CN102422427A - 太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

一种装置(24)，包括：光伏电池(22)；以及，凹形主反射器(26)，该凹形主反射器被配置为将入射辐射的第一部分聚焦朝向焦点(30)。所述装置还包括副反射器(38)，所述副反射器定位在所述凹形主反射器和所述焦点之间，从而将聚焦的辐射导向至所述光伏电池，所述副反射器具有一个与所述光伏电池对准的中心开口(44)。所述装置还包括透射聚光器(54)，该透射聚光器被定位以使入射辐射的第二部分聚焦穿过所述中心开口，到达所述光伏电池上。

Description

太阳能聚光器

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2009年5月14日提交的美国临时专利申请61/178,069的权益，该申请通过引用方式被纳入。

技术领域

本发明总体涉及太阳能辐射，具体涉及聚集所述辐射。

背景技术

随着电能需求增加，将太阳能辐射高效地转化为电能受到日益关注。一般而言，光伏电池实施所述转化，且使用非聚光太阳能辐射以及聚光太阳能辐射执行转化的系统在本领域是公知的。聚光系统一般使用一个或多个镜子来实现聚光。

上述说明被提供作为对本领域相关技术的总体概述，不应被解释为承认其包括任何构成影响本专利申请的现有技术的信息。

发明内容

本发明的一个实施方案提供了一种装置，其包括：

光伏电池；

凹形主反射器，其被配置为将入射辐射的第一部分聚焦朝向焦点；

副反射器，其定位在所述凹形主反射器和所述焦点之间，从而将聚焦的辐射导向至所述光伏电池，所述副反射器具有与所述光伏电池对准的中心开口；以及

透射聚光器，其被定位以使入射辐射的第二部分聚焦穿过中心开口，到达所述光伏电池。

一般情况下，所述主反射器和所述副反射器中的至少一个包括多个曲面块(curved segment)。

在一个公开实施方案中，所述装置进一步包括一个跟踪设备，该跟踪设备被连接至所述光伏电池、所述主反射器、所述副反射器以及所述透射聚光器，其中所述主反射器具有孔，并且其中所述透射聚光器和所述孔的尺寸的差异不超过根据所述跟踪设备的跟踪误差所确定的一个值。

所述透射聚光器具有的聚光器尺寸可大于所述副反射器的最大尺寸。或者，所述透射聚光器和所述副反射器可具有一致的外部尺寸。

所述透射聚光器的形状可与所述中心开口几何相似。

所述装置可包括一个均化器，该均化器定位在所述副反射器和所述光伏电池之间，所述均化器可将聚焦的辐射中的至少一些辐射改向到光伏电池上。所述均化器可将所述辐射的第二部分中的至少一些辐射改向到光伏电池上。

一般情况下，位于所述副反射器内的所述中心开口被对准并且调整尺寸，从而不接收任何聚焦的辐射。

在一个替代实施方案中，所述透射聚光器具有的聚光器尺寸大于所述中心开口的最大尺寸。

在一个实施方案中，所述凹形主反射器包括抛物面反射器。

还提供了一种方法，包括：

将平面金属板冲压，以形成具有预定曲面形状的多个块；以及

将曲面块结合在一起，以形成曲面反射器。

所述方法可包括在冲压所述板之前，将反射涂层应用至所述金属板。一般地，由冲压所述平面金属板引起的变形在反射涂层的容许限度内。

所述预定的曲面形状和所述曲面反射器可以是一个共同的抛物面的多个部分。

还提供了一种方法，包括：

将凹形主反射器配置为将入射辐射的第一部分聚焦朝向焦点；

将副反射器定位在凹形主反射器和焦点之间，从而将聚焦的辐射导向至一个光伏电池；

使副反射器中的中心开口与所述光伏电池对准；以及

定位一个透射聚光器，以使入射辐射的第二部分聚焦穿过所述中心开口，到达所述光伏电池上。

还提供了一种装置，包括：

多个平面金属板，其被配置为形成相应的曲面块，所述曲面块具有相应的预定曲面形状；以及

至少一个结合部，其将所述曲面块保持在一起，以形成一个曲面反射器。

从下面结合附图对上述实施方案的详细说明中，将能够更完整地理解本发明。

附图说明

图1A、1B和1C示意性示出了根据本发明的一个实施方案的太阳能集热器的部件；

图2A是示出由于来自主反射器的反射，在太阳能集热器的副反射器位置的辐照度(irradiance)的示意图，图2B是根据本发明的实施方案的所述辐照度与距离的曲线图；

