专利名称：具有大的多个共轴盘反射器的太阳能聚光器装置的制作方法
具有大的多个共轴盘反射器的太阳能聚光器装置
背景技术：
气候变化被认为是已经受到显著关注的重大问题。作为来自化石燃料的能量的遍 及全球的生成的结果，大量的温室气体正积聚在我们的大气中。许多专家相信，如果不很快 地做一些事情来减慢或甚至逆转这样的积聚，我们的气候和我们居住的世界将遭受悲惨的 后果。专家预言，仅仅几度的全球温度的上升将融化极区冰，并导致足以将许多沿海城市推 到水下的海平面的上升。一些科学家还预言了许多种类的植物和动物的消失。鉴于由于燃 烧化石燃料以产生能量造成的这些和其他显著的不利结果，存在对于能在不产生大量温室 气体的情况下以成本有效的方式产生能量的方法和装置的显著需要。本发明旨在通过需要强烈聚集的太阳能或使用聚集的阳光而变得更有效或更成 本有效的过程来便于太阳能到有用的电或化学能的转换。尤其是，本发明旨在用于通过光 伏或热的过程的发电的装置。该装置还可用于将太阳能通过热或光化学反应转换为化学 能。热转换的效率受限于第二热力学定律，其为了高转换效率需要高温，因此需要高 度聚集的光。光伏转换效率还可在高度聚集的光中被提高。因此，在过去，对在高度聚集下 转换太阳能的问题给予了大量的努力和关注，但是结果不是令人完全满意。尽管有更有效 地在高度聚集的光操作中的太阳能转换设备的可用性，但是高聚集太阳能系统还没有变成 全球太阳发电中的主要因素。之前在高聚集系统的尝试的显著缺点是向太阳能转换设备提 供高度聚聚的光所需的光-机械系统的高成本。部分地由于光学聚光器的不利的规模尺 寸，之前的努力没有成本竞争性。这些之前的尝试常常涉及使用需要以非常低的水平或非 常高的水平的功率来输入聚集的阳光的特定转换设备，而这样的功率需要极大程度地导致 阳光聚光器的非常小或非常大的光学孔径。该设计方法未能足够地最小化所产生的电(或 其他形式的能量)的每单位成本。在过去，小单元尺寸有利于大多数光伏转换器。这导致低效和高成本。具有小光 学聚光器的大量小单元的阵列制造、装配和运输昂贵，因为它们大且复杂，并具有排列在大 面积上的许多小的光学的和电的和热的组件。而且小单元的阵列在大规模上赋予了小的硬 度，并将作为静重被承载在两轴太阳跟踪器上。需要以结构构件形式的相当大的附加的重 量，以控制重力和风弯曲，并与跟踪支架连接。该设计方法显著地增加了在这样的系统中使 用的跟踪器的成本，并且未能实现所产生的电(或其他形式的能量)的足够最小化的每单 位成本。在过去，非常大的单元尺寸有利于需要以高聚集输入的非常高的太阳功率的太阳 热系统。在二维上聚集以满足这些需要的大光学器件导致低效率。在一些系统中，热转换 器单元被安装在单个大盘的焦点处，盘-发动机组件由两轴跟踪器承载。在其他系统中，热 转换器单元被固定在塔上，阳光通过日光反射装置上的一般数以千计的平面反射镜的场被 聚集在塔上。这些设计方法都在最小化所输送的每瓦的聚光器系统成本方面是次佳的，并 且未能足够地最小化所产生的电(或其他形式的能量)的每单位成本。对于大的单独的盘，结构复杂性及每单位面积的质量和成本都随着盘面积而上升。在过去，尝试过使用由许多小的弯曲的反射器部分组装的大反射器。在由许多弯曲的反 射器部分制成的大反射器中，每个单独的部分必须在抛物面支撑桁架结构(paraboloidal back-up truss structure)上对齐。以此方式组装的组合大反射器往往沉重且制造和组装 昂贵。在许多情况下，大圆盘被单独安装在两轴跟踪器上，并陈列在大的太阳农场(solar farm)中。这样的大圆盘必须被充分间隔开，以避免清晨和傍晚时的显著的自身阴影，导致 土地的次优化使用。大圆盘的另一缺点是每单位面积的相对高的风载荷，这需要更重且更 贵的支撑结构，以抵抗风载荷。在过去，通过使用日光反射装置的场来尝试非常高的能量聚集。该方法的显著的 缺点是对于承载给定反射器面积的跟踪器的低效使用。因为入射在很多日光反射装置反射 镜上的阳光成远非垂直入射的角度而导致该低效率，因此输送到功率塔的太阳功率的日平 均值是在每个反射镜能被跟踪以面向太阳的情况下可被捕获的太阳功率的仅仅一部分。另 一缺点是日光反射装置的许多小的两轴跟踪器的机械复杂性。许多之前的太阳能聚光器系统的另一困难是对它们的两轴跟踪器的特殊要求。已 经使用垂直基座上的紧凑的抬升方位角支架(altitude-over-azimuth mount)。典型的设 计不是关于仰角轴平衡，因而一般遭受高的聚集的驱动载荷，且因此需要重驱动结构。当 然，重驱动结构增加了此类系统的成本，且在太阳能系统中，成本是区分成功和失败的关键 因素。用于热转换的大的高聚集盘常常通过大径向开口而特别在它们的机械结构中被折 衷，以使臂支撑焦点处的流体加热器、发动机或涡轮机以及电磁发电机。用于使用聚集的阳光的现有系统已经留下了相当大的改善余地。在可以使用太阳 能以与通过燃烧化石燃料产生的电有竞争性的成本来产生电之前，太阳能系统不太可能对 减少大气中的温室气体有显著影响。成本对太阳能系统来说是关键的。事实上，成本不能 被过多强调，因为只有成本能产生成功和失败之间的差别是如此重要的。只要太阳产生的 电比通过燃烧化石燃料产生的电花费得更多，就存在太阳功率将对减少我们大气中的温室 气体有显著影响的很小的机会。对太阳能转换系统的装置和制造方法存在长期需要，该太 阳能转换系统具有低的总系统成本且能够以与通过燃烧化石燃料产生的电有竞争性的成 本产生电。
发明内容
本发明的目的和特征本发明的主要目的包括提供用于以低成本产生电或其他形式的太阳功率的装置 和制造方法。本发明包括将高度聚集的太阳辐射以最低的每单位功率成本输送到高效转换 单元的装置。为实现此目标，在设计优化过程中，在太阳能转换系统中输送到每个单独的单 元的总太阳辐射被认为是可变的参数，并且单元光学收集系统的孔径和相关的机械结构被 改变，以找出所产生的电的最小每瓦成本。通过建立最小每瓦成本的功率水平，高效转换单 元可对该功率水平被再优化，在效率上有很少或没有损失或有每单位功率的转换成本的增 加。例如，在根据本发明使用的聚光器光伏电池的情况下，聚集到大约50W以上的单元水平 中的输入功率可被容纳在转换单元中，该转换单元合并具有主动冷却的多个密集地包装的 电池，并且提供所有电池的等量照明。除了在使用光伏电池的系统中是有用的以外，本发明 还有为优化的热和化学转换单元提供低成本输入功率的优势。
本发明的一个特征在于，最小化每瓦成本的功率水平可在大约IkW到大约20kW之 间的中间范围——以前的太阳能转换系统几乎不能触及的范围——内实现。根据本发明的太阳辐射的聚集通过经由两轴跟踪器实质上直接地指向太阳的中 间尺寸整体盘反射器的严格共同对齐的阵列来实现。每个中间尺寸盘反射器为反射器的焦 点处的紧凑转换器提供动力。本发明的优势是紧凑能量转换单元与多个相对简单但固有地 大的能量收集元件的完全分离。以此方式，三个主要部件，即，反射器盘、跟踪器以及转换单 元的大规模生产、传送组装、升级和维护的方面可被分开地最优化。根据本发明，通过使用 横截面面积比为反射器盘提供动力所需的反射器盘的面积小得多的转换单元来最大化光 通量。在白天期间，太阳在东方升起、越过天空移动，并在西方落下。存在调整反射器的 方位的需要，以便它们在太阳越过天空移动时指向太阳的方向。为了制造有成本竞争性的 太阳能发电系统，重要的是最小化用于跟踪太阳的支撑机械结构的成本。这是根据本发明 通过将多个反射器和转换器单元支撑在刚性轻重量的空间框架中来实现的。根据本发明的 空间框架是最大化硬度和强度同时最小化所收集的光的每单位面积质量的刚性的、轻重量 的、开放的桁架结构。开放的桁架结构在三维上延伸，以实现抵抗由重力和风引起的弯曲的 高硬度和经受得住偶尔的非常强的风的高强度。两个尺寸在所收集的阳光的整个面积上延 伸，并且第三尺寸沿着连接下面的反射器单元和上面的转换器单元的光轴在垂直方向上延 伸。根据本发明，反射器和跟踪器的成本通过使用便宜的材料例如玻璃和钢被进一步 最小化。本发明的特征在于，单独的反射器采用大的玻璃整体的形式，与不连续的邻接部分 的阵列相反。整体的构造简化了玻璃反射器制造和集成，并且最小化了给定玻璃厚度的每 单位面积支撑点的数量和每单元面积质量(面积密度)。本发明的一个特征在于，初级盘光学器件具有光学质量，其导致在由太阳盘的直 径设置的聚集限制方面的仅仅适度的降级，有在短焦比的通常抛物面的反射器的直接焦点 处以高聚集——优选地10，000倍一输送太阳辐射的能力。此类高聚集并不总是在实际 转换点处被需要，而是连同刚性空间框架结构的精确跟踪一起，该水平的聚集为转换单元 的设计提供了最大的灵活性，以充分利用太阳能聚集的优势。