CN102119447B - 太阳能收集系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种利用反射光学元件和接收器来聚集定向辐射能的方法，该接收器转换上述辐射能，其中所述接收器位于反射器主体内并在与辐射能方向平行的竖板上，每个所述竖板由至少一个离能量源较近的和另一个离能量源较远的抛物柱面反射镜所邻接，其中所述反射镜的一个或多个焦点大致位于所述竖板内的接收器面向的方向上。反射器的几何形状包括二种，其中一种反射镜是抛物柱面部分且仅需要单轴跟踪以聚焦太阳光，另一种反射镜是抛物面部分且需要双轴跟踪以聚焦太阳光。

Description

太阳能收集系统

优先权

根据35U.S.C.§119要求优先权

本申请要求2008年6月7日提交的序列号为61/131,268的美国临时专利申请和2008年6月20日提交的序列号为61/132,550的美国临时专利申请的权益，其中两个所述临时申请的全文并入本文。

技术领域

本发明涉及通过利用具有跟踪太阳运动模块的聚光元件来收集太阳能的方法，特别是涉及适用于构建具有类似于传统太阳能电池板形状系数和装置特征的系统的该类方法。

背景技术

尽管将平行光聚集到光伏和/或热接收器上的技术已经在工业规模的太阳能装置中使用很长时间了，但小规模的太阳能装置几乎全部由不能聚光的板式光伏板组成。由于这类光伏板使用大量的光伏材料，所以价格昂贵，且仅用来回收那些材料所产生的能量就通常需要数年的工作。通过大大地减少所使用的光伏材料的量，使用聚光光伏(CPV)的太阳能电池板有可能为板式太阳能电池板提供便宜很多的替代形式。此外，通过允许特殊高效光伏电池的经济使用，与对应的板式电池板相比，CPV电池板可具有显著更高的效率，在不能聚光的电池板中该光伏电池的成本是非常高的。

如果要安装CPV电池板以跟踪太阳，由于太阳光要与电池板的法向轴保持在一条直线上，那么CPV电池板的设计必须简单。考虑到跟踪设备给太阳能电池板装置所增加的费用和外形，期望具有能够在固定位置装置中起作用的CPV电池板，并因而对普通的板式太阳能电池板而言，其成为可替换的部分。由于太阳的运动加上太阳能电池板形状因素的限制，制作这样的电池板面临一系列新的挑战。一种显而易见的方法是采用反射和/或折射光学原理，用聚光元件的阵列填充浅外壳，其中每个元件绕其各自的一条或多条轴转动以跟踪太阳。这种方法的两个关键性能指标是所捕集的落在电池板正面的光的比率（其孔径效率）以及元件跟踪运动的范围。显然，捕集到100%的落在其上的光且以最多达90度的入射角跟踪太阳的电池板是最可取的，但在现有的及提出的设计中存在许多影响该等性能属性的问题，并且这些问题中的许多是由CPV元件的光学几何形状所施加的限制而引起的。本发明提供了一种解决在高效CPV电池板设计中存在的问题的新型反射光学几何形状。

CPV系统可以其聚光率为特征，该聚光率以落在其接收器上的太阳光数目来表示。聚光率约大于3的系统通常需要使用运动光学聚焦元件，该运动光学聚焦元件跟踪整个天空的太阳运动。这种光学跟踪系统分成两大类：一种光学跟踪系统，其中具有均一横截面的细长元件分别相对于它们的长轴倾斜以跟踪太阳并使太阳光聚焦于窄光带上；以及另一种光学跟踪系统，其中具有径向对称性的元件分别或以组的形式绕二个轴转动以跟踪太阳，并使太阳光聚焦于小光斑上。太阳圆盘的直径看似约0.5度，将具有单轴和双轴系统可达到的理论聚光率分别限制为几百和几万，由于光学元件和跟踪的缺陷而实际的限制相当小。

术语单轴和双轴用来表示这两种方法，是指使太阳光聚焦所需的倾斜轴的数量。这两种方法均适用于本发明，并且本文公开了根据这两种方法的示例性实施例。

本发明适用于在各种范围和一系列聚光率内使用光伏、热和混合接收器的系统。然而，由于本发明允许创建具有系统效率、散热以及紧凑属性的系统，所述属性特别适用于CPV电池板的应用领域，因此本文中与现有技术所进行的比较着重强调了与CPV元件密堆积阵列性能相关的属性。

本文重点讨论了CPV电池板应用领域内的现有技术。特别是，本文探讨了主要采用反射光学原理，采用多个CPV元件的单轴和双轴跟踪系统，每个元件均安装成相对于其各自的一条或多条轴倾斜，且每个元件均组装了光学聚焦装置和光伏接收器。本文描述了一个实例并描述了这样的三种类型的该系统中的每一种的缺点：第一种，其中元件是具有非对称轮廓的条板，第二种，其中元件是具有对称轮廓的槽，以及第三种，其中元件是盘。

美国专利申请12/156,189描述了枢转安装条板的阵列，每个条板上安装有跨装在同一条板对面上的抛物柱面反射镜焦线上的光伏条。

由于抛物柱面反射镜的焦线与反射镜表面上的点被间隔开至少抛物柱面焦距的距离，所以条板必须包含延伸于柱面表面之上的竖板以支撑光伏材料条。如果条板的反射镜部分被用作散热器以便从光伏条中吸收热量，那么竖板必须向反射镜传导热量并提供相对于反射镜刚性安装光伏条的结构功能，这增加了材料成本和空间要求。

本发明也有条板可旋转穿过的角度范围的限制，因此在投射在垂直于条板轴的平面上的平行入射光的角度范围内，系统可以捕集该光并运行，对于大多数实际变型而言，此范围形成为从法向的顺时针方向约90度到法向的逆时针方向仅约10度到30度。这种在系统的入射光方向范围的限制局限了其最佳定向的选择，这可能会牺牲日和年周期部分的范围。

美国专利申请11/654，256描述了一种具有一系列细长模块的电池板，该细长模块安装于框架内以绕它们各自的轴转动。每个模块具有沿其底部设置的光伏电池条，形成其侧面的对称设置的反射器，以及形成其顶部的具有中心透镜的透明盖，使得进入适当倾斜模块的平行光将穿过盖的无透镜部分并从侧壁反射到光伏条，或者通过盖的透镜部分并折射到光伏条。

由于该光学系统所强加的几何约束，该模块的高宽比大于1，并且槽的底部设置在离模块小孔限定的透明盖的中线一定的距离，其约为任一盖边缘的3倍。因此，对于具有任何显著范围运动的模块，它们必须间隔开以便垂直于电池板平行光的部分落在模块之间，以减小电池板的有效孔径。增加模块的运动范围会增加所需的间距，并进一步增加孔径损失。要提供电池板垂直方向的任一侧成70度的运动范围，则会造成高达约50%的孔径损失。

美国专利申请11/454,441描述了一种电池板，其中CPV元件阵列中的每一个均枢转安装于基座内并铰接至运动支架，该运动支架迫使元件绕2条轴协同运动以跟踪太阳。每个CPV元件的主体主要由两半部分组成，每一半均包括抛物面反射镜部分和扁平垂直部分，其中两半部分的反射镜面属于同一抛物面，其焦点位于该两半垂直部分之间。

将元件铰接至运动支架和框架的机械连接的细节以及提供连接的元件的角运动范围均没有进行详细说明。看来所述每个元件两半部分之间的间隔保证了沿单轴的相当大的范围运动，但是以显著的孔径损失为代价。该设计使用CPV元件两半的垂直部分以支撑其光伏电池并提供散热表面。尽管从侧面看细薄，这些在元件的“光学体”中的结构进一步减小了其孔径。仍更多的孔径损失由以下事实造成：从垂直部分的基座附近的反射器部分反射的光被该部分遮挡而不能到达光伏电池。

