太阳能收集器的制作方法

专利名称：太阳能收集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能聚光器，并具体涉及收集太阳能用于太阳能发电和太阳能加热的太阳能聚光器。本发明主要用作有效收集太阳能并将其转换成电和/或太阳能热水应用设备的太阳能聚光器，并且以下将参照这种应用对本发明进行说明。然而，应理解的是本发明不限于这个具体的应用领域。
背景技术：
全篇说明书中对背景技术的任何讨论都不得视为是对这些背景技术即为现有技术的认可，这些背景技术也不得视为公知或构成本领域的部分一般常识。 用于收集和聚集太阳辐射的装置为人们所熟知，并且经常是以反射器的形式出现，反射器具有整体庞大的几何形状，由线形聚焦槽或点状聚焦碟构成。槽式和碟式太阳能收集器二者都可使用抛物面反射器，抛物面反射器将入射到其上的太阳辐射反射到焦点(碟式)或线性焦点(槽式)，在焦点位置处设置一个用于将太阳辐射转换成电能的装置，例如光伏电池(例如太阳能电池)。可替代地，太阳辐射可聚集到一个焦点，在焦点处来自太阳辐射的热量加热太阳能热水应用设备中的物质，例如水。具有一级反射器和二次成像元件的聚光器也是已知的。在这些装置中，一级反射器也是圆形或抛物面碟，该碟将入射到其上的太阳辐射定向到二次成像元件，典型地是折射元件，从而最终将太阳辐射聚焦到光伏电池。这种基于碟的太阳能聚光器庞大笨拙，并且通常不易实现住宅安装。而且，碟形太阳能聚光器要求太阳能电池接近于焦点处，这就在与可商购的Icm2太阳能电池相配合时将碟的尺寸限制为约500-1400cm2。每个碟通常需要其自身的跟踪系统和支撑结构，这就显著增加了发电成本。人们采用了以下两种方法，部分地克服了这些限制因素a)增大碟的尺寸并增加单位成本获取/开发专门定制的太阳能电池，或b)将较小的碟式聚光器一起堆叠到一个共有的用于跟踪的框架上。然而，圆形碟例如不能以最佳空间效率进行压缩。基于碟的太阳能聚光器的另一个缺点是重心通常位于焦点与碟底座之间的某个位置。为了使碟跟踪太阳，碟需要在两个轴线上进行跟踪，这在重心处是结构上最有效的，因此要求将碟的一部分移除以设置支撑杆。也可设置其他碟支撑结构和跟踪系统，但相比之下有可能建造费用更加昂贵并且体型笨拙。在将太阳辐射转换成电能的情况下，太阳能收集器可提供的电量与聚光因子(suns)和太阳能电池的光电转换效率(百分比)的乘积成比例。很多现有的太阳能收集器依靠被动式冷却来排热。然而，聚光因子(suns)最大化会导致太阳能电池的温度升高，并使电池的光转换效率下降。因此，从这种被动系统排热的比率限制了太阳能电池上的阳光聚光因子。在增大这种设计的聚光因子以最大化功率输出时，排热效率就成为一种限制。对于增大聚光因子的另一个限制是以高聚光因子有效跟踪太阳的能力。光学畸变和跟踪误差共同限制了聚光因子的增大。
现有的用于组合式发电和热水产生的太阳能收集器典型地设计为，最大化发电优先于热水生成，因为电的价值更大，特别是在给予太阳能发电补贴的情况下。这种组合式发电和热水产生太阳能收集器的设计目的与只用于发电的太阳能收集器的设计目的相同，也就是说目的都是最大化聚光因子与转换效率的乘积。例如澳大利亚的多数国产太阳能装置都使用低效率(<17% )的发电用硅光伏电池和分开的平板太阳能热水系统。这种基本系统设计和效率在20年来没有显著改变，硅光伏电池的未来性能收益($/瓦)有可能是通过生产效率的递增收益而获得。然而，为了提高发电和热水产生用国产太阳能设备的采用率，由于补贴减少，而且为太阳能支付更高价格的市场意愿降低，就需要不断降低这些设备的价格。 本发明的一个目的是基本克服或至少减轻现有技术的一个或多个缺点，或至少提供现有太阳能聚光器的有用的替代方案
发明内容
根据第一方面，提供了一种用于反射太阳辐射的反射器，该反射器具有一个反射器表面，该表面为凹形，并且其中该表面围绕一个第一轴线和一个第二轴线弯曲，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲。根据第一方面的一种构造，提供了一种用于反射太阳辐射的反射器，该反射器具有一个反射器表面，该表面为凹形，并且其中该表面围绕一个第一轴线和一个第二轴线弯曲，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲。该反射器可为伸长形，使所述第二轴线为纵轴，其中所述表面具有抛物面构形的横截面。该第二轴线可跟随一条抛物线轨迹。该反射器可为伸长形，使所述第二轴线为纵轴，其中所述表面具有椭圆构形、双曲面构形或部分圆形构形的横截面。该反射器表面可包括多个抛物面结构，每个结构形成一个反射器，从而形成反射器阵列。每个抛物面结构均可为伸长形或凹形结构，其中每个结构围绕该第一轴线和一个相应的第二轴线弯曲，每个相应的第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲。该反射器可包括围绕该第一轴线和第二轴线二者的一个抛物面轮廓。一级反射器可包括围绕该第一轴线的一个第一抛物线形轮廓和围绕第二轴线的一个第二抛物线形轮廓。该反射器表面可包括关于第一轴线或第二轴线的截面轮廓，该截面选自下组圆形(即部分圆形)截面、抛物线形截面、椭圆形截面或双曲线形截面。围绕该第一轴线或/和该第二轴线的反射器表面可偏离一抛物线，这样从该反射器表面反射的辐射就照射电池的一个通量密度基本上均匀的区域。根据第二方面，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备。该设备可包括至少一个反射器，每个反射器均根据第一方面。该设备可进一步包括至少一个光伏电池，该光伏电池与每个表面相关联并相对于该相关联的表面而定位，以便接收由该相关联的表面反射的辐射并将接收的辐射转换成电能。根据第二方面的一种构造，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备，该设备包括至少一个反射器，每个反射器均根据第一方面；至少一个光伏电池，该光伏电池与每个表面相关联并相对于该相关联的表面而定位，以便接收由该相关联的表面反射的辐射并将接收的辐射转换成电能。每个表面可相对于其相关联的所述电池而配置和定位，使得从每个表面反射的辐射均照射该电池的通量密度基本上均匀的接收区。每个反射器均可为一级反射器。该设备可包括至少一个二级反射器，该二级反射器与这些一级反射器中的一个相关联的一级反射器运作性地相关联。每个二级反射器可反射在相关联的一级反射器处接收的太阳辐射。该至少一个二级太阳能聚光元件可为截锥形反射器。该设备可进一步包括多个一级反射器，每个一级反射器均为由第一支撑部支撑的根据第一方面的一级反射器，每个一级反射器包括一个凹形反射器表面。该设备可进一步包括由第二支撑部支撑的多个光伏电池，每个光伏电池设置在接收入射到相应一级反射器的反射器表面上并由该反射器表面反射的辐射的位置。该设备可进一步包括根据第一方面的二级反射器的多个二级反射器，每个二级反射器与一个对应的一级反射器和一个相应的光伏电池运作性地相关联。该设备可进一步包括两个一级反射器阵列和对应的光伏电池，所述阵列被固定地附接到第一支撑部的相反侧。每个一级反射器阵列可包括一个连续的反射片，该反射片具有多个凹形反射表面，这些凹形反射表面与一个对应的光伏电池可操作地啮合。第二支撑部可包括位于该第二支撑部中用于将入射到其上的过量太阳辐射能转换成热能的热转换装置，其中该至少一个光伏电池与该热转换装置热连通，从而将入射到该至少一个光伏电池上的过量太阳辐射通过热传导传递到该热转换装置。该热转换装置可包括一个用于使流体流过其中的装置，其中所述流体被入射到第二支撑部上的过量太阳辐射加热。该热转换装置可包括位于第二支撑部中的一个中空部或管道以及一个用于使流体流过该中空部或管道的泵。该流体可为水。在使用时，该流体由 入射到第二支撑部上的过量太阳辐射以及入射到光伏电池上的过量太阳辐射加热，其中这些过量太阳辐射被转换成热能而不是电能。该热转换装置可以调节光伏电池的温度。来自该热转换装置的至少一部分流体可流到一个储存箱，该储存箱包括一个用于加满流体液位的流体入口和一个用于排出流体特别是热流体的流体出口。在从出口排出的热流体是热水的情况下，可适合于家用或商用。可替代地，在使用的是除水之外的流体的情况下，可在流体出口后设置热交换器从而提供家用或商用热水。来自热转换装置或来自储存箱的至少一部分流体可流到一个散热器，过多热量可在通过泵返回到热转换装置的中空部或管道之前在散热器处被散发掉。泵的流速可以是可变的并且可以由流速控制装置操作，该流速控制装置包括一个温度传感器(例如热电偶)，该温度传感器被运作性地设置成测量循环流体的温度。泵速以及因此流过热转换装置的中空部或管道的流体的流速可由测量的循环流体的温度以及因此流出热转换装置的流体的温度指示。根据第三方面，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备。该设备可包括第一支撑部和第二支撑部。该至少一个一级反射器可由该第一支撑部支撑。该反射器可包括一个凹形反射器表面。该至少一个光伏电池可由该第二支撑部支撑，并且可定位在接收由该反射器表面反射的辐射的位置，以便将所述辐射转换成电能。该反射器表面围绕一个第一轴线和一个第二轴线弯曲，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且沿着第一轴线弯曲。该反射器可根据第一方面。根据第三方面的一种构造，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备，该设备包括第一支撑部和第二支撑部；由该第一支撑部支撑的至少一个一级反射器，该反射器包括一个凹形反射器表面；由该第二支撑部支撑的至少一个光伏电池，该光伏电池定位在接收由该反射器表面反射的辐射的位置，以便将所述辐射转换成电能，其中该反射器表面围绕该第一轴线和该第二轴线弯曲，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲。该反射器表面可包括围绕该第一和第二轴线二者的抛物面轮廓。该反射器表面可包括选自下组的截面轮廓圆形(即部分圆形)截面、抛物线形截面、椭圆形截面或双曲线形截面。该一级反射器可包括一个复合抛物面反射器，该复合抛物面反射器包括围绕该第一轴线的一个第一抛物面以及围绕该第二轴线的一个第二抛物线形轮廓。围绕该第一轴线或/和该第二轴线的反射器表面可偏离一抛物线，这样从该反射器表面反射的辐射就照射光伏电池的一个通量密度基本上均匀的接收区。 该设备可包括多个一级反射器，每个一级反射器均为如上所述的，由该第一支撑部支撑的一级反射器，每个一级反射器包括一个凹形反射器表面；以及由该第二支撑部支撑的多个光伏电池，每个光伏电池设置在接收入射到相应的一级反射器的反射器表面上并由该反射器表面反射的辐射的位置。该设备可进一步包括至少一个二级反射器，该二级反射器与一个相应的一级反射器和一个相应的光伏电池处于恒定光学工作啮合，该二级反射器适配为从该相应的一级反射器接收太阳辐射并将其重定向到该对应的光伏电池，否则该辐射不会入射到该光伏电池上。该至少一个二级太阳能聚光元件为截锥形反射器。