高杠杆率槽式太阳能收集器的制作方法

专利名称：高杠杆率槽式太阳能收集器的制作方法
高杠杆率槽式太阳能收集器相关串请的交叉引用本申请是题目为"ThinFilm Trough Solar Collector"，申请日为 2007年4月 5日的共同未决的美国专利申请序列号No. 11/696,854的部分继续申请，该文献的全部内容通过参考引入本文。
背景技术：
普通抛物面槽式太阳能收集器通常建成有用于提供刚性的坚固结构部件，以便当槽的一部分通过太阳跟踪机构旋转时，整个槽一起旋转。抛物面反射器通常为玻璃或高度磨光的金属。美国专利4，114，594和5，058，565示出了槽结构，它可以由外部装置旋转，但是该槽必须具有旋转刚性。这些槽的刚性结构很昂贵，且反射表面很昂贵。承载冷却流体的管道通常布置在抛物面反射器的稍微上方。这些设计通常对于太阳跟踪系统的精度非常敏感。也就是说，当槽并不是相当精确地指向太阳时，反射光线倾向于错过目标(承载冷却流体的管)。诸如3，923，381和6，676，263的美国专利通过具有相当窄的槽道用于集中太阳光线而克服该问题，且流体管布置在空腔内深处。这些槽也需要刚性且昂贵的结构来维持槽的几何形状。

发明内容
本文中称为“SuntiOf”的本发明为用于太阳能槽式收集器的设计，该太阳能槽式收集器具有目标流体管，该目标流体管处于由抛物面反射器形成的空腔内深处。反射器是镀铝塑料薄膜或其它柔性反射材料，其通过在刚性肋之间水平(纵向)拉伸并粘接到肋的内侧而保持就位。坚韧塑料薄膜的保护片粘接到肋的外侧，以防止风撞击反射薄膜。肋可以是金属或纤维增强塑料，并可以在工厂中便宜地模制。因为很多镀铝塑料薄膜具有很高的拉伸强度，所以如果薄膜片在两个弯曲肋之间紧紧地拉伸，则在肋之间的薄膜将具有在薄膜的整个长度上维持与肋相同的曲率的强烈趋势。该片的拉伸将从一个肋传递至另一个肋，直到该片到达槽的端部，在槽的端部拉伸力由刚性端部框架抵消。以这种方法，肋不必承受任何较大的侧向或纵向力。Suntrof结构的一个主要特征是槽的刚性主要由太阳跟踪系统来提供的概念。通过具有与在场地上的成组的槽的顶部连接的成组的太阳跟踪索缆，提供刚性，且各槽的所有部分都指向太阳。索缆在场地的东侧和西侧附接到跟踪管，该跟踪管旋转以导致索缆向东和向西运动，并且从而使槽向东和向西移动以跟踪太阳。在这种情况下，它与在美国专利申请 No. 60/648，865,本发明人的"Solar Power Concentrator Using Reflective Films"中呈现的跟踪方法类似。该系统的缩写为"Suncone"。Suncone的跟踪系统与此处所示的跟踪系统类似，除了 Suncone具有双轴跟踪,而Suntrof具有单轴跟踪。但是主要区别是，Suntrof跟踪系统设计成为槽提供刚性，而Suncone的跟踪系统并不为反射表面的几何形状提供刚性。
