太阳能集中与冷却设备、装置和方法

专利名称：太阳能集中与冷却设备、装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于在以高集中度(concentration)级创建的经过转换的电磁能的 增强型去除和/或输送的情况下将电磁能、比如太阳能以改进的方式高集中度地转换成热 能和/或电力的设备、装置、以及技术。
背景技术：
在本说明书中，在引用或讨论文献、报告或知识条目时，所述引用或讨论不是承认 所述文献、报告或知识条目及其任何组合在本优先权日已经可公开获得、为公众所知、是 公知常识的一部分、或者以其它方式依照适用的法律规定构成现有技术；或被认为是与解 决本说明书涉及的任何问题的尝试相关。对能量、比如太阳能进行集中使从所述能量取得其它形式输出的能力最大化。然 而，由1，000倍以上的阳光能量额定集中度的阳光集中度常常产生非常高的热密度。所述 集中度有时被成为“1，000X”或“1，000太阳照度(S im)”。经受到这种级别的热密度的装 置中的一些或所有部分可能被毁坏或者被使得为无效或低效的。因此，至少一些市售的太 阳能电池规定其不旨在用于1，000太阳照度以上。此外，用于实现相对较高太阳能集中度级的常规系统可能需要大和复杂的光学装 置。这样的装置常常具有长焦距，并且因此需要所述光学器件与接收集中的太阳能的构件 之间的大的分隔距离。这样的装置的大小和复杂度需要现场装配各种部件。这样的装配需 要技术和精确度，并且增加该系统的总成本。因此，有利的将是提供具有提高的效率的用于冷却和热输送的改进的结构、装置 和技术。具体来说，有利的将是将这样的改进提供在集中的太阳热发电、光伏发电和其它集 中的太阳能发电区域中以及诸如电子行业的其它行业或应用中。还将有利的是，在高太阳 能集中度级下提供充足的冷却以防止集中式太阳能系统和装置发生由于过热而可能出现 的故障。最后，需要提供具有简单、低剖面(low-profile)的构造的集中的太阳热发电、光 伏发电和其它集中的太阳能发电装置，其中所述构造使得能够通过大规模生产技术来快速 和成本效率高地进行制造和装配。

发明内容
本发明可以提供用于改进的热输送、提取、冷却、存储和管理的设备、装置、系统和 方法。本发明的原理和实施例可以结合太阳热发电、光伏发电、和其它太阳能发电应用
一起使用。本发明可以包括产生非常高的热密度的设备、装置和方法。这样的设备、装置和方 法可以包括由高阳光集中度级、比如IOX或以上、1，000X或以上、1，600X或以上、1800X或以 上、2，000X或以上、或者10，000X或以上产生的高热密度。根据一方面，本发明提供如下的设备、装置、以及技术其产生高度集中的太阳能
8并且将所述能量引导到一个或多个太阳能电池上，从而导致以比缺少这样的高集中度级的 装置更少的太阳能电池进行有效的能量转换。因此，本发明以相对较低的每单位面积的成 本提供有效的发电。根据另一可选的方面，本发明提供有效的冷却或将热从一个或多个太阳能电池输 送开，从而导致较高的能量转换效率。因此，与有效的冷却或热输送相组合的较高的太阳能 集中度提供所述太阳能电池或太阳能电池阵列的每单位面积的较高电能输出。根据附加的方面，本发明提供一种装置，其被构造为在具有相对低剖面的形状因 子(form factor)的同时提供上述利益。与相对高成本和费力的现场装配形成对比，本发 明还可以提供适于通过大规模生产技术进行制造的装置。根据本发明，提供有一种装置，其包括集中器，其被构造和布置为接收入射电 磁能以及将入射电磁能集中成较大强度级；电磁能接收设备，其包括被构造和布置为接 收集中的电磁能的第一表面、以及与第一表面相对的第二表面；至少一个光学重定位器 (relocator)，其被构造和布置为将集中的电磁能重新引导到第一表面的至少一部分上；热 输送设备，其包括至少一个管道和第一表面；以及热界面层，其物理连接到所述热输送设 备的第一表面和所述电磁能接收设备的第二表面中的至少一部分，所述热界面材料是导热 的、导电的、或者二者。根据另一方面，本发明提供一种装置，其包括光伏太阳能电池，其包括用于接收 入射到其上面的集中的太阳能的第一表面、以及相对的第二表面；热输送设备，其包括第一 表面；以及热界面层，其物理连接到所述太阳能电池的第二表面和所述热输送设备的第一 表面，所述热界面材料是导电的和/或导热的；其中该装置将集中的太阳能转换成每平方 厘米光伏电池面积至少37瓦的DC电力。根据另一方面，提供有一种阵列，其包括至少一个集中器，所述至少一个集中器 被构造和布置为接收入射电磁能以及将入射电磁能集中成较大强度级；多个电磁能接收设 备，其每个都包括被构造和布置为接收集中的电磁能的第一表面、以及与第一表面相对的 第二表面；至少一个光学重定位器，其被构造和布置为将集中的电磁能重新引导到第一表 面的至少一部分上；至少一个热输送设备，其包括第一表面；以及热界面层，其物理连接到 所述热输送设备的第一表面和所述电磁能接收设备的第二表面中的至少一部分，所述热界 面材料是导热的、导电的、或者二者。根据附加的方面，本发明提供有一种装置，其包括至少一个集中器，所述至少一 个集中器被构造和布置为接收入射电磁能以及将入射电磁能集中成较大强度级；至少一个 电磁能接收设备，其包括被构造和布置为接收集中的电磁能的第一表面；热输送设备，其与 所述至少一个电磁能接收设备热连通(thermal communication)；以及至少一个光学重定 位器，其被构造和布置为将集中的电磁能重新引导到第一表面的至少一部分上。根据又一方面，本发明提供一种装置，其包括电路板，其包括上部电绝缘层，所 述上部电绝缘层具有布置在其中的开口 ；电磁能接收设备，其包括具有有效面积(active area)的第一表面、以及相对的第二表面，所述有效面积与所述绝缘层中的开口连通；以及 重定位器，其包括构件，所述构件包括第一开口、第二开口、以及连接第一和第二开口的会 聚(converging)侧面，所述侧面朝第二开口会聚，第二开口被布置为直接与所述上部绝缘 层中的开口连通；其中入射到所述重定位器上的电磁能被重新引导到所述电磁能接收设备
9的有效面积上。根据另一附加的实施例，本发明提供一种装置，其包括电路板；以及布置在所述 电路板上的太阳能电池的阵列；其中所述阵列的太阳能电池电以串联或并联关系连接到下 列项目之中的至少一个以便提供所期望的电压和电流组合保护二极管、阻塞二极管、或者
旁路二极管。根据附加的方面，本发明提供一种装置，其包括电路板，其包括上部电绝缘层，所 述上部电绝缘层具有布置在其中的开口 ；电磁能接收设备，其包括具有有效面积的第一表 面、以及相对的第二表面，所述有效面积与开口连通；电接触面积，其与所述有效面积电连 通；光学重定位器，其包括构件，所述构件包括第一开口、第二开口、以及连接第一和第二开 口的会聚侧面，所述侧面朝第二开口会聚，并且第二开口被布置为直接与所述上部绝缘层 中的开口直接连通；其中入射到所述重定位器上的电磁能被重新引导到所述电磁能接收设 备的有效面积上。


图1是根据本发明的一个方面形成的装置的示意图。图2是根据本发明的原理形成的经过修改的装置的示意图。图3是图2的装置的示意图，其中所述装置定向在对应于电磁能的源的移动的第
二位置。图4是根据本发明的一个实施例形成的跟踪装置的顶视图。图5是图4的装置的侧视图。图6是根据本发明的另一方面形成的装置的侧视图。图7是图6的装置的端视图。图8是图6的装置的透视图。图9是图8的装置的端视图。图10是根据本发明的另一实施例形成的装置和冷却结构的侧面部分剖面图。图11是根据本发明的另一实施例形成的装置的透视图。图12是根据本发明的另一方面形成的装置的透视图，其中示出了附加的选择特 征。图13是根据本发明的附加实施例形成的装置的分解透视图。图14是沿图13的线A-A作出的截面图，其中示出了附加的可选特征。图15是图13-14的装置的部件的替代实施例的部分透视图。图16与图13-14的装置类似的装置的透视图。图17是根据本发明的另一方面形成的装置的截面图。图18-18A分别是根据本发明的替代实施例形成的光学重定位器的顶视图和截面 图。图19是根据本发明的另一替代实施例形成的光学重定位器的截面图。图20是根据本发明的附加的替代实施例形成的光学重定位器的透视图。图21是根据本发明的另一实施例形成的装置的顶视图。图22是替代装置的透视图。