该设备可进一步包括多个二级反射器，每个二级反射器与一个对应的一级反射器和一个相应的光伏电池处于恒定工作啮合。该设备可包括两个一级反射器阵列和多个对应的光伏电池，所述阵列固定地附接到该第一支撑部的相反侧。每个一级反射器阵列可包括一个连续的反射片，该反射片具有多个凹形反射表面，这些凹形反射表面与一个对应的光伏电池可操作地啮合。这些凹形反射表面可各自包括一个围绕该第一轴线的抛物线形轮廓。每个抛物面可包括一个围绕一个相关联的第二轴线的抛物线形轮廓，每个第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲。这些凹形反射表面可各自包括围绕该第一轴线的一个第一抛物线形轮廓以及围绕该相关联的第二轴线的一个第二抛物线形轮廓。该第二支撑部可包括一个用于将入射到其上的过量太阳辐射能转换成热能的热转换装置。该至少一个光伏电池可与该热转换装置热连通，从而将入射到该至少一个光伏电池上的过量太阳辐射通过热传导传递到该热转换装置。该热转换装置可包括一个用于使流体流过其中的装置，其中在使用中所述流体由入射到第二支撑部上的过量太阳辐射加热。支架可由至少一个枢轴支撑，该枢轴在至少两个方向上可转动的。该设备可进一步包括使该支架围绕该枢轴移动的太阳跟踪装置，以便随着一天中入射太阳辐射的方向变化来调整该设备的仰角以及该设备的水平角，从而跟踪太阳在天空的运动以及入射到该至少一个一级反射器到达光伏电池的入射太阳辐射。根据第三方面的一种替代构造，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备。该设备可包括第一支撑部和第二支撑部。该设备可进一步包括由该第一支撑部支撑的至少一个一级反射器。该一级反射器可包括第一轴线和垂直于该第一轴线的第二轴线。该一级反射器可围绕该第一和该第二轴线二者呈弧形。该一级反射器适配为将入射到其上的辐射聚焦到一个焦点处或聚焦区。该设备可进一步包括由该第二支撑部支撑的至少一个光伏电池。该光伏电池可定位在接收入射到该至少一个一级反射器上的辐射的位置。该一级反射器可为伸长形，其中该第一轴线可沿着该一级反射器的纵向维度对准，并且该第二轴线可沿着该一级反射器的横向维度对准。在根据第三方面的另一种构造中，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备，该设备包括第一支撑部和第二支撑部；由该第一支撑部支撑的至少一个一级反射器，所述一级反射器包括第一轴线和垂直于该第一轴线的第二轴线，其中该一级反射器围绕该第一和该第二轴线二者呈弧形，并且适配将入射到其上的辐射聚焦到一个焦点处或聚焦区；由该第二支撑部支撑的至少一个光伏电池，所述光伏电池定位在接收入射到该至少一个一级反射器上的辐射的位置。该至少一个一级反射器可包括一个围绕该第一轴线或该第二轴线或二者的抛物 线形轮廓。该至少一个一级反射器的轮廓可以是围绕该第一和该第二轴线二者，以便将入射到其上的辐射定向到该焦点处或聚焦区。被定向的辐射在焦点处形成了图像，然而该焦点通常不是点像，而是例如在光伏电池的一个接收区(激活区)上成像的延伸面图像。该至少一个一级反射器可为凹形反射器。该至少一个一级反射器可包括沿着第一轴线的抛物线形或圆形(即部分圆形)轮廓；以及沿着第二轴线的抛物线形或圆形(即部分圆形)轮廓。该至少一个一级反射器可包括沿着第一轴线的圆形(即部分圆形)轮廓；以及沿着第二轴线的圆形(即部分圆形)轮廓。该至少一个一级反射器可包括处于圆形(即部分圆形)轮廓和抛物线形轮廓之间的中间状态的沿着第一轴线的曲线形轮廓；以及沿着第二轴线的圆形轮廓。上述任一构造的圆形轮廓可为半圆形或部分圆形轮廓，其中该半圆形轮廓包括约180度的圆弧，并且该部分圆形轮廓包括小于180度的圆弧，例如从一点开始的约5度与约180度之间的角所对的弧。该一级反射器可为弧形。该一级反射器可为分段式。该一级反射器可由多个线性部分形成。由多个线性部分形成的一级反射器可接近于弧形轮廓，例如该多个线性部分可接近于圆形(即部分圆形)、抛物线形、椭圆形、双曲线形或其他弧形或曲线形轮廓。该一级反射器可为卵形，例如沿着第一轴线或第二轴线的半卵形或四分之一卵形。该一级反射器可为沿着第一轴线或第二轴线的半球形或四分之一球形。该一级反射器可包括一个反射膜。该一级反射器可具有一个内表面和一个外表面，该内表面是反光的。该反射膜可设置在该一级反射器的内表面上。该反射膜可为防风雨铝板(例如厚度为O. 3mm的MIRO-SUN 90防风雨铝板)。该反射膜可以移动和更换。第三方面的设备可包括由该第一支撑部支撑的多个一级反射器。每个一级反射器可沿着该第一轴线和该第二轴线弯曲。每个一级反射器可适配为将入射到其上的辐射聚焦到一个对应的焦点处或聚焦区。该设备可进一步包括由该第二支撑部支撑的多个光伏电池。每个光伏电池可设置在一个相应的反射器的焦点处或聚焦区或接近于该焦点处或聚焦区，从而接收入射到该相应的反射器上并由该反射器反射的辐射，并且可定位在接收反射的辐射的位置。在具体构造中，该一个或多个一级反射器的轮廓均可提供相应的光伏电池的整个接收区反射的辐射的分布式通量密度。该第一支撑部可为伸长形，并且该多个一级反射器可沿着该伸长形的第一支撑部配置在至少一个线性阵列中。该第二支撑部可为伸长形，并且该多个光伏电池可沿着该伸长形的第二支撑部设置在至少一个线性阵列中。该多个一级反射器各自可保持与相应的光伏电池处于恒定光学工作啮合。第一支撑部可固定地附接到第二支撑部上以形成支架。该支架可以是刚性的以便于使该多个一级反射器保持与相应的光伏电池处于恒定光学工作啮合。该支架的截面可接近于弧形。
该多个一级反射器可设置为连续波纹板的形式。每个一级反射器可限定在波纹板的相邻顶点之间。相邻的一级反射器可以彼此分离并隔开。该设备可进一步包括至少一个二级反射器或折射器，该二级反射器或折射器与一个相应的一级反射器和一个相应的光伏电池处于恒定光学工作啮合。该至少一个二级反射器或折射器可将入射辐射定向到相应的光伏电池。在该设备包括多个一级反射器和多个相应的光伏电池的情况下，该设备可进一步包括多个二级反射器或折射器，每个二级反射器或折射器与一个相应的一级反射器和一个相应的光伏电池相关联。该至少一个二级反射器可为截锥形。该至少一个二级反射器可包括一个镜面。该至少一个二级反射器可包括一个反射膜。该二级反射器的反射率可在约80%到约100%之间,例如可为约80%，85%，90%，95%或约100%的反射率。该至少一个二级反射器可具有一个内表面和一个外表面,该内表面是反光的。该反射膜可设置在该二级反射器的内表面上。该反射膜或镜面可为防风雨铝板(例如厚度为O. 3mm的MIRO-SUN 90防风雨铝板)。该至少一个二级反射器可为截锥形。该至少一个二级反射器或折射器可为截锥。该截锥可具有一个内表面和一个外表面，该内表面是反光的。该反射膜可设置在该截锥的内表面上。该截锥可设置在与其相应的光伏电池相邻的位置。第二至第六方面中任一方面的设备可进一步包括一个电转换装置，该电转换装置与光伏电池运作性地连接，从而将在该光伏电池中产生的直流电转换成交流电。第二至第六方面中任一方面的设备可进一步包括一个包含在该第二支撑部中用于将入射到其上的过量太阳辐射能转换成热能的热转换装置，其中该光伏电池与内支撑部热连通，从而将入射到该光伏电池上的过量太阳辐射通过热传导传递到该热转换装置。该热转换装置可包括一个中空部或管道以及一个用于使流体流过该中空部或管道的泵，其中所述流体被入射到内支撑部上的过量太阳辐射和入射到光伏电池上的过量太阳辐射加热。根据第七方面，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备。该设备可包括一个支架，该支架包括第一支撑部和第二支撑部，其中该第一支撑部和该第二支撑部是分开的并且固定地相互连接。该设备可进一步包括至少一个一级太阳能聚光元件，该元件固定地附接到该第一支撑部上。该设备可进一步包括固定地附接到该第二支撑部上的至少一个对应的光伏电池，该光伏电池适配为接收太阳辐射并将所述辐射转换成电能。该一级太阳能聚光元件可适配为接收入射太阳辐射并将该太阳辐射定向到对应的光伏电池。根据第七方面的一种构造，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备，该设备包括一个支架，该支架包括第一支撑部和第二支撑部，其中该第一支撑部和该第二支撑部是分开的并且固定地相互连接；至少一个一级太阳能聚光元件，该元件固定地附接到该第一支撑部上；以及至少一个对应的光伏电池，该光伏电池固定地附接到该第二支撑部上，该光伏电池适配为接收太阳辐射并将该辐射转换成电能，其中该一级太阳能聚光元件适配为接收入射太阳辐射并将该太阳辐射定向到对应的光伏电池。在第七方面的一个或多个构造中，该设备可包括任意适当组合的任一项或多项以下特征。该支架可适配为保持该至少一个一级太阳能聚光元件与对应的光伏电池之间的恒定光学工作关系。该第一支撑部和该第二支撑部可为伸长形。该支架的截面可接近于弧形。在第七方面的另一种构造中，该设备可进一步包括多个相似的一级太阳能聚光元件，这些一级太阳能聚光元件固定地附接到该伸长形的第一支撑部上或并沿着该伸长形第一支撑部排列。在这种构造中，该设备可进一步包括多个对应的光伏电池，这些光伏电池固定地附接到该第二支撑部上或并沿着该第二支撑部排列。在这种构造中，该多个一级太阳能聚光元件各自可通过支架保持与对应的光伏电池的恒定光学工作关系。 该设备可进一步包括两个一级太阳能聚光元件阵列和多个对应的光伏电池，这些阵列固定地附接到该第一支撑部的相反侧。该多个一级太阳能聚光元件可适配为固定地附接到至少一个相邻的相似一级太阳能聚光元件上。这些一级太阳能聚光元件可配置为使一个拉杆可与一个阵列中的多个一级聚光元件联接，从而紧固该一级太阳能聚光元件阵列。该拉杆可将其紧固的阵列进行加固。每个一级聚光元件可具有一个通道，该通道位于该元件的外表面上，该拉杆可穿过该通道。相邻一级聚光元件的外表面上的通道可对准，使得拉杆可穿过这些通道并紧固相邻的一级聚光元件。一旦拉杆已穿过这些通道，就可在该拉杆的任一端设置一个紧固凸耳，从而防止该拉杆从这些通道滑出。每个一级反射器阵列包括一个连续的反射片，该反射片具有多个凹形反射表面，这些凹形反射表面与一个对应的光伏电池可操作地啮合。在包括至少一个一级太阳能聚光元件阵列的构造中，该阵列中的每个一级太阳能聚光元件可以与相邻的相似太阳能聚光元件分开约5cm至40cm之间的距离。在其他构造中，该阵列中的每个一级太阳能聚光元件可以与相邻的相似太阳能聚光元件分开约10，15，20，25，30或35cm的距离。在固定地附接到第一支撑部上的一级太阳能聚光元件之间可以有空隙，以使任何雨水和尘土可以排出。还可以有一个沿着一级太阳能聚光元件在纵向上延伸的窄槽，以使任何雨水和尘土可以排出。在第七方面的其他构造中，该设备的该至少一个一级太阳能聚光元件可采用第一方面的至少一个一级反射器的形式。根据第八方面，提供了根据第二至第七方面中任一方面的利用太阳能的装置，其中第二支撑部进一步包括一个用于将入射到其上的过量太阳辐射能转换成热能的热转换装置。