混合型太阳能收集器和包括至少一个这样的收集器的太阳能发电厂

摘要

本发明涉及收集器，该收集器包括至少一个用于将太阳能转换成电能的光伏电池和至少一个设置为接收透过所述光伏电池(4)的太阳能并用于通过加热流体将所述太阳能转换成热能的散热器(6)。根据本发明的一个形式，所述光伏电池(4)包括多个具有不同禁能带的垂直相邻的半导体结，每一个半导体结具有大于或等于1.2eV，尤其是大于或等于1.4eV的禁能带。

说明书

技术领域

本发明涉及混合型太阳能转换器领域。

背景技术

命名为“混合型”太阳能收集器是因为它将所接收的太阳能转换为 不同形式的能量，尤其是电能和热能。

可以提供的一种类型的混合型太阳能收集器包括至少一个光伏电池 和至少一个散热器，该光伏电池用于将太阳能转换成电能，该散热器设 置为接收透过光伏电池的太阳能并通过加热流体将太阳能转换成热能。

没有由光伏电池转换为电能的太阳能加热在管道中循环的流体，并 且因此转换为热能。

为了提高光伏电池的所转换的太阳能/所接收的太阳能的输出，已考 虑光伏电池采用多个垂直相邻的具有不同宽度的禁能带(或“带隙”) 的半导体结，以使得它们以不同的光波长范围覆盖最广泛的太阳光谱的 光谱带，将太阳能转换为电能。

然而，这些光伏电池的制造是昂贵的。

WO 2004/099682公开了一种单独的太阳能收集器，包括用于将太阳 能转换为电能的光伏电池以及该光伏电池的冷却设备，该冷却设备能够 吸收来自光伏电池的热。

然而，该冷却设备设置为通过冷却设备与光伏电池之间的热传导来 吸收来自光伏电池的热。这不能有效地将太阳能转换为热能，尤其是在 所考虑的应用属于与发电机耦合的具有工作流体温度远高于WO 2004/099682中所考虑的温度的蒸汽涡轮机类型。

将光伏电池设置成具有包括三个垂直相邻的半导体结的三联点的 “高效”类型，以在宽的光频率范围上转换太阳能。

在1994年12月5号-9号美国夏威夷Waikoloa召开的光伏能世界大 会的出版物第1729页-1732页的“High Efficiency InGaP solar cells for InGap/GaAs tandem cells applications”和《Solar energy materials and solar cells》1998年1月第50卷，第1-4期，第229页-第235页“GaInP single-junction and GaInP/GaAs two-junction thin-film solar cells structures by epitaxial lift-off”中描述了InGaP/GaAs串联光伏电池。

发明内容

本发明的一个目的是提出在保持合理的生产成本的同时具有令人满 意的输出(电+热)的混合型太阳能收集器。

本发明的另一目的是提出能够将热部分耦合到蒸汽涡轮机发电站的 混合型太阳能收集器。

为此，本发明提出前述类型的混合型太阳能收集器，其特征在于： 所述光伏电池包括数个具有不同禁能带宽度的垂直相邻的半导体结，每 一个半导体结具有等于或大于1.2eV，尤其是等于或大于1.4eV的禁能带 宽度。

根据其它实施例，所述太阳能收集器包括单独考虑或根据所有技术 上可能的组合而考虑的以下一个或多个特征：

-所述光伏电池包括至少一个GaAs半导体层；

-所述光伏电池包括至少一个GaInP或GaInP2半导体层；

-所述光伏电池的所述半导体结由薄半导体层形成；

-所述半导体层具有1和20μm之间，尤其是1和10μm之间的厚 度；

-所述半导体层形成在衬底上，尤其使用转移或外延方法形成在衬底 上；

-所述衬底由从玻璃或红外透明陶瓷之间选择的材料制成；

-太阳能收集器包括用于聚集入射太阳光束，以形成朝向所述光伏电 池和所述散热器的聚集太阳光束的装置；以及

-所述聚集装置的聚集因数包括在80和120之间，尤其是大约等于 100。

仔细选择用于光伏电池的材料，以及最优化其厚度，从而能够保持 用于转换的红外透明度的最大可能量。

本发明还涉及包括至少一个如上限定的太阳能收集器的生产电力的 太阳能发电厂。

本发明还涉及发电站，该发电站包括用于连接到所述能量转换设备 的冷却剂的循环的回路；包括至少一个蒸汽涡轮机的蒸汽发电站；用于 连接到所述蒸汽发电站的工作流体的循环的回路；以及所述冷却剂的循 环回路与所述工作流体的循环回路之间的至少一个热交换器。

