混合型太阳能系统及制造方法

混合型太阳能系统及制造方法
【专利摘要】本发明描述了一种混合型太阳能系统及其制造方法。太阳能装置包括至少一个包封管、至少一个热导管、至少一个反射器设备、至少一个反射过滤器、以及至少一个光伏设备。包封管具有由透射材料制成的外表面以及抽空的内部环境。热导管在至少一个收集器管内纵向延伸。反射器设备固定附接至包封管的内表面，并且反射过滤器定位成使得从反射器设备反射的光被导向至反射过滤器。光伏设备定位成使得由反射过滤器过滤的光的至少第一部分可以被导向至光伏设备，并且与光伏设备不相容的那部分光可以在至少一个热导管中被捕获。
【专利说明】混合型太阳能系统及制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请为2011年5月2日提交的序列号为61/481，670的美国专利申请以及2011年8月12日提交的序列号为61/523，147的美国专利申请的非临时申请并要求所述美国专利申请的优先权，所述美国专利申请中的每一个以其整体作为参考合并于此。
【技术领域】
[0003]本发明大体涉及用于生产电、热的组合且可选地传输太阳光的混合型太阳能系统，以及制造此类装置的方法，本发明还涉及制造用于集中太阳光的装置的系统及方法。
【背景技术】
[0004]太阳能收集可以理解为是一种令人满意的自由能源。但是太阳辐射是扩散的(峰值位于每平方米大约1300瓦特)并且不断变化到达角度和强度。由于太阳能的不均匀性以及光波长的混合的变化，所以太阳能的收集进一步地复杂。此外，太阳能的多种替代物非常便宜、能量密集且在市场上的地位十分稳固。
[0005]当需要来自太阳的电力时，采用了半导体的光伏(PV)效应。规模经济使得包含硅电池的光伏板相较于市场上最昂贵的电力(高峰期零买的瓦特数)来说，其成本是极具竞争力的。但是，硅平板收集器仍然是成本相对较高且净效率低(理论上最大值约为25%)的，这限制了太阳能发电。半导体材料及加工的昂贵费用可以视为对太阳能发电的经济开发挑战的关键因素。
[0006]处于性能效率范围高端的是堆叠多个半导体的多结光伏电池，它们分别转换不同频率范围的光，同时允许其余光穿过。这些多结电池每平米非常昂贵，幸好它们对高度集中的光响应良好(并且某些还号称有高强度下的大于40%的净效率)。
[0007]费用范围的另一端是热太阳能收集器，其将可用频率的光的主要部分的辐射转换为可感知的热，并且将该热量存储或者立即用于一些应用中。该转换效率(大于80%)以及相对于光伏转换的低成本是热收集器的主要优点。对于热方法的缺点是它们必须与多种便宜的且能量密集的燃料库存(例如天然气和木材)竞争。并且，实现高温(以及由此的更高的能量密度和功用)需要更复杂的机构以及伴随的较高成本。
[0008]特定的市场和物理技术力量带来混合型太阳能电/热系统(还称作热电联产或PV-T (光伏-热))的发展。通过从单个收集器提取电和可用的热，净孔径效率(作为入射太阳光的一部分捕获的能量)增加。常用方案是将光伏电池安装至循环制冷剂通道并驱使制冷剂穿过该通道，以为光伏材料保持比用其它方法得到的温度更低的温度。这增大了电压以及由此的瓦特时输出。另外，收获的热量能够用于一些有用的功能。热量通常具有较低的经济价值(瓦特时对瓦特时)，所以在其它情况都相同时，较高的电力输出通常是优选的。
[0009]已知的PV-T (或“混合型收集器系统”)可以被有效地分组为集中式收集器和平板收集器。在这两组收集器中相同的是，允许辐射进入光伏材料全光谱并且仅在此后，去掉多余的、未转换的作为热量的那部分能量。可选择地，已经建议的是，将光谱划分为不同的流以用于由物理分离的光伏电池利用或使用，这将允许使用不是很贵(单结或串联结)的光伏目标。这还将降低了对去除不能转换的能量的需要。这些方法的关键目标是降低光伏部件的操作温度。这里遇到的困难在于报酬减少的定律，并且采用的每个装配件或表面随之带来生产成本和能量损耗。另外，多结电池仍然昂贵，因此需要高集中度的收集器在经济上是可行的。在已知的高集中度收集器中，存在伴随而来的间接光的浪费以及对更多的热管理和更精密的太阳追踪的需求。
[0010]已知的是，光学集中器设计者必须在可用于狭窄聚焦追踪系统(在该过程释放变化的但是比较大的一部分光，这部分光在来自太阳圆盘的直射正常路径中没有被近似地校准)或略去追踪的费用的较高最大集中比率，以及针对组装和安装中相对廉价的贸易最大化集中度之间进行选择。前者通常是基于卡塞格伦和菲涅尔的集中式收集器，而后者通常采用Roland Winston开创的并在其书“非成像光学”中讨论的那类非成像光学器件。
[0011]这样仍然存在对于在适于屋顶安装的便宜的设备中实现覆盖广泛范围的照明条件的最大化太阳能收集的需求。更具体地，存在针对太阳能收集装置的需求，所述太阳能装置提供相对于环境温度的高温热能。同时，针对太阳能收集装置的光伏部件，低温工作环境是需要的。还存在对混合PV-T系统的需求，该系统中，不能被光伏设备收集的那部分能量能够尽可能便宜地且果断地作为热量被清除和/或被排出，使得其与太阳不会过分放大下面的建筑物的制冷负荷或降低光伏部件的性能。另外，还存在对于混合型太阳能收集系统的需求，所述系统能够提供多种能量并且服务来自与建筑物的能量需求多样化匹配的同一系统的流，并减少变换损耗。

【发明内容】

[0012]通过提供能够递送热能和/或电能的太阳能收集系统和方法，本发明的实施例在很大程度上克服了已知系统的缺陷。在特定的实施例中，所述系统还可递送过滤了红外光和紫外光(UV)因此是照明所需的光。更具体地，公开的实施例提供混合PV-T系统和方法，其中，一部分光被转换成可感知的热，并且被传导通过用于太阳热能(结合至少一个光伏电池产生PV能量)的热导管。示例性的系统和方法包括抽空的收集器管，具有DC电压、热量、可用光或这三者的组合的混合输出，以及综合性遮阳的供应。示例性实施例在抽空管中包括光学路径，所述光学路径包括带通过滤器，所述带通过滤器优选地反射对于给定的光伏电池有用的光并将其余一大部分传送至热导管。所述管提供了针对光学器件的结构和保护。由于抽空的环境，所述管还抑制对流以及从热导管收集的热量的传导损耗。
[0013]入射在地球表面的太阳光可以被有效地划分为直射正常辐照(DNI)和非直射辐照(或散射光或天空光)。示例装置对于这两个能量流保持不同的交错的路径。所述装置、设备和方法的目标是以经济有利的方式可选择地并且综合地采用两种类型的光。首先考虑DNI。公开的光学元件将DNI中的能量分为针对光伏的一条路径和第二清除热量路径。指向光伏电池的光能够由卡塞格伦式系统过滤和/或集中。通过这种方式，光伏电池可以接收并转化每平方面积更多的光能，并且由于吸收带通波长过滤器所过滤的不可用波长的光导致的性能削弱的加热更少。公开设备的模块化允许安装设计不仅提供热和电的不同混合的过程质量，还能够提供过滤的光用于日光照明。
[0014]从光伏电池离开的光主要是对于电池类型来说波长不合适的光，或者以一定入射角度到达的与集中光学元件不相配的光。在其它已知混合收集器中，所述光能将由光伏电池吸收(不必要地升高其温度)和/或由附属系统吸收。替代地，在一些已知领域中，允许该能量从收集器的后部排出。公开的装置和设备的示例性实施例反而致力于捕获漫射光的主要部分以及其热环内不相配的波长的光。
[0015]示例性实施例包括散射光收集鳍，所述鳍结合至抽空管中的热导管。所述鳍和热导管可以一起涂覆具有广泛吸收力的且辐射最小的表面(“选择性的涂层”)以吸收进入热导管的能量。从此处，该能量被传导至抽空管部的高端部处的冷凝器。
[0016]现在考虑散射(非直射正常光)的路径。热环部件用作漫射光的主要以及次级目的地。散射的主要部分(或来自太阳的圆盘外部的光能)要么将大部分传递至鳍和/或热导管，要么将小部分朝向天空从管反射出去。导向热环的其它部分的光为直射正常辐照(DNI)的对于光伏电池来说波长不适当(因此不能驱动光伏效应)的那部分光。反而，另外不能用的那部分光传至热导管、散射鳍和光溢出捕获盖。所述鳍还被恰当定位以捕获被所述设备的多种表面和材料中的瑕疵错误引导的光。
[0017]在此以交错方式实现频率分割，该交错方式提供了高净效率(热功率和电功率共同计算)，而没有通常牺牲的电力输出。由于光伏电池的位置正处于过滤器组件的其中一个焦点，其能够分离于并热隔离于热导管和散射鳍的位置。因此，热导管和散射鳍能够在使得光伏电池最小增温的情况下获得更高且更有效的工作温度，而不降低装置电力性能。
