专利名称：辐射能收集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对辐射能收集装置的改进，具体地说，涉及一种改进了的太阳能聚集装置。
通常把太阳能收集器装成在能量收集介质中获得高温的方式。过去，采用抛物面形聚集镜实现太阳能的聚集。通常采用圆柱形抛物面聚集器，因为它们花钱不多，然而，这种聚集器不能获得高的聚集比。而采用球形的抛物面形聚集镜可以很容易地获得高的聚集比，但是，这种镜子对于太阳能加热的应用来说过于昂贵。
为了用带有主圆柱形抛物面聚集器的一个圆柱形抛物面镜系统得到高的聚集比，可以设置另外的第二系列圆柱形抛物面镜，与主镜的焦线垂直，并放置在主镜的焦点处。此第二镜把能量聚集到携带一种热吸收介质的收集管线上。在属于WEEKS的美国专利No.4281640中示出了这样一种装置。
然而，当太阳在任何位置时，不能把第二抛物面镜放置成正好垂直于主镜(它正好是在顶部)的焦线，从而使得第二镜的反射表面中的一个不小的部分将处在离开主镜的焦线一定距离处。
因此，必须延长每个第二镜的长度，以便在更宽的面积收集来自主镜的太阳光，同时大面积的第二镜将超出来自主镜的光线的焦点。另外，要求增加与第二镜有关的收集管线的长度。
这种第二镜不能利用主镜可用的最大聚集比，这显著地降低了这种结构的总的最大聚集比。此外，每个第二镜的长度较长显著地增加了它们的成本。还有，收集管线较长也增加了热损失。
在太阳能聚集器的结构中，通常经过一个管线系统传送收集热和传输热的介质。管线的热收集段(太阳能就是在这一段上被聚集)必然处在高温下，并特别容易有再辐射的热损失。为了使这种热损失减到最小，常常用一根玻璃管把热收集管线包起来，并使里面的收集管线与玻璃管之间的空间维持在高真空。为了使热损失减到最小，维持这种真空通常有本质的重要性，但是，这种真空常常是难以实现和维持的。温度较低的外部玻璃管和高温的热收集管线产生不均匀的纵向热膨胀，使外面的玻璃管容易破碎。
本发明的目的是克服或显著地改善上面所述的缺点中的一个或多个，并使这样的系统在野外更有用。
按照本发明的一个方面，提供了一种辐射能收集组件，它有一个圆柱形抛物面形的主收集反射器组件，把能量聚集到一根焦线上。设置了一对细长的平行侧面平面反射器，它们平行于主收集反射器组件的主轴的平面，并被设置成与主收集反射器的主轴距离相等并在其两侧。把平行反射器放置成使它们的靠近主反射器组件的边缘基本上在主反射器组件的焦线处，或在该焦线附近，从而使得在平行的反射器中保持对光线最大程度的聚集。上面说到的平行侧面反射器的边缘是直线的，并位于一个共同的平面中。
细长的平面反射器被设置成离开一定距离，使得可以把主收集反射器组件所聚集的太阳光线收集到它的焦线上，并使得可以收集由于在主收集反射器组件的形状上的微小误差而没有被精确地聚焦到其焦线上的太阳光，也使得可以在主收集反射器组件中使用平的菲涅耳镜。
在纵向的平面反射器之间装有第二圆柱形抛物面聚集反射器，形成了第二聚集组件。第二聚集反射器的长度使得在第二抛物面反射器的相对的端部与每个纵向的平面反射器的内表面之间只有一个小的间隙。第二抛物面反射器的主轴的平面基本上垂直于主反射器组件的主轴的平面。
把第二抛物面聚集反射器设置成可以关于它们自己的个别的焦线旋转。每个第二反射器的焦线是第二反射器可以关于它旋转使得第二反射器的主轴的平面总与由主反射器组件反射的太阳光线平行的那条线。包括侧面反射器的边缘的共同平面平行于或基本上平行于第二抛物面反射器的焦线。
最好，第二反射器的反射表面不超过或基本上不超过第二反射器的抛物线的正焦弦。这就是说，第二反射器不越过或基本上不越过经过该焦线并垂直于该反射器的主轴伸展的平面。
