太阳能收集器的制造方法

太阳能收集器的制造方法
【专利摘要】公开了一种太阳能收集器阵列。该阵列具有由整体连接带互连的多个薄壁碟形反射器。碟形反射器和连接带由单一金属片材形成。将每一碟形反射器压成将入射光集中到碟形反射器前方位置的对称抛物面表面。
【专利说明】太阳能收集器
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能的收集，以及更具体地涉及一种太阳能收集器，并且涉及用于制备集中来自太阳的能量(主要以入射光的形式)的太阳能收集器的设备和方法。
【背景技术】
[0002]太阳能收集器聚集来自太阳的能量。所采集的能量可用于各种应用，包括发电、对水进行加热以及产生运动(以斯特林发动机(sterlingengine)或等效的热机的形式)。
[0003]特定类型的太阳能收集器是太阳能集中器。太阳能集中器通过将光线聚焦到所限定的位置(通常表示为收集器的焦点位置)来增加阳光的能量强度。太阳能集中器的收集能力由可用于集中入射光的反射表面积(收集表面积)来限定，但是收集表面的具体构造和其它考虑因素影响总的集中效率(对于给定收集表面积而言所集中的能量的量)。
[0004]太阳能集中器将入射到收集表面上的阳光聚焦到在焦点位置处的较小面积的表面上。通过将来自较大面积(收集表面)的光集中到较小面积(焦点位置)，太阳能集中器提高了光的辐照度(所收集的光能量强度的一种量度，以每单位面积的能量来测量)。太阳能集中器的集中因子是收集表面积与焦点位置面积之比。较大的集中因子表明对于给定的收集表面积而言在焦点位置处的较大光强度。
[0005]在焦点位置处所集中的能量能够产生极高的温度。这种高的能量强度使得太阳能集中器特别适用于加热应用。因为仅需要较小的光伏电池面积来捕获收集表面的光(尽管电池可能会需要更高的耐热性)，因此太阳能集中器也可降低将能量转换成电力的资本成本。
[0006]传统的太阳能集中器可被锚固于固定位置内或安装到跟随太阳在天空中移动的跟踪式机构上。集中器的安装布置影响集中器的收集表面设计。固定式集中器以不依赖于太阳位置的方式将入射光聚焦到同一焦点位置。然而，在固定式集中器中所采用的收集表面的形状通常产生相比于跟踪式集中器的较低集中因子和降低的效率，结果是不得不适应更大范围的入射光角度。相反，在跟踪式集中器中所采用的收集表面的形状对于特定的光入射角度而言可进行优化，但是以与跟踪式机构相关联的资本支出增加作为代价。
[0007]传统上而言，跟踪式太阳能集中器制备有大的收集表面积。这些碟形反射器(dish)能够将大量的太阳能集中到焦点位置处的小空间内。对于抛物面太阳能集中碟形反射器而言为了增强收集表面的阳光聚集能力具有超过6英尺的直径并不罕见。大的太阳能集中器具有若干优势。首先，利用对于给定表面积而言所集中的阳光所需的换能器或者其它能量转换机构的数量减少。由于换能器对于整体的太阳能收集系统而言占据显著成本，因此这对于使用太阳能集中器而言是一种常见的促进因素。由于每一碟形发射器将能量集中到唯一的焦点位置，因此利用对于给定表面积而言所集中的能量所需的换能器的数量与所采用的太阳能集中碟形反射器的数量直接相关。
[0008]另一个优势是为了将跟踪式集中器的碟形反射器相对于太阳定向而所需的跟踪式机构的数量减少。跟踪式机构(类似于换能器)给太阳能收集系统带来显著的成本。[0009]但是,大表面积的太阳能集中也存在若干缺陷。首先,难于制备大的收集表面。每个碟形反射器的尺寸阻碍标准化加工，因此大多数碟形反射器由专业人员手工成形。收集表面通常由单独成形且随后结合到一起的若干大的面板形成，该过程引入影响碟形反射器反射特性的不精确性。不精确性通常可归因于不可避免的成形变化、在整个收集表面上的公差累加以及在形成表面的相邻面板之间接缝的不规则性。
[0010]对于包括独立成形面板的收集表面而言的总曲率变化是来自各个面板和相邻面板之间接缝的公差的累加。通常而言，每一面板以所需的公差成形。当收集表面形成时公差也针对相邻面板之间的接缝进行了分配。对于收集表面而言的总公差则是对于各个组件而言的公差的组合，使得获得精确表面曲率的难度增加。即使当各个面板都处于所需的公差范围内时，也会在由面板形成收集表面中产生显著的表面不规则性。
[0011]在面板收集表面中的最大曲率不规则性通常在相邻面板之间的接缝处发生。接缝不规则性会在曲面曲率中形成快速转变(有时以表面不连续性为特征)，上述快速转变干扰反射光并降低集中器的效率。
[0012]大尺寸的面板表面集中碟形反射器也可带来显著的重量。对于大的集中碟形反射器而言重量超过500磅并不罕见。大的面板碟形反射器的过重重量需要更多的支撑设施，这会增加集中系统的初始成本。当考虑跟踪式太阳能碟形反射器时重量是特别重要的，因为跟踪式机构必须包含更大的驱动器以便使得碟形反射器的主体进行偏移。另一复杂因素是风切变，其随着表面积的增加而增加。为了解决风切变的问题，必须对碟形反射器和支撑结构两者进行充分的增强。

