专利名称：用于光电应用的均匀集聚太阳光通量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用以集聚太阳能的方法和反射器装置，尤其涉及一种用以将太阳光通量均匀集聚在太阳能电池阵列上的太阳光集聚方法和反射器。
旨在通过减少太阳能电池的成本和提高其效益以降低地面光电系统产生电能的成本，是发展应用于光电用途的太阳光集聚这一概念的并行目的。作为布置平面形非集聚阵列大面积太阳能电池的一种代替，集聚装置和系统可望大大减少给定面积内截获太阳光转换成电能所需电池面积。采用集聚太阳光的系统所需的太阳能电池的面积相当小，因为这种电池的效率随太阳光的辐射度而呈对数增高，以致使电池发热，而尽管采取冷却措施也无法进一步增益。这样，因太阳能电池比用作光电转换系统的太阳光集聚元件的材料每单位面积典型地贵两个数量级，故成本方面可获得极大的好处。因此，在光电太阳能转换系统中，采用较贵的高效率太阳能电池产生电能的成本大大低于同类的平面阵列结构所需成本是可能做到的。
在集聚光电系统中，阳光被集聚成相对适中的程度，例如从十至几百个“太阳照度”。具有重要意义的是，这种程度的光照须均匀分布在太阳能电池表面以取得最佳转换效率。在典型的太阳能转换系统中，为获得充分的输出电压，在光照面的太阳能电池是串联连接的，而串联连接的电池其电流受制约于电流最小的电池。这就把均匀光照每个电池摆到了重要的地位。需要进一步指出，对于每个个别的电池而言，电池的非均匀光照将引起电池效率的损失。因此，需要对阵列中的每个独立的太阳能电池和整个阵列提供均匀的通量密度，以得到最佳转换效率。关于通量密度，预期把光通量集聚在高效电池上的现代光电转换系统，将可在集聚水平为50至200个“太阳照度”的适中范围内取得最佳性能。采用较贵的高效硅太阳能电池，研究者已经发现，峰值性能效率可在集聚水平为75至100太阳照度下取得。这一点已由里奥斯，M.Jr，和贝斯，E.C.在美国太阳能学会1982年年会出版物《太阳能进展，重新的挑战》第5卷，第3部分，第1563至1576页发表的“光电集聚技术”一文中作了披露。
已往技术已有各种用作光电用途的太阳能集聚方法，然而，现有系统通常尚不能满足均匀通量的集聚要求，故仍需要改进太阳能集聚器。已有的解决这一问题的一种方法，是采用菲涅耳反射器透镜，例如平面透镜或屋顶透镜将太阳能折射到平面光电板上。在集聚器系统中还采用了曲面菲涅耳透镜取得了性能上的某些成就。然而，这些传统的压缩模制成型的聚丙烯菲涅耳透镜比较昂贵，需要昂贵的模件外套，而且容易产生热和机械故障。菲涅耳透镜集聚器设计的另一缺陷是透镜的透射损耗。已提出用第二集聚器作为达到更高集聚度(200-500太阳照度)和提高辐照面均匀度的一种方式。关于这一点，在由温斯顿，R.和奥加拉格尔，J1988年发表的“设计用于新颖高效、高集聚光电池的两级500X非成象集聚器性能“一文中已作了讨论，此文载于由科尔曼，M.J.编辑的美国太阳能学会1988年年会会议录Solar'88一书的第393至395页。然而，应注意实际应用中并不要求如此高程度的集聚，而且，采用第二集聚器要提高成本和增加复杂性。
另一种主要方法，是利用反射来集聚太阳光，而且以往技术提供了利用反射器系统集聚太阳光通量的几个实例。已揭示的抛物面反射器主要涉及太阳能热盘技术，其中要求具有约几千太阳照度的极局部和集聚的通量。采用呈凹球面形反射元件的集聚器也已发明，见奥捷，B.和希尔，L.1980年发表于《应用光学》第19卷，第20期，第3554至3561页上的“具有阶梯球面形的高集聚太阳能聚光器光学设计特征”一文。这些也是热点聚焦形设计，不适合光电池用途所需的相对适中的集聚度(75-200太阳照度)来取得集聚的通量，而且不能提供一种手段来达到在靶面上获得均匀通量。
专门设计用于光电用途的一种反射器集聚器系统已由库兹韦格，U.H.于1980年在《太阳能》第24卷，第411至412页发表的“用于光电能量转换的旋转三棱镜聚光器的性能”一文中作了披露。此文对均匀通量集聚要求提出的解决方法，是利用与轴线对称的反射器-吸收器组合，来做到在吸收器表面产生均匀的通量密度。这些轴线对称集聚器包括非平面靶几何图形，例如用太阳能电池覆盖的内锥面。这对于借助把均匀通量投射到装有太阳能电池的平面靶上来改进获得最佳性能的集聚器系统并无多大作用。
