CN111566817A - 针对光伏利用和热利用的多层光谱分离滤波器配置方法以及与所述方法相关联的滤波器和发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器(1)配置方法，该滤波器适于设置在供发电设备使用的光伏板上，多层滤波器(1)包括具有不同折射率和厚度的多个层(2)，该方法的特征在于其包括执行一系列步骤以配置所述多层滤波器(1)，使得光伏效率和热效率最大化。本发明也涉及一种用所述方法配置的多层滤波器(1)。本发明还涉及一种通过利用太阳能发电的设备，其包括使用至少一个用所述方法配置的多层滤波器(1)。

Description

针对光伏利用和热利用的多层光谱分离滤波器配置方法以及 与所述方法相关联的滤波器和发电设备

技术领域

本发明涉及一种针对太阳辐射的多层光谱分离滤波器配置方法，以在比热接收器(例如聚光型太阳能发电(concentration solar power,CSP)设备)更有效的范围内将所述辐射透射至光伏(PV)电池，并且在比光伏电池更有效的太阳辐射的范围内将所述辐射反射至热接收器。因此，包含本发明的主要领域是将在工业设备的热能和电能系统中使用的太阳辐射的选择性处理。

发明背景

在与太阳能发电技术有关的领域内，可以分为两个主要的类别：太阳能聚热技术和太阳能光伏发电技术。两者的工作原理在实质上不同，各自具有其优点和缺点。太阳热能是基于光学部件(通常是镜面)的使用来产生用于对传热流体加热的聚集光。所述过热流体在传统的汽轮机循环中被用作输入，用于对进入所述循环的另一流体加热。就其本身而言，光伏太阳能发电的特点在于半导体(主要由晶体硅制成)的使用，这些半导体在通过光电效应吸收太阳辐射后直接发电。

太阳热能的巨大优势在于，由于其基于作为加热介质的流体，因此可以将太阳热能存储在储罐中，并在所需的白天时间或甚至是晚上时间将其引入汽轮机循环中。这意味着太阳热能的竞争优势在于，其是可以被存储起来以备后用的能源。作为主要缺点，所述能源的处理与太阳能光伏能源和其他常规资源相比要复杂得多，使得通过这种方式发电比通过其他资源发电更加昂贵。

然而，与常规资源相比，太阳能光伏能源要简单得多，并且其成本比太阳能热发电的成本更低。其存在的最大缺点在于，由于它是直接发电的，因此除非使用电池，否则其存储是不可行的，这需要很高的设备和维护成本。因此，光伏能源实际上无法在工业设备中实现大规模存储，这意味着电网的能量输送与所述电网中可能存在的实际需求不同步。

在太阳能热系统领域内，目前主导市场的两种技术是抛物面槽式和塔式。在那些抛物面槽式太阳热系统中，具有待加热流体的管道或管循环通过一个或多个抛物面镜的聚焦区域，抛物面镜将太阳辐射聚集在所述管道内。在塔式技术中，镜面的太阳能场将辐射聚集在位于塔内的聚集区域中，在该区域中安装有接收器，传热流体在该接收器中循环。

抛物面槽式技术是最成熟的技术，并且在太阳热能的历史发展中自始至终是主导技术。然而，近来，太阳能热塔已成为主流，尤其是考虑到它们具有比抛物面槽聚光更高效的优点，因此，可以达到更高的温度，并且可以增加热力循环的效率。此外，传热流体的循环限于塔所位于的设备的中心区域，而在抛物柱面中，作为线型系统，各管在整个设备中完全延伸，这大大增加了设备的复杂性。因此目前，太阳能热塔与抛物面槽相比，具有更低的发电成本，并且无疑是这种技术的未来。

关于光伏技术，明显占主导地位的技术是单晶硅或多晶硅。这些是具有巨大规模经济的简单系统，因此，非常便宜且可以在成本上与常规发电资源竞争。

此外，选择性光滤波器(滤光器)的使用对于特定太阳能应用是已知的，例如在专利申请JP 2009218383和US 20150083194中描述的那些应用，在这些专利申请中描述了热太阳能塔系统，其中定日镜将由光伏模块组成。这些光伏模块具有内置“热镜”型介质镜或红外反射膜，用作旨在将阳光重定向到塔的中央接收器的部分元件。

但是，由于热镜或红外反射膜(即使它们是能够被包括在反射或收集表面中的元件)仍存在一系列缺点并且这些缺点不利于它们的大规模使用，因此，这些系统目前还没有真正的商业应用。这些元件在上述商业应用中无效的原因将在下面进行详细说明：

·红外反射膜包括在聚合物层上的材料的沉积，该聚合物层随后粘附到光伏模块的玻璃上。这种产品配置在商业应用中是无效的。由于膜被暴露于外部环境条件，因此其遭受了由于区域环境条件的磨损而引起的大量退化。此外，这种膜不保证以下镜面反射，即需要确保经反射的辐射能够到达塔的接收器。

