專利名稱：同時生產電能熱能和冷卻能的三用聚光型太陽能系統(tǒng)的制作方法
A.總論—評述本發(fā)明涉及聚光型的光電(PV)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用聚光型PV電池，將聚光的太陽能聚焦在該PV電池上而發(fā)生電能，并通過冷卻該PV電池同時生產熱水，或者還可以生產過熱油，方法是，使一部分太陽光線聚集在PV電池上，而將另一部分太陽光線聚集在加熱油用的特殊形式的聚集空腔上。另外，在夏天，可以用特殊形成的空調系統(tǒng)將溫度相當?shù)偷臒崴臒崮苻D換成冷卻能，直接利用產生的熱水對房間進行空調。
聚光型太陽能系統(tǒng)，眾所周知，具有各種形式和聯(lián)合方式，有各種聚光型的光電(PV)系統(tǒng)，或者用太陽能加熱的系統(tǒng)，或者其它的系統(tǒng)，聚光系數(shù)從2到約1000日光。然而，這些系統(tǒng)沒有廣泛用太陽光來生產電能或者熱能，因為生產能量的比成本(生產每KWH或者每Kcal的成本)與用常規(guī)燃料生產的成本相比很高。
聚光型太陽能系統(tǒng)成本增加(這些系統(tǒng)在經濟上不可行)的主要原因是，這些系統(tǒng)由很大的反射表面構成，這些反射表面為了跟蹤和聚焦日光需要轉動，因此形成了很大的迎風表面。因此，在使用期間為了承受最大可能的風速，必須進行特別周全的設計，并具有相當重的結構，這樣便使得成本過高。
另外，使用常規(guī)的鍍銀反射鏡也限制了系統(tǒng)的壽命，因而使得它的應用很不經濟，這種鍍銀的反射鏡在受到嚴酷的外部環(huán)境作用若干年以后，將會變壞。
另外，對于1000日光的聚光系數(shù)，需要高準確度的拋物面，同時受到太陽影相大小的限制，因此使用高聚光系數(shù)是不可行的。另外，聚光型的PV電池還具有其效率降低的問題，因為在其表面上聚光的入射太陽光線分布不均勻。
另外，通過吸熱系統(tǒng)應用冷卻PV電池產生的熱水(溫度為50-70℃)來生產空調用冷水在經濟上是不可行的，而且到現(xiàn)在還沒有應用。
B.本發(fā)明優(yōu)點的一般說明在本發(fā)明中，提出了對上述問題的創(chuàng)新性和經濟可行的解決方案，同時還提出了創(chuàng)新性的太陽能系統(tǒng)(S/S)和創(chuàng)新性的結構部件(S/E)，這些系統(tǒng)和部件可以克服上述障礙，并可以利用太陽光經濟地生產電力、熱能和冷卻能。這些系統(tǒng)和部件中(不僅這些)的最重要的是如下a)創(chuàng)新性的太陽能全反射(或者簡單的常規(guī)反射)鏡，具有較小的外形，或者對風的阻力小的外形(S/E 301、313、101、201等)；b)創(chuàng)新性的全反射鏡(TRM)(S/E 131、331、231、1b、1c、1d等)。該TRM用普通的憎水玻璃(water clear glass)用壓模法制造，成本低，這種全反射鏡幾乎可以反射100％的入射太陽光線，使用壽命極長；c)創(chuàng)新性的次級拋物面TRM(或者常規(guī)反射鏡)，這種反射鏡可以顯著減小太陽映像的尺寸，從而可以采用很高的聚光系數(shù)；d)創(chuàng)新性的PV系統(tǒng)，可以利用入射在PV電池上的超過80％的太陽能來發(fā)電，通過冷卻該PV電池來生產熱水，以及在夏天，通過硅膠吸熱泵用這種熱水來產生空調用的冷卻水；e)該創(chuàng)新性聚焦系統(tǒng)(S/E900)，可以通過冷卻PV電池來生產熱水或者生產稍微過熱的水，以便采用過熱油增加冷卻能的生產。
f)聚光型PV系統(tǒng)與吸熱型熱泵單元的聯(lián)用裝置，這種裝置可以利用例如硅膠生產冷卻能。這種吸熱型熱泵單元可利用低溫熱水來生產空調的冷卻水，或者生產冰箱或者冰室等的冷卻水。
廣泛應用本發(fā)明的多用途系統(tǒng)，使得生產這種多用途太陽能系統(tǒng)是可行的，這種系統(tǒng)成本低、可靠性高，并且使用壽命超過20年以上，這種系統(tǒng)可以同時生產例如居家(或者建筑物)用電能、熱水、空調或者冰室用的冷水、用于做飯的熱能以及房間的加熱等，幾乎可以完全利用入射在PV電池上的太陽能(超過80％)(和現(xiàn)在的PV電池相反，這種電池只能應用入射太陽光能的10％-25％，這些能量只用來發(fā)電)。以這樣高百分數(shù)反復應用入射太陽光能增加了本發(fā)明多用途太陽能系統(tǒng)的可行性，并使得用這些系統(tǒng)生產的能量可以與常規(guī)的能源競爭。
C.本發(fā)明附圖的說明

圖1a示出全反射的過程，而圖1b、1c、1d示出全反射鏡(TRM)的各種典型形式。
圖2a是不等角投影圖，示出多用途太陽能。
圖2b是平面圖(ground view)和截面圖，示出多用途太陽能系統(tǒng)。
圖2c是細節(jié)圖，示出多用途太陽能系統(tǒng)S/S300a的TRM301a的結構，該TRM301a是整個拋物面反射鏡361a的截取部分。
圖2d示出多用途太陽能系統(tǒng)S/S300a的聚焦S/E900a。
圖2e示出具有次級拋物面TRM(或者常規(guī)反射鏡)的S/S300b的結構細節(jié)和放在最后焦點上并用貯熱水直接冷卻的PV電池。
圖2f示出適合于放在第一焦點或者最后焦點的焦點反射鏡363a結構的細節(jié)。
圖2g示出創(chuàng)新性次級拋物面TRM(或者常規(guī)反射鏡)的細節(jié)，該次級拋物面TRM可以顯著減小太陽映像尺寸，因此可以得到很高的聚光系數(shù)。
圖3是不等角投影圖，示出S/S100a，b。
D.本發(fā)明結構部件和太陽能系統(tǒng)的詳細說明1.全反射鏡(TRM)。
