CN101867319A - 用于太阳能发电的具有固态光学元件的旋转槽式反射器阵列 - Google Patents

Abstract

旋转槽式反射器太阳能发电设备包括围绕基本上垂直的轴旋转的槽式反射器并且包括固态光学元件，该固态光学元件具有：用作为基底的线性抛物线凸形表面，用于自动定位反射镜以便把太阳光聚焦到焦线上；以及平的孔径表面，用来把带条型光伏(PV)接收器支承在焦线上。跟踪系统旋转槽式反射器，以使得槽式反射器大体上平行于入射的太阳光对准(例如，在日出时在大致东西方向上，在正午时转到大致南北方向，和在日落时转到大致东西方向)。圆盘形支承表面被使用来把反射器的重量分布在更大的面积上，并使得跟踪系统电动机尺寸最小化。多个槽式反射器被安装在圆盘形支承上，使得发电最大化。

Description

用于太阳能发电的具有固态光学元件的旋转槽式反射器阵列

相关申请

本申请是2009年2月18日提交的、题目为“ROTATIONALTROUGH REFLECTOR ARRAY FOR SOLAR-ELECTRICITYGENERATION”的美国专利申请12/388,500的部分继续申请。

技术领域

本发明总的涉及太阳能发电的改进，更具体地，涉及适用于住宅屋顶安装的应用或商业应用的、改进的槽式反射器型太阳能发电设备。

背景技术

对于“绿色”电源(即，不是用基于石油的产品的发电)的需要引起用于商业和住宅应用的太阳能发电的许多进步。

太阳能发电典型地牵涉到把太阳光直接转换成电的光伏(PV)元件(太阳能电池)的使用。这些太阳能电池典型地通过使用方形或准方形硅晶片而被制成，这些硅晶片通过使用建立的半导体制造技术被掺杂，并以产生自由电子的方式吸收光辐射(例如，太阳光)，在存在内建电场的情形下使得这些自由电子流动，创建直流(DC)功率。由包括几个太阳能电池的阵列生成的DC功率在被放置在电池上的网格上被收集。

太阳能发电当前在住宅和商业环境(setting)中执行。在典型的住宅应用中，相对较小的太阳能电池阵列被安装在房子的屋顶上，生成的电典型地仅仅提供给该房子。在商业应用中，较大的阵列被布置在太阳照射下，否则在未使用的区域(例如，沙漠)，最终得到的大量电力通过电力线被输送到企业和住房。把太阳能阵列安装在住宅房子的好处是，本地化的发电减小与在长的电力线上的传输相关联的损耗，并且与商业的太阳能发电相比较，它需要较少的资源(即，土地、电力线和塔、变压器等等)来对所发的电进行配电。然而，如下面阐述的，当前的太阳能发电设备在住宅环境中典型地不是经济可行的。

太阳能发电设备通常可被划分成两组：平板太阳能阵列和聚集型(concentrating-type)太阳能设备。平板太阳能阵列包括太阳能电池，该太阳能电池被安排在大的平板上，受到未聚焦的直接漫射太阳光的照射，由此被转换成电的太阳光量正比于太阳能电池的面积。相反，聚集型光伏太阳能设备利用把大多数直射的太阳光聚焦(聚集)到位于光学元件的焦点(或线)上的相对小的太阳能电池的光学元件。

平板太阳能阵列比起聚集型太阳能设备有优点也有缺点。平板太阳能阵列的优点在于，它们的重量-尺寸比是相对较低的，易于其在住宅应用中使用，因为它们可以被安装在大多数房子的屋顶而不用对屋顶支承结构作重大的修改。然而，平板太阳能阵列具有相对较低的效率(即，约15％)，它需要大的覆盖面积，以便提供足够的电量，使得它们值得使用。因此，由于硅的高成本，当前的屋顶平板太阳能阵列成本高于每瓦$5，所以房主要用25年通过节省他/她的电费帐单而回收投资。在经济上，平板太阳能阵列对于没有补助金的典型的房主来说不是可行的投资。

通过提供把太阳光聚焦(聚集)到太阳能电池的光学元件，聚集型太阳能阵列避免平板太阳能阵列的高的硅成本，并且还可以通过使用较小的、更高效率的太阳能电池而呈现更高的效率。聚集量依赖于光学设备的类型而变化，范围从对于槽式反射器型设备(在以下另外详细描述)的10X-100X到使用某些卡萨格伦型(cassegrain-type)太阳能设备的高达600X-10000X。然而，通常，聚集型太阳能设备的问题是光学元件的取向必须在一天内通过使用跟踪系统连续调节以便保持峰值效率，这需要坚实的基础结构和电动机来支承和定位光学元件，这个结构还必须设计制造成抗大风和风暴外力。而且，较高效率的(例如，卡萨格伦型)太阳能设备对于反射器材料、反射器几何结构和跟踪精度需要甚至更高的工程要求。由于由支承/跟踪系统强加的工程约束，聚集型太阳能设备很少在住宅环境中使用，因为大多数房子的屋顶需要很大的翻新改进来支承它们的很大的重量。相反，聚集型太阳能设备典型地限于商业环境，其中水泥或金属基础结构布置在地基上。

图15(A)到(C)是显示传统的槽式反射器太阳能发电设备50的简化的透视图，它代表一种类型的传统的聚集型太阳能设备。设备50总的包括槽式反射器51，该槽式反射器51具有被成形为把太阳(光)束B反射在焦线FL上的镜射(反射)表面52；拉长的光感受器53，该光感受器53通过支承臂55以固定关系沿焦线FL安装在槽式反射器51上；以及跟踪系统(未示出)，用于支承槽式反射器51和围绕平行于焦线FL的水平轴X旋转槽式反射器51。在传统的环境中，槽式反射器51被放置成X轴对准在南北方向，并且如图15(A)到(C)所示，跟踪系统在一天的过程期间沿东到西方向旋转槽式反射器51，这样，光束B被引导到反射镜表面52。如上所述，在住宅环境中这种布置的问题是，跟踪系统(即，对于旋转槽式反射器51所需要的支承结构和电动机)需要对普通的住宅房子屋顶作很大的修改。另一方面，如果槽被做得很小，并且被并排地包装在一起，多个槽由一个电动机驱动，那么要使得多个铰链和联动装置一起枢轴地旋转以精确地聚焦太阳光在工程上是困难的。

所需要的是能够克服上述的与传统的太阳能发电系统相关联的问题的、经济可行的住宅屋顶安装的太阳能发电系统。具体地，所需要的是利用比传统平板太阳能阵列更少的PV材料的、避免传统的聚集型太阳能设备的笨重的昂贵的跟踪系统的太阳能发电设备。

发明内容

本发明涉及太阳能收集(例如，太阳能发电)设备(装置)，其中槽式反射器通过跟踪系统围绕基本上正交于(例如，通常垂直于)基础支承表面和不平行于(例如，垂直于)线性太阳能收集元件的或由槽式反射器限定的焦线的轴(即，不是如传统的槽式反射器系统中的水平的)旋转，其中跟踪系统对准通常平行于入射的太阳束的槽式反射器(例如，在日出时对准通常东-西方向，而不是如传统的槽式反射器系统中的南/北方向)。通过使用由槽式反射器提供的适度的太阳光聚集，由太阳能发电设备需要的PV(或其它太阳能收集)材料的量减少到是传统的太阳能平板阵列的大约1/10到1/100。另外，通过围绕垂直于焦线的轴旋转槽式反射器，槽式反射器保持与基础支承表面(例如，住宅房子的屋顶)共面或处在相对于基础支承表面的固定的、倾斜的位置，由此大大的减小对于支承结构的强度的工程要求和对于操作跟踪系统所需要的功率量，避免同适配商业槽式反射器设备相关联的问题，并提供经济可行的、易于在住宅屋顶上实施的太阳能发电设备。

