用于太阳能系统的基于光纤的传输系统及其提供和使用方法

用于太阳能系统的基于光纤的传输系统及其提供和使用方法
【专利摘要】在一些实施例中，太阳能系统可包括：（a）至少一个太阳能收集器，该至少一个太阳能收集器具有：（1）一个或多个光纤电缆；（2）具有构造成将太阳辐射聚焦至所述一个或多个光纤电缆中的聚焦光学器件的接收器；以及（3）构造成使太阳辐射改变方向至接收器的至少一个聚光反射器；以及（b）联接至所述一个或多个光纤电缆的一个或多个转换元件，该一个或多个转换元件构造成将太阳辐射转换为一种或多种其它形式的能量。公开了其它实施例。
【专利说明】用于太阳能系统的基于光纤的传输系统及其提供和使用方
法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有2011年I月14日提交的美国临时申请第61/432，955号的权益。【技术领域】
[0003]本发明总体上涉及一种太阳能系统，更具体地，涉及利用在太阳能收集器与定位在远处的转换元件之间的光纤束，以及提供并使用它的方法。
【背景技术】
[0004]主要存在四种太阳能利用技术。表示为被动式太阳能装置的第一种技术采取太阳能加热器和屋顶太阳能电池板的形式，在下面延伸的管子只是由入射的太阳能辐射加热；热传递到通过被动式太阳能装置的流体或空气。然而，被动式太阳能辐射强度一般太低以至于不能直接用于在高温高压下需要热量的大多数应用(例如，运转中的HVAC(采暖通风与空调)、工业过程热、涡轮机等)。另一种太阳能技术采用包括半导体器件的平板太阳能光伏(PV)电池的形式。这些器件将入射的太阳辐射直接转换成电；电能输出是PV电池阵列的面积的直接函数。
[0005]太阳能“聚集器”被认为是另一种，其被设计为将入射的太阳辐射从大区域反射到更小的聚焦区上以聚集(收集)太阳辐射，从而产生可传递至在聚焦区流动的流体的大量热(从而实现更高的温度和压力)，适于:(a)需要期望质量的热的各种应用，例如工业过程热、HVAC加热和冷却、脱盐、脱水等；(b)产生蒸汽以驱动涡轮机从而发电。
[0006]近来，已经探索出混合技术，其中，太阳能收集器连同特殊类型的PV电池一起使用；太阳能聚集技术使高强度的太阳辐射光束指向收集器的聚焦区处专门的小数量光伏电池(被称为聚集器PV电池)上。因此，连同PV电池一起的聚集太阳能收集器相对于平板收集器的优点在于，它们利用基本上更小量的半导体材料，同时在产生电能上效率更高。
[0007]在任何情况下，太阳能聚集器技术无论在需要热还是需要电还是两者都需要的应用中都是最广泛使用的。与被动式太阳能技术或PV电池技术相比，太阳能聚集器以低成本和闻效率提供热。
[0008]无论所采用的太阳能聚集器或收集器的类型如何，最常规的系统设置具有接收光学装置的实际“接收结构”(PV电池、热/流体元件)。结果，接收结构必须暴露到环境，并且受到损坏、周围老化问题等。
[0009]因此，对于允许保护接收结构不受环境影响并允许更有效率且成本更低的太阳能利用技术的设备或系统来说存在需要或可能从中受益。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]为了易于进一步对实施例进行描述，提供了下面的附图，其中:
[0011]图1示出了根据第一实施例的太阳能系统的等距视图；[0012]图2示出了根据第一实施例的图1太阳能系统的太阳能收集器的侧视图；
[0013]图3示出了沿着根据第一实施例的图1太阳能收集器的接收器的1-1线(图1)的首丨J视图;
[0014]图4示出了根据第二实施例的太阳能系统的等距视图；
[0015]图5示出了根据第三实施例的太阳能系统的等距视图；
[0016]图6示出了根据第四实施例的太阳能系统的等距视图；
[0017]图7示出了根据第五实施例的太阳能系统的等距视图；
[0018]图8示出了将来自太阳的光转换为一种或多种其它能量形式的方法的实施例的流程图；
[0019]图9示出提供太阳能系统以积聚太阳辐射的方法的实施例的流程图；
[0020]图10示出了根据一实施例的提供至少一个太阳能收集器的行为的示例性实施例的流程图；以及
[0021]图11示出了根据一实施例的将一个或多个光纤电缆联接至一个或多个转换元件的行为的示例性实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0022]为了使说明简明且清楚，附图示出了大体的构建方式，并且可能省略了众所周知的特征与技术的细节，以避免不必要地混淆本发明。此外，附图中的元件不一定是按比例绘制的。例如，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明实施例的理解。不同图中相同的附图标记表示相同的元件。
[0023]说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在的话)是用于相似元件之间的区分，而不一定是要说明特定次序或时间顺序。要理解的是，所使用的这些术语在适当的情况下可以互换，从而本文所描述的实施例，例如能够以不同于本文所示出或描述的顺序操作。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变型旨在涵盖非排他性的包括，从而包括一列元件的过程、方法、系统、制品、装置或设备不一定局限为这些元件，而是可以包括未特别列出或这种过程、方法、系统、制品、装置或设备所固有的其它元件。
