CN102405381A - 收集太阳能之固定式抛物面太阳能系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

太阳能收集器系统包括基座，以及基座所承载的抛物面槽式收集器，以将阳光反射至长轴焦线，抛物面槽收集器包括相对于地面而水平设置的中心区段，以及相邻于所述中心区段的相对末端区段，且每一个末端区段皆与地面呈夹角，导管沿着长轴焦线而设置，以接收反射的阳光，导管使热传送液体通过其中而进行循环，以受反射阳光加热。

Description

收集太阳能之固定式抛物面太阳能系统及相关方法

技术领域

此申请案优先权主张于2009年3月17日提出申请的美国临时申请案第61/160,775号，其整体内容于此并入做为参考。

本发明相关于太阳能收集器系统的领域，以及更特别地是，相关于槽式抛物面太阳能收集器。

背景技术

有各式各样的太阳能收集器系统能够将太阳能转换成为更容易使用或储存的其它形式能量，典型地，这些系统使用太阳能收集器，以收集太阳辐射，并将其转换成为更有用的形式的能量，例如：热。

平板式太阳能收集器已被用于低能量应用中，例如，加热水，产生低压蒸汽，补充空调与加热系统，以及类似者，平板收集器并未聚焦太阳的辐射，且应用性受限。

另一种型态的收集器通常称为集中型收集器，这些收集器在特殊的区域中聚焦、或集中太阳辐射能，集中型收集器可设计为在具适当流动率的高温下操作，因此可于实质上增加并用这些收集器的系统的多功能性，进而超越采用平板收集器的系统。

一种型态的集中型收集器是抛物面收集器，此型态的收集器使用具有抛物线截面的延长反射槽来集中沿着延伸通过槽的抛物面组件的焦点的纵轴焦线的阳光辐射，导管可设置为沿着此纵轴焦线，而热传送液体可通过导管进行循环，在此，其将会受到阳光能量的加热，可由这些收集器获得在高温下令人满意的流动率。

藉由追踪系统的协助，当抛物面槽收集器随着太阳移动时，它们可变得效率非常高，美国专利第6,886,339号揭示一种太阳能收集系统，其所包括的抛物面槽收集器与可提供相对于转动单轴的移动的定位系统一起操作，控制器可驱动马达而使抛物面槽收集器相对于长轴焦线而枢转，然而，因为对于如此之追踪系统的需求，因此，当太阳在白天期间由东边移动至西边时，典型地，抛物面槽收集器要仰赖复杂且昂贵的转动集合来将抛物面槽收集器定位为直接朝向太阳，因此，有需要一种能够不仰赖复杂且昂贵的旋转集合来使抛物面槽收集器定位为直接朝向太阳的太阳能收集器系统。

关连于太阳能收集器系统的另一个问题是有关于沿着焦线设置的导管，为了最大化收集器的效率，需要小的焦点，然而，此却典型地需要对于反射面的规律调整，所以，其中的一种权衡是使用较大的焦点来收集更多的能量，不过，由于要进行加热的液体的体积较大，故也会让效率降低，因此，亦有改善太阳能收集器系统的导管效率的需求。

发明内容

有鉴于前述的背景，因此本发明的目的即在于提供简明直接且同时具有效率的太阳能收集器系统。

依照本发明的这个以及其它目的、优点、以及特性的提供所凭借的太阳能收集器系统包括，至少一基座，以及由该至少一基座所承载的至少一抛物面槽收集器，以用于将阳光反射至长轴焦线，至少一抛物面槽收集器包括相对于地面而水平设置的中心区段，以及相邻于中心区段的相对末端区段，且每一个末端区段皆与地面呈夹角。

抛物面槽收集器以及基座在将阳光反射至该长轴焦线时，可维持为固定，固定式太阳能收集器系统的优点是，抛物面槽收集器不需要随着太阳于白天期间由东边至西边的移动而旋转，因为其总是有一个区段会指向太阳。

太阳能收集器系统更可包括耦接至每一个基座的至少一倾斜装置，以调整抛物面槽收集器相对于地面的纬度角度，此具优势地补偿了太阳的季节性转动。

太阳能收集器系统更可包括沿着长轴焦线设置的导管，以接收反射的阳光，导管使热传送液体通过其中而进行循环，以受反射阳光加热。

导管更可包括相对于地面而水平设置的中心区段，以及与中心区段相邻的相对末端区段，且每一个末端区段皆与地面呈夹角，换言之，导管的外型轮廓相符于抛物面槽收集器的外型轮廓。