另有一种光电盘太阳能-电能设计已在斯旺森R.M.于1988年7月发表的“光电盘太阳能-电能发生器”一文中作了介绍，此文刊载于桑迪国家实验室出版的联合结晶体光电池研究和集聚集光器课题述评，SAND88-0522第109至119页上。一种反射抛物面被用来将太阳光聚焦在接收器凹槽入口，并在接收器内的太阳能电池阵列的平面上将非均匀入射通量转换成均匀通量。入射到凹槽的光在投射到主焦点后便发散，而且最后在凹槽边上被反射出去而散布在电池阵列面上。可惜这类设计的成本和复杂性因要求一接收器而加剧。
非专用于光电用途的一例以往技术即美国专利4，195，913，揭示了用于电磁辐射的一种光学集成器，它具有许多固定在球面凹表面的反射分段。这种产生匀密度光束的尝试，需要个别地配置许多反射表面元件，且相当复杂。因此，不适合于太阳能转换产业为鼓励开发用于光电转换系统的较廉价而高效的集聚器所要求的低成本制造方法和技术。
本发明提供一种新颖和独特的太阳能转换方法，其中提出一种解决方法特别适用于最佳光电转换，即以一种迄今尚未有的方式投射适中集聚的、均匀密度的太阳光通量于一个太阳能电池靶面上。本发明的特征在以下发明目的中得到反映。
鉴于上述以往技术的局限性和缺陷，本发明的总目的是提供一种方法将适中的太阳能均匀通量集聚在一个太阳能电池阵列的靶面上，以及实现此目的的太阳能反射器盘。
本发明的另一个目的是提供一种可用经济的生产工艺来生产的太阳能反射器，例如采用单件模制或冲压成形工艺来生产。
本发明连带的目的，是提供一种方便、有效和相当廉价的太阳能反射器集聚器。
本发明还有一个目的，是提供一种旨在用于光电用途的反射器，而在作有效布置时，无需密集的劳动以及复杂的调整和校准步骤。
本发明的又一个目的，是提供一种可在靶面上获得均匀密度分布的太阳能反射器，而在设计中已考虑到实际光学误差和阳光阴影作用。
本发明进一步的目的，是提供一种用以将均匀光通量集聚在靶上而无需用接受器元件或第二集聚器的太阳能反射器盘。
本发明更进一步的目的，是提供一种采用多个反射单元的反射器盘，而其中的反射单元的表面可特制以提供所需的适中通量水平和均匀的分布。
本发明可实现上述以及其它一些目的和优点，包括以适中程度将均匀集聚的太阳光通量投射在靶面上以作为光电用途的新颖方法和装置。本发明的反射器包括围绕一共轴呈回旋布置的且含有反射表面单元的多个凹锥面分段表面，而且每个表面单元按预定方式确定其在抛物面参考盘前面的轴向间隔，以产生适中的、集聚度为75至300个太阳照度范围的均匀光通量，而上述参考盘的顶点与靶面的间隔相等于其焦点长度。在一个较佳实施例中，采用了三至五个球面同心反射表面单元，其中每个反射表面单元都具有相等的有效反射表面积，且每个单元都具有相等于参考盘一半焦点长度的曲率。反射单元的镜面率按预定的方式蓄意降低，以达到所需适中的通量密度以及在靶面上的分布均匀性。
以下结合附图和本发明较佳的实施例描述本发明的原理，其中
图1是根据本发明的装置的侧面剖视示意图;
图2是由本发明一个较佳实施例提供的太阳光通量集聚在靶面的曲线图。
参见附图，图1说明根据本发明的一个较佳实施例的一个多阶集聚器盘13。其反射表面是由五个反射表面单元组成，包括其参照号为n1的中心单元以及环状反射单元n2-n5，所有单元以共轴Z为中心相对称。
应指出，每个反射单元(n1-n5)都是凹球面分段的一个回旋表面。反射器13的总口径面积A就是反射器13外缘的环形面积。每个反射单元n1-n5的大小可以参照每个单元在Z轴方向投影到口径面上的截面来确定。例如，来自中心反射单元n1周边的投影将截取口径平面而形成一个圆，单元n4的大小以该圆的面积表示。同样，每个特定分段n2-n5都将在口径平面投影到一个圆形，其大小分别由各圆反映。在此所述的较佳实施例中，每个反射单元的截取面积都被选择来表示总口径面积的五分之一。