【发明内容】

[0013]理想的是制备一种太阳能收集器，其:
[0014]1.在连续式(progressive)冲压模具中精确地大规模生产,而不是由当今使用的传统手工工艺制造。
[0015]2.对于相同的集中空间而言显著地轻于传统的太阳能收集器(轻高达2.5倍)。
[0016]3.相比于传统的太阳能收集器可显著降低制备成本(成本降低高达2.5倍)。
[0017]4.与传统的太阳能收集器相比可更精确成形为抛物面碟形反射器。
[0018]5.能够准确地将光集中到在制备之前就已确定的所需强度和位置。
[0019]在第一方面，提供一种太阳能收集器阵列，其包括由整体连接带互连的多个薄壁碟形反射器，碟形反射器和连接带由单一金属片材形成，每一碟形反射器具有将入射光集中到碟形反射器前方位置的抛物面表面。
[0020]在第二方面，提供一种太阳能收集器模组，其包括:
[0021]安装到冲压机的基部模块，基部模块具有切割模具和成形模具，成形模具具有金属带材被压入到其内的抛物面空腔；
[0022]具有互补的切割模具和成形模具的上部模块，上部模块的成形模具具有抛物面圆顶冲头，其将金属带材压入到成形空腔内以便形成抛物面碟形反射器太阳能收集器；以及
[0023]切割模块，其邻近基部模块安装到冲压机，切割模块具有固定的下刀片和移动的上板，移动的上板将抛物面碟形反射器太阳能收集器切割成所需长度的阵列。
[0024]在第三方面，提供一种制备太阳能收集器的方法，其包括:[0025]1.将连续的金属带材供给到连续式模组内，连续式模组安装到往复式冲压机；
[0026]?.通过致动冲压机从金属带材冲压出太阳能收集器坯体；
[0027]ii1.通过将一段新的金属带材供给到模组内而在模组内推动太阳能收集器坯体；
[0028]iv.通过致动冲压机将太阳能收集器坯体压入到碟形反射器内的同时从所述一段新的金属带材冲压出新的太阳能收集器坯体，新的太阳能收集器坯体和碟形反射器通过由金属带材形成的整体连接带互连；
[0029]V.重复步骤iii和iv以制备连续阵列的互连太阳能收集器；
[0030]v1.在冲压机往复运动限定的次数之后切割金属带材，以便制备具有所需数量的互连碟形反射器的太阳能收集器阵列。
[0031]在该说明书中公开和声称的一些太阳能收集器由它们的收集表面的“形状因子”(form factor)限定。太阳能碟形反射器的“形状因子”代表碟形反射器收集表面可容纳于其内的平面占地面积。例如，3英尺X3英尺的“形状因子”将适应具有高达3英尺的外围直径的抛物面收集表面。收集表面的“形状因子”不随着碟形反射器的凹度而变化(不像收集表面的面积)。
[0032]类似地，在该说明书中公开和声称的一些太阳能收集器被限定为“抛物面碟形反射器”集中器。“抛物面碟形反射器”集中器是下述类型的太阳能收集器，其具有近似于圆形抛物面(也称为回转抛物面)的收集表面。圆形抛物面或回转抛物面是由二维抛物线围绕其对称轴回转而获得的一种三维表面。
【专利附图】

【附图说明】
[0033]图1是包括凹入金属碟形反射器的太阳能收集器的透视图，其将入射光集中到由碟形反射器曲率所限定的焦点位置。
[0034]图2是太阳能收集器阵列的透视图，其包括通过整体连接带互连的三个太阳能碟形反射器。
[0035]图3是图2中所示太阳能收集器阵列的俯视图；
[0036]图4是固定到支撑结构并安装到跟随太阳在天空中移动的跟踪式机构上的图2和图3中所示的太阳能收集器的透视图；
[0037]图5是固定到支撑结构并安装到跟随太阳在天空中移动的跟踪式机构上的太阳能收集器矩阵的示意性侧视图；
[0038]图6是表示固定到支撑结构的太阳能收集器矩阵的示意图，所示的矩阵包括以对称的6个碟形反射器乘6个碟形反射器的矩阵形式布置的36个太阳能碟形反射器。
[0039]图7是表示入射的阳光被集中在抛物面碟形反射器收集器的焦点位置处的示意图。
[0040]图8是表示用于制备太阳能收集器阵列的制备过程的流程图。
[0041]图9是能够制备太阳能碟形反射器阵列的制备生产线的侧视图，该生产线包含连续式模组，所述连续式模组形成太阳能坯体，随后从所述坯体冲压出太阳能收集器碟形反射器，在连续式模组的出口处示出互连的太阳能收集器的连续带材；
[0042] 图10是图9所示的连续式模组和带材供给设备的近视侧视图；[0043]图11是图9和图10中所示的连续式模组的分解视图；
[0044]图12是用于将太阳能收集器坯体压入到凹入的太阳能收集器碟形反射器的模组的近视侧视图；
[0045]图13是金属带材的示意性透视图，示出在图8的流程图中给出的一些制备步骤；以及
[0046]图14是金属带材的示意性俯视图，示出在图8的流程图中给出的一些制备步骤。【具体实施方式】
