带有由多个截段形成的集中器组件的太阳能收集器的制作方法

专利名称：带有由多个截段形成的集中器组件的太阳能收集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的太阳能收集器。
背景技术：
所提及的类型的辐射收集器或集中器此外应用在太阳能发电站中。至今由于光电池的还未克服的缺点未实现在该技术的运用中以几乎能收回成本的方式产生太阳能电流。而太阳能发电站已自一段时间以来以工业标准价格生产电，其(相对于光电池)接近以传统方式产生的电的现在通常的商业价格。在太阳能发电站中太阳的辐射通过收集器借助于集中器来反射并且有针对性地聚焦到一点，在其中由此产生高温。集中的热量可被散发并且用于运行热机如涡轮，其又驱动产生电流的发电机。现在使用三种基本形式的太阳能发电站:碟式Sterling系统、太阳能塔发电站系统和抛物形槽式系统(Parabolrinnensystem)。碟式Sterling系统作为在直至每模块50kW的范围中的小的单元未普遍使用。太阳能塔发电站系统具有中央的、提高地(在“塔”上)装配的吸收器，其用于由成百上千的各个镜子一起反射至其的阳光，因此太阳的辐射能应经由多个镜子或集中器被集中在吸收器中并且由此达到直至1300°C的温度，这对于后置的热机(通常是用于产生电流的蒸汽或流体涡轮发电站)的效率是有利的。在加利福尼亚的设备“Solar two”具有若干丽的功率。在西班牙的设备PS20具有20丽的功率。太阳能塔发电站(尽管有能够有利地达到的高温)至今同样无更大的普及。然而抛物槽式发电站普及并且具有大量收集器，其具有带有较小横向尺寸的长的集中器，并且由此并非具有一个焦点，而是具有焦线。现在，这些线性集中器具有20m直至150m的长度。在焦线中伸延有用于集中的热(直至大约500°C)的吸收器管，其将热输送至发电站。作为输送介质例如可考虑导热油、熔融的盐或过热的水蒸汽。传统的吸收器管利用复杂的且昂贵的结构来制造，以尽可能使热损失最小。因为输送热量的介质在管槽中循环，通过集中器集中的太阳辐射首先加热管而管然后加热介质，结果是，必要地大约500° C热的吸收器管与其温度相应地辐射热量。经由用于输送热量的介质的传导网(Leitungsnetz)的热量福射可达到100W/m,传导长度在大型设备中至100km，使得经由传导网的热损失对于发电站的总效率非常重要，落到吸收器管上的热损失部分同样如此。相应地，吸收器管路更加复杂地来构建，以便避免这些能量损失。由此远地蔓延的传统的吸收器管路构造为由玻璃包裹的金属管，其中，在玻璃与金属管之间存在真空。金属管在其内部中引导输送热量的介质并且在其外表面处设有覆层，其改善地吸收在可见范围中的入射光，但是对于在红外线范围中的波长具有较深的辐射率。包裹的玻璃管保护金属管免于被风冷却并且用作用于热辐射的附加电池。在此不利的是，包裹的玻璃壁部分地同样反射或者也吸收射入的集中的太阳辐射，这导致，减少反射的层被施加到玻璃上。
为了降低用于这样的吸收器管路的昂贵的清洁费用，但是也为了保护玻璃免于机械损伤，吸收器管路可附加地设有包围其的(不绝热或者很少绝热的)机械保护管，它虽然必须设有用于射入的太阳辐射的开口，但是此外相当可靠地保护吸收器管路。这样的结构是复杂的且相应昂贵的，不仅在制造中而且在维护中。在南加利福尼亚的9 SEGS-抛物形槽-发电站总共产生大约350MW的功率。2007年接入电网的发电站“Nevada Solar One”具有带有182400个弯曲的镜子的槽形收集器，其布置在140公顷的面积上并且产生65MW。在西班牙的Andasol 3自2009年九月开始建造，应在2011年运行，使得设备Andasol I至Andasol 3将具有50MW的最高功率。对于整个设备(Andasol I至3)预期大约20%的峰值效率以及约15%的年平均效率。如所提及的那样，对于太阳能发电站的效率的重要参数是通过收集器加热的输送介质(经由其从收集器运走所获得的热量并且用于转换成例如电流)的温度:利用更高的温度在转换时可获得更高的效率。在输送介质中可实现的温度又取决于所反射的太阳辐射通过集中器的集中度。集中度50表示，在集中器的聚热区域(Brennbereich)中每m2获得与由太阳射入到地表的一 m2上的能量的50倍相对应的能量密度。理论上最大可能的集中度取决于地面-太阳几何结构，即取决于从地面观察的日轮的张角。从0.27°的该张角得出，用于槽式收集器的理论上最大可能的集中因素为213。即使利用非常复杂地制造的并且由此对于工业应用(太)昂贵的镜子(其在横截面上非常接近抛物面并且由此产生带有最小直径的焦线区域)现在也不可能仅近似达到该最大集中度213。然而能够可靠地获得的大约50至60的集中度是现实的并且已允许上面所提及的在抛物形槽式发电站的吸收器管中大约500° C的温度。为了在合理的成本下尽可能好地接近槽式收集器的抛物面形，申请人在文件WO2010/037 243中提出一种槽式收集器，其具有带有柔性的、在压力室(Druckzelle)中张紧的集中器的压力室。在此，集中器在不同的区域中不同地弯曲并且由此相当接近所希望的抛物面形。这虽然使在集中器的合理的成本下能够实现在吸收器管中大约500° C的温度，但是在吸收器管中不能实现再次提高的过程温度。