[0018]在示例性实施例中，太阳能装置(或收集器管)包括至少一个包封管、至少一个热导管、至少一个反射器设备、至少一个反射过滤器以及至少一个光伏设备或UV过滤器。包封管的外表面由透射材料制成并且具有抽空的内部环境。热导管在至少一个包封管内纵向地延伸。反射器设备固定地附接至包封管的内表面，并且反射过滤器定位为使得射到反射器设备的光被导向至反射过滤器。反射器设备可以包括反射涂层。光伏设备定位为使得由反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至光伏设备。光的第一部分可以包括直射正常光。在示例性实施例中，光伏设备和反射过滤器定位为使得光伏设备由反射过滤器遮挡以免于直射(正常)光的照射。光的第二部分由热导管转换为可感知的热，并且被传导通过热导管。光的第二部分可以包括入射在热导管上的直射正常光和非直射光。光的第三部分可以包括反射器设备反射至散射鳍的非直射光(以及一小部分直射光)，使得所述光被热导管吸收或离开太阳能装置。
[0019]在示例性实施例中，太阳能装置(或“收集器管”)还包括冷凝器，所述冷凝器流体地连接至热导管。可感知的热可以经由热导管传导至冷凝器。太阳能装置还可以包括固定附接至至少一个热导管的至少一个散射鳍。
[0020]在示例性实施例中，进入太阳能装置的光有效地分裂为多个路径，并且收集的(或以其它方式支配的)光包括直射正常光和非直射光。直射正常光和非直射光可以以不同的比率集中。作为设计优点带来的好处，还能够针对选定的和未选定的波长获得不同的集中比率。一个此类路径可以包括穿过反射过滤器到达热导管和/或光溢出捕获盖的一部分直射正常光。
[0021]示例性的太阳能装置包括:至少一个具有由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境的包封管；至少一个在至少一个包封管内纵向延伸的热导管；至少一个固定附接至包封管的内表面的反射器设备；至少一个反射过滤器，其被定位为使得由反射器设备反射的光被导向至反射过滤器；以及包封管内的至少一个位置，光伏电池或UV过滤器能够定位于此，使得通过反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至光伏设备或被导向经过UV过滤器。光的第二部分被转换为可感知的热并且通过热导管传导。
[0022]现在考虑由所公开的装置组成的示例性阵列。太阳能系统(或“混合型太阳能系统或阵列”)的示例性实施例包括多个包封管和支撑组件，支撑组件支撑多个收集器管。每个包封管包括至少一个热导管、至少一个反射器设备、至少一个反射过滤器、以及至少一个光伏设备。包封管具有由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境。热导管在至少一个包封管内纵向地延伸。反射器设备固定地附接至包封管的内表面，并且反射过滤器定位为使得由反射器设备反射的光被导向至反射过滤器。反射器设备包括反射涂层。光伏设备定位为使得由反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至光伏设备。在示例性实施例中，光伏设备和反射过滤器定位为使得光伏设备由反射过滤器遮挡直射光。光的第二部分转换为可感知的热并被传导通过热导管。
[0023]示例性的太阳能系统还包括连接至支撑组件的热交换器外壳。示例性的太阳能系统还可以包括连接至支撑组件的追踪系统。追踪系统包括驱动组件，所述驱动组件操作性地连接至支撑组件以转动多个收集器管。在示例性实施例中，支撑组件以至少两个大致平行排的方式保持多个收集器管，使得保持在第一排(或“收集器管平面”)的收集器管部分地遮挡固定在管部第二排的收集器管，第二排的管设置在第一或最前排收集器管之间的间隔的中心。在示例性实施例中，太阳能系统的支撑组件保持前排和后排的收集器管，使得多于97%的光被阻止穿过。入射在系统上的光的主要部分被转换为可感知的热并且被传导通过热导管，并且入射在收集器管上的直射正常光的选定部分被用于照明或利用光电转换进行发电，并且未使用的那部分光被向上引导并从收集系统射出返回至天空。
[0024]本发明另一方面提供了一种太阳能系统的制造方法。示例性实施例还包括产生太阳热能和太阳光伏能的方法，包括提供至少一个包封管、提供至少一个反射器设备、至少一个反射过滤器、至少一个光伏设备和至少一个热导管。包封管设有由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境。反射器设备固定地附接至包封管的内表面，并且反射过滤器配置为使得由反射器设备反射的光被导向至反射过滤器。光伏设备配置为使得通过反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至光伏设备。热导管配置为使得其在至少一个包封管内纵向地延伸，并且使得光的第二部分被转换为可感知的热并且被传导通过热导管。示例性方法还包括将至少一个散射鳍固定附接至至少一个热导管。示例性方法还公开了使用高速瓶制造设备来生产反射器的策略，使用关于玻璃或其它部件的“竣工”地形绘制和“竣工”数据来由较不理想的制造工厂用较不理想的部件制造更理想的装置。
[0025]示例方法还包括将进入包封管的光导向以使得所述光分裂为多个路径。所述光可以包括直射正常光和非直射光，直射正常光和非直射光可以以不同比率集中。在示例方法中，光的第一部分开始作为直射正常光、微量的非直射光，并且终止在光伏设备或者终止在针对有用的热和去除UV的光的出口。光的第二部分可以包括入射在热导管上的并且由热导管吸收的直射正常光和非直射光。光的第三部分可以包括非直射光，以及反射器设备反射至散射鳍、热导管及光溢出捕获盖(或直接入射在散射鳍上)的微量直射正常光，使得所述非直射光和微量直射光进入散射鳍、捕获盖和热导管，或者从包封管离开。
[0026]相应地，可以看到公开了生产太阳热能和光伏能的系统、装置和方法。公开的系统、装置和方法提供相对于周围环境温度的高温热量，以及用于光伏部件的低温工作环境。参照以下详细的说明以及附图，能够了解本发明的这些以及其它特征和优点，遍及附图的相同的附图标记表示相同的部件。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]这些特征以及本领域技术人员在阅读了以下详细说明后所理解的多项附则和特征是由本发明的系统和制造方法获得的，本发明的优选实施例参照附图仅以示例的方式示出，其中:
[0028]图1示出了根据本发明的混合型太阳能系统的示例性实施例的立体图；
[0029]图2为图1所示的混合型太阳能系统的2&3 - 2&3截面视图；
[0030]图3为图1所示的混合型太阳能系统的2&3 - 2&3截面视图；
[0031]图4为根据本发明的混合型太阳能系统的示例性实施例的截面图；
[0032]图5为根据本发明的混合型太阳能系统的示例性实施例的截面图；
[0033]图6为图1所示的混合型太阳能系统的6-6纵向截面视图；
[0034]图7为图6所示的太阳能装置的7-7截面视图；
[0035]图8为具有代表性光束的根据本发明的太阳能装置的一半的截面视图；
[0036]图9为具有代表性光束的根据本发明的太阳能装置的一半的截面视图；
[0037]图10为根据本发明的太阳能装置的可选择实施例的截面视图；
[0038]图11为根据本发明的用于太阳能反射器的瓶预型器的示例性实施例的立体图；
[0039]图12为图11所示的瓶预型器的12-12侧部截面视图；
[0040]图13为图11所示的瓶预型器的13-13顶部截面视图；
[0041]图14示出了根据本发明的热环的侧视图；
[0042]图15示出了根据本发明的太阳能装置装配件的侧部截面视图；
[0043]图16示出了图15所示的太阳能装置的16-16横截面视图；以及
[0044]图17为根据本发明的示例性太阳能装置制造方法的过程流程图。
[0045]附图标记在附图中用于标示其中所示出的特定部件、方面或特征，一个以上的附图中的相同的附图标记用于标示其中所示出的相同的部件、方面或特征。
【具体实施方式】
[0046]在以下段落中将参照附图以示例的方式详细描述实施例，这些附图不是按比例进行绘制的，并且所示部件不一定彼此之间按比例绘制。贯穿本说明书，所示实施例和示例应当理解为范例而不是对本发明的限制。这里所用的“本发明”是指这里描述的任意一个实施例以及任意等同实施例。并且，对贯穿本说明书的本发明的多个方面的提及并不是指所有要求保护的实施例或方法必须包括所提及的方面。
[0047]大体上，所公开的实施例包括集中式、追踪式、混合型抽空管太阳能装置(或收集器管)1和太阳能系统110。多个抽空的收集器管I可以保持在包括太阳能系统110的组件中并且可以倾斜以匹配太阳200的高度。太阳能系统110的每个收集器管I能够在长轴线上转动，以对准其内部排列的集中元件11。收集器管(或装置)I的公开的实施例具有作为输出的以下可配置的组合:电压、热量、可用光以及综合性遮阳服务。这里还公开了用于太阳能装置及其系统的构造和组装的方法。卡塞格伦(Cassegrain)子单元11的线形阵列可以合并在收集器管I中。它们的形成因素在下文中详述。
