具有可更换的太阳能收集器部件的两部分太阳能收集系统的制作方法

专利名称：具有可更换的太阳能收集器部件的两部分太阳能收集系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及太阳能发电的改进，更具体地，涉及适用于住宅屋顶安装的应用 或包括公用事业规模设施的商业应用的、两部分太阳能发电系统。
背景技术：
对于“绿色”电源(即，不是用基于石油的产品的发电)的需要引起用于商业和住 宅应用的太阳能发电的许多进步。太阳能发电典型地牵涉到把太阳光直接转换成电的光伏(PV)元件(太阳能电 池)的使用。这些太阳能电池典型地通过使用方形或准方形硅晶片而被制成，这些硅晶片 通过使用建立的半导体制造技术被掺杂，并以产生自由电子的方式吸收光辐射(例如，太 阳光)，在存在内建电场的情形下使得这些自由电子流动，创建直流(DC)功率。由包括几个 太阳能电池的阵列生成的DC功率在被放置在电池上的网格上被收集。太阳能发电当前在住宅和商业环境(setting)中执行。在典型的住宅应用中，相 对较小的太阳能电池阵列被安装在房子的屋顶上，生成的电典型地仅仅提供给该房子。在 商业应用中，较大的阵列被布置在太阳照射下，否则在未使用的区域(例如，沙漠)，最终得 到的大量电力通过电力线被输送到企业和住房。把太阳能阵列安装在住宅房子或接近于负 荷的商业设施上的好处是，本地化的发电减小与在长的电力线上的传输相关联的损耗，并 且与诸如在某些公用事业规模太阳能设施中的远离有用负荷的商业的太阳能发电相比较， 它需要较少的资源(即，土地、电力线和塔、变压器等等)来对所发的电进行配电。然而，如 下面阐述的，当前的太阳能发电设备在住宅环境中典型地不是经济可行的。光伏太阳能发电设备通常可被划分成两组平板太阳能阵列和聚集型 (concentrating-type)太阳能设备。平板太阳能阵列包括太阳能电池，该太阳能电池被安 排在大的平板上，受到未聚焦的直接漫射太阳光的照射，由此被转换成电的太阳光量正比 于太阳能电池的面积。相反，聚集型光伏太阳能设备利用把大多数直射的太阳光聚焦(聚 集)到位于光学元件的焦点(或线)上的相对小的太阳能电池的光学元件。平板太阳能阵列比起聚集型太阳能设备有优点也有缺点。平板太阳能阵列的优点在于，它们的重量-尺寸比是相对较低的，易于其在住宅应用中使用，因为它们可以被安装 在大多数房子的屋顶而不用对屋顶支承结构作重大的修改。另外，它们从大的角度接受太 阳，易于相对直截了当地被固定安装在屋顶和其它平的安装地点。然而，平板太阳能阵列具 有相对较低的效率(即，约15% )，它需要大的覆盖面积，以便提供足够的电量，使得它们值 得使用。因此，由于硅的高成本，当前的屋顶平板太阳能阵列成本高于每瓦$5，所以房主要 用25年通过节省他/她的电费帐单而回收投资。在经济上，平板太阳能阵列对于没有补助金的典型的房主来说不是可行的投资。通过提供把太阳光聚焦(聚集)到太阳能电池的光学元件，聚集型太阳能阵列避免平板太阳能阵列的高的硅成本，并且还可以通过使用较小的、更高效率的太阳能电池 而呈现更高的效率。聚集量依赖于光学设备的类型而变化，范围从对于槽式反射器型设备 (在以下另外详细描述)的10X-100X到使用某些卡萨格伦型(cassegrain-type)太阳能设 备的高达600X-10000X。然而，通常，聚集型太阳能设备的问题是系统的接受角度是受限制 的，因此光学元件的取向必须在一天内通过使用二自由度的跟踪系统连续调节，以便保持 峰值效率，这需要坚实的基础结构和电动机来支承和定位光学元件，这个结构还必须设计 制造成抗大风和风暴外力。而且，较高效率的(例如，卡萨格伦型)太阳能设备对于反射器 材料、反射器几何结构和跟踪精度需要甚至更高的工程要求。由于由支承/跟踪系统强加 的工程约束，聚集型太阳能设备很少在住宅或商业屋顶环境中使用，因为大多数房子和建 筑物的屋顶需要很大的翻新改进来支承它们的很大的重量和风负荷结构。相反，聚集型太 阳能设备典型地限于商业环境，其中水泥或金属基础结构布置在地基上。另外，对于所有的 设施，具有相关的风负荷和其它结构支承的此类二自由度跟踪系统的成本会增加聚集器的 成本，因此抵消通过减少所使用的硅PV元件而达到的成本减小。图15㈧到(C)是显示传统的槽式反射器太阳能发电设备50的简化的透视图，它 代表一种类型的传统的聚集型太阳能设备。设备50总的包括槽式反射器51，该槽式反射 器51具有被成形为把太阳(光)束B反射在焦线FL上的镜射(反射)表面52 ；拉长的光 感受器53，该光感受器53通过支承臂55以固定关系沿焦线FL安装在槽式反射器51上； 以及跟踪系统(未示出)，用于支承槽式反射器51和围绕平行于焦线FL的水平轴X旋转 槽式反射器51。在传统的环境中，槽式反射器51被放置成X轴对准在南北方向，并且如图 15(A)到(C)所示，跟踪系统在一天的过程期间沿东到西方向旋转槽式反射器51，这样，光 束B被引导到反射镜表面52。如上所述，在住宅环境中这种布置的问题是，跟踪系统(即， 对于旋转槽式反射器51所需要的支承结构和电动机)需要对普通的住宅房子屋顶作很大 的修改。另一方面，如果槽被做得很小，并且被并排地包装在一起，多个槽由一个电动机驱 动，那么要使得多个铰链和联动装置一起枢轴地旋转以精确地聚焦太阳光在工程上是困难 的。所需要的是能够克服上述的与传统的太阳能发电系统相关联的问题的、经济可行 的住宅或商业屋顶安装的或地面安装的太阳能发电系统。具体地，所需要的是利用比传统 平板太阳能阵列更少的PV材料的、避免传统的聚集型太阳能设备的笨重的昂贵的跟踪系 统的、且在安装与维护上便宜的太阳能发电设备。

发明内容
本发明涉及两部分太阳能收集(例如，太阳能发电)系统，其包括永久(即，不能 更换的)定位部件和低成本、可更换的太阳能收集器部件。定位部件包括具有框架的基 础结构，易于永久连接到支承表面(例如，住宅房子的屋顶)；被安装在框架上的像转台样 的旋转平台，用于可拆卸地支承太阳能收集器组件；和旋转定位(运动/跟踪)系统，用于 调节旋转平台围绕垂直于基础支承表面的旋转轴的旋转角度。定位系统通过使用被设计成 为了太阳能收集系统的寿命永久附着到支承表面(例如，屋顶)的一组鲁棒的元件而被构建。相比之下，太阳能收集器组件包括一个或多个太阳能收集元件，它们通过使用低成本制 造技术而被安装在平的支承框架上。平面(平的)支承框架被可拆卸地安装到定位系统的 旋转平台，由此太阳能收集元件的重量通过平的支承结构被散布在大的面积上，并且组装 的系统的低轮廓(low-profile)避免不必要的风力。通过把鲁棒的、永久定位部件与低成 本、可更换的太阳能收集器组件相组合，本发明提供经济可行的太阳能发电系统，因为倾向 于在相对短的时间量内用坏的部件(例如，光伏电池)被放置在低成本太阳能收集器组件 上，它可以容易周期地更换，以使得发电效率最大化。