按照本发明的一个方面，槽式反射器包括：具有主要是平的上部孔径表面和凸形下部表面的固态透明(例如，玻璃或透明塑料)光学元件，被安装在上部孔径表面上的线性太阳能收集元件(例如，一串光伏电池)、和被沉积在凸形下部表面上或以其它方式与凸形下部表面共形(conform)的弯曲的反射镜。凸形下部表面和弯曲的反射镜具有线性抛物线状，并被布置成使得通过平的上部孔径表面的太阳光被反射镜(其反射面面向光学元件)反射和聚焦到与其上安装有线性太阳能收集元件的上部孔径表面的线性区域重合的焦线上。光学元件的使用比起传统的槽式反射器装置提供几个优点。首先，通过使用具有在1.05到2.09的范围中(以及更优地在1.15到1.5的范围中)的折射率的材料制造光学元件，光学元件通过使得折射光在通过光学元件时更垂直于阵列，而减小有害的末端效应，因此减小在线性太阳能收集元件的末端处很差地照射或不照射的区域的量。第二，因为光学元件是固态的(即，因为孔径和凸形镜表面保持互相固定的关系)，反射镜和太阳能收集元件永久地保持对准，因此保持最佳光学运行同时使得维护成本最小化。第三个优点是能够减小基于光伏(基于PV)的太阳能收集元件的正常工作电池温度(NOCT)。而且，因为反射镜与凸形表面共形，在气体/固体交界面处光的损耗被最小化，因为仅仅固态光学元件材料(例如，塑料或低铁玻璃)被定位在孔径表面与凸形表面/反射镜之间，和在凸形表面/反射镜与太阳能收集元件之间。这个装置还使得维护最小化，因为太阳能收集元件的有效表面和反射镜表面通过固态光学元件材料被永久防止污垢和腐蚀，只留下相对容易清洗的被暴露在污垢和天气的平的上部孔径表面。第五个优点是阵列的减小的轮廓、高度和制造成本。按照本发明的具体实施例，反射镜是直接形成(例如，溅射沉积或电镀)在光学元件的凸形表面上的金属膜。通过仔细地模制光学元件来包括具有想要的形状和位置的凸形表面和孔径表面，反射镜在被形成为反射镜材料膜时基本上是自形成和自对准的，因此大大地简化制造过程和使得生产成本最小化。替换地，反射镜包括反射膜，它被粘接地或其它方式被安装在反射器的背面，这提供类似于直接形成的反射镜的优点的自对准和自形成优点，并包括以稍微低的反射率为代价甚至进一步减小的成本。

按照本发明的具体的实施例，多个槽式反射器被安装在圆盘形支承结构上，该圆盘形支承结构由被安装在支承结构的外围边缘的电动机旋转。槽式反射器的重量通过圆盘形支承结构被散布在大的面积上，由此易于在位宅应用中屋顶安装。被耦合到例如圆盘形支承基底的外围边缘的相对小的电动机通过使用与在传统的槽式反射器装置中所需要的功率相比较非常小的功率转动支承结构。被安装在每个槽式反射器上的PV元件通过使用已知的技术被串联连接，提供最大发电。圆盘形支承结构的低轮廓和槽式反射器的平面内旋转，与传统的槽式反射器装置相比较，减小风和风暴损害的机会。在一个实施例中，槽式反射器被安装在台板上，该台板被可拆卸地安装在转台上。按照替换实施例，多个相等长度的槽式反射器被可拆卸地安装在方形框架上，该方形框架被支承在可旋转的支承结构上，由此提供一种装置，在其中所有的槽式反射器的PV接收器生成具有类似的电压的电，以及其中各个槽式反射器是可方便地更换的。在再一个替换实施例中，类似的电压是使用不同的长度的槽，通过给每个槽提供相同数目的电池，但使得在较短的槽中的电池按比例地是较短的，而达到的。

按照本发明的另一个具体的实施例，多个槽式反射器被安装在圆盘形支承结构上，该圆盘形支承结构由垂直支承轴在提升的、成角度的位置上被支承，该垂直支承轴由电动机旋转，以使得槽式反射器被引导到面向太阳。虽然提升和倾斜由槽式反射器支承结构限定的平面潜在地对垂直装置增加风的影响，但提升的装置可以提供更好的太阳光转换，这在某些商业应用中是有用的。在一个具体的实施例中，单独的驱动电动机被提供来提升/降低槽式反射器的成角度的位置，由此易于例如补偿纬度和最终得到的非理想的天顶角。

按照本发明的各种附加替换实施例，光学元件是基本上圆柱形部分(section)，具有约1英寸的截面宽度。在一个具体的实施例中，光学元件包括分隔开孔径和凸形表面的平行的垂直边缘，以及具有0.375”的最大厚度。在低轮廓实施例中，孔径和凸形表面相交在一点，并且光学元件具有0.25”的最大厚度。另一个替换实施例牵涉到把低轮廓元件分割成两半，以使得分割元件把光收集和聚集在被放置在元件的一个边缘处的成角度的接收器。在再一个实施例中，孔径和凸形表面之一或二者被修改，以使得太阳能收集元件被放置在抛物线反射镜的真实的焦点的上面或下面，以便更均匀地和充分地照射接收器。在再一个实施例中，抛物线反射镜和凸形表面包括用于入射光的有小平面的表面，以便把聚集因子限制于不大于想要的量而不管阵列、跟踪系统的不对准、或太阳能收集元件的放置。

按照本发明的另一个实施例，槽式反射器包括光学元件，其中上部孔径表面由阶梯式的一系列平行表面部分形成。这种装置减小对于形成光学元件所需要的材料(例如，聚合物)的量。

按照本发明的另一个实施例，槽式反射器包括沿上部孔径表面的线性中心区域布置的第二反射镜。第二反射镜被成形和被定位成使得穿过孔径表面的太阳光被下部(主)反射镜反射到第二反射镜上，该第二反射镜然后把这个太阳光朝着凸形表面的中心区域反射。另外，太阳能收集元件被放置在靠近凸形表面的中心区域(例如，被放置在凹槽或被安装在凸形表面的上面或下面)，以使得由第二反射镜反射的光聚焦到太阳能收集元件。这个装置增加复杂性、成本、和光损耗，但为放置在平板下面的散热器提供更大的空间，和能够更容易接近到平板的顶部用于清洗(例如，没有可能妨碍清洗处理的散热器片粘附)。