[0047]图1中示出单个太阳能收集器。太阳能收集器100包括金属碟形反射器101，其具有将入射光集中到设置于碟形反射器前方的焦点位置的收集表面102。焦点位置的位置和尺寸由收集表面102的特征(诸如表面的深度和曲率)来确定。碟形反射器101由压成对称性凹入壳体的单一金属带材形成。壳体覆盖有高反射率涂层以便提高收集效率。收集表面102的轮廓由具有小于3英尺乘3英尺的形状因子的周边103界定。
[0048]太阳能碟形反射器的“形状因子”代表碟形反射器收集表面可容纳于其内的平面占地面积。例如，3英尺X 3英尺的“形状因子”将适应具有高达3英尺的外围直径的抛物面收集表面。收集表面的“形状因子”不随着碟形反射器的凹度变化(不像收集表面的面积)。
[0049]太阳能收集器100可包含辅助的支撑结构(未在图1中示出)以稳定碟形反射器防止对其造成干扰(诸如风)并便于固定到跟踪式机构或固定框架。
[0050]图2和图3中示出互连的太阳能收集器的阵列。太阳能收集器阵列200包括多个互连的太阳能碟形反射器101，其具有类似于图1中所示太阳能碟形反射器101的特征。太阳能收集器阵列200的碟形反射器101由整体的连接带205互连。连接带205和碟形反射器101由单一金属带材形成。太阳能收集器阵列200的各个碟形反射器101分别具有将入射光集中到碟形反射器101前方位置的收集表面102。碟形反射器101将光集中到独立的焦点位置。每个碟形反射器的焦点位置由相应的收集表面102的特征来确定。各个收集表面包括覆盖有高反射率涂层的对称性凹入壳体。每个收集表面的轮廓由具有小于3英尺乘3英尺的外形因子的周边103界定。
[0051]在图4中示出固定到支撑结构210的太阳能收集器阵列200。支撑结构210将阵列200安装到跟踪式机构211。跟踪式机构211跟随太阳在天空中的移动，定位太阳能收集器阵列200，使得入射的阳光与每个碟形反射器的对称轴平行以便优化阵列的收集效率。在图4中所示的跟踪式机构是具有两个自由度(围绕水平轴线和垂直轴线旋转)的铰接臂。
[0052]在图5中示意性地示出另一种太阳能收集器系统230。系统230具有用于定向太阳能收集器碟形反射器101的简化的跟踪式机构211 (具有类似于图4中所示铰接跟踪臂的跟踪特征)。图5中所示的跟踪式机构211具有紧固到太阳能收集器支撑结构210的倾斜平台235。倾斜平台235调节太阳能收集器支撑结构211与地球表面所成的角度(即支撑结构210相对于水平面的角度)。倾斜平台235安装到回转平台236。枢转接头234将倾斜平台235和回转平台236联接。枢转接头234允许倾斜平台235相对于所述回转平台236倾斜。回转平台236使得枢转连接234连同倾斜平台235围绕延伸通过支撑结构232的垂直轴线232旋转。[0053]所示的系统230具有对称的36个碟形反射器的矩阵231。在图6中示出矩阵231固定到支撑结构210。矩阵231的各个碟形反射器101以包含三个碟形反射器的阵列的形式形成(类似于图2至图4中所示的阵列200)。十二个阵列200固定到支撑结构210。阵列200以两列布置，每一列具有六行，形成6个碟形反射器乘6个碟形反射器出乘2个阵列)的矩阵231。所示的矩阵231在等同表面积的情况下显著轻于传统的大表面碟形反射器收集器(约为传统的大表面收集器重量的五分之一)。
[0054]与每个太阳能收集器阵列200 —起形成的整体连接带205 (由与每个碟形反射器101相同的金属带材制成)用于将阵列200固定到支撑结构210。连接带205设置于收集表面的周边103的外侧并将每个碟形反射器101与相邻的碟形反射器互连。每个阵列200通过适当地固定连接带205而被安装到支撑结构210。连接带205可点焊、紧固、公差装配、卡扣紧固或以其它方式固定到支撑结构210。连接带205凹入到每个碟形反射器101的后方以避免在相应的收集表面102上投下阴影。将所示的太阳能碟形反射器101互连的连接带205的部分通常保持为平坦的，这样其容易紧固到支撑结构。在图1中所示的太阳能收集器100也可与整体的连接带(未示出)一起形成，以便于将碟形反射器101连接到支撑结构或与其它碟形反射器互连。
[0055]图示的太阳能碟形反射器101沿着太阳能收集器阵列200以固定的间隔以不重叠的方式间隔开。相邻碟形反射器101的周边间隔开至少I英寸的间隙以便允许风在碟形反射器之间通过，降低与相当表面积的单个碟形反射器收集器相比时的太阳能收集器阵列200的总体风切变。图示的收集器阵列200还具有将相邻碟形反射器的形状因子分开的至少I英寸的间隙。
[0056]图示的太阳能收集器100、200具有圆形的周边103，其从碟形反射器的其余部分界定收集表面102的轮廓。在所示的实施例中碟形反射器101的圆形边缘远离所述收集表面102弯曲以便形成围绕背衬104的唇缘。在圆形周边的唇缘和背衬104的弯曲表面之间形成通道。周边通道或唇缘可用于将碟形反射器与支撑结构对准。
