太阳能收集系统的制作方法

专利名称：太阳能收集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种配备有太阳能收集设施的陆基或者海基人工 岛。更具体地说，本发明涉及这种类型的一种大规模结构，其能够 利用太阳热技术以符合成本效益的方式生产电能。
背景技术：
普遍认为地球正在快速接近比例无法计算的能源危机。有些人
说，危机将在2040年左右发生。
看起来，太阳能可能是理论上能够克服即将来临的能源危机而 不会中断能源消耗的唯一来源。地热能是遥远的第二种可能，但显 然成本要高很多。
太阳能主要适合于緩和这种将来的能源危机。举例来说，每年 有几乎10，000GTEP(TEP-屯当量石油)的太阳辐射到达地球。然而， 只需要最多5GTEP的可用太阳能就可能朝着地球能源可持续性迈进 显著的一步。
然而，对于大规模实施依赖太阳的能源生成系统有实际的限 制。例如，光电电池能将太阳能(即阳光)转换成可用能，即电能。 但是，取决于使用的材料，这些器件的整体效率是大约10 18%。而 且，更高的效率一般要求更贵的材料。还有，制造光电电池需要使 用高度有害的化学品，这带来了显著的、不断扩大的环境问题。
由于这些原因，太阳热技术，即用于将太阳能转换为电能的另 一种主要技术，似乎成为了在可预见的未来用来在保持成本较低的 同时生产足够数量的GTEP的唯一潜在方案。
目前在实验性应用中广泛使用的一种具体太阳热技术是太阳 能抛物面型槽。形状像一种大型排水管下半部的抛物面型槽将太阳
8光反射到在其上方延伸的中心接收器管。加压水或者其他流体在管 中被加热并用来生成蒸汽，蒸汽随后能驱动涡轮发电机来产生电力 或者提供工业用热能。
理论上讲，抛物面型槽具有生产高效电力的潜力，因为其能实 现较高的涡轮机进口温度。然而，在实践中，这种技术对土地的要 求是巨大的。而且，最新的研究表明，先前估计的使用这种技术的 电力成本可能是过于乐观了。简而言之，由于效率低或者成本过高， 还由于太阳辐射的内在限制和变化，关于这种技术的所能认识到的 前景还没有在实践的意义上产生切实的效益。更具体地说，这些槽 型收集器需要成本高和需精密维护的导向系统来根据太阳的位置动 态地调整槽面板的角位置。这就需要昂贵的齿轮传动机构，以及能 够承受非常大的载荷波动和其他结构上考虑的大型支撑结构。

发明内容
本发明的一个目的是在利用太阳能方面实现实际的、切实的进 步，以緩解与当前电能能源相关的公知关切，包括在可预见的将来 发生重大能源危机的可能。
本发明的另 一 个目的是便于通过利用太阳辐射大规模地产生电 能，并以经济上可行的成本来实现。
本发明通过将太阳辐射收集器模组放置在大规模轻质人工岛上 来实现，这种或者这些人工岛成本低，直径高达几百米，甚至可能 建造成直径在一公里以上。这种岛既可以在海上、大的天然湖上操 作，也可以在陆地上操作，这种岛在这些地方上建立在能容纳天然 油甚至水等具有合适粘度的流体的混凝土凹槽内。这种岛是漂浮着 的。术语"轻质"指的是比重，即平台表面空间/整体重量。
这种岛的高度应较高，例如超过10米，甚至可能有30米高， 以避免或者至少最小化不平的海面等的任何负面影响。但是，岛的 样式在理论上能够建得低很多，即大约2米。虽然如此，如果岛部 署在诸如沙漠等艰难的环境中，基于陆地的样式也会从一定高度受
9益。在这种情况下，最小高度将有助于使模组的太阳能集中器能够 位于远高于沙漠表面的上方，在沙尘暴的情况下处于伤害路径之外。 沙尘暴的最大磨损效果发生在沙子的边缘层，刚好在地面之上。总 的来说，如果岛高于这种边缘层的典型高度，那么，太阳能集中器 和其他设备将更不容易经受由沙尘暴造成的缺陷。岛转动以追踪太 阳的位置。这种岛的陆基样式凭借着尺寸大体能够装配在大型环形 槽内的大型外环结构漂浮在容纳于该槽内的液体上。海基样式也使 用这种外环结构。漂浮的外环有利于岛转动到希望的方位，使位于 岛上的太阳辐射收集器的位置最佳。不用调整太阳能收集器多个面 板的位置，代之以收集器面板被固定就位，但被支撑在一个大型平 台上，该大型平台调整以优化太阳能辐射效果。
岛基本上是圆形的，但是外环结构不一定是精确的圓形。对于 岛的陆地样式，外环结构的基部必须要有 一 个形状上接近圆形的底 部元件，以允许该底部元件绕着上述的混凝土槽内转动。外环还可 以由多节横截面是圓形、方形、椭圆形或者任何其他合适形状的直 管段组装而成。外环结构可以使用船只设计中通用的典型特征，诸
如在这些管^:内隔离出内部容腔，以防止如果外环出现泄露而下沉 的可能。本发明的 一种优选实施方式想到使用 一般用于输油管线的 管段。
通过利用从太阳能集中器传来的蒸汽，外环结构能保持或者支 持电气设施，诸如用来在兰金循环(Rankine cycle )中实际生产电能 的所有设备等。这可以大体是现有技术中的机械，诸如蒸汽涡轮机 或者斯特林发动机或者适合于使用蒸汽驱动发电机的任何其他类型 的机器。
