CN101466985B - 薄膜槽型太阳能收集器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种槽型太阳能收集器，它使用便宜的镀铝塑料薄膜作为反射表面。薄膜通过在刚性肋之间拉伸它们而保持合适形状，该刚性肋沿收集器的长度间隔开。槽的结构通过独特的太阳跟踪系统来保持刚性，该太阳跟踪系统不仅引导在场地上的整个槽阵列，以便使它们朝向太阳，而且使各槽的整个长度保持刚性配置。小直径的索缆包绕在沿场地的东侧和西侧延伸的可旋转管。索缆在槽的场地上面延伸，并附接在槽上面的连接点上，这样，当可旋转管旋转时，索缆运动，槽与索缆一起运动，且索缆提供了槽的刚性。

Description

薄膜槽型太阳能收集器

相关申请的交叉引用

本发明要求美国临时专利申请No.60/744675的优先权，该美国临时专利申请的申请日为2006年4月12日，该文献的整个内容被本文参引。

背景技术

普通抛物面槽型太阳能收集器通常建成有用于提供刚性的坚固结构，这样，当槽的一个部分被太阳跟踪机构旋转时，整个槽一起旋转。抛物面反射器通常为玻璃或高度磨光的金属。美国专利4114694和5058565表示了槽结构，它可以由外部装置转动，但是该槽必须是具有旋转刚性。

这些槽的刚性结构很昂贵，且反射表面很昂贵。

承载冷却流体的管通常布置在在抛物面反射器上方一点。这些设计通常对于太阳跟踪系统的精度非常敏感。也就是，当槽并不是相当精确地指向太阳时，反射射线将错过目标(承载冷却流体的管)。美国专利例如3923381和6676263通过使用相当窄的槽道来集中太阳射线而克服该问题，且流体管位于空腔内深处。这些槽还需要刚性且昂贵的结构来保持槽的几何形状。

发明内容

这里称为“Suntrof”的本发明设计成用于槽型太阳能收集器，该槽型太阳能收集器有目标流体管，该目标流体管深深地处于由抛物面反射器形成的空腔中。反射器是镀铝塑料薄膜或其它柔性反射材料，它通过在刚性肋之间水平(纵向)拉伸而保持就位，并粘接在肋的内侧。坚韧塑料薄膜保护板粘接在肋的外侧，以便防止风吹击反射薄膜。肋可以是金属或纤维增强塑料，并可以在工厂中便宜地模制。

因为很多镀铝塑料薄膜具有很高的拉伸强度，因此当薄膜片在两个弯曲肋之间紧紧地拉伸时，在肋之间的薄膜将有在薄膜的整个长度上保持与肋相同的曲率的很强趋势。该片的拉伸将从一个肋传递至另一个肋，直到该片到达槽的端部，在该处，拉伸力由刚性端部框架抵消。这样，肋不必承受任何较大的横向或纵向力。

Suntrof结构的一个主要特征是槽的刚性主要由太阳跟踪系统来提供。通过具有与在场地上的一组槽顶部连接的一组太阳跟踪索缆，将提供刚性，且各槽的所有部分都指向太阳。索缆在场地的东西侧附接在跟踪管上，该跟踪管旋转使得索缆向东和向西运动，从而使得槽向东和向西运动，以便跟踪太阳。在这种情况下，它与在美国专利申请No.60/648865中的跟踪方法类似，该美国专利申请No.60/648865的标题为“Solar Power Concentrator Using Reflective Films”，发明人为本发明人。该系统的缩写为“Suncone”。Suncone的跟踪系统与这里的跟踪系统类似，除了Suncone具有两轴线跟踪，而Suntrof具有单轴线跟踪。但是主要区别是，Suntrof跟踪系统设计成给槽提供刚性，而Suncone跟踪系统并不给反射表面的几何形状提供刚性。

因为槽通过索缆从上面产生的杠杆作用而保持就位，因此当它们具有普通太阳能槽和盘时，混凝土地基并不必须。Suntrof支承件可以简单地是驱入地面中的管。

塑料薄膜反射器比玻璃或磨光金属反射器便宜得多。因为并不需要坚固的金属梁来提供刚性，因此节省了附加成本。

通过使流体管下降至靠近相当窄的槽的底部，因此系统需要更小的跟踪精度，且索缆跟踪方法将恰当地起作用。

因此，本发明的目的是通过抛物面槽设计来高效收集太阳能，该抛物面槽设计与广泛使用的抛物面槽相比需要更小的太阳跟踪精度。

本发明的另一目的提供一种利用便宜的塑料薄膜作为抛物面反射器的方法，以便提供更便宜的、收集太阳能的方法。

本发明的另一目的是提供一种太阳跟踪系统，它不仅使得槽的场跟踪太阳，还对槽提供刚性，而不必有重金属结构。

本发明的其它目的、优点和新颖特征以及其它应用范围将部分在下面结合附图的详细说明中提出，部分将由本领域技术人员通过阅读下面而清楚，或者可以通过实践本发明而学习。本发明的目的和优点可以通过在附加权利要求中特别提出的仪器和组合来实现和获得。

