的条件下将平面板两边施力弯曲以制成近抛物线反射槽。当垂直面向太阳，QPT反射槽不会将太阳光聚光为一条线，而是聚光在线性太阳能电池阵列12的一狭长条。这是类似于一个圆筒反射器(cylindrical reflector)不会将所有平行光聚光在一直线上。线性太阳能板11包括一个线性太阳能电池阵列12和散热器(radiator)阵列14。如果聚光线条不足以涵盖太阳能电池阵列12，可以移动线性太阳能板11使其接近(或远离)反射板52而散焦(defocus)太阳光线以填满线性太阳能电池阵列12的线性面积。本发明的真谛是以达到低聚光且比传统的抛物线反射槽有更低的成本。散热器阵列14可直接接触线性太阳能电池阵列12用来逸散因太阳能聚光而累积热量。垂直支撑臂18用来固定线性太阳能板11，而且可调节距离反射板52中心线的高度。透过调整太阳能板11的高度，可以产生不同大小的模糊图像(blurred image)区域，直到平均分布在线性太阳能电池阵列12表面上。实用上最佳的调整高度是对应到太阳能电池阵列12产出最大输出功率。

如附图1所示，近抛物线反射板52抛物线的横跨直线距离(linear span)26，线性太阳能电池阵列11的宽度16。本系统的太阳聚光度则是反射板52的直线距离26减去太阳能电池阵列12的宽度16，再除以太阳能电池阵列12的宽度16。因为线性太阳能电池阵列12会在近抛物线反射板52产生阴影而减少反射板52上的反射面接，因此在计算时需要减去太阳能电池阵列的宽度16。

制造QPT反射槽的方法与多个实施例

请参见附图2，附图2所示为QPT反射槽的侧视图。QPT反射槽的概念应用了抛物线方程式Y＝X²/2，其中X表示抛物线直线距离的一半，Y表示抛物线弯曲深度。附图2所示为抛物线的焦点是在距离抛物线0.5米的中心上。如果抛物线直线距离(2X)为1.28米，则抛物线的弯曲深度为0.2048米。当反射板52是一个完美的抛物线时，太阳光将被聚焦在距离反射板52约0.5米的直线上。

利用金属板或玻璃片制作一个真正完美的抛物线槽并不容易。不仅成型和压制的过程必须精准地遵循抛物线的条件，使弯曲的金属片或平板玻璃(flat glass)铸模为抛物线型，而且抛物线表面还必须完全地平坦，无质地上的瑕疵。然而，本发明揭露了一种接近抛物线状的反射槽，不仅简化制造过程也可降低成本。由于材料和工艺的限制，QPT反射槽的形状可能不完全符合抛物线，但相当接近真实的抛物线。然而，对于低聚光太阳能光电池而言已是足够。在附图2中，反射板52是自然地弯曲，两边由螺栓13固定在三角形支撑梁15上。支撑梁15的较佳实施例是由细长金属条弯曲成等腰三角形。呈等腰三角形的支撑梁15的等腰角度应符合支撑点上的抛物线斜率并在顶角开缝。在顶角开缝的目的是让三角形支撑梁15利用枕型轴钳(pillow clamp)和螺栓(bolt)固定于太阳追踪器的主支架上。本发明制造QPT反射槽的技术应当密切遵循以下三个规则：

1)所需反射板52的横跨直线距离26应是大致等于两个支撑梁15之间的距离。该横跨直线距离26大致符合一个真正的抛物线的横跨直线距离。

2)QPT反射板52弯曲前的宽度应符合横跨直线距离26间真正抛物线的弧线长。

3)三角形支撑梁15的两个与反射板52接触的斜边边梁应符合真正抛物线接触点的斜率。所述接触点是用螺栓13固定。

依据这三个大致符合的参数：直线距离26、反射板52的宽度和支撑梁15两斜边位于接触点的斜率，就可以产生近抛物线反射板52。使用“大致”这个的词汇，表示容许机械加工的误差。此反射板52定义为QPT非常近似真正的抛物线，但是明显可见在QPT支撑点附近呈线性，该反射板52并非呈现完美的抛物线。

