改进的平板面板太阳能发电机和方法

专利名称：改进的平板面板太阳能发电机和方法
技术领域：
本发明一般涉及太阳光至电力的转换，并且更具体地涉及平板面板太阳能发电机的改进，通过该平板面板太阳能发电机，大量太阳光垂直地集中在平板面板上，以增加从其引出的电量，并且由其有益地得到热能。
背景技术：
太阳光到电力的平板面板转换是熟知的。典型地，一块或多块平板面板安装在建筑物的房顶或其它暴露地点上的固定位置中。每天可能有几秒的例外，太阳的光线对于太阳光照射到其上的每一块静止平板面板的表面不是垂直的，而是在两个方面(纬度和方位)倾斜地配置。垂直性的缺乏导致电力产生不足，因为太阳光的一些被反射离开每块平板面板的照射表面。而且，没有利用直接与每块平板面板的照射表面直接相邻但有些不与其对准的太阳光线。
尽管已知提出了绕单个水平轴和单个垂直轴、包括多排的一系列平板面板的基于底座的单或双轴跟踪，但生成的高垂直轮廓使得转动笨拙，要求昂贵和坚固的支撑结构，及由于组件的重量和有时施加在该组件上的很大风负载使面板和支撑结构经受高应力。损坏导致显著的修理费用和在停机期间没有生产能力。
而且，现有技术的平板面板的太阳能元件的效率从开始较低，并且产生电力的速率由于由照射平板面板的太阳光线引起的高温、和使用太阳能电池产生电力的过程进一步减小。没有建设性地利用如此产生的热能。这种低效率由可买到的太阳能电池的高成本加重。

发明内容
简而言之，本发明减轻与由太阳光产生电力的平板面板有关的某些现有问题。本发明使用小轮廓多轴跟踪，保持太阳光线照射的每块平板面板的表面基本上垂直于这些光线，能够实现到电力的更高速率转换、和每天在其期间提供太阳光到电力转换的长间隔。
而且，使用一个或多个侧周缘太阳光反射器，与平板面板的表面垂直的但直接与其相邻且有些不与平板面板的照射表面对准的太阳光的光线被重新指向或反射到照射表面上，由此集中大量太阳光以产生大量电力。
另外，平板面板的太阳能元件的效率通过使用循环流体独特地冷却平板面板而被放大，因此如此得到的热能可以用来做功，以使系统更加成本有效。
考虑到上文，本发明的主要目的在于，减轻与由太阳光产生电力的平板面板有关的现有问题。
另一个最重要的目的在于，沿用于平板面板一个或每一排的转动水平轴用一个或多个平板面板发电机跟踪太阳，从而轮廓很低，并且太阳光的光经照射在其上的每块平板面板的表面或正面保持基本上垂直于光线，由此消除太阳光的反射损失。
另一个有价值的目的是在每块平板面板的周缘处提供一个或多个侧反射器，从而直接与每块平板面板的照射表面相邻但有些不与其对准的太阳光的光线被重新指向或反射到照射表面上，以产生大量电力。
一个重要目的在于，使用循环流体通过冷却由平板面板太阳能发电机的太阳能元件得到每单位时间的电力生产的增大效率，该循环流体的热能用来做功。
本发明的另一个主要目的在于，提供一种新颖的平板面板系统，该系统包括低轮廓多轴跟踪特征，具有低垂直轮廓。
另外一个显著目的在于提供一种新颖平板面板太阳光对电力转换器，该转换器在黑暗时间或坏天气期间能颠倒。
由参照附图所作的详细描述，本发明的这些和其它目的和特征将是显然的。


图1是实施根据本发明的改进的、用于太阳光对电力的直接转换的一种平板面板的局部立体图；图2是具有根据本发明的改进的现有平板面板更新的局部立体图；图3是进一步封装在真空外罩内的图1的实施例的放大横截面；图4是进一步封装在真空外罩内的图2的实施例的放大横截面；
图5是装有周缘侧面板的平板面板组件的局部立体图，通过该周缘侧面板把与平板面板的正面相邻但不与其对准的太阳光反射到正面上；图6是表示在颠倒的、收藏的位置中的图5的平板面板组件的局部立体图，以在黑暗时间和不充足的太阳光期间防止天气有关的污染；及图7和8是方式的局部图示表示，其中图1-4和5-6的面板可以分别利用多轴跟踪以保持每个相关平板面板的正面一般垂直于太阳的光线的。
具体实施例方式
