同步太阳能聚集器阵列的制作方法

专利名称：同步太阳能聚集器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能收集，并且尤其是涉及日光跟踪以及阳光聚集和 收集。
背景技术：
有效的利用太阳能已经成为重要的研究课题。已经发明了对聚集的 或未聚集的太阳能的各种应用。主要的障碍是成本。目前不存在成功的 营利的太阳应用。近来太阳能电池板太阳能电池板已经被广泛的安装在 屋顶上，然而，因为太阳能电池板在不聚集的太阳发光条件下使用光伏 太阳电池，所以太阳能电池板仍然昂贵。由半导体材料诸如硅或砷化镓 制成的光伏太阳电池是太阳能电池板中最昂贵的部件。如果首先聚集阳 光将会使用较少的太阳能电池，在聚集的阳光强度下也可改善太阳能电 池的阳光至电的转换效率。
太阳能聚集器可降低能量接收器的尺寸和成本。然而，太阳能聚集 器通常需要跟踪太阳的移动，跟踪系统往往是庞大的、复杂的、昂贵的 和不可靠的且难以实现。
一种类型的太阳能跟踪系统使用双轴跟踪，其 中，需要围绕两个不平行的轴连续的旋转。另一种类型的跟踪系统使用 极轴跟踪，其中，太阳能接收器或聚集器围绕极轴(即平行于地球旋转
轴的轴)旋转。例如，U.S.专利No.6284968描述了"太阳能跟踪系统，提 供顺时针的以每年366.25转的恒定速度的极轴旋转，并提供沿逆时针方向 每年一转的轨道旋转。轨道驱动系统的支撑装置从极轴驱动系统以23.45。 的角度倾斜，且是不变的，这个角度等于地球的轴倾斜于轨道轴的角 度。"(摘要)。U.S.专利No. 5632823也描述了一种使用使用极轴跟踪 的太阳跟踪系统，其中，根据经验调整倾斜角度(即在太阳收集器和极 轴旋转轴线之间的角度)"垂直于太阳能收集器面板的指示器的太阳阴 影用于适当地对准所述面板。可选择地，测量由太阳能电池产生的电流以及它的最大值显示了太阳能面板适当地与太阳对齐。"(摘要)

发明内容
本发明是针对太阳能收集设备和系统，其基本上消除了由于现有技 术的限制或缺点造成的一个或多个问题。
本发明的目的是提供用于太阳能收集的极轴跟踪系统，该极轴跟踪 系统具有简单的结构且易于实施。
本发明另外的特性和优点将会在随后的描述中被阐明，且部分将会 从所述描述中显而易见，或通过本发明的实施可被了解到。通过在所记 载的描述和它们的权利要求以及附图中特别指出的结构将会实现和获得 本发明的目的和其他优点。
为了获得这些和其他的优点以及根据本发明的目的，如被具体实施 且广义地描述的，本发明提供了一种太阳能收集设备，该太阳能收集设 备包括旋转轴；被安装用于围绕旋转轴旋转的太阳能收集器，该太阳 能收集器限定了相对于旋转轴的倾斜角度；用于驱动太阳能收集器在一 天的至少一部分中以预定的旋转速度围绕旋转轴旋转的驱动机构；以及 用于自动地且间歇地调整倾斜角度的倾斜角度调整机构。太阳能收集器 的各种配置是可能的，以及依赖于太阳能收集器的配置，旋转的速度可 能是每天一转或每天半转。各种驱动的模式是可能的包括在全天连续 地旋转或在白昼时间旋转且在夜间向后或向前旋转至起点位置且第二天 再开始旋转。
一个实施例的倾斜角度调整机构包括了固定至太阳能收集器的手柄 和倾斜角度变化引导装置。
另一方面，本发明提供了一种太阳能收集系统，其包括多个这样的
太阳能收集设备，该系统进一步包括基座，多个太阳能收集设备的旋 转轴安装在基座上；以及用于围住多个太阳能收集设备的壳体。
另一方面，本发明提供了一种用于收集太阳能的方法，该方法包 括平行于地球的极轴安装旋转轴；安装用于围绕旋转轴旋转的太阳能 收集器，该太阳能收集器限定了相对于旋转轴的倾斜角度；在一天的至 少一部分中以预定的旋转速度围绕旋转轴旋转太阳能收集器；以及自动地和间歇地调整倾斜角度。
可以理解，上述的总体描述和下面的详细描述是示例性的和说明性 的，并且是为了提供如所要求的本发明的进一步的说明。


图l示出了根据本发明的实施例的太阳能收集单元； 图2示出了根据本发明的另一个实施例的可选择配置的太阳能收集单
元；
图3示出了当入射阳光被部分地阻挡时图1的太阳能收集单元； 图4示出了当入射阳光是来自与期望的角度偏离的方向时，图l的太 阳能收集单元；
图5是具有纬度e的任意地方的极轴的整体视图6A是极轴的局部顶视图6B是沿东西方向观看时的极轴的局部侧视图； 图7A示出了被安装在极轴上，没有任何倾斜的太阳能收集单元； 图7B示出了被安装在极轴上，用于夏季时间的向上倾斜的太阳能收 集单元；
图7C示出了被安装在极轴上，用于冬季时间的向下倾斜的太阳能收 集单元；
图8显示了根据本发明的实施例的具有用于倾斜角度调整的连接于其 上的手柄的太阳能收集单元；