综上所述，根据本发明的第一方面，提供一种用于太阳能收集的设备，包括：

第一槽式反射器，包括：

单片固态光学元件，具有主要是平的上部孔径表面和凸形下部表面，该凸形下部表面相对于上部孔径表面布置；

反射镜，共形地布置在凸形下部表面上，其中凸形下部表面和反射镜被布置成使得穿过平的上部孔径表面的太阳光被反射镜反射和聚焦到上部孔径表面的线性区域上；

线性太阳能收集元件，被固定地布置来接收由反射镜反射的聚焦的光；以及

用于使第一槽式反射器围绕轴旋转的装置，

其中所述轴不平行于上部孔径表面。

根据本发明的设备，

其中固态光学元件包括具有在1.05到2.09的范围中的折射率的材料，以及

其中反射镜包括被沉积在凸形下部表面上的金属层和被安装在凸形下部表面上的反射膜之一。

根据本发明的设备，

其中固态光学元件包括玻璃或透明塑料，以及

其中反射镜包括银和铝之一。

根据本发明的设备，

其中凸形下部表面和反射镜被布置成使得穿过平的上部孔径表面的太阳光被反射镜反射和聚焦到基本上与上部孔径表面的线性区域重合的第一焦线上，

其中太阳能收集元件被布置在第一焦线上，以及

其中所述轴被布置成基本上垂直于第一焦线，以使得当所述第一槽式反射器围绕所述轴旋转时，太阳能收集元件保持在垂直于所述轴的预定平面上。

根据本发明的设备，其中所述装置包括跟踪系统，其包括用于检测太阳相对于第一槽式反射器的位置的装置，和用于旋转第一槽式反射器以使得第一焦线平行于由太阳生成的、被引导到槽式反射器的太阳束的装置。

根据本发明的设备，其中所述跟踪系统包括用于控制第一槽式反射器的旋转位置的装置，以使得：

在日出时间段内，焦线对准在第一大致东西方向，

在正午时间段内，焦线对准在大致南北方向，和

在日落时间段内，焦线对准在第二大致东西方向。

根据本发明的设备，

其中第一槽式反射器具有平行于焦线测量的纵向长度，

其中所述装置包括基础结构，其包括用于相对于基础支承表面围绕所述轴旋转基础结构、并且具有限定大于或等于所述第一槽式反射器的纵向长度的直径的外围边缘的装置，以及

其中第一槽式反射器被安装在圆形基础结构上，以使得基础结构相对于所述基础支承表面的旋转产生第一槽式反射器围绕所述轴的旋转。

根据本发明的设备，其中所述装置包括跟踪系统，其包括：

驱动系统，被耦合到基础结构的外围边缘，

用于检测太阳相对于槽式反射器的位置的装置，和

用于使得驱动系统把转矩施加到基础结构的外围边缘以使得槽式反射器被旋转到一个位置的装置，其中第一焦线平行于由太阳生成的、被引导到槽式反射器上的太阳束。

根据本发明的设备，还包括被耦合到所述基础结构的一个或多个第二槽式反射器，所述一个或多个第二槽式反射器中的每个第二槽式反射器包括相关联的固态光学元件，其包括限定相关联的焦线的相关联的反射镜，以及其中所述一个或多个第二槽式反射器的相关联的焦线平行于由第一槽式反射器的反射镜限定的焦线。

根据本发明的设备，其中太阳能收集元件包括光伏材料、热有效接收器管和热电材料之一。

根据本发明的设备，其中所述一个或多个第二槽式反射器中的每个第二槽式反射器的长度基本上等于第一槽式反射器的长度。

根据本发明的设备，

其中凸形表面包括线性抛物线表面，以及

其中固态光学元件还包括在平的孔径表面与线性抛物线表面之间延伸的侧边缘。

根据本发明的设备，其中太阳能收集元件被形成角度和被设置在上部孔径表面的中心区域中限定的V形凹槽中。

根据本发明的设备，其中太阳能收集元件被布置在由反射镜限定的焦线稍微上面和稍微下面之一的位置。

根据本发明的设备，其中凸形表面包括有小平面的表面。

根据本发明的设备，其中主要是平的上部孔径表面包括阶梯式的一系列平行的平的表面部分。

根据本发明的设备，还包括沿上部孔径表面的线性区域布置的第二反射镜，以使得由被共形地布置在凸形下部表面上的反射镜反射的光被反射到第二反射镜，随后被第二反射镜朝着凸形表面的中心区域反射，其中太阳能收集元件被布置得靠近凸形表面的中心区域，以使得被第二反射镜反射的光被引导到太阳能收集元件。

根据本发明的设备，其中光学元件限定沿凸形表面的中心区域布置并延伸到凸形表面的中心区域中的拉长的凹槽，其中太阳能收集元件被固定地安装在被布置在拉长的凹槽内部的表面上。

根据本发明的设备，还包括热交换器，其被固定地安装在凸形表面的中心区域的下面，其中太阳能收集元件被固定地安装到热交换器。

根据本发明的第二方面，提供一种用于通过使用第一槽式反射器的太阳能发电的方法，其中第一槽式反射器包括：单片固态光学元件，具有主要是平的上部孔径表面和凸形下部表面，该凸形下部表面相对于上部孔径表面布置；线性太阳能收集元件；和反射镜，共形地布置在凸形下部表面上，其中凸形下部表面和反射镜被布置成使得穿过平的上部孔径表面的太阳光被反射镜反射和聚焦到线性太阳能收集元件上；方法包括：

把第一槽式反射器布置在平面支承表面上，以使得线性太阳能收集元件相对于平面支承表面限定一个角度；以及

把第一槽式反射器围绕基本上垂直于平面支承表面的轴旋转，由此线性太阳能收集元件保持布置在相对于所述平面表面的所述角度，而同时所述第一槽式反射器围绕所述轴旋转。

附图说明

通过参考以下的说明、所附权利要求和附图，将更好地了解本发明的这些和其它特征、方面与优点，其中：

图1(A)和1(B)是显示按照本发明的一般化实施例的太阳能发电设备的分解透视图和顶面透视图；

图2(A)和2(B)是显示图1的设备的槽式反射器在工作期间的简化截面端视图和侧视图；

图3是显示被布置在住宅房子的屋顶上的图1的设备的顶部透视图；

图4(A)，4(B)和4(C)是显示按照本发明的实施例的、在工作期间用于定位图1的槽式反射器的方法的简化的透视图；

图5是显示按照本发明的另一个实施例的太阳能发电设备的顶面透视图；

图6(A)，6(B)和6(C)是显示在工作期间图5的设备的简化顶视图；

图7(A)和7(B)是显示按照本发明的替换实施例的太阳能发电设备的顶面透视图；

图8(A)，8(B)和8(C)是显示在工作期间图7的设备的简化顶视图；

图9(A)，9(B)和9(C)是显示按照本发明的另一个实施例的太阳能发电设备的简化透视图；

图10(A)和10(B)是显示按照本发明的另一个实施例的带有倾斜机构的太阳能发电设备的简化透视图；

图11是显示按照本发明的再一个实施例的太阳能发电设备的透视图；

图12(A)，12(B)，12(C)和12(D)是显示按照本发明的替换实施例的固态光学元件的简化的横截面端视图；

图13是显示按照本发明的再一个实施例的太阳能发电设备的简化的横截面端视图；

图14(A)，14(B)，和14(C)是显示按照本发明的替换实施例的固态光学元件的简化的横截面端视图；以及

图15(A)，15(B)，和15(C)是显示传统的槽式反射器太阳能发电设备在工作期间的简化透视图。

具体实施方式

本发明涉及太阳能收集设备的改进。以下的说明被给出，以使得本领域技术人员能够作出和使用在特定的应用和它的要求方面提供的本发明。正如这里使用的，诸如“垂直的”和“水平的”那样的方向术语打算提供用于说明的相对位置，但不打算指明绝对参考系。本领域技术人员将明白对于优选实施例的各种修改方案，并且这里限定的一般原理可应用于其它实施例。所以，本发明不打算限于所显示和描述的具体的实施例，而是要被给予与这里公开的原理和新颖特征一致的最广泛的范围。

