专利名称：散热防护物的制作方法
散热防护物相关申请本申请要求于2009年8月洸日提交的标题为“A Heat Spreading Shield(散热防护物)”的美国专利申请12Λ48，410的优先权，该美国专利申请12Λ48，410要求于2008 年 12 月 10 提交的标题为"Inner Diameter Shield for a Mirror in a Solar Energy Device (用于太阳能装置中的镜的内径防护物)，，的美国临时专利申请61/121，539的优先权，这两个申请据此通过引入被并入，如同为了所有的目的在本申请中完全阐述的。
背景技术：
通常知道，用于产生电力的许多已知技术中的一种技术涉及收获太阳辐射并将其转换成直流(DC)电。已证明太阳能发电是非常有效的和“环境友好的”能源选择，并且与该技术相关的进一步的发展继续增加对这样的发电系统的呼吁。除了实现在性能和尺寸上均有效的设计之外，还期望提供以降低的成本和增大水平的机械坚固性为特征的太阳能发电单元。太阳能集中器(solar concentrator)是增加将太阳能转换成DC电的效率的太阳能系统。太阳能集中器利用例如抛物面镜和菲涅耳透镜来聚焦入射的太阳能，以及利用定日镜来跟踪太阳的运动以便使曝光量最大。一种类型的太阳能集中器，在标题为 “Concentrator Solar Photovoltaic Array with Compact Tailored Imaging Power Unit (具有紧凑的特制成像发电单元的集中器太阳能光伏阵列)”的美国专利公布号 2006/0266408中公开，利用面板来使太阳能进入组件，用主镜和副镜来通过还被称为非成像集中器的光接收器将太阳能反射和聚焦至光伏(PV)电池(还被称为太阳能电池)上。这样的系统中的PV电池的表面积远远小于非集中系统所需的表面积，例如小于进入窗口表面积的1%。由于太阳光的聚焦强度，这样的系统在将太阳能转换成电的方面具有高效率。 镜系统一般集中了 500倍或更多倍的太阳光。跟踪器可以用于适当地调准集中器，使得太阳辐射被准确地反射到太阳能电池上。在太阳能集中器的跟踪器失灵或偏移(misalignment)的情况下，集中的太阳光会被部分地引导到主镜的表面而不是PV电池。在镜的表面上的集中的太阳光会导致镜体中的显著的热梯度。这可导致对镜的损坏例如翘曲、爆裂或破裂。明显地，镜是需要保护的太阳能集中器系统的重要部件。设想更有成本效益的方法来保护镜以免遭受集中的太阳光将有助于太阳能集中器设计的可靠性。
发明内容
本发明为一种用于太阳能装置的热传导系统。该系统包括防护物，该防护物由符合在太阳能装置中的曲面镜的凸面侧的热传导材料制成。镜可以具有大于50的直径对深度的长宽比的碗形状。镜的厚度可以小于5mm。本发明的防护物可以被布置在围绕镜中的孔的区域上并且通过降低镜上的热梯度来保护镜以免遭受集中的太阳辐射的影响。防护物可以提供用于经由被动的热传导来降低镜的区域上的温度差同时保持与PV电池热隔绝的通路。本发明的防护物的传导性(conductance)大于镜的传导性。防护物可以被放置在镜的非反射性的表面上，并且可以是与太阳能系统的光伏电池热隔绝的。由集中的太阳光产生的热可以从镜经由直接辐射转移到防护物或经由热传导转移到镜的内面。在一种实施方式中，防护物可以是位于镜的凸面侧的金属层。可以通过任何方法例如使用粘合剂或通过热/等离子体喷涂来固定防护物。防护物可以是可作为一个或多个条来应用的金属带。在一种实施方式中，防护物可以以具有被缝(seam)或间隙(gap)间隔开的端部的一个或多个条来应用。条的端部可以以提供在间隙或缝处对集中的太阳辐射的最少暴露的方式以同一方向被定向在镜阵列中。
图IA是示出同轴辐射和离轴辐射的太阳能装置的横截面。图IB描绘了具有热防护物的太阳能装置的部分的特写横截面。图2示出了本发明的热防护物的俯视图和仰视图。图3示出了本发明的热防护物的一种实施方式的分解图。图4A示出了在模块上的镜阵列的后视图。图4B示出了本发明的防护物的两种实施方式的特写，其指示在防护物条的端部之间的间隙或缝的方位。