除了这些问题外，该设计还要在接收器入射角和CPV元件跟踪范围之间做出取舍，在抛物面盘上方空间安装有接收器的其它设计中也要考虑该取舍。为了使CPV元件具有大范围的角运动，支撑接收器的结构必须相对短以避免与相邻元件发生碰撞，从而在接收器上得到具有较大的平均入射角的反射光。由于入射角大于约45度时，大多数光伏电池的光捕集效率开始下降，所以事实上，很大部分所述类型的CPV元件所捕集的光以大约45度的入射角到达接收器表明对系统效率存在潜在显著的损害。

大多数双轴CPV电池板设计采用折射光学元件而非反射光学元件。然而，用于太阳能聚光的折射光学元件有许多不利的特征，其包括由色象差引起的焦点扩散、光学塑料对UV降解的敏感性、和光学玻璃的重量，以及，由于具有抛物面盘，对于模块十分紧凑而具有大范围角运动的设计，接收器上要求较大的平均入射角。

发明内容

本发明提供许多单独或组合有用的解决方案，以解决现有技术单轴和多轴太阳能聚光器及其阵列中所固有的问题，包括以下步骤：首先，本发明允许元件的密堆积阵列在远离阵列法向方向高达90度的整个角度范围内单独跟踪，所述阵列相对于各元件安装在其上的轴倾斜；其次，本发明允许捕集穿过该整个角度范围上的落在电池板表面上的几乎所有的太阳光，这消除了许多现有技术设计的范围差距；最后，本发明通过把散热、结构支撑和光反射的功能结合于单个部件并将能量接收器设置在相邻反射镜部分之间，从而提供优质经济的材料。

与上述现有技术装置相同的是，本发明在太阳能聚光上的应用也使用CPV元件阵列，其中每个阵列具有反射器、诸如光伏电池的能量捕集装置以及整体散热器。与现有技术装置不同的是，本发明的CPV元件将PV电池嵌入反射器主体的跨距内，该跨距以大致垂直的角度朝向其它这样的跨距。在最简单的情况下，第一块电池设置在焦点落在第二块电池上的反射镜之间，所述第二块电池设置在焦点落在第一块电池上的反射镜之间。基于本发明的CPV元件可以具有拟合至半圆柱或半球体内的紧凑形状，其直径与元件的孔径相等，并且该CPV元件还提供在CPV电池上较小的平均入射角的光。

在本文所述最详尽的两个实施例中，所述元件是用作PV装置散热器的细长条板，每个条板相对于它们各自的轴线倾斜枢转安装，并装备有单独或协同感应太阳位置并调节它们倾斜角的装置，从而使得入射光的焦点沿着抛物面的焦点并聚集在能量捕集装置上。

尽管本文所述的大多数实施例被设计用于聚集太阳能的应用，但本发明在其它领域中也有显著的应用。例如，使用抛物面镜的本发明形式可用于成像应用，其中位于抛物面焦点的接收器是成像装置而不是能量转换装置。

附图说明

本发明通过示例的方式而不是以限制的方式进行说明，在附图中，其中相同的附图标记是指相同的元件。

图1：实例

图1示出本发明的6个不同的实例。图1A和B示出需要单轴跟踪的反射器，且图1C到F示出需要双轴跟踪的反射器，以将太阳光聚焦在它们的接收器上。

图2至图5：方法概述

图2示出单个条板及其邻近部分的横截面图，其中对所述条板定向以吸收平行入射的太阳光。

图3示出6个单轴聚光设计的横截面图，将现有技术中5个代表性例子的光学几何形状与本发明最简单形式的光学几何形状进行对比。

图4示出形成反射器轮廓的方法。图4A示出半个反射器的抛物线轮廓的形成，而图4B示出完整的反射器轮廓。

图5示出6个不同反射器的横截面图，说明参照图4所描述的形状形成中使用的二个主要参数的影响。

图6至图13：屋顶聚光光伏板

图6示出适用于屋顶上安装的聚光太阳能电池板实施例的前外部视图。

图7示出条板的装配和分解详图以及该条板的横截面图。

图8示出局部拆卸状态中的电池板。

图9示出电池板下侧视图，其中该电池板后壁部分已被切掉以显示驱动机构。

图10示出电池板下侧的视图，其中该电池板后壁部分已被切掉以显示电气布线。

图11示出电池板的分解图，其中外壳中所有的主要组件被分开。

图12示出条板光伏条的详图。

图13示出电池板的电气原理图。

图14：聚光光伏板原型

图14示出装配和分解的条板以及该条板的横截面图。

图15和图16：非对称条板轮廓

图15示出具有单个接收器条和该接收器条对面的次镜的条板的剖面图。

图16示出具有非对称布置的6个抛物柱面和4个竖板的条板的剖面图。

图17至图26：具有伸缩光伏聚光器的窗

图17示出在能量收集模式下多功能窗实施例的视图，其内部光伏聚光器是展开的并跟踪太阳。

图18示出在透明窗模式下该实施例的视图，其聚光器是缩回的。

图19示出条板的横截面图，示出其光学几何形状。

图20示出在实施例的三种运行模式中的每种下，阵列中一对相邻条板的横截面图。

图21示出条板及其吊架的装配和分解图。

图22示出4个相邻条板和其吊架的部件，其中所述条板堆叠取向且吊架带是松弛的。

图23示出图21中所示的部件，其中所述条板展开取向且吊架带完全伸展。

图24示出缩回位置上实施例的横截面图。

图25示出在展开位置上实施例的横截面图，条板的光轴在窗法向轴上30度的方向。

图26示出通过隐去窗外框和窗玻璃而显示的缩回聚光器系统。

图27和28：双轴反射器实例

图27示出本发明双轴实施例的实例，其中所述反射器具有六个轴对称部分并具有圆形的轮廓。

图28示出反射器的三个变型，显示改变控制反射器中竖板位置参数的影响。

图29和图30：用于密堆积阵列的实施例

图29示出本发明的实施例，其中所述反射器是提供双轴枢转模块的部分并设计用来与阵列中的其它该类模块紧密堆积。

图30示出反射器的几个视图和横截面图。

图31和图32：固定几何形状阵列

图31示出本发明的实施例，其中所述反射器是具有方形小孔的相同单元平铺的拼接。

图32示出本发明的实施例，其中所述反射器是具有六角形小孔的相同单元平铺的拼接。

图33: 具有减小的表面面积的反射器

图33示出本发明实施例的反射器，其中接收器所位于其中的竖板与抛物面镜而不是与竖板在侧面相接。

具体实施方式

本发明是一种捕集和聚焦光的新型方法，其应用包括聚集太阳能以用于将其转化为诸如电和/或加热流体的可用形式的能量。本发明结合多个抛物镜面和至少一个诸如能量转换或成像装置的接收器，该接收器沿所述反射表面的焦线、弧、或点定位于刚性元件内，该刚性元件在一条或多条轴上倾斜安装以对其相对于平行入射光的方向而定位，从而使得将所述光聚焦于所述一个或多个接收器上。

从被元件聚焦的入射光的方向看，该元件在将接收器从直视图隐去在竖板内的同时，呈现一组邻接面，其中所述竖板位于所述邻接面之间并且与视图的方向平行。每个接收器跨装在元件对面上的一个或多个抛物柱面反射镜的焦线、弧、或点上，并且每个抛物面的焦线、弧、或点上都跨装接收器。