发明内容
相应地，本发明的目的是提供一种用于还以工业标准生产热量的槽式收集器，其具有更高的效率并且还允许在输送介质中产生还更高的温度。该目的通过带有权利要求1的特征的太阳能收集器来实现。因为通过第二集中器组件将所反射的太阳辐射不再反射到焦线区域中、而是到至少一个焦点区域中，得到在一维槽式集中器中的集中，其是二维的，即在收集器的长度上集中到焦线中且然后在其宽度上集中到至少一个焦点区域中。由此，理论上可能的最大集中度提高到超过40000。当然，这里也几乎不能达到该最大可能的集中度。但是该巨大的潜力的较小的实现性允许根据所提出的目的提高输送介质中的温度并且由此改善发电站(或者还有产生最小热量的单元)的效率。因为第二集中器组件的该至少一个集中器连续地相对当前的第一辐射路径取向，可避免在第二集中器组件中由于例如相应于白天斜地射入的太阳辐射的损失并且保证该组件的随时较高的效率。因为在吸收器组件处设置有多排另外的集中器和毗邻的多排热开口(例如与带有相同数量的热开口的唯一排相比)，得到整个组件的改善的功率吸收或改善的效率。另外，第二集中器组件的另外的集中器的焦点区域保持静止且因此在吸收器组件上不变的位置处。这又允许(尽管入射的太阳辐射变换)减少到进入的辐射路径的横截面上的吸收器管的热开口，结果是，吸收器管的相关的热损失下降而太阳能发电站的效率提闻。本发明因此允许除了所提出的目的之外使用吸收器组件或吸收器管，在其中热开口的面积划分成各个较小的开口并且由此减小到明显缩小的总面积上。因此也显著减少相应的吸收器管的热损失。由此得到与根据本发明在焦点区域中所集中的辐射的协同:一方面提高吸收器管中可能的温度，而另一方面减少吸收器管的热损失，这在此比较重要，因为热损失主要通过热辐射实现，其以温度的四次方增加。然后(最后但并非最不重要的)根据本发明的收集器的效率通过该组件的布置被进一步提高，该布局设置毗邻延伸的焦点区域排，其带有在吸收器组件中或在吸收器管中同样毗邻延伸的所关联的热开口排，该布置引起该组件的提高的功率吸收。因为设置有一定数目的彼此相间隔的热开口，吸收器管的更大的面积可绝热，结果是，在运行中其热辐射下降。因为热辐射以温度的四次方增长，这在根据本发明的太阳能收集器的情况中特别有利于产生更高的温度。


根据附图来详细说明本发明的特别的实施形式。其中:
图1示意性地显示传统的槽式收集器，如其在太阳能发电站中所使用的那样，
图2a示意性地显示根据本发明的槽式收集器的结构，
图2b显示通过图2a的槽式收集器的横截面，
图2c显示图2a的槽式收集器的纵截面，
图3示意性地显示在白天射入的太阳辐射的方向，
图4显示本发明的优选的实施形式，
图5a以纵向视图显示图4的实施方案的特别优选的变型，
图5b以横截面中的视图显示图5a的实施形式，
图6a显示本发明的另一实施形式的视图，
图6b显示图6a的实施形式在横截面中的视图，
图7a显示另外的集中器的光学元件的第一实施形式，
图7b在横截面中显示图7a的光学元件，其中，示出穿过该元件的辐射的几何学，
图8a显示另外的集中器的光学元件的第二实施形式，
图8b在横截面中显示图8a的光学元件，同样带有穿过的辐射的几何学，
图8c显示另外的集中器的光学元件的第三实施形式，
图9显示传统组件与根据本发明的具有多排毗邻的热开口的组件的功率吸收的对比， 图1Oa显示通过本发明的附加的实施形式的横截面，以及 图1Ob显示图1Oa的实施形式的详细视图。
具体实施例方式图1显示带有压力室2的传统类型的槽式收集器1，压力室2具有枕垫的设计并且由上面的、柔性的薄膜3和在图中遮住的、下面的柔性的薄膜4形成。薄膜3对于太阳辐射5可透过，其在压力室2的内部中射到集中器-薄膜(集中器10，图2a)上并且通过其被反射为辐射6，朝向吸收器管7，在其中输送热量的介质(其运走通过收集器集中的热量)循环。吸收器管7通过支撑部8被保持在集中器-薄膜(集中器10，图2a)的焦线区域中。压力室2在框架9中张紧，框架9又以已知的方式相应于每天的太阳位置可摆动地支承在底架上。这样的太阳能收集器例如在文件WO 2010/037243和文件WO 2008/037108中来说明。这些文件通过参考被明确地包括在本说明书中。虽然本发明优选地使用在该类型(也就是说带有压力室和在压力室中张紧的集中器-薄膜)的构造为槽式收集器的太阳能收集器中，其决不限于此，而是例如同样可应用在槽式收集器中，其集中器构造为不可变的镜子。带有不可变的镜子的收集器例如被使用在上面所提及的发电站中。