图1(A)和1(B)是显示表示按照本发明的一般化实施例的太阳能收集设备的一种形式的太阳能发电设备(装置)100的简化的分解的和组装的透视图。如图1(B)所示，类似于传统的槽型太阳能收集器(例如，诸如以上参照图15(A)到15(C)描述的那些)，设备100通常包括：槽式反射器101，具有抛物线槽式反射镜130，该反射镜130被成形为把太阳(光)束B反射到被布置在反射镜130的焦线FL上的光伏(PV)接收器(太阳能收集元件)120；以及跟踪系统140，其把槽式反射器101移到用于接收光束B的最佳位置。然而，设备100不同于传统的槽型太阳能收集器在于两个主要方面：第一，槽式反射器101包括固态光学元件110，其上固定地连接PV接收器120和反射镜130；以及第二，跟踪系统140围绕轴Z旋转(或以枢轴旋转)槽式反射器101，该轴Z不平行于焦线(即，不平行于由上部孔径表面112限定的平面)。

参照图1(A)和1(B)，槽式反射器101通常包括：固态透明光学元件110，具有主要是平的上部孔径表面112和凸形(线性抛物线)下部表面115；被安装在孔径表面112上的PV接收器120；和与凸形下部表面115共形的反射镜130。

固态透明光学元件110包括整体模制的、挤压的或其它方法形成的单片元件，该单片元件由诸如低铅玻璃那样的清澈透明的光学材料、透明的聚合物材料诸如硅酮、聚乙烯、聚碳酸酯、或丙烯酸、或具有这里参照光学元件110描述的特性的另外的适用的透明材料制成。光学元件110的截面形状沿它的整个长度保持恒定，上部孔径表面112基本上是平的(平面)，以便以最小的反射接纳光线，以及凸形下部表面115具有抛物线槽(线性抛物线)形。在一个具体的实施例中，光学元件110通过使用低铁玻璃(例如，由Pilkington PLC，UK制造的光白玻璃)结构按照已知的玻璃模制方法被模制。模制的低铁玻璃比起其它生产方法和材料提供几个优点，诸如超级透射率和表面特性(模制玻璃由于它的高粘滞性而得到近乎完美的形状，这防止玻璃在模制表面上填充缺陷)。这里描述的优点也可以由通过使用其它透光材料和其它制造技术形成的光学元件达到。例如，清澈的塑料(聚合物)可以进行机械加工和抛光以形成单片光学元件110，或分开的片，通过粘接或以其它方式固定而形成光学元件110。在另一个实施例中，聚合物以本领域技术人员已知的减小或消除对于抛光的需要而同时保持适当的机械公差方式被模制或挤压，由此以低的生产成本提供高性能光学元件。

按照本发明的另一方面，反射镜130被沉积在或以其它方式共形地固定地布置在凸形下部表面115上，以使得反射镜130的反射面面向光学元件110，并且把反射的太阳光聚焦到预定的焦线FL上。正如这里使用的，词组“共形地固定地布置在”打算是指在反射镜130与凸形下部表面115之间不存在空气间隙。也就是，反射镜130的反射表面具有与凸形下部表面115基本上相同的线性抛物线形状和位置。另外，术语“焦线FL”描述沿抛物线槽式反射镜130的整个长度生成的焦点FP的轨迹。在如图2(A)所示的公开的实施例中，穿过平的上部孔径表面112的太阳光束B被反射镜130反射和聚焦到焦线FL，该焦线FL与上部孔径表面112的中心线性区域基本重合。在另一个实施例中，反射镜130可以被设置成使得最终得到的焦线沿另一个线性区域出现，该线性区域具有与孔径表面112的预定的固定的关系(即，在其上面或下面)。

在本发明的一个具体的实施例中，反射镜130通过把反射镜材料(例如，银(Ag)或铝(Al))直接溅射或以其它方式直接沉积到凸形表面115而被制造，由此使得制造成本最小化，和提供超级光学特性。通过使用已知的反射镜制造技术把反射镜膜溅射或以其它方式共形地放置在凸形表面115上，主反射镜130自动取凸形表面115的形状。这样，通过模制，挤压或以其它方式形成光学元件110以使得凸形表面115被布置和成形，以产生反射镜130的想要的反射镜形状，反射镜130的制造有效地自形成和自对准，因此消除与传统的槽式反射器相关联的昂贵的组装和对准成本。而且，通过在凸形下部表面115上以这样的方式共形地放置反射镜130，最终得到的反射镜130的线性抛物线形状和位置自动地永久设置在想要的最佳光学位置。也就是，因为主反射镜130在制造后保持附着到光学元件110，反射镜130相对于孔径表面112的位置被永久地设置，由此消除调节或重新对准的需要，这在传统的多部件装置中可能是需要的。在另一个实施例中，反射镜130包括分开地形成的反射的、柔性的(例如，聚合物)膜，它被粘接地或以其它方式安装(层叠)在凸形表面115上。类似于直接形成的反射镜方法，膜在安装过程期间基本上自对准凸形表面。这个制造方法可以比起直接形成反射镜减小制造成本，但可能造成稍微更低的反射率。

如图1(B)和图2(A)所示，PV接收器120被固定地放置在孔径表面112的、与焦线FL重合的中心线性区域上，以使得在PV接收器120与凸形下部表面115之间不存在空气间隙，以及使得PV接收器120的有效(太阳光接收)表面125面向光学元件110。通过这种布置，由反射镜130反射的基本上所有的聚集的(聚焦的)太阳光被引导到PV接收器120的有效表面125。PV接收器120横跨固态光学元件110的长度，并且通过它与孔径表面112的固定连接被保持在相对于反射镜130的固定位置。在一个实施例中，PV接收器120是由多片端到端连接的半导体(例如，硅)形成的拉长的结构，其中每片(条)半导体片通过使用已知的技术进行制造以便把入射的太阳光转换成电。多个半导体片借助于导线或其它导体(未示出)以串联布置被耦合到相邻的片。虽然对于本发明的基本概念不是特定的，PV接收器120包括通常被使用来构建传统的太阳能板的相同的硅光伏材料，但试图利用来自相同的有效面积的10X或更多的电。也可以使用从薄膜沉积制成的其它PV材料。当高效率元件变为经济可行时，诸如从多结工艺制成的那些元件，它们也能被使用于这里描述的配置。

除了以上阐述的好处以外，在生产槽式反射器101时利用固态透明光学元件110比起传统的槽式反射器(诸如，以上参照图15(A)到15(C)显示和描述的那些)提供几个附加优点。

首先，通过利用凸形表面115来制造反射镜130和孔径表面112以便定位PV接收器120，一旦光通过孔径表面112进入光学元件110，光仅仅穿过光学材料，因为它被反射镜130/凸形表面115反射，并被聚焦到PV接收器120。这样，光仅仅经过一个空气/固体界面(即，孔径表面112)，由此使得否则由传统的多部件太阳能收集器经受的损耗最小化。通过使用在孔径表面112上的抗反射涂层，单个空气/固体界面损耗能够被进一步降低。这种布置也使得维护最小化，因为反射镜130的反射面和PV接收器120的有效表面125受到固态光学元件110永久地保护，免受灰尘和腐蚀，只留下相对容易清洗的平的上部孔径表面112(和PV接收器120的非有效背面)暴露在灰尘和天气中。