[0048]这些卡塞格伦子单元11和组装的方法提供具有规范中的灵活性的可配置产品线，以符合制造商的能力和资源。而且，高温热量和模块化集中器的新颖组合允许对系统进行定制，以符合多种能量和服务生产需求——均在采用多种指定的收集器管I的单个太阳能系统110中。电、过程热、家用热水、空调、制冷、空间加热、遮阳以及无热光可以全部由相同的太阳能系统供能和/或供应。
[0049]每个太阳能系统110的太阳能收集区域(或采光口)可以被保持在彼此平行的一对平面7和8之间的多个收集器管(或装置)I所占据；一个最前排7比另一最后排8更接近太阳。收集器管I可以间隔开，以使得当太阳处于其轨道最高点时，第一排或第一平面(即最接近太阳)中的每个管捕获太阳光和天空光的全部照射量。最远或最后排(或平面)中的管部分地受到最前排的遮挡，因此它们可以捕获第一排的边缘反射，并且确实完成了对第一排的间隔所提供的采光口中的间隙的占据。这种重叠补偿了收集器管I的最前排7的沿着侧翼(或外边缘)的相对高的反射损耗。通过在它们的热环21中捕获来自第一排7的边缘反射并且防止边缘反射穿过到达结构底面，太阳能系统110提供了综合性遮阳。重叠度(每排之间的东西向间隔)是工程经济学的应用，其中每个指定的收集器管器件I的成本(取决于需要多少能量流以及需要哪些能量流)参照那些能量流(以及服务)的预期市场价值被设定。管的更接近的间距大体上有利于中午时间的能量捕获以及电力生产，因为其对产量较少的最后排的遮挡程度更大。
[0050]收集器管I的最前排7和最后排8在朝向太阳的维度上可以间隔足够远，使得空气能够循环，也使得安装工具和安装者的手能够进出。这种两层的方式使得用于给定安装位置的可用的太阳能采光口能够得到充分使用。这还防止了太阳光穿过太阳能系统“泄漏”从而加热下面建筑物的屋顶(由此先占了制冷负荷)。空气循环间隙也减少了由收集器区域产生的风力载荷，并且通过上升的气流改善了后部热沉43的冷却。收集器管I因此独立地并且作为一组进行工作，以形成用于太阳辐射的最大反射和阻挡层。通过该堆叠布置，它们用作综合性阻挡和反射的“冷却屋顶”。这种效应被了解为明显降低一天中的空调负荷周期的峰值处的制冷负荷。采光口的充分使用是这种布置的另一功能。
[0051]包封在每个收集器管I中并且与卡塞格伦光学元件11交错的可以是热导管45和散射吸收鳍46。入射在收集器管I上的那部分光谱(要么不能由选定的光伏材料转换，要么以与卡塞格伦反射器11不相配的角度到达，要么不希望地处于针对已过滤的光的出口 74中)要么大部分由热导管45及其散射鳍46吸收，要么大部分被朝向天空300反射回去。
[0052]这种波长选定和分隔由卡塞格伦装配件11中的次级元件:带通反射过滤器41(或“冷镜”)实现。光伏设备或电池38设置在带通反射过滤器的其中一个焦点处，并由此由针对与它们兼容的适当波长而选定的光照亮。
[0053]不能由选定的光伏电池38转换的光波长被导向为远离光伏电池38。由于入射在其上的光的特异性，光伏电池38可以以用于给定光通量的较低温度操作并因此更有效地工作。
[0054]由于收集器管I容纳集中光学器件，并且这里公开的那些光学元件需要整天追踪太阳200的行进，因此收集器管I保持在支撑组件2 (具有管传动和热交换器接口 112的支架，提供用于升高腿5的自动延伸)中。这种延伸和缩短使得太阳能系统110的两个平面7和8的整体一起上升和下降，以对应太阳运行路径中的高度的季节变化。每天太阳沿该路径(东西向)的位置变化通过每个管在其中心轴线上的转动来追踪。在收集日结束时，收集器管I反向转动至朝东的焦点以备下一天的收集。同样地，通过依据下一天的太阳行进路径的预期来调节升高腿5，从而调整方位角。通过刻意错过追踪太阳，对运动的软件控制也提供用于调整能量收集，并由此允许“关闭”和“仅加热”追踪方式和位置:这些选项对于安装、服务、安全和能量生产管理是有用的。
[0055]在太阳能装置(或收集器管)的示例性实施例中，包封管39是接触入射光的第一点。这对于两种光源是正确的，直射正常辐照光(“DNI”)9和非直射光(或“散射光”)10，非直射光被认为是来自所有方向(除了 DNI)的光。所有光的路径因此始于太阳200或围绕收集器管的反射材料的圆顶部，不包括太阳(“天空”)300。这两个起始源具有多个(在它们遇到太阳能收集设备110的排列好的收集设备I的包封管39以后的)功能性分组的结束终点:这些结束终点是已过滤的光的出口 74 (因此在光伏设备38中使用或经由过滤器81和散射鳍46传输)、热导管45和光溢出捕获盖51 (46,45和51经由热结合层引导至共同点并因此功能上是一个)，以及出口以返回至天空300 (如散射光10)或返回至太阳200 (也如散射光10)(在该示例中，对于本装置来说两者在功能上是相同的)，以及最终由装置吸收(不再属于经由上升气流的对流)。
[0056]在图8和图9中，示出了将太阳200的光(DNI)9和天空300的光(散射光)10连接到装置的元件且以多种顺序(分别具有示例标示的路径)穿过装置的元件到达主要的结束终点的这些路径的细节。这些路径示出为示例DNI9情况中的201、202、203、204、205、206、207、208、209、210 以及散射光 10 情况中的 301、302、303、304、305、306、307、308、309、310、311 和 312。
[0057]在光线201-210之中，所述装置的示例性实施例中的主要值和最大通量是路径202和208，它们将光传送至带通反射过滤器48并且主要仅是选定的波长49，用于传输至过滤后的光的出口 74。这些路径(202和208)结合光线路径305和308，形成第一部分光。光线201-210和301-312中形成第二部分光的是那些直接终止在热导管45的暴露表面上的光线。它们是302和201并且直接对热环21起作用。第三部分可以要么被散射鳍46吸收要么从装置I离开。所述第三部分的路径被标记为203、204、205、206、207和209，还有标记为301、303、304、306、307、309、310和311的直射光的光线路径。第三部分中的路径207、209和304、310是离开路径。其余光线(不由上述部分组成)是由装置吸收的那一小部分，由射线210和312表示。
[0058]由第一、第二和第三部分的光形成的综合性的主要部分使得所有源和路径的光被尽可能少地允许经过每个装置I以及被允许进入整个混合太阳能装置110 (由于收集器管I (及其内部结构)的相关布置)。光线201-210和301-312 (代表穿过收集器管I的多数路径)由所述装置和设备综合地且较高程度地使用。不在前三部分中的光线是210和312。
[0059]源自天空300的散射10中的光线示出为301-312，这种光特别关注的是这些光线都终止在热环21中。这就是通过设计得到的入射的直射光10中的主要部分。光线301、302,303,304 (由于成为了用于后排中的相邻收集器管I的非直射入射光10的一部分所以有304)、306、307、308 (部分地)以及309代表了在直射在收集器管I上的包括混合太阳能收集器的区域的直接入射光10中占据主要一大部分的路径。它们在几何形状上集中(暴露的热环部件45、51、46的面积小于包封管39的采光口面积)，并且还集中为抽空环境42中的可感知的热。这种可感知的热能够建立(升高的温度)，以随时间集中能量。此外，热导管47的工作介质凝结的温度可以在设计阶段进行调控(在规划热集中方面给定进一步、较大独立自由度)。不太重要的(并且在示例性设计中可以被最小化的)是由305表示的自然存在的那一小部分(其稍微弱化了位于用于过滤后的光的出口 74中的部件的性能)以及由310表示的另一同样小部分(其从装置I反射出去)。所述反射出去的光中的一些碰到相邻的收集器管1，并被视为用于该管的入射的非直接辐照10的另一示例，其余部分朝向天空300离开。
[0060]示例性实施例被优化用于路径(202和208)，它们将DNI9经由带通反射过滤器41引向过滤后的光的出口 74中，其次被优化用于终止在热环21中的路径。来自次级元件(或带通反射过滤器)41的“反射路径”将光49的所需部分(能够由所选的光伏电池38使用)反射至小的目标区域74 (还称为用于过滤后的光的出口)。从那里，它要么用于无热光收集(例如用于照明)，要么用以为产生DC电压的光伏材料38供能。主要反射器37和次级光学元件(反射过滤器)41的尺寸和形状代表太阳能装置(收集器管)I中的多个设计自由度中的两个，并且能够多样地构成以将焦点放置在主要反射器37的表面之上、表面处或者表面之下，并且用于通过卡塞格伦光学系统的常规设计方法来挑选对于选定的光伏材料多重的适宜的阳光、光伏电池38的设计，或者照明策略。而且，已知的卡塞格伦光学设计理论和方法能够引导第一、第二和第三部分的光的相对大小的接合以更接近地实现产品性能目标。
[0061]在示例性实施例中(其中没有根据卡塞格伦光学设计理论所采用和构成的日光照明选项，但不必优化三部分光的分配)，能够凭借上文以及下文所述的形成因素将所有类型的入射光的除了 2%以外的部分使用、吸收或反射回天空。