按照本发明的一个实施例，所述一个或多个太阳能收集元件通过槽式反射器被实 施，槽式反射器由旋转定位系统围绕非平行于(例如垂直于)由槽式反射器限定的焦线的 旋转轴而进行旋转(即，不是像传统的槽式反射器系统那样是水平的)。另外，旋转定位系 统包括跟踪系统，其控制被耦合到旋转平台的电动机，以便调节太阳能收集元件的角位置， 这样，由槽式反射器限定的焦线对准得大体上平行于入射太阳光束(例如，在日出时大体 上对准东西方向，而不是如在传统的槽式反射器系统中的南/北)。通过使得槽式反射器围 绕垂直于槽式反射器的焦线的轴旋转，槽式反射器保持与基础支承表面(例如，住宅房子 的屋顶)在同一平面或保持在相对于基础支承表面的固定的、倾斜的位置，由此大大地减 小对于支承结构强度的工程要求和操作跟踪系统所需要的功率量，避免与适配商业槽式反 射器设备相关联的问题，并且提供易于实行住宅屋顶和其它实施方案的经济上可行的太阳 能发电设备。按照本发明的另一个实施例，所述一个或多个太阳能收集元件通过槽式反射器被 实施，槽式反射器包括具有主要是平的上部孔径表面和凸形下部表面的固态透明(例如， 玻璃或透明塑料)光学元件、被安装在上部孔径表面上的线性太阳能收集元件(例如，一串 光伏电池)、和被沉积在凸形下部表面上或以其它方式与凸形下部表面共形(conform)的 弯曲的反射镜。凸形下部表面和弯曲的反射镜具有线性抛物线状，并被布置成使得通过平 的上部孔径表面的太阳光被反射镜(其反射面面向光学元件)反射和聚焦到与其上安装有 线性太阳能收集元件的上部孔径表面的线性区域重合的焦线上。光学元件的使用比起传统 的槽式反射器装置提供几个优点。首先，通过使用具有在1. 05到2. 09的范围中(以及更 优地在1. 15到1. 5的范围中)的折射率的材料制造光学元件，光学元件通过使得折射光在 通过光学元件时更垂直于阵列，而减小有害的末端效应，因此减小在线性太阳能收集元件 的末端处很差地照射或不照射的区域的量。第二，因为光学元件是固态的(即，因为孔径和 凸形镜表面保持互相固定的关系)，反射镜和太阳能收集元件永久地保持对准，因此保持最 佳光学运行同时使得维护成本最小化。第三个优点是能够减小基于光伏(基于PV)的太阳 能收集元件的正常工作电池温度(NOCT)。而且，因为反射镜与凸形表面共形，在气体/固体 交界面处光的损耗被最小化，因为仅仅固态光学元件材料(例如，塑料或低铁玻璃)被定位 在孔径表面与凸形表面/镜之间，和在凸形表面/镜与太阳能收集元件之间。这个装置还使 得维护最小化，因为太阳能收集元件的有效表面和反射镜表面通过固态光学元件材料被永 久防止污垢和腐蚀，只留下相对容易清洗的被暴露在污垢和天气的平的上部孔径表面。按 照本发明的具体实施例，反射镜是直接形成(例如，溅射沉积或电镀)在光学元件的凸形表 面上的金属膜。通过仔细地模制光学元件来包括具有想要的形状和位置的凸形表面和孔径 表面，反射镜在被形成为反射镜材料膜时基本上是自形成和自对准的，因此大大地简化制造过程和使得生产成本最小化。替换地，反射镜包括反射膜，它被粘接地或其它方式被安装 在反射器的背面，这提供类似于直接形成的反射镜的优点的自对准和自形成优点，并包括 以稍微低的反射率为代价甚至进一步减小的成本。按照本发明的具体实施例，可更换的太阳能收集器部件包括被固定地安装在支承 框架上的多个太阳能收集元件，其中每个太阳能收集元件包括相关联的被布置来把太阳辐 射聚焦到相关联的焦线的光学元件；和相关联的被固定地保持在相关联的焦线的线性布置 的太阳能收集器。按照本发明的一方面，太阳能收集器被固定地安排在支承框架上，以使 得相关联的焦线是平行的，并限定单个平面，由此易于实行所有的线性布置的太阳能收集 器作为一个组最佳对准入射的太阳光。被安装在每个光学元件上的多个太阳能收集器(例 如，线性地连接的PV电池)通过使用已知的技术被串联连接，提供最大发电。太阳能收集 元件的低轮廓和在平面内旋转，与传统的槽式反射器装置相比较，减小大风和风暴损害的 机会。按照一个实施例，多个等长度太阳能收集元件被安装在方形或矩形支承框架上，由此 提供一种布置，在其中所有的槽式反射器的PV接收器生成具有类似的电压的电，所述PV接 收器典型地由串联连接在一起的PV电池构建，其中该串中的电池数目正比于串长度)，以 及其中各个槽式反射器是可方便地更换的。在再一个替换实施例中，多个太阳能收集元件 被组合，以便形成方形标准化的单元，这些单元然后被安装在支承框架上，由此易于形成具 有不同的尺寸(即，不同的数目的标准化单元)的可更换的太阳能收集器部件。任选的位 于中心的主管道被提供来把标准化单元连接到被提供在定位系统上的功率传送系统，或直 接连接到外部负荷。综上所述，根据本发明的第一方面，提供一种用于安装在平面支承表面上的两部 分太阳能收集系统，所述两部分太阳能收集系统包括永久定位部件，包括基础结构，包括框架和可旋转地布置在框架上的旋转平台，以使得旋转平台可以 相对于框架围绕旋转轴旋转，以及旋转定位系统，包括用于调节旋转平台围绕旋转轴的旋转角度的装置；以及可更换的太阳能收集器部件，包括被固定地安装在支承框架上的一个或多个太阳 能收集元件和被固定地保持在焦线上的线性布置的太阳能收集器，其中所述一个或多个太 阳能收集元件中的每一个包括光学元件，该光学元件被布置来把太阳辐射聚焦到焦线，其中当基础结构的框架在工作时被固定到平面支承表面时，旋转轴保持为基本上 垂直于所述支承表面，以及其中当可更换的太阳能收集器部件的支承框架在工作时被固定到旋转平台时，所 述一个或多个太阳能收集元件的焦线保持在基本上平行于平面支承表面的平面上，而旋转 平台和可更换的太阳能收集器部件一起围绕旋转轴旋转。
根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中旋转定位系统包括跟踪系统，所述跟 踪系统包括用于检测太阳相对于所述一个或多个太阳能收集元件的位置的装置；和用于旋 转所述旋转平台的装置，以使得焦线平行于由太阳生成的、被引导到所述一个或多个太阳 能收集元件的太阳光束。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述跟踪系统包括用于控制所述一个 或多个太阳能收集元件的旋转位置的装置，以使得
