CN101496179A - 群集式太阳能转换阵列及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能转换(SEC)阵列(24)及运行方法。阵列(24)具有在其运行时与太阳方向(50)基本一致的对准方向(48)。该阵列(24)由阵列支撑结构(26)和多个SEC群集器(28)形成。每个群集器(28)由多个SEC单元(44)和单个电池支撑结构(32)形成。每个SEC单元(44)由耦合到阵列支撑结构(26)的凹面镜(30)和电池组件(34)形成。电池组件(34)由包含SEC电池(72)的电池外壳(68)和热耦合到该电池(72)并吸收和耗散热的无源吸热单元(70)形成。电池支撑结构(32)由耦合到阵列支撑结构(26)的支撑柱(56)和将每个电池组件(34)耦合到支撑柱(56)的各个支撑臂(60)形成。

Description

群集式太阳能转换阵列及其方法
技术领域
本发明涉及太阳能转换系统领域。更具体的是，本发明涉及聚集太阳能发电系统的领域。
背景技术
我们现在非常需要利用可再生能源的发电系统。在可利用的许多可再生能源中，一种最基本的能源是太阳能。已经发明了许多不同的采用太阳能发电的系统。所有的这些系统都遇到了一个共同的问题：经济和能量效率低。与常规的原子能和矿物燃料发电系统相比时，这些效率低将导致发电成本显著的增加。也就是说，与原子能和矿物燃料系统相比时，常规的太阳能发电系统经济效率更低，这是因为它们在每单位支出上产生了相对少的千瓦时。
在利用太阳能发电的各种方法中，最具能量效率的是那些利用太阳能转换(SEC)器件的。SEC器件直接将辐射太阳能(热，光或者其他辐射)转换成电能。SEC器件的一个实例是光电池。
采用SEC器件的系统仍然能量效率低，而且能量效率低是经济效率低中的一个因素。对于给定的成本，更具能量效率的SEC器件将导致系统更具经济效率。
最具能量效率的SEC器件是集中式SEC器件，例如集中光电池。在高度聚集太阳能时，这些器件实现了它们的最高效率，一般为几百个太阳能级。这样就提出了使用构造成聚集太阳能的光学和机械结构。为了聚集太阳能，该结构的集能元件(例如，透镜或者镜子)需要具有比电池大得多的面积。例如，500-太阳系统应当需要其面积为电池面积500倍的集能元件。集能元件将所聚集的能量聚焦到电池上。
这些集中式SEC系统中存在跟踪问题。因为集能元件的面积比电池的面积大得多，因此该系统必须非常精确地跟踪从黎明到黄昏的太阳位置。即使跟踪中小的偏差也足以使得被聚集的能量失去目标，即，不能精确集中到电池上。仅有落在电池上的聚集太阳能部分对于发电来说是有效的。因此能量效率取决于跟踪系统的精度。
从系统的每单位成本上的千瓦时角度来看，初始结构成本以及工作成本的消耗对于经济效率产生影响。对于实现给定等级能量效率的系统来说，成本最低的系统将是最具经济效率的。总的来说，以每单位成本上的千瓦时角度来看，系统结构越小，结构和工作成本越低，经济效率越大。许多现有技术的系统必须大于聚集太阳能所必须的面积。也就是说，系统不能捕获落在等效于它们的全部阵列大小(例如，在阵列上/中存在阴影，死点，和/或“洞”)的区域上的太阳能量。这就导致工作成本(定位和控制系统的成本)增加，并导致经济效率显著减小。
使用SEC器件所面临的另一个问题是热。由于能量效率低，因此在太阳能转换成电能的过程中产生了相当大的热。这些热必须被耗散或者得以其他解决。
同样，由于没有器件是绝对具有能量效率的，因此仅有落在电池上的可用能量部分可以被转换成电能。剩余的能量被转换成热。该系统必须同样能处理这些产生的热。
SEC系统的能量效率更多的形式是集中式光电池系统。这种系统面临着两种形式的热。存在于聚集太阳光中的内在热是相当大的。例如，集中式系统在电池上可产生几百个太阳的能量级。该系统必须能处理电池上相对小的表面积上的这些几百个太阳的热量。
热处理本身是伴随能量和经济效率问题的过程。一个有效的热处理方法利用了有源热吸收。但是这种方法是不合乎要求的，这是因为，该方法是有源的，必须消耗功率来吸收热。吸收热所要求的功率从作为整体的SEC系统所产生的功率中得到，因此降低了系统能量和经济效率。
某些常规的高度集中SEC系统是高密度SEC系统。在高密度SEC系统中，必须使用大面积的聚集器来将太阳能聚焦在基本为平面的“焦点区”中。SEC器件(电池)阵列位于“焦点区”中。然后每个SEC器件接收其部分的聚集太阳能。尽管可使用单个大的透镜或者镜子，但是聚集器典型地由多个透镜或者镜子形成。
高密度SEC系统具有两个主要的问题：死区和热。死区是电池阵列的有效区域之间的必要间隔，即，各个SEC电池之间的间隔。从绝对的角度来说，这些区域非常小。然而，由于电池也非常小，并且位于聚集太阳能的地方，因此死区是非常大的。例如，在典型的1平方厘米的电池阵列中，死区为1毫米宽，这意味着每1平方厘米电池代表121平方毫米，其中21平方毫米(17.3％)是死区。这在聚集器中被反射。在小的1000-电池、500-太阳系统中，聚集器的面积为60.5平方米，10.5平方米是无效的。这不考虑聚集器中由于接点、接缝和/或阴影而导致本质上无效的任何部分。因此高密度SEC系统具有由于死区所导致的其他低效率。