图9A、 9B和9C分别是根据本发明的实施例的倾斜角度变化引导装置 的顶视图、右视图以及前视图9D显示了根据本发明的实施例的用于倾斜角度变化引导装置的安 装配置；
图10是相对于倾斜角度变化引导装置的具有手柄的太阳能收集单元 的位置的前视图； 一
图11A和图11B是分别示出沿着倾斜角度变化引导装置的手柄移动的 顶视图和右视图12示出了在透明的盖子下的太阳能收集单元的阵列；图13示出了具有聚集能量接收器的太阳能收集元件； 图14示出了当阳光来自于不同方向时，图13的太阳能收集元件； 图15示出了包括图12示出的太阳能收集元件的系统，其中，整个壳
体倾斜至等于纬度的角度；
图16A-D显示了根据本发明的另一个实施例的用于倾斜角度调整的具
有连接至刚性主体的手柄的太阳能收集系统；图16A是透视图，和图16B-
D是侧视图。
图16E显示了当被旋转至不同取向时，图16A的太阳能收集系统； 图17A-B显示了可替换的倾斜角度变化引导装置； 图18显示了用于在横杆上安装图16A的刚性主体的锁扣设备的横截面
图19A-G显示了手柄和倾斜角度变化引导装置的可选择的实施例，图 19A是透视图，图19B-D是零倾斜角度的三个垂直方向的侧视图，和图 19E-G是非零倾斜角度的三个垂直方向的侧视图。
具体实施例方式
本发明的实施例提供了一种使用极轴跟踪方法跟踪太阳的太阳能收 集系统。在一个实施例中，太阳能收集系统由多个太阳能收集单元300形 成。如图1和图2所示，每个太阳能收集单元300或300'包括太阳能聚集器 IOO或IOO'，该太阳能聚集器100或100，接收阳光并把阳光引导至目标能量 收集器200诸如太阳能电池。在图1的实施例中的太阳能聚集器1 OO是透射 型的聚集器诸如透镜，其中，目标能量接收器200和太阳在太阳能聚集器 的相对侧上。在图2的实施例中的太阳能聚集器100'是反射型聚集器诸如 镜子，其中目标能量接收器200和太阳在太阳能聚集器的同一侧。在两种 类型的太阳能收集单元300和300'中，太阳能聚集器100和100'与太阳能接 收器200之间的空间关系是固定的。由于太阳的聚集，对于特定类型的应 用诸如聚集的光伏(CPV)，根据需要太阳能接收器可具有适当的冷却 机构。
作为另一个选择(没有显示)，太阳能收集单元可仅包括能量接收 器而没有太阳能聚集器。在本披露中，如果有一个太阳能聚集器的话，术语"太阳能接收表面"是指太阳能聚集器的表面；如果没有太阳能聚集 器的话，术语"太阳能接收表面"是指目标能量接收器的表面。在下面
的描述中使用图1的太阳能收集单元300作为例子，但是除非特别地指
出，否则同样的原理也适用于图2的太阳能收集单元300'。
如图1所示，阳光90以预定的入射角度S照射在聚集器100上，并且聚
集器100把阳光90引导至目标能量接收器200上。为了最大的太阳通量的
收集，通常优选的入射角度5是零，即太阳光垂直于聚集器100的表面。
然而，根据系统的设计任何其它的入射角度S也是可以被接受的。为了特
定的应用，需要在能量接收器上均匀的光照，例如当光伏(PV)电池被
用作能量接收器时，聚集器100优选地能够把入射阳光90大致上均匀地引
导至目标能量接收器200上，即使当聚集器100的表面被部分地阻挡时。
图3示出了对图1的太阳能收集单元300的这样的情形，其中，只有聚集器
100的一部分被暴露于阳光中并且聚集器100把不均匀的阳光90引导至目
标能量接收器200，以使得它基本上均匀的投射在目标能量接收器上。优
选地，这样的均一性存在于聚集器的整个2维表面上。适当地被设计的非
成像的聚集器可实现这样的功能。
太阳能收集单元被安装在跟踪结构上用于跟踪太阳的位置。太阳能
收集单元300可能容许在跟踪中的特定误差范围。如图4所示，当入射阳
光90以不同于图1显示的预定入射角度S的入射角度A照射在聚集器100上
时，所述目标仍然接收全部的或几乎全部的光能量，如果入射角的偏离
是在设计的限制范围内。虽然这种偏离根据收集器的设计可能或可能不
导致阳光能量的损失，但是它提供了系统设计和操作的特定的误差容限。
下面描述了极轴坐标系统和极轴跟踪的原理。图5是显示极轴400的 整体视图，该极轴400是在地球的任何位置上平行于地球的旋转轴的轴。 该位置上的纬度表示为e。图6A和图6B示出了在局部坐标系统中的极轴 400的取向。图6A是显示了沿着南北方向的极轴400的局部顶视图；图6B
是沿着东西方向的当地的侧视图，其显示了相对于地面向上倾斜角度e的 极轴400，其中e是在那个位置上的纬度。