圖1示出在光線進入正交玻璃棱鏡1a(棱鏡的前表面1a-2是平的，而后表面1a-1是正交棱鏡)時光線1a-3(入射到棱鏡1a的I、II、III)和光線1a-4(從棱鏡1a射出的I′、II′、III′)的全反射過程，入射角φ和θ的范圍是已知的(即對于折射系數(shù)η＝1.52的玻璃，橫向角(lateral angle)φ應為-5°＜φ＜5°，以便達到全反射，而對于平行角(along angle)θ，在0＜θ＜180°時該角度是有效的。
圖1b示出全反射片TRT或者TRM 1b，該全反射片的特征在于厚度小(即5-10mm)，用透明材料(即憎水玻璃(water clear glass)或者透明塑料，例如折射系數(shù)n高于約1.5的聚碳酸酯或者有機玻璃)制作，其前表面1b-2是平面，而后表面1b-1是由很多平行正交棱鏡構成的底部凹凸部分(bas-relief)?？梢悦黠@看出，入射角與光線1a-3入射在棱鏡1a上(圖1a)的入射角相同的入射光線1b-3(I、II、III)將受到完全相同的全反射，并且對于入射角其范圍也與棱鏡1a的角度相同。因此，全反射片1b代表全反射鏡(TRM)，該全反射鏡的特征在于生產成本低，可以用現(xiàn)有的具有高生產率的自動機器(即生產玻璃等的自動機器)或者用塑料等的擠壓機通過模制方法用普通的憎水玻璃或者透明塑料生產，該TRT不需要鍍銀來進行反射，因此它沒有老化等問題。另外，其特征還在于，該TRM 1b(一般說來所有的TRM)具有由于全反射橫向角特殊性造成的重要優(yōu)點[因為在例如光線II對垂直線成橫向角φ(-5°＜φ＜5°)的角度入射時，該光線將以相同的角度φ射出，相對于垂直線，從棱鏡光線入射的同一側射出，與常規(guī)反射鏡不同，在常規(guī)反射鏡中，反射光線II′相對于垂線將從該光線入射側的相反側射出]，這些優(yōu)點例如為a)在TRM繞平行于棱鏡頂邊(along sacme)的一根軸線擺動約±5°時，使交點保持不變；b)利用在次級TRM上的反射和隨后的聚焦等，可以顯著減小太陽映像的尺寸。
其特征還在于，全反射是唯一在性質上已知的反射過程，在全反射中，我們實際上可以達到光線100％的反射，這樣，如果用TRM 1b等，則我們可以形成多次反射而最后聚焦的聚光太陽能系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的光損耗較小，小于用常規(guī)反射鏡的聚光系統(tǒng)中單次反射的光損失。
在圖1c和1d中，示出上述TRM 1b全反射鏡的兩種不同形式，這些不同形式的特征在于，圖1c是平的全反射圓盤(TRD)1c(其前表面1c-2是平的，而其后表面1c-1是由很多平行正交棱鏡構成的底部凹凸部分)。圖1d示出全反射片(TRT)1d(前表面1d-2是柱形拋物面，而后表面1d-1也是由很多平行正交棱鏡構成的柱形拋物面底部凹凸部分)。但是，在下面將說明上述TRM或者TRT的若干其它形式，并應用來例如構成本發(fā)明各種形式的太陽能系統(tǒng)S/S300a、S/S100a、b等中的大尺寸或者小尺寸全反射鏡，即TRM301a、131a、131b、201a，b、231a，b、363a等。
2.多點聚焦的太陽能系統(tǒng)S/S300a本文要說明的示于圖2a、2b、2c和2d中的太陽能系統(tǒng)S/S300a的特征在于，它是聚光型的多點聚焦系統(tǒng)，由很多平行的全反射鏡(或者簡單常規(guī)反射鏡)構成的全反射表面313a是小尺寸的，從而不形成很大的迎風表面，通過將全反射表面313′a(等于所有的313a)固定在轉動底座310b上，借助于垂直轉動機構309a可以使該全反射鏡系統(tǒng)繞系統(tǒng)的對稱垂直軸線312a轉動，該轉動底座浮在貯熱水310e(水加防凍劑)上，并在該貯熱水上轉動，該貯熱水裝在水容器310a中，或者該反射表面由裝貫穿圓筒310c上的圓錐轉動支承310d可轉動地支承，借助于垂直轉動機構309a實現(xiàn)轉動(或者聯(lián)合這兩種方法)。
另外，該系統(tǒng)的特征在于，在太陽光線051a入射在具有拋物面頂點在點301a的初級拋物面TRM后形成第一反射寬束光線052a，該束光線聚焦在焦點304a上，在此處，直接利用這些光[還借助于次級截頭棱錐或者圓錐全反射(或者常規(guī)反射)聚光鏡363a聚焦在PV電池302a上]，或者使這束光(052a)在拋物面的次級反射鏡231a，b(為有關完整拋物面次級反射鏡201a，b的截取部分)上反射后形成達到最后焦點204a，b的窄束光線053a，b，并通過較后的聚焦反射鏡363b聚焦在PV電池302a上。
各個TRM 301a是從(全反射或者常規(guī)反射)完整拋物面反射鏡361a截取的正交平行四邊形部分。各個TRM 301a可以是一片，或者由2、3、4或者多個全反射片(TTR)構成，這些全反射片固定在適當?shù)膾佄锩娴滓r上，其中每一個的尺寸約為20×20em，因而可以用模壓玻璃的自動機器進行低成本生產。TRM 301a的材料例如是沒有氧化鐵的透明玻璃(憎水玻璃)，或者是本身支承在或者固定在適當?shù)滓r上的透明塑料。
TRM 301a的前表面313a為光滑的拋物面形狀，而后表面313c也具有拋物面的底部凹凸部分，該后表面由很多平行的正交棱鏡314a構成，該棱鏡的頂邊緣(top acmes)315a匯聚在完整拋物面反射鏡(PM)361a的頂部362a，并被切斷。我們還可以看到對稱軸線311a(對準太陽)和轉動軸線312a和312c(分別是垂直軸線和水平軸線)。
該TRM 301a支承在金屬支架305a上，該支架又支承在水平轉動軸308a上，該水平軸的兩端裝有滑輪和水平轉動機構308b，借助于兩個支承308c，該水平轉動軸被支承在轉動座架310b上。