第二，因为光学元件110是固态的(即，因为孔径表面112和凸形表面115保持互相相对固定)，反射镜130和PV接收器140在被组装后保持为永久对准的，因此保持最佳光学运行而同时使得维护成本最小化。也就是，通过使用固态元件来限定反射镜130和用于安装PV接收器120的相同的固态透明支承，反射镜130与PV接收器120的相对位置随时间流逝保持得更稳定和可靠，更少受到制造引起的误差和由于暴露到变化的室外条件带来的改变的损害。

第三个优点在于，减小基于光伏(基于PV)的太阳能收集元件140的正常工作电池温度(NOCT)的能力。固态光学元件110尽力于形成更窄的反射镜130和更窄的PV接收器120，这将需要每单位面积更少的散热量，由此保持低的NOCTx。另外，在PV接收器以上的区域是“自由”空间，它可被使用于从背后的PV接收器120垂直提升的散热器片(未示出)。

与槽式反射器101相关联的再一个优点在于，包括多个按下面描述的方式连接在一起的槽式反射器的阵列的减小的轮廓、高度和制造成本。窄的光学元件促进低轮廓和重量轻的反射器单元的生产，特别如果从诸如聚碳酸酯或丙烯酸那样的聚合物材料构建。阵列的低轮廓特性也给予在输送和贮存期间的高包装密度，进一步减小安装阵列的总的成本。

如上所述，与传统的系统不同的太阳能发电设备100的第二特征在于，跟踪系统140将槽式反射器101围绕轴Z旋转(或按枢轴旋转)，该轴Z不平行于由上部孔径表面112限定的平面(例如，在公开的实施例中，不平行于焦线FL)。如图1(B)所示，按照本发明的实施例，PV接收器120被布置成使得焦线FL平行于上部孔径表面112和其上安装有设备100的支承表面S，并且轴Z垂直于孔径表面112和支承表面S(因此垂直于焦线FL)，由此PV接收器120保持在平面P上，平面P平行于基础支承表面S。与商业槽式反射器设备相比较，这种布置大大地减小对于结构强度的工程要求和跟踪系统140所需要的功率，并且正如下面附加地详细描述的，它提供易于实行住宅屋顶实施方案的经济的可行的太阳能发电设备。

按照本发明的一方面，跟踪系统140检测太阳相对于槽式反射器101的位置，并且旋转槽式反射器101，以使得槽式反射器101大体上平行于太阳束在阵列平面上的投射。按照如图1(B)所示的一般化实施例，跟踪系统140包括电动机142，该电动机142机械耦合到槽式反射器101(例如，通过轴145)，以使得由电动机142生成的机械力(例如，力矩)使得槽式反射器101围绕轴Z旋转。跟踪系统140还包括用来检测太阳的位置的传感器(未示出)，和用于计算槽式反射器101围绕轴Z的最佳旋转角度θ的处理器或其它机构。由于行星和轨道力学的精确的数学知识，一旦系统被适当地定位，就可以通过严格计算的手段而确定跟踪。在一个实施例中，包括GPS和光电池的一组传感器被与反馈系统一起使用来校正驱动系中的任何变化。在其它实施例中，这样的反馈系统可能是不必要的。

参照图2(A)和2(B)进一步说明工作理念。参照图2(A)，当槽式反射器101对准得平行于投射到设备100上的太阳射线时，太阳射线将从反射镜130反射出来并且反射到作为焦线的PV接收器120。概念类似于平行光束如何被反射和聚焦到抛物线反射器的焦点FP的教科书说明，除了平行光束从图2(A)的纸面下面向上升和反射射线从纸面出现在焦线FL上(这在图2(A)上看作为一个点，并显示于图2(B))。

图2(A)和2(B)所示的聚集方案比起传统的方法提供几个优点。与具有高的聚集比(例如，600X到10,000X)的传统的卡萨格伦型太阳能设备相比较，与本发明相关联的10X到100X的目标比减小对于反射器材料、反射器几何结构、和跟踪精度的工程要求。相反，与传统的平板太阳能阵列的高的硅成本相比较，即使达到中等的聚集比(即，25X)足以使得生产PV接收器120所需要的硅光伏材料的成本的部分成为设备100的总的成本的一小部分，这比起传统的平板太阳能系统用来大大地降低成本。

图2(B)所示的侧视图进一步显示以非零入射角平行于焦线FL引导的太阳光将如何仍然从槽式反射器101反射出，并将聚焦到PV接收器120上。聚集平行光束的类似的方式也可以通过让光束穿过圆柱透镜、圆柱菲涅耳透镜、或曲面或弯曲的圆柱菲涅耳透镜而被实施，但由于透镜的折射属性，焦线的位置将随太阳光的入射角的增大而移向透镜，这相对于反射系统将劣化性能。

图2(B)还显示与固态光学元件110的使用相关联的另一个好处。如图2(B)上的虚线箭头所示，光束B(例如，光束B1)以角度Δ进入光学元件110，该角度由太阳相对于槽式反射器101的位置确定。如箭头B1A所示，在不存在光学元件110的情形下，倾斜光束B1以直线性传播到反射镜130，并以角度Δ反射，由此阻止在PV接收器120的末端的相对大的部分120A接收全部照射。未照射的区域120A的大小依赖于反射镜130的几何结构和太阳仰角，但对于1’宽的槽在45度仰角下可以几乎是1’，并且对于更低的仰角的太阳照射，将大得多。这将需要这样的设计：消除靠近边缘的PV电池，包括基本上旁路二极管，包括用于调节PV接收器的复杂的机构，包括昂贵的开关元件，牺牲早晨或下午发电能力，或这些和其它不希望的缓和策略的组合。相反，通过提供光学元件110，槽式反射器101减小这些有害的末端效应，因为光束B1被光学元件110折射一个角度α，它作为光束B1B被反射到更接近于PV接收器120的末端的区域。也就是，通过使用更高的折射率的固态光学材料制造光学元件110，在光学元件110内的折射光通过光学元件110时更垂直于阵列，并且减小很差地照射或没有照射的区域120B的尺寸。按照具体的实施例，本发明人确定用于光学元件110的最佳折射率是在1.05到2.09的范围内，更优选地，是在1.15到1.5的范围内。应当指出，这个范围与平板太阳能模块和其它PV聚集器系统相对比是十分明显的。在这些其它系统中，透明元件(诸如盖子)的折射率优选地尽可能低，以便减小菲涅耳损耗。

通常有利地，构建系统以使得PV元件不放置在很差地照射的末端区域。因为这个区域被本发明减小，在正午时间期间发电能力的损失是小的，在早晨和下午时间，附加功率能力是相当大的。然而，任选的平的反射镜111可被放置在槽式反射器101的照射的末端(见图2(B)的左侧)，以把光反射回PV接收器120来易于使得PV接收器120的长度基本上等于槽式反射器101的长度。在这种情形下，当入射的太阳光束远离垂直方向时，靠近反射镜末端的PV元件比起大多数其它元件更热。