附图说明

通过阅读仅作为示例提供的以下说明书，并且参照附图将更好地理 解本发明及其优点，其中：

图1是根据本发明的混合型太阳能收集器的图解侧视图；

图2是图1的太阳能收集器的光伏电池的图解截面图；

图3是包括根据图1的太阳能收集器的太阳能发电站的整体图解视 图；

图4是示出类似于图1的根据本发明的一个可替换的太阳能收集器 的视图；

图5是图4的太阳能收集器的散热器和光伏电池的图解透视图；

图6和图7是根据本发明的可替换的太阳能收集器的局部视图。

具体实施方式

图1的混合型太阳能收集器2能够同时将太阳能转换为电能和热能。

收集器2包括至少一个用于将太阳能转换成电能的光伏电池4和至 少一个设置为接收透过光伏电池4的太阳能并通过加热流体将太阳能转 换成热能的散热器6。

收集器2是聚集型的。它包括用于将入射的太阳光束8聚集为聚集 太阳光束10的装置，该装置取向为朝向由光伏电池4和散热器6限定的 能量转换装置。

在所示的示例中，聚集装置假定为圆柱抛物面镜12的形式，该圆柱 抛物面镜12取向为将聚集光束10导向优选基本位于镜12的焦点处的能 量转换装置。

以已知的方式，聚集器2优选能够取向为随太阳移动，并且取向为 朝向太阳。

如图1中所示，散热器6假定为具有双层壁并且中间真空的管道14 的形式，该管道14包括用于流体循环的内管16、包围内管16的外管18 和限定在内管16与外管18之间的环形隔热空间20。在环形空间20中形 成至少部分真空，以限制向外的热损失。

可替换地，散热器可以由单个钢管和/或一束钢管来形成。

在操作期间，由将部分太阳能转换为电能的光伏电池4来接收聚集 光束10。聚集光束10的一部分透过光伏电池4，并到达散热器6，该散 热器6通过加热在散热器6中循环的流体来将其接收的至少部分太阳能 转换为热能。

尤其是由透过光伏电池4和管道14的红外线(IR线)来加热在散热 器6中循环的流体。

如图2中所示，光伏电池4是具有包括数个重叠半导体结的多个半 导体结的光伏电池。

半导体结具有不同宽度的禁能带(或“带隙”)。

半导体结对光子所位于的能量范围大于半导体结的禁能带的宽度的 光线进行转换。

光子能量表示为电子伏特(eV)，并且基本上与通常以纳米(nm) 表示的相对应的光波长成反比。

这样，半导体结将波长范围小于与其禁能带的宽度相对应的波长范 围的光线转换成电，并且不转换波长范围大于与其禁能带的宽度相对应 的波长范围的光线。

半导体结具有不同宽度的禁能带，因此将不同的波长范围内的光线 转换为电能。因此，具有不同宽度的禁能带的半导体结的关联实现了以 扩展的波长范围内光能的转换。

根据本发明的一方面，光伏电池4的半导体结均具有等于或大于 1.2eV，并且尤其是等于或大于1.4eV的禁能带宽度。

这样，半导体结不转换具有波长等于或大于1033nm，尤其是等于或 大于885nm的光线。

因此，半导体结能够限制吸收位于波长范围在780nm以上的IR线。

由散热器6(图1)接收这些透过光伏电池4的IR线，从而实现在 散热器6中循环的流体的有效加热。

代替将尽可能最宽的波长范围内的太阳光转换为电能，本发明因此 提出使用具有较高波长的光线来转换为电能，并且使用具有较小波长， 尤其是在IR范围中的光线转换为热能，其中它们是有效的。