·热镜包括用以反射红外光并允许可见光通过的介电材料的沉积。它们通常通过选择截止波长(通常为700nm-750nm)并且通过引入周期性材料设计以从该截止波长获得很高的反射率来设计。由于以下原因，热镜不是用于光伏太阳能热应用的最佳材料规格：

o红外光从700nm-750nm开始。本文档的图1示出了热镜的典型透射曲线。然而，硅光伏电池的最大效率峰值正好在热镜将开始对光进行反射的范围内，如在图2中可以看出的，图2示出了商用硅电池的量子效率。因此，非常重要的明显有用的部分将从光伏电池中减去，这将大幅降低其性能。

o如前所述，热镜寻求约700nm-750nm的最大光谱反射率，这是通过基于待反射的该范围的四分之一波长的氧化物厚度进行周期性设计来实现的，涉及大量的层。大量的层极大地增加了沉积的价格、难度和时间，并使它们在这些应用中的使用不可行，其中，层的成本和数量是根本的限制因素。

o在利用太阳光谱的太阳能应用中，由于存在水蒸气吸收峰值，因此存在接收不到辐射的红外区域。热镜将在那些波长范围内任意地反射，由于接收不到辐射，因此这是没有意义的，所以热镜将100％不进行任何反射。那些接收不到辐射的红外反射区会给系统增加不必要的成本，并且还证明它们不是旨在用于太阳能应用的解决方案。

o热镜对整个可见区域透射，包括蓝色区域，该区域对人眼是透明的。由于在这些波长下，硅电池的量子效率会降低，并且将辐射反射到热接收器的效率更高，因此最佳的光伏太阳能热应用应具有对蓝色反射的材料。

已知与这些所陈述的需求相关的专利申请，例如公开号为WO2015117134 A1的申请，其中提出了具有光谱分离系统的抛物面槽式收集器系统，其中再次缺乏选择性滤波器的设计要求细节并且大体上指出了有关光谱光分离的明显问题。

通常，滤波器的传统设计标准本质上是基于引入想要反射的波长的四分之一厚度。本质上，通常方法是选择想要反射的波长并根据以下表达式计算材料的厚度：

其中T是厚度，λ₀是旨在具有反射率最大峰值的波长，n是折射率。反射率宽度由折射率对比度设定，而反射强度通过将具有相同厚度的扭矩相加n次来控制，直到达到期望的峰值为止。为了扩大反射范围，有必要采用另一对厚度并将其重复n次。

干涉滤波器的这种设计标准是传统光学器件中使用的设计标准，并且即使未在与太阳能发电设备有关的专利中进行特别详细的说明，但在对诸如热镜或热反射膜等概念命名时也表明使用了这些设计标准，因为这些部件是基于这些设计的并且透射曲线也与周期性设计可以实现的透射曲线相同。

因此，主要由于以下事实，即基于传统光学器件的干涉滤波器的现有技术并不适于太阳能应用，而是基于周期性设计，因此获得了非常低效且非常昂贵的解决方案，这给干涉滤波器的制造带来一定难度。因此，在前述专利中所要求保护的系统均未发现商业应用就不足为奇了。

作为上述解决方案的替代方案，沉积在作为基底的玻璃上的选择性阳光滤波器也是已知的，例如专利申请ES 2636800 A1中所描述的那些。在这种类型的滤波器(其包括具有高和低折射率的周期性交替层)中，入射光经过选择性反射，以使大部分波长传递到光伏电池并将大部分波长反射到热接收器。然而，这些滤波器远不是其商业应用的最佳解决方案，因为存在反射到热接收器(其中光伏电池的半导体效率仍然很高)的波长，因而对于处于混合太阳能场的选择性滤波器来说并不是最有效的整体解决方案，该选择性滤波器包括光伏(PV)模块和中央接收器太阳能热发电设备(CPS)。在这些周期性滤波器中不再使用的这组波长由于在配置合适的、更有效的滤波器方面存在困难而受阻。

由于上述全部，仍然需要提供这样一种选择性光滤波器，其易于配置和制造、具有较少的层数、允许以高效率调节入射光的波长选择，这超越了现有技术的已知解决方案；并且，作为附加值，其并不复杂且成本低廉。实现一种具有较少层数的简单、高效的太阳能滤波器将降低太阳能设备中滤波器制造和维修的复杂度，因为需要的层沉积时间会更少，此外，所需的材料量也更小，因此对其进行更换或修理将更简单且更便宜。

本发明提出了通过多层选择性光滤波器配置方法而提出的该技术问题的解决方案，该方法通过在期望波长的范围内以较低层数配置高效的非周期性多层滤波器使得上述困难得以克服。

发明内容

尽管没有限制，但本发明的一个目的涉及开发一种针对太阳辐射的多层光谱分离滤波器配置方法，所述多层滤波器适于放置在光伏板上，以供使用太阳能的发电设备使用，其中所述多层滤波器包括多个具有不同折射率和厚度的层。有利地，所述方法涉及执行以下步骤用以根据波长范围内期望的透射率和反射率配置所述多层滤波器：