貯水器310a由絕熱的水容器構成，該貯水器充滿水和防凍劑301e，并支承轉動座架301b，該座架通過垂直轉動機構309a可以繞貫穿圓筒310c轉動。
PV電池302a支承在金屬支架302b上，該支架又支承在水平轉動軸308a上，該PV電池放置在各個TRM 301a的焦點上，這些PV電池的前側裝有全反射(或者常規(guī)反射)的聚焦反射鏡363a，而在其后側裝有銅冷卻板302c，該板具有焊接在它上面的冷卻管302d，該冷卻板由冷卻流體302e(即水和防凍劑)冷卻，該冷卻流體流過該冷卻板302c。
冷卻流體302e借助于循環(huán)泵318a在封閉管路中循環(huán)，這種管路由螺旋形的熱交換器318b構成，裝在貯水容器310a的底部。因此，通過冷卻流體302e和螺旋形熱交換器318b帶走的熱量被傳輸?shù)劫A水器310a的貯熱水310e中，在此處，熱量由第二螺旋形熱交換器318c接收，并通過循環(huán)泵318d送出，作家用熱水消費，或者進入到吸熱泵319a，以便供給生產空調用5/12℃或者7/14℃冷水所需的熱能，該吸熱泵最后與用常規(guī)燃料加熱的輔助熱水生產鍋爐配套使用，以便在太陽光強度低的時間或者沒有太陽的時間，或者不能利用太陽能驅動單元的時間使用。
由PV電池302a產生的直流電由導線340a送出，該直流電或者直接用于充電，或者進入直流/交流轉換器，以便用交流電的用戶使用。
3.多點聚焦的太陽能系統(tǒng)S/S300b本文說明的示于圖2e、2f和2g的太陽能系統(tǒng)S/S300b的特征在于，其結構與上面第二節(jié)說明的S/S300a的結構相同，但是其特征在于，聚焦在第一焦點304a的第一反射寬束光線052a在(全反射或者常規(guī)反射)拋物面次級反射鏡231a，b(為有關完整拋物面次級反射鏡201a，b的截取部分)上反射之后形成達到最后焦點204a，b的窄束光線053a，b，該窄束光線的特征還在于，可以顯著降低(反射時太陽像)的太陽映像053c的尺寸(在圖2g中也示出)，因此，聚光系數(shù)可以達到1000-2000日光或更大，該窄束光線通過最后的聚焦反射鏡363b聚焦在位于最后焦點204a，b的或者位于該最后焦點后面的PV電池302a上。
其特征還在于，在此位置，PV電池302a的冷卻板302b還可以直接接觸貯熱水310e，這意味著在這種情況下不再需要冷卻管302d、循環(huán)泵318a和螺旋形熱交換器318b，并可以省去這些部件。(其特征在于，作為TRM的聚焦反射鏡363a(如圖2f所示)或者由四個全反射片構成，這些反射片圍繞PV電池302a形成截頭的棱錐形，其正交棱鏡的頂邊緣(acmes)向由這些棱鏡(或者甚至由常規(guī)的空氣冷卻或者水冷卻的反射鏡)構成的棱錐體的頂點匯聚，該棱錐體具有適當?shù)膶χ跫塗RM 301a的張開角度，從而可以使該聚焦反射鏡363a可以補償太陽跟蹤系統(tǒng)的少量跟蹤錯位，或者可以補償TRM 301a的缺陷。當用拋物面次級反射鏡231a，b將寬束光線052a向后反射，形成射向最后焦點204a，b的窄束光線053a，b時，該聚焦反射鏡363a還可以固定在最后焦點204a，b上(以后稱為最后的聚焦反射鏡363b)(或者形成在分別與其相應次級反射鏡231a，b聯(lián)合形成的接連的TRM 301a的各個最后焦點204a，b上，該次級反射鏡是相應完整拋物面次級反射鏡201a，b的截取部分)。
其特征還在于，在PV電池302a位于最后焦點204a，b時，水平轉動軸308a或者具有固定在它上面的冷卻板302c[在這種情況下，該軸308a可以是空心的，由冷卻流體302e冷卻，該冷卻流體流過該轉軸，或者由循環(huán)泵318d循環(huán)，或者在轉軸308a的兩端位于貯存水310e的水面下時，直接由重力循環(huán)(此時可以利用特殊結構的不透水的位于水下的水盤308e防止固定在其上的太陽能電池302a受到水的侵蝕，該水盤圍繞沿著水下的轉動軸308a，利用穿過中央貫穿圓筒310c的排水管308h可以抽出該水盤中的積水)，同時用柔性連接件308f使轉軸308a的兩端穿過該水盤308e端壁，進入貯存水308e，從而可以使308a不透水地轉動約±90°，以便于跟蹤太陽]，或者該轉軸可以包括包含最后聚焦反射鏡363b的適當開孔，該PV電池302a固定在開口的末端，在這種情況下，該PV電池可以通過其冷卻板302c直接接觸貯存水310e，因此可以由該水直接冷卻(利用圍繞各個最后聚焦反射鏡363b的不透水的水盤308g可以防止太陽能電池302a受到水的侵蝕)。
在后一種情況下以及上述轉軸308a位于水面下的情況下，由于PV電池302a固定在該轉軸上，所以不再需要循環(huán)泵318a和螺旋形的熱交換器318b，因而可以省去它們。
其特征還在于，在水面下的水平轉動軸308a的位置，將支承件308c固定在特殊結構件310b上，該支承件308c的頭部在下面分別連接于相關的水平轉動機構308b。其特征還在于，初級TRM 301a和作為整個反射鏡361a和201a，b截取部分的次級反射鏡231a，b的特殊配置和定位，如圖2e中虛線所示。
4.S/S300a的聚焦結構部件(S/E)900a本文所述的示于圖2d的聚焦結構部件(S/E)900a的特征在于，該部件設計成可以同時發(fā)電、(通過冷卻PV電池)生產熱水和生產過熱油(用于烹調以及過熱家用熱水，以及用于調節(jié)S/S300a或者其它任何有關聚光PV系統(tǒng)生產電能和熱量的比例)。
