CN101529168A - 住宅太阳热能设备 - Google Patents

Abstract

一种高效住宅太阳热能设备，用于通过太阳热能经济地产生动力，该设备使用：具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜(210)用于聚集阳光；定时器旋转器，用于使所述镜(210)围绕聚焦和纵向旋转轴线旋转以跟随太阳；以及围绕流动通道(288)的集热器(220)，该流动通道优选地具有椭圆形截面形状，椭圆形截面形状具有与所述抛物面槽式镜(210)的纵向对称面(213)对准的长轴。所述集热器沿所述镜(210)的聚焦轴共轴定位以接收聚集阳光，使得工作流体被加热并被提供以通过所述集热器的出口端供使用。

Description

住宅太阳热能设备

相关申请的交叉引用

本申请是Charles L.Bennett于2004年4月30日提交的在先申请No.10/835,665的部分继续申请，该在先申请在此通过引用被并入本文。

联邦资助研发项目的声明

根据美国能源部与加利福尼亚州立大学之间针对劳伦斯利福摩尔国家实验室操作的合同No.W-7405-ENG-48，美国政府对本发明具有权利。

技术领域

本发明涉及太阳热能系统。具体而言，本发明涉及高效的住宅太阳热能收集、存储和应用系统，所述系统具有：能旋转地安装在例如为住宅屋顶的优选固定结构上的抛物面槽式太阳聚光器；和共轴定位的用于从聚光器接收聚集的阳光的管状集热器，其中聚光器和集热器的形状和方位被设置为使阳光收集效率和传输到热动力发动机的热能最大化，以优化机械能和电能的产生。

背景技术

尽管太阳能商业可行性尝试已持续一个世纪，但太阳能目前在总能量供应中占有的比例微不足道。这主要是由于现有太阳能集热器、聚光器的性能和成本的低效以及与热存储介质的连接装置，这已经妨碍其广泛采用和使用于商用和住宅应用。例如，在南加利福尼亚的太阳能发电系统(SEGS)设备代表当今在聚集太阳能(CSP)中运用的现有技术状态。基于现有SEGS设备的经验，来自使用目前可用技术新构建的设备的电力成本大约为10￠/kWh。这种成本比通过燃煤发电的大约3￠/kWh的成本高得多。

各种太阳能集热器和聚光器以及与热存储介质和热机的连接装置已知用于太阳热电能系统，例如SEGS设备中。几个示例包括：Nilsson的美国专利4,586,334和Mehos的美国专利6,487,859。Nilsson专利公开：“......太阳能发电系统包括用于收集和聚集太阳能的装置；储热装置；用于产生动力的斯特灵发动机装置”，和“......用于收集和聚集太阳能的所述装置是反射盘；传热装置包括第一和第二热管；所述储热装置优选地为相变介质......”。Mehos专利公开：“......用于盘/斯特灵系统的钠热管接收器”，而且引用文献中证明：“温度高至790℃的钠蒸气”。此外，美国专利4,125,122公开从太阳聚光器接收能量的热管，美国专利6700054B2尤其描述了与斯特灵发动机的连接，美国专利4088120描述了抛物面槽具有在焦点处连接到热存储介质的热管。美国专利787,145描述了椭圆形盘镜，其被定位成跟踪太阳，并具有加热器以在镜的焦点产生蒸汽。美国专利3,982,526描述了用于使太阳能集热器围绕极轴转动的装置，美国专利6,886,339B2描述了具有太阳跟踪系统的抛物面槽式太阳聚光器。美国专利4,205,657描述了具有蒸汽产生系统的抛物面槽式太阳聚光器。美国专利4,108,154描述了具有挡风罩的抛物面槽式太阳能集热器。

不过，目前可用的太阳能集热器/聚光器的一个具体局限为它们相对较低的热聚集效率，该效率为由集热元件传输的热相对于入射到聚集镜表面区域上的阳光热的比。基于最近的现场测量，最佳的可用集热器(例如，从来自Schott的Solel或PTR 70集热器的UVAC集热器，其使用被热至400℃的油类传热流体)在800W/m2阳光入射的情况下实现的热聚集效率最大值仅为50％。在更高或更低的阳光辐射水平下，热效率甚至更低。这种效率较低，主要是由于这些集热器的阳光聚集系数相对较低。例如，在SEGS设备的发电中，集热元件中的吸收表面的直径为7cm，而抛物面槽孔的宽度为5.77m，则聚光器孔面积与集热器吸收面积的比，即阳光聚集系数，仅为26。与抛物面槽式集热器的相对较低的聚集系数相关的另一局限在于集热器轴向长度相对于聚光器孔宽度相当大。在DISS情况下，长宽比例如为46。

作为现有技术中抛物面槽式集热器的特征的另一效率损失系数与其水平配置相关。对于整天和整年的阳光入射角范围取平均，导致87％的平均几何透视收缩系数。

由于已知从阳光辐射转化为动力的效率对电力成本具有巨大影响，因而有利的是，在住宅/商用单元环境中提供高效太阳热能系统用于太阳热能的经济利用，从而克服当前太阳能技术在降低能量成本上的局限。特别地，能够将抛物面槽式集热器的阳光聚集系数增加至超过大约160并将平均几何透视收缩系数提高至大于大约90％的设备和方法，将特别有利于基本上提高这种太阳热能设备的热聚集效率。

发明内容

本发明的一个方面包括一种太阳热能设备，包括：具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜，用于沿所述聚焦轴聚集阳光；用于使所述镜围绕纵向旋转轴线旋转以跟随太阳的装置；和集热器，该集热器包括围绕流动通道的伸长的供热管，所述流动通道具有椭圆形截面形状，所述椭圆形截面形状的特征为具有长轴和短轴，其中所述通道沿所述长轴具有最大直径，所述通道沿所述短轴具有最小直径，并且所述长轴对准所述抛物面槽式镜的纵向对称面，所述供热管沿所述镜的聚焦轴共轴定位以接收来自所述镜的聚集阳光，使得在所述供热管中的工作流体由此被加热并被提供以通过所述供热管的出口端供使用。

本发明的另一方面包括一种太阳热能设备，包括：具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜，用于沿所述聚焦轴聚集阳光；用于使所述镜围绕旋转轴线旋转以跟随太阳的装置；和管状集热器，该管状集热器包括光学透明厚壁供热管，所述厚壁供热管具有形成流动通道的内壁表面和用于扩大所述流动通道的尺寸的凸曲线外壁表面，所述内壁表面被涂覆以阳光吸收材料，所述供热管沿所述聚焦轴共轴定位以接收来自所述镜的聚集阳光，使得所述流动通道中的工作流体由此被加热并被提供以通过所述供热管的出口端供使用。

本发明的又一方面包括一种太阳热能设备，包括：具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜，用于沿所述聚焦轴聚集阳光；用于安装所述镜的装置，使得所述聚焦轴平行于地球的旋转轴线且所述镜能够围绕其纵向旋转轴线旋转；用于使所述镜围绕所述旋转轴线旋转以跟随太阳的装置；和伸长的管状集热器，该伸长的管状集热器形成流动通道并沿所述聚焦轴共轴定位以接收来自所述镜的聚集阳光，使得所述流动通道中的工作流体由此被加热并被提供以通过所述集热器的出口端供使用。

本发明的再一方面包括一种太阳热能设备，包括：具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜，用于沿所述聚焦轴聚集阳光；用于安装所述镜的装置，使得所述聚焦轴平行于地球的旋转轴线且所述镜能够围绕其纵向旋转轴线旋转；用于使所述镜围绕纵向旋转轴线旋转以跟随太阳的装置；和管状集热器，该管状集热器包括光学透明厚壁供热管，所述厚壁供热管具有形成流动通道的内壁表面和用于扩大所述流动通道的尺寸的凸曲线外壁表面，所述流动通道具有椭圆形截面形状，所述椭圆形截面形状的特征为具有长轴和短轴，其中所述通道沿所述长轴具有最大直径，所述通道沿所述短轴具有最小直径，所述长轴对准所述抛物面槽式镜的纵向对称面，所述内壁表面被涂覆以阳光吸收材料，所述供热管沿所述聚焦轴共轴定位以接收来自所述镜的聚集阳光，使得所述流动通道中的工作流体由此被加热并被提供以通过所述供热管的出口端供使用。

通常，本发明的住宅太阳热能设备，主要基于在此描述的用于太阳热飞机中使用的太阳热能设备。这样，本发明的住宅太阳热能设备具有多个主要部件，包括：能够聚焦/聚集阳光并围绕旋转轴线旋转的阳光聚集镜，定位以吸收聚集阳光的集热器/供热管，连接到所述集热器的出口端的热能存储器，和能操作地连接到所述热能存储器的热动力发动机，所有这些部件在结构和操作上类似于前述用于太阳热飞机的那些部件。不过，所述住宅太阳热能设备包括另外的提高效率的特征，这些特征能够通过能安装到诸如建筑物的屋顶的优选固定结构上并共同工作以提供动力设备的整体效率而实现。

例如，在一个特定实施例中，所述集热器的供热管具有椭圆形截面轮廓，这增大阳光聚集系数，即聚光镜的孔面积与供热管的阳光吸收面积的比。在另一实施例中，使用光学透明厚壁供热管，使得所述供热管的外表面用于扩大由内表面形成的流动通道的尺寸，从而进一步增大阳光聚集系数。而且，在又一实施例中，聚光镜和集热器能够被安装而使得所述镜和集热器的聚焦轴平行于地球的旋转轴线对准。这使一年中不同时间的阳光入射的透视收缩影响最小化以提高阳光聚集。在对于系统资金成本的影响可忽略的情况下，由于提高的效率直接增大发电速率以降低电力成本，因此，本发明的住宅太阳热能设备的这些用于提高效率的特征独立地以及以组合方式提供以更低成本提供能量产生/发电。

表1列出有助于抛物面槽式系统整体效率的多个公知效率系数(基于诸如南加利福尼亚的SEGS设备之类的商用动力设备的试验)。此外，表1显示如何通过本发明提高这些效率系数。