图3是显示被布置在具有任意的俯仰角γ的住宅房子300的平面屋顶(支承表面)310上的太阳能发电设备100的透视图。在这个实施例中，设备100被安装，使得轴Z被布置成基本上垂直于平面屋顶310，由此，在槽式反射器101围绕所述轴Z旋转时，由PV接收器120限定的平面P保持平行于由屋顶310限定的平面。如本图所示，本发明的好处在于，设备100的基本上垂直的旋转轴Z允许对于大多数俯仰角γ在住宅房子的屋顶310的平面上进行跟踪。而且，因为槽式反射器101保持离屋顶310的固定的、短距离，这个布置使得对于支承和旋转设备100所需要的支承结构的尺寸和重量最小化，由此使得对于基础结构的工程要求最小化(即，避免很大的翻新改建或对于屋顶310的其它修改)。

在数学上，如图3所示，对于太阳的每个位置，存在有一个角度θ(和180°+θ)，槽式反射器101在该角度附近旋转，以使得太阳射线都聚焦到PV接收器120上。图3还显示，对于任何平面P，有唯一的法线向量，并且测量偏离法线的太阳光入射角作为“φ”，并且两条线对向(subtend)一个仅是90°-φ的角度。投影线总是存在，所以，不管槽式反射器101在何处和如何被安装，只要PV接收器120在平面P上围绕法线向量(即，轴Z)旋转，槽式反射器101将最终被放置成平行于投影线，因此，将正确地实行PV聚集。

图4(A)到4(C)是显示按照本发明的实施例的、在典型的一天过程期间在运行时设备100的简化的透视图。具体地，图4(A)到4(C)显示槽式反射器101的旋转，以使得PV接收器120(和焦线FL)保持在平面P上，和使得PV接收器120(和焦线FL)平行于入射太阳光对准。正如由叠加的罗盘点(compass point)表示的，这个旋转过程包括在日出时间段内大致在东西方向上对准槽式反射器101(在图4(A)上显示的)，在正午时间段内大致在南北方向上对准槽式反射器101(在图4(B)上显示的)，和在日落时间段内大致在东西方向上对准槽式反射器101(在图4(C)上显示的)。这个过程显然不同于传统的商业槽式阵列，传统的商业槽式阵列围绕水平轴旋转，并在全天保持大致在南北方向上对准。发明人注意到，某些传统的商业槽式阵列大致在东西方向上对准(与南北方向不同，如习惯那样)，并调节它们的槽式反射器的倾斜角度南到北，以便考虑在夏天到冬天之间太阳的改变位置，即，不是从早晨到傍晚从东到西枢轴旋转180度。然而，不像在本发明中的架构，这些东西方向对准的槽式阵列不围绕垂直轴旋转它们的槽。另外，在世界的许多部分，太阳沿天空中的圆弧移动。因此，即使角度校正是小的，但在一天的过程中，东西对准的槽仍旧必须沿它们的焦线枢轴旋转，以保持聚焦的太阳光不偏离开。

图5是显示按照本发明的具体的实施例的太阳能发电设备(装置)100A的透视图。类似于以上描述的实施例，设备100A大体上包括：槽式反射器101，具有被布置在固态光学元件110的凸形下部表面115上的反射镜130，其被成形为把太阳(光)束B反射到焦线FL；以及光接受器120，被沿焦线FL固定地安装在固态光学元件110的上部孔径表面112。然而，设备100A与以前的实施例不同处在于，它包括：跟踪系统140A，具有圆形(例如，圆盘形状)基础结构145A，用于可旋转地支承槽式反射器101；以及外围定位的驱动系统142A，用于相对于基础支承表面SA旋转槽式反射器101。

按照公开的实施例的方面，圆形基础结构145A通过把槽式反射器101的重量分布在更大的面积而易于利用住宅环境中的设备100A。在公开的实施例中，圆形基础结构145A包括：固定基底146A，被固定地安装在支承表面SA上；以及可移动的支承147，借助于轨道(未示出)在固定的基底146上旋转，以使得槽式反射器101围绕垂直轴Z旋转。虽然被显示为固体圆盘，但本领域技术人员将认识到，中空的(环状)结构可被使用来减小重量，进一步易于将设备100A安装在住宅房子上，而不需要修改屋顶支承结构。

按照本发明的另一方面，槽式反射器101具有平行于焦线FL测量的纵向长度L；以及基础结构145A具有外围边缘，限定大于或等于纵向长度L的直径D。通过使得基础结构145A的直径尽可能宽，设备100A的重量可以分布在基础支承表面SA的更大的部分上，由此减小工程要求和进一步易于住宅屋顶安装。这是通过以下事实进一步支持的：任何旋转同等地影响在圆形结构上的所有的槽，而通过长的扭转的联动机构，远离驱动齿轮的槽式部分，由于风负载或重力，不能正确地集中。

按照本发明的再一个实施例，外围定位的驱动系统142A包括电动机143A和齿轮144A(或其它链接机构)，其被耦合到布置在可移动的支承147的外围边缘上的对应的齿轮/结构。这个布置提供尺寸小的太阳能抛物线槽式反射器设计，它仅仅使用一个电动机143A来旋转可以具有几平方米表面面积的可移动的支承(圆盘)147，并且能被安装在倾斜的住宅屋顶上，因为旋转保持在屋顶平面内。

参照显示在工作期间的设备100A的图6(A)到6(C)，跟踪系统140A还可包括传感器或反馈系统(未示出)，其检测太阳相对于槽式反射器101的位置，并且使驱动系统142A(例如，电动机143A和齿轮144A；参见图5)把转矩施加到可移动的支承147的外围边缘，以使得槽式反射器101以上述的方式被旋转到其中焦线FL平行于由太阳生成的太阳束B的位置。因为对于旋转平台的对抗风和重力的工程要求保持为最小值，以及因为不需要电动机以高速度旋转，这种布置使得需要用来把槽式反射器101围绕垂直轴Z旋转的所需的、电动机143A所需要的转矩最小化，由此减小跟踪系统140A的成本。而且，这种布置可以扩展到通过使用单个电动机同时转动几个圆盘，进一步提高整个系统的效率。

图7(A)是显示按照本发明的另一个具体实施例的太阳能发电设备(阵列)100B的顶面透视图。类似于设备100A(上面描述的)，设备100B利用具有圆形基础结构145B的跟踪系统140B以及外围定位的驱动系统142B来使得圆形基础结构145B相对于基础支承表面围绕轴Z旋转。然而，设备100B与以前的实施例的不同之处在于，除了类似于在设备100A中使用的中心布置的槽式反射器101B-1之外，设备100B还包括被固定地耦合到圆形基础结构145B的一个或多个附加(第二)槽式反射器101B-2，其中每个附加槽式反射器101B-2的焦线FL2平行于槽式反射器101B-1的焦线FB1。按照这个实施例，多个槽式反射器101B-1和101B-2由被安装在外围边缘圆形基础结构145B上的单个小的电动机143B使用与在传统的槽式反射器装置中所需要的功率相比较的非常小的功率来旋转。槽式反射器101B-1和101B-2的重量因此由圆形基础结构145B扩散到大的面积上，进一步易于屋顶安装。槽式反射器的低轮廓和在平面内的旋转，与传统的槽式反射器装置相比较，减小风和风暴损害的机会。参照图8(A)到8(C)，设备100B在工作时类似于上述的实施例旋转，但所有的焦线FL1和FL2对准得平行于太阳束B在旋转盘上的投射。