該部件的特征還在于，太陽光線051a入射到其頂點為點362a的初級拋物面反射鏡即301a之后形成反射的寬束光線052a，該寬束光線首先聚焦焦點304a上，然后入射在PV電池302a上。該PV電池或者定位在空腔913a的開口912a上(該開口可以與焦點304a相重合)，由此可使所有的聚光的太陽輻射(寬束光線052a)通過363a入射在PV電池302a上，并由這些電池吸收。該PV電池也可以定位在空腔913a內的任一個深度(在空腔913a中使PV電池302a的支承/冷卻圓筒914a向后移動)，由此只有一部分寬束光線052a入射到該PV電池302a上，并由其吸收，而其余部分的輻射則入射到油管915a上，該油管覆蓋空腔913a的內壁，并由特別的過熱油916a(該油的溫度可能達到300℃-400℃)吸收。
聚光的寬束光線052a的太陽輻射由PV電池302a吸收的和由過熱油916a吸收的百分數(shù)取決于PV電池302a在空腔913a中的退回位置(或者定位)，在PV電池處于極內位置時由PV電池吸收的百分數(shù)可以降低到很小的百分數(shù)(即5％)，造成由過熱油916a吸收的百分數(shù)相對增加，因此，該過熱油吸收95％的輻射。
其特征還在于，支承PV電池302a的PV電池302a支承/冷卻圓筒914a以有通過同心冷卻管917a傳輸和帶走PV電池302a的冷卻流體302e。該冷卻管917a通過軟管918a連接于送入和送出冷卻流體302e的管子302d。該冷卻流體302e由這些管子傳送到熱水容器310a中的螺旋形熱交換器318b。其特征還在于，可以利用機構928a執(zhí)行支承/冷卻圓筒914a進入和退出空腔913a的移動，該機構由移動螺栓928c構成，該移動螺栓連接于固定在支承圓筒914a上的位移螺栓928b，該機構通過連接于位移螺栓928b的移動螺栓928c、通過連接連貫S/E900a的移動螺栓928c(各個TRM 301a的移動螺栓)的連接軸928d以及通過連接于該連接軸928d的馬達928e，最后經減速齒輪和部件928c和928b將前后運動傳送給圓筒914a。其特征還在于，覆蓋空腔913a內部的油管915a通到熱水容器310a中的熱交換器919a，并使通過冷卻PV電池302a得到的貯熱水310e溫度增加到要求的溫度。
其特征還在于，在過熱油管915d達到熱交換器919a之前，該管子首先穿過高溫貯存容器921a的外套920a，在該外套中，熱能以高溫形式貯存在易熔鹽922a中，該易熔鹽裝在高溫貯存容器921a中，隨后引入到熱交換器919a。其特征還在于，貯存容器921a具有很強的絕熱件926a，該容器921a上部加熱板924a的絕熱塞子923a可以取下來，使得在除去絕熱塞子923a時，在太陽能峰值以外的時間，該加熱板924a可以用作烹調器。其特征還在于，過熱油916c可以通過循環(huán)泵925a在油管915a中循環(huán)，而冷卻流體302e可以通過循環(huán)泵318a在管子302d中循環(huán)。其特征還在于，聚焦部件S/E900a通過4個支承件907a支承在相應系統(tǒng)S/S即300a(或者聚光PV系統(tǒng)中任一個另外的系統(tǒng))的相應支承架302b上，該支承件同時還起水管302d和油管915a的雙重作用。
5.用于很高聚光系數(shù)的具有全反射鏡(或者常規(guī)反射鏡)的單點聚焦太陽能系統(tǒng)S/S100a，b本文所述的示于圖3的S/S100a，b[在應用全反射鏡時用(a)表示S/S100a，而采用常規(guī)反射鏡時，用(b)表示]的特征在于，它包括整個的初級拋物面全反射鏡(或者簡單的常規(guī)反射鏡)PTRM 101a，b，其頂點在點102a，b(該PTRM的特征還在于它的全反射片(TRT)131a，該全反射片具有前表面113a和其后部的正交棱鏡114a)，太陽光線051a入射在該初級PTRM 101a，b之后形成第一反射寬束光線052a，b，該光束聚焦在第一焦點104a，b上，該光束在此處或者被直接利用，方法是，還借助于聚焦反射鏡119a，b(此反射鏡與第一節(jié)中說明的聚焦反射363a完全一樣)將其聚焦在PV電池302a，b上，或者使該寬束光在次級反射鏡201a，b(用支承臂207a，b支承在支承環(huán)105a，b上)反射，之后，產生窄束光線053a，b，該窄束光線到達最后焦點204a，b，并且也借助于最后聚焦反射鏡119c(與最后聚焦反射鏡363b完全一樣)聚焦在PV電池302a，b上，該最后聚焦反射鏡支承在支承環(huán)105c上。
其特征還在于上述反射鏡101a，b和201a，b的聯(lián)用(或者這些反射鏡中彼此對應的任何截取部分的聯(lián)用)，這種聯(lián)用的特征是可以顯著降低(反射時太陽像的)太陽映像053c的尺寸，方法是，將太陽光051a首先在PTRM 101a上反射，形成寬束光052a，然后使該寬束光線052a在位于有關焦點104a后面的凹面拋物面次級反射鏡201a，b上進行二次反射，由此形成窄束光線053a，在反射鏡101a，b和201a，b之間存在某種尺寸關系時，該窄束光線在聚焦時將顯著減小太陽映像053c的尺寸(例如，在101a，b的直徑與201a，b的直徑之比等于4時，可以減小最后聚焦204a，b上的太陽映像053′c的尺寸，減小太陽映像053″c應當具有尺寸的20％以下，而不會由于聯(lián)用上述101a，b和201a，b而被部分刪除)，所以有關的S/S100a，b的聚光系數(shù)可以增大到超過2000日光。
