專利名稱：雙反射太陽聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽聚光器和太陽能收集器系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種線性太陽聚光器，該聚光器利用一部分拋物面弧作為第一反射表面，并利用一個(gè)平面的第二反射表面以一種基本上線性的方式將太陽能聚集在第一反射表面的一個(gè)預(yù)定部分上。
相關(guān)技術(shù)描述太陽聚光器通過從一個(gè)大的面積收集太陽光并將太陽光聚集在一個(gè)較小面積上而工作。有多種可以區(qū)別的技術(shù)用于將太陽能轉(zhuǎn)換成可以利用的形式，但太陽能是否以相當(dāng)大的規(guī)模收集和轉(zhuǎn)換，要受到經(jīng)濟(jì)狀況的控制。如果安裝和維持一個(gè)太陽能收集系統(tǒng)的費(fèi)用低于另一個(gè)系統(tǒng)，那么廣泛使用該太陽能收集系統(tǒng)是可能的。太陽能收集系統(tǒng)的大部分費(fèi)用屬于初期投資。因此，在使用太陽能系統(tǒng)時(shí)該系統(tǒng)必須開始償還投資。
目前，存在多種大型的線性太陽聚光器。

圖1表示一種示范的先有技術(shù)線性聚光器。該圖示的聚光器是由歐洲聯(lián)盟補(bǔ)貼的EUCLIDES計(jì)劃的產(chǎn)物。雙拋物面槽部分將光束輻照投擲在一排沿雙拋物面槽部分的焦線線性安置的太陽電池上。該先有技術(shù)類型的線性聚光器的缺點(diǎn)涉及聚光器的尺寸和形狀及焦線的位置。此種聚光器的幾何構(gòu)型要求線性槽必須在地面上高高“突出”，以便將太陽能聚焦在該槽的焦線上。該拋物面成為一個(gè)大的“帆”，并由于遭受強(qiáng)風(fēng)的強(qiáng)度而需要相當(dāng)大的支架。該聚光器的單一拋物面形狀不是可以容易地加固的，并且容易從其所需的拋物面形狀扭轉(zhuǎn)或彎曲，使得反射的太陽能達(dá)不到規(guī)定的太陽電池線性密集體上。
此外，太陽能收集器的焦線位置需要有其自身的分開的支承結(jié)構(gòu)，以使太陽電池保持在與每個(gè)拋物面太陽聚光器有關(guān)的焦線上。
由于當(dāng)線性拋物面槽追蹤太陽時(shí)焦線的移動(dòng)，太陽收集器的冷卻是一件困難的任務(wù)。當(dāng)圖示的線性拋物面槽收集器在一根平行于焦線的線上樞軸式轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該焦線將沿一個(gè)限定的弧移動(dòng)。這樣一種狀況需要連接在太陽能收集器面積上的可以彎曲的管道件。當(dāng)太陽能聚集在太陽能收集器裝置上時(shí)，該可以彎曲的管道攜帶冷卻劑(如水)來冷卻太陽能收集器裝置?？梢詮澢墓艿喇?dāng)其用于室外條件時(shí)易于破裂、變壞和泄漏。因此，先有技術(shù)太陽聚光器/收集器系統(tǒng)的一項(xiàng)主要修理費(fèi)用是修理和維護(hù)用于冷卻太陽聚光器的收集器面積的相關(guān)的可以彎曲的管道。
一種太陽聚光器構(gòu)型需要的是制造費(fèi)用相對較低、其結(jié)構(gòu)比一種簡單的線性拋物面槽更堅(jiān)固、基本上在線性聚光器的焦線上樞軸式轉(zhuǎn)動(dòng)以有效地避免使用可以彎曲的冷卻管道，以及其外形輪廓靠近地面，使得太陽聚光器結(jié)構(gòu)不太會(huì)遭受高空風(fēng)力的破壞。
本發(fā)明的示范性實(shí)施例提供一種包括一個(gè)第一拋物形表面和一個(gè)第二平表面的雙反射太陽聚光器。入射光反射離開第一拋物形表面射向拋物形表面的天然焦線。在到達(dá)天然焦線之前，入射光反射離開第二平表面而射向一條基本上位于第一拋物形表面上的第二焦線。光路形成于接收器上的一個(gè)較窄的視野中，這能改善一些接收器裝置的費(fèi)用。第一反射器也起重新引導(dǎo)稍許散焦的太陽光返回該接收器的作用，這降低了系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度的要求。其次，這種聚焦技術(shù)使太陽聚焦器能夠通過基本上在示范的雙反射槽的焦線上樞軸式地轉(zhuǎn)動(dòng)而追蹤太陽。一個(gè)冷卻系統(tǒng)可以冷卻安置在焦線上的太陽能收集器。因?yàn)榻咕€基本上是靜止的，所以基本上免去了用于冷卻焦線周圍面積的可以彎曲的管道。