反射器的横截面大致为夹角近似90度的V形。换句话说，本发明典型的反射器可分成一对或多对相对于反射器对称轴对称设置的相对部分，其中该部分的平均表面法线大致垂直于其相对部分的平均表面法线。本发明允许形成其横截面可与半圆盘外切的反射器，该半圆盘具有与反射器的小孔相等的直径。

由于几何形状紧凑，多个元件可彼此相邻安装在阵列中以覆盖一个区域，因此基本上所有的落在该区域小孔内的平行光将落在反射表面上并聚集在接收器上，并且当入射光的方向变得更加倾斜时，小孔边缘周围的损耗增加。用这样的阵列捕集平行光的效率结合依据元件形状可能得到的浅形状系数，可使本发明理想地适合于使用少量的传统太阳能电池板所需的光敏材料来聚光太阳能电池板。

本发明在太阳能收集上应用的反射器包括两种形式，一种形式仅需要角运动的单轴以便随着太阳的运动将入射光聚焦在接收器上，和另一种需要二根这样轴的形式。在以下描述和附图中，首先简要概述了两种形式实施例的典型类型，随后探讨了形成本发明最简单形式的反射器轮廓的方法，然后公开了本发明的几个以完整太阳能聚光系统形式的单轴实施例，并最后探讨了本发明的双轴方法和实施例。

图1示出本发明6个实施例的反射器，标记为A至E。为清晰起见，仅标记选择的旋转轴和在反射器下侧可见的接收器的部分。接收器有三种类型：条形和线形接收器1、条形和弓形接收器3和斑点状接收器5。旋转轴界定被抛物线扫过的镜面并包括两种类型：偏离各自的抛物线轴4的那些和与各自的抛物线轴6重合的那些。

6种示例性反射器具有不同的特征。反射器A和B适用于单轴跟踪，其中A代表本发明中最简单的形式，具有对称设置的4个反射镜和2个接收器，B是A的一个变型，其增加了接收器和介入反射镜的数量。反射器C至F需要双轴跟踪以便聚焦太阳光。这一组中的6个反射器显示出采用3种抛物柱面反射镜的三种聚光几何形状，每种抛物柱面反射镜以不同的方式聚焦平行光。反射器A和B使用抛物柱面反射镜将光聚焦到线形光带上，并需要跨反射器的全部长度上细长的接收器。反射器C和D使用抛物面状反射镜将光聚焦到弓形光带上，并需要一定长度弯曲细长的接收器。反射器E和F使用抛物面镜将光聚焦于光斑上，并且仅需要很小的接收器。与反射器E和F所使用的简单旋转抛物面不同，在反射器C和D所使用的抛物面型中旋转轴偏离形成抛物线的焦点。

图1示出的不同类型的反射器分别具有不同优点。例如反射器类型A和B，因为它们的几何形状简单，仅需要单轴跟踪以及可能制造容易，因此是CPV电池板的理想选择。例如反射器类型E和F是理想的选择，原因是它们所提供的很高的聚光率减少了所需的光伏材料到某一点，从而可能经济地使用可用的最高效光伏电池。例如反射器类型C和Ｄ是理想的选择，原因是它们引导到接收器上任一点的光基本上是共平面的，因此相对于具有抛物柱面或简单抛物面镜的反射器提供的平均入射角，这些光具有较小的平均入射角。

下面的５个部分详细描述使用单轴反射器的二个完整的实施例。第一实施例，是基于本发明所设想的最简单的家用形式的屋顶光伏板，其中条板的上面的两个对面对称，并且每个面由平面条连接的二个抛物柱面所构成。第二实施例，多模式光伏窗使用更复杂的形式，其中条板的对面不对称，并且每个面由4个抛物柱面和2个平面条所构成。

除了这两个完整实施例外，还给出了其它实施例部分以说明其它结构，其中一些结构可在构成完整装置的多种装置中互换使用。

方法概述：图2到图5

这部分描述了以上所定义的本发明最简单形式的几何构造，其与现有技术的关系，以及基于诸如孔径效率和跟踪运动范围的性能指标确定本发明最佳形式的方法。图６至图13示出的实施例正是基于这些方法。

图2示出条板阵列中的条板12以及与其邻近部分14和16的横截面图，所述条板绕其各自的旋转轴18旋转并远离该阵列的法向方向40为20度，以与入射光的偏角一致，所述入射光用平行的点线10表示。每个条板有4个抛物柱面反射镜22、24、26和28以及竖板32和34，竖板的平面装备有光伏条60，其中所述反射镜22和24被成形来将平行光反射到竖板34上的光伏条上，且反射镜26和28被成形来将平行光反射到竖板32上的光伏条上。

虚线圆弧42表示当条板绕其轴18转动时，条板的边缘36和38扫过的路径，同时也表示条板的动态轮廓包络线。双虚线46表示相邻条板的动态轮廓包络线之间的间距。

具有图2中所描绘的横截面的条板全部在所述动态轮廓包络线之内。当对阵列中的条板进行定向以便捕集光时，条板的边缘几乎都接触到了从而使得其能捕集几乎所有的光，其中投射到条板横截面平面的光方向与阵列的水平轴垂直。当对相同的条板进行定位以捕集光，其中投射到条板横截面平面的光方向从所述垂直方向旋转开某一角度，该角度的大小在比0度稍大至比90度稍小的范围内时，条板将彼此部分遮挡，但仍将继续基本上捕集所有进入阵列小孔的光，除非一些落在阵列的极端边缘上的光除外。

具有图2所示横截面的条板能够向阵列法向方向的任一边完全旋转90度，并且不管其相邻条板的角度位置如何均可做到这点。由于本发明允许采用最佳（密集）间距设计条板阵列，其中即使不同步的条板也不会在实际应用所要求的整个旋转范围上相碰撞，从而可能设计作为具有其各自倾斜驱动机构的机械独立模块的条板。在具有该模块设计的电池板中，一个条板的故障将不会明显地影响电池板中其余条板的运行，并将有限地影响电池板的功率输出。

图3示出使用单轴反射器的6种聚光方法的横截面图和代表性的光线路径，旨在对现有技术进行回顾。图3A-E示出现有技术的5种代表性实例的光学几何形状，以及图3F示出本发明最简单形式的几何形状。本文限于主要反射性光学元件的实例，如本发明，接收器64设置在相邻镜面的表面上。

图A-E汇总了（A）美国专利4，088，121、（B）美国专利申请11/654，131和11/654，256、（C）美国专利4，222，368和美国专利申请12/156，189、（D）美国专利6，276，359以及（E）美国专利申请12/124，124所公开的聚光器的光学几何形状。实例A和实例B从对称设置的反射镜将光线向下反射至位于槽状结构底部的接收器，其中实例B折射中心光柱以得到更紧凑的单元；实例C从反射镜将光线反射至条板状结构顶部附近的面向的接收器；以及实例D和实例E从反射镜将光线向上反射至位于槽状结构内反射镜顶部边缘的面向的接收器。与所有这些相反的是，实例C从反射镜将光线向下并向上反射至设置在反射镜之间的面向的接收器。

考虑到适用于CPV电池板的应用，其要求元件可单独地枢转安装在密堆积的元件阵列内，相对于现有技术的这些实例，本发明的一些优点是显而易见的。参照图2和图4可以看出，通过在该等阵列中提供在对阵列小孔进行连续覆盖的同时可运动穿过较大的角运动范围的反射器，本发明的最简单形式在孔径效率和角运动范围这两个性能属性方面更具有优势。这是因为本发明能够形成这样的反射器，其中每个反射器具有宽度与外切该反射器横截面的圆直径相匹配的孔。现有技术的实施例不具有这种性能。实例A和实例B，由于反射器深度的原因，在实例B中没有那么深，所以强加了角运动范围和孔径效率之间的取舍。对于所有对连续小孔进行覆盖的实施例来说，实例C的角运动范围受到了极大的限制。因对安装在反射器外面顶部边缘的接收器的附加间隙要求，实例D和实例E强加了孔径效率的明显损失。与这些设计相反的是，本示例性实施例具有浅V形槽，该浅V形槽几乎捕集了所有落在其上的光。与这些设计相反的是，如图3E所示的聚光器设计，该聚光器具有宽度几乎是高度两倍的V形轮廓，因此其能够在这类聚光器的密堆积阵列内的宽的角度范围内旋转，将接收器设置在不会产生间隙要求的位置，并以低和平衡入射角将光反射至接收器。

