专利名称：具有图案化玻璃集中器的光伏装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及光伏装置，并且更特别地涉及能够集中太阳能的用于在光伏电池中使用的图案化玻璃。
背景技术：
文中提到的所有美国专利以及专利申请的全部内容通过引用并入本文中。在存在冲突的情况下，则以本说明书为主(包括定义)。随着全球人口持续增加，对能量以及能源的需求也增加了。如针对能量饥渴的全球人口所预期的，在上个世纪期间化石燃料消耗平稳增长。据估计，在2004年，86%的人类生产的能量来自化石燃料的燃烧。化石燃料是不可再生资源，并且与能够替代化石燃料相比正更快地耗尽化石燃料储量。结果，已经开始移向可再生能量开发，以满足对能量的增长的需求。在过去的十到二十年间，愈加关注开发技术来高效地利用来自替代源(如太阳能、 氢能以及风能)的能量，以满足增长的全球需求。在替代源中，太阳被认为是最充足的自然资源，每天对地球大量提供无限的能量供给。存在针对俘获太阳光的能量并将它转化成电力的多种技术。光伏(PV)模块代表这种技术，并且到目前为止，光伏模块存在于诸如远程电力系统、太空交通工具和消费品(如无线装置)的领域的许多应用中。来自太阳的能量尽管量大且充足，但在实际中是非常分散的。例如，使用现代PV 系统产生大约十亿瓦特的功率会需要大约四平方英里面积的硅。使用这样大量的硅是给予PV装置制造商的最大成本因素，制造商进而将成本传递给希望购买和使用这样的PV装置的消费者。到目前为止，从PV系统产生的电力比从化石燃料的传统燃烧产生的电力更昂贵，因此阻碍了从PV系统产生的电力与从化石燃料产生的电力在经济上竞争。用以减少从PV系统产生电力的成本所采取的一种方法是在PV装置中使用较少的 PV材料，例如硅。通过使用较少的PV材料，自然会存在较小的可能可用于被太阳能击中的空间或者表面面积。为能够实际地使用具有较少硅材料但不存在PV装置转换效率显著下降的PV系统，已将太阳能集中器用作将太阳的能量聚焦到较小面积的硅上的装置。太阳能集中以减少PV系统的尺寸的想法已经存在了数十年，但只是最近才随着 PV装置效率的提高而发展起来。存在能够用于集中太阳能的许多不同光学部件，包括曲面镜、图案化塑料板、曲面金属反射器、以及专用透镜，例如菲涅尔透镜。这些光学部件的合并产生了被称作“集中器” PV装置的一类PV系统。“集中器”PV装置的制造提供了超越平板或非集中器PV装置的优点。这些优点可以包括但不限于1)集中器PV装置能够增加功率输出，同时减少所需的太阳能电池的数目；以及2)集中器PV装置能够使用具有小得多的表面面积的太阳能电池，其相比于大表面面积的太阳能电池更易于大量生产。尽管提供了上述优点，但是光学部件本身(例如曲面镜、图案化塑料板、曲面金属反射器以及专用透镜)会是非常昂贵的，因而在某种程度上抵消了与在集中器PV装置中使用较少的PV材料相关联的降低的成本。此外，(与非集中器 PV装置相比)这些光学部件根据它们提供给PV装置的功率输出的增加以及增加的成本而变化。例如，一种Solaria公司制造的这样的PV装置在PV装置中使用塑料的V型槽图案化板。塑料图案化板在一个光学表面上是平的，而具有布置在另一个光学表面上的一系列相邻布置的三角形(即，V型槽)图案。PV装置包括太阳能电池材料，其中图案化塑料板被布置在太阳能电池材料上(其中V型槽图案朝向太阳能电池材料定向)，并且PV装置需要使用被布置在塑料板的顶部上的覆盖玻璃。尽管比非集中器PV装置更能量高效，但是PV 装置具有图案化塑料板的制造昂贵的缺点，因而抵消了与具有较少太阳能电池材料相关联的减少的成本。此外，塑料板需要使用覆盖玻璃，这增加了成本，并限制了功率输出的增加。因此，在本领域中仍然具有对结合有能够容易且廉价制造的光学部件的集中器PV 装置的需要，这会最大化成本节约和提供具有增加的功率输出的PV装置。
发明内容
本发明提供了具有容易且廉价制造的图案化玻璃集中器的PV装置以及制造该装置的方法，其克服了与传统集中器和非集中器PV装置相关联的缺点。使用具有凸图案的玻璃板作为本发明的PV装置中的集中器导致了制造和零件成本的显著下降(与传统集中器和非集中器PV装置相比)以及能量输出的显著增加。本发明的图案化玻璃可以在连续过程中被在线制造，并且可以在PV装置中既用作集中器又用作覆盖玻璃。在本发明的一方面，提供了一种在集中太阳的能量时高效的图案化光学部件。在本发明的一方面，提供了一种在集中太阳的能量时高效的图案化玻璃部件。在本发明的另一方面，提供了一种通过在线玻璃技术制造图案化玻璃的方法。在本发明的另一方面，提供了一种结合有图案化玻璃的集中器PV装置。在本发明的又一方面，提供了一种制造结合有图案化玻璃的集中器PV装置的方法。在本发明的又一方面，提供了一种集中器PV装置，其中图案化玻璃既用作集中器又用作覆盖玻璃，并因此使用了比传统集中器PV装置少的物理部件。