在这三个步骤之外，QPT反射板还可以使用两个对称的半抛物线制作，即横跨直线距离26和反射板52的宽度将是上述实施例的一半。两半对称的QPT反射板的底部会利用一固定梁(例如倒立的T型梁)连接。支撑梁15的斜边大致符合两QPT反射板的抛物线斜率，但两个QPT反射板的底部连结处呈水平角(斜率为0度)。替代的QPT技术可用于大型的QPT结构，或当平板反射板不够大到可以做成一块QPT。大型的QPT结构适用于太阳聚热发电系统(concentrated solar power，CSP)的太阳能热集中器。本实施例的近抛物线成型技术应用于目前的CSP产业可实现比使用传统抛物线反射器更低的成本。

由于QPT反射板52并非呈完美的抛物线，所以QPT反射板52会将太阳光聚焦在一个狭窄长条，而不是一线状。透过散焦可以扩大聚焦线条的宽度以填满线性太阳能电池阵列面积。较佳实施例是调整垂直支撑臂18的高度使得长条状太阳能板11与反射板52的距离接近而散焦。参见附图2的数值范例，当反射板52的横跨直线距离26为128厘米，太阳能板11的宽度16为12.8厘米，将太阳能板11阴影的部分扣除后，QPTPV太阳能聚亮度只有9倍。这是在抛物线反射槽可实现的聚亮度中较低的范围。然而，在这样低的聚光比率，只需要11％的面积太阳能光电池面板之电池。这是也是降低QPTPV系统每瓦成本的其中一个重要关键。

对于熟悉此项技艺者来说，QPT反射槽可依据前述三个相同规则将板材弯曲其他近似的几何曲线。例如，形成一圆筒状反射槽(cylindrical trough)，所述圆筒状反射槽可以近似成一圆弧曲线(circular arc curve)，具有等效的直线距离、曲线长度和支撑点上的斜率。圆筒反射槽所具有的功能类似于一个近抛物线反射槽，但仍不比近抛物线反射槽理想，因为平行光线自圆筒反射槽反射后不会聚焦在一条中心在线。然而，圆筒槽较抛物线槽容易成形。其他曲线的反射槽也是可以接受的，但效果不如近抛物线反射槽或圆筒反射槽。总地来说，用形成近抛物线反射槽的三个规则来形成其它曲线槽定义为弧线槽(Curved trough PV，CTPV)模拟其他真实几何曲线。即使近抛物线反射槽是最适合用在集中反射的聚焦面积，但当线性太阳能电池板列相对较宽时，圆筒反射槽可能在低聚光应用上容易应用。

近抛物线光电系统在双轴式太阳追踪器的实施例

附图3A所示是本发明QPTPV系统的最佳实施例。多个近QPT反射槽安装在一个低成本的双轴式太阳追踪器10。双轴式太阳追踪器10请参阅本发明的申请人已申请的美国专利(美国专利申请号12/852,454)。双轴式太阳追踪器10安装在地面上，以地柱20固定在基座40上。在地柱20顶部是一个旋转头30。水平梁50固定在旋转头30顶部。一个双边的矩形追踪器支架51附着在水平梁50上并保持平衡。等腰三角形支撑梁15平行排列并垂直安装在水平梁50上。双轴式太阳追踪器10在本实施例使用驱动步进马达43和电磁旋转头42作为控制方位旋转。一个附有驱动杆57(jack head)的线性驱动器用于控制仰角旋转(elevation rotation)。驱动杆57是枢接于枢纽54上的。双轴式太阳追踪器10每边有6个近抛物线反射板52。如附图3C所示。每个近抛物线反射板52安装在两个等腰三角形支撑梁15之间，将近抛物线反射板52推挤成近抛物线形，并用螺栓13固定两侧。支撑梁15的两端连接在旁边的L型梁5，成为一个矩形追踪器支撑臂51。长条状太阳能板11则固定在垂直支撑臂18上。两个排成一线的长条状太阳能板11在中间连结并以托架17(bracket)固定，再以垂直支撑臂18在中间支撑。调整中间的垂直支撑臂18的高度可能没有必要，因为可以调整太阳能电池板两端也就是位于边缘的L型梁5的支撑臂高度即可。此外中间的垂直支撑臂18可插入导管29(guiding tube)再以托架17固定。导管29是作为一个导引轨道。位于中间的垂直支撑臂18的底部系固定于追踪器水平梁50。调整两端垂直支撑臂18的高度可以让太阳能板11向上或向下移动。

