太阳能聚集器系统的制作方法

专利名称：太阳能聚集器系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及由太阳能发电，具体涉及用于聚集太阳能以发电的系统和方法。
背景技术：
传统的光电(PV)系统通过直接暴露到太阳下而发电，即，其被设计为用于基本1 个太阳的操作。相反，聚集器PV系统依靠光学设备(例如发射镜)来将相当于一个以上太阳的太阳辐射聚集到太阳能收集器上。聚集器PV系统在尺寸上的规模不同于传统的平板光电系统，其中，传统的平板光电系统被制作为用于基本1个太阳的操作。传统PV通过添加更多面板(即，表面积)进行缩放，以产生不同量的电。然而，增大特定系统的功率输出需要额外的PV电池，并且大面积的半导体PV电池较昂贵。聚集器PV使用光学设备来增大落在昂贵的PV电池上的太阳能， 减少PV系统的成本。聚集器系统已试图追踪太阳在天空中的相对运动，从而在一天当中允许太阳能的有效光学聚集。重要的是，应注意，太阳相对于特定地理位置的角度在全年当中 (即所有季节期间)也改变。此外，缩放用于聚集器系统的凸透镜光学系统的尺寸以调节功率输出量受到形成更大聚集器所需材料量的限制。抛物面是能够将平行光束反射到一点的具体形状。其能被缩放到任何尺寸，但形状总是保持相同。用于缩放抛物面的常用参数是焦距f。对于给定焦距，通过增大聚集器的物理反射部分的直径d而增大抛物面聚集器的活动面积。理论上，具有最高光学性能的设备只不过是围绕光轴对称的所可能的最大的、沿着该轴聚集入射光的抛物面反射镜。然而，抛物面往往使用大量材料，难以在变化的重力和风力负载下保持形状的同时精确地构造，并需要相当大的结构来追踪天空中的太阳。因而，存在对具有能量效率、成本效率并追踪太阳在天空中的运动的太阳能聚集器系统的需求。

发明内容
本发明在第一方面中提供一种太阳能聚集器系统，其包括支撑结构和连接到上述支撑结构的多个太阳能模块。上述多个太阳能模块中的每个模块包括多个菲涅耳反射镜。 上述多个反射镜被布置成将太阳辐射线性地聚焦在光电池或光电池的阵列上。上述支撑结构可旋转地连接到多个支撑构件并被对准，以允许上述支撑结构围绕极轴旋转。多个光学构架连接到上述多个太阳能模块，并可旋转地连接到上述支撑结构，以允许上述多个太阳能模块绕赤纬轴旋转，从而在一年所有季节中追踪太阳的运动。本发明在第二方面中提供一种用于太阳能聚集的方法，其包括将多个太阳能模块连接到支撑结构。上述太阳能模块的每个模块包括多个菲涅耳反射镜。上述多个反射镜被布置成将太阳辐射线性地聚焦在光电池或光电池的阵列上。上述支撑结构可旋转地连接到多个支撑构件并被对准，以允许上述支撑结构围绕极轴旋转。多个光学构架连接到所示多个太阳能模块，并可旋转地连接到上述支撑结构，以允许上述多个太阳能模块围绕赤纬轴旋转，从而在一年所有季节中追踪太阳的运动。


被认为是本发明的主题特别在总结说明书的权利要求中指出和清楚地要求保护。 本发明的上述和其他目的、特征和优点将根据以下结合附图的优选实施例的详细描述变得明显，其中图1为根据本发明的太阳能聚集器系统的支撑结构的顶部正视图；图2为根据本发明的包括图1的支撑结构的太阳能聚集器系统的顶部正视图；图3为图2的一部分的立体图；图4为图2的系统的侧部正视图；以及图5为用于图1的系统的菲涅耳反射镜的模块的立体图。
具体实施例方式根据本发明的原理，提供一种用于聚集太阳能来发电的太阳能聚集器系统和方法。在图1所示的示例性实施例中，太阳面板系统10包括安装在支撑构件或塔架30 上的支撑结构或框架20。框架20可旋转地连接到多个光学构架40，该多个光学构架40支撑多个太阳能聚集器反射镜模块50。如图1所示，框架20包括与南构件135相对的北构件125以及与西构件140相对的东构件130。南北连接构件150将北构件125与南构件135连接。东西连接构件155将东构件130与西构件140连接。东西连接构件155和南北连接构件150在中心区域160彼此连接。系统10被图1所示的构件分成四个象限第一象限170、第二象限180、第三象限 190和第四象限200。如图2所示，每个象限可包括支撑太阳能电池板模块50的多个光学构架40。例如，每个象限可包括5-10(例如，7-9)个连接到框架20的光学构架，在图1中的每个象限中示出了六个这种构架。