高密度SEC系统还要经受热。所接收的热是巨大的，即，好几百个太阳。此外，由SEC电池发电可产生热。如果效率为35％，那么每千瓦发电产生超过1.8千瓦的热。所有的这些热必须被吸收或者耗散。
由聚集器接收的所有太阳能被聚集到相对小的区域中。将这些热从相对小的区域中去掉要求使用有源吸热(HE)单元。有源HE单元是复杂的。因为很复杂，因此可靠性变成了非常重要的设计因素。形成可靠的复杂HE单元是非常昂贵的。而且，有源HE单元需要电力。运行该有源HE单元所需的电力从SEC系统产生的电力中有效提取。因此，有源HE单元是寄生的，并进一步减小了能量和经济效率。
此外，可靠性方面的任何减小转化为以维护增加形式的工作成本的增加。工作成本的这种增加直接转化为系统经济效率的减小。
发明内容
因此，本发明的一个优点是提供一种群集式太阳能转换阵列以及其方法。
本发明的另一个优点是提供一种太阳能转换阵列，其将呈现到电池上的被接收太阳能的百分比增加到合理的可实现的范围。
本系统的另一个优点是提供一种太阳能转换阵列，其采用了分布热聚集区域从而可使用更可靠并更有效的无源吸热单元的结构。
本系统的另一个优点是提供一种太阳能转换阵列，其具有分布式结构从而将聚集的太阳能区域中的死区有效减小到可实现的范围内。
本发明的上述和其他优点以发电系统的太阳能转换(SEC)单元阵列的一种形式实现。该阵列包括阵列支撑结构，以及SEC群集器。SEC群集器包括耦合到阵列支撑结构的电池支撑结构以及N个SEC单元，其中N是大于1的预定数。每个SEC单元包括耦合到阵列支撑结构上并构造成反射太阳能的凹面镜，以及耦合到电池支撑结构上的电池组件。该电池组件包括电池外壳，包含在电池外壳中并定位成接收由凹面镜反射的大部分太阳能的SEC电池，以及耦合到电池外壳上并构造成吸收并耗散来自SEC电池的热的吸热单元。
本发明的上述和其他优点以将太阳能转换成电能的方法的另一种方式来实现。该方法包括将太阳能转换(SEC)阵列对准在太阳方向，多个SEC群集器的每个群集器中的N个凹面镜反射太阳能，其中N是预定数，响应对准动作，相对每个SEC群集器的N个凹面镜的每个凹面镜定位N个SEC电池中的一个SEC电池，响应反射和定位动作以接收从每个SEC群集器的每个SEC电池上的每个凹面镜反射的大部分太阳能，响应接收动作在每个SEC电池中产生电能，将N个吸热单元中的一个吸热单元热耦合到每个SEC群集器中的N个SEC电池中的每个SEC电池，以及耗散由接收和产生活动所产生的热。
附图说明
下面通过参考结合附图考虑的详细描述和权利要求书来得到本发明更完整的理解，其中相同的附图标记涉及所有附图中相同的项目：
图1示出了根据本发明优选实施例的运行中的太阳能转换(SEC)系统的侧视图；
图2示出了图1的SEC系统的SEC阵列的平面图，其示出根据本发明优选实施例的四边形反射镜矩阵；
图3示出了SEC阵列的平面图，该平面图示出根据本发明的可替换优选实施例的六边形反射镜矩阵；
图4示出了来自图2的SEC矩阵的SEC群集器的平面图，该平面图示出根据本发明优选实施例的具有中心电池组件的反射镜布局；
图5示出了根据本发明优选实施例的图4的SEC群集器的SEC太阳能转换单元的侧视图；
图6示出来自图4的SEC群集器的SEC单元的侧视图，该侧视图示出根据本发明优选实施例的能量获取；
图7示出了SEC群集器的平面图，该平面图示出了根据本发明的可替换优选实施例的具有外围电池组件的反射镜布局；
图8示出了来自图7的SEC群集器的SEC单元的侧视图，该侧视图示出根据本发明优选实施例的能量获取；
图9示出了来自图6的SEC单元的电池组件的侧视图，该侧视图示出根据本发明优选实施例的二次反射元件；
图10示出来自图6的SEC单元的电池组件的侧视图，该侧视图示出根据本发明可替换优选实施例的二次反射元件；
图11示出了来自图5的SEC单元的电池组件的剖面侧视图，该侧视图示出吸热单元的工作；
图12示出沿线12-12截取的图4的SEC群集器的SEC单元的剖面侧视图，该图示出根据本发明优选实施例的电池组件阴影区；以及
图13示出沿线13-13截取的图4的SEC群集器的SEC单元的剖面侧视图，该图示出根据本发明优选实施例的支撑臂阴影区。
具体实施方式
图1示出了根据本发明优选实施例的运行中的太阳能转换(SEC)系统20的侧视图。下面的论述参照图1。
该论述中，重点在于SEC系统20的经济效率上。尽管能量效率与给定的一组条件下的太阳能转换成电能的百分比有关，但是经济效率与每单位成本上发电的千瓦时数量相关。初始结构成本(即部件，结构和安装成本)的消耗以及正在进行的花费(机器备件，维护，修理，以及工作成本)对系统20的经济效率有影响。
本发明最初的目的是无论实际上在什么情况都增加系统20的经济效率。我们发现，在许多情况下，在一个地区中的经济效率减小由另一个地区的经济效率的增加来进行折衷。通常，正确的折衷基于系统20所要使用的希望场合和环境。