a)将第一初始滤波器定义为：具有多个层和已知层的折射率，其中每个层具有随机厚度；

b)根据所述初始滤波器的光学导纳和介质的光学导纳计算所述初始滤波器在所期望的波长范围内的透射率和反射率响应；

c)根据步骤b)中计算出的在所期望的波长范围内的透射率和反射率计算所述初始滤波器的光伏效率；其中：

-所述光伏效率通过将光伏设备的性能比或者标准性能比乘以光伏电池根据其光谱响应的效率来计算；并且；

-光伏电池的效率根据所述电池的电流密度、整体辐射、所述电池的开路电压和填充因子来定义；

d)根据步骤b)中计算出的在所期望的波长范围内的透射率和反射率计算所述初始滤波器的热效率；其中：

-热效率是通过将聚光型太阳能热发电设备的年平均效率乘以直接辐射与添加到漫射辐射中的直接辐射之比、再乘以所述初始滤波器的所期望的波长范围的积分反射率来计算；并且

-聚光型太阳能发电设备的年平均效率通过将以下因子相乘来计算：太阳能场效率、汽轮机动力循环效率以及由于装置自耗而引起的设备效率损失；

e)计算和记录评价函数，所述评价函数计算为从步骤c)和步骤d)得出的所述光伏效率和所述热效率之和；

f)将初始滤波器集定义为：具有与所述第一初始滤波器数量相同的层，但所述滤波器集中的每个滤波器的层相对于所述第一初始滤波器具有不同厚度，并且针对每个所述滤波器集中的每个滤波器重复步骤b)到步骤e)；

g)选择最佳多层滤波器，其属于步骤f)中的所述滤波器集加上所述第一初始滤波器，其中所述最佳多层滤波器包括使评价函数最大化的给定数量的层的厚度组合，所述评价函数在步骤e)中计算出的所有评价函数中。

这是通过提供一种用于配置非周期性多层滤波器的工具来实现的，该滤波器在所期望的波长范围内非常高效。特别地，可以配置一种太阳能滤波器，其在光伏级上反射效率最低的波长，并透射最高效的波长，从而使效率最大化，此外，根据被用于光伏转换的半导体类型，可以重新设计滤波器。此外，该滤波器可以根据其他技术标准进行重新设计，但仍能使效率最大化。

在本发明的优选实施例中，所述针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器配置方法还涉及附加步骤，其中，定义辅滤波器集。所述滤波器集中的各滤波器之间具有不同数量的层，并且具有与所述第一初始滤波器数量不同的层，其中折射率已知，并且每个层具有随机厚度；重复步骤b)至步骤g)以获得所述辅滤波器集中针对每个给定数量的层的最佳多层滤波器。

这是通过针对每个给定数量的滤波器层提供最佳滤波器解决方案集来实现的。

优选地，本发明的方法还包括附加步骤，其中：

-建立期望的关键评价函数；

-建立期望的关键数量的层；

-从所有注册(registered)的最佳滤波器中选择最终的最佳滤波器，使得所述最终的最佳滤波器是最接近于所述关键评价函数和所述关键数量的层的建立标准的滤波器。

这使得可以选择具有一定数量层(例如，少量层)的最佳滤波器，以简化制造。以此方式，也可以选择总滤波器效率的最小标准，或者在层数与总效率之间达成折衷。可选地，可以根据特定滤波器的需要来修改这些标准并且可以建立新的标准。

在本发明的优选实施例中，在本发明所述方法的步骤b)中，所述初始滤波器的在所期望的波长范围内的透射率和反射率响应通过计算至少以下参数来计算：

-多层系统的特征矩阵；

-根据波长、层的厚度和入射角的相位项；

-多层系统的复折射率；

-基底的光学导纳，在所述基底上执行多层沉积以构建所述多层滤波器。

在本发明的优选实施例中，在本发明所述方法的步骤c)中，所述电流密度根据所述波长、所述电池的量子效率、电子电荷、普朗克(Planck)常数和光速来计算。

本发明的另一目的涉及一种通过根据前述实施例中的任一项所述的配置方法所配置的针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器，所述滤波器适于使光伏和聚光型太阳能热发电系统的效率最大化。优选地，所述多层滤波器包括非周期性结构中的层。更优选地，所述多层滤波器是二色性的。

这样，相对于现有技术，选择性光滤波器的配置范围大大扩大，因为它们的配置不被局限于周期性设计。因此，利用非周期性滤波器，可在每一层中引起不同波长的反射，从而增加导致反射的可能组合，而并不局限于Fabry-Pérot反射或从具有已知层的周期性结构的反射之和中产生的那些反射。

本发明还使得能够根据(选择特定波长范围并在那些波长的子集中进行透射或反射所需的)特定需求来提供一种专用(ad-hoc)滤波器，还针对相同条件提供了一系列的解决方案。

更优选地，所述多层滤波器包括具有高和低折射率的透明氧化物。甚至更优选地，所述多层滤波器包括氧化钛和氧化硅或由其衍生的任何化合物。仍更优选地，氧化硅层和氧化钛层的厚度介于5nm至500nm之间。

在多层滤波器的优选实施例中，所述多层滤波器被配置为使得在所述非周期性结构中具有最小反射的波长范围对应于在地面太阳光谱内具有最大吸收的波长范围。这通过提供一种被设计为供太阳能发电设备使用的滤波器来实现，该太阳能发电设备包括光伏电池且包括热接收器。