在接下来所说明的附图中相应忽略槽式收集器的对于本发明的理解不相关的部件，其中，在此还应再一次提及，这样的被忽略的部件对应于上面所说明的现有技术(带有压力室的收集器或者带有不可变镜子的这样的收集器)来构造并且可由专业人士对于具体的应用情况容易地确定。图2a显示了根据本发明的另外的集中器的一可能的实施形式。基本上如图1的收集器I那样来构造的收集器10具有集中器11和支承在支撑部8处的吸收器管12。太阳辐射5射到集中器11上并且被其反射为辐射6。通过集中器11的具体构造，得到用于所反射的辐射的第一辐射路径，其通过辐射6来代表。集中器11因为仅在一个方向上弯曲是线性集中器，带有该优点，即其相对于在两个方向上弯曲的抛物面集中器可更简单地且此外以更大的面积来制造，而对于框架结构和相应于日照情况持续地在白天必要的取向不产生禁止的结构上的边界条件。对于在图中的方向，箭头16表示纵向，箭头17表示横向。相应地，集中器11在横向17上弯曲而在纵向16上不弯曲。集中器11的辐射路径具有焦线区域，必然地，因为一方面由于太阳的张角其辐射5不平行射入，集中到几何上精确的焦线中由此是完全不可能的并且此外，因为不能以合适的成本费用为理论上尽可能近似的焦线制造集中器的精确的抛物面形的弯曲。集中器11是收集器10的第一收集器组件的组成部分，其在此由(如上面所提及的为了减轻图的负担被忽略的)压力室、用于维持和控制压力的机构和框架(在其中集中器11张紧)来形成。如同样所提及的那样，忽略的元件对专业人士已知。在图中盘形构造的、对于所集中的辐射透明的光学元件20布置在集中器11的第一辐射路径中(并且因此在第一集中器组件的辐射路径中)，使得辐射路径延伸穿过其。这些光学元件20折射射入到其上的(通过集中器11反射的)辐射6，这样使得辐射6在光学元件20后作为辐射15被集中到焦线区域中。换言之，光学元件20中的每个的由辐射15代表的第二辐射路径具有焦点区域21。在图中示出与太阳能收集器的长度相对应的数量的光学元件20并且其焦点区域例如在两个光学元件20中绘出。光学元件20是第二集中器组件的组成部分，其在第一辐射路径中布置在焦线区域之前并且形成在第二集中器中的另外的集中器。在此例如支架22还属于第二集中器组件，其固定在吸收器管12处并且在其处将光学元件20保持就位。在此构造为吸收器管12的吸收器组件位于焦点区域21的位置处并且具有一定数目的热开口 23用于集中的辐射15穿透到吸收器管12的内部中。热开口允许集中的辐射的热量通过，但是不必构造为机械开口。例如相对于不透明的隔绝的热开口可构造为可能为了减弱反射而涂覆的玻璃盘。尽管如此必然使得在热开口的位置处最后不能获得良好的绝热，即必须接受相应的有关的热损失。就此应注意的是，在吸收器组件的热开口中可布置有光电电池，其直接产生电流，使得那么取消输送热量的介质(对图1的说明)。为了简单起见，但是不受限地，剩余的说明限于输送热量的介质在其中循环的吸收器组件。优选地现在使用对外绝热的吸收器管，也就是说带有在周围封闭地布置在其外侧处的不透明的绝热部的吸收器管，其热开口构造为在该对外绝热部中的物理开口(但是当然例如可通过玻璃盘来封闭)。图2b显示了通过图2a的收集器10的在横向(箭头17)上的剖面，其带有在该横截面平面中投影的辐射路线(Strahlengang)或者这两个集中器组件的第一和第二辐射路径的视图。如上面所提及的那样，槽式收集器10的对于本发明的理解不重要的元件对于专业人士已知并且为了减轻图的负担被忽略。尤其可见，第一集中器组件(集中器11)的第一辐射路径，在此通过两个反射的辐射6、6’示出，向着焦线区域21在吸收器管12的位置处会聚。辐射6穿过光学元件20，其中，其第二辐射路径，在此通过两个辐射15、15’示出，向着焦点区域21会聚。第一集中器组件的集中在横向(箭头17)上实现。在所示出的优选的实施形式中光学元件20的焦点区域21处于集中器11的焦线区域中，也就是说在第一集中器组件的焦线区域中。由此对于在图2b中所示出的对横截面平面的视图(但是不在纵向上，以下参见图2c)得出，反射的辐射6不被光学元件20折射，也就是说大致处于直线中。基本上因此，因为在辐射6、6’穿过光学元件20时可出现辐射路径15、15’相对于路径6、6’的轻微偏移，但是其在此不相关。为了减轻图的负担又忽略不重要的元件，在此也忽略用于光学元件20的支架22 (图 2a)。图2c显示在纵向(箭头16)上通过图2a的收集器10的剖面，其带有在该纵向平面中投影的辐射路线或第一和第二集中器组件的第一和第二辐射路径的视图。然而仅示出在光学元件20的长度上纵剖面的一部分。以所设定的从右向左(图2b)的观察方向，图2c显示对集中器11的左半部(图2b)的视图。尤其可见，第一集中器组件(集中器11)的第一辐射路径(在此通过所反射的辐射6、6’示出)向着在吸收器管23的位置处的焦线区域21行进。