表1

分量	根据S&L 2004的抛物面槽	本发明	注释
				集热器效率	0.862	0.944	供热管的椭圆形状和尺寸大大降低辐射损失
入射角	0.873	0.959	极性方位减少透视收缩
				光效率	0.704	0.774	极性方位基本上消除末端损失，单一装置不存在“行间”阴影
管路热损失	0.965	1	与热存储器直接连接基本上消除管道损失
				设备热功效率	0.934	1	对于与热机紧密接触的存储损失不明显
寄生效应	0.883	0.998	仅有的移动部件(外部发动机)为槽自身
					0.422	0.699	以上六种系数的乘积

表1中的用于传统抛物面槽的数值取自Sargent Lundy的2004抛物面槽技术报告。本发明的净效率优点，即所有单个效率系数的乘积，显示在表中末行。

由于在当前构造中几乎不会导致相对于SEGS设备公知的额外成本，因而可通过以表1中相关效率系数的倒数换算传统SEGS成本而估计电力成本。假定资金成本没有明显增加，则发电成本(LEC)估计从10￠/kWh削减至6￠/kWh。在住宅应用中，从供给到蒸汽机的冷却水中获得的热的经济价值可基于节省的加热燃料量来估计。这种经济价值大约为2￠/kWh的加热能量。通过冷却发动机获得的加热能量大约是发动机产生的动力的两倍。从LEC成本中减去由于水和空间加热获得的经济效益，得到低于4￠/kWh的电力成本。由于这一成本比在北加利福尼亚的典型消费者的大约10￠/kWh的电力零售价格低得多，因而这显示基于本发明构造的这种阳光热能实际上具有经济竞争力。

附图说明

各附图包含在本申请文件中并且形成为本公开内容的一部分，具体如下：

图1是本发明的太阳能飞机的示例性实施例的立体图。

图2是太阳能飞机沿图1的线2-2所取的侧剖视图。

图3是太阳能飞机的机身沿图2的线3-3所取的剖视图。

图3a是在图3所示圆圈3a中包围的集热元件和背反射器的放大剖视图。

图4是在图3a所示圆圈4中包围的集热元件的放大剖视图。

图5是联接到热机的热存储容器的立体图。

图6是热存储容器沿图5的线6-6所取的剖视图。

图7是热存储容器和热机沿图5的线7-7所取的剖视图。

图8是在图7所示圆圈8中包围的曲轴抽吸结构的放大剖视图。

图9是氢化锂安全壳结构的放大剖视图。

图10是多层绝缘结构的放大剖视图。

图11是用于阳光跟踪模式的定日镜电路图。

图12是用于阳光搜索模式的定日镜电路图。

图13是定日镜模式开关电路图。

图14是双发动机/双集热器的太阳能飞机的立体图。

图15是单发动机/双推进式螺旋桨的太阳能飞机的立体图。

图16是斯特灵发动机的剖视图。

图17是与LiH-Li混合物平衡的氢蒸气压的图线。

图18太阳能飞机的导管风扇实施例的侧剖视图。

图19是通过具有6通道结构的可替代热管实施例的剖视图。

图20是包括工作流体的密封贮存器的可替代热存储容器和热机的剖视图。

图21是本发明的安装在北半球地点的住宅太阳热能设备的示例性实施例的立体图。

图22是本发明的被示为由防风罩保护的聚光镜和集热器的示例性实施例的轴向剖视图。

图23是图21中所示实施例沿线23-23所取的剖视图，其中显示在夏至时的代表性太阳光线。

图24是图21中所示实施例的类似于图23的剖视图，其中显示在冬至时的代表性太阳光线。

图25是图22的圆圈25中包围的示例性集热器的放大剖视图。

图26是本发明的集热器的第二示例性实施例的放大剖视图，该集热器包括由真空光学透明管状包壳包围并具有椭圆形截面轮廓的薄壁供热管。

图27是本发明的集热器的第三示例性实施例的放大剖视图，该集热器为光学透明的厚壁供热管。

图28是本发明的集热器的第四示例性实施例的放大剖视图，该集热器包括由真空光学透明管状包壳包围的类似于图27的光学透明厚壁供热管。

图29是例示本发明的示例性蒸汽行成实施例的示意图。

图30是本发明的抛物面槽式镜的立体几何图。

图31是本发明的集热器的第五示例性实施例的放大剖视图，该集热器具有四个侧面和四个相对的顶点。

具体实施方式

A太阳能飞机

在以下用于太阳能飞机的描述中使用的附图标记在表2中列出。

表2

100	太阳能飞机	132	高反射材料的MLI(多层绝缘)层
				102	翼	133	LiH安全壳结构
103	机身	134	氢和LiH的其它离解产物
				104	方向舵	135	MLI层间的隔离件
105	升降舵	136	氢化锂和锂
				106	副翼	137	不透锂合金
107	传动器	139	金层
				108	冷却空气入口通道	140	热机
109	螺旋桨	141	散热片
				110	聚光镜	142	热侧热交换器
111	方向升降舵	143	再生器热交换器
				112	透明机身外壳	144	冷侧热交换器
113	背反射器	145	曲轴泵
				114	太阳聚光器支撑件	146	过滤器
115	太阳聚光器驱动马达	147	曲柄机构
				116	定日镜	148	曲轴
117	光电定日镜A	149	曲轴箱减压阀
				118	光电定日镜B	150	导管风扇
119	光电定日镜C	151	膨胀空间
				120	集热器	152	移位活塞

121	防反射涂层	153	压缩空间
				122	集热器包壳	154	动力活塞
123	真空空间	155	曲轴箱空间
				124	集热器涂层	156	移位活塞间隙
125	不锈钢壳	157	动力活塞间隙
				126	气相钠	158	热管的弯曲区域
127	液相钠	160	工作流体压力容器
				128	钠冷凝器	161	工作流体贮存器
129	热管	162	气密性轴颈轴承
				130	热电池	163	透氢帽
131	高反射真空壳	164	操作放大器

现在转到附图，图1和2显示总体上以附图标记100表示的本发明的飞机的示例性实施例。飞机100显示为具有传统的固定翼飞机主体结构，该结构包括：机身103、翼102以及从机身延伸的水平和竖直稳定鳍。在此和在权利要求书中使用的术语“飞机主体”通常包括：机身、翼以及连接到机身并从机身延伸的其它结构部件之一的水平和竖直稳定鳍。此外，由方向舵104、升降舵105(或图15中显示的方向升降舵111)和副翼106提供姿态控制。诸如图1中螺旋桨109之类的推进装置被联接到诸如热机140之类的发动机，以推进飞机并由此形成上升并维持飞机的自由飞行。飞机主体的示例性可替代实施例示于在下文中更详细地论述的图14、15和17中。

图1和2还显示飞机100的大致位于飞机主体，即机身103内部的太阳热能设备。该太阳热能设备包括：热机140、包括热存储容器和介质的热存储装置(即热电池130)、阳光跟踪聚光器110，以及集热/传热导管、设备、或其它装置120。热机140被示为在前端处安装在机身103中，其中热电池130(特别是热存储介质)与热机的热侧热接触。冷却空气入口通道108由于其内部位置可被设置为将周围空气从螺旋桨109逆流引导到热机的冷侧用于冷却。图18中显示的可替代的示例性实施例包括热机140的后支架，其中通过向后安装的的导管风扇150将周围空气吸入经过散热片141。阳光跟踪聚光器110被可移动地安装用于在飞机主体的光学透明部分112致动，光学透明部分112在图2中被示为机身103的一部分。光学透明部分112具有由杜邦公司的TEDLAR的光学透明、防紫外线的轻质材料制成的机身外壳，该材料允许大部分入射的太阳能透过并传到太阳聚光器110。

阳光跟踪聚光器

图2和3以优选抛物面槽式反射器的形式显示太阳聚光器，即聚光镜110，该聚光镜110被能移动地安装到与机身相连的支撑结构114。特别地，聚光镜被安装以围绕旋转轴线自由旋转，该旋转轴线优选地为抛物面槽式反射器的聚焦轴。而且，所述旋转轴线也可定位成与机身的中心轴线共轴。在任何情况下，聚光镜可由轻质薄塑料膜制成，所述轻质薄塑料膜例如在一排成形设备的基架上延展并被涂覆以诸如金或银之类的高反射性金属的薄层。太阳聚光器支撑结构114优选地为允许大部分入射阳光通量传递到聚光镜110的空间框架。整个太阳聚光器组件被平衡，从而不需要用于保持特定方位的扭矩。

太阳聚光器的旋转控制由阳光跟踪设备或装置提供，该阳光跟踪设备或装置包括用于确定太阳聚光器是否与太阳最优对准的设备或装置以及基于最优对准确定而使太阳聚光镜致动(例如旋转)至与太阳最优对准的设备或装置。在此和在权利要求书中使用的“最优对准”是指产生最大阳光通量聚集的对准和角度，即“直接面对”太阳的位置。致动设备或装置例如可包括安装在太阳聚光器组件的旋转轴线上的驱动马达115(图2)。用于确定最优对准的设备或装置可为定日镜116，该定日镜116适于确定太阳相对于聚光镜110的聚焦轴的对准并能操作地连接到驱动马达115以控制太阳聚光器的旋转动作。特别地，定日镜适于检测集热和传热元件(热管)沿聚焦轴的阴影，用于最优对准确定。定日镜116在图2中被显示为安装在聚光镜上，并特别地沿反射抛物面槽的对称面安装。定日镜116包括传感元件，该传感元件优选地为太阳能电池(例如117-119)并优选地关于聚光镜110的对称面对称排布。在优选实施例中，太阳能电池包括中心电池118和在该中心电池的相反侧上的两个外电池117和119。