近抛物线光电系统(QPTPV)散焦是透过调整垂直支撑臂18的高度来达成。垂直支撑臂18以螺帽(screw nuts)19固着在边缘的L型梁5。调节高度能够散焦太阳光线，使反射的太阳光能均匀照射在太阳能电池板列12上，以产生最大输出功率。此外，散焦也可以延长太阳能电池的寿命，使电池在强烈阳光照射下，电池中心不会有过热的情况。垂直支撑臂18和近抛物线反射板52两者间的高度调整可在追踪器安装时完成，以产出最大输出功率。这种安装方式和传统的太阳能电池板及CPV模块安装上有固定工厂校正完全不同，传统安装方式经过运输和安装后可能会有误差。校正方法举例来说，如果近抛物线反射板52的直线长度为2米，抛物线直线距离1.28米，在理想的阳光照耀下，能够产生2560瓦的太阳能。以20％效率太阳能电池板阵列12的效率来说，长条状太阳能电池板11阴影损失10％和光学传递损失8％，近抛物线光电系统每个面板可产生约424瓦电力。如果校正后产生超过400瓦，则是相当不错的结果。

如附图3A所示，QPTPV系统在本质上是一个低聚光的CPV系统。如附图3B所示，在太阳能板11背面的散热器阵列14会需要逸散太阳能电池板阵列12所产生的热量。太阳风扇58(solar fans)可以附加在散热器阵列14背面以加快散热。这些太阳风扇是低成本的零件，可以在商用太阳风扇帽上看到。在太阳能板11背面利用空气对流散热下，太阳能电池正常工作温度为46℃。越低的温度将获得更好的效能，但大型的太阳能板11就很难到达较低的工作温度。线性太阳能聚光电池面板则必须用散热器来散热，以维持正常工作温度。散热器阵列14类似于窗式空调机(window air conditioner)后面的散热器。由于世界上大部分的地方的环境温度通常低于46℃，故散热器阵列14能将多余的热量辐射到空气中。太阳风扇58可以加速散热，使太阳能电池在工作在较低温度下，这将使太阳能电池板阵列12比普通太阳能电池板产生更高的输出功率。此外，太阳能板11上面的太阳风扇58位于太阳能板11的宽度范围内，不会对近抛物线反射板52造成额外的阴影，并且利用太阳能电池可供应自身所需电力。

对于传统6×12太阳能光电池面板阵列来说，硅电池通常串联变压器(inverter)以获得更高的电压输出。以附图3A为例，每边设计有六个面板。如果电池阵列以串联方式排列，这样的设计能产生大约9倍于传统的太阳能电池板的输出电流。该设计适用于为传统太阳能光电池板设计的商用变压器的电压。然而，并不是每一边都必须要设置六个面板，实际上可以依据太阳能发电站的每一个追踪器产生最适当的输出功率来调整每边设置的面板个数。另一种提高输出电压的方法是使用部分的太阳能电池，如二分之一或四分之一长度的太阳能电池。通过连接两倍或四倍的二分之一或四分之一长度的太阳能电池，输出电压就可以变成两倍或四倍。因此，设计线性太阳能电池板阵列将更具有弹性，以取得任何所需的直流电压。

