專利名稱：太陽能收集器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能收集器系統(tǒng)，具體涉及用于聚集太陽能以生成(例如用于發(fā)電的)熱和蒸汽系統(tǒng)和方法。
背景技術：
已知有多種類型的太陽能收集器，其包括非聚集型和聚集型。例如，非聚集型利用檢測或接收裝置(例如光伏電池或熱水管的太陽能電池板)的陣列截獲太陽的平行的非聚集射線。光伏電池利用光伏材料收集陽光并將其直接轉化為電能。聚集型收集器利用特殊的鏡面組件將能量射線集中以聚集射線并產生能量強束。一般地，這種組件包括拋物線反射鏡或透鏡組件以將陽光反射在焦點接收器上，焦點接收器通常為承載有能夠收集熱量的熱流體(例如高度精煉的石蠟石油或熔鹽)的管的形式，熱流體被泵送至將水煮沸的熱交換器。煮沸的水產生蒸汽，驅動渦輪機產生電。兩種常用形式的聚集型太陽能收集器為拋物線槽型收集器和線性菲涅耳收集器。公知的拋物線槽型收集器10如圖1所示。陽光從曲面鏡表面(一般為拋物線狀)12被反射至定位在鏡表面12的焦點(或焦軸)處的接收器14 (包含熱吸收介質)。鏡表面12和支撐結構排列在南北軸線或東西軸線并旋轉以跟蹤太陽的日常運動。商用的拋物線槽型收集器站具有大約5至6米寬且通常幾百米長的鏡孔經。然而，使用曲面鏡玻璃的現(xiàn)有的拋物線槽型收集器的問題是曲面鏡，很難制造而`且價格昂貴。拋物線槽型收集器的另一個問題是結構笨重，需要嚴格的設計和制造公差，通常需要用于承載熱流體的管的復雜的旋轉接頭，并且運行起來消耗能量大。一種公知的線性菲涅耳收集器16示于圖2，其中獨立反射器的陣列18收集陽光，其中所有獨立反射器都與反射器20相同，具體如圖3所示。陣列18沿南北或東西軸線對齊。反射器20包括輕微凹形曲面鏡22，其固定至框架24，框架24在連接至驅動系統(tǒng)的輥軸支架26和28上是可旋轉的。線性菲涅耳收集器的可選設計也是已知的，但是所有這種設計都具有基本屬性，如圖4所示，每個反射器必須在一天的過程中單獨且獨立地旋轉以將陽光反射至包含熱吸收介質的焦點接收器30?，F(xiàn)有的線性菲涅耳收集器的問題是，對于每個反射器都需要獨立的驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及定位系統(tǒng)，以及線性菲涅耳收集器的復雜的支撐結構，這增加了收集器的整體的復雜度、出故障的可能性以及成本?，F(xiàn)有的線性菲涅耳收集器的另一個問題是在低太陽角度(例如黎明或傍晚)時相鄰的反射器相互遮擋，這降低了收集器的整體效率。由于與具有相等孔徑寬度的拋物線槽型收集器相比，線性菲涅耳收集器需要相對較長的焦距長度，并且在鏡表面遠邊緣處的后續(xù)反射損耗(尤其是當太陽處于低角度時)，因此線性菲涅耳收集器的整體效率被進一步降低。以銳角射在鏡表面的陽光減小了反射在焦點收集器上的陽光總量，其在太陽接近水平線時接近于零。下面描述基于數(shù)據(jù)的檢索中顯示出的最接近的現(xiàn)有技術。日本第55112956A號專利申請公開了一種利用折射焦鏡頭以及無反射涉及的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的旋轉軸是圍繞主管中心線的軸，而不是位于主管(或接收器)下方的軸。而且，該管(或接收器)不能從該系統(tǒng)中發(fā)生光聚焦的表面被抬起。美國第2009/0314325號專利申請公開了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有用于在每個反射器模塊中的多個拋物線反射器帶的多個焦點，而不是具有常用的高架接收器，其中入射太陽輻射從反射器的排反射至高架接收器。而且，該系統(tǒng)中的每個機架支撐多個反射器模塊，且每個這種機架相對于支撐框架旋轉。該系統(tǒng)中反射器模塊相對于支撐框架沒有固定的角度，且支撐框架的旋轉軸垂直于每個機架的縱軸。這使得反射器模塊能夠相對于支撐架構移動。美國第2009/0174957號專利申請公開一種利用多個平面反射鏡的系統(tǒng)，平面反射鏡能夠基于每個鏡定位利用電場被調節(jié)至不同的各自的角度，且所公開的系統(tǒng)沒有用于反射器和接收器的固定陣列的高架以及可旋轉的支撐結構。