定日镜操作的优选方法在闭环反馈稳定系统中使用所述一个中心太阳能电池和两个外太阳能电池，并且包括两种操作模式：太阳搜索模式和太阳跟踪模式，如图11-13中所示。首先，在太阳跟踪模式中，太阳已经与反射抛物面槽的对称面对准，而且检测到对准偏差。当太阳聚光器与太阳完全，即最优对准时，定日镜116的两个外电池117、119被同等地照射，而中心电池118处于集热器120的背反射器113的阴影中(或者在不使用背反射器时处于集热器自身的阴影中)。随着对准从最优状态略微偏离，定日镜116的外太阳能电池117、119之一得到更多的阳光暴露，而相反的电池暴露减少。这些传感器反馈到现有技术中已知的能操作地连接到例如马达115的致动机构的控制机构(未示出)，以可调节地旋转支撑结构114上的太阳聚光器110，从而使聚光镜与朝向太阳的投射方向保持最优对准。这种系统的示于图11。在此图中，发送到DC电动马达115的电压是光电二极管117和119上的电压差，并与对准位置的偏差成比例，且对于特定范围的偏差具有近似线性的复原力矩。

在阳光搜索模式中，与两个外电池117和119关联的光电二极管被电连接，如图12中所示。只要存在一些阳光照射，则DC马达115在太阳聚光器机构上产生驱动扭矩。在没有阴影落到任何光电二极管上且所述光电二极管均被同等照射的条件下，端部光电二极管(用于驱动所述马达)的平均电压小于中心二极管上的电压。在这种情况下，操作放大器164的输出较低，且极性开关处于太阳搜索模式。当轴向集热器背反射器的阴影落在中心光电二极管118上时，从太阳搜索模式转变为太阳跟踪模式。当中心光电二极管变得被充分遮蔽时，其电压下降到低于两个外光电二极管117和119的平均电压。利用这种中心二极管电压的下降以改变与马达115相连的二极管117和119的极性的电路显示在图13中。当中心二极管118变得被充分遮蔽时，其电压下降，操作放大器的输出变高，因而触发太阳跟踪模式。机械结构的摩擦用于缓冲关于完全对准方位的振荡。

应认识到的是，在每天日出时以及在每次飞机航向变得很接近于朝向太阳的投射方向且定日镜受到的照射不足以保持太阳跟踪时需要太阳搜索模式。此外，太阳能电池传感器适于提供动力以直接驱动轴向旋转致动器，即DC马达115，而且不需要外部动力源。以这种方式，定日镜系统所需的质量和复杂性显著降低。

集热和传热元件(热管)

一旦抛物面槽式反射器110与太阳对准，则太阳辐射被聚焦在最佳地如图2和3中所示沿抛物面槽式反射器110的聚焦轴(也显示为机身103的中心轴线)定位的集热器120的中心。如图3a和4中所示，集热器120包括中心热管129和集热器包壳122，该集热器包壳122是允许聚焦的阳光传递到中心热管129的透明真空容器。在优选实施例中，包壳材料是熔融石英，以利用其高透明性、高强度和耐高温性。透明的集热器包壳122被构造成支持在真空空间123中的足够高的真空，从而防止从中心热管129的显著的传导或对流热损失。集热器包壳122可具有防反射涂层121，该防反射涂层121减少至中心热管的阳光传输损失并且使热的中心热管对包壳的辐射加热最小化。如图4中所示，集热器包壳122的内表面和外表面均涂覆以防反射涂层121。

如图4所示，热管129优选地包括具有单一三角形通道的三角形微热管结构129，这种构造特别适合于小型飞机应用。不过，对于较大的飞机应用，具有多个平行毛细管通道的网络的热管为优选。多个毛细管通道构造的示例显示在图19中，其中例示六个平行通道的密集组件，每个通道具有三角形截面。热管129包含操作以收集太阳能并将热传输到热存储介质和/或热机(见图5和6)的传热工作流体。传热工作流体优选地为显示为沿三角形热管结构的三个角部的弯液面的液相127，以及气相126的钠。可替代地，锂可用作传热工作流体。在任何情况下，热管工作流体弯液面的曲率半径在集热器的受热区域的长度上变化，并产生压降，该压降将蒸汽从沿太阳聚光器的聚焦轴定位的热管的热端驱动至位于热电池130内的钠冷凝器128。对应的液态钠回流从冷凝器排放至热部分中。这种排放主要由毛细力驱动，不过还通过如图5所示并将在下文中更详细描述的热管的弯曲区域158中的重力补充。

图4中所示热管的壳125优选地由高强度、高温材料制成，例如由不锈钢制成，并具有外涂层124，外涂层124非常有效地吸收阳光并同时具有相对较低的热发射率。根据文献“来自抛物面槽式阳光动力设备的能量成本降低：预印本”(H.Price和D.Kearney著，从国家技术信息服务中心可获得，报告编号为NREL/CP-550-33208，2003年1月出版，并在此通过引用被并入本文)，96％的包壳太阳透射率、94.1％的涂层太阳吸收率和9.1％的涂层热发射已经显示为对于太阳能收集系统而言是实用的。假定这些值用于收集元件的光学性能，则对于基底宽度等于聚光镜110的孔口的0.35％的等边三角形截面热管129而言，在1150K、接近钠的沸点时热管的操作效率将会大约为85％。

通过添加高反射性的半圆形背反射器113，如图3a中所示，该效率增加至大约90％。背反射器在与抛物面槽相反的一侧邻近集热器120，且优选地与太阳聚光器一起被能旋转地安装到太阳聚光器支撑结构114。在优选实施例中，背反射器113具有与热管同心的半圆形截面，因此，大量从热管沿远离聚光镜的方向发射的热辐射并未损失，而是被反射并重新聚焦到热管上。直径明显大于聚光器孔口的0.35％的热管吸收稍稍更多的能量，不过且具有更大的辐射表面积并因而效率较低。直径明显小于聚光器孔口的0.35％的热管明显小于在其表面上的太阳的投射影像，并因而具有低收集效率。采用背反射器113时的90％的效率，表现出入射到聚光镜上的太阳能的部分，该部分实现为至热机热侧的热并可用于热存储。阳光收集涂层124仅在热管被太阳聚光器照射的部分上延伸。对于在阳光吸收区域的端部与热电池之间的间隔而言，热管外表面为例如金的高反射性材料。这减少了热管在未被设计为收集太阳能的区域中的热发射。

用于集热器120的制造方法对电子真空管制造领域的技术人员众所周知。实际上，整体结构类似于长柱形“灯泡”，其包括透明包壳，该透明包壳具有中心高温“灯丝”，即热管129。如现有技术中众所周知的是，这样的真空容器能保持足够质量的真空，以保持灯丝和玻璃包壳之间的绝热达数年。例如钛的吸气剂(未示出)在太阳聚光器区域与热电池之间的部分中可被沉积在集热器包壳的内部，以有助于保持必要的真空质量，而又不降低集热效率。

热管的热二极管的作用

由于热管129中的热传输机构在阳光照射时主要由毛细管作用驱动，因而在集热器120中可采用平缓弯曲部以便于将集热器120联接到热电池130。此外，在热电池130与太阳聚光器110之间的弯曲部，例如图5中所示的向下倾斜弯曲部158，也为热管提供“热二极管”作用。在弯曲部158中远离热电池130的向下倾斜部在黑暗时段时用作热管工作流体的“排放部”。由于只要阳光可用，定日镜装置就自发地用于保持太阳聚光器指向太阳；因而在日照时，热管中的钠例如作为传热介质而保持有效。在长期黑暗时，热管距热电池130的远距离区域中的钠将液化，并之后固化。液态钠将通过重力沿热管120中的弯曲部158向下排放出热电池130。最终，几乎所有钠将冻结在弯曲部区域158以下的热管区域中。热电池外的剩余热连接部为薄的不锈钢热管壳和薄玻璃包壳，二者均不具有大的热导率。以这种方式，热管用作热二极管，以在长期黑暗时段(例如在夜晚)或在长期的多云时段防止热电池的明显热损失，而同时在日照时段具有极高的热传输效率。

热电池容器

如前所述并进一步在图6和7所示，热电池130包括：(1)具有层131、132和133的热存储容器，和(2)包含在热存储容器中的热存储介质，即热电池芯136。对于热存储容器即热电池容器而言，其包括由分隔部135分离的若干层薄、高反射性材料132，和高反射性的外真空容器131，以包围安全壳结构133。如图9中所示，安全壳结构133进一步包括主安全壳137和金层139，这在下文中详细描述。所述高反射性材料层用作辐射屏蔽，并提供对热的热电池芯136的热绝缘。在优选实施例中，将多层反射性材料分离的分隔部135是反射性材料中的简单尖角凹窝，其具有极小的质量，并在层间提供极少的热接触。容具131被抽空以防止热绝缘的传导或对流退化。特定量的吸气剂材料(未示出)，例如钛，可被沉积在真空容器131的内部，以保持足够高的真空质量，从而保持多层绝缘的热绝缘质量。对于本领域普通技术人员而言众所周知的是，对于被设计为具有可忽略的传导和对流热损失的这种多层绝缘结构，对于总共15层的发射率为0.03的反射性材料(如目标涂层的典型情况)和1200K的内部温度而言，有效热发射率为0.001，且辐射冷却功率损失率仅为大约120W/m2。

热电池芯

对于由热电池容器容纳的热存储介质，即热电池芯136，采用作为热能存储介质的LiH的效用曾在之前的背景技术中论述，这是因为LiH具有极高的单位质量的热能的特性。不过，为了解决氢化锂在诸如700℃或更高的高温下密封的问题，采用少量锂的混合物以防止氢爆炸。因此，热存储介质，即热电池芯136，包括氢化锂和锂金属的混合物，该混合物与包括氢气和液相锂和氢化锂在内的各种离解产物134实现平衡。对总气压的最重要的贡献是氢的分压力。平衡的氢压是温度和Li在LiH-Li混合物中所占比例的函数，如图17中所示。理论上，纯LiH在恰高于LiH熔点时具有无穷大的氢蒸汽压。因此，必须在热电池芯中提供特定少量的Li以及LiH或者在最后密封之前使一些氢从容器中渗出。