[0062]主要反射器设备37的行能够保持成单独一线，以用作沟槽或用作一系列井。在沟槽的示例中，次级元件(带通过滤器41)可以是热导管45的底部表面或者单独的部件(如这里示出的卡塞格伦实施例中的单独的部件)。在浅井或浅碗的排的示例中，次级部件41能够由托架44保持在目标区域之上。
[0063]热导管45和散射鳍46可以热结合并且在周围涂覆广谱吸收涂层48。散射鳍46向下延伸至主要反射器井或沟槽中，并且直接远离太阳。该散射鳍46提供用于热导管中的刚度，散射10的收集，以及天空图像或类似物向地面的偶见的镜面反射的抑制，这是相比较于不包括该装置的简单的复合反射系统的一个显著优点。鳍46还允许热导管在从东向西的横截面上渐窄，并因此允许更多的DNI光9穿过，并射向主要反射设备37。热导管45和鳍46可选地能够使用涂层48，该涂层吸收率一般，并且替代地能够相对于整体性以最少的成本着重于收集器的美观性能进行涂覆，同时不影响电气性能。
[0064]根据所需的产品价格或性能要点，每个卡塞格伦装配件11能够以不同精确度制造。抛物线形是需要的，但是球形截面以及其它非抛物线形的截面在某种程度上也能工作(给定了方案的非成像方面)，并且大体上实现起来成本不是很高。从主要反射设备37反射的光需要会聚在次级反射过滤设备41的直径处，随着次级反射过滤设备将光重新导向至用于过滤后的光的出口 74处，次级反射过滤设备能够被指定用于“校准”主要设备的光线图案。经由处于主要镜面的底部处的准直/均匀化管56能够控制其它的错误。另一方面，这是工程经济学应用，以相对于制造成本和零售价目标来平衡PV成本、集中度以及热值。
[0065]通常，用于过滤后的光的出口区域74处于主要部件的底部中心(正如在具有后部出口的传统卡塞格伦望远镜中)，但是这并不是必需的。在太阳能系统阵列110将被安装在非常低或非常高纬度的几何位置的情况中，卡塞格伦模块11能够(在制造时)朝向阵列的底部倾斜或朝向阵列的头部倾斜，以产生针对管和生成组件的倾斜偏倚。在非常低的纬度，朝向头部的偏倚将允许热导管45适宜地工作，因为当高于底部时，热导管的冷凝器端更好地工作。在此的交换是，可用的采光口的不那么有效的覆盖来换取热导管的适当功能。朝向底部的偏倚对于一些较高纬度的安装是有利的，因为这将允许组件靠近(例如)顶部铺设。对于敏感位置的美观度以及其它逻辑限制也可以用这些类偏置的收集器管I解决。
[0066]应该注意到，本发明的实施例的一个优势在于其与建筑物屋顶的适应性。屋顶应用明显受到空间以及方向的限制，而且它们非常接近它们所服务的负载并且总是可用的。这种接近度尤其对于开发热的产生关系重大。热量服务(例如空间和水加热)以及可服务热量负载(例如空调和食物制冷器)是建筑物的能量预算在电能方面以及成本方面的很大一部分。
[0067]收集器管I的形成因素提供了关于集中度的设计灵活性，以适应多种光伏电池38。采用小的PV电池38 (例如相对于母晶片较小)提供了经济地(具有较大效率以及较宽光谱响应)指定PV材料的机会。聚光部件(例如玻璃和纯粹的金属沉积)的低成本意味着，基于所选的PV材料以及光学器件(主要是反射器和过滤器)的精确度/设计，该形成因素能够支持热、电(以及可选的光)的多种产物的混合。用于过滤后的光的出口 74的小尺寸，主要和次级表面的两级放大，以及可用于准直/均质化管56的空间，意味着所公开的形成因素中，照射在电池38表面区域上且掠过电池38表面区域的光的分布和集中程度是高度可控的。具有每平方厘米较高的成本(因此对于在平板收集器上的使用过于昂贵)的光伏电池效率优化策略可以经济地用于预期实施例的集中器。
[0068]所述管可以终止于驱动轮毂，驱动轮毂接合管驱动以及热交换器接口 112 (也称为“头部”)中的追踪设备。计算机控制的发动机驱动管部用于对太阳的东西向追踪。通过使用时间等式(利用互联网上的或者其中存储的数据表)结合关于特定安装的位置和方向信息，计算机预测性地(而不是作为响应地)将阵列移动至例如光传感器。替代实施例能够采用太阳追踪传感器并且响应于太阳的视移来驱动太阳能收集器的运动。
[0069]热导管冷凝器16可以离开收集器管I的顶部，穿过驱动轮毂并进入管驱动和热交换器接口 112 (“头部组件”)中的热交换器13。头部组件可以具有用于冷却剂的冷却入口(以流经管的冷凝器16的后排(或平面)8)以及沿管部的最前排(或平面)7返回至热出口的回程。在非峰值小时内，当最前排管部明显遮挡第二、最后排时，如图3所示，冷却剂和冷凝器之间的温度差异大于平均值。由此导致该“后至前”路径产生较高热量输出。
[0070]收集器管I的光伏电池装配件12的端部是DC线束72从由热沉43形成的线槽离开的出口。收集器管I连结到头部中的至少两个分开的电力总线35中。因为收集器管I的最前排7和最后排8的遮挡方案设计为随一天的行进而不同，所以它们可以连结到单独的总线35以及单独的逆变器79。另外，额外的电路分隔是可能的，并且可能需要用来响应例如位置遮挡条件。通过连结和/或切割头部112中的电力总线35以电力地组合收集器管，这些均能够在安装期间在场地内实现。[0071]参照图1至图17将描述混合型热光伏太阳能收集系统(“混合型太阳能系统”110)、装置(“收集器管”1)以及建造方法128的示例性实施例。图1示出混合型太阳能系统110的示例性实施例，混合型太阳能系统110包括多个收集器管1，所述收集器管I由支撑组件2支撑，支撑组件2包括管枢轴3以及管驱动和热交换器(“管接口 ”)112。在一个实施例中，收集器管I为抽空管，包括光伏电池38和热导管45，热传递介质47流经所述热导管45。管枢轴3允许每个收集器管I关于其自己的轴线转动。管接口 112包括热收集(“热量收集”)，用于转动每个收集器管I的机构，以及用于管理管驱动和热交换器112的升高的机构(“太阳追踪设备”和热量捕获的超集)，以及一个或多个直流电(DC)电力总线35。
[0072]太阳能系统110通常是倾斜的以配合太阳的升高并且由方位角调节件5保持为恰当的瞄准。如下文将描述的，收集器管I可以包括光学元件37、40、41、44、48和56，它们将朝向每个管的轴线入射的太阳光集中。当所述管关于它们的轴线转动以追踪太阳在一天之间的行进时，所述光学元件执行良好。图1所示的实施例因此提供了收集器管1，所述收集器管I由管接口 112和管枢轴3保持到位，从而提供用于管平面的向上和向下倾斜以对应太阳升高路径的季节性变化，并且提供转动以在一天之间(由东向西)追踪太阳。更具体地，随着一天的经过，在其中心轴线上转动每个管。在收集日结束时，或者在下一个收集日之前，管能够被反向转动至朝东的位置，以准备用于下一天的收集。同样地，方位角在收集日期间被依据下一天的太阳路径的预期来进行调整。如上文所述，图1示出排成阵列的收集器管I的一般布置，所述收集器管I保持在成对的平行平面7和8之间，平行平面7和8的关系在横截面方向上由管部接口 112维持，管部接口 112转而由支撑结构2和枢轴3支撑。所述平行平面的结构进一步在图2中示出。
[0073]追踪是通过两个轴线，即通过两个轴线的控制实现的:对于太阳在北向南轴线上的视移升高，通过升高调整腿5的机动化连接来实现，以及通过管驱动和热交换器接口 112中的太阳由东向西追踪促使的收集器管I在枢轴3上关于其纵轴线的转动实现，如图4和图5所示。这种追踪策略在本领域称为“倾斜和转动”。
[0074]每个混合型太阳能设备110包括多个收集器管1，每个收集器管包括包封管39，所述包封管39具有抽空环境42并且由广谱透明玻璃(例如硼硅玻璃)制成，其中有一个或多个热导管45和卡塞格伦子单元11。光伏电池38在纵向维度上排列，由光伏电池装配件12固定。这些光伏电池装配件12和它们占据的热沉43附接至包封管39面对太阳的相对侧。这些元件共同提供能量收集效用。这些部件和它们的网式布置由图6至图16详细示出。
[0075]该设计的混合型热光伏太阳能收集系统110中每个收集器管I可以构成为产生(作为单独的能量服务源)以下各项的组合:A)在冷却剂中传输的热量，B)作为直流电(DC)或交流电(AC)的电，C)到达收集器管下面的或者邻近的相关建筑物的红外(IR)和紫外(UV)的过滤后的光，以及D)综合性遮挡。在电的示例中，该服务流可以被导向至输电网络、其它电力存储设备，或立即使用。在热量的示例中，服务流可以被导向至贮藏所、使用，或者作为热量消耗排泄。在过滤后的光的示例中，服务流可以被导向至天空光、光导管或类似物。在综合性遮挡的示例中，服务限于由太阳能系统110覆盖的表面。
[0076]图1示出太阳能系统110的实施例，太阳能系统能够安置在水平面上，例如平坦的或倾斜程度极低的屋顶。所示实施例的特点是，通过改变升高调整腿5(外加或排除安装腿延伸部6或太阳能板安装工业中使用的其它安装附件)的长度，支撑结构2能够简单地并且广泛地适应对位置的需求。