美國第2009/0272425號專利申請公開一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用拋物線主反射器，且菲聶耳透鏡僅用于折射而未用于反射。本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能收集器系統(tǒng)，其克服或基本改善了現(xiàn)有技術的上述缺陷，或至少提供一種有用的替換物。本發(fā)明的另一目的在于提供一種太陽能收集器系統(tǒng)，其相對輕便，不需要復雜的驅動系統(tǒng)，且與現(xiàn)有技術的太陽能收集器相比其簡單、通風、廉價而且容易制造和安裝。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種太陽能收集器系統(tǒng)，包括:(a)反射器的固定陣列，以平行的排延伸；(b)共同焦點接收器，位于所述固定陣列上方且與所述反射器的排平行地延伸，且入射太陽輻射從所有反射器被反射至所述共同焦點接收器，所述接收器包括適于從所反射的輻射吸收熱的熱吸收介質；(C)高架支撐結構，用于所述反射器的固定陣列和所述接收器，其中，每個反射器的排以相對于所述支撐結構各自的固定角度被定向；以及(d)直立高架裝置，所述支撐結構樞軸地安裝至所述直立高架裝置，以允許所述固定陣列和所述接收器同時圍繞樞軸可控旋轉，從而跟蹤太陽的運動，其中，所述樞軸與所述反射器的排平行地延伸。優(yōu)選地，反射器為平面反射器或曲線反射器。 在優(yōu)選的形式中，所述接收器針對所述陣列對稱延伸。優(yōu)選地，所述接收器包括被配置以弓I導熱吸收流體的管。優(yōu)選地，所述樞軸為極軸且針對所述陣列對稱延伸。在另一個優(yōu)選的形式中，所述固定陣列和所述接收器的可控旋轉由機電關聯(lián)的控制器和驅動系統(tǒng)提供。優(yōu)選地，相鄰的平行的反射器的排由氣隙相分隔。根據(jù)又一個優(yōu)選的形式，所述接收器進一步包括:副反射器，位于所述管上方，且被配置以將未射在所述 管的反射輻射從所述反射器陣列反射至所述管。優(yōu)選地，所述接收器包括光伏或熱伏電池。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選形式，所述系統(tǒng)包括多個焦點接收器。優(yōu)選地，所述用于所述支撐結構的直立高架裝置包括:可調節(jié)組件，用于提供跟蹤太陽全年運動的斜軸，從而每個反射器的排以相對于所述直立高架裝置的共同可調節(jié)角度被定向。


將參考附圖使本發(fā)明更容易理解和投入實際應用，其中:圖1是現(xiàn)有技術的拋物線槽型收集器的立體圖；圖2是現(xiàn)有技術的線性菲涅耳收集器的立體圖；圖3是圖2的現(xiàn)有技術的線性菲涅耳收集器的可旋轉反射器組件的立體圖；圖4是圖2的現(xiàn)有技術的線性菲涅耳收集器的側視圖，示出了相似類型的太陽能收集器的一般運作；圖5是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的太陽能收集器系統(tǒng)的立體
圖6是當對準水平面時圖5的太陽能收集器系統(tǒng)的側視圖；圖7是圖6所示的太陽能收集器系統(tǒng)的鏡表面和支撐結構部分的放大示意圖；圖8是圖5的太陽能收集器系統(tǒng)的端部立體圖；圖9是圖5的太陽能收集器系統(tǒng)的底部立體圖，并展示了在該系統(tǒng)后面的另一個這樣的系統(tǒng)；圖10為示出從鏡表面反射的陽光的路徑的示意圖，鏡表面包括根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施方式的太陽能收集器系統(tǒng)的平面反射器的固定陣列，路徑被反射至一個焦點，該系統(tǒng)的焦點接收器位于該焦點處；圖11是圖10的太陽能收集器系統(tǒng)的鏡表面的獨立的反射器的側視圖；圖12是利用圖10和圖11所示的鏡表面的太陽能收集器系統(tǒng)的一系列側視圖，示出了跟蹤太陽在天空中日常運動的該系統(tǒng)