导管可包括内部软管以及间隔分开的外部软管，且热传送液体于内部以及外部软管间进行循环，藉由在内部以及外部软管间循环热传送液体，可在减少热传送液体体积的情形下具优势地获得较大的焦点。

内部以及外部软管的每一个皆可为U型，导管更可包括导管覆盖，以覆盖U型内部以及外部软管被暴露的上部部分，进而密封热传送液体，导管覆盖亦可覆盖U型内部软管的已暴露部分间的内部软管，导管覆盖可包括透明材料，以及内部以及外部软管的每一个皆可包括不透明涂层。

抛物面槽收集器以及基座可形成为一整体单元，抛物面槽收集器以及基座可包括热塑性材料以及热固定材料。

相对于典型地会旋转而追踪太阳的抛物面槽太阳能收集器面板，此显著地降低了安装、运输、以及维持成本。

太阳能收集器系统可包括彼此相邻的多个基座，同样地，可以是彼此相邻的多个抛物面槽收集器，每一个基座皆承载具有沿着长轴焦线设置的导管的分别抛物面槽收集器，导管更可包括分别的相互连结区段，以将相邻的导管连结在一起，此外，相邻的抛物面槽收集器可被耦接在一起。

另一方面构想所针对的太阳能收集器系统包括，至少一基座，由该至少一基座所承载的至少一收集器，以用于将阳光反射至一长轴焦线，以及沿着长轴焦线设置的导管，以接收反射的阳光，导管包括内部软管，以及与内部软管间隔分开的外部软管，且热传送液体于内部以及外部软管间进行循环，关连于基本收集器的导管所具有的优势在于，由于热传送液体于内部以及外部软管间进行循环，因此，可在减少热传送液体体积的情形下具优势地获得较大的焦点。

再一方面构想所针对的是利用太阳能收集器系统收集太阳能的方法，该方法可包括提供至少一基座，以及由该至少一基座所承载的至少一抛物面槽收集器，该至少一抛物面槽收集器包括相对于地面而水平设置的中心区段，以及相邻于中心区段的相对末端区段，且每一个末端区段皆与地面呈夹角，该方法更可包括利用该至少一抛物面槽收集器而将阳光反射至长轴焦线，导管沿着长轴焦线而设置，以接收反射的阳光，以及热传送液体通过导管而进行循环，以受反射阳光加热。

附图说明

图1：为根据本发明的固定式太阳能系统的透视图；

图2：为根据本发明的单个抛物面槽收集器的侧面透视图；

图3：为图2中所阐明的抛物面槽收集器的侧视图；

图4：为图2中所阐明的抛物面槽收集器的端面图；

图5：为根据本发明的单个抛物面槽收集器的侧面透视图，其具有与其相关连的倾斜装置，以补偿太阳的季节性旋转；

图6：为图1中所阐明的固定式抛物面太阳能系统的另一实施例的透视图；

图7：为根据本发明的抛物面槽收集器以及位在其上的导管的部分侧面透视图；

图8：为图7中所阐明的导管的部分侧面透视图；以及

图9：为阐明根据本发明的利用太阳能收集器系统收集太阳能的方法的流程图。

具体实施方式

现在，本发明将参考显示本发明较佳实施例的所附图式而于之后进行更全面的叙述，不过，本发明亦可实施为许多不同的形式，且不应被解释成需限制为在此所提出的实施例，更确切地，这些实施例是提供来使此份揭示更完善以及完整，并且将完全地向本领域具通常知识者传达本发明的范畴，在整份文件中，相同的符号表示相同的组件，以及首位的标记是用来指示在替代实施例中的类似组件。

一开始，请参阅图1，固定式抛物面太阳能系统10包括间隔分开且并排的多个抛物面槽收集器12，以及与其相关连的导管14，每一个抛物面槽收集器12被塑形为其一部份总是会指向太阳，固定式抛物面太阳能系统10的优点是，因为其总是有一部份朝向太阳，因此当太阳在白天期间由东边移动至西边时，抛物面槽收集器12不需要进行旋转。