[0077]图2和图3为图1所示沿2&3_2&3截取的截面视图，示出穿过收集器管I的横截面视图。收集器管I包括光学元件(例如反射设备37和反射过滤器41)，用以集中太阳光，并且可以关于管轴线转动，以指向太阳200的位置。图2示出当太阳200处于其在天空中的最高点(“正午”)时收集器管I的方向，图3示出当太阳200远离其在天空中最高点(“非正午”)时收集器管I的方向。通过所示出的转动，收集器管I保持其光学元件用于捕获直射正常光9。
[0078]混合型收集器系统采用保持在两个平行的平面中的玻璃管，在图2和图3中标记为7和8，其中平面7 (收集器管的最前排)比平面8 (收集器管的最后排)更接近太阳。各个收集器管I的位置设置为使得当太阳处于正午位置时，最前排7中的每个收集器管I捕获太阳的全光照，并且最后排8中的管部填充最前排7的覆盖间隙，并且额外地捕获来自最前排7的收集器管I的边缘反射路径207和304(图8和图9)。收集器管I优选地布置为，用于允许空气流通并且允许安装和维修各个收集器管I。收集器管I两行的布置最大限度地利用了对于给定安装位置的可用的太阳能采光口。这还防止了太阳光穿过收集器“泄漏”以加热在其下面的建筑物的屋顶(在此产生制冷负荷)。收集器管I包括反射器37上的最大反射层40 (在图6、图7、图8、图9和图10中更详细地示出，并且非限制性地还称作主要元件)，以及可选地包封管39的内壁的截面。通过这种堆叠或排的设置，设备110能够用作底下建筑物的综合性反射银质屋顶，减少该结构的空调负载周期的高峰期时的制冷需求。
[0079]每个收集器管I包括包封玻璃管39和光伏电池38，包封玻璃管39可以具有圆形横截面并且实质上抽空了包围热导管45的气体。热导管45抢先接收入射在收集器管I上的光谱的一部分，这部分光要么不能由光伏设备38转换，要么不能进入可选的集中路径，要么被远离过滤后的光的出口 74导向。这受到仅在带通反射过滤器41之后的主要的光学路径中的光电材料的位置的影响。光伏电池38还位于处在热导管45和光溢出捕获盖51的阴影中的焦点上。由于入射在光伏电池38上的光(现在主要包括选定的波长49 )的特异性，它们能够以较低温度操作并因此产生更多的电。热导管45的热输出还能够以高温运行，而不降低光伏部件38的性能。示例性的收集器管(或“太阳能设备”)I的细节在作为图1中的纵向截面视图6-6的图6中，作为图6的横向截面视图7-7的图7中，以及部分地在作为热导管45和鳍46的纵向视图的图14中更详细地示出，并且示出它们在热环21中的作用。
[0080]正如接下来的描述，卡塞格伦子单元11的布置提供了在配置太阳能收集设备I和混合太阳能系统110中的灵活度，以符合制造商的能力和资源，还提供了灵活度，以符合甚至在单个安装中的多种客户能量生产需求。电、过程热、家用热水、空调、食品冷却、空间加热以及无热光，全部都能够由多种指定的相同设备取得。
[0081]包封管39可以由对太阳辐射高透射率的玻璃形成。在示例性实施例中，太阳能装置I包括至少两个能量收集设施，一个是热收集设施(采用附接至包封管39的内表面的热导管45的形式)并且另一个包括光伏电池和/或UV滤光通道(或“UV光过滤器”)81。尤其，太阳能装置I可以包括多个具有反射设备37的卡塞格伦子单元11，其中用来支撑带通反射过滤器(示例实施例中的“低通”或“冷镜”41)的托架44安装在热导管45后面(参照太阳的视角)。反射设备37将入射太阳光汇集在带通反射过滤器41上(这里非限制性地还称作“次级元件”)。热目标管45对于给定的收集器管I中的所有卡塞格伦子单元11是公用的。
[0082]一小部分太阳能穿过带通反射过滤器41并且由热导管45的被遮挡了直射正常太阳光9的那部分吸收。热导管45将来自每个卡塞格伦子单元11的分离的热能(或未选定的波长50)经由热量冷凝器16传送至管接口 112的热量收集部分，其中热量由混合型太阳能系统110使用热交换器外壳36中的热交换器13提取。太阳能的其它选定波长49从带通反射过滤器41反射到卡塞格伦子单元11下面的光伏电池38上，并在此被转换成电流。替代地，光伏电池38的位置被UV过滤器81占据用于日光照明。电线传递每个光伏电池38之间的能量。DC电流被传导至收集器管I的顶部端，传至管接口 112中的DC电力总线35。
[0083]卡塞格伦子单元11的线性阵列可以保持为平行于包封管39的轴线的一线，以便要么用作单个沟槽，要么用作一系列的井(如同纵向切成一半的蛋品包装盒)。在沟槽的实施例中，带通反射过滤器41可以是对加热目标管45的底部的表面的双重使用。该表面可以用带通反射过滤涂层48或材料处理，或者具有用反射过滤材料处理过的下层元件。在浅井或浅碗排的替代示例中，次级部件更像是透镜行(可能有饰面)并且分别立置在所示实施例中的支杆(或“托架”)44上，支杆44产生于或贴附至主镜(非常可能处于热导管的阴影内)。
[0084]热导管(或“热量目标管”)45可以涂覆有广谱选择性涂层76。热导管45还热结合至散射鳍46，散射鳍可以具有相似的广谱选择性涂层，所述涂层用作综合性光收集元件。如图6所示,并且参照图7至图10,散射鳍46从热量目标管45朝向反射设备37延伸，具有用于带通反射过滤器41的切口，并且其轮廓适于符合反射设备37的形状。散射鳍46提供用于热导管45中的刚度，用于散射光的收集，还提供天空图像或类似物朝向地面的分散的镜面反射的抑制。散射鳍46还允许热导管45在东/西横截面上渐窄，并且因此允许更多的光穿过并射向反射设备37。可选地，热量目标管45和散射鳍46能够在远离太阳朝向的侧面使用涂层涂覆，该涂层的美观性能大于热性能。
[0085]根据所需产品的预期价格或性能要点，能够以不同的精确程度制造每个反射设备37。抛物线形是一个理想的形状，但是球形截面以及其它非抛物线形的截面在给定样式的非成像方面时也足够好用。因此，可以利用它们(球形截面形状)制造简单的优势。从反射设备37反射的光仅需大约汇聚在带通反射过滤器41的直径处，由于带通反射过滤器将光重新导向至光伏电池38，其能够设计用于“校准”反射器37的光图样。通常，光伏电池38与反射器37的底部中心对齐(正如在具有后部出口的常规卡塞格伦望远镜中)。下文将描述与此的偏差。
[0086]针对带通反射过滤器41的选定的光49反射路径202和208 (尤其与传输路径相反，主要是206)，用于过滤后的光的出口 74 (或“目标区域”)要么装配有光伏电池38 (如图所示)，要么替代地装配有UV过滤器，所述UV过滤器立置在可见光目标(位于太阳能收集设备110之外并且远离太阳能收集设备110)之上，例如光导管阵列或天窗，并且可以包括扩散器或类似装置。在热加光伏构造中，光伏电池38感受较少热量和制冷循环，并且对于它们面对的有限的热循环，能够在承载部43中“浮动”(与真空压入夹层组件中的那些相比，正如在平板收集器中)。因此，具有更大尺寸变化(例如高长径前端导体(front sideconductors))以及更精致(例如更薄)的光伏电池能够更安全地采用。管部内的多个表面和涂层能够由真空保护，因此不需要防侵蚀保护。光伏电池38位于包封管39中的特定实施例允许光伏电池享有真空保护，由此它们也不需要保护性的涂层(因此能够节省成本并减少在那些涂层中的固有损耗)。
[0087]所需的光伏电池38的集中度和小尺寸还提供了将光伏材料用更有效和/或更高集中容限和/或更广光谱响应的光伏材料经济地升级的机会。便宜的集中部件(玻璃以及纯粹的反射涂层的沉积)以及可用于两件式卡塞格伦样式的集中多样性，意味着根据选定的光伏材料以及指定光学路径的精度和集中度，该形成因素能够支持多种比例的热与电的产出。小尺寸的目标面积以及两级放大还意味着，穿过目标的光的分布是可控的并且存在对于将传导格栅和总线放置在光伏目标的背面或采用其它相对昂贵的电池优化策略(对于平板收集器成本太高)的增强的诱因。
[0088]光伏电池38能够安装在主要反射器37的距离太阳200最远(很像笔直的卡塞格伦望远镜)的部分之下。因此，可选地插入集中式和均匀化元件(准直/均匀化管56)以采用内部和/或壁反射。通过与包封管的壁接触以及将热量桥接至外部，该同一均匀化单元56能够用作热沉，用于光伏电池中产生的任何残余热量。
[0089]在示例性实施例中，热导管45在反射设备37上的阴影可以通过将光伏电池38的导体掩膜/格珊的母线段放置在该阴影中来降至最小。在缺少格珊的情况(例如具有背面导体)中，通过将次级反射器的表面和/或位置去谐调整，并且通过使用准直管/均化器56，或利用包封管39的曲率强加的像散现象和光学学科开发的其它技术(均借助朝向光伏元件38的活性部分的均等照明的眼睛)，热导管45的阴影和支撑起次级元件41的支杆能够被散开。
[0090]依据在别处描述的优化方法，通过在中心转动电池从而在将其固定就位之前尝试不同的位置，光伏电池38的位置和定向还可以设置成可调谐的以用于理想输出。为了促进这种优化，光伏电池38上的导体能够离开同心凸部，因此电池能够以任意转动位置定向并且能够接触光伏电池装配件12 (可能是热沉43的一区域)上的总线线路。