SEC系统20由系统基架22和SEC阵列24形成。系统基架22包含支撑、对准和移动SEC阵列24所必需的所有元件。基架22的元件和技术将根据SEC阵列24的大小和系统20所要使用的环境而改变。
通过利用分布式结构(下文中将要讨论的)，阵列24可形成为对于期望输出可实现的尽可能小。尺寸上的减小反射出天气影响的减小以及质量矩(moment of mass)的减小。这些减小使得基架22所用的结构更小，接着降低了与基架22相关的初始和工作成本。这样增加了系统20的经济效率。
阵列24包含构造成支撑至少一个SEC群集器28的阵列支撑结构26。为了方便起见，该论述假定阵列24由多个群集器28，特别是九个群集器28形成，如图1，2和3所示(图2和3将在下文中进行描述)。然而，本领域技术人员应该理解，群集器28的数量并不是本发明所要求的。实际上，阵列24可具有从1到十二或者甚至于几百个的任何数量的群集器28，这取决于系统20将要被使用的场合。
每个SEC群集器28由N个凹面镜30，电池支撑结构32，以及N个电池组件34形成，其中N＞1。在这些附图的优选实施例中，2＜N＜5，即，N＝3或者N＝4。这将在下文中进行更详细的描述。
图2和3示出了SEC阵列24的平面图，该图示出形成几何矩阵36的凹面镜30。图2示出形成规则四边形矩阵38的凹面镜30。图3示出形成规则六边形矩阵40的凹面镜30。下面的描述涉及图1，2和3。
凹面镜30耦合到阵列支撑结构26并由阵列支撑结构26支撑，以便形成几何矩阵36。期望的是，几何矩阵36由基本相同的凹面镜30构成。由于基本相同，因此简化了凹面镜30的制造并且减小了随后的成本。此外，基本相同的凹面镜30意味着为现场安装服务储备所需要的备件更少。因此，基本相同的凹面镜30的使用提高了系统20的经济效率。
期望的是，每个凹面镜30被成形为大致上具有多边形的外围42，从而可以在几何矩阵36中实现非常高的包装密度。优选的是，凹面镜30形成为基本规则的多边形，特别是图2中规则的四边形(正方形)，或者图3中规则的六边形。由于是基本规则的四边形或者六边形，因此凹面镜30一起包装，这样几何矩阵36的区域基本上是反射镜(即，相邻的凹面镜30之间仅有少量的缝隙空间43不能聚集太阳能)。这使得阵列24具有高的包装密度，即为捕获给定量的入射太阳能尽可能的小。高组装密度提高了系统20的经济效率。
如果凹面镜30大致具有基本为规则四边形(正方形)形状的多边形外围42，那么几何矩阵36是规则的四边形(正方形)矩阵38(图2)，N＝4。然后每个SEC群集器28由阵列支撑结构26支撑的四个凹面镜30，以及由单个电池支撑结构32支撑的四个电池组件34形成。
如果凹面镜30大致具有基本为规则六边形形状的多边形外围42，那么几何矩阵36是规则的六边形矩阵40(图3)，并且N＝3。然后每个群集器28由矩阵支撑结构26支撑的三个凹面镜30，以及由单个电池支撑结构32支撑的三个电池组件34形成。
为简便起见，除了图3特定引用的之外，本论述中剩余的部分假定凹面镜30为规则的四边形，并且假定几何矩阵36为规则的四边形(正方形)矩阵38，如图2所示。本领域技术人员应该理解SEC群集器28中凹面镜30的特定数量(大于1)以及凹面镜30的特定形状并不作为本发明的要求。各个数量的凹面镜及其各种形状可以满足特定应用的要求。使用各种数量和形状的凹面镜30并未脱离本发明的精神。
下面的讨论参照图1。
SEC阵列24具有阵列平面46。凹面镜30耦合到阵列24上以便与阵列平面46基本平行。也就是说，如果凹面镜是平的，那么它们能限定出阵列平面46。
阵列24具有与阵列平面46垂直的对准方向48。对准方向48是阵列24可最有效地接收太阳能的方向，其中系统20利用该太阳能产生电能。因此，为了工作，我们希望阵列24对准在太阳方向50，其中太阳方向50被限定为太阳52的平均方向。也就是说，对准方向48期望与太阳方向50基本一致，使得系统20可有效将太阳能转换成电能。
图4示出了SEC群集器28的平面图，该图示出了四个凹面镜30和电池组件34，图5示出了来自SEC群集器28的SEC单元44的侧视图。下面的讨论将参照图1，4和5。
在阵列24的每个SEC群集器28中，N个凹面镜30耦合到阵列支撑结构26并且由阵列支撑结构26支撑。在附图中所示的优选实施例中，每个凹面镜30通过支撑垫片54耦合到阵列支撑结构26。支撑垫片54通过粘合剂(未示出)、螺钉或者其他固定器(未示出)、或者本领域技术人员公知的其他方式附着到凹面镜30上。本领域技术人员知道支撑垫片54是示例性的，并且不是本发明所要求的。用于凹面镜30的耦合和支撑的其他方法(即外围芯片)的使用并不脱离本发明的精神。
支撑垫片54可以被调节。也就是说，支撑垫片54耦合到凹面镜30或者阵列支撑结构26上，这样支撑垫片54的调节将相对于阵列平面46略微“摇动”凹面镜30。通过调节支撑垫片54，凹面镜30可以进行微调，从而补偿电池组件34的定位过程中的轻微偏差，并且更加精确地反射太阳能到相关的电池上(下文中将进行讨论)。