至少一个光伏电池也可与该热转换装置热连通，从而将入射到该至少一个光伏电池上的过量太阳辐射通过热传导传递到该热转换装置。该热转换装置可包括一个用于使流体流过其中的装置，其中在使用中所述流体被入射到第二支撑部上的过量太阳辐射加热。该热转换装置可包括一个中空的挤压铝材。在具体构造中，该流体可为水，并且该热转换装置可适配为提供温度高于50摄氏度的水。该热转换装置可适配为提供温度在约50摄氏度与约70摄氏度之间的水。该水可引导到一个储存箱。在其他构造中，该第一支撑部可包括一个散热器，该散热器用于接收从该热转换装置流出的流体，过多热量在返回到该热转换装置之前在该散热器处被散发掉。在其他构造中，该支架可包括一个散热器，该散热器用于接收从该热转换装置流出的流体，过多热量在返回到该热转换装置之前在该散热器处被散发掉。在任何构造中，该散热器也可从一个储存箱接收流体，并且该流体可为水。在第八方面的另一种构造中，该设备可包括一个流速控制装置，该流速控制装置适配为控制流过该热转换装置的流体的流速，以控制该流体离开该热转换装置时的流出温度。该流速控制装置可包括一个或多个温度传感器，以便监测进入和离开该热转换装置的流体的温度。该流速控制装置可为具有可变流速的恒温调节循环泵。根据第九方面，提供一种太阳能收集系统。该系统可包括第一支撑部和第二支撑部。该系统可进一步包括由该第一支撑部支撑的至少一个反射器(该一级反射器可为一级 反射器)。该一级反射器可包括第一轴线和垂直于该第一轴线的第二轴线。该一级反射器可围绕该第一和该第二轴线二者呈弧形。该反射器可包括一个凹形反射器表面，其中该反射表面围绕该第一轴线和第二轴线弯曲，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲。该一级反射器可适配为将入射到其上的辐射聚焦到一个焦点处或聚焦区。该设备可进一步包括由该第二支撑部支撑的至少一个光伏电池。该光伏电池可定位在接收入射到该至少一个一级反射器上的辐射的位置，从而将该辐射转换成电能和热能。该光伏电池可设置在或接近于该焦点处或聚焦区的位置。该至少一个光伏电池可与一个对应的一级反射器可操作地啮合；一个电转换装置与该光伏电池运作性地连接，从而将在该光伏电池中产生的直流电转换成交流电。该系统可进一步包括一个包含在该第二支撑部中用于将入射到其上的过量太阳辐射能转换成热能的热转换装置。该光伏电池可与内支撑部热连通，从而将入射到该光伏电池上的过量太阳辐射通过热传导传递到该热转换装置。根据第九方面的构造，提供了一种太阳能收集系统，该系统包括第一支撑部和第二支撑部；由该第一支撑部支撑的至少一个反射器(该反射器可为一级反射器)，所述一级反射器包括一个凹形反射器表面，其中该反射表面围绕一个第一轴线和第二轴线弯曲，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲；由该第二支撑部支撑的至少一个光伏电池，所述光伏电池被定位成接收入射到该至少一个一级反射器上的辐射，从而将该辐射转换成电能和热能，其中该至少一个光伏电池与一个对应的一级反射器可操作地啮合；一个电转换装置，该电转换装置与该光伏电池运作性地连接，从而将该光伏电池中产生的直流电转换成交流电能，其中该光伏电池与内支撑部热连通，从而将入射到该光伏电池上的过量太阳辐射通过热传导传递到该热转换装置。该系统可进一步包括至少一个二级反射器，该二级反射器与一个相应的一级反射器和一个对应的光伏电池处于恒定光学工作接合，这样该系统就适配为将入射到其上的太阳辐射从一级太阳能聚光元件定向，该二级反射器适配为从该相应的一级反射器接收太阳辐射并将其重定向到该对应的光伏电池，否则该辐射不会入射到该光伏电池上，因此有助于该设备的发电和生热，并提高了入射辐射到电能或热能的转换效率。该系统可包括两个一级反射器阵列和多个对应的光伏电池，每个阵列包括多个反射器，每个反射器固定地附接到第一支撑部上，其中每个阵列附接到该第一支撑部的相反侦U。在一种具体构造中，每个一级反射器阵列可包括一个连续的反射片，该反射片具有多个凹形反射表面，这些凹形反射表面与一个对应的光伏电池可操作地啮合。该热转换装置可包括一个中空部或通道以及一个用于使流体流过该中空部或通道的泵，其中在使用时，所述流体被入射到内支撑部上的过量太阳辐射和入射到光伏电池上的过量太阳辐射加热。该系统可进一步包括一个流体出口，用于提取家用或商用的加热的流体。该一级反射器可为伸长形，其中该第一轴线可沿着该一级反射器的纵向维度对准，并且该第二轴线可沿着该一级反射器的横向维度对准。在本发明所披露的任一方面的构造中，该设备的该至少一个(一级)反射器或该至少一个一级太阳能聚光元件可分别为反射器，并且可适配为反射太阳辐射。该太阳反射器可包括一个反射膜。该太阳反射器可具有一个内表面和一个外表面，该内表面是反光 的。该反射膜可设置在该太阳反射器的内表面上。该反射膜可为防风雨铝板(例如厚度为O. 3mm的MIRO-SUN 90防风雨铝板)。该反射膜可以移动和更换。在具体构造中，该太阳反射器可为长形太阳反射器。该长形太阳反射器可具有与第一维度相应的围绕至少一个第一轴线的弧形截面。该长形太阳反射器可具有二维弧形截面。在其他构造中，在沿着第一轴线对准的第一维度中，该伸长形太阳反射器的截面可选自下组圆形(即部分圆形)截面、抛物线形截面、椭圆形截面或双曲线形截面。在关于第二轴线的第二维度中，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲，该伸长形太阳反射器的截面可选自下组圆形(即部分圆形)截面、抛物线形截面、椭圆形截面或双曲线形截面。在一个具体构造实例中，该长形太阳反射器可包括沿着第一轴线的抛物线形截面和沿着垂直于第一轴线的第二轴线的圆形(即部分圆形)截面。该伸长形太阳反射器可包括部分抛物面反射器。该伸长形太阳反射器可包括一个抛物面碟式反射器的伸长形部分。该伸长形太阳反射器可包括沿着第一轴线(即在该伸长形一级反射器的纵向方向上)的抛物线形轮廓；以及沿着第二轴线(即在该伸长形一级反射器的横向方向上)的圆形(即部分圆形)轮廓。该伸长形太阳反射器可包括在纵向方向上的圆形(即部分圆形)轮廓；在横向方向上的圆形(即部分圆形)轮廓。该伸长形太阳反射器可包括处于圆形(即部分圆形)轮廓和抛物线形轮廓之间的中间状态的在纵向方向上的曲线形轮廓；以及在横向方向上的的圆形(即部分圆形)轮廓。上述任何构造的圆形轮廓可为半圆形或部分圆形轮廓，其中该半圆形轮廓包括约180度的圆弧，并且该部分圆形截面包括小于180度的圆弧，例如从一点开始的约5度与约180度之间的角所对的弧。在第一至第九方面中任一方面的构造实例中，该伸长形太阳反射器的维度可为宽度在约15cm与35cm之间和长度在约60cm至IOOcm之间。在第一至第六方面中任一方面的其他构造实例中，该伸长形太阳反射器的维度可为宽度约25cm和长度约80cm。还可以有一个沿着该伸长形太阳反射器在纵向上延伸的窄槽，以使任何雨水和尘土可以排出。在其他构造中，第二至第九方面中任一方面的设备可进一步包括至少一个二级太阳能聚光元件。该二级太阳能聚光元件可与一个对应的一级反射器或一级太阳能聚光元件以及一个对应的光伏电池处于恒定光学工作啮合，从而将入射到该对应的一级反射器或一级太阳能聚光元件上的输入太阳光辐射聚集到该对应的光伏电池上。该二级太阳能聚光元件可为至少一个二级反射器或折射器。该至少一个二级反射器或折射器可以固定地啮合到支架的第二支撑部上。该至少一个二级反射器可包括一个镜面。该至少一个二级反射器可包括一个反射膜。该至少一个二级反射器可具有一个内表面和一个外表面，该内表面是反光的。该反射膜可设置在该二级反射器的内表面上。该反射膜可为防风雨铝板(例如厚度为O. 3mm的MIRO-SUN 90防风雨铝板)。该至少一个二级反射器或折射器可为截锥形并且可为截锥。该截锥可具有一个内表面和一个外表面，该内表面是反光的。该反射膜可设置在该截锥的内表面上。该反射膜可设置在与其相应的光伏电池相邻的位置。在第二至第九方面中任一方面的任一构造的设备中，该设备的聚光因子可大于500倍。在一些构造中，该设备的聚光因子可大于1000倍。在一些构造中，该设备的聚光因子可在900倍与2500倍之间的范围。在一个构造实例中，该设备的聚光因子可在1200倍与1600倍之间的范围。在另一个构造实例中，该设备的聚光因子可为约1450倍。在第二至第九方面中任一方面的任一构造中，该设备的支架可由至少一个枢轴支撑，该枢轴在至少两个方向上是可转动的。该枢轴可位于临近该设备重心的水平轴线的位置或在该水平轴线上。
该设备可进一步包括使该支架围绕该枢轴移动的太阳跟踪装置，以便随着一天中入射太阳辐射的方向变化来调整该设备的仰角以及该设备的水平角，从而跟踪太阳在天空的视运动。该光伏电池可为III-V组三结聚光光伏(“CPV”)电池。该CPV电池可为镓铟磷-镓铟砷-锗电池或磷化镓铟-砷化镓-锗电池或其他适当的三结电池。本发明的设备将必要的CPV排热与低品位热能作为热水的高效使用相结合。该一级反射器或一级太阳能聚光元件可为太阳反射器。该太阳反射器可根据10xl0_ CPV电池的要求把光聚集到一个点。抛物面碟式反射器具有要求将光聚焦到一个点的简单几何形状。本发明的太阳反射器可包括抛物面碟式矩形部分。可在一个包括第一支撑部和第二支撑部的中心支架的两侧并排安装两个或更多个太阳反射器。该中心支架还可支撑一个安装在中部的接收管。还可在该中心支架的每一侧安装一个或多个太阳反射器。可在该中心支架的每一侧安装 2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，35，40，45，50，60，70，80，90，100 或更多个太阳反射器。可在每个太阳反射器的焦点(或聚焦区)附近沿着接收管的长度或在接收管的任一侧在接收管上安装一个CPV电池。在使用时，每个太阳反射器将太阳光聚焦并且因此聚集到其对应的CPV电池。循环流过该管的传热流体从CPV电池带走热量(该传热流体可为水或某种其他传热流体)。本发明的设备将阳光高度聚集到CPV电池上。本发明的设备可包括通过太阳反射器双轴跟踪太阳的装置。虽然进行跟踪增加了系统成本，但它对于相同光伏(PV)系统额定峰值功率而言，也增加了以千瓦时(kWhr)计的总发电量的10% -30%。这就使所安装PV系统要求的额定峰值功率与标准光伏相比降低了约30%。本发明的设备的一个基本部件是CPV电池。CPV电池只占整个设备成本的一小部分。本发明的设备围绕着单一的高科技部件，即可商购的CPV电池而设计。EMCORE和SpectroLab (增加或去除Cyrium)供应类似的CPV电池，具有20年有限厂家保修，因此避免了唯一供应商垄断和高科技开发风险。系统部件(跟踪器、支架、镜支架、接收器、杆支座)的平衡可利用广泛可得的制造技术实现。该太阳反射器可包括一个薄膜镜(Alanod MIR0-SUN)。发明人已进行了估算，与目前最低成本的零售PV板市场相比，根据本发明的设备的制造成本具有成本竞争力并且可以盈利($/瓦)。由于使用太阳跟踪，对于相同峰值系统额定功率可多发电10%-30% (千瓦时)，消费者会从中受益。通过使太阳能热水收集器免费，消费者也会从中受益。虽然PV模块价格已稳定下降多年，但由于更广泛地采用高容量生产并且部件价格下降，CPV系统的价格有可能更快速地下降。本发明的设备与常规的太阳能PV和热水相比具有技术优势和成本优势。为了保持在太阳能光伏(+光热)(PV(+T))市场的竞争优势，需要不断进行改进。CPV电池制造商已将CPV电池效率稳定地提高到了 39%，在未来18个月内有可能进一步提高到>40%。每次CPV电池效率的提高都可结合到本发明的设备中，而不改变光学几何或重新设计系统。热电装置(与相同装置的珀耳帖致冷相反，也就是说如果对整个装置施以温差，则产生电流=功率输出)是可商购的，其25x25mm尺寸(与CPV电池相配)具有约为3mm厚度的狭窄形状因数，并且也可结合到本发明的设备中。存在的唯一问题是，目前的效率低，因此额外发电量也低，约为每块电池2瓦。然而，目前正进行一项研究，该研究可提高效率，并在太阳能收集器(例如在本文进行说明的本发明的设备)中结合CPV电池经济使用热电发生器。本发明的设备是一种高效新型，集太阳能发电和热水于一体，提供了附加市场竞争力，由于使用跟踪带来更多千瓦时功率，并且降低了组合式电热水系统的成本，使消费者受益并采用分布式可再生能源。