[0091]在图2和图3中，示出跟随太阳在天空中从东向西的视移来使对太阳光的收集最大化的示例方法。太阳能装置I在此处以截面示出，保持在同样的两个平行阵列中:一，前排管7，二，第二后排管8，形成两个平行平面。互相交叉方向是用于截取入射的直射正常光9和入射的非直射光10中的主要部分(在图2和图3中没有示出非直射部分，见图8和图9)。同时，为了保持卡塞格伦子单元11与太阳从东向西的视移匹配，利用太阳追踪东西驱动器112 (在图4和图5中详细示出)，太阳能装置I在其中心轴线(纵轴线)上一致地转动。
[0092]图2示出太阳能装置I的任意尺寸的太阳能收集系统110的阵列的一部分。所公开的太阳能收集系统110构造用于提供东西向维度的尺寸灵活度，允许使用更多或者更少的太阳能装置I (按期望地)，以优化可用阳光照射区域的使用。同样地，示出的太阳能装置(或收集器管)I之间的相对位置和空间仅仅是在此所公开的设备的理念范围内多种设置中的一种。基于所需的系统性能和成本，以及期望的安装环境，所述系统能够设计为将管在朝向太阳/朝向地面的轴线和/或东西向轴线上均更紧密地保持在一起或进一步分隔。
[0093]在图3中，太阳能装置I示出为由图2以截面形式示出的太阳能收集设备排列。与图2不同的是，图3示出太阳正午时间以外的时间。入射的直射正常光9的光线能够由卡塞格伦子单元11接收，其集中式几何结构垂直于入射的直射正常光9。
[0094]太阳200相对于混合型太阳能收集器110的位置的自东向西运动和大气透镜在太阳的视觉位置上的作用在本领域称作“太阳追踪”并且能够在对图4和图5的说明中被详细描述的数字控制器22中计算。
[0095]图4以沿图1中4-4截取的截面图的形式示出太阳追踪东西驱动器112和热交换器13的机械逻辑和次序(未示出比例和结构细节)。图4还公开了太阳能装置(或收集器管)I的受控转动的方法。以冷却入口 14的形式示出的一圈导管循环至热输出口 15，它们共同驱动热交换器13，热交换器13包封热量冷凝管16 (在该截面图中均不可见，除了图5中:部件13和16)。热交换器13的入口首先循环制冷剂120至服务于最后排管8的热交换器13冷却入口 14，随后经由冷却剂归返回路77到达热交换器13的在上的，服务于更热的，更暴露于太阳的最前或前排管7的部分，然后到达至热输出口 15。
[0096]在示例性实施例中，太阳追踪东西驱动器包括用于步进式发动机23的数字控制器22，步进式发动机利用齿轮减速器24和蜗轮25来移动驱动器杆18。驱动器杆18的线性运动通过牵引杆连接板27转换为转动运动，牵引杆连接板27将驱动器杆18连接至阵列中每个收集器管的驱动轮毂28。替代的实施例可以仅驱动最前排管7并使得最后排管8静止。其它实施例可以以相似的但独立的驱动装置驱动前排管7和后排管8。驱动方案的其它实施例将最后排管8解除转动，除了一天中的在后管被太阳足够照射以证明效果的那部分时间。其它实施例可以用仅具有热量和冷却屋顶能力的静止的收集器管I来替换最后排。
[0097]转动精确度由软件保持，所述软件从位置读取器30读取的位置探测标记29获得阵列位置信息。抑制，推进并返回至起始点运动可以通过使步进式发动机23反转来实现，(或在替代实施例中接合反转齿轮)和/或进而利用复位主驱动弹簧31拉动复位带张紧器32并复位带33来实现。数字控制器22为电脑编程的，具有地理定位和混合型热光伏太阳能收集系统110的位置以及时钟或时钟信息接收器(例如全球定位卫星信号或中央广播时钟信号)以及计算机程序。所述程序采用本领域已知算法，来确定给定时间和日期的太阳视觉位置。基于安装数据和时间信息的组合，数字控制器22控制步进式发动机23和升高调整腿5。
[0098]图4还示出设备110的尺寸方面的可扩展性。热交换器13的导管进入并退出管驱动和热交换器接口 112的同一端，以便通过减少实地使用的管道数量而便于安装。而且，为了提供收集器管区域的简易增加(或扩展)，混合型热光伏混合太阳能系统110能够在管驱动和热交换器接口 112的端部设有用于电力总线20的结合器，用于热量输出17的结合器，用于驱动器19的结合器，以及用于复位杆34的结合器。通过这些结合器，包括具有相似或不同性能的附加的管驱动和热交换器接口 112单元的模块化扩展能够被附接，以扩展收集区域。
[0099]除图4之外，图5以截面图示出了太阳追踪东西向驱动器112和热交换器13的机械逻辑和次序(未示出比例和结构特性)，以示出收集器管I的转动方法以及太阳能装置I的端部处的热冷凝器16与包围热冷凝器16的热交换器13之间的结合，通过循环制冷剂120 (例如水、水和乙二醇混合物、或其它适当流体)，抽取收集器管I收集的热量，使其能够使用。热导管45中的热能传输至热冷凝器16，并且经由相变释放其能量至制冷剂120。在已经传导其热量至热交换器13中的制冷剂120后，热导管45中的热导管工作介质47由凝结状态转换为液态，并且向下落入(或由本领域已知的那些熟悉的热导管的适当的内部特征带走)至装置I的太阳200照射部分，以重新加热并且重新蒸发；只要入射在太阳能装置I上的太阳光能量足够，就重新进行所述循环。
[0100]在该实施例中，用于联结多个收集器管I的电力产品的电力总线35处于管驱动和热交换器接口 112中，以共享其外壳的保护并且便于快速安装。每个太阳能装置I具有一个或多个用于光伏电池38的电力串联线72，并且其端子能够根据被确定为针对安装位置以及针对为安装所选的逆变器79来说最优的电路平面图而联结至管驱动及热交换器接口112中的一个或多个电力总线35。在管驱动和热交换器接口 112中的是用于低瓦特数逆变器79的安装点(还称作“小型逆变器”或“微型逆变器”)。通过选择性地联结或切断总线以采用多元化的组合联结光伏电池38的收集器管I的电路，总线35是能够现场配置的，从而考虑了安装的预期峰值功率生产以及逆变器79的可用类型和尺寸。
[0101]热交换器外壳36利用管驱动和热交换器接口 112与周围环境热隔离，以减少热量损耗并且通过支撑结构2电力接地。利用支撑结构2接地的还有管驱动和热交换器接口。
[0102]太阳能装置I的运动的转动准确度由软件保持，所述软件从由位置读取器30读取的位置探测标记29获得位置信息。针对图4的运动管理已经在前面描述。在混合型热光伏太阳能收集系统110的该实施例中，用于光伏电池装配件的电路的电力总线35处于管驱动和热交换器接口 112中，以共享外壳的保护，并便于快速安装。替代实施例可以将电力总线35容纳在设备中的其它位置。收集器管I的最后排8出现重影，以区分两排。
[0103]在图6和图7中，收集器管I的示例性实施例以截面形式示出，并示出一个卡塞格伦子单元11和邻接的卡塞格伦子单元11的断片，以呈现收集器管I内件的重复特征。这里，为了清楚起见，交错的光学元件以两个视图的方式示出。这些表面提供的光路径在图8和图9中示出。在收集器管I的长度上，具有由涂覆有广谱反射涂层40的反射器37以及带通反射过滤器41组成的卡塞格伦子单元11，带通反射过滤器41构成为反射与应用选取的多种光伏电池38最匹配的波长的光。用于日光照明的UV过滤器81示出装配在用于过滤后的光的出口 74中，代替光伏电池38，并且PV线束72可以绕过任意UV过滤器。
[0104]对于每个收集器管I中的所有卡塞格伦子单元11共用的是热导管45，热导管45沿收集器管I的长度延伸。该热导管45经由热传导接合方法(例如焊接或压配)附接至薄传导金属(例如铝或铜)的散射鳍46，该散射鳍46涂覆广谱选择性涂层76。热导管45和散射鳍46和光溢出捕获盖51连同热冷凝器16和支撑销63 —起形成收集器管I中的热环21(在图14中分离出来)。
[0105]该热环21的对流和传导损耗受到抽空环境42以及其(作为一个组件)与收集器管I的其余部分之间的有限的物理接触的抑制。传导限于支撑销63、收集器驱动轮毂28的与热导管45的接触点，以及主要限于热冷凝器16。热冷凝器在图5中示出具有包围的热交换器13，热交换器13用于将高温热能抽取并移出用于操作或存储。
[0106]如图5中所示，收集器管I的最顶端部分还示出来自太阳能收集装置I的光伏电池38的PV线束72的DC引线端头。收集器管I联结在头部中的至少两个单独的电力总线35中。管部的最前和最后平面可以连接至用于单独逆变器的单独的总线，因为它们的遮挡方案在一天期间是不同的。其它的、额外的构造和电路也是可行且需要的。这些多样的电路设计能够通过剪短和/或消减示例性实施例的头部中的电力总线简单地实现。
[0107]整个混合太阳能收集器110，由于其用以合适地产生电压的需要，还能够利用任意设备将其自己关闭(或被关闭)，所述任意设备转动收集器装置1，使得主要反射器37面向地面。这就提供了对电力格珊的安装者和维护者或需要控制阵列生产的任何人的“关闭”或“安全”模式。防火团队同样需要安全地切断系统的能源。当电力格珊失效时，自动启动管阵列的电池或电容器甚至弹簧驱动的“关闭”是一件简单的事情并且省去了昂贵的DC灭弧开关。