附图说明

包含在说明书中并形成说明书的一部分的附图表示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。附图只是用于图示本发明的优选实施例，且并不理解为限制本发明。附图中：

图1是本发明的一个实施例的剖视端视图，其中，肋表示为支承反射薄膜和外部保护薄膜，且槽通过与槽上面的拱形体连接的索缆而指向太阳。

图2是槽的侧视图，表示肋具有附接的跟踪拱形体。

图3是表示本发明另一实施例的等距视图，其中，跟踪系统的操作利用框架和连杆，以便使场地中的全部槽都朝着太阳旋转，并向槽提供刚性。

图4是表示使支承柱支持流体管和槽部件的方法的示意侧视图。

图5是图4的连接组件结构的示意端视图，表示了它与支承柱和肋的关系。槽的底部开口，以便允许支承柱穿过，但是塑料薄膜在该区域粘接在连接组件上，以便防止灰尘进入槽中。

图6是Suntrof阵列的透视计算机图像，表示了与槽上面的拱形体连接的跟踪索缆。

具体实施方式

图1是槽的示意端视图。图2表示了短槽的侧视图。实际上，槽可以相当长，且可以有沿该槽周期性分布的许多肋。

本发明的重要特征是整个槽由该跟踪索缆系统来保持刚性。首先，人们可能想到由轻重量的塑料部件制造的较长槽系统将沿它的长度扭曲。也就是，它的多个部分将指向不同方向。但是跟踪索缆系统附接在跟踪拱形体5上，且它提供有绕流体管11枢转的长杠杆臂。由于该长杠杆臂，即使小的索缆也能够在有风情况下保持系统的刚性。阿基米德说过：“给我一个足够长的杠杆和布置它的一个支点，我将能使地球运动”。肋2和跟踪拱形体5形成从顶部使槽旋转的杠杆，而不是象普通的槽和盘一样从底部使槽旋转。

在图1中，槽30有由肋2支承的反射薄膜1。可以是坚韧塑料薄膜的保护外壳3通过使该薄膜粘接在肋的外侧而进行支承。跟踪拱形体5刚性附接在肋上。索缆6装配在拱形体顶部中的沟槽中，并连接在拱形体中的点9处。索缆7装配在拱形体的第二沟槽中，并连接在点8处。通过该设计，当索缆从一侧向另一侧移动时，拱形体滚转，并使槽与它一起运动。

槽由支承柱10支承。支承柱还支承流体管11和玻璃外壳管12。

槽由透明盖体16来覆盖，以便防止风和灰尘进入槽中。盖体沿顶侧密封到保护外壳薄膜上。

图2给出了槽的示意侧视图，表示了薄膜1和3、肋2、拱形体5、流体管11和支承柱10的关系。它还表示了对角拉线21，该对角拉线21帮助保持槽结构的刚性。拉线22提供了对端部框架20的支承。拉线22在与槽的旋转中心(流体管11的中心)成一直线的点处附接在支承结构23上。

跟踪拱形体5是一片刚性材料，它为圆弧形，就象它是轮子(该轮子的半径等于从轮缘至收集器的旋转枢轴线的距离)的轮缘的一部分。(枢轴线是流体管的中心。)跟踪索缆装配在沟槽17内。

如果用于抵消重力和风负载所需的力由在槽底部的枢轴来提供(它类似于目前的盘和槽太阳能收集器)，该结构将不得不非常坚固，且需要重的齿轮箱来使槽朝向太阳。

图3表示了本发明的另一实施例。其不是具有用于索缆附接的拱形体，而是它有在槽上面的框架结构，该框架结构与跟踪索缆连接。图3是表示包括索缆33的太阳跟踪系统的等距视图，该索缆33附接在连杆32(索缆连接器)上，由框架31将该连杆32保持在槽30上方。索缆33包绕分别在场地的东侧和西侧的跟踪管35和36。由驱动器37旋转该跟踪管。当跟踪管旋转时，包绕跟踪管的索缆进行拉入或放出。跟踪管用作线轴。索缆形成围绕该管的单层包裹物。在顶部有滑轮的杆38提供对索缆的支承。沿跟踪管的、具有轴承的中间跟踪管支承件并没有示出。