根据本发明的一种优选实施方式，带有太阳能收集设施的人工 岛包括漂浮的平台，所述平台主要包括可变形的罩或者箔片，所述 罩或者箔片遍布外环结构延伸并密封在所述外环结构上。顶罩是工 业级别、寿命长且抗紫外线(UV)的材料，其可以硫化和/或夹紧或 者用任何其他合适方式结合到外环结构，使得顶罩是气密的。这就
10在罩的下方产生了 一个围成的容腔。压缩机系统被安装用来与围成 的容腔流体连通，并能够操作以在罩下产生稍微的过压。目前的研
究表明，大约0.005巴的过压就应该足够，但是，在一些情况下，可 能要大很多。另外，这个过压如下所述是可动态调整的，以实现并 维持希望的漂浮效果。希望的是，对围成的容腔加压到在罩的中心 产生一个朝上的隆起的程度，以促进雨水沿着径向向外的方向流走。 罩还可以包括通道来促进沿希望方向的流走。实际上，这种流走可 以用作脱盐系统的一部分。为了实现希望的过压，可以使用多个压 缩才几，即泵。
对于陆基系统，陆地电线设施可操作地将人工岛连接到当地电 网。在没有实质性电网可以用来连接的情况下，可以连接制氩设施。 对于水面部署样式，人工岛具有足够数量的推进装置，这些推进装 置由沿着外环结构分布的电力或者其他动力驱动。这些推进装置可 以将岛移动到希望地点，也可以将岛转到相对于太阳的希望方位。
本发明的陆基样式的人工岛具有对中机构，即轮子，用于将岛 在槽内对中于其转动轴线上。为了转动岛，这种结构使用在混凝土 环外侧滚动的可驱动轮子。因为人工岛是以漂浮的方式受到支撑， 所以，转动岛实际所需的动力是最小的。绕着外部结构分布的较小 的电机将适合于转动岛， 一天可以有效地转过360° 。
为了减少岛的整体重量和减小易于受风的影响而弯曲的性质， 支撑在平台上的太阳辐射收集器模组具有流道式轻质设计，这种设 计允许空气实际上流经集中器面板。这样的收集器能够由完全工业 化制造的、镜面化的带钢或者铝组装而成。这种类型的设计与一般 的抛物面型槽设计相比，大大减少了成本和重量。而且，这种设计 还能容易地在靠近赤道的乡村组装，在这些地方，困难的制造工艺， 例如弯曲大规模的铝反射镜元件，可能是不可行的。
这种人工岛的围成的容腔由外环结构、罩和水面(对于海基样 式)或者地面(对于陆基样式)围住。对于陆基样式，围成的容腔 的密封效果部分由混凝土槽实现。陆地样式的一个特别优点是，罩
ii以下的土地表面可以维持不处理。还有，这个表面可以保持用于操 作岛的一些技术装备。于是，这些装备可以不一定要由外环结构支 撑，就像漂浮在海上的人工岛的情况那样。对于陆地样式来说，如 果装备实际上位于平台的下面，那么，罩的覆罩部分可以是透明材 料的。这可以让一些周围的阳光照射到下面的设施，操作队伍就在 这些"&施里面工作。
一个轻质空间框架结构设置于罩的上方，并支撑太阳辐射收集 器模组。作为替换方式，或者甚至是附加的，预张紧缆线系统跨过 罩，并且外环结构保持这些缆线用的底座。还有，蜂窝式结构可以 用作这种上部结构。罩下面的气垫维持在实际上支撑上部结构的压 力。为此，上部结构，或者甚至模组或罩，保持多个传感器，例如 应变仪，这些传感器以可操作地连接到计算机的网络的形式相互连 接，而计算机又连接到压缩机系统。传感器在围绕着罩的不同地点 测量与罩有关的希望的可测量状态，例如空间框架上的应变。计算 机利用适当的算法和相应的软件来控制压缩机系统动态地调节罩下 面的空气压力，以使空间框架上的应变最小，或者以适当的方式处 理所感测到的状态。应当理解，多种其他测力器件中的任何一种都 可以用来动态感测并分析罩、上部结构或者模组上的机械载荷，并 且开始适当改变过压。
这种人工岛的重量是特别轻的，因为保持太阳能集中器的空间 框架支撑结构几乎不必要能支撑其自身重量。由风或者任何其他大 气或者不利效应引起的任何过大的力都能得到可变形罩下面的过压 垫的补偿，尤其是经过适当的传感器和压缩机系统的动态控制。
根据本发明的另 一个方面，外环结构在其外侧具有另外的支撑
框架，以保持光电(PV)元件。由这些PV元件及其蓄电池和DC/AC 逆变器设施产生的电力可以用来给岛的定位系统还有诸如驱动系统 和压缩机系统的操作室系统提供动力。
根据本发明的又一个方面，海基样式含有装设在外环结构上的 推进设备，以随着季节移动岛向南和向北越过赤道。这就能使岛维持在太阳日常路径下方的竖直位置。已经表明，如果太阳能生产设 施能够实际上按照这里建议的方式追循着太阳路径，那么，太阳能
输出每年可增长高达15%。这种岛的定位系统可包括带有适当计算 设备的GPS系统，该计算设备包括基于Cook定律建立经度和炜度 的算法及相关软件(见http:〃fred.elie.free.fr/cadrans solaires.htm )。在 岛基本上转过大约180°以追循太阳从东边升起到西边落下的一天 中，同样的定位系统还可以保持岛的位置。
下面给出对于直径为500米的这种人工岛潜在输出的简要计算。 这种岛在外环结构内侧的表面积为大约195,000平方米。热带的太阳 辐射大致为每平方米lkW。假定非常保守的整体转换效率(集中器， Rankine循环等)在10~20%之间，则这种岛的峰值输出估计可以超 过30MW。这是假定岛每天约8小时中按峰值功率操作。为了进行 这种计算，省略了在早晨和晚上期间以小于峰值输出生成的额外动 力。假定每年留出15天用来维护操作，得到每天大致240MWh或者 每年大约85000MWh的输出。于是， 一个这样的岛一年中可以产生 的电力量，按0.15美元/kWh的平均售价计算，大致值1275万美元。