因为槽从上方通过索缆的杠杆作用而保持就位，所以当它们具有普通太阳能槽和盘时，混凝土地基并不必须。Suntrof支承件可以仅仅是打入地面中的管。塑料薄膜反射器比玻璃或磨光金属反射器便宜得多。因为并不需要坚固的金属梁来提供刚性，所以节省了附加成本。通过使流体管下降至靠近相当窄的槽的底部，系统需要更小的跟踪精度，且索缆跟踪方法将恰当地起作用。因此，本发明的目的是通过抛物面槽设计来高效地收集太阳能，该抛物面槽设计与广泛使用的抛物面槽相比需要更小的太阳跟踪精度。本发明的另一目的是提供利用便宜的塑料薄膜作为抛物面反射器的方法，以便提供更便宜的、收集太阳能的方法。本发明的另一目的是提供太阳跟踪系统，其不仅导致槽的场跟踪太阳，还为槽提供刚性，而不必具有重的金属结构。本发明的其它目的、优点和新特征以及更多应用范围将在下面结合附图的详细说明中部分陈述，并且部分将由本领域技术人员通过阅读下文而清楚，或者可通过实践本发明而学习。本发明的目的和优点可以依靠在所附权利要求中特别指出的仪器和组合来实现和获得。


合并进说明书中并形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。附图只是用于示出本发明的优选实施例，且并不理解为限制本发明。附图中图I是本发明的一个实施例的示意截面端视图，其中，肋示出为支承反射薄膜和外部保护薄膜，且槽通过与槽上方的拱形体连接的索缆而指向太阳。图2是槽的侧视图，示出肋具有附接的跟踪拱形体。图3是示出本发明的另一实施例的等距图，其中，跟踪系统的操作利用框架和连杆，以便使场地中的所有槽都朝着太阳旋转，并为槽提供刚性。图4是示出使支承柱支持流体管和槽构件的方法的示意侧视图。图5是图4的连接组件结构的示意端视图，示出了它与支承柱和肋的关系。槽的底部开口，以便允许支承柱穿过，但是塑料薄膜在该区域粘接到连接组件上，以便防止灰尘进入槽中。图6是SuntiOf阵列的透视计算机图形图像，示出了与槽上方的拱形体连接的跟
踪索缆。图7是Suntrof模块的一个实施例的端视图，示出了跟踪系统，其合并从圆形跟踪拱形体延伸到附接到槽支承柱的跟踪管的跟踪索缆。图8是示出纵向梁的SuntiOf模块的等距图，该梁穿过顶部，并且对角索缆穿过顶部。图9示出X-梁的结构。图10示出了通过在围绕拱形体的点处附接线使圆形拱形体具有刚性的方法。
具体实施例方式图I是槽的示意端视图。图2示出了短槽的侧视图。实际上，槽可以相当长，且可存在沿槽周期分布的许多肋。本发明的重要特征是整个槽由跟踪索缆系统来保持刚性。首先，人们可能会想，由轻质塑料构件制造的长槽系统将倾向于沿它的长度扭曲。也就是说，它的部分将指向不同方向。但是跟踪索缆系统附接到跟踪拱形体5上，且这为它提供绕流体管11枢转的长杠杆臂。由于该长杠杆臂，即使小的索缆也能够在有风状况下保持系统刚性。阿基米德说过 “给我一个足够长的杠杆和布置它的支点，那么我将移动地球”。肋2和跟踪拱形体5形成从顶部使槽旋转的杠杆，而不是像利用普通的槽和盘一样从底部使槽旋转。在图I中，槽30具有由肋2支承的反射薄膜I。可以是坚韧塑料薄膜的保护外壳 3通过使薄膜粘接在肋的外侧而支承。跟踪拱形体5刚性地附接到肋上。索缆6装配进拱形体的顶部中的沟槽中，并连接在拱形体中的点9处。索缆7装配进在拱形体的第二沟槽中，并连接在点8处。利用该设计，当索缆从一侧向另一侧移动时，拱形体滚转，并使槽与它一起运动。槽由支承柱10支承。支承柱还支承流体管11和玻璃外壳管道12。槽由透明盖体16覆盖，以便防止风和灰尘进入槽中。盖体沿顶侧对保护外壳薄膜密封。图2给出了槽的示意侧视图，示出了薄膜I和3、肋2、拱形体5、流体管11和支承柱10的关系。