本发明的另一特征是，由每个两轴跟踪器承载的反射器的阵列的纵横比是宽的且 低的。在本优选设计中提供的水平延伸通过在多个单元的场中的邻近单元最小化了在低太 阳仰角处的阴影，因此最大化了土地使用。该优选设计还最小化了风载荷。本发明的一个特征在于，驱动具有高的机械优势，其有利地最小化了来自驱动电 机的寄生负载。本发明的附加特征在于，驱动元件在大的半径上被应用，这有利地最小化了 驱动组件的驱动力和质量。发明概述本公开包括1)输送用于通过转换单元产生电能的聚集的阳光的装置，及2)适合 用在制造此类装置中的镀银玻璃反射器的制造方法。根据本发明的装置合并以严格的阵列共同对齐的多个大盘反射器，准备将紧凑的 太阳能转换单元保持在每个反射器盘上。反射器和转换器单元的支撑结构被制造为3维的 空间框架，在其中将反射器连接到转换单元的构件提供结构的深度，因此还用来赋予高的总硬度。空间框架以及仰角轴承和驱动为具有方位轴承和驱动的两轴抬升方位角跟踪器 (two-axis, elevation-over-azimuth tracker)提供了仰角结构。当跟踪器被定位成使得 反射器阵列被定向成面向太阳时，强烈聚集的阳光被输送到转换单元或转换器单元。本发 明可有利地与各种转换单元一起使用，包括通过光伏或热过程产生电的转换单元，或将太 阳能通过热或光化学反应存储为化学能的转换单元。优选地，与该装置一起使用的转换器单元是小的，以便不会显著地遮蔽反射器盘。 根据本发明的包括一组转换器和适当的热交换器的装置形成独立的太阳功率转换系统。本 方面尤其适合于通过使用可以被大规模生产的多个此类独立的太阳功率转换系统来提供 大规模的太阳能转换。太阳功率转换系统的大规模阵列可有利地在具有强直接阳光的位置 上被曝露于场上或被部署，例如美国西南部的沙漠。显著的益处和优势可以从根据本发明在单个两轴跟踪器上使用多个最佳地依尺 寸制造的反射器盘来实现。该构造允许有效使用材料(在聚集的阳光的每单位功率质量方 面)。优选地，阵列关于仰角轴承被平衡，以最小化由于风和重力产生的力和力矩。反射器 被优选地排列在刚性的空间框架中，其中空间框架在所有三维上具有主要支柱，以最大化 总硬度，同时提供最佳地放置成保持单独的反射器盘、转换单元以及对仰角轴承和驱动的 安装点的节点。在本发明的大多数优选的实施方式中，空间框架主要由具有对角托架的钢 支柱的长方形构架组成，从而提供高的硬度重量比。空间框架的每个大的室容纳下面的盘 反射器和上面的其相关的转换单元。盘反射器被优选地制造为背部镀银的低铁浮法玻璃的大整体，每个盘反射器由开 放的桁架结构支撑。背部镀银的玻璃反射器由于玻璃的较好的保护性和结构功能以及银的 非常高的反射比而对本发明是优选的。玻璃也由于其刚性及化学和尺寸上的稳定性是优选 的，将反射器的真实外形保持在宽范围的空间尺度上。玻璃的整体构造是优选的，因为当被 制造为整体而不是较小的部分的阵列时大反射器在结构上是更有效的，并且大的玻璃整体 可根据本文公开的制造方法以低的成本被大量制造。银是优选的反射材料，但是其他材料 例如铝可以取代银，在性能上有一些降低。背部镀银的玻璃反射器的寿命和稳定性在暴露 到户外天气条件的太阳能应用中提供良好的耐久特性。低铁钠钙硅酸盐玻璃由于其低的太 阳能吸收率而成为优选的材料。但是，本领域的技术人员将认识到，其它材料可被代替，而 不偏离本发明的精神。尽管词“玻璃”被用在以下的描述中，除非另有说明，应理解，低铁钠 钙硅酸盐浮法玻璃对本发明是优选的。优选地，盘反射器具有轴对称的凹形外形和实质上正方形或六边形的周边。反射 器被排列在支撑空间框架的邻近的室中，这些室在尺寸和形状上匹配，以便最小化间隙和 能量损失。反射器优选地是相对大的最佳尺寸和整体，以便于以最小每单位面积成本的制 造和花费。该设计的一个重要特征在于，整体反射器盘被设置有轧制的边，以增加刚性并减 少支撑点的数量，并且因此进一步减少每个玻璃整体的制造和安装的成本。轧制的边提供 结构优势，并且之前并没有在太阳能玻璃反射盘的成形中被使用。反射器被制造有优选地 大约4mm厚的玻璃，并且通过优选地大约每半米间隔开的垫被支撑在开放的桁架上。反射 器优选地利用贴合性粘合剂被粘合到支撑垫。盘具有抛物面形状或根据选择成在焦点附近 使用的发生器或转换器单元的设计被最优化的另一凹形外形。为了最小化反射器和其组件的每单位面积的成本，单独的整体玻璃反射器盘使用某些成本利益折衷在尺寸上被最优化，并且被优选地制造为达到与其他重要考虑因素实际 上一致。本发明通过允许玻璃反射器盘由强烈地优选的通常大约3. 3m的全标准宽度的浮 法玻璃产品制成而有利地提供了显著的成本节约。每个大的正方形或六边形反射器被优选 地连接到刚性的、重量轻的钢桁架支撑件。在一个优选的实施例中，桁架在其上表面上提供 用于连接近似4mm厚的实质上正方形的整体的在四乘四栅格中的16个点的托架，并且桁架 在下面延伸，以形成在正方形中的四个节点，以连接到长方形仰角空间框架的单元室的下 角。对于由3. 3m宽的玻璃制成的优选的正方形反射器来说，有效面积为近似9平方米，并 且因此输送到每个盘焦点的聚集的太阳能一般为大约8kW(对于每平方米1000瓦特的日射 率和多于90%的平均反射率)。最适合于用在本发明的该优选实施方式上的转换单元是能 够以每单元大约8. 5kff输入功率水平有效地操作的那些转换单元。—起考虑以上限制，实质上正方形的盘状反射器的单元反射器室采用具有正方形 横截面的直角棱镜的形式。反射器的优选实施方式从单元室的下正方形端部的角被支撑， 并且紧凑的转换器或发生器通过薄的对角元件优选地以张力的形式从相对的上端部的角 被支撑。单元室在所有六个面上而不仅仅在转换器面上具有对角构件，使它在所有三个偏 转方向上和所有三个扭曲方向上都非常硬。多个这样的单元反射器室被连接成阵列，以形 成深的、刚性的仰角空间框架。两轴跟踪器的仰角结构优选地包括被配置成形成刚性空间 框架的室的nXm阵列。该空间框架可包括在单元的水平行之间的偏移，以提高机械性能。 在任一种情况下，大多数结构构件局部地起作用以保持单元转换器与它们相关的反射器严 格地对齐，并且全部起作用以提供非常硬的空间框架。为了实现低成本和性能之间的最佳 折衷，桁件支柱的横截面被优选地选择，使得在最大操作载荷下的偏转接近它们的对不同 盘轴的弯曲度误差的积累，同时在最大生存风载荷处应力接近它们的失效极限。根据本发 明的空间框架和支撑结构的构造已经被设计成以低成本实现显著的结构整体性，该结构整 体性可能是在用于产生太阳能电的实际竞争性系统中的关键性考虑因素。根据本发明的 空间框架结构以最小每单位功率质量产生了所需的性能，并实现了减少的总成本的显著优 势。以下详细描述了两个优选实施方式，这两个实施方式都使用了抬升方位角构造。 第一和较大的所述实施方式说明了一种构造，其中单元室在垂直于它们的公共光轴的共面 阵列中，并且方位轴承在锚定到地面的水平轨道上转动。该第一所示实施方式更适合于建 造在水平场地上的较大尺度的单元。本发明的所示大实施方式在规则的三乘九元件空间框 架中具有27个单元室。刚性仰角结构包括具有下面的两个撑牢的C环的空间框架，形成靠 近其重心的虚拟枢轴。来自C环的载荷通过具有四个角转向架(corner truck)的短粗的 方位平台几乎被直接带到地面上的圆形方位轨道。每个转向架具有支撑C环的面向上的轮 和正好在下面的骑在方位轨道周围的面向下的轮。在使用抬升方位角构造的第二所述实施方式中，仰角结构包括具有向后移动的上 部行和前进的下部行的单元室的两个交错的行。顶部行的前底边与顶部行的后底边重合， 以形成延伸构架的整个长度并且通过其重心的公共结构构件，从而为仰角轴承的支撑提供 了非常硬的中心构件。该实施方式的一个重要特征在于，除了两行室以外还需要小的结构 来形成完整且非常硬的空间框架和仰角结构。在此所示实施方式中，反射器室的每行还包 括中心窄室，以适应仰角轴轴承。方位运动是绕着在仰角轴下居中的基座。该基座在柱上枢轴转动，该柱优选地采用在有压碎的石头或收集的土地瓦砾的地面上的洞中设置的钢桁 架的形式，优选地避免了在整个组装中对于混凝土的任何使用，以便最小化成本。合并到用在以上所述的实施方式中的太阳能聚光器中的并且在其他可选实施方 式中具有实用性的镀银玻璃反射器可根据使用浮法玻璃的低成本方法来制造。该制造方法 有助于显著地减小太阳功率系统的总成本。反射器制造工艺的开始点为浮法玻璃。浮法玻璃由于其高质量和低成本是强烈地 优选的。浮法玻璃还使用了可允许大量生产玻璃反射器的成熟技术。