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CN102576772A - 封闭离轴太阳能聚光器 - Google Patents

封闭离轴太阳能聚光器 Download PDF

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CN102576772A
CN102576772A CN2010800414524A CN201080041452A CN102576772A CN 102576772 A CN102576772 A CN 102576772A CN 2010800414524 A CN2010800414524 A CN 2010800414524A CN 201080041452 A CN201080041452 A CN 201080041452A CN 102576772 A CN102576772 A CN 102576772A
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Abstract

本发明涉及太阳能聚光器，其包括：具有接收壁、反射壁和至少两个端壁的外壳，该接收壁、反射壁和端壁限定具有入口的三维体积，其中外壳的纵轴大体垂直于入口；接收器，其安装在外壳的接收壁上，该接收器包括至少一个光生伏打电池，其中接收器的纵轴相对于外壳的纵轴成非零角度设置；设置在反射壁上的至少一个夹片；容纳于三维体积内的光学元件，该光学元件包括至少一个突舌，该突舌由夹片接合从而对准光学元件与接收器；和容纳于入口上方以封闭外壳的窗口。

Description

封闭离轴太阳能聚光器
技术领域
本发明涉及集中太阳能动力系统，并且更具体地涉及具有全封闭的外壳的太阳能聚光器，其中该外壳支撑离轴构造的太阳能电池阵列。
背景技术
光生伏打太阳能聚光器通常用于通过将日光集中到光生伏打装置上，由此从大面积收集日光并且将其集中到太阳能电池的相对小的面积上产生电能。因此，高效率太阳能电池，例如基于砷化镓(“GaAs”)的太阳能电池，可以用于代替低效率(且不昂贵)的硅太阳能电池，由此以降低的成本在每单位面积产生更多能量。
太阳能聚光器可以以各种方式配置，并且通常包括折射光学器件、反射光学器件或者其各种组合。不考虑所使用的聚光光学器件，必须去除余热并且必须保护太阳能电池不受环境影响。因此，设计过程通常需要热量和/或防护器件之间的兼顾。例如，利用菲涅耳透镜(折射光学器件)的现有技术系统需要将太阳能电池置于封壳的后面，这难以去除余热，需要大的散热器。
此外，太阳能聚光器的有效操作需要精确对准光学元件与太阳能电池。实际上，更加精确的对准使得能够有更高程度的光学聚光，由此降低聚集太阳能电池的成本。然而，现有技术太阳能聚光器的设计通常需要花费高的制造步骤以获得精确对准，而其他设计损失精度并因此损失效率从而减少制造成本。
因此，需要这样的太阳能聚光器，其快速且容易对准光学元件与离轴构造的太阳能电池，同时为太阳能电池提供必不可少的热量和环境防护。
发明内容
在一个方面，公开的太阳能聚光器可以包括：具有接收壁、反射壁和至少两个端壁的外壳，该接收壁、反射壁和端壁限定具有入口的三维体积，其中外壳的纵轴大体垂直于入口；安装在外壳的接收壁上的接收器，该接收器包括至少一个光生伏打电池，其中接收器的纵轴相对于外壳的纵轴成非零角度设置；设置在反射壁上的至少一个夹片；光学元件，其容纳在三维体积内并且由夹片接合从而对准光学元件与接收器；容纳在入口上方以封闭外壳的窗口。
在另一个方面，公开的太阳能聚光器可以包括：外壳，其包括接收壁、反射壁、下壁和至少两个端壁，该接收壁、反射壁、下壁和端壁限定具有入口的三维体积，其中外壳的纵轴大体垂直于由入口限定的平面；安装在外壳的接收壁上的多个接收器，每个接收器限定纵轴并且包括至少一个光生伏打电池，聚焦在光生伏打电池上的透镜和连接到光生伏打电池的散热器，其中该光生伏打电池和透镜设置在三维体积内，并且散热器在三维体积的外部，其中接收器的纵轴相对于外壳的纵轴成非零角度设置；容纳于三维体积内的多个光学元件，每个光学元件都包括前突舌和后突舌、设置在外壳下壁上的多个前夹片，每个前夹片接合前突舌中关联的一个，设置在外壳的反射壁上的多个后夹片，每个后夹片接合后突舌中关联的一个；和窗口，其连接到外壳入口，从而形成封闭的三维体积。