如所指出的，光学构架40可通过许多方式连接到框架20，使得光学构架40可由对电机或致动器进行驱动以引起所需旋转的控制器201控制。例如，每个构件可包括具有齿轮的销，该齿轮可被接纳在具有相对接合齿轮的承窝里，该相对接合齿轮由安装在框架20 上的电机210驱动。电机可由连接到该电机的控制器201控制，由此允许控制器控制光学构架相对于框架20的旋转。在另一示例中，电机210可以连接到与每个光学构架40相连接的连杆211，使得电机可以驱动连杆以同时使得每个光学构架40旋转。连杆211可以是可旋转地连接到与光学连杆40直接相连的可旋转连杆212的连接构件，使得连杆211的线性运动使光学构架40旋转，以提供赤纬运动(declination motion) 0在进一步的示例中， 液压缸可以被用于使拉杆移动。在又一进一步的示例中，每个光学构架可具有在一端与其固定的轮子。缆索或绳索可以绕着该轮子卷绕，并且该缆索或绳索可以被固定到拉杆。拉杆的线性运动对光学构架中的每一个施加相同的旋转，以提供赤纬运动。进一步，可提供多个电机，从而在控制器(诸如控制器201)的控制下使可适用构架中的一个或多个旋转。如图4所示，框架20可以被可旋转地连接到的塔架30。塔架30和/或框架20可包括使框架20相对于塔架旋转的(多个)电机。例如，框架20可以围绕旋转连接器220 相对于塔架30旋转，以允许框架20由电机230驱动，其中电机230由控制器200控制。如上述关于光学构架和电机210所述的，电机230可连接到框架20，使得由控制器201控制的电机230使框架20围绕连接器220旋转。例如，电机230可以通过连杆、缆索或绳索连接到框架20。在另一示例中，液压缸可驱动拉杆以使框架20旋转。控制器201可以被安装到塔架30、框架20之一或者任一位置，使得控制器可以连接到驱动光学构架(例如，光学构架40)的(多个)电机(例如，电机210)和/或相对于塔架30驱动框架20的(多个)电机(例如，电机230)。旋转连接器220可以是连接到框架20和塔架30的轴承支架，以便于框架20与塔架30之间旋转。塔架可具有固定到地面的固定地基。塔架提供强度，以将来自系统10的力(包括重力、风力、地震和惯性力)传递到地面。框架20相对于塔架30的运动允许系统10通过围绕第一极轴5 (图1和4)旋转而在全天追踪太阳的运动，其中第一极轴5对准为与地球的旋转轴平行。如图4所示，北塔架31可高于南塔架32，以便于系统10在北半球面向太阳。框架20在塔架之间的安装以及框架20围绕极轴的旋转允许系统10在全天追踪太阳的运动。塔架的高度被配置为用于北半球，如果使用在南半球则相反(即，南塔架将高于北塔架)。如图4所示的系统10的角度大致对于中午而确定(即，在西构架140和东构架130相对于地面的表面基本等距离的状态下水平)，然后被旋转，使得随着框架20围绕极轴旋转，在这天的其余时间(S卩，从中午之后)西构架140向下移动，而东构架130向上移动。因而，框架20通过电机的驱动在全天围绕极轴旋转，以追踪太阳每天的视动(apparent movement)。如上所指明的，光学构架40可旋转地连接到框架20，并可由通过控制器(例如控制器200)控制的一个或更多电机(例如电机210)驱动。光学构架可相对于彼此以及北构架125和南构架135平行，并且同时与极轴5基本垂直。光学构架围绕基本垂直于极轴的赤纬轴的旋转提供跟踪太阳(即，在一年中的所有季节跟踪太阳)的赤纬角。更具体地，除了框架20在全天相对于太阳运动的每日运动之外，光学构架的旋转(例如，每天在系统10 工作之前)允许系统10基于季节而朝向太阳的最佳方位，以提供系统10的最佳效率。光学构件40中的每个光学构架包括被配置为引导太阳辐射的多个模块50(在图 2-3中由‘X’表示并在图5中示出)。如图5所示，模块50的第一模块55包括被布置为2 轴聚集的1轴聚光镜的菲涅耳阵列。该阵列包括多个由反射材料构成的带400，其基本沿1 维弯曲从而允许太阳能的线性聚集。所述带可安装在带支撑结构410上，该带支撑结构410 安装在光学构架40之一上。带400中的每个带大致为抛物线，并形成线性聚焦。所述带被布置成使得线性焦点基本叠加，由此形成聚集的太阳能的大致均勻的双轴区域。带400为菲涅耳反射镜，其相对于传统反射镜减少特定尺寸的透镜所需的材料量。所述带通过模块 55的所有带400被布置成基本平行的阵列，从而在位于模块55上方的聚集器PV芯片的密集阵列310(图3)的第一密集阵列311上聚集基本恒定的辐照度。