每个SEC群集器28包括电池支撑结构32。每个电池支撑结构32由支撑柱56形成，支撑柱56耦合到阵列支撑结构26并由阵列支撑结构26支撑，支撑柱56在对准方向48上的相邻凹面镜30之间延伸并由相邻凹面镜30的公共接合点容纳。
在这些附图的优选实施例中，为了使支撑柱56在相邻凹面镜30之间延伸，同时使得凹面镜30形成具有最高实际密度的几何矩阵36，因此对大致为多边形的外围42进行开槽。也就是说，将凹槽58引入到每个群集器28中的至少一个凹面镜30的多边形外围42中，从而容纳支撑柱56。在图4的优选实施例中，从群集器28中的每个凹面镜30的公共拐角处的大致(即，开槽的)为多边形外围42截取凹槽58。由于太阳能从凹面镜30的拐角反射最可能遭遇偏离目标的偏差，因此在群集器28中的凹面镜30的公共拐角的开槽(与大致为多边形外围42的非拐角部相比)形成了使系统20的经济效率的不适宜的减小为最少。
本领域技术人员应该理解在附图未示出的可替换实施例中取消凹槽58。在一个这样的可替换实施例中，支撑柱56可构造成不具备密封内部。例如，支撑柱56具有平行于阵列平面46的十字形截面，该十字形的“臂”全部位于在群集器28的凹面镜30的公共接合点处的缝隙空间43内。在该可替换实施例的变形中，支撑柱56可具有外部，该外部覆盖位于凹面镜30的太阳方向的支撑柱56的一部分。可使用不脱离本发明精神的支撑柱56的这些和其他可替换实施例。
每个SEC群集器28包括N个电池组件34，每个电池组件34耦合到支撑柱56上，并由支撑臂60支撑。支撑臂60从支撑柱56延伸到电池组件34上。
在优选实施例中，其中凹面镜30具有大致(即，开槽的)为规则多边形的外围42，每个群集器28中的任何给定的支撑臂60与顺时针的相邻支撑臂60形成第一角度62，并与逆时针的相邻支撑臂60形成基本相等的第二角度64。也就是说，不管N为何值，支撑臂60在支撑柱56周围以规则角度隔开。在图2和4中，其中N＝4，支撑臂60之间的角度(即，第一角度62和第二角度64)为90度。在图3中，其中N＝3，支撑臂60之间的角度(即第一角度62和第二角度64)为120度。
在图5的优选实施例中，支撑臂60和电池组件34还由支撑支架66稳定并支撑。在图5中，支撑支架66示出为在处于支撑臂60之下，并从支撑柱56延伸到支撑臂60上。本领域的技术人员可以理解，支撑支架66的存在，位置以及耦合方式并不是本发明所要求的。可省略支撑支架66，或者当使用支撑支架66时，支撑支架66或者在支撑臂60之上或者在支撑臂60之下，和/或或者延伸到支撑臂60上或者延伸到电池组件34上，而不脱离本发明的精神。
每个电池组件34相对于一个凹面镜30定位并与其相关联。每个电池组件34以及与其相关的凹面镜30一起形成SEC单元44。因此群集器28由N个SEC单元44即N个电池组件34和N个相关的凹面镜30组成。由于阵列24是群集器28的阵列，因此阵列24也是SEC单元44的阵列。
SEC单元44是分离式实体。也就是说每个SEC单元44由凹面镜30以及相关的电池组件34组成。电池组件34位于它们各自的凹面镜30之上，并且因此均匀地分布在略小于阵列24的区域上。每个电池组件34由耦合到吸热(HE)单元70的电池外壳68形成。SEC单元72包含在电池外壳68中。每个凹面镜30构造成将太阳能仅反射并聚集在与其相关的电池72上。每个电池72上产生的热由单个HE单元70吸收并耗散。这样构成了分布式方案，其中吸收了全部热并仅在略小于阵列24的区域上耗散。这与其中总热量在单个相对小的区域中吸收和耗散的现有技术的高密度SEC系统相比非常显著。这种分布式结构表现出系统20的经济效率的显著提高。
用作系统20中的SEC电池72的一种器件是由Sepctrolab公司制造的多结型Terrestrial聚集器太阳能电池。然而，本领域的技术人员应该理解，作为SEC电池72的这种器件的使用并不是本发明所要求的，可使用这个公司或者其他制造商生产的其他器件，都不脱离本发明的精神。
HE单元70由具有吸收端76和耗散端78的热管74形成。热管74耦合到电池外壳68上。热管74的吸收端76热耦合到SEC电池72上并构造成从其上吸收热。至少一个辐射器80，并且优选的是多个辐射器80，耦合到热管74上。辐射器80被构造成耗散热。因此，至少一个辐射器80期望地耦合在热管74的耗散端78上或者附近。
电路上，电池组件34还包括旁路二极管82。旁路二极管82位于电池外壳68的外部。旁路二极管82的这个位置使得电池外壳68小于位于旁路二极管位于电池外壳68的内部的电池外壳68。如下文中所讨论的，期望的是电池外壳68尽可能的小，以便投射出与理论上可能在凹面镜30上的阴影一样小的阴影。电池外壳68的尺寸上的减小因此代表了系统20的经济效率的提高。
旁路二极管82期望地位于支撑臂60之内，位于支撑柱56之内，或者位于阵列支撑结构26之内或者之上，这样有助于不在凹面镜30上投射阴影。旁路二极管82通过电线84电耦合到电池72上。