图23是图21的装置的透视图。图24是图23的装置的侧视图。图25是本发明的装置的侧视图。图26是根据本发明形成的装置的立体示意图。定义除非在此或在本说明书的剩余部分中另行定义，在此所使用的所有科技术语都具 有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义。在详细描述本发明以前，应当理解，本说明书中所使用的术语旨在用于说明特定 实施例的目的，而不一定旨在为限制性的。如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那 样，除非上下文明确地另行规定，单数形式的所指物以及“所述”并不排除复数形式的所指 物。应当理解，在此对第一、第二、第三和第四部件(等等)的涉及并不将本发明限制在这些 部件在物理上为彼此可分的实施例。例如，本发明的单个物理元件可以履行要求保护的第 一、第二、第三或第四部件之中多于一个的特征。反之，共同工作的多个单独的物理元件可 以履行要求保护的第一、第二、第三或第四部件之一的特征。类似地，对第一、第二(等等) 方法步骤的涉及并不使本发明限于仅单独的步骤。根据本发明，单个方法步骤可以符合在 此所述的多个步骤。反之，多个方法步骤可以相结合地构成在此所记载的单个步骤。另外， 步骤不一定限于在此所阐述的顺序。如在此所使用的那样，术语“电磁能接收设备”是指一个或多个如下的设备其被 布置为接收一种或多种形式的电磁能、比如太阳能、红外能、远红外能、微波能、声能、声子 能、或者无线电波并且将入射到所述设备上的电磁能转换成与入射到所述设备上的能量形 式不同的一种或多种形式的能量。经过转换的能量可以采取电流、热、机械能和/或液体压 力的形式。这样的电磁能接收设备包括、但不限于光伏太阳能电池和无源太阳能热接受器 (passive solar thermalreceptor)0如在此所使用的那样，术语“传热介质”是指蒸汽、单液体、混合液体、或者多相液 体。所述传热介质可以具有任何合适的压力、包括等于、小于或高于大气压力的压力。所述 传热介质可以包括、但不限于以下项目之一或其组合有机液体、无机液体、生物液体、水、 蒸汽、油、固体颗粒、或者有机、无机或生物材料、以及各种大小的微粒的结构、或者具有微 米或纳米大小的尺寸的结构、包括但不限于四脚体、多脚体(millipod)。当以混合物的形式 存在时，所述传热介质可以采取胶质分散体或乳液的形式。如在此所使用的那样，术语“管道(duct) ”应当指如下的一种或多个结构其能够 含有所述传热介质或者将所述传热介质引导至穿过所述结构。所述管道包括诸如下列结 构通道、管路、导管(tube)、输送管(conduit)、通路、小管、以及毛细管。所述管可以是开 放或封闭式的。术语“管”不限于任何特定的材料、截面几何形状或尺寸。出于说明的目的， 可以给所述管道配备量级为Inm至IOcm的尺寸。
具体实施例方式图1中示出了根据本发明的原理形成的示例性装置。如在此所示的那样，装置10 包括集中器12。集中器12接收入射电磁能E1并且传输集中形式的电磁能E。。根据某些 实施例，所传输的能量Ec是集中的。能够设想，集中度级可以广泛地在10X-10，000X之间变动。举例来说，集中度级可以是相对于入射电磁能E1的1，000X或以上、1，600X或以上、 1800X或以上、或者2，000X或以上。集中器12可以采取产生上述集中功能的任何合适的 形式。例如，集中器12可以包括一个或多个光学元件。合适的光学元件可以包括下列项目 之中的一个或多个反射元件、折射元件、或者全息元件。根据说明性的例子，所述光学元件 包括菲涅耳透镜。集中器12可以由任何合适的光学材料形成。根据非限制性的例子，集中 器12可以由诸如下列项目中的一个或多个的光学材料形成塑料、丙烯酸树脂材料、石英、 玻璃、金属、半导体材料、膜、以及填充有液体的结构。集中器12可以是平面或弯曲的。装置10进一步包括至少一个电磁能接收设备14。电磁能接收设备14包括第一 表面16，其用于接收第一表面16上的集中的电磁能Ec ；以及第二表面18，其与第一表面16 相对。电磁能接收设备14可以采取任何合适的形式。例如，根据某些说明性的实施例，电 磁能接收设备14可以包括一个或多个光伏太阳能电池、或者一个或多个热接受器。热接受 器接收电磁能E。并且将其主要转换成热能，所述热能进而可以被捕获以用于执行有用的工 作、比如加热水。当然，经过加热的水可以用于多种不同的有用目的、包括给汽轮机提供动 力以用于发电。根据图1的示例性实施例，装置10进一步包括至少一个热输送设备20。所述至少 一个热输送设备20优选地在至少一个由箭头HT1、HT2所指示的总体方向上输送热能。热输 送设备20可以采取能够执行上述热能传递的任何合适的形式。热输送设备20可以实施被 动或主动冷却技术。因此，例如传热介质可以在热输送设备20内流通(例如图7)，由此形 成主动冷却系统。可替代地，热输送设备20可以形成里面含有传热介质的封闭系统(例如 图10)。热输送设备20里面可以可选地包括至少一个管道(例如图6)。传热介质可以在 热输送设备20内、至少部分地在所述至少一个可选的管道内流通。根据又一替代方案，热输送设备20可以省略传热介质，并且简单地通过任何数目 的已知结构、比如外部散热片(例如参见图10、12、13和15)等等将热辐射到周围环境。 热输送设备20可以由任何合适的材料、优选地由具有高热导率的材料构成。因此，例如 热输送设备20可以由具有高热导率的金属或金属合金构成。非限制性的例子包括下列 项目之中的一个或多个铝、铝合金、铜、以及铜合金。可替代地，热输送设备20可以至少 部分地由共同未决的下列专利申请中所描述的设计者复合材料构成名称为“Composite Material Compositions, Arrangements and Methods Having Enhanced Thermal ConductivityBehavior"的美国临时专利申请NO. 61/071，412 ；以及与其同一日提交的具
有相同名称的非临时美国专利申请No._，所述专利申请的全部内容通过引用并入
本申请。热输送设备20还可以包括第一表面22。装置10可以进一步包括热界面层24，所述热界面层24物理连接到电磁能接收设 备14的第二表面18的至少一部分、以及热输送设备20的第一表面22的至少一部分。根 据某些方面，在电磁能接收设备14的第二表面18、热界面层24、以及热输送设备20的第 一表面22之间不存在其它的中间层、部件、或者材料。热界面层24优选地具有高热导率。 热界面层24可选地还具有高电导率。例如，热界面层24可以具有lW/m*K到10，000W/m*K 的热导率，并且可选地可以具有10西门子至10微西门子或以上的电导率。热界面层24可 以由具有上述高热导率和高电导率的任何合适的材料构成。所述热界面层可以由多种具有 相变性质的多相材料的一种或多种组合的基质(matrix)的一个或多个层构成。根据非限