具有本发明的构造的光学装置可应用于广泛的光学装置技术领域，并且可由各种材料制成。以下说明将讨论本发明的光学装置以多种反射构造实现的几个实施方案，因为多数目前可获得的光学装置都是利用反射光学制成，并且本发明最常见的应用会涉及反射光学。然而，本发明还可有利地利用反射、衍射、全息技术以及反射和上述技术的组合。因此，本发明并不局限于利用反射光学制成的装置，还会包括以一种或多种可使用的光学方法中的一个或组合以及本领域的技术人员可获得的技术制造的装置。
附图简要说明现在将参照附图仅通过举例的方式对太阳能收集器的构造进行说明，在附图中图I是在此所述的、用于收集和使用太阳能的一种装置的示意性构造；图2A是在此所述的用于收集和使用太阳能的设备的示意性构造的一个实例的透视图，该设备具有两个阵列中的四个一级太阳能聚光元件；图2B是在此所述的、图2A的设备的示意性构造的另一个透视图；图2C是图2A的设备的第二支撑部的示意图；图2D是图2A的构造的另一个透视图，示出了一级太阳能聚光元件的反射表面与第一轴线和第二轴线之间的关系，该反射表面围绕该第一轴线和该第二轴线弯曲。图3A和图3B是用于收集和使用太阳能的设备的构造的实例的俯视图，该设备包括两个一级太阳能聚光元件阵列；图4是在此所述设备的一级太阳能聚光元件的实例的示意图；图5A和图5B分别是一个抛物面碟式反射器的倒置图示和透视图示，该反射器的一部分可用于形成为在此所述设备的构造的太阳反射器；图6A是图2A的设备的第二支撑部的另一种构造，该设备包括一个二级反射器；图6B是使用和不使用二级反射器的总收集效率(百分率)图。图6C和图6D对应地是截锥形二级反射器的实例的前透视图和后透视图。图6E和图6F是将二级反射器安装到第二支撑部的内部上的方法的两个实例。
图6G和图6H分别是整个光伏电池的辐射通量分布的两个实例。图7为一个传热装置的构造的实例的截面图，该传热装置适合用于提取在用于收集和使用太阳能的设备中产生的热量。图8A至图8G为用于收集和使用太阳能的设备的实例的不同视图。图9为用于收集和使用太阳能的设备的替代实例的前透视图。

图10为用于收集和使用太阳能的设备的另一个替代实例的前透视图。图11为用于收集和使用太阳能的设备的又另一个替代实例的前透视图。图12为用于收集和使用太阳能的设备的另一个替代实例的前透视图，详细示出了截锥形二级反射器。
图13A为在该设备的支架中使用的模块挤压件的透视图，其中图13B为示出了两个这种挤压件的连接的示意图，并且图13C为图12的设备的详图，示出了用于形成该设备的一级反射器的支架的使用中的多个这种挤压件。图14为用于收集和使用太阳能的设备的另一个替代实例的前透视图，详细示出了截锥形二级反射器。图15为根据本发明的用于收集和使用太阳能的系统的流程图。
定义以下定义提供的是一般性定义，不会将本发明的范围限于这些术语本身，而是为了更好地理解以下说明而进行定义。
除以其他方式定义，这里使用的科技术语具有相同的含义，这是本发明所属领域的普通技术人员普遍理解的。为了本发明的目的，以下将对以下术语进行定义。本文中使用的冠词“一个”(a和an)是指一个或一个以上(即至少一个)该冠词的语法对象。例如，“一个元件”是指一个元件或一个以上的元件。本文中使用的术语“约”一词是指相对参考量为30%，优选20%，更优选10%的变化量。在全篇说明中，除非上下文以其他方式要求，“包括” 一词应理解为是指包含所述的步骤或元件或步骤组或元件组，但不排除任何其他步骤或元件或步骤组或元件组。在全篇说明和权利要求中，术语“一级反射器”和“一级太阳能聚光元件”可互换地使用。虽然任何与本文中进行说明的方法和材料类似或等效的方法和材料都可在实践或测试本发明时使用，但仅对优选的方法和材料进行说明。应理解的是，本文所述方法、设备和系统可以各种方式并为各种目而实现。这里仅通过举例的方式进行说明。
详细描述所有聚光太阳能收集器均具有相似的设计原理，即通过使用相对便宜的镜或透镜进行聚光来减少昂贵的光伏材料的面积。为了实现显著低于常规平板PV模块的系统电成本(即每瓦成本)，需大幅降低系统部件的大批量制造成本。参照图1，提供了一种用于收集和利用太阳能的设备100。该设备可包括一个支架101，该支架对应地包括第一支撑部103和第二支撑部105。该第一支撑部和该第二支撑部是分开的并且通过支架101固定地相互连接。支架101可包括铝、不锈钢、软钢、镀锌铁或其他适当的材料。设备100可进一步包括至少一个一级太阳能聚光元件110，该元件固定地附接到支架101的第一支撑部105上。该至少一个一级太阳能聚光元件110为伸长形太阳反射器，具有一个内表面IlOa和一个外表面IlOb,该内表面IlOa是反光的。设备100进一步包括固定地附接到第二支撑部105上的至少一个光伏电池120。该一级太阳能聚光元件110适配为接收入射太阳辐射115并将该太阳辐射定向到对应的光伏电池120。光伏电池120适配为接收入射到一级太阳能聚光元件110的内表面IlOa上的太阳辐射115并将该辐射115转换成电能。支架101适配为保持该至少一个一级太阳能聚光元件110与对应的光伏电池120之间的恒定光学工作关系。可适合在该设备中使用的光伏电池的实例包括用于陆地聚光太阳能应用设备的高效(38% )三结太阳能电池，这些太阳能电池从两家美国供应商可商购，例如地址为Albuquerque, New Mexico, United States (美国)的Emcore 或地址为 Sylmar, California,United States (美国)的 Spectrolab。用于收集和使用太阳能的设备的构造被设计为，提供一种简单的几何构造，用于将阳光(约1，OOOsuns聚光因子)聚集到一个主动排热的高效(38% )光伏电池上。在一 个构造实例中，阳光从抛物面一级太阳能聚光元件反射到焦点附近的尺寸为(lXl)cm的陆地三结太阳能电池上，该一级太阳能聚光元件的尺寸为(80X25) cm，在两个方向上弯曲。多个一级太阳能聚光元件(例如2，4，5，10或20个)沿着一个结构支架而设置以形成太阳能收集器，其中一个一级太阳能聚光元件有可能产生约50瓦的峰值电功率。一个热转换装置是沿一条线靠近安装光伏电池的焦点来布置的。可通过恒温控制电路泵送水流过该热转换装置，以保持光伏电池处于或低于约70摄氏度。来自热转换装置的热水流到热水储存箱然后流回该设备的主结构支架，该主结构支架还用作散热管的目的。以下将对主要系统部件进行详细说明。在更多阳光照到三结电池上时，其电压保持相同，为每块电池约2. 5V，但电流升高为在1,000倍聚光下约20Amps。应理解的是，多块电池可串联连接来增大电压，其中每个电池与一个对应的一级聚光元件耦合。在这种构造中需要适当的低压变频器，是因为很多太阳能电池板变频器适用于从现有平板构造获得的较高电压。可适合本文所述设备的低压变频器可从 Latronic Sunpower Pty. Ltd. , Moffat Beach, Queensland, Australia(澳大利亚)购得。在如图2A和图2B所描绘的另一种构造中，设备200可进一步包括多个相似的一级太阳能聚光元件210，这些元件固定地附接到伸长形第一支撑部203并沿着该第一支撑部排列。在这种构造中，设备200可进一步包括多个对应的光伏电池(未示出)，这些光伏电池固定地附接到第二支撑部205并沿着该第二支撑部排列。在这种构造中，该多个一级太阳能聚光元件各自可通过支架保持与对应的光伏电池的恒定光学工作关系。设备200包括太阳能聚光元件210的两个阵列211和213，这些阵列固定地附接到第一支撑部203的相反侧。如图2A和图2B所描绘，这些阵列包括至少两个相邻的相似一级太阳能聚光元件210。太阳能聚光元件210为伸长形太阳反射器，具有一个内表面210a和一个外表面210b,该内表面210a是反光的。太阳能聚光兀件210的反射表面210a对应地围绕第一轴线217和第二轴线218弯曲，其中如图2D所描绘，第二轴线218处于总体上垂直于该第一轴线217的平面219中并且围绕第一轴线217进行弯曲，其中第二轴线218跟随平面219中的一条抛物线轨迹。图2D的插图221和222对应地示出了聚光元件210的横截面和纵截面，在每个维度中展示了第二轴线218和反射表面210a之间的关系。设备200进一步包括多个对应的光伏电池(未示出)，这些光伏电池固定地附接到第二支撑部205并且与对应的太阳能聚光元件210处于恒定光学工作啮合。每个电池与一个对应的反射器210相关联，并且相对于其相关联的反射器的反射器表面而设置，以便接收由该相关联的表面反射的辐射并将接收的辐射转换成电能。在其他构造中，该设备可包括其他聚光元件，并且在存在这些其他聚光元件的情况下，太阳能聚光元件210叫做“一级聚光元件”或“反射器”，因为它们是对入射太阳辐射进行反射的表面。该设备可进一步包括二级和/或三级聚光元件(未示出)，这些元件可为反射元件、折射元件、衍射元件、全息元件或类似物，相关技术人员会理解这一点。在本文所述太阳能收集器设备的构造中，该至少一个一级太阳能聚光元件(110，210，310,810,910,1010，1110，1210，1410)均为伸长形太阳反射器，这些反射器具有适配为对入射太阳辐射进行反射的反射内表面(110a，210a，310a，810a，910a，1010a，IllOa和1210a)。该反射内表面可适配为反射太阳辐射波谱的可见区和/或近红外区的太阳辐射。该反射内表面可包括一个反射膜。该反射膜可为防风雨铝板(例如厚度为O. 3mm的 MIRO-SUN 90防风雨铝板)。该反射膜可以移动和更换。在具体构造中，例如图I至图3中 所描绘的构造，一级太阳能聚光元件110，210和310的内表面110a，210a和310a可具有在至少一个维度的弧形截面，并且优选地在两个维度上呈弧形。在图4中描绘了一个伸长形太阳反射器410的实例。例如，在第一(即纵向)维度451中，该伸长形太阳反射器410可具有选自下组的截面圆形(即部分圆形)截面、抛物线形截面、椭圆形截面或双曲线形截面，并且优选圆形截面或抛物线形截面。