[0001] 本发明涉及一种用于在集中太阳辐射中使用的集中器。 本发明具有对各种可能类型的接收器的集中辐射的应用，所述各种可能类型的接收器包括被布置用于提供太阳能到热能的转换、太阳能到化学能的转换、以及太阳能到电能的转换的那些接收器。

[0002] 本发明所涉及类型的集中器(有时被称为平板集中器)通常用在屋顶和类似的这种应用中，并且为此目的，该集中器被构造成相对不引人注目的单元，该单元提供对入射太阳能的集成的集中和收集。

[0003] 已开发了各种改良类型的平板集中器，以替选地并入透镜系统和线性槽型反射器系统，其中的一些已包含有静态收集器系统，而其中的其它已并入了动态(太阳跟踪)收集器系统。 已开发了具体设计来提供太阳能到热能的转换，该转换一般包括对管型接收器内的水或其它流体的加热；以及太阳能到电能的转换，在后一情况下使用高性能光伏(photovoltaic，PV)电池。

[0004] 具有与本发明相关背景的典型平板集中器是在依据作为Hines等人的受让人的、名称为Practical Instruments的公司所提出的国际专利申请第PCT/US2007/001159号的WIPO国际公布第2007/084517号中公开的一种集中器。 所公开的太阳集中板包括多个平行隔开的、槽状的线性集中器模块，其中的每个带有PV电池的线性阵列。集中器模块具有槽壁，该槽壁被形成为向PV电池反射入射太阳辐射的轮廓(profile)，并且集中器模块被布置成被驱动以相对于支撑结构在枢轴上转动(pivot)，以跟踪太阳的明显移动。 因此，在所公开的太阳集中板中、以及在本申请人所知道的所有其它线性平板集中器中，每个接收器(例如，以PV电池的线性阵列或流体导管的形式)由以槽状集中器模块的形式的单个折射器或单个反射器承载，从而与所述单个折射器或单个反射器相关联。

[0005] 另外，已描述了大规模线性菲涅耳太阳能-热能收集器系统，并且针对用途相关的应用构造了该系统，并且其中，采用多个(地面安装的)枢轴反射器来实现提高的线性延伸接收器的辐射。 然而，这样的系统在种类上与本发明所涉及类型的集中器不同。

[0052] 如图1所示，太阳集中器包括外壳10，其具有基部11和覆盖部12。 覆盖部具有由三个窗(上窗13以及侧窗14和15)限定的大致矩形孔(当从上观看时)。 上窗和侧窗由对太阳辐射透明的材料形成，通常为具有大约3mm到5mm厚度的玻璃。 覆盖部的端板16也可由玻璃形成，或者替选地由半透明或不透明材料形成。 包括覆盖部12的完整外壳10通常可具有大约如下的尺寸：2.50m到4.5m的长度(北南)、1.0m到3.0m的宽度(东西)以及0.3m到0.4m的高度。

[0053] 外壳覆盖12包括骨架结构17，图2A和2B中仅示出了其部分，窗13到15被紧固到该骨架结构17。 可选地由单独的金属挤出件制成的骨架结构17被成形，使得侧窗14和15以与上窗13的(水平)平面成角度α地倾斜，并且使每个侧窗倾斜以与上窗13形成夹角δ(如图3所示)。 角度δ处于105°到165°的范围内，并且最期望为大约
150°。 因此，角度α处于15°到75°的范围内，并且最期望为大约30°。

[0054] 可选地使两个侧窗14和15倾斜，以与上窗13形成不同的夹角δ和δ1。 然而，侧窗期望以相同的角度倾斜，并且因此两个侧窗所对的夹角期望为大约120°。

[0055] 使用中，通常将外壳10安装到支撑结构(例如建筑物屋顶)以在北南方向上纵长延伸。

[0056] 两个平行线性延伸的接收器组件18安装在外壳内，并且位于覆盖部12的上窗和相应侧窗的顶点附近。当集中器在原处并且接收器组件18在东西方向上被横向隔开时，接收器组件18在北南方向上线性延伸。

[0057] 如先前所指出的，依据输出的性质，对于不同类型的集中器，接收器组件18可采取不同的形式。图2A示出了适合于意图提供太阳能到电能转换的集中器的接收器组件的端部视图，并且图2B示出了适合于意图提供太阳能到热能转换的集中器的接收器组件的端部视图。

[0058] 如图2A所示，接收器18包括纵向延伸的狭长基板19，在其上在基板的纵向方向上排列有多个PV晶片方块20。晶片方块20被布置成在使用中暴露于被反射的太阳辐射之下，并且在方块的后侧与位于基板19上的母线之间进行电气连接(未示出)。 导热且不导电的涂层材料介于母线与基板19之间。虽然未示出，但是基板和晶片方块可以以环氧树脂封装并且可位于玻璃覆盖之后。