辐射6至6’穿过光学元件20，通过其在纵向16上被折射，其中，光学元件20的第二辐射路径(通过辐射15、15’示出)相应向着焦点区域21会聚。第二集中器组件的集中在纵向上(箭头16)实现。得出第二集中器组件具有带有第二辐射路径的至少一个光学元件20 (也就是说至少一个另外的集中器)，其中，通过该至少一个光学元件20来产生至少一个焦点区域21。就此而言应注意的是，根据本发明的组件可被实施用于带有仅仅一个光学元件20的较小的或者最小的应用或者用于在带有成打或成百个光学元件20的带有最大尺寸的收集器中的工业应用。从图2b和图2c中此外得出，光学元件20在所示出的实施形式中构造为线性集中器(Linearkonzentrator)，其集中方向横向于或者垂直于第一集中器组件的线性集中器的集中方向延伸。由此另外得出，光学元件20的光学有效的表面(在其处产生光线的折射)相对于第一集中器组件(在此集中器11)的第一辐射路径这样取向，使得每个单个辐射投影到垂直于焦线区域的平面(在图2b中示出)上的路径是直线，但是在处于焦线区域中的平面(在图2c中示出)中朝向焦点区域21被折射。优选地，光学元件具有Fresnel结构，这允许其构造有如在图2a至2c中所示出的盘形的主体。例如盘形主体的下侧可平地来构造而上侧结构化地被构造有平行的Fresnel梯级，其中，梯级在横向17上彼此平行延伸，使得焦点区域处于盘形主体的中间之上。这样的Fresnel透镜30的设计可通过专业人士在具体情况下容易地来进行。备选地，每个光学元件20也可构造为Sammel透镜，其横向地在吸收器管12下延伸穿过并且产生根据图2b和图2c的折射。以该方式构造的光学元件20例如可通过浇铸来制造，在其中制造金属模并且浇铸合适的透明的塑料材料(或者还有玻璃)。图3显示收集器10和太阳从早到晚的轨迹30。示出太阳辐射31、32和33，在同一位置处射入到集中器11上并且通过其在第一辐射路径中根据白天时间被反射为辐射31’、32’和33’。换言之，太阳辐射在白天在工作范围中变换地射到集中器11、也就是说第一集中器组件上，使得其第一辐射路径随着白天时间持续变化，其中，实际的第一辐射路径在早上通过福射31’、在中午通过福射32’而在晚上通过福射33’来代表。相应地，集中器11的焦线区域仅在其纵轴线(方向16)上被移动，但是不横向于此。尽管如此这是不利的，因为辐射31’和33’斜地射到光学元件20上(图2a和图2c)并且因此部分地进入其中且根据本发明被折射，但是部分地也被光学元件的表面反射，这负面地影响太阳能收集器10的效率，因为所反射的辐射不到达焦点区域中。该效果在辐射32’的情况中接近零而辐射31’或者辐射33’越斜地射到光学元件20的下表面上变得越大。图4现在显示根据本发明的组件，其提高第二集中器组件的平均效率。该图类似于图2c显示在纵向(箭头16)上通过收集器10的剖面，其中，仅示出纵截面的一部分，以根据收集器10 (图2a)任意的光学元件20详细阐述关系。光学元件20经由支架对40、40’(其中仅可见在图平面中前面的支架40’)可摆动地铰接在在其方面固定地布置在吸收器管12处的支架(其中仅可见在图平面中前面的支架41’)处。由此可使其在双箭头42的方向上摆动，相应使得其相对第一集中器组件的当前的辐射路径取向，也就是说垂直于当前的第一辐射路径。在图中当前的辐射路径通过辐射31’和辐射31**来表示。第二辐射路径通过辐射15’和15**来表示。摆动运动通过在双箭头47的方向上可移动的杠杆48来触发，其与光学元件20 (和收集器10的所有其它光学元件)相连接。收集器10的为了减轻图的负担而未示出的控制部可操控同样未示出的用于杠杆48的驱动器，使得光学元件20的取向在白天随时正确地实现。杠杆48的进给区域限定用于光学元件20的取向区域(Ausrichtbereich),其对应于存在于收集器10的位置处的白天的辐射关系(图3)。带有支架40、40’和41、41’的支架对以及带有所属的驱动器及其控制部的杠杆47表示器件，以便将第二集中器组件的该至少一个集中器(在所示出的实施形式中:光学元件20)相对第一集中器组件的当前的第一辐射路径连续地、与白天时间相应地取向。在图中示出的优选的实施形式有利的是，通过带有支架41的支架对使摆动轴线43置于热开口 45的区域中，结果是，虚线表示的焦点区域46在光学元件20的整个取向区域(或第二集中器组件的至少一个集中器的取向区域)上保持固定在确定的位置中。因为吸收器管12相对集中器11固定地布置，这对于焦点区域45也是该情况。换言之，通过所示出的布置，将第二集中器组件(光学元件20)的集中器的焦点区域45在整个取向区域上相对相对于第一集中器组件的集中器截段(在此集中器11在图中显示的截段)确定的位置保持固定。该布置允许将热开口 45减小到固定的焦点区域46的延展部上，也就是说到该尺寸，其整体上通过辐射的变换的取向(图3)得出。如果光学元件20不根据本发明来取向，热开口必须具有一长度，其对应于焦点区域在白天的移动。