该分配实现了令人满意的输出，并且能够获得简单且便宜的光伏电 池。

有利地，光伏电池4由具有基础材料III-V的半导体层制成，该基础 材料III-V包括来自门捷列夫表的第III栏的至少一个化合物和来自门捷列 夫表的第V族的至少一个化合物。这些材料是二元的、三元的、四元的， 等等，随着来自第III栏和第V栏的化合物的数量而改变。

另外有利地，光伏电池4包括至少一个GaAs半导体层和/或至少一 个GaInP或GaInP2半导体层，该GaAs半导体层、GaInP和GaInP2半 导体层是价格合理的材料，从而能够获得具有合适的禁能带宽度的半导 体结。

在所示示例中，光伏电池4是GaAs/GaInP双结型的，并且包括由两 个叠置并且不同掺杂的(例如一个n和另一个p)GaAs半导体层22，24 形成的第一GaAs结，以及由两个叠置并且不同掺杂的(例如一个n和另 一个p)GaInP半导体层26，28形成的第二GaInP结。

有利地，将相邻的GaAs 24和GaInP 26半导体层连接，以使得它们 也形成GaAs/GaInP异质结。

第一GaAs半导体结(或GaAs异质结)具有大约1.43eV的禁能带 宽度，第二GaInP半导体结(或GaInP异质结)具有大约1.84eV的禁能 带宽度，并且因此GaAs/GaInP半导体异质结能够将在这两个异质结的禁 能带以下的波长的太阳辐射转换为电。

这些半导体结的关联实现了在允许IR线透过的同时，将宽光谱内的 太阳能有效地转换为电能。

具体来说，光伏电池4没有吸收IR线并且也很昂贵的锗(Ge)半导 体层。

以已知的方式，在半导体层22，24，26，28的堆叠的任一侧上，光 伏电池包括用于采集电荷的电极30，32。

可以考虑半导体层和半导体结的其它设置。

优选地，为了有助于IR线透过电池，半导体层是薄层。它们例如具 有1和20μm，尤其是1和10μm之间的厚度。以已知的方式，例如通 过由衬底34上的外延的转移或增长来获得这样的薄半导体层，以便最小 化半导体层的界面处的位错或其它缺陷。

优选地，衬底34由选择对于IR是透明的材料制成。例如，衬底是 由红外透明玻璃制成。

在特定温度之后，光伏电池的效率以取决于组成光伏电池的一个或 多个结的下降率下降。

为了确保光伏电池4和散热器6在令人满意的温度范围内操作，优 选将收集器2的聚集装置的聚集因数包含在80和120之间，尤其大约等 于100。

应当注意，有助于IR线透过的光伏电池4在限制光伏电池的发热的 同时，能够以高聚集因数工作。

如图3中所示，太阳能发电站36包括用于热流体循环的第一回路38、 用于工作流体循环的第二回路40、以及热流体和工作流体之间的热交换 装置42。

热流体例如是能够达到接近250℃至400℃高温而不会蒸发的合成 油。工作流体例如是水。

第一回路38包括串行的用于使热流体循环的泵44和如图1和图2 中示出的太阳能收集器2的场。将收集器2并行设置。

第二回路40包括串行的蒸汽涡轮机46(该蒸汽涡轮机由蒸汽状态下 的工作流体来驱动)、冷凝器48以及循环泵50。

热交换装置42包括由第一回路38和第二回路40以相反顺序通过的 预热器52、蒸发器54以及过热器56：第一回路38顺序地通过过热器56、 蒸发器54以及预热器52，而第二回路40顺序地通过预热器52、蒸发器 54以及过热器56。

涡轮机46耦合至发电机58。

可选地，以已知方式，第二回路40包括连接到涡轮机46的中间管 线(bleed)62以及冷凝器48的一个或多个预热器60。

在操作期间，热流体在第一回路38中循环并且在收集器中可加热到 250℃至400℃的温度。在通过热交换装置42时，热流体将热量提供给工 作流体。工作流体在预热器52、蒸发器54以及过热器56中顺序地预热、 蒸发、过热。