现在，请参阅图2-图6，每一个抛物面槽收集器12皆包括中心区段22，以及一对具角度的末端区段24，26，其中一个具角度的末端区段24在太阳升起的早晨指向太阳，反之，另一个具角度的末端区段26则是在太阳落下的傍晚指向太阳，每一个末端区段24，26皆可与地面夹25至65度范围内的角度，所阐明的末端区段24，26显示为与过渡至中心区段22的曲面夹45度角，由于中心区段22是平坦的，因此，其是在太阳更直接地位于顶上时指向太阳。

中心区段22以及具角度的末端区段对24，26耦接至基座30，基座亦可称之为支架，基座30被拴锁于地面，以将抛物面槽收集器12维持在适当的位置，由于没有会移动的部分，因此，每一个抛物面槽收集器12皆可形成为与其基座30一体成形，此则是具优势地增加了制造效率。

每一个抛物面槽收集器12皆可由铸模材料形成，铸模材料包括热塑性材料、或热固性材料，正如本领域具通常知识者所能轻易理解的一样，铸模材料可以聚合物、或聚酯为基底，聚合物亦可以是纤维增强的。

在形成每一个抛物面槽收集器12时，可利用STF(SheetlessThermoForming^TM)程序而将动力控制的材料层直接递送至模具，以挤压成形，此程序是利用直接起自挤压器的单步操作而铸造大量加热成形产物的快速且具成本效益的方法。

由于每一个抛物面槽收集器12皆为固定的，且皆可与基座30为一体成形，因此，相对于典型的会旋转而追踪太阳的抛物面槽太阳能收集器面板而言，此显著地降低了安装、运输、以及维持成本。

抛物面槽收集器12的尺寸可以是8呎宽，15呎长，以及8呎高，当然，抛物面槽收集器12也可以形成为其它的尺寸，取决于应用的意图，虽然在图1中所阐明的抛物面槽收集器12为间隔分开，但它们也可设置为彼此间没有间隔，如图6中所阐明的一样，再者，抛物面槽收集器12的侧边可配置为使它们具有连锁的侧边，也可以利用夹子、或钳子来替代连锁的侧边，以将相邻的一对抛物面槽收集器12耦接在一起。

每一个抛物面槽收集器12皆具有反射表面，以将阳光反射至长轴焦线，反射膜、或涂层是位在反射面上，涂层可以是，例如，反射漆，要避免使用镜子，因为镜子会显著地增加抛物面槽收集器12的重量。

倾斜装置33可由每一个基座30进行承载，以调整抛物面槽收集器12相对于地面的纬度角度(latitudinal angle)，正如所阐明的，基座30的一侧可倾斜，以在太阳于季节性转动期间产生移动时，增加抛物面槽收集器12的表面积，换言之，抛物面槽收集器12是以南北向进行旋转。

倾斜装置33可以是，例如，螺旋千斤顶，一整年中抛物面槽收集器12的旋转可落在，例如，正负10度以内，虽然所阐明的基座30具有一对与其相关的倾斜装置33，但真实的数量将可取决于基座的配置而有所变化。

控制器35被连接至倾斜装置33，以对其进行控制，因此，每一个基座30皆递增地进行调整，以提供所需的转动，正如本领域具通常知识者所能轻易理解的一样，一个控制器35可控制组成固定式抛物面太阳能系统10的多个基座30的倾斜装置33。

现在，将对导管14进行更详细的讨论，虽然导管14是相关于抛物面槽收集器12而进行讨论，但导管14也可应用于其它型态的太阳能收集器系统，正如本领域具通常知识者所能轻易理解的一样，换言之，所阐明的关连于抛物面槽收集器12的导管14是作为举例说明的目的，并非要被视为限制。

导管14包括间隔分开的平行区段16，设置为沿着抛物面槽收集器12的长轴焦线，相互连接区段18耦接至平行区段16，热传输液体(亦即，流体)透过导管14进行循环，在此，其将受到太阳的能量的加热。

正如在图7以及图8中的部分透视图所最佳阐明的一样，导管14的平行区段16包括内部软管、或管子40，以及外部软管、或管子42，其中，热传送液体在内部以及外部软管间进行循环，通过将热传送液体限制在内部以及外部软管40以及42的范围内，可以减少受热的流体体积，不过，外部软管42提供用于收集阳光的较大焦点。

正如本领域具通常知识者所能轻易理解的一样，软管的体积相等于软管长度L的πr²倍，较大半径的软管具有较大的焦点，这使得收集用于加热热传送液体的太阳能变得更容易，不过，这却需要加热较大体积的热传送液体，因而会降低太阳能系统10的效率。

