專利名稱：設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法
設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明是同一發(fā)明人提交的美國申請No. 12/580，251 (太陽能聚集器)的部分連續(xù)案。本發(fā)明針對構(gòu)成所述在先專利申請中披露的主聚集反射器和輔轉(zhuǎn)向反射器的光學反射組件的形狀與配置的進ー步改進。附圖簡述可以結(jié)合附圖參考以下具體描述對本發(fā)明做出更完整理解，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的主聚集器反射器的示例性布置的頂視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的主聚集器反射器的示例性布置的側(cè)視截面圖； 圖2a是主聚集器反射器的實施例的透視圖，其中反射部分1、2和3被再分成多個協(xié)作反射器組件；圖3是主聚集器反射器的實施例的透視圖，示出了與太陽在天空日常和季節(jié)性運動相關(guān)聯(lián)的示例性焦曲面；所述表面針對每個單獨成型的反射部分1、2或3是唯一的；圖4是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了與単獨成型的反射部分1、2和3對應的多個焦曲面的第一示例；圖5是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了與単獨成型的反射部分1、2和3對應的多個焦曲面的第二示例；圖6是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了主反射部分在太陽位于天頂位置的布置；圖7是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了主反射部分在太陽位于非天頂位置的布置；圖8是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了假設(shè)布置，其中輔轉(zhuǎn)向反射器必須足夠大從而應付圖7所示的情形；圖9是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了第一夾角情形，其中來自反射部分I、2和3每ー個的輻射被轉(zhuǎn)向到固定的吸收器；

圖10是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了第二夾角情形，其中來自反射部分1、2和3每ー個的輻射被轉(zhuǎn)向到固定的吸收器；圖11是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了與圖9匹配的三個分離輔反射器“ a”、“b”和“c”的逐漸擴展的展開模式；圖12是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了與圖10匹配的三個分離輔反射器“a”、“b”和“c”的逐漸擴展的展開模式；圖13是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了具有三個分離輔反射器“a”、“b”和“c”的本發(fā)明的可選實施例的第一示圖，三個分離輔反射器可滑動地附接到球狀樞轉(zhuǎn)連接到延長支撐臂末端的支撐軌；圖14是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了具有三個分離輔反射器“a”、“b”和“c”的本發(fā)明的可選實施例的第二示圖，三個分離輔反射器可滑動地附接到球狀樞轉(zhuǎn)連接到延長支撐臂末端的支撐軌；
圖15是本發(fā)明的替代實施例的側(cè)視圖，示出了支撐三個分離輔反射器“a”、“b”和“c”在其上滑動的支撐軌的滾動弧形導軌；圖16是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了延長的發(fā)散輔轉(zhuǎn)向反射器的第一定位示例，連續(xù)重新定位輔反射器使得隨著太陽在天空運行從反射部分1、2和3的引入輻射能夠連續(xù)聚焦在固定的吸收器上；圖17是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了延長的發(fā)散輔轉(zhuǎn)向反射器的第二定位示例，連續(xù)重新定位輔反射器使得隨著太陽在天空運行從反射部分1、2和3的引入輻射能夠連續(xù)聚焦在固定的吸收器上；