[0108]图10示出卡塞格伦子单元11的示例性替代实施例，具有热导管45的对称布置以及用于反射器37的不同高度。在这些示例性的实施例中，热导管45和散射鳍46通过横向的热管道58热连接，横向的热管道可以是热导管45的分支或其它一些适合的热传导连接件。这转变了用于卡塞格伦子单元11的光能分布比例，有利于在反射器37上以及在带通反射过滤器41上(路径202和208)入射的直射正常光9的通过率增加带来的电力和/或照明服务，由于热导管45要么放置在包封管39的更加陡峭倾斜区域(反射损耗更大，例如图8中的路径207)之下，要么在另一替代方式中整体放置在反射器37后面。在这两种情况中，所述布置更完全地暴露(即减少在其上的遮挡)了反射器37的中心线(享有来自包封管39的最少透镜效应以及最低反射损耗)。这是以制造复杂度为代价的。这些替代实施示例的其余部件在图6和图7中示出。
[0109]图11示出瓶预型件59的多个截面，所述瓶预型件适于使用高速玻璃瓶生产设备大量制造。凹进压痕或瓶预型件轮廓60是反射器37切割的起始点。在所公开的示例性实施例中，反射器37处于壶和一些酒瓶生产线的尺寸容量范围内。在一种生产方法中，通过首先删除尺寸过大的圆形粗切削62，表面的精度能够被绘制使得最理想的反射器裁切线63能够预设并切割(即预设省略表面的最差成型的部分)。替代地，在对瓶预型件59进行任意切割之前可以进行评估。这种地形绘制和评估(包括质量控制检查)能够在反射涂层40实施之前或之后进行，因为表面图形(或拓扑)由应用反射涂层40的标准方法改变的程度最小。
[0110]在图12中，反射器裁切线61示出为在多个转动方向点中的两处并以两个不同的尺寸从瓶预型件59伸出，从而说明对于粗切削62可以从相同的起始瓶预型件59切割出多个尺寸。图13是瓶预型件59的中间截面图。在图12和图13中，凹进轮廓是相同的，转动对称的形状，但是不需要在任意特定轴线上都对称，并且能够分割成抛物面或任意其它适于反射器37的形状，并且符合高速瓶制造设备的要求。
[0111]图14示出示例性的热环21，为清楚起见，所述热环21作为组件与收集器管I分隔开。示例性热环21可以包括热导管45、散射鳍46、热冷凝器16、支撑销63以及收集器管驱动轮毂28和吸气器75。通过支撑销63并通过尽可能少地使用热传导特征件73密封，该装配件被保持为远离与包封管39的接触(这里未示出)，结合至收集管驱动轮毂28。吸气器75维持真空。吸气器是本领域已知的，随着杂散气体和蒸汽在收集器管I密封后以及在其使用期限内从收集器管I内部的材料缓慢释放，吸气器清除这些杂散气体和蒸汽。这些吸气器75附接至散射鳍46。
[0112]图15和图16示出光伏电池装配件12的实施例，所述光伏电池装配件12包括热沉43，热沉43将光伏电池38的位置(或用于日间照明的UV过滤器81)固定在卡塞格伦子单元11 (这里未示出)的用于过滤后的光的出口 74中，热沉43贴附在卡塞格伦子单元下方。该热沉43包括由膨胀间隙64限定边界的部分，所述膨胀间隙由密封垫圈65进行防水布置。为了组装时的单独优化，每个光伏电池38在光伏电池装配件12中的位置是可调就位的。一旦优化，方向由热传导材料填充的粘结剂70或类似物固定。
[0113]整个混合型热能光伏太阳能收集系统在每日工作周期加温和冷却。为了保持卡塞格伦子单元11和其服务的光伏电池38之间的焦点对准，并且为了将扩展和收缩的影响降至最低，每个光伏电池装配件12在热沉结合柱71 (与用于过滤后的光的出口 74成一线设置)处结合到收集管I。由部件43和39的膨胀系数的差值产生的机械应力由此集中在膨胀缝64及其密封垫圈65，并且由膨胀缝64及其密封垫圈65的柔性吸收。
[0114]图17示出太阳能装置I的装配逻辑。目标是收集器管I具有相似效率的卡塞格伦子单元11和光伏电池装配件12，以最小化串联电路电力损耗(由于电压失配)并产生由输出匹配的太阳能装置(收集器管)I的组。失配光伏电池38的电流减小至在该串联中的最低效率的卡塞格伦子单元11和光伏电池38对的电流。根据在用于过滤后的光的出口 74处测得的通过量，该目标通过对卡塞格伦子单元11进行箱排序而实现，每个包封管39能够填充有具有相似通过量的卡塞格伦子单元11。产生的具有卡塞格伦子单元11的抽空管随后能够具有特征并紧密配合适当的光伏电池装配件12的组，并且随后根据图15和图16描述的机械方案结合到一起，并变成一个在此所述类型的收集器管I。
[0115]制造方法:
[0116]下文描述的以及图17中的流程图是用于构造反射器37并将它们组装成插入包封管39中的组的示例性方法128，还是用于组装并调试卡塞格伦子单元11的方法。该说明是为了解释的目的而非限制本发明的范围。
[0117]步骤129是玻璃管的生产。步骤130:除了制作最大和最小壁厚以及内直径和外直径(正如在玻璃管生产中常规的)，针对每个管部也采用了 “竣工”测量并将追踪发送至生产过程管理器136。
[0118]步骤134是瓶预型件59的生产。为说明目的，图11示出用于将反射器37预成型为瓶子的大体设置的立体图，图12为图11的中间截面视图，并且图13为图11的横向截面视图。使得在瓶预型件59的侧面的凹进压痕足够大，以提供镜子尺寸的完整范围，每个镜子能够针对每个管定制切割。使用常规的瓶制造设备，反射器(或“主镜”)37用便宜的玻璃以高速度和低成本形成。正如常规的瓶生产技术，预成型瓶是吹制或膨胀成型的。膨胀的玻璃块遵循瓶机器的形成表面形成瓶子的“外部形状”。瓶子形成器以及玻璃块在它们内部膨胀是既定的高度自动化工艺。施加球面或抛物面的向内的压制，允许再利用或交叉利用常规的瓶制造工具用于以高速度和低成本提供主镜。
[0119]步骤135:测量完成的瓶预型件59的表面精确度并将其发送至步骤136，来确定用于以总体最佳表面精确度来切割反射器的方向。完成的瓶预型件59可以由计算机控制的喷水式切割器处理，或者适当替代地在步骤137中依据由生产过程管理系统步骤136构成的方案进行切割。反射器37在仍然附接至瓶“枉体”的同时或者在之后进行涂覆。瓶材料的其余部分(服务于其支架用途)作为玻璃屑返回至步骤134进行处理(压碎的玻璃用于再利用)。
[0120]反射器37 (或“主镜”)还可经由步骤137中的银、渗铝或二向色涂层而具有镜面抛光。如上文所述，在多数示例中，由于真空将保护它们免于锈蚀及其它剥蚀，所以能够省去保护层的花费。反射器37再次被测量，而针对次级带通反射过滤器41形状的规定在步骤132被阐释。
[0121]步骤132 (带通过滤器41生产的起点)，碾磨或从准备的示例中选择候选过滤器基质，并按需在步骤133将其涂覆带通反射涂层48。在步骤138，反射器转配有用于次级件41的托架44。由于该设计采用了很多第一表面(反射器)，因此它不排除在反射器、托架或过滤器的形成中对塑料、陶瓷或金属的使用。它们仅需承受/配合真空环境和通量水平。
[0122]步骤139将反射器和其过滤器41合并(基于从步骤132获得的针对反射器37的规定的信息)。过滤器41连续地在步骤140被重新定位，在步骤145进行针对用于过滤后的光的出口的通过量的检测，然后回到步骤140，重复该过程直至预定数量的位置已经被尝试过了(依据155)。在步骤141中具有最高通过量的位置由步骤140返回，随后反射器和次级对被发送至步骤144用于固定。
[0123]步骤143将现在匹配的并且评分的卡塞格伦子单元11箱排序在相似得分的组中。当达到足够填充包封管39的量时，它们在步骤142对齐。同时，热环21在步骤146已经准备好(以已知的方式抽空管部收集器，但具有公开的实施例的散射鳍46和热导管45形状和不对称性)。
[0124]在步骤143和142聚集并对齐的卡塞格伦子单元11的组利用步骤146的热环21合并，粘接剂73应用到每个卡塞格伦子单元11，并且在步骤141滑入卡塞格伦子单元11定制切割所针对的尺寸的包封管39中。11上的粘接剂结合至包封管39的内部。收集管驱动轮毂28贴附至包封管39的开口，并且在步骤148抽出真空并密封。
[0125]在别处，在步骤149，热沉43被挤压、磨铣，用于结合支柱71和膨胀间隙64并定长剪切。因此准备好的热沉进入步骤150用于安装光伏电池38和线束72以及可选地安装UV过滤器，用于日光照明81和热传导粘接。
[0126]接下来在步骤151，整装好的热沉43 (现在是光伏电池装配件12)施加胶合剂和密封垫圈65材料，并被传送至步骤152。步骤152联结步骤148的产品并将光伏电池38与选定管部的阵列式卡塞格伦子单元的过滤后的光的出口 74对齐。步骤153为QC检测和评定。步骤154中，QC检测和评定数据用于按分数对完成的收集器装置I入箱，并且包装用于运输。步骤155阐明参数，基于所需生产速度，利用所述参数在步骤140和145之间运行周期。步骤项156示出代表材料流的连续箭头。步骤项157示出代表信息流的虚线。