在多层滤波器的优选实施例中，所述滤波器包括玻璃基底。各层在所述玻璃基底上的沉积优选地通过溅射技术来执行。

在多层滤波器的优选实施例中，所述滤波器介于3至20层之间。优选地，所述滤波器介于3至10层之间。更优选地，所述滤波器介于5至7层之间。

本发明的另一目的涉及一种利用太阳能的发电设备，包括使用至少一个通过根据前述实施例所述的配置方法所配置的多层滤波器，其中所述至少一个多层滤波器配置为可见光波长的太阳辐射进入相应的光伏电池，并将相对于可见光辐射的较短和较长的太阳辐射反射到中央接收器。

以此方式，本发明提供了一种克服现有技术问题的解决方案，实现了被专门设计为具有高效率和少量层的多层滤波器的配置，大大简化了制造过程并且打开了这些选择性阳光滤波器的工业制造和销售的大门，以便于植入混合光伏设备和太阳热能设备中。

附图说明

图1示出了标准热镜的透射曲线。

图2示出了硅光伏电池的典型量子效率。

图3示出了根据本发明优选实施例的非周期性滤波器的纵剖面图及其光学操作图。

图4示出了根据本发明优选实施例的通过本发明所述方法配置的具有7层非周期性结构(该结构使光伏和聚光型太阳能热(PV-CSP)效率最大化)的选择性光滤波器的透射率曲线和反射率曲线。

图5示出了使用太阳能的发电设备的图，该发电设备包括光伏电池和热中央接收器，如本发明中所述。

附图中使用的附图标记

为了帮助更好地理解本发明的技术特征，在附图中带有一系列附图标记，其中通过示例的方式而非限制的方式，示出了以下各项：

具体实施方式

参考本发明优选实施例，以下基于本文件的图3至图5详细描述本发明的方法和滤波器。所述实施例的提供用于说明而非限制所要求保护的本发明的目的。

本发明的一个目的涉及一种选择性阳光多层滤波器(1)(图3)配置方法，所述滤波器(1)优选地包括具有高折射率和低折射率的透明氧化物(在目标波长范围内)，其在关于层结构(2)中的厚度的非周期性配置中交替，并且直接沉积到玻璃基底(3)上。因此，本发明的方法聚焦于对滤波器(1)的配置，该滤波器(1)包括较少数量的层(2)并且对于以下情况是最佳的：

-在光伏电池(4)更高效地吸收太阳能以将其转化为电能的波长下，将阳光沿其路径透射到邻近滤波器(1)而定位的光伏(PV)电池(4)；

-在光伏电池(4)更低效地吸收太阳能以将其转化为电能的波长下，对到达滤波器(1)的阳光进行反射；同时，收集在热接收器(5)(诸如聚光型太阳能热发电(CSP)设备(5))中反射的阳光。

在本发明的多层滤波器(1)配置方法中，已知的电磁理论和固态物理学的常识被应用于诸如滤波器(1)的多层系统、应用于邻近于所述多层系统的光伏(PV)电池(4)，并且使用了光伏电池(4)太阳能发电设备和聚光型太阳能热发电(CSP)设备(5)。

本发明的方法包括四个基本阶段：定义初始滤波器；计算滤波器响应；针对确定数量的层(2)优化层(2)的厚度并优化层(2)的数量。下面将详细描述每个阶段。

1.-定义初始滤波器。

该方法在优化多层滤波器(1)之前需要基础数据。首先，定义初始滤波器j。假设所述初始滤波器j是通过将层(2)逐层沉积在已知基底(3)上而制造的，需要为滤波器j选择层数为L的层(2)，层(2)具有以下已知随机厚度：

t_ij＝{t_ij}＝{t_1j，t_2j，…，t_Lj} (公式1.1)其中i＝1,...,L；并且t_ij是初始滤波器j的层(2)i的随机初始厚度。每个层(2)在确定的波长范围内具有已知的复折射率N_i：

N_i＝{N_i}＝{N₁，N₂，…，N_L} (公式1.2)

2.-计算初始滤波器响应。

其次，在太阳辐射到达初始滤波器j时必须计算其响应。为此，定义波长λ的范围，在该波长范围内将对多层滤波器(1)进行优化。

随后，计算由以下公式定义的初始滤波器j(其是光选择性滤波器)的响应：

N_L＝n_L-ik_L (公式2.2)

其中：

-公式2.4是多层系统的特征矩阵，其定义了初始滤波器j的光学响应，其中L表示层数(2)；

-δ_L是层L的相位项，λ是波长，t_L是初始滤波器j的层L的厚度，θ_L是辐射相对于多层系统的入射角；

-N_L是复折射率，其中n_L是折射率，k_L是消光系数；这两者均事先已知。

-η_s是基底(3)的已知光学导纳，层(2)的沉积在该基底(3)上进行。

-E_A是电场强度。

-H_A是磁场强度。

通过利用所有已知参数解公式2.4，得到特征矩阵的分辨率系数p₁₁、p₁₂、p₂₁、p₂₂：

由于多层的光学导纳由下式定义：

因此可以根据以下公式计算复反射系数：

η_A(s polarisation)＝N_Acos(θ_A) (公式2.8)

η_A(p polarisation)＝N_A/cos(θ_A) (公式2.9)

其中η_A是介质(在这种情况下为空气)的光学导纳，并且其由公式2.8和公式2.9定义，这取决于光的偏振(polarisation)是s还是p。

最后，根据波长计算初始多层或滤波器j的总透射率和反射率：

R(λ)＝rxr (公式2.10)