此外，本發(fā)明的示范的太陽聚光器的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)接近地面的外形輪廓，因而限制了風(fēng)力影響。這樣一種低的外形輪廓設(shè)計(jì)不需要先有技術(shù)中的“結(jié)實(shí)的”結(jié)構(gòu)支架。
圖1是先有技術(shù)的拋物面槽太陽聚光器；圖2是一般的拋物線及其焦點(diǎn)；圖3表示一段拋物線；圖4表示帶有光反射離開拋物形表面的一個(gè)示范的拋物線部分；圖5表示一個(gè)示范的雙反射拋物形太陽聚光器的示范的側(cè)視圖；圖6表示圖5的更精確的視圖；圖7表示包括一個(gè)第二拋物形表面的雙反射太陽聚光器的另一個(gè)示范性實(shí)施例；圖8表示一個(gè)帶有第二拋物形表面的示范的雙反射太陽聚光器和進(jìn)一步表示光如何通過該第二拋物形表面反射；圖9表示帶有一個(gè)掠射聚光器的另一種示范的雙反射太陽聚光器；圖10表示示范的雙反射太陽聚光器的示范的“開放的”和“閉合的”構(gòu)型；圖11表示將聚光器的焦線安置在拋物形區(qū)段的底部附近的各種示范的雙反射太陽聚光器；以及圖12表示一個(gè)安裝在支架結(jié)構(gòu)上的示范的雙反射太陽聚光器的三維視圖。
本發(fā)明優(yōu)選示范實(shí)施例詳述這些示范的實(shí)施例提供一種雙反射太陽聚光器，該聚光器具有有用的光學(xué)和結(jié)構(gòu)性能，從而具有低的結(jié)構(gòu)費(fèi)用、安裝費(fèi)用和操作費(fèi)用。
這些示范性的聚光器在幾何結(jié)構(gòu)上包括一個(gè)預(yù)定的拋物面鏡部分。一個(gè)第二反射表面使光能夠被聚焦在該拋物面鏡的表面的預(yù)定部分上并沿著該預(yù)定部分聚焦。
圖2表示一個(gè)常規(guī)的一般的拋物線形狀10和焦點(diǎn)12。一個(gè)拋物線是一個(gè)平面中與該平面中的一個(gè)焦點(diǎn)和一根直線等距離的一組點(diǎn)(該直線有時(shí)稱為準(zhǔn)線)。本發(fā)明的示范性實(shí)施例利用拋物線弧10的一部分?？梢岳斫?，實(shí)際上任何拋物線弧(拋物線方程)都可用于本發(fā)明。圖3表示一段拋物線弧30及其焦點(diǎn)12。圖4表示撞擊在該段拋物線弧30的表面上并離開反射面(未特別示出)而反射到拋物線弧段30的焦點(diǎn)12上的入射光40。
圖5和6表示本雙反射太陽聚光器5 0的第一實(shí)施例。一個(gè)第一反射表面52包括一個(gè)拋物形曲線30的預(yù)定部分。一個(gè)第二反射表面54垂直于一根與該拋物形曲線有關(guān)的準(zhǔn)線。該示范的拋物形曲線規(guī)范化為焦點(diǎn)12位于X＝0和Y＝2，而第二反射表面位于X＝2。
入射光40反射離開第一表面52并射向焦點(diǎn)12。在到達(dá)焦點(diǎn)12之前，入射光反射離開第二焦面54而聚焦在第二焦點(diǎn)56上。第二反射表面54最好位于第一反射表面52的拋物形曲線上。在示范性實(shí)施例中，第一和第二焦點(diǎn)12、56都位于相同的Y坐標(biāo)位置。
通過將第二表面54安置在第一反射表面52(該拋物形曲線)和焦點(diǎn)之間，第二表面54將把該焦點(diǎn)移至一個(gè)在其前面而距離與在其后面的焦點(diǎn)12的距離相等的點(diǎn)。因此，如果第二表面54放在一個(gè)等于焦點(diǎn)12高度的Y位置的X位置上，那么該焦點(diǎn)將被移到一個(gè)位于該拋物形曲線和第一反射表面52上的第二焦點(diǎn)56處。圖5表示第二焦點(diǎn)56位于直接在焦點(diǎn)12右邊的第一表面上。聚焦在第二焦點(diǎn)56上的入射光40必須垂直于該拋物形曲線的準(zhǔn)線。