圖18是示出了輔轉(zhuǎn)向反射器的第一示例性位置的太陽能聚集器陣列的實施例的透視圖；圖19是示出了輔轉(zhuǎn)向反射器的第二示例性位置的太陽能聚集器陣列的實施例的透視圖；圖20是示出了輔轉(zhuǎn)向反射器的第三示例性位置的太陽能聚集器陣列的實施例的透視圖；圖21是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了輔轉(zhuǎn)向反射器隨著太陽在天空運行的軌跡；圖22是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了針對ー個給定太陽位置引起的映像“聚焦干線”，與輔轉(zhuǎn)向反射器的軌跡在不同點相交；圖22a是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了圖22的相同組件以及與単獨成型的反射部分1、2和3的每ー個對應的三個不同焦曲面；圖23是根據(jù)本發(fā)明的主聚集反射器的示例性布置的頂視圖，示出了映射的太陽旋轉(zhuǎn)軸在投射到地面上的方向；圖24是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了主反射器陣列的“左”和“右”半邊之間的建議設(shè)計非対稱；圖25是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了在未解決主反射器陣列的“左”和“右”半邊之間的非対稱情況下引起的情形；圖26是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了一旦解決圖25上所示的問題的情形；圖27是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了具有與其相關(guān)的距離“R”的第一夾角配置，距離“R”根據(jù)輔轉(zhuǎn)向反射器的支撐組件的定位而變化；圖28是本發(fā)明的實施例的側(cè)視圖，示出了具有與其相關(guān)的距離“R”的第二夾角配置，距離“R”根據(jù)輔轉(zhuǎn)向反射器的支撐組件的定位而變化；圖29是本發(fā)明的實施例的透視圖，示出了位于分離的非平行平面上的兩組獨立的反射部分A和B，每個部分都包括三個同心圓形的反射部分1、2和3 ;以及圖30是根據(jù)本發(fā)明的主聚集反射器的實施例的頂視圖，其中主聚集反射器陣列被制成模塊瓦片。
具體實施例方式主聚集反射器陣列由相對于地球固定的多個反射表面組成。組成主聚集反射器的単獨反射表面的每ー個在第一實施例中可以認為是拋物面的一部分。出于使該說明書簡化的目的，將討論示例性主聚集反射器，其中包括三個反射面，如在其后稱為反射部分1、2和3的同心圓所示的平面所見。當然，如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的那樣，對于主聚集反射器來說不同數(shù)量和形狀的反射部分是可能的。在圖I的平面圖和圖2的側(cè)視截面圖中圖示了示例性布置。而且，所述發(fā)射部分1、2和3的每ー個自身都可以再分成多個獨立反射組件，其中所述多個獨立反射組件協(xié)作將入射的太陽能輻射轉(zhuǎn)向與所述反射部分1、2和3的每ー個相關(guān)聯(lián)的小主目標區(qū)。換言之，盡管本發(fā)明的主聚集反射器陣列可以包括大量獨立反射組件，但是它們也可以分組成較少量反射部分，其中經(jīng)過分組的反射組件協(xié)作用于將入射太陽能輻射轉(zhuǎn)向到小主目標區(qū)，這是該特定反射部分的特性。圖2a圖示了反射部分1、2和3被再分成多個協(xié)作反射器組件的實施例。多個獨立反射組件協(xié)作從而獲得與對應的連續(xù)反射部分的相同光學效果。根據(jù)本發(fā)明，輔轉(zhuǎn)向反射器位于對應于反射部分1、2和3的小主目標區(qū)附近，用于將后者聚集的光轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器?，F(xiàn)在分析和討論來自太陽，反射到主聚集反射器陣列上并且被轉(zhuǎn)向到小目標區(qū)的光所遵循的路徑的幾何學方面。根據(jù)本領(lǐng)域已知的幾何光學原理，獨立發(fā)射部分1、2和3 的每ー個都反射引入的太陽能輻射。更具體地說，各個獨立反射部分表現(xiàn)如拋物柱面鏡部分(即使在被再成成多個獨立反射組件時)，根據(jù)入射點處入射角和拋物柱面截面的曲率來轉(zhuǎn)向引入的太陽能輻射。給定太陽與反射部分1、2和3的距離,可以確實地認為太陽光線在到達反射面時幾乎完全平行。在獨立反射部分1、2和3每ー個的凹型拋物面反射之后，在到達反射器之前平行的太陽光線被會聚到窄聚焦區(qū)。所述窄聚焦區(qū)的空間位置根據(jù)太陽相對于各個獨立反射部分1、2和3的位置變化。