随着岛尺寸的增加，这种人工岛背后的经济效益变得更加吸引 人。还有，尺寸的增加进一步增加了水部署样式的稳定性，特别是 在不好的天气中。因此，这个创造性的人工太阳岛代表了朝着可持 续能源生产的主要贡献，而这种可持续能源生产在不久的将来将是 急迫需要的。
罩下方围成的容腔的过压在支撑太阳辐射收集器模组方面起着 重要作用。尤其是，为了以经济上可行的成本从太阳辐射生成电， 所需表面积是极大的。尽管商业上可利用的太阳能收集器在效率上 不断提高，但是，表面积要求，即收集器所占据的表面积仍然是巨 大的。大表面积的需要产生了其他实践上的考虑，即如何充分地将 收集器支撑在也能相对于太阳位置重新取向的承载结构上。利用本 发明，答案是三方面的。第一，大型外环可漂浮地支撑岛的边缘， 并由此承载总重量的主要部分。于是，平台漂浮着。第二，罩下方的过压容腔有助于显著降低岛中心的载荷。第三，使用适当的上部 支撑结构，即轻质空间框架，或者作为替换方式的张紧的缆线系统， 或者蜂窝结构，进一步确保对太阳能收集器的充分的机械支撑。
供水管(向内)和蒸汽管(向外)经过位于岛中心的旋转接头 连接到太阳辐射收集器模组。这种接头必须能适应岛的旋转。这一 点可以通过共轴构型、共轴摆动接头或者甚至通过合适长度的软管 来做到。
一旦这些管达到了平台的顶部，它们就沿着成排的太阳辐射收 集器模组进行安排，以利用上面集中了阳光的热管产生可用的蒸汽。 因为从岛中心延伸到所有不同的模组的各种管的长度是不同的，所 以，使用压力调节器阀来緩和并控制任何不希望的压力和温度差异。
沿着模组，热管布局的各种布局或布置都是可能的。 一种这样
的布置涉及到使向外的水管线沿着太阳能收集器模组的热管顶部延 伸，由于它们接近位于下面的相应热管，从而对在这些上部管中流 动的水进行预热。
本发明还想到了利用可驱动车或者其他装置清洁太阳能收集器 的能力，这种车沿着在成排收集器旁边延伸的轨道或者导轨运动。 这种装置可以是一种机器人，其在模组的表面引导加压流体，最可 能的是空气。导轨可以是一种支撑有轮车的双轨导轨，或者甚至一 种单轨型的导轨。有轮车的构型使其能够沿着轨道行进到平台上的 任何希望位置，以为任何所需维修提供路径。
如果希望的话，在一种替换实施方式中，平台可以被"浮动" 地支撑在多组同心轮子上的多个同心轨道的上方，其尺寸为骑在轨 道上。考虑下面的详细描述和附图，本发明的这些以及其他特征将 会更加容易理解。


图1是根据本发明的第一优选实施方式建造的人工岛的透视图。
14图2是示意性地示出了根据本发明一个方面的陆基样式的人 工岛的水平剖视图。
图3是示出了本发明的陆基样式的人工岛的示意形式的俯视图。
图4A是水平剖视图，其示意性地示出了根据本发明一种优选 实施方式的陆基样式人工岛的外环结构和槽。
图4B是类似于图4A的水平剖视图，其示意性地示出了用于 本发明的陆基样式的人工岛的外环结构和槽的又一种变型。
图5是根据本发明的驱动机构的一种优选实施方式的驱动轮 子单元的透视图，其中，示出了其连接到外环结构。
图6是类似于图4的根据本发明的对中机构的一种优选实施方 式的对中轮子单元的透视图，其中，示出了其连接到外环结构。
图7 A是根据本发明的上部结构的第 一 优选实施方式的吊舱的 透视图，该吊舱将轻质空间框架的 一部分支撑在平台罩上。
图7B是示意性地示出了图7A中所示的吊舱和其他结构的水 平视图。
图8是示意性地示出图7A和图7B所示类型的吊舱的底部的 透视图。
图9是透视图，其示意性地示出了在本发明的人工岛的罩上可 能发生的凹陷的计算机模型所生成的模拟。
图IO是水平视图，其示意性地示出了本发明的上部结构的第 二优选实施方式，即同多个浮筒配合的缆线系统，这些浮筒又保持 架设菲涅尔型太阳能集中器的支撑板。
图IOA是示出替换性浮筒结构的透视图。
图ll是水平视图，其示意性地示出了本发明的上部结构的第 三优选实施方式， 一种上面架设菲涅尔型收集器的蜂窝结构。
图12A和图12B是透视图，其示出了用于经过位于轮毂18处 的旋转接头向岛IO和从岛10发送流体即水和/或蒸汽的两种替换结 构。
15图13A是沿着菲涅尔收集器排中之一的纵向视图，示出便于 服务和维护的轨道支撑车。
图13B是沿着图13A的线13B-13B的横截面视图。 图14是示出图13A所示的车的另一个方面的透视图。
具体实施例方式
本申请要求下列美国临时申请的优先权2007年3月5日提 交的名称为"Solar Island"、序列号为No.60/892，956的美国临时申 请，2007年12月20日提交的名称为"Solar Island"、序列号为 No.61/015，263的美国临时申请，以及2008年2月21日提交的名称 为"Solar Island"、序列号为No.61/030,390的美国临时申请。所有 这三个申请都明确地全部通过引用包含于此。