理解了圖6代表一個(gè)示范的槽式雙反射太陽聚光器50的一個(gè)“規(guī)范化的”橫截面，就可以容易地看出，第二焦點(diǎn)56實(shí)質(zhì)上是一條其長度延伸到該示范性雙反射聚光器的長度的焦線?？梢詫⒐怆?PV)電池沿焦線直線地安置，以收集太陽能。
圖7表示本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例。圖7表示一個(gè)具有兩個(gè)拋物形表面70的雙反射太陽聚光鏡。該實(shí)施例提供一個(gè)其外形輪廓比第一示范性實(shí)施例更緊湊的太陽聚光器。一個(gè)第二拋物面反射器72置于第一反射表面52和第二反射表面54之間。第二拋物面反射器72有一個(gè)與第二焦點(diǎn)56符合的焦點(diǎn)。第二拋物面反射器72使得可以除去角落74，從而降低了雙反射拋物面聚光器70的總高度。圖8表示第二拋物面反射器72的優(yōu)選位置。理想的是，第二拋物面反射器72的位置不會(huì)干擾入射光40從第一表面52反射到第二表面54。換句話說，第二拋物形表面72的優(yōu)選位置使得入射在第一表面52上的光向第二表面54反射時(shí)不會(huì)受第二拋物形表面72的遮擋或反射。
再一次，示范性實(shí)施例70規(guī)范化為拋物形曲線的初始焦點(diǎn)位于X＝0，Y＝2。該技術(shù)的專業(yè)人員可以對各種拋物形曲線測定和計(jì)算第二反面表面54和第二拋物面反射器72的位置。
圖9表示本發(fā)明的另一個(gè)示范性實(shí)施例90，該實(shí)施例包括一個(gè)位于第二焦點(diǎn)56附近的掠射聚光器92。一個(gè)接收表面94可以安置在第二焦點(diǎn)56處，以收集在該處聚焦的太陽能。
掠射聚光器92基本上是平面的，并處在一個(gè)足夠陡的角度，以便將入射光反射到接收表面(太陽電池)94上。該掠射聚光器利用一個(gè)附加表面92和初始的第一反射器52，使稍許離開焦點(diǎn)的入射光40能夠反射回到第二焦點(diǎn)(線)56。這一特點(diǎn)允許太陽聚光器有一個(gè)容許偏差要求較低的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。這樣，本發(fā)明的該示范性實(shí)施例可以不需要較貴而較精密的太陽聚光器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。其次，該實(shí)施例90可以能夠在部分有霧或少許有云的日子更好地收集擴(kuò)散的或雜散的光。掠射聚光器92有助于接收器、收集器或PV94收集稍許偏離焦點(diǎn)的光線。
本雙反射太陽聚光器的其它實(shí)施例可以用來將第二焦點(diǎn)移至第一拋物形表面上或其附近的其它位置上。圖1表示本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例，其中該第二反射表面并不垂直于拋物形表面的準(zhǔn)線或平行于Y軸。第二反射表面102a、102b距離焦點(diǎn)12的間距也可以變化。非平行的(傾斜的)和移動(dòng)的第二反射表面102a、102b的組合將第二焦點(diǎn)56a、56b移動(dòng)到可以比初始的第二焦點(diǎn)56更有用的其它位置。傾斜第二反射表面102a可能導(dǎo)致第一表面的一部分104被表面102a蔭蔽。而導(dǎo)致形成的示范性太陽聚光器效率降低。
圖11表示本雙反射太陽聚光器110的一個(gè)示范性實(shí)施例，其中第二焦點(diǎn)112位于太陽聚光器110的底部。這里入射光40首先反射離開第一反射表面62而射向第二表面114。第二表面114通過一個(gè)支承表面或支柱116保持在位置上。表面114的位置不會(huì)由于干擾入射光40而在第一表面52上投擲一點(diǎn)陰影。第二表面114將入射光反射到位于太陽聚光器槽110底部的第二焦點(diǎn)112。