[0024]说明书和权利要求书中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上方”、“下方”
等(如果存在的话)是用于说明性的目的，而不一定是描述永久的相对位置。要理解的是，所使用的这些术语在适当的情况下可以互换，从而本文所描述的本发明实施例，例如能够以不同于本文所示出或描述的方位操作。
[0025]术语“联接”、“联接了”、“联接着”、“联接的”等应当被宽泛地理解，是指以电的、机械的和/或其它的方式连接两个或更多个元件或信号。两个或更多个电元件可以电联接，但不能机械地或以其它方式联接；两个或更多个机械元件可以机械联接，但不能电地或以其它方式联接。联接可以具有任何时间长度，例如永久性的或半永久性的或仅是一瞬间。
[0026]“电联接”等应当被宽泛地理解，包括涉及任何电信号的联接，无论是功率信号、数据信号和/或其它类型或电信号的组合。“机械联接”等应当被宽泛地理解，包括所有类型的机械联接。
[0027]在词语“联接”等附近的缺少“可移除地”、“可移除的”等字眼，不意味着所讨论的联接等是可移除的或者不是可移除的。
[0028]在一些示例中，太阳能系统可包括:(a)至少一个太阳能收集器，该至少一个太阳能收集器具有:(a) —个或多个光纤电缆；(2)具有构造成将太阳辐射聚焦至所述一个或多个光纤电缆中的聚焦光学器件的接收器；以及(3)构造成使太阳辐射改变方向至接收器的至少一个聚光反射器；以及(b)联接至所述一个或多个光纤电缆的一个或多个转换元件，该一个或多个转换元件构造成将太阳辐射转换为一种或多种其它形式的能量。
[0029]在许多实施例中，太阳能阵列可包括:Ca)两个或更多个太阳能收集器，所述两个或更多个太阳能收集器中的每一个具有:(I)接收器；(2)—个或多个聚光反射器，构造成使光改变方向至接收器；以及(3)第一光纤束，接收器构造成使光聚集到该第一光纤束中；
(b)组合装置，联接至所述两个或更多个太阳能收集器中每个的第一光纤束，并构造成使所述两个或更多个太阳能收集器中每个的第一光纤束中的光聚集成聚集光；以及(c)至少一个转换装置，联接至组合装置，该至少一个转换装置构造成使聚集光转变为一种或多种其它形式的能量。
[0030]各种实施例涉及一种将太阳光转换为一种或多种其它形式的能量的方法。该方法可包括:使用至少一个第一聚光反射器使太阳光改变方向至第一接收器；使光聚焦到第一接收器处的第一光纤束中；使用第一光纤束将光从第一接收器传输到至少一个转换装置；和使用所述至少一个转换装置将光转换为所述一种或多种其它形式的能量。
[0031]一些实施例涉及一种提供太阳能系统以积聚太阳辐射的方法。该方法可包括:提供至少一个太阳能收集器，提供至少一个太阳能收集器可包括:提供具有聚焦光学器件的接收器；提供构造成使太阳辐射改变方向至接收器的至少一个聚光反射器；提供一个或多个光纤电缆；以及将聚焦光学器件联接至所述一个或多个光纤电缆，从而聚焦光学器件使太阳辐射聚焦到一个或多个光纤电缆中；提供构造成将太阳辐射转换为一种或多种其它形式的能量的一个或多个转换元件；以及将所述一个或多个光纤电缆联接至所述一个或多个转换元件。
[0032]转到附图，图1示出了根据第一实施例的太阳能系统100的等距视图。图2示出了根据第一实施例的太阳能系统100的太阳能收集器120的侧视图。图3示出了沿着根据第一实施例的太阳能收集器120的接收器110的1-1线(图1)的剖视图。太阳能系统100仅仅是示例性的，而不局限为本文给出的实施例。太阳能系统100可以应用于本文未具体示出或描述的许多不同的实施例或示例中。
[0033]转到图1-3，在一些实施例中，太阳能系统100可包括:(a)至少一个太阳能收集器120 (即，太阳能聚集器);以及(b)—个或多个转换装置或元件130，构造成将太阳辐射(SP，光)转换为一种或多种其它形式的能量(例如，热能、机械能和/或电能)。
[0034]在一些示例中，太阳能收集器120可包括:(a)联接至转换元件130的一个或多个光纤电缆111 (即，光纤束);(b)接收器110 ; (c)构造成使太阳辐射改变方向至接收器110的至少一个聚光反射器121 ;(d)支撑结构122 ;以及(e)安装结构123。太阳能系统100可以涉及太阳能系统的各种改进，这些改进可以通过使用作为所收集的太阳辐射的管道的光纤束以将收集到的太阳辐射传输到定位在远处的转换元件来实现。
[0035]在图1-2所示的示例中，接收器110位于聚光反射器121的聚焦区。在其它实施例中，一个或多个次级反射器位于聚光反射器121 (即，初级反射器)的聚焦区，接收器110位于太阳能收集器120的基部(S卩，在区域129)。在一些示例中，次级反射器可包括卡塞格伦反射器。
[0036]如图3所示，接收器110可包括:(a)聚焦光学器件312，将太阳辐射聚集到光纤电缆111中；(b)套圈结构313，构造成保持光纤电缆111的至少一部分(例如，光纤电缆111的端部)；以及(c)主体314，构造成保持聚焦光学器件312、套圈结构313和部分的光纤电缆 111。