最好，使第二反射器的焦线由平行的平面反射器的近处边缘向后离开一段距离，因此由主反射器组件的焦线向后离开一段距离，这使得当使第二反射器关于它们自己的个别焦线旋转时，在第二反射器越过平行的纵向反射器的近处边缘的部位，第二反射器的抛物线的切线和纵向的平面反射器的边缘之间的夹角(即在该部位包括第二反射器的焦线的那个角度)在使用过程中将基本上不小于90度。
在本发明的一个优选的方面中，第二反射器和平面的侧面反射器被支承在一个主框架和一个有弧形导轨(它被紧固到每个第二抛物面反射器的背面上)的支承件上。把该导轨制作成总与第二反射器的焦线有相等的距离，这是靠使该导轨以焦线为中心，并使它总位于第二反射器的反射表面的后面。把引导件装到支承着平行的反射器的主框架上，使得与导轨接合，并对第二反射器进行限制，总保持一个基本不变的焦线。最好经过连接到支承件上的一个连接组件把第二反射器彼此连接起来，该连接组件的运动将调节所有第二反射器在一对侧面反射器之间的枢轴位置，使第二反射器的主轴保持与由主反射器组件反射的太阳光线对准。
一个管形的能量收集件沿着每个第二反射器的焦线伸展，该管形件携带着一种能量吸收介质(比如一种油)，这种介质被第二反射器所聚集的光线加热。该件最好为管形，并且可以涂有或设有一个黑色的外抛光层，为的是使能量的吸收最大。最好把该件连接到一根共同的多支管上，热吸收介质流过该多支管。
主反射器组件最好由多个平面的薄镜构成，它们彼此平行地伸展，并成一定角度，把太阳光聚集到一根焦线上，焦线的长度由每块镜子的宽度确定。
第二抛物面反射器可以包括任何适当的反射表面(比如镜子表面，或高度抛光了的金属)，也可以为一系列菲涅耳构形的镜子。
把辐射能收集装置设置成跟踪太阳的运动，例如靠关于一根竖直的轴或一根水平的轴旋转。为此目的，使主反射器的主轴的平面运动，使得该平面总包括太阳。这样，如果把反射器组件安装成关于一根水平的轴旋转，该组件就关于该轴作枢轴转动，保持上述平面处于当太阳由东到西运动时它总包括着太阳的位置。另外，在把该组件安装成关于一根竖直的轴旋转的情况下，使该组件转动，保持太阳总在主反射器的主轴的平面中。在另一种构形中，可以使组成主反射器的反射件个别地跟踪太阳，把焦点保持在第二聚集组件(该件保持一个固定的位置)附近的一根固定的线上。
图1为一个平面图，示出按照本发明的太阳能收集组件的列阵的配置；图2为一个端视图，示出一对互相靠着的太阳能收集组件；图3为一个侧面正视图，示出以端部对着端部的关系连接起来的多个太阳能收集组件；图4移去了一个侧面镜，从而以侧面视图的形式示出了第二反射镜组件的一部分和调节机构；图5为图4的第二反射镜组件在图4的I方向的端部视图；图6为与第二反射镜组件有关的能量收集件和多支管的放大视图；图7为一个剖面侧视图，示出了能量收集件和它有关的管路与多支管之间的连接；图8为一个透视图，示出了图2到5所示的那种类型的太阳能收集组件的一般设置；图9示出了第二反射器收集被主反射器组件反射和转换的来自太阳的辐射能的方式；以及图10和11示意性地示出了第二反射器聚集组件的侧视图和端视图。
参见附图，首先参见图1，该图示出了按照本发明的辐射能(适宜于太阳能)聚集组件11的列阵10，它被设置在一个平台组件12上，或者形成一个平台组件12。在一个实施例中该平台组件12由一种漂浮材料制成，并被设置成在水(水被用作支座)上漂浮，从而使得平台组件12可以关于一根竖直轴旋转，跟踪太阳的运动。在我的1994年5月10日注册的美国专利No.5309893中示出了这样一种装置，该专利的内容在这里被结合进来作为参考。设置了驱动件使平台组件12关于一根竖直轴旋转，跟踪太阳的运动，按照任何适当的太阳跟踪装置对该驱动件进行驱动。在另一种结构中，太阳能组件11的列阵可以是固定的，而组件中的反射器可以运动，从而跟踪太阳，例如，如在上面提到的美国专利No.4281640中所示出的那样。当然，太阳能组件的列阵10可以包括任意数目的聚集组件11，适用于对列阵的具体的使用要求。