图4示出用于形成反射器轮廓的方法，诸如图2至图16所示。尽管本方法用本发明最简单的形式示出，如图2至图16所示，但本领域的技术人员将能够研究出适用于本发明所设想的各种变型的一般形式。该方法具有3个输入参数：xC，其等于或近似于0.5；xD，其通常介于0.01和0.03之间以及xE，其通常介于0.08和0.4之间。该方法首先将抛物线70定义为一组距离焦点68和准线76等距的点。顶点在原点66的抛物线也是方程y=x ² 的解，假如缩放坐标系使得焦点68从原点沿Y轴位移0.25个单位。随后，在图中用垂直虚线表示的x坐标xA1、xA2、xB1和xB2从所述输入参数计算得出，如下：xA2 = xC-xD；xB1=xC+xD；xB2=xB1+xE；xA1=xA2*0.5；xM1=xC/2以及xM2=xB2*xC/xB1。这4个计算得出的x坐标用于定义抛物线70的两个跨度：下跨度72，其坐标范围从xA1至xA2；和上跨度74，其坐标范围从xB1至xB2。随后，通过相对于其焦点68缩放抛物线70定义两条新抛物线及其跨度，使得三条抛物线共用同一个焦点：通过乘以系数xB1/xC缩放抛物线70及其下跨度72形成的稍大的抛物线90及其跨度92，以及通过乘以系数xA2/xC缩放抛物线70及其上跨度74形成的稍小的抛物线80及其跨度84。考虑到这种作图，新下跨度的最右侧点96和新上跨度的最左侧点86共用同一x坐标xC。这些下跨度和上跨度通过连接点96和点86的垂直线段相连接。

通过这种作图形成的曲线，随后与通过x坐标为xM1的垂直线的其映像相结合，以形成条板横截面的对称上部轮廓。条板的下部轮廓是完全位于上部轮廓下方的曲线并且相对地接近上部轮廓，以免增大条板的动态轮廓包络线。对于由诸如铝板的扁材成形制得的条板而言，下部轮廓将是近似地平行于上部轮廓的曲线，两者之间间隔开的距离与材料厚度相对应。在条板最外面的顶部边缘下方切一斜面以消除条板主体超过其上部、反射表面的轮廓之外的任何过量。

图4B示出利用本方法形成的条板的完整轮廓。位于条板左半部分竖板上的焦点68被条板右半部分上定义反射镜的两条抛物线所共用：定义下反射镜92的稍大的抛物线90和定义上反射镜84的稍小的抛物线80。位于条板右半部分竖板上的焦点与条板左半部分上定义反射镜的抛物线之间存在着相同的关系。

图5示出改变两个设计参数xD和xE的影响，xD和xE定义在参照图4所述的衍生形状中，xD的值在该页从左至右增大，并且xE的值在该页从上至下增大。

对于实例A至D中的任一个，虚线弧42表示当条板运动穿过其角运动范围时条板边缘38扫过的路径，并且虚线弧44表示条板的法向矢量20扫过的路径。运动范围受到条板不能伸出阵列中其区域（由垂直线50示出）外面要求的限制。假设存在左侧面对应于线50的壁，在实例C至F中转动条板导致其与该壁在点54处相碰撞，其中线52，表示线50绕枢轴点18转动后的图像，碰到条板的外表面。在实例A和B中，条板可在360度的范围转动而不会发生该类碰撞的情况。

图5示出形成具有更佳角运动范围的条板轮廓的某些xD和xE值的范围。增加xD的值 — 决定垂直竖板高度的参数 — 将增加条板轮廓延伸到条板边缘动态轮廓包络线外面的部分，从而减小条板的运动范围。同样地，较大的xE值 — 可确定上抛物柱面反射镜22和28相对宽度的参数 — 将增加条板轮廓延伸到条板边缘动态轮廓包络线外面的部分，也从而减小条板的运动范围。在所示的6种不同的轮廓中，A和B具有可以在整个可用的角范围内旋转180度而不可能与邻近条板碰撞的优点。其中，至少由于以下3个原因，轮廓B通常更可取：第一，其在紧跟接收器之后且在圆形动态轮廓包络线（对应于弧42）之内的区域58中提供了更多的空间，以用于安装散热器、流体导体、电子设备或其它该类设备；第二，其以更低的平均入射角将光反射至接收器，从而提高了接收器的性能；以及第三，其将接收器设置与大部分的条板主体平均更接近的位置，从而为利用条板作为散热器的实施例提供更好的热性能。同样地，因相同的原因，与轮廓D和F相比，轮廓E通常是优选的：除了具有比轮廓D和F宽得多的运动范围之外，轮廓E具有上述将竖板置于靠近条板各侧中点的优势。

如图5所示，本发明的最简单形式受益于将竖板置于靠近条板底部顶点和顶部边缘的之间的某个位置。本领域的技术人员将理解本发明更为复杂的形式也受同样设计原则的指导。例如，当竖板的数量增加时，以相对相等的间距将它们隔开会是有利的。

屋顶聚光光伏板：图6至图13

本发明的第一个完整的实施例，适用于安装在屋顶的聚光光伏板，结合图6至13进行描述。图6是电池板的等轴测视图，其中电池板的34个条板在外壳的透明玻璃窗之下是可见的。占据图中上部的局部视图示出5个条板的末端，所述末端与外壳侧壁212通过条板轴销120的枢转安装进行铰接，所述条板轴销120位于条板轴承窝214内并且该条板轴座214是构成所述侧壁必需的一部分。所述轴座在上面有开口，因此能够通过轻轻用力向上拉起来移除条板。在该视图中，仅各条板的光伏条160中的一个是可见的。

图7示出单个条板的视图。图7A和B示出条板（略去了条板两端之间大部分长度）的装配和分解的等轴测视图，并且图7C示出图7A所示的横截面图。条板包括具有镜面22、24、26和28的条板主体112；两个端盖116和118；光伏条160和扁平电力电缆176以及集成连接器178。所述端盖中的每一个具有一对被成形来接纳条板主体末端的一对槽124，以便与其刚性紧密配合，并且轴销120具有接纳弹性轴垫环130的共轴腔室122。端盖118与端盖116不同，前者周长的半圆形部分装有螺旋齿齿轮以便与图8、图9和图11所示的蜗杆轴的蜗杆相啮合。所述条板主体在其两端均具有槽口114。在与有齿轮的端盖118紧密配合的末端，槽口允许端盖的齿轮齿具有必要的深度。在与端盖116紧密配合的末端，槽口提供开口，以用作连接器178从条板主体上侧至其下侧的通道，同时也固定连接器178。