在第二(即横向)维度453中，该伸长形太阳反射器可具有选自下组的截面圆形(即部分圆形)截面、抛物线形截面、椭圆形截面或双曲线形截面。示出了第一轴线217和第二轴线218(参照图2D)以供参照。在图4的构造的具体实例中，该伸长形太阳反射器410在第一维度451具有抛物线形截面，并且在第二维度453具有圆形截面。在其他构造中，太阳反射器410可在第二维度453具有抛物线形截面。在一个具体构造中，该伸长形太阳反射器410可包括部分抛物面反射器。这种伸长形太阳反射器410可通过例如截取一个抛物面碟式反射器560的伸长形部分而形成，该抛物面碟式反射器在图5A和图5B中分别以倒置图和透视图示出而进行了示意性描绘。可替代地，伸长形太阳反射器410在每个维度451和453的反射表面的轮廓可以分开优化，从而将入射太阳辐射有效反射到由支架201 (图2B和图2C)的第二支撑部205 (图2B和图2C)支撑的光伏电池220(图2C)例如，每个维度的反射表面的轮廓可以改变，这样轮廓就偏离抛物线形(或圆形)轮廓。具有可变反射器表面轮廓的这种反射器对于优化例如由该反射器表面投射到一个相关联的光伏电池的接收区上的图像是有利的，从而提供反射光在整个电池接收区基本上均匀的辐射通量密度。在构造的实例中，伸长形太阳反射器410(图4)的维度可为宽度在约15cm与约35cm之间(即在维度453中)和长度在约60cm至IOOcm之间(即在维度451中)。在其他构造中，该设备包括一个阵列，该包括多个反射器(每个反射器如同伸长形太阳反射器410)，这些反射器形成为一个连续的反射片，该反射片具有多个凹形反射表面，这些凹形反射表面与一个对应的光伏电池可操作啮合。在这种构造中，该反射器阵列的维度可为宽度在约75cm与约300cm之间(即在维度453中)和长度在维度451中约60cm至IOOcm之间或更长。
在本文所述任一构造的设备中，该设备的聚光因子可大于500倍(即900suns聚光因子)，该聚光因子由入射到该设备上并由光伏电池接收的太阳辐射的收集效率决定。这比最典型的硅光伏(Si PV)太阳能聚光器装置大很多倍，Si PV太阳能聚光器装置通常仅以非常低的聚光因子(例如约5至50倍)工作(而对于在其他太阳能收集器中使用的使用的三结电池，高聚光因子范围在500倍与1000倍之间)。在一些构造中，该设备的聚光因子可大于1000倍，并且可在900倍与2500倍之间的范围。在一个构造实例中，该设备可设计或优化为聚光因子在1200倍与1600倍之间的范围。在另一个构造实例中，该设备可设计或优化为具有约1450倍的聚光因子。该聚光因子通常为该设备的总收集面积的尺寸的因子。在该实例中，假定大约尺寸为(25X80)cm = 2000cm2。限制聚光因子的其他因素包括从线性平面维度到直接面朝太阳的集光孔的转换，以及一级镜和玻璃管的反射率的光学损失。这些因素将上述尺寸的设备的理论最大的入射阳光聚光因子降低到了 1450suns，然而由于来自环日辐射的损失(经过大气的分散)，这个数字还可进一步减小。具有不同尺寸和更大或更小总收集面积的类似设备会相应地具有更大或更小理论最大值，相关技术人员会理解这一点。通过将聚光因子限制为略微偏离理论最大值，这样对设备优化的要求就不那么严格，并因此将设计成本和生产成本保持在可接受的商业可行水平。
在如图2A和图2B所描绘的原型构造的具体实例中，为了在光伏电池上的实现焦点或聚焦面，将一个太阳能聚光器制成了多个一级太阳能聚光元件210。每个元件210具有其对应的光伏电池220，该光伏电池沿着第二支撑部205中的一个线性热转换装置(未示出)均匀分布。已建造了几种小型(4个元件)版本的太阳能收集器来评估构造方法、材料和一级反射镜光学精度。总之，将尺寸为20 X 80cm或20 X IOOcm的亚克力镜片弯曲到计算机数控(CNC)切割的聚合物框架上的方法不能轻松地装配而实现足够的光学精度。在一些构造中，一级太阳能聚光元件210可为三维热成型或注塑模制以实现其反射表面所需的设计形状。注塑模可以可替代地包括镜片中的多个凹形结构，以形成用于形成一个聚光元件阵列的多个凹形反射表面。为太阳能聚光器设计的可商购的薄膜镜镀层允许利用薄膜保护式镜镀层使用标准工业聚合物制造该镜。现在返回图2C，示出了支架201的第二支撑部205的构造实例的近视图。在该构造中，第二支撑部205包括一个内部206和一个外部207。该内部206为刚性支撑构件并且可以是中空的。该中空的内部206适配为使流体可流过其中。在使用时，如以上所讨论并参照以下图15的系统1500，流过内部206的流体通过来自光伏电池220的后表面的热传导加热。外支撑构件基本上是透明的，以便允许入射太阳辐射215入射到光伏电池220上。外支撑部207主要设计为光伏电池220的防护屏，以保护光伏电池(电池220的任何电连接)不受环境因素例如风、雨或干涉(例如被动物破坏)的影响。该外部207可为透明管，例如玻璃管，优选具有高光传输和低光吸收的玻璃管，以便将在从一级反射器反射的辐射215经过管207入射到电池220上时的光损失降到最小。在具体构造中，该玻璃管的直径可为150_，厚度为约3_，并且折射率为约I. 5。该玻璃管可由具有低铁含量的玻璃形成，并且可具有约I. 5%的吸光度。由于玻璃中的吸光损失以及反射损失，该玻璃管会是造成从一级反射器反射的辐射(例如阳光)的光损失的一个来源。该玻璃管可涂有防反射涂层以便将反射损失降到最小。在其他构造中，透明的外部可包括一个结合在其中的三级聚光元件(未示出)，以便将由一级反射器接收的入射辐射另外地聚焦/聚光到光伏电池上。该三级聚光元件可为透镜、菲涅耳透镜或类似的聚光元件，相关技术人员会理解这一点。光伏电池220安装为使其与内支撑部206热连通。以此方式，入射到光伏电池上的热量形式的过量太阳辐射通过热传递传导到中空的内支撑部206，并因此调节光伏电池220的热量(光伏电池在升高的温度下通常具有较低效率)。该二级光学元件(外支撑部207)在某些构造中可类似于一个倒置的球形灯罩，设置在一级太阳能聚光元件的焦点附近，并收集一些另外的环日辐射，因此还改善了对跟踪误差的系统容限。用于收集和利用太阳能的设备的另一种构造300在图3A中进行了描绘，该图示出了一级太阳能聚光元件310的两个阵列311和313，这些一级太阳能聚光元件具有内表面310a和外表面(未不出)，该内表面310a是反光的，并且每个阵列包括10个单独的一级兀件310，这些一级元件固定地附接到第一支撑部303上。图3B示出了另一种构造350，其中一级太阳能聚光元件310不像图3A中那样错列排布。在这些构造中(例如设备300或350)，阵列中的每个一级太阳能聚光元件310可与相邻的相似一级太阳能聚光元件分开约5cm至40cm之间的距离。在其他构造中，该阵列中的每个一级太阳能聚光元件可与相邻的相似太阳能聚光元件分开约25cm的距离。一级太阳能聚光元件310分开布置是有利的，因为风经过相邻一级太阳能聚光元件之间的位置而分散，这种布置减小了安装设备时该设备上的风载。虽然光伏电池可耐高温(达> 200摄氏度)(例如上述可商购的三结CPV电池)，但在25摄氏度以上每上升10度光伏电池的效率就下降约1%。硅光伏电池的耐高温性弱得多，并且通常不适合大于50倍聚光因子的聚光系统，因为这些系统产生大量热量。产生的热量必须从例如本文所述高聚光光伏系统分散掉，以保证有效发电。因此，在本文所述太阳能收集器设备的具体构造中，参照图2C，第二支撑部205进一步包括一个用于将入射到其上(通常入射到光伏电池220上)的过量太阳辐射转换成热能的装置240。例如，该热转换装置240可包括第二支撑部205的中空的内支撑部206，该内支撑部可包括一个用于使流体流过其中的装置(例如该内支撑部206的中空部(或管道)241)。在使用时，流体流过第二支撑部205并被由于入射到光伏电池220上的过量太阳辐射而在光伏电池中产生的热量加热。另外的太阳辐射也可直接入射到第二支撑部205的内支撑部206上，这也可有助于对流过其中的流体进行加热。加热的流体可为水，然后可用 于图15所描绘的参照系统1500所述的家庭或商业应用。在一个具体构造实例中，再次参照图2C，该设备可使用专门定制的挤压铝材(例如第二支撑部205的内部206)以便安装光伏电池220，并因此将在光伏电池220中产生的热量传递到流过中空的内部206 (例如一个管)的流体(例如水)。例如参见图7，该图描绘了一个热转换装置740的构造实例的截面视图，该热转换装置包括多个用于使流体流过其中的中空部741以及多个用于散热的翅片742。在具体构造中，该流体为水，并且该热转换装置可适配为提供温度高于50摄氏度的水。该热转换装置可适配为提供温度在约50摄氏度与约70摄氏度之间的水。该热转换装置可适配为提供家用或商用热水。然后该热转换装置中存在的热水可以循环到一个普通储存箱。在一种替代的构造中，在该流体不是水的情况下，该热转换装置中存在的热流体可传递到一个换热器，以便提供家用或商用热水。如果不需要热水，热量就必须在返回吸收管之前被散发掉。在其他构造中，该设备的主结构支架(即图2A中的第一支撑部203或支架201)还可包括一个散热器，在第二部的热转换装置中存在的热水在散热器处被重定向，并且过多的热量在返回热转换装置之前在散热器处被散发掉。该设备还可进一步包括一个流速控制装置(未示出)，该流速控制装置适配为控制流过图2C的热转换装置240的流体的流速。该流速控制装置可包括一个或多个温度传感器(未示出)，以便监测进入和离开该热转换装置240的流体的温度。以此方式，流体在离开热转换装置240时的流出温度可根据要求进行控制。该流速控制装置可为具有可变流速的恒温调节循环泵。在本文所述设备的另一种构造中，每种构造可进一步包括至少一个二级太阳能聚光元件，其中该至少一个二级太阳能聚光元件各自与一个对应的一级太阳能聚光元件和一个对应的光伏电池相配合并且适配为与该一级太阳能聚光元件和该光伏电池处于恒定光学工作啮合。该二级太阳能聚光元件的主要目的是将从一个对应的一级太阳能聚光元件入射和反射的太阳辐射重定向到对应的光伏电池，否则，该重定向的辐射不会入射到该光伏电池上。