T(λ)＝1-R(λ) (公式2.11)

以此方式，对于具有已知参数的初始滤波器j，其光谱响应针对所确定的波长进行表征。因此，该计算可以应用于离散的目标波长范围。具体地，对于太阳光谱中的所有波长，可以计算初始滤波器j的响应。

一旦针对所有波长表征了初始滤波器j的光谱响应，就可以根据具有光伏(PV)效率分量Ef_PV和另一热(CSP)效率分量Ef_CSP的优值来明确地计算初始滤波器j的总效率Ef_totalj：

(Ef_totalj＝Ef_PVj+Ef_CSPj→)Ef_total＝Ef_PV+Ef_CSP(公式2.12)

为了计算初始滤波器j的光伏效率Ef_PV，使用以下表达式：

Ef_PV＝Ef_celxPR (公式2.13)

其中，PR是光伏(PV)设备的典型性能比，其值通常约为0.8；其中考虑到余弦因子造成的效率损失(相对于太阳的法向余弦因子偏离目标)；遮光(shading)损失；光谱损失；辐照(irradiation)引起的损失；温度损失；失配(mismatch)损失；线路(wiring)损失；因操作逆变器(inverter)引起的损失；因在标称点(nominal point)外操作而引起的逆变器效率损失；因接收功率超出其工作限值(limit)而引起的逆变器损失；因电压在逆变器的操作范围内而引起的逆变器损失；因接收电压超出逆变器的工作限值而引起的逆变器损失；装置的夜间消耗(night consumption)引起的损失；因辅助装置(auxiliary equipment)的自耗而引起的损失；AC损失以及因变电站(transformer station)引起的损失：

PR＝η_cos ^xη_shade ^xη_IAM ^xη_dirt ^xη_irrad ^xη_T ^x

^xη_missmatch ^xη_wiring ^xη_{inverter_op} ^xη_{inverter nominal} ^x

^xη_{inverter limit} ^xη_{inverter voltage} ^xη_{inverter limit voltage} ^x

^xη_{night consumption} ^xη_{auxilliary equipment} ^xη_{AC_Ohmix} ^xη_Transformer (公式2.14)

-Ef_cel是根据光伏电池的光谱响应的光伏电池效率，其在简单模型中，通常由以下表达式来定义：

其中J_sc是光伏电池的电流密度，GNI是整体辐射(直接辐射加上漫射辐射)，V_oc是电池的开路电压，FF是特性填充因子。光伏电池的电流密度J_sc取决于光谱，并且在简单模型中依次由以下表达式来定义：

J_sc＝∑_λJ_sc(λ) (公式2.16)

其中λ是波长，GNI是整体辐射，EQE是光伏电池的量子效率，q是电子电荷，h是普朗克常数，c是光速，Transmission_filter是滤波器的待优化太阳光谱的积分透射率。

通过在公式2.16和公式2.17的帮助下对整个太阳光谱进行Jsc积分，并通过计算公式2.14中光伏设备的典型PR，通过公式2.13完成初始滤波器j的光伏效率Ef_PVj的计算：

类似地，为了计算初始滤波器j的太阳能热效率Ef_CSPj,，使用以下表达式：

其中，Ef_Av是聚光型太阳能发电(CSP)设备的年平均效率，通常在15-20％之间，这取决于设备的类型。这通常是通过以下表达式(公式2.19)计算，其中针对计算而相乘的各因子是太阳能场(solar field)效率、汽轮机动力循环(power cycle)效率以及由于装置自耗(self-consumption)而引起的设备效率损失：

Ef_av＝η_{solar field}xη_{power cycle}xη_{self-consumption} (公式2.19)

太阳能场效率将根据以下表达式来计算：

η_{solar field}＝η_cosxη_shadowsxη_attenuationxη_blockagesx

xη_overflowxη_{thermal receiver}xη_dumping (公式2.20)

其中，公式2.20的乘积因子表示以下概念：余弦因子效率(相对于太阳的法向余弦因子偏离目标)；相邻收集器之间的阴影(shadows)；因大气衰减(attenuation)引起的能量损失；阻塞(blockages)(由于对相邻收集器的影响而未到达接收器的反射能量)；溢出(overflow)损失(当传感器未对准或超出其可允许的公差范围工作时，未受阻的反射光不会抵达散热器)；接收器中的光-热能转换的损失，最后，当接收器不接受更多的热负荷并且收集器完全偏离目标时未被引入接收器的能量。

-DNI/GNI是直接辐射与整体辐射之比。

-Reflectance_filter是多层滤波器的待优化太阳光谱的积分反射率，其通常使用以下表达式来计算：

以此方式，对于初始滤波器j，可以根据公式2.12并借助公式2.1-2.11和公式2.13-2.20的表达式集来获得评价函数Ef_{total j}。在该阶段记录针对初始滤波器j计算的该评价函数。

3.-针对确定数量的层(2)，优化层(2)的厚度。

在下一步骤中，定义初始滤波器集j＝2,…,J，其具有与第一初始滤波器j＝1相同数量L的层(2)，但L个层(2)具有不同的随机厚度：

t_ij＝{t_ij}＝{t_1j，t_2j，...，t_Lj} (公式3.1)