图8示出局部的拆卸状态的电池板。图8A示出可拆除的上盖，其具有升起的透明窗玻璃204和上盖框架206，一个条板悬吊于电池板上，并且电池板满载的34个条板中的20个已安装。图8B是示出驱动机构部分的局部视图，包括轴安装的齿轮马达242和蜗杆轴244的安装跨度，所述轴包括键入轴杆246和以与条板间距相匹配的间距刚性安装在其上的蜗杆248。卡入侧壁212的槽216的轴支撑块250使得所述蜗杆轴在整个长度上处于精确的位置。由薄导热材料形成的后壁224具有跨越电池板长（高）尺寸和大部分的电池板较短（宽）尺寸的波纹226，在靠近电池板的每一侧，波纹226变得扁平以容纳驱动及电气组件。波纹用于加强后壁并提供增大的表面面积以用于散热。图8C是示出定向电池板法向方向的若干条板部分的局部视图。抛物柱面的宽部分26和28是可见的，抛物柱面的窄部分24也是可见的。

图9示出含有齿轮马达242的电池板的角下侧，其中部分后壁224已切掉以显示驱动机构部分。条板端盖118的蜗轮齿与蜗杆248相啮合。

图10示出与图9所示正对面的电池板的角下侧，其中部分后壁224已切掉以显示电池板的电子设备部分。含有微控制器的电子设备模块262具有3根从其引出的电力电缆：向齿轮马达242供电的马达电缆266；穿过后壁上由护线环230密封的孔的外部电力电缆264；以及为各条板和所述电子设备模块之间提供单独导电通路的分支带状电缆270。所述带状电缆具有用于条板中的每一个的分支272，每个分支包括软绞线和与条板连接器178紧密配合的连接器以提供3条从条板至所述电子设备模块的导电通路。电池板的电子设备在下文结合图13将进行更详细的描述。

图11示出电池板的分解视图，其中电池板外壳的组件是分开的。在该页上部分示出的电池板上盖具有其自身从透明窗玻璃204移开的4个框架组件206。在该页中部示出的条板被定向为电池板的法向方向，并如其将安装在电池板上那样间隔开。除了上盖外，电池板外壳的部件示出在该页的底部。除轴承窝252之外，所有编号的部件均可在上述图6至图10的描述中找到，其装入顶部框架壁222和底部框架壁220的凹陷处并且可旋转地在其两端安装蜗杆轴244。

图12示出将聚焦其上的光能转换为电能的光伏条160的详图。因为光伏条具有小尺度的结构，所以图12提供光伏条部分的两级放大和横截面图。图12A示出条板的末端，其中条板的两光伏条之一约三十二分之一的长度是可见的。图12B和C示出该光伏条的两级放大，并且图12D示出穿过光伏条和安装光伏条的条板主体的横截面图。如图13所示，下文所述，光伏条内的光伏电池被设置成串联接线的10个电池为一组，其中所述组并联接线以形成单个光伏条的电路。参照图12B，示出一个串联组的整体，多个串联的组接线至沿光伏条长度铺设和位于电池侧面的导电轨：正导电轨164和负导电轨166分别沿着光伏条的底部和顶部运行。各串接组的负极和正极分别通过导压件184和导电压件186单独连接至正导电轨和负导电轨。参照图12C，示出单个电池及其邻近部分，电池的后接触174覆盖电池下侧，并且其前接触172具有与电池左侧的后接触部分相重叠的1-形。导电压件182提供从一个电池的前接触至其邻近电池的后接触的导电通路，从而提供两电池之间的串联连接。

光伏条的电气结构同时满足两项重要的设计要求：从电动势在5至10伏的理想范围的条板输送电输出，并避免因条板部分的遮挡而造成显著损失。后项要求是源于以下事实，在充足的阳光下正常运行时，光伏条的末端部分会因条板端盖和外壳部分投下的阴影被遮挡相当长的一段时间。尽管光伏组件串联电路的性能因任一组件的遮挡而大大降低，但是许多光伏组件并联电路的性能仅最低限度地受到某一组件遮挡的影响。由于本实施例的串联组相对于光伏条的长度很短，所以条板末端的遮挡将对其电输出具有最小的影响。

图13是电池板的电气原理图，示出条板电路的详图。图中的主视图示出外壳和3个条板部分内的电气组件，3个条板中的每一个均具有对应于条板的两个光伏条的上排电气组件和下排电气组件。位于主视图之上的局部视图示出两个整体的串联电池组，一个电池组属于条板的两个光伏条之一。如上参照图12所述，各组的正极连接至轨164并且各组的负极连接至轨166。在本实施例中，各光伏条具有78个串联组。分支电缆270，其分支272通过连接器178连接至条板，为各条板提供3条专用导线：一条共用负极导线，以及用于条板两个光伏条中的每一个的正极导线。该电路结构满足一些重要的设计要求。首先，其允许微控制器262监测各条板的两个光伏条输出之间的差异，旨在推断条板的法向轴偏离入射光方向的方向。其次，其允许所述微控制器监测各条板单独的性能以标记需要维修或置换的条板。最后，在诸如短路的电气故障的情况下，其允许对单个条板的电路进行隔离。

聚光光伏板原型：图14

本发明电池板实施例的单个条板如图14所示。为试验台系统而研发，本实施例在若干方面（包括制造的简易性和形状系数的合意性）没有上文所述的屋顶电池板有优势。然而，其示出在某些情况下涉及到本发明比较理想的若干方法。

图14A和B示出条板的装配和分解的等轴测图，并且图14C示出图14A中所示的横截面图。与第一实施例（其条板具有整件的主体）相反的是，本实施例的条板主体由若干部件组装而成。透明端板328具有槽324被成形来接纳构成条板主体的各部分：两个上反射镜部分312、下反射镜部分314、散热器316和玻璃棒318。端板通过张力杆320相对彼此压缩夹持，从而将条板主体的所有上述部分夹持在端板之间精确、刚性的位置。压缩力可以完全由所述玻璃棒和散热器承受从而避免因受压缩力反射镜部分可能的变形。光伏电池组件360安装在所述散热器上。

与第一实施例相反的是，本实施例的各条板具有专用的驱动系统以使得条板的光轴对准入射光的方向。驱动系统部分地包括齿轮马达354，轴向安装其上的蜗杆356，与所述蜗杆相啮合的蜗轮358，附接于所述蜗轮齿并与之同轴的轮360，安装所述轮和蜗轮的轴杆350和半轴352以用于旋转，安装所述轴杆和齿轮马达的滑动内壳344，压装入端板328的槽内并可滑动地安装所述内壳的固定外壳342，以及施加于所述内壳及其内容物并对其进行外压的弹簧346。轴螺栓330穿过所述端板上的孔并牢固地固定在电池板外壳（未示出）的壁上从而可枢转地安装条板。驱动轮360与同一外壳的面对的壁上的柄啮合并由所述齿轮马达驱动，实现条板相对于外壳的角运动。

与第一实施例的条板不同的是，图13所示的动态轮廓包络线的直径大于其孔的宽度，其中后者与反射镜外边缘扫过的弧302的直径相等。因此设置在密堆积阵列中的这类条板在保证不发生碰撞的情况下不能倾斜离开该阵列的法向方向90度。然而，由于条板的形状，其处于弧302之外的部分被限制在条板的下角部分，从而使得在密堆积阵列中的这类条板能够在碰撞之前旋转高达65度，前提是相邻条板也同时倾斜至大致相同的角度。

非对称条板轮廓：图15和图16

图15和图16示出本发明实施例的条板轮廓，与图2至图14中所示的最简单形式相比，其具有不同的光学几何形状。其示出单轴反射器的变型，与最简单的形式相比，这些变型对称性更差且更复杂。

图15示出穿过条板的横截面图，该条板的几何形状与第一实施例中的几何形状类似，但其具有取代两个接收器之一的次镜。次镜430为抛物柱面，其定义的抛物线轴为水平的且垂直于主镜422、424、426和428的轴。与安装在主镜426和428之间的竖板432上的单个接收器60一样，主镜422和424之间的次镜430的垂直方向确保当对条板进行定向时，其隐藏于平行光10。对次镜430进行设置并成形，使得其捕集主镜426和428反射的平行光并进行第二次反射以将该光线聚焦于接收器60。因而，定向条板将所有其捕集的入射光聚焦于接收器，将从反射镜422和424直接反射的光和经次镜430从反射镜426和428间接反射的光合并。