如图7A所示，在春分或秋分时，太阳在赤道平面上，因此太阳能收集单元300没有任何倾斜地安装在极轴400上。在夏季，太阳相对于赤道 平面的角度是较高的。图7B显示了太阳能收集单元300相对于极轴400向 上倾斜的量Q(倾斜角)等于太阳相对于赤道平面的角度。如图7C所示，在 冬季，太阳相对于赤道平面的角度是较低的，且太阳能收集单元300相应 地向下倾斜一个倾斜角度Q。太阳相对于赤道平面的角度季节性地变化， 从一天至第二天轻微地变化(在连续的两天之间的最大倾斜角度的变化 是大约0.4°)，在赤道平面的两侧上具有最大的角度23.45。。因此，优选 地，太阳能收集单元300相对于极轴400的倾斜角度可被季节性调整。倾 斜角度可被持续地或间歇地调整，为了实施简单，优选地，是每天或每 几天。
根据本发明的实施例，太阳能收集单元300被安装以围绕旋转轴旋 转，该旋转轴平行于被安装的太阳能收集系统的极轴。(在此处的公开 中，在上下文清楚地阐明了它的意思的情况下，旋转轴有时被称作极 轴。)太阳能收集单元300以大约每天一转的速度沿着极轴400旋转以跟 踪太阳。从天北极看，旋转方向是顺时针以抵消地球旋转的作用，以使 得太阳能收集单元300始终以相同的角度面向太阳。
在一个简单的实施中，太阳能收集单元300可能以大约每天一转的大 致恒定的速度围绕旋转轴400连续地旋转。可选择地，它可在白天以大约 每天一转的速度旋转以收集太阳能，和在夜间(非收集时间)以不同的 速度向后或向前旋转至适当的位置，以及对于第二天的操作在白天适当 的时间重新启动旋转。
太阳能收集单元300被安装在旋转轴上，且倾斜角度是可以调节的。 参考图8-11和16-19，描述了倾斜角度调整机构的一些例子。这些例子使 用了固定连接至能量收集单元的手柄，与倾斜角度变化引导装置相互作 用，以改变倾斜角度。虽然手柄是用于连接在图8和10示出的例子中的单 个的能量收集器单元300，和被连接至由在图16A-D和图19A-G示出的例 子中的多个能量收集器单元300结合在一起形成的刚性主体上，但是可以
应用相同的倾斜角度调整机构。
在图8示出的例子中，手柄350被固定连接至太阳能收集单元300和被 用于调整太阳能收集单元300相对于旋转轴400的倾斜角度，该旋转轴400平行于在被安装的系统中的极轴。在图16A (透视图)和图16B-D (分别 是顶视图和两个垂直的侧视图)示出的例子中，横木410连接至旋转轴 400，且以大约每天一转围绕旋转轴旋转。优选地，横木410垂直于旋转 轴400和被固定至所述轴上。 一个或多个太阳能收集单元300 (作为例子 在图16A中示出了四个)被结合在一起以形成刚性主体330。刚性主体330 由铰链连接至横木410上，以使得它能至少在特定的角度范围内围绕横木 旋转，以适应必需的倾斜角度调整。优选地，通过对称布置和其它的设 计考虑，在所有可能的倾斜角度中，刚性主体330相对于横木410是平衡 的且相对于旋转轴400是平衡的。可选择地，两个或更多个环501和502安 装在旋转轴400上，每个环与对应的刷511和512接触以把电传导出去，这 样的布置对于长期的旋转可能是必需的。手柄350固定连接至刚性主体 330以使得通过移动手柄350至不同的位置，整个刚性主体330围绕横木 410旋转并且因此改变了相对于旋转轴400的倾斜角度。倾斜角度变化引导装置360被设置以在每天的旋转的某些部分中接合 手柄350的远端的部分，以改变刚性主体330的倾斜角度。在图16A中，显 示了在白昼时间的位置上的刚性主体330，且手柄350远离倾斜角度变化 引导装置360指向。在图16E中，显示了在夜间时间的位置上的刚性主体 330，且手柄350被指向倾斜角度变化引导装置360且它的远端部分接合倾 斜角度变化引导装置360。在图9A-9C中示出了倾斜角度变化引导装置360的一个例子。图9A是 沿着旋转轴400的视图；图9B是当手柄350接合倾斜角度变化引导装置 360时沿手柄350的视图；图9C是沿垂直于上述两个方向的方向的视图。 当刚性主体330与手柄350—起围绕旋转轴400旋转时，如图IO、 11A和11B 所示，手柄350的远端部分沿着倾斜角度变化引导装置360滑动。设计倾 斜角度变化引导装置360的形状以使得当手柄350的远端部分沿着倾斜角 度变化引导装置360滑动时，推动手柄以使得刚性主体330围绕横木410轻 微地旋转。结果，当手柄退出倾斜角度变化引导装置360时刚性主体330的倾斜角度不同于它进入倾斜角度变化引导装置时的倾斜角度。倾斜角 度变化的量由当手柄进入它时倾斜角度变化引导装置360的进入位置和当手柄从它中退出时倾斜角度变化引导装置的退出位置决定。刚性主体330通过夹子、闩锁或其它适合的倾斜附属装置大部分时间 被固定连接至横木410，以使得它以固定的倾斜角度围绕旋转轴400旋 转，除了在手柄接合倾斜角度变化引导装置360时的短暂时间期间外。在 所述时间期间内，倾斜附属装置松开，以使得当通过倾斜角度变化引导 装置360推动手柄350时刚性主体330能围绕横木410旋转(即改变倾斜角 度)。