请参见附图3A，反射板52直线方向是在仰角旋转(elevation rotating)方向，而反射板52弯曲方向则是面对水平角旋转(azimuth rotation)方向。如果朝抛物线弯曲方向所导致的聚焦效果不佳，则输出功率变化将会较为敏感。也就是说，输出功率对水平角旋转方向的变化是较为敏感。举例来说，白天12小时内水平角将旋转180度，旋转1度需要4分钟。以在2分钟内旋转半度的追踪器为例，追踪器的初始指向将根据每日每时的太阳移动轨道(Sun orbit almanac)做调整。经初始指向设定后，步进马达(stepping motor)43将逐步调整向后和向前的角度来测量输出功率作为回授。如果输出功率提高，步进马达43多前进一步，直到测量的功率减少，之后它会回来一步到最大输出功率点的位置并停留。接下来，仰角旋转控制将如同水平角旋转控制进行类似的程序，直至产生最大功率为止。一般来说水平角旋转和仰角旋转会在充裕的2分钟时间内陆续完成，这就是所谓的“宽松指向算法”(relax pointing algorithm)，只要取得了最大功率，而不需要高指向精度或在仰角或水平角方向具特定分辨率的步进马达。在此将输出功率测量回授指向算法称为“最大输出功率指向算法”(maximum power pointing algorithm)。利用所述算法可以选择在市场上任何可靠的低成本驱动器。使用所述输出功率测量回授指向算法，除非失去了指向追踪器，否则无须去验证太阳历上的太阳移动轨道变动。不过，太阳历可以作为一个经常性追踪器指向验证的方式，作为辅助性的预防检查。最大输出功率指向算法可以避免使用昂贵的太阳传感器(sun sensor)以及高精密驱动器。此外，输出功率测量已经存在于净电表(net-metering)法或政府光伏电力收购制度(feed-in-tariff，FIT)之中，用于测量输入公用电网线路的输出功率。不过根据最大输出功率来调整指向还是优于利用太阳传感器或太阳历来调整指向方向，因为使用太阳传感器及太阳历指向都没有连接到产出的输出电力。由于反射板及太阳能电板可能因恶劣的天气条件下或是长期使用后，可能会导致太阳传感器或太阳历指向发生失误。所以最大功率指向算法确实是QPTPV系统的性能最好的衡量方式，并能降低追踪器的成本。

任何熟习此技艺者也可以在许多方面依据不同需求调整QPTPV系统结构。举例来说，支撑梁不一定是等腰三角形，只要安装区域的角度可以匹配在支撑点上的抛物线曲线的斜率即可。此外，使用的太阳能电池不局限于硅电池或薄膜电池，其他高效率电池，如高效率双接面或三接面电池也能够有较高的聚光比例。如果已使用昂贵的高效率太阳能电池，为增加聚光比率，可适当地使用更大型的近抛物线反射槽，并配合其它辅助光学装置。然而这样的变化并没有改变本发明所述近QPTPV系统的主要精神，故亦属本发明的范畴。

近抛物线光电系统与加热的实施例

请参见附图4A，附图4A所示为另一种采用主动液体冷却系统来取代被动散热器的实施例。主动冷却系统是一种液体(例如冷媒(coolant))循环系统，常用于汽车散热器。在附图4A中，管道33系冷媒输入管道，管道35则是吸热后冷媒的输出管道。由于冷却系统若不需工作在高压或高温环境下，管道33可使用目前产业常用的合成材料软管(flexible piping)。对于双轴式太阳追踪器的水平角和仰角旋转来说，使用软管可以较为容易连接到地面。平坦的金属导热管34由铜或铝热导体制成，集中散热时需要紧密贴近线性太阳能电池阵列12。冷媒经金属导热管34循环可降低线性太阳能电池阵列12的温度至适当的操作温度并将吸热后的冷媒输出。