在另一个方面，用于对准光学元件与包括至少一个光生伏打电池的接收器的方法可以包括以下步骤：(1)提供外壳，该外壳包括接收壁、反射壁和至少两个端壁，该接收壁、反射壁和端壁限定具有入口的三维体积，其中外壳的纵轴大体垂直于入口，(2)将至少一个夹片放置在外壳的反射壁上，(3)将接收器安装在外壳的接收壁上，其中接收器的纵轴相对于外壳的纵轴成非零角度设置，(4)将光学元件放置在三维体积内，从而使得光学元件由夹片接合，和(5)将窗口置于入口的上方从而封闭外壳。
通过下面的描述、附图和权利要求，公开的太阳能聚光器的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是公开的太阳能聚光器的一个方面的部分分解的前透视图；
图2是图1中太阳能聚光器的顶部平面图；
图3是图2的太阳能聚光器的截面的侧面正视图；
图4是图3的太阳能聚光器细节部分的截面的侧面正视图；
图5是公开的太阳能聚光器的另一个方面的截面的侧面正视图；和
图6是图5中所示的太阳能聚光器的光学元件的侧面透视图。
具体实施方式
如图1所示，公开的太阳能聚光器(总体上被标明为10)的一个方面可以包括外壳12、窗口14、一系列接收器16、18、20、22、24、26和一系列光学元件28、30、32、34、36、38。在一个方面，光学元件28、30、32、34、36、38的数目可以对应于接收器16、18、20、22、24、26的数目。当在太阳能聚光器10中示出六个光学元件28、30、32、34、36、38和六个接收器16、18、20、22、24、26时，本领域技术人员会理解，太阳能聚光器可以用各种数目的接收器和光学元件构造，而不偏离本公开的范围。
可选地，太阳能聚光器10可以包括支架40、42或者连接到外壳12的类似装置，从而使得太阳能聚光器10可以安装到太阳能追踪器(未示出)。太阳能追踪器可以被配置为使太阳能聚光器10旋转，从而使得太阳能聚光器10的纵轴A(图3)随着太阳在天空中的移动与太阳对准。
光学元件28、30、32、34、36、38可以是镜面或者类似的装置，例如抛物面镜，并且其尺寸和形状设计为接收进入的太阳光并且将进入的太阳光聚焦到接收器16、18、20、22、24、26上。本领域技术人员将会理解，光学元件28、30、32、34、36、38的总尺寸、形状和几何形状可以取决于外壳12的尺寸和形状，以及接收器16、18、20、22、24、26在外壳12内的位置。
在一个特定方面中，一个或更多光学元件28、30、32、34、36、38可以是2008年3月14日由Benitez等人提交的标题为“OpticalConcentrator，Especially for Solar Photovoltaics”的美国专利公开No.2008/0223443中所公开的光学聚光器，其全部内容合并于此以供参考。
参考图3，每个光学元件28、30、32、34、36、38可以包括前突舌44和后突舌46。前突舌44和后突舌46可以与光学元件28、30、32、34、36、38构成一体，或者可以由例如紧固件、粘合剂等连接到光学元件28、30、32、34、36、38。
每个接收器16、18、20、22、24、26可以包括一个或更多光生伏打电池，用于将所获得的光转换为电能。参考图3，在一个特定的方面，每个接收器16、18、20、22、24、26可以包括一个或更多光生伏打电池48、透镜50和散热器52。光生伏打电池48可以是能够将光转换为电能的任何电池，例如硅太阳能电池、GaAs太阳能电池或其他电池。透镜50可以将所获得的光聚焦到光生伏打电池48上，尤其是由光学元件28、30、32、34、36、38指向接收器16、18、20、22、24、26的光。散热器52可以是能够从光生伏打电池(photovoltaic cells)48散热的任何装置，例如扇状散热器、导热管或其他类似器件。
返回参考图1，窗口14可以是大体平面的透明或者半透明材料的片材。在一个方面，窗口14可以由玻璃形成。在另一个方面，窗口14可以由聚合材料形成，例如聚碳酸酯(polycarbonate)或者丙烯酸(acrylic)。用于形成窗口14的(一种或多种)材料的透光度、柔性和耐气候性可以根据设计考虑选择。