它还示出了对角拉线(guy wire)21，其帮助维持槽结构的刚性。拉线22提供对端部框架20的支承。拉线22在与槽的旋转中心(流体管11的中心)成一直线的点处附接到支承结构23上。跟踪拱形体5是由刚性材料制成的工件，它为圆弧形，好像它是叶轮的轮缘的一部分，其中叶轮的半径等于从轮缘至收集器的旋转枢转线的距离。(枢转线是流体管的中心)。跟踪索缆装配进沟槽17内。如果抵消重力和风负载所必需的力由在槽底部的枢轴来提供(它带有现有盘和槽式太阳能收集器)，该结构将不得不非常坚固，且可需要重的齿轮箱来使槽指向太阳。图3示出了本发明的另一实施例。它不具有用于索缆附接的拱形体，而是它具有在槽上方的框架结构，该框架结构与跟踪索缆连接。图3是示出包括索缆33的太阳-跟踪系统的等距图，该索缆33附接到连杆32 (索缆连接器)上，该连杆32由框架31保持在槽30上方。索缆33包绕分别在场地的东侧和西侧的跟踪管35和36。该跟踪管由驱动器 37旋转。当跟踪管旋转时，包绕跟踪管的索缆拉入或放出。跟踪管用作卷轴。索缆形成围绕该管的单层包绕物。在顶部带有滑轮的杆柱38提供对索缆的支承。沿跟踪管具有轴承 (bearing)的中间跟踪管支承件没有示出。该方法可能比拱形体稍微更简单，但是它具有如下缺点，即当槽指向东边或西边远处时，索缆通过它们与连杆32的连接而被向下拉动。这将需要在东侧和西侧的跟踪管以稍微不同的速率旋转。当使用圆形拱形体时，在东侧和西侧的跟踪管将以相同速率旋转。当西侧的跟踪管旋转以拉动索缆，且东侧的跟踪管旋转以放出索缆时，槽向西旋转以追随太阳(在图I和图3的实施例中)。如果索缆连接点高于流体管六英尺，则跟踪管将需要拉入大约15英尺的索缆(假定槽从水平方向运动不低于20度)。如果使用四分之一英寸的索缆且跟踪管的直径为4英寸，则索缆将包绕管大约14次，这意味着索缆在完全缠绕时将沿该管占据大约4英寸的距离。我们并不希望索缆在管上的包绕深度超过一层。 如果包绕超过一层，则在转一圈期间的拉动量将在第二层时与第一层不同。图4是示出使支承柱10支持槽和流体管11和它的玻璃外壳管道12的方法的示意侧视图。支承柱通过轴承43来支持连接组件40，因为连接组件必须旋转。附接有塑料薄膜I和3的肋2连接至连接组件40。当跟踪系统使槽旋转时,连接组件与槽和肋一起旋转。但是流体管11和它的玻璃外壳管道12并不旋转。从左至右通过连接组件的顶部的孔提供了用于玻璃管道和流体管的通道。另一轴承44允许连接组件在它支承玻璃管道时旋转。在管与玻璃管道之间的玻璃管道-管隔离件42为流体管提供了支承。注意靠近右侧的反射薄膜I和外壳薄膜3粘接到肋上。然而，支承柱必须穿过薄膜，以便支承流体管。这意味着在底部，薄膜的连续性将由于支承柱穿入槽中而中断。连接组件提供了附接塑料薄膜以便灰尘不会进入槽中的方法。在底部靠近左侧的反射薄膜I和外壳薄膜3分别在点45和46处粘接到连接组件上。图5示出了支承柱10、连接组件40和肋2的关系的示意端视图。图6是示出图I和2中所示实施例的一些槽的场地设置的计算机图形图像。它具有拱形体5，其将索缆7连接至槽30。跟踪管35和它的驱动器37在远处示出。Suntrof的太阳能收集效率与其它太阳能集中器的比较槽式收集器具有在冬季期间损失效率的缺点，因为如下事实(在北半球)太阳在南边低处，且槽并不朝南边旋转。