換言之，盡管固定的獨立反射部分引起所述聚焦區(qū)的定位和尺寸隨著太陽入射角而變化的事實，針對入射到各個獨立反射部分1、2和3上的太陽光的大部分角度，入射的平行光被帶入大致窄的聚焦區(qū)。通過本發(fā)明的輔轉(zhuǎn)向反射器的可移動布置解決這種位置變化，下文將加以描述。由對應的特定反射部分的所述窄聚焦區(qū)根據(jù)太陽的各個對應位置在天空占據(jù)的各個連續(xù)位置之間的映射連接生成曲面。給定太陽在天空的日常與季節(jié)運動的組合，所述曲面變成面-本質(zhì)上為曲面的一部分，諸如圖3所示的示例性焦曲面。文本所呈現(xiàn)的大部分討論涉及所述映射表面的定位，對于每個獨立成型的反射部分1、2或3來說也是唯一的。同樣為了語言簡潔目的，各個所述映射表面在下文被稱為對應于每個獨立成型的反射部分
1、2和3的焦曲面?？梢詤⒁妶D4。可選地，這些焦曲面能具有不同形狀，使得它們沿著圖5所示的幾個邊沿彼此交叉。應當注意，各個反射部分1、2和3自身被再分成多個獨立反射組件的可選實施例不影響對本文披露的推理，效果相同，這是因為所述多個獨立反射組件協(xié)作從而將引入的太陽能輻射轉(zhuǎn)向與對應反射部分為連續(xù)表面時生成的相同的小主目標區(qū)。重要的是，注意到可以根據(jù)光學幾何學的公知原理通過各個反射部分1、2和3的規(guī)范設(shè)計精確地預測和調(diào)節(jié)對應于各個獨立成型的反射部分1、2和3的焦曲面的特定形狀、尺寸和空間定位。將主聚集反射器劃分成多個反射表面的設(shè)計原因之一是減小其尺寸并且使得其能夠在例如ニ維平坦表面上鋪設(shè)另外的大體積主反射器，這對于在先專利申請US12/580，251所述的結(jié)構(gòu)原因是有利的。劃分成多個反射表面-在示例性示例中的反射部分1、2和3-提出設(shè)計所述具有不同焦曲面的所述獨立部分的需要。這三個不同的焦曲面的空間定位以及它們之間的相對位置是獲得本發(fā)明目的的核心。值得指出的是，在其上鋪設(shè)主聚集反射器的表面不限于ニ維平坦平面，還可以在不抵消本發(fā)明的優(yōu)勢的情況下鋪設(shè)在非平坦表面上。本發(fā)明待解決的問題是在確保入射到主聚集反射器上的大部分太陽輻射隨著太陽在空中運動連續(xù)聚焦到固定的吸收器上的同時保證輔轉(zhuǎn)向反射器盡可能小。在繼續(xù)描述本發(fā)明提出的實施例之前，重要的是定義太陽能聚集器系統(tǒng)的運行エ作范圍。假設(shè)以下事實，對于有些太陽入射角來說-最明顯的非常淺的入射角-主聚集器陣列所收集的能量小于太陽升到空中時收集的能量。盡管仍然落在支撐并移動輔轉(zhuǎn)向反射器以針對太陽運動進行調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)組件的幾何工作范圍內(nèi)，但是超過所述運行工作范圍的太陽入射角造成主聚集器陣列未收集足夠能量來保證運行，并且只要所述支撐組件到達所述運行工作范圍的極限，太陽能聚集器就關(guān)閉，在下ー個太陽活動周期重新進入運行工作范圍時回到接通狀態(tài)。
如美國申請No. 12/580，251所述，支撐和移動輔轉(zhuǎn)向反射器以針對太陽運動進行調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)組件為延長支撐臂。允許所述輔反射器的連續(xù)重新定位(位于該延長支撐臂頂端)從而跟蹤太陽在天空的明顯運動的方式是可變動的。在本發(fā)明的一個替代實施例中，延長臂是可伸縮的，從而它伸展和縮短其軸向長度從而根據(jù)需求調(diào)節(jié)其近端和遠端之間的距離。現(xiàn)在考慮圖6和7所示的示例性情況。在圖6所示的情況下(本文稱為天頂位置)，太陽位于使得對應于各個反射部分1、2和3的窄聚焦區(qū)占據(jù)空間相同的地點。相反，在圖7所示的情況下，太陽位于天空不同的位置并且隨后對應于各個反射部分1、2和3的窄聚焦區(qū)占據(jù)不同地點-在相比較圖6所示的情況時它們是“分離的”。為了將太陽輻射轉(zhuǎn)向到所有三個反射部分1、2和3，輔轉(zhuǎn)向反射器必須足夠大(參見圖8)，這是本發(fā)明カ求避免的部分。針對上述問題本文披露了三種不同實施例。將分別地描述和討論每ー個實施例。實施例#1為了在到達如圖7所示的對齊情況時將所有三個反射部分1、2和3所反射的太陽能輻射成功轉(zhuǎn)向到固定的吸收器，根據(jù)實施例#1的輔轉(zhuǎn)向反射器被劃分成三個分離的輔反射器“a”、“b”和“c” (參見圖9和10)。它們中的每ー個都位于它們對應的窄聚焦區(qū)所占據(jù)的空間中的精確定位。圖9和10圖示了這種情況，其中來自各個反射部分1、2和3的輻射被轉(zhuǎn)向固定的吸收器。