[0057]图1中所示的太阳能收集器100和图2至图6中所示的太阳能收集器阵列200的各个碟形反射器201是抛物面太阳能集中器的实施例。抛物面碟形反射器集中器由近似于圆形抛物面(也称为回转抛物面)的收集表面限定。图示的收集器具有抛物面表面，其具有小于3英尺的外围直径。为了简化制备，外围直径优选在I英尺和2英尺之间。这种尺寸的太阳能集中器仍能够在焦点位置处产生4000倍的太阳强度(4000suns)集中。在图7中呈现出理论上的抛物面碟形反射器500的集中特征。对于给定的收集表面积而言，抛物面碟形反射器集中器具有最大的理论集中因子(收集表面积与焦点位置面积之比)。
[0058]从理论上而言，抛物面蝶形反射其收集器能够将平行于收集表面对称轴线502传播的入射阳光501集中到焦点位置503，其在空间内接近单个点(如图7中所示)。理论上可以假设来自太阳的光平行传播(稍微近似)以及抛物面碟形反射器能相对于太阳在天空中的位置而正确定向(即碟形反射器跟踪太阳的移动)。
[0059]传统的抛物面太阳能碟形反射器集中器通常由若干个大的面板形成，所述面板单独成形且随后结合到一起以便形成收集表面。该过程允许将太阳能集中器构建成具有大的表面积，但也会引入影响碟形反射器的反射特性的不精确性。由面板构成的碟形反射器的直径可超过6英尺以及重量可超过500磅。[0060]图1至图6中所示的每个太阳能碟形反射器101具有由单一金属带材形成的收集表面102，避免由组合多个面板而引入的表面缺陷。单一带材表面的一些优势包括较大的曲率精确度(因为整个收集表面可同时成形)，排除接缝的不连续性(在相邻面板之间的接缝处会产生表面缺陷)，对于相同的收集表面积而言的高达五倍的更轻重量(使得支撑结构和跟踪式机构的成本显著降低)，对在焦点位置处产生的温度的精确控制，以及减少的风切变(因为风可通过相邻的碟形反射器之间的间隙)。
[0061]由单一带材制备实现的表面曲率精确度的提高通常归因于总体公差的减小以及成形的简化。图示的碟形反射器101还具有在相应界定的周边103内的不间断的收集表面102。这样通过提供未减少的反射表面而可以减少光散射(远离焦点位置的入射光的偏移)并提高聚集效率。通常的收集表面间断包括紧固件孔、适于设置于焦点位置处的换能器的安装支架以及相邻面板之间的接缝缺陷。图示的碟形反射器101还具有用铬均匀涂敷以便改善反射特性的收集表面102。
[0062]在图1中所示的太阳能收集器碟形反射器101的背衬104在收集表面102的下侧可见。尽管由相同的金属带材制成，但是背衬104较之收集表面102而言具有无光泽的外观。背衬104的无光泽外观主要归因于没有高反射率涂层，但是也可夸大成通过过度冷加工来形成凹入结构(其可使得表面无光泽)。碟形反射器背衬104可包含翅片(未示出)，以提高太阳能收集器100或支撑结构(诸如连接带)的被动冷却特性，以便于将收集器固定到固定框架或跟踪式机构上。
[0063]这种制备方法提供了优于涉及由若干单独的面板来构造碟形反射器收集表面的传统太阳能集中器制备技术的若干优势。
[0064]从多个面板制备抛物面碟形反射器集中器是一个复杂的过程。各个面板单独成形，每个面板符合于再现所需抛物面表面特定部分的复杂表面曲率(通常用手工)。面板可包含特定的边缘特征以便减小当它们结合到一起时的曲率变化，并且抛物面收集表面通常需要一定程度的再成形来矫正曲率偏差。
[0065]对于包括各个面板的收集表面而言的总曲率变化是来自各个面板和相邻面板之间接缝的公差的累加，使得难于进行精确的表面制备。在面板收集表面中的曲率不规则性通常会在相邻面板之间的接缝附近出现，并且可归因于在相邻面板之间的表面曲率的快速转变(有时以表面不连续性为特征)。这些不规则干扰反射光，并降低集中器的效率。即使当各个面板处于所需的公差界限内时在面板表面中也可发生显著的表面不规则性。
[0066]可在单一带材收集表面中实现更高的成形精确度。精确度的提高通常可归因于总体公差变化的减小以及制备过程的简化。由于整个抛物面表面可同时形成，因此整个碟形反射器的曲率可被密切监测和控制到单个公差(排除公差累加)。整个收集表面的曲率变化与面板表面上的类似不规则性相比干扰性更小，因为表面差异更有可能造成渐变的曲率转变，以及产生更小程度的极端偏离所需曲率的情况。然而，对单一带材表面的尺寸和形状进行限制以便适应可用的制备机械和材料性能。
[0067]在图8中的流程图中示出一种制备太阳能收集器的方法。所示的方法包括形成太阳能收集器阵列，其包括由单一金属带材形成的多个太阳能碟形反射器。在图13和图14中从右到左示出金属带材800到太阳能收集器碟形反射器的进程。可进行类似的过程以形成单个太阳能收集器碟形反射器。[0068]最初为了制备而准备合适的金属带材，其由流程图900的步骤901表示。通常希望金属带材是耐腐蚀的或被适当涂敷以抗风化，风化会不利地影响碟形反射器的结构或收集特征。C级-镀镍卷钢是可以使用的一种特定类型的材料，并作为实例在流程图中示出。其它类型的金属带材也是合适的。