本公开只是本发明的多个可能实施例的一些，并且广泛地涉及由太阳能产生电力的平板面板的领域。本发明的实施例，如在图中描述的那样，涉及在平板面板上得到更大太阳光集中以增加如此引出的电量。本发明广义地，并且如在图中表明的那样，也涉及平板面板的冷却，从而引出的热能可以被有益地利用，由此使平板面板更加成本有效。按照本发明的平板面板的效率通过利用多轴跟踪系统进一步增强，借此每块平板面板的正面保持在大体垂直于太阳的光线的状态下，由此减小以前从现有平板面板的正面倾斜地反射走从而不能转换成电力的丢失太阳能的量。
以前平板面板在很大程度上在工业中已经成为标准，典型地安装在建筑物的屋顶或其它暴露地点上的固定位置中，从而面向南而没有跟踪太阳的能力。与每块平板面板的正面相邻但不与其对准的太阳光的光线至今没有被用来增强太阳光在每块平板面板的正面的照射表面上的集中以增加电力的产生。
尽管本来不是成本有效的，但已经发现，通过利用循环冷却剂从而降低包括平板面板的太阳能电池的温度，每单位时间产生更多电力，并且由冷却剂带走的生成热能可用来做功，使系统和过程更加成本有效。这从商业应用太阳能电池的高成本看来相当重要。
通过使用相对于相关平板面板周缘布置的一个或多个侧太阳光反射器，垂直于平板面板的正面但偏离其且与其直接相邻的太阳光的光线被重新指向平板面板的照射表面或正面，把大量太阳光输送到太阳能电池以便产生更大量的电力。
借助于通过保持上述垂直性避免太阳光从每块平板面板的正面的锐角反射，由本发明使得在每天期间的更长间隔适用，以便把太阳光转换成电力而没有由倾斜反射造成的太阳光损失。特别重要的是，在实施本发明的原理的系统中保持低垂直轮廓。这避免了对于高强度支撑结构的成本和高维护费用，并且避免由笨重结构元件的转动和由在绕单个水平轴集体转动的多排平板面板上的潜在有害风负载引起的应力。本发明的低轮廓通过利用单块平板面板或绕单个水平轴转动的单排平板面板或每排具有独立水平轴的数排平板面板实现。
现在详细参照附图，其中，类似标号自始至终用来指示类似部分。在图1和2中表示的平板面板分别着重于可以原始制造的按照本发明的原理的这样的面板的方式(图1)或通过修改现有平板面板以进一步包括本发明的更新(图2)。
图2表明整体指示为10的、包括与本发明的元件相连接的现有技术元件的太阳能组件。更明确地说，组件10包括现有技术的平板面板12，该平板面板12包括太阳能电池层14，通过它太阳能转换成电能；和支持或结构支撑层16，其上以任何适当方式安装层14。
典型地，层14包括可买到的硅太阳能电池阵列，通过它太阳能转换成电能，太阳能电池以适当图案排列。整个层叠面板12是可买到的。例如，Shell生产标识为SOLAR MODULE SHELL SM55的这种太阳能平板面板，它可以与本发明一起使用。典型地，可买到的面板组件12放置在对于水平和垂直以固定角度布置的静止刚性框架中，从而层14的正面18在固定位置中倾斜地面对南。因而，每天除仅仅一个短时间段之外，太阳的光线照射的每个层14的表面18不垂直于光线。光线以锐角照射表面18，并因此，一定百分比的这种太阳能从表面18反射离开层14，而没有提供对电力的转换。显然，在清晨和傍晚照射表面18的太阳光线的锐角是非常严重，从而非常高百分比的光线反射离开层14，而不转换成电能。
支持层16把层14在结构上保持在平面状态下，减小由冲击负载和通过弯曲造成的断裂、疲劳、失效的可能性，并且为层14整体提供强度和刚度。
为了更新预先存在的面板12(包括层14和16)，在图2中所表明的层19涂敷或叠置在层16的底面上。元件19是可买到的，并且是双功能层。尽管表示成具有均匀厚度，但层19不必具有单一厚度。该厚度可以变化，并且的确，依据涂敷涂层的方式可以构成具有可变厚度的涂层。元件19首先起介电质的作用，因为在层14处产生的电能禁止通过元件19。另外，元件19还起提供从层14和16跨过元件19到元件19的下侧的热传递的作用，如在图2中表明的那样。