每个凹面镜30被构造成将太阳能反射并聚集到与其相关的电池72上。该太阳能的强度可达到几百个太阳。当阵列24不直接对准在太阳52上时，即，当对准方向48与太阳方向50不一致时，该被聚集的太阳能可以在支撑臂60和/或支撑柱56起作用。如果暴露的话，该被聚集的太阳能可能毁坏电线84。因此，电线84中处于这种损害危险的部分被期望是在支撑臂60和支撑柱56内绝缘并布线。
该讨论的剩余部分假定SEC系统20处于工作中，即假定对准方向48基本与太阳方向50一致。为了简便起见，该讨论的剩余部分讨论单个SEC单元44的操作。阵列24中所有的SEC单元44操作基本相同。
图4和7示出了SEC群集器28的平面图，其中电池组件34位于凹面镜30的中心(图4)和外部(图7)，图6和图8分别示出了来自图4和图7的群集器28的SEC单元44的侧视图，其示出了太阳能86的获取。下面的讨论涉及图1，4，6，7和8。
太阳能86在与太阳方向50相反的方向上产生，直到它碰到凹面镜30为止。凹面镜30是SEC单元44的初始光学元件。凹面镜30反射并聚集太阳能86。SEC电池72位于凹面镜30的“焦点”附近。
在图4和6的优选实施例中，凹面镜30被这样定向：“焦点”位于来自凹面镜30的中心的对准方向48。因此SEC电池72也位于来自凹面镜30的中心的对准方向48。在该实施例中，凹面镜30对称形成并对称安装。这样就为凹面镜30和支撑垫片54提供了最低的初始成本。
在图7和8的可替换优选实施例中，凹面镜30这样形成角度：“焦点”位于凹面镜30靠近支撑柱56的外围之上。因此SEC电池72位于支撑柱56的附近，并且被设定角度以使得相对于凹面镜30为平面。在该实施例中，凹面镜30非对称形成并且非对称安装。这要求凹面镜30和支撑垫片5的初始成本更大。尽管这导致系统20的经济效率中存在某些下降，但是通过在凹面镜30上投射较小的阴影(下文中将要讨论)，经济效率中的任何减小将至少是局部抵消的。投射较小的阴影增加了反射太阳能86的凹面镜30的表面区域，这样增加了系统20的经济效率。
对称或者非对称形成和安装凹面镜30是否更好是折衷的关键，其中一个实施例对于某些场合和环境是优选的，而另一个实施例对于不同的场合和实施例是优选的。为简便起见，所讨论的剩余部分假定为图4和6的优选实施例，除了特别参考图7和图8之外。
图9和图10示出了电池组件34的侧视图，其示出了二次反射光学元件88(图9)和二次折射光学元件90(图10)。下面的讨论涉及图1，4，6，9和10。
为了简便起见，如果将太阳52作为一个点进行处理，太阳能86可处理成基本平行的射线。如果凹面镜30是抛物线形的，那么被反射的太阳能86可汇聚在凹面镜30的光轴(未示出)的实际焦点上。然后SEC电池72定位在沿着太阳能86形成尺寸基本为电池72的尺寸的“图像”的位置上的光轴的焦点之前或者之后。这在凹面镜30具有大致为规则四边形的多边形外围42时是特别有效的，并且有效地匹配电池72的形状。
将凹面镜30形成抛物线可以增加与其相关的成本，然而，可使得系统20的经济效率降低。为此，在许多实施例中，凹面镜30被期望是球面镜。如果凹面镜30是球面的，那么被反射的太阳能86可以汇聚在沿着光轴传播的“焦点”上。球面像差是已知的。该球面像差使得实际上不可能成功定位SEC电池72。也就是说，沿着光轴的任何位置或者产生显著的热点和/或冷点，并且伴随着光损和系统20的经济效率的减小，以及可能损伤电池72。
二次光学元件可用于补偿凹面镜30的球面像差或者其他像差。在图9中，二次反射光学元件88用于更好地反射另外损失到电池72上的太阳能86。同样，在图10中，二次折射光学元件90用作将太阳能86的最大可实现的量引导到电池72上的类似功能。或者反射或者折射的元件88或90可被使用，但它们也是折衷的。可反射的反射元件88的光损较小，但制造和维护更贵。可以折射的折射元件90光损更大(通过反射和吸收)，但制造和维护更便宜。反射和折射元件88和90分别代表相对根本没有二次光学元件时系统20的经济效率的不同减小，但经济效率的这些是否减小以及哪些减小由使用球状凹面镜30而产生的经济效率的增加来抵消是有问题的。关于所有的折衷，抛物线或球状凹面镜30和/或没有二次元件、反射元件88和/或折射元件90中的哪些组合是最期望的是系统20将要使用的场合和环境的函数。
图11示出了电池组件34的剖面侧视图，其示出了HE单元70的操作。下面的讨论涉及图1，4，6，11。
凹面镜30反射并汇聚太阳能86。SEC电池72被定位成接收由凹面镜30反射并聚集的大部分太阳能86。然后SEC电池72响应太阳能86的接收，产生电能(未示出)。
在太阳能86的接收过程中太阳能86被转移到电池72中。未被转换成电能的任何能量是热源。结果是电池72积累了大量的热，其必须被去掉以维持电池72的合理可能的最大能量效率，并防止电池72的毁坏。HE单元70实现这个目标。
如下文所述的，阵列24的分布式结构仅在略小于阵列24的区域上分布SEC电池72。每个凹面镜30被构造成仅反射并聚集太阳能86在与其相关的电池72上。每个电池72上产生的热由单个HE单元70吸收和耗散。本发明的单个电池72的更适量的热吸收要求可以使用更适度的吸热单元。