[0069]金属带材在其成形之前需要进行准备。带材可以卷材存储或以其它方式压缩以减少存储空间，在其被处理之前可能需要矫正变平(诸如矫直)。一旦为制备准备好之后，带材被供给到冲压模具内。
[0070]然后在合适的模组内将金属带材冲压成太阳能收集器坯体，如由图8中的步骤902所示以及在图13和图14中所示。冲压过程将多余的材料312，321，331从金属带材修剪掉，形成由整体连接带805互连的多个平坦的太阳能收集器坯体801。图示的坯体800适于形成太阳能收集器阵列200，具有类似于图2至图6中所示的阵列200的属性。
[0071]然后使得带材800在连续式模组内移动到用于成形的下一工位(步骤903)。在成形过程中每个碟形反射器的周边边缘被圆形化以便在太阳能收集器内界定每个太阳能碟形反射器的收集表面。在冲压过程中连接带805还向后弯曲，这样太阳能收集器的前部不受阻挡。从金属带材800制备出互连的太阳能收集器碟形反射器101的连续带材。在成形之后带材可被切割成具有所需数量碟形反射器的太阳能收集器阵列。
[0072]制备用于涂敷的太阳能收集碟形反射器(步骤904)。制备包括小型加工以去除表面缺陷并进行清洁。然后每个收集碟形反射器的凹入表面被涂敷以高反射率涂层以便改善碟形反射器的光集中特性，由步骤905表示。在坯体被冲压之前(尤其是如果该碟形反射器坯体在冲压过程中未显著变形)或之后可施加涂层。优选的是碟形反射器在冲压之后进行涂敷，其原因在于降低涂层受到损坏的风险(在处理过程中被刮伤或在冲压过程中由于变形而破裂)。在对碟形反射器进行涂敷之后可应用释放衬里(诸如薄塑料膜)以避免对已经涂敷的表面造成意外损坏。
[0073]在图12中示出用于成形太阳能收集器的模组。模组600包括安装到冲压机的支承板的基部模块601。基部模块601限定凹入的成形表面或空腔602，在制备过程中工件(诸如太阳能收集器坯体)定位在其上。凹入成形表面设置于基部模块601的上表面上。模组的基部模块601将模组600固定到冲压机上。基部模块601是模组600的固定到冲压机和可直接紧固到支承板或以其它方式固定的唯一组件。
[0074]上部模具605位于基部模块601的上方。上部模具605具有压面611,在制备过程中冲压机的压头(ram)与压面611抵接。圆顶冲头610从压面611下方的上部模具605向下突出。圆顶冲头610具有凸出的冲压表面612,其设置于下部模块凹入成形表面602的正上方。下部模块601的凹入成形表面602和圆顶冲头610的凸出冲压表面612通常匹配，形成相互作用的成形表面。在制备过程中圆顶冲头610的凸出冲压表面612通过冲压机压头的延伸部分被压入到模块空腔602内，导致相互作用的成形表面与合适定位的坯体800配合并使其变形。赋予到坯体800的形状由模组600的相互作用的成形表面限定。在成形过程中，坯体800被牢固地限制在相应模601，605的相面对的表面之间以便减少畸形。图示的冲压表面612和相互作用的压面602近似于抛物面形状。圆顶冲头610优选具有圆形周边613，其具有小于3英尺的直径。理想的是，圆顶冲头610的直径在I英尺和2英尺之间。[0075]圆顶冲头610具有压板605，其由气压弹簧620加压。当将圆顶冲头610压入以便与基部模块601接合时，压板605夹住坯体材料，形成围绕太阳能收集器碟形反射器101的收集表面的周边圆环103。多个气压弹簧620将坯体800与基部模块601和上部模具605对准。在制备过程中模组600还接合太阳能收集器坯体800的连接带805内的一组导孔311，以便在冲压机压头往复运动的过程中将坯体固定和定位。
[0076]多个柱615在基部模具601和上部模具605之间延伸。柱615定位模组600的组件。在冲压机压头延伸的过程中柱615可在模具601，605之一内滑动以便使得上部模具605与基部模块601配合。
[0077]所公开的制备方法和模组允许用标准化的机械和最小程度的专门培训精确地制备出太阳能收集器。通过操控碟形反射器的深度和表面曲率可以精确地控制在所得到的太阳能收集器的焦点位置处产生的能量集中和温度。此外，通过将所公开的制备过程标准化可以准确地再现各个太阳能集中器的性能特性。相反，传统的大型太阳能集中器通常由专业人员手工制备。结果是，在具有相似属性的传统太阳能集中器之间通常存在显著的性能变化。
[0078]在图9中示出能够制备太阳能收集器的连续带材的制备生产线。在生产线400的出口处示出具有六个太阳能收集器的带材440。生产线400被供以连续的金属带材402。金属带材402通过矫直器403被拉入到生产线400内。矫直器403设置在生产线401的入口处。