外壳12可以是大体刚性伸长的槽状结构，其中容纳接收器16、18、20、22、24、26和光学元件28、30、32、34、36、38。然而，如图1-3所示，接收器16、18、20、22、24、26的部分，尤其是散热器52，可以在外壳12的外部。外壳12可以形成为单个片或者多片的组合件。尽管可以使用能够经得起暴露于元件的各种材料(包括多种材料的组合)，但是用于形成外壳12的适合的材料包括钢和可模制的玻璃纤维。
参考图1和3，外壳12可以包括第一端壁54、第二端壁56、接收壁58、反射壁60和下壁62。第一端壁54、第二端壁56、接收壁58和反射壁60可以限定外壳12的上边沿64，上边沿64可以形成用于接收光进入外壳12的入口65。如图3所示，入口65可以是大体平面的，并且外壳12的纵轴A可以大体垂直于由入口65所限定的平面。外壳12的上边沿64的尺寸和形状可以被设计为严格符合窗口14的尺寸和形状。
因此，窗口14可以被容纳在外壳12的边沿64的上方，从而完全封闭外壳12。窗口14可以由粘合剂、胶带(例如，双面胶带)或者机械固定件紧固到外壳12的边沿64。可选地，垫片(未示出)可以放置在窗口14和边沿64之间，从而确保其间的水密封。
如图1所示，接收器16、18、20、22、24、26可以沿着外壳12的接收壁58放置，从而使得其偏离外壳12的中心。此外，如图3所示，接收壁58可以被配置为放置接收器16、18、20、22、24、26，从而使得接收器16、18、20、22、24、26的纵轴D(即，平行于表面法线的轴)相对于外壳12的纵轴A成非零角度。因此，接收器16、18、20、22、24、26不可以阻塞进入外壳12的光(箭头B)。
在一个方面，接收器16、18、20、22、24、26的纵轴D和外壳12的纵轴A之间的非零角度可以是大约20到大约80度。在另一个方面，接收器16、18、20、22、24、26的纵轴D和外壳12的纵轴A之间的非零角度可以是大约40到大约70度。在又一个方面，接收器16、18、20、22、24、26的纵轴D和外壳12的纵轴A之间的非零角度可以是大约50到大约60度。在又一个方面，接收器16、18、20、22、24、26的纵轴D和外壳12的纵轴A之间的非零角度可以是大约55度。
仍旧参考图3，光学元件28、30、32、34、36、38可以沿着外壳12的反射壁60放置。因此，光学元件28、30、32、34、36、38可以放置从而引导进入光(箭头B)以由箭头C所示的离轴方向朝向接收器16、18、20、22、24、26。
在一个特定方面，外壳12的下壁62可以包括用于接收光学元件28、30、32、34、36、38的前突舌44的前夹片66，并且外壳12的反射壁60可以包括用于接收光学元件28、30、32、34、36、38的后突舌46的后夹片68。额外的夹片可以用于相对于外壳12紧固光学元件28、30、32、34、36、38。
此外，当示出并描述夹片和突舌的使用时，本领域技术人员将会理解，各种机械装置(弯钩、绑带或者带子)或者构件(例如凹口或者肋件)，以及粘合剂，也可以用于相对于外壳12接合并紧固光学元件28、30、32、34、36、38，而不偏离本公开的范围。此外，当图3中所示的夹片66、68与外壳12关联时，本领域技术人员应当理解，夹片66、68可以安装在光学元件28、30、32、34、36、38上，用于接合外壳12，尤其是外壳12上的肋件、凸缘、凹口或者类似构件。
在一个特定方面，前夹片66和后夹片68可以与外壳12成为一体。例如，前夹片66和后夹片68可以通过在构成外壳12期间辊轧成形或者断裂成形形成。在另一个方面，前夹片66和后夹片68可以是已经连接到外壳12的分离部件。例如，前夹片66和后夹片68可以是已经用固定件(例如，螺丝或者铆钉)紧固到外壳12的机械夹。
因此，放置在外壳12内的前夹片66和后夹片68可以便于在离轴构造中相对于接收器16、18、20、22、24、26精确对准光学元件28、30、32、34、36、38，由此简化安装过程。此外，当窗口14紧固到外壳12时，外壳12和窗口14可以形成封闭体，其保护光学元件28、30、32、34、36、38和接收器16、18、20、22、24、26的精密部件不暴露于环境中。