如在图2，3和8中更清楚地示出的那样，每个太阳能聚集组件11包括一个正方形的基底13，在″漂浮″的实施例中它由一种漂浮材料(比如泡沫塑料材料)制成。基底13在其上侧面设有或包括多个成角度的平表面14，这些表面构成了对细长的窄条反射器15的支承件，这些反射器被支承在其上，把表面14设置成由中心向外沿着抛物线关于水平面的倾斜逐渐增加，并设置在基底13的相对的侧面上，从而使得反射器15形成一个组合的主反射器16，它基本上具有圆柱形抛物面反射器的性能，并有主轴线17。在焦线18处出现来自反射器15的光线的交叉。反射器15适宜为玻璃窄条镜或塑料窄条镜的形式，然而，它们也可以为任何其它的高反射率的材料。把每个基底13在其相对的端部和侧面经过连接件或连接组件19连接到相邻的基底13上，这使得当基底13漂浮在水上时在相邻的组件11的基底13之间容许有一定程度的相对枢轴转动和相对水平运动。
把反射器15设置成把太阳能聚集到或朝向第二聚集组件20上，多对相对的向下和向外倾斜的支杆21把此第二组件支承在基底13的上方，这些支杆的下端被装在基底13上。如图4和5所示，每个第二聚集组件20包括一个长方形的框架22，它有彼此离开的在纵向上伸展的上框架件23，这些上框架件平行于反射器15伸展，并且支承着从属的侧框架件24，顶部的横向伸展的框架件25把这些上框架件彼此分开。框架22的框架件最好由重量轻的材料(比如铝)制成，并且靠焊接彼此连接起来，形成组装起来的框架22。把一对相对的彼此离开的平面反射器26(它们有彼此面对着的并彼此平行地伸展的反射表面，把它们设置成与主轴17或包括主反射器16的主轴的平面距离相等并在其两侧)装到侧框架件24上。把反射器26放置成使它们的最下面的边缘27(即它们的接近主反射器16的边缘)基本上在主反射器16的焦线18处，或基本上与该焦线对准。边缘27是直线的，彼此平行，并位于一个共同的平面中。
一系列第二圆柱形抛物面聚集反射器28被设置在平面反射器26之间，这一系列反射器的焦线29基本上垂直于平面反射器26和主反射器16的主轴17伸展。抛物面反射器28所确定的抛物线的正焦弦用线II表示，这条线穿过反射器28的焦线29，如图4所示，并垂直于反射器28的主轴。把反射器28构形成使它们不超过或基本上不超过正焦弦II。这种形式的反射器28提供了最佳的聚集，并使来自平面反射器26的多次反射最少。包括反射器26的边缘27的平面27与抛物面反射器28的焦线29平行。
反射器28被支承成可以关于沿着它们的焦线29伸展的一根旋转轴进行有限的旋转。为了这一目的，如图4和5中更清楚地示出的那样，反射器28的背面上设有月牙形的平板30，把它设置在反射器28的宽度上的中心部位，并被粘合剂或其它适用的固定装置固定到该反射器的背面上。平板30设有一个弧形的狭缝31，该狭缝以焦线29为中心，因此以反射器28所需要的旋转轴为中心。把两对彼此离开的支架32和33紧固到相对的框架件23上，在这两对支架之间分别支承着轴34和35，在本实施例中这两根轴的形式为螺栓。轴34和35穿过狭缝31伸展，并携带着中心定位用的滚轮36，这些滚轮与狭缝31的相对的侧面边缘相接合。这样，把平板30支承在两个彼此分开的位置，为的是关于焦线29作旋转运动，这样，抛物面反射器28也被类似地支承。
靠一个共同的调节件37实现反射器28的转动位置的调节，该调节件被设置在框架件23之间，并沿着其纵向伸展，穿过在横向上离开的框架件25上的对准了的导向孔。该调节件37在每个抛物面反射器28附近带有一系列突缘38，并被固定到这一系列突缘上。一对调节连接件39通过它的相对的端部处的枢轴销钉40和41可作枢轴转动地连接到每个突缘38上和平板30上。这样，调节件37在相对方向上的纵向运动将引起突缘38的相对的纵向运动，这种运动将通过连接件39被转换成每块平板30(从而每个反射器28)的关于焦线29的相对的转动运动。