图3A和3B示出根据本发明的一个替代实施方案的聚光光伏(CPV)系统的部件；

图4A示出用于电池安装架(mount)的设计，图4B示出根据本发明的实施方案的针对该电池安装架的替代设计；

图5A是示出由于来自主反射器的反射，在图3A和3B中的CPV系统的副反射器位置的辐照度的示意图，图5B是根据本发明的实施方案的所述辐照度与距离的曲线图；

图6是根据本发明的一个实施方案的CPV系统的矩阵(matrix)的示意性侧截面图；

图7A、图7B和图7C分别是根据本发明的一个实施方案的主反射器的示意性正视图、后视图和侧视图；

图8是根据本发明的一个替代实施方案的主反射器的示意性正视图；

图9A是根据本发明的一个实施方案的主反射器的多个块的示意性正视图，图9B是用于制造所述块中的一些的平面板的示意性平面图；

图10A和图10B示出根据本发明的实施方案通过使用较小的块来构造一个抛物面反射器所实现的减小的变形；以及

图11是根据本发明的一个实施方案的示出图6中的矩阵的装配的示意性图解示图。

具体实施方式

概述

本发明的一些实施方案提供了用于在聚光光伏(CPV)系统中对太阳能辐射进行聚光的改进方法。反射器的布置包括一个凹形主反射器，其将入射的太阳能辐射反射向焦点。来自所述主反射器的光线被一个副反射器截获，该副反射器将所述光线引导至太阳能电池。

通常那些将会被副反射器遮住不能到达主反射器的入射光，被一个透射光聚光器截获，该透射光聚光器一般为菲涅尔(Fresnel)透镜或折射透镜。所述聚光器将截获的光线会聚朝向副反射器。本发明人已确定在副反射器中存在一个接收不到来自主反射器的任何光线的中心区域。在该中心区域设有一个开口，允许来自聚光器的会聚光线穿过副反射器到达太阳能电池。由于开口位于副反射器的中心区域，该开口不妨碍来自主反射器的光线通往太阳能电池。由此，所有入射的太阳光线都可被聚焦到同一太阳能电池上。

CPV系统反射器中的一个或两个反射器可通过如下方式制造，即，将多个金属板结合从而形成所需的曲面反射器形状。每个金属板一般通过如下方式制造，即，冲压相应的平面金属板，从而形成正在制造的反射器的相应块。通过使用由冲压平面板形成的多个块来形成反射器，相比于通过冲压单个金属板产生的变形，此时从平面到所需的曲面形状的整体变形大大减少。所述平面金属板可被预涂覆以反射材料，然后被冲压成其所需的形状。通过使用多个块形成反射器，所述变形被足够大地减少，从而防止了由于冲压降低板材的反射特性。

详细说明

现在参考图1A、图1B和图1C，所述附图示意性示出了根据本发明的一个实施方案的太阳能集热器20的部件。集热器20作为一个聚光集热器，将以平行太阳光线28形式入射的太阳能辐射能聚集到电池22上，该电池将所述辐射转换为另一种形式的能量。一般地，如下列说明书中假设的，电池22包括光伏电池，所述光伏电池吸收被聚集的辐射能，并且使用一部分吸收的能量产生电能。由此，集热器20与电池22共同作为聚光光伏(CPV)系统24。在一些实施方案中，电池22具有大体方形轮廓，但是对于电池的形状并没有限制。适合用于系统24中的CPV电池包括，但不限于，由新墨西哥州的Emcore Corporationof Albuquerque生产的CTJ光伏电池，或者由加利福尼亚州的Spectrolab，Inc.of Sylmar生产的CDO-100-C3MJ。

一般地，CPV系统24被安装在跟踪设备25上，所述跟踪设备使系统转动，从而使轴线32指向太阳。为了简明起见，在图1A、图1B和图1C中未示出将系统24的元件连接在一起，以及将该元件连接至跟踪设备的一些支承物。

图1A是CPV系统24的部件的示意性俯视图，图1B是沿图1A的I-I线所取的系统的截面侧视图。为了清楚起见，在图1A、图1B中未示出支承该系统的部件的元件。图1C示意性示出用于该系统的一些部件的支承物。系统24包括凹形聚光主反射器26，假设其具有近似方形的轮廓。反射器26可具有任意凹形，或如下各种形状的组合，这些形状可将入射的近似平行光聚集到聚焦区(focal region)。这样的形状包括，但不限于，球形和非球形。举例来说，假设反射器26被形成为具有对称轴线32和位于该轴线上的焦点30的抛物面。

反射器26一般被形成为具有对称地位于其中心的孔34。

入射太阳光线28由两组光线组成：中心组27的光线，以及外围组29的光线。如下文更具体描述的，中心组27被透射聚光器54转向。外围组29直接传送至主反射器，并被重新导向为朝向焦点30的反射光线36。