可以包括铜或其它导热金属的蛇形金属管20布置成与层19的下表面22邻接，从而通过层19的热能传导到金属管20，并因此传导到穿过蛇形管20的空心内部循环的适当冷却剂。到管20中的流入冷却剂的进入在图2中以箭头24图示地表明，而从组件10带走热能的流出冷却剂以箭头26图示地表明。在图2中由箭头26描绘的流出冷却剂可以用来完成任何数量的各种类型的工作，包括但不限于建筑物供暖、发电及作为热交换器中的流体。热能的有偿使用使得有可能通过本发明的使用引出辅助收入。
尽管不是强制性的，但希望管20是绝热的。图2表明围绕管20的三侧和限定紧接层18的下面的内部腔室30的U形隔热元件28，在该内部腔室30中定位蛇管20。
现在参照图1，图1表明整体指示为40的非更新的或原始制造的太阳能组件。除已经消除支持层16之外，组件40在所有方面与结合图2描述的组件10相同。组件40以在以上结合组件10描述的相同方式起作用。组件40或一系列这样的组件适于放置在支撑框架中，以允许太阳光线大体与表面18垂直地照射在其上，如这里更详细解释的那样。
现在参照图3和4。在图3中表示的组件与在图1中表示的组件40相同，有两个不同之处，即(1)组件40封装或封闭在光透射合成树脂封皮42中，封皮42的内部使用工业适用技术抽空或真空化；和(2)垫片43提供在封皮42与表面18之间，以产生有助于抽空的空隙45。
同样，图4的组件与在图2中的组件10相同，有两个不同之处，即(1)组件10的壳层在光透射合成树脂封皮42中，封皮42的内部真空化或抽空；和(2)垫片43提供在封皮42与表面18之间，以产生有助于抽空的空隙45。抽空产生对于在管20中循环的流体的较大热传递。
现在参照图5，图5表明本发明的另外方面，借助该方面更大量的太阳光集中在组件10、组件40或两者的一块或一系列平板面板的每个照射正面18上。图5的太阳能组件整体指示为50，并且包括任何适当材料的矩形框架52，该矩形框架52当如在图5中描绘的那样看时具用很小垂直尺寸和大得多的水平尺寸。优选地框架52由适于由可以是螺钉或螺栓的紧固件54或以某种其它方式固定在一起的金属部件形成。L形狗腿轴接收器56固定到框架52的每一端上，并且在布置在每端处的接收器56的套筒处以不可旋转关系接收轴58。因而，当两端轴58被转动时，框架52和由框架52携带的组件10和/或40的系列对应地转动，以便保持与太阳的光线的垂直性，如在这里更详细解释的那样。
框架52包括两个间隔开的平行纵向取向的侧导轨62。在侧导轨62之间的垂直距离基本上等于放置在其之间的面板10、40的宽度。太阳光反射段62使用任何适当的工业适用的紧固技术在界面地点64处接合到每个导轨62上。当框架52和62都由钢或其它适当材料形成时，可以利用在地点64处的焊接。每个框架62包括远距离的、纵向取向的框架元件66和隔开端部横支柱68、及中间横支柱71。每个框架62可以包括分离元件或如通过焊接或使用工业紧固件适当地紧固在一起的部件，从而组成刚性、细长及矩形框架。
在组装条件下，如最好在图5中表示的那样，隔开框架62向上张开，并因此，每个形成相对于太阳光线的锐角，该锐角由本领域的技术人员适当地选择成提供更大量太阳光到每块平板面板10、40的照射表面18的输送。对于两个相联反射框架62的所选锐角在每一个端部处由一对对角支撑部件70和72保持。部件70和72刚性连接在布置在一排平板面板10、40的每个端部处的端部横支柱68之间。如最好在图5中表示的那样，对角支撑部件70和72在其各自端部处利用螺栓74锚定到两个横支柱68上。因而，面板接收框架52和倾斜布置的、周缘定位的向上张开的框架62形成刚性组件。
安装在每个框架62内的是反射镜76。每个反射镜76包括与表面18相邻的倾斜表面，该倾斜表面提供与表面18相邻但有些不与其直接对准的光线78的反射。参照图5，直接照射在表面18上的太阳光由线80表示。
如在这里更详细解释的那样，具有周缘反射器的平板面板的排50(图5)绕对准轴对58的中心线转动，以有助于在表面18与太阳光线80之间保持垂直性。