；圖13是根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式的太陽能收集器系統(tǒng)的側視圖，該系統(tǒng)具有兩個焦點接收器；圖14是示出了從圖13的太陽能收集器系統(tǒng)的鏡表面至焦點接收器的反射陽光的路徑的側視圖；圖15是示出了從鏡表面反射的陽光的路徑的側視圖，該鏡表面包括根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式的太陽能收集器系統(tǒng)曲面反射器的固定陣列，該路徑反射至一個焦點，該系統(tǒng)的焦點接收器位于該焦點；圖16是用于 圖15的太陽能收集器系統(tǒng)的曲面反射器的固定陣列的支撐結構的上框架部和下框架部的側視圖。
具體實施例方式圖5-9示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的太陽能收集器系統(tǒng)32。收集器系統(tǒng)32包括限定鏡表面的線性反射器的陣列34、焦點接收器36以及結構38，焦點接收器36用于加熱熱吸收介質，熱吸收介質位于陣列34的焦點(即焦軸)處并且適于從線性反射器反射的陽光吸收熱量，支撐結構38適于支撐陣列34和焦點接收器36。接收器36針對陣列34對稱延伸。然而，與現(xiàn)有技術的線性菲涅耳收集器16不同，收集器系統(tǒng)32的支撐結構38特別地為波狀的、高架的并且適于繞單軸39旋轉，從而使鏡表面的孔徑與鏡表面的平面成直角，進而不斷地指向或垂直于太陽，如圖12中所示。在該實施方式中，旋轉軸39是極軸且針對陣列對稱延伸。比較而言，現(xiàn)有技術的菲涅耳收集器16 (如圖2、3和4所示)是平的，貼在地面上并且不能轉動。本發(fā)明的收集器系統(tǒng)的特征還在于每個反射器40都以適于將光線聚焦在接收器36上的固定角度而定位。這通過參照圖10的實施方式示出?，F(xiàn)有技術的菲涅耳收集器16(參照圖2)包括反射器(參照圖3)，反射器必須單獨且獨立地旋轉(參照圖4)以跟蹤太陽的日常運動。因此，收集器32消除了對每個反射器40的獨立的驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和定位系統(tǒng)的需求，這很大程度減少了收集器系統(tǒng)32的整體的復雜度、出故障的可能性以及成本。本發(fā)明的特征還在于能夠圍繞單軸39轉動支撐結構38，單軸39通常但不是必須地位于該收集器系統(tǒng)的質心處，這大大簡化了傳送熱流體或其他導熱材料所需要的旋轉接頭的設計和裝配。
示于圖5-圖10的收集器系統(tǒng)實施方式的的單個線性反射器40示于圖11中，其包括置于基板44上的平面反射器42或鏡，基板被支撐于波狀結構38上。參照圖5-圖9，支撐結構38連接至機電地關聯(lián)的控制器和驅動系統(tǒng)46，驅動系統(tǒng)46提供固定陣列和其支撐結構的可控旋轉，以跟蹤太陽的日常運動(參照圖12)。在該實施方式中，聚焦接收器36包括凹面副反射器53，其加熱熱吸收介質，例如通過管52的熱導體流體或其他(可以是固體、液體或氣體)的熱吸收介質。例如，接收器可以包括光伏電池或熱伏電池。熱吸收介質理想地由從反射器的陣列反射的陽光直接加熱，因此凹面反射器53被用于將離散的反射光進一步反射且聚集在管52上。焦點接收器36由支柱48和中間支架50支撐。圖15示出包括本發(fā)明的另一個實施方式的太陽能收集器系統(tǒng)的曲線反射器72的固定陣列的鏡表面70，以及從鏡表面70至焦點74的反射陽光的路徑73，該系統(tǒng)的焦點接收器位于焦點74處。每個曲面反射器72是拋物線的離散段，所有這些曲線段具有共同的焦點。曲線反射器72以固定陣列形成，并且限定基本平面的鏡表面，陣列和其焦點接收器由相似的平面結構76支撐，該平面結構是高架的且適于按照與上述收集器系統(tǒng)32的線性反射器的固定陣列34相同的方式圍繞單軸旋轉。與收集器系統(tǒng)32 —樣，每個相鄰的反射器排之間存在氣隙，雖然這僅是優(yōu)選的特征。在一些實施方式中，在相鄰的反射器排之間可以沒有氣隙。