在白天长日照时间的情况下这甚至可导致，各个热开口接触，也就是说吸收器管将具有在其长度上连续的热开口。结果会是相应的且根据本发明可避免的热损失。图5a显示根据本发明的另一实施形式，其中，根据图4的实施形式由两个限制镜50、51来补充。这样的镜子的一优选的布置对于专业人士作为复合抛物面集中器已知。据申报人所知，复合抛物面集中器至今未被应用在带有线性集中器的太阳能收集器中。在复合抛物面集中器中镜子50、51具有一轮廓，其对应于抛物面的一分支(Ast)，其中，该抛物面的焦点处于相对而置的镜子的下边缘处。限制镜50、51在此一方面固定在光学元件20处而另一方面固定在上保持部58处、相对光学元件20固定并且利用其可摆动地布置。通过这些限制镜50、51在第一辐射路径中来修正所反射的辐射的散射。散射一方面由太阳的张角产生，结果是，太阳辐射不作为平行辐射入射，而另一方面由集中器11本身产生，其表面不能以合理的成本费用在几何上理想地来制造，这可导致辐射路线的干涉。同样，光学元件20中的错误可引起在第二辐射路径中的干涉，其通过限制镜50、51来修正。在图中在第一辐射路径中绘出辐射31**而在第二辐射路径中绘出辐射15**。假定辐射31**是来自太阳中心的辐射的反射，并且集中器11在反射的位置处几何上理想地来构造。相应于此，福射15**理想地行进通过焦点区域46的中心。此外在图中，在第一辐射路径中绘出辐射53’和在第二辐射路径中绘出辐射54’。这里假定，辐射53’是来自太阳的边缘的辐射的反射，并且/或者集中器在反射的位置处具有几何偏移。相应于此，辐射31**和53’不平行，并且此外辐射54’尽管在光学元件20中折射(或者也因为在光学元件20中的错误)不指向焦点区域46，而会错过它，如这通过虚线47所示。
辐射54’相应地碰到限制镜50并且被其作为辐射55’反射到焦点区域46中。在限制镜50处的该反射导致，所有在其接受角的范围中打到其上的辐射被集成到焦点区域46上。限制镜50、51换言之是第三集中器组件，带有第三辐射路径，其焦点区域处于第二辐射路径的焦点区域46的位置处。图5b以沿着图5a的平面AA的剖面显示对图5a的组件的视图。光学元件20的下侧、限制镜50的背侧可见，其中，通过在那里绘出的十字来标记辐射54’的碰撞点。在此应补充，该附图以通过收集器10的纵截面显示限制镜50、51的应用，也就是说其面横向地、在方向17上延伸。限制镜然而也可以以其面纵向地、在方向16上取向，使得由于在横向(方向17)上在集中器11的弯曲部中的错误或者在横向上有效的在光学元件20中的错误通过在第三辐射路径中另外的集中来修正例如通过太阳的不平行入射的辐射的辐射路线。在另一优选的实施形式中在纵向和横向上设置有用于修正辐射路径的限制镜。图6a显示根据本发明构造的收集器60，其第一集中器组件具有毗邻地且纵向延伸的多个集中器截段61、62。在此应注意的是，第一集中器组件可具有不仅两个，而且例如四个、六个、八个或者更多这样的集中器截段。以在图6a中示出的类型的太阳能收集器的另一实施形式具有带有50m长的集中器的槽式收集器，其中，集中器具有两个平行的各4m宽的截段，其弯曲成使得其焦线区域处于3m的间距中。光学元件不能构造为盘形主体，而是构造为在横向上弯曲的半壳(带有合适的Fresnel-结构)，并且那么具有200mm的曲率半径和20mm的长度。相应地在吸收器管的长度上设置有大约250个光学元件，其中，吸收器管(图10)具有250个热开口。每个集中器截段61、62关联有光学兀件65、66的排63、64，其中，每个光学兀件65、66又关联有自己的在吸收器管69中的热开口 67、68。为了减轻图的负担又忽略用于光学兀件65、66的支架和其它对于本发明的理解不重要的兀件。在此应注意的是，在横向上邻近的光学元件20可共同关联于热开口。太阳辐射70在集中器截段61中被反射为辐射71 (集中器截段61的第一辐射路径的)，通过光学元件65被折射并且作为辐射72 (光学元件65的第二辐射路径)在遮住的热开口 67的位置处被转向到在图中不可见的焦点区域中。同样，太阳辐射74在集中器截段62中被反射为辐射75 (集中器截段62的第一辐射路径)，通过光学元件66被折射并且作为辐射76 (光学元件66的第二辐射路径)在热开口 68的位置处被转向到焦点区域78中。该组件具有该优点，即各个集中器截段61、62的横向膨胀(方向17)小于这在唯一的集中器中的情况，使得相对更宽的集中器可获得更小的焦点区域(太阳的张角)。这又导致更小的热开口 67、68，其总面积小于在仅仅一个、但是明显更宽的集中器的情况下的热开口的面积。在纵向上同样如此:在传统地在吸收器管69的长度上不中断地延伸的热开口(其应物理地或非物理地来构造，见上面)的部位处现在在吸收器管69的长度上彼此相间隔地布置的热开口是可能的，其总共具有比根据现有技术连续的热开口更小的面积。当然，所有光学元件65、66根据本发明可摆动地布置在吸收器管69处，如这在图4至图5b中示例性地所示。同样，光学元件65、66如上面所说明的例如构造为Fresnel透镜。