请参见附图4B，支撑太阳能电池阵列12的垂直支撑臂18可兼用做液体导管。在较佳实施例中，冷媒由输入管18C流入，再由放置在中间的输出管18H将吸热的冷媒送出。随后经由输出管18H和管道35流入水箱70作热交换。硅电池的工作温度处于46℃时，这也是理想的家用热水输出温度。吸热冷媒的可以在水箱70进行热交换，类似于现有的家用太阳能热水系统。如果在寒冷的天气或夜间需要较高的温度，可以进一步使用其他能源以使温度从46℃提升。

可透过控制冷媒的流速来控制太阳能电池阵列的工作温度。在夏天需要比冬天高的冷媒流速，而中午则比早晨和傍晚需要较高的冷媒流速。太阳能电池阵列在较低的工作温度下，能产生较高的电池效率及较高的输出功率。太阳光电池和热水相结合所产生的能量必须平衡，并透过控制冷媒的流速来优化循环系统。此外，冷媒可以使用在一个封闭的循环冷却系统并在水箱内作热交换，也可在不会结冰的气候直接使用水循环系统。而在会结冰的气候下，则需使用防冻冷媒。

太阳可见光光谱中，波长较短的能量会被硅电池部分吸收并转化为电能，波长较长的近红外光谱和从硅电池逃脱的光子转变成了聚光热。如附图4A所示是太阳能聚光系统是一种高热传导系统，在温度适中的46℃的导热效率在60％至70％之间。举例来说，如果20％的光子被太阳能电池阵列12吸收并转化为电力，其余80％的光子会使金属导热管34加热。以保守60％导热效率估计，太阳能光电系统和太阳能加热系统合并可使用到68％太阳能效率。在环境温度与受热区域有较佳的热绝缘效果时，可达到更高的效率。

附图4C所示为QPT反射槽用在加热系统的另一个应用。在其它商业太阳能热水装置中，以加热管32替换线性太阳能板固定在一个透明隔热管36中。由于近抛物线反射槽会将热能集中于加热管32，绝缘加热装置可以更有效。因为只需要较少的隔热管36和加热管32，太阳能加热装置可比平面加热管系统(populated tubing systems)更便宜。此外，低成本的双轴式太阳追踪器从日出到日落比固定式太阳能热水器产生更多的热量。近抛物线反射板的数量将取决于所需要的热水。在一般情况下，家庭使用并不需要如附图4A所示的12个反射板。因此，有两个或多个反射板的较小型双轴式太阳追踪器就足以供一般家庭太阳能热水装置使用。除此之外，太阳追踪器的指向算法用于热水系统时，可以利用热水温度输出值来取代最大功率输出值作为回授之用。

任何熟习此技艺者，可以依据需要改变QPTPV结构组合和加热系统。例如，管道35以及导热管34可以使用最佳隔热材质使得输送至水箱70的过程中达到最低的散热效果。同时输入和输出管道配置在许多方面可以优化或缩短，以防止热量散失。这个改变和其他的变化不偏离QPTPV系统的本质，可以在线性太阳能聚光电池阵列上产生高效率的冷凝换热。

长抛物线反射槽在单轴式太阳追踪器的实施例

请参阅附图5，附图5所示是安装在单轴式太阳追踪器60上具有多个QPT反射板的QPTPV系统。数个QPT反射板52个串联成一个长反射槽，类似聚光式太阳热能发电(concentrated solar thermo power，CSP)抛物线反射槽系统。较佳实施例是由两个对半的QPT反射板52在底部由一T形梁22连接。在连接多个QPT串联的接缝可以使用背面固定带或胶带(glue strips)黏合。单一QPT反射板可设计用于较小的反射槽。串联的反射板52固定于安装梁21。QPTPV在单轴式太阳追踪器的一个重要特征为，串联的QPT反射板52之间应当没有间距，除了线性太阳能板11遮盖产生的阴影以外，反射板52表面应所述没有阴影。因此，追踪器60和安装支架27位在QPT反射板52下，只有两个平行的安装梁21安装在QPT反射板52两侧。弯曲的反射板52遵循先前所讨论QPT形成的三个规则。安装支架27上的平行安装梁21在用于固定的螺栓13之处的斜率系匹配于真正的抛物线斜率。数个螺栓13是用来将弯曲的反射板52固定在安装梁21上。位于单轴式太阳追踪器60两端和中间的QPT反射板52的下方，有数个安装支架27系位于反射板52的下方并在两端连接安装梁21的两端。一个细长的倒T形梁22附着在安装支架27中央，支撑两个半片QPT反射板52。安装支架27的较佳实施例是使用弯曲的L形梁做成一个反向梯形支架。L形梁弯曲点可以切开部份并弯折焊接成刚性结构。强化细钢丝28可用于系牢两个平行的安装梁21以作为结构的支撑。由于细钢丝28宽度极小于太阳照射角在反射板52的角度，所以反射板52表面上的钢丝28就不会形成阴影。这种效果常见于阳光照射下只见电线杆而不见电线的阴影。