其特征還在于，PTRM 101a，b被支承在金屬支承環(huán)105a，b(外部)和105c(內部)上，這些支承環(huán)又由金屬支承臂107a，b支承，該支承臂支承在水平轉動頭108a，b上。該轉動頭108a，b被支承在垂直轉動柱109a，b上，該柱建立在底座110a，b上，該底座可以是固定的地基，或者是懸浮的轉動底座110a，b，這種轉動底座可以轉動跟蹤太陽，和第一節(jié)中的轉動底座310b一樣(在這種情況下，不再需要垂直轉動柱109a，b，可以省去)。其特征還在于，該懸浮的轉動底座110a，b在其上可以裝上一個或多個S/S100a，b，這些S/S100a，b或者具有整個的初級拋物面全反射鏡(PTRM)101a，b，或者只有PTRM 101a，b的扇形部分，或者PTRM 101a，b和有關扇形部分的任何截取部分，或者次級拋物面反射鏡201a，b的截取部分。
其特征還在于，PTRM 101a由例如沒有氧化鐵的透明憎水玻璃構成(對于較小的表面作成一片，或者對于較大的表面，由全反射片(TRT)131a構成該全反射片構成拋物面113′a的一部分，該全反射片支承在適當?shù)膾佄锩娴滓r)，或者該PTRM 101a可以由透明塑料構成，該透明塑料本身支承適當?shù)牡滓r上。113′a的前表面113a具有光滑拋物面形狀，而其后表面113c是拋物面的底部凹凸部，平行于113a，由正交棱鏡114a構成，其頂邊緣115a向PTRM 101a的頂部102a匯聚并被切開。其特征在于，S/S100a，b還包括對稱軸111a，b(瞄準太陽)以及轉動軸112a，b和112c(分別為垂直軸和水平軸)。
其特征還在于，S/S100a，b包括位于其第一焦點104a，b的拋物面次級反射鏡201a，b(該次級反射鏡的特征還在于它的TRT 231a，b，該TRT具有前表面213a，b、后部正交棱鏡214a，b、向其頂點202a，b匯聚的頂邊緣215a，b以及后表面213c)，不用帶有PV電池302a，b的聚焦反射鏡119a，b，該拋物面次級反射鏡201a，b用于將寬束光線052a，b向后反射，形成射向最后焦點204a，b的窄束光線053a，b，現(xiàn)在在最后焦點處，配置聚焦反射鏡119a，b以及PV電池302a，b(以后稱為最后聚焦反射鏡119a，b)其特征還在于，S/S100a，b可以換一種方式包括位于其第一焦點104a，b或者位于其最后焦點204a，b的聚焦結構部件S/E900a，該結構部件和上述第一節(jié)中的S/S300a類似。
權利要求
1.一種太陽能系統(tǒng)S/S300a，其特征在于，該系統(tǒng)是聚光型的多點聚焦系統(tǒng)，具有反射表面(RF)313′a，該反射表面由許多平行的全反射鏡(或者簡單的常規(guī)反射鏡)TRM 301a構成，該反射表面尺寸小，不會形成很多的迎風面，其特征在于，該表面繞系統(tǒng)垂直對稱軸312a的轉動通過將反射表面313′a(全部313a)固定在轉動座310b上而實現(xiàn)，該轉動底座懸浮在貯熱水310e(水加防凍劑)上，并可以借助于垂直轉動機構309a在該水上轉動，該貯熱水裝在水容器310a中，或者該表面可以可轉動地由圓錐形轉動軸承310d支承在貫穿圓筒310c，由該機構309a轉動(或者采用這兩種方法的聯(lián)合方法)，其特征還在于，太陽光線051a入射到拋物面頂點在點301a的初級拋物面TRM之后產生第一反射寬束光線052a，該光線聚焦在焦點304a，該光線或者在此處直接被利用[還借助于次級截頭棱錐(或者圓錐)全反射(或者常規(guī)反射)聚焦反射鏡363a，將其聚焦在PV電池302a上]，或者使這些光線052a在拋物面次級反射鏡231a，b(作為有關整個拋物面次級反射鏡201a，b的截取部分)上反射，之后，形成達到最后焦點204a，b窄束光線053a，b，并通過有關的最后聚焦反射鏡聚焦在PV電池302a上，其特征還在于，各個TRM 301a構成從完全拋物面全反射鏡361a上截取的矩形部分，各個TRM 301a可以是一個全反射片(TTR)片，或者由2、3、4或者更多的全反射片(TTR)構成，這些全反射片固定在適當?shù)膾佄锩娴滓r上，(其中各個片)的尺寸約為20×20cm，這樣，該TTR可以用模壓玻璃的自動機器低成本生產[TRM 301a的材料可以是例如沒有氧化鐵的透明玻璃(憎水玻璃)，或者是本身固定在適當?shù)滓r上的透明塑料]，其特征還在于，TRM 301a的前表面313a具有光滑的拋物面形狀，而后表面313c也是拋物面的底部凹凸部分，由許多平行的正交棱鏡314組成，該棱鏡的頂邊緣315a向完全拋物面反射鏡(PM)361a的頂點362a匯聚，并被切開。還具有對稱軸線311a(瞄準太陽)以及轉動軸線312a和312c(分別為垂直軸線和水平軸線)，其特征還在于，TRM 301a支承在金屬支架305a上，該支架又支承在水平轉軸308a上，該轉軸的兩個端部裝有滑輪和水平轉動機構308b，借助于兩個軸承308c，該支架支承在轉動底座310b上，其特征還在于，貯水容器310a由絕熱的水容器構成，該水容器充滿水和防凍劑310e，并承載該轉動座310b，該轉動座借助于垂直轉動機構309a可以繞貫穿圓筒310c轉動，其特征還在于，PV電池302a支承在金屬支架302b上(該支架又支承在水平轉軸308a上)，這些PV電池放置在各個TRM 301a的焦點上，在電池的前側面裝有全反射(或者常規(guī)反射)的聚焦反射鏡363a，而在其后表面上裝有冷卻銅板302c，該銅板具有焊接在它上面的冷卻管302d，由冷卻流體302e(即水加防凍劑)冷卻，該冷卻流體流過銅板302c，其特征還在于，該冷卻流體302e借助于循環(huán)318a在封閉管道中循環(huán)，該封閉管道由裝在貯水容器310a底部的螺旋熱交換器318b構成，因此，通過冷卻流體302e和螺旋熱交換器318b從PV電池302a帶走的熱量被傳送到貯水容器301a的貯熱水301e中，在該處，熱量由第二螺旋熱交換器318c接收，并通過循環(huán)泵318d送出，或者作為家用熱水消費，或者進入到吸泵319a中，以便提供為生產溫度為5/12℃或者7/14℃的空調用冷水所需的熱能，其特征還在于，可以利用導線340輸出由PV電池302a產生的直流，該直流或者直接用于充電，或者輸送到交流/直流轉換器，以便使用交流電的用戶使用。