制造LiH和Li的混合物可通过一些方式实现：首先，在热电池制造过程中开始一定量的纯LiH；在将LiH初始密封在其包括不透LiH-Li合金的主安全壳137中之后，通过将LiH加热至恰低于熔点测试密封质量。对于Li而言相对惰性的一些可能合金为Mo-Z、Mo-Re和Nb-Zr，如在第七届国际热管研讨会(1993)中A.Bricard、T.Claret、P.Lecocq和T.Alleau的“高温液态金属热管”中所述，该文献在此通过引用并入本文。根据S.J.Pawel的文献“在800℃下潜在安全材料与熔融氢化锂的相容性”(公开于1993年的核材料期刊第207卷、第136-152页，并且也通过引用并入本文)，“稳定化(Nb和Ti)的低碳(＜0.06％)钢显示为在具有稳态碳化物的LiH中在800℃下大致惰性，而且没有晶粒生长”。初始的“密封测试”加热步骤导致氢压力在LiH容器中明显的积累。如果密封不良，则将会观测到相对较高的氢压力。与此不同的是，如果容器密封良好，则在容器之外将可见仅由于氢渗出所致的低得多的氢压力。在少量氢已渗出容器之后，LiH可缓慢升温(以避免过大压力峰值)至熔点以上，且充分的氢通过渗出而被去除以使芯136中的Li金属比例保持在所希望的值。

作为示例，通过获得2％的Li金属混合物，在1100K的工作温度下的氢压力将略高于一个大气压，如图17中的图线所示。一旦已经实现所希望的LiH-Li混合，则可停止加热，并使LiH容器冷却。为了防止明显的氢渗出，内部的LiH安全壳被涂覆以金层139。最外的金层139对氢的散发提供阻渗透层。大约0.001英寸的金层估计可实现超过一年的氢密封寿命。金具有低的热发射率(大约3％)额外优点，并由此提供低的通过多层热绝缘的热辐射冷却损失。

热电池130中的内腔在热管129的端部为钠冷凝器128提供良好的热接触，如图6中所示。钠冷凝器128的外表面主要通过LiH离解时的氢“沸腾”而被冷却。氢气泡上升至蒸汽空间，其中一些氢-锂再结合在液相136中发生，而一些再结合在汽相134中发生，直到达到平衡。钠冷凝器足够大以确保通过钠冷凝器128进入热电池的热通量低于标志所称“过渡”沸腾开始的临界热通量，并由此保持高传热效率。

热机

图16例示对热机领域中的专业人员公知的β型斯特灵发动机，其用作热机140的优选实施例。通常，曲柄机构147通过曲轴148将斯特灵发动机的往复运动转变为螺旋桨的旋转运动，这对于本领域技术人员是公知的。斯特灵发动机具有热侧和冷侧，分别由热侧热交换器142和冷侧热交换器144表示。斯特灵发动机机构迫使密封在其中的诸如空气或氦之类的工作流体从膨胀空间151循环通过热侧热交换器142、再生器143、冷侧热交换器144、压缩空间153并返回。工作流体经过压力循环，该压力循环被分阶段实行，以将循环过程中的净功率通过动力活塞154传递到曲轴148。压缩空间容积153相对于膨胀空间容积151的相位变化大约为90°。围绕移位活塞的间隙156足够大，以使膨胀空间151与压缩空间153之间仅发生不明显的压降。与此不同的是，围绕动力活塞的间隙157足够小，以使压缩空间153与曲轴箱空间155之间几乎不存在工作流体。在多次循环之后，足够的工作流体也确实流动通过动力活塞间隙157，从而在压缩空间153中的平均压力与曲轴箱空间155中的平均压力之间达到平衡。

如图7所示，热电池130整体和热存储介质(特别地例如为LiH/Li混合物)与热机140的热侧热接触，用于将热由集热和传热导管(即热管120)传输的存储热供应到热侧。热侧热交换器142主要由热的液相136的传导通过薄容器壁133被加热。通过经由入口通道108流入并经过一组散热片141的周围空气所提供的强制对流冷却，废热从热机140的冷侧热交换器144中去除。由于高空的空气温度很低，在10km与40km之间大约为220K，因此，热机的冷侧可保持相对较冷，结果形成的卡诺热机效率可超过70％。实现这种效率得益于图2所示的空气冷却通道108的设计。被迫通过散热片141的冷空气可由经过飞机的气流、向前的螺旋桨109或向后的导管风扇150驱动。如图7所示，热侧热交换器142的全长位于热电池芯内，而再生器143的全跨度延伸越过热电池芯与外真空容器壁之间的间隙，冷侧热交换器144位于散热片141的范围内。这种布置使得与热和冷热贮存器的热接触均最大化，并在再生器上产生近似线性的温度梯度。

斯特灵发动机功率调制

由斯特灵发动机产生的功率易于随发动机内膨胀空间151中的平均压力增大。这样，通过图7所示的曲轴箱减压阀149使发动机曲轴箱通风到例如周围空气，用于减小输出功率。相应地，增大曲轴箱压力用于增大输出功率。

将曲轴箱加压至高于周围大气压，优选地通过曲轴泵145的作用而实现，该曲轴泵145随着曲轴旋转产生抽吸作用以使曲柄轴箱自加压。曲轴泵145包括在曲轴表面上或在围绕该曲轴的轴颈上的至少一个螺旋槽。应认识到的是，可采用沿相同方向的一个或多个螺旋槽以实现更大的抽吸性能。过滤器146防止工作流体中的颗粒污染阻塞曲轴泵145中的通路。

在优选实施例中，针对工作流体简单地为周围空气的情况，曲轴箱增压至由曲轴泵和外部大气压的压降确定的值。这种压降进而根据槽的数量和槽的形状由所述槽的设计确定。曲轴泵的稳态速度被设计成产生发动机曲轴箱内的给定平均工作压力。在曲轴箱泵上的一个大气压的压降例如产生的工作压力对飞机的工作高度相对不敏感。在对应于大气压10％的高度，发动机的工作压力将大约为50％，这对应于海平面。

可替代实施例显示在图20中，其使用氦作为斯特灵发动机的工作流体，该可替代实施例包括封闭和密封贮存器160(工作流体压力容器)，用于容纳从曲轴箱减压阀149排出的氦并在闭合循环中使排出的氦经由过滤器146返回曲轴泵145。在密封腔中氦的压力比发动机工作压力低的多，因此，外曲轴轴颈轴承162可易于用作气密性密封件以防止漏至周围空气的明显氦损失。在另一实施例中，工作流体可为氢，此外，透氢帽163(为此，在许多情况即使高温钢也是适合的)可用在斯特灵发动机的热端上。在这种情况下，热电池芯136中的缓慢氢损失可由通过端帽163的斯特灵发动机氢工作流体的缓慢增益平衡，由此将热电池的氢密封寿命延长至任意程度。

可替代构造

图14、15和18显示用于各种构造的飞机的太阳热能设备的可替代结构。图14例示的飞机100具有两个太阳热能设备，分别设置在飞机的每个翼102上。特别地，图14显示出的多个安装在翼上的太阳能收集和存储系统直接联接到对应的安装在翼上的热机。这样，每个翼上的每个太阳热能设备能够自给维持并且能够独立工作。图15显示安装在机身上的太阳能收集和存储系统，其中多个安装在翼上的螺旋桨由传动系统107驱动。应认识到的是，螺旋桨可被设置以推动飞机，如图15中具体所示，或者可替代地可拉动飞机(未示出)。图18显示安装在机身上的太阳能收集和存储系统，其中具有尾部安装的导管风扇推进系统150。如所示，热机140和散热片141特别地通过空气入口108被冷却，空气入口108也用于将气流供应到导管风扇推进系统。

B.住宅太阳热能设备

前述的用于太阳能飞机的太阳热能设备也可被具体表现为用在住宅和商用地面应用中，在下文中被统一称为“住宅太阳热能设备”。当用于这样的固定、静止的实施方案中，可实现另外的益处，例如成本效率，这可使这样的住宅太阳热能设备对于国内消费而言具有经济吸引力。虽然以下描述主要着重于固定结构应用，不过应认识到的是，本发明的住宅太阳热能设备也可安装在不必固定或设置在地面上的其它结构中，例如安装在船舶、火车或其它移动的但受限于地面的平台上，以实现有效太阳热能发电的类似益处。

在以下对于住宅太阳热能设备的描述中使用的附图标记在表3中列出。

表3

210	抛物面槽式聚光镜	231	集热器环路水阀
				212	透明防风罩	232	液面顶部
213	镜对称面	233	废蒸汽管道
				214	聚光镜支撑件	234	沸腾区域顶部
215	聚光镜支架/旋转器	235	集热器环路水泵
				220	集热器	236	发动机环路水泵
222	硼硅酸盐薄壁包壳	237	自动止回阀
				223	浸入式透镜厚壁管	238	发动机环路蒸汽阀

224	真空空间	239	发动机环路水阀
				226	织构钢供热管	240	热动力发动机(例如蒸汽机)
227	黑色涂层	241	压力容器
				228	传热流体空间；流动通道	242	卵石
229	代表性阳光	244	冷凝水箱
				229A	代表性阳光A	245	上部卵石
229B	代表性阳光B	248	曲轴
				229C	代表性阳光C	249	发电机
229D	代表性阳光D	250	冷水供应线路
				229E	代表性阳光E	251	热水返回线路
229F	代表性阳光F	260	住宅热水供应器
				229G	最低阳光吸收点	261	散热器
229H	最高阳光吸收点	262	冷水供应器
				230	热能存储器	270	北极星

图21以立体图方式显示本发明的住宅太阳热能设备的示例性实施例，其中具有多个主要部件，包括：能够围绕旋转轴线旋转并沿聚焦轴阳光聚焦的阳光聚集镜210、沿所述镜的聚焦轴定位以吸收聚焦的/聚集的阳光的集热器220(类似于集热器120)、连接到集热器的输出端的热能存储器230以及能操作连接到热能存储器的热动力发动机240，所有这些部件在结构和操作上类似于前述的用于太阳能飞机的部件。特别地，用于住宅太阳热能设备的阳光聚集镜210的优选形状也为伸长的抛物面槽的形状，如图30所示，该阳光聚集镜210具有沿其聚焦轴的纵向的长度L和抛物曲线截面，并具有将阳光聚焦到聚焦轴上的反射性内表面。聚光镜具有宽度W和纵向对称面213，对称面213半部分通过沿宽度W的抛物曲线的聚焦轴，并在槽的底部通过抛物曲线的中心，如图30所示。