以此方式，对于给定数量L的层(2)，每个{t_ij}是不同的随机厚度集，其中有J个随机厚度集，每个初始滤波器j一个随机厚度集：{t_i1},{t_i2},...,{t_iJ}。

对于这些初始滤波器j中的每一个，利用其厚度{t_ij}，从前一步骤重复所有计算；即，使用公式2.1-2.20计算初始滤波器响应，记录所有产生的评价函数，获得J个评价函数的集合：{Ef_{total j}}，其中j＝1,…,J。

随后，选择属于上述滤波器集的最佳滤波器(1)j＝M，使得所述最佳滤波器(1)M包括使评价函数Ef_{total M}最大化的给定数量L的层(2)的厚度组合{t_iM}，所述评价函数在前一步骤中计算出的所有评价函数中)。

因此，多层滤波器(1)配置方法能够使评价函数量化，直到找到定义数量L的层(2)的最佳滤波器(1)为止。

4.-优化层(2)的数量。

本发明的方法可以包括最终步骤，其中针对若干数量的不同层计算最佳滤波器(1)；也就是说，通过改变参数L，然后选择其中一个所述最佳滤波器(1)。

为此，定义了辅初始滤波器集s＝{L₁,...,L_s}，这些滤波器中的每个滤波器彼此具有不同数量L_s的层(2)，并且具有与第一初始滤波器j数量L不同的层(2)，其中折射率已知并且每个层(2)具有随机的厚度：

s＝{s}＝{L₁,...,L_s} (公式4.1)

t_ij＝{t_ij}＝{t_1j,t_2j,...,t_Lsj} (公式4.2)

N_i＝{N_i}＝{N₁,N₂,...,N_LS} (公式4.3)

其中i＝1,...,L_s是所讨论的层(2)，t_ij是现属于集合s的初始滤波器j的层(2)i的随机初始厚度。每个层(2)还具有在特定波长范围内已知的复折射率N_i。

针对辅集s＝{L₁,...,L_s}中的这些初始滤波器j中的每个滤波器重复步骤2和步骤3中的计算，以获得辅滤波器集中针对每个给定数量L_s的层(2)的最佳滤波器(1)，并记录这些结果。

最后，从整个最佳滤波器(1)集中选择最终滤波器，其满足其他技术标准，例如可用于滤波器制造的材料数量，对层进行沉积时各层厚度的可能精度或所期望的最低效率。因此，对于不同数量L_s的层，并非所有最佳滤波器(1)都必须具有相等的效率。例如，L_s＝20层的最佳滤波器(1)可以具有较高的效率，而L_s＝5层的最佳滤波器(1)具有的效率可以仅比前一个低小量百分比。在这种情况下，具有最少层数的最佳滤波器(1)因其在制造时的简单而可以被选择作为最终滤波器。可替代地，可以根据技术需要建立最终滤波器的其他选择标准。

因此，上述使公式2.12中定义的评价函数最大化的最佳多层滤波器(1)的配置方法解决了包括光学、半导体、太阳能PV和太阳能CSP动力的复合数学问题。本发明的方法提供了一种用于找到高效的、在技术和经济上可行的解决方案的方式，以配置针对阳光的选择性滤波器(1)。使用常规设计解决该问题、应用现有技术的四分之一波长理论无法使得如前几段中所述的方法一样精确且高效的解决方案得以达成。

根据本发明的方法，由具有高-低折射率的透明氧化物对形成的光选择性滤波器(1)通常将具有非周期性设计(因为周期性设计不一定更有效)，这解决了现有技术中的不足之处并呈现出一系列优点：

·作为非周期性设计，大大地简化了优化所需的层(2)的数量，从而导致了简单性和非常低的制造成本。图4示出了针对仅7层滤波器(1)的配置的反射率曲线和透射率曲线，考虑到需要在基底(3)上沉积更少且材料更少，因此提高了效率，简化了制造并且还降低了成本。

·其与热膜或热镜相比是一种效率更高的设计，因为它在光谱上选择要透射或反射的一个或多个波长范围，以使系统的联合效率最大化。不对热镜或热反射膜的波长范围进行调整，以最大化光伏和太阳能热(PV+CSP)系统的效率。

·非周期性设计使得可以辨别以下区域：光伏电池(4)接收辐射所处的太阳能光谱的区域；由于水蒸气存在吸收峰值，在不接收太阳辐射的红外区域中不能反射辐射。

·其可以在对光进行透射或反射时，以更少的层(2)实现更高的光谱灵敏度，这又具有更高的效率/成本比。如图4中可以看出的，这些滤波器(1)的反射率/透射率与热膜或热镜的反射率/透射率不同。首先，透射率非常高，高达约1,000nm，考虑到该波长，经由光伏转换获得的能量比太阳能热转换更有效。此外，观察到非常明显的反射峰，介于400nm-500nm之间，这使其相对于热膜具有非常鲜明的带蓝色色调，并且也使系统的总效率最大化，因为在这些范围内，光伏电池(4)不是非常高效。

本发明的另一目的涉及一种通过上述方法配置的多层滤波器(1)。优选地，包括滤波器(1)的层(2)是具有高-低折射率的透明氧化物对，并且可以被直接沉积到光伏模块的玻璃上，更优选地沉积在该玻璃的内侧上，从而使其免受外部条件的影响。