圖12表示按照本發(fā)明的一個(gè)示范的太陽聚光器120。入射光40反射離開第一反射表面122而射向第二反射表面124，然后射向位于該示范的雙反射太陽聚光器120的焦線(也是126)處的一個(gè)太陽能收集器126。該太陽能收集器126可以是一個(gè)光伏電池或其它太陽能收集裝置。一個(gè)冷卻系統(tǒng)可以沿焦線126或在其附近安裝。該冷卻系統(tǒng)可以是一個(gè)充滿液體的管子，該管子承載一種冷卻液，如水、丙二醇、防凍液或任何其它可以接受的液體。
一個(gè)支承結(jié)構(gòu)支承該示范的太陽聚光器并使其瞄準(zhǔn)太陽，使得入射光線40基本上垂直于拋物形表面122的準(zhǔn)線。優(yōu)選的支承結(jié)構(gòu)基本上圍繞焦線126轉(zhuǎn)動(dòng)太陽聚光器120。一個(gè)螺旋千斤頂、凸輪或液壓系統(tǒng)130可以升降該示范的太陽聚光器，使其基本上圍繞焦線126轉(zhuǎn)動(dòng)，其中該聚光器可以轉(zhuǎn)動(dòng)地受支承件132支承。
因?yàn)樵撎柧酃忡R基本上圍繞聚光鏡的焦線轉(zhuǎn)動(dòng)，所以冷卻系統(tǒng)不需要可以彎曲的管道。其次，收集器(PV)126可以直接安裝在支承結(jié)構(gòu)上該示范的太陽聚光鏡120的焦線處。
本示范性實(shí)施例的一些優(yōu)點(diǎn)是，該聚光器的槽形具有比平滑的拋物面更大的扭轉(zhuǎn)剛性。可以在結(jié)構(gòu)中加入肋板或其它增強(qiáng)件以進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)的剛性?？梢栽谠撌痉兜奶柧酃馄鞯捻敳堪仓靡粋€(gè)透明的罩136，以增加設(shè)備的剛性和進(jìn)一步保持反射表面的潔凈。當(dāng)與先有技術(shù)的線性太陽聚光器相比時(shí)，該由此產(chǎn)生的示范的雙反射太陽聚光器的總高度相當(dāng)?shù)汀?br> 為了制造一個(gè)示范的雙反射太陽聚光器，該第一拋物形表面可以是滾軋的或模鍛的。該第二反射表面是平面的，可以用第一表面的整張金屬板在下角處折疊而形成。
固定的接收器和管道進(jìn)一步節(jié)省制造和操作費(fèi)用。當(dāng)太陽在一天或一年中改變位置時(shí)，該示范的太陽聚光器也必然移動(dòng)，因而太陽光線始終以同一角度入射到聚光器上。該示范的太陽聚光器基本上圍繞聚光器的焦線而轉(zhuǎn)動(dòng)。該焦線可以剛巧離開該轉(zhuǎn)動(dòng)軸。這樣，太陽能收集器(PV)可以固定在沿焦線的第一反射表面上或在該表面附近。其次，冷卻太陽能收集器的管道可以經(jīng)過或靠近太陽能收集器的固定的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，從而不需要可以彎曲的管道。
雖然已經(jīng)顯示和描述了本雙反射太陽聚光器的各個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，但該技術(shù)的專業(yè)人員可以理解，這些實(shí)施例可以進(jìn)行變化而并不偏離其范圍界定于附屬的權(quán)利要求書中的本發(fā)明的原理和精神實(shí)質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種太陽聚光器，包括一個(gè)基本上用一第一反射表面覆蓋的拋物形表面，所述拋物形表面有一屬于拋物形曲線一部分的橫截面，并有一根與所述拋物形曲線的焦點(diǎn)符合而平行于所述拋物形表面的長度的焦線；一個(gè)基本上用一第二反射表面覆蓋的平表面，所述平表面安置在所述焦線和所述拋物形表面之間，使得入射在所述第一反射表面上的光被反射到所述第二反射表面上，然后聚焦在一根基本上在所述拋物形表面上的第二焦線上。
2.權(quán)利要求1的太陽聚光器，其特征在于，所述拋物形曲線的所述部分包括該曲線的在頂點(diǎn)與該曲線和垂直于該軸線并通過焦點(diǎn)的直線的交點(diǎn)之間的一個(gè)部分。