[0059] 在Krauskopf等人于2008年10月31提交的并随后转让给本申请人的美国临时专利申请第61110109号中公开了适合于在本发明的集中器中使用的类型(并且具有晶片方块的线性阵列)的PV接收器。

[0060] 金属导管21以热接触的方式安装到基板19的背面，金属导管21容纳在覆盖的骨架部分17的北南延伸部分的纵向延伸通道22内。 在两个横向间隔的接收器组件18中的导管21串联连接，并且在使用中携带热交换流体(从外部回路)，该热交换流体被用来将PV方块维持在适当的工作温度。依据在任何给定应用中采用的热交换流体的类型(例如，油或水)和工作温度，导管21可由铜或镀有黑铬的钢构成。

[0061] 未被导管21占据的通道22的区域用绝缘材料23填充。 另外，通道22之上的空间17a由环氧树脂占据，该环氧树脂被用来保持窗玻璃，并且在通过间隔物17b设置的同时保持环氧树脂。

[0062] 向下突出、纵向延伸的金属侧壁24形成接收器组件的下通道的侧面，并且还起到针对被反射辐射的次级反射器的作用，该被反射辐射否则将溢出、偏离目标而到PV晶片方块阵列的侧面。

[0063] 虽然以上在太阳能到电能转换的背景下描述了接收器组件18，但是对于太阳能到热能的转换，可采用相同的接收器结构但是其中省略了PV晶片方块，作为对图2B所示的接收器组件的替选。

[0064] 如图2B所示的接收器组件18包括金属导管25，其容纳在覆盖的骨架部分17的北南延伸部分的纵向延伸通道22内。还是在本实施例中，在两个横向间隔的接收器组件18中的导管25串联连接，但是在使用中它们携带要在下游热传递处理中外部采用的热交换流体。每个接收器组件中的导管25直接暴露于被反射的太阳辐射之下，并且还在本实施例中，依据热交换流体的类型和工作温度，导管21可由铜或镀有黑铬的钢形成。

[0065] 纵向延伸的通道状次级反射器26位于导管25之后的通道22内，并且在使用中被用来向导管反射太阳辐射，该太阳辐射否则将溢出、偏离目标而到导管的侧面。 本实施例中的次级反射器在几何结构上被形成为两个局部抛物线部分27，其沿着中央纵向延伸的尖点(cusp)28互连。

[0066] 如图4到6所示，一组十个线性延伸的行聚焦反射器元件30与集中器外壳10内的两个接收器18中的每个相关联并且位于两个接收器18中的每个之下，并且两组的反射器元件30被布置成向相应的接收器18向上反射通过外壳覆盖12的透明顶窗和侧窗13到15的入射太阳辐射。每组反射器元件30可包括四个到十二个之间的(如图所示，更通常为十个)单独反射器元件30，单独反射器元件30被支撑用于东西方向上的枢轴(太阳跟踪)移动。 四个驱动机构31(如下所述)位于外壳10内，每组反射器元件30的每端有一个驱动机构31以用于将枢轴驱动传给反射器元件。

[0067] 每个反射器元件30具有与其相关联的接收器18大致相同的长度，并且每个反射器元件具有局部圆形的集中轮廓，但是也可采用其它集中轮廓，例如局部抛物线集中轮廓。 可通过辊轧成形或挤压成形操作来施加集中轮廓。

[0068] 在局部圆形的集中轮廓的情况下，可使反射器元件的曲率半径在组的范围内最优化(如果目标宽度足够大)，或者在另一实施例中，可通过给定反射器元件与其相关联的接收器之间的距离来确定；但是通常可以是大约200mm到700mm。

[0069] 每个反射器元件30由片铝或条铝形成，通常具有大约0.30mm的厚度，并且其设置有镀银的或受过阳极化处理的上反射表面。反射器元件可由以商标Alanod出售的材料形成。

[0070] 每个反射器元件30通常将具有45mm到70mm范围内的宽度，并且如以下关于图5所述，在集中器的一个实施例中，与相应的接收器18相关联的反射器元件的曲率半径和弦宽度均可根据反射器元件距相应的接收器的距离而变化。

[0071] 图5示出了十个反射器元件30与每个接收器18相关联的布置。与每个接收器组件相关联的反射器元件具有随着反射器元件距接收器组件的距离而增加的曲率半径、以及随着反射器元件距接收器组件的距离而减小的弦宽度。各个反射器元件30的曲率半径在这样的情况下将取决于反射器元件距相关联的接收器组件18的距离，并且各个反射器元件可具有随着远离接收器而从大约60mm减小到大约35mm的弦宽度。 因此，例如，两个中心反射器元件30a可具有58mm的弦宽度，每侧的两个最外的反射器元件30b可具有38mm的弦宽度，并且两个中间反射器元件30c的两组可具有48mm的弦宽度。