2.一種太陽能系統(tǒng)S/S300b，該系統(tǒng)與權利要求1所述的S/S300a的結構相同，其特征在于，聚焦在第一焦點304a的第一反射寬束光052a在拋物面次級(全反射或者常規(guī)反射)反射鏡231a(作為有關完全拋物面次級反射鏡201a，b的截取部分)上反射之后，形成到達最后焦點204a，b的窄束光線053a，b，該窄束光線的特征在于，可以顯著降低(反射時太陽像)的太陽映像的尺寸，由此可使聚光系數(shù)達到1000-2000日光或者更大，該窄束光線通過最后聚焦反射鏡363b聚焦在位于最后焦點204a，b上的或者位于其后面的PV電池302a上，其特征還在于，在此位置，PV電池302a的冷卻板302b可以直接接觸貯熱水301e，結果，在這種情況下，不再需要冷卻管302d、循環(huán)泵318a和螺旋熱交換器318b，因此可以省去，其特征還在于，作為TRM的聚焦反射鏡363a或者由4個全反射片組成，這些反射片圍繞PV電池302a構成截頭棱錐體，其正交棱鏡的頂邊緣向由這些全反射片(或者甚至由空氣冷卻和水冷卻的常規(guī)反射鏡)構成的棱錐體的頂點匯聚，該截頭棱錐具有適當?shù)膶χ跫塗RM301a的張開角，從而使得該截頭棱錐體可以補償太陽跟蹤系統(tǒng)少量的瞄準錯位，或者補償TRM 301a的缺陷。其特征還在于，在用拋物面次級反射鏡231a，b將寬束光線052a向后返回，形成射向最后焦點204a，b時，聚焦反射鏡363a還可以定位在最后焦點204a，b上(或者定位在分別與其相應次級反射鏡231a，b聯(lián)用的連貫TRM 301a的各個最后焦點204a，b上，該次級反射鏡為有關完全拋物面次級反射鏡201a，b的截取部分(以后稱為最后聚焦反射鏡363b))，其特征還在于，在PV電池302a位于最后焦點204a，b時，水平轉軸308a或者具有固定在它上面的冷卻板302c[在這種情況下，轉動軸是空心的，由冷卻流體302e冷卻，該冷卻流體流過該冷卻板，或者由循環(huán)泵318d循環(huán)，或者在轉動軸308a的兩端位于貯存水301e的水面下時，可直接利用重力循環(huán)(同時采用特殊形成的圍繞水下轉軸308a的密封的位于水下的水盤308e防止固定在冷卻板上的太陽能電池302a受到水的侵蝕，利用穿過中心貫穿圓筒310c的排水管308h排出積存的水)，而采用柔性連接件308f使308a的兩端穿過水盤308e的兩個端壁，進入到貯熱水301e中，從而可使轉軸308a可密封地轉動±90°以跟蹤太陽]，或者包括包含最后聚焦反射鏡363b的適當開孔，使PV電池302a固定在363b的末端相結合，在這種情況下，該PV電池通過其冷卻板302c可直接接觸貯存水310e，因此可以用該水直接冷卻(利用圍繞各個最后聚焦反射鏡363b的不透水水盤308g可以防止太陽能電池302a受到水的侵蝕)，其特征還在于，在后一種情況下，以及轉軸308a位于水面下的情況下，PV電池302a固定在308a上的情況下，可以省去不再需要的冷卻管302d、循環(huán)泵318a和螺旋形熱交換器318b，其特征還在于，在位于水下的水平轉軸308a的位置上，將軸承308c固定于特殊的結構件310b，該轉軸的頭部分別在下面連接于有關的水平轉動機構308b，其特征還在于，作為整個反射鏡361a和201a，b一部分的初級TRM301a和次級反射鏡231a，b特殊配置和定位在連貫的位置，由此形成整個S/S300b。
3.一種太陽能系統(tǒng)S/S300a，b-S/E900a，這種系統(tǒng)可具體化為如權利要求1和2所述的S/S300a或者S/S300b，其特征在于，S/S300a或者S/S300b可以換一種方式不包括簡單的聚焦反射鏡363a或者201a，b，而包括聚焦結構部件(S/E)900a，該結構部件的特征在于，該部件設計為可以同時發(fā)電、通過冷卻PV電流生產熱水以及過熱油(用于做飯、生產家用過熱水，并用于調節(jié)S/S300a或者任何一種類似聚光PV系統(tǒng)生產的電能和熱能的比例)，其特征還在于，太陽光051a入射到其頂點在點362a的有關初級拋物面反射鏡即301a上以后，產生聚焦在焦點304a的反射寬束光線052a，然后再使該寬束光線入射在PV電池302a上，該PV電池可以定位在空腔913a的開口912a(該開口可以與焦點304a重合)上，由此所有聚光的太陽輻射(寬束光線052a)入射在PV電池302a上，并由這些電池吸收，其特征還在于，PV電池還可以定位在空腔913a的任何深度，在空腔913a中，可以使PV電池302a的支承/冷卻圓筒914a向后移動，由此只有一部分寬束光052a入射在PV302a上，并由其吸收，而其余的光束入射在覆蓋空腔913a內壁的油管915a上，然后由特殊的過熱油916a(其溫度可達到300℃-400℃)吸收，其特征還在于，由PV電池302a和由過熱油916a吸收的聚光的太陽輻射寬束光線052a的百分數(shù)取決于PV電池302a在空腔913a中的退回位置(或者狀態(tài))，在PV電池位于極內位置時，PV電池的吸收可以減小到很小的百分數(shù)(例如5％)，這樣便相對增加了由過熱油916a吸收的百分數(shù)，該過熱油可以吸收95％，其特征在于PV 302a的支承/冷卻圓筒914a，該圓筒支承PV電池302a，同時通過同心的冷卻管917a傳送PV電池302a的冷卻流體302e。其特征在于，冷卻管917a通過軟管918a連接于輸出和輸入冷卻流體302e的管子302d，該流體由這些管輸送到位于熱水容器310a中的螺旋熱交換器318b。