12制性的例子，所述热界面层可以包括下列项目之中的一个或多个银合金、铟锡合金、锡铋 合金、无铅焊料、液态金属、液态金属合金、有机材料、无机材料、导热膏(thermalgrease)、 焊料、聚合物、以微米、纳米、或其它尺寸为单位的各种大小的结构、包括四脚体和多脚体、 以及多种厚度的膜，其至少为导热的以保证有效的热输送通路(path)，其还能够包括通 过所述相同通路或替代通路、或通路的一部分作为热输送通路而提供的电导率。根据另 一替代实施例，热界面层24可以由下列专利申请中所描述的设计者复合材料构成名称 为"Composite Material Compositions, Arrangements and Methods Having Enhanced Thermal ConductivityBehavior.，，的共同未决的美国临时专利申请和美国非临时专利申 请 NO. 61/071，412 以及_。可以给热界面层24配备任何合适的厚度、样式、或者几何形状。根据一个示例性 的例子，热界面层24包括相对较连续的层，所述层的厚度为10nm-5mm并且具有如下面积 该面积对应于电磁能接收设备14的第二表面18的整个面积。当体现在光伏设备或装置的情形下时，本发明在将入射太阳能E1转换成电力方面 尤其有效或高效。例如，按照在此以及根据本发明的原理所述的那样所形成的装置预期生 成量级为每平方米光伏系统面积高达400W或以上的电力。根据本发明的附加的实施例，图2-3中示出了根据本发明的原理形成的替代装置 10'。替代装置10'共有上面结合装置10所述的特征之中的许多特征。因此，已经使用 结合装置10的描述所使用的相同附图标记来指示在装置10'中出现的相应特征。除非在 此另行指示，装置10'的与装置10的特征为共同特征的特征具有任何和所有上述特性，并 且通过引用并入到这里对装置10'的描述中。因此，将不会重复描述所述共同特征。总体 上，装置10'给上述装置10添加了跟踪机构，所述跟踪机构使得所述装置能够跟随电磁能 Se的源的移动。图2中的第一位置处示出了装配体10'，所述装配体10'包括框26，所述框26 在相对于彼此可操作的位置容纳有集中器12、电磁能接收设备14、热输送设备20、以及热 界面层24。框26可以连接到跟踪装配体或设备28。包括有任何合适的跟踪装配体28以 供结合装置10'使用。合适的跟踪装配体可以包括多种双轴跟踪装配体和/或三轴倾移 (tilting)/跟踪装配体。根据一个实施例，如图2-3中所示，跟踪装配体28通过第一连接 器30连接到框26。第一连接器30在操作上与铰接接头(articulating joint) 29相关联。 第二连接器34也在操作上与铰接接头29相关联。根据所示实施例，跟踪装配件28的所述 构造使得能够至少在由箭头TD所指示的方向上平移装置10'。第二连接器34可以在操作 上与驱动结构36相关联。驱动机构36可以采取任何合适的形式。例如，驱动机构36可以 包括一个或多个电机、传动装置、线性驱动、机械装置、机电装置、伺服装置等等。所述驱动 机构还可以包括一个或多个控制器，所述控制器可以包括微处理器、一个或多个传感器、以 及其它合适的电子部件。因此，如图13所示，装置10'能够根据电磁能Se的源的位置进行 调节或跟踪，由此优化入射到该装配体上的电磁能的角度和量。图4-5中示出了根据另一替代实施例所形成的、可以结合本发明的设备和装置使 用的跟踪系统或装配体。在此所示的装置包括阵列400，所述阵列400包含多个紧凑的高度 集中的太阳能光伏系统模块402。所述模块402之中的每个都可以具有在此被描述成与装 置10及其随后的实施例相关联的特征之中的任何特征。该阵列可以为一维或二维阵列的
13形式。因此，在总体结构中，阵列400例如可以是平面的或者弯曲的。阵列400可以包括支 承结构404。然而，应当理解，阵列400及其支承结构404并不限于所示的圆形几何形状。 支承结构404具有通过跟踪太阳能或电磁能Se的源的周期移动的运动控制系统如箭头406 所指示的那样旋转这一能力。部件408被设计为如箭头410所指示的那样提供季节性跟踪 调节。另外，也可以执行更细微的调节、比如如箭头412所指示的倾移移动，以便准确地跟 踪电磁能Se的源。图6-9中示出了根据本发明的另一可选实施例所构造的装置。其中示出了示例 性的装置100。装置100包括集中器112。集中器112接收入射太阳能E1并且传输集中形 式的太阳能E。。因此根据某些实施例，所传输的能量E。为集中的。能够设想，集中度级可 以广泛地在10X-10，000X的范围变动。举例来说，集中度级可以为相对于入射电磁能E1的 1000X或以上、1600X或以上、1800X或以上、或者2000X或以上。集中器112可以采取产生 上述集中功能的任何合适的形式。例如，集中器112可以包括一个或多个在此以前所述的 类型的光学元件。一种合适的光学元件包括菲涅耳透镜。如在此以前所述的那样，菲涅耳 透镜可以具有任何合适的构造。同样如结合前面的集中器12所述的那样，集中器112可以 由任何合适的光学材料构成。装置100可以进一步包括至少一个电磁能接收设备、比如至少一个光伏太阳能电 池114。可以结合装置100使用任何合适的光伏太阳能电池。光伏太阳能电池114可以包 括与其相联系的常规的电子封装部件。可替代地，光伏太阳能电池114可以使任何这样的 电子封装部件从其移除去，比如图6-9中所示的实施例就是这种情况。所述至少一个光伏 太阳能电池114可以具有任何合适的尺寸或几何形状。根据非限制性的例子，所述至少一 个光伏太阳能电池114具有其有效面积的一个或多个尺寸为Inm-lOOOmm。因此，所述有效 面积可以在Inm2至1，OOOmm2的范围变动。例如，所述电池可以具有100平方厘米、1平方 厘米、1平方毫米、4平方毫米、或者300平方毫米的有效面积。有效面积可以为任何合适的 几何形状、比如多边形、椭圆形或圆形。所述面积在大小、比例和/或形状方面可以是晶片 状的。根据另一可选的实施例，装配体100包括一个并且仅仅一个光伏太阳能电池114。可 替代地，可以提供多个太阳能电池114。光伏太阳能电池114包括第一表面114，其用于接收其上的集中的太阳能Ec ；以 及第二表面118，其与第一表面116相对。根据某些实施例，装置100可以包括电触头或连 接器140，所述电触头或连接器140提供所述至少一个光伏太阳能电池140与该装置的另外 的部件、比如印刷电路板142之间的电连通。根据所述说明性的实施例，装置100进一步包括至少一个热输送设备120。所述 至少一个热输送设备120优选地将热能从所述至少一个光伏太阳能电池114输送开。热输 送设备120可以采取能够执行上述热能传递的任何合适的形式。热输送设备120可以实施 被动或者主动冷却技术。因此，例如传热介质可以通过至少一个进口 144以及至少一个出 口 146在热输送设备120内流通，由此形成主动冷却系统。经过加热的介质一旦通过出口 146被除去就可以可选地通过传热设备、比如散热器(未示出)而流通，并且通过进口 144 返回。热输送设备120里面可以可选地包括至少一个管道138。传热介质可以至少部分地 通过至少一个管道138在热输送设备120内流通。可替代地，热输送设备120可以定义里 面含有传热介质的封闭系统。
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根据又一替代方案，所述热输送设备可以省略传热介质，并且简单地通过任何数 目的已知结构、比如外部散热片等等将热辐射到周围环境。热输送设备120可以由任何合适的材料、优选地由具有高热导率值的材料构成。 因此，热输送设备120可以由上面结合热输送设备20所述的材料之中的任何材料构成。热 输送设备120还可以包括第一表面122。装置100可以进一步包括热界面层124，所述热界面层124物理连接到所述至少 一个光伏太阳能电池114的第二表面118的至少一部分、以及热输送设备120的第一表面 122的至少一部分。根据某些方面，在电磁能接收设备141的第二表面118、热界面层124、 以及热输送设备120的第一表面122之间不存在其它的中间层、部件、或者材料。热界面层 124优选地具有高热导率。热界面层124可以可选地具有高电导率，并且可以具有在此结合 热界面层24所述的任何热性能能力和/或电性能能力。热界面层124可以由上面结合热 界面层24所述的任何合适的材料构成。可以给热界面层124配备任何合适的厚度、式样、 或者几何形状。根据一个说明性的实施例，热界面层124包括是连续的层的层，所述层的厚 度为10nm-5mm并且具有如下面积其对应于电磁能接收设备114的第二表面118的整个面 积。在没有典型的陶瓷衬底太阳能电池封装的情况下将所述至少一个光伏太阳能电 池114直接安装到热输送设备120上将使得能够最大化地将热从所述太阳能电池传递给热 输送设备120。另外，由于热界面层124和热输送设备120 二者都可以为导电的，因此太阳 能电池114的整个第二表面118可以形成主电触头或电极。使热输送设备120成为电路的 一个腿(leg)将提供增强冷却能力的机会。尽管不希望限于任何特定的理论，但是认为改 善的冷却是由于下列现象造成的。首先是与热输送设备接触的太阳能电池的直接热声子耦 合(材料晶格振动)。其次是承载自由电子的热能从太阳能电池直接流动到凉爽的热输送 设备，因为所述热输送设备是电路的一部分(电子-电子能传递比引起较慢的渐进局部晶 格振动的传递能量更快)。