图22显示住宅太阳热能设备的聚集镜210和集热器的轴向截面，其中包括供热管226(集热器220代表其主要部件)，供热管226沿镜的聚焦轴共轴定位而使得由镜聚焦的阳光入射到供热管226上以加热在该管内的工作流体(未示出)。为了使聚集镜围绕其旋转轴线(例如聚焦轴)旋转，优选地使用类似于用于旋转针对太阳能飞机所描述的镜的致动器装置、马达或其它装置215，其不同之处在于，该致动器装置优选地为时钟机构驱动器，其工作以基于预定的旋转时间表来转动镜，例如每循环24小时，从而在白天跟随太阳并保持聚焦阳光聚集到供热管226上。

不过不同于太阳能飞机的是，住宅太阳热能设备的这些主要部件优选地安装在充分暴露于太阳的固定结构上，所述固定结构例如为图21所示的住宅屋顶。不同于太阳能飞机的还有，热动力发动机的废热优选地由于其热值而被进一步利用，而不是被简单地弃置于环境。这样，由住宅太阳热能设备收集的热能可通过各种方式用于家用或商用消费，例如，用于直接补偿家用热需要量、用于通过热机转化为机械能来抽水、或者用于通过发电机进一步转化为电能。例如，图21例示用于组合的水加热和动力应用中的住宅太阳热能设备，其中通过将冷水应用线路连接到热机获得有用的热水以提供发动机冷却。特别地，家用冷水供应线路250被示为连接到动力设备的热动力发动机系统240，并且进而经过温水返回线路251连接到热储水箱260。图21还显示住宅太阳热能设备通过曲轴248连接到发电机249用于发电。

如图21所示，典型的住宅动力消耗需求使得作为当前系统中单一的最大部件的聚集镜仅需要占据每人几平米(这为典型屋顶面积的一小部分)，特别是在阳光相对充足的地区，例如美国西南部。与在背景技术部分论述的SEGS设备以及其它大多数目前采用的使用抛物槽太阳能集热器的集中式动力设备不同的是，不存在由住宅太阳热能设备的聚集镜产生的“行间”阴影，这是因为其与可能安装在其它建筑物或结构的屋顶上的其它镜隔离。在集中式动力设备中，土地成本为一个因素，而且在所需面积与自遮挡程度之间存在权衡。与此不同的是，在本文中呈现的住宅情况中，聚光镜可用的屋顶面积绰绰有余，不需受到自遮挡的不利影响。这样，专用于太阳能集热器的每kW容量的屋顶面积，小于在集中式抛物槽太阳热能设备中每kW所需的对应土地面积的三分之一。

应认识到的是，住宅太阳热能设备在被安装用于住宅应用时，常常直接暴露于各种自然环境，例如，风、雨、雪、灰尘等等。为了保护设备不受环境影响，优选地提供防风罩组件以围绕镜210和管226。图22显示防风罩组件的优选实施例，该防风罩组件具有透明窗212和镜支撑结构214。防风罩防止风过度冷却管226的表面，这会降低系统传热效率。此外，由防风罩提供的保护允许聚光镜210的结构由轻质材料制成。而且，在住宅应用的示例性实施例中，可通过使空气循环以从屋内通过防风罩容积的由集热器管加热的内部来供应冬天室内空间的热需求量的一部分。

集热器镜的聚焦轴的极性对准

在图21所示的住宅太阳热能设备的示例性实施例中，镜210的聚焦轴优选地平行于地球旋转轴线，并由此在北半球地点基本对准北极星270。集热器220也优选地沿聚光镜的聚焦轴共轴定位，从而使其也平行于地球旋转轴线对准并在北半球地点基本对准北极星。首先，为了适当调节镜和集热器的方位，提供本领域中已知的在图21中一般显示为215的适合安装结构，以使镜和集热器的一端(即出口端)升高而比镜和集热器的另一端(即入口端)高。例如，每一端均可通过可调节的安装托架安装。而且，安装结构优选地将镜和集热器安装为围绕聚焦轴旋转，即聚焦轴为镜的旋转轴线。

为了实现与地球旋转角的正确对准，可采用各种方法。对于北半球地点，一个示例采用小型望远镜，望远镜与镜/集热器组件设置在一起并保持平行以在晴朗的夜晚确定北极星的位置，如图21、23和24所示。以这种方式，在安装过程中或在可能的房屋安置之后，可对集热器的对准进行轻微调节，而使得北极星的偏心不超过几分弧度。用于指向北极星的镜的聚焦轴的基本对准，在北半球由于北极星的容易的能见度而最为快捷，不过，相应的南天极对准在南半球同样通过观察暗淡的参考星也是可以的。

实现与地球旋转轴线的正确平行对准的可替代方法使用安装地点的纬度坐标和罗盘以确定朝北方向，如图23和24中所示。在这种情况下，安装结构将聚焦轴在水平面上方转动等于当地的纬度角的角度，并朝向一极倾斜(对于非零纬度而言)。角等级可设置在安装结构上以实现这种方式的角度调节。对于北半球地点，聚焦轴倾斜朝向北天极，而对于南半球地点，聚焦轴倾斜朝向南天极。

通过使抛物槽的聚焦轴基本平行于地球的旋转轴线，聚光器轴线的法线与朝向太阳的方向之间的角度在一年中变化将不超过23.5°，即太阳光线从正入射至聚集镜的孔径面从不超过23.5°。这些极限偏差发生在夏至(白天最长)和冬至(白天最短)。在夏至时，来自太阳一对的极限光线的路径例示在图23中，在冬至时，来自太阳的一对极限光线的路径例示在图24中。在一年中由聚集阳光照射的最低轴向位置在图23中由点229G表示，并在夏至正午被达到。类似地，在冬至正午达到的最高轴向位置在图24中为点229H。集热器组件220在一年中曾经暴露于聚集阳光的有效长度仅从点229G延伸到点229H。在极性对准情况下的最大的透视收缩程度仅在东至和夏至获得，并且在极限时仅为91.7％。

在极性对准情况下暴露的集热器管的有限长度和低程度的透视收缩不同于商用抛物槽集热器中特有的水平布置的情况。与这种入射角影响相关的年均透视收缩系数在发明内容部分中所示表1的第一行中列出。类似地，列出对于针对太阳角与传统水平集热器相关的末端损失也被列出，其中聚焦的阳光因为太阳角在沿超出集热器管范围的轴线的位置会聚。在本发明的靠近极地的方位中，这种损失通过具有比槽自身略长的供热管而避免，如图23和24中所示。供热管显示为定位以延伸超出镜的两端，超出的量基本等于镜的焦距乘以正切(23.5°)，以收集所有的聚集阳光，包括东至和夏至时的阳光。这产生极少的额外成本，但提高收集效率。这种效率系数在表3的第二行列出。

通过使太阳能集热器的轴线以基本等于当地纬度的角度倾斜并且平行于地球的旋转轴线，对于水平集热器的情况可获得多种益处。如前所述，由于太阳光线到太阳能集热器的轴线的角度在一年内从正入射不会偏离超过23.5°，因而可用于阳光收集的投射镜面积在一年内仅变化±4％。这与目前例如SEGS的商用太阳热能动力设备特有的水平设置抛物槽大不相同，平均入射角的余弦明显较小。考虑到在全年中该入射角的变化，传统的水平设置的抛物槽具有的几何效率系数为87.3％，而对于槽的角度对准北极星的情况，该几何效率系数增加到95.9％。这样，总的阳光收集效率的增加相对于水平槽仅根据这种布置角度大约为9％。倾斜方位的另一优点在于：通过使热能存储器位于太阳能集热器的上端，集热器中的两相工作流体中的液相可主要通过重力作用非常有效地从冷凝器返回加热器。这样的集热器被称为热虹吸管，在现有技术中众所周知，且在市场销售。使集热器轴线对准北极星的另一明显优点为，抛物反射器的旋转可通过相对简单且便宜的时钟机构驱动，其中仅需要偶尔调节而使其稍快或稍慢。这种逐渐调节所需的控制结构可以非常简单和便宜。

聚集镜形状

如前所述，聚光镜210的优选形状是抛物槽的形状，该形状沿纵向平直并且在限定槽宽度的垂直面中具有抛物曲线截面。而且，抛物曲线的焦距f优选地等于槽的总宽度W的25％。换句话说，在光学术语中由f/#表示的焦比优选地大约为f/0.25。在这一焦比，与任何其它f/#焦比相比，假定镜210具有完美的抛物外形，完全捕获所有反射阳光所需的吸收器(例如图22和25中的管226的外表面)的相对尺寸最小，且相应的阳光聚集系数最大。特别地，对于这种形状和f/0.25，在槽的极限边缘入射的太阳光线被反射大约90°，如图22中的代表性入射阳光229所示。由于从地球所见的太阳的角直径为大约1/2度，因而从镜210上任何给定点反射的光线在其接近聚焦轴时以该角度发散。来自三个分立的代表性点的这种光束的发散显示在图22中，其中光束的角展度有较大夸张。具体而言，光线229A和229B对应于从镜210的左方极限，即从入射阳光229反射的阳光。类似地，光线229C和229D对应于镜210上的中间位置处反射的光，而光线229E和229F对应于从镜210中心附近反射的光。当焦比为f/0.25时，在光线229A和229B之间接近于抛物镜210的焦点处的扩展是光线229E和229F之间的扩展两倍。这可如图25中的视图所示，其中显示图22中所示聚焦轴附近的特写，不过在不同太阳光线的角度扩展上没有夸张。

对于稍稍不同于最优f/0.25的f/#值，相关效率变化如下。对于在f/0.2与f/0.3之间的f/#值，相关聚集系数从在f/0.25时的最大可能值减小2％，而对于在f/0.16与f/0.4之间的f/#值，最大能实现的聚集系数减小10％。