反射单元n1-n5可参照一个参考盘15来确定，如图所示，盘15是在共轴Z上的一个虚抛物面盘。参考盘15有一个顶点Vr和一个焦点长度f。靶面16垂直于Z轴，在距离顶点Vr等于焦点长度f的位置上，而太阳能电池阵列17的吸收面则如图所示固定在平面16上。矩阵17分布在半径为Rt的靶面16的圆周内。每个反射段的位置于是可以在Z轴上根据它离参考盘15的位移来确定。每个反射单元偏离参考盘15的位移可通过参考各反射单元的顶点来估计。顶点V1是共轴Z与中心单元n1的交点。顶点V2是Z轴与反射单元n2所在的虚球面的延伸的交点。同样，V3、V4和V5都分别是环状反射分段n3、n4和n5的顶点。
还要指出，每个球面分段(n1-n5)最好有一个等于1/(2f)的曲率。在此公开的较佳实施例中，选择球截面反射分段是因为经发现这种凹球面反射分段相关的象差趋于使成象扩散在焦点平面上，从而形成较大的有用靶面。采用球面分段还提供比抛物面集聚器更低的能通量水平，如前文所述，后者对于方便而有效地用于现有高效太阳能电池认为需要的较适中的太阳能集聚度(75-300个太阳照度)而言，其能通量太高，峰荷太大。
根据本发明，五段式盘形集聚器的一例以下表1列出其相关参数。
表1反射分段Z位移外半径曲率米(M)米(M)米(M)n10.0700.3350.666n20.0900.4740.666n30.1000.5810.666n40.1100.6710.666n50.1200.7500.666在f/D＝0.5的系统中，总口径直径D为1.5米。在有关本发明的这一实施例的计算机模型中，10，000条随机产生的射线从五段反射器到靶面16进行了跟踪分析。以太阳照度为单位的太阳光集聚度所得的通量分布作为圆形靶径向位置的函数示于图2。
每条射线交会于靶面的径向位置以同轴环形储量器(35个储量器)来点算。这样，集聚率(以太阳照度计)就是每环形储量器的射线条数除以每盘口径面的射线总数，再乘以盘的假定反射率(0.90)。图2所得的频率曲线显示，根据本发明在半径直到4.5cm的靶面上可获得相当平坦的约175个太阳照度的集聚。在本例中，选择约5.0毫拉德的镜面误差。太高的镜面误差值将产生非均匀性。而且，图2所示的数据具有3.0毫拉德的斜面误差以及∑＝2.73毫拉德的高斯太阳形状。
根据本发明，设有反射表面的盘形反射器的一大优点是既经济且便于制造。盘形基础件可以采用塑料模压工业中常见的工艺，由合适的聚合物材料模压成型。合适的热塑材料包括高耐热性苯乙烯树脂，例如聚苯乙烯和ABS塑料。盘形基础件也可以由热固聚合物例如聚氨脂模压成型。将一层薄的反射膜粘接到基础件的分段表面，制作即可告成。特别适合于太阳能应用的反射膜可从明尼苏达州圣保罗的明尼苏达开采和制造公司购买。
图1中，参照号21表示覆盖在模压聚氨脂盘形基础件23的分段表面上的聚氯丁烯反射薄膜。
根据本发明的盘，若采用薄板金属冲压件的形式也是经济且便于制造的。只要将合适的反射膜覆盖在冲压成型的金属板的分段表面上，即可完成组装。
尽管传统太阳能集聚器的反射表面设计得非常平滑、酷以镜面，但本发明的一个独特方面就是按预定量有意剥蚀其反射表面。根据本发明，光学误差，例如镜面误差虽不尽力做得最小，但适合反射表面需要，而且有助于改善在靶面上通量分布的均匀度。本发明附加的优点是，较高的表面误差允许较宽裕的制造偏差裕量，这有助于降低生产成本。本发明反射表面的构造还考虑到了斜面误差，这种表面误差在传统反射器技术通常都是力图达到最小的。本发明反射表面所形成的一定程度的明显的斜面误差也有助于通量的均匀性。
在根据本发明构造的盘形反射器的反射表面，采用喷砂是期望的一项工艺以达到所需的蓄意表面误差程度。尤其如上所述，反射盘由薄金属冲压制成的情况下，该冲压成型的金属毛坯盘的整个反射表面用喷砂处理。完成这一制作，将如上专门介绍的那一类适当薄而柔软的聚氯丁烯反射薄膜粘贴到经剥蚀的盘形基础件上，而其基础件表面将“透印出”并具有该金属基础件的表面特征。当根据本发明的盘用如上所述的合适的聚氯丁烯材料做成成型毛坯的情况下，其金属成型模的相应表面也将可用喷砂处理，将它均匀研磨到预定的程度。所形成的模压盘毛坯经冲压就具有相应剥蚀的表面。就如薄形金属作基础件那样，将适当的薄的聚氯丁烯反射带粘贴到该基础件的经剥蚀的表面上，使其具有剥蚀的基础件的表面特征。