在日出时间段内，焦线对准在第一大致东西方向，在正午时间段内，焦线对准在大致南北方向，和在日落时间段内，焦线对准在第二大致东西方向。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述一个或多个太阳能收集元件的光学元件利用反射光学器件和折射光学器件之一，来把太阳辐射聚焦到焦线。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述一个或多个太阳能收集元件的光学元件包括槽式反射器。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述一个或多个太阳能收集元件的光学元件包括单片固态光学元件，具有主要是平的上部孔径表面和凸形下部表面，该凸形下部表面被布置在上部孔径表面的对面；以及反射镜，共形地布置在凸形下部表面上，其中凸形下部表面和反射镜被布置成使得穿过平的上部孔径表面的太阳光被反射镜反射和聚焦到所述焦线；其中线性布置的太阳能收集器被固定地布置在焦线上，用来接收由反射镜反射的 聚焦的光。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中焦线基本上与上部孔径表面的线性区重合，以及其中线性布置的太阳能收集器包括被固定地安装在上部孔径表面的线性区的串 联连接的多个光伏电池。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述可更换的太阳能收集器部件包括被固定地安装在支承框架上的多个太 阳能收集元件，其中所述多个太阳能收集元件中的每一个包括相关联的被布置来把太阳辐 射聚焦到相关联的焦线的光学元件，和相关联的被固定地保持在所述相关联的焦线上的线 性布置的太阳能收集器，以及其中所述多个太阳能收集元件的相关联的线性布置的太阳能收集器被固定地布 置在所述支承框架上，以使得所述相关联的焦线是平行的且限定了单个平面。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述多个太阳能收集元件中的每个所 述光学元件包括单片固态光学元件，具有主要是平的上部孔径表面和凸形下部表面，该凸形下部 表面被布置在上部孔径表面的对面；以及反射镜，共形地布置在凸形下部表面上，其中凸形下部表面和反射镜被布置成使 得穿过平的上部孔径表面的太阳光被反射镜反射和聚焦到所述焦线；以及线性布置的太阳能收集器，被固定地布置在焦线上，用来接收由反射镜反射的聚 焦的光。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述多个太阳能收集元件中的每一个 的所述固态光学元件具有共同的长度。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述多个太阳能收集元件中的每一个 的所述固态光学元件具有共同的长度。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述可更换的太阳能收集器部件还包括多个子组件单元，所述多个子组件单元中的每一个包括基础结构，和固定地附着到所述 基础结构的预定数目的所述多个所述太阳能收集元件，其中所述多个子组件单元被安装在 所述支承框架上。
根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述多个子组件单元被安装在所述支承框架上，以使得所述多个太阳能收集 元件中的每一个的末端沿支承框架的中心线性区域布置，其中所述可更换的太阳能收集器部件包括被布置在支承框架的中心线性区域上 的管道，其中管道被电连接到所述多个太阳能收集元件中的每一个的线性布置的太阳能收
集^o根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中定位系统还包括功率传送系统，所述功率传送系统包括连接器和第一电缆， 该第一电缆被耦合到第一连接器，用于把功率从多个太阳能收集器传送到指定的负荷电 路，以及其中第一和第二导线被耦合到连接器。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述多个子组件单元中的每一个的基 础结构包括一系列弯曲的凹槽，其中预定数目的所述多个所述太阳能收集元件中的每一个 在所述系列的凹槽中的一个凹槽中被容纳。根据本发明的两部分太阳能收集系统，其中所述多个子组件单元中的每一个还包 括拉长的散热器，该散热器被连接到多个太阳能收集元件中的每一个的光学元件，且被布 置在所述每个太阳能收集元件的相关联的太阳能收集器上。根据本发明的第二方面，提供一种用于两部分太阳能收集系统的永久定位部件， 所述两部分太阳能收集系统包括永久定位部件和可拆卸地连接到永久定位部件的可更换 的太阳能收集器部件，可更换的太阳能收集器部件包括被固定地安装在支承框架上的一个 或多个太阳能收集元件，其中所述一个或多个太阳能收集元件中的每一个包括被布置来把 太阳辐射聚焦到焦线的光学元件；和被固定地保持在焦线上的线性布置的太阳能收集器， 其中永久定位部件包括基础结构，包括框架和可旋转地布置在框架上的旋转平台，以使得旋转平台可以 相对于框架围绕旋转轴旋转，以及旋转定位系统，包括用于调节旋转平台围绕旋转轴的旋转角度的装置；以及其中当基础结构的框架在工作时被固定到平面支承表面时，旋转轴保持为基本上 垂直于所述支承表面，以及其中当可更换的太阳能收集器部件的支承框架在工作时被固定到旋转平台时，所 述一个或多个太阳能收集元件的焦线保持在基本上平行于平面支承表面的平面上，而旋转 平台和可更换的太阳能收集器部件一起围绕旋转轴旋转。根据本发明的第三方面，提供一种用于两部分太阳能收集系统的可更换的太阳能 收集器部件，所述太阳能收集系统包括永久定位部件和可更换的太阳能收集器部件，其中 永久定位部件包括基础结构，该基础结构包括框架和可旋转地布置在框架上的旋转平台， 以使得旋转平台可以相对于框架围绕旋转轴旋转；以及旋转定位系统，包括用于调节旋转 平台围绕旋转轴的旋转角度的装置，其中可更换的太阳能收集器部件包括
支承框架；被固定地安装在支承框架上的一个或多个太阳能收集元件，其中所述一个或多个太阳能收集元件中的每一个包括被布置来把太阳辐射聚焦到焦线的光学元件；和被固定地 保持在焦线上的线性布置的太阳能收集器，其中当可更换的太阳能收集器部件的支承框架在工作时被固定到旋转平台时，所 述一个或多个太阳能收集元件的焦线被保持在基本上平行于平面支承表面的平面上，而旋 转平台和可更换的太阳能收集器部件一起围绕旋转轴旋转。


通过参考以下的说明、所附权利要求和附图，将更好地了解本发明的这些和其它 特征、方面与优点，其中图1 (A)和1 (B)是显示按照本发明的一般化实施例的简化的太阳能发电收集系统 的分解透视图和顶部透视图；图2 (A)和2 (B)是显示图1的系统的太阳能收集元件在工作期间的简化截面端视 图和侧视图；图3是显示被布置在住宅房子的屋顶上的图1的系统的简化表示的顶部透视图；图4(A)，4(B)和4(C)是显示按照本发明的实施例的、在工作期间用于定位图1的 槽式反射器型太阳能收集元件的方法的简化的透视图；图5是显示按照本发明的替换实施例的太阳能收集元件的分解透视图；图6是显示按照本发明的另一个实施例的、包括图5的太阳能收集元件的太阳能 发电收集系统的顶部透视图；图7是显示按照本发明的另一个具体实施例的太阳能发电收集系统的分解顶面 透视图；图8 (A)，8⑶和8 (C)是显示在工作期间图7的系统的简化顶部视图；图9是显示按照本发明的另一个实施例的太阳能发电收集系统的简化透视图；图10是显示按照本发明的另一个实施例的包括用于太阳能发电收集系统的子组 件单元的简化的可拆卸的太阳能收集部件的简化的分解透视图；图11是包括用于图10的可拆卸太阳能收集部件的主管道的连线图的简化顶部平 面图；图12是显示包括图10的可拆卸的太阳能收集部件的太阳能发电收集系统的分解 透视图；图13(A)和13(B)是显示按照本发明的替换实施例的用于构建子组件单元的替换 的支承结构的简化透视图；图14(A)和14(B)是显示按照本发明的替换实施例的、包括散热器结构的子组件 单元的简化局部末端和顶部透视图；以及图15(A)，15(B)，和15(C)是显示传统的槽式反射器太阳能发电设备在工作期间 的简化透视图。