隨著太陽入射角的變化，三個分離的輔反射器“ a”、“b”和“c”進ー步彼此擴散開從而保持跟蹤用于反射部分1、2和3的三個分離的窄聚焦區(qū)。圖9和10圖示了該“擴散”方面，圖10上的太陽入射角比圖9上的更淺。圖11和12示意性地圖示了匹配圖9和10的三個分離的輔反射器“a”、“b”和“c”的逐漸擴展的布置圖案。對于物理實現(xiàn)，在不使用時可以以層疊結(jié)構(gòu)存儲輔轉(zhuǎn)向反射器的“附加”部分(即，三個分離的輔反射器“a”、“b”和“c”)，在使用時由獨立的伸縮臂來布置。在本發(fā)明的可選實施例中，三個分離的輔反射器“ a”、“b”和“c”滑動附接到支撐軌，接下來球狀樞轉(zhuǎn)連接(即，借助球狀樞轉(zhuǎn)接頭)到延長支撐臂的末端，如圖13和14所示。支撐軌可以相對于延長臂旋轉(zhuǎn)從而根據(jù)需要調(diào)節(jié)其自身位置，并且三個分離的輔反射器“a”、“b”和“c”的每ー個都可以在支撐軌的縱向滑動。例如，在圖13中，三個分離的輔反射器“a”、“b”和“c”示出靠在一起，而圖14中它們被示出間隔開。使用這兩種連接所允許的運動組合-支撐軌與延長支撐臂之間的球狀樞轉(zhuǎn)連接以及分離的輔反射器“a”、“b”和“c”的每ー個及其支撐軌之間的滑動連接-來根據(jù)需要定位輔反射器“a”、“b”和“C”。在替代實施例中，可以通過執(zhí)行相同任務的不同結(jié)構(gòu)替換延長支撐臂。在圖15所示的示例中，滾動弧形導軌支撐三個分離的輔反射器“ a”、“b”和“ c”在其上滑動的支撐軌。根據(jù)需要沿弧形導軌的延伸滑動支撐軌與圍繞樞轉(zhuǎn)水平軸旋轉(zhuǎn)弧形導軌的組合提供了三維機動性。借助對三個分離的輔反射器“ a”、“b”和“c”的展開角和定位的連續(xù)調(diào)節(jié)，從反射部分1、2和3引入的輻射可以隨著太陽在天空運行連續(xù)聚焦到固定的吸收器上。實施例#2
為了在到達如圖7所示的對齊情況時將所有三個反射部分1、2和3所反射的太陽能輻射成功轉(zhuǎn)向到固定的吸收器，根據(jù)實施例#2的輔轉(zhuǎn)向反射器給定為延長三維形狀。如圖16-17所示，該延長的發(fā)散輔轉(zhuǎn)向反射器足夠長并且連續(xù)重新定位使得從反射部分1、2和3引入的輻射可以隨著太陽在天空運行連續(xù)聚焦到固定的吸收器上。如同在先專利申請US12/580, 251中最初提出的輔轉(zhuǎn)向反射器，該反射器可以相對于其支撐臂傾斜從而有助于如期望的那樣對引入的輻射進行連續(xù)聚集。換言之，輔反射器球狀樞轉(zhuǎn)連接到組件-諸如前述延長支撐臂-其根據(jù)太陽軌跡數(shù)據(jù)移動，使得在太陽在天空的運動使得反射部分1、2和3輸出的光的聚集區(qū)改變位置時允許輔反射器保持器聚集光輸出指向遠程的固定吸收器。隨著太陽入射角的變化，三個延長的發(fā)散輔轉(zhuǎn)向反射器傾斜從而連續(xù)保持跟蹤用于反射部分1、2和3的三個分離的窄聚焦區(qū)。圖16和17圖示了該“傾斜”方面，圖17上的太陽入射角比圖16上的更淺。參見圖16可以容易理解根據(jù)實施例#2的輔轉(zhuǎn)向反射器的延長輪廓。如圖17所示，輔轉(zhuǎn)向反射器球狀樞轉(zhuǎn)連接到(即，借助球型樞軸關(guān)節(jié))延長支撐臂的末端，在不同方向的傾斜允許如同期望的那樣對反射器進行定位。球狀樞轉(zhuǎn)連接允許輔轉(zhuǎn)向反射器采用各種位置，例如圖18、19和20所示的。實施例#3如前文指出的那樣，組成主聚集反射器的所述多個反射部分的每ー個將入射的太陽輻射轉(zhuǎn)向到其自身的窄聚焦區(qū)。所述窄聚集區(qū)根據(jù)太陽的日常和季節(jié)性運動在天空所占據(jù)的各種連續(xù)位置定義了對應于所述多個反射部分的每ー個的唯一焦曲面，從而生成多個焦曲面。在本文用來圖示本發(fā)明的工作的示例中，組成主聚集反射器的三個反射部分1、2和3的每ー個隨著太陽在天空運轉(zhuǎn)生成其自身的焦曲面，從而該示例刻畫出三個獨立的焦曲面。所述獨立的焦曲面的每ー個都可以具體其形狀，通過調(diào)節(jié)生成所述焦曲面的主反射部分來調(diào)節(jié)其形狀。更具體地，調(diào)節(jié)參數(shù)是拋物面或非球形截面的曲率以及太陽光線的入射點處的入射角。假設(shè)針對在太陽光線入射在主反射部分上時的所有點執(zhí)行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)任何期望形狀的焦曲面。涉及這種調(diào)節(jié)的光學原理在本領(lǐng)域是公知的。