形式为一根管的一个能量收集件42沿着每个反射器28的焦线29伸展，这根管穿过侧面反射器26之一上的一个开孔(比如在43处)，并通过一根连接管44连接到在纵向上相对于框架22伸展的多支管组件45上。如在图6中更清楚地示出的那样，件42的一端46被封闭，它还设有在中心的在直径方向上伸展的隔板47，该隔板沿着件42伸展，但是在不到被封闭的端部46处就终止了。隔板47也沿着连接管44的整个长度伸展，一直到其相对的端部48。该管44的端部48也部分地伸进多支管45中。可以把件42和管道44制作成一个整体，它们通常为U字形的构形。在隔板47的相对的侧面上的端部48有入口和出口孔49和50，此二开孔通向多支管45的相对的侧面，相对于沿着多支管流动的传能介质的流动方向。这样，当介质沿着多支管组件45流动时，介质流入在管道44的一侧的入口开孔49，流到件42中，在件42的端部46方向相反，沿着隔板47的另一侧经过连接管道44向外流，由出口50流出，流到多支管组件45中。传能介质适宜于为油，或其它流体，使得热能可以被收集起来，并被多支管组件45携带到适当的存储位置或使用位置。
下面将参考着图2，3，4和6到11描述本发明的太阳能收集组件11的运行。在白天，太阳由东向西经过一条路径，从日出在水平线到中午高度增加，由中午到日落高度减小。仰角也随着一年中的季节的不同而改变。这样，在夏天中午时的最大仰角显著地比在冬天的相应仰角大。把太阳能组件11的列阵设置成包括反射器16的主轴17的平面包括太阳(如图2中的S所示)，并靠随着太阳由日出到日落运动的转动保持与太阳的这种关系。在我的上面提到的美国专利No.5309893中描述了这样一种装置。太阳光照到反射器15上的入射角随着一天中的时间和随着季节改变。这样，入射的太阳光(用51表示)入射到主反射器15上，并反射到(如52所表示的那样)第二聚集组件20上。使调节件37在纵向上移动，调节抛物面反射器28的转动位置，使得它们的主轴基本上平行于来自主反射器15的反射光49。照射到反射器组件16的中心部分的光线被直接反射到抛物面反射器28上，在那里这些光线被聚集到件42上，如图3和4中所示的那样。在组件16的中心以外部分照射到反射器组件16上的光线将由于反射器组件16的抛物面构形而指向里面，朝着第二聚集组件20，这些光线在焦线18处交叉。某些光线将如图9和11中所示和如53所表示的那样，照射到抛物面反射器28上和侧面反射器26上，并被聚集到件42上。其它光线将相对的侧面反射器26上，被收集到抛物面反射器28上，抛物面反射器把光线收集到件42上。其它光线可以被相对的侧面反射器26反射，然后被抛物面反射器28聚集到件42上。这样，在平面反射器26之间的基本上所有被反射的光线52和53将被收集起来，并集中到抛物面反射器28上，从而被聚集到件42上。
如图10所示，由III表示的在与平面反射镜26的下边缘27的交叉点处与抛物面反射器28相切的切线与该下边缘形成一个角度θ，此角度θ包括第二反射器28的焦线29。为了使收集被反射的能量的效率最高，这个角度不应该小于90度。在图10所示的设置中，此角度θ比90度大一些。当反射器28顺时针方向朝向图10中虚线所示的位置作枢轴转动时，此角度θ趋向于90度。然而，当此角度为90度时，如图10中所示，或少于90度时，反射器28的下边缘越过反射器26的下边缘27。如果反射器28相对于侧面反射器26的构形是使得在比如说图10的位置的θ角小于90度，那么在边缘27的下面照射到抛物面反射器28上的被反射光线49将被反射成超过侧面反射镜26，因此不能被聚集到件42上。