具体实施例方式本发明涉及太阳能收集系统的改进。以下的说明被给出，以使得本领域技术人员 之一能够作出和使用如在特定的应用和它的要求方面的上下文中所提供的本发明。正如这 里使用的，诸如“上部”、“下部”、“垂直的，，和“水平的”那样的方向术语打算提供用于说明 的相对位置，但不打算指明绝对参考系。本领域技术人员将明了对于优选实施例的各种修 改方案，并且这里限定的一般原理可应用于其它实施例。所以，本发明不打算限于所显示和 描述的具体的实施例，而是要被符合与这里公开的原理和新颖特征一致的最广泛的范围。图1 (A)和1 (B)是分别显示按照本发明的简化的示例性实施例的两部分太阳能收 集系统100的分解的和组装的透视图。两部分太阳能收集系统100被设计用于安装在平 面支承表面(例如，住宅房子的屋顶)上，并且通常包括永久定位部件110和低成本、可更 换的太阳能收集器部件150。定位部件110用来提供永久的(即，非可更换的)夹紧装置 (fixture)，它以下面描述的方式支承和定位可更换的太阳能收集器部件150。本领域技术 人员认识到，由定位部件110执行的支承和定位功能牵涉到典型地不经受太阳能收集器元 件(例如，光伏电池)所经受到的极其热的条件的部件。所以，定位部件110通过使用被设 计成为了单元的寿命保持附着到安装地点(例如，屋顶)的一组鲁棒的硬件元件而被构建。 相比之下，太阳能收集器部件150包括太阳能收集元件，由于极其热的循环，太阳照射，和 其它环境力，它典型地在相对短的时间量内用坏(失效)，所以，必须经常更换，以使得发电 最大化。因此，太阳能收集器部件150用作为可更换的单元，包括用足够强以在组装、输送、 和安装期间容易处理的方式被组装的一个或多个太阳能收集元件，但是使用对它的较短的 寿命周期进行优化的构建技术。在一系列实施例中，太阳能收集器部件150包括单片结构， 其中太阳能收集元件通过使用低成本制造技术(例如，使用塑料层叠或其它低成本组装方 法)被永久地附着到支承框架。通过这种方法，完全新的太阳能收集器部件150需要替代 用坏的太阳能收集器部件150。替换地，太阳能收集器部件150包括组件，其中太阳能收集 元件通过使用可拆卸的紧固装置被附着到相对结实的支承框架，该紧固装置便于用坏的太 阳能收集器单元的容易的更换，由此通过使得结实的支承框架能够复用而减小浪费。通过 组合鲁棒的、永久的定位部件110与低成本、可更换的太阳能收集器组件150，本发明提供 经济可行的住宅屋顶安装的太阳能发电系统，因为倾向于在相对短的时间量内用坏的部件 (例如，聚集器元件和光伏电池)被放置在低成本太阳能收集器组件150上，它可以容易地 周期地替代，以使得发电效率最大化。参照图1㈧的下部，非可更换的定位部件110包括基础结构120和旋转定位系统 130，该旋转定位系统130用来以下述的方式被连接到基础结构120。基础结构120用作为用于支承可更换的太阳能收集器组件150的“转台”结构。在 图I(A)所示的一般化实施例中，基础结构120包括框架121，它易于永久连接到支承表面 (例如，屋顶表面)；和像转台样的旋转平台125，例如通过放置在位于中心的可旋转的轴承 123被旋转地布置在框架121上。按照如在下面以附加细节讨论的、本发明的一方面，旋转 平台125通过可旋转的轴承123被可旋转地连接到框架121，以便围绕对准垂直方向的可旋 转的轴Z旋转，其中垂直方向基本上垂直于基础支承表面(例如，图I(B)所示的支承表面 S)。基础结构120通过使用鲁棒的硬件元件(例如，被整体地形成在或被附着到框架121 的安装硬件和风荷载硬件；滚轮或滚珠轴承；任选的保护外壳和其它硬件元件，未示出)被构建，这些硬件元件被设计成在单元的寿命内保持在一个位置(例如，附着到屋顶)。另外，旋转平台125配备有适当的硬件，诸如铝支柱和紧固点，被设计成支承和牢固地连接可更 换的太阳能收集器组件150。旋转定位系统130用来调节旋转平台125相对于基座121围绕可旋转轴Z的旋转 角度。在图I(A)所示的一般化实施例中，定位系统130通过使用包括传感器133、工作时 啮合旋转平台125的外围边缘的电动机135、和按照由传感器133检测的太阳位置对电动 机135进行致动的相关联的控制电子器件的跟踪系统132执行这个功能。另外的元件(例 如，从单元到任何的逆变器或功率调节或路由元件的电缆，或逆变器或功率调节或路由元 件本身)也可以被包括在旋转定位系统130中。类似于基础结构120，定位系统130通过使 用鲁棒的硬件元件被构建成。通过把控制太阳能收集器组件150的旋转位置的跟踪电动机 135放置成使得它接触旋转平台125的外围边缘，电动机要求是最小的，因为这种配置在运 行时具有小的转矩。在所公开的实施例中，系统130利用传感器133和相关联的控制电路 来以下面描述的方式对于可代替的太阳能收集器部件150对准到太阳的位置提供精确的 控制。替换地，跟踪系统可被安装和校准，以使得控制器能够通过使用利用与每个安装相关 联的已知的太阳参数的开环电路而对单元进行定向。如上所述和如图I(A)所示，可更换的太阳能收集器部件150包括一个或多个太阳 能收集元件160，永久或可拆卸地固定到支承框架170。按照本发明的一方面，每个太阳能 收集元件160包括光学组件161，被布置成把太阳辐射聚焦到焦线FL ；以及线性布置的太 阳能收集器165(例如，一个线性串的光伏电池(PVCs)、热电电池，或包含热传送流体的管 道)，它例如通过支承162被固定地保持在焦线FL。如图I(B)所示，光学组件161使用反 射光学器件(例如，以近似圆柱抛物线状布置的反射镜163)来把太阳光束B反射和聚集 (聚焦)到焦线FL，其中太阳能收集元件160(例如，被布置成面向下的串联连接的PV电池 串)把辐射变换成可用的能量(例如，电)。框架170优选地是重量轻的，以及具有足够的 刚度以便把太阳能收集元件160保持成这里描述的取向。本领域技术人员将认识到光学组 件161在第一实施例中被实施为槽式反射器。虽然本发明在这里参照用于将太阳辐射聚集 到太阳能收集器165上的反射光学器件被描述的，但本领域技术人员将认识到，可以形成 利用折射光学器件的光学元件来实现所描述的到焦线FL的线性聚集。