当太阳能电池将阳光的电磁辐射转换成电子时，所述电子带走所 述热能的大致20%，从而使温度降低附加的20%。所述能量不再加热所述电池。所述额外 的冷却曾在实验期间被直接测量出。再次，太阳能电池封装衬底通常是锗，其中锗对于太阳 能之中的较长波长是透明的。这些较长波长不能被所述电池用于转换成电力，并且最终成 为热。本发明提供较长波长在不加热所述电池的情况下穿过太阳能电池到达凉爽的热输送 设备的直接通路。来自所述电池的热被快速地从热输送设备的结头(junction)转移开。可替代地，本发明可以直接与如下的常规太阳能电池装置相组合其包括其标准 陶瓷衬底和/或底座，并且还提供由于例外的冷却和热输送性质带来的优点和利益。一个或多个电磁能接收设备收集能量。所述能量可以给到一个或多个主要用途 (primary use)直接从入射能量生成电流和/或加热工作液体或者传热介质、比如水。经 过加热的工作液体或传输介质也可以可选地比如通过将其用于驱动涡轮机等等而被用于 产生电力。在所述电磁能接收设备为光伏太阳能电池的情况下，热输送设备可以用于将热从 所述太阳能电池输送开以保持所述太阳能电池凉爽。由于所述电池的能量转换效率因25°C 以上的每摄氏度的温度增加而降低，因此通过将热从所述太阳能电池传输开，所述电池保 持将太阳能转换成电力的效率。
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根据应用和客户需求，有价值的可能是通过减小/调整流经或围绕所述电池和电 池封装的传热介质流来折衷电转换效率以针对每单位传热介质流率收集更多热。例如，可 以为公共事业应用产生热水。针对通过减小水流率和水的一些再循环所实现的每度的电池 结头温度增加而言，存在对电转换效率的折衷，但另一方面存在从每个电池出来的水的温 度增加这一收益。热导率非常高的复合膜和薄膜可以用于冷却和传热，以有效地将热从太阳能电池 的结头转移到热输送设备。使用有效的传热耦合技术来将热从该系统的传导部分传递给该 系统的对流部分。图10中示出了包括封闭型冷却构造的装置的说明性的非限制性实施例。如在那 里所述的那样，装置500包括密室502。室502可以通过任何合适的手段而被封闭。因此， 例如室502可以通过可移动的插塞503而被封闭。如图10中所示的那样，可以以非水平的 方式、比如总体上垂直取向的斜面来实施装置500。装置500的倾斜角度应当适于接收电 磁能或太阳能Se的源。所述电磁能或太阳能被光学元件506聚焦和可选地被集中，并且被 引导到一个或多个电磁能接收设备或光伏太阳能电池508上。光学元件506可以具有任何 合适的构造、比如在此所包含的实施例中所述的光学元件/透镜的构造。当入射电磁能或 太阳能为高度集中时，每个太阳能电池508都将受到密集的热并且必须被有效地冷却。密 室502可以包含至少一个管道和传热介质510，其中传热介质510可以是液体和/或蒸气形 式。密室502也可以包含气相容量(vapor phase volume) 512 在运行中，液体传热介质 510从一个或多个太阳能电池508的背侧吸收热，由此加热所述液体并且降低其密度。这导 致所述液体上升并且建立由箭头514所指示的对流。因此，热被有效地运送到散热片516内 的大的表面积以被对流地引导(如箭头518所指示的那样)，并且由此被散热片516冷却。 如箭头520所指示的那样，散热片516被带走热的环境气流对流地冷却。根据本发明的另一方面，可以可选地由多个上述装置100构成阵列。图11中示出 了根据本发明的原理所形成的一个这样的阵列或模块200。如在那里所示的那样，阵列或 模块200包括集中器212，所述集中器212接收入射电磁能E1并且将其集中(E。)。可以给 整个阵列或模块200提供单个集中器。可选地，可以将多个单独的集中器213彼此相关联 以形成总集中器212。集中器212可以具有在此所述的集中器12、112的任何特征或特性。 阵列200可以为一维或二维阵列的形式。因此，例如在总体结构中，阵列200可以是平面或 弯曲的。提供有多个电磁能接收设备214以接收集中的电磁能E。。电磁能接收设备214可 以具有在此所述的电磁能接收设备14、114的任何特征或特性。阵列或模块200可以包括 一个或多个电触头240，所述电触头240通常电连接电磁能接收设备214之中的全部或一 些。触头240还可以用于将多个模块200彼此连接。另外，如在此所述的那样，电磁能接收 设备214可以与附加的部件、比如一个或多个印刷电路板242电连接。所述多个电磁能接收设备214连接到一个或多个热输送设备220。根据所示实施 例，单个热输送设备220与阵列或模块200的所有电磁能接收设备214相关联。然而，能够 设想，可以将不同的热输送设备与每个单独的电磁能接收设备214相关联，或者多个电磁 能接收设备214的子群每个共用相应的热输送设备。所述至少一个热输送设备220可以具 有前面所述的热输送设备20、120的任何特征或特性。因此如图8中所示的那样，设备220
16可以包括传热介质进口 244和出口 246。在每个电磁能接收设备214的第二表面与所述至少一个热输送设备220的第一表 面之间配备有热界面层224。热界面层224可以具有前面所述的热界面层24、124的任何特 征或特性。阵列或模块200还可以与合适的跟踪设备、比如图2-3和4_5中所示的跟踪设备 28相关联。如图11中所示，阵列或模块200具有适于通过自动化大规模生产技术进行制造的 相对较低剖面或相对较低的形状因子，由此降低成本并且改善与制作这样的设备相关联的 便利性。相比之下，具有高集中度能力的常规的太阳能装置或组建(raise)要大得多并且 在其构造上更复杂，由此需要逐件地制造并且在安装地点费力地装配。阵列或模块200可以具有模块化的构造。每个模块都将含有集中器、电磁能接收 部件、热输送部件、以及热界面部件。因此，通过选择可以彼此连接的单独模块的数目，可以 容易地选择和改变阵列或模块200的总尺寸。图12中示出了由多个模块构成的阵列250。 另外，可以容易地选择和改变跟踪阵列(例如图4-5的400)的总尺寸。图13至16中示出了根据本发明的附加方面所形成的装置600、600'。装置600、 600'可以可选地采取紧凑型高太阳能集中度光伏系统模块的形式。装置600、600'可以包 括热输送设备601、601'。根据所示实施例，热输送设备601、601可以包括多散热片热沉。 所述热输送设备可以由任何合适的材料构成。根据一个例子，热输送设备601、601 ‘由具有 高热导率的材料构成，所述材料包括在此所述的与其它热输送设备实施例相关联的任何材 料。由于热被所述热输送设备接收，因此热可以被下面的散热片F被动地传播和消散到空 气，或者作为可用的热被流经通道605到达所连接的管线(piping)(未示出)的传热介质 流带走。装置601、601 ‘可以附加地包括至少一个用于接收入射电磁能Se的集中器604、 604'。根据所述说明性的非限制性例子，集中器604、604'可以包括在此以前所述的 光学元件之中的一个或多个。例如，所述集中器可以包括多透镜的菲涅耳透镜阵列面板 (panel) 0所述面板可以可选地被安装在框或支承体612、612‘的沟槽603中。所述面板 可以为一维或二维阵列的形式。因此，所述面板例如可以为平面或弯曲阵列的形式。集中 器604、604'被配置为将高达或大于1，000X以上或10，000X以下的高强度电磁能或太阳能 614集中或聚焦到一个或多个电磁接收设备616上。所述一个或多个电磁能接收设备可以 包括一个或多个光伏太阳能电池。装置600'的电磁能接受设备存在，但是在图16中不可 见。根据某些实施例，装置600、600'或模块被设计、封装、以及密封以用于运行在极 端环境条件下时进行环境保护。可以以压力平衡的方式环境密封或气密密封所述模块，以 适应于波动和环境条件、比如温度、压力、湿度等等，装置600、600'的总体设计可以被设计 为用于合适地匹配组成所述装置或模块的部件、部分、以及封装材料之间的相对热膨胀系 数。如上所述，可以可选地为面板形式的集中器600、600'可以被安装在框或支承体612、 612'的沟槽603中。根据某些实施例，在沟槽603与容纳在其中的面板或集中器604、604' 的那些部分之间形成密封。根据另外的实施例，所述模块的一侧或多侧被用盖板625密封， 所述盖板625可以任何合适的方式、比如通过机械紧固件或粘合剂被固定于框612、612'。