為了到達在如上面圖7所示的對齊情形時將組成主聚集反射器的所有三個反射部分1、2和3所反射的太陽輻射成功轉(zhuǎn)向?qū)蝹€固定吸收器上，調(diào)節(jié)對應于獨立成型的反射部分1、2和3的每ー個的焦曲面使得示例的所有三個表面之間的平均距離在系統(tǒng)的整個工作范圍最小。換言之，根據(jù)實施例#3的輔轉(zhuǎn)向反射器與在先專利申請US 12/580，251所披露的相同，不同之處僅在于對應于反射部分1、2和3的三個不同焦曲面具有調(diào)節(jié)成提供折中的各自形狀，其中對于沿系統(tǒng)的工作范圍的任何給定位置，來自反射部分1、2和3的光向輔轉(zhuǎn)向反射器的聚集對于所有三個光源并不完美，但是通過保持輔轉(zhuǎn)向反射器単一并且較小的優(yōu)勢抵消了由此造成的任何損失。而且重點要記住，對應于反射部分1、2和3的三個不同焦曲面可以具有自由調(diào)節(jié)的各自形狀-實際上可定制的-通過調(diào)節(jié)曲形的反射器部分在反射部分1、2和3的每ー個的表面的各個點上的空間朝向(表示太陽入射角)和曲率。實現(xiàn)這一目的的方式在本領(lǐng)域是公知的。設(shè)計調(diào)節(jié)會造成反射部分1、2和3的表面為非球面。非球面被動定義為這樣的表面，其輪廓既不是球的一部分也不是圓形柱體的一部分?？紤]輔轉(zhuǎn)向反射器如圖21所示在天空的軌跡。還考慮表示針對太陽的ー個給定位置沿反射光的軌跡的窄聚焦區(qū)的位置的圖22所示的映射“聚焦干線”。圖22a示出了圖22的相同組件以及與単獨成型的反射部分1、2和3的每ー個對應的三個不同焦曲面。如以 下段落要討論的，對應于反射部分1、2和3的這些三個不同焦曲面的形狀的標準調(diào)節(jié)對于本發(fā)明的性能是關(guān)鍵性的。圖22圖示了針對太陽的ー個給定位置引起的映射“聚焦干線”在不同點與輔轉(zhuǎn)向反射器的軌跡相交的方式，沿著輔轉(zhuǎn)向反射器的軌跡的長度測量它們之間的距離“D”。距離“D”針對較淺的太陽入射角趨于被放大。而且-也如圖22所示-具有最窄截面特征的每個映射“聚焦干線”的部分可能對應于與輔轉(zhuǎn)向發(fā)射器的軌跡的交點。實際上，在干線的最窄截面的所述點與輔轉(zhuǎn)向發(fā)射器的軌跡之間可能存在距離“H”。為了改進系統(tǒng)的光學性能，距離“D”和“H”應當盡可能小。重點要注意的是，“聚焦干線”的位置以及距離“H”和“D”的值根據(jù)太陽位置而變化，從而針對各個特定太陽位置，產(chǎn)生ー組新的不同“聚焦干線”和距離“D”和“H”。通過實施例#3在本發(fā)明中實現(xiàn)了距離“H”的最小化。這是因為通過將對應于所有三個獨立成型的反射部分1、2和3的焦曲面沿著系統(tǒng)的整個工作范圍更靠近一起，距離“H”必然最小，由此提供了對于整個系統(tǒng)的平均聚焦性能。通過調(diào)節(jié)曲線反射器部分在反射部分1、2和3每ー個的平面的每個點處的空間朝向(指示太陽入射角)和曲率在本發(fā)明中實現(xiàn)了距離“D”的最小化。如前所述，實現(xiàn)這ー目的的方式在本領(lǐng)域是公知的，所述設(shè)計調(diào)節(jié)可以使得反射部分1、2和3的表面呈現(xiàn)為非球面。底線在于，調(diào)節(jié)反射部分1、2和3的設(shè)計參數(shù)從而使得如圖22a所示的焦曲面之間的距離“D”和“H”兩者最小化，從而確保來自反射部分1、2和3的入射輻射隨著太陽在天空運行以可能最窄的平均焦點連續(xù)聚焦在固定吸收器上。另ー要考慮的方面是遠程的吸收器是固定的并且定位在形成主聚集器陣列的反射部分1、2和3的ー側(cè)。盡管每年太陽軌道在天空的季節(jié)變化，映射的太陽旋轉(zhuǎn)軸投射到地面上的方向全年保持不變。圖23圖示了所述旋轉(zhuǎn)軸。為了描述簡化，本文將指定由太陽旋轉(zhuǎn)軸“左”和“右”產(chǎn)生的主反射器的兩個半邊。假定以下設(shè)計指示，固定吸收器將被定位在所述太陽旋轉(zhuǎn)軸(在圖23中，軸的左側(cè))ー側(cè)處于關(guān)閉，明顯的是，必須執(zhí)行某些設(shè)計特征從而匹配反射部分1、2和3的對稱布置和與其相關(guān)的吸收器的非対稱定位。