为了监控上述表面的喷砂工艺和达到所需的已剥蚀的反射率，在这一行已具有一般技术的人，已知道用各种技术来直接测量与表面有关的反射特性。适合于这种用途的一种测量装置是便携式反射计，例如可采用美国得克萨斯州达拉斯器件和服务公司生产的15-R型反射计，也可参考弗里斯·J于1978年发表在桑迪实验室报告SAND78-1918页上的“便携式镜面反射计的发展”一文。
还应注意，球面形状是被选择用来构成本发明较佳实施例的反射单元的。除了有助于以适中的集聚程度将通量均匀分布在靶面上以外，球面形状还进一步精简了所需的冲压或模压工艺，因为这种形状较容易做成。
本发明可以用来提供75-400个太阳照度的均匀通量，而且根据本发明构造的反射器可以做成达到均匀度误差±10%的所需通量水平。
每个反射单元的数量和相应尺寸均可变化。锥形截面的形式和顶点曲率大小也可改变。每个截面沿共轴的移动也同样可改变，而且表面的光学误差可以修正。
采用现有计算机模型技术，那些对本行有一般专长的人，可以藉此得到辅助以构造根据本发明的反射单元结构。用于太阳能集聚器光学构造的计算机辅助设计软件包，科罗拉多博尔德的詹姆斯联合公司有供应。另一条供应渠道是新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪国家实验室提供的CIRCE计算程序。
尽管本发明提供了一个特殊的实施例，然而很显然本领域的熟练人员在不脱离本发明的情况下可以作出各种变化和变换，因此，本发明的保护范围将包括属于本发明实际范围和构思的所有这种变化和变换。
权利要求
1.一种用以将太阳光束均匀集聚在太阳能电池陈列靶面上的盘形反射器，其特征在于，所述反射器包括多个同心凹面反射表面单元，对称地排列在与所述靶面垂直的共轴周围，而且每个所述表面单元就其轴向位置是定位于一个抛物形参考盘的前面，该参考盘也在同一共轴且有一顶点，此顶点与所述靶面间隔距离相等于所述参考盘的焦点长度。
2.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射表面单元构成所述反射器总反射表面的相等分的一份。
3.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射表面单元其表面积是相等的。
4.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射表面单元从所述的参考盘位移一个预定的量。
5.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射表面单元构成一球面分段。
6.如权利要求3所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射表面单元构成一球面分段。
7.如权利要求4所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射表面单元具有相等于1/(2f)的曲率，其中f为所述参考盘的焦点长度。
8.如权利要求4所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述单元构成一种球面构形。
9.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射表面单元的曲率适合于产生象差，把所述太阳能反射器所形成的太阳光成象分布在所述靶面上。
10.如权利要求9所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述单元构成一球面分段。
11.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于包括三至五个所述的反射单元。
12.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于包括五个所述的反射单元。
13.如权利要求9所述的盘形反射器，其特征在于包括五个所述的反射单元。
14.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射单元具有一个有镜面误差的剥蚀表面，有助于把所述每个单元所反射的通量分布开来。