[0037]在一些示例中，通过使反射器121 (图1-2)聚集到聚焦光学器件312，而使太阳辐射R改变方向。聚焦光学器件312可以与光纤电缆111光学对准，以使太阳辐射R聚集或聚焦到光纤电缆111中。也就是说，在一些示例中，进来的太阳辐射R通过位于接收器110内的聚焦光学器件312。光纤电缆111定位在设置于接收器110内的套圈结构313内并定位成用于接收来自聚焦光学器件312的聚焦输出。
[0038]在一些示例中，聚焦光学器件312与光纤电缆111之间的区域315由空气填充。在其它示例中，区域315可以由惰性气体填充。在相同或不同的示例中，可以对区域315中的空气或惰性气体加压。
[0039]在一些示例中，如果次级反射器(例如，卡塞格伦反射器)位于聚光反射器121的聚焦区(图1和2)且如果接收器110位于太阳能收集器120的基部，则接收器110不包括位于接收器110中的聚焦光学器件312。在这些示例中，次级反射器可以起到聚焦光学器件的作用。在其它示例中，太阳能收集器120可包括次级反射器和聚焦光学器件312。
[0040]聚焦光学器件312可包括至少一个透镜。该透镜可以构造成将太阳辐射R聚焦到光纤电缆111中。在相同或不同的示例中，透镜和光纤束可以具有宽波段的防反射涂层和光学校正涂层。透镜系统也可以由多个元件构成，包括但不限于与聚光透镜联接的准直透镜。
[0041]在许多示例中，光纤电缆111可以是由两根或更多根光学纤维构成的束。光纤电缆111的一端可以联接至接收器110以接收太阳辐射R。光纤电缆111的另一端可以联接至转换元件130。转换元件130可以将太阳辐射转换为其它形式的能量。
[0042]使用光纤电缆111允许太阳辐射R传输到远离太阳能收集器120的位置，以转换为另一形式的能量。传统的太阳能系统在接收器处将太阳辐射转换成其它形式的能量。在太阳能系统100中使用光纤电缆111提供了若干优点。首先，转换元件不必与太阳能收集器120位于同一地方。因此，例如，借助将太阳辐射从接收器110运送到转换元件130的光纤电缆111，转换元件可以放在位于与太阳能收集器120间隔开(例如，10米(m)、100m、1000m或更远)的建筑物中。将转换元件放在建筑物内部可以增加转换元件130的寿命并降低维护和安装成本。
[0043]此外，正如下面针对图4所示的第二实施例所描述的，使用图1-3中的光纤电缆111允许来自两个或更多个太阳能收集器的太阳辐射组合成单一的聚集太阳光束。因此，代替具有多个转换元件，太阳能系统可以具有两个或更多个太阳能收集器之间共用的单一转换元件。减少转换元件的数量可以增加系统的效率并显著地降低成本。
[0044]图1-3的光纤电缆111可以是多模光纤或单模光纤。构成光纤束的各光纤的尺寸可以不同。光纤由内芯和外护套构成。在一些示例中，内芯可以被制造为具有一个折射率，而外护套由具有不同折射率的材料(例如，透明材料)构成。在各种实施例中，光纤束的直径可以是太阳能聚集器的大小和给定光纤在保持最大传输效率和适当寿命的同时可以承受的最大强度的函数。
[0045]在一个实施例中，光纤电缆111可以具有约3毫米或约1-5毫米的共同直径。在一个不例中，光纤电缆111中的每个光纤可以具有约9微米或约5-15微米的直径。光纤电缆111可以具有允许大量太阳辐射以小能量损失聚集到光纤电缆111中的高能量密度。例如，光纤电缆111可以具有每平方米9兆瓦的能量密度，每平方千米1/10分贝的损失。在一些示例中，每个光纤电缆111可以具有玻璃芯、塑料芯或空气芯，芯周围具有玻璃或塑料护套。在各种实施例中，每个光纤电缆111可以是光子晶体光纤。
[0046]聚光反射器121可以构造成将入射的太阳辐射从大区域反射到更小的聚焦区域上以聚集(即，收集)太阳辐射。在一些示例中，聚光反射器121可以是抛物点聚集器。该抛物点聚集器可以包括布置成用于形成将进来的太阳辐射聚焦到单一聚焦区中的抛物柱面反射器的多个曲面镜。
[0047]在其它实施例中，聚光反射器121可以具有纺锤超环面几何形状(例如，参见图4的太阳能收集器420、440、442和444)。也就是说，在一些示例中，聚光反射器121可以包括两个或更多个同心的反射器(如图4所示)，每个反射器具有纺锤超环面几何形状。在各种示例中，同心反射器中的每个可包括以拱顶石的布置被保持在适当位置的两个或更多个单独的反射花瓣。每个反射花瓣可以具有硬壳式构造，其中反射花瓣的反射表面承受大多数的扭转和弯曲应力。在其它实施例中，其它的几何形状和设计可以用于聚光反射器121(例如，太阳能槽、菲涅耳反射器等)。
[0048]在各种实施例中，聚光反射器121可以由玻璃反射镜(例如，诸如硝酸银的反射表面涂层和用于保护反射表面的玻璃盖)构成。在其它示例中，聚光反射器121可以具有由钝化铝(或设置在另一材料的表面上的一层钝化铝)、高反射性介电材料、聚合物、超薄玻璃(例如，50微米或更小)等构成的镜面。可以使用各种合金和/或表面加工来提供聚光反射器121的期望程度的反射率。
[0049]在一些示例中，支撑结构122可包括构造成将太阳能收集器120牢固地安装到地上的混凝土垫或其它类似的结构。安装结构123可用于将聚光反射器121连接到支撑结构122。虽然没有示出，但是在一些示例中，支撑结构122和/或安装结构123可包括用于手动和/或自动地使聚光反射器121移动以在一天或一年的时间内追踪太阳运动的伺服机构和/或其它机械装置。
[0050]转换元件130可以构造成将太阳辐射(即，光)转换为一种或多种其它形式的能量(例如，热能、机械能、和/或电能)。转换元件130光学地且机械地联接至光纤电缆111，并构造成从光纤电缆111接收聚集的太阳辐射。
