CN101308879B

CN101308879B - 均质杆

Info

Publication number: CN101308879B
Application number: CN2008100953488A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉斯·约翰尼斯·莱恩; 威廉·A·小帕尔昆; 英奇·莱恩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: DE10150176A1; CN101308879A; ZA200402761B

Abstract

本发明涉及一种均质杆。一种浮动的点聚焦透镜的方位跟踪阵列，所述透镜直接将太阳光聚集在与高效的交迭的光电池结合的光均质杆的上端上。所述电池设在支持多个透镜-杆-电池组件的高度跟踪线性槽中的散热器上。所述槽通过在水平轴上旋转使得它们的散热器总是浸没在圆形池的水中。总共仅有膝盖高的槽和它们的浮动框架在浅的池中转动以跟踪方位。密排的浮动平台包括具有最大土地使用率的太阳能发电场。

Description

均质杆

本申请是申请日为2002年10月9日、发明名称为“太阳能发电装置”、申请号为02820173.6(PCT/EP02/11309)的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及大型的光电太阳能发电站。

背景技术

本发明涉及用于从太阳能直接转换成电能的装置，其与间接转换大不相同，该间接转换包括产生施加在转动发电机上的机械扭矩的高温中间过程。已知当前在加利福尼亚使用的大型太阳能发电装置。所有这些最大型的发电装置首先聚集阳光形成高温热，接着使用利用燃烧产生热的发电站的已知方法将其部分地转换成电能，剩余的为废热。当前使用的具有大电力输出的所有太阳能发电站都覆盖巨大的区域，这是由于它们的面积生产率低于3％。它们的高费用和相当大的高度使得聚能器模块的大范围东西分离。它们的高费用是由于高度所产生的风力荷载所需的大量金属而导致的，但该高度是必需的，这是为了延长每一个模块在不被其南方的邻近模块遮挡的情况下每天工作的小时数。其他的费用因素是从包含在太阳能热电生产中的较高维修人工所产生的。

大规模光电发电站仅仅到最近才是经济可行的，这是由于逐渐降低的光电池费用和逐渐增大的电池效率。但在不聚集的情况下，由成排的单块太阳能电池覆盖巨大的地面区域将导致在地面布置大量的特殊金属，所述金属以大面板形式被提供因此其自身必须具有防风结构。由于本发明具有能有效地将太阳光聚集在PV电池上的优点，因此本发明相对于现有技术有较大的改进。

在理论上，一些光电池能够将接近50％的辐照直接转换成电能，在实验室测试中实际已经达到接近40％的直接光电转换，但这些都是用于太阳能聚集。但是太阳能聚集的现有技术仍然具有相同的过度占地的问题，这是由于需要使模块分离所导致的。现有技术的用空气冷却的PV聚能器仍然很昂贵，以致于需要整天工作以进行实际偿还，这是由于它们的聚集度仅是几十(in the tens)。

现有技术存在着不实际的过度占地的问题，这表现为它们的单位面积太阳能效率低，其被定义为电力输出除以设备所需的所有阳光照射的土地面积。本发明提供了一种在上述现有技术的基础上进行改进的有益于环境的太阳能发电系统，采用结构紧凑、可维护的、成本适中(resource-modest)以便于制造和安装的设计。覆盖87％的划拨(set-aside)土地而不是5％，每产生十亿瓦电力而必须划拨的土地面积很少。本发明提供伸缩性很大的结构紧凑的太阳能发电设备，改善了安装、维护和控制的后勤(logistics)并且提高了制造的经济性和投资回报率。

发明内容

因此，本发明在其直流部分的双轴跟踪(two-axis tracking)中使用阳光的聚集光电转换，太阳光被光学聚焦到高聚集度(在这里所述的优选实施例中大约为400)并且通过整体水冷保持高效率。