为了对减少大气中温 室气体和碳污染有显著影响，期望有以足够低的成本和以足够大的量制造太阳能转换系统 的玻璃反射器的方法，以便于用于产生非常高功率水平的电的系统的大规模生产。这里所 描述的工艺可被有利地集成到浮法玻璃生产线中，以便来自浮法玻璃生产线的新近形成的 热玻璃可在其被退火和冷却之前成形。根据本发明的制造工艺提供使用浮法玻璃工厂的整 个输出来生产在一个连续的工艺或生产线中制成的玻璃太阳能反射器的能力。制造工艺因 此被设计成以非常高的速度进行，例如允许新的玻璃反射器每十秒被制成，并且该制造工 艺能够适应来自浮法玻璃工厂的对4mm厚的3. 3米正方形片的典型生产率。如果需要的话， 制造工艺可以可选地以较慢的速度被离线进行，但是根据所公开的制造方法的高生产率的 能力是本发明提供的显著优势。制造过程的第一步骤包括将新近形成的且仍然热但刚性的浮法玻璃带切割成反 射器大小的块。接下来是将每个反射器大小的玻璃块定位在全主体模上的步骤。每个反射 器大小的玻璃块随后被加热，同时其角被限制成抵抗横向的运动。当反射器大小的玻璃块 在加热的环境中软化时，玻璃下陷并伸展，接触并符合模的周边，并以其他方式自由地下降 以呈现盘状反射器的近似形状，同时保持其光滑的镜面抛光(finish)。提供角限制以通过 迫使玻璃在其下陷时到处伸展来防止起皱。当反射器大小的玻璃块到达并且轻微地接触模 的整个主体时，反射器大小的玻璃块呈现盘的期望形状。该方法实现了在不会显著降低玻 璃的前表面或后表面的光学光滑度的情况下使反射器大小的玻璃块精确成形的目标。不锈 钢模被优选地使用，尖的凹槽被加工到其内，以便精确地限定外形，同时提供将由于与模接 触而破坏的玻璃面积的部分很好地保持在以下的优势。在反射器大小的玻璃块仍然是 软的并且凹形盘正在成形的同时，成形工具被用在玻璃的边上，以向后压紧玻璃，以靠着模 的圆边形成轧制的边。只要成形完成，反射器大小的玻璃块就可被快速地冷却，以将其硬化 到其可从模被去除而不会有显著变形的程度。在连续的生产线中，模可按规定路线返回到 生产线的起点，并被再利用以形成下一个反射器。期望最小化模的热循环，因为热循环可缩 短模的寿命。所公开的制造方法通过在模的相应于正在被模制的玻璃块的操作表面中使用 尖的凹槽而实现了最小化模的热循环的期望结果，并且凹槽最小化了玻璃到模的热传导。 根据优选的制造方法，通过涂敷邻近正被模制的玻璃块的操作模表面以便对在加热和冷却 期间经历的热辐射通量是高度反射的，来进一步减少模的热循环。辐射传热是加热和冷却正在被模制的浮法玻璃块的优选方法，以便实现期望的快 速生产率。优选地，许多模在同时使用中，例如被配置在生产线中，以跟上浮法玻璃的一般 工厂片生产率。根据优选制造工艺的模循环包括将反射器大小的玻璃片定位到与模的相 应关系中；通过快速辐射加热来加热玻璃片，以软化玻璃片；将玻璃片保持在加热的环境 中，直到玻璃片通过下陷、伸展和将玻璃片沉陷在整个模上而成形为反射器；形成玻璃片的边；通过快速的辐射冷却来冷却玻璃片；去除成形的玻璃反射器，用于退火和冷却；以及返 回模，用于再装载。所公开的制造工艺能够快速生产玻璃反射器，并且适合于实现用于完成 这些步骤的大约三分钟的估计处理时间。考虑到新的玻璃片可根据本发明通过在生产线中 使用20或更多模而大约每十秒被处理成成形的玻璃反射器，由所公开的制造工艺提供的 生产率的优势变得更为明显。在使用20个模的此类生产线中，近似100米的生产线长度 在模被返回之前基于大约20或更多倍于模到模分离的生产线长度来提供若干分钟的热处 理。
图1为安装在具有两轴跟踪系统的可移动支撑件上的并具有分布的太阳能转换 器单元的反射器的阵列的透视图。图2示出根据图1的实施方式的沿着两轴跟踪系统的仰角轴看的侧视图。图3示出根据图1的实施方式的沿着光轴看的俯视图，如从太阳方向看到的。图4为根据图1的实施方式的放大的透视图(部分的)，其示出抛物面反射器和具 有球透镜的特别优选的转换器单元。图5为根据本发明的在太阳能反射器单元的焦点处使用的特别优选的玻璃球透 镜的透视图，其示出了相对于玻璃球透镜适当定位的次级聚集反射器的特别优选的阵列， 为清楚起见所有的支撑结构被移除。图6为根据图1示出的优选实施方式的在适合于太阳农场的配置中的反射器的多 个系列的平面图。图7为安装在具有两轴跟踪系统的可移动支撑件上的可选实施方式的透视图。图8示出根据图7的具有以低仰角设置的两轴跟踪系统的沿着仰角轴看的实施方 式的侧视图。图9示出根据图7的具有以45°仰角设置的两轴跟踪系统的沿着仰角轴看的实施 方式的侧视图。图10示出根据图7的具有以高仰角设置的两轴跟踪系统的沿着仰角轴看的实施 方式的侧视图。图11示出根据图7的在指向沿着光轴看的水平线时的实施方式，其示出了方位轴 承和基座底座的细节。图12示出指向沿着光轴看的水平线的可选实施方式，其示出了方位轴承和基座 底座的细节。图13为根据图7的实施方式的透视图，其示出了仰角和方位驱动的细节。图14为根据图7的实施方式的透视图，其示出了方位链驱动的细节。图15为示出了根据图7的实施方式的仰角轴承的细节的透视图。图16为根据图12示出的实施方式的在适合于太阳农场的配置中的反射器的多个 阵列的平面图。图17为根据图12示出的实施方式的在适合于太阳农场的配置中的反射器的多个 阵列的透视图。图18为从根据图12示出的实施方式的在适合于太阳农场的配置中的反射器的多个阵列的太阳方向看的视图。图19为单个太阳能转换单元的实施方式的透视图，其示出了将转换器单元支撑 在正方形反射器上的结构的细节。图20为单个太阳能转换单元的可选实施方式的透视图，其示出了将转换器单元 支撑在六边形反射器上的可选结构的细节。图21为根据本发明的一个实施方式的用在太阳能转换单元中的反射器单元的优 选实施方式的透视图，其示出了玻璃反射器和其支撑结构。图22为根据图21所示的实施方式的整体玻璃反射器的支撑结构的透视图，其示 出了在去除了玻璃反射器的情况下的支撑支柱和节点。图23为根据图21所示的实施方式的整体玻璃反射器的支撑结构的平面图，其示 出了支撑点的托架和图22所示的最高支撑支柱和节点的细节。图M为对4mm厚度在轴向一个g重力载荷下的所计算偏转的等高线图的透视图， 其示出了在整个玻璃反射器表面上的由载荷斜度偏差导致的倾角变化。图25为将被成形为用在图1和图7所示的实施方式中的反射器的扁平玻璃块的 横截面视图。图沈为根据图25的放置在模上的玻璃块的横截面视图。图27为在图沈示出的步骤之后的玻璃块的横截面视图，其中玻璃块已经通过辐 射地传输的热被软化，并且部分地成形到模。图观为在图27示出的步骤之后的玻璃块的横截面视图，其中玻璃块已经完全符 合模形状。图四为在图观示出的步骤之后的模制玻璃块的横截面视图，其中玻璃块正通过 辐射传输被冷却。图30为根据图四的模制玻璃块的横截面视图，其中模制玻璃块已经从模去除。图31为示出了具有保持在模之上的扁平玻璃片的正方形模的透视图。图32为示出了具有悬在模之上的部分弯曲的玻璃片的正方形模的透视图。图33为示出了具有搁在模上的完全成形的玻璃片的正方形模的透视图，角支撑 件仍然在适当的位置。图34为示出了具有搁在模上的完全成形的玻璃片并且去除了角支撑件的正方形 模的透视图。图35为示出了下面的支撑框架和角支撑件的正方形模的部分剖面平面图。图36为示出了连接的角支撑件和一些前板的正方形模的部分剖面透视图。图37为支持在成形之前的扁平玻璃片的角支撑件的横截面细节视图。图38为支持部分成形的玻璃片的角支撑件的横截面细节视图。图39为支持搁在模上的盘状玻璃片的角支撑件的横截面细节视图，角支撑件仍 然在适当的位置。图40为搁在模上的盘状玻璃片的横截面细节视图，角支撑件被去除。图41为详细说明了模的边处的一部分的部分剖面透视图，成形工具位于模上。图42为详细说明了模的边处的一部分的部分剖面透视图，部分成形的玻璃在适
当位置。
图43为详细说明了模的边处的一部分的部分剖面透视图，玻璃在适当位置，并且 通过成形工具形成轧制的边。图44为详细说明了通过根据本发明的模制工艺被弯曲和成形有轧制的边的玻璃 的一部分的部分剖面透视图。图45为示出了具有凹槽和尖端的模表面的一部分的剖视图的示意图。图46为示出了成形玻璃接触尖端的模部分的剖视图的示意图。图47为详细说明了成形玻璃在完成成形之后搁在尖端上的尖的模的横截面视 图。图48为说明了用于在适合于制造玻璃反射器的生产线中以相应于浮法玻璃生产 线的输出速率的速率来使玻璃反射器成形的多个模的示意图。图49为两轴太阳能跟踪器的电控制系统的示意图。