图6b显示相对图6a略微修改的收集器70，这里同样带有两个收集器截段71、72和两排73、74光学元件20。如上面所提及的那样，也可设置有例如六个集中器截段和六排光学元件20。每排73、74的光学元件20取向到相应与其相关联的集中器截段71、72上并且由此倾斜地布置，并且由此在通过点划线75、76表示的、倾斜的平面中根据本发明可摆动。通过光学元件20的该取向重新改善该组件的效率。该图此外显示了太阳辐射80、代表集中器截段71的第一辐射路径的反射辐射81和正确地行进的、代表第二辐射路径的辐射82 (其因此经过限制镜50)。此外，该图显示优选地灵活的条带82以及侧向的框架件84和85，集中器截段71、72在其之间张紧。优选地，条带83的宽度如此来选择，使得仅其被两排73、74光学元件20遮住。在另一优选的实施形式中还改善了根据图7a的具有Fresnel结构的透镜230，以便使由于像差(Aberration)的错误最小:
图7b显示在安装状态中通过Fresnel透镜230的在横向17上的剖面，该剖面沿着梯级233中的一个延伸。在该剖面中为了减轻图的负担仅显示Fresnel透镜230的置于点划对称线35左边的半部，其带有在其中延伸的辐射路径。由第一集中器组件(在此:集中器11或截段71、72)反射的太阳辐射206iv直至206vi在下部的光学上有效的表面231处入射，在其处朝向垂线236被折射、横穿Fresnel透镜230的主体直至上部的光学上有效的表面232并且作为辐射215iv至215vi离开其，其中，其在上表面232处被折射远离垂线。因为梯级233和侧翼234在横向17上延伸，双重折射现在导致，辐射215iv至215vi相对于辐射26iv至26vi略微平行偏移，其中，对于处于外面的辐射的偏移大于对于处于里面的辐射的偏移，这根据具体情况可不利地扩大焦点区域。这借助于辐射26^至26vi的虚线画出的延续部分在质上(并且夸张地)来说明:如果辐射26iv至26vi不被双重折射，其·将相当好地集中到吸收器管228的热开口 229上。通过折射产生所说明的平行偏移，使得辐射215iv至215vi仅部分地到达热开口 229，这不会是最佳的。图8a显示就此而言优化的实施形式。示出构造为Fresnel-格栅透镜240的光学元件，其下面的光学上有效的表面241平地而其上面的光学上有效的表面242除了中间区243之外具有Fresnel-格栅结构。Fresnel-格栅透镜240的基本结构对应于光学元件230的结构。相对光学元件230的不同在于侧翼244的构造，其在其方面划分成小平面(Facette) 245，其中，每个小平面245在安装状态中在横向217上不同地倾斜。如图8b根据入射的辐射26vii所示，其在穿过下面的光学上有效的表面241时被折射向垂线并且横穿元件241的主体，直至其在由相应的小平面245形成的上面的光学上有效的表面242处在离开时又被折射并且作为辐射215vii到达吸收器管228的开口 229。如根据图7b所说明的那样，如果其不通过双重折射在穿过时被平行地偏移，辐射206vii将不穿过光学元件到达热开口 229 (虚线246)，这对应于图6b通过点划线247来表示。实际上现在辐射206vii在倾斜的小平面245处被折射成使得偏差通过偏移来补偿，使得辐射215vii到达热开口 229。专业人士还可在具体的情况下确定Fresnel-格栅结构的设计(例如小平面245的大小)并且也可确定小平面245中的每个的倾斜。图Sc显示构造为Fresnel-格栅透镜250的光学元件的另一实施形式，其中，上部的和下部的光学上有效的表面251、252各设有Fresnel-格栅结构。通过Fresnel-格栅透镜250的剖面还对应于图3的剖面。在下表面251中的小平面256对应于在上表面252中的小平面255，使得入射的所反射的太阳辐射206ix竖直地碰到小平面256、255上并且由此不被其折射，因此不发生在所示出的平面中的像差。优选地，在上部的表面252中的小平面255然后在垂直于附图的平面的方向上倾斜(在方向16上的倾斜)，使得辐射215ix在焦点区域中在热开口 229的位置处被集中。在此还构造有不带小平面256、255的中间区253、254。专业人士可在具体情况中确定Fresnel-格栅结构的设计并且由此也确定每个小平面255、256的倾斜。图9最后以图表显示传统吸收器管(其在横截面上观察具有唯一的、宽的热开口)与如其当前被使用的吸收器组件或者吸收器管(即在此例如根据图6b带有两个毗邻布置的热开口)之间的比较。A表示传统吸收器管的热开口的(更大的)宽度，B表示根据本发明的吸收器管(图6b)的两个热开口中的每个的宽度。