集热器管

图21所示的集热器220的主要部件是供热管226，如图22中的截面所示，供热管226沿抛物槽聚集镜210的聚焦轴共轴定位。在图22中，供热管226被示为在优选为f/0.25的镜的情况下在镜210的抛物线轮廓的相对边缘之间在焦点处居中。通常，热管位于镜焦点(即聚焦轴)处，而无论其焦距如何。集热器220和供热管226分别类似于之前关于太阳能飞机所述的集热器120和热管129。集热器的截面形状的各种实施例显示在图25-28和31中，这些截面形状能够实现高效操作。供热管可为光学透明薄壁管，例如图25和31所示；或者在可替代方案中，供热管可为光学透明厚壁管223，其用作浸入式透镜(图27)以扩大形成流动通道的内表面。如图26所示，集热器220可选地还包括另外部件，例如提供围绕供热管226的真空绝缘的管状玻璃包壳222A。而且如图28所示，厚壁管还可另外具有光学透明薄壁真空管/包壳222C，用于提供围绕集热器管226的真空绝缘。在任何情况下，与现有技术相比，改进的收集效率使供热管226相对于集热器镜210的宽度能够短得多。例如，在现有技术中的DISS(直接太阳蒸汽)结构中，长宽比大约为46。这种不令人满意的长宽比将会需要大量的“折叠”以装配在典型的住宅屋顶上，而这引起明显程度的额外管路以及额外的低效。在本申请中，长宽比可以低至1或2，而没有过度效率损失。

优选地，供热管226包括具有溅射刻蚀表面的中空的316型不锈钢管。在316型不锈钢上的这种表面已知为耐老化，并可用于温度高至400℃的空气。这种表面的制备和特征在现有技术中是已知的，并例如描述在太阳能材料第5(1981)卷、第445-464页公开的由G.L.Harding和M.R.Lake所著的“用于高温集热器的溅射刻蚀金属阳光选择性吸收表面”，该文献通过引用并入本文。用于溅射刻蚀不锈钢的阳光吸收比显示为93％，并且仅具有22％的热发射率。进一步已知的是，316型不锈钢适合与作为传热流体的钠、钾或高压蒸汽一起使用。

集热器管形状

图25显示图22所示圆圈25以及包围流动通道的管226的示例性实施例的放大图，该流动通道具有的截面轮廓为椭圆形，并具有对应于通道最大直径的长轴和对应于通道最小直径的短轴，并大致近似于柠檬形状。在图25的示例性实施例中，椭圆形轮廓优选地由两个面对的抛物表面形成，这两个面对的抛物表面被接合以形成两个相对顶点，其中在每个相对顶点形成的角度优选地为90°。在图31所示的另一种示例性情况，椭圆形截面轮廓优选地由具有四边的长方菱形形成，其中具有沿长轴的两个相对顶点和沿短轴的两个相对顶点。在任一情况下，椭圆形轮廓优选地具有的长短轴长度比为2∶1，不过所述轮廓具有如图31所示的平直外边或如图25至28所示的曲形边。

在任何情况下，此轮廓的长轴优选地位于聚光镜210的纵向对称面213内(如图25和图30所示)，并因而必须随镜旋转以跟随太阳。在管226内部设置有通道228，用于使传热流体，即工作流体的通过和传输。管226的椭圆形截面的长宽比(其中，长度沿长轴测量，而宽度沿短轴测量)优选地为2∶1。如图24和25所示，假定镜210具有完美的抛物线外形，则这样的轮廓允许以明显减小(与圆形相比)的管226的表面积从镜210拦截所有聚焦阳光。实际上，与这种采用两个面对抛物线部分的方式的椭圆形管对应的表面积，仅为直径与椭圆形管长轴相等的圆形管的表面积的73％。而且，如果忽略壁厚，则液压直径(即，除以中心通道的周长的中心通道流动区域的四倍)仅为圆形情况下的直径的58％。这种减小的液压直径有助于实现传热目的。

重要的是，还应注意到聚集的太阳光线在遇到管226的表面时的入射角。光线229A和229B以45°入射角遇到管226的表面。与此不同的是，对于直径与椭圆形形状的长轴相等的圆形集热器管，针对该光线的入射角将为90°。另一方面，光线229E和229F以90°入射角遇到管226的表面，而对于圆形管的情况，入射角将为45°。由于边缘光线能以相对较大的入射角遇到尺寸最小化的管226的表面，因而重要的是，即使对于这样的入射余角，表面的吸收比也依然较高。根据在前文中所提及的Harding和Lake的文献，溅射刻蚀的316型不锈钢的相关阳光吸收比在60°入射角时大于90％，并且在80°入射角时大约为80％。由于阳光吸收比在入射角很大时依然较高，因而集热器管226的长轴可以不大于图30所示宽度W的大约0.45％。应注意的是，在地球最接近太阳时，从地球所见的太阳的角直径使得集热器管的长轴将需要精确地为0.474％，以覆盖具有完美f/0.25抛物面聚集镜的影像，而在距离太阳最远时，集热器管的长轴将需为0.458％。

应认识到的是，通过适当抑制对流损失，集热器组件的热损失易于通过热的中心管的热辐射而被控制。进而，与热辐射相关的功率损耗与辐射表面的面积直接成比例。通过减小如针对椭圆形轮廓所述的辐射表面的面积，集热器的效率通过发明内容部分中的表1的第一行列出的相关系数被提高。热功率损耗的量不会随温度升高而增大。表1中的数值是在假定温度为400℃时计算所得，正如目前在SEGS设备中所用的温度。

由于本发明的管的辐射面积与现有技术相比如此减小，因而与传统的抛物槽太阳能集热器相比可以获得更高的传热流体温度。这样能够采用更有效的热机。另一方面，如果使用传统传热流体，例如在SEGS设备中的传热流体，且温度被限制在400℃，则由于热辐射损失减少而使得效率将充分提高。

不过，应认识到的是，虽然圆形管不如椭圆形截面管有效，不过圆形管不必随集热器镜旋转，而且圆形管因而可相对于地面完全静止，这可提供操作的补偿性简化。

真空包壳

虽然防风罩212基本上减少由管226的对流冷却产生的风，不过可提供可选的透明玻璃包壳，以进一步保护管226并为其提供热绝缘。图26显示集热器组件220A的示例性实施例，该集热器组件220A具有管状圆形轮廓的透明玻璃包壳222A，包壳222A优选地沿径向与管226分开并设置为与管226共轴，在透明玻璃包壳222A内保持真空224以消除对管226的对流冷却。在本实施例中，集热器组件220A被认为是管226、玻璃包壳222A和在其间的真空绝缘224的组合。这种真空管结构在对于抛物槽太阳能集热器的现有技术中众所周知。采用薄壁玻璃包壳，柠檬形集热器自身基本上不存在益处损失。不过，假定具有防反射表面涂层(未示出)益处，则存在与透过玻璃包壳222A的透射相关的大约5％的阳光强度损失。玻璃真空包壳可特别用于预计采用自然对流产生大于5％的功率损耗的应用中，例如，采用如在飞机实施例中必需的极高温工作。对于住宅应用，玻璃真空包壳可用于例如集热器管不直接用于热回收的情况，例如前述的通过使壳体经过防风罩内部提供一部分住宅加热的情况。应认识到的是，在系统的不存在聚集阳光照射的部分中，例如在图21中所示的集热器镜与热存储器之间的部分中，虽然可以优选地设置包围供热管226的具有真空的包壳，不过包壳不必是透明的。

浸入式透镜集热器

图27显示可替代的示例性的集热器实施例220B，其具有光学透明厚壁供热管223，供热管223具有凸曲线外表面和形成流动通道的内表面，其中具有涂覆内表面的阳光吸收材料(例如黑色涂层227)。这样，外表面用作浸入式透镜以扩大内表面和流动通道的尺寸。优选地，管壁厚度具有优选为至少3∶1的外表面直径与最大内表面直径(例如，椭圆形截面管226长轴的长度)的比。具有这样的厚壁光学透明供热管的效果为，当从外部观看时，中心的椭圆形流动通道看起来被扩大。扩大程度取决于玻璃的折射系数。对于例如“Pyrex”的便宜的硼硅酸盐玻璃，扩大系数为140％至150％。这种扩大系数的重要性在于，吸收所有聚焦到抛物槽聚光镜210的轴线上的阳光所需的流动通道尺寸可减小至未扩大管的尺寸的大约2/3。

这种透镜作用对会聚阳光的效果的示例在图27中示出，其中以与图26相同比例绘制光线229A和229B。这些入射光线当遇到厚玻璃的表面时，入射光线由于折射而弯曲，阳光通量当其在表面227被吸收时变得更高度聚集。这样的浸入式透镜作用众所周知，例如在油浸没显微法的情况下。由于集热器管在光学上显得更大，因而与以通常认为可采用抛物槽太阳能集热器的情况相比，可实现更高的入射阳光聚集。

此外，通过集热器管的这种减少截面，管226的轴向长度相对于集热器210的宽度，可减少超过25的与传统的抛物槽几何形状(例如在现有技术的DISS直接蒸汽产生)试验相关的系数，而仍然保持同等传热。这允许集热器比传统的抛物槽集热器紧凑得多，并有利于在典型住宅屋顶上包装这样的系统。

图28显示另一示例性实施例，通过提供沿径向分开的薄壁玻璃真空包壳222C修改图27所示的浸入式透镜220B，以利用其间的真空区域224围绕厚玻璃包壳，从而提供更大的热绝缘。

住宅热能存储

本发明的热力设备优选地还包括热存储器，例如图21中的230，存储器230能操作地连接到集热器的出口端。优选地，热存储器和集热器流体相连，从而通过对集热器和热存储单元使用相同的工作流体实现传热。在住宅实施例中用于热能存储的优选介质是水和石块的组合，这是因为这种组合比飞机实施例中所需的LiH-Li材料安全得多且便宜得多。而且，水也适于作为在集热器管226中使用的传热介质以替代在飞机实施例中优选的更昂贵且更危险的钠。在第三功能中，水还适于作为热机的工作流体，热机因而变为常见的蒸汽机240，水还提供比在飞机实施例中优选的氢或氦更便宜且更易于更换的介质。最后，在第四功能中，水还适于作为消耗品。使用单一物质水用于所有四种功能：集热器的传热，热能存储，发动机工作流体和热水供应，这实际上消除了与从传热流体至热能存储器、从热能存储器至热机的工作流体和从热能存储器或热机至可消耗的热水供应的传热相关的热交换低效率。由于这样的热交换过程不可避免地导致温度降低，因而其消除能转化成更有效的操作或对于给定效率水平的更低的最大温度需求。使用水作为热介质是足够有益的，通过适当清洁的无油泵、阀和发动机部件，热水可直接用于清洗碗碟、清洗衣物、或者甚至烹饪。在经济方面，水和石块作为热能存储介质的成本很低而使其仅为要紧的密封装置的成本。