具体实施例方式图1、图2和图3说明了本发明的包括多个单元反射器室34的当前优选的实施方 式，大的抛物面反射器1在刚性的框架100中保持同轴。在所示出的实施例中，27个单元反 射器室34的阵列被显示在三行乘九列的长方形栅格中，但是其他配置和布置可与布置在 各种其他配置中的多个聚光器一起使用。期望有在白天期间当太阳越过天空移动时将反射 器1的阵列指向太阳的能力。为了实现此，反射器1的公共轴通过两轴跟踪器107被定向 到太阳。在此示例性实施方式中，平转向架(flat truck) 101在地面上的圆形轨道102上 转动，以提供支撑抛物面反射器1的框架100的方位旋转。仰角运动由连接到刚性框架100 的两个C环103提供，两个C环103在转向架轮105上的且邻近转向架轮105的上轮104 上关于虚拟的轴110转动。仰角环的对角支撑件109和结构48中的对角线提供硬度。在 此优选的实施方式中，抛物面反射器1是具有修剪的角106的几乎正方形或者实质上正方 形，以便最小化否则可能被损失的反射面积，并且被布置在正方形或长方形对称的刚性框 架100中，以便几乎所有由单元反射器室34的整个阵列截住的阳光都被输送到反射器1中 的每个的相应的抛物面焦点观。图4和图5为具有以光伏发生器4和抛物面反射器1形式的转换器的单元反射器 室34的透视图。进入系统的阳光作为由反射镜1反射的进入的太阳辐射或光线2而进入。 在包括球透镜5的这个图示中，反射镜1被成形，以便所反射的太阳辐射或光线3被引导到 光伏发生器4所位于的焦点观。反射镜1优选地具有实质上抛物面的反射表面，该实质上 抛物面的反射表面反射尽可能多的阳光2，并且将其聚集在发生器4的位置上。反射镜1优 选地在低铁玻璃的背侧上被制造有薄的银涂层。然而，正涂的反射镜尽管不是优选的，但是 可作为替换物被提供，并且可选的反射涂层可用在具有其他金属或介质涂层的玻璃上。另 外，反射镜可以由仍然提供阳光到发生器4的期望反射的可选的材料制成。尽管反射器1在 配置上优选地为实质上抛物面的，但是也可采用在性能上有一些降低的其他弯曲表面。抛 物面形反射器1是优选的，因为其能将平行进入的光线2反射到焦点观。因为进入的太阳 辐射不是精确地以平行光线2的形式，反射表面1的可选形状可用于将光线3反射到发生 器4所位于的焦点观。但是，包含本文所描述的优选实施方式的反射镜1的元件的组合被 认为提供成本和性能之间的最佳折衷。在反射器1为实质上抛物面的优选实施方式中，反射表面的形状与期望抛物面形状的偏差可以被特征化为初级抛物面反射镜1的反射表面 中的表面斜度误差，并且充分利用本发明的任何转换器应提供对这样的误差的某一公差以 及对跟踪器指示误差的某一公差。这是在制造和操作中实现一定程度的成本有效性的期望 特征。用在抛物面反射镜1的焦点观处的以光伏发生器4形式的转换器的实施例被显 示在图5的透视图中。发生器4包括球场透镜5，并具有同心地位于球场透镜5周围的多个 次级反射器45，其中所述多个次级反射器45将聚集的光引导到多个聚光器光伏电池15上， 如图5所示。光伏电池15直接从太阳辐射产生电。图5的发生器和这种类型的其他光伏发 生器的结构、功能和操作在题目为 “Photovoltaic Generator with a Spherical Imaging Lens for Use with a Paraboloidal Solar Reflector，，的由 Roger P. Angel 同此提交的 第12/463，016号申请中被描述，该申请的内容通过引用合并于此。通过球透镜5的所聚集的阳光3在凹球面形表面9上形成初级抛物面反射器1的 图像，在该凹球面形表面9中次级反射器45被定位在与球状透镜5同心的位置上。图5只 示出了球透镜5、旁通二极管30以及多个正方形光伏电池15，所述多个正方形光伏电池15 被直接放置在具有近似正方形输入的以镜像框架45形式的次级反射器的后面。为清楚起 见，所有其他的结构被省略。多个光伏电池15以串联的形式电连接在一起，以将各个电池 15产生的电功率合并到来自发生器4的总电流输出中。发生器4包括通过被抽吸到散热器 的水来积极地冷却电池15的系统(未示出)，用于对空气的对流冷却。发生器4的一显著方面在于，对于容忍初级抛物面反射镜1的反射表面中的表面 斜度误差的设计来说，遍及所有光伏电池15的太阳辐射3的强度由抵抗跟踪器107的指示 误差的球透镜5来稳定。即使跟踪器107不直接指向太阳，由球透镜5在棱镜反射器45的 入口处形成的图像的光强度也保持相对恒定，并且在显著的指示误差范围内提供所有电池 15的等量照明。发生器4的另一显著方面是次级反射器45在进一步改善对错定位的公差 中和在使邻近电池15之间的相当大的间隙畅通中的行动。在邻近电池15之间设置的间隙 允许靠近电池15放置旁通二极管30和互相连接的接线，而不会干扰它们的光学输入或它 们的电和热输出。因此，图5的发生器4通过通量稳定化以便确保来自串联连接的许多电 池15的高功率输出并通过去除来自被强烈照明的电池15的紧密阵列的废热的畅通的热路 径来提供来自本发明的聚光器的高太阳功率输入。图2说明了在沿着垂直于图纸平面并且穿过C环103的弧的中心的仰角轴110的 方向看到的视图中根据图1的刚性框架100的仰角支撑件和驱动。关于此仰角轴110的旋 转由C环103在它们的支撑轮104上的运动而不是由轴110上的任何物理轴承来限定。C 环103由面内支柱109支撑，该面内支柱109在刚性框架100中连接到单元反射器室34的 节点11。图3说明了根据图1的如沿着光轴的方向所见到的刚性框架100，并且示出了实 质上正方形的盘反射器1如何有效地被包装在刚性框架或空间框架100中，以捕获入射在 仰角空间框架100上的大部分阳光2。图4说明了用于被动地去除来自发生器4的废热的热虹吸管的优选实施方式。发 生器4处的热使工作流体沸腾，使得蒸汽将热虹吸管39提升到对流结构M，空气冷却位于 对角支撑架38的上象限中。在所示的优选实施方式中，对流结构M在实际上为仰角轴110 设想的仰角的整个范围上保持在发生器4之上的方向上，以便所冷凝的流体将通过重力返回到发生器4。这提供了在不增加泵的附加成本和维护的情况下用于在热虹吸管39和对流 结构M中使冷却流体循环的成本有效的设计。图6在数量上说明了本实施方式的多个跟踪器单元107的优选放置，多个跟踪 器单元107以等边三角形的栅格被布置，该栅格依尺寸制造成允许全方位旋转的裕度，而 没有碰撞的可能性。被投影的水平长度与被投影的高度的3的优选比是有利的，如在这 个示出的实施例中所示出的，因为此比最小化在清晨和傍晚时低太阳仰角处的自身阴影， 也最小化了风载荷。给定在北-南方向上定向的行，当阳光来自正东或正西时，于是不存 在tarTHl/^) =18.4°度之上的太阳仰角的自身阴影损失，并且仅仅1/3的单元室将对 12.3°太阳仰角被遮蔽。反射器面积与所示放置的陆地面积的比为近似25%。因为在此优 选的实施方式中，所有的反射器1为共面的并处于开放的桁架结构100中，所以可通过在反 射器平面在顶点指示位置上安置跟踪器107来最小化风载荷，反射器平面在非常高的风中 是水平的。维护道路112被显示成在一个方向上每隔两行放置。通过合适的方位角和仰角 旋转，因此为所有的跟踪器107提供对前部或后部维修的准备好的接近机会。本发明的第二当前优选的实施方式被显示在图7中。此可选的实施方式包括在刚 性的框架50中保持同轴但具有在两行51和52和四列配置中的八个单元室34的较小阵列 的多个大抛物面反射器1。为了使反射器1的阵列指向太阳，反射器1的公共轴由具有抬升 方位角轴承的两轴跟踪器定向到太阳。如图11所示，方位运动由设置在基座支架67上的 垂直轴轴承78和79提供。反射器阵列由设置在方位轴承78和79之上的水平轴仰角轴承 58在仰角方向上转动。在如图7所示的可选实施方式中，反射器1优选地为具有修剪的角的大致正方形 或者实质上正方形，并且每个反射器1被容纳在单元反射器室34中，该单元反射器室34在 支持焦点观附近的单元发生器的条件下采用基于正方形的直角棱镜的形式。如图11 (其 为沿着光轴的视图)中更为清楚地示出的，仰角空间框架50被配置，以便如从太阳看到的 轮廓为长方形，并且几乎所有由整个阵列截住的阳光都被指引到多个反射器1的焦点观。两个交错的行51和52的向前/向后位移被最清楚地显示在沿着图8、图9和图 10所示的仰角轴的视图中。在图8中，仰角为低的，在图9中仰角为45°，而在图10中仰 角为高的。上行的室51被向前设置，而下行52被放置在后面，以便上行51的前下边与下 行52的后上边重合，并且公共结构构件53被设置在框架50中。