图1示出了根据本发明的一种优选实施方式建造的人工岛10。 岛IO总体上包括水平平台12，平台12又包括外支撑环结构14,外 支撑环结构14被一个可变形的罩16所跨过。罩16可以是任何合适 的可变形材料，其能够例如通过涂胶、热焊接或者硫化邻近位置的 边缘而沿着相对的纵向边缘密封。在本发明的一个初始原型中，对 于罩16，申请人使用了被称为SIKA Sarnafil TS77-20的工业箔片。 岛10包括一个中心轮毂18，其将在后面进行更详细的描述。
平台12支撑着多个太阳辐射收集器模组，这些模组以多个平 行排19的形式端对端地布置。任何给定的模组排19都包括多个钢 丝支撑的立柱20，立柱20又保持水平取向的热管21。每一排19都 包括多个下部平行装设的太阳能集中器，或者反射器面板22。每一 个集中器22都以希望角度固定，以使所有反射器22朝着热管21向 上反射或者引导阳光。这样就将反射的太阳辐射集中在热管21上。 平台12旋转以使排19保持垂直于太阳方向的取向。
供水管和蒸汽管被安排到中心轮毂18,并连接到沿相反方向 延伸的两个导管24。导管24连接到大体沿岛10的中心延伸的次级 分支24a,这样，在每一排19中，供给水能够沿着相应的热管21来
16回流动。
图1还示出了按照总体上由附图标记26指示的网格状遍布罩 16的上表面分布的多个吊舱25。尽管在图1中没有特别详细地示出， 但吊舱25支撑轻质空间框架27,空间框架27大体上占据了图1中 网格线26指示的空间。空间框架27又支撑着太阳辐射收集器模组 的排19。
如上所述，本发明的人工岛10是一种漂浮的结构。本发明想 到了这种人工岛10的陆基或者海基操作。图2示出了人工岛10的 一种优选实施方式的结构组件的更多细节。更具体地说，图2示出 了整体结构以及岛10由外环14漂浮支撑的方式。优选地，环14由 钢、混凝土、塑料、铝或者任何其他合适材料的可连接的预制节段 制成。如果环14的节段由钢制成，则这些节段优选焊接在一起。特 别是对于海基样式的岛IO来说，这些节段具有内部支撑结构。这些 内部支撑结构与环14的相邻位置的节段是隔离的，由此，隔离了环 14的位置相邻的部分，从而隔离了可能发生的任何泄露。在这种岛 10的陆基样式的一种原型构造中，平台12的直径为大约85米，节 段的直径为大约2米，节段的长度为大约7.5米。优选地，环14的 这些部分在位于沟28中并优选地支撑在一种临时结构上的时候进行 安放并相互连接。这种临时结构然后在沟28填充水29后能被去掉。 沟28必须能够支撑环14的重量。对于该原型，申请人估计环14的 总重量为大约100吨(100,000kg),对应于每平方米大约380kg的 重量。
图2示出了外环14漂浮地位于沟或者槽28内。如图2所示， 沟具有内壁28a、底壁28b和外壁28c。沟28优选地由混凝土制成。 壁28a、 28b、 28c中的每一个的厚度根据当地的地质调查和任何适 用的建筑法规来确定。沟28包含粘度合适的流体，尤其是诸如水29 等流体，从而浮起支撑环14。
图2还示出了位于罩16下方并进一步被环14、槽28内的水 29和位于岛10中心的地面31或者底部表面限定或者围住的围成的容腔30。优选地，表面31与内壁28a的顶部是平的。这可以通过填 沙做到，然后，沙子用2mm厚的PVC箔片覆盖，PVC箔片优选的 是用涤纶线和/或由玻璃纤维制成的棉网加强的可变形聚烯烃基箔 片。压缩机系统32,优选的是多个压缩机或者泵，其被设置成与围 成的容腔30流体连通。在图2中，泵32被示出位于岛10的中间的 底面31的下方。不过，其也可以居中地位于用于操作岛10的操作 室或者设施内，或者甚至安放在环14上。泵32将空气泵入围成的 容腔30中，如方向箭头34所示，以维持罩16下方和容腔30内的 合适的过压条件。申请人目前预计，围成的容腔30内的实际过压量 将大约是0，005巴，但是这个值可以取决于动态条件而有所改变，并 且在一些情况下，这个值可以大很多。图2还示出了向上延伸的外 缘结构14a，外缘结构14a从环14的每一个节段向上延伸，以形成 围绕着环14顶部的外顶部表面14b。
图3示出了这种人工岛10的陆基样式的一个例子，包括径向 取向的地下坑道35。坑道35 ,人该结构的中心轮毂18向外延伸，超 过沟28的外壁28c到达能源设施36。能源设施36可以是涡轮发电 机或者用于存储或者使用岛10所产生的太阳能生成蒸汽的其他设 施。优选地，坑道35承载着连接到导管24的水管以及任何的电连 接器。坑道35的底面从岛10的中心向下倾斜，从而延伸到沟28底 部的下方，并且还防止任何水或者其他流体流到岛10的中心。如果 需要，在旁边设置池子37以向沟28供水。池子37优选地从下方连 接到沟28,以便于迅速排干沟28。
图3还示出了模组排19的另一视图。总的来说，对于每一个 模组来说，集中器22都是大约8米长。