线性太阳能板11安装在多个垂直支撑臂18上，线性太阳能电池阵列12面向反射板52。垂直支撑臂18连接在T形梁22的中间具有可调节垂直高度机制。被动式散热器阵列14位在太阳能电池阵列12的背面，面对太阳的方向并直接贴紧于太阳能电池阵列12。太阳风扇连接在太阳能板11的背面，可用散热器冷却。使用主动式液体或水冷却作为替代散热的方式也是可行的。主动式冷却系统需要一个贮存热水的水箱。

整个追踪器支架固定和平衡在单轴式太阳追踪器的一个细长圆筒型梁25上。单轴式太阳追踪器的旋转机制请参阅本发明之申请人已申请的美国专利(美国专利申请号12/816,195)。在附图5B所示是单轴式太阳追踪器60上的安装支架27安装在圆筒型梁25，中间有旋转垫圈24(rotating bushing)，并以一个枕型轴钳39固定。旋转垫圈24环绕在圆筒型梁25上用以促进单轴式太阳追踪器支架51旋转。附图5C所示是圆筒型梁25支撑并固定在数个地柱20上。附图5D所示是两个半片反射板52固定在倒T型梁22的底部。T型梁22的最佳实施例为采用细长金属条弯曲成T形梁。QPT反射板52连结在倒T形梁22的中心并以螺丝固定。然后倒T形梁22附着在安装支架27之间并固定于安装架27上的L形梁之上。倒T形梁22在水平圆筒型梁25上排为一列，位于单轴式太阳追踪器60重心的中心线上。

单轴式太阳追踪器旋转只需要注意每天追踪太阳日出到日落的时间。太阳轨道从夏天到冬天都有不同的季节性变化，这影响了QPT反射器聚焦效果。每天0.26度的轨道变化是非常缓慢。为了注意这个太阳轨道的微小变化，需要每天调整线性太阳能板11的聚焦平面(focal plane)高度。线性驱动器38位在单轴式太阳追踪器中心附近，设计用来调整移动线性太阳能板11的垂直位置。在CSP的应用时，因为QPT反射板有很长的长度，所以就得要在两端设置更多驱动器。此外，较长的QPTPV系统也应当在追踪器的两端设置两个驱动器。驱动器38上面的驱动杆(jack head)37连接中间的垂直支撑臂18，以便将线性太阳能板11向上或向下移动。其余的垂直支撑臂18需要随着导轨使太阳能板11能垂直移动。一个紧贴的导管29(guiding tube)附着在太阳能电池阵列12的空隙且环绕在垂直支撑臂18，可以作为导轨。同时，紧贴的导管29可以确保线性太阳能板没有横向位移。圆筒形导管29的较佳实施例为内层被覆套管材料并以固体润滑剂润滑。线性驱动器38可每日数次启动来调整每天0.26度的太阳轨道变化。线性驱动器38启动周期远大于单轴式太阳追踪器60的启动周期；然而，也必须遵循最大功率指向算法。此外，为进一步确保垂直支撑臂18固定太阳能板11，可以安装电磁锁定线圈(electromagnetic locking coil)环绕于导管29。当线性驱动器38闲置时，在导管29上的电磁锁将被启动锁定垂直支撑臂18。