前夹片66可以在全部三个方向上在光学元件的前面位置约束光学元件28、30、32、34、36、38的位置。然而，如图4所示，光学元件28、30、32、34、36、38可以具有基脚70或者类似构件，其可以是长的且细窄的，附着到后夹片68，其防止在平行于阳光射线的方向运动，但是允许在垂直于与阳光射线平行的方向的其他两个方向运动。这个有利布置允许光学元件28、30、32、34、35、38由于不同的热膨胀系数相对于外壳12略微移动，同时在对系统的光学性能至关重要的方向上保持精确位置，该方向是平行于阳光射线的方向。
参考图6，在一个替换方面，光学元件28′可以包括具有前端82和后端84的光学表面80。凸出部分86可以是非光学的，其可以从前端82向远侧延伸，并且可以包括前突舌88。因此，在一个方面，前突舌88可以距离光学表面80的前端82有距离X的位移。在另一个方面，前突舌88也可以沿着凸出部分86相对于光学表面80处于中心处。沿着凸出部分86可以包括额外的前突舌(未示出)，而不偏离本公开的范围。
参考图5，光学元件28′可以容纳在外壳12内，从而使得前突舌88被容纳在紧固到外壳12的对应夹片90中，由此精确对准离轴构造的光学元件28′的光学表面80与接收器16。从光学元件28′的后端84延伸的额外的突舌92可以接合紧固到外壳12的对应夹片94，从而进一步相对于外壳12紧固光学元件28′。在一个特殊方面，额外的突舌92可以是弹簧支承的，从而吸收光学元件28′和外壳12之间的应力。
尽管已经示出并描述本公开的太阳能聚光器的各个方面，但是本领域技术人员通过阅读本说明书容易想到多种修改。本申请包括这些修改，并且仅受权利要求的范围限制。

Claims (22)

1.一种太阳能聚光器(10)包含：
外壳(12)，其包括接收壁(58)、反射壁(60)和至少两个端壁(54、56)，所述接收壁(58)、反射壁(60)和端壁(54、46)限定具有入口(65)的三维体积，其中所述外壳(12)的纵轴(A)大体垂直于所述入口(65)；
接收器(16)，其安装在所述外壳(12)的所述接收壁(58)上，所述接收器(16)包括至少一个光生伏打电池(48)，其中所述接收器(16)的纵轴(D)相对于所述外壳(12)的所述纵轴(A)成非零角度设置；
至少一个夹片(68)，其设置在所述反射壁(60)上；
光学元件(28)，其容纳在所述三维体积内，并且由所述夹片(68)接合从而使所述光学元件(28)与所述接收器(16)对准；和
窗口(14)，其容纳在所述入口(65)上方以封闭所述外壳(12)。
2.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述外壳(12)和所述窗口(14)限定基本全封闭的体积。
3.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述光学元件(16)是镜面。
4.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述接收器进一步地包括透镜(50)，所述透镜(50)聚焦在所述光生伏打电池(48)上。
5.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述接收器(16)进一步包括连接到所述光生伏打电池(48)的散热器(52)。
6.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述非零角度是大约20到大约80度。
7.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述非零角度是大约55度。
8.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述窗口(14)由玻璃或者聚合材料形成。
9.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述夹片(68)与所述外壳(12)成为一体。
10.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述夹片(68)通过固定装置连接到所述外壳(12)。