参照图6A，描绘了该设备的第二支撑部的另一种构造605，这种构造适配为结合在本文所述的任一太阳能收集器装置中，包括内部606 (与图2的内部206相似)和透明的外部607 (与图2的外部207相似)。在这种构造中，二级太阳能聚光元件650包括至少一个并且优选为两个二级反射器651，该二级反射器的反射表面可包括一个反射膜。该反射膜可为防风雨铝板(例如厚度为O. 3mm的MIRO-SUN 90防风雨铝板)。该至少一个二级反射器651可以固定地接合到支架(例如参见图2A和图2C中的支架201)的第二支撑部605上。来自一级太阳能聚光元件(未示出)的入射辐射615被二级反射器651反射而入射到光伏电池620上，该入射辐射否则会错过光伏电池620，因此有助于该设备发电和生热并提高了转换效率。在具体构造中，该二级太阳能聚光元件可为反射率约为或大于90%的反射器(或包括多个反射器)。在其他构造中，除了反射元件之外或作为反射元件的替代，该二级太阳能聚光元件可包括多个折射元件(未示出)。适当的折射元件可包括透镜或菲涅耳元件，位于将光聚焦到光伏电池620上的位置处。应理解的是,通过将二级太阳能聚光元件包含在内，可使例如一级太阳能聚光元件的优化参数略微放松，因为小的聚焦误差可由二级太阳能聚光元件校正。优选地，二级太阳能聚光反射器251为截锥形，例如如图6C和图6D所描绘。二级反射器660包括反射内表面661,该反射内表面用于从一个相关联的一级反射器接收福射并将该福射反射到光伏电池(即图6A的电池620)。反射器660包括一个具有部665的安装结构663，该部适配为与第二支撑部的内部606的中空部641抵接以安装到该内部上。该构造的二级反射器660的后部进一步包括一个凹槽665，该凹槽适配为接收光伏电池620，这样光伏电池的后部就与内部606相抵接而与之热连通。这种构造的二级反射器660可进一步适配为使其远端部667配置为与该设备的第二支撑部的透明外部(即外部607)的内表面邻接。在图6B中描绘了作为一级反射器的斜率误差函数的模型化收集效率(百分比)的图，该图表明在使用截锥形二级反射器时总收集效率显著提高。图6E和图6F是将截锥形二级反射器安装到第二支撑部的内部的方法的两个实例，并且示出了截锥的远端部667和第二支撑部605的透明外部607的内表面之间的邻接关系。图6G示出了该设备的光伏电池上的入射辐射的代表性通量分布，其中一级聚光元件和二级聚光元件的轮廓已为实现入射太阳辐射的最大俘获效率进行了优化。在本文所公开的(一级)反射器和/或设备的替代构造中，可能需要将太阳能聚光器设计为以均匀的通量分布照射光伏电池。这可以通过将一级反射器的多个区域朝着一级反射器的转角处散焦来实现，从而从该电池的中心移除峰值。通过降低电池中心处的最大热负载，有利于整个光伏电池实现更均匀的热量分布，这种方式会是有利的。如果电池对导致电转换下降的热量增加是敏感的，那么减少电池的加热可以是特别有益的。在图6H中描绘了为提供整个光伏电池相对均匀的通量密度而散焦一级反射器所引起的整个电池典型的通量密度分布。
为了实现光伏电池的整个接收区的这种分布式通量密度，一级反射器围绕该第一轴线或第二轴线或二者的轮廓可偏离抛物线。例如，一级反射器的多个区域可朝向光伏电池的接收区的转角处散焦，由此朝向边缘处从该电池的中心移除峰值通量密度。当然这可以使从一级反射器反射的更多辐射入射到二级反射器，这可以造成另外的损失，因此与电池接收的总反射辐射值相比，优化通量密度要求考虑总通量分布。一级聚光器的反射表面的散焦可通过控制该反射表面的斜率来实现，并且可以采用利用该反射表面的斜率产生其抛物面轮廓的方法，相关技术人员会理解这一点。例如，可以采用一个方程式来定义抛物线形反射表面，例如一般形式的方程式z = (x2+y2)/4f，其中z是笛卡尔坐标x，y和z中的反射器的抛物线形表面，并且f是反射器的焦距。该一般形式可通过求X和I平面中的偏导数而转换成斜率方程式。然后可以通过计算反射器的反射表面上的单个点，然后以离散方式求偏导数的积分，以给出其他点的位置，从而生成限定该反射表面的抛物线。利用这种求积分生成表面的斜率方法,就有可能改变斜率函数并使生成的表面是有关抛物线略作改变，即可增加或启发式调整一些小的修改，以便给出本文所述的反射器和设备的任何构造中的光伏电池的所需的通量分布图。参照图8A至图8G，图8A至图8B分别是用于收集和利用太阳能的设备800的实例的前透视图和后透视图，该设备具有一个支架801，该支架分别包括第一和第二伸长形支撑部803和805。该第一伸长形支撑部和第二伸长形支撑部是分开的并且通过支架801固定的相互连接，并且由一个枢轴870支撑，该枢轴如图SC所示通过适当的控制器和驱动马达在两个方向上是可转动的，与太阳跟踪装置运作性地连接(未示出)。设备800包括两个由五个一级太阳能聚光元件810组成的两个阵列811和813，这些阵列被固定地附接到第一伸长形支撑部803的相反侧，并且十个光伏电池820 (参见图8D至图8F)被固定地附接到第二伸长形支撑部805上并沿着该第二伸长形支撑部排列，以保持一级太阳能聚光元件810与其对应的光伏电池820之间的恒定光学工作关系。一级太阳能聚光元件810为伸长形太阳反射器，具有一个内表面810a和一个外表面810b,该内表面810a是反光的。该反射内表面810a可包括一个反射膜。该反射膜可以移动和更换。一级太阳能聚光元件810可配置为使一个拉杆814可穿过一级聚光元件810的每个阵列(811和813)，从而加固该设备。如图8A所描绘，一级太阳能聚光元件810的内表面810a适配为接收入射太阳辐射815并将该太阳辐射定向到其对应的光伏电池820。光伏电池820适配为接收入射到一级太阳能聚光元件810的内表面810a上的太阳辐射815并将该辐射815转换成电能。参照图8B，安装座880可包括一个垂直构件881，一个基板883和多个斜撑882，枢轴870安装到该垂直构件上，该基板和这些斜撑用于支撑安装在该基板883上的垂直构件881。图SC是该设备实例的侧视图，描绘了由枢轴870及其控制器和驱动马达(未示出)提供的两个方向的运动。确切地说，枢轴870及其控制器和驱动马达提供了围绕安装座880的垂直轴线的360°转动以及围绕安装座880的垂直构件881的水平轴线的约360°转动，后者受到安装座880的垂直构件881的干扰，该安装座与太阳跟踪装置(未示出)运作性地连接，以便调节一级太阳能聚光元件810的仰角并且还调节其水平角与一天中太阳位置的变化一致。图8D为各自展示了沿着第一伸长形支撑部803固定地附接的一级太阳能聚光元件810的构造的一个替代侧视图。图SE和图8F为展示了固定地附接到第二伸长形支撑部805并且沿着该第二伸长形支撑部排列的光伏电池820的构造的近视图。参照图8D和图8E，示出了支架801的第二伸长形支撑部805的构造实例的近视图。在这种构造中，第二伸长形支撑部805包括一个外支撑部807和一个内支撑部806，该内支撑部806包括一个用于转换入射到其上的过量太阳辐射能的热转换装置840。外支撑部807基本上是透明的，以便允许入射太阳辐射815入射到光伏电池820上。外支撑部807主要设计为光伏电池820 的防护屏，以保护光伏电池及其电连接不受环境因素例如风、雨或干涉(例如被动物破坏)的影响。内支撑部806为刚性支撑构件，包括一个用于使流体(例如水)流过其中的装置(例如内支撑部806的中空部(或管道)841 (未示出))。在使用时，流体流过第二伸长形支撑部805并被由于入射到光伏电池820上的过量太阳福射而在光伏电池中产生的热量加热，并因此调节光伏电池820的热量。另外的太阳辐射也可直接入射到第二支撑部805的内支撑部806上，这也可有助于对流过其中的流体进行加热。该热转换装置840可适配为提供家用或商用热水。图8F为固定地附接到第二伸长形支撑部805的内支撑部806上的一个光伏电池820的近视图。光伏电池820由一个二级太阳能聚光元件850包围，该二级太阳能聚光元件与相应的一级太阳能聚光元件810的反射内表面810a以及光伏电池820处于恒定光学工作啮合。二级太阳能聚光元件可将入射到其相应的一级太阳能聚光元件810的内表面810a上的并由该内表面反射的辐射反射到其相应的光伏电池820，因此有助于该装置800发电和生热并提闻了转换效率。总之，设备800的实例被设计为提供适配为将太阳辐射聚集到光伏电池上并将所述辐射转换成电能的主动排热的简单几何构造，可用于提供家用或商用热水。图SG为该设备800的实例的俯视图，进一步展示了沿着第一伸长形支撑部803的相反侧固定地附接的一级太阳能聚光元件810的两个阵列811和813以及固定地附接到第二伸长形支撑部805并且沿着该第二伸长形支撑部排列的光伏电池820，用于保持一级太阳能聚光元件810的伸长形太阳反射器与其对应的光伏电池820之间的恒定光学工作关系O参照图9，描绘了用于收集和利用太阳能的设备900的一个替代实例的前方透视图，该设备具有一个支架901，该支架对应地包括第一伸长形支撑部903和第二伸长形支撑部905。该第一伸长形支撑部和该第二伸长形支撑部是分开的并且通过支架901固定地相互连接。设备900包括由五个一级太阳能聚光元件910组成的两个阵列911和913和十个光伏电池920 (未示出)，这些光伏电池被固定地附接到第二伸长形支撑部905并且沿着该第二伸长形支撑部排列，以保持一级太阳能聚光元件910与其对应的光伏电池920之间的恒定光学工作关系。一级太阳能聚光元件910为伸长形太阳反射器，具有一个内表面910a和一个外表面910b,该内表面910a是反光的。该反射内表面910a可包括一个反射膜。该反射膜可以移动和更换。一级太阳能聚光元件910可配置为使一个拉杆914可穿过一级太阳能聚光元件910的每个阵列(911和913)，从而加固该设备。一级太阳能聚光元件910还可配置为使从每个一级太阳能聚光元件910的任一侧延伸的一个拉杆914与第二伸长形支撑部905连接，从而进一步加固该设备。一级太阳能聚光元件910适配为接收入射太阳辐射并将该太阳辐射定向到其对应的光伏电池920。光伏电池920适配为接收入射到一级太阳能聚光元件910的内表面910a上的太阳辐射并将该辐射转换成电能。参照图10，描绘了用于收集和利用太阳能的设备1000的另一个替代实例的前透视图，该设备具有一个支架1001，该支架对应地包括第一伸长形支撑部1003和第二伸长形支撑部1005。该第一伸长形支撑部和该第二伸长形支撑部是分开的并且通过支架1001固定地相互连接。设备1000包括由五个一级太阳能聚光元件1010组成的两个阵列1011和1013和十个光伏电池1020(未示出)，这些光伏电池被固定地附接到第二伸长形支撑部 1005并且沿着该第二伸长形支撑部排列，以保持一级太阳能聚光元件1010与其对应的光伏电池1020之间的恒定光学工作关系。一级太阳能聚光元件1010为伸长形太阳反射器，具有一个内表面IOlOa和一个外表面1010b,该内表面IOlOa是反光的。该反射内表面IOlOa可包括一个反射膜。该反射膜可以移动和更换。一级太阳能聚光元件1010可配置为使一个拉杆1014可穿过一级聚光元件1010的每个阵列(1011和1013)，从而加固该设备。一级太阳能聚光元件1010还可配置为使从每个一级太阳能聚光元件1010的任一侧延伸的一个拉杆1014与第二伸长形支撑部1005连接，从而进一步加固该设备。一级太阳能聚光元件1010适配为接收入射太阳辐射并将该太阳辐射定向到其对应的光伏电池1020。光伏电池1020适配为接收入射到一级太阳能聚光元件1010的内表面IOlOa上的太阳辐射并将该辐射转换成电能。设备1000的第二伸长形支撑部1005包括一个用于对入射到其上的过量太阳辐射进行转换的热转换装置(未示出)，该热转换装置包括一个内支撑部(未示出)。该内支撑部为刚性支撑构件，包括一个用于使流体(例如水)流过其中的装置(例如一个中空部)。在使用时，流体流过第二伸长形支撑部1005并被由于入射到光伏电池1020上的过量太阳辐射而在光伏电池中产生的热量加热，并因此调节光伏电池1020的热量。