[0051]在一些示例中，转换元件130可包括热接收器(例如，斯特林发动机)。在一些实施例中，来自光纤电缆111的聚集的太阳辐射可以被导向(即，聚焦)至热传递介质(例如，各种流体、气体或盐)中。聚集的太阳辐射可以对热传递介质进行加热，并可用于各种应用中，包括工业过程热、HVAC加热和冷却、脱盐、脱水等，或者用于产生蒸汽以驱动涡轮机从而发电。
[0052]在其它示例中，转换元件130可以构造成将太阳辐射直接转换为电能。例如，转换元件130可包括一个或多个光伏电池(例如，聚集器光伏电池)。在该示例中，来自光纤电缆111的聚集的太阳辐射被聚集到将光转换为电的太阳能光伏材料的小区域上。在一个示例中，可以使用多结光伏电池。
[0053]此夕卜，太阳能系统100可以通过将光学调制装置(比如马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪)与转换元件130整合来从所聚集的太阳福射产生交流电(AC)电输出信号。通过使用常规的电功率信号作为输入到马赫-曾德尔干涉仪的数据，聚集的太阳福射可以被转换为AC电输出信号。
[0054]在其它实施例中，转换元件130可包括各种转换元件的组合。例如，来自光纤电缆111的聚集的太阳辐射的第一部分可以被导入热接收器中，太阳辐射的第二部分可以被导入一个或多个光伏电池中。
[0055]在许多实施例中，转换元件130可以位于第一建筑物内，太阳能收集器120定位成与第一建筑物分开或至少在其外部。在相同或不同的示例中，转换元件130，除了与光纤电缆111联接之外，不机械地联接至太阳能收集器120。也就是说，转换元件130可以远离太阳能收集器120的物理位置而容纳在建筑物或任何合适的结构内，并且免受损坏或老化。而且，来自多个太阳能收集器的光纤束可以被导入单一接收结构中，从而总体上提供特别是与传统的太阳能系统相比实现显著的效率增加以及初始费用和维护成本的显著降低的太阳能系统100、以及太阳能收集器120和转换元件130。效率可以增加约14%到约42%，成本可以减少约66%。作为一示例，典型的太阳能收集器系统在没有补贴情况下的每瓦特电(W)的成本是约$6/W，而本文描述的太阳能系统可以具有约$2/W的成本。此外，可以使光纤束路径延伸到住宅(或商业)房屋中，光伏电池/热电池等直接位于将要使用转换为另一形式的太阳能的建筑物中。聚能光伏电池的当前方法的主要问题是热，其降低光伏电池效率并减少电池寿命。在减小热影响的许多示例中，使用过滤器来去除那些不产生电能的波长。不要的波长可以丢弃到大气中。在一些示例中，接收器130可以分离出用作聚能光伏电池的光的波长并且用于此目的，同时将剩余波长送至产生热的热转换器。
[0056]转到另一实施例，图4示出根据第二实施例的太阳能系统400的等距视图。太阳能系统400仅仅是示例性的，而不局限为本文给出的实施例。太阳能系统400可以用于本文未具体示出或描述的许多不同的实施例或示例中。
[0057]在一些实施例中，太阳能系统400可以是太阳能收集器阵列，并可包括:(a)两个或更多个太阳能收集器420、440、442和444 ； (b)至少一个转换装置或元件430，构造成将太阳辐射(即，光)转换为一种或多种其它形式的能量(例如，热能、机械能和/或电能)；(C)光纤电缆411、441、443、445和451 ; (d)组合装置450，构造成接收来自光纤电缆411、441、443和445的太阳辐射，并构造成将光纤电缆411、441、443和445的光聚集到光纤电缆451中。
[0058]在一些示例中，太阳能收集器420可包括:(a)接收器410 ； (b)两个或更多个聚光反射器424和425 ; (c)至少一个次级反射器412 ；(d)支撑结构422 ;以及(e)安装结构423。在各种实施例中，光纤电缆411、441、443和445可以被认为分别是太阳能收集器420、
440、442和444的一部分，并且可以与光纤电缆111 (图1)相似或相同。太阳能系统400可以涉及太阳能系统的各种改进，这些改进可以通过使用作为所收集的太阳辐射的管道的光纤束以将收集到的太阳辐射传输到定位在远处的转换元件来实现。
[0059]次级反射器412可以位于聚光反射器424和425 (即，初级反射器)的聚焦区，并且接收器410可以位于太阳能收集器420的基部。在一些示例中，聚光反射器424和425可以使太阳辐射改变方向至次级反射器412，该次级反射器412将辐射反射到接收器410上。在一些示例中，太阳能收集器420可以被认为是卡塞格伦系统。
[0060]在一些示例中，接收器410可以与图3的接收器110相似或相同。类似地，转换元件430可以与转换元件130相似或相同。太阳能收集器440、442和444可以与太阳能收集器420相似或相同。在许多实施例中，光纤电缆411、441、443和445可以将太阳能收集器420、440、442和444的接收器分别联接至组合装置450。
[0061]组合装置450可以构造成将来自光纤电缆411、441、443和445的太阳辐射聚集到光纤电缆451中。光纤电缆451可以将聚集的太阳辐射从组合装置450传输到转换元件430。在一些示例中，组合装置450可包括积分球(例如，乌布利希(Ulbrict)球)。积分球不一定必须是球，而在一些示例中，其具有另一形状。