图7(B)是显示按照本发明的替换具体实施例的太阳能发电设备(阵列)100B-1的顶面透视图。类似于设备100B(上面描述的)，设备100B-1利用具有被旋转地支承在中心轴承146B-1上的圆形转台145B-1的跟踪系统140B；以及外围定位的驱动系统142B，用于使得圆形基础结构145B相对于基础支承表面围绕轴Z旋转。设备100B-1与设备100B的不同之处在于，槽式反射器阵列101B(它基本上等同于以上参照图7(A)描述的阵列)包括通过使用低成本制造技术被固定地安装在台板(支承框架)147B-1上的多个槽101B-1/2，所述台板(支承框架)147B-1依次又可拆卸地安装在固定地连接到基础支承表面的转台(基础结构)145B-1上。除了以上参照图7(A)描述的优点以外，这种布置提供了提供非常低成本的系统的附加优点，该系统包括永久的鲁棒的定位部件和可容易更换的低成本太阳能收集部件。也就是，在一个实施例中，槽式反射器阵列101B被设计成具有用于例如在转台145B-1上安装的快速拆开装置，但具有减小的寿命(由于所使用的低成本材料，诸如聚合物，它们在室外使用将更加快速地劣化)，并将被安排成以时间间隔更换。与这样的低成本系统相关联的优点在标题为“TWO-PART SOLAR ENERGY COLLECTIONSYSTEM WITH REPLACEABLE SOLAR COLLECTORCOMPONENT”的共同拥有的和共同待决的专利申请序列号No.xx/xxx,xxx[文档号20081376-NP-CIP2(XCP-098-3P US)]中被描述，该专利申请在此提出，并整体地在此引用以供参考。

按照本发明的住宅实施例(以及也在某些商业和公用事业实施例中)，每个槽式反射器101B-1和101B-2具有约1英寸宽度，约半英寸厚度和几英尺长度，这取决于它们被安装在旋转圆盘上的什么地方，该旋转圆盘又被安装在屋顶上，其中圆形基础结构145B直径约为四英尺。这些特定的尺寸被选择来保持总的厚度在屋顶以上几英寸内，并使得生产成本最小化。圆盘进行旋转，以聚焦太阳的射线，但旋转停留在基底的平面内，不需要升起到平面以外，这样，比起传统的太阳能阵列大大地减小机械要求。通过把屋顶称为基底，本发明人希望强调指出，按照本发明的实施例生产的设备不需要很大的基础结构来抵抗风和风暴；第二，聚集器不需要剥夺适于居住的空间；第三，封装密度几乎是1∶1，就好像普通的屋顶太阳能板。

图9(A)，9(B)和9(C)是显示按照本发明的另一个具体实施例的太阳能发电设备100C的简化顶面透视图。类似于设备100B(上面描述的)，设备100C利用具有支承以平行排列的多个槽式反射器101C的圆形支承结构147C，以及中心定位的驱动系统142C，用于使得圆形支承结构147C相对于基础支承表面105C围绕由支承/驱动轴145C限定的轴Z旋转。设备100C与以前的实施例的不同之处在于，圆形支承结构147C被布置在由支承/驱动轴145C限定的提升的、成角度的位置，以使得由圆盘形支承结构147C限定的平面限定一个相对于轴Z的角度θ，由此，支承结构147C由电动机(驱动系统142C)转动，以使得槽式反射器101C在一天内被一起引导到面向东、北、和西方，如图9(A)，9(B)和9(C)所示。应当指出，槽式反射器101C被对准在圆形支承结构147C内，以使得每个槽式反射器101C的焦线在圆形支承结构147C围绕轴Z旋转时保持在角度θ。虽然提升和倾斜由圆形支承结构147C限定的平面潜在地增加风对于以上参照图5-8描述的垂直装置的影响，但由太阳能发电设备100C利用的提升装置可以提供更好的太阳光转换，这在某些商业应用中可以是有用的。

图10(A)和10(B)是显示按照本发明的另一个具体实施例的太阳能发电设备100D的简化顶面透视图。类似于设备100C(上面描述的)，设备100D把多个槽式反射器101D围绕垂直轴Z旋转，但附加地，槽式阵列包括倾斜机构150(用水平条152和简化的致动器155表示)，其易于倾斜调节到围绕水平轴X的预定的角度，以便补偿纬度和最终得到的非理想的天顶角。例如，倾斜机构150易于在约45°倾斜角θ1(图10(A)显示的)与约90°倾斜角θ2(图10(B)显示的)之间调节槽式反射器101D。一旦倾斜角由倾斜机构150对于特定的纬度和一年的时间进行设置，设备100D就如上所述地运行(即，在一天过程期间围绕垂直轴Z旋转)。提供倾斜机构150的优点是当槽工作在高纬度地区时建筑材料的节省。风速计和可能其它联网的传感器被使用来确定气候条件。当飞速大于预定量时，倾斜机构工作，把槽式阵列降低到水平位置，其中槽式反射器101D可以连续跟踪和收集太阳能，虽然以降低的效率。这个特征比起二轴工作装置提供优点，因为倾斜角被固定为全倾斜角或水平。倾斜的能力还允许其它水平阵列除去积累的雪，这在世界上许多高纬度地区中经常看到的。

图11是显示按照本发明的再一个具体实施例的太阳能发电阵列100G的顶面透视图。类似于设备100B，阵列100G利用具有圆形基础结构145B和外围定位的驱动系统(未示出)的跟踪系统，以及多个平行的槽式反射器101G，其被固定地耦合到圆形基础结构145B，以使得圆形基础结构145B的旋转造成所有的槽式反射器101G以如上所述的方式旋转。然而，设备100G与设备100B的不同之处在于所有的槽式反射器101G具有相同的长度，以及所有的槽式反射器101G被安装在方形或矩形框架150G上，其被固定地安装在圆形基础结构145B上和由圆形基础结构145B进行旋转。通过给每个槽式反射器101G提供相同的长度，从被布置在每个槽式反射器101G上的PV电池串生成的电压近似是相同的，由此简化与阵列100G相关联的电气系统。另外，给每个槽式反射器101G提供相同的长度，简化生产和组装过程。

图12(A)到12(D)是显示按照本发明的其它具体实施例的槽式反射器的简化截面视图。

图12(A)显示具有光学元件110H的槽式反射器101H，其中上部孔径表面112H与下部凸形表面115H由垂直侧壁表面113H分隔开。元件101H的宽度W1是1英寸，从底部到顶部的高度H1是0.375”。凸形表面115H被成形为使得被反射镜130H反射的光束B聚焦到具有0.1”宽度的接收器120H上，但这个宽度是任意的，并且可以根据想要的聚集比被改变。

图12(B)显示按照本发明的另一个具体实施例的、具有低轮廓的、但更复杂的像楔形的PV接收器的槽式反射器101J。具体地，槽式反射器101J包括光学元件110J，其中上部孔径表面112J与下部凸形表面115J沿楔形的侧边缘相遇。元件101H的宽度W2再次设置为约1英寸，但从底部到顶部的高度H2约为0.25”，以及PV接收器120J的宽度被任意地设置为约0.1”。应当指出，接收器120J被形成角度和被设置在上部孔径表面112J的中心区域中限定的V形凹槽中，以避免由于光束B的低角度光散射造成的接收器表面上的损耗，以及这个方法增加总的接收器表面积。另一个替换设计将包括类似于元件110J的光学元件，但被垂直地(例如，沿平面P)分割成正好的两半，以使得单个元件将会把光收集和聚集在元件的一个边缘上的成角度的接收器上。