图1 (B)显示在把永久定位部件110固定到基本上平面的支承表面S (例如屋顶) 和把可更换的太阳能收集器部件150在工作时固定到旋转平台125后的两部分太阳能收集 系统100。按照本发明的另一方面，永久定位部件110被构建成使得当框架121被固定到支 承表面S时，旋转轴Z对准得基本上垂直于由支承表面S限定的平面。另外，支承框架170 和旋转平台125被构建成使得当如图I(B)所示在工作时组装时，焦线FL和线性布置的太 阳能收集器165保持为基本上平行于支承表面S。也就是，旋转平台125和可更换的太阳能 收集器部件150 —起围绕旋转轴Z旋转，焦线FL和线性布置的太阳能收集器165保持在平 面P上，平面P基本上平行于平面支承表面S。按照本发明的实施例，旋转定位系统130检测太阳相对于太阳能收集元件160的 位置，并把控制信号发送到电动机135，由此造成旋转平台125转动，以使得由光学元件161 限定的焦线FL大体上平行于太阳光束B。旋转定位系统130还包括用来检测太阳的位置的 传感器133;和用于计算围绕轴Z的最佳旋转角θ的处理器或其它机构。由于对行星和轨道力学的精确的、数学理解，一旦系统被适当地定位，就可以通过严格计算的手段而确定跟 踪。在一个实施例中，包括GPS和光电池的一组传感器被使用来与反馈系统相结合以校正 驱动系中的任何变化。在其它实施例中，这样的反馈系统可能是不必要的。参照图2(A)和2(B)进一步显示工作理念。参照图2(A)，当由光学元件161限定的焦线FL对准得大体上平行于投影到设备100上的太阳射线时，太阳射线将从抛物线柱面 反射镜表面163反射出来并且反射到作为焦线的PV元件165上(见图2(B))。概念类似于 平行光束如何能够被反射和聚焦到抛物线反射器的焦点FP的教科书说明，除了平行光束 从图2(A)的纸面下面向上升和反射射线从纸面出现在焦线FL上(这在图2(A)上看作为 一个点，并显示于图2(B))。图2(A)和2(B)所示的聚集方案比起传统的方法提供几个优点。与具有高的聚 集比(例如，600X到10，000X)的传统的卡萨格伦型太阳能设备相比较，与本发明相关联的 IOX到100Χ的目标比减小对于反射器材料、反射器几何结构、和跟踪精度的工程要求。相 反，与传统的平板太阳能阵列的高的硅成本相比较，即使达到中等的聚集比(即，25Χ)足以 使得生产PV单元165所需要的硅光伏材料的成本的部分成为可更换的太阳能收集器部件 150的总的成本的一小部分，这比起传统的太阳能系统用来大大地降低成本。图2 (B)所示的侧视图进一步显示以非零入射角平行于焦线FL引导的太阳光将如 何仍然从槽形的反射镜163反射出，并将聚焦到PV单元165上。聚集平行光束的类似的方 式也可以通过让光束穿过圆柱透镜、圆柱菲涅耳透镜、或曲面或弯曲的圆柱菲涅耳透镜而 被实施，但由于透镜的折射属性，焦线的位置将随太阳光的入射角的增大而移向透镜，这相 对于反射系统将劣化性能。图3是显示被布置在具有任意的俯仰角Y的住宅房子300的平面屋顶(支承表 面)310上的两部分太阳能收集系统100的透视图。在这个实施例中，系统100被安装，其 中旋转平台125通过支承框架(未示出，以上讨论的)被固定在屋顶310，支承框架170被 布置在旋转平台125上，以使得轴Z被布置成基本上垂直于平面屋顶310，由此，在槽式反射 器101围绕所述轴Z旋转时，由太阳能收集器165 (和焦线FL)限定的平面P保持平行于由 屋顶310限定的平面。如图3所示，本发明的好处在于，设备100的基本上垂直的旋转轴Z 允许对于大多数俯仰角Y在住宅房子的屋顶310的平面上进行跟踪。而且，因为槽式反射 器101保持离屋顶310的固定的、短距离，这个布置使得对于支承和旋转系统100所需要的 支承结构的尺寸和重量最小化，由此使得对于基础结构的工程要求最小化(即，避免很大 的翻新改建或对于屋顶310的其它修改)，以及允许跟踪而不增加太阳能收集器上的风负荷。在数学上，如图3所示，对于太阳的每个位置，存在有一个角度θ (和180° +Θ)， 槽式反射器101在该角度附近旋转，以使得太阳射线都聚焦到太阳能收集器165上。图3还 显示，对于任何平面P，有唯一的法线向量，并且测量偏离法线的太阳光入射角作为“ Φ ”， 并且两条线对向(subtend) —个仅是90° -φ的角度。投影线总是存在，所以，不管反射镜 163在何处和如何被安装，只要太阳能收集器165在平面P上围绕法线向量(即，轴Ζ)旋 转，槽式反射器反射镜163将最终被放置成平行于投影线，因此，将正确地实行PV聚集。图4(A)到4(C)是显示按照本发明的实施例的、在典型的一天过程期间在运行时 设备100的简化的透视图。具体地，图4(A)到4(C)显示槽式反射器反射镜163的旋转，以 使得太阳能收集器165 (和焦线FL)保持在平面P上，和使得太阳能收集器165 (和焦线FL)平行于入射太阳光对准。正如由叠加的罗盘点(compass point)表示的，这个旋转过程包括在日出时间段内大致在东西方向上对准反射镜163(在图4(A)上显示的)，在正午时间段内 大致在南北方向上对准反射镜163(在图4(B)上显示的)，和在日落时间段内大致在东西方 向上对准反射镜163 (在图4(C)上显示的)。这个过程显然不同于传统的商业槽式阵列，传 统的商业槽式阵列围绕水平轴旋转，并在全天保持大致在南北方向上对准。发明人注意到， 某些传统的商业槽式阵列大致在东西方向上对准(与南北方向不同，如习惯那样)，并调节 它们的槽式反射器的倾斜角度南到北，以便考虑在夏天到冬天之间太阳的改变位置，即，不 是从早晨到傍晚从东到西枢轴旋转180度。然而，不像在本发明中的架构，这些东西方向对 准的槽式阵列不围绕垂直轴旋转它们的槽。另外，在世界的许多部分，太阳沿天空中的圆弧 移动。因此，即使角度校正是小的，但在一天的过程中，东西对准的槽仍旧必须沿它们的焦 线枢轴旋转，以保持聚焦的太阳光不偏离开。图5是显示按照本发明的可选实施例的太阳能收集元件160A的简化的分解透视 图。类似于传统的槽型太阳能收集器(例如，诸如以上参照图15㈧到15(C)描述的那些)， 太阳能收集元件160A通常包括由抛物线槽式反射器反射镜167A形成的槽式反射器，该槽 式反射器反射镜167A被成形为把太阳(光)束反射到被放置在反射镜167A的焦线FL上 的光伏(PV)接收器(太阳能收集元件)165A。然而，太阳能收集元件160A与传统的槽型 太阳能收集器不同处在于，槽式反射器反射镜167A被放置在在其上固定地连接PV接收器 165A和反射镜167A的固态光学元件161A上。固态透明光学元件161A具有大体上平的上 部孔径表面162A和凸形(线性抛物线)下部表面163A。PV接收器165A被安装在孔径表 面162A的中心区域，以及反射镜167A被共形地(conformally)放置在凸形下部表面163A。