17盖板625可以可选地包括弹性密封剂的垫圈(bead)或其它垫片状结构630以帮助改善形 成在盖板625与框612、612'之间的密封。根据又一可选的实施例，装置600、600'可以可 选地配备有过滤器640，所述过滤器640定义外部环境与模块的内部部分之间的半渗透性 屏障。过滤器640用于提供对污染物的有效屏障，而且允许外部环境压力和模块内的压力 平衡或波动。根据该构造的一个可选的修改方案，过滤器640可以被基本上不可渗透的隔 膜(diaphragm)代替，所述隔膜提供屏障，而且还用于允许压力根据需要通过所述隔膜向 内或向外挠曲而平衡。为了获得高集中度的太阳能，需要精确的部件定位，以保持太阳光线聚焦于太阳 能电池。为此，可以结合装置600、600'使用任何合适的跟踪系统、包括在此所述的任何跟 踪系统。装置600、600'可以附加地包括一个或多个光学重定位器610、610'，所述光学重 定位器610、610'被设计为将可能未对准的能量射线重新引导到所述一个或多个电磁能接 收设备616的所期望的区域上。应当理解，在此所述的各个实施例之中的任何实施例都可 以可选地包括在此所述类型的重定位器设备。在更基本的方面，重定位器610、610'包括 构件617，所述构件617被构造为将入射电磁能Se重新引导到电磁能接收设备616的第一 表面的至少一部分上。构件617可以包括第一开口 618、618'、第二开口 619、以及在第一 开口 618、618'与第二开口 619之间延伸的会聚侧面620。因此，构件617可以相对于顶部 而言在底部为狭窄的。在此，“顶部”是最接近入射电磁能的侧。第一开口 618、618'可以 被形成为使得其直径大于从所述至少一个集中器604、604'所传输的集中的能量的射束宽 度。第二开口 619的尺寸可以被确定为使得其稍大于所述一个或多个电磁能接收设备616 的第一表面的至少一部分。可以给会聚侧面620配备任何合适的几何形状或结构。根据非 限制性的例子，会聚侧面620可以是多构面的、杯形的、截头圆锥体形的(frustoconical)、 或者为正多边形或不规则多边形截头体形式。侧面620的斜率可以相同，或者可以彼此不 同。一个或多个侧面620的斜率可以是恒定或可变的。根据另外的非限制性例子，侧面620 之中的一个或多个可以采取如下形式弯曲形状、不规则多边形、三角形、矩形、正方形、梯 形、或者其它多边形。会聚侧面620可以可选地被抛光、阳极氧化处理、或者以其它方式被 涂敷处理以便增强光学反射度。根据替代实施例，具有大于空气的折射率的光学材料623 可以被配备在第一和第二开口 618、618'、619之间，所述光学材料623所具有的效果是附 加地使入射电磁能集中。所述光学材料可以包括下列项目之中的一个或多个塑料、丙烯酸 树脂材料、石英、玻璃、金属、半导体材料、膜、以及填充有液体的结构。根据又一可选的实施 例，侧面620的至少一部分可以由光伏材料651构成或涂敷有光伏材料651，并且电连接到 装置600、600'或设备的输出端。在此对光伏材料的涉及旨在涵盖用于将入射到里面的能量转换成电力的可以被 用作涂层的任何材料。说明性的非限制性例子包括碲化镉、铜铟镓二硒、非晶硅、染色敏化 的纳米尺寸的二氧化钛颗粒、以及(聚(η-乙烯基咔唑))PVK纳米复合材料。根据附加的实施例，重定位器包括具有里面形成有多个构件617的板610、610'。 所述重定位器板610、610'可以被安装在框或支承体612、612'的槽607内。重定位器板 610,610'可以通过任何合适的技术、例如通过冲孔、模压、或者冲压形成。重定位器板610、 610'可以由任何合适的材料、比如铝或铝合金之类的材料构成。可选地，所述板可以被 涂敷上增强其反射性质或光学性质的材料、比如金属氧化物涂层。因此，重定位器板610、610'能够进行最终的太阳能集中和/或图像重定位。未对准的能量射束首先进入第一开 口 618，从构件617的会聚侧620被向下反射，并且离开第二开口 619，其中所述能量射束被 重新引导到电磁能接收设备616上的所期望的位置。图14和图15示出了重定位器板610、610'的一个可选的修改方案。如其中所示 的那样，可以在重定位器板610、610'的顶面上配备延伸部(extension) 650，所述延伸部 650向上一直延伸到主光学器件或集中器604、604'。根据该实施例，基本上所有的集中的 光614以及任何漫射或非直接的射束光Sd都将在延伸部650内被收集，并且以上述方式被 导向所述一个或多个电磁能接收设备616。延伸部650的内部可以配备有与在此所述其它 收集器实施实例的特征一致的表面光洁处理、涂层、或者光学材料的插入物。所述延伸部的 内部也可以可选地至少部分由光伏材料651'构成或者涂敷有光伏材料651'。作为更一般的原理，本公开中所述的装置的直接或间接地暴露于太阳能或电磁能 的各个部件之中的任何部件的任何表面都可以被涂敷上合适的光伏材料。因此，供所述装 置的能量到电力的转换被最大化。举例来说，重定位器板(例如610、610')的顶面652可 以配备有任何合适光伏材料(比如上述的那些光伏材料)的涂层654。可以通过参考图17中所描述的说明性装置700来搜集本发明的附加有利方面。应 当理解，与下面对图17中所述装置700的讨论相关联的原理同样适用于在此以前所述的实 施例之中的任何或全部实施例。同样地，前面所述实施例之中的任何实施例的各个特征、构 造和优点也可以被并入或添加到装置700。装置700可以可选地为阵列的形式。所述阵列 可以包括一维或二维阵列。因此，所述阵列例如也可以是平面和/或弯曲的。入射电磁能 或阳光Se穿过至少第一集中器元件704。并且然后穿过可选的重定位器元件或板710，所 述重定位器元件或板710可选地具有在此结合前面所述实施例所述的构造。因此，任何未 对准的能量717都被重聚焦和重定位到电磁能接收设备716的表面的至少一部分上。电磁 能接收设备716可以具有前面所述的构造之中的任何构造。具体来说，能量接收设备716 具有相对较小的印迹或表面积。根据非限制性的例子，所述电磁能接收设备可以具有量级 为10平方毫米至1平方厘米的印迹。所述至少一个述电磁能接收设备716被安装到至少 一个热输送设备701。热输送设备701可以具有前面所述的构造之中的任何构造。根据说 明性的装置700，集中器元件704的表面积和热输送设备701的表面积可以大致相同。所述 至少一个述电磁能接收设备716可以大体上被中心地安放在热输送设备701上。通过如下 装置来提供电磁能接收设备716之间的大间距SP这一附加的优点所述装置结合相对较小 的电磁能接收设备716使用本发明的有利的集中和热输送特征，其中所述电磁能接收设备 716可以包括光伏太阳能电池。所述间距SP进一步使得易于有效地冷却装置700，由此提 供如下能力在高太阳能集中度的条件下并且在最优地将电磁能转换成其它能量效力(比 如将阳光光伏转换成电力)的情况下运行。图18-20描述了光学重定位器的附加的说明性实施例。如其中所示的那样，光学 重定位器800可以包括至少一个如下的构件所述构件的总体形状类似于杯，所述杯具有 大量多边形表面803形式的侧壁802。所述多边形的顶侧和底侧801和804彼此平行，而所 述多边形的垂直侧805不平行，而是相反在顶部到底部的方向上会聚。顶侧和底侧801和 804的平行性以及梯形的垂直侧805的会聚形状产生逐步降低的圆环周长，其中所述周长 从顶部到底部的方向降低。所述形状使得能够通过多次内部反射收集落入其中的未对准的