[0079]所示的矫直器403包括多个辊子404，其除了将带材拉入到生产线内之外还将金属带材402变平。在制备之前金属带材402’可以压缩形式存储以减少存储空间上的负担。该矫直器403可矫正带材403中的由于存储形式而导致的残余弯曲。优选地，金属带材402以卷材存储，因此其容易被存取且在进入生产线401之前需要进行最小程度的准备。所示的矫直器403能够将金属带材402直接从卷材解卷。
[0080]进料器405在所不的生产线401中布置于矫直器404之后。金属带材402从矫直器404通到进料器405。进料器405调节带材402通过生产线400的进程。在所示的生产线400中，进料器405使得金属带材402前进通过连续式模组401。进料器405使得金属带材402以离散的增量310，320，330，340 (在图14中与由金属带材302形成的演变的工件相关地示出)前进通过连续式模组401。进料器405的递增增量和所制备的太阳能碟形反射器的形状因子相互关联，这样连续式模组401的每次操作以离散的步骤相继地应用到每个工件上。在图13和图14中由右到左示出金属带材402在其行进通过连续式模组401时配混各种不同操作的演变。
[0081]在图10和图11中以侧视图和俯视图示出连续式模组401，在图11中以分解图示出连续式模组401。模组401在金属带材402上执行各种操作，以实施图8中所示方法的步骤901至903，在生产线400的输出端处形成未经涂敷的太阳能收集器阵列。在沿着互补的上部模块415和下部模块411长度的各个工位处执行模组401的操作。每个工位布置于所示模组401中的冲裁工段420或成形工段430中。
[0082]工位的布置取决于工位在金属带材402上所执行的操作类型。冲裁工段420将金属带材402的离散段(工件)切割成合适的坯体以便形成太阳能收集碟形反射器。成形工段430使得工件坯体成形为合适的形状。所示的模块411，415在相应的工段420，430之间分隔开，但这不是必需的。模组401在单独的工段420，430中形成以便于工段的独立维护和更换。然而，模组401也可以形成为在工段之间没有物理分离。冲裁和成形工位也可以沿着模组401分散(即如图所示不在工段中集中到一起)以适应如所需的替代的太阳能收集器配置或生产目标。
[0083]模组401包括安装到冲压机支承板的基部模块411。基部模块411限定下部切割模具412和下部成形模具413。下部切割模具412和下部成形模具413分别与冲裁工段420和成形工段430相关联。下部成形模具413具有凹入的成形表面，其与互补的上部模具417结合以便将太阳能收集器坯体的收集表面压成碟形形状。下部成形模具413的凹入成形表面具有小于3英尺乘3英尺的形状因子，对应于在模组401中所制备的太阳能收集器的收集表面形状因子。基部模块411是所示模组401的紧固到冲压机的唯一组件。
[0084]上部模块415支撑于基部模块411的上方。上部模块415限定与相应下部模具412，413配合的上部切割模具416和成形模具417。上部成形模具417具有凸出的冲压表面，其通常与下部成形模具413的凹入表面相匹配。互补的上部成形模具417和下部成形模具413的表面曲率限定由生产线所制备的太阳能碟形反射器的收集表面曲率。上部成形模具417和下部成形模具413的互补表面近似于所示模组401中的圆形抛物面。上部切割模具416和下部切割模具412具有冲头和凹部的互补布置，上述冲头和凹部组合以便在太阳能收集器坯体的制备中从金属带材402移除材料。在制备过程中上部模块415抵接冲压机压头，使得相应的模块411，415集中到一起，并围绕金属带材402配合上部模具416，417和下部模具412，413。所示的模具通过冲压机压头的每一次往复运动将金属带材402精制成在图13和图14中所示的工件。
[0085]多个柱410在相应的模块411，415之间延伸以便将上部模具416，417相对于下部模具412，413定位。上部切割模具416和成形模具417支撑在基部模块411中的相应下部模具412，413的上方。每个柱410套入到模块411，415之一内的互补凹部内。与每个柱410相关联的模块凹部能够容纳柱410的一部分，这样在冲压机压头的延伸过程中模块411，415可被压到一起。每个凹部足以容纳相应的柱410以便于使得相应的上部模具416，417和下部模具412，413围绕工件配合。
[0086]上部模块415被偏压远离下部模块411，这样相应的模块在冲压机压头缩回的作用下分离。每个柱410可包含弹簧，其抵制柱410后退到相应的模块内，偏压模块411，415使其分开。优选地，每个柱410包含气压弹簧，其可与歧管内的其它柱401的气压弹簧互连，以便平衡在模组401上方的各个位置处的弹簧压力和相关联的偏压力。