11.根据权利要求1所述的太阳能聚光器，其中所述外壳(12)进一步包括具有设置在其上的第二夹片(66)的下壁(62)，所述第二夹片(66)接合所述光学元件(16)。
12.根据权利要求11所述的太阳能聚光器，其中所述下壁(62)进一步包括设置在其上的第三夹片，所述第三夹片接合所述光学元件(16)。
13.一种太阳能聚光器(10)包含：
外壳(12)，包括接收壁(58)、反射壁(60)、下壁(92)和至少两个端壁(54、56)，所述接收壁(58)、反射壁(60)、下壁和端壁(54、56)限定具有入口(65)的三维体积，其中所述外壳(12)的纵轴(A)大体垂直于由所述入口(65)限定的平面；
多个接收器(16、18、20、22、24、26)，其安装在所述外壳(12)的所述接收壁(58)上，所述多个接收器(16、18、20、22、24、26)的每个接收器限定纵轴(D)并且包括至少一个光生伏打电池(48)、聚焦在所述光生伏打电池(48)上的透镜(50)和连接到所述光生伏打电池(48)的散热器(52)，其中所述光生伏打电池(48)和所述透镜(50)设置在所述三维体积内，并且所述散热器(52)在所述三维体积的外部，其中所述接收器的纵轴(D)相对于所述外壳(12)的所述纵轴(A)成非零角度设置；
多个光学元件(28、30、32、34、36、38)，其被容纳在所述三维体积内，所述多个光学元件(28、30、32、34、36、38)的每个光学元件包括前突舌(44)和后突舌(46)；
多个前夹片(66)，其设置在所述外壳(12)的所述下壁(62)上，所述多个前夹片(66)的每个前夹片(66)接合所述前突舌(44)中关联的一个；
多个后夹片(68)，其设置在所述外壳(12)的所述反射壁(60)上，所述多个后夹片(68)的每个后夹片(68)接合所述后突舌(46)中的关联的一个；和
窗口(14)，其连接到所述外壳(12)的所述入口(65)，从而形成封闭的三维体积。
14.根据权利要求13所述的太阳能聚光器，其中所述外壳(12)和所述窗口(14)限定基本全封闭的体积。
15.根据权利要求13所述的太阳能聚光器，其中所述多个前夹片(66)和后夹片(68)被配置为使所述多个光学元件(28、30、32、34、36、38)与所述多个接收器(16、18、20、22、24、26)对准。
16.根据权利要求13所述的太阳能聚光器，其中所述光学元件是镜面。
17.根据权利要求13所述的太阳能聚光器，其中所述非零角度是大约20到大约80度。
18.根据权利要求13所述的太阳能聚光器，其中所述非零角度是大约55度。
19.根据权利要求13所述的太阳能聚光器，其中所述窗口(14)由聚合材料形成。
20.根据权利要求13所述的太阳能聚光器，其中所述多个后夹片是细长的，从而解决所述光学元件(28、30、32、34、36、38)和所述外壳(12)的不同热膨胀率。
21.一种用于使光学元件(28)与接收器(16)对准的方法，所述接收器(16)包括至少一个光生伏打电池(48)，所述方法包含的步骤有：
提供外壳(12)，所述外壳(12)包含接收壁(58)、反射壁(60)和至少两个端壁(54、56)，所述接收壁(58)、反射壁(60)和端壁(54、56)限定具有入口(65)的三维体积，其中所述外壳(12)的纵轴(A)大体垂直于所述入口(65)；
在所述外壳(12)的所述反射壁(60)上设置至少一个夹片(68)；
在所述外壳(12)的所述接收壁(58)上安装所述接收器，其中所述接收器(16)的纵轴(D)相对于所述外壳(12)的所述纵轴(A)成非零角度设置；
在所述三维体积内设置所述光学元件(28)，以便所述光学元件(28)由所述夹片(68)接合；和
在所述入口(65)的上方设置窗口(14)，从而封闭所述外壳(12)。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述光学元件(28)包括基脚(70)，并且所述设置所述光学元件(28)的步骤包括用所述夹片(68)接合所述基脚(70)。
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