HE单元70是无源HE单元。也就是说，HE单元70内的操作仅是热力的，其只采用来自电池72吸收的热。由于这个热是系统20产生电能时不用的废能，因此HE单元70没有系统开销，并且不影响正在进行的系统20的经济效率。除了无源之外，HE单元70不具有节省液体热转移媒介(下文中将讨论)的运动部件。这种本质上的简化使得HE单元70具有在任何有源吸热单元之上和之外的良好可靠性。没有系统开销以及HE单元70的简化使得系统20相对于相同容量的现有技术的高密度SEC系统的经济效率显著增加。
热管74的吸收端76热耦合到电池72上。因此来自电池72的热92进入到热管74中。标准的液体热转移媒介94位于热管74之内。热转移媒介94吸收热92。热92蒸发热转移媒介94。被汽化的热转移媒介94在图11中示出为沿着热管74的内壁的微小气泡。
当系统20工作时，热管74的耗散端78高于吸收端76。由于热增加(并且处于液体状态的气体增加)，越热，被汽化的热转移媒介94向热管74的耗散端78移动。在移动过程中，被汽化的热转移媒介94通过或者靠近至少一个辐射器80，期望的是多个辐射器80。热92从热转移媒介94转移到辐射器80上。辐射器80耗散热92。
热92从热转移媒介94转移到辐射器80的过程中降低了热转移媒介94的温度。这样使得热转移媒介94凝结回到液体形式。然后热转移媒介94通过重力的作用返回到热管74的吸收端76。
因此HE单元70通过太阳能86的接收以及电能(未示出)的产生来吸收并且耗散电池72中产生的热92。
图12和13分别示出了沿图4的线12-12以及13-13截取的SEC单元44的剖面侧视图，示出了电池外壳的阴影区96(图12)以及支撑臂的阴影区98(图13)。下面的讨论涉及图1，4，5，12和13。
太阳能86被认为是从太阳方向50的反方向，即从太阳52到达阵列24的基本平行的射线。当SEC系统20工作时，即当对准方向48基本等于太阳方向50时，阵列平面46的向太阳方向的任何事物都可能投射阴影到凹面镜30上。落在凹面镜30上的任何阴影使能量输出减少。因为总是期望增加给定大小的阵列24的能量输出到合理的可能实现的范围，因此期望落在凹面镜30上的所有阴影保持为可实现的最小。在本发明中，这通过部件的设计和排列来实现。
支撑柱56在对准方向48上从阵列支撑结构26延伸到相邻的凹面镜30之间并终止于阵列平面46的向太阳的方向。期望的是，支撑柱56为具有平行于对准方向48的大致平滑侧面的圆柱体(图所示)，棱柱(未示出)，或者其他形状(未示出)。由于对准方向48基本与太阳方向50一致，并且支撑柱56通过凹面镜30中的凹槽58(图4)，支撑柱56投射仅落在凹面镜30之后的阴影。在这些附图的优选实施例中，支撑柱56的阴影由外围凹槽58(图2)容纳。也就是说，支撑柱56投射没有落在任何一个凹面镜30上的支撑柱阴影(未示出)。
支撑臂60和支撑支架66从支撑柱56延伸到电池组件34上。在优选实施例中，每个支撑臂60和任何伴随的支撑支架66一起产生从支撑臂60和支撑支架66中较上的一个延伸的支撑臂阴影区98，并且通过支撑臂60和支撑支架66中较下的一个进行可能的修正，仅落在直接在支撑臂60下方的凹面镜30上。也就是说，任何给定的支撑臂60及其伴随的支撑支架66一起仅投射支撑臂阴影100在一个凹面镜30上。
在图1，5，13的优选实施例中，支撑臂60是支撑支架66的向太阳的方向。支撑支架66具有平行于阵列平面46的无穷大的潜在直径(未示出)，该直径不大于相应的支撑臂60的直径。在支撑臂60上阻塞太阳能86所形成的支撑臂阴影区98完全包围了支撑支架66。因此支撑支架66对凹面镜30上的支撑臂阴影100完全无贡献。因此作为支撑臂60和支撑支架66投射的支撑臂阴影100不大于在没有支撑支架66时的支撑臂60投射出的支撑臂阴影100。
我们希望尽可能多地减小落在凹面镜30上的阴影量。为此，期望的是支撑臂60仅从支撑柱56延伸到电池组件34上。如果支撑臂60延伸到电池组件34之外，即穿过凹面镜30延伸到对面的拐角或者侧面，那么支撑臂60的延长将在凹面镜30上投射出附加阴影，并且因此减小了系统20的经济效率。
简要参考图7和8(仅用于本段落)，我们可以看见外围定位的电池组件34将减小或者甚至消除支撑臂阴影100。尽管这将在系统20的经济效率方面产生令人满意的增加，但是经济效率中的这个增加将被凹面镜30成本上的增加所抵消。再一次，折衷取决于系统20将要被使用的场合和环境。
位于相关凹面镜30的向太阳方向的每个电池组件34仅在一个凹面镜30上投射电池组件阴影102。电池组件34由电池外壳68和HE单元70形成。HE单元70在对准方向48上从电池外壳68延伸。期望的是，平行于HE单元70的任何部分的阵列平面46的直径不大于电池外壳68的对应直径。