提出兩種不同方法來實現(xiàn)這種匹配主反射器陣列的“左”和“右”半邊之間的設(shè)計對稱的引入以及輔轉(zhuǎn)向反射器的標準傾斜。可以單獨使用或者可選地結(jié)合使用從而獲得聚集的太陽光向固定吸收器的理想的連續(xù)聚集。圖24圖示了主反射器陣列的“左”和“右”半邊之間的建議的設(shè)計非對稱性。由于反射部分1、2和3的“右”和“左”部分引入不同的設(shè)計角并且由此形成與地面的不同夾角，它們反射的光在不同地點以不同角度碰撞到輔轉(zhuǎn)向反射器的表面。圖24借助僅來自反射部分I的“右”和“左”部分的光的單獨圖示示出了這ー結(jié)果(省略來自反射部分2和3的光用于簡化附圖)。將這種效果的標準調(diào)節(jié)引入反射部分1、2和3的設(shè)計，使得隨著太陽在天空運行來自反射部分的“右”和“左”兩部分的光結(jié)束連續(xù)以相同地點聚焦在固定吸收器上?？梢允褂幂o轉(zhuǎn)向反射器的建議的標準傾斜從而獲得前面段落描述的相同效果。如果反射部分1、2和3設(shè)計為對稱，則各自“右”和“左”反射的光以不同地點碰撞到輔轉(zhuǎn)向反射器的表面。如果不調(diào)整，這將引起入射光的“右”和“左”部分結(jié)束轉(zhuǎn)向到地面上的分 離點，而不是理想的共同聚集到固定吸收器上，得到圖25所示的情形。輔轉(zhuǎn)向反射器的傾斜-或者對于在其表面設(shè)計中引入非対稱的情況-可以用于補償以不同地點碰撞反射器的入射“右”和“左”光線的事實。輔轉(zhuǎn)向反射器的傾斜-或者表面非対稱的引入-將使得這些不同地點具有精確斜度的特點，需要用于隨著太陽在天空運行將輔轉(zhuǎn)向反射器輸出的光連續(xù)聚集到固定吸收器上。圖26圖示了所述情形的示例。最后要考慮的一個問題是輔轉(zhuǎn)向反射器的散度與所述輔轉(zhuǎn)向反射器與固定吸收器之間的距離變化之間的關(guān)系。如圖27-28所示，該距離“R”根據(jù)輔轉(zhuǎn)向反射器的支撐組件的定位而變化。給定輔轉(zhuǎn)向反射器輸出的光在其到固定吸收器的路徑上會聚，距離“R”確定在到達固定吸收器時有多少光被聚集。以類似的方式，如果考慮輔轉(zhuǎn)向反射器的散度還確定在到達固定吸收器時有多少光被聚集，斷定所述散度還確定在到達固定吸收器時有多少光被聚集。
如美國申請No. 12/580，251所解釋的，理想地，輔轉(zhuǎn)向反射器輸出到固定吸收器的光將以點狀焦點方式盡可能近地到達吸收器。因此，針對圖27和28所示的距離“R”的各個值對輔轉(zhuǎn)向反射器的散度進行連續(xù)調(diào)節(jié)是關(guān)鍵性的從而確保在到達固定吸收器時盡可能近地實現(xiàn)到點狀焦點的會聚。隨著太陽在天空運行必須連續(xù)進行所述調(diào)節(jié)。布置在單獨表面上的多個反射部分在本發(fā)明的可選實施例中，可以在不同的定位布置兩個或多個不同組反射部分，仍然協(xié)作從而形成一個相同組的焦曲面。例如，ー組反射部分可以定位在地面，而第二組協(xié)作的反射部分將定位在附近墻壁上。在圖29所示的非限定性示例中，在分離的非平行平面上定位兩組獨立的反射部分A和B-每個部分都包括三個同心圓形的反射部分1、2和3。盡管物理上分散開，但是A組中的反射部分的每ー個與B組中的等同部分協(xié)作從而生成ー個相同的焦曲面。在該示例中，從A組的反射部分2與B組的反射部分2之間的協(xié)作得到的焦曲面具有先前針對單組反射部分描述的剛好相同的特征和形狀適應性。唯一差別在于A組和B組在沿所述焦曲面貢獻在各個點獲得的光聚集量。模塊瓦片如在美國申請No. 12/580，251中所述，主聚集反射器陣列可以制成圖30上所見的模塊瓦片。在本發(fā)明的一個實施例中，這些模塊瓦片的每ー個包含如上所述的ー個或多個反射組件，這些模塊瓦片中的若干一起組合在表面上從而形成主聚集反射器陣列。對組合的主聚集反射器的接近程度檢查表明鄰近模塊瓦片之間的物理邊界與不同反射組件之間的分界線一致。在圖30所示的非限定性示例中，可以識別兩個不同的模塊瓦片A和B。模塊瓦片A包含ー個反射組件，一旦模塊組合在一起形成主聚集反射器陣列吋，該反射組件將形成反射部分3的一部分。相反，模塊瓦片B包含兩個反射組件；ー個形成反射部分2的一部分，ー個形成反射部分3的一部分。一旦多個模塊瓦片組合在一起形成主聚集反射器陣列，形成反射部分3 —部分的模塊瓦片A的反射組件將與形成反射部分3的一部分的模塊B的反射組件協(xié)作從而形成與所述反射部分3相關(guān)聯(lián)的焦曲面3。該示例的推斷有助于理解本發(fā)明的特征之一，即，位于第一模塊瓦片上的反射組件與位于第二模塊瓦片上的反射組件協(xié)作形成反射部分，該反射部分通過將引入的太陽能輻射聚集到窄聚焦區(qū)來生成一個相同焦曲面的反射部分。盡管參考示例性實施例特定示出和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，在 不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以做出對形式和細節(jié)的各種變化?？梢愿淖兎瓷洳糠值臄?shù)量；這些可以制成非圓形，可以分成各個部分。