[0087]切割模块435在成形工段430之后安装到冲压机上。切割模块435具有固定的下刀片436，其邻近基部模块411紧固到冲压机。移动的上板437设置于所述下刀片436的上方。上刀片436被压下以便将在模组400中所制备的太阳能收集器的连续带材切断成所需长度的阵列。当带材将被切断时只有上刀片437被压下(即其不随着冲压机的每一次往复运动被压下，除非制备单独的太阳能收集器)。
[0088]所示的生产线400从连续的金属带材402形成未经涂敷的太阳能收集器阵列。在图9中的生产线400的出口处示出六个太阳能收集器440的带材。生产线可以高效率操作，利用所示的连续式模组402每分钟制备多于30个太阳能收集碟形反射器。在所示生产线400中所制备的太阳能收集器限于3英尺乘3英尺的最大收集表面形状因子以便适应当今生产能力。然而，生产线400可沿着如本文所述的相同生产线进行修改以适应生产技术中的进步。所示生产线400的操作通常包括:
[0089]1.将一段连续的金属带材402供给到连续式模组401内，其被安装到往复式冲压机(对应于图8中所示流程图的步骤901)。
[0090]2.致动冲压机，这样往复式压头接合连续式模组401，导致切割模具从金属带材冲压出太阳能收集器坯体(对应于图8中所示流程图的步骤902)。
[0091]3.将随后段的金属带材供给到切割模具内，导致新形成的太阳能收集器坯体从切割模具前进到成形模具。通过在冲裁操作过程中所形成的成组的导孔320，所述模可准确地定位于模组401内。
[0092]4.再次致动冲压机，这样冲压机压头接合连续式模组401，导致成形模具将太阳能收集器坯体压成具有小于3英尺乘3英尺的形状因子的碟形反射器，以及导致切割模具从金属带材冲压出新的太阳能收集器坯体(对应于图8中所示流程图的步骤903)。
[0093]金属带材402优选以卷材存储且在当每一新的段被供给到连续式模组401内时的过程中逐步解卷。带材402在被供给到连续式模组内之前从卷材拖拉出并由矫直器403的辊子404矫直。
[0094]由连续式模组401所制备的太阳能收集器碟形反射器的连续带材可以预定的间隔被切割，以便形成具有所需数量集中碟形反射器的离散阵列。然后各个碟形反射器用高反射率涂层进行涂敷以改善碟形反射器的收集特性(对应于图8中所示流程图的步骤902)。释放衬里或其它合适的保护装置可应用到碟形反射器的收集表面以便减少会损害碟形反射器集中特性的刮伤或其它损坏的可能性。
[0095]在图13和14中从右到左示出金属带材402在连续式模组401中的演变。带材402被界定成四段310，320，330，340，上述段代表其通过模组401的进程。每段代表在模组401内的相应工位处在金属带材402上所执行的操作。带材402逐步前进通过模组401,随着其前进在各个工位处累加各项操作。带材402的逐步递增与在模组402中所制备的太阳能收集器的形状因子相关。每段310，320，330，340的尺寸相当于带材402的逐步递增量。在冲压机的每次往复运动之后，通过将随后段的金属带材402供给到模具401内，带材402前进通过模组401。
[0096]第一个三段310，320，330反映模组401的冲裁操作，其将金属带材402变成太阳能收集器坯体。带材402的最后一段340代表模组401的成形操作，其将太阳能收集器坯体变成碟形反射器。在每段中体现的单项操作是可以累加的。
[0097]第一冲裁操作反映在金属带材402的段310内。这些操作在第一工位处执行，在第一工位处带材402被供给到连续式模组401内。紧邻到模组401的入口在带材402中冲压出一组导孔311。孔311设置在第一段310和金属带材402的随后段(S卩，带材402的将被供给到模组401内的下一段)之间的接缝处。导孔311便于金属带材402在模组401内的精确定位，允许不同的段310，320，330，340与沿着模具所限定的各个工位对准。带材402每次被推动时，导孔311由模组402接合以便将各段相对于所述模组401定位。
[0098]在第一工位处也修剪带材402的两侧312。将材料从两侧312去除以制备稍后在生产过程中成形的太阳能收集器坯体，并降低太阳能收集器阵列的重量。通过将多余的材料从为碟形反射器收集表面所设计的区域周围去除来减少带材402的抗弯性。否则该材料会妨碍成形过程，并导致带材折皱或不均匀地变形。
[0099]下一组冲裁操作反映在金属带材402的段320内。在递增式推动第一段310之后，在模组402内的第二工位处应用这些操作。在第二工位处将更多的材料从带材402冲压掉。该材料从设置于第二段320和第一段310的接缝处的带材321的中心部分去除(相对于模组402的纵向中间线)。冲压操作从两段310，320去除材料。材料被去除以便降低带材402的抗弯性，并降低太阳能收集器阵列的最终重量。