热能转化和动力产生

单一气相热机，例如前述的在飞机实施例情况下的斯特灵发动机实施例，虽然可利用高空中很低的周围空气温度并可由此实现很高的热效率，不过在基于地面环境的情况下，没有这样的低温能力，则常见的蒸汽机是优选的。如果考虑到水作为热能介质的优点，则尤其如此。

使用蒸汽产生动力是非常熟知而且非常完善的技术，存在如此多种方式，因而最优构造将很大程度上取决于所希望的能量产品的性质。在一种极端情况中，可能所有的需求在于针对某一具体关注过程的高压、高温蒸汽的供应，而可能对于动力存在相对少的需求。在另一极端情况中，可能主要的需求仅在于电力，而废热只是无用之物。在下一部分中，在这些众多情况中，将考虑适合于住宅消费者的平均动力能量需求的具体示例。在本示例中，根据典型住宅能量消费者的需求，在一年内需要相当大量的热能和电能，不过在冬天需要更多热能，而在夏天需要更多电能。因此，重要的是具有将聚集的太阳能转化为热能或电能的灵活性。

如图21所示，热存储器优选地与热动力发动机接触。这样，热能存储器与热机之间也不存在例如在SEGS设备中存在的延伸管路部件。与此不同的是，热能存储器与热机非常紧密接触，因而实际上消除了这种损失。由于基本上所有传热均通过极为有效的自动的相变推进作用进行，其中包括集热器中的沸腾和热存储器中的冷凝，因此，几乎不存在与通过延伸管路相连部件和热交换器将传热流体积极抽吸到周围相关的附加功率损耗。

热能存储在住宅情况中的一个益处在于，阳光照射的瞬时中断不会相应地造成对发动机供热的混乱。虽然阳光飞机应用中的热能存储的主要作用在于能够实现夜间飞行，不过在住宅应用中，不总是有必要存储整天的热能。在一些情况下，在经济上可能有利的是，仅具有相对较短的存储持续能力。热能存储在住宅情况中的另一种益处在于，阳光照射的正午峰值可分布到下午的多个小时，由此允许较低的最大发电能力设计以及较便宜的热机和发电机。而且，通过存储热能，典型的正午太阳能供应峰值可更好地与典型的下午三时的电能需求峰值相匹配。在另一极端情况中，对于能量自足的情况，热能存储能力可形成为足够大以用于数周至数月的存储，从而上消除太阳能对天气变化的依赖性。

示例系统操作：直接蒸汽产生

图29显示本发明的住宅太阳热能设备的示例性蒸汽动力设备的示意图。如所示，集热器管226从下端至上端倾斜，其中上端通过自动压力调节止回阀237连接到热能存储器230的顶部，且供热管226的下端通过水泵235和水阀231连接到热能存储器230的底部，以形成特征为集热器环路的射流回路。箭头指示通过该回路的水的正常流动方向。类似地，特征为发动机环路的第二独立射流回路串联连接热能存储器230的顶部、蒸汽阀238、蒸汽机240、冷凝散热器261、冷凝水箱244、水泵236、水阀239，并返回到热能存储器230的底部。

集热器环路水阀231控制水从能存储器到供热管226底部的水的流动，而水泵235控制集热器环路中的水压，且自动止回阀237防止在集热器环路中积累过高压力。类似地，蒸汽阀238控制到达蒸汽机240的过热蒸气的流动，而发动机环路水泵236确定热存储器230内的压力。

从太阳能集热器至热存储器230的传热和从热存储器至蒸汽机240的传热在两个独立的过程流中进行。集热器流的操作成比例于太阳能热供应，而发动机流的操作成比例于动力需求。关于集热器流，在适量阳光可用而使得通过吸收聚集阳光以迫使开启自动阀237而产生足够蒸汽压的时段，从聚集阳光的热被传递到管226中的水，并之后传递到热存储器230的顶部。相反地，在夜晚或在太阳昏暗的时段，阀237和231关闭。应认识到的是，聚光镜210沿其轴线日夜连续旋转，而使得无论直射阳光何时可用，聚光器均对准而使管226中水的加热将发生。关于发动机环路，在需要动力的时段时，阀238和239均开启，来自热能存储器230的高压蒸汽被供给到蒸汽发动机240，并在膨胀后在散热器261中冷凝，然后作为液态水排入水箱244。在冬天，当温度足够低而需要空间加热时，经过散热器261的冷却空气流可提供暖空气的补充供应用于空间加热目的。与此不同的是，在夏天，当温度足够高而不希望进一步空间加热时，散热器261简单地将热排放到户外。

加热过程更详细地描述如下：加压冷水通过集热器环路循环泵235被迫进入管226的下端，并沿集热器轴线被加热。与现有技术中已知的水平管相比，管226轴线的向上倾斜能够实现非常高的蒸汽加热速率。在正常操作条件下，由于水通过聚集阳光被加热，因而水在由液面232指示的部位到达沸腾温度。在液面232的沸腾开始与在液面234的过热开始之间，蒸汽以大致恒定的温度从极湿转变为极干。蒸汽在液面234之上过热，且其温度升高到设计最大值。一旦温度升高到设计点，则过热蒸汽流到热存储器232和/或流到蒸汽机240。

在对应于存储时的最低量热的“冷起动”情况下，压力容器241几乎完全被填充以近室温的水，在顶部具有相对较小的蒸汽空间，水箱244几乎为空。在这种状态下，液面232的顶部接近压力容器241的顶部。在聚集阳光聚焦到管226上之后不久，过热蒸汽通过自动阀237被迫进入压力容器241的顶部。同时，冷水由泵235从压力容器241的底部抽吸通过阀231。当此蒸汽被吹送到热能存储器230顶部的卵石245时，卵石开始发热。引入的蒸汽的一部分初始在卵石245上冷凝并下滴至水位232，且开始加热存储器230中的水。由于气态蒸汽相对较低的导热性，因而气态蒸汽温度几乎没有下降，阀238在阳光变得可用之后不久可被开启以将过热蒸气提供到蒸汽机240。随着过热蒸汽继续流入储器230的顶部，同时液态水继续抽吸出底部，因而液态水的温度持续升高，直到其达到沸点。而且，随着过热蒸汽继续流动经过上部卵石245，因而卵石温度也很快超过容器241中加压水的沸点。随着压力容器中的水沸腾、随着蒸汽被提供到发动机240、并随着水被抽吸出存储器230的底部，因而液面232下降，更大部分的卵石242暴露于水位232之上，且这些卵石也开始升温而高于加压水的沸点。这一过程可继续进行，直到水位232已经下降至最低允许安全液面，在此处，热能存储器230已经达到其最大容量，而且饱和水位234上方的基本上所有卵石242均处于过热蒸汽温度，系统中的大部分水被容纳在液态水箱244中。在此，进一步通过泵235从储器230中去除液态水必须由水泵236补给，水泵236将冷凝水从箱244通过阀239抽吸回到储器230的底部。

在日落之后或在长期没有可用聚集阳光的时段，阀237和231关闭，集热器环路不再工作。在这种情况下，由于过热蒸汽通过阀238被提供到蒸汽机240，补给水由泵236通过阀239被抽吸至存储器230的底部。随着水位232在储器230中升高，饱和蒸气液面234也升高，热从新浸没的热卵石234被传递到周围的水并产生更多蒸汽。这一过程可继续，直到存储器230中的饱和蒸气液面234达到蒸汽阀283的水平。在此，通常不希望在继续使蒸汽机对饱和水工作，不过仍希望通过加热来自冷水供应器262的水从热能存储器230提取热并将传输到住宅热水供应器260，特别是在冬天用于空间加热目的。如果限定了存储在存储器230中的所有热实际上被整夜取出，则完成昼夜循环，并再次获得“冷起动”条件。采用这种系统方便的是，通常的热需要时间在夜晚，这对应于存储器230中相对较低平均水温的时段；而通常的动力需要时间在白天，这对应于相对较高的蒸汽温度和更有效发电时段。

基于典型的蒸汽机热效率，输入太阳能的大致分配可被估计为1/4至1/3用于动力以及大部分余额用于加热。采用这样的系统，对于加热和动力的组合可利用远超过90％的入射太阳能。采用这样的系统，在热能与动力之间的分配从而与美国西南部典型住宅消费者的典型的热能-动力消耗相当匹配，特别是在冬天。

在日落之后的寒冷冬夜，当集热器管226中的水可能冻结时，有利的是，允许干蒸汽从热存储器230通过集热器管回流并将任何液态水冲出管226外。

虽然具体的操作次序、材料、温度、参数以及具体实施例已经被描述和图示，不过这不是用于限制本发明。修改和变化对于本领域技术人员而言可变得明显，而且本发明意在由所附权利要求书的范围限定。

Claims (51)

1、一种太阳热能设备，包括：

具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜，用于沿所述聚焦轴聚集阳光；

用于使所述镜围绕纵向旋转轴线旋转以跟随太阳的装置；和

集热器，该集热器包括围绕流动通道的伸长的供热管，所述流动通道具有椭圆形截面形状，所述椭圆形截面形状的特征为具有长轴和短轴，其中所述通道沿所述长轴具有最大直径并沿所述短轴具有最小直径，所述长轴对准所述抛物面槽式镜的纵向对称面，所述供热管沿所述镜的聚焦轴共轴定位以接收来自所述镜的聚集阳光，使得所述供热管中的工作流体由此被加热并被提供以通过所述供热管的出口端供使用。