在使用了本發(fā)明的太陽能收集器系統(tǒng)之后，支撐結構可旋轉入不使用或“停放”位置，從而使限定鏡表面的反射器的固定陣列朝向地面，因而保護鏡表面不受嚴酷的風、雨、雹和其他致?lián)p因素的影響。這種不使用位置本質上容易達成，因為用于反射器的固定陣列的支撐結構被直立的高架組件77支起，因此支撐結構可如上所述地圍繞單軸旋轉。雖然根據(jù)情況可以使用其他形狀，但特別優(yōu)選的高架支撐結構為矩形，如上述本發(fā)明的實施方式所示。矩形支撐結構具有框架，框架具有在收集器系統(tǒng)的前部和后部的、長的、互連的框結構件，以及在收集器系統(tǒng)的相對側或端處以及在相對側之間的間隔處的、較短長度的側框架構件。當由這種相對淺結構支撐時，反射器的固定陣列限定基本平面的鏡表面。對于曲線反射器72的固定陣列，側框架構件79可被配置為可通過鎖合在一起而夾住其間的反射器72的上框架部和下框架部。從而上框架部和下框架部限定需要達成共同焦點的拋物線段反射器的剖面。這種側部框架構件的上框架部82和下框架部84示于圖16，且具有互補的相對的剖面78和80。框架部82和84可通過比需要生產曲面框架等的滾軋成形或滾軋曲面技術更低成本且高精度的激光或水射流切割制造。在可選的實施方式中，側框架構件可僅包括下部框架部84，假定反射器能夠牢固地固定至下部框架部且這種反射器的陣列生成的鏡表面基本是平面的。支撐結構的其他部件可包括支撐物、支柱、隔離器和其他剖面形成原件?？捎糜诒景l(fā)明的其他形式的支撐結構是一種利用高架中央支撐板(spline)的形式，其可旋轉且具有多個沿相對方向從其中垂直延伸出的固定的反射器支撐臂。臂以適當?shù)慕嵌葘⒎瓷淦鞯拿總€排支撐為固定陣列，以獲得從反射器反射陽光的共同焦點。由這種陣列限定且以上述方式支撐的鏡表面為基本平面的，且因此比拋物線槽型收集器更淺。這種中央板(spline)可為管狀、束狀或被配置以可轉動地支撐反射器的固定陣列。用于為基本平面的反射器的固定陣列的高架且可轉動的支撐結構比用于現(xiàn)有技術的太陽能收集器更簡易、通風、成本低且更容易制造和安裝。其還比具有相同孔徑寬度的更大且更重的拋物線槽型收集器更容易圍繞(例如位于質心的)軸旋轉。因為具有共同焦點的拋物線段反射器的大量的排能夠覆蓋在淺的、基本平面的支撐結構中限定的廣闊區(qū)域上，因此與拋物線反射在拋物線槽型收集器發(fā)生的區(qū)域相比，這種類型的淺的、基本平面的支撐結構還允許在更廣闊的區(qū)域上發(fā)生拋物線反射。鏡表面的區(qū)域越廣闊，陽光聚集率越聞。跟蹤太陽全年運動的斜軸也是本發(fā)明的太陽能收集器系統(tǒng)的特征。為此，用于支撐結構的高架組件的垂直支撐柱和其他部件適于為可調節(jié)的，因而反射器的每個排以相對于垂直支撐柱共同的角度而定向。

本發(fā)明結合了線性菲涅耳收集器和拋物線槽型收集器的一些優(yōu)點。本發(fā)明利用以平行的排延伸的反射器的陣列來限定鏡表面。該實施方式簡化了制造并降低了對支撐結構和框架的需求。利用反射器的陣列還允許使用低成本的鏡玻璃和標準的建工材料以最小化建筑材料和設備的成本。反射器的固定陣列由淺的、基本平面的結構支撐，該淺的、基本平面的結構圍繞單軸旋轉以避免在低太陽角度處被相鄰的反射器遮擋。每個反射器以固定的角度定位以將陽光聚焦在接收器上，從而簡化驅動、控制和定位系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)的鏡表面的孔徑最佳地定位使得系統(tǒng)總是直接指向太陽，以優(yōu)化反射器效率，尤其是在低太陽角度。因為本發(fā)明緊湊的形狀和淺形式因素，因而該收集器系統(tǒng)具有低外加負載和彎矩，因此本發(fā)明還具有超越現(xiàn)有技術的優(yōu)點。由于本發(fā)明的通風設計，即優(yōu)選地在反射器的排之間具有縫隙，因此該收集器系統(tǒng)還可具有很低的風力載荷。平面反射器框架淺形式的因素還降低了風力載荷和通常與拋物線槽型收集器框架相關聯(lián)的傾覆力矩。氣隙允許風和氣流穿過該結構，從而顯著減少相關的風力載荷?；酒矫娴闹谓Y構使得明顯減少收集器系統(tǒng)的深度。本領域技術人員應當理解可對上述的太陽能收集器系統(tǒng)進行外觀和結構的細節(jié)變動，包括添加多個焦點接收器(例如，參照圖13和圖14的接收器54和56)，而不脫離本發(fā)明的范圍。本領域技術人員應當理解，本發(fā)明的范圍不是僅限于產生太陽能和電能，而是可適于產生用于工業(yè)和制造過程的太陽能工業(yè)用熱和蒸汽，還可進一步適用于包括熱存儲和其他裝置以改進整體系統(tǒng)的效率。 ·