该公共结构构件53被制 成与仰角轴相符，并且接近于如图7详细说明的完整的仰角结构的重心通过。通过将前加 强构件56和后加强构件57分别添加在上行52的室和下行51之间，仰角空间框架50被完 成。前加强构件56连接室的两行51和52的上前角14，而后加强构件57连接下后角11。参照图7，通过使室34的两行51和52交错，框架50关于仰角轴被自然地平衡， 并因此由中心基座67有效地支撑。另外，在仰角方向上移动或旋转刚性框架50所需的功 率被最小化。室34的交错行51和52的第二优势在于，垂直于因而产生的空间框架50的 行51和52的横截面在两个维度上被最大化，框架50包括外围加强支柱56和57。这导致 了抵抗在中心轴承58周围的弯曲的高硬度，无论仰角可能如何。尽管在此示例性实施方式 中的结构在上行52中具有四个反射器单元34并且在下行51中具有四个反射器单元34，但 是在有了本公开的益处之后对于本领域技术人员也明显的是，不同长度的交错行例如两行 或六行可能在实践中提供好的结果，取决于对给定位置期望和适当的残存风强度，并且取决于普遍的制造成本。例如，图12说明了可选实施方式，其类似于图7和图11所示实施方 式，但是在两个交错行51和52的每个中具有六个反射器单元34。返回到图7和图11所示的实施方式，该实施方式中的仰角轴轴承58通过中心结 构轴上的两个节点连接到仰角空间框架50，其细节可参照图11被更好地描述。轴承58的 空间通过在四个单元反射器室34的下行51中包括窄的中心室59并且通过在上行52中包 括窄的中心室60来产生。图15示出如何实现高结构效率，因为支撑仰角轴承58的端部的 硬仰角节点61和62被形成为支撑并连接反射器1的刚性空间框架50的固有部分。为清 楚起见，图11示出了支撑仰角轴承58的支柱中的仅仅几个。图15详细示出了仰角轴承58 的两个端部如何被支撑在两个非常硬的节点61和62处，这两个非常硬的节点61和62被 形成在四个内部单元反射器室34的角支柱的交叉点处。不需要附加的钢构件来加强该支 撑件61和62，或者将仰角轴承58放置在重心处。例如在图9中示出的连接构件56和57 加强两行室，以完成在中心基座67上绕着仰角轴承58转动的全仰角结构。仰角驱动弧63被显示在图13中。仰角驱动弧63从两个下节点64和65 (图9所 示)牢固地连接在窄的中心室59和60(图7所示)的一侧上，提供在从顶点到水平指示的 90°范围上的运动，如通过比较图8、图9和图10所示的。在所示的实施方式中，驱动弧63 具有等于单元室34的宽度和深度的半径，该单元室34的宽度和深度在所示的实施方式中 是相等的。图7和图11所示的实施方式的方位轴承采取绕着固定垂直轴66转动的中心基座 67的形式。轴向载荷由位于中心基座67的上部部分中的或者在轴66的顶部处的止推轴承 78承担。横向载荷优选地由两个塑料轴颈轴承78和79承担，一个在轴66的顶部处，而另 一个在轴66的底部处。方位驱动通过连接到中心基座67的下端部的大的360°驱动轮68 来起作用。在所示的实施例中，驱动轮68被示有与仰角驱动相同的大半径。但是，本发明 并不被如此限制，并且本领域的技术人员将认识到，可使用驱动轮68的其他半径。参照图13，在当前优选的实施方式中的对于方位运动的优选驱动是通过电驱动链 70，该电驱动链70被更详细地显示在图14中。为了绕着方位轴66旋转空间框架50，驱动 力通过围绕方位轮68伸展且牢固地连接到方位轮68的方位驱动链70起作用。斜撑链轮 (rider sprocket wheel) 74可用于调整或保持驱动链70中的期望张力。在图14中示出的 所示实施例中，方位轮68由辐条76支撑。仰角驱动弧63(图13所示)和方位驱动轮68 优选地由弯曲的结构槽77简单地且以低成本构造，如图14所示。在所示的实施方式中对于仰角运动的优选驱动是通过电驱动链69，如图13所示。 用于仰角驱动的驱动链69可以类似于图14中所示的用于方位驱动的驱动链70。在仰角驱 动中，驱动力通过连接到仰角弧63的端部的仰角驱动链69起作用，以便围绕仰角轴承58 旋转空间框架50。仰角链69被牢固地连接到弧63的端部。驱动力由通过类似于在图14 中对方位驱动示出的链轮71和电机和齿轮箱73的电机和齿轮箱转动的链轮施加到仰角驱 动链69。仰角弧63由小桁架75支撑。如图14所示，驱动力矩由通过电机和齿轮箱73转动的链轮71施加到方位驱动链 70。为了最小化链70中的张力并增加总传动比，方位驱动轮68的半径被制成大的。在链驱 动中需要至少一个空转链轮74，以便链70在驱动链轮71上的啮合大于120°。以此方式， 链70上的磨损和链70以高扭矩在驱动链轮71齿上滑动的机会均被减小。在太阳能应用中，为了跟踪太阳的运动必须移动方位驱动和仰角驱动的速率是相对慢的，并且驱动机构 可以利用高机械减速比，并允许使用较低成本的驱动电机73。可以实际上实现近似100比 1的优选的机械减速比，几乎为大于对使用链轮的传统链驱动的减速比的一个数量级。优选 地，空转轮74或链70的端部将由弹簧装载机构(spring take up mechanism)拉紧。尽管 未详细示出，但是本领域的技术人员将认识到，仰角驱动链69由类似的布置驱动，并且仰 角驱动弧63的半径由于方位驱动轮68被设置有大半径的相同的原因而被制成大的。仰角 驱动链69优选地由连接到链69的端部的弹簧装载机构拉紧。合起来一并考虑，使用方位驱动轮68的大弧半径和仰角驱动弧63来减小所需的 驱动力连同与许多链轮齿71相啮合的链驱动将导致方位驱动元件和仰角驱动元件的减少 的成本、复杂性和尺寸。在操作期间，期望跟踪太阳从东到西越过天空的运动，以便刚性框架100指向到 达的太阳辐射2的方向。参照图49的示意图，如果跟踪器107随动到从刚性地连接到框架 100的光学太阳跟踪传感器121取得的仰角和方位角误差信号，那么可实现精确的太阳指 示。太阳跟踪传感器121的优选形式包括硅四节电池，该硅四节电池由通过硅四节电池之 上的小孔的阳光照亮。优选地，该方位也通过不需要阳光的重力和磁场传感器122来检测。 图49示意性地说明了来自连接到计算机120的传感器121和122的信号。来自计算机120 的驱动控制信号通过接口 125被转换成驱动功率，并且电功率由方位电缆IM传送到方位 驱动电机73并由仰角电缆123传送到仰角驱动电机73。在多云的情况下优选地通过参照提供来自读取重力和磁场的换能器122的绝对 指示数据的传感器来保持框架100到太阳的方向，因此避免来自基座底座40的下陷、链69 或70的伸展或者由于强烈稳定的风造成的弯曲的误差。可选地，可使用常规望远镜驱动算 法，以基于每个单独的跟踪器107的GPS坐标并使用提供到计算机120的精确时间和日期 信息来计算太阳的位置。如果必要，可通过同步所计算的太阳位置与当阳光是可得到的时 由太阳跟踪传感器121指示的位置来提高精度，并且这样的同步可有效地解释来自基座底 座40的下陷、链69或70的伸展或者由于强烈稳定的风造成的弯曲的误差。类似于常规望 远镜GOTO系统的常规计算机控制的驱动系统可用于将刚性框架100指向准确的方向并跟 踪太阳的运动，包括向计算机120提供方位角信息和仰角信息的编码器。应该理解，图49 示出的图示只是示意性的，并且驱动电子器件可被连接到框架100或其他地方。优选地，方 位角和仰角驱动电机73和主动冷却系统(如果有)的电功率将由不间断的电源供应。合 适的源可通过在上行的窄中心室60的面向太阳的侧上提供光伏转换器来获得，光伏转换 器可结合蓄电池来使用。支撑本实施方式的方位轴承的优选基座在图11和图12中的横截面中示出。基座 采用延伸进入洞41的焊接的三角钢桁架40的形式，例如使用在常规的转向架上安装的螺 丝钻可在地面42中钻出洞41。可选地，可通过本领域技术人员已知的许多常规工具来挖掘 洞。在插入桁架或柱40之后，洞41优选地使用廉价的干燥材料43例如来自采矿业的压碎 的石头或表土被回填，而不使用水泥粘合剂。洞和桁架尺寸依尺寸制造成使得干燥材料将 承担来自桁架40的相对集中的载荷并将其转移到面积大得多的土壤42，以确保在强风中 幸存。未粘合的石头由于其低得多的成本和碳足迹被优选地代替混凝土。当然，本领域的 技术人员将认识到，如果在特定的应用中可以容忍此类材料的一般较高的成本，那么可以使用混凝土。基座40的某些小的下陷运动是可接受的，并且在基座40的初始放置中的低 精度可被容忍，因为跟踪器驱动111将使用太阳跟踪器121和绝对的传感器例如加速计和 /或频繁地重新校准的或同步的传感器来定位刚性框架100。