次镜430具有抛物线轮廓，其焦点436稍稍偏向反射镜426和428共用焦点434的左侧。因此，次镜反射的光在到达接收器之前会聚，而不是在焦点434和436重合时将出现的情况那样保持平行。

条板能够利用一个或多个次镜，并且那些次镜不必为将反射光聚焦于接收器上而具有抛物线轮廓。例如，设计带具有凸椭圆轮廓的次镜的条板几何形状是可能的。

图16示出具有3个反射镜和2个接收器的条板的横截面图，所述3个反射镜和2个接收器位于具有非对称形状的条板对面中的每一个上，所述非对称形状大致近似于成90度角的V形。在本实施例中，适当定向的条板按如下步骤引导入射平行光10。落在反射镜522和523上的光被反射至竖板538上的接收器，落在反射镜524上的光被反射至竖板536上的接收器，落在反射镜525和526上的光被反射至竖板534上的接收器，以及落在反射镜527上的光被反射至竖板532上的接收器。

在本发明的一些应用中，具有更多数量的反射镜和接收器的条板几何形状可以具有某些优势。与条板的各横向半程上的单个接收器相比，一系列较小等间距的接收器将增加在紧靠焦线附近导电材料对光敏材料的比率，从而为给定尺寸的条板提供更有效的传导散热。

具有伸缩光伏聚光器的窗：图17至图26

本发明的第二完整实施例，参照图17至图26描述了具有伸缩光伏聚光器的多功能窗。图17示出窗的斜视图，该窗的聚光器是展开的并且其条板跟踪太阳。图18示出同一窗的斜视图，该窗的聚光器是缩回的，从而提供穿过该窗的开阔视野。图17和图18示出3种模式中的两种下的实施例。在第三种模式下，关闭展开的聚光器窗板以防止窗隔开的内部和外部空间之间的辐射热损失。

图19示出在本窗实施例中所用条板的光学几何形状，示出其法向方向20与本页垂直轴线相对齐的条板的横截面图，以及落在该条板上的平行光线10的射线所经过的路径。其几何形状类似于图16所示条板的几何形状，但不同的是具有8个而不是6个反射镜，并且从而聚集在4个接收器之一上的光线数量大致相等。在本实施例中，适当定向的条板按照以下步骤引导平行入射光10。落在反射镜622和623上的光被反射至竖板638上的接收器，落在反射镜624和625上的光被反射至竖板636上的接收器，落在反射镜626和627上的光被反射至竖板634上的接收器，以及落在反射镜628和629上的光被反射至竖板632上的接收器。共有相同目标接收器的每一对反射镜的水平跨度均近似地相等，通过依据入射光所引入的接收器将其分成光带可以看出来。因此，在光带602、604、606和608中的入射光分别被反射至竖板638、636、634和632上的接收器。跨越条板宽度的线644是条板端板640顶面的轮廓，所述端板640在图21中看的更为清楚。相对于垂直于条板法向方向20的平面，端板绕条板的旋转轴18稍稍倾斜以使得相邻条板能够紧密地堆叠，其中每隔一个的条板绕垂直于其端板平面的轴线旋转180度。

图20示出实施例的3种模式中的每一种下穿过一对相邻条板组件的横截面图：能量捕集模式（图A）、展开模式（图B）和缩回模式（图C）。因为各条板仅有一端装备有扁平电缆652、齿轮马达674和倾斜轮676，所以这些组件仅在每对的下条板部件中才是可见的，并且该端仅在相对于上部件翻转的下条板部件中才可以看到。在如图20A所示的能量捕集模式中，因为两条板均对准入射光的方向，所以其法向方向20是平行的。在如图20B所示的展开模式中，条板的端板是共平面的，并且条板接触的边缘形成关于对流和辐射热损失的屏障。在如图20C所示的缩回模式中，条板的端板平行且相互堆叠，并且在横截面图中看到的条板轮廓紧密堆叠。

图21示出单个条板及其相连的吊架组件的视图。图21A和B示出条板和所述组件的装配和分解的等轴测图，其中条板两端之间的大部分长度均略去。条板部件包括各种小组件和整件条板主体，其主要的结构是参照图19所述的形成抛物柱面和竖板的细长的V形槽，所述槽的斜端，雕刻端板640以及轴销642。条板部件的组件包括：光伏条650；扁平分支电缆652；组装了导体662、微处理器664和轴电触点666的电子设备模块660；以及包括弹簧支架672、倾斜齿轮马达674和倾斜轮676的倾斜驱动组件。

一对在条板部件的两端枢转安装该条板部件的吊架组件包括：支撑架682，具有轴承窝684、带槽686和电缆孔688；保形带690，具有切除部692；以及带锚定垫片696。

图22示出由4个相邻条板以及连接它们的吊架组件组成的部件的3个视图，其中吊架带690处于松弛状态，轻微地向外弯曲。因为吊架带偏离倾斜轮696,所以除非在条板直接面向上方时，否则该轮不能获得牵引力。因此，条板自动地面向上对齐。

图23示出如图22所示部件的两个视图，其中施加于带690的张力将其拉动张紧，使得无论其条板的倾斜度如何倾斜轮676均与带690接合，并且所述倾斜轮能够驱动其各自的条板至任意的倾斜角度。图中，所有4个条板的法向轴与阵列的法向轴方向一致，所述4个条板均直接面向右侧。

图24和图25示出穿过本实施例上部的横截面图。图24示出在能量捕集模式下展开的聚光器系统，以及图25示出处于缩回位置的聚光器。在两图中，剖切平面在窗的中间平面之上。在这些横截面图中标记的聚光器系统的结构在其它图中进行了描述，诸如下文所述的图26。外壳的结构包括平行的窗玻璃块782、顶部框架组件776、提供电缆通道的顶槽778以及侧面框架组件790。

图26示出通过隐去窗外框架和窗玻璃所显示的缩回的聚光器系统，其中所述系统处于部分缩回的状态。该系统的主视图通过4个局部视图进行补充。伸缩机构使用单连续循环电缆722以展开和缩回条板阵列，其中所述电缆沿系统的侧面和顶部穿过，通过4个底部滑轮730、4个交叉滑轮734和4个拐角滑轮738进行引导，并且由在图左上部分的局部视图进行放大的驱动机构所推动。

驱动机构的功能是在任一方向上推动电缆并保持其张力，即使在电缆随着时间而轻微地拉长时，该机构包括2个组件：刚性安装在窗框架776的顶部组件（见图24和图25中的横截面图）内的驱动组件和可滑动地安装在所述组件内的滑轮组件。驱动组件包括驱动块744、可旋转地安装在与所述块成一整体的心轴上的双槽卷轴748、控制所述卷轴旋转的齿轮马达746。滑轮组件包括滑轮块752、可旋转地安装在与所述滑轮块成一整体的心轴上的双槽卷轴754以及安装在所述块内连接件上并压缩地加载顶着驱动块744的弹簧756。电缆722穿过驱动机构两圈，在每种情况下，均经过第一卷轴，缠绕第二卷轴约220度，交叉返回至第一卷轴并绕其缠绕约220度，然后返回至第二卷轴。如图可见，从左前方进入机构的电缆跨度接入卷轴的下槽并向右后方退出，而从右前方进入的跨度接入卷轴的上槽并向左后方退出。