具体实施例方式现将详细参考所公开的发明的实施方式，在附图中阐述实施方式的一个或多个实例。本发明的防护物可以保护主镜和集中太阳能装置的其它部件。图1中所示的一种类型的集中太阳能装置利用曲壳主镜110和副镜120来将太阳能集中和聚焦到光学非成像集中器130，该非成像集中器130将集中的太阳辐射引导到光伏(PV)电池140上。集中器可以被封装在接收器模块150中。接收器模块150可以位于孔160中，在该示例中孔160被居中定位在中空的主镜110中并用于保护PV电池外壳170以免遭受集中的太阳辐射。当太阳能装置沿入射的太阳辐射181的轴定向时，集中的太阳光被适当地引导到非成像集中器 130上。从集中器130，光被引导到PV电池140，用于转换成可使用的电能。图1的集中太阳能装置可以是例如在标题为"Concentrator Solar Photovoltaic Array with Compact Tailored Imaging Power Units (具有紧凑的特制成像供电单元的集中器太阳能光伏阵列)，，的美国专利公布号2006/(^66408中所公开的装置，该专利据此通过引用被并入。该装置可以被装配成装置阵列并被安装在跟踪装置上，以便沿正交于太阳的辐射的路径来引导它们。本发明的防护物装置可以保护主镜以免遭受由太阳能装置的离轴辐射(off-axis irradiation)造成的集中的太阳辐射。由于任何原因都可能发生离轴辐射182、183，例如当太阳能装置偏移时或当太阳能装置的运动不合时宜时。离轴辐射的其它源包括太阳跟踪装置的部分的或完全的故障。在主镜上的离轴辐射不同于PV电池140中的热积聚并会导致在镜的区域上的强的温度差，集中的太阳光的聚焦光束被引导到该区域。本发明的热防护物可以与可热耦合到PV电池的任何温度控制装置分开。当局部区域经历强的热梯度时， 镜上的温度差会导致镜的翘曲或破裂。本发明的防护物装置190，如在图IB中所示的，可以降低当集中的太阳光被引导到镜上时所产生的温度梯度。更均勻的温度确保更均勻的应力，更均勻的应力又降低超过镜材料的弹性极限或断裂强度的风险。在本发明的一种实施方式中，通过在更宽的面积上传导热能，该防护物可以降低由在镜的小部分上的集中的辐射造成的在区域上的温度梯度。通过用具有相对于通常使用的镜材料(例如玻璃或塑料) 的低的热传导性的更高的热传导性的材料(例如金属)提供热传导机理，这可以有利地提高镜的使用寿命。图IA和图IB阐明了在镜中热积聚的机理。由于如上文所描述的各种跟踪器和偏移误差，所以太阳能系统可以被定位成轻微地偏离正交于太阳的光线的轴，这可以允许入射辐射182被引向在接收器防护物150和镜110之间的空间，导致在镜110的凸面侧111 上发生局部的“热点(hot spot)”。当离轴方位度为更显著的183时，导致聚焦的太阳辐射更大偏离至主镜110的凹侧面112上的点，发生热积聚的第二实例。这些聚焦的辐射点产生镜的小部分的大的温度增加。其为镜的辐射区域和周围部分之间的温度梯度，温度梯度会导致镜破裂、爆裂或翘曲。当辐射部分的温度提高并且当使用更薄的镜材料(例如小于 5mm)时，镜损坏的可能性增加。本发明的防护物可以用于降低由集中的太阳辐射引起的在镜上形成的温度梯度。本发明的防护物190是热传导层，其可以被布置在中空的主镜110的凸侧面111 上，基本上围绕镜110的开口 160。本发明的防护物与镜热接触。在一种实施方式中，可以使用粘合剂层191(例如丙烯酸、丙烯酸酯、环氧树脂、硅氧烷或其它粘合剂)将防护物190 固定到镜110。粘合剂可以具有热传导性质。在另一种实施方式中，热防护物190可以包括可以提高防护物的发射率或耐久性性质的材料外层192例如聚合物或油漆涂层(例如丙烯酸)。聚合物层192可以在光谱的可见区和近顶区中是透明的以提供最佳的热能发射率。 外层192可以是高度反射的或高度发射的。外层可以比防护物的基本材料更具发射性。在一种实施方式中，外层192可以具有白色装饰(white finish)。防护物190可以由有效地传导热量的任何材料例如金属(例如，Al、Cu、Ag、钢和 Au)来制成。为了本公开内容的目的的术语传导性是材料的至少热导率和部件的厚度的函数。本发明的防护物装置可以是提供高于镜的热传导水平的热传导水平或传导性的任一厚度。金属带提供高的传导率值，允许从相对低的厚度具有优良的传导性质。