如下面描述的，采用下列措施以达到超过现有技术的一个数量级的面积效率水平。

1.旋光孔(optically active aperture)将是地面的一大部分(接近90％的面积使用率)。这里公开的新颖的双轴跟踪构造能够获得这种效果。

2.在光电池上的辐照将是太阳光的几百倍以达到理想限度的工作效率，但不能太高(太阳光的几千倍)以致于缩短可靠的使用寿命。

3.利用交迭的电池进行转换，这是由于它们的每个结构层都能限定太阳光谱的一部分，这是上述非常理想的转换效率的根本原因。

4.在小的圆形焦点处(几千倍的太阳光)很不均匀分布的聚集通量将被更均匀地分布在较大的方形光电池上。由于透镜焦距随着波长改变，因此焦点在光谱上也是不均匀的，并且在400纳米和1100纳米处的焦点比在平均折射率(median refractive index)为1.492的通量加权处的宽。但是，当整个电池具有相同的接收的聚集太阳光通量的光谱平衡时，串联的交迭电池达到最佳工作状态。

5.由于效率随着温度升高而下降，因此设有消除强烈的未转换的太阳光热量的散热器，其效率足以使光电池底部和散热器之间的温度差仅为几℃。在为太阳光的几百倍时，这意味着要进行水冷。

6.太阳光辐照的直流部分的双轴跟踪将能够以节省成本的形式实施，同时保持低的总高度。

具有竞争性的大规模太阳能发电的进一步要求是与现有技术的太阳能转换系统相比增强成本效率。本发明通过下列措施来实现：

a)通过利用浮在冷却水上的聚能器(concentrator)的浮力支撑水平跟踪，从而能够减少每瓦所消耗的材料量；

b)使系统的高度达到最小(确切地，膝盖高度)从而在强风下也不会损坏；

c)使用小的光电池，对于小的光电池，太阳能电能转换仅需要短的导线至低电阻的公共总线。

d)与自然对流水冷结合的短焦距聚集透镜和万花筒混合杆，确保最佳的电池操作。

本发明利用权利要求中所述的措施满足所有这些要求。

根据本发明的一个方面，提供了一种辐照均质杆，用于在跟踪太阳聚能器系统中接收聚集的太阳辐照，该均质杆具有限定纵向壁的纵向轴线，所述纵向壁是平面的以通过全内反射以万花筒形式混合所述辐照，所述均质杆还具有垂直于所述均质杆的所述纵向轴线以接收所述聚集的太阳辐照的第一横向表面，以及与所述第一横向表面相对的第二横向表面，所述第二横向表面与光电池光学接触。

附图说明

图1示出了通过两个槽的截面。

图2示出了平台构架的顶视图。

图3示出了太阳能场的一部分。

图4示出了在低太阳高度时两个槽的位置。

图5示出了从上面看一个槽的视图。

图6示出了一个槽的端壁。

图7示出了两个槽的悬吊。

图8示出了槽的支撑。

图9示出了电能收集器。

图10示出了一束射线的聚焦区的形状。

图11示出了辐照均质器(radiation-homogenizer)的使用。

图12示出了与辐照均质器相同的布置。

图13示出了其进入平面大于离开平面的辐照均质器。

图14示出了具有偏心焦距的相同的辐照均质器。

图15示出了由液态金属从可移动的辐照均质器消散热量。

图16示出了由热管进行的热量消散。

图17a、17b和17c示出了细长的热管。

图18示出了用于槽的提升装置。

具体实施方式

图1以示意图的形式示出了通过位于槽(trough)1中的聚能器的垂直截面，槽1被透镜2覆盖，透镜2将平行的单色射线3聚集在焦点4处。槽被支撑在水体5上。利用横梁6使槽相互之间保持仅几个毫米的距离。为了跟踪太阳高度，槽可围绕水平几何轴线7枢转。枢转是由太阳跟踪传感器控制的并且基于气动平衡扭矩。从压载舱室8将水抽吸到压载舱室9中，其中两个压载舱室通过管状横梁6气压地互通，浮力扭矩使得每一个槽向上枢转以使透镜2直接对准升起的太阳，直至中午太阳到达其最高位置。接着鼓风机(blower)10通过横梁6在压载舱室9中产生正压力，以使水从压载舱室9流回到压载舱室8。这使得槽在下午几个小时中向下枢转透镜。横梁的角度与所述正压或者负压是成比例的。