反射光线36在到达点30之前被副反射器38截获。该副反射器具有的对称轴线与轴线32基本重合。该副反射器被定位为将光线36反射朝向主反射器，使得反射自该副反射器的光线会聚至聚焦区42。区域42近似以轴线32为中心，并且位于主反射器和副反射器之间。

副反射器38可以是平面的或曲面的，如果是曲面的，其可以是凹形或凸形的。在下文中，举例来说，将副反射器假设为球面凸形的。

副反射器具有开口44，该开口相对于轴线32对称地布置。如下文更详细描述的，开口44允许入射光线28的中心组27到达电池。一般地，开口44具有与透射聚光器相同的形状，并且在该实施方案中是圆形的，但是在一些实施方案中，所述开口可以是非圆形的。

光线聚光器54位于副反射器上方，以截获入射光线28的中心组27。聚光器54一般包括由玻璃或透明塑料制成的菲涅尔透镜或会聚透镜。所述聚光器被配置为使中心组光线转向穿过开口44到达区域42。

在一些实施方案中，系统24包括位于聚光器54上方的透明窗口56。窗口56用于为系统24的其他元件遮挡灰尘或其他物质，这些灰尘或其他物质会降低系统的运行效率。可使用光学接合剂将聚光器54连接至该窗口，使得该窗口作为聚光器的支承物。

因为中心组27的光线被转向(由聚光器54)朝向区域42，所以中心组的光线不直接传输至反射器26。为适应跟踪误差，孔34一般被配置为具有稍微小于聚光器54的尺寸。尺寸的减小一般是基于跟踪系统的预期误差，并使得能够收集由于跟踪误差而错过聚光器的光线。

为了将穿过区域42的光线收集到电池22上，太阳能聚光器20包括均化器(homogenizer)46，该均化器一般被形成为由光学的净片玻璃制成的固体元件，该固体元件被设计用于通过全内反射将入射的辐射导向到电池上。

或者，均化器46可包括一个开口管状元件，该元件具有的对称轴线与轴线32基本重合。在这样的情况下，均化器具有一个反射内表面，并且该均化器一般被配置为具有一个下部开口50，该下部开口围绕电池22并且与其相匹配。所述均化器具有一个上部开口52，该上部开口大于其下部开口。在一些替代实施方案中，均化器46是中空的截锥形或截棱锥的形式，在一个实施方案中，所述均化器包括一个中空的截方锥，具有方形的上部开口和下部开口。

应理解，如果没有光线聚光器54，一些光线27将被副反射器挡住而不能到达主反射器。聚光器54保证了所有的光线27都能被导向至均化器46。

在一些实施方案中，电池22需要冷却以高效地执行其能量转化功能。例如，用于CPV系统中的半导通的光伏电池一般仅将其入射辐射能的大约40％转化为电能，而使其余的辐射能转换为热。对电池22提供的冷却可以是无源冷却(passive cooling)，一般依赖于电池周围的空气的自然对流，和/或散热片周围的空气的自然对流，所述散热片将热量从电池导通走。替代地或附加地，对电池提供的冷却可以包括有源冷却(active cooling)，其一般使用在电池的背面上的流体(例如，空气或水)的强制流动。为了清楚和简明起见，在图1A、图1B和图1C中未示出用于提供上述冷却的机构，但是下文描述用于提供所述冷却的机构。应意识到，将电池22布置在孔34内或接近于孔34，使得从主反射器的背面更容易接近电池的背面，便于对电池提供有源冷却或无源冷却。

图1C示出了用主反射器26和副反射器38的安装架60的侧视图和俯视图。安装架60的元件一般通过使用注塑成型法由塑料制成的。安装架包括下部骨架状部分62，该部分具有的内部形状是抛物面形。所述部分62夹持主反射器26，并且具有对应于主反射器的尺寸。安装架60还包括具有凸面形状的上部部分64。所述部分64夹持副反射器38，并且具有对应于副反射器的尺寸，所述部分包括一个对应于所述副反射器的开口44的孔洞。所述部分62和64通过薄支承物66被连接在一起，以使遮蔽损耗(shading loss)最小化。所述支承物用于使两个反射器保持固定在其正确位置，以及使相对于彼此保持正确的取向。一般地，可在制造阶段使用安装架60，以将主反射器和副反射器预装配且校准为组合单元，以实现最大准确率，使得该单元(安装架及其反射器)可用于最后装配阶段。最后装配阶段一般包括将所述组合单元纳入一个系统安装面板内，诸如在下面(图6)关于矩阵200的描述中举例说明的。