19光，并且保证这样的未对准的光通过底部开口 806落到电磁能接收设备616上。图18是从 顶部到底部示出了具有降低的周长的多边形的顶视图。尽管图18描述了六边形，但是本发 明并不限于此，而是设想任何合适的多边形、圆形、椭圆形等等。所述多边形可以被成形为 产生所示实施例中所示出的形状的延长版本，其中所述多边形的一边或多边比其它边长得 多，但是由此定义总体上看上去像延长的形状。图18-19还示出了顶部边缘(rim)或开口 807、内表面809、外表面810、以及顶部开口 806。内表面809与外表面810之间的区域可以还包含光学透明或者不透明的材料或者 由光学透明或者不透明的材料构成。当该区域由不透明的材料形成时，所述内表面由利用 或未利用反射涂层、溅射、刻蚀、抛光或者表面处理所实现的反射表面制成。当内表面809 与外表面810之间的区域包含透明材料或者由透明材料构成时，可以搀杂所述透明材料以 创建梯度折射率(graded refractive index)，使得落到所述内表面上的光被通过全内反 射被反射回。落到表面809的任何部分上的光通过到电磁能接收设备616的全内反射而被 导向底部开口 806。内表面809还可以至少部分地由光伏材料制成或者被涂敷上光伏材料， 使得任何未对准的光都可以被转换成电力。图20示出了具有构件阵列的板形式的光学重定位器800。所述阵列可以以单个结 构范围从从2X 1线性阵列到10，000X 1的线性阵列、或者范围从2X 2至10，000X 10，000 的二维阵列。可以装配许多这样的线性阵列或二维阵列以构造非常大的覆盖许多区域的线 性或二维阵列。在此所述的多边形的边可以范围从在Inm至100米。图21-26示出了柔性电路或PC板900上的电磁能接收设备(比如太阳能电池) 的可选的底座与电连接装置。总体上，所述装置的特征在于在一个或多个光能集中和光收 集阶段之后相对于入射光来定位所述太阳能电池；以及为了有效地传热而将所述太阳能电 池安装到冷却结构。关联图21-26所述的任何尺寸是用于示例性目的，而尺寸可以根据实 际实施方式而广泛地变化。如图21所示，具有电接触面904的太阳能电池903被安装在柔性电路或PC板900 的电路迹线910的接触区域907处。电路接触面904、919和930是被设计为允许材料热 膨胀失配的导电的、非氧化性的滑动面。所述接触材料可以包括任何合适的材料、比如金、 或者甚至下列专利申请中所描述的类型的设计者复合材料名称为“CompositeMaterial Compositions, Arrangements and Methods Having EnhancedThermal Conductivity
Behavior. ”的共同未决的美国临时和非临时专利申请NO. 61/071，412和_。所述
接触被镀在柔性电路或PC板900的迹线表面906和907处的铜迹线910上。可以将其它 高导率的材料用在本发明的如下实例中在所述实例中，铜或金或其它高导率金属或合金 被专门标识出，合适的替代物包括上述美国专利申请中所述的上述设计者复合材料。图21-22还示出了镀铜通孔905，其用于将所述太阳能电池例如连接到安装在PCB 表面上的保护二极管等等。所述镀覆的通孔还允许如图22中所示的太阳能电池903的串联 电连通性。还示出有PCB铜迹线906。太阳能电池封装的总面积由904来表示，其中所述太阳 能电池的有效面积由903来表示。太阳能电池封装的总面积904例如可以具有IOnm2-IOcm2 的量级。太阳能电池的总有效面积903例如可以具有lnm2-9cm2的量级。图23-24还示出了上面可以安装所述太阳能电池封装的氮化铝衬底921。参考图 24，902是电接触面积904被镀金的太阳能电池半导体衬底。半导体衬底902被焊接到电绝氮化铝衬底921的导电的电路层902。电路接触919和930被镀覆在导电 的表面920上，并且在被装配时与表面906和932配对。如图25所描述的那样，所述装配 体被安装在PCB 900中。图25描述了包括光学重定位器908的构造和装配体的细节，所述构造和装配体不 仅允许集中的/所收集的光直接落到太阳能电池903的有效面积上，而且收集未对准的光 并且将其引导到太阳能电池903上。太阳能电池903不仅被安装到柔性电路或PC板900， 而且通过高热导率热界面材料923被安装和连接到热沉或热输送设备924。光学重定位器 908的构造及其下开口界面保证未对准的光不落到柔性电路或板900上，而是相反仅仅落 到太阳能电池903的有效面积上。根据所示的实施例，多层柔性电路或板900由绝缘体909、912、以及镀铜表面910、 918、阳极919和阴极925构成。参考图25，电路通路遵循图25中如下的箭头其从阳极引 线911到达金触头906、932和触头919、然后穿过电导体920到达并且向上穿过焊料层917、 穿过太阳能电池衬底902、并且然后到达有源电磁能接收设备903、然后穿过金触头904离 开而与镀金区域907接触。所述电路通路继续穿过导体910到达阴极925，其中所述电路继 续达到下一镀覆的通孔阳极935。如前面所述，热界面材料923可以由具有如下偏心(eccentric)热导率的高热导 率复合材料构成X和Y方向上的横向热导率大大高于垂直Z方向上的热导率，由此实现非 常有效地将热传播到924的大表面。图25还示出了将氮化铝衬底保持在柔性电路或板的硅弹性体或任何其它的弹性 材料922。所述弹性体922适应于任何潜在不同的热膨胀系数。所述装配体的设计考虑到 并且保证为了 CTE匹配所述装配体的构造中的不同界面材料和诸如922的弹性体所需的设 计和制造需求，以适应于由于错位和断开造成的任何潜在的失配。图21-25所示的子系统 的设计、构造、装配、以及制造保证最大化的光能收集、将光能有效地转换成电力、有效的热 传播、太阳电池的冷却和传热，同时完整的装配体的机械、电以及结构完整性被保持以适应 于恶劣的环境条件。图21-25以及本说明的其余部分连同本公开中的相应附图中所示的装 配体的设计尤其是集中在面向制造的设计(DFM)、面向测试的设计(DFT)、以及面向校准的 设计(DFC)，使得可以利用行业中的大部分合约制造基础设施的现有拾放(pick place)装 配线来制造完整的装配体。图26中示出了根据本发明的原理所形成的附加的可选实施例。图26的装置示出 了关于可以如何将每个太阳电池装配体布置在被完全布满的PCB 900中的实施例。根据所 示实施例，如图26所示，太阳能电池1952被安装在柔性电路或者标准类型的PC板1955上。 电池1952被柔性电路或板1955上的引线1953如所示的那样串联1956、或者并联1957连 接到通孔触头1951、保护二极管、阻塞二极管、或者旁路二极管，以获得不同的电压和电流 组合。串联1956和并联1957布置仅仅是例子。利用太阳能阵列结构，任何尺寸的太阳能 电池的线性和二维阵列以及一行中的太阳能电池的总数以及完整的总体阵列结构决定二 极管的选择。图26中的板或柔性电路1955上所示的布局可以具有串联连接1956，所述串 联连接仅仅示例性地跨电极引线1950和1954而具有48V。除了其它可能的因素之外，基于 如下而导致其它电流和电压组合太阳能电池的尺寸、太阳能电池的效率、所述装配体上的 太阳能电池总数、入射到所述太阳能电池上的总光能、以其是串联还是并联连接。在针对串
21联连接的1956中所述的例子中，峰值输出是0. 5安电流下的40伏，从而产生24瓦的功率 输出，并且在针对并联连接的1057中，峰值输出是2安电流下的24伏，从而产生24瓦的功
率输出。为了进一步阐明本发明的利益和优点，现在将参考下了说明性的非限制性的例子。例子100ff/cm2以上的热发生在大致为1，000太阳照度或以上的集中度下。应当注意， 在没有合适的冷却的情况下，电子设备在所述热密度水平下在几秒内熔化。已经难以在尺寸为Icm2的太阳能电池上集中大于600的太阳照度，主要因为如果 未使用有效的传热技术，则所产生的热密度熔化所述太阳能电池。与使用修改的赤道仪座的恒星太阳跟踪装置相关联的太阳能电池测试装置被 改装为具有如下能力利用一系列具有不同孔径大小的遮罩(mask)来控制太阳辐照度 (irradiance)，由此允许产生从1太阳照度至1，688太阳照度的集中度。太阳能已经被聚 焦到Icm2的面积；电池表面温度利用非接触式IR传感器而被测量；在各种X太阳照度下单 个Icm2的太阳能电池的电动势(emf)和安培值被测量；并且在各种X太阳照度下的热流量 也被测量以用于系统校准。常规的太阳能电池已经与根据本发明所形成的冷却装置相组合。使用常规1平方 厘米的太阳能电池(由Spectrolabs Inc.市售)。一个这样的太阳能电池被剥去其封装并 且通过由银合金材料构成的热界面材料的薄层而依附于由铜合金形成的热输送块。为了进 行比较，已经准备有诸如上述装置的另一装置，只是太阳能电池的封装保持完好。出于比较 的目的，使用不具有本发明的冷却装置的常规太阳能电池装配体。这些装置在各种X太阳 照度下使用上述实验设置而被评估。在下面的表I中概括出所述比较的结果。表 I