图2示出了具有多个槽21的浮动平台的构架20，每一个槽包括12个聚能器透镜。构架20包括浮动圈22，浮动圈22与浮动横梁6’形成一个单元并且使元件23与横梁6’垂直地接合。垂直支撑件24设置在平台中心并且与地面相连。环22可具有通过盘29转动的齿28(诸如在一齿-带上)，盘29由电动马达驱动。平台在太阳探测器的控制下以太阳的方位角速度围绕平台的垂直轴线转动。聚集透镜2’因此在水平和垂直轴线上指向太阳。在夜晚，平台返回到早晨位置，但在有微风的夜晚，槽朝向风吹方向以增强水的冷却。

图3示出了适于任何数量个平台以密排方式布置的太阳能场的一组平台。在这样一种具有多个平台的情况下，将利用在三个平台之间的间隙布置的气动轮胎引导轮30实现方位跟踪驱动。每第5个这样的轮31是由电动马达驱动的，其扭矩被输送到外环22’。另外，在这种情况下，环22’可具有与引导轮30的齿接合的齿。人行桥34在引导轮30上方延伸使得人员能够接近以进行维修。在太阳能场的每一个平台20’下方具有浅的水体，每一个平台20’浮在其上。利用在其顶部的油层保护该封闭的池不发生蒸发。光电池的废热被传导到该水层中。通过使其暴露在外部空气中使水层冷却。在当太阳很低的几小时内，特别是在夜晚，平台20将转动以使槽排面朝风吹方向，有利于使其接近池水。

这样一种太阳能场也能被设置在自然水体上。如果湖底太深，引导轮30的轴33可通过杆互连且结合的引导轮30通过锚定设备与湖底相连。另外，多种工业设备具有适于与本发明双重使用的大通风池，只要槽由低腐蚀材料制成即可。

图4以横截面的形式示出了槽1的内部，在该内部进行太阳辐照的转换。这些槽浮在水层5上。在低太阳高度时，槽1’排开一定量的水，该水量由虚线40和槽壁54的位于虚线下方的那些部分来限定。在每一个仰角处，几何圆周41与水平面相切。虚线40至42限定了在较高太阳高度时的平面，所有这些平面与圆周41相切。槽1和1’相互之间的距离61是由透镜2”的宽度加上槽之间的最小宽度间隙而得到的。对于所示的24°仰角，突出的保护框架48的边缘47接触相邻的槽的突出部分49。相对于平分线45，透镜2的光学轴线46向下移动。该光学轴线与辐照均质器43的进入平面的中心相交。被高度聚集的聚集太阳光射线束将进入杆43并且通过无损耗全内反射达到光电池4’。由于这些内部反射的万花筒作用，阳光在4’上的空间分布更加均匀。在槽1’的所有太阳仰角处，光电池4’与位于水面5’下方的挤压杆50良好地热接触。软管52的一端开口通向外部空气并且另一端被封闭。线栅53平行于周围射线39延伸并且防止软管52进入聚能器透镜的射线39内的棱镜。

随着在气象学上的空气压力增大，软管52充填有外部空气。该措施确保被透镜2’、壁54和55以及端壁封闭的舱室始终具有与外部空气相同的空气压力，使得与环境之间的不受控制的空气交换达到最小。为了对进入内部的空气进行干燥，在软管52上的罐37中设置重复利用干燥器。干燥内部空气是重要的，这是因为交迭的电池是吸湿的。

图5示出了从面对太阳的一侧看的槽的视图。在端板56和56’处，槽具有短轴57，并且可围绕水平几何轴线58在其上倾斜。在所有操作倾斜角度的情况下选择轴线58的位置以使浮力扭矩为零。透镜2’在其内侧上具有在透镜的中央一半中的多个折射沟槽59并且TIR沟槽60围绕折射沟槽59，从而使由这样零扭矩槽的形状所需的焦距较短。如图4所示，如虚线46表示的，只有在具有这样的短焦距的情况下，槽间距61能仅大于槽宽度，以接近100％的填充系数。由于槽是通过浮在水中来被支撑的，因此它们的壁材料厚度小于为了防止在离开水时发生扭曲变形所必需的材料厚度。为了节省耐腐蚀壁材料的花费，对角的拉线62在每一个透镜上形成“X”，确保槽刚度，这对于所有均质器杆在它们各个焦点上排列是必需的。