期望的是，由HE单元70的集合部件阻塞太阳能86所形成的HE单元阴影区104完全落在电池外壳68上。由HE单元70的集合部件的组合以及电池外壳68阻塞太阳能86所形成的电池外壳阴影区96落在凹面镜30上，以产生电池组件阴影102。因此HE单元70对落在凹面镜30上的电池组件阴影102没有贡献。因此由电池外壳68和HE单元70一起投射的电池组件阴影102不大于在没有HE单元70时的电池外壳68投射的电池组件阴影102。
总的来说，本发明教导了一种群集式太阳能转换阵列24及其方法。阵列24将呈现到电池72的所接收的太阳能86的百分比增加到合理的可实现的范围内。采用了可以使用可靠并有效的无源吸热单元70并有效消除电池72之间的死区的分布式结构。
尽管本发明的优选实施例已经被详细示出和描述，但本领域技术人员清楚其中不脱离本发明的精神以及所附权利要求的范围可进行各种变形。

Claims (28)

1、一种用于发电系统的太阳能转换(SEC)单元(44)的阵列(24)，所述阵列包括：
阵列支撑结构(26)；以及
SEC群集器(28)，其中所述SEC群集器包括耦合到所述阵列支撑结构的电池支撑结构(32)以及N个所述SEC单元，其中N是大于1的预定数，并且其中每个所述SEC单元包括：
耦合到所述阵列支撑结构并且被构造成反射太阳能的凹面镜(30)；以及
耦合到所述电池支撑结构的电池组件(34)，其中所述电池组件包括：
电池外壳(68)；
包含在所述电池外壳中并且被定位成接收由所述凹面镜反射所述太阳能的大部分的SEC电池(72)；以及
耦合到所述电池外壳并且被构造成耗散来自所述SEC电池的热的吸热耗散(HE)单元(70)。
2、如权利要求1所述的阵列(24)，其中所述SEC群集器(28)是多个SEC群集器中的一个。
3、如权利要求1所述的阵列(24)，其中N大于2并小于5。
4、如权利要求1所述的阵列(24)，其中所述凹面镜(30)的每一个具有基本是多边形的外围(42)，其形状为四边形(38)和六边形(40)中的一种。
5、如权利要求4所述的阵列(24)，其中所述凹面镜(30)中的一个的所述多边形外围(42)具有构造成为容纳所述电池支撑结构(32)的凹槽(58)。
6、如权利要求1所述的阵列(24)，其中所述电池支撑结构(32)包括：
支撑柱(56)，该支撑柱耦合到所述阵列支撑结构(26)并且基本上在对准方向(48)上的所述凹面镜(30)中的相邻的一对之间延伸；以及
N个支撑臂(60)，其耦合到所述支撑柱(56)上，其中所述N个支撑臂中的每个支撑臂从所述支撑柱延伸到所述N个电池组件(34)中的一个上。
7、如权利要求6所述的阵列(24)，其中对于每个所述支撑臂(60)，所述每个支撑臂(60)和顺时针相邻的支撑臂(60)之间的第一角度(62)基本等于所述每个支撑臂(60)和逆时针相邻的支撑臂(60)之间的第二角度(64)。
8、如权利要求6所述的阵列(24)，其中每个所述N个支撑臂(60)仅从所述支撑柱(56)延伸到所述一个电池组件(34)。
9、如权利要求6所述的阵列(24)，其中所述对准方向(48)是太阳方向(50)：
所述支撑柱(56)在所述凹面镜(30)的任何一个上都没有投射支撑柱阴影；并且
每个所述支撑臂(60)仅在所述凹面镜(30)的一个上投射支撑臂阴影(100)。
10、如权利要求9所述的阵列(24)，其中所述电池支撑结构(32)还包括用于所述每个支撑臂(60)的支撑支架(66)。
11、如权利要求10所述的阵列(24)，其中：
所述支撑臂(60)和所述支撑支架(60)一起在所述一个凹面镜(30)上投射所述支撑臂阴影(100)；以及
当由所述支撑臂和支撑支架一起投射时的所述支撑臂阴影(100)不大于在没有所述支撑支架时由所述支撑臂投射的所述支撑臂阴影。
12、如权利要求6所述的阵列(24)，其中所述SEC群集器(28)中的所述凹面镜之间的公共接合点容纳所述支撑柱(56)。
13、如权利要求1所述的阵列(24)，其具有对准方向(48)，并且其中当所述对准方向为太阳方向(50)时：
每个所述电池组件(34)仅在一个所述凹面镜(30)上投射电池组件阴影(102)；以及
当由所述电池外壳(68)和所述HE单元(70)一起投射时的所述电池组件阴影不大于在没有所述HE单元时由所述电池外壳投射的所述电池组件阴影。
14、如权利要求1所述的阵列(24)，其中所述电池组件(34)还包括位于所述电池外壳(68)的外部的旁路二极管(82)。
15、如权利要求14所述的阵列(24)，其中所述旁路二极管(82)对任何所述凹面镜(30)上的任何阴影都没有贡献。
16、如权利要求14所述的阵列(24)，其中：
所述旁路二极管(82)通过电线(84)电耦合到所述SEC电池(72)上；并且
所述电线的一部分被布在所述电池支撑结构(32)的一部分内。
17、如权利要求1所述的阵列(24)，其中所述HE单元(70)是无源HE单元。
18、如权利要求1所述的阵列(24)，其中所述HE单元(70)包括：
热管(74)，其具有吸收端(76)，具有高于所述吸收端的耗散端(78)，并且被构造成从靠近所述吸收端的所述SEC电池(72)吸收热；以及
耦合到所述热管并被构造成耗散所述热的辐射器(80)。