其特征還在于，可利用機構928a，使支承/冷卻圓筒914a移入和移出空腔913a，該機構928a由連接于位移螺栓928b的移動螺栓928c構成，該移動螺栓固定在支承圓筒914a上，利用連接于位于螺栓928b的移動螺栓928c、連接于接連S/E900a(各個TRM301a的S/E900a)移動螺栓928c的連接軸928d、連接于連接軸928d的馬達928e以及最后通過減速機構和部件928c和928e將前后運動傳送給圓筒914a。其特征還在于，覆蓋空腔913a內壁的油管915a通到熱水容器310a里面的熱交換器919a，使得通過冷卻PV電池302a產生的貯存水310e的水溫增加到要求的溫度，其特征還在于，在過熱油管915d到達熱交換器919a之前，它首先穿高溫貯存容器921a的外殼920a，在此處，將熱量以高溫形式貯存在易熔鹽922a中，該易熔鹽裝在容器921a中隨后流到熱交換器919a中。其特征還在于，貯存容器921a具有很強的絕熱件926a，容器921a上部加熱板924a的絕熱塞子923a可以取下來，使得在取下該絕熱塞子923a時，可以在高峰太陽能以外的時間利用該加熱板924a來做飯。其特征還在于，該過熱油可以用循環(huán)泵925a在油管915a中循環(huán)，而冷卻流體302e可利用循環(huán)泵318a在管子302b中循環(huán)。其特征還在于，該S/E900a利用4個支承件907a支承在相應S/S即300a(或者任何另外的聚光PV系統(tǒng))的相應支承架302b上，該支承件可以同時起水管302d和油管915a雙重作用。
4.一種單點聚焦的太陽能系統(tǒng)S/S100a[在采用全反射鏡時用(a)表示S/S100]，這種系統(tǒng)可具體化為權利要求1和2所述的S/S300a或者S/S300b，其特征在于，該系統(tǒng)是單點聚焦太陽能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用全反射鏡達到很高的聚光系數(shù)。該系統(tǒng)的特征還在于，它包括其頂點在點102a的完整初級拋物面全反射鏡PTRM 101a(該PTRM的特征還在于其全反射片(TRT)131a，該全反射片具有前表面113a和后部正交棱鏡114a)，太陽光051a在入射到初級PTRM 101a后，產生第一反射寬束光線052a，聚焦在第一焦點104a上，在此處或者可以直接利用該光束，方法是，還借助于聚焦反射鏡119a(與權利要求1所述的聚焦反射鏡363a完全一樣)將其聚焦在PV電池302a上，或者使該寬束光在次級反射鏡201a(由支承臂207a支承在支承環(huán)105c上)上反射，之后，形成窄束光線053a，該窄束光線借助于最后聚焦反射鏡119a到達最后焦點204a，并聚焦在PV電池302a上，該最后聚焦反射鏡支承在支承環(huán)105c上，其特征還在于，上述反射鏡101a和201a聯(lián)用的特征在于，可以顯著減小(反射時太陽像的太陽影像053c尺寸，方法是，首先使太陽光線051a在PTRM 101a上反射，形成寬束光052a，然后使該寬束光線052a在凹面拋物面次級反射鏡201a上進行第二次反射，該次級反射鏡位于相關焦點104a的后面，由此形成窄束光線053a，在反射鏡101a和201a之間存在某些尺寸關系時，該窄束光線在聚焦時可以顯著減少太陽映像053c的尺寸(例如對于101a的直徑和201a的直徑之比等于4時，可以減小太陽映像在最后焦點204a上的尺寸，減小該映像應當具有尺寸的20％以下)，因而可以將有關S/S100的聚光系數(shù)增加到2000日光以上，其特征還在于，PTRM 101a支承在金屬支承環(huán)105a(外部)和105c(內部)上，該支承環(huán)又由金屬支承臂107a支承，該支承臂又支承在轉動頭部108a上。該轉動頭部108a支承于垂直轉動柱109a，該柱建立在基座110a上，該基座是固定的地基，其特征在于，該基座110a可以在其上承受一個S/S100a，該S/S100a或者具有完全的初級拋物面全反射鏡(PTRM)101a，或者只具有PTRM 101a的扇形部分，或者具有PTRM 101a和有關扇形部分的任何截取部分，或者具有次級拋物面反射鏡201a的截取部分，其特征還在于，拋物面全反射鏡101a或者由沒有氧化鐵的透明憎水玻璃構成(對于較小的表面，用一片構成，或者對于較大的表面，由全反射片(TRT)131a構成，該全反射片構成的拋物面113′a的一部分，該113′a支承在適當?shù)膾佄锩娴滓r上)，或者由本身支承在適當?shù)滓r上的透明塑料構成。113′a的前表面113a具有光滑的拋物面形狀，而其后表面113c是拋物面底部凹凸部分，平行于113c，由正交棱鏡114a構成，棱鏡的頂邊緣115a向PTRM 110a的頂點102a匯聚，并被切斷。其特征還在于，S/S100a還包括對稱軸111a(瞄準太陽)以及轉動軸112a和112c(分別為垂直軸和水平軸)，其特征還在于，S/S100a包括位于其第一焦點104a上的拋物面次級反射鏡201a(該201a的特征還在于它的TRT 231a，該231a具有前表面213a、后表面的正交棱鏡214a、向其頂點202a匯聚的棱鏡頂邊緣215a，以及后表面213c)，而不包括聚焦反射鏡119a和PV電池302a，可用該拋物面次級反射鏡201a將寬束光線052a向后反射，形成射向最后焦點204a的窄束光線053a，現(xiàn)在再在該最后焦點上配置聚焦反射鏡119a和PV電池302a(因此稱為最后聚焦反射鏡119a)，其特征還在于，S/S100a可以換一種方式包括位于其第一焦點104a或者其最后焦點204a上的聚焦結構部件S/E900a，像權利要求1和2所述的S/S300a和S/S300b一樣。