以下大体描述了选择性多层太阳辐射滤波器(1)的特性，易于使根据本发明优选实施例的PV-CSP设备的综合效率最大化：

在本发明的光选择性滤波器(1)的优选实施例中，所述滤波器(1)是二色性的。利用所述二色性滤波器(1)，实现了根据波长对阳光的区别处理，从而光谱的一部分被选择性地反射，而其他部分则透射通过该滤波器；也就是说，它是一种被用于根据其波长对光进行选择性反射或透射的光滤波器(1)。截止波长根据需要而任意选择。

通常，二色性滤波器(1)包括具有不同折射率的两种透明(在可见光中或在波长范围内)材料的层(2)的堆叠。低折射率层/高折射率层组件可以具有周期性或非周期性的序列，这取决于期望的反射和透射光谱的特性。

甚至更优选地，本发明的二色性滤波器(1)通过溅射技术制造，并且其设计将由以下公式或表达式来定义：

基底/(a₁A)/(b₁B)/(a₂A)/(b₂B)/.../(a_nA)/(b_nB) (公式5.1)

其中，斜杠“/”表示各层(2)之间的界面，其中A是高折射率材料，B是低折射率材料，并且其中a_i和b_i是层(2)的特定厚度。在周期性设计的情况下，a₁＝a₂＝....＝a_n并且b₁＝b₂＝...＝b_n，而在非周期性设计的情况下，厚度将具有不同的值，后者对于太阳能应用来说是最佳的，因为它们不仅会产生由周期性设计引起的干涉反射，而且还允许在每个层中获得不同的反射，并增加组合的数量。尽管正是这种复杂性允许根据期望的要求通过强大的计算工具配置滤波器(1)，但是该复杂性可能似乎是先验的不利条件。

在本发明的另一优选实施例中，滤波器(1)配置为允许可见光波长的太阳辐射进入相应的光伏电池(4)，并将蓝色区域中的波长的太阳辐射以及从950nm至1000nm的波长的太阳辐射反射到中央接收器(5)。

图4中示出了根据本发明优选实施例的由本发明的滤波器(1)反射的波长的光谱图。

更优选地，二色性滤波器(1)包括层压在光伏电池(4)上具有高/低折射率的透明氧化物层(在类似于可见光范围的波长范围内)。所述透明氧化物层通过溅射沉积在玻璃基底上，该层理想地层压在光伏电池(3)上。甚至更优选地，所述氧化物是作为低折射率元件的氧化硅和作为高折射率元件的氧化钛。

甚至更优选地，氧化硅和氧化钛两者的厚度将在5nm至500nm之间。

在类似于本发明的多层滤波器(1)中，阳光的反射和透射的操作类似于图3，其中示出了在光伏电池(4)的透明盖下非周期性滤波器(1)的可能的纵向截面。在这样的多层结构中，入射光线(100)在存在于不同的层(2)之间以及最后一层层(2)与内部空气之间以及第一层层(2)与基底(3)之间的所有界面(2')中经历了反射和折射过程，基底(3)配置透明盖，使得不同界面(2')中的反射部分(102)离开滤波器(1)形成反射光束(101)，其中，因为每个反射部分(102)沿着不同的光路传播，因此其产生了光干涉过程，该光干涉过程消除了所产生的反射光束(101)中的特定范围的波长。该不反射的波长范围将恰好是被透射(104)到光伏电池(4)的光的一部分。

优选地，层(2)的数量为1至20。更优选地，层(2)的数量为3至10，甚至更优选地为5至7。

本发明的另一目的(图5)涉及将这种类型的滤波器(1)包括在由模块或光伏电池(4)形成的混合太阳能设备中，其通过与传统光伏设备相同的方式将阳光注入到网络中来吸收部分阳光；另一方面，它们将红外线和可见光谱内的其他光线反射到中央接收器太阳能热发电设备(5)(PV-CSP太阳能发电设备)，这为技术增加了新的维度，并且解决了当前现有技术带来的问题。

因此，如上所述，这些滤波器(1)设计有复杂的遗传算法，该算法从数百万种可能的组合中选择层(2)的厚度的最佳组合，以使得光伏范围(硅半导体通常吸收光子以将其转换为电能所处的波长范围)内的太阳辐射转换效率与聚光型太阳能热发电范围(PV+CSP)内的太阳辐射转换效率之和最大化。

最佳解决方案均不是基于周期性设计的，这大大地限制了多层滤波器(1)的配置选项。以此方式，本发明提出了一种解决方案，该解决方案克服了通过提供非周期性专用滤波器(1)所引起的技术问题从而选择性地反射和透射阳光。此外，在整体PV+CSP性能水平上寻找最佳解决方案并不需要很多层(2)，由于通过利用本发明的方法获得的配置实现了高效率，因此这为工业级的太阳能应用提供了产品可行性。这种类型的解决方案基于非常强大的计算系统以优化所描述的评价函数，从而摆脱了干涉滤波器的传统设计理论和方法，克服了现有技术的困难。

Claims (15)