[0127]步骤132存在明显的灵活性要素。主镜或反射器或者分批地或者单独地检测它们的聚焦性能和细节，并且次级元件(带通反射过滤器41)可以被单独地选定或研磨以匹配。该过程可以比作制造人们眼镜片的过程。主要部件为人类的眼睛，次级部件为眼镜的镜片。一个能够从现有库存中拉玻璃(如眼镜项目的慈善再使用)或者一个能够磨削一个定制(如验光师为原始患者制作的)。基于可使用的资源，两种方法均可用。在两种情况下，一个将眼睛(或反射器)作为给定值，并且致力于围绕其进行优化(因为这样更有价值/成本更高)。
[0128]更加节约成本的策略可用于该生产方法。成对的主要过滤器37和次级过滤器41并不记分(即使最低可接受太阳能生产)，在此时被便宜地导入侧线以报废，或者作为非光伏混合物，例如热屏蔽/热收获天窗(大体上容许精确度较低的光学性能)。或者变成打折扣的“仅热量”管的一部分，以美观上匹配混合阵列中的其它装置。每对代表生产成本的一小部分，因此在结合较大组件之前能够作为失效元件被经济地回收利用或重新导向(作为上述“仅热量”装置)。[0129]贯穿本说明书的涉及“一个实施例”或“实施例”是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在贯穿本说明书的多个位置出现并不一定都指相同的实施例。而且，正如本领域技术人员从说明书中所了解的，特定特征、结构或特性可以以任意适当方式组合在一个或多个实施例中。
[0130]同样可以理解，在对示例性实施例的上述说明中，多个特征有时在单个实施例、单幅图或其说明中组合在一起，用以简化该说明书并且有助于理解多个发明点中的一个或多个。但是，这里公开的方法并不应解释为反映这样的意图，即，要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确引用的特征更多的特征。而是正如所附权利要求反映的，创造性的方面可以体现在比上述公开的单个实施例的所有特征要少的方面。
[0131 ] 应该理解，前述构造和特定部件中的任一个或者可以与前述实施例中的装置或系统中的任一个替换使用。尽管阐释的实施例在上文中进行了描述，然而对于本领域技术人员来说明显的是，在不背离本发明的范围的基础上可以做出多种变化和调整。所附权利要求意欲覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这些改变和调整。
【权利要求】
1.一种太阳能装置，包括: 至少一个包封管，所述至少一个包封管具有由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境; 至少一个热导管，所述至少一个热导管在所述至少一个包封管内纵向地延伸； 至少一个反射器设备，所述至少一个反射器设备固定地附接至所述包封管的内表面；至少一个反射过滤器，所述至少一个反射过滤器定位成使得射到所述反射器设备上的光被导向至所述反射过滤器；以及 至少一个光伏设备，所述至少一个光伏设备定位成使得由所述反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至所述光伏设备； 其中光的第二部分被转换为所述热导管能够感知的热并被传导通过所述热导管。
2.根据权利要求1所述的太阳能装置，其中所述光伏设备和所述反射过滤器定位成使得所述光伏设备被所述反射过滤器遮挡直射光。
3.根据权利要求1所述的太阳能装置，进一步包括冷凝器，所述冷凝器流体地连接至所述热导管，其中所述能够感知的热通过所述热导管传导至所述冷凝器。
4.根据权利要求1所述的太阳能装置，进一步包括至少一个散射鳍，所述散射鳍固定地附接到至少一个热导管。
5.根据权利要求1所述的太阳能装置，进一步包括反射涂层，所述反射涂层位于所述至少一个反射器设备上。
6.根据权利要求1所述的太阳能装置，其中进入所述包封管的光分裂为多个路径，所述光包括直射正常光和非直射光； 其中所述直射正常光和非直射光被以不同比率集中。
7.根据权利要求1所述的太阳能装置，其中光的所述第一部分包括直射正常光。
8.根据权利要求1所述的太阳能装置，其中光的所述第二部分包括入射在所述热导管上的直射正常光和非直射光。
9.根据权利要求1所述的太阳能装置，进一步包括光的第三部分，所述光的第三部分包括由所述反射器设备反射至散射鳍的非直射光和直射光，使得所述非直射光被所述热导管吸收，或者从所述包封管离开。
10.一种混合太阳能系统，包括: 多个太阳能装置，每个装置具有: 包封管，其包括由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境； 至少一个热导管，其在所述至少一个包封管内纵向地延伸； 至少一个反射器设备，其固定地附接至所述包封管的内表面； 至少一个反射过滤器，其定位为使得由所述反射器设备反射的光被导向至所述反射过滤器；以及 至少一个光伏设备，其定位为使得经由所述反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至所述光伏设备； 其中光的第二部分被转换为能够感知的热并且被传导通过所述热导管；以及 支撑组件，所述支撑组件保持所述多个太阳能装置。
11.根据权利要求10所述的太阳能系统，进一步包括连接至所述支撑组件的热交换器外壳。
12.根据权利要求11所述的太阳能系统，进一步包括连接至所述支撑组件的追踪设备。
13.根据权利要求11所述的太阳能系统，其中所述追踪设备包括驱动轮毂，所述驱动轮毂操作性地连接至所述支撑组件，以转动所述多个太阳能装置。
14.根据权利要求10所述的太阳能系统，其中所述支撑组件以至少两个大致平行的排的形式保持所述多个太阳能装置，使得保持在第二排的装置大致挡住第一排的装置之间的间隙，并拦截来自第一排的装置的表面反射。
15.一种产生太阳热能和太阳光伏能的方法，包括: 提供至少一个包封管，所述至少一个包封管具有由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境； 将至少一个反射器设备固定地附接至所述包封管的内表面； 配置至少一个反射过滤器，使得由所述反射器设备反射的光被导向至所述反射过滤器；以及 配置至少一个光伏设备，使得通过所述反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至所述光伏设备； 配置至少一个热导管，使得所述热导管在所述至少一个包封管内纵向地延伸，并且使得光的第二部分被转换为能够感知的热并且被传导通过所述热导管。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括将至少一个散射鳍固定地附接至所述至少一个热导管。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括将进入所述包封管的光导向使得所述光分裂成多个路径，所述光包括直射正常光和非直射光，并且以不同的比率集中所述直射正常光和非直射光。
18.根据权利要求15所述的方法，其中光的所述第一部分包括直射正常光。
19.根据权利要求18所述的方法，其中光的所述第二部分包括入射在所述热导管上的直射正常光和非直射光。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括光的第三部分，光的所述第三部分包括由所述反射器设备反射至散射鳍的非直射光，使得所述非直射光进入所述热导管或从所述包封管离开。
21.一种太阳能装置，包括: 至少一个包封管，其具有由透射材料制成的外表面和抽空的内部环境； 至少一个热导管，其在所述至少一个包封管内纵向地延伸； 至少一个反射器设备，其固定地附接至所述包封管的内表面； 至少一个反射过滤器，其定位为使得由所述反射器设备反射的光被导向至所述反射过滤器；以及 至少一个在所述包封管内的位置，光伏设备或UV过滤器能够定位于此，使得通过所述反射过滤器过滤的光的至少第一部分被导向至所述光伏设备或被导向通过UV过滤器； 其中光的第二部分被转换为能够感知的热并且被传导通过所述热导管。
22.根据权利要求10所述的系统，其中所述支撑组件保持太阳能装置的前排和后排，使得一大部分光被阻止穿过； 其中，所述一大部分光的第一部分通过光电转换被用于照明或电力生产，所述一大部分光的第二部分被转换为能够感知的热并被传导通过所述热导管，并且所述一大部分光的第三部分包括由所述反射器设备反射至散射鳍的非直射光和直射光，使得所述非直射光由热导管吸收或从所述包封管离开。
【文档编号】H02S40/22GK103620950SQ201280032583
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年5月1日 优先权日:2011年5月2日
【发明者】保罗·艾伦·博斯特威克 申请人:保罗·艾伦·博斯特威克