[0100]最后一组冲裁操作反映在金属带材402的段330内。操作在连续式模组402内的第三工位处进行。在第三段330和第二段320的接缝处从带材402冲压掉更多的材料以便形成完整的太阳能收集器坯体。将材料从中央位置321的每一侧从间隔开的位置331去除，其中在中央位置321材料已被事先去除。冲压操作从这两段320，330去除材料。
[0101]然后带材402前进到最终的工位，在最终的工位太阳能收集器坯体成形为碟形反射器。成形操作反映在金属带材402的段340内。太阳能收集器坯体定位于下部模具中的凹入表面的上方，并通过相关联的上部成形模具的凸出冲压表面压成互补形状的碟形反射器。成形操作还形成围绕碟形反射器收集表面延伸的圆形化唇缘341。在按压操作过程中太阳能收集器坯体通过接合导孔311而限制在凹入成形表面的上方。成形的太阳能碟形反射器在其成形之后从模组401移动出来时仍连接到所述金属带材402。
[0102]连续式模组401通过冲压机压头的每一次往复式运动执行在图13和图14中所示的操作。适当配置的模组401每分钟能够重复这些操作超过30次。所示的模组401通过执行对称的冲裁和成形操作来制备对称的太阳能收集器阵列，但这不是必需的。在图13和图14中所示的整个演变中所示的金属带材402围绕纵向中间线对称。每个太阳能收集器也围绕剖开收集表面的横向中线对称。
【权利要求】
1.一种太阳能收集器阵列，其包括由整体连接带互连的多个薄壁碟形反射器，所述碟形反射器和连接带由单一金属片材形成，每一碟形反射器具有将入射光集中到所述碟形反射器前方位置的抛物面表面。
2.根据权利要求1所述的太阳能收集器阵列，其特征在于所述碟形反射器沿着所述阵列以固定的间隔以不重叠的方式间隔开。
3.根据权利要求2所述的太阳能收集器阵列，其特征在于相邻碟形反射器间隔开至少I英寸的间隙以便允许风在所述碟形反射器之间通过。
4.根据权利要求1所述的太阳能收集器阵列，其特征在于每个碟形反射器的表面近似于连续不间断的抛物面。
5.根据权利要求1所述的太阳能收集器阵列，其特征在于每个碟形反射器的抛物面表面具有小于3英尺的直径。
6.根据权利要求1所述的太阳能收集器阵列，其特征在于所述阵列由薄的铝带材制成以减少所述阵列的重量。
7.一种太阳能收集器模组，其包括: 安装到冲压机的基部模块，所述基部模块具有切割模具和成形模具，所述成形模具具有金属带材被压入到其内的抛物面空腔； 具有互补的切割模具和成形模具的上部模块，所述上部模块的成形模具具有抛物面圆顶冲头，其将所述金属带材压入到所述成形空腔内以便形成抛物面碟形反射器太阳能收集器；以及 切割模块，其邻近所述基部模块安装到所述冲压机，所述切割模块具有固定的下刀片和移动的上板，所述移动的上板将所述抛物面碟形反射器太阳能收集器切割成所需长度的阵列。
8.根据权利要求7所述的模组，其特征在于所述抛物面空腔和所述冲头具有小于3英尺的直径。
9.根据权利要求7所述的模组，其特征在于多个柱将所述上部模块支撑在所述下部模块的上方，所述柱通过冲压机压头允许所述上部模块被压成与所述下部模块接触。
10.根据权利要求8所述的模组，其特征在于多个气压弹簧将所述上部模块向下压到所述下部模块上，这样相应的模块形成周边圆环并且牢固地夹住材料以便于形成抛物面形状。
11.根据权利要求7所述的模组，其特征在于所述基部模块是所述模组的紧固到所述冲压机的唯一组件。
12.—种制备太阳能收集器的方法，其包括: i.将连续的金属带材供给到连续式模组内，所述连续式模组安装到往复式冲压机； ii.通过致动所述冲压机从所述金属带材冲压出太阳能收集器坯体； ii1.通过将一段新的金属带材供给到所述模组内而在所述模组内推动所述太阳能收集器坯体； iv.通过致动所述冲压机将所述太阳能收集器坯体压入到碟形反射器内的同时从所述一段新的金属带材冲压出新的太阳能收集器坯体，所述新的太阳能收集器坯体和所述碟形反射器通过由所述金属带材形成的整体连接带互连；V.重复步骤iii和iv以制备连续阵列的互连太阳能收集器；以及v1.在冲压机往复运动限定的次数之后切割所述金属带材，以便制备具有所需数量的互连碟形反射器的太阳能收集器阵列。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于每个碟形反射器具有小于3英尺的直径。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述金属带材只有在离开所述模组之后才被切割。
15.根据权利要求15所述的方法，其特征在于切割所述金属带材以形成所需长度的太阳能收集器阵 列。
【文档编号】B21D37/10GK104040269SQ201280064960
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2011年12月29日
【发明者】R·阿贝斯曼, N·范姆, A·巴赫利 申请人:R·阿贝斯曼, N·范姆, A·巴赫利