在每年的12月21日，在南加利福尼亚、亚利桑那和新墨西哥，太阳在正午时只高于地平线大约34度，这意味着太阳能收集器只能获得当太阳光线垂直于收集器的孔时它们将获得的太阳能的56%。太阳能抛物面盘和Suncone收集器可以向南旋转，以使太阳光线保持与孔垂直。盘收集器的缺点是它们必须沿南北方向间隔开，以防止在冬季相互遮蔽。(所有盘、槽和Suncone收集器都必须沿东西方向间隔开)。考虑4米宽和100米长的Suntrof 收集器。在12月21日正午，它将接收224千瓦的太阳能。排成南北向排的成排的太阳能盘，各具有4米的直径，将需要具有大约5. 5米的南北间隔来减小遮蔽。各盘将具有12. 57 平方米的孔。如果存在沿100米长的场地排列的19个盘，则在冬至时接收的太阳能总量将为239kW，这只比覆盖相同量地面的太阳能槽多大约7%。在夏天，太阳能盘排将仍然接收 239kW的太阳能，但是槽将接收395kW。因此，对于相同的地面覆盖量，槽将接收更多的太阳能。当然，我们还必须考虑各收集器如何高效地将能量转换成在流过该收集器的流体中的热量。作为Suntrof与标准抛物面太阳能槽之间的比较，表I给出了对于两种类型太阳能收集器的计算机光线追踪的效率计算。表I在Suntrof与普通抛物面槽式太阳能收集器之间的效率比较，该效率作为温度和偏心度(degree off center)(太阳跟踪精度)的函数
权利要求
1.一种太阳能收集系统，包括成组的刚性肋，其沿所述太阳能收集系统的长度间隔开，所述刚性肋中的每一个具有限定大致抛物面曲率的内表面；和所述刚性肋连接在其上的成组的连接组件；和成组的锚定支承柱，其可旋转地连接到相应的所述连接组件，以支承所述连接组件和所述肋；和反射部件，其附接到所述刚性肋的内表面，用于反射太阳光线到焦点线，所述反射部件具有曲率，其接近所述刚性肋的内表面的曲率，由此限定具有抛物截面的反射槽，用于反射太阳光线到所述焦点线；和成组的圆形跟踪拱形体，其连接到所述刚性肋，用于使所述太阳能收集系统具有旋转刚性；和成组的跟踪索缆，其附接到所述圆形跟踪拱形体，用于旋转所述圆形拱形体和所述太阳能收集系统；和控制系统，用于移动所述跟踪索缆以可控制地将所述太阳能收集系统旋转到指向太阳；和流体管，在所述焦点线上，用于承载流动流体以吸收入射在所述流体管上的太阳能热其中，所述控制系统移动所述跟踪索缆以朝太阳旋转所述太阳能收集系统，以便照射所述反射部件的阳光反射到所述流体管，所述阳光加热所述流体管内的流动流体，并且其中，所述跟踪索缆、所述圆形跟踪拱形体和所述控制系统提供用于太阳能收集系统的旋转刚性。
2.根据权利要求I所述的太阳能收集系统，其特征在于，所述控制系统包括可旋转地连接到支承柱的下部的跟踪管，并且其中，所述跟踪管通过太阳跟踪控制系统旋转地控制， 并且跟踪索缆包绕所述跟踪管，以便当所述跟踪管旋转时，附接到圆形跟踪拱形体的一侧的跟踪索缆收回，并且附接到所述圆形跟踪拱形体的另一侧的跟踪索缆放出，由此旋转所述圆形跟踪拱形体，并且从而旋转所述太阳能收集系统。
3.根据权利要求I所述的太阳能收集系统，其特征在于，所述太阳能收集系统包括成组的模块，每一个模块具有在其各端部上的圆形跟踪拱形体，并且其中，所述模块端对端地布置，并且邻近模块共用共有支承柱。