[0062]组合装置450可以联接至光纤电缆411、441、443和445以产生显著地大于常规系统可能产生的太阳能聚集(例如，数千“太阳”的能量的量级)。
[0063]在各种示例中，太阳能收集器420、440、442和444与组合装置450和转换元件430分开。在许多实施例中，组合装置450和转换元件430位于第一结构460中，太阳能收集器420,440,442和444不位于第一结构中或联接至第一结构。太阳能收集器420、440、442和444定位成相距第一结构460预定的非零距离(例如,5m、50m、500m或更远的距离)。
[0064]转到另一实施例，图5示出了根据第三实施例的太阳能系统500的等距视图。太阳能系统500仅仅是示例性的，而不局限为本文给出的实施例。太阳能系统500可以用于本文未具体示出或描述的许多不同的实施例或示例中。
[0065]在一些实施例中，太阳能系统500可以是太阳能收集器阵列，并可包括:(a)两个或更多个太阳能收集器520、540、542、544和546 ； (b)至少一个转换装置或元件530，构造成将太阳辐射(即，光)转换为一种或多种其它形式的能量(例如，热能、机械能和/或电能)；
(c)光纤电缆511、541、543、545和547 ；(d)组合装置550，联接至光纤电缆511、541、543、545和547。在一些示例中，光纤电缆511、541、543、545和547可以被认为分别是太阳能收集器 520、540、542、544 和 546 的一部分。
[0066]太阳能收集器520、540、542、544和546可以与图1和4的太阳能收集器120或420分别相似或相同。光纤电缆511、541、543、545和547分别将太阳能收集器520、540、542、544和546联接至组合装置550，并且可以与光纤电缆111 (图1 )、411、441、443和/或445(图4)相似或相同。在一些不例中，组合装置550可以是积分球。
[0067]在一些示例中，转换元件530可包括:(a)两个或更多个热转换元件531、533、534、535和536 ;以及(b)热交换器537。热转换元件531、533、534、535和536可以位于组合装置550内。每个热转换元件531、533、534、535和536设置成分别接收沿着光纤电缆511、541、543、545和547传播的信号。然后来自全部光纤电缆511、541、543、545和547的热能通过热交换器537，热交换器537包括热流体输入/输出路径，如图5所示。
[0068]在图5所不的实施例中，光纤电缆511、541、543、545和547聚集以形成光学锅炉(optical boiler),构造成产生数量级相对于基于太阳福射的传统热系统提高的热能。
[0069]此外，使用太阳能系统500，还可以通过将光学调制装置(比如马赫-曾德尔干涉仪)与转换元件530进行整合来从沿着光纤电缆511、541、543、545和547传播的进来辐射中产生AC电输出信号。通过使用常规的电功率信号作为输入到马赫-曾德尔干涉仪的数据，聚集的太阳辐射可以被转换为AC电输出信号。
[0070]组合装置550和转换元件530可以位于远离太阳能收集器520、540、542、544和546 一定距离的位置。在一些示例中，组合装置550和转换元件530容纳在保护性结构中，太阳能收集器520、540、542、544和546位于该保护性结构的外部。组合装置550可以是积分球，但也可以使用任何允许将两根或更多根光纤组合成单一光纤的光学技术。在一些实施例中，两个或更多个太阳能收集器的输出可以组合成单一光纤束，以降低将能量传输到远程位置的成本。组合两个或更多个太阳能收集器的输出对总聚光比(增加的能量密度)具有相加效应。总聚光比的增加对于蒸汽涡轮机产生过热蒸汽可能是特别有益的。
[0071]转到另一实施例，图6示出了根据第四实施例的太阳能系统600的等距视图。太阳能系统600仅仅是示例性的，而不局限为本文给出的实施例。太阳能系统600可以用于本文未具体示出或描述的许多不同的实施例或示例中。
[0072]在一些实施例中，太阳能系统600可以是太阳能收集器阵列，并可包括:(a)两个或更多个太阳能收集器620、640和642 ； (b)至少一个转换装置或元件430，构造成将太阳辐射(即，光)转换为一种或多种其它形式的能量(例如，热能、机械能和/或电能);(c) 一个或多个光纤电缆611 ;以及(d)联接至光纤电缆611的接收器610。在一些示例中，接收器610和光纤电缆可以被认为分别是太阳能收集器620、640和642的一部分。
[0073]在一些示例中，太阳能收集器620可包括:(a)至少一个聚光反射器621 ； (b)支撑结构622 ;以及(c)安装结构623。太阳能系统600可以涉及太阳能系统的各种改进，这些改进可以通过使用作为所收集的太阳辐射的管道的光纤束以将收集到的太阳辐射传输到定位在远处的转换元件430来实现。太阳能收集器640和642可以与太阳能收集器620相似或相同。
[0074]在该示例中，太阳能系统600具有太阳能发电塔的构造。即，代替每个太阳能收集器620、640和642具有其自身的接收器，接收器610位于发电塔615处。