2、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述镜的焦比为大约f/0.25。

3、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述镜旋转装置包括定时器，用于基于预定旋转时间表使所述抛物面槽式镜旋转以跟踪太阳。

4、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述最大直径与所述最小直径的比为大约2∶1。

5、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述流动通道的所述椭圆形截面形状由两个抛物面形成，所述两个抛物面沿所述长轴结合以形成两个相对的顶点。

6、根据权利要求5所述的太阳热能设备，

其中所述相对顶点中的每一个形成大约90度的角。

7、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述流动通道的椭圆形截面形状包括具有沿所述长轴的两个相对顶点和沿所述短轴的两个相对顶点的四个侧边。

8、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述供热管是阳光吸收薄壁管。

9、根据权利要求8所述的太阳热能设备，

其中所述集热器进一步包括真空光学透明薄壁管，所述真空光学透明薄壁管伸缩地围绕所述供热管并沿径向与所述供热管分开。

10、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述供热管包括光学透明厚壁管，所述光学透明厚壁管具有形成所述流动通道的内壁表面和用于扩大所述流动通道的尺寸的凸曲线外壁表面，所述内壁表面被涂覆以阳光吸收材料。

11、根据权利要求10所述的太阳热能设备，

其中所述光学透明厚壁包壳的外壁表面直径与所述流动通道沿所述长轴的最大直径之比为至少3∶1。

12、根据权利要求10所述的太阳热能设备，

其中所述集热器进一步包括真空光学透明薄管，所述真空光学透明薄管能伸缩地围绕所述光学透明厚壁供热管并沿径向与所述光学透明厚壁供热管分开。

13、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述供热管比所述镜长，并被定位成延伸超出所述镜的每一端。

14、根据权利要求13所述的太阳热能设备，

其中所述集热器被定位成以基本上等于所述镜的焦距乘以正切(23.5°)的量延伸超出所述镜的每一端。

15、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述加热管的最大外直径与所述镜的宽度的比为大约0.45％。

16、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

进一步包括用于安装所述镜的装置，使得所述聚焦轴平行于地球的旋转轴线且所述镜能够围绕其纵向旋转轴线旋转。

17、根据权利要求16所述的太阳热能设备，

其中所述镜安装装置能够安装所述镜，使得所述镜的聚焦轴同样是所述旋转轴线。

18、根据权利要求16所述的太阳热能设备，

其中所述镜安装装置包括用于在北半球地点使用使所述聚焦轴与北极星基本上对准的装置。

19、根据权利要求16所述的太阳热能设备，

其中所述镜安装装置包括用于将所述镜的聚焦轴从水平线转动等于安装地点的纬度的角度。

20、根据权利要求16所述的太阳热能设备，

其中对于非零纬度的安装地点，所述镜安装装置能够安装所述镜而使得所述供热管的出口端升高而比相反端高。

21、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

进一步包括能操作地连接到所述供热管出口端的热存储器，用于能存储地接收由加热后的工作流体传递到所述存储器的热能。

22、根据权利要求21所述的太阳热能设备，

其中所述热存储器同样能操作地连接到所述供热管的入口端，以在闭环热存储循环中将所述工作流体返回到所述供热管的入口端。

23、根据权利要求21所述的太阳热能设备，

其中所述热存储器被流体连接到所述供热管的出口端，以能存储地接收来自所述供热管的出口端的加热后的工作流体。

24、根据权利要求23所述的太阳热能设备，

其中所述热存储器同样被流体连接到所述供热管的入口端，以在闭环热存储循环中将所述工作流体返回到所述供热管的入口端。

25、根据权利要求21所述的太阳热能设备，

其中所述热存储器包含用作热能存储介质的水和石块。

26、根据权利要求21所述的太阳热能设备，

其中所述热存储器具有能连接到供水线路的热交换表面，用于加热由所述供水线路供应的水。

27、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

进一步包括热动力发动机，所述热动力发动机能被操作地连接，以从所述集热器接收热能用于产生动力。

28、根据权利要求27所述的太阳热能设备，

进一步包括热存储器，所述存储器能操作地连接到所述供热管的出口端用于存储从所述供热管的出口端接收的热能，并能操作地连接到所述热动力发动机用于将热能供应到所述热动力发动机。

29、根据权利要求28所述的太阳热能设备，

其中所述热动力发动机为蒸汽机，所述蒸汽机被流体连接到所述热存储器以接收存储在所述热存储器中的蒸汽。

30、根据权利要求29所述的太阳热能设备，

其中所述蒸汽机被流体连接到所述热存储器，以在闭环动力循环中同样将水返回到所述存储器。

31、根据权利要求30所述的太阳热能设备，

其中所述热存储器也能被操作地连接到所述供热管的入口端，以在独立于所述闭环动力循环工作的闭环热存储循环中将所述工作流体返回所述供热管的入口端。

32、根据权利要求31所述的太阳热能设备，

其中水同样是用于所述闭环热存储循环的工作流体。

33、根据权利要求32所述的太阳热能设备，

其中所述热存储器被流体连接到所述集热器的出口端以能存储地接收来自所述集热器的出口端的蒸汽，并被流体连接到所述集热器的入口端以将水返回到所述集热器的入口端，使得相同的工作流体同时用于所述闭环动力循环和所述闭环热存储循环。

34、根据权利要求27所述的太阳热能设备，

进一步包括能操作地连接到所述热动力发动机的发电机。

35、根据权利要求1所述的太阳热能设备，

其中所述供热管的出口端能流体连接到储水箱，且所述供热管具有能流体连接到水源的入口端。

36、根据权利要求35所述的太阳热能设备，

进一步包括水泵，用于将水从所述水源抽吸到所述入口端并将加热后的水从所述出口端抽吸到所述储水箱。

37、一种太阳热能设备，包括：

具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜，用于沿所述聚焦轴聚集阳光；

用于使所述镜围绕旋转轴线旋转以跟随太阳的装置；和

管状集热器，该管状集热器包括光学透明厚壁供热管，所述光学透明厚壁供热管具有形成流动通道的内壁表面和用于扩大所述流动通道的尺寸的凸曲线外壁表面，所述内壁表面被涂覆以阳光吸收材料，所述供热管沿所述聚焦轴共轴定位以接收来自所述镜的聚集阳光，使得所述流动通道中的工作流体由此被加热并被提供以通过所述供热管的出口端供使用。

38、根据权利要求37所述的太阳热能设备，

其中所述供热管的外壁表面直径与内壁表面直径的比为至少3∶1。

39、根据权利要求37所述的太阳热能设备，

其中所述流动通道具有椭圆形截面形状，所述椭圆形截面形状的特征为具有长轴和短轴，其中所述通道沿所述长轴具有最大直径，所述通道沿所述短轴具有最小直径，并且所述长轴对准所述抛物面槽式镜的纵向对称面，

40、根据权利要求39所述的太阳热能设备，

其中所述供热管的椭圆形截面形状由两个抛物线部分形成，所述两个抛物线部分沿所述长轴结合以形成两个相对的顶点。

41、根据权利要求40所述的太阳热能设备，

其中所述相对顶点中的每一个形成大约90度的角。

42、根据权利要求39所述的太阳热能设备，

其中所述通道的最大直径与所述通道的最小直径的比为大约2∶1。

43、根据权利要求37所述的太阳热能设备，

其中所述集热器进一步包括真空光学透明薄管，所述真空光学透明薄管伸缩地围绕所述供热管并沿径向与所述供热管分开。

44、根据权利要求37所述的太阳热能设备，

其中所述供热管的最大外直径与所述镜的宽度的比为大约0.45％。

45、一种太阳热能设备，包括：

具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜，用于沿所述聚焦轴聚集阳光；

用于安装所述镜的装置，使得所述聚焦轴平行于地球的旋转轴线且所述镜能围绕其纵向旋转轴线旋转；

用于使所述镜围绕所述旋转轴线旋转以跟随太阳的装置；和

伸长的管状集热器，该伸长的管状集热器形成流动通道并沿所述聚焦轴共轴定位以接收来自所述镜的聚集阳光，使得所述流动通道中的工作流体由此被加热并被提供以通过所述集热器的出口端供使用。

46、根据权利要求45所述的太阳热能设备，

其中所述镜安装装置能够安装所述镜而使得所述镜的聚焦轴同样是所述旋转轴线。

47、根据权利要求45所述的太阳热能设备，

其中所述镜安装装置包括用于在北半球地点使用而使所述聚焦轴与北极星基本上对准的装置。

48、根据权利要求45所述的太阳热能设备，

其中所述镜安装装置包括用于将所述镜的聚焦轴从水平线转动等于安装地点的纬度的角度。

49、根据权利要求45所述的太阳热能设备，

其中对于非零纬度的安装地点，所述镜安装装置能够安装所述镜而使得所述集热器的出口端升高而比相反端高。

50、根据权利要求45所述的太阳热能设备，

其中所述供热管的最大外直径与所述镜的宽度的比为大约0.45％。

51、一种太阳热能设备，包括：

具有纵向聚焦轴的抛物面槽式镜，用于沿所述聚焦轴聚集阳光；

用于安装所述镜的装置，使得所述聚焦轴平行于地球的旋转轴线且所述镜能围绕其纵向旋转轴线旋转；

用于使所述镜围绕纵向旋转轴线旋转以跟随太阳的装置；和

管状集热器，该管状集热器包括光学透明厚壁供热管，所述光学透明厚壁供热管具有形成流动通道的内壁表面和用于扩大所述流动通道的尺寸的凸曲线外壁表面，所述流动通道具有椭圆形截面形状，所述椭圆形截面形状的特征为具有长轴和短轴，其中所述通道沿所述长轴具有最大直径，所述通道沿所述短轴具有最小直径，并且所述长轴对准所述抛物面槽式镜的纵向对称面，所述内壁表面被涂覆以阳光吸收材料，且所述供热管沿所述聚焦轴共轴定位以接收来自所述镜的聚集阳光，使得所述流动通道中的工作流体由此被加热并被提供以通过所述供热管的出口端供使用。

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