较小半径的软管具有较小的焦点，这表示，需进行加热的热传送液体体积较小，然而，较小半径的软管却典型地需要周期性的调整，以让软管可适当地相关于抛物面槽收集器12的长轴焦线而排列，以用于收集太阳能。

藉由在内部以及外部软管40以及42之间循环热传送液体，可在减少热传送液体体积的情形下具优势地获得较大焦点，内部以及外部软管40以及42两者皆具有不透明的涂层。

导管14的平行区段16的另一个特殊特性是，其具有U型、或半圆形的形状，换言之，每一个平行区段16的最高、或顶端一半会被移除，此则是具优势地减少了待受热的热传送液体的体积，导管遮盖50被附加至暴露出来的内部以及外部软管40以及42，以密封热传传液体以及内部软管40的内部表面，导管遮盖50可以是透明的，以藉由让阳光进入但防止热逃脱而创造温室(green house)的效果。

耦接至平行区段16的相互连接区段18不需要如平行区段一样的内部/外部软管配置，替代的，相互连结区段18包括的是单独的软管、或管子，以使热传送液体循环至或自平行区段16，相互连结区段18亦可以为隔热的。

另一方面的构想所针对的是利用如上述的太阳能收集器系统10而收集太阳能的方法，现在，请参阅图9中所阐明的流程图100，由开始(方块102)起，此方法包括，提供至少一基座30，以及由至少一基座所承载的至少一抛物面槽收集器12(方块104)，至少一抛物面槽收集器12包括相对于地面为水平设置的中心区段22，以及相邻于中心区段的相对末端区段24，26，每一个末端区段皆与地面呈夹角，此方法更包括，利用至少一抛物面槽收集器12将阳光反射至长轴焦线(方块106)，导管14设置为沿着长轴焦线，以接收反射的阳光(方块108)，热传送液体通过导管14而进行循环，以受到反射阳光的加热(方块110)，此方法结束于方块112。

本发明的许多修饰以及其它实施例将可获本领域具通常知识者的了解为具有呈现于先前叙述以及相关图式中的教示的益处，因此，可理解地是，本发明并非被限制于所揭示的特殊实施例，并且，修饰以及实施例是意欲于被包含在所附权利要求的范畴之中。

Claims (35)

1.一种太阳能收集器系统，包括：

至少一基座；以及

至少一抛物面槽收集器，由所述至少一基座所承载，以用于将阳光反射至长轴焦线，所述至少一抛物面槽收集器包括：

中心区段，相对于地面而水平设置；以及

相邻于所述中心区段的相对末端区段，且每一个末端区段皆与地面呈夹角。

2.根据权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述至少一抛物面槽收集器以及所述至少一基座在随着太阳于白天期间由东边至西边的移动而将阳光反射至所述长轴焦线时，维持为固定。

3.根据权利要求1所述的太阳能收集器系统，其更包括至少一倾斜装置，耦接至所述至少一基座，以调整所述至少一抛物面槽收集器相对于地面的纬度角度。

4.根据权利要求1所述的太阳能收集器系统，其更包括一导管，设置为沿着所述长轴焦线，以接收反射的阳光，所述导管使一热传送液体通过其中而进行循环，以受反射阳光加热。

5.根据权利要求4所述的太阳能收集器系统，其中，所述导管包括中心区段，相对于地面而水平设置，以及与所述中心区段相邻的相对末端区段，且每一个末端区段皆与地面呈夹角。

6.根据权利要求4所述的太阳能收集器系统，其中，所述导管包括内部软管以及间隔分开的外部软管，且所述热传送液体于所述内部以及外部软管间进行循环。

7.根据权利要求6所述的太阳能收集器系统，其中，所述内部以及外部软管的每一个皆为U型。

8.根据权利要求7所述的太阳能收集器系统，其中，所述导管更包括一导管覆盖，以覆盖所述U型内部以及外部软管被暴露的上部部分，进而密封所述热传送液体。

9.根据权利要求8所述的太阳能收集器系统，其中，所述导管覆盖亦覆盖所述U型内部软管的已暴露部分间的内部软管。

10.根据权利要求8所述的太阳能收集器系统，其中，所述导管覆盖包括透明材料，以及其中，所述内部以及外部软管的每一个皆包括不透明涂层。

11.根据权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述至少一抛物面槽收集器以及所述至少一基座形成为整体单元。