设备1000的第一伸长形支撑部1003进一步包括一个用于接收流出热转换装置1040的热流体的散热器1070，过多热量可在返回到第二伸长形支撑部1005中的热转换装置之前在散热器处被散发掉。参照图11，描绘了用于收集和利用太阳能的设备1100的又另一个替代实例的前透视图，该设备具有一个支架1101，该支架对应地包括第一支撑部1103和第二支撑部1105。该第一伸长形支撑部和该第二伸长形支撑部是分开的并且通过支架1101固定地相互连接。设备1100包括由五个一级太阳能聚光元件1110组成的两个阵列1111和1113和十个光伏电池1020(未示出)，这些光伏电池被固定地附接到第二伸长形支撑部1105并且沿着该第二伸长形支撑部排列，以保持一级太阳能聚光元件1110与其对应的光伏电池1120之间的恒定光学工作关系。一级太阳能聚光元件1110为伸长形太阳反射器，具有一个内表面11 IOa和一个外表面IllOb,该内表面IllOa是反光的。该反射内表面11 IOa可包括一个反射膜。该反射膜可以移动和更换。一级太阳能聚光元件1110可配置为使一个拉杆1114可穿过一级聚光元件1110的每个阵列(1111和1113)，从而加固该设备。一级太阳能聚光元件1110适配为接收入射太阳辐射并将该太阳辐射定向到其对应的光伏电池1120。光伏电池1120适配为接收入射到一级太阳能聚光元件1110的内表面IllOa上的太阳辐射并将该辐射转换成电能。设备1100的第二伸长形支撑部1105包括一个用于对入射到其上的过量太阳辐射进行转换的热转换装置(未示出)，该热转换装置包括一个内支撑部(未示出)。该内支撑部为刚性支撑构件，包括一个用于使流体(例如水)流过其中的装置(例如中空部)。在使用时，流体流过第二伸长形支撑部1105并被由于入射到光伏电池1120上的过量太阳辐射而在光伏电池1120中产生的热量加热，并因此调节光伏电池1120的热量。设备1100的第一伸长形支撑部1103进一步包括一个接收流出热转换装置1140的热流体的散热器1130，过多热量在返回到第二伸长形支撑部1105中的热转换装置之前在散热器处被散发掉。
此外，每个光伏电池1120均由一个二级太阳能聚光元件1150包围，该二级太阳能 聚光元件与相应的一级太阳能聚光元件1110以及光伏电池1120处于恒定光学工作啮合。二级太阳能聚光元件可将入射到其上的以及由其相应的一级太阳能聚光元件1110反射的太阳辐射反射到其相应的光伏电池1120，因此有助于该装置1100发电和生热并提高了转换效率。图12为用于收集和使用太阳能的设备的另一个替代实例的前透视图，详细示出了截锥形二级反射器。参照图12，描绘了用于收集和利用太阳能的设备1200的又另一个替代实例的前透视图，该设备具有一个支架1201，该支架对应地包括第一伸长形支撑部1203和第二伸长形支撑部1205。该第一伸长形支撑部和该第二伸长形支撑部是分开的并且通过支架1201固定地相互连接。设备1200包括六个一级太阳能聚光元件1210组成的两个阵列1211和1213和十二个光伏电池1020(未示出)，这些光伏电池被固定地附接到第二伸长形支撑部1205并且沿着该第二伸长形支撑部排列，以保持一级太阳能聚光元件1210与其对应的光伏电池之间的恒定光学工作关系。一级太阳能聚光元件1210为伸长形太阳反射器，具有一个内表面1210a和一个外表面1210b,该内表面1210a适配为支撑一个反射器(未示出)，该反射器可包括一个反射膜。该内表面1210a可为凹形，并且其中该表面围绕一个第一轴线和一个第二轴线弯曲，该第二轴线如图2D所描绘处于基本上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲，这样在一个反射器装配到该内表面1210a(例如反射膜)上时提供了一个凹形反射表面，该凹形反射表面也围绕该第一轴线和该第二轴线弯曲。该反射膜可以移动和更换。一级太阳能聚光元件1210适配为接收入射太阳辐射并将该太阳辐射定向到其对应的光伏电池。光伏电池适配为接收入射到一级太阳能聚光元件1210的内表面1210a上的太阳辐射并将该辐射转换成电能和/或热能。设备1200的第二伸长形支撑部1205包括一个用于对入射到其上的过量太阳辐射进行转换的热转换装置(未示出)，该热转换装置包括一个内支撑部1215。该内支撑部1215为刚性支撑构件，包括一个用于使流体(例如水)流过其中的装置(例如中空部)，并且包括一个流体入口 1217和一个流体出口(未示出)。在使用时，流体流过第二伸长形支撑部1205并被由于入射到光伏电池上的过量太阳辐射而在光伏电池中产生的热量加热，并因此调节光伏电池的热量。设备1200的第一伸长形支撑部1203包括多个模块支撑部1230，例如图13A至图13C所示。这些模块支撑部可有助于轻松调节一级太阳能聚光元件1210与对应的光伏电池的光对准，这在开发的原型阶段是特别有利的。详图1240示出了第二支撑部1205，该第二支撑部包括内支撑部1215和透明的外支撑部1216。在该构造中，第二支撑部1205包括多个二次截锥形成像元件1220，例如图6C所示的二级反射器660。二次成像元件1220附接到第二支撑部1205的内部1215并且包围对应的光伏电池(未不出)，这样该光伏电池的后表面就抵接在与之处于热哨合的内部1215上。安装架1221用于将二次成像元件1220紧固到内部1215上。自该构造中，截锥形二次成像元件1220适配为使其远端部1223配置为与第二支撑部1205的透明外部1216的内表面邻接。图13A为用在该设备的第一支架中的模块化挤压件1230的实例的透视图。挤压件1230是中空的，以便尽可能将该设备的重量保持为最小，并且包括多个加强肋1235。挤压件1230进一步包括一个凸部1231和一个凹部1233，这样在使用时，如图13B所示，该凸部1231就与凹部1233相啮合。挤压件1230进一步包括部1236和1237，这些部配置为在 如图13B所示地与一个相似的挤压件啮合时，部1236和1237形成一个接收部1238。在使用时，如图13C所示并参照图12的设备1200，多个挤压件1230连接在一起形成了该设备1200的第一支撑部1203。一级太阳能聚光元件1210包括安装功能部件1241和1242，这些部件与接收部1238啮合，从而将一级太阳能聚光元件1210安装到第一支撑部1203上。另一个挤压件1230a包括适当的凹部和接收部，也可设置为与形成第一支撑部1205的最低挤压件1230啮合，以提供适当的接收部1238，从而按要求安装一级太阳能聚光元件1210。图14为类似于图12的设备1200的用于收集和利用太阳能的设备1400的另一个替代实例的前透视图。设备1400包括一个支架1401，该支架对应地包括第一伸长形支撑部1403和第二伸长形支撑部1405。该第一伸长形支撑部和该第二伸长形支撑部是分开的并且通过支架1401固定地相互连接。设备1400包括由五个一级太阳能聚光元件1410组成的两个阵列1411和1413。在该构造中，一级太阳能聚光元件1410均彼此连接在一起成为一个连续片。这有可能具有与图8至图12所描绘的分段构造相比降低制造成本的优点。设备1400进一步包括十个光伏电池(未示出)，这些光伏电池固定地附接到第二伸长形支撑部1405并沿着第二伸长形支撑部排列，以保持一级太阳能聚光元件1410与其对应的光伏电池之间的恒定光学工作关系。详图1440示出了多个截锥形二级反射器1420(类似于参照图6C、图6D和图12所述的截锥形二级反射器)，这些二级反射器安装到第二支撑部1205的内部1415上。参照图15，描绘了一个根据本文所述本发明的用于收集和利用太阳能的系统的流程图。在使用时，设备1500的一级太阳能聚光元件1510适配为接收入射到其上的入射太阳福射1515并将该太阳福射定向到光伏电池1520,这样它们就保持了恒定光学工作关系。二级太阳能聚光元件1550也与一级太阳能聚光元件1510和光伏电池1520处于恒定光学工作啮合，这样二级太阳能聚光元件就适配为将从一级太阳能聚光元件1510入射到其上的太阳辐射定向到光伏电池1520，因此有助于设备1500发电和生热并提高了转换效率。光伏电池1520适配为接收入射到一级太阳能聚光元件1510和二级太阳能聚光元件1550上的太阳辐射并将这些辐射转换成电能。光伏电池1520可为CPV电池。
在光伏电池1520中产生的电能与一个适当的低压变频器1521运作性地连接(例如通过电线)，以便将光伏电池1520中产生的直流电转换成交流电。该交流电在传递到家用或商用1523之前可用仪表1552测量。第二支撑部1506包括用于将入射到其上的过量太阳辐射能转换成热能的热转换装置1540。光伏电池1520与内支撑部1506热连通，从而将入射到光伏电池1520上的过量太阳辐射通过热传导传递到热转换装置1540，并因此调节光伏电池1520(光伏电池在升高的温度下通常具有较低效率)的热量。热转换装置1540包括一个用于使流体(例如水)流过中空部1541的泵1590，其中在使用中所述流体被入射到内支撑部1506上的过量太阳辐射和入射到光伏电池1520上的过量太阳辐射加热。来自热转换装置1540的至少一部分流体可流到一个储存箱1598，该储存箱包括一个用于加满液位的流体入口 1596和一个用于排液特别是热流体的流体出口 1597。在从出口 1597排出的热流体是热水的情况下，可适合于家用或商用1599。可替代地，在使用的是除水之外的流体的情况下，可在出口 1597后设置热交换器(未示出)以便提供家用或商用热水。来自热转换装置1540或来自储存箱1598的至少一部分流体可流到散热器1530，过多热量在通过泵1590返回到热转换装置 1540的中空部1541之前在散热器处被散发掉。泵1590的流速可以是可变的并且可以由流速控制装置1591操作，该流速控制装置包括一个温度传感器(例如热电偶)，该温度传感器被运作性地布置成测量循环流体的温度。泵速以及因此流过热转换装置1540的中空部1541的流体的流速可由测量的循环流体的温度以及因此流出热转换装置1540的流体的温度指示。此外，设备1500由枢轴1570支撑，该枢轴对应地通过适当的控制器1571和驱动马达1572在两个方向上是可转动的，这些控制器和驱动马达与太阳跟踪装置1573运作性地连接(例如通过有线或无线方式)，以便调节一级太阳能聚光元件1510的仰角和水平角与一天中太阳位置的变化一致。与目前系统的相同额定峰值功率相比，使用太阳跟踪装置，功率有望增加约30% (千瓦时)，因为光伏电池在每天中以接近峰值功率操作的时间较长。在图15所描绘的用于收集和利用太阳能的系统中，应理解的是设备1500可由对应地由图8A至图8G、图9、图10、图11、图12和图14中描绘的设备800，900，1000，1200和1400实例中任一个替代，或由做了适当修改的本文所述用于收集和利用太阳能的任何其他适当设备替代。在具体构造中，本文所述太阳能收集器适配为与太阳一起运动，也就是说，在一天中随着太阳改变其位置而面朝太阳。随着太阳升起和降落，太阳的仰角发生变化，并且太阳的水平角随着太阳从地平线到地平线的表面运动而发生变化。因此一个太阳跟踪系统调节太阳能收集器的仰角，并且还调节太阳能收集器的水平角与一天中太阳位置的变化一致。