图2还有图4A示出了对中机构38的细节，对中机构38将岛 IO对中在其中心轴线上。更具体地说，对中机构38在径向上超过环 14并位于沟28的外壁28c的内表面之内。这个对中机构38包括装 设到环14的支架39，支架39支撑与外壁28c接触的可转动轮子40。 重要的是，外壁28c的内表面被构造成优选是圆形，或者有很小的公差。这个要求是必要的，因为岛10的角度调整是经过这些轮子40 来实现的。本发明还想到一种替换的装设选择，即将支架39装设在 外壁28c上，使轮子40与环14接触。
尽管轮子40的数量是可以变化的，但是申请人预计，围绕着 环14的外周将需要12个这样的轮子40,这些轮子每30。隔开一个。 不过，可以使用额外的轮子以更均衡地在外壁28c和环14之间分布 载荷。轮子40可以是标准的汽车轮。另外， 一些轮子40,优选为4 个，用于额外目的，即将环14绕其轴线以转动方式驱动到希望位置， 以优化反射器22的性能。由此， 一些轮子40是对中机构和驱动机 构的一部分。图4A还示出了电机壳体50，这表示所示的轮子40是 4个两用轮子40中的一个。
本领域技术人员将会理解，根据风的方向，在任何给定时间， 轮子40和外壁28c之间的力将只作用在环14的一侧。于是，只有 大约一半的对中轮子40被用来相对于外壁28c将角向力传递给环。 不过，外壁28c及其基础必须进行尺寸设计和强化以承载该栽荷。 如果根本没有风，或者风非常小，那么，所有的轮子40都将与外壁 28c接触并承载旋转载荷，但是该载荷将绕着环14的周边更加均匀 地分布。
图4A和图4B示出了外环结构14以及岛IO的一些结构细节。 由于图4A的尺寸更大(与图2相比)，所以，图4A更清楚地示出 了外支架42，其优选地是一种U形的钢制环状圈，且侧面是弯的。 外支架42固定或者夹紧罩16的外周边缘。图4A还示出了用来支撑 太阳能收集器模组排19的一种替换结构的一些方面。更具体地说， 图4A示出了与吊舱25协作的张紧的缆线系统。预计缆线46会需要 适应在大约10 25kW范围中的张紧力。更具体地说，按照能使吊舱 25基本上悬挂在缆线46上，或者悬吊在上方的缆线46和下方的罩 16之间的方式，固定的装设支撑件44保持张紧缆线46的外端，该 张紧缆线在罩16上方跨越岛10。优选地，吊舱25适于容纳这种缆 线系统的缆线46以及空间框架组件，以增强建造岛IO和支撑太阳图4B与图4A类似，但图4B示出了本发明的另一种变型，其 中，环214存储由收集器模组生成的蒸汽114，并且环214被装在正 方形(横截面)的外部绝热部分215内。图4B还示出了向外延伸的 裙部228d，裙部228d从环214延伸到沟228的外壁228c。该裙部 228d可以同本发明的其他变型一起使用。裙部228d有助于防止流体 从沟228蒸发，而且还可以帮助防止灰尘或者其他杂物落到里面。
图5更清楚地示出了一个还被用来以转动方式驱动岛10的对 中轮子40。这是通过将驱动机构即电机50a装设到支撑对中轮子的 同样结构上来实现的，如图6所示。
在任一情形中，轮子40都具有装设到环14的支架39。支架 39包括弹簧41和水平取向的铰接轴线39a，弹簧41用作支架39的 以铰接方式连接的部分(相对于轴线39a铰接地连接)之间的减震 器。图4A示出了电机壳体50，其罩住图5所示的电机50a。优选地， 驱动机构包括减速器52以及同轮子40—起装设到支架39的适配器 53。再进一步，如图3所示，电机壳体50经电连接可操作地连接到 计算机控制器70，以可转动地控制岛10的角位置。如果希望的话， 这种电连接可以是无线的，或者可以经过任何合适的方便的电连接 器连接。
图7A示出了这种人工岛IO的一部分的放大视图，特别是空 间框架27装设到吊舱25之一的那一部分。图7A特别示出了空间框 架27优选地使用工字梁结构。图7A还示出了吊舱25的顶部25a包 括朝上的用于牢固地保持空间框架27下端的通道支架25b。这些支 架25b可以是吊舱25的板形顶部25a的一部分，支架25b利用任何 足够的固定机构连接到顶部25a。图7A还示出了集中器22支撑在 网格或者托盘状结构23上，这种结构23也优选地使用工字梁结构。
除了空间框架27,或者作为其替换方式，缆线系统可以用来 支撑太阳能收集器模组。图7A和图7B以虚线示出了缆线46，以表 示它是另加的，或者是用于提供支撑的一种替换结构。还有，如图
207B所示，吊舱25包括向上延伸的连接到缆线46的悬挂件25c。再 进一步，图7B示出了装设就位以感测空间框架27上应变的传感器 60，其可以是一种应变仪。如前所述，多个这种传感器60分布在整 个平台12上，并以网络(没有示出)形式可操作地连接，以向计算 机控制器70 (图3)传送所感测到的状态。传感器60可以适合于感 测多种不同的可测量状态中的任何一种。优选地，控制器70还使压 缩才几系统32通过动态地调节过压量来适当地响应所感测到的状态。
图8示出了吊舱25下轮廓表面25d。图9是罩16的计算机模 拟视图，其中，由于上面所支撑的载荷具有三个明显的窝或者凹陷。 这些窝用附图标记16a、 16b、 16c来标示。它们表明需要动态的过 压和应变感测，以实现较为平坦或者至少没有窝的表面。