[0072] 图6示出了十个反射器元件30的单个组(同样可与单个接收器18相关联)，并且如图6和7所示，外壳10内的每个反射器元件30在纵向间隔的耦合构件32之间延伸，耦合构件32将每个反射器元件的相对端连接到外壳10的基部11内的固定端壁33。驱动机构经由耦合构件32将枢轴运动传给反射器元件30，并且再经由耦合构件在每个反射器元件上施加张力负载。

[0073] 反射器元件30以张力被加载到20Kg到60Kg范围内的水平，并且如先前所阐述，在纵向间隔的耦合构件32之间以张力加载反射器元件的结果是，每个反射器元件有效地以如下方式被支撑：其使得沿反射器元件的纵向范围保留反射器元件的横向集中轮廓。

[0074] 纵向间隔的耦合构件32被安装到相应的端壁33以用于旋转，并且每个耦合构件32关于端壁33可轴向移动以用于以张力加载相关联的反射器元件并且根据需要调整张力负载的目的。

[0075] 每个耦合构件32包括两个夹钳部件34和35，它们被布置成收纳并夹钳到相关联的反射器元件30的端区域。 另外，夹钳部件被加工为具有提供夹钳接口36的轮廓，夹钳接口36与相关联的反射器元件的集中轮廓匹配。因此，在夹钳部件之间以及在其附近维持轮廓，而与其预先形成无关。

[0076] 耦合构件32的旋转致使枢轴运动传给反射器元件30，并且从夹钳部件34的盘状部分38向后延伸的转向轴(stub axle)37突出穿过端壁33。 以推力轴承(未示出)带动每个耦合构件32的轴37，以调节通过对反射器元件30的张力加载而施加在耦合构件32上的张力。

[0077] 通过驱动机构31的线性步进电机39，以每分钟0.125°的太阳(明显)行进速率，太阳跟踪枢轴驱动被传给在每组反射器元件30的相对端的所有耦合构件32。来自电机的线性输出运动被传给线性滑动型致动器40，并且线性致动器40的平移运动通过枢轴链接41而作为旋转运动传递到所有耦合构件32(耦合构件32一致地运动)。枢轴链接经由从耦合构件向后突出的链接销(pin)42将线性致动器40和耦合构件32互连。

[0078] 如图6所示的驱动机构31在每组反射器元件30的两端被复制，以使反射器元件的扭矩扭转的风险最小化。 即，如在图8中示意性地示出的，两个纵向间隔的驱动机构31a和31b耦合到与每个接收器18相关联的反射器元件30的组并作用于该反射器元件30的组，并且电同步系统45被用来链接两个驱动机构31a和31b中的每个。

[0079] 温度传感器44(例如以热电偶器件的形式)位于每个接收器18的每端附近(但是向内与其分隔)，并且被用来协助驱动机构31a和31b同步。 传感器44及其相关联的电路(未示出)也可被用来通过控制反射器元件30的定位来协助反射器元件对接收器的正中目标跟踪，以维持每个接收器处的最大温度水平。

[0080] 虽然未示出，但是也可提供感测电路，以检测任何过温操作以及用于在不利操作条件的情况下启动反射器元件的偏离接收器旋转。此外，可提供电子开关(未示出)，以实现在故障情形下的反射器元件偏离太阳的旋转或者允许维护操作。

[0081] 如上所述，依据太阳集中器单元的位置和取向，在低太阳角度的情况下，阴影带可出现在太阳集中器10的一端或另一端或两端；例如，在安置于北半球的太阳集中器的情况下，出现在南端。 未出现阴影带的集中器的端在这里被称为“低角度照射端”。

[0082] 图9示出了反射器布置，其提供对阴影带的补偿，并且其中固定的镀银铝反射器45位于外壳10的基部11的低角度照射端46。 固定反射器45被布置并被定位成向接收器18反射朝着端46进入外壳结构的入射低角度太阳辐射，并且依据固定反射器45和接收器18的相对位置，低角度太阳辐射可直接从固定反射器45或者通过从枢轴反射器30再反射而被反射(在纵向方向上)到接收器18。因此，固定反射器45有效地起到增加在外壳10的低角度照射端46被反射到接收器18的辐射量的作用，并且补偿在太阳集中器的另一端的阴影。

[0083] 在不背离所附权利要求的范围的情况下，可对如上所述的本发明的实施例进行变化和修改。