电缆722具有在底部滑轮730和顶部滑轮734或738之间穿过的8个跨度，并且这些跨度能够分成4个外跨度和4个内跨度，所述4个外跨度恰好位于折叠带692边缘之外，所述4个内跨度穿过吊架支架682上的孔688。4个珠状节点724沿内跨度在相同高度的4点之一处固定至电缆，并且用于安装条板的最底端的一对吊架支架均通过其各自孔分别固定至这些节点中的两个。电缆如此布线使得当电缆在驱动机构的作用下移动时，所述属于所有4个内跨度的节点在相同方向同时移动并且保持相同的高度，从而确保固定最底端的一对吊架支架的4个点保持平行并垂直于窗的垂直壁。

要展开聚光器，驱动卷轴748以顺时针方向旋转（见图26），从而使得4个节点624和固定其上的最底端吊架对下降。当所述吊架到达其展开位置时，吊架带690变得张紧，从而确保条板的相等间距，并且提供条板的倾斜轮676能够在其上获得牵引力的表面。要缩回聚光器，驱动卷轴748以逆时针方向旋转，从而使得4个节点和最底端吊架对上升。当吊架带松弛时，其向外弯曲，从而导致条板的倾斜轮失去牵引力并且导致条板从而呈现面向上方的位置，该位置使得条板在最底端板上升时紧密地堆叠。

参照图24至图26，安装在窗框架顶部组件776内的电子设备模块762包括微处理器和允许电池板的模式通过手持遥控装置进行控制的无线通信设备。所述模块装备有电力电缆764来用于从外部电力系统传送和接收电源和数据、向伸缩驱动马达供应电源的电线766、和一对将模块连接至电连接器的一对电力电缆，其在一对电力电缆768内，所述电力电缆768插入在顶部一对吊架支架702中的连接器706内，以向条板部件提供电气连接。嵌入吊架支架702和682以及吊架带690的导体提供从连接器706至各个条板部件的轴电触点666的导电通路，并且从而提供在所述电子设备模块和条板电气系统之间的电路。这些电路是平行的，从而使得横跨在聚光器组件每侧上的所述吊架支架和带的两条导电通路用于所有的条板，并且当条板在能量收集模式下工作时计算由条板递送的电流总和。当条板处于其它模式时，这些电路还提供恒定电压以向条板的电子设备供电。利用附加的且不会影响模拟电源传输的数字编码信号，同一导电通路还用于电子设备模块762和条板微控制器664之间的双向通信。

当聚光器阵列处于其能量收集模式下时，条板分别跟踪太阳的运动，各条板调整其倾斜角以使得其法向轴与光线方向一致。条板部件的倾斜控制器可以自动地完成该功能，或者可用来自电池板控制器的输入做到这一点。例如，倾斜控制器可以向电池板控制器询问其对目前的太阳角度位置的估值，移动条板以与该角度一致，并随后重复地测量条板两个对面上的接收器的相对输出，并在移动更靠近太阳具有较大输出的一侧的方向上少量地旋转条板。

双轴反射器实例：图27和图28

图27示出本发明的实施例，其中所述反射器具有6个轴对称部分且具有圆形的轮廓。图27A是反射器光轴方向上的视图，且图27B是穿过反射器对称反射平面的横截面图，其包括反射器6个焦点中的2个。

图27所示的反射器800具有6个相同的部分，各部分占有60度的楔形部分并且具有2个抛物面镜和位于竖板上的光伏电池，所述竖板跨装在反射器相对部分上的2个抛物面镜的重合焦点上。在图1中，6个部分分别具有大反射抛物面表面821、822、823、824、825和826；小反射抛物面表面831、832、833、834、835和836；以及接收器841、842、843、844、845、和846。

各接收器嵌入竖板802内，竖板802介于大抛物面镜和小抛物面镜之间。所述接收器嵌入竖板的3个面之一上，该竖板面向反射器的相对部分并跨装在所述部分上2个反射镜的共同焦点上。因此，例如，电池844跨装在焦点854上，并且设置成可吸收从6个部分的反射器相对部分上的小镜面831和大镜面821反射的光。

虚线862和864示出2条入射光线是如何反射的，上述各入射光进入平行于其光轴的反射器。光射线862被抛物面表面831反射后落在接收器844上，而光射线864被抛物面表面821反射后落在接收器844上。

图28示出改变确定具有重合焦点的竖板位置的设计参数的影响，在具有圆形的轮廓（从反射器的光轴线方向看）和4个对称部分的反射器实施例中，所述竖板位于反射器的顶点及其边缘之间。该设计参数与参照图5确定所述竖板布置的参数相同，在这种情况下，可应用于具有抛物面镜的反射器。图中示出标记为A、B和C的3个反射器，每个反射器有2个视图：左侧的斜视图和右侧的横截面图。附加在各横截面图上的虚线圆42示出，当反射器绕反射器边缘最外侧点的矩心转动时，反射器边缘所需的近似动态轮廓包络线。

图28还示出图4所示的描述反射器形状形成的一些几何体。横截面图示出形成抛物面表面的下抛物线80和上抛物线90。对应于图4A中的Y轴且包括抛物线80和90的共同的焦点68和顶点81和91的轴78，也是由它们所形成的抛物面的旋转轴。

如图5中所研究的单轴反射器的情况一样，图28所示简单形式的抛物面反射器的更理想的情形是：将竖板设置在反射器上边缘和下顶点之间的中间距离上，实例B比实例A和C更优选。因与图5中实例B和E相同的一组原因，图28中的实例B是有利的。与实例A相比，实例B提供了焦点68后更大的空间，以用于安装电子设备和与接收器相连的热管理设备。与实例C不同的是，实例B完全地将反射器拟合至虚线圆42所示的圆形动态轮廓包络线内，从而使得反射器可绕密堆积阵列内不受限运动范围的其上边缘的矩心转动。与实例A和C相比，实例B提供了落在接收器上更小的平均入射角。

具有与密堆积阵列轮廓相符的4个部分的反射器

图29和图30示出本发明的实施例，其中反射器具有2条反射对称和可操作的动态轮廓包络线，其设计用于密堆积阵列的反射器，各该等反射器允许各自移动。图29示出反射器及其相连的支撑以及角定位装置900，其中后者影响反射器相对于2条垂直枢转轴的运动，枢转轴在反射器上边缘的矩心处相交。图30示出反射器的视图和截面图，其中图20A是反射器的等轴测图，图30B是其光轴向下的视图，以及图30C至E是图30B所示的横截面图。

反射器910具有彼此相同或镜像的4个部分，每个部分占据图30B中的截线C和E分割的4个象限之一。每个象限具有一组抛物面镜，该组抛物面镜共有光轴和位于反射器对面的竖板932上的重合焦点912。如图30B可看到，仅标记了右上象限的抛物面镜和接收器，并仅标记了左下象限的竖板部分。2个最大的抛物面922和925由包括接收器960的竖板932的跨距隔开，并且5个其它抛物面由所述竖板的较小的跨距隔开。为减小尺寸并增大深度，抛物面为922、923、924、925、926、927和928。当如图30B向下看反射器的法向轴时，抛物面镜完全覆盖反射器的轮廓，其中隔开反射镜与所述轴相平行的竖板932显示为一组线和弧。

选择抛物面表面的边界形状和抛物线的比例因子（界定其三维形状）以达到各种目的，包括：使竖板到位并具有适于安装接收器大小；为光线提供从抛物面表面至接收器的无阻碍路径；以及将整个反射器拟合至所需的动态轮廓包络线内。