固态透明光学元件161A包括整体模制的、挤压的或其它方法形成的单片元件，该 单片元件由诸如低铅玻璃那样的清澈透明的光学材料、透明的聚合物材料诸如硅酮、聚乙 烯、聚碳酸酯、或丙烯酸、或具有这里参照光学元件161A描述的特性的另外的适用的透明 材料制成。光学元件161A的截面形状沿它的整个长度保持恒定，上部孔径表面162A基 本上是平的(平面)，以便以最小的反射接纳光线，以及凸形下部表面163A具有抛物线槽 (线性抛物线)形。在一个具体的实施例中，光学元件161A通过使用低铁玻璃(例如，由 Pilkington PLC，M制造的光白玻璃)结构按照已知的玻璃模制方法被模制。模制的低铁 玻璃比起其它生产方法和材料提供几个优点，诸如超级透射率和表面特性(模制玻璃由于 它的高粘滞性而得到近乎完美的形状，这防止玻璃在模制表面上填充缺陷)。这里描述的优 点也可以由通过使用其它透光材料和其它制造技术形成的光学元件达到。例如，清澈的塑 料(聚合物)可以进行机械加工和抛光以形成单片光学元件161A，或分开的片，通过粘接或 以其它方式固定而形成光学元件161A。在另一个实施例中，聚合物以本领域技术人员已知 的减小或消除对于抛光的需要而同时保持适当的机械公差方式被模制或挤压，由此以低的 生产成本提供高性能光学元件。按照本发明的另一方面，反射镜167A被沉积在或以其它方式共形地固定地布置 在凸形下部表面163A上，以使得反射镜167A的反射面面向光学元件161A，并且把反射的太 阳光聚焦到预定的焦线FL上。正如这里使用的，词组“共形地固定地布置在”打算是指在 反射镜167A与凸形下部表面163A之间不存在空气间隙。也就是，反射镜167A的反射表面 具有与凸形下部表面163A基本上相同的线性抛物线形状和位置。
在本发明的一个具体的实施例中，反射镜167A通过把反射镜材料(例如，银(Ag) 或铝(Al))直接溅射或以其它方式直接沉积到凸形表面163A而被制造，由此使得制造成本 最小化，和提供超级光学特性。通过使用已知的反射镜制造技术把反射镜膜溅射或以其它 方式共形地放置在凸形表面163A上，主反射镜167A自动取凸形表面163A的形状。这样， 通过模制，挤压或以其它方式形成光学元件161A以使得凸形表面163A被布置和成形，以产 生反射镜167A的想要的反射镜形状，反射镜167A的制造有效地自形成和自对准，因此消除 与传统的槽式反射器相关联的昂贵的组装和对准成本。而且，通过在凸形下部表面163A上 以这样的方式共形地放置反射镜167A，最终得到的反射镜167A的线性抛物线形状和位置 自动地永久设置在想要的最佳光学位置。也就是，因为主反射镜167A在制造后保持附着到 光学元件161A，反射镜167A相对于孔径表面162A 的位置被永久地设置，由此消除调节或重 新对准的需要，这在传统的多部件装置中可能是需要的。在另一个实施例中，反射镜167A 包括分开地形成的反射的、柔性的(例如，聚合物)膜，它被粘接地或以其它方式安装(层 叠)在凸形表面167A上。类似于直接形成的反射镜方法，膜在安装过程期间基本上自对准 凸形表面。这个制造方法可以比起直接形成反射镜减小制造成本，但可能造成稍微更低的 反射率。图6是显示按照本发明的替换实施例的两部分太阳能收集系统100A的透视图。类 似于系统100 (以上描述的)，系统100A包括基础结构120，包括框架(未示出)和被围绕 旋转轴Z旋转地布置在框架上的旋转平台125A ；旋转定位系统130A，包括跟踪系统132A和 电动机135A，用于调节旋转平台125A的旋转角；和支承框架170A，可拆卸地固定到旋转平 台125A。系统100A与以前的实施例不同之处在于，系统100A包括太阳能收集元件160A， 它是以上参照图5描述的，并且被固定到支承框架170A，如图6所示。当被组装时，PV接收 器167A被固定地放置在孔径表面162A的、与焦线FL重合的中心线性区域，以使得PV接收 器167A和凸形下部表面163A之间不存在空气间隙，并且使得PV接收器167A的有效(接 收太阳光)表面面向光学元件161A。通过这种布置，由反射镜167A反射的基本上所有的 聚集的(聚焦的)太阳光被引导到PV接收器167A的有效表面。PV接收器167A横过固态 光学元件161A的长度，并通过它的到孔径表面162A的固定连接而被保持在相对于反射镜 167A的固定的位置。在一个实施例中，PV接收器167A是由多片半导体(例如，硅)端到端 连接形成的拉长的结构，其中每片(条)半导体片通过使用已知的技术进行制造以便把入 射的太阳光转换成电。多个半导体片通过导线或其它导体(未示出)以串联布置被耦合到 相邻的片。虽然对于本发明的基本概念不是特定的，PV接收器167A包括通常被使用来构 建传统的太阳能板的相同的硅光伏材料，但试图利用来自相同的有效面积的IOX或更多的 电。也可以使用从薄膜沉积制成的其它PV材料。当高效率元件变为经济可行时，诸如从多 结工艺制成的那些元件，它们也能被使用于这里描述的配置。太阳能收集系统100A基本上按以上参照图1-4描述的方式工作，但它也从以上 阐述的、与利用固态透明光学元件161A相关联的成本节省的优点获益。与固态透明光 学元件161A的使用相关联的附加优点在标题为“ROTATIONAL TROUGH REFLECTOR ARRAY WITHSOLID OPTICAL ELEMENT FOR S0LAR-ELECTRICITYGENERATI0N”的共同拥有的和共同待 决的专利申请序列号No. xx/xxx, XXX [文档号20081376-NP-CIP1 (XCP-098-2P US)]中被描 述，该专利申请在此提出，并整体地在此引用以供参考。除了在这里公开和在“ROTATIONALTROUGH REFLECTOR ARRAY WITH SOLIDOPTICAL ELEMENT FOR SOLAR-ELECTRICITY GENERATION"(以上引用)中描述的固态透明光学元件以外，也可以利用在标题为“SOLID LINEAR SOLAR CONCENTRATOR OPTICAL SYSTEMWITH MICRO-FACETED MIRROR ARRAY”的共同 拥有的和共同待决的专利申请序列号No. xx/xxx, XXX[文档号20091399-US-NP(XCP-143)] 中和在标题为 “LINEAR CONCENTRATING SOLAR COLLECTORffITH DECENTERED TROUGH-TYPE REFLECTOR”的共同拥有的和共同待决的专利申请序列号No. xx/xxx, xxx [文档号 20091116-US-NP (XCP-144)]中被描述固态透明光学元件，这些专利申请在此提出，并整体 地在此引用以供参考。图7是显示按照本发明的另一个具体实施例的两部分太阳能收集系统100B的顶面透视图。