该方法可能比拱形体稍微更简单，但是它的缺点是当槽指向东边或西边远处时，索缆通过它们与连杆32的连接而被向下拉动。这将需要在东侧和西侧的跟踪管以稍微不同的速度旋转。

当使用圆形拱形体时，在东侧和西侧的跟踪管将以相同速度旋转。

当西侧的跟踪管旋转以便拉动索缆，且东侧的跟踪管旋转以便放出索缆时，槽向西旋转，以便追随太阳(在图1和3的实施例中)。当索缆连接点高于流体管六英尺时，跟踪管将需要拉动大约15英尺的索缆(假定槽从水平方向运动不低于20度)。当使用四分之一英寸的索缆，且跟踪管的直径为4英寸时，索缆将包绕在管上大约14次，这意味着索缆在完全缠绕时将沿该管占据大约4英寸的距离。我们并不希望索缆在管上的包绕深度超过一层。当包绕多层时，转一圈的拉动量将在第二层时与第一层不同。

图4是表示使支承柱10支持槽、流体管11和它的玻璃外壳管12的方法的示意侧视图。支承柱通过轴承43来支持连接组件40，因为连接组件必须旋转。附接有塑料薄膜1和3的肋2与连接组件40连接。当跟踪系统使得槽旋转时，连接组件与槽和肋一起旋转。但是流体管11和它的玻璃外壳管12并不旋转。从左至右通过连接组件顶部的孔提供了用于玻璃管和流体管的通道。另一轴承44使得连接组件能够在它支承玻璃管时旋转。在管和玻璃管之间的玻璃管-管隔离件42为流体管提供了支承。

应当知道，靠近右侧的反射薄膜1和外壳薄膜3粘接在肋上。不过，支承柱必须穿过薄膜，以便支承流体管。这意味着在底部，薄膜的连续性将由于支承柱穿入槽中而中断。连接组件提供了附接塑料薄膜的方法，这样，灰尘不会进入槽中。在底部靠近左侧的反射薄膜1和外壳薄膜3分别在点45和46处粘接在连接组件上。

图5表示了支承柱10、连接组件40和肋2的关系的示意端视图。

图6是表示图1和2中所示实施例的一些槽的场地设置的计算机图像。它有拱形体5，该拱形体5使索缆7与槽30连接。跟踪管35和驱动器37表示在远处。

Suntrof的太阳能收集效率与其它太阳能收集器的比较

槽型收集器的缺点是在冬季损失效率，因为(在北半球)太阳在南边低处，且槽并不朝南边旋转。在每年的12月21日，在南加利福尼亚、亚利桑那和新墨西哥，太阳在中午时只高于水平面大约34度，这意味着太阳能收集器只能获得当太阳射线垂直于收集器孔时的太阳能的56％。太阳抛物面盘和Suncone收集器可以向南旋转，以便使太阳射线保持与孔垂直。

盘收集器的缺点它们必须沿南北方向间隔开，以便防止在冬季相互遮蔽。(所有盘、槽和Suncone收集器都必须沿东西方向间隔开。)考虑Suntrof收集器为4米宽和100米长。在12月21日中午，它将接收224千瓦的太阳能。排成一个南北向排的一排太阳能盘(各自有4米直径)将需要有大约5.5米的南北间隔来减小遮蔽。各盘有12.57平方米的孔。当有19个盘沿100米长的场地成一直线时，在冬至时接收的太阳能总量为239kW，这只比覆盖相同量地面的太阳能槽多大约7％。在夏天，太阳能盘排将接收239kW太阳能，但是槽将接收395kW。这样，对于相同的地面覆盖量，槽可以接收更多的太阳能。当然，我们必须考虑各收集器怎样高效地将能量转变成在流过该收集器的流体中的热量。

当在Suntrof和标准抛物面太阳能槽之间相比时，表1给出了对于两种太阳能收集器的效率的计算机射线追踪计算。

表1

在Suntrof和普通抛物面槽型太阳能收集器之间的效率比较，作为温度和偏心度(太阳跟踪精度)的函数

 

温度(℃)	偏心度	Suntrof的效率(％)	太阳能槽的效率(％)
				250	0	85.6	85.5
250	2	77.7	46.3
				250	3	59.9	0.0
400	0	77.7	77.2
				400	2	69.0	38.3
400	3	50.8	0.0
				500	0	68.3	67.6
500	2	59.3	28.8
				500	3	41.4	0.0
600	0	54.9	53.3
				600	2	46.0	15.1
600	3	28.2	0.0
				700	0	35.5	33.8
700	2	26.1	0.0
				700	3	6.5	0.0