图1示出了来自凸光学部件的光集中的几何表示。图2示出了根据本发明的集中器PV装置的图案化玻璃部件的配置、以及图案化玻璃被设计成将太阳能集中到太阳能电池的方式的表示。图3示出了用于形成根据本发明的图案化玻璃的辊的实施例。图4定义了根据本发明的图案化玻璃的实施例的尺寸(图4A)并且示出了根据本发明的图案化玻璃的实施例的具体尺寸(图4B)。
具体实施方式
尽管可以以多种不同的方式实施本发明，但文中描述了多个说明性的实施例，其中应理解，本公开内容被认为提供本发明原理的示例并且这样的示例不意在将本发明限制于文中描述和/或示出的优选实施例。以足够的细节公开了各实施例，以使得本领域技术人员能够实践本发明。应理解，可以使用其它实施例，并且可以在不背离本发明的精神或范围的情况下做出结构和逻辑变化。本发明提供了通过已知的图案化玻璃生产技术容易并廉价地制造的用于PV装置的图案化玻璃部件。本发明还提供了制造图案化玻璃的方法以及结合有根据本发明的图案化玻璃的PV装置。如此处提到的，“集中器”或“集中器PV装置”分别指被设计成将太阳能集中或聚焦到太阳能电池材料(例如像硅材料)的部件或结合有该部件的PV装置。如此处提到的，“平板”或者“平板PV装置”分别指不会将太阳能集中或聚焦到太阳能电池材料(例如像硅材料)的部件或结合有该部件的PV装置。如此处提到的，“布置在...上”是指部件、基底或材料直接或者间接地定位或者涂敷在提及的部件、基底或材料之上。如果是间接定位或者涂覆，则可以插入一个或更多个部件、基底或材料。本主题内容的发明人已经发现，简单且已知的图案化玻璃板制造技术可以提供具有有利光集中特性的图案化玻璃板。这样的光集中特性允许使用显著少的PV材料的集中器PV装置的制造，由此降低了这样的PV装置的制造成本。非限制性的示例包括具有起光学透镜作用或模仿光学透镜行为的特征的图案。更具体地，文中所描述的集中器PV装置和应用所期望的起光学透镜作用或模仿光学透镜行为的特征为凸类型特征。已知凸类型特征将通过凸类型特征的光聚焦到凸类型特征的另一边或后面的特定距离(被称为焦距)处。对于光学透镜，存在两种主要类型的凸特征双凸和平凸。双凸型透镜或特征是两个主要光学表面为凸的透镜或特征。平凸型透镜或特征是一个主要光学表面为凸而另一个主要光学表面为平的或平面的透镜或特征。在图1中示出了平凸型透镜10、连同这种透镜会如何集中光的表示。当光通过凸透镜时，光被聚焦到凸透镜的另一侧或下方的某处的点。将光聚焦的点被称为焦距。因此，将前面提到的凸类型特征结合到玻璃板的至少一个光学表面可以提供具有集中器PV装置和应用所期望的光集中特性的图案化玻璃。图案化玻璃板的制造对于本领域技术人员是公知的。这些包括在线方法以及铸造方法。在铸造方法中，在熔炉中将玻璃原料熔化并且将玻璃熔化物灌注到模子或模具中。 当玻璃熔化物充分冷却时，移除模子，留下图案化玻璃。在在线方法中，在熔炉中将玻璃原料熔化，然后玻璃熔化物通过或者被拉动通过辊，该辊具有要给予最终的图案化玻璃板的至少一个表面的期望的形状。在线方法提供能够制造通常被称为“带”的连续玻璃板的优势。换句话说，在线方法是有利的，这是因为通过在线方法制造的图案化玻璃比通过铸造方法制造的图案化玻璃显著便宜。在图2中示出了根据本发明的图案化玻璃板20的实施例、连同通过图案化玻璃的光如何被集中到布置在图案化玻璃下方的太阳能电池材料70的薄带的表示。图2中示出的图案化玻璃板通过使用起凸光学透镜作用的一系列凸部分60来实现它的期望的光集中特性。图2中示出的实施例是代表性的。所示实施例具有一系列的四个相邻布置的凸特征60。本领域技术人员将会认识并理解，根据本发明的图案化玻璃板可以具有多于四个或少于四个的相邻布置的凸特征，并且能够被制造为具有所期望的那样多的相邻凸特征。通过在线方法制造的玻璃带通常是长且连续的玻璃板，在进一步加工和/或包装以及运送给客户之前需要对其进行切割。切割图案化玻璃带的图案化表面是有问题的，这是因为必须利用沿着玻璃带的表面延伸并保持与玻璃带接触的刻痕工具从一侧到另一侧对玻璃带刻痕。因此，为此目的，优选地使用平凸图案化型玻璃，这是因为平的或者平面的图案化玻璃的光学表面允许玻璃带的高效刻痕。图3示出了能够用于制造根据本发明的图案化玻璃板的辊的实施例。玻璃原料在熔炉中被熔化，然后在升高的温度下通过或者被拉动通过上辊30和下辊40。上辊30通常是具有平坦表面的圆柱形以在玻璃带上压出平坦的光学表面。下辊40通常具有图3中所示的形状。在下辊40上相邻地布置一系列凹入部分 50以允许下辊40在玻璃带上压出一系列相邻的凸光学表面。在形成图案化玻璃带之后，沿着传送线用辊转动输送(roll)该带，其中在退火炉中该图案化玻璃带被退火，然后被刻痕并分成更易管理的尺寸。