可选地，本领域的技术人员将 认识到，可使用其他桁架底座设计，而不偏离本发明的精神和范围。图16、图17和图18示出了在图12中所示的盘阵列111的实施方式的优选放置。 图16在平面图中示出了允许全方位旋转的裕度而没有碰撞的可能性的规则三角形栅格， 类似于图6中所示的布局。相对小的在柱上安装的单元需要非常小的位置坡度缓和或准 备。它们有利地适于安装在坡地以及平地上，或在不规则的一块土地中。优选的尺寸在优选实施方式的设计中的一重要考虑因素为初级抛物面反射器1的尺寸和制 造，特别是因为成本是重要的因素。本发明包括反射器1的尺寸的优化。对于由结构的、背 部镀银的玻璃制成的反射器1，大约3米(3m)的尺寸作为一般最佳的尺寸是优选的。该尺 寸是优选的，因为它是可由常规浮法工艺制造的扁平玻璃的单个整体制成的最大可装运的 尺寸。以该尺寸的整体反射器1可提供用于跟踪根据本发明的反射器系统的最低的每单位 面积成本。在操作中，优选地，近似: 大小的多个盘发生器单元34被安装在每个跟踪器107 上，以获得最低的每单元面积总成本。每个正方形反射器1具有大约9m2的反射面积。对于 1000W/m2的标称太阳通量和94%的反射率，输送到每个转换器单元4的标称太阳功率为大 约8.最佳两轴跟踪器107的优选实施方式的具有4mm厚玻璃的；^玻璃反射器1的钢 支撑结构100应在实践中提供令人满意的性能。对于27个反射器1的实施方式，整个系 统——包括固定轨道——的钢的质量为每平方米收集区域34kg，且当顶点指示时偏转为最 大0.1°。对于8个反射器1的实施方式，整个支架107——包括固定基座——的钢的质量 为每平方米收集面积25kg，并且在顶点指示时最大偏转为0. 06°。单元反射器/转换器室的优选结构设计的细节本发明的优选实施方式使用多个单元反射器室34作为积木式构件。单元反射器 室34包括将能量引导至焦点区域观的反射盘1和支撑盘1并在焦点区域观附近将转换 器单元4保持为严格对齐的机械结构。机械结构的主要元件为以直角棱镜形式的桁架，该 直角棱镜的横截面和端面优选地是正方形或六边形，如图19和图20所示的。图19示出了 具有正方形横截面的单元室34，如在以上描述的优选实施方式中所采用的，而图20示出了 具有六边形横截面的可选单元室34。实质上为正方形(图19)或六边形(图20)的盘状反 射镜1通过下面描述的盘支撑结构从下棱镜面的角11被支撑。盘轴7通过盘中心或顶点 6。只遮蔽初级收集器的一小部分的紧凑转换器4位于上面，在盘轴7上居中，并且从由构 件13形成的上棱镜面的上角14被支撑。上端面具有与由构架10形成的端面相同的尺寸， 并平行于它。上端面和下端面中心位于盘轴7上。转换器4在盘轴7上居中，并且优选地 被支撑在中心轴转换器支撑构件18的下端处。转换器支撑构件18优选地由对角张力元件 17从上角14支撑。四个(图19)或六个(图20)垂直元件16连接上正方形和下正方形。 优选地，棱镜的侧面由对角元件18支撑。玻璃支撑桁架12靠近结构的底侧，以及支撑初级 抛物面反射器1。
转换器支撑件18的同心放置适于废热主动地由抽吸的冷却液体而不是被动地由 热虹吸管M去除的实施方式。在主动冷却系统中，冷却液体通过热交换器被循环，热交换 器可正好位于图19或图20中的发生器4之上，或在不会遮蔽进入的阳光的由沿着对角支 撑件17和18的管道达到的另一位置上。反射器盘1的最优选的实施方式是连接到开放钢桁架的浮法玻璃的单个塌陷的 背部镀银的反射器。桁架的充分间隔开的上节点的托架通过粘合的垫将玻璃反射器1的形 状保持在大的空间尺度(spatial scale)上，以抵抗重力和风力。下节点将载荷转移到主 仰角框架100的单元室34的下角11。将镀银的玻璃反射器1连接到角支撑件11的玻璃支撑桁架12在任何给定的实施 方式中依据玻璃反射器1的尺寸、形状和厚度来优化。玻璃1的厚度在很大程度上通过抵 制冰雹损害的需要来确定。在槽式热系统中使用的四个支撑垫上的4mm厚的背部镀银的仪 表大小的面板已经在实践中给出了令人满意的结果。对于本发明的较大的反射器盘1，具有 大约4mm厚的厚度的玻璃反射器1需要最佳分布的较多数量的支撑件，以便在重力和风力 下的弯曲不会使光学外形明显降级。优选地，作为大的、深度开放的桁架的一部分的支撑点 被用于玻璃反射器1，提供了对最小质量和材料成本的最大总硬度。图21示出的优选的集成反射器设计包括实质上正方形的背部镀银的玻璃反射器 1和支撑反射器框架。图22为示出玻璃反射器1被去除的反射器框架或桁架95的详细透 视图，展现出了支撑玻璃反射器1的16个反射器支撑点86、87和88。在平面图23中，这 些形成了以四乘四模式的大体正方形的笛卡尔栅格。反射器桁架95被设计成在其底部96 处连接到单元反射器室34的四个下角点11。单元室34的四个底部支柱10与在底部中心 81处汇合的两个底部对角线80组合，以在底部平面中形成四个三角形。三个成角度的支 柱82从每个所述三角形的角竖起，以形成四个四面体，该四面体的上节点83为形成玻璃反 射器1的托架的主节点。五个其他的主要上节点84和85在两个平面框架的角处形成，这 两个平面框架从底部对角线80向上延伸，并且共享连接81和84的垂直于底部平面的公共 中心构件97。这两个正交的框架由将底部中心81连接到上节点85的四个对角构件98支 撑。图23为仅详细说明了转向架梁和反射镜支撑件86、87和88的上部结构的平面图。16 个托架支撑点包括四个内部支撑件86、8个中间支撑件87和四个外部角支撑件88。内部 四个托架点86和外部四个托架点88分别位于延伸而穿过节点84、85和90的托架支柱89 上。支柱91的端部处的节点83和90支撑中间支撑件87。图M示出了由图21、图22和图23所示的优选框架支撑的玻璃反射器1的偏转， 如通过有限元分析所计算的。偏转是对具有1. 7m焦距的3. 3m正方形抛物面反射器1计算 的。玻璃1为4mm厚，并且具有向后滚动过90°的具有25mm半径的边。支撑桁架被模造有 0. 6m的中心深度，支柱由2英寸直径和0. 015英寸壁厚的圆钢管制成。其他横截面也可行 得通，假定它们的横截面面积和惯性力矩是相似的。参照图24，所计算的例子的桁架重量 平均为每平方米玻璃支撑3. 5kgo对于4mm厚度，钢的此面积密度对显著地小于10. lkg/m2 的玻璃面积密度。对于4mm厚的玻璃，完整的: 反射器组件的平均重量因此为13.6kg/m2。 为该例子计算的在轴向重力载荷(或等效地30mph正常风载荷)下的偏转在图对中示出。 表面上的等高线图显示了由装载引起的倾斜角的变化。图M示出了具有0. 05弧度的斜度 偏差的等高线92。在大部分表面上主要由邻近支撑垫的剪切偏转引起的斜度的偏差总计小于0.1毫弧度——由轮廓B标记的水平。轮廓A相应于0.05弧度的斜度偏差。在整个表 面上平均的由盘反射的准直光的90%落在0. 2。直径的图像内，同时所有的光位于0. 4° 的直径内。大的整体和深盘状玻璃反射器的优选制造方法通过使最初扁平的玻璃片成形来制造凹形整体反射器1的工艺操作的优选顺序 在图25、图26、图27、图28、图四和图30中被连续示意性地示出。工艺操作还以图31、图 32、图33和图34的顺序在透视图中示出。图25示出了玻璃片200，该玻璃片200在工艺开 始时是扁平的。图沈和图31示出了在放置在模201上之后的扁平片200。模201具有实 质上凹形的表面204和轧制的边203。玻璃片200最初从其角被支撑在模201上，这些角通 过铰链式的L形支撑件202被暂时抓住。图27和图32说明软化和伸展步骤的开始。玻璃 片214的温度优选地通过来自玻璃片214之上的热表面207的辐射热来增加。优选地，辐 射表面207为实质上连续的，并具有高发射率。优选地，可通过使用低热惯性的可变温度散 热器207，或通过提供不同温度的模201和辐射表面207之间的相对运动，来快速地增加或 减少玻璃214所经历的辐射温度。优选地，还可根据遍及模201的空间位置来改变温度，例 如，与辐射表面207的中心区域的温度相比，较高的温度在辐射表面207的边208周围被提 供，以便使玻璃片214的边211比玻璃片214的中心更软。尽管重力可专门用来驱使玻璃 片200成形为凹形的盘212，但是使玻璃片200符合模201的形状212的过程可通过压力加 速，例如通过从上面引导的热气喷射，或通过例如使用真空泵以另一方式产生的压力差。当如图33所示玻璃片212已经下陷到足以产生沿着模201的边或侧203的大范 围的接触并且玻璃212具有图观所示的形状时，可去除角支撑件202，如图34所示。