在蒸汽涡轮机46中，工作流体遇冷膨胀，从而转动涡轮机46的输 出轴。该输出轴耦合至发电机58，以产生电能。

因此太阳能发电站36能够将太阳能转换为电能。部分太阳能由收集 器2直接转换为电能，而另一部分太阳能在被转换为机械能(涡轮机46)， 随后转变为电能(发电机58)之前，由收集器2转换为热能。

设置有收集器2的太阳能发电站36能够在最优化直接由光伏电池转 换为电能并且用于加热热流体的太阳能的共享的同时获得高输出。

其它类型的太阳能发电站也可以使用收集器2。例如，在太阳能发电 站中，热流体也可以用作工作流体并且直接用在蒸汽涡轮机中，而不必 设置由中间热交换器耦合的分离回路。

如图4和图5中所示，其中元件类似于图1中的元件的附图标记保 持相同，收集器2与图1的收集器的不同之处在于：其包括沿着散热器6 设置的光伏电池4，以使得部分太阳能在由光伏电池4滤光的同时到达散 热器6，并且其他部分的太阳能直接通过形成于光伏电池4之间的至少一 个开口到达散热器6。

如图4和图5中所示，散热器6在垂直于图4的平面的方向上延长， 并且收集器2包括沿着散热器6分布的两列64，66光伏电池4。一列的 每一个光伏电池4与另一列的光伏电池4纵向相对。

一列的光伏电池4与另一列的光伏电池4横向间隔分开，以在光伏 电池4之间限定出沿着散热器4延伸的纵向开口68。

如图5中所示，将光伏电池4纵向地间隔分开，以在光伏电池4之 间限定出横向开口70。横向开口70使得整个光束在穿过每一个横向开口 70的横向平面上直接到达散热器6，而没有被光伏电池4滤光。

该实施例能够在保留小的光伏电池的同时具有大的散热器，尤其是 具有大直径的散热器。这能够限制价格随着表面增加而极大增加的光伏 电池的成本。

横向开口70能够允许散热器6的横向带接收完整的太阳光流，这有 利于散热器6的热平衡，而不会降低光伏电池4的性能。

光伏电池4之间的开口68，70通过光伏电池4的自然对流来提高冷 却。然而，已知光伏电池的性能随着温度的升高而降低。该改进的自然 对流能够使得相对于光伏电池未间隔分开的设备，保持或提高光伏电池 的性能。

图6中示出的收集器2与先前实施例的不同之处在于：散热器6包 括一束并行的管道72。

管道72具有单壁。它们例如由铁制成。可替换地，管道72具有中 间真空的双壁。

将管道72隔开，以使得通过根据本发明的光伏电池来接收该聚集光 束10。

收集器2包括数列光伏电池4。每一列的光伏电池4包括在管道72 延伸的方向(垂直于图6的平面)上沿着管道72分布的多个光伏电池。 各个列横向地分布到管道72的延伸方向。

可选的，并且如图6中所示，将特定的光伏电池间隔分开并且在它 们之间限定出纵向开口68。在所示示例中，收集器2包括四个并行的管 道72和横向分布并且在它们之间限定出两个纵向开口68的五列光伏电 池4。

图7中示出的收集器2与图6中的收集器的不同之处在于：对于每 一个管道72，包括两列光伏电池4，在该两列光伏电池之间限定出纵向 开口68。

管道也具有较大的直径。

而且，本发明并不限于包括圆柱抛物面镜形式的聚集装置的收集器。

可替换地，根据本发明的收集器包括菲涅耳镜形式的聚集装置。可 以将与不同的散热器相关联的菲涅耳镜场互连以限定出紧凑的线性菲涅 耳反射器(CLFR)。

可以组合上述不同类型的聚集装置和散热器，以及聚集装置和散热 器的设置。

因此，本发明应用于如WO2009/029277中公开的发电站，该发电站 包括将互连的菲涅耳镜聚集装置与具有多束并行管道的散热器组合的线 性太阳能收集器。