12.根据权利要求11所述的太阳能收集器系统，其中，所述至少一抛物面槽收集器以及所述至少一基座的每一个皆包括热塑性材料以及热固定材料的至少其中之一。

13.根据权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述至少一抛物面槽收集器的每一个末端区段与所述地面之间的一角度落在25至65度的范围内。

14.根据权利要求13所述的太阳能收集器系统，其中，每一个末端区段以及所述地面之间的所述角度大约45度。

15.根据权利要求2所述的太阳能收集器系统，其中，所述至少一基座包括彼此相邻的多个基座，其中，所述至少一抛物面槽收集器包括彼此相邻的多个抛物面槽收集器，其中，每一个基座皆承载一分别的抛物面槽收集器，其具有沿着所述长轴焦线设置的一导管，以及其中，所述导管更包括一分别的相互连结区段，以将相邻的导管连结在一起。

16.根据权利要求15所述的太阳能收集器系统，其中，相邻的抛物面槽收集器被耦接在一起。

17.一种太阳能收集器系统，包括：

至少一基座；

至少一收集器，由所述至少一基座所承载，以用于将阳光反射至长轴焦线；以及

导管，设置为沿着所述长轴焦线，以接收反射的阳光，所述导管包括：

内部软管；以及

外部软管，与所述内部软管间隔分开，其中热传送液体于所述内部以及外部软管间进行循环。

18.根据权利要求17所述的太阳能收集器系统，其中，所述内部以及外部软管的每一个皆为U型。

19.根据权利要求18所述的太阳能收集器系统，其中，所述导管更包括导管覆盖，以覆盖所述U型内部以及外部软管被暴露的上部部分，进而密封所述热传送液体。

20.根据权利要求19所述的太阳能收集器系统，其中，所述导管覆盖亦覆盖所述U型内部软管的已暴露部分间的内部软管。

21.根据权利要求17所述的太阳能收集器系统，其中，所述导管覆盖包括透明材料，以及其中，所述内部以及外部软管的每一个皆包括不透明涂层。

22.一种利用一太阳能收集器系统收集太阳能的方法，包括下列步骤：

提供至少一基座，以及由所述至少一基座所承载的至少一抛物面槽收集器，所述至少一抛物面槽收集器包括相对于地面而水平设置的中心区段，以及相邻于所述中心区段的相对末端区段，且每一个末端区段皆与地面呈夹角；以及

利用所述至少一抛物面槽收集器而将阳光反射至长轴焦线。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述至少一抛物面槽收集器以及所述至少一基座在随着太阳于白天期间由东边至西边的移动而将阳光反射至所述长轴焦线时，维持为固定。

24.根据权利要求22所述的方法，其更包括，利用耦接至所述至少一基座的至少一倾斜装置而调整所述至少一抛物面槽收集器相对于地面的纬度角度。

25.根据权利要求22所述的方法，其更包括，沿着所述长轴焦线设置导管，以接收反射的阳光，所述导管使热传送液体通过其中而进行循环，以受反射阳光加热。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述导管包括中心区段，相对于地面而水平设置，以及与所述中心区段相邻的相对末端区段，且每一个末端区段皆与地面呈夹角。

27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述导管包括内部软管以及间隔分开的外部软管，且所述热传送液体于所述内部以及外部软管间进行循环。

28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述内部以及外部软管的每一个皆为U型。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述导管更包括导管覆盖，以覆盖所述U型内部以及外部软管被暴露的上部部分，进而密封所述热传送液体。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述导管覆盖亦覆盖所述U型内部软管的已暴露部分间的内部软管。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述导管覆盖包括透明材料，以及其中，所述内部以及外部软管的每一个皆包括不透明涂层。

32.根据权利要求22所述的方法，其中，所述至少一抛物面槽收集器以及所述至少一基座形成为整体单元。

33.根据权利要求22所述的方法，其中，所述至少一抛物面槽收集器的每一个末端区段与所述地面之间的角度皆落在25至65度的范围内。

34.根据权利要求22所述的方法，其中，所述至少一基座包括彼此相邻的多个基座，其中，所述至少一抛物面槽收集器包括彼此相邻的多个抛物面槽收集器，其中，每一个基座皆承载分别的抛物面槽收集器，其具有沿着所述长轴焦线设置的导管，以及其中，所述导管更包括分别的相互连结区段，以将相邻的导管连结在一起。

35.根据权利要求34所述的方法，其更包括，将相邻的抛物面槽收集器耦接在一起。

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