当收集器直接朝向太阳，因此阳光聚焦在流体管(装有热量收集流体)，“偏心度”为零。偏心度是指东西跟踪精度，而不是太阳的南北位置。效率表示传递给流体的热量与照射在反射器上的阳光比较。在两种情况下，收集器孔为两米宽。不过，尺寸可以放大至任意尺寸，且效率的结果相同。

应当知道，两种类型的太阳能收集器的效率都在偏心度增大时降低，但是普通的太阳能槽降低更快。实际上，当普通太阳能收集器的朝向偏离太阳的死点三度时，在表中的所有情况下它都使零能量聚焦在流体管上。

在更高温度下，效率将降低，因为从流体管有更大辐射。

对于较高温度，盘或Suncone收集器具有比槽更高的效率。与普通槽相比，Suntrof收集器具有更高效率，更便宜和需要更小跟踪精度。

制造

肋构成为具有用于内部表面的抛物面形状。两个肋在底部处螺栓连接在一起，以便形成在各侧的肋。肋可以在场地中装配在槽支承系统上，然后可以附接跟踪拱形体。

在流体管和它的玻璃外壳管附接就位，且将肋连接之后，该单元朝着一侧向下倾斜，且反射薄膜片布置在降低的肋上，水平拉伸，并且与肋粘接。需要时，塑料材料条带可以用于将薄膜压靠在肋上，且可以用延伸穿过塑料薄膜进入肋中的螺栓将条带螺栓连接就位。

在反射薄膜就位后，该单元朝相反方向旋转，且反射片布置在另一半中，拉紧并粘接就位。两个片在底部密封在一起。然后，保护外壳外部薄膜在施加张力时附接在肋的外侧。该保护薄膜防止风影响反射薄膜。

在Suntrof模块端部的框架结构必须足够坚固，以便保持塑料片和拉线的拉伸。端部拉线提供力以抵消塑料片拉力。拉线的下端在与枢轴线(流体管的中心)成一直线的点处附接在锚固件上。

Claims (9)

1.一种太阳能收集系统，包括：

一组刚性肋，该组刚性肋沿太阳能收集系统的长度均匀间隔开，各刚性肋在其内表面上具有抛物线型曲率；

一组连接组件，刚性肋与该组连接组件连接；

一组支承柱，该组支承柱锚固至地面或其它地基，该支承柱与所述连接组件可旋转地连接，以便支承该连接组件和刚性肋；

反射薄膜，该反射薄膜附接在刚性肋的内表面上，所述反射薄膜沿水平方向拉伸，使得该薄膜的与其长度垂直的曲率近似与刚性肋的内表面的曲率相同，从而限定了具有抛物线型截面的槽，用于将太阳射线反射至聚焦线；

保护外壳薄膜，该保护外壳薄膜附接在刚性肋的外侧，以便保护该反射薄膜防风；

跟踪拱形体，该跟踪拱形体与各刚性肋的顶部连接，用于使太阳能收集系统朝着太阳旋转并用于使太阳能收集系统具有旋转刚性；

一组跟踪索缆，该组跟踪索缆附接至该跟踪拱形体，用于使该跟踪拱形体旋转；

具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统，用于拉回和放出跟踪索缆，以便使太阳能收集系统指向太阳；以及

流体管，该流体管在由反射薄膜反射的阳光的聚焦线处，用于承载流动流体，以便吸收太阳能的热量；

透明管，该透明管封装该流体管，以便防止热量损失，该透明管能够被抽真空；

透明盖体，该透明盖体横跨过该刚性肋的顶部布置，并在侧部密封到所述保护外壳薄膜；

其中，穿过透明盖体的阳光反射通过透明管，并由流体管吸收，

其中，该具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统使得该组跟踪索缆一致地运动，以便使太阳能收集系统朝着太阳旋转，使得到达反射薄膜的阳光反射到流体管，这加热流体管中的流动流体，然后，该加热的流体流向在太阳能收集系统外部的装置，以便提供用于使用目的的热量，且该跟踪索缆以及该跟踪拱形体使得太阳能收集系统具有旋转刚性。

2.根据权利要求1所述的太阳能收集系统，其中：该跟踪拱形体在它的上表面上包括两个沟槽，用于布置两个跟踪索缆，且当跟踪索缆向东或向西移动时，跟踪索缆使得太阳能收集系统向东或向西旋转，当该具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统使得跟踪索缆一致地移动时，该跟踪索缆以及该跟踪拱形体给太阳能收集系统提供刚性。