单轴式线性QPTPV系统的概念可用于在CSP产业的线性抛物反射槽。虽然CSP系统所需要QPT反射表面更大，但可容许反射板间隔和结构的阴影存在。这个特性将允许支撑支架结构的QPT反射板的间隔存在，以用来支撑热水蒸汽的CSP涡轮发电机(turbine generator)的长条蒸汽管结构。

任何熟习此技艺者可以视需要调整QPT反射器的配置以安装在不同类型的单轴式太阳追踪器或结构上。例如，简化的QPT反射板可以安装在传统的CSP架构上。另外，由于重量轻的QPT反射板安装在简化的追踪器支架上，位于中间的加热管可以安装在独立架构，由位于两端及中间的QPT反射板接合处支撑。垂直支撑臂18连接到所述中间的加热管将是唯一的连接。垂直支撑臂18作为圆筒型梁25的旋转半径。这将成为一个有较轻的反射板旋转机制的简化反射器结构。此外，由于较重的中央蒸汽管从日出到日落随着旋转驱动器摆动，重量较轻的追踪器支架可被同一驱动器带动而绕着圆筒型梁25以垂直支撑臂18为旋转半径进行旋转。这些简化QPT反射器的变化并没有改变本发明的本质。

达到每瓦最低成本的系统性步骤

本发明的目的是建立一个系统方法以使用较低的整体组合成本达到每瓦最低成本的目标。所述系统方法绘制为流程图如附图6所示。所述方法利用PV和CPV系统的优点并排除其缺点。本发明提出一种新的系统架构来降低太阳能光电池整体组合的生产成本。现在的太阳能光电池制造商并不考虑所述系统性做法。相反地，每个太阳能电池制造商都各自追求提高太阳能光电池的效率和降低成本，却不曾考虑系统组合的电力生产成本。一般来说，太阳能光电系统的优点是相对较低成本的硅电池成本及在双轴式追踪器上宽松的指向需求。此外，现今低成本的硅电池能在低聚光下不会丧失效率，反而在较低的工作温度下会增进其效率。太阳光伏系统缺点是必须放置大量光电池在太阳能板上，这构成了大部分的太阳光伏模块成本。另一方面，CPV系统优点是高聚光下需要较少的太阳能电池。但是太阳能电池成本非常高，此外聚光装置的高精密度的太阳追踪器和高冷却需求也是可观的成本。这些是CPV太阳能系统较PV面板系统不具有竞争力的主要原因。

本发明揭露的系统性方法如附图6所示，利用了PV和CPV系统所有的优点，避免不良的缺点，然后创建一个新的系统方法，以创建一个有非常低成本的QPTPV系统或CTPV系统。总之，所揭露的QPTPV或CTPV系统方法仅使用一小部分太阳能板及太阳能光电池，并利用宽松的追踪指向需求降低双轴式太阳追踪器成本。此外，在由平板弯曲形成的QPT或CT反射板的表面披覆镜面，被认为是目前最低成本的聚光法。此外，还将散热器所传导出的热能用于热水系统，可实现高达70％的太阳能利用率。因此，本发明提出的系统方法是一种结合多种低成本QPT或CT镜面反射器，安装在一个低成本的双轴式太阳追踪器与缩小的太阳光伏直线光电池阵列。这种组合系统是降低PV能源生产成本至目标每瓦1美元的关键。本发明揭露其他优点包括简化的散焦技术代替复杂非成像光学，均匀扩散太阳光线至线性太阳能电池。且使用最大功率指向算法的太阳追踪器可以降低成本，并优化同一时间的输出能源总量。在热水系统的实施例或CSP系统，输出功率可以被替换为数字式自动调温器(thermostat)来测量液体输出的温度，作为追踪器指向的回授。

虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作各种之更动与修改，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。