[0075]太阳能收集器620、640和642使太阳辐射改变方向至接收器610。接收器610使改变方向的太阳辐射聚焦至光纤电缆611。在一些示例中，接收器610可以被认为是太阳能收集器620、640和642中的一个或多个的一部分。光纤电缆611将聚集的辐射从接收器610传输到定位在远处的转换兀件430。光纤电缆611可以与光纤电缆111 (图1)、411、
441、443、445、447 (图 4)、511、541、543、545 和 / 或 547 (图 5)相似或相同。此外，在一些实施例中，光纤电缆611可以被认为是太阳能收集器620、640和642中的一个或多个的一部分。
[0076]转到另一实施例，图1示出了根据第五实施例的太阳能系统700的等距视图。太阳能系统700仅仅是示例性的，而不局限为本文给出的实施例。太阳能系统700可以用于本文未具体示出或描述的许多不同的实施例或示例中。
[0077]在一些实施例中，太阳能系统700可包括:Ca)至少一个太阳能收集器720 ；以及(b)—个或多个转换装置或元件130，构造成将太阳辐射(S卩，光)转换为一种或多种其它形式的能量(例如，热能、机械能和/或电能)。
[0078]在一些示例中，太阳能收集器720可包括:(a)—个或多个光纤电缆711，联接至转换元件130 ； (b)接收器710 ; (c)至少一个聚光反射器721，构造成使太阳辐射改变方向至接收器710 ;(d)支撑结构722 ;以及(e)安装结构723。太阳能系统700可以涉及太阳能系统的各种改进，这些改进可以通过使用作为所收集的太阳辐射的管道的光纤束以将收集到的太阳辐射传输到定位在远处的转换元件130来实现。
[0079]在该实施例中，聚光反射器721可以是抛物面槽式收集器。抛物面槽式收集器使用具有抛物面形横截面的细长反射槽，以沿着延伸通过形成槽的抛物面元件的焦点的焦线来聚集太阳辐射。在该实施例中，接收器710定位成沿着抛物面槽的焦线。接收器710包括构造成将由聚光反射器721改变方向的太阳辐射聚焦到光纤电缆711中的聚焦光学器件。光纤电缆711将聚集的辐射从接收器710传输到定位在远处的转换元件130。
[0080]图8示出了将太阳光转换为一种或多种其它形式的能量的方法800的一个实施例的流程图。方法800仅仅是示例性的，而不局限为本文给出的实施例。方法800可以用于本文未具体示出或描述的许多不同的实施例或示例中。在一些实施例中，方法800的行为、步骤和/或过程可以由给出的顺序执行。在其它实施例中，方法800的行为、步骤和/或过程可以由任何其它合适的顺序执行。在其它实施例中，方法800的行为、步骤和/或过程中的一个或多个可以组合或省略。
[0081]参照图8，方法800包括使用至少一个第一聚光反射器使太阳光改变方向至第一接收器的行为870。作为一示例，聚光反射器可以与图1、4、4、6和7的聚光反射器121、424、425、621或721相似或相同。第一接收器可以与图1、4、5、6和7的接收器110、410、510、610或710相似或相同。
[0082]随后，图8的方法800包括在第一接收器处将光聚焦到第一光纤束中的行为871。作为一不例，第一光纤束可以与图1、4、5、6和7中的光纤电缆111、411、511、611或711相
似或相同。在一些示例中，第一接收器可以包括可用于将光聚焦到第一光纤束的聚焦光学器件。
[0083]接下来，图8的方法800包括使用第一光纤束来传输光的行为872。
[0084]图8的方法800接下来是使用至少一个第二聚光反射器将太阳光改变方向至第二接收器中的行为873。在一些示例中，行为873可以与行为870相似或相同。
[0085]随后，图8的方法800包括将来自所述至少一个第二聚光反射器的光聚焦到第二接收器处的第二光纤束中的行为874。在一些示例中，行为874可以与行为871相似或相同。在其它示例中，来自所述至少一个第二聚光反射器的光被聚焦到第一接收器处的第一光纤束中。
[0086]接下来，图8的方法800包括使用第二光纤束来传输光的行为875。在一些示例中，行为875可以与行为872相似或相同。在其它不例中，使用第一光纤束来传输来自第二聚光反射器的光。在另外的示例中，方法800可包括与行为873-875相似的针对额外的聚光反射器和接收器的额外行为。
[0087]随后，图8的方法800包括使来自第一接收器的光和来自第二接收器的光组合的行为876。在一些示例中，可以使用组合装置(例如，图4和5的组合装置450或550)将来自第一接收器的光和来自第二接收器的光进行组合。
[0088]图8的方法800接下来是使用至少转换元件将光转换为一种或多种其它形式的能量的行为877。在一些示例中，光可以被转换为热能、机械能和/或电能。作为一示例，转换元件可以与图1、4和5的转换元件130、430或530相似或相同。
[0089]图9示出了提供太阳能系统以积聚太阳辐射的方法900的实施例的流程图。方法900仅仅是示例性的，而不局限为本文给出的实施例。方法900可以用于本文未具体示出或描述的许多不同的实施例或示例中。在一些实施例中，方法900的行为、步骤和/或过程可以由给出的顺序执行。在其它实施例中，方法900的行为、步骤和/或过程可以由任何其它合适的顺序执行。在其它实施例中，方法900的行为、步骤和/或过程中的一个或多个可以组合或省略。