图IO类似于图4A和图4B,但示出了用来支撑太阳能收集器 模组排19的缆线和浮筒结构的更多细节。在本发明的这种特别的实 施方式中，缆线46跨越罩16的顶部，横跨以平行排的形式布置在 罩16上的多个浮筒72。浮筒72可以用塑料或者任何其他合适的轻 质材料制成。申请人想到使用的浮筒是例如由德国Teterow的Robin Kunstoffprodukte以及也是德国Teterow的Technus KG (GmbH and Co.)工业制造和销售的那种类型。优选地，缆线46接合支撑在浮筒 72 (或者浮筒排)顶部上的多个支柱或者板74。板74支撑着保持太 阳能集中器22的网格23。图10示出了在罩16上浮筒72旁边形成 的凹陷。这些平行的凹陷便于雨水的流走，并且还消除了可能由于 过压产生的位于中心的隆起。表面流动可以是更可控的，因为其将 总体流向这些已知的凹陷。
图10A示出了由附图标记72a表示的另一种样式的浮筒。这种 浮筒72a具有成形的，优选是模制的顶部表面结构，其被设计用来 便于保持支撑模组的上部结构和/或其他结构。
图11示出了用来支撑太阳辐射收集器的上部结构的又一种实 施方式的侧视图。更具体地说，图11示出了一种蜂窝式结构75,其 设置在罩16和太阳能收集器2 2 c之间并且也由缆线4 6支撑。
21图12A和图12B示出了用在岛10的中心轮毂18处的旋转接 头的变型。更具体地说，图12A示出了由80a、 80b分别表示的进口 管和出口管，这两个管都包括一个相应的套筒81a、 81b，套筒允许 在其上、下部分之间有一些相对转动，至少在大约240。到260°的 范围中。图12B示出了一种共轴样式的旋转接头82。更具体地说， 水进口 84将水供应给外管85内的外部环形流动通路，用于使水流 向太阳能收集器模组。当水被加热并生成蒸汽之后，就经中心的热 管86 (可以相对外管85和进口 84转动)返回。由太阳能收集器产 生的蒸汽最终流向旋转接头82的底部并经蒸汽出口 88离开接头。
图13A和图13B示出了本发明的两个额外特征。更具体地说， 图13A示出了一种由轮子支撑的车90,车90沿着平行于太阳能收 集器模组排19布置的一对隔开的轨道92滚动。这便于收集器的维 护，并且是以不会同太阳能收集结构发生干涉的方式做到这一点。
图13B示出了将一种预热特征加入本发明的一种实施方式。更 具体地说，图13B示出了太阳能收集器模组排19之一的立柱20, 以及构造为跨在立柱20之间的共轴管结构94的热管21。更具体地 说，管结构94是共轴管，具有外部环状通道94a和位于中心的内部 通道94b。随着太阳能收集器模组的面板22将太阳光向上集中并引 导，经过中心通道94b向外(图13B中向左)流的水被外部通道94a 中流动的蒸汽(在图13B中流向右)发出的热所预热。外部通道94a 接受太阳光重定向后的辐射的最强集中。于是，通道94a内被加热 的蒸汽还使得热径向向内散发，以预热在内部通道94b中流动的流 体。这种同样的原理可以用于上部向外的通道94a和下部返回(产 生蒸汽)的通道94b，如果这种管线结构的共轴样式被证明制造或者 安装起来太费事或者成本太高的话。
图14示出了在太阳能收集器排19之一的端部，如方向箭头 97所示，沿着横向的导轨，车90侧向沿着或者垂直于该排19运动 的能力。这使得车90能够检修罩16的由太阳能收集器模组排19占 据的整个表面积。如图3A所示，还可以通过增加外部半圓形导轨
2294a以连接位置相邻的排来提供接近相邻排19的路径。这些连接器 箱是可以去掉的，用于临时使用，以容纳多个排19。这种类型的结 构可以用于岛10的定期检修，例如，清洁太阳能收集器模组的面板 22。
本发明的一种实施方式想到，在部署水的人工岛的情况中，外 环结构可以在结合在外环结构下面的密闭管段中含有氢生产设施。 这种氢生产设施可以完全沉在水下，并按照电解发电机可在抽空或 者惰性气体环境中操作的方式运行，由此显著地降低任何潜在的事 故风险。还可以想到，在这种氢生产设施的结构中使用两个同心管 段，换言之，电解发电机于可以装在双壁结构中。
氢的生产和分配设施总体上不被认为是危险的；其从系统上讲 不易发生不受控燃烧的风险。但是，如h加:〃www.eiht).org/rmblic/ Reports/Final Report/Sub-Task Reports/ ST5.2/RISK%20 ASSESSMENTS%20OF%20H2-REFUELLING%20STATION Onsite %20CONCEPT.pdf所示,为了有效控制这样的风险，这些设施要求 频繁的维护和持续的监视。抽空的环境或者填充了惰性气体的环境 会显著降低这些风险，因为氢气和氧气传感器会立即对泄露发展情 况进行报警。对于每隔几个月的定期维护，氢生产设施可以被关掉， 并在维护人员进入现场前将外部空气泵入。
对于陆基样式的人工岛，氢生成设施将在距离太阳岛足够远的 地方建造，以防止任何潜在的有害暴露。