15.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射单元具有一个球面构形，适合于提供分布在所述靶面的光学象差。
16.如权利要求14所述的盘形反射器，其特征在于，所述均匀通量约在175个太阳照度范围。
17.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射单元的镜面度大约为1.5至3.0毫拉德范围内。
18.如权利要求14所述的盘形反射器，其特征在于，所述反射器的镜面度约为3.0毫拉德。
19.如权利要求4所述的盘形反射器，其特征在于，所述反射单元构成一个球面分段，其中所述参考盘的焦点长度与所述盘的口径之比等于0.5左右。
20.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述反射单元具有抛物面构形。
21.如权利要求11所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述球面形反射单元具有相等于所述参考盘一半焦点长度的曲率。
22.如权利要求21所述的盘形反射器，其特征在于包括五个所述单元。
23.如权利要求1所述的盘形反射器，其特征在于，每个所述单元的顶点从所述参考盘的顶点沿所述共轴离该参考盘位移一个预定的距离。
24.如权利要求5所述的盘形反射器，其特征在于，沿所述靶面的太阳能集聚度为175个太阳照度±10%范围内。
25.如权利要求12所述的盘形反射器，其特征在于，所述靶面为一个直径约3.0至4.0cm的圆形。
26.一种用以将太阳光通量以75至400个太阳照度范围的适中密度，均匀集聚在一个太阳能电池陈列靶面上的方法，其特征在于包括以下步骤a)提供一个包括多个同心凹面反射表面单元，对称地围绕一个共轴排列，而且所述每个表面单元就其轴向位置定位于共轴上的一个抛物面参考盘的前面;b)将所述反射器相对于所述靶面予以定位，其方式是所述共轴垂直于所述靶面，且所述抛物面参考盘的顶点与所述靶面的间隔距离相等于所述参考盘焦点的长度;c)把所述太阳光通量加以接收并从所述反射器反射到所述靶面。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于集聚太阳光通量于75至200个太阳照度范围内。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于每个所述反射表面单元的有效表面积基本上是相等的。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于所述反射单元构成球面分段。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述反射单元具有一个相等于1/(2f)的曲率，其中f是所述参考盘的焦点长度。
31.如权利要求26所述的方法，其特征在于包括把所述反射表面单元予以剥蚀的步骤，以便按预定方式增加所述反射表面单元的镜面误差。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述反射单元予以剥蚀以得到5.0至10.0毫拉德范围内的镜面误差。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于所述反射单元的数目在3至5个的范围内。
34.如权利要求31所述的方法，其特征在于包括用一种薄层反射材料紧密覆盖在所述表面单元的步骤，由此使所述薄层具有所述单元的表面特性。
全文摘要
用于将适中的太阳光通量均匀集聚在一个太阳能电池阵列靶面上的一种盘形反射器和方法，所述盘具有一种分阶的反射表面，其特征在于多个环形分段围绕共轴排列且每一分段为一凹面球面构形。
文档编号F24J2/10GK1069830SQ9210454
公开日1993年3月10日 申请日期1992年6月9日 优先权日1991年6月10日
发明者加里·J·乔根森, 迈尔·卡拉索, 蒂莫西·J·文德林, 阿朗·A·莱万多夫斯基 申请人:美国能源部