[0090]参照图9，方法900包括提供至少一个太阳能收集器的行为970。作为一示例，太阳能收集器可以与图1、4、5、6和7的太阳能收集器120,420 (和/或440、442、446)、520 (和/或540、542、544、546)、620(和/或640、642)、或720相似或相同。在一些实施例中，图10示出了根据一实施例的提供至少一个太阳能收集器的行为970的示例性实施例的流程图。
[0091]参照图10，行为970包括提供具有聚焦光学器件的接收器的步骤1082。作为一示例，接收器可以与图1、4、5、6和7的接收器110、410、510、610或710相似或相同。聚焦光学器件可以与图3的聚焦光学器件312相似或相同。
[0092]图10中的行为970接下来是提供构造成使太阳辐射改变方向至接收器的至少一个聚光反射器的步骤1083。作为一示例，聚光反射器可以与图1、4、4、6和7的聚光反射器121、424、425、621 或 721 相似或相同。
[0093]随后，图10的行为970包括提供一个或多个光纤电缆的步骤1084。作为一示例，光纤电缆可以与图1、4、5、6和7的光纤电缆111、411、511、611或711相似或相同。
[0094]接下来，图10的行为970包括使聚焦光学器件联接至所述一个或多个光纤电缆，从而聚焦光学器件将太阳辐射聚焦到所述一个或多个光纤电缆中的步骤1085。聚焦光学器件可以用与如图3所示的光纤电缆111联接至聚焦光学器件312的方式相似或相同的方式联接至所述一个或多个光纤电缆。在步骤1085之后，行为970完成。
[0095]再回来参照图9，图9的方法900接下来是提供构造成将太阳辐射转换为一种或多种其它形式的能量的一个或多个转换元件的行为971。作为一示例，转换元件可以与图1、4和5的转换元件130、430或530相似或相同。
[0096]在一些示例中，图9的方法900包括提供构造成将来自两个或更多个太阳能收集器的太阳辐射组合起来的组合装置的可选行为972。作为一示例，组合装置可以与图4和5的组合装置450或550相似或相同。
[0097]随后，图9的方法900包括将所述一个或多个光纤电缆联接至所述一个或多个转换元件的行为973。在一些示例中，图11示出行为973的示例性实施例的流程图。
[0098]参照图11，行为973包括将所述一个或多个光纤电缆联接至组合装置的步骤1182。
[0099]图11的行为973接下来是将组合装置联接至所述一个或多个转换元件的步骤1183。在步骤1183之后，行为973和方法900完成。
[0100]虽然已经参照具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员要理解的是，在不偏离本发明的精神或范围的条件下，可以做出各种改变。因此，本发明实施例的公开旨在说明本发明的范围，而不是限制性的。所希望的是，本发明的范围应当仅受限于所附权利要求所要求的程度。例如，对于本领域普通技术人员来讲，显而易见的是，图8的行为870-877、图9的行为970-973、图10的步骤1082-1085、以及图11的步骤1182-1183可以由许多不同的行为、步骤构成且可以由许多不同的模块以许多不同的顺序来执行，也就是可以改变图1-11的任何元件，并且前面对这些实施例的某些讨论不一定表示是对所有可能实施例的完整描述。
[0101]任一特定权利要求中所要求的所有要素是该特定权利要求所要求保护的实施例所必需的。因此，替换一个或多个所要求保护的要素构成重建而非修复。此外，已经针对具体实施例描述了益处、其它优点和问题解决方案。然而，这些益处、其它优点和问题解决方案、以及任何可能导致任意益处、优点或解决方案产生或变得更明确的任何一个或多个要素，不应被解释为是任意或所有权利要求的关键的、必需的、或必要的特征或要素，除非这些益处、优点、解决方案或要素记载在权利要求中。
[0102]此外，如果本文公开的实施例和/或限制条件:(I)在权利要求中未明确要求；以及(2)是或潜在地是等同原则下权利要求中述及的要素和/或限制条件的等同物，则这些实施例和限制条件并非在贡献原则下用于向公众公开。
【权利要求】
1.一种太阳能系统，包括: 至少一个太阳能收集器，该至少一个太阳能收集器包括: 一个或多个光纤电缆； 接收器，该接收器包括: 聚焦光学器件，构造成将太阳辐射聚焦至所述一个或多个光纤电缆中；以及至少一个聚光反射器，构造成使太阳辐射改变方向至接收器；以及联接至所述一个或多个光纤电缆的一个或多个转换元件，该一个或多个转换元件构造成将太阳辐射转换为一种或多种其它形式的能量。
2.如权利要求1所述的太阳能系统，其中: 所述聚焦光学器件包括构造成使太阳辐射聚焦至所述一个或多个光纤电缆中的透镜。
3.如权利要求1或2所述的太阳能系统，其中: 所述接收器联接至所述至少一个聚光反射器，并且位于所述至少一个聚光反射器的聚焦区域。
4.如权利要求1、2或3所述的太阳能系统，其中: 所述至少一个聚光反射器包括: 次级反射器，构造成使太阳辐射改变方向至所述接收器；以及 初级反射器，构造成使太阳辐射改`变方向至所述次级反射器。