權利要求
1.一種太陽能收集器系統(tǒng)，包括 Ca)反射器的固定陣列，以平行的排延伸； (b)共同焦點接收器，位于所述固定陣列上方且與所述反射器的排平行地延伸，且入射太陽輻射從所有反射器被反射至所述共同焦點接收器，所述接收器包括適于從所反射的輻射吸收熱的熱吸收介質； (c)高架支撐結構，用于所述反射器的固定陣列和所述接收器，其中，每個反射器的排以相對于所述支撐結構各自的固定角度被定向；以及 Cd)直立高架裝置，所述支撐結構樞軸地安裝至所述直立高架裝置，以允許所述固定陣列和所述接收器同時圍繞樞軸可控旋轉，從而跟蹤太陽的運動，其中，所述樞軸平行于所述反射器的排而延伸。
2.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述反射器為平面反射器或曲線反射器。
3.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述接收器針對所述陣列對稱延伸。
4.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述接收器包括被配置以引導熱吸收流體的管。
5.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述樞軸為極軸且針對所述陣列對稱延伸。
6.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述固定陣列和所述接收器的可控旋轉由機電關聯(lián)的控制器和驅動系統(tǒng)提供。
7.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，相鄰的平行的反射器的排由氣隙相分隔。
8.如權利要求4所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述接收器進一步包括副反射器，位于所述管上方，且被配置以將未射在所述管的反射輻射從所述反射器陣列反射至所述管。
9.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述接收器包括光伏或熱伏電池。
10.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括多個焦點接收器。
11.如權利要求I所述的太陽能收集器系統(tǒng)，其中，所述用于所述支撐結構的直立高架裝置包括可調節(jié)組件，用于提供跟蹤太陽全年運動的斜軸，從而每個反射器的排以相對于所述直立高架裝置的共同可調節(jié)角度被定向。
全文摘要
一種太陽能收集器系統(tǒng)(32)，具有以平行的排延伸的反射器(40)的固定陣列(34)，以及位于所述固定陣列(34)上方且與所述反射器(40)的排平行地延伸的共同焦點接收器(36)。入射太陽輻射從所有反射器被反射至所述共同焦點接收器(36)，所述接收器包括適于從所反射的輻射吸收熱的熱吸收介質。存在用于所述反射器的固定陣列(34)和所述接收器(36)的高架支撐結構(38)。支撐結構(38)以相對于所述支撐結構各自的固定角度來定向每個反射器的排。支撐結構(38)樞軸地安裝至所述直立高架組件(77)，以允許所述固定陣列(34)和所述接收器(36)同時圍繞樞軸(39)可控旋轉從而跟蹤太陽的運動，其中，所述樞軸(39)平行于所述反射器(40)的排而延伸。
文檔編號F24J2/46GK103238033SQ201180020298
公開日2013年8月7日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權日2010年4月22日
發(fā)明者特雷弗.鮑威爾 申請人:特雷弗. 鮑威爾