虽然本说明书描述了多种优选实施方式和本发明的其他变型， 但是，本领域技术人员将会理解，所描述和示出的具体结构可以进 行合理程度的变更，因此，本发明就其范围来说不限于所示出和描 述的特定细节。申请仅仅希望受对后附的权利要求书做出的最宽的 合理解释所限制。
权利要求
1.一种太阳能收集系统，包括漂浮在流体主体之上的平台，所述平台包括外环结构和可变形的罩，所述罩密封地包围所述外环结构的顶端，由此在所述罩的下方限定出围成的容腔；用于在所述围成的容腔内产生过压状态的压缩机；保持在所述罩之上的多个太阳辐射收集器模组；位于所述罩之上并支撑所述太阳辐射收集器模组的上部结构；以及所述平台能够绕着其中心的水平轴线转动，由此使得所述太阳辐射收集器模组的方位是能够变化的，并且能够根据太阳的角位置被放置在希望的方位。
2. 如权利要求1所述的太阳能收集系统，其中，所述上部结构 进一步包括装设在所述罩顶部上的空间框架，所述空间框架保持所述太阳 辐射收集器模组。
3. 如权利要求1所述的太阳能收集系统，其中，所述上部结构 进一步包括固定到所述外环结构的缆线系统，所述缆线系统可操作地连接 到所述太阳辐射收集器模组。
4. 如权利要求3所述的太阳能收集系统，进一步包括多个浮筒，所述浮筒以平行排的形式布置并在所述缆线系统内 相互合作以支撑类似数量的平行排形式的所述太阳辐射收集器模 组。
5. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，其中，所 述过压状态造成所述罩在其中心向上隆起，由此便于雨水径向向外流动。
6. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，其中，所述罩具有下述特征中的至少 一项抗紫外线，和对于通过其至少一部分的太阳光来说是透明的。
7. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，进一步包 括下述参数中的至少一项所述平台具有超过75米的直径；以及所述外环结构的竖向尺寸对于海基样式超过10米，对于陆基样 式超过2米。
8. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，其中，所 述系统是陆基的，并进一步包括下部的环形槽，其设置在所述外环结构的下方并适合于容纳流 体，由此将所述外环结构以可漂浮的方式支撑在所述槽内的所述流 体上。
9. 如权利要求8所述的太阳能收集系统，进一步包括 向外展开的裙部，其固定到所述外环结构的外周，以减少流体从所述槽的蒸发。
10. 如权利要求8或9所述的太阳能收集系统，进一步包括 用于将所述平台对中在其转动轴线上的对中机构。
11. 如权利要求IO所述的太阳能收集系统，其中，所述对中机 构进一步包括绕着所述环以隔开的关系装设的多个轮子，每一个所述轮子都 装设到所述环形槽和所述外环结构中的一个，并且其尺寸为接合所 述环形槽和所述外环结构中的另 一个的相对表面，由此维持所述平 台处于相对所述平台的转动轴线的对中位置。
12. 如权利要求11所述的太阳能收集系统，进一步包括 可操作地连接到预定数量的所述轮子的驱动机构； 驱动控制器，其可操作地连接到所述驱动机构，并且适合于以能够驱动的方式控制所述平台相对所述环形槽的旋转运动，以实现 所述太阳辐射收集器模组用的希望方位。
13. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，进一步包括用于根据太阳位置以能够驱动的方式使所述平台绕其中心轴线 旋转到希望位置的驱动机构。
14. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，进一步 包括用于基于所感测的状态动态地调节所述围成的容腔内的过压状 态的装置。
15. 如权利要求14所述的太阳能收集系统，其中，所述用于动 态地调节的装置进一步包括装设在所述上部结构上并以网络形式相互连接的多个传感器， 所述传感器适合于感测下述中的至少一个的至少一种可测量状态 所述模组，所述上部结构，所述罩；以及控制器，其可操作地连接到所述网络和所述压缩机，并且适合 于根据已感测到的所述至少一种可测量状态动态地调节所述围成的 容腔内的过压状态。
16. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，进一步 包括可操作地连接到所述太阳辐射收集器模组的能量转换系统。
17. 如权利要求16所述的太阳能收集系统，其中，所述能量转 换系统经由位于所述平台中心的旋转接头可操作地连接到所述太阳 辐射收集器模组。
18. 如前述权利要求1 7或者13~16中任一项所述的太阳能收 集系统，其中，所述平台是海基的，并且所述太阳能收集系统进一 步包括推进机构，其可操作以将所述平台移动到希望位置，以优化所 述太阳辐射收集器模组的操作。
19. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，其中， 所述太阳辐射收集器模组以多个平行排的方式布置，并进一步包括多个导轨，每一个导轨沿着并平行于至少一个位置相邻的所述太阳辐射收集器模组排延伸；以及车，其能够沿着任何的所述导轨运动，由此便于所述太阳辐射 收集器模组和所述上部结构的维护。
20. 如权利要求19所述的太阳能收集系统，进一步包括 用于沿着所述导轨驱动所述车以便于清洁所述太阳辐射收集器模组的装置。
21. 如前述权利要求中任一项所述的太阳能收集系统，其中，所述太阳辐射收集器模组以平行排的形式布置，每一个所述排都被构造成将太阳光集中到沿着所述太阳辐射收集器模组排延伸的位于 中心作为热管的第一管，并进一步包括每一个所述排都具有第二管，所述第二管位于所述第一管附近 并至少部分在所述第一管之上，由此，在所述第二管中流动的流体 被从所述第一管散发出来的热所预热，太阳光被所述太阳辐射收集 器模组集中在所述第一管上。
22. —种用于收集太阳能的方法，包括以可漂浮的方式支撑平台，所述平台能相对中心轴线转动，所 述平台包括外环结构和可变形的罩，所述罩遍布所述外环结构的上 端延伸并密封地包围所述外环结构的上端，由此在所述罩的下方限 定出围成的容腔，所述平台在其上面支撑太阳辐射收集器；以及将所述围成的容腔加压到足够程度的过压，以维持所述可变形 的罩及位于其上的所述太阳辐射收集器的希望漂浮效果。
23. 如权利要求22所述的方法，其中，所述平台的所述外环结 构以可漂浮的方式支撑在流体上。
24. 如权利要求22或者23任一项所述的方法，进一步包括 感测同所述太阳辐射收集器相关的状态；以及响应于所感测到的状态，动态地调节所述围成的容腔的过压。
25. 如权利要求22~24中任一项所述的方法，进一步包括 绕着所述平台的中心轴线以能够驱动的方式转动所述平台，以维持所述太阳辐射收集器相对太阳位置处于希望的最佳方位。
26. —种太阳能收集系统，包括平台；多个太阳辐射收集器模组，其支撑在所述平台之上并以平行排的方式端对端;也布置；用于使所述平台绕其竖直取向的中心轴线转动的装置；以及 用于将所述模组保持在所述平台上的支撑装置，所述支撑装置 包括多个细长浮筒，所述浮筒以在所述模组排下面延伸的排的方式 设置，所述支撑装置进一步包括缆线悬吊系统，所述缆线悬吊系统就位。
27. 如权利要求26所述的太阳能收集系统，其中，所述平台进 一步包括保持所述缆线悬吊系统的外环；可变形的罩，其遍布所述外环的上端延伸并密封所述外环的上端，由此在所述罩的下方限定出围成的容腔；以及用于使所述围成的容腔过压以支撑所述罩、所述浮筒和所述太 阳辐射收集器模组的装置。
28. 如权利要求27所述的太阳能收集系统，进一步包括 用于动态地调节所述用于过压的装置的装置。
29. 如权利要求26~28中任一项所述的太阳能收集系统，其中， 所述浮筒具有成形的上表面，所述上表面的尺寸为以能够去除的方 式接收并保持所述支撑装置和/或所述太阳辐射收集模组的一部分。
30. —种太阳能收集系统，包括 平台；用于使所述平台绕其竖向中心轴线转动的装置；支撑在所述平台上的多个太阳辐射收集器模组，所述模组以平行排的方式端对端地布置，每个所述排都包括用于向上朝着热管反射并集中太阳光的多个平行的太阳能集中器面板；以及 沿着至少一个所述模组排延伸的导轨；以及车，其能够沿着所述导轨运动，以接近位于附近的太阳能集中 器面板，用于对太阳能集中器面板进行维护。
31. 如权利要求30所述的太阳能收集系统，进一步包括 用于沿着所述导轨驱动所述车的装置；以及由所述车承载的用于清洁所述太阳能集中器面板的装置。
32. 如权利要求31或者32任一项所述的太阳能收集系统，其 中，所述平台包括可变形的罩，并且，所述太阳能收集系统进一步 包括用于在其下面动态地悬吊所述罩的装置。
全文摘要
一种人工岛(10)，其适合于陆基或者海基操作，保持太阳能收集设施，并能够转动以优化其相对于太阳位置的角方位。更具体地说，该人工岛(10)使用了一种平台(12)，该平台(12)包括漂浮在流体上的大型外环(14)和可变形的罩(16)，罩(16)结合到环(14)以在罩(16)之下限定气密容腔(30)。多个太阳辐射收集器模组排(19)位于罩(16)之上，并承载产生蒸汽的热管(21)。模组排(19)由上部支撑结构，即空间框架(27)、多个缆线(46)或者蜂窝结构(75)支撑在罩(16)之上。压缩机(32)在围成的容腔(30)内产生过压，以帮助支撑罩(16)和装设在其上的其他组件。这种用于支撑太阳辐射收集器模组排(19)的结构能够使人工岛(10)以非常大、甚至大到直径几千米的表面积进行建造，以更好地利用太阳能集中器(22)的全部潜力，由此，以一种经济上可行的成本生产电力。这种人工岛(10)包括增强太阳辐射收集技术实际应用的其他结构特征。
文档编号F24J2/07GK101668997SQ200880007221
公开日2010年3月10日 申请日期2008年3月5日 优先权日2007年3月5日
发明者M·万内玛赫尔, T·欣德林, U·埃尔萨瑟, Y·阿拉尼 申请人:诺拉里斯公司