为了保护表面18和反射镜76的内部反射表面，平板面板10、40的排50和侧周缘反射器可以转动到储藏、休眠或不动的保护位置，如图6中所示。尽管这可以人工进行，但它可以自动地实现，如图6中所示。图6的机构包括光探测器或光电管，光探测器或光电管探测暗度、和在不利天气条件下何时对在面板10、40处提供电力的产生不充足的太阳光存在。当这些事件之一出现时，传感器90使马达92转动对准对轴58，由此把组件50从对于垂直和水平都成角度的位置转换到图6的倒置位置。因而，不充足的太阳光94不会到达平板面板10、40的表面18，并且雨水96和/或其它不利的天气不会污染表面18或反射镜76的反射表面。当组件50到达在图6的储藏位置时，限位开关98使马达92中断轴58的转动。
当充足的太阳光在太阳升起时返回或者当不利天气结束时，传感器90使反向马达92相反地转动组件50，从而它定向成平板面板10、40的正面18与太阳的光线具有垂直性。
现在参照图7，图7表明与多轴跟踪系统相关的、没有侧反射器的、图1至4的平板面板的使用。跟踪系统可以是在美国专利6,498,290中公开的系统，该专利的公开包括在这里以供参考。通过观察能明白的图7的组合呈现非常低的轮廓，使得不必使用昂贵和高维护费用的支撑，并借此风负载和重量不会引起过大应力。
基本上，图7的图示表示包括方位角太阳光探测器100和纬度太阳光探测器102。探测器100和102可以买到。探测器100确定何时平板面板10、40的表面18的入射角度在垂直于太阳的光线之外。当方位角非垂直性的条件出现时，传感器100使马达104转动每对轴58，改变表面18布置成与太阳光线方位角直接对准的角度。
同时，纬度探测器102确定何时其上安装太阳能发电机的转子支撑结构108这样布置，从而平板面板的表面18从纬度的观点看不与太阳垂直。在这种情况下，传感器102使马达106转动在定子支撑110上的转子108，以恢复纬度垂直性。转子定子支撑110在图7中表示成具有多个地面或地板接合支腿112。
轴58在轴承114中旋转，用于轴承114的壳体在地点116处刚性地固定到转子108上。
现在参照图8，图8表示按以上结合图7描述的方式在由转子108支撑和在其上操作以多排排列的太阳能发电组件50。由于组件50至此结合图5已经描述，并且跟踪系统至此结合图7已经描述，所以图8的实施例的元件或操作的进一步描述对于本领域技术人员的清楚理解是没有必要的。
本发明可以以其它形式实施而不脱离其精神或根本特征。本实施例因此在所有方面都要认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由附属权利要求书指示而不是由以上描述指示，并且进入权利要求书的等效意义和范围内的所有变化因此打算包括在其中。
权利要求
1.一种组合，包括平板面板转换器，具有太阳光照射的顶部，转换器从太阳光引出电力；冷却机构，布置在平板面板转换器的下面，耗散在转换器处产生热量。
2.根据权利要求1所述的组合，其中，冷却机构包括流体流动通道，来自转换器热量传递到该流体流动通道。
3.根据权利要求2所述的组合，其中，通道由至少一个导热金属管限定。
4.根据权利要求1所述的组合，其中，金属管的外形是蛇形的。
5.根据权利要求3所述的组合，还包括布置在金属管上方的导热金属片。
6.根据权利要求1所述的组合，还包括界于冷却机构与转换器之间的材料层，该层包括既介电又导热的材料。
7.根据权利要求1所述的组合，还包括包围冷却机构至少一部分的隔热物。
8.根据权利要求1所述的组合，还包括用于在叠置在冷却机构上的转换器的支撑层。
9.一种组合，包括至少一个平板面板太阳能元件，包括太阳光照射的表面，太阳能元件把太阳光转换成电力；太阳光聚集器，包括至少一个适于从与太阳能元件的表面相邻的周缘位置倾斜地向天空延伸的反射部，并且偏离太阳能元件的表面但与其相邻的太阳光光线从其对于太阳能元件的表面反射，借此得到大量电力。
10.根据权利要求9所述的组合，其中，太阳光聚集器包括对于太阳能元件的表面周缘布置的至少两个相对向上张开的倾斜反射镜，以把更多的太阳光集中到该表面上。
11.根据权利要求9所述的组合，其中，至少一个太阳能元件的表面整体是平的，该组合还包括布置在太阳能元件下面的包括通道的热传递系统，流体通过该通道以把来自太阳能元件的热量传递给流体。