5.如权利要求1、2、3或4所述的太阳能系统，其中: 所述至少一个聚光反射器包括: 第一聚光反射器，构造成使太阳辐射改变方向至所述接收器；以及第二聚光反射器，定位成邻近所述第一聚光反射器且构造成使太阳辐射改变方向至所述接收器。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的太阳能系统，其中: 所述一个或多个转换元件位于第一建筑物内；以及 除了所述一个或多个光纤电缆的至少一部分之外，所述至少一个太阳能收集器位于第一建筑物的外部。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的太阳能系统，其中: 所述一个或多个转换元件除了与所述一个或多个光纤电缆联接之外不机械地联接至太阳能电池阵列。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的太阳能系统，其中: 所述一个或多个转换元件包括热接收器。
9.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的太阳能系统，其中: 所述一个或多个转换元件包括聚集器光伏电池。
10.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的太阳能系统，其中: 所述一个或多个转换元件构造成将太阳辐射至少部分地转换为电能。
11.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10所述的太阳能系统，还包括: 积分球；以及 至少一个第二太阳能收集器，该至少一个第二太阳能收集器包括: 一个或多个第二光纤电缆；第二接收器，该第二接收器包括: 第二聚焦光学器件，构造成将第二太阳辐射聚焦至所述一个或多个第二光纤电缆中；以及 至少一个第二聚光反射器，构造成使第二太阳辐射改变方向至第二接收器， 其中: 所述积分球联接至所述一个或多个光纤电缆和所述一个或多个第二光纤电缆，并且构造成使所述一个或多个光纤电缆中的太阳辐射和所述一个或多个第二光纤电缆中的第二太阳辐射组合成聚集的太阳辐射；并且 所述一个或多个转换元件构造成将该聚集的太阳辐射转换为所述一种或多种其它形式的能量。
12.—种太阳能阵列，包括: 两个或更多个太阳能收集器，所述两个或更多个太阳能收集器中的每一个包括: 接收器； 一个或多个聚光反射器，构造成使光改变方向至接收器；以及 第一光纤束，所述接收器构造成使光聚集到该第一光纤束中； 组合装置，联接至所述两 个或更多个太阳能收集器中每个的第一光纤束，并且构造成使所述两个或更多个太阳能收集器中每个的第一光纤束中的光聚集成聚集光；以及 联接至所述组合装置的至少一个转换装置，该至少一个转换装置构造成使聚集光转变为一种或多种其它形式的能量。
13.如权利要求12所述的太阳能阵列，其中: 所述组合装置包括积分球。
14.如权利要求12或13所述的太阳能阵列，其中: 所述两个或更多个太阳能收集器，除了第一光纤束的一部分以外，与所述组合装置和所述至少一个接收装置分开。
15.如权利要求12、13或14所述的太阳能阵列，其中: 所述组合装置和所述至少一个转换装置位于第一结构中； 所述接收器和所述两个或更多个太阳能收集器中每个的所述一个或多个聚光反射器不位于第一结构中；并且 所述接收器和所述两个或更多个太阳能收集器中每个的所述一个或多个聚光反射器定位成与第一结构相距预定的非零距离。
16.—种将太阳光转换为一种或多种其它形式的能量的方法,该方法包括: 使太阳光从至少一个第一聚光反射器改变方向至第一接收器； 使太阳光聚焦到第一接收器处的第一光纤束中； 使用所述第一光纤束以将太阳光从该第一接收器传输到至少一个转换装置；并且 使用所述至少一个转换装置将太阳光转换为所述一种或多种其它形式的能量。
17.如权利要求16所述的方法，还包括: 在转换太阳光之前，使来自所述接收器的太阳光与来自一个或多个第二接收器的其它太阳光组合。
18.如权利要求16所述的方法，还包括:使用至少一个第二聚光反射器使其它太阳光改变方向至第二接收器； 使所述其它太阳光聚焦到在第二接收器处的第二光纤束中； 使用第二光纤束以将所述其它太阳光从第二接收器传输到所述至少转换装置；并且 使用所述至少一个转换装置将所述其它太阳光转换为所述一种或多种其它形式的能量。
19.一种提供太阳能系统以积聚太阳辐射的方法，该方法包括: 提供至少一个太阳能收集器，包括: 提供具有聚焦光学器件的接收器； 提供构造成使太阳辐射改变方向至接收器的至少一个聚光反射器； 提供一个或多个光纤电缆；以及 将所述聚焦光学器件联接至所述一个或多个光纤电缆，从而聚焦光学器件使太阳辐射聚焦到一个或多个光纤电缆中； 提供构造成将太阳辐射转换为一种或多种其它形式的能量的一个或多个转换元件；以及 将所述一个或多个光纤电缆联接至所述一个或多个转换元件。
20.如权利要求19所述的方法，还包括: 提供组合装置，该组合装置联接至所述一个或多个光纤电缆，并构造成将来自所述至少一个太阳能收集器中的两个或更多个太阳能收集器的太阳辐射组合成聚集的太阳辐射，其中: 将所述一个或多个光纤电缆联接至所述一个或多个转换元件包括: 将所述一个或多个光纤电缆联接至所述组合装置；以及 将所述组合装置联接至所述一个或多个转换元件。
【文档编号】G02B6/04GK103429967SQ201280013493
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年1月13日 优先权日:2011年1月14日
【发明者】J.S.范格曼 申请人:赛瓦技术股份有限公司