在此 阶段，边成形工具210可以与玻璃片212的外部边211机械接触，以将玻璃边211挤压并弯 曲成期望的轧制的形状，如图观所示。此外，一旦玻璃片214符合并密封模201的弯曲周 边203，如图27所示，就可期望通过减少模201之下的空气压力来加快或以其他方式控制使 下陷的玻璃片214成形为盘形状212。为此目的，模201可如图27所示被构造有下面的真 空歧管205，并在表面中具有与歧管205流体相通的洞206。于是可通过借助于抽运向下抽 取空气而通过洞206并通过出口 209出来以减少歧管205中的压力来加速成形过程。一旦玻璃212接触模201的整个主体和其边203，从而呈现模形状，快速的冷却就 开始。图四说明了通过从玻璃212的上表面进入现在比玻璃212的表面冷得多的吸收黑 色表面213的辐射来实现的工艺。遍及玻璃212的表面的冷空气的强制对流也可用于加速 冷却步骤。一旦玻璃212足够地冷却到对短期处理足够硬，它就优选地从模201去除，如图 30所示，用于退火和冷却，为待成形的下一块玻璃200保持模201无阻碍。玻璃块212可随 后通过被强制的空气对流以加速的速率冷却到室温。模201可被构造有如图35中以平面图示出的下面的结构框架，和精确加工的板的 镶嵌覆盖物，该镶嵌覆盖物产生如图36的透视剖面图所示的成形表面。模201的优选材料 为AISI 304不锈钢。图35所示的正方形模201的蛋箱形结构框架215由相同形状的板215 的有槽且互锁的阵列制成，这些板215为了强度和硬度在连接节点处焊接在一起。模周边 203优选地由圆管形成，并被焊接到结构框架215，在该模周边203上玻璃片200的边将被 轧制。管半径被选择为待模制的轧制边211的半径。外围管203可具有如所示的正方形角 或修剪的角，以产生如图4所示的玻璃反射器1。参照图35和图36，覆盖模制表面217可从刚性地连接到支撑蛋箱结构215的多个单独加工和缓解张力的部分217组装。可选地， 模端面可以从被加工成单个零件的旋转的或液压成形的整体盘在一个零件中形成。在与图 35所示的一样安装在支撑框架215上之前，该零件可以按需要被缓解张力并再加工。模盘 的部分217或整体单个零件可通过采用定位设备(未示出)的形式的支撑件连接到框架 215。这些设备可用于借助于未示出的诸如激光跟踪器的计量设备将这些部分对齐。图37、图38、图39和图40 —起说明了角支撑件202的动作，角支撑件202绕着垂 直于反射器轴的水平轴236被铰接，所以它们能向下摆动，而不会径向向内移动。该限制方 法确保当玻璃片214软化且下陷时，玻璃214将伸展，从而当下陷到深的盘212中时通过压 缩环弯曲应变避免了简单支撑的片200起皱的趋势。角支撑件202和它们的操作的细节可 参照图37、图38、图39和图40被描述，所有图37-图40示出了沿穿过支撑件的对角线截 取的垂直横截面。图37示出了在玻璃片200软化之前的角支撑件202。支撑件包括连接到 模201的托架及抓住玻璃200的角且绕着铰链236转动的铰接的L形零件238。图37示出 了在铰接零件238中适当位置上的实质上扁平的玻璃片200。图38说明了当玻璃214部分 地下陷且伸展时的支撑件202。图39示出了当充分下陷和伸展并且接触模201的整个主 体时的玻璃212，支撑件202仍然在适合的位置。图40示出了在去除了支撑件202的抓紧 L形零件238之后的相符的玻璃212。玻璃212的软化的边219开始在模201的弯曲的边 203上弯曲。边轧制工具210的操作以图41、图42、图43和图44的顺序被显示在透视图中。图 41示出了具有管周边203的模板部分217的部分剖面图，以及在模201之上悬着的边成形 工具210的剖面图。图40和图42示出了仍然热且软的塌陷的玻璃片212的剪切部分，部 分塌陷的边219由在其自身重量下的下陷形成。图43示出了与玻璃212紧压接触以便形 成轧制的边211的边工具210。图44示出了玻璃212的已制成的轧制的边211。轧制的玻 璃边211的反射面质量不重要，并且因此成形工具可具有常规光滑的已加工的涂饰表面。在图45所示的一个优选实施中，模201被制成有凹槽的表面剖面218，以便通过与 模表面的接触最小化对玻璃212的反射后表面的损害。模制板的表面217通过使球端铣刀 工具通过以产生在尖端221交叉的邻近的凹形槽220被最终加工。尖端表面剖面222限定 了玻璃212将采用的形状。模201 —般将被加工到反射器1的局部形状的+/-10微米内。 在成形期间，如图46所示，软化的玻璃片212接触尖端221的线，并且桥接在它们中间，呈 现如由表面剖面在尖端的最高点处限定的总体形状。因为复制的自然保真度是极好的，塌 陷的玻璃212将在大于凹槽间距的空间尺度上采用模201的形状，并且将在较小的尺度上 保持未经使用的浮法玻璃200的自然光滑度和镜面反射。在图47示出的玻璃-模接触的详细视图中，玻璃212在尖端221之间轻微地下 垂224，其中下垂深度取决于接触停留时间和在塌陷温度时的玻璃粘度。成形工艺被优化， 使得在玻璃212轻微地接触和开始搁在模211的尖端上之前盘形状212较大程度地由自由 的伸展和下陷形成。接触一在模201上产生，就开始快速的冷却，以防止尖端之间的连续下 垂。这样，对玻璃212的破坏被局限在沿着尖端221的小凹痕的窄线处，并且模201的磨损 被最小化。对于该工艺，从在尖端221处的接触损坏散开的净太阳收集区域损失和来自玻 璃212中因而产生的凹痕的表面斜度误差被找出，以平均化不超过0. 25%的总玻璃表面面 积，并且实际上在具有1至3厘米的范围内的间隔的凹槽221之间下垂的倾角一般小于0. 1度 rms。本发明的尖模表面218的另一优势在于，在成形的热循环期间从模201到玻璃212 的直接热传导被最小化，因为接触线221的面积是如此小。对模201的最少加热确保了由 温度梯度产生的形状扭曲被最小化。另一优势在于，凹形谷220还提供收集小微粒污染物 的区域220，在塌陷期间保持小的颗粒分支地涌到尖端221，并从而减少了玻璃212中的可 能以其他方式由在模201的表面220上突出的颗粒导致的凹痕。在最小化接触损坏的第二优选的可选方案中，空气垫用于防止玻璃212和模201 之间的任何直接的接触。优选的实现在模表面下具有双歧管。一个歧管被加压，而另一歧 管被排空。加压的歧管将空气提供到空气垫，而排空的歧管将加压空气带走，并且确保总的 向下的压力。在此可选的实施方式中，垫被间隔开1至4厘米，排气孔在其间。到塌陷模201的传热在玻璃成形热循环期间被优选地最小化，以最小化热循环， 并且为AISI 304不锈钢的温度循环将模201上的温度完全地保持在800C的临界氧化层限 制之下。在模制板部分内和整个模201上的内部温度梯度将优选地被最小化，以减少扭曲 趋势，以便复制具有适当和一致的形状的玻璃212。为了由玻璃212透射和发射的热辐射的 高反射率，优选地涂敷模201，以便最小化吸收。模面板或薄面板的剩余弯曲由位于整个刚 性框架上的紧固件限制。在玻璃片200已经成形为期望的盘构造212之后，模端面将进入 热平衡，并在被用于使下一个玻璃片200成形之前通过强制的空气对流来恢复到优选的开 始温度。下面的结构有效地保持为无热的，并在成形的小辐射暴露期间不会经历显著的热 变形。用于增加模反射率的优选方法是利用10-50微米的耐磨高反射的均勻厚度且粘 性很强的致密金属膜来涂敷表面，该膜在高达400C的温度处使用若干月之后保持高反射 率。诸如电解或无电镀、喷射、等离子体和热喷雾、气相沉积的涂覆方法以及这些方法的组 合是优选的。优选的电镀金属包括铬、镍和贵金属例如金、钼、铑以及它们的耐热合金，例如 镍-铬、掺镍的磷、钼-铑和钼-铱。为了以最小可能的成本供应非常大数量的玻璃反射器1，以上描述的玻璃成形和 背部镀银的工艺将优选被合并到浮法玻璃工厂中，浮法玻璃工厂的整个玻璃输出将以太阳 反射器1的形式。根据本发明的以集成到浮法玻璃工厂中所需的速度提供成形工艺的自动 连续工艺被示意性地显示在图48中。浮法玻璃231从熔化炉和锡浮动式电镀槽230中取 出，其中玻璃在大约600C时作为带231出现在输送机系统232上。这里浮法玻璃231在仍 然热时被切割成正方形片200。在生产线中的成形步骤之前将热玻璃231切割成片200的一 种优选的方法是通过刻痕和折断，这是所有切割方法中最古老且最便宜的一种。这需要在 待切割区域中将玻璃231完全地或局部地冷却到其易碎的温度范围，近似350C之下。避免 仅仅为切割玻璃而冷却玻璃231的需要的可选的优选方法是激光切割。