在所附的權(quán)利要求中以最寬以及更特定方面進ー步限定了本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法，所述反射器包括 主聚集反射器，由可選地再分成多個單獨反射組件的多反射部分構(gòu)成，所述多個単獨反射組件協(xié)作從而獲得對應的連續(xù)反射部分的相同光學效果，所述多個単獨反射部分相對于地球固定，所述多反射 部分的每ー個均將入射的太陽能輻射轉(zhuǎn)向到其自身的窄聚焦區(qū)，其中根據(jù)太陽的日常和季節(jié)性運動由所述窄聚焦區(qū)占據(jù)的各個連續(xù)位置限定了與所述多反射部分的每ー個對應的唯一焦曲面，從而生成多焦曲面； 輔轉(zhuǎn)向反射器，布置成用于將所述主聚集反射器聚集的光轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器；其中通過調(diào)節(jié)主聚集反射器的對應反射部分的每ー個的空間方位和曲率精確預測和調(diào)節(jié)所述焦曲面的特定形狀、維度和空間布置，由此使得與構(gòu)成主聚集反射器的各個單獨反射部分對應的各個窄聚焦區(qū)靠近一起從而形成針對太陽的多個位置的共用窄聚焦區(qū)。
2.一種用于設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法，所述反射器包括 主聚集反射器，由可選地再分成多個單獨反射組件的多反射部分構(gòu)成，所述多個単獨反射組件協(xié)作從而獲得對應的連續(xù)反射部分的相同光學效果，所述多個単獨反射部分相對于地球固定，所述多反射部分的每ー個均將入射的太陽能輻射轉(zhuǎn)向到其自身的窄聚焦區(qū)，其中根據(jù)太陽的日常和季節(jié)性運動由所述窄聚焦區(qū)占據(jù)的各個連續(xù)位置限定了與所述多反射部分的每ー個對應的唯一焦曲面，從而生成多焦曲面； 輔轉(zhuǎn)向反射器，布置成用于將所述主聚集反射器聚集的光轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器；其中與構(gòu)成主聚集反射器的各個反射部分的每ー個對應的焦曲面具有其単獨形狀，調(diào)節(jié)成使得多焦曲面之間的平均距離沿著陣列的整個工作范圍減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中主聚集反射器的反射部分配置成非球面。
4.一種用于設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法，所述反射器包括 主聚集反射器，由可選地再分成多個單獨反射組件的多反射部分構(gòu)成，所述多個単獨反射組件協(xié)作從而獲得對應的連續(xù)反射部分的相同光學效果，所述多個単獨反射部分相對于地球固定，所述多反射部分的每ー個均將入射的太陽能輻射轉(zhuǎn)向到其自身的窄聚焦區(qū)，其中根據(jù)太陽的日常和季節(jié)性運動由所述窄聚焦區(qū)占據(jù)的各個連續(xù)位置限定了與所述多反射部分的每ー個對應的唯一焦曲面，從而生成多焦曲面； 輔轉(zhuǎn)向反射器，布置成用于將所述主聚集反射器聚集的光轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器；其中輔轉(zhuǎn)向反射器被分成多個分離輔反射器，在隨著太陽在天空運行將入射太陽能輻射轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器時，將所述分離輔反射器的每ー個連續(xù)布置在與主聚集反射器的所述多個反射部分的每ー個對應的窄聚焦區(qū)所占據(jù)空間的定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中多個分離輔反射器的每ー個的展開角和定位的連續(xù)調(diào)節(jié)防止源自主聚集反射器的多個反射部分的輻射隨著太陽在天空運行連續(xù)聚焦在固定吸收器上。
6.一種用于設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法，所述反射器包括 主聚集反射器，由可選地再分成多個單獨反射組件的多反射部分構(gòu)成，所述多個単獨反射組件協(xié)作從而獲得對應的連續(xù)反射部分的相同光學效果，所述多個単獨反射部分相對于地球固定，所述多反射部分的每ー個均將入射的太陽能輻射轉(zhuǎn)向到其自身的窄聚焦區(qū)，其中根據(jù)太陽的日常和季節(jié)性運動由所述窄聚焦區(qū)占據(jù)的各個連續(xù)位置限定了與所述多反射部分的每ー個對應的唯一焦曲面，從而生成多焦曲面；輔轉(zhuǎn)向反射器，布置成用于將所述主聚集反射器聚集的光轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器；其中輔轉(zhuǎn)向反射器足夠大并且具有其展開角和定位，被連續(xù)調(diào)節(jié)用于防止源自主聚集反射器的多個反射部分的輻射隨著太陽在天空運行連續(xù)聚焦在固定吸收器上。