第一密集阵列311被支撑在衬底321上，该衬底321由第一模块55上方的支撑结构311支撑。带400中的每一个可基本为6到60英寸宽，且整个阵列或模块在一侧上可基本为3到30英尺。例如，安装在模块阳上的带400中的其中一个可以为8英寸宽乘4英尺长，而模块55可以为四英寸宽乘四英寸长。多个带400因而可如图5所示使用在模块55上。带400的使用(即，被布置为2轴聚集的1轴聚光反射镜的菲涅耳阵列)在规模和技术上是对现有技术的改进。带400 相对于标准实践(例如，与非聚光或非菲涅耳系统相比)允许每个设备收集更多的太阳能功率，并且由所述带提供的经聚集的能量在辐照度上基本恒定，从而提供从太阳辐射到电的更高的能量转换效率。如上所述，抛物面是能够将平行光束反射到一点的具体形状。菲涅耳聚集器(例如，带400)以与连续抛物面一样的方式工作。除了对称之外，菲涅耳聚集器的每个反射镜元件(例如，每个带400)都是具有不同的焦距f的不同抛物面的一部分，其在空间中被布置成使得每个元件的焦点在焦平面中位于相同点处。聚集器PV芯片的多个密集阵列310如图所示被支撑在模块50上方的多个衬底 320上。每个密集阵列310响应对从每个模块50引导的、来自太阳的辐射的吸收而发电。 具有基本恒定辐照度的经聚集的太阳能允许使用各种聚集器PV芯片技术(例如，AlGaAs/ GaAs聚集器电池的单片集成模块)、竖直多结硅聚集器PV电池或诸如光谱三结电池的电池。每个密集阵列310都可以在一侧上基本为1至10英寸乘6至60英寸。支撑结构300 相对于模块50 (例如，在其上方)支撑密集阵列310，其中每一个模块50包括菲涅耳反射镜阵列(例如，带400)。使用聚集器PV芯片的密集阵列310来接收经反射的太阳辐射是对当前的在单个聚集器PV芯片上进行聚集的实践的改进。单个芯片相对于密集阵列产生更少量的功率和更低的电压、更高的电流输出。密集阵列还允许更小直径的金属丝更有效地收集更大功率。 另外，密集阵列对于大量的电子器件提供单个排热设备，而不是当前实践中的许多排热设备。支撑在衬底320上的密集阵列310可通过主动排热或被动排热而被冷却。进一步，系统10可包括如所述的密集阵列310，或者多个这种密集阵列可安装在支撑结构300上，且可从模块50接收经反射的太阳辐射。如上所述，传统聚集器PV系统在尺寸上的规模不同于被制成用于基本1个太阳操作的传统平板(即，非聚光)光电系统。传统PV通过添加更多面板进行缩放，因而添加更多的表面积来进行发电。传统PV的问题为需要大面积的昂贵的半导体PV电池。聚集器PV 使用光学设备来增大落在昂贵PV电池上的太阳能，从而(即，通过使用更少的PV电池)降低PV系统的成本。聚集系统通过追踪太阳得到增强，以允许光学聚集1个太阳的能量的大致100到1000倍的能量。然而，用于聚集器系统的凸透镜光学系统的简单缩放受所需材料量的限制。如包括在系统10中的菲涅耳透镜减少了对于特定尺寸的透镜所需的材料量。与用于受相应支撑结构上的风力负载限制的传统聚集系统的大约100平方米相比，菲涅耳透镜聚集器系统可包括高达大约几平方米的透镜。菲涅耳透镜聚集器系统还可以包括高达几百平方米的多透镜阵列。控制器201可包括多种存储器、电源以及各种模拟和数字输入和输出。控制器201 还可以是一个计算单元或多个连接的计算单元。控制器201可连接到传感器和致动器，以提供系统10的安全最佳控制。例如，控制器201可以连接到风力传感器、雪传感器、雨传感器或其他气象传感器，以确定系统10周围的环境条件。由任何(多个)这种传感器提供给控制器201的信息可允许控制器201使光学构架相对于框架和/或使框架相对于塔架自动旋转，从而使由环境条件产生的对系统10的任何潜在损害最小化。例如，光学构架和/或框架可在暴风雪期间或在暴风雪之前旋转(例如，通过由控制器201控制的电机)，从而抑制雪聚集在构架或聚集器PV芯片的密集阵列上。在这种暴风雪结束之后，可以旋转构架， 以使得被设置用于模块的2轴聚集的1轴聚光镜的菲涅耳阵列可以被旋转，以抛掉雪冰开始作为太阳能聚集器操作。进一步，风力通常是太阳能聚集系统上的控制力。在一个示例中，控制器201可控制电机以使框架相对于水平位置旋转，从而使框架上的风力最小化。而且，光学构架可被旋转，从而使光学构架以及被支撑在光学构架上的模块的被设置用于2轴聚集的1轴聚光镜的菲涅耳阵列上的风力最小化。