本发明的图案化玻璃用于将光集中到太阳能电池材料的薄带上。因此，为了使用本发明的PV部件来优化潜在的集中器PV装置的效率，通常期望使尽可能多的光透过图案化玻璃。这可以通过无色的或者透明的图案化玻璃来实现。适合此目的的透明玻璃的类型对于本领域技术人员来说是公知的。这些包括但不限于标准钠钙型玻璃以及太阳能型玻璃，例如具有低的总含铁量的玻璃。为此目的，优选地，使用总含铁量在约0.001-0. 100重量百分比的范围内的太阳能型玻璃。更优选地，使用总含铁量为约0. 005-0. 050重量百分比的太阳能型玻璃。最优选地，使用总含铁量为约0. 005-0. 020重量百分比的太阳能型玻
^^ ο如本领域技术人员将认识到的，功能PV装置经常遭受严酷的环境条件，例如大风及降水。因此，优选的是，根据本发明的图案化玻璃板被热强化或者回火，以确保图案化玻璃的增强的耐久性。值得注意的是，本发明的图案化玻璃除了起到PV装置中的集中器的作用之外还起覆盖玻璃的作用，因而进一步降低了制造成本。到目前为止，在太阳能电池中使用的PV或太阳能电池材料代表PV装置制造的最昂贵的方面。因此，需要能够最小化所使用的太阳能电池材料的量的PV装置。根据本发明的图案化玻璃在将来自太阳的分散能量集中方面是高效的。这种集中允许使用显著少的太阳能电池材料的PV装置的制造。根据本发明使用的太阳能电池材料没有特别限制，只要太阳能电池材料是PV装置中使用的已知的且可接受的材料即可。因为硅的可用性以及已知的性能特性，所以在PV装置中最常使用硅。为此目的， 并由于上面所提到的原因，优选地使用硅作为太阳能电池材料。硅可以具有非晶型或者结晶型。根据本发明能够使用的结晶型硅为纳晶硅、微晶硅、多晶硅、单晶硅及它们的组合。太阳能电池材料的尺寸没有特别限制。太阳能电池材料可以是从大约Imm的长度、宽度和/或高度到大约数米的长度、宽度和/或高度。在优选的实施例中，太阳能电池材料的长度小于约lm，宽度和高度小于20mm。在更优选的实施例中，太阳能电池材料的长度小于约500mm， 宽度和高度小于10mm。在最优选的实施例中，太阳能电池材料的长度小于约155mm，宽度和 /或高度小于5mm。期望将太阳能电池布置在根据本发明的图案化玻璃的平的或平面的光学表面下方，其中图案化的光学表面具有背对太阳能电池以使来自太阳的光入射的凸部分。还期望将太阳能电池布置成使得它们与图案化玻璃的平的或平面的表面相接触。对于集中器PV 装置，与狭窄地聚焦在太阳能电池表面区域上的光相比较，更均勻地散布在相同太阳能电池表面区域上的光会导致更高效的PV装置。因此，有益的是，将太阳能电池布置在文中描述的图案化玻璃的凸特征的焦距之上的有限距离处。因此，根据本发明的图案化玻璃允许使用显著少的PV材料的集中器PV装置的制造。例如，基于硅的平板PV装置通常需要相当大片的硅块材料。然而，结合有根据本发明的图案化玻璃的集中器PV装置允许在PV装置中使用少得多的硅块材料。硅块材料可以被切割成薄带并且中心地布置在文中描述的图案化玻璃的凸特征的下方，如图2所示。此外，传统集中器PV装置通常使用至少3个主要部件1)PV材料；2)覆盖玻璃； 以及幻太阳能集中器。根据本发明的图案化玻璃允许将分立的覆盖玻璃和太阳能集中器组合成单个部件。因此，本发明的图案化玻璃不仅能够用作集中太阳能的装置而且还能够用作PV覆盖玻璃，由此消除了 PV装置制造中的工艺步骤并且最小化PV装置的物理部件的数目，由此允许集中器PV装置仅具有2个主要部件。本发明的图案化玻璃的尺寸没有特别限制，在图4A中示出了本段中所讨论的尺寸。本发明的图案化玻璃的厚度100可以从大约Imm厚多至Im厚。在优选的实施例中，厚度100小于约10mm。在更优选的实施例中，厚度100小于约8mm。在最优选的实施例中， 厚度100小于约6mm。本发明的图案化玻璃的每个凸特征的宽度110可以从大约Imm宽多至Im宽。在优选的实施例中，每个凸特征的宽度110小于约10mm。在更优选的实施例中， 每个凸特征的宽度110小于约8mm。在最优选的实施例中，每个凸特征的宽度110小于约 6mm。本发明的图案化玻璃的凸特征的半径130可以从大约Imm多至lm。在优选的实施例中，每个凸特征的半径130小于约20mm。在更优选的实施例中，每个凸特征的半径130小于约10mm。在最优选的实施例中，每个凸特征的半径130小于约5mm。本发明的图案化玻璃的每个凸特征的高度120可以从大约0.5mm多至lm。在优选的实施例中，每个凸特征的高度120小于约20mm。在更优选的实施例中，每个凸特征的高度120小于约10mm。在最优选的实施例中，每个凸特征的高度120小于约5mm。示例 1在图4B中示出了根据本发明的图案化玻璃20的实施例。图案化玻璃20由熔化的玻璃原料形成以具有如表1中所描述的组分。玻璃原料在玻璃熔炉中被熔化并且被拉动通过图3的上辊30以及下辊40，其将玻璃熔化物成形为图4B中示出的图案化玻璃20。图案化玻璃20具有大约5. 6mm的从平面光学表面到凸特征的顶部的厚度100、以及大约5. 8mm 的每个凸特征的宽度110。对于布置在文中描述的图案化玻璃20的光学表面上的凸特征， 凸特征具有大约1. 5mm的高度120和大约3. 5mm的半径130。