在手柄退出倾斜角度变化引导装置后，倾斜附属装置被重新紧 固。实际上，如果刚性主体330被设计为很好地被平衡，且刚性主体和横 木410之间的摩擦足够大能保持倾斜角度不变化，当通过倾斜角度变化引 导装置360推动手柄时所述摩擦也足够小以允许倾斜角度改变，那么倾斜 附属装置不一定需要被明显地松开和再紧固。图18显示了倾斜附属装置的例子，其是沿横木410的视图。横木410 的锯齿状的部分410A设置有多个沿它的外围的齿。刚性主体330的内表面 330A围绕所述部分410A且在它们之间有间隙，在锯齿状的部分410A的齿 和内表面330a之间安装弹簧加载的球330B。当不改变倾斜角度时，弹簧 张力把所述球330B保持在两个齿之间的凹部内，且刚性主体330不相对于 横木410旋转。当改变倾斜角度时，手柄推动刚性主体330相对于横木410 旋转且所述球落入到下一个凹部内。在一天的任何期望的时间内可自动进行倾斜角度调整。在图16A-E显 示的实施例中，当手柄旋转至倾斜角度变化引导装置的位置时，在夜间 调整倾斜角度；通过改变手柄350和倾斜角度变化引导装置360的相对位 置也可在一天的其它时间调整倾斜角度。另外，可能每天或者或多或少 地经常地调整倾斜角度。例如，为了每天调整两次，可能设置两个手柄 和/或两个倾斜角度变化引导装置。如果所述调整少于一天一次，对于当 不实施调整时的这些天，设置适当的移动机构把倾斜角度变化引导装置 360移出手柄的路径，且对于实施调整的这些天把它移回到手柄的路径 中。在优选的实施例中，每天进行倾斜角度调整。对于特定的倾斜角度调整程序，由季节(每年的时间)和在连续的 调整之间的时间的长度确定对于每个调整的倾斜角度变化的量。对于每 个调整，重新定位倾斜角度变化引导装置360，以使得它的进入位置大致 上对应于当前的倾斜角度和它的退出位置对应于目标倾斜角度。在进入端，可设置扩口形状(参见图9B)以帮助手柄进入倾斜角度变化引导装 置，即使当手柄不能完美地与引导装置的进入口对齐时。在图16A、 16E和9D中示出了重新定位的倾斜角度变化引导装置360 的一个例子。倾斜角度变化引导装置360在它的两端附近被连接至两个轮 子360A和360B上，其中，两个轮子以每年一转的速率旋转。在两个轮子 上的两个连接点具有f 2兀(1-ti)/365.242199的固定的相角差，其中，n是手 柄接合引导装置的一天的部分。例如，如果手柄经过3个小时滑动穿过引 导装置，那么rr 3/24 =0.125。选择两个轮子的半径以使得通过倾斜角度 变化引导装置360获得的最大倾斜角度在赤道平面的两侧上是23.45度。在图17A-B中显示了倾斜角度变化引导装置360'的另一个例子。倾斜 角度变化引导装置360'由多个平行的引导壁361'制成，引导壁361'在其之 间形成平行的引导沟槽。引导壁的右手端可被从中间的位置向上或向下 移动预定的量，例如一个沟槽的宽度。在图17A中示出的中心位置上，手 柄350没有改变倾斜角度地进入和退出引导沟槽，即槽的入口和出口对应 同样的倾斜角度。当如在图17B中显示地向上移动引导壁361，的右手端 时，槽的入口和出口对应于不同的倾斜角度。因此，随着手柄沿着沟槽 滑动，手柄350被推动，从而改变倾斜角度。引导壁361'的右手端的位置 可被编程，以使得在一些天中它们位于中心位置上(图17A)且不发生倾 斜角度调整，和在其它的一些天中向上(图17B)或向下移动引导壁361' 的右手端，以使得发生倾斜角度调整。由每个调整引起的倾斜角度变化 的量依赖于引导装置360'的设计，诸如沟槽形状等。如之前指出的，太阳 的倾斜角度相对缓慢地改变且在全年中每天改变不同的量。因此，倾斜 角度变化引导装置360'可被编程或规划以根据全年的适合的日程表改变倾斜角度。除了上述描述的例子外，手柄和倾斜角度变化引导装置可能被以许 多形式实施。例如，图19A-G示出了可选择的设计。图19A是显示了圆形 手柄350"和倾斜角度变化引导装置360"的透视图。图19B-D是当倾斜角度 为零度时在图19A中示出的系统的顶视图和两个侧视图。图19E-G显示了 当倾斜角度不为零时系统的顶视图和两个侧视图。如图19A所示，手柄 350"具有在平面内的圆形形状，该手柄350"包括横木410，垂直于刚性主体330且以旋转轴400为中心。倾斜角度变化引导装置360"具有始终结合 圆形手柄350"的一部分的缝。倾斜角度变化引导装置被安装在太阳能收 集系统的框架上和在一天中上下移动(由在图19F中的箭头示出)以接合 手柄和调整倾斜角度。倾斜角度变化引导装置360"的每日的上下运动可 由方程式Z:Acos(wt+相位)大概的描述，其中，振幅A和每天运动的相位 限定了倾斜角度。