在进一步的示例中，在基本静止的空气中落下的灰尘以及在移动空气中被吹起的尘土可能是局部的天气问题。框架20和/或光学构架40可以被旋转，以使得灰尘仅落在模块的边缘表面上，而并不累积在其操作表面上。同样，光学构架可被旋转，从而使被设置用于模块的2轴聚集的1轴聚光镜的菲涅耳阵列的、暴露于被吹起的尘土下的面积最小化。在阳光充足的条件下，控制器201可通过(多个)温度传感器监控密集阵列的温度，以保障有效操作并确保排热适合于散热或适合于使用。例如，热传递流体可流过管道系统(未示出)，以提供这种热传递(例如，PV电池的密集阵列的冷却)，并且热传递流体的这种流动可由能够通过一个或更多泵调节流体的流动控制器201控制。控制器201还可通过各部件上的传感器监控系统10的各种部件(例如，框架20 和光学构架40以及模块50)的位置，或可基于使这些部件移动的(多个)电机的移动来计算这些位置。控制器201可进一步包括地理定位系统(GPS)技术，这可允许控制器201对于最佳赤纬追踪将光学构架相对于框架20自动调节到何种程度。例如，GPS技术可允许控制器 201基于系统10距赤道的距离调节旋转。因为双支撑允许聚集器的活动面积的尺寸大致变为四倍，所以2轴分离轴菲涅耳追踪系统(即，使用围绕极轴并相对于塔架30可旋转的框架20以及围绕赤纬轴并相对于框架20可旋转的光学构架)是对当前实践的改进，这是因为通过旋转的追踪允许更多个反射镜在全天和全年期间面对太阳。另外，极-赤纬(即，框架20围绕极轴5的旋转以及光学构架40相对于框架20的旋转)追踪几何结构在机械上是最为有效的。相对于两个轴，底架(即，框架20)和多个光学构架(即，光学构架40)的旋转基本围绕轴的质量中心。这在保持致动器或电机所需的较大的力的同时允许更低功率的致动器(例如，电机、活塞等)。 而且，极-赤纬追踪技术利用提供能与任何太阳能聚集应用匹配的追踪精度的两个轴的最简单、最慢运动与太阳的运动匹配。在一个示例中，系统10可包括3M个模块50，每个模块具有安装在光学构架40上的带400的阵列(例如，菲涅耳光学镜)，带400(即，每个模块)的每个阵列在面积上大约为lm2。框架20可为19. 5m(北/南向)乘19. 8m(东/西向)。框架通过主干构架(即， 南北连接构架150)而沿着N-S轴分割为彼此连接的两个更小的框架。接收器/焦点(例如，密集阵列310)位于支撑结构(例如，支撑结构300)上的光学镜(例如，包括带400的模块50)的中心上方大约19. 75m处。更短的南端塔架(例如，塔架3 可以抵抗来自塔框架的轴向负载以及来自框架(例如，框架20)的扭转负载。更高的北端塔架(例如，塔架31) 可以仅抵抗来自风力和框架重量的轴向负载。而且，支撑框架(例如，框架20)相对于沿着 N-S轴的水平位置的倾角由坐落纬度(例如，对于Peoria、Illinois，纬度为40. 74° )规定。太阳能聚集器(例如，系统10)可围绕N-S轴(沿着主干构架的轴)旋转。进一步，在早晨位置，支撑框架(例如，框架20)近似竖直，在中午(或安装)位置，支撑框架大约平行于水平位置。 尽管在此已详细图示和描述了优选实施例，对于本领域技术人员明显的是，在不脱离本发明的精神的情况下，可进行各种修改、添加、替换等，并且这些因此被视为位于以下权利要求所限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种太阳能聚集器系统，包括支撑结构；连接到所述支撑结构的多个太阳能模块，所述多个太阳能模块中的每个模块包括多个菲涅耳反射镜；所述多个反射镜被布置为将太阳辐射线性地聚焦在光电池上；所述支撑结构可旋转地连接到多个支撑构件并被对齐，以允许所述支撑结构围绕极轴旋转·’以及多个光学构架，其连接到所述多个太阳能模块并可旋转地连接到所述支撑结构，以允许所述多个太阳能模块围绕赤纬轴旋转，以在全年的所有季节中追踪太阳的运动。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括驱动器，所述驱动器连接到所述支撑结构并包括多个致动器，所述多个致动器连接到所述支撑结构并被配置成使所述支撑结构围绕所述极轴旋转以及使所述光学构架围绕所述赤纬轴旋转。