每一个槽可安装多达12个透镜-杆-电池-单元。图4中的防护框架48防止透镜2’在最低太阳位置时浸入水面5’中。

图6示出了具有防护框架48和短轴57’的槽的端板56的视图。

图7和图8示出了具有端板56和56”的两个槽，该端板56和56”具有被球形支撑件支撑的短轴57”。壁70在端板56和56’之间伸出，并且球形支撑件66和67以及电收集器71和71’安装在其上。壁70是挤压管70’的一部分，挤压管70’的大部分在水面5’下。该管70’产生浮力，该浮力通过球形支撑件66和67被输送到短轴57’和57”，从而支撑槽69和69’。挤压管70’通过支撑件75与图1中所示的平台环22’相连。

图8示出了垂直于槽的纵向轴线58(图5)延伸的挤压管70’。球形支撑件67和67’和电收集器71和71’位于在壁70上。

图9示出了通过带有球形支撑件66和67以及电收集器71的短轴57”的截面，其中接触体76通过弹簧72被压靠在滑动环端部78。滑动环端部78需要仅在中心处延伸大约70°的角度，以使槽在接触体76上的重量在所有仰角的情况下保持其与滑动环端部78紧密接触。滑动环端部与光电池4’(图4)串联以在槽的相对两端获得相反的电极性。根据所需的槽输出电压，多个光电池可串联以达到最高电压，或者并联以进行氢-水解或者以这两种方式进行混联而达到中间电压。当通过高柔性电缆将电力引导到外部时，类似的串联-并联选择将确定槽电压如何结合以获得所需的平台电压。

在图10至14中描述了辐照均质器的主要部件。

图10是聚集透镜的焦点的强度曲线100，具有为太阳光几千倍的峰值101，剩余的电池区域是暗的。这样过大的通量强度将破坏电池。相反，在电池上均匀的分布将产生460倍太阳光的几何聚集，基本上使电池处于最佳状态。

图11示出了辐照均质器杆80在端部81接收透镜2的聚焦辐照。辐照均质器杆80由对可操作的太阳光谱的体积透射系数最高的玻璃制成，以使其中的可吸收的热负荷达到最小。最常用的玻璃具有足够密集的太阳光吸收带从而将不可接受的热负荷增加到电池上。图12示出了同样的辐照均质器杆80的侧视图，杆80的斜面84延伸到导热的散热棒85。该斜度对于在所有太阳仰角的情况下使棒85被浸没是必需的。

图13和图14示出了具有朝向底表面82向内倾斜的壁87’和87以及壁86的辐照均质器80。图13示出了在进入平面131的中点130处的射线，而图14中的射线是偏心的。离开平面82通过光粘结层83a与光电池83光学接触。光电池83的下侧与由热膨胀系数接近电池的材料制成的金属层85a相连。在电池和杆与其结合之前，该金属层被焊接到散热器88上。

该相同的光学装置、均质杆执行三个功能：

a)很不均匀的聚集太阳辐照通量在矩形离开表面上无损耗地重新分布，该很不均匀的聚集太阳辐照通量在进入表面上形成圆点。

b)通过使杆围绕其进入面倾斜直到20°，使总的辐照通量无损耗地偏转，以保持散热器被浸没。

c)提供足够大的扩展进入表面(比电池宽30％)以便即使在高度跟踪中存在1°的误差时也能够收集所有聚焦的太阳光。

图15示出了辐照均质器杆145”’被管155封闭的布置，管155通过散射很少的聚集太阳光的尖锐边缘与杆145”’单独接触。管155与金属底座156相连，金属底座156与散热器154形成窄的间隙157。间隙157中充满汞，汞的供给源在波纹管158中。