类似于系统100A (上面描述的)，太阳能收集系统100B包括永久定位部件110B， 永久定位部件110B包括利用与旋转平台125B的外围边缘啮合的电动机135B的跟踪系统 132B，旋转平台125B如上所述地被旋转地支承在静止框架121B上，以使得平台125B围绕 轴Z旋转。然而，系统100B与以前的实施例的不同之处在于，可更换的太阳能收集器部件 150B包括多个太阳能收集元件160B，其被固定地安装在支承框架170B上。类似于以前的 实施例，每个太阳能收集元件160B包括被布置来把太阳辐射聚焦到相关联的焦线FL的相 关联的光学元件161B，和固定地保持在它的相关联的焦线FL上的相关联的线性布置的太 阳能收集器165B。按照具体实施例，每个太阳能收集元件160B的相关联的光学元件161B 是类似于以上参照图5和6描述的那种的单片、固态光学元件。按照本发明的一方面，太阳 能收集元件160B被布置成使得相关联的焦线FL是平行的，并在穿过太阳能收集器165B的 单个平面内限定。通过这种布置和如在图8(A)到8 (C)上显示的，当可更换的太阳能收集 器部件150B以类似于上述的实施例的方式旋转时，而所有的焦线FLl和FL2 (并且，因此线 性的)对准得平行于太阳光束B在旋转圆盘上的投射。光学元件161B的重量因此通过圆 形定位部件110B被散布在大的面积上，进一步易于屋顶安装。光学元件的低轮廓和在平面 内旋转，与传统的槽式反射器装置相比较，减小风和风暴破坏的机会。图9是显示按照本发明的再一个具体实施例的太阳能发电阵列100C的顶面透视 图。类似于系统100B (上面描述的)，两部分太阳能收集系统100C利用了具有圆形旋转平 台125C和外围地定位的驱动电动机135C的定位部件，并包括可更换的太阳能收集器部件 150C，其包括多个平行的太阳能收集元件(槽式反射器)160C，该收集元件160C被固定地耦 合到基础结构170C，以使得旋转平台125C的旋转造成所有的太阳能收集元件160C以上述 的方式旋转。然而，阵列100C与设备100B的不同之处在于，所有的元件160C具有共同的 (即，相同的)长度，以及所有的元件160C被安装在方形或矩形支承框架170C上，该框架 被可拆卸地安装在旋转平台125C上和通过旋转平台125c被旋转。术语“共同的长度”在 这里被使用来表示被布置在它的对应的光学元件161C的焦线上的每个太阳能收集器(例 如，PV电池串)165C的长度基本上是相等的。通过给每个元件160C配备以共同的长度，由 被布置在每个元件160C上的PV电池串生成的电压是近似相同的，由此简化在某些实施例 中与太阳能收集系统100C相关联的电系统。另外，给每个光学元件161C配备以相同的长 度简化生产和组装过程。图10是显示按照本发明的另一个具体实施例的可更换的太阳能收集器部件150D 的顶面分解透视图。类似于系统100C的可更换部件(上面描述的)，可更换的太阳能收集器部件150D包括方形或矩形支承框架170D，和多个共同长度的元件160D。然而，阵列IOOD 与设备100C不同之处在以下的段落中加以阐述。 首先，可更换的太阳能收集器部件150D包括四个子组件单元180D-1到180D-4， 它们被分开地分别安装在支承框架170D的指定的区域175D-1到175D-4上。例如，子组件 单元180D-1和180D-3被安装在指定的区域175D-1和175D-3，如由图10的虚线箭头表示 的。正如在子组件单元180D-3上表示的，每个子组件单元180D-1到180D-4包括基础结构 182D和预定数目的太阳能收集元件160D，它们被固定地附着到基础结构182D。词组“预定 数目”在这里被使用来指每个子组件单元180D-1到180D-4包括相同的数目(例如，在示例 性实施例中显示的8个)的太阳能收集元件160D。类似于太阳能收集元件160C，太阳能收 集元件160D包括光学元件161D，其具有被布置在由对应的光学元件161D限定的平行焦线 上的线性太阳能收集器(例如，PV电池串)165D。在这种情形下，可以有理由给出达到逆变 器或负荷的一组单独的连接。通过把固定的、预定的数目的太阳能收集元件160D结合到每 个子组件单元180D-1到180D-4，子组件单元可被做成标准尺寸(例如，2平方英尺)，而组 装的可更换太阳能收集器部件150D可以具有不确定的尺寸(具有例如约2英尺的增量的 尺寸的方形或矩形)。这种布置允许较少的跟踪电动机等等，而同时允许更小的、更强的、和 易于制造的可更换光学组件。按照另一方面，子组件单元180D-1到180D-4被安装在支承框架170D上，以使得 每个太阳能收集元件160D的末端沿支承框架170D的中心线性区域布置，以及可更换太阳 能收集器部件150D包括中心管道190A，其被布置在电连接到每个子组件单元180D-1到 180D-4的多个太阳能收集器165A的中心线性区域。如图10所示，子组件单元180D-1到 180D-4被分别安装在框架170D上使得太阳能收集元件160D垂直于中心管道190A延伸， 以便于使电连接最小化。在一个实施例中，被布置在每个子组件单元180D-1到180D-4的 侧边沿处的太阳能收集元件160D包括用于电连接到中心管道190A的凸出的线导体，以及 布置这些外边的元件之间的太阳能收集元件160D通过环形导体被串联连接。例如，参考 子组件单元180D-3，末端线导体189D从相对外侧的太阳能收集元件160D延伸，用于连接 到中心管道190A，并且剩余的内侧的太阳能收集元件160D通过内部的线导体187D被串联 连接。因此，正如由图11所示的简化的连线图进一步显示的，组成子组件单元180D-1到 180D-4的每个太阳能收集元件160D的PV电池串被连线，以使得电连接通过插座191D而 被呈现给中心管道190D，中心管道190D包括内导体192D，它把电池串连接成被连接到外部 连线195D的单个串联电路，外部连线195D要求把由PV电池串生成的电传导到逆变器或其 它负荷。本发明人当前认识到方便的是串联连接两个或多个PV串，以使得PV电路的两端 在中心处呈现给阵列。本发明人当前还认识到，使得在每个子组件单元180D-1与180D-4 到中心管道190D之间的电连接的数目保持在最小值是有利的。在这方面，如图11所示地 连接PV电池串是有利的。本领域技术人员将会意识到，由于不规则的照明和/或非理想的 或可变的随电池而不同的性能，这种连线布置可能在某些情形下限制子组件单元阵列的性 能，所以可以利用一种连线方案，它利用大量的导体来把所发的电从仅仅一个或从几个PV 串传路由到逆变器/负荷。图12是显示按照本发明的另一个具体实施例的两部分太阳能收集器系统100D的 顶面透视图。系统100D包括永久定位部件110B，其包括利用与旋转平台125D的内周边边缘啮合的电动机135D的跟踪系统132D，旋转平台125D如上所述地被旋转地支承在静止框 架121D上，以便围绕轴Z旋转该平台。系统IOOD还利用如上所述的和以完全组装的状态 (即，子组件单元180D-1到180D-4完全被插入到框架170D的区域175D-1到175D-4，以 及末端线导体被连接到中心管道190D的对应的插座)被显示的可更换的太阳能收集器部 件150D。按照这个实施例的一方面，定位系统IlOD还具有功率传送系统140D，其包括一 个或多个连接器141D(例如，一个或多个插座)和用来被耦合到连接器141D的鲁棒的电 缆145D。当可更换的太阳能收集器部件150D工作时被安装在旋转平台125D时，外部导线 195D被耦合到连接器141D(即，如在图12上虚线箭头表示的)，由此易于把功率从子组件 单元180D-1到180D-4传送到指定的负荷电路(未示出)。