在本发明的一种实施方式中，防护物可以是诸如例如3M 铝带之类的金属带的一个或多个条。防护物可以是提供足以将镜中的温度梯度降低至低于镜材料的断裂点的传导性的任一宽度。在一个非限制性实例中，本发明的防护物可以将镜中的热梯度从10°C /mm降至5°C /mm。本发明的防护物有利地提供在由薄的材料(厚度小于5mm)组成的具有高的长宽比的曲面镜中热梯度的降低。这样的‘中空的’曲面镜不是固体光学元件，并且可能不能够充分地将热量从大于5°C/mm的热梯度传导开。镜材料可以具有大于50的长宽比(直径/深度)并由薄的材料(厚度小于5mm)组成。在一种实施方式中，镜材料的厚度可以为约2mm。本发明的防护物可以将镜的局部区域的温度从大于100°C降低至小于65°C。在一种实施方式中，防护物的宽度可以为Imm-lOOmm，例如宽度为25mm。防护物的厚度可以在1 μ m至1000 μ m之间， 例如厚度在70 μ m至500 μ m之间。防护物可以应用为带的这样一个或多个条具有在带的端部之间的缝或间隙。这可以有利地改进带在主镜的弯曲几何形状上的应用。在一种实施方式中，带可以以两个或更多个部分来应用，以便符合曲面镜的复合曲线。在可选择的实施方式中，防护物可以是被固定到镜以围绕开口的冲压金属盘(stamped metal disk)。防护物可以是具有变化的厚度以符合曲面镜并通过粘合剂固定的冲压金属盘。注意到，虽然在本公开内容中将防护物的实施方式描述为环形环，但其它的构型是可能的，例如多边形或曲线形状，其可以被设计成穿过防护物的表面区域实现所期望的热曲线。在其它的实施方式中，防护物可以是热或等离子体喷涂的诸如金属(例如Al、Cu) 的传导材料层。在一种实施方式中，防护物可以具有递减的或平滑的边缘，以在防护物的边缘附近提供防护物材料的厚度梯度。缓慢地改变厚度可以有利地避免传导性的空间梯度并减少在防护物的边缘处损坏镜的风险。提供递减边缘的另一个益处可以是被喷涂的金属体积与均勻厚度的喷涂相比可以被减小，导致降低的制造成本。在图2的实例I中示出本发明的装置的优点。在镜的凸侧面211上的防护物四0(仰视图)可以有效地将热量从镜的高温区域传导开，同时不堵塞或减少凹面侧镜212 的反射表面(俯视图)。还可以看出，镜孔260基本上未被防护物覆盖，有利地将与PV电池相关的热调节机制与本发明的热传导方式分开。在图2的实例II中所示的本发明的一种实施方式中，防护物293可以向镜的孔260伸出，以对被布置在镜孔260下方的太阳能系统的任何组件提供另外的保护以免受到集中的太阳光，同时保持与太阳能电池分离。在该实施方式中，可以例如通过物理分离或热绝缘材料的存在而将太阳能电池和接收器组件(未显示)与本发明的防护物装置热隔绝。图3阐释本发明的一种实施方式，在该实施方式中，防护物可以是金属带的一个或多个条301，例如被布置成端对端并应用到主镜阵列300中的主镜311的凸面侧的两个半圆形的部件。带可以以一个或多个条来应用，以适应平滑应用到曲主镜的复合曲线。条的端部可以在条之间的缝或间隙处接触并且可以被基本上同一地定位在阵列300中的镜311 上。在一些实施方式中，间隙或缝的宽度可以小于1英寸。图4A示出了主镜阵列400的后视图。在本发明的实施方式中(在图4B中所详述的)，本发明的金属条的端部之间的空间可以是间隙402 (图4B的“ I ”)或缝403 (图4B的“ II ”)。对于被布置在模块400中的所有的镜411，金属条的端部可以相对于模块的侧边405以同一方向定位，如在图4A中所示。 金属条的端部的位置和方位可以提供镜的未保护区域对由集中的太阳能系统的离轴辐射导致的热点的减少的暴露。当离轴误差由跟踪时间的延迟或提早造成时，由于系统沿太阳路径而行，则热点会存在于主镜上的东-西方位。当离轴误差由跟踪系统的横向位移造成时，由于系统沿太阳路径而行，则热点会存在于主镜上的北-南方位。在本发明的一种实施方式中，在一个或多个防护物条的端部之间的间隙或缝可以被定向成相对于主镜阵列411 的侧边405约43° -47°角度。在本发明的另一种实施方式中，在一个或多个防护物条的端部之间的间隙或缝可以被定向成相对于太阳的东-西路径约43° -47°角度。这些方位可以有利地使在金属防护物条的端部上的热点的出现最少。虽然已经关于本发明的具体实施方式