在极轴跟踪系统中，围绕着极轴的旋转与太阳相对于地球的位置是 同步的。通过使用计算器和比较器，在电机和缓慢旋转的阵列之间的传 输的不同阶段上可监测和控制准确的角度控制，以使得轴的精确的旋转 运动将与太阳的预测的位置匹配。对于不同的白昼长度、日出时间等， 它可以被用于精确的调整。正确的计时和可靠性是非常重要的，且备份 (redundancy)、感测和反馈能够有助于保持跟踪系统精确性和可靠性。随着安装位置的纬度和经度以及准确的日期和时间的输入，很容易 设置初始的跟踪方向。例如，太阳在当地时间的中午经过子午线。如果 跟踪开始，所述设备可能以每天一转连续地转动，或者在夜晚和白天时 向后和向前以重新设定位置。适当的控制电路优选地采用自校正计时器，其可用于控制太阳能收 集单元的运动。可选择地，通用的标准时间源诸如GPS时间信号或标准的 广播时间源，可用于消除任何时间误差的积累。优选地，使用软件控 制。太阳能传感器也能够被用于辅助的跟踪。在一个实施例中，安装在它们的旋转轴上的太阳能收集单元的阵列 通过链、传动机构或者其它的同步装置连接在一起，所述链、传动机构 或者其它的同步装置可被一个功率源驱动。所有的单元以相同的速度不 断地旋转。由于以每天一转的速度缓慢且连续的旋转以及非常缓慢的倾 斜角度调整，这样的太阳能收集单元的阵列可通过低功率的电机被同时 地且连续地驱动。图12示出了包括能量收集单元300的太阳能收集系统，每个能量收集 单元300被安装以围绕它本身的旋转轴400旋转。所有的轴400相互平行。 所有的太阳能收集单元以相同的速度旋转，且它们的倾斜角度如之前所 描述地被调整。优选地，所有能量收集单元由共同的功率源驱动。能量收集单元300和它们的跟踪机构一起被包围在具有透明盖子370的壳体371 中。在这样的系统中，被包围在壳体中的能量收集单元300的阵列形成静 止的平坦面板371，所述阵列可被作为一个单元安装。壳体也减小了环境 对单个的太阳能收集单元300的影响。为了允许面板独立于外部的功率源运转，小但足够的能量存储装置 诸如可充电电池或超级电容器被优选地作为能量源，以允许在跟踪机构 中的电机在夜晚和多云或下雨天时连续工作。它可能包括之前描述的控 制电路。尤其是当多个类似的面板被安装在相同的位置时，这样的能量 存储装置和控制电路也可是外部的。面板371必须被构建和安装，以使得旋转轴400平行于地球的极轴。 在一个实施例中，面板被构造以使得所有的旋转轴400平行于壳体的基座 372，这样的面板将被安装以使得基座相对于水平面向上倾斜等于安装位 置上的纬度的角度，且旋转轴400沿着如图15所示的顶视图中的南北方向 取向。在一个可选择的实施例中，所述面板被构造以使得所有的旋转轴 相对于基座372倾斜一个角度，该角度等于安装位置上的纬度(假定在制 造时知道所述位置)。这样的面板可被安装，使得基座平行于水平面， 且旋转轴400沿着在顶视图中的南北方向取向。在另一个可选择的实施例 中，当面板被安装在倾斜的表面上，诸如屋顶，以及当知道该表面的取 向和倾斜角度时，所述面板可被构建以相对所述基座以这样的方式取向 旋转轴，即当面板沿设计的取向被平坦地安装在屋顶上时，旋转轴在安 装位置处平行于极轴。图13和14示出了具有一个或多个静止的目标能量接收器210和旋转以 跟踪太阳的一个或多个聚集器110的可选择的太阳能收集系统。如图13所示，阳光90以预定的入射角O照射在聚集器110上，聚集器 100重新引导阳光至目标能量接受器210。聚集器110和目标能量接受器 210的相对位置是不固定的。每个目标能量接受器210可接收来自于一个 或多个聚集器110的被重新引导的太阳光。或者说，多个聚集器110可把 阳光引导至一个目标能量接收器210，该目标能量接受器210可称作集中 式能量接收器(在这种情况下，聚集器110的阵列作为静止的日光反射装 置)；或可选择地，每个聚集器110可把阳光引导至它本身的目标能量接收器，其被称作分布式能量接收器。类似于图1和2中显示的系统，聚集 器110可以是反射型或透射型；即入射的阳光90和目标能量接收器210可 位于聚集器110的相同或不同的侧面上。优选地，即使当入射阳光用于特 定应用被部分地挡住，聚集器110能产生均匀密度的光输出。优选地，聚集器110具有对跟踪误差的特定容限。如图14所示，阳光90在一天的不同时间以另一个方向照射，聚集器 IIO也改变它的位置，以使得入射角变为平，聚集器110将会仍旧把阳光重 新引导至集中式能量接收器210。集中式能量接收器210的位置是固定 的，而聚集器110的位置是变化的。在实施例中采用如图13和14所示的静止的目标能量接收器210 (或者 是集中式的或分布式的)，聚集器110以不同于具有如图1和2所示的移动 的能量接收器200的太阳能收集单元300的速度围绕极轴旋转。