两个吸收器管(即传统的和根据本发明的)为了比较与相同的集中器相关联，其中，传统的吸收器管以其热开口包括整个集中器的所有焦线区域，而根据本发明的吸收器管的热开口各关联于该集中器的半部或各关联于该半部的焦线区域。在所绘出的宽度A和B上的曲线表示通过相应的热开口经由集中器的辐射所吸收的功率。曲线320显示由带有唯一热开口的传统吸收器管在该开口的相应的宽度A的情况下所吸收的功率。曲线321和322相应地显示由根据本发明的吸收器管经由其两个毗邻的热开口所吸收的功率。在由传统吸收器管相对根据本发明的吸收器管所吸收的功率的差对应于图9中阴影的与两个打点面积之间的差。打点面积等于或者略大于阴影的面积。因此根据本发明的带有两个不那么宽的热开口的吸收器管的功率吸收等于或者略大于带有仅仅一个热开口的传统吸收器管的功率吸收。该效果可归因于太阳的张角，据此在集中器中所反射的辐射必然散射到焦线区域中，其效果随着集中器的边缘区域的提高的间距加强。概括地可附加地改善根据本发明的收集器的效率:
一方面将传统地构造为唯一纵槽的热开口在纵向上分解成一定数目的较小的热开口，其中较小开口的总面积小于唯一热开口的面积。这通过使用第二集中器组件来实现，其将槽式集中器的焦线区域分解成焦点区域。然后将传统的热开口(其在吸收器管的长度上延伸)分解成在横截面上毗邻的带有更小的宽度的热开口，并且不那么宽的热开口中的每个关联于集中器截段。在此，以热开口的更小的总面积实现与其在唯一的热开口中的情况相同的热输入到吸收器管中。图1Oa和IOb显示本发明的另一实施形式，在其中第二集中器组件不具有透明的光学元件，而是具有镜子。在图1Oa中示出太阳能收集器100，带有已知类型的压力室，在框架102 (其在其方面为了跟随太阳可摆动地支承在底座103处)中张紧。在压力室101中布置有第一集中器组件，其带有由截段104和105构成的多件式集中器，其中，根据本发明设置有这里同样两件式的第二集中器组件，带有镜子106和107。每个镜子106、107处于与其相关联的集中器截段104、105的辐射路径中。入射的太阳辐射通过辐射110、111示出，集中器截段104和105的辐射路径通过反射的辐射112、113示出。镜子106、107在辐射路径中位于相应的集中器截段104、105的焦线区域之前。用于反射的太阳辐射112、113的镜子106、107的辐射路径通过在镜子处所反射的辐射114、115示出。所反射的辐射114、115根据本发明通过镜子106、107被集中到焦点区域116中，其处于吸收器管的所关联的开口中。镜子106、107的对此必需的弯曲在图7b中示意性地示出。镜子106、107备选地可设有Fresnel-结构，特别优选地设有Fresnel-格栅结构。图7b示出对太阳能收集器100的一部分的视图，其中，视线方向大约对应于对于图7a中的附图标记100的箭头方向。为了减轻图的负担仅示出吸收器管120、热开口中的一个121和与该开口 121相关联的镜子107。相邻的且相同构造的镜子107’(其在吸收器管120之下在其整个长度(箭头16)上排列)以虚线表示，其中，每个镜子107’在其方面关联有开口 121。镜子107在纵向16上(凹形地)弯曲成使得在纵向上观察所有入射的辐射113被集中到焦点区域116上，而镜子107此外在横向17同样(凹形地)弯曲，使得到焦线区域116上的集中同样发生在横向上。图1Oc显示图1Oa和IOb的组件，其中，根据本发明设置有器件，以便使镜子107在取向区域中相对第一集中器组件的当前的辐射路径取向。该器件具有支座122，在其上镜子107围绕摆动轴线123可摆动地支承，其中，摆动运动通过杠杆124(其通过为了减轻图的负担未示出的驱动器来激活)来触发。镜子优选地可具有Fresnel-格栅结构，其对于专业人士在具体的情况下可由此确定，使得出现根据本发明的成果。这样的镜子同样可作为铸件来制造，其中，例如可通过合适的覆层使铸件的有效的光学表面能反射。在图中所示出的布置有利的是，第二集中器组件可被布置在第一集中器组件的压力室中，使得其受保护免于污染。原则上，这节约可观的用于清洁的费用，其中，镜子中的Fresnel-格栅结构或者光学元件的不通过压力室保护的、精细地成梯级的Fresnel-结构仅可以以非常大的清洁费用充分地来清洁，这在没有该过高的清洁费用的情况下必定导致收集器的功率上的损失。概括地，本发明尤其包括以下两点:
A.一种太阳能收集器，其带有:第一集中器组件，其具有带有焦线区域的第一辐射路径用于在工作范围中变换地射入其中的太阳辐射；并且带有用于集中的辐射的吸收器组件，其特征在于第二集中器组件，其带有在第一辐射路径中布置在其焦线区域之前的、在其方面具有带有焦点区域的第二辐射路径的至少一个另外的集中器，其中，第二集中器组件具有用于在该至少一个另外的集中器的取向区域中相对第一集中器组件的当前的辐射路径连续取向的器件。B.根据A点的太阳能收集器，其中，吸收器元件构造为吸收器管并且第二集中器组件具有至少一排在吸收器管的长度上相继布置的另外的集中器，并且其中，在吸收器管的长度上的每个位置处至少一个热开口与在那里的至少一个另外的集中器相关联，并且其中，优选地设置有多排另外的集中器，并且每排的每个另外的集中器关联有自己的热开口，并且其中，用于使另外的集中器连续取向的器件将其焦点区域固定地保持在所关联的热开口中。