图16示出了被波纹管158’包围的排空热管。管芯160吸收致冷流体。分隔装置161防止吸热平面156’和154’在外部空气压力作用下一起移动。

图17a示出了具有短轴57”的槽的侧视图。光电池4”’被放置在凸起165中并且与热管166热接触，热管166的纵向延伸部分在槽的从其第一光电池到最后一个光电池的整个长度上垂直于端板56”向下延伸。图17c示出了位于热管166内的吸收剂管芯层167，热交换流体(诸如水)从其一部分169蒸发。蒸汽通过舱室170流到壁171，壁171在所有可操作的太阳高度仰角的情况下位于水面5”’下。在该壁处，热交换流体冷凝并且在管芯层167的毛细力的作用下与其废热一起被输送回到光电池4”’。热管166是空气密封的并且除了少量的水以外被抽空。

图17b示出了第二槽，与第一槽类似，可向下倾斜到20°的仰角。

作为上述气动跟踪的一种可替代的方案，图17a和图17b示出了一种用于使透镜-光电池-单元共同倾斜的机械方法。

在图17a和图17b中，槽的热管166具有小孔172，绳178被固定在小孔172处。为了使槽围绕它们的水平轴线倾斜到较低的仰角，利用线性马达使绳178在箭头180的方向上移动。用于倾斜到较高仰角的调节作用力来自于与平台构架相连的螺旋弹簧181。

图18以纵向视图182和横截面图183的形式示出了槽。手柄185位于大约为总长度四分之一的距离184处。通过起重机(未示出)使矩形管186降至两个手柄185之间。接着，舌部187从管186延伸。现在，带有短轴57”’的槽可如图9中所示从其支撑件上被提升，其中短轴57”’的扭转刚度低，这是由于它通常浮在水上。

Claims

1.一种辐照均质杆，用于在跟踪太阳聚能器系统中接收聚集的太阳辐照，该均质杆具有限定纵向壁的纵向轴线，所述纵向壁是平面的以通过全内反射以万花筒形式混合所述辐照，所述均质杆还具有垂直于所述均质杆的所述纵向轴线以接收所述聚集的太阳辐照的第一横向表面，以及与所述第一横向表面相对的第二横向表面，所述第二横向表面与光电池光学接触。

2.如权利要求1所述的辐照均质杆，其特征在于，所述第二横向表面与所述光电池通过透明粘结剂光学接触。

3.如权利要求1所述的辐照均质杆，其特征在于，所述均质杆的所述纵向轴线相对于所述聚集的太阳辐照的方向倾斜。

4.如权利要求3所述的辐照均质杆，其特征在于，所述倾斜是向下方向的，所述向下方向在跟踪操作过程中在最低的太阳高度时被限定。

5.如权利要求1所述的辐照均质杆，其特征在于，所述均质杆是由玻璃制成的。

6.如权利要求1所述的辐照均质杆，其特征在于，所述均质杆是平行六面体。

7.如权利要求1所述的辐照均质杆，其特征在于，至少一个所述纵向壁不平行于所述纵向轴线，以使所述杆沿着所述聚集的太阳辐照的方向具有锥度。

8.如权利要求5所述的辐照均质杆，其特征在于，所述玻璃材料具有低的太阳辐照的体积吸收率。

9.如权利要求5所述的辐照均质杆，其特征在于，所述玻璃均质杆具有抛光表面。

10.如权利要求9所述的辐照均质杆，其特征在于，所述玻璃均质杆具有在接收聚集的太阳辐照的横向表面上的防反射涂层。

11.如权利要求1所述的辐照均质杆，其特征在于，仅与所述杆以点或者线接触的结构支撑装置与所述均质杆相关联。

12.如权利要求11所述的辐照均质杆，其特征在于，所述结构支撑装置包括内径等于所述杆的对角线尺寸的管。

13.如权利要求9所述的辐照均质杆，其特征在于，所述均质杆具有在与所述光电池相邻的壁部上的本阳光反射涂层。