4.根据权利要求3所述的太阳能收集系统，其特征在于，还包括拉线，其附接到所述支承柱的顶部，以提供杠杆刚性以稳定所述支承柱，并且其中，所述拉线从所述槽的焦点线邻近处朝外延伸，垂直于所述槽的焦点线，并且成角度朝下延伸到锚定点。
5.根据权利要求3所述的太阳能收集系统，其特征在于，至少三个纵向梁从在各模块的一个端部上的肋延伸到在所述模块的另一个端部上的肋，其中，所述纵向梁中的两个沿所述反射部件的顶部边缘放置，一个所述纵向梁沿所述槽的底部放置，其中，所述纵向梁为所述反射部件提供支承。
6.根据权利要求3所述的太阳能收集系统，其特征在于，还包括横梁，其在各模块的一个端部上的肋与在各模块的另一个端部上的肋之间在中间穿过所述槽延伸，以提供刚性到所述模块的中心部分，并且其中，所述横梁附接到沿所述槽的顶部边缘放置的两个纵向梁，并且所述太阳能收集系统还包括索缆，其从所述肋的顶部穿过所述槽对角地延伸到所述横梁的端部。
7.根据权利要求5所述的太阳能收集系统，其特征在于，所述纵向梁中的至少一个包括主纵向梁；两个短梁，其附接到所述主纵向梁的中心，其中，所述两个短梁彼此垂直并且垂直于所述主纵向梁；索缆，其附接在所述纵向梁的各端部与所述短梁中的每一个的端部之间；和索缆，其附接在各短梁的端部与另一个短梁的端部之间。
8.根据权利要求6所述的太阳能收集系统，其特征在于，所述横梁包括主横梁；两个短梁，其附接到所述主横梁的中心，其中，所述两个短梁彼此垂直并且垂直于所述主横梁；索缆，其附接在所述横梁的各端部与所述短梁的端部之间；和索缆，其附接在各短梁的端部与另一个短梁的端部之间。
9.根据权利要求I所述的太阳能收集系统，其特征在于，还包括拉紧索缆，其附接在各圆形跟踪拱形体上的多个点处，并且径向朝内延伸到围绕所述流体管放置的轮毂，用于刚性地保持所述圆形拱形体。
10.根据权利要求I所述的太阳能收集系统，其特征在于，还包括拉紧索缆，其附接在各圆形跟踪拱形体的上半部上的多个点处并且朝内延伸经过围绕所述流体管放置的轮毂， 并且延伸到在肋上的附接点并且进一步延伸到在所述圆形跟踪拱形体的下部上的附接点， 用于刚性地保持所述圆形拱形体。
11.根据权利要求I所述的太阳能收集系统，其特征在于，还包括在所述圆形拱形体的外部圆周上的至少一个沟槽，用于接收所述跟踪索缆中的至少一个，并且所述跟踪索缆附接到所述沟槽中。
全文摘要
本发明是一种槽式太阳能收集器，其利用高杠杆率原理以便产生轻质、便宜的热太阳能收集器。抛物面反射器通过沿收集器的长度间隔开的刚性肋保持成合适的形状。槽的结构通过独特的太阳跟踪系统保持刚性，太阳跟踪系统不仅导引长槽排以将它指向太阳，而且还将排的整个长度保持成刚性构型。小直径索缆包绕沿排延伸的可旋转管。索缆围绕圆形拱形体延伸，该圆形拱形体附接到提供用于旋转槽的高杠杆率的抛物肋。因为拱形体整体旋转，故长槽排以旋转刚性维持。不具有重的混凝土地基和重的结构来支承槽，轻质支承柱布置进地面，并且拉线维持柱的位置。
文档编号F24J2/40GK102597652SQ201080045817
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月6日 优先权日2009年10月7日
发明者梅尔文·L·普鲁伊特 申请人:梅尔文·L·普鲁伊特