1.一种针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器(1)配置方法，所述多层滤波器(1)适于放置在光伏板上，以供使用太阳能的发电设备使用，其中所述多层滤波器(1)包括多个具有不同折射率和厚度的层(2)，其中所述方法的特征在于，其涉及执行以下步骤以根据波长范围内期望的透射率和反射率配置所述多层滤波器(1)：

a)将第一初始滤波器定义为：具有多个层(2)和已知层(2)的折射率，

其中每个层(2)具有随机厚度；

b)根据所述初始滤波器的光学导纳和介质的光学导纳计算所述初始滤波器在所期望的波长范围内的透射率和反射率响应；

c)根据步骤b)中计算出的在所期望的波长范围内的透射率和反射率计算所述初始滤波器的光伏效率；其中：

-所述光伏效率通过将光伏设备的标准性能比乘以光伏电池根据其光谱响应的效率来计算；并且

-光伏电池的效率根据所述电池的电流密度、整体辐射、所述电池的开路电压和填充因子来定义；

d)根据步骤b)中计算出的在所期望的波长范围内的透射率和反射率计算所述初始滤波器的热效率；其中：

-热效率是通过将聚光型太阳能热发电设备的年平均效率乘以直接辐射与添加到漫射辐射中的直接辐射之比、再乘以所述初始滤波器的所期望的波长范围的积分反射率来计算；并且

-聚光型太阳能发电设备的年平均效率通过将以下因子相乘来计算：太阳能场效率、汽轮机动力块的循环效率以及由于装置自耗而引起的设备效率损失；

e)计算和记录评价函数，所述评价函数计算为从步骤c)和步骤d)得出的所述光伏效率和所述热效率之和；

f)将初始滤波器集定义为：具有与所述第一初始滤波器数量相同的层(2)，但所述滤波器集中的每个滤波器的层(2)相对于所述第一初始滤波器具有不同厚度，并且针对所述滤波器集中的每个滤波器重复步骤b)到步骤e)；

g)选择最佳多层滤波器(1)，其属于阶段f)中的所述滤波器集加上所述第一初始滤波器，其中所述最佳多层滤波器(1)包括使评价函数最大化的给定数量的层(2)的厚度组合，所述评价函数在步骤e)中计算出的所有评价函数中。

2.根据前一项权利要求所述的针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器(1)配置方法，还包括附加阶段，其中：

-定义辅滤波器集，所述滤波器集中的各滤波器彼此具有不同数量的层(2)，并且具有与所述第一初始滤波器数量不同的层(2)，其中折射率已知，并且每个层(2)具有随机厚度；

-重复步骤b)至步骤g)以获得所述辅滤波器集中针对每个给定数量的层(2)的最佳多层滤波器(1)。

3.根据前一项权利要求所述的针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器(1)配置方法，还包括附加阶段，其中：

-建立期望的关键评价函数；

-建立期望的关键数量的层(2)；

-从所有注册的最佳滤波器(1)中选择最终的最佳滤波器(1)，使得所述最终的最佳滤波器(1)是最接近于所述关键评价函数和所述关键数量的层(2)的建立标准的滤波器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器(1)配置方法，其中在步骤b)中，所述初始滤波器在所期望的波长范围内的透射率和反射率响应通过计算至少以下参数来计算：

-多层系统的特征矩阵；

-根据波长、层(2)的厚度和入射角的相位项；

-多层系统的复折射率；

-基底(3)的光学导纳，在所述基底(3)中执行多层沉积以构建所述多层滤波器(1)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器(1)配置方法，其中在步骤c)中，所述电流密度根据所述波长和所述电池的量子效率来计算。

6.一种通过根据权利要求1至5中任一项所述的配置方法所配置的针对太阳辐射的选择性多层光谱分离滤波器(1)，所述滤波器(1)适于使光伏和聚光型太阳能热发电系统的效率最大化，所述滤波器(1)包括非周期性结构中的层(2)。

7.根据前一项权利要求所述的多层滤波器(1)，包括具有高和低折射率的透明氧化物。

8.根据前一项权利要求所述的多层滤波器(1)，包括氧化钛和氧化硅或由其衍生的任何化合物。

9.根据前一项权利要求所述的多层滤波器(1)，其中氧化硅层和氧化钛层的厚度在5nm至500nm之间。

10.根据前述权利要求6至9中任一项所述的多层滤波器(1)，被配置为使得在所述非周期性结构中具有最小反射的波长范围对应于在地面太阳光谱内具有最大吸收的波长范围。

11.根据前述权利要求6至10中任一项所述的多层滤波器(1)，包括玻璃基底(3)。

12.根据前一项权利要求所述的多层滤波器(1)，其中所述层(2)在所述玻璃基底(3)上的沉积通过溅射技术来执行。

13.根据前述权利要求6至12中任一项所述的多层滤波器(1)，包括3至20之间的层数。

14.根据前一项权利要求所述的多层滤波器(1)，包括3至10之间或5至7之间的层数。

15.一种利用太阳能的发电设备，包括使用至少一个通过根据权利要求1至5中任一项所述的配置方法所配置的多层滤波器(1)，其中所述至少一个多层滤波器(1)配置为允许可见波长的太阳辐射进入相应的光伏电池(4)，并且将相对于可见光辐射的较短和较长波长的太阳辐射反射到中央接收器(5)。

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