5.一種單點聚焦的太陽能系統(tǒng)S/S100b[采用常規(guī)反射鏡時S/S100用(b)表示S/S100]，該系統(tǒng)的結構和圖4所示的S/S100a相同，其特征在于，不用全反射鏡而采用常規(guī)反射鏡。
6.一種單點聚焦的太陽能系統(tǒng)S/S100a，b[在應用全反射鏡時S/S100用(a)表示S/S100，而用常規(guī)反射鏡時，用(b)表示]，該系統(tǒng)的結構類似于權利要求4和5所述S/S100a，或者S/S100b的結構，其特征在于，它建立在底座110a，b上，該底座是懸浮的轉動底座110a，b，可以轉動跟蹤太陽，和權利要求1所述的轉動座301b一樣，此時不再需要垂直轉動柱109a，b，因此可以省去。其特征還在于，該懸浮的轉動底座110a，b可以承載在其上的一個或多個S/S110a，b，該110a，b或者具有完整的初級拋物面全反射鏡(PTRM)101a，b，或者只具有PTRM 101a，b的扇形部分，或者具有PTRM 101a，b的任何截取部分，并承載次級拋物面反射鏡201a，b的相應扇形部分或者截取部分。
7.一種如權利要求1、2、3、4、5和6所述聚光型PV系統(tǒng)中任何一種系統(tǒng)與吸熱型熱泵單元的聯(lián)用，這種聯(lián)用可以借助于吸熱介質例如硅膠，利用冷卻聚光型太陽能電池產生的約50℃-90℃的低溫熱水來生產溫度約5℃-14℃的空調用冷水，或者冰箱或者冰室等所用的冷卻水，這種聯(lián)用可能需要與常規(guī)燃料加熱的輔助熱水生產鍋爐配套使用，以便在太陽輻射低的時間或者不能使用太陽能驅動單元時使用。
8.一種其結構如權利要求1、2、3、4和6所述的全反射片TRT或者TRM，其特征在于，該反射片厚度小(即5-10mm)，由透明材料構成(即由憎水玻璃或者折射系數(shù)n高于約1.5透明塑料如聚碳酸酯或者有機玻璃等構成)，其特征還在于，前表面1b-2是平的，而其后表面1b-1是由很多平行正交棱鏡構成的底部凹凸部分。因此，全反射片1b代表全反射鏡(TRM)，該反射片的特征在于，可以用現(xiàn)有的高生產力的自動機器通過模壓方法用普通的憎水玻璃或者透明塑料進行低成本生產，其特征還在于，該TRT不需要鍍銀來進行反射，因此不會出現(xiàn)老化問題等，其特征還在于，該TRM 1b(以及一般所有的TRM)由于全反射的橫向角特殊性而具有一些重要優(yōu)點，例如可以在TRM繞平行于棱鏡平行頂邊緣的軸線轉動±5°時保持焦點不變，另外，可以顯著減小太陽映像的尺寸，以及在次級TRM上反射，隨后聚焦等，其特征還在于，我們得到的全反射實際上是100％的反射光線，以這種方式應用TRM可以將聚光太陽能系統(tǒng)作成在最后聚焦之前進行多次反射，其光損耗小于用常規(guī)反射鏡聚光系統(tǒng)中單次反射的損耗。
9.一種如權利要求1、2、3、4、5、6和7所述的反射鏡101a，b和201a，b的聯(lián)用或者它們中任何截取部分的聯(lián)用，這種聯(lián)用的特征在于可以顯著減小太陽映像053c的尺寸，方法是，使太陽光線051a首先在反射鏡101a，b上反射，形成寬束光線052a，然后使寬束光線052a在位于有關焦點后面的201a，b上進行第二次反射，由此形成窄束光線053a，在反射鏡101a，b和201a，b之間存在某種尺寸關系的條件下，該窄束光線在聚焦時可以顯著減小太陽映像053c的尺寸(例如在101a，b的直徑與201a，b的直徑之比等于4時，可以減小在最后焦點204a，b上的太陽映像053′c的尺寸，減小太陽影相053″c應該具有的尺寸20％以下，而不會由于101a，b和201a，b的聯(lián)用而被刪除一部分，所以可以將有關的S/S 100a，b的聚光系數(shù)增加到2000日光以上。
10.一種另外的全反射鏡，如權利要求1、2、3、4、5、6和7所述的聚焦反射鏡363a或者363b，這種反射鏡的特征在于，它或者由4個全反射片構成，圍繞PV電池302a形成截頭棱錐形，或者甚至形成為截頭圓錐形TRM，該截頭錐形具有適當張開角(即各個側面比分別對著初級反射鏡301a，或者對著101a，b或者次級反射鏡201a，b，或者對著這些反射鏡的任何截取部分的側面大約5-20°)，從而使得這種全反射鏡可以補償太陽跟蹤系統(tǒng)的少量瞄準錯位，或者補償TRM301a的缺陷，可以補償太陽跟蹤系統(tǒng)沿其水平軸瞄準錯位達到±0.5°的錯位，或者補償初級反射鏡301a或者101a，b的缺陷，或者可以通過將反射光線再反射到太陽能電池302a上的方法補償這些反射鏡由風引起的振動。
全文摘要
一種聚光型的多用途光電PV系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用全反射鏡(301a)(或者常規(guī)反射鏡)同時生產電能、熱能和冷卻能，該全反射鏡通過模壓玻璃形成。采用聚光型的PV電池(302a)，聚集的太陽能聚焦在該PV電池上，由此產生電能，同時通過冷卻該PV電池生產熱水，或者還通過將太陽輻射局部聚焦在PV電池上，而將其余的輻射射到在焦面上的特別的油加熱空腔(900a)內，生產過熱油。另外，采用特別的吸熱泵將生產的低溫熱水的熱能轉變成冷卻能，因此可以在夏天直接利用生產的熱水進行空調，而在冬天直接用生產的熱水加熱房間。
文檔編號F24J2/12GK1507663SQ02809768
公開日2004年6月23日 申請日期2002年4月8日 優(yōu)先權日2001年4月12日
發(fā)明者亞歷山德羅斯·帕帕佐普洛斯, 亞歷山德羅斯 帕帕佐普洛斯 申請人:亞歷山德羅斯·帕帕佐普洛斯, 亞歷山德羅斯 帕帕佐普洛斯