如上所述，件42包括包括一种传能介质(比如一种油)，这种介质将被聚集到件42上的光线加热。如上所述，传能介质沿着多支管组件45流动，这可以靠例如一个泵来实现。这种流的至少一部分将通过在隔板47的一个侧面上的入口49流到管道44中，用来流到件42中，在隔板47的与之相对的另一侧经过出口50流回到多支管组件45中。在隔板47的相对的两个侧面沿着件42的这种流动过程中，油被加热，并作为被加热了的油流回到多支管组件45中。这样，可以输送油用来转换成可以利用的能量，例如用来产生蒸汽，驱动一个涡轮机。在技术中这种装置已经为人所熟知。
这样，本发明提供了可以收集来自太阳的辐射能，并把辐射能以高效的方式聚集起来用来把能量提取出来的一种系统。平面的侧面反射镜或反射器26确保了把来自太阳的最大程度的能量收集起来，然后把这些能量聚集到件42上，用来转换成有用的能量。当然，在所示出和所描述的应用中采用的第二聚集组件可以与其它的主反射器组件一起使用。
另外，对于装置的构形可以作出多种改型，而不偏离本发明的概念。因此，可以以任何方式支承抛物面形的第二反射器28，使之关于它们的焦线旋转，如果需要，可以对它们每个个别地进行调节。当然，主反射器16可以为抛物面形的槽的形式，或者是其它类似的构形。
尽管提取所聚集的能量的优选方式为在件42中流动的流体类型的介质，但是也可以用另一种的目标件来代替件42，这种目标件可以接受所聚集的辐射能和/或把所接受的能量转换成一种对于后面的用途适当的形式。
权利要求
1.一种辐射能收集装置，它包括一个主聚集组件，它有一根主轴和一个焦点；设置在所述焦点附近的第二聚集组件，所述第二聚集组件包括一对分离开的平面反射器，它们被设置在所述主轴的相对的两个侧面上；以及设置在所述平面反射器之间的第二聚集器。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于所述平面反射器包括细长的反射件，所述反射件被等距离地设置在所述主轴的相对的侧面上。
3.根据权利要求1的装置，其特征在于所述第二聚集器包括关于焦线为抛物面形的反射器，它们基本上与所述主聚集组件的所述主轴垂直地伸展。
4.根据权利要求3的装置，其特征在于所述抛物面反射器被安装成关于它们的所述焦线进行旋转运动。
5.根据权利要求3的装置，其特征在于所述抛物面反射器基本上在所述平面反射器之间伸展。
6.根据权利要求3的装置，其特征在于所述抛物面反射器的伸展基本上不超过它们的正焦弦。
7.根据权利要求1的装置，其特征在于所述平面反射器靠近所述主聚集组件的那些边缘在所述主聚集组件的焦点处或靠近所述主聚集组件的焦点。
8.根据权利要求1的装置，其特征在于所述主聚集组件包括多个相对于彼此有一定角度的细长反射件，形成一个组合的抛物面形聚集器，把能量聚集到所述焦点上。
9.根据权利要求1的装置，其特征在于所述第二聚集器包括菲涅耳镜。
10.一种太阳能收集装置，它包括一个主聚集组件，它有一根主轴和在一个所选定的高度的一根焦线，所述装置还包括第二聚集组件，它有一对分离开的平面反射器，它们被设置在所述主轴的相对的两个侧面上，所述反射器靠近所述主聚集组件的那些边缘被设置在基本上与所述主聚集组件的焦线相同的高度；设置在所述平面反射器之间的第二抛物面反射器；以及用来接收被所述第二反射器聚集的太阳能的装置。
11.根据权利要求10的装置，其特征在于所述太阳能接收装置包括适宜于包括一种能量吸收流体的管形件。
12.根据权利要求11的装置，其特征在于所述管形件的一端被封闭，它还包括沿着管伸展的中心隔板，该隔板在不到所述的一端处就终止了，从而所述流体可以在所述的隔板的相对的侧面以相反的方向流动。
13.根据权利要求12的装置，其特征在于所述管形件被连接到一根共同的流体流动多支管上，由该多支管接受流体，并使流体流到该多支管中。
14.根据权利要求10的装置，其特征在于所述第二抛物面反射器有基本上垂直于所述平面反射器并基本上垂直于所述主聚集组件的所述主轴伸展的焦线。