在使用静 止的能量接收器的一个实施例中，聚集器110是两面的镜子，该聚集器 IIO以每天半转的速度围绕极轴旋转，且倾斜的角度与使用移动的能量接 收器的实施例相比被调节半个的量。通常，如图13和图14所示，旋转的 速度和倾斜调整的量依赖于聚集器的设计。对于聚集器110的倾斜角度的 调整的结构可能类似于之前描述的倾斜角度调整结构。类似于使用移动的目标能量接收器200的太阳能收集单元300，使用 静止的目标能量接收器210的能量收集单元以类似于如图12所示的方式可 被设置成阵列且被包围在具有透明盖的壳体中。在太阳能收集单元的阵列中， 一个结构元件在特定的时间内可能部 分地阻挡另一个太阳能聚集器上的入射的阳光。对于一些应用诸如太阳 热，在能量接收器上不均匀的照射是可被接受的；对于其它的应用诸如 光伏(PV)应用，为了最佳的性能需要均匀的光照射，当输入的阳光被 部分地阻挡时，优选地使用能产生均匀的输出照明的非成像聚集器。上面描述了太阳能收集系统的许多不同的变形。不同变形中的一个 共同的特性是太阳能收集器(该太阳能收集器或者是用于把阳光引导至 太阳能接收器(200/210)的太阳能聚集器(100/110)或是没有聚集器的 太阳能接收器)被安装以在一天的至少一部分以预定的旋转速度围绕极 轴旋转，且自动和间歇地调整倾斜角度。所述变形包括如果太阳能收集器是与太阳能接收器(200) —起被使用的太阳能聚集器(100)，且该太阳能接收器(200)与聚集器一起旋转，或太阳能收集器是没有聚集器的太阳能接收器(未在附图中示出)，那么所述预 定的旋转速度是大约每天一转。如果太阳能收集器是与静止的太阳能接收器(210) —起被使用的太阳能聚集器(110)，且该静止的太阳能接 收器(210)被在空间上固定，那么所述预定的旋转速度是大约每天半 转。"在每天的至少一部分以预定的旋转速度旋转"包括多种驱动模式， 诸如全天连续地旋转(即每天24小时)，或在每天的一部分时间中旋转(例如在白昼时间)，以及向后或向前旋转(优选地以更快的速度)至 开始的位置以使得它能在第二天重新开始旋转。另外，术语"旋转"包括 间歇的旋转(即每次非常短的时间段诸如一分钟旋转适当的角度)，只 要平均速度是预定的旋转速度即可。"大约每天一转"或"大约每天半转"是 指旋转速度可能偏离每24小时360度(或180度)的理想值。通常，相对 便宜的计时装置(时钟)可获得每24小时士 l度的准确度(等同于每24小 时± 4分钟)。积累的计时误差可使用通用标准的时间源被不时地纠正， 诸如GPS时间信号或标准无线时间源。另外，虽然更准确的跟踪导致更有 效率的太阳能收集，但是如果小于最佳的能量收集效率可被接受，跟踪(旋转)速度可偏离理想的速度较大的量(例如10或甚至20度每24小 时)。此外，太阳能收集器可能被设计以使得对于大范围的阳光入射角 保持相对高的收集效率，在这种情况下，甚至更大的跟踪误差可能被接 受。因此，可以理解，上面描述的对以每24小时360 (或180)度的速度 恒定旋转的理想情形的偏离落入本发明的范围。另外，由于围绕太阳的 地球轨道的有限的偏心率(0.0167)，每天的精确的长度可能比24小时更 长或更短。跟踪设备可能被设计以调整这种每天长度的变化，或者通过 改变旋转速度或通过对积累的误差进行不时地修正。跟踪系统的旋转速 度的所有的这些变化在本发明的范围内。"自动的和间歇的倾斜角度调整"是指没有人为的干涉自动地发生所 述调整，且调整以多于每天一次、每天一次或小于每天一次地频率发 生。间歇的倾斜角度调整的优点在于，其可以相对简单的机械结构获 得，诸如在示出的实施例中的手柄350。也描述了太阳能收集系统，其中，多个这样的太阳能收集器被安装 在基座上和由共同的功率源驱动，以便以相同的速度旋转。太阳能收集 器可以是上述变形中的任何一个。多个太阳能收集器可被包围在壳体 中，该多个太阳能收集器之后作为一个单元被安装。从上面的描述可知，根据本发明实施例的同步的太阳能聚集器阵列 只具有一组固定的轴，但是可获得传统的两个轴跟踪的跟踪准确度。在 所述阵列中的所有移动的元件以相同的速度和方向旋转，且围绕它们各自的固定轴；因此，不需要复杂的控制机构。每个聚集器不需要是很大的或笨拙的。使用可重复的、小的且简单的组件可降低制造成本。因 此，可降低整个系统的成本。另外，能量收集单元可以恒定的速度旋转(虽然这不是必需的)和可与通用的标准时间源同步(诸如GPS信号或标 准无线电时间源)，从而消除了与使用太阳能传感器或当地的时钟的系 统相关的问题。通过使用聚集器，对于具有同样额定功率的面板，可显著地降低太 阳能电池材料的使用。通过使用有效的太阳跟踪方法，太阳跟踪的间接 成本变得不明显。