所有的太阳能聚集器必须解决的一个问题是光过分聚集在接收器上或可能受到最终的发热损害的其它光学部件上。图12(C)显示按照本发明的另一个具体实施例的槽式反射器101K，其中光学元件110K被形成以使得PV接收器120K被表面112K定位得在由反射镜130K限定的焦线的稍微上面或优选地稍微下面，使得更好地跨其有效表面分布反射的光束B，以便更均匀和充分照射接收器。

图12(D)显示按照本发明的另一个示例性实施例的槽式反射器101L，其中光学元件110L包括有小平面的凸形表面115L和最终得到的有小平面的反射镜130K，它们限制反射光的聚集。这样，PV接收器120L和其它光学器件决不会经受大于想要的光学聚集，不管阵列、跟踪系统的不对准或接收器的放置。由从仅仅一个这样的小平面反射的光束B生成的照射被凸显以为清晰起见。

如上所述，本发明提供改进的太阳能电力系统，其结合了：槽式反射器装置，具有Z轴旋转的跟踪机构和固态光学元件，其组合了限定反射器表面、支承光伏接收器在正确的光学焦点、和保护反射器和接收器免受环境损害的功能。另外，本发明易于实行太阳能电力系统的质量对功率比的很大的减小，并伴随有成本的减小。

虽然本发明是对于某些特定具体实施例描述的，但本领域技术人员将会清楚，本发明的发明性特征也可以应用于其它实施例，所有的这些都打算落入本发明的范围内。

例如，图13是显示按照另一个示例性实施例的槽式反射器101M的简化的端视图，其中光学元件110M包括上部孔径表面112M，它由阶梯式的一系列平行表面部分(例如，部分112M-1，112M-2和112M-3)形成。这个装置减小对于形成光学元件110M所需要的材料(例如，聚合物)的量。应当指出，孔径表面部分(例如，112M-1，112M-2和112M-3)必须是平的，以避免折射失真。另外，阶梯布置的最低的点必须保持在反射光的内部光学路径以上(例如，在反射的光束B1A以上)。

图14(A)到14(C)是显示按照替换实施例的槽式反射器的简化的端视图，其中第二反射镜沿着上部孔径表面的中心线性区域布置，并且太阳能收集元件被布置在孔径表面下面(即，在光学元件内部或下面)。

图14(A)显示槽式反射器101N，其中光学元件110N包括第二反射镜135N，其被布置在上部孔径表面112N的中心线性区域112N-1中。第二反射镜135N被对准，以使得穿过上部孔径表面112N的、并由下部(主)反射镜130N反射的光束B被引导到第二反射镜125N，然后第二反射镜135N将光束向下朝着凸形表面115N的中心区域115N-1重定向。在这个实施例中，第二反射镜135N是平的并被布置在孔径表面112N的线性中心区域112N-1中。光学元件110N还限定凹槽116N，它沿着凸形表面115N的中心区域115N-1布置，以及太阳能收集元件120N被布置在凹槽116N的内表面117N上，由此由第二反射镜135N反射的光被引导到太阳能收集元件120N。这种布置增加复杂性、成本、和光学损耗，并由于大的辅助反射镜受到增加的阴影的影响，但可以允许有更大的空间用于被放置在光学元件110N下面的散热器(未示出)，并可以使得孔径表面112N更容易清洗。

图14(B)显示按照替换实施例的槽式反射器101O，其中光学元件110O包括抛物线圆柱第二反射镜135O，其被布置在沿上部孔径表面112O的中心线性区域112O-1限定的凹槽113O中。第二反射镜135O被对准，以使得穿过上部孔径表面112O的、并由下部(主)反射镜130O反射的光束B被重定向和聚焦到靠近凸形表面115O的中心区域115O-1。在这个实施例中，被形成或以其它方式被布置在凹槽113O的内表面上的第二反射镜135O以相同的方式被使用来形成凸形镜130O，由此提供上面描述的自对准好处。这种布置易于实行沿凸形表面115O的中心区域115O-1布置的更浅的凹槽116O，由此允许太阳能收集元件120O布置得更靠近凸形表面115O，这又易于附着整个地布置在凹槽116O的外面的散热器结构(未示出)。

图14(C)显示按照另一个替换实施例的槽式反射器101P，其中太阳能收集元件120P被固定地安装在热交换器160P上，而热交换器160P被安装到在凸形表面115P的中心区域115P-1的下面的光学元件110P上(即，以使得热交换器160P和太阳能收集元件120P作为单个结构与光学元件110P一起移动)。第二反射镜135P以类似于以上描述的方式沿孔径表面112P的中心区域112P-1被放置在凹槽113P中，对于反射镜135P的形状进行调节，以达到想要的焦线。应当指出，反射镜130P没有覆盖中心区域115P-1，由此允许光束B穿过太阳能收集元件120P。虽然这种布置引入附加的空气/固体界面，但把太阳能收集元件120P和热交换器160P定位得在光学元件110P外面，可以通过减小热循环量而延长槽式反射器101P的寿命。

虽然本发明具体是参照光伏和太阳供热装置描述的，但也可以利用被布置在这里描述的槽式装置的焦线上的其它类型的太阳能收集元件，诸如热电材料(热偶)，用来接收聚集的太阳光和把最终得到的热量直接转换成电。另外，不用槽式反射器，也可以使用如棱镜和楔体那样的光学元件，它们使用反射和/或全内部反射来把光聚集到线性或矩形区域。在这种情形下，光伏电池被放置在偏离(off)其处聚集光的聚集光学元件的长末端。而且，离轴圆锥或非球面反射器形状也可以被使用来形成类似槽式的反射器。在这种情形下，光伏电池将仍旧对准得平行于槽，但它将围绕槽的长轴定位和倾斜。参照图1(B)，旋转轴Z垂直于焦线FL。然而，本发明可被使用于其中旋转轴和焦线FL是不垂直的系统。

Claims (3)

1.一种用于太阳能收集的设备，包括：

第一槽式反射器，包括：

单片固态光学元件，具有主要是平的上部孔径表面和凸形下部表面，该凸形下部表面相对于上部孔径表面布置；

反射镜，共形地布置在凸形下部表面上，其中凸形下部表面和反射镜被布置成使得穿过平的上部孔径表面的太阳光被反射镜反射和聚焦到上部孔径表面的线性区域上；

线性太阳能收集元件，被固定地布置来接收由反射镜反射的聚焦的光；以及

用于使第一槽式反射器围绕轴旋转的装置，

其中所述轴不平行于上部孔径表面。

2.权利要求1的设备，

其中固态光学元件包括具有在1.05到2.09的范围中的折射率的材料，以及

其中反射镜包括被沉积在凸形下部表面上的金属层和被安装在凸形下部表面上的反射膜之一。

3.一种用于通过使用第一槽式反射器的太阳能发电的方法，其中第一槽式反射器包括：单片固态光学元件，具有主要是平的上部孔径表面和凸形下部表面，该凸形下部表面相对于上部孔径表面布置；线性太阳能收集元件；和反射镜，共形地布置在凸形下部表面上，其中凸形下部表面和反射镜被布置成使得穿过平的上部孔径表面的太阳光被反射镜反射和聚焦到线性太阳能收集元件上；方法包括：

把第一槽式反射器布置在平面支承表面上，以使得线性太阳能收集元件相对于平面支承表面限定一个角度；以及

把第一槽式反射器围绕基本上垂直于平面支承表面的轴旋转，由此线性太阳能收集元件保持布置在相对于所述平面表面的所述角度，而同时所述第一槽式反射器围绕所述轴旋转。

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