可更换子组件单元180D(上面参照图10描述的)优选地是足够强的以在组装、输 送、和安装期间容易被处理。为此，因为可更换子组件单元180D主要由透明固态材料制成， 子组件单元180D或者是足够小到具有足够的整体强度，或者是在背(下)面和正(上)面 中的至少一面用支承来加固。例如，图13(A)和13(B)显示具有弯曲的凹槽212和222的替 换的支承构件210和220，它们任选地被使用来支承固态光学元件161D的弯曲的背面(即， 每个固态光学元件161D搁置在支承构件210和220的相关联的凹槽212或222中)，由此 用来从光学元件161D的背(下)面加固每个子组件单元180D。在背面上的阴影并不是关 心的问题，这些构件能够被放置而不管光学损耗。另外，图14(A)和14(B)是显示具有被布 置在每个光学元件161D的正(上)面的散热器结构310的子组件单元180D的局部末端和 顶部透视图。正如所表示的，散热器310被固定在相邻的上部孔径表面，以使得散热器310 被布置在PV串(太阳能收集器)165D的背侧和接触该PV串的背侧。这是通过在透明光学 元件161D的上部表面上提供周期的点而最好地完成的，其中紧固器315被使用来通过法兰 312把散热器组件附着到透明的固体，如图14(A)所示。替换地，或另外，可以使用具有低横 截面(所以是有限的阴影)的横向构件来互相连接散热器，由此加固组件。通过使用其将 支承PV电池/串，并允许各种部件(电池、导体、散热器材料)的热膨胀的差异的弹性粘接 剂或其它复合材料来把PV电池串附着到散热器(例如铝或铜片)，从而方便地完成PV电池 串的安装。PV电池优选地是高效率SiPV单元，正如工业上已知的。虽然本发明具体是参照光伏和太阳供热装置描述的，但也可以利用被布置在这里 描述的槽式装置的焦线上的其它类型的太阳能收集元件，诸如热电材料(例如热偶)来接 收聚集的太阳光，和把最终得到的热量直接转换成电。另外，不用槽式反射器，也可以使用 如棱镜和楔体那样的光学元件，它们使用反射和/或全内部反射来把光聚集到线性或矩形 区域。在这种情形下，光伏电池被放置在偏离(off)其处聚集光的聚集光学元件的长末端。 而且，离轴圆锥或非球面反射器形状也可以被使用来形成类似槽式的反射器。在这种情形 下，光伏电池将仍旧对准得平行于槽，但它将围绕槽的长轴定位和倾斜。
权利要求
一种用于安装在平面支承表面上的两部分太阳能收集系统，所述两部分太阳能收集系统包括永久定位部件，包括基础结构，包括框架和可旋转地布置在框架上的旋转平台，以使得旋转平台可以相对于框架围绕旋转轴旋转，以及旋转定位系统，包括用于调节旋转平台围绕旋转轴的旋转角度的装置；以及可更换的太阳能收集器部件，包括被固定地安装在支承框架上的一个或多个太阳能收集元件和被固定地保持在焦线上的线性布置的太阳能收集器，其中所述一个或多个太阳能收集元件中的每一个包括光学元件，该光学元件被布置来把太阳辐射聚焦到焦线，其中当基础结构的框架在工作时被固定到平面支承表面时，旋转轴保持为基本上垂直于所述支承表面，以及其中当可更换的太阳能收集器部件的支承框架在工作时被固定到旋转平台时，所述一个或多个太阳能收集元件的焦线保持在基本上平行于平面支承表面的平面上，而旋转平台和可更换的太阳能收集器部件一起围绕旋转轴旋转。
2.一种用于两部分太阳能收集系统的永久定位部件，所述两部分太阳能收集系统包括 永久定位部件和可拆卸地连接到永久定位部件的可更换的太阳能收集器部件，可更换的太 阳能收集器部件包括被固定地安装在支承框架上的一个或多个太阳能收集元件，其中所述 一个或多个太阳能收集元件中的每一个包括被布置来把太阳辐射聚焦到焦线的光学元件； 和被固定地保持在焦线上的线性布置的太阳能收集器，其中永久定位部件包括基础结构，包括框架和可旋转地布置在框架上的旋转平台，以使得旋转平台可以相对 于框架围绕旋转轴旋转，以及旋转定位系统，包括用于调节旋转平台围绕旋转轴的旋转角度的装置；以及 其中当基础结构的框架在工作时被固定到平面支承表面时，旋转轴保持为基本上垂直 于所述支承表面，以及其中当可更换的太阳能收集器部件的支承框架在工作时被固定到旋转平台时，所述一 个或多个太阳能收集元件的焦线保持在基本上平行于平面支承表面的平面上，而旋转平台 和可更换的太阳能收集器部件一起围绕旋转轴旋转。
3.一种用于两部分太阳能收集系统的可更换的太阳能收集器部件，所述太阳能收集系 统包括永久定位部件和可更换的太阳能收集器部件，其中永久定位部件包括基础结构，该 基础结构包括框架和可旋转地布置在框架上的旋转平台，以使得旋转平台可以相对于框架 围绕旋转轴旋转；以及旋转定位系统，包括用于调节旋转平台围绕旋转轴的旋转角度的装 置，其中可更换的太阳能收集器部件包括支承框架；被固定地安装在支承框架上的一个或多个太阳能收集元件，其中所述一个或多个太阳 能收集元件中的每一个包括被布置来把太阳辐射聚焦到焦线的光学元件；和被固定地保持 在焦线上的线性布置的太阳能收集器，其中当可更换的太阳能收集器部件的支承框架在工作时被固定到旋转平台时，所述一 个或多个太阳能收集元件的焦线被保持在基本上平行于平面支承表面的平面上，而旋转平 台和可更换的太阳能收集器部件一起围绕旋转轴旋转。
全文摘要
用于安装在平面支承表面(例如，屋顶)上的两部分太阳能收集系统，包括基础结构的永久定位部件和包括被固定地安装在支承框架上的太阳能收集元件的可更换的太阳能收集器部件。每个收集元件包括被布置来把太阳辐射聚焦到焦线的光学元件和被固定地保持在焦线上的线性布置的太阳能收集器(例如，PV电池)。可更换的太阳能收集器部件被固定到基础结构的旋转平台，以使得太阳能收集元件的焦线保持在基本上平行于支承表面的平面上，以及由定位系统使得旋转平台和可更换的太阳能收集器部件一起围绕旋转轴枢轴地旋转，以便平行于接收的太阳光束而将PV电池对准。
文档编号F24J2/52GK101806495SQ201010118668
公开日2010年8月18日 申请日期2010年2月12日 优先权日2009年2月18日
发明者K·A·利陶, N·帕雷克, P·C·钟, P·Y·梅达 申请人:帕洛阿尔托研究中心公司