这两点可根据从属权利要求包括另外的实施形式。
权利要求
1.一种太阳能收集器，其带有:第一集中器组件，其具有带有焦线区域的第一辐射路径用于在工作范围中变换地射入其中的太阳辐射，并且带有用于集中的辐射的吸收器组件，其特征在于，所述第一集中器组件具有各带有焦线区域的多个集中器截段，并且设置有第二集中器组件，其带有在所述吸收器组件的长度上相继布置的多排另外的集中器，其中，每排所述另外的集中器相应与焦线区域相关联并且在所述第一辐射路径中布置在相应的所述焦线区域之前，并且所述另外的集中器在其方面具有各带有焦点区域的第二辐射路径，并且其中，所述收集器具有用于在所述另外的集中器的取向区域中相对所述第一集中器组件的集中器截段的当前的辐射路径连续取向的器件，其中，在所述吸收器组件的长度上每排的每个另外的集中器关联有热开口，这些开口在其方面在所述吸收器组件处布置成毗邻延伸的排，并且其中，用于使所述另外的集中器连续取向的所述器件将其焦点区域保持固定在与其相关联的所述热开口中。
2.根据权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述吸收器组件构造为吸收器管，并且优选地用于取向的所述器件设置在所述第二集中器组件中。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能收集器，其中，所述另外的集中器在运行中遮住在两个集中器截段之间的空间。
4.根据权利要求1所述的太阳能收集器，其中，设置有两个、优选地四个、进一步优选地六个、特别优选地八个集中器截段。
5.根据权利要求 1或2所述的太阳能收集器，其中，在每个热开口中布置有光电电池。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述另外的集中器构造为对于太阳辐射透明的光学元件，其优选地具有Fresnel-结构，特别优选地具有Fresnel-格栅结构。
7.根据权利要求6所述的太阳能收集器,其中,Fresnel透镜具有Fresnel-格栅结构，这样使得穿过的辐射的偏移由于所述透镜的厚度而被弥补，这样使得尽管有所述偏移所述辐射到达所述热开口。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述另外的集中器具有镜子，通过其将所述辐射反射到焦点区域中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述第二辐射路径在另外的集中器与其焦点区域之间由侧向地布置在所述辐射路径中的限制镜来限制，所述限制镜具有第三辐射路径用于由至少一个另外的集中器所集中的辐射，所述第三辐射路径优选地带有焦点区域，其处于所述第二辐射路径的焦点区域的位置处。
10.根据权利要求9所述的太阳能收集器，其中，所述限制镜具有复合抛物面集中器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述热开口布置在彼此平行地在所述吸收器组件的长度上延伸的多个排中，并且其中，每个排的所述热开口优选地在所述吸收器管的相同的高度上毗邻编组，并且在所述吸收器管的的长度上组组相继布置。
12.根据权利要求11所述的太阳能收集器，其中，所述热开口布置成两排、优选地成四排、进一步优选地成六排并且特别优选地成八排。
13.根据权利要求11所述的吸收器管，其中，优选地构造为吸收器管的所述吸收器组件在四周与外面隔绝，包括置于所述热开口之间的区域。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的吸收器管，其中，所述第二集中器组件的另外的集中器与优选地可摆动地布置在吸收器元件处的支架组件相连接，并且其中，摆动轴线优选地处于所述另外的集中器的焦`点区域中。
全文摘要
通过在构造为槽式集中器的线性集中器中的第二集中器组件的另外的集中器来集中在焦点区域中集中的辐射，结果是，可实现辐射的更高的集中和由此在吸收器管中更高的温度。为了降低在吸收器管中由于更高的温度而指数地上升的热损失，协同地提供一种带有成排的单独的热开口的吸收器管组件，其中，这些排彼此毗邻。
文档编号F24J2/54GK103201568SQ201180051403
公开日2013年7月10日 申请日期2011年10月24日 优先权日2010年10月24日
发明者A.佩德雷蒂 申请人:空气光能源Ip有限公司