12.根据权利要求9所述的组合，其中，通道至少部分由导热蛇形金属管限定。
13.根据权利要求12所述的组合，还包括介于太阳能元件与金属管之间的导热金属片。
14.根据权利要求11所述的组合，还包括界于太阳能元件与热传递系统之间的材料，该材料是导热的但是非导电的。
15.根据权利要求9所述的组合，还包括支撑支持，太阳能元件叠置在该支撑支持上。
16.根据权利要求9所述的组合，还包括多轴跟踪系统，通过该多轴跟踪系统，太阳能元件放置和保持成基本上垂直于太阳。
17.根据权利要求9所述的组合，还包括机构，通过该机构，该组合在低和没有太阳光的期间被整体颠倒，以保护表面和反射器免受环境污染。
18.一种组合，包括平板面板太阳光至电力转换器；冷却系统，相邻平板面板远离太阳布置；多轴跟踪系统，通过该多轴跟踪系统，平板面板的暴露表面在白天时间期间通常保持基本上垂直于太阳。
19.根据权利要求18所述的组合，还包括至少一个倾斜布置的侧板反射器，借此不与面板的暴露表面对准的相邻太阳光反射到暴露表面上。
20.根据权利要求18所述的组合，其中，该组合呈现低垂直轮廓。
21.一种由太阳光引出电力的方法，包括步骤把太阳光照射在平板面板的表面上；把照射的太阳光转换成电力，同时在平板面板处产生热量；传递来自平板面板的热量，以升高与平板面板下侧相邻的循环流体的温度。
22.根据权利要求21所述的方法，包括利用流体的升高温度做功的另外动作。
23.根据权利要求21所述的方法，包括把来自平板面板的热量跨过介电热传递介质通到流体的另外动作。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，照射动作包括把太阳光直接和通过倾斜侧面板反射照射到平板面板的表面上。
25.一种由太阳光引出电力的方法，包括动作把太阳光照射在平板面板的表面上，并且由其引出电力和热量；把来自平板面板的热量传递给相邻平板面板循环的流体；多轴跟踪平板面板，以跟随太阳，从而表面保持基本上垂直于太阳的光线。
26.根据权利要求25所述的方法，照射动作包括把与平板面板对准的太阳光直接照射到表面上、和把与表面相邻但不与其对准的光线反射到表面上，由此把更大量太阳光集中在表面上。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括当有很少或没有太阳光时把平板面板转动成整体面向下的动作。
28.根据权利要求25所述的方法，还包括保持平板面板和相关元件的低垂直轮廓的动作。
29.一种太阳能发电机，包括太阳能至电能转换器，包括太阳光照射在其上的至少一个表面；冷却系统，与转换器相联，但远离表面；双功能材料，界于转换器与冷却系统之间，禁止跨过其的电力传递但提供跨过其的热能传递。
30.根据权利要求29所述的太阳能发电机，还包括把太阳能发电机封装在气密密封抽空环境中的光透射封皮。
31.根据权利要求29所述的太阳能发电机，还包括对于一个表面倾斜但不与其对准的至少一个周缘光反射器，借助于该反射器将另外的周缘太阳光集中在一个表面上。
全文摘要
公开了新颖平板太阳能面板(40)，该面板使用低轮廓多轴跟踪，保持太阳光线照射的每块平板面板的表面基本上垂直于这些光线，能够实现到电力的更高速率转换、和每天在其期间提供太阳光到电力转换的长间隔。侧周缘太阳光反射器把与平板面板的表面垂直的但直接与其相邻且有些不与平板面板的照射表面对准的太阳光的光线被重新指向到照射表面上，由此集中更大量的太阳光以产生更大量的电力。公开了使用循环流体(24、26)的、用于平板面板的冷却系统，借如此得到的热能可以用来做功，以使系统更加成本有效。
文档编号H01L31/058GK1771609SQ200380110315
公开日2006年5月10日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年6月10日
发明者保罗·劳赫德 申请人:阳光信任有限责任公司