详细地描述了本说明书，但应明白，本领域技术人员在获得上述内容的理解之后可以容易地设想对这些实施方式的变更、这些实施方式的改变和这些实施方式的等同物。可以由本领域普通技术人员实践对本发明的这些和其它的修改和改变，而不偏离本发明的精神和范围，本发明的精神和范围在所附权利要求中更具体地阐述。此外，本领域普通技术人员应明白，上述描述仅仅是作为实例，且并不意图限制本发明。因此，预期本主题涵盖落入所附权利要求的范围的这样的修改和改变及它们的等同物。
权利要求
1.一种用于太阳能装置的热传导系统，包括中空的曲面镜，具有凸面侧、凹面侧、孔以及第一传导性；防护物，符合所述镜的所述凸面侧并且围绕开口的一部分，所述防护物具有第二传导性；以及光伏电池，用于将太阳辐射转换成电能；其中，所述防护物的第二传导性大于所述曲面镜的第一传导性，并且所述防护物是与所述光伏电池热隔绝的。
2.如权利要求1所述的热传导系统，其中，所述防护物包含金属带。
3.如权利要求1所述的热传导系统，其中，所述中空的曲面镜具有小于5mm的厚度。
4.如权利要求1所述的热传导系统，其中，所述防护物包含具有孔的冲压金属盘。
5.如权利要求1所述的热传导系统，其中，所述防护物包含通过热喷涂固定到所述曲面镜的材料层。
6.如权利要求2所述的热传导系统，其中，所述金属带包含围绕所述孔的一个或多个条，所述条具有端部。
7.如权利要求6所述的热传导系统，其中，所述金属条的所述端部被间隙或缝间隔开。
8.如权利要求6所述的热传导系统，还包括太阳能装置的阵列，其中所述阵列的侧边相对于太阳的光线的轴来定向，并且所述带的所述端部被定向成使射到所述端部处的离轴辐射最少。
9.如权利要求7所述的系统的热传导，其中，所述间隙或缝的宽度小于1英寸。
10.如权利要求8所述的热传导系统，其中，所述金属带的所述端部被定向成相对于所述太阳能装置的阵列的侧边成43° -47°角度。
11.如权利要求2所述的热传导系统，其中，所述金属带包括从由铝、银、金、铜、钢和铁组成的组中选择的金属。
12.如权利要求2所述的热传导系统，其中，所述金属带被用粘合剂固定到所述镜。
13.如权利要求1所述的热传导系统，其中，所述防护物向所述孔伸出。
14.如权利要求1所述的热传导系统，其中，所述防护物还包括聚合物层。
15.如权利要求14所述的热传导系统，其中，所述聚合物层相比于所述防护物具有更高的热发射率。
16.如权利要求1所述的热传导系统，其中，所述防护物具有朝所述防护物的边缘平滑地减小的厚度。
17.一种用于降低在太阳能集中镜的一部分上的温度差的方法，包括 提供中空的曲面镜和光伏电池，其中所述镜包括凹面侧、凸面侧和孔；以及将防护物固定到所述曲面镜的凸面侧的一部分；将所述防护物与所述光伏电池热隔绝；其中所述防护物包括热传导材料，所述热传导材料围绕开口的一部分，符合所述曲面镜的形状。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述热传导材料包括金属带。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述金属带包括被间隙间隔开的一个或多个条。
20.如权禾腰求17所述的方法，其中，所述间隙被定向成相对于太阳路径成43°-47°角度。
全文摘要
本发明为一种用于太阳能装置的热传导系统。该系统包括防护物，该防护物由符合太阳能装置中的中空的曲面镜的凸面侧的热传导材料制成。本发明可以经由被动的热传导来降低在镜的区域上的温度差。本发明的防护物的传导性大于镜的传导性。防护物可以是诸如金属带的金属层。带可以作为具有被缝或间隙间隔开的端部的一个或多个条而应用。条的端部可以以提供在间隙或缝处对集中的太阳辐射的最少暴露的方式以同一方向被定向在镜阵列中。
文档编号H01L31/052GK102246321SQ200980149504
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月7日 优先权日2008年12月10日
发明者伊万.格林, 迈克尔.米尔本, 马克.麦克唐纳 申请人:索尔福克斯股份有限公司