权利要求
1.一种光伏装置，包括 太阳能电池材料；以及包括至少两个光学表面的图案化玻璃，其中所述光学表面中的至少一个光学表面在其上形成有能够集中和/或聚焦光的一系列相邻布置的、基本上为凸的特征；其中，所述图案化玻璃被布置在所述太阳能电池材料上，其中所述凸特征的朝向背离所述太阳能电池材料。
2.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃的所述光学表面中的一个光学表面与上面形成有所述相邻布置的、基本上为凸的特征的所述光学表面相对，并且是平的。
3.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃具有小于IOmm的厚度。
4.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃具有小于8mm的厚度。
5.根据权利要求1的所述光伏装置，其中，所述图案化玻璃具有小于6mm的厚度。
6.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃的所述凸特征的宽度小于 IOmm0
7.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃的所述凸特征的宽度小于6mm ο
8.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，至少一个太阳能电池被中心地布置在所述图案化玻璃的至少一个所述凸特征的下方。
9.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述太阳能电池材料包括硅。
10.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述玻璃包含小于0.10重量百分比的总含铁量。
11.根据权利要求10所述的光伏装置，其中，所述玻璃包含小于0.02重量百分比的总含铁量。
12.一种制造光伏装置的方法，包括a)设置包括至少两个光学表面的图案化玻璃，其中所述光学表面中的至少一个光学表面在其上形成有能够集中和/或聚焦光的一系列相邻布置的、基本上为凸的特征；b)在所述图案化玻璃下方设置太阳能电池；以及c)将所述图案化玻璃布置在所述太阳能电池上，其中所述凸特征的朝向背离所述材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述玻璃包含小于0.10重量百分比的总含铁量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述玻璃包含小于0.02重量百分比的总含铁量。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述图案化玻璃的所述光学表面中的一个光学表面与上面形成有所述相邻布置的、基本上为凸的特征的所述光学表面相对，并且是平的。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述玻璃的厚度小于10mm。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述玻璃的厚度小于6mm。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述玻璃的厚度小于6mm。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述凸特征的宽度小于10mm。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述凸特征的宽度小于6mm。
21.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述玻璃通过在线方法制造。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，所述图案化玻璃通过在线方法制造。
23.一种光伏装置，包括 太阳能电池材料；以及图案化玻璃，所述图案化玻璃被布置在所述太阳能电池材料上，并包括至少两个光学表面，其中所述光学表面中的至少一个光学表面在其上形成有能够集中和/或聚焦光的一系列相邻布置的、基本上为凸的特征；以及其中，所述图案化玻璃通过在线方法形成。