15.根据权利要求14的装置，其特征在于所述反射器的伸展基本上不超过它们抛物线的正焦弦。
16.根据权利要求14的装置，其特征在于还包括用来安装所述抛物面反射器的装置，使之基本上关于它们的焦线进行旋转运动。
17.根据权利要求16的装置，其特征在于所述抛物面反射器被装在所述平面反射器之间相互离开的位置上，并且还包括用来同时调节所述抛物面反射器的转动位置的装置。
18.根据权利要求10的装置，其特征在于所述第二抛物面反射器有基本上在所述平面反射器之间伸展的反射表面。
19.根据权利要求16的装置，其特征在于每个所述平面反射器有一个下边缘，并且其中在所述反射器与所述下边缘之间的交叉点处每个所述抛物面反射器的切线与所述下边缘形成一个角度，此角度包括所述反射器的所述焦线，这个角度基本上不小于90度。
20.根据权利要求10的装置，其特征在于所述主聚集组件包括细长的抛物面反射器。
21.根据权利要求20的装置，其特征在于所述抛物面反射器由多个基本上平行的细长反射表面构成。
22.根据权利要求10的装置，其特征在于所述第二聚集器包括菲涅耳镜。
23.一种太阳能聚集组件，它包括一对分离开的平行的平面反射器；在所述平面反射器之间的第二聚集装置，所述聚集组件至少包括关于焦线为抛物线形的反射器，该反射器基本上垂直于这些平面反射器伸展，并包括基本上在所述平面反射器之间伸展的一个反射表面；每个所述平面反射器有一个直线的边缘，所述平面反射器的直线边缘彼此平行地伸展，并在平行于所述抛物面反射器的焦线的一个平面中；以及其中所述抛物面反射器被安装成关于它们的所述焦线进行旋转运动。
24.根据权利要求23的装置，其特征在于所述抛物面反射器的伸展基本上不超过它的正焦弦。
25.根据权利要求23的装置，其特征在于还包括沿着所述焦线伸展并适宜于包括一种能量吸收流体的管形件，用来接收被所述第二反射器聚集的太阳能。
26.根据权利要求25的装置，其特征在于所述管形件的一端被封闭，它还包括沿着管伸展的中心隔板，该隔板在不到所述的一端处就终止了，从而所述流体可以在所述隔板的相对的侧面以相反的方向流动。
27.根据权利要求23的装置，其特征在于所述平面反射器有一个下边缘，并且其中在所述反射器与所述下边缘之间的交叉点处所述抛物面反射器的切线与所述下边缘形成一个角度，此角度包括所述反射器的焦线，这个角度基本上不小于90度。
28.根据权利要求23的装置，其特征在于所述第二聚集装置包括被设置在所述平面反射器之间在纵向上相互离开的位置上的多个所述抛物面反射器。
29.根据权利要求28的装置，其特征在于还包括用来连接所述抛物面反射器的装置；以及用来同时调节所述抛物面反射器的转动位置的装置。
30.根据权利要求23的装置，其特征在于所述抛物面反射器为菲涅耳镜。
全文摘要
一种用来收集和聚集太阳能的辐射能收集装置(11)，该装置有一个主抛物面反射器(16)，它把太阳光聚集到一根焦线(18)上，并有一根穿过焦线(18)的主轴(17)，该装置还有位于主反射器(16)的焦线(18)附近的第二聚集组件(20)。该第二聚集组件(20)包括一对平面反射器(26)，它们被设置在主反射器(16)的主轴(17)的相对的两个侧面上，该第二聚集组件还包括在平面反射器(26)之间的一系列第二抛物面反射器(28)，这些第二抛物面反射器(28)有与平面反射器(26)垂直并与主反射器(16)的主轴(17)垂直地伸展的焦线(29)。第二反射器(28)被安装成关于它们的焦线(29)旋转，并把能量聚集到沿着它们的焦线(29)伸展的目标件(42)上。
文档编号F23D1/00GK1138372SQ94194603
公开日1996年12月18日 申请日期1994年12月2日 优先权日1993年12月22日
发明者阿兰·詹姆斯·约曼斯 申请人:阿兰·詹姆斯·约曼斯