因为每个太阳能收集单元可具有小的尺寸，它们的阵 列可被设置在平面内和可构建一种低剖面(型面高度)的平坦面板。与图13和图14相关的被构建的面板的一个特殊的应用是静止的日光 反射装置，其对于集中式能量接受器是非常理想的。 根据本发明实施例的太阳能收集系统的优点如下 -一个固定轴跟踪用于精确的太阳能收集； -单个轴或轴的阵列全都平行于地球旋转轴； -因为有聚集器，使用较少的太阳能转换元件； -同步的太阳能聚集器的阵列可由一个小的功率源驱动； -以可控制的、几乎恒定的、缓慢的速度同步的旋转； -根据需要季节性的倾斜角度轻微的调整； -可能在分布式能量接收器或在集中式能量接收器上使用； -具有盖子，它看上去像静止的平坦的面板或静止的日光反射装置。 在不偏离本发明的实质或范围的情况下，对本发明的太阳能收集系 统进行的各种修改和变形，对于本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，本发明旨在覆盖在附加的权利要求和它们的等同物的范围内的修 改和变形。
权利要求
1. 一种太阳能收集设备，包括旋转轴；被安装用于围绕旋转轴旋转的太阳能收集器，该太阳能收集器限定了相对于所述旋转轴的倾斜角度；驱动机构，该驱动机构用于驱动太阳能收集器在一天的至少一部分以预定的旋转速度围绕旋转轴旋转；和倾斜角度调整机构，该倾斜角度调整机构用于自动地和间歇地调整所述倾斜角度。
2. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，其中，所述倾斜角度 调整机构包括手柄，所述手柄固定至太阳能收集器以及手柄和太阳能收集器一 起围绕旋转轴旋转；倾斜角度变化引导装置，其具有适合接收手柄的一部分的细长的 开口，所述倾斜角度变化引导装置被定位以使得手柄进入所述开口的 第一端，沿着所述幵口滑动，并在太阳能收集器的一部分旋转中从所 述开口的第二端退出，其中，当手柄进入开口的第一端时太阳能收集 器的倾斜角度是第一值，和当手柄从开口的第二端退出时太阳能收集 器的倾斜角度是第二值；和倾斜角度变化引导装置调整机构，其用于季节性地调整倾斜角度 变化引导装置的位置。
3. 根据权利要求2所述的太阳能收集设备，进一步包括夹子或闩 锁，其用于以固定的倾斜角度把太阳能收集器固定至旋转轴，其中， 当手柄进入倾斜角度变化引导装置的开口的第一端时，夹子或闩锁脱 离接合，和当手柄从开口的第二端退出时重新接合。
4. 根据权利要求2所述的太阳能收集设备，其中，所述手柄和倾 斜角度变化引导装置被定位以使得手柄在非能量收集时间期间进入倾 斜角度变化引导装置的开口。
5. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，其中，所述太阳能收集器是太阳能接收器，并且，其中，所述预定旋转速度是大约每天一 转。
6. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，其中，所述太阳能收 集器是太阳能聚集器，其中，太阳能收集设备进一步包括太阳能接收 器，所述太阳能接收器相对于太阳能聚集器具有固定的空间位置，其 中，太阳能聚集器把阳光引导至太阳能接收器，以及其中，所述预定 旋转速度是大约每天一转。
7. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，其中，所述太阳能收集器是太阳能聚集器，其中，所述太阳能收集设备进一步包括静止的 太阳能接收器，所述太阳能接收器在空间上是固定的，其中，所述太 阳能聚集器把阳光引导至太阳能接收器，以及其中，所述预定旋转速 度是大约每天半转。
8. 根据权利要求7所述的太阳能收集设备，其中，所述太阳能聚 集器是两面的镜子。
9. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，其中，所述驱动机构 驱动太阳能收集器全天连续地旋转。
10. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，其中所述驱动机构驱 动太阳能收集器以在一天的白昼时间旋转以及在夜间时间向后或向前 旋转至起点位置且第二天重新开始旋转。
11. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，进一步包括太阳能接 收器，其中，太阳能收集器是用于把阳光引导至太阳能接收器的太阳 能聚集器，并且，其中，当部分地被照射时，太阳能聚集器是产生基 本上均匀的光输出的非成像聚集器。
12. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，进一步包括太阳能接 收器，其中，太阳能收集器是用于把阳光引导至太阳能接收器的太阳 能聚集器，和其中，太阳能聚集器是非成像聚集器，当阳光以在预定 范围内的角度照射在太阳能聚集器上时，所述非成像聚集器基本上把 全部入射阳光引导至所述太阳能接收器。
13. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，进一步包括用于控制 驱动机构的控制电路，所述控制电路接收通用标准时间信号，用于把太阳能收集器的旋转与地球相对于太阳的旋转同步。
14. 根据权利要求l所述的太阳能收集设备，包括形成刚性主体的 多个太阳能收集器，所述设备进一步包括被安装用于围绕旋转轴旋转 的横木，其中，所述刚性主体以倾斜角度连接至横木，且刚性主体和 横木一起围绕旋转轴旋转，其中，刚性主体相对于横木是平衡的和相 对于在所有的倾斜角度上的旋转轴是平衡的，并且，其中，倾斜角度 调整机构调整刚性主体的倾斜角度。
15. —种太阳能收集系统，包括多个如权利要求l所述的太阳能收 集设备，所述系统进一步包括基座，在所述基座上安装多个太阳能收集设备的旋转轴；和 壳体，所述壳体用于包围多个太阳能收集设备；
16. 根据权利要求15所述的太阳能收集系统，其中，多个太阳能 收集设备的旋转轴彼此平行，所述系统进一步包括用于提供驱动功率的功率源；和驱动系统，该驱动系统用于把驱动功率传输至多个太阳能收集设 备的驱动机构，以驱动它们以相同的速度旋转。
17. 根据权利要求16所述的太阳能收集系统，进一步包括 用于控制驱动系统的控制电路；和 用于为功率源储存能量的能量储存设备，其中，所述控制电路和能量储存设备设置在壳体的外部。
18. 根据权利要求15所述的太阳能收集系统，其中，多个太阳能 收集设备的旋转轴平行于所述基座。
19. 根据权利要求15所述的太阳能收集系统，其中，多个太阳能 收集设备的旋转轴以预定的角度相对于所述基座倾斜。
20. 根据权利要求15所述的太阳能收集系统，进一步包括静止的 太阳能接收器，其中，每个太阳能收集设备的太阳能收集器是把阳光 引导至太阳能接收器的太阳能聚集器。
21. 根据权利要求15所述的太阳能收集系统，其中，每个太阳能 收集设备进一步包括太阳能接收器，其中，每个太阳能收集设备的太 阳能收集器是把阳光引导至各个太阳能接收器的太阳能聚集器。
22. —种用于收集太阳能的方法，包括 平行于地球的极轴安装旋转轴；安装用于围绕所述旋转轴旋转的太阳能收集器，所述太阳能收集 器限定相对于旋转轴的倾斜角度；在一天的至少一部分中以预定的旋转速度围绕所述旋转轴旋转太 阳能收集器；和自动地和间歇地调整所述倾斜角度。
23. —种太阳能收集设备，包括.-旋转轴；被安装用于围绕所述旋转轴旋转的太阳能收集器，所述太阳能收 集器限定相对于所述旋转轴的倾斜角度；驱动机构，用于驱动太阳能收集器在一天的至少一部分中以预定 的旋转速度围绕所述旋转轴旋转；和用于自动地调整倾斜角度的倾斜角度调整机构，所述倾斜角度调 整机构包括手柄，所述手柄固定至太阳能收集器并和太阳能收集器一起围绕 旋转轴旋转；倾斜角度变化引导装置，其在手柄围绕旋转轴的至少一部分旋转 中接合手柄，和用于季节性地调整倾斜角度变化引导装置的位置的倾斜角度变化 引导装置调整机构。
24. 根据权利要求23所述的太阳能收集设备，其中，所述倾斜角 度变化引导装置具有适合接收手柄的一部分的细长的开口，所述倾斜 角度变化引导装置被定位以使得手柄进入所述开口的第一端，沿着所 述开口滑动，并在太阳能收集器的一部分旋转中从所述开口的第二端 退出，其中，当手柄进入开口的第一端时太阳能收集器的倾斜角度是 第一值，当手柄从开口的第二端退出时太阳能收集器的倾斜角度是第 二值。
25. 根据权利要求24所述的太阳能收集设备，其中，所述倾斜角 度变化引导装置具有多个平行的开口。
26.根据权利要求23所述的太阳能收集设备，其中，所述手柄具有圆形的形状和所述倾斜角度变化引导装置始终接合手柄。
全文摘要
一种太阳能收集设备，包括平行于地球极轴被安装的旋转轴；被安装用于以预定的旋转速度围绕旋转轴旋转的太阳能收集器，该太阳能收集器限定了相对于旋转轴的倾斜角度；以及用于自动地和间歇地调整倾斜角度的倾斜角度调整机构。太阳能收集器的各种配置是可能的，以及依赖于太阳能收集器的配置，旋转的速度可能是每天一转或每天半转。许多驱动模式是可能的，包括在全天连续地旋转或在白昼时间旋转且在夜间向后或向前旋转。倾斜角度调整机构包括固定至太阳能收集器的手柄和倾斜角度变化引导装置。
文档编号F24J2/38GK101535736SQ200780029078
公开日2009年9月16日 申请日期2007年6月2日 优先权日2006年6月5日
发明者陈达彤 申请人:勒尼瓦特有限公司