图29和图30所示的反射器形状被设计为利用美国临时专利申请61/200，835所述的双轴角定位装置，拟合模块所要求的动态轮廓包络线。该文献描述了扁平形状的一个参数系列，在使用所述角定位装置进行双轴旋转安装时，其中每个反射器描绘出投影到X-Y平面上完全在原平面形状内的三维形状。浅碟型、X-Y轮廓非常接近于该形状并且其边缘仅稍稍偏离平面的反射器，该平面平行于包括角定位器的旋转矩心的X-Y平面，能够堆积成密集阵列，使得无论邻近的反射器在其各自安装位置如何运动，均不会发生碰撞。

固定几何形状阵列：图31和图32

图31和图32示出本发明的实施例，其中反射器由彼此之间存在固定关系的相同单元的阵列所构成，其中各单元具有本发明光学几何形状的基本结构。图31A示出由9个单元所组成的反射器的斜视图，其中每个单元在具有4个轴对称部分和4个反射对称平面的结构中具有8个抛物面镜和4个接收器，以及图31B示出从阵列中移除的一对的接收器组件。图32示出包括16个单元的反射器的等轴测图，每个单元在具有6个轴对称部分和6个反射对称平面的结构中具有12个抛物面镜和6个接收器。在各图中，仅标记各实施例的两种类型反射镜中代表性的一个反射镜。

在图31所示的实施例中，反射器主体1010跨9个单元的固定阵列。各单元的4个部分中的每一个具有2个抛物面镜、由竖板1032隔开的上反射镜1022和下反射镜1024，其中所述竖板穿有矩形的孔并填充有接收器组件的光伏电池1060。若干这类接收器组件1062部分在阵列的对面是可见的，并且如图31B所示，在阵列的内部，可发现一对2个这类组件。接收器组件主体内的圆柱空腔提供了自光伏电池的电线1068的通道，并且所述接收器组件主体上的散热器1064有助于散热。

在如图32所示的实施例中，反射器主体1110跨16个单元的固定阵列。各单元6个部分中的每一个具有2个抛物面镜、由竖板1132隔开的上反射镜1122和下反射镜1124，其中所述竖板穿有矩形的孔并填充有如参照图31所描述的接收器组件的光伏电池。本实施例与上一实施例相比具有优势，落在接收器上的光线平均入射角更小，然而上一实施例的优势在于反射器恰好覆盖了矩形区域并且因而能够填充矩形外壳的孔。

具有减小的表面面积的反射器：图33

图33示出本发明实施例的反射器，其中通过用抛物面镜替代那些没有接收器的竖板表面，垂直竖板的范围减小了。图33A示出反射器的等轴测图，并且图33B示出从反射器法向轴向下看的视图。反射器具有绕轴1220的6个轴对称部分，其中6个相同部分中的每一个具有反射对称的平面。在图33中，该部分仅标记反射镜和竖板。

与上述实施例相同的是，反射器具有在竖板1232之下较大的抛物面镜1224和在所述竖板之上较小的抛物面镜1222，其中2个反射镜共有位于反射器的相对部分的竖板上的焦点1212。与上述实施例不同的是，本反射器具有抛物面镜1226和1228，其分别具有焦点1216和1218，所述焦点位于与具有上述反射镜部分正相对部分的两侧的反射器部分上。因而，尽管抛物面镜1222和1224共有旋转轴1202，但是抛物面镜1226和1228分别具有旋转轴1206和1208。

图33A还示出抛物线1246，其绕轴1206的旋转形成反射镜1226附属其上的抛物面，其中点1245和1247连接所述抛物线部分，该部分扫过覆盖所述反射镜的最小部分的抛物面。图33B也用虚线示出每个标记反射镜反射的代表性的光射线的路径。

与类似的前述实施例相比，如图33所示的反射器要求具有更小的表面面积并因而需要更少的材料，并且具有较少的竖板并因而在竖板和反射镜之间具有较小的锐二面角。因此，本实施例潜在地提供更大的材料经济性和制造简易性。由于反射镜1226及1228和它们引导光线所至的接收器之间的角度关系，本实施例做到这一点的代价是落到接收器的平均入射角略高。

本领域的技术人员将能够预见到对所述实施例的许多变更形式。例如，图33所示的反射器可以变更为具有8个轴对称部分，并且反射镜可以具有位于正相对部分任一面的第二部分而不是第一部分上的焦点，所述反射镜与反射器8个部分中的每个部分上的竖板1232侧面相接。上抛物面镜1222可以移除。通过移除除最大的抛物面镜1224之外的所有反射镜，此时接收器凸出在这些反射镜之上，上述反射器可进一步简化。但是这类变更将降低反射器的孔径效率。

本发明的结论、衍生和范围

虽然以上描述包含许多具体的方式，但是这些不应理解为对本发明范围的限制，而应为本发明若干实施例的示例。许多其它的变型也是可能存在的。因此，本发明的范围不应由所示的实施例，而应由所附的权利要求书及其法律等同形式进行限定。

Claims (15)

1.一种用于从光源收集能量的装置，所述装置包括：具有孔的反射器，所述反射器将平行于其光轴的光聚焦到位于所述反射器的表面上或与所述反射器的表面邻近的多个点或带上，其中所述反射器包括多个反射表面，每个所述反射表面具有旋转抛物面的部分的形状，所述反射表面的一个或多个焦点与所述点或者带的一个重合并且所述反射表面的光轴与所述反射器的光轴平行。

2.根据权利要求1所述的装置，包括多个接收器，其中所述多个接收器中的每个接收器与至少一个所述反射表面的一个或多个焦点邻近。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述反射器包括多个竖板，其中第一竖板被连接到所述多个反射表面中的第一反射表面和第二反射表面，所述第一反射表面具有一个或多个第一焦点且离所述孔较近；所述第二反射表面具有一个或多个第二焦点且离所述孔较远；并且所述一个或多个第一焦点和所述一个或多个第二焦点位于与面向所述第一竖板的第二竖板邻近。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述第二竖板包括与所述一个或多个第一焦点和所述一个或多个第二焦点中的至少一个邻近的开口，并且接收器被安装成与所述开口邻近。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述多个反射表面包括面向所述第一反射表面和所述第二反射表面的第三反射表面，并且当从所述孔沿着所述反射器的对称轴看时，所述第三反射表面隐蔽与所述开口邻近安装的所述接收器。

6.根据权利要求3所述的装置，其中所述第二竖板包括与所述一个或多个第一焦点和所述一个或多个第二焦点中的至少一个邻近安装的接收器。

7.根据权利要求1所述的装置，其中多个反射表面的每一个具有简单旋转抛物面的部分的形状。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个反射表面的至少一个的抛物线轴偏离所述多个反射表面的至少一个的旋转轴。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述反射器的功能是散热器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述反射器具有对称部分，该对称部分选自两个轴对称部分和两个反射对称部分、四个轴对称部分和四个反射对称部分、以及六个轴对称部分和六个反射对称部分。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括用于两个轴跟踪的模块。

12.根据权利要求1所述的装置，其中当所述反射器完全地保持在具有所述反射器的孔的直径的动态轮廓包络线内时，所述反射器被限定尺寸以绕着其上边缘的矩心旋转经过不受限运动范围。

13.根据权利要求1所述的装置，包括被配置成在所述装置的密堆积阵列内的角度范围内旋转的V形槽。

14.一种用于从光源收集能量的系统，所述系统包括根据权利要求1所述的装置的阵列。

15.一种使用具有孔的反射器从光源收集能量的方法，所述方法包括将平行于反射器光轴的光聚焦到位于所述反射器的表面上或与所述反射器的表面邻近的多个点或带上，其中所述反射器包括多个反射表面，每个反射表面具有旋转抛物面的部分的形状，所述反射表面的一个或多个焦点与所述点或者带的一个重合并且所述反射表面的光轴与所述反射器的光轴平行。

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