7.一種用于設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法，所述反射器包括 主聚集反射器，由可選地子劃分成多個單獨反射組件的多反射部分構(gòu)成，所述多個單獨反射組件協(xié)作從而獲得對應的連續(xù)反射部分的相同光學效果，所述多個単獨反射部分相對于地球固定，所述多反射部分的每ー個均將入射的太陽能輻射轉(zhuǎn)向到其自身的窄聚焦區(qū)，其中根據(jù)太陽的日常和季節(jié)性運動由所述窄聚焦區(qū)占據(jù)的各個連續(xù)位置限定了與所述多反射部分的每ー個對應的唯一焦曲面；輔轉(zhuǎn)向反射器，布置成用于將所述主聚集反射器聚集的光轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器；其中通過調(diào)節(jié)主聚集反射器的對應反射部分的每ー個的空間方位和曲率精確預測和 調(diào)節(jié)所述焦曲面的特定形狀、維度和空間布置，由此使得隨著太陽在天空運行與構(gòu)成主聚集反射器的各個單獨反射部分對應的各個窄聚焦區(qū)靠近一起從而形成針對太陽的每個特定位置的共用窄聚焦區(qū)，并且 與構(gòu)成主聚集反射器的各個反射部分的每ー個對應的焦曲面具有其単獨形狀，調(diào)節(jié)成使得多焦曲面之間的平均距離沿著陣列的整個工作范圍減小。
8.一種用于設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法，所述反射器包括 主聚集反射器，由可選地再分成多個單獨反射組件的多反射部分構(gòu)成，所述多個単獨反射組件協(xié)作從而獲得對應的連續(xù)反射部分的相同光學效果，所述多個単獨反射部分相對于地球固定，所述多反射部分的每ー個均將入射的太陽能輻射轉(zhuǎn)向到其自身的窄聚焦區(qū)，其中根據(jù)太陽的日常和季節(jié)性運動由所述窄聚焦區(qū)占據(jù)的各個連續(xù)位置限定了與所述多反射部分的每ー個對應的唯一焦曲面，從而生成多焦曲面； 輔轉(zhuǎn)向反射器，布置成用于將所述主聚集反射器聚集的光轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器；其中主聚集反射器包括處于不同定位的兩組或多組分離的反射部分，給定組的反射部分與定位在不同組上的其等同反射部分協(xié)作從而通過將引入的太陽能輻射聚集在窄聚焦區(qū)來生成一個相同的焦曲面。
9.一種用于設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法，所述反射器包括 主聚集反射器，由可選地再分成多個單獨反射組件的多反射部分構(gòu)成，所述多個単獨反射組件協(xié)作從而獲得對應的連續(xù)反射部分的相同光學效果，所述多個単獨反射部分相對于地球固定，所述多反射部分的每ー個均將入射的太陽能輻射轉(zhuǎn)向到其自身的窄聚焦區(qū)，其中根據(jù)太陽的日常和季節(jié)性運動由所述窄聚焦區(qū)占據(jù)的各個連續(xù)位置限定了與所述多反射部分的每ー個對應的唯一焦曲面，從而生成多焦曲面； 輔轉(zhuǎn)向反射器，布置成用于將所述主聚集反射器聚集的光轉(zhuǎn)向到遠程固定的吸收器；其中位于第一模塊瓦片上的反射組件與位于第二模塊瓦片上的反射組件協(xié)作形成反射部分，該反射部分通過將引入的太陽能輻射聚集到窄聚焦區(qū)來生成一個相同焦曲面的反射部分。
全文摘要
本發(fā)明披露了構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)中的主聚集反射器和輔轉(zhuǎn)向反射器的光學反射組件的形狀與配置的進一步改進。披露了一種用于設(shè)計和建造太陽能聚集器陣列的反射器的方法，該反射器包括固定的主反射器和可移動輔反射器，其中多個部件協(xié)作從而隨著太陽在天空運行將引入的太陽能輻射連續(xù)地聚集到遠程固定的吸收器上。
文檔編號F24J2/10GK102812305SQ201080062096
公開日2012年12月5日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者R·S·圖利 申請人:R·S·圖利