22 根据上面显而易见的是，通过本发明相对于常规装置获得冷却和热输送效率的显 著收益。本说明书中所使用的表达成分、组分、反应条件等等的数量的所有数字都应当被 理解成在所有实例中都用术语“大约”被修改。尽管所阐述的数值范围和参数、在此所提出 的主题的大范围都是近似，但是所阐述的数值被尽可能精确地指示出。然而，任何数值都可 能内在地含有某些误差，所述误差例如由于其相应的测量技术导致，所述误差可以由与其 相关联的标准偏差来证实。尽管已经结合本发明的优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员能够理 解，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下作出在此未具体描述的添加、删除、修改、 以及替换。除非与之相关联地明确地使用术语“是指(means)”，否则在此所使用的术语不 应根据35U. S. C § 112，1|6来解释。
权利要求
一种装置，包括集中器，被构造和布置为接收入射电磁能以及将入射电磁能集中成较大强度级；电磁能接收设备，包括被构造和布置为接收集中的电磁能的第一表面、以及与第一表面相对的第二表面；至少一个光学重定位器，被构造和布置为将集中的电磁能重新引导到第一表面的至少一部分上；热输送设备，包括至少一个管道和第一表面；以及热界面层，物理连接到所述热输送设备的第一表面和所述电磁能接收设备的第二表面中的至少一部分，所述热界面材料是导热的、导电的、或者二者。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述集中器包括透镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述集中器包括菲涅耳透镜，并且所述透镜由光 学材料构成。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述集中器包括一维或二维透镜阵列。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述集中器被构造为将阳光的强度放大到至少10倍。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述集中器被构造为将阳光的强度放大到至少 1，000 倍。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述集中器被构造为将阳光的强度放大到至少 1，688 倍。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述集中器被构造为将阳光的强度放大到至少 2，000 倍。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述集中器被构造为将阳光的强度放大到至少 10，000 倍。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁接收设备包括至少一个光伏太阳能电 池，所述光伏太阳能电池具有第一表面，所述第一表面限定了 Inm2至1，OOOmm2的有效面积。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述太阳能电池的第一表面具有大约1平方厘 米的尺寸。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述太阳能电池的第一表面具有大约1平方毫 米的尺寸。
13.根据权利要求10所述的装置，其中所述太阳能电池的第一表面具有大约4平方毫 米的尺寸。
14.根据权利要求10所述的装置，其中所述太阳能电池不包括电子封装材料。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁接收设备包括至少一个热接受器。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述热输送设备至少部分由下列项目之中的至 少一个形成铝、铝合金、铜、以及铜合金。
17.根据权利要求1所述的装置，进一步在所述传热设备的至少一个管道内至少部分 包括传热介质。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述传热介质包括下列项目之中的一个或多 个水、有机液体、无机液体、生物液体、蒸汽、油、以及固体颗粒。
19.根据权利要求17所述的装置，其中所述传热介质包括分散体或乳液。
20.根据权利要求17所述的装置，其中所述传热介质包括有机液体。
21.根据权利要求1所述的装置，其中所述热界面层至少部分由下列项目之中的一个 或多个构成多相材料、银合金、液态金属、液态金属合金、铟锡合金、锡铋合金、以及无铅焊 料。
22.根据权利要求1所述的装置，其中所述热界面层具有包括下列项目的成分导热 膏，焊料，聚合物，无机材料，液态金属，液态金属合金，以微米、纳米、或其它尺寸为单位的 各种大小的结构、包括四脚体和多脚体，以及多种厚度的膜，其至少为导热的以保证有效的 热输送通路，其还能够包括通过所述相同通路或替代通路、或通路的一部分作为热输送通 路而提供的电导率。
23.根据权利要求1所述的装置，其中所述热界面层形成电极中的至少一部分。
24.根据权利要求1所述的装置，其中所述热输送设备包括至少一个进口和至少一个出口。
25.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个热输送设备通过所述热界面层与 所述电磁能接收设备的整个第二表面直接接触。
26.根据权利要求1所述的装置，进一步包括跟踪设备，用于跟踪电磁能的源的位置。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述跟踪设备沿着至少2个轴移动以跟踪电磁 能的源的位置。
28.根据权利要求26所述的装置，其中所述跟踪设备沿着至少3个轴移动以跟踪电磁 能的源的位置。
29.根据权利要求1所述的装置，其中所述传热设备包括密室。
30.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光学重定位器至少部分由不透明 的材料形成。
31.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学重定位器至少部分由透明的材料形成。
32.根据权利要求31所述的装置，其中所述透明的材料包括梯度折射率。
33.一种装置，包括光伏太阳能电池，包括用于接收入射到其上面的集中的太阳能的第一表面、以及相对 的第二表面；热输送设备，包括至少一个管道和第一表面；以及热界面层，物理连接到所述太阳能电池的第二表面和所述热输送设备的第一表面，所 述热界面材料是导电的和/或导热的；其中该装置将集中的太阳能转换成每平方厘米光伏电池面积至少37瓦的DC电力。
34.根据权利要求33所述的装置，其中入射太阳能被集中成至少大约1，688太阳照度。
35.根据权利要求33所述的装置，进一步包括集中器，所述集中器被构造和布置为接 收太阳能；集中太阳能；以及将集中的太阳能引导到所述太阳能电池的第一表面上。
36.根据权利要求33所述的装置，其中所述集中器包括菲涅耳透镜。
37.根据权利要求33所述的装置，其中所述菲涅耳透镜由丙烯酸树脂构成。
38.根据权利要求33所述的装置，其中所述电磁接收设备包括至少一个光伏太阳能电 池，所述光伏太阳能电池具有第一表面，所述第一表面限定了 Inm2至1，OOOmm2的有效面积。
39.根据权利要求33所述的装置，其中所述太阳能电池的第一表面具有1平方厘米的 尺寸。
40.根据权利要求33所述的装置，其中所述太阳能电池的第一表面具有大约1平方毫 米的尺寸。