3.根据权利要求2所述的太阳能收集系统，其中：所述跟踪索缆附接在横过场地的多个太阳能收集系统的跟踪拱形体上，且跟踪索缆在场地的东端和西端处附接在跟踪管上，并包绕跟踪管，当跟踪管旋转时，该跟踪管拉入或放出跟踪索缆，且当太阳横过太空时，该具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统使得跟踪管旋转，以便使得太阳能收集系统指向太阳。

4.一种太阳能收集系统，包括：

一组刚性肋，该组刚性肋沿太阳能收集系统的长度均匀间隔开，各刚性肋在其内表面上具有抛物线型曲率；

一组连接组件，刚性肋与该组连接组件连接；

一组支承柱，该组支承柱锚固至地面或其它地基，该支承柱与所述连接组件可旋转地连接，以便支承该连接组件和刚性肋；

反射薄膜，该反射薄膜附接在刚性肋的内表面上，所述反射薄膜沿水平方向拉伸，使得该薄膜的与其长度垂直的曲率近似与刚性肋的内表面的曲率相同，从而限定了具有抛物线型截面的槽，用于将太阳射线反射至聚焦线；

保护外壳薄膜，该保护外壳薄膜附接在刚性肋的外侧，以便保护该反射薄膜防风；

刚性框架，该刚性框架与各刚性肋的顶部连接，用于使太阳能收集系统朝着太阳旋转并用于使太阳能收集系统具有旋转刚性；

一组跟踪索缆，该组跟踪索缆附接至该跟踪拱形体，用于使该跟踪拱形体旋转；

具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统，用于拉回和放出跟踪索缆，以便使太阳能收集系统指向太阳；以及

流体管，该流体管在由反射薄膜反射的阳光的聚焦线处，用于承载流动流体，以便吸收太阳能的热量；

透明管，该透明管封装该流体管，以便防止热量损失，该透明管能够被抽真空；

透明盖体，该透明盖体横跨过该刚性肋的顶部布置，并在侧部密封到所述保护外壳薄膜；

其中，穿过透明盖体的阳光反射通过透明管，并由流体管吸收，

其中，该具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统使得该组跟踪索缆一致地运动，以便使太阳能收集系统朝着太阳旋转，使得到达反射薄膜的阳光反射到流体管，这加热流体管中的流动流体，然后，该加热的流体流向在太阳能收集系统外部的装置，以便提供用于使用目的的热量，且该跟踪索缆以及该跟踪拱形体使得太阳能收集系统具有旋转刚性。

5.根据权利要求4所述的太阳能收集系统，其中：连杆与刚性框架连接，且跟踪索缆附接至各连杆的端部，当跟踪索缆向东或向西移动时，跟踪索缆使得太阳能收集系统向东或向西旋转，当具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统使得跟踪索缆一致地移动时，该跟踪索缆以及该刚性框架向太阳能收集系统提供刚性。

6.根据权利要求5所述的太阳能收集系统，其中：所述跟踪索缆可操作地连接在横过场地的多个太阳能收集系统的连杆上，且跟踪索缆在场地的东端和西端处附接在跟踪管上，并包绕跟踪管，当跟踪管旋转时，该跟踪管拉入或放出跟踪索缆，且当太阳横过太空时，该具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统使得跟踪管旋转，以便使得太阳能收集系统指向太阳。

7.根据权利要求1或4所述的太阳能收集系统，其中：太阳能收集系统的旋转中心是流体管的中心，以消除当太阳能收集系统旋转时对流体管移动或旋转的需要，且流体管在它的端部处直接与输入和输出管流体连通，且在该端部处不需要旋转接头来与输入和输出管连接。

8.根据权利要求1或4所述的太阳能收集系统，其中：太阳能收集系统的端部包括坚固框架，用于支持反射薄膜的拉伸，且端部索缆支承该坚固框架，该端部索缆在与流体管的中心成一直线的点处附接在支承结构上。

9.根据权利要求2所述的太阳能收集系统，其中：所述跟踪索缆附接在横过场地的多个太阳能收集系统的跟踪拱形体上，且朝着场地各侧延伸的跟踪索缆绕过滑轮并朝着场地中的跟踪管延伸，且包绕跟踪管，当跟踪管旋转时，该跟踪管拉入或放出跟踪索缆，且当太阳横过太空时，具有光学太阳跟踪装置和齿轮传动马达的跟踪系统使得跟踪管旋转，以便使得太阳能收集系统指向太阳。

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