24.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃具有小于IOmm的厚度。
25.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃具有小于8mm的厚度。
26.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃具有小于6mm的厚度。
27.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃的所述凸特征的宽度小于 IOmm0
28.根据权利要求27所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃的所述凸特征的宽度小于 6mm。
29.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述太阳能电池材料被中心地布置在所述图案化玻璃的至少一个所述凸特征下方。
30.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述太阳能电池材料包括硅。
31.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述玻璃包含小于0.10重量百分比的总含铁量。
32.根据权利要求31所述的光伏装置，其中，所述玻璃包含小于0.02重量百分比的总含铁量。
33.一种制造光伏装置的方法，包括a)设置包括至少两个光学表面的图案化玻璃，其中所述光学表面中的至少一个光学表面在其上形成有能够集中和/或聚焦光的一系列相邻布置的、基本上为凸的特征；以及b)在所述图案化玻璃下方设置太阳能电池； 其中，所述图案化玻璃通过在线方法形成。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述图案化玻璃具有小于IOmm的厚度。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，所述图案化玻璃具有小于8mm的厚度。
36.根据权利要求33所述的方法，其中，所述图案化玻璃具有小于6mm的厚度。
37.根据权利要求33所述的方法，其中，所述图案化玻璃的所述凸特征的宽度小于 IOmm0
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述图案化玻璃的所述凸特征的宽度小于6mm ο
39.根据权利要求33所述的方法，其中，所述太阳能电池材料被中心地布置在所述图案化玻璃的至少一个所述凸特征下方。
40.根据权利要求33所述的方法，其中，所述太阳能电池材料包括硅。
41.根据权利要求33所述的方法，其中，所述玻璃包含小于0.10重量百分比的总含铁量。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述玻璃包含小于0.02重量百分比的总含铁量。
43.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃用作覆盖玻璃，并且不包括分立的覆盖玻璃。
44.根据权利要求12所述的方法，其中，所述图案化玻璃用作覆盖玻璃，并且不包括分立的覆盖玻璃。
45.根据权利要求23所述的光伏装置，其中，所述图案化玻璃用作覆盖玻璃，并且不包括分立的覆盖玻璃。
46.根据权利要求33所述的方法，其中，所述图案化玻璃用作覆盖玻璃，并且不包括分立的覆盖玻璃。
47.一种光伏装置，包括 太阳能电池材料；以及包括至少两个光学表面的图案化玻璃，其中所述光学表面中的至少一个光学表面在其上形成有能够集中和/或聚焦光的一系列相邻布置的、基本上为凸的特征；其中，所述图案化玻璃被布置在所述太阳能电池材料上，其中所述凸特征的朝向背离所述太阳能电池材料，并且其中所述图案化玻璃用作覆盖玻璃并且不包括分立的覆盖玻^^ ο
全文摘要
本发明提供了具有能够集中太阳能的光学部件的光伏装置以及制造该光伏装置的方法。更具体地，本发明提供了在线制造的图案化玻璃部件，其能够集中太阳能并允许在光伏装置中使用显著少的光伏材料。本发明还提供了制造图案化玻璃的在线方法和制造并入在此描述的图案化玻璃的光伏装置的方法。
文档编号H02N6/00GK102577079SQ201080036082
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者克里斯托弗·R·科丁, 马修·斯彭切尔 申请人:北美Agc平板玻璃公司