多数高聚光因子(>50suns)的太阳能收集器要求精度高于平板PV跟踪系统的双轴跟踪系统，并且多数目前的聚光器装置具有具体适配每个单独的设备的尺寸的专门定制的跟踪系统。因此，在本文所述太阳能收集器装置的任一构造中，该设备的支架可适配为跟踪太阳在天空的视运动，以优化太阳能收集效率。该跟踪系统可设想为由至少一个枢轴(未示出)支撑该设备，该枢轴可以在至少两个方向上是可转动的。于是该设备可进一步包括使该支架围绕该枢轴移动的太阳跟踪装置，以便随着一天中入射太阳辐射的方向变化来调整该设备的仰角以及该设备的水平角，从而跟踪太阳在天空的视运动。该跟踪系统可包括一个具有适当控制器和驱动马达的双轴望远镜座，连同一个高精度(<0. 1° )太阳跟踪控制系统。本文所描绘的设备可设想为具有显著低于用于原型部件的平板光伏模块的成本($/瓦)。为该设备设计和制造的部件(镜、热管、跟踪器和变频器)的成本有可能低于平板光伏模块的每千瓦等值成本的一半。该设备还能利用现有部件制造商批量生产，而无需大量科研工作而建造制造工厂(例如薄膜和有机染料PV)。因此通过最高效光伏电池与附加热水使用相结合，可实现最高系统能源效率。与平板光伏材料和薄膜光伏材料相比，高效率可降低相同功率输出的安装尺寸。而且，由于该设备适配为与太阳跟踪系统一起使用，与目前系统的相同额定峰值功率相比，功率有望增加约30% (千瓦时)，因为光伏电池在每天中以接近峰值功率操作的时间较长。而且，目前的高聚光光伏系统不使用产生的热量，而是将热量当作废物。本发明的设备使用可商购的III-V族三结CPV电池，其效率目前为约39%，预计5 年内达到约45%。本发明的系统可包括与一个太阳跟踪系统运作性地连接的本发明的设备。本发明的设备可包括通过一级反射器或一级太阳能聚光元件双轴跟踪太阳的装置。该太阳跟踪系统可与通过一级反射器或一级太阳能聚光元件双轴跟踪太阳的装置运作性地连接(例如通过电线或无线方式)。该光伏电池为三结聚光光伏电池(CPV电池)。该太阳跟踪系统可与通过一级反射器或一级太阳能聚光元件双轴跟踪太阳的装置运作性地连接(例如通过有线或无线方式)，从而调节它们的位置使其跟踪太阳的运动。本发明的设备的CPV电池可与一个直流到交流变流器运作性地连接(例如通过有线或无线方式)，从而将由该CPV电池产生的直流电转换成适合家用或商用的交流电。该变流器可与一个仪表耦合，以测量由CPV电池产生的电量。本发明的设备设计为将必要的CPV排热与低品位热能作为热水的高效使用相结合。本发明的设备中的太阳能反射器可具有将光聚焦到(lOXlO)mm CPV电池所要求的点的几何形状。抛物面碟式反射器具有要求聚光到一个点的简单几何形状。在本发明的设备中使用的太阳能反射器的基本设计是采用碟形并去掉一个矩形部分。然后该部分的内部可镀上或衬有一个反射膜。一种适当的反射膜可包括厚度为O. 3mm的MIR0-SUN90防风雨铝板。然后在中心支架和接收管的两侧重复布置离轴碟形部(太阳能反射器)。CPV电池沿着该设备的长度安装在每个太阳能反射器的焦点或聚焦区附近，以便设置在从反射器接收辐射的位置。与电池处于导热连通的循环传热流体例如水从CPV电池带走热量。一个包括本发明设备的的系统可包括一个温度传感器(例如热电偶)，该温度传感器被运作性地布置在该系统中以测量循环传热流体的温度。该温度传感器可以被连接到一个个泵控制器上，该泵控制器进而可与一个泵连接，该泵与本发明的设备可操作地耦合以泵送传热流体流过接收管。该泵控制器可适配为控制该泵的泵速作为传热流体的温度的函数。这可通过以下方式实现控制泵速并由此控制流过接收管的传热流体的流速，并因此控制流出接收管的传热流体的温度。温度沿着接收管的升高可由一个恒温调节循环泵控制，该泵适配为泵送传热流体以可变流速流过接收管。因此在传热流体为水的情况下，流过该管的水的流速可以控制，使65摄氏度的热水通过管子从接收管的出口泵送到到一个常规的热水储存箱的入口并从该热水储存箱的出口泵送到该接收管的入口。通往热水储存箱的管子可以是绝缘的，并且返回流量可以流过高表面积的被动散热管。一级反射器或一级太阳能聚光元件的支架可作为另外的具有内腔和高表面积的散热器加倍。本发明的设备具有两个优于其他CPV太阳能收集器的设计的主要优点。该设备从允许高聚光因子的CPV电池(目前的设计为约1450suns)主动带走热量，这简单地相当于随着聚光因子的升高而升高的接近于线性功率输出。第二个优点是，与第一代菲涅耳透镜系统相比，具有二级反射器或折射器(XR)的光学分类的太阳反射器的角度跟踪误差容限约为两倍。有可能成功的唯一最佳量度是安装的PV系统或CPV系统的$/瓦。可商购的CPV电池(39% )跟随连续实验室世界纪录CPV效率(41. 6% SpectroLab mono,43% UNSffsplit)提高了效率。PV制造商必须改变其生产线来生产新太阳能电池和模块，与之不同的是CPV太阳能收集器可在收集器中替入具有相同形状因子的新的更高效CPV电池。基于低聚光因子2-lOOsuns的系统间分割的聚光光伏(CPV)技术之间存在显著差别，通常为SiCPV电池和高聚光因子高聚光光伏(HCPV) (500-2, OOOsuns)三结电池。虽然两种方法都是技术有效的，但它们具有不同的成本结构、不同的制造和供应要求以及不同的系统性能。在一级反射器或一级太阳能聚光元件与第一支撑部之间也可以有空隙，以使任何 雨水和尘土可以排出。还可以有一个沿着伸长形太阳反射器在纵向上延伸的窄槽以使任何雨水和尘土可以排出。每天的循环会将收集器翻转，使得可能收集的任何叶子或轻的碎片可以吹走。人们不希望将收集器设在树下或旁边。在每个一级反射器或一级太阳能聚光元件之间可有一个小的空隙，以使风更容易经过和穿过收集器，从而降低结构风载要求。一级反射器或一级太阳能聚光元件与第一支撑部之间的空隙也是如此，从而将经过的风定向到该空隙并提高了该支撑部的散热冷却效果。太阳能收集器的反射表面设计为易于例如使用挡风刮水片进行清洁。如果使用多年以后存在尘垢问题，例如铝镜膜的成本低并且可简单地剥离旧膜然后把更换镜粘贴到位而进行更换。跟踪器可手动驱动太阳能收集器“脱离太阳”而进行清洁。反射表面不会显著变热而构成危险。二级反射器或折射器也不会显著变热。最热的元件是CPV电池，该电池可密封在玻璃接收管的后面，因此是不可接触的，没有可能燃烧。热水必须保持低于烫伤温度(为目前强制性的限温值要求之一)，因此随便触摸应该是安全的。两个或更多个本发明的设备可串联或并联(对于太阳能电池是电连接，而对于传热流体是液压连接)。应理解的是，以上所述/所解释的方法、设备、装置和系统至少基本提供了一种太阳能收集和利用设备，该设备特别适合家庭或小商业应用并且易于适配安装在居住场所。本文所述和/或附图所示的设备仅通过举例的方式呈现，并且不限制本发明的范围。除非名明确地另行说明，该设备的单独方面和部件可以修改或者可以替换，因此已知等效物或将来可能开发出的目前未知的替换物，或者将来可能发现的可接受的替代物。该设备还可保持在所述发明的范围和精神内为各自应用进行修改，因为潜在应用范围广泛，并且因为该设备旨在适用于很多此类变体。
权利要求
1.一种用于反射太阳福射的反射器，该反射器具有一个反射器表面，该表面为凹形，并且其中该表面围绕一个第一轴线和一个第二轴线进行弯曲，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并且围绕该第一轴线进行弯曲。
2.如权利要求I所述的反射器，其中该反射器是伸长形的，这样使得所述第二轴线为一条纵向轴线，而且所述表面在横截面上具有一种抛物面构形。
3.如权利要求2所述的反射器，其中所述第二轴线跟随一条抛物线轨迹。
4.如权利要求I所述的反射器，其中所述反射器是伸长形的，这样使得所述第二轴线为一条纵向轴线，而且所述表面在横截面上具有一种椭圆构形、双曲面构形或部分圆形的构形。
5.如权利要求I至4中任何一项所述的反射器，其中围绕该第一轴线或/和该第二轴线的该反射器表面与一条抛物线偏离，这样使得
6.从该反射器表面反射的辐射照射一个通量密度基本上均匀的区域。
7.一种用于收集和利用太阳能的设备，包括至少一个反射器，每个反射器均根据权利要求I至5中的任何一项； 至少一个光伏电池，该光伏电池与每个表面相关联并且相对于该相关联的表面而定位，以便接收由该相关联的表面反射的辐射并且将所接收的辐射转换成电能。
8.如权利要求7所述的设备，其中每个表面是相对于其相关联的所述电池进行配置和定位的，这样使得从每个表面反射的辐射均照射该电池的通量密度基本上均匀的接收区。
9.如权利要求7或权利要求8所述的设备，包括 多个反射器，每个反射器均是如权利要求I至5中任何一项所述的反射器，每个反射器包括一个凹形反射器表面；以及 多个光伏电池，每个光伏电池均被布置成接收入射到相应反射器的反射器表面上并且由该反射器表面反射的辐射。
10.如权利要求9所述的设备，其中该多个一级反射器包括一个连续的反射片，该反射片具有多个凹形反射表面，这些反射表面与对应的光伏电池运作性地接合。这些一级反射器中的一个相关联的一级反射器，每个二级反射器反射相关联的一级反射器处接收的太阳辐射。
11.如权利要求10所述的设备，其中该至少一个二级太阳反射器为截锥形反射器。
12.如权利要求6至11中任何一项所述的设备，进一步包括一个用于将入射到其上的过量太阳辐射能转换成热能的热转换装置，其中该至少一个光伏电池与该热转换装置是处于热连通的，从而将入射到该至少一个光伏电池上的过量太阳辐射通过热传导传递到该热转换装置。
13.如权利要求12所述的设备，其中该热转换装置包括一个用于使流体流过其中的装置，其中所述流体被入射到第二支撑部上的过量太阳辐射加热。
14.如权利要求13所述的设备，其中该热转换装置包括一个中空部和一个用于使流体流过该中空部的泵。
15.如权利要求6至14中任何一项所述的设备，其中该支架由至少一个枢轴支撑,该枢轴在至少两个方向上是可转动的，并且该设备进一步包括使该支架围绕该枢轴运动的太阳跟踪装置，以便随着一天中太阳的入射辐射方向的变化来调整该设备的仰角以及该设备的水平角，从而跟踪太阳在天空的运动以及入射到该至少一个一级反射器到达光伏电池的太阳入射辐射。
16.如权利要求6至15中任一项所述的设备，进一步包括一个电转换装置，该电转换装置与该光伏电池运作性地连接，从而将在该光伏电池中产生的直流电转换成交流电。
全文摘要
本发明公开了一种用于反射太阳辐射的反射器，该反射器具有一个反射器表面，该表面为凹形，并且其中该表面围绕第一轴线和第二轴线进行弯曲，该第二轴线处于总体上垂直于该第一轴线的平面中并围绕该第一轴线进行弯曲；以及一种用于收集和利用太阳能的设备，该设备包括至少一个反射器以及至少一个光伏电池，该光伏电池与每个表面相关联并且相对于该相关联的表面进行定位，由此被定位成接收由该相关联的表面反射的辐射并将所接收的辐射转换成电能，该设备进一步包括用于将入射到其上的过量太阳辐射能转换成热能的热转换装置。
文档编号H01L31/042GK102782420SQ201080056105
公开日2012年11月14日 申请日期2010年10月18日 优先权日2009年10月16日
发明者克里斯多佛·莱斯利·韦林 申请人:康桑特拉特私人有限公司