3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括连接到所述驱动器的控制器，所述控制器被配置成控制所述驱动器来调节所述支撑结构围绕所述极轴的旋转以及所述多个光学构架围绕所述赤纬轴的旋转。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个支撑结构由两个塔架组成，所述两个塔架在地面的表面上方支撑所述支撑结构。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个光学构架被对准为基本垂直于所述极轴ο
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个模块中的每个模块包括大约16平方英尺的面积。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个模块中的每个模块包括多个菲涅耳反射镜，其中，所述多个反射镜中的每个反射镜具有大约8英寸的宽度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个菲涅耳反射镜包括多个被设置用于双轴聚集的单轴聚光镜。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电池包括聚集器光电池的密集阵列的第一光电池。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支撑结构包括位于所述多个模块的周界的框架。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支撑结构包括4个象限，并且每个象限包括所述多个光学构架中的约7个光学构架。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个支撑构件包括第一支撑构件和第二支撑构件，其中，所述第一支撑构件具有比所述第二支撑构件更大的高度，所述第一支撑构件相对于所述第二支撑构件距赤道最远，并且所述第一支撑构件和第二支撑构件相对于彼此在所述极轴上对齐。
13.一种用于聚集太阳能来发电的方法，包括提供连接到支撑结构的多个太阳能模块，所述多个模块中的每个模块包括多个菲涅耳反射镜；布置所述多个反射镜，以将太阳辐射线性地聚焦在光电池上；将所述支撑结构可旋转地连接到多个支撑构件，并对齐所述支撑结构，以允许所述支撑结构围绕极轴旋转；以及将多个光学构架连接到所述多个太阳能模块，并将所述多个光学构架可旋转地连接到所述支撑结构，以允许所述多个太阳能模块围绕赤纬轴旋转，以在全年的所有季节中追踪太阳的运动。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将驱动器连接到所述支撑结构，所述驱动器包括多个致动器，所述多个致动器连接到所述支撑结构并被配置成使所述支撑结构围绕所述极轴旋转并使所述光学构架围绕所述赤纬轴旋转。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括由连接到所述驱动器的控制器控制所述驱动器，以调节所述支撑结构围绕所述极轴的旋转以及所述多个光学构架围绕所述赤纬轴的旋转。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个模块中的每个模块包括多个菲涅耳反射镜。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个菲涅耳反射镜包括被配置用于双轴聚集的多个单轴聚光镜。
全文摘要
太阳能聚集系统包括支撑结构和连接到支撑结构的多个太阳能模块。上述多个太阳能模块中的每个模块包括多个菲涅耳反射镜。上述多个反射镜被布置成将太阳辐射线性地聚焦在提供双轴聚集的光电池上。上述支撑结构可旋转地连接到多个支撑构件并被对准，以允许上述支撑结构围绕极轴旋转。多个光学构架连接到上述多个太阳能模块，并可旋转地连接到上述支撑结构，以允许上述多个太阳能模块围绕赤纬轴旋转，以在一年的所有季节中追踪太阳的运动。
文档编号H02N6/00GK102177649SQ200980126557
公开日2011年9月7日 申请日期2009年6月19日 优先权日2008年6月19日
发明者戴维·博顿 申请人:太阳能时代科技有限公司, 戴维·博顿