41.根据权利要求33所述的装置，其中所述太阳能电池的第一表面具有大约4平方毫 米的尺寸。
42.根据权利要求33所述的装置，其中所述太阳能电池不包括电子封装材料。
43.根据权利要求33所述的装置，其中所述热输送设备至少部分由铜合金形成。
44.根据权利要求33所述的装置，进一步在所述传热设备的至少一个管道内至少部分 包括传热介质。
45.根据权利要求43所述的装置，其中所述传热介质包括水。
46.根据权利要求33所述的装置，其中所述热界面层至少部分由银合金构成。
47.根据权利要求33所述的装置，其中所述热界面层具有包括下列项目的成分导热 膏，焊料，聚合物，以微米、纳米、或其它尺寸为单位的各种大小的结构，以及多种厚度的膜， 其至少为导热的以保证有效的热输送通路，其还能够包括通过所述相同通路或替代通路、 或通路的一部分作为热输送通路而提供的电导率。
48.根据权利要求33所述的装置，其中所述热界面层形成电极中的至少一部分。
49.根据权利要求33所述的装置，其中所述热输送设备包括至少一个进口和至少一个 出口。
50.根据权利要求33所述的装置，其中所述至少一个热输送设备通过所述热界面层与 整个第二表面直接接触。
51.一种阵列，包括至少一个集中器，所述至少一个集中器被构造和布置为接收入射电磁能以及将入射电 磁能集中成较大强度级；多个电磁能接收设备，每个设备都包括被构造和布置为接收集中的电磁能的第一表 面、以及与第一表面相对的第二表面；至少一个光学重定位器，被构造和布置为将集中的电磁能重新引导到第一表面的至少 一部分上；至少一个热输送设备，包括第一表面；以及热界面层，物理连接到所述热输送设备的第一表面和所述电磁能接收设备的第二表面 中的至少一部分，所述热界面材料是导热的、导电的、或者二者。
52.根据权利要求51所述的阵列，其中所述至少一个热输送设备包括至少一个管道。
53.根据权利要求51所述的阵列，其中电磁能被集中到至少1，000倍。
54.根据权利要求51所述的阵列，其中电磁能被集中到至少1，600倍。
55.根据权利要求51所述的阵列，其中电磁能被集中到至少2，000倍。
56.一种装置，包括至少一个集中器，被构造和布置为接收入射电磁能以及将入射电磁能集中成较大强度级；至少一个电磁能接收设备，包括被构造和布置为接收集中的电磁能的第一表面；热输送设备，与所述至少一个电磁能接收设备热连通；以及至少一个光学重定位器，被构造和布置为将集中的电磁能重新引导到第一表面的至少 一部分上。
57.根据权利要求56所述的装置，其中所述光学重定位器包括如下构件该构件包括 第一开口、第二开口、以及连接第一和第二开口的侧面，所述侧面朝第二开口会聚。
58.根据权利要求56所述的装置，其中所述侧面之中的一个或多个包括杯形、截头圆 锥体形、正多边形或不规则多边形截头体、恒定斜率、或者可变的斜率。
59.根据权利要求57所述的装置，其中所述侧面的至少一部分被抛光、阳极氧化处理、 或者以其它方式被涂敷处理以便改进所述侧面的反射性质。
60.根据权利要求56所述的装置，其中在第一与第二开口之间包含有光学材料，所述 光学材料提供对入射电磁能的进一步的集中。
61.根据权利要求56所述的装置，其中所述构件包括从第一开口延伸到所述至少一个 集中器的重定位器延伸部。
62.根据权利要求61所述的装置，其中所述重定位器延伸部具有包括光伏材料的内表
63.根据权利要求56所述的装置，其中所述光学重定位器包括板，所述板具有多个形 成在其中的凹陷，其中每个凹陷都包括第一开口、第二开口、以及连接第一和第二开口的侧 面，所述侧面朝第二开口会聚。
64.根据权利要求63所述的装置，包括多个电磁能接收设备，每个电磁能接收设备都 包括第一表面，所述第一表面被构造和布置为从相应的凹陷的相应的第二开口接收经过重 新引导的电磁能。
65.根据权利要求56所述的装置，包括至少一个集中器具有第一表面积，并且所述至 少一个热输送设备具有第二表面积，第一表面积大致等于第二表面积，并 且其中所述至少 一个电磁能接收设备被大致中心地定位在所述至少一个热输送设备上。
66.根据权利要求65所述的装置，其中所述至少一个电磁能接收设备具有不大于约 Imm χ Imm的面禾只。
67.一种包括根据权利要求56所述的装置的环境密封模块。
68.根据权利要求67所述的装置，包括至少一个过滤器或隔膜，所述过滤器或隔膜提 供至少一个处于环境与所述模块的内部之间的半渗透性屏障。
69.一种装置，包括电路板，包括上部电绝缘层，所述上部电绝缘层具有布置在其中的开口 ； 电磁能接收设备，包括具有有效面积的第一表面、以及相对的第二表面，所述有效面积 与所述绝缘层中的开口连通；以及重定位器，包括构件，所述构件包括第一开口、第二开口、以及连接第一和第二开口 的会聚侧面，所述侧面朝第二开口会聚，第二开口被布置为直接与所述绝缘层中的开口连 通；其中入射到所述重定位器上的电磁能被重新引导到所述电磁能接收设备的有效面积上。
70.根据权利要求69所述的装置，其中所述电磁能接收设备包括光伏太阳能电池。
71.根据权利要求69所述的装置，其中所述电磁能接收设备通过一层或多层导电材料 连接到所述电路板。
72.根据权利要求71所述的装置，进一步包括热输送设备和热界面层，所述热界面层 是导电的、导热的、或者二者；其中所述电路板和所述电磁能接收设备通过所述热界面层连 接到所述热输送设备。
73.一种装置，包括电路板；以及布置在所述电路板上的太阳能电池的阵列；其中所述阵列的太阳能电池以串联或并联关系电连接到下列项目之中的至少一个以 便提供所期望的电压和电流组合保护二极管、阻塞二极管、或者旁路二极管。
74.一种装置，包括电路板，包括上部电绝缘层，所述上部电绝缘层具有布置在其中的开口 ；电磁能接收设备，包括具有有效面积的第一表面、以及相对的第二表面，所述有效面积 与所述开口连通；电接触面积，与所述有效面积电连通；光学重定位器，包括构件，所述构件包括第一开口、第二开口、以及连接第一和第二开 口的会聚侧面，所述侧面朝第二开口会聚，并且第二开口被布置为直接与所述上部绝缘层中的开口连通；其中入射到所述重定位器上的电磁能被重新引导到所述电磁能接收设备的有效面积上。
75.根据权利要求74所述的装置，其中所述电接触面积包括金。
76.根据权利要求74所述的装置，其中所述电接触面积被布置为与所述电路板滑动电 接触。
77.根据权利要求74所述的装置，其中所述电接触面积环绕所述有效面积。
78.根据权利要求74所述的装置，进一步包括电磁能接收设备衬底；其中所述电接触面积被镀覆在所述衬底上。
79.根据权利要求78所述的装置，进一步包括导电的电路层，并且其中所述衬底电连 接和物理连接到所述导电的电路层。
80.根据权利要求79所述的装置，进一步包括导热的电绝缘体层，其中所述导电的电 路被布置在所述电绝缘体层上。
81.根据权利要求80所述的装置，其中所述电绝缘体层包括氮化铝。
82.根据权利要求80所述的装置，进一步包括多个电触头，所述电触头被布置在所述 导电的电路层上。
83.根据权利要求82所述的装置，进一步包括至少一个阴极和至少一个阳极。
84.根据权利要求82所述的装置，进一步包括弹性体材料，所述弹性体材料被布置在 所述电绝缘体层与所述电路板之间。
85.根据权利要求74所述的装置，进一步包括热输送设备和热界面层，所述热界面层 是导电的、导热的、或者二者。
86.根据权利要求85所述的装置，进一步包括导热的电绝缘体层，并且所述热界面层 被布置在所述热输送设备与所述电绝缘体层之间。
全文摘要
装置可以包括集中器，被构造和布置为接收入射电磁能以及将入射电磁能集中成较大强度级；电磁能接收设备，包括被构造和布置为接收集中的电磁能的第一表面、以及与第一表面相对的第二表面；热输送设备，包括至少一个管道和第一表面；以及热界面层，物理连接到所述热输送设备的第一表面和所述电磁能接收设备的第二表面中的至少一部分，所述热界面材料是导热的而且导电的。还描述有相关的方法和附加的装置。
文档编号H01L37/00GK101919078SQ200880124343
公开日2010年12月15日 申请日期2008年11月7日 优先权日2007年11月8日
发明者A·J·阿马罗, K·穆尔蒂, R·S·布洛克 申请人:太阳能技术公司