用于高速切割热玻 璃带231的合适的高能激光系统在Chui的第3，885，943号美国专利、Chui的第3，930，825 号美国专利以及French的第3，934，995号美国专利中被公开，所有的专利通过引用并入于 此。使用切割装置233(例如激光切割设备或刻痕和折断设备)从玻璃带231切除的 实质上扁平的切割片200被冷却到允许通过角夹具202从角处理的硬度。一旦被夹具202 抓住，片200就位于塌陷模201上。模201和片200随后进入成形通道207，在该成形通道207中来自在800C到1200C的范围内的温度下的延伸黑体的强辐射能到达玻璃200的上表 面，并且快速地将其升高到下陷温度，导致下陷的玻璃片214。通过以上已经描述的步骤使 热玻璃成形发生在热通道内。玻璃的下陷、伸展和到形状212的模制通过重力被快速地实 现，如果需要的话通过施加压力被加速。边-成形工具210形成轧制的边211，包括在去除 片的角夹具202之后在角处。在成形完成之后，玻璃212进入冷却通道213，在其中它通过 对流和将热辐射到吸收辐射的冷表面被快速地冷却。当被足够冷却到恢复保持其形状的足 够硬度时，所成形的玻璃212从其模201被去除，并被转移到向前移动玻璃212用于退火和 冷却的输送机线路213。模201被循环235，并被再次引入生产线。在生产线234的远下游端，优选地通过类似于在低E建筑窗户的制造中用于在浮 法玻璃上沉积银和介质层的工艺的真空等离子辅助工艺来涂覆银。在常规的反射镜制造实 践之后，还优选地通过等离子沉积利用铜薄膜抗氧化阻挡层来过涂敷玻璃212的银表面和 主要边。最后，铜薄膜和反射镜边被粉涂有防风雨的聚合密封物。完成的玻璃反射器1是 可叠起堆放的，并且可被堆叠并装运，用于与跟踪器107和能量转换器4集成，并且用于安 装在太阳农场地点上。在浮法玻璃的可选实施方式中，玻璃带231在被切割装置233切割之后被进给到 两个或多个成形的线路中，以便在一个生产线遭受故障或在其操作中变慢的情况下确保连 续的生产。另外，万一所有的成形线路出故障，单独的分支就可被设置成冷却并包装扁平的 玻璃片200。可存储玻璃片200，用于离线成形。以从浮法玻璃工厂可获得的输出的全速率支持连续生产所需的模201的数量和 生产线的长度取决于每个模201的循环时间。例如，在该循环时间为200秒和待加工的新 片200每10秒从锡浮动式电镀槽230出现的过程中，随后必须同时使用20个模201。本发 明的制造工艺设计成最小化模循环时间，并因此最小化了在生产线上在使用中的模201的 数量和设备的尺寸。模循环时间主要通过热平衡和传热因素来设置。例如，在加热和软化 玻璃214中涉及的热平衡和传热时间以及伸展和热平衡并冷却下来以使玻璃212变硬以便 可将其从模201释放的时间将是影响模循环时间的因素。用于使玻璃片200成形达到的温度由在相对短的时间中实现下陷和伸展的需要 来确定。为了确定玻璃在重力下伸展到盘形状212中的速度，由于下陷损失的重力势能与 通过伸展粘性玻璃而消耗的能量相等。例如，对于被夹在角202处并且在自身重力下通过 玻璃的薄膜型伸展而下陷的正方形片200，本文示出了中心处的下陷深度“S”近似地随着 时间“ t，，和粘度“ η，，立方根增加，S=(CgpxVn)"3,(1)其中“C”为数值常量(近似0. 044)，“g”为由于重力引起的加速度，“ P，，为玻 璃密度，“X”为模支撑件之间的平均跨度距离，以及“ η”为剪切粘度。在500-750C温度 范围中的典型商用钠钙玻璃的剪切粘度随着绝对温度T变化，Il = il。eXp(B/T)，其中n0 =1.6xl(T8泊，并且B = 5.8χ104Κ。对于650C和750C之间的优选成形温度范围，粘度从 4. 3χ109 泊(650C)降到 9χ106 泊(750C)。作为3. 1平方米的优选反射器的特定尺寸的实例，根据以上方程在中心处下陷到 优选深度s = 0. 795m的时间在7IOC时为近似20秒，并且对于温度的每十度变化改变了两 倍。因此工艺的上温度将处于710C范围中。在其他极端处，在一分钟内的处理变形在小于500C的温度时被减小到可忽略的水平。在本发明中所描述的工艺中，这些温度之间的加热和冷却在很大程度上通过辐射 传递实现。对于加热，来自在800-1200C下的实质上连续的黑体的辐射是优选的，因为在这 些温度下的热辐射主要由玻璃吸收。因此4mm厚的玻璃片200可通过来自900C黑体的一 侧上的辐射在50秒中以及通过来自1200C黑体的一侧上的辐射在20秒中从室温被加热到 710C的平均温度。如果玻璃200在加热开始时较热，则需要较少的时间。在快速辐射加热之后，玻璃214热得多，且因此在被加热的侧上粘度较低。用于在 整个钠钙玻璃片上通过传导来平衡的时间常数对于3mm厚度为近似19秒，对于4mm厚为34 秒，以及对于5mm厚为53秒。当玻璃212呈现模形状且边211被轧制时，某个平衡度是优 选的。当成形完成时，玻璃212将通过进入冷吸收表面213的辐射从大约710C冷却到大约 500C,对于4mm的片花费大约50秒，并且接下来是用于在去除之前在500C下平衡的大约30 秒。用于根据连续进行的上面的操作来使4mm厚玻璃成形的模循环可例如包括用于 通过900C辐射加热的50秒、用于下陷的20秒、用于平衡、在模型上沉陷和边成形的30秒、 用于辐射冷却的50秒、用于在去除之前的平衡的30秒以及返回模201用于再装载的60秒， 总共240秒。对于10秒玻璃循环时间，同时使用M个模，并且热处理部分、热成形和冷却 将花费180秒。对于四米的模到模分离，且因此对于0. 4m/sec线速度，成形线长度将为大 约72米。在发展以上大容量工艺期间，玻璃反射器1能以较慢的速度从堆叠的冷玻璃片 200被离线制造。初始阶段是不同的，并需要冷玻璃片200在不破损的情况下被安全地处 理并带到塌陷模201。从使用多杯真空提升固定装置将冷片200从垂直的堆拿出，该多杯 真空提升固定装置将玻璃200保持在几厘米内的任何平的地方并在低应力状态中。片200 随后将被旋转成水平的，并且使用角抓紧件202从角被紧夹在处理框架上。释放真空处理 装置以卸载片200，且玻璃在被抓紧的状态中轻微地松弛。片装载步骤和非平移角夹具202 将最大拉伸应力保持在3. 5MPa安全极限之下。以此方式被装载到处理框架中的玻璃片200将通过常规的预加热通道被输送到 近似500C的最高温度。从那里开始，使用处理框架的玻璃片200与成形模201相匹配，如 图沈中的，并且工艺如之前所述的继续下去。本领域的技术人员在享有本公开的益处之后将认识到，对于本文所描述的实施方 式可做出修改和改变。可以在制造工艺的步骤中做出改变，可添加附加的步骤，可替换不同 的材料和使用等效的特征，所有这些都不偏离本发明的范围和精神。本公开仅仅阐述了某 些当前优选的实施方式和实施例，而不是企图描述包括在本发明的范围内的每个变化和实 施方式。因此本发明的范围由所附权利要求限定，而不限于在以上描述中阐述的具体实施 例。
权利要求
1. 一种太阳能聚光器装置，包括多个盘状整体反射器，其在由可移动的框架支撑的阵列中被共轴对齐，所述盘状整体 反射器具有焦点，并且适合于聚集太阳辐射，其中，多个所述盘状整体反射器每个都具有位 于所述盘状整体反射器的所述焦点处的转换器；两轴跟踪器，其支撑所述可移动的框架，所述两轴跟踪器适合于将所述可移动的框架 指向一个方向，使得盘状整体反射器的所述阵列被定位成接收太阳辐射；控制设备，其被耦合到所述两轴跟踪器，所述控制设备操作来移动所述两轴跟踪器，以 便在白天时间的相当大部分期间盘状整体反射器的所述阵列在太阳越过天空移动时连续 接收太阳辐射；以及，其中，所述转换器操作来在太阳辐射通过相应的盘状整体反射器被聚焦在所述转换器 上时产生电功率。
全文摘要
公开了具有用于聚集阳光的多个盘状整体反射器的两轴太阳跟踪器装置。盘状整体反射器在由可移动的框架支撑的阵列中被同轴对齐。可移动的框架形成两轴跟踪器的仰角结构，该两轴跟踪器具有用于追随太阳越过天空的移动的控制工具。每个盘状整体反射器产生适合于产生太阳能的聚集的阳光的区域。发生器被定位在每个反射器的焦点处。由于通过盘状整体反射器指向发生器的高太阳功率输入，优选的发生器使用光伏电池来以高输出功率产生电。
文档编号H01L31/052GK102105998SQ200980116969
公开日2011年6月22日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年5月12日
发明者沃伦·B·戴维森, 罗格·P·安杰拉 申请人:亚利桑那大学董事会