19、如权利要求18所述的阵列(24)，其中所述热管(74)包括热转移媒介(94)，该热转移媒介被构造成：
从靠近所述吸收端(76)的所述SEC电池(72)吸收热；
响应于所述热吸收而汽化；
向所述耗散端(78)移动；
转移所述热到所述辐射器(80)中；
响应于所述热转移而凝结；以及
受重力的影响返回到所述吸收端。
20、一种将太阳能转换成电能的方法，所述方法包括：
将太阳能转换(SEC)阵列对准在太阳方向(50)；
响应于所述对准动作，从多个SEC群集器(28)的每一个群集器中的N个凹面镜(30)反射所述太阳能，其中N是预定数，
将N个SEC电池(72)中的一个相对于每个所述SEC群集器的所述N个凹面镜中的每一个凹面镜进行定位；
响应所述反射和定位动作，接收从每个SEC群集器的所述N个SEC电池的每一个上的所述N个凹面镜中的每一个凹面镜反射所述太阳能的大部分；
响应所述接收动作，在每个所述SEC群集器的所述N个SEC电池的每一个电池中产生所述电能；
将N个吸热(HE)单元(70)中的一个热耦合到每个所述SEC群集器中所述N个SEC电池的每一个电池上；以及
耗散由所述接收和产生动作所产生的热。
21、如权利要求20所述的方法，还包括：
将电池支撑结构(32)耦合到每个所述SEC群集器的阵列支撑结构(26)上；
将所述N个凹面镜(30)耦合到每个所述SEC群集器的所述阵列支撑结构上；
将所述N个SEC电池(72)的每一个包含在每个所述SEC群集器的N个电池外壳(68)中的每一个外壳内；
将所述N个HE单元的每一个耦合到所述N个电池外壳中的一个外壳上；以及
将所述N个电池外壳和所述N个HE单元中的一个耦合到所述电池支撑结构上。
22、如权利要求20所述的方法，其中N大于2并且小于5。
23、如权利要求20所述的方法，还包括使每个所述SEC群集器中的每个所述凹面镜成形成具有基本上为多边形的外围(42)。
24、如权利要求20所述的方法，还包括：
从阵列支撑结构(26)并且在对准方向上的所述凹面镜(30)的相邻一对之间延伸所述电池支撑结构(32)的支撑柱(56)；以及
将N个支撑臂(60)的每一个支撑臂从所述支撑柱延伸到N个电池组件(34)的一个上。
25、如权利要求20所述的方法，其中对于每个所述SEC群集器(28)的所述N个SEC电池(72)的每一个来说，所述耗散动作包括：
在所述HE单元(70)的热管(74)的吸收端(76)上吸收来自所述SEC电池的热；
响应所述吸收动作，在所述热管内汽化热转移媒介(94)；
向所述热管的耗散端(78)移动所述热转移媒介，所述耗散端高于所述吸收端；
将所述热转移到耦合到所述热管的辐射器(80)上；
响应所述转移动作，凝结所述热转移媒介；
响应于重力，所述热转移媒介返回到所述吸收端上；以及
从所述辐射器耗散所述热。
26、一种太阳能转换(SEC)阵列(24)，包括：
当所述阵列(24)运行时基本与太阳方向(50)一致的对准方向(48)；
阵列支撑结构(26)；以及
多个SEC群集器(28)，其中每个所述SEC群集器包括：
N个SEC单元(44)，其中N是大于2并且小于5的预定数，并且其中所述N个SEC单元的每一个包括：
凹面镜(30)，其耦合到所述阵列支撑结构上，被构造成当所述阵列运行时反射太阳能，并具有基本为多边形的外围(42)；
电池组件(34)，其被构造成当所述阵列运行时将电池组件阴影(102)仅投射在一个所述凹面镜上，并且包括：
电池外壳(68)；
SEC电池(72)，其包含在所述电池外壳中并被定位成当所述阵列运行时接收由所述凹面镜反射所述太阳能的大部分；以及
无源吸热(HE)单元(70)，其耦合到所述电池外壳上并且包括：
耦合到所述SEC电池并且吸收来自该SEC电池的热的热管(74)；以及
耦合到所述热管并且耗散所述热的辐射器(80)；以及
电池支撑结构(32)，其包括：
支撑柱(56)，其耦合到所述阵列支撑结构，基本上在所述对准方向上延伸，并且被构造成当所述阵列运行时在所述凹面镜的任何一个上都不投射支撑柱阴影；以及
N个支撑臂(60)，其耦合到所述支撑柱上，其中所述N个支撑臂的每一个支撑臂从所述支撑柱延伸到所述电池组件的其中一个上，并且被构造成当所述阵列运行时将支撑臂阴影(100)仅投射在一个所述凹面镜上。
27、如权利要求26所述的SEC阵列(24)，其中所述电池支撑结构还包括N个支撑支架(66)，其中：
所述N个支撑支架中的每一个支撑支架耦合在所述支撑柱和所述N个支撑臂中的一个之间；并且
当所述阵列运行时，由所述每个支撑臂和与其耦合的所述支撑支架投射所述支撑臂阴影，并且该支撑臂阴影不大于在没有所述支撑支架时由所述每个支撑臂投射的所述支撑臂阴影。
28、如权利要求26所述的SEC阵列(24)，其中当所述阵列运行时，由所述电池外壳和与其耦合的所述HE单元投射所述电池组件阴影，并且该电池组件阴影不大于在没有所述HE单元时由所述电池外壳投射的所述电池组件阴影。
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