3.權(quán)利要求2的太陽聚光器，其特征在于，所述平表面安置在所述焦線和所述第二焦線之間的基本上相等距離處。
4.權(quán)利要求1的太陽聚光器，其特征在于，所述平表面的位置垂直于與所述拋物形曲線相關(guān)的一根準(zhǔn)線。
5.權(quán)利要求1的太陽聚光器，其特征在于，還包括一個(gè)用于支承所述太陽聚光器的支承系統(tǒng)，所述支承系統(tǒng)連接在所述太陽聚光器上，使得所述太陽聚光器可以基本上圍繞所述拋物形表面的所述焦線而轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.權(quán)利要求1的太陽聚光器，其特征在于，還包括一個(gè)用于使所述太陽聚光器圍繞一根軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的支承系統(tǒng)，所述軸線平行于和基本上靠近所述第二焦線。
7.權(quán)利要求1的太陽聚光器，其特征在于，還包括一個(gè)安置成平行于和基本上靠近所述第二焦線的掠射(grazing)聚光器，所述掠射聚光器用于將稍許偏離焦點(diǎn)的光反射到所述第二焦線上。
8.權(quán)利要求1的太陽聚光器，其特征在于，還包括一個(gè)安置在所述拋物形曲線和所述平表面之間的第二拋物形表面，所述第二拋物形表面有一個(gè)基本上位于所述第二焦線上的焦點(diǎn)。
9.權(quán)利要求1的太陽聚光器，其特征在于，一個(gè)太陽能接收器基本上安置在所述第二焦線上。
10.權(quán)利要求1的太陽聚光器，其特征在于，一個(gè)冷卻系統(tǒng)基本上安置在所述第二焦線附近。
11.一種槽式雙反射太陽聚光器，其特征在于，包括一個(gè)第一反射表面，所述第一反射表面是一個(gè)具有一相關(guān)焦線和一準(zhǔn)線平面的拋物形表面的一部分；一個(gè)第二反射表面，所述第二反射表面是平面的，并安置在所述焦線和所述第一反射表面之間，使得反射離開所述第一反射表面而射向所述焦線的入射光被反射離開所述第二反射表面而射到基本上在所述拋物形表面上的一根第二焦線上。
12.權(quán)利要求11的槽式雙反射太陽聚光器，其特征在于，所述第一反射表面和所述第二反射表面是連接的。
13.權(quán)利要求11的槽式(trough)雙反射太陽聚光器，其特征在于，所述第二反射表面基本上垂直于所述準(zhǔn)線平面。
14.權(quán)利要求11的槽式雙反射太陽聚光器，其特征在于，所述第二反射表面安置成，使得一條在所述第二反射器的平表面上的線既平行于所述焦線，又與所述焦線和所述第二焦線等距離。
15.權(quán)利要求11的槽式雙反射太陽聚光器，其特征在于，所述第二焦線基本上在所述拋物形表面上。
16.權(quán)利要求11的槽式雙反射太陽聚光器，其特征在于，還包括一個(gè)安置在所述第二焦線上的太陽能收集器。
17.權(quán)利要求11的槽式雙反射太陽聚光器，其特征在于，還包括一個(gè)支承結(jié)構(gòu)，該支承結(jié)構(gòu)使所述槽式雙反射太陽聚光器能夠圍繞一根基本上靠近和平行于所述第二焦線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
18.權(quán)利要求11的槽式雙反射太陽聚光器，其特征在于，還包括一個(gè)透明的罩，照射的光在接觸所述第一反射表面之前可以通過該透明的罩。
全文摘要
一種雙反射太陽聚光器，該聚光器利用一個(gè)第一拋物形反射表面將入射光反射到一個(gè)第二表面上。入射光反射離開該第二表面并遠(yuǎn)離第一拋物形表面的天然焦點(diǎn)而射向一個(gè)安置在第一拋物形反射表面上或基本上靠近該第一反射表面的第二焦點(diǎn)。
文檔編號(hào)F24J2/10GK1430716SQ01810003
公開日2003年7月16日 申請日期2001年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者斯科特·弗雷澤 申請人:斯科特·弗雷澤