下面的表1给出了系统24的第一示例实施方案的部件的特征。表1中给出的尺寸是近似的。

表1

下面的表2给出了在系统24的第一示例实施方案的部件之间通常的近似距离。

表2

部件	部件之间的距离
		聚光器54—副反射器38	153mm
副反射器38—均化器46的顶部	44mm
		太阳能电池22—孔34	17mm

下面的表3给出了系统24的第二示例实施方案的部件的特征。表3中给出的尺寸是近似的。

表3

下面的表4给出了表3中列出的系统24的部件之间通常的近似距离。

表4

部件	部件之间的距离
		聚光器54—副反射器38	163.2mm
副反射器38—均化器46的顶部	67.8mm
		副反射器38—太阳能电池22	90.8mm

应理解，表1-表4中列出的特征和距离是以示例方式给出的。本领域普通技术人员将能够构想出所述部件的其他特征以及部件之间的距离，而不需要太多试验。一般地，可使用光学仿真包——诸如由华盛顿州的Bellevue地区的ZEMAX Development公司制造的ZEMAX软件——来实现这些构想。

图2A是示出由于来自主反射器的反射，在系统24的副反射器38位置处的辐照度的示意图，图2B是根据本发明的实施方案的所述辐照度与距离的曲线图。所述示意图和曲线图针对上述的系统24的第一示例实施方案。图2A的辐照度是在对应于副反射器的尺寸——即，92mm×92mm——的一个方形区域上绘制的。图2B的曲线图绘制了沿图2A的对称线70的辐照度与距离的关系。

来自主反射器的所有经反射的辐射都入射在副反射器上。阴影区域72示出了副反射器的区域，该区域接收主反射器的经反射的辐射。如图2A所示，所有经反射的辐射都被包含在区域72内，该区域72由内部圆形74和具有约80mm边长的外部方形76限定。在中心区域78内没有来自主反射器的经反射的辐射，该中心区域具有对应于内部圆形74的外部界限。

本发明的实施方案通过在副反射器中设置开口44，利用了在中心区域78不存在任何经反射的辐射的优点，因为该开口使得主反射器处的辐射没有减少。开口44不仅使得主反射器处的辐射没有减少，其还允许所有中心组27的入射光线28会聚穿过所述开口到达电池上。

图3A和图3B示出根据本发明的一个实施方案的替代的CPV系统124的部件。图3A是系统124的俯视图，图3B是侧视图。除了下述差异以外，CPV系统124的运转大体类似于CPV系统24(图1A、图1B和图1C)的运转，系统24和124中由相同参考数字表示的元件的运转基本类似。系统124中的参考数字附有单引号“’”的元件与(上述系统24的示例实施方案的)具有相同数字的元件的尺寸存在差异。

在系统124中，聚光器54’和孔34’的尺寸与副反射器38’的尺寸基本相同。另外，在系统124中，一个细管126将副反射器的背面固定连接至窗口56。该管作为副反射器的支承物，并且具有最小覆盖区(foot print)以使遮蔽损耗最小化。

在系统124中，副反射器38’是平的，而在系统24中是曲面的。

此外，与系统24相比，在系统124中，通过将电池22和均化器46’固定安装在电池安装架128上，所述电池22和均化器46’位于主反射器26的内表面上。安装架128被配置为足够窄，以完全在副反射器38’的阴影中，从而不妨碍任何外围组29的入射太阳光线到达主反射器26’。图4A和图4B，参照下文，示出了用于安装架128的替代设计以及该安装架包括的元件(图3B中未示出)。

重新定位的电池22和均化器46’(从系统24的电池和均化器的位置到系统124的电池和均化器的位置)要求重新定位聚焦区42。可以通过改变副反射器38’和聚光器54’的参数(例如，焦距)将聚焦区42重新定位。这样的变化的值对于光学领域的普通技术人员将是明了的。

对于系统24，外围组29的光线直接传输至主反射器，中心组27的光线被聚光器会聚以穿过副反射器中的开口44’。由此，所有的入射光线28都被聚焦在电池22上。

下面的表5给出了系统124的示例实施方案的部件的特征。为了区分这两个系统(系统24和系统124)的示例实施方案，系统124的示例实施方案被称为第三示例实施方案。

表5

下面的表6给出了在第三示例实施方案的部件之间通常的近似距离。

表6

部件	部件之间的距离
		聚光器54’—副反射器38’	101.7mm
副反射器38’—均化器46’的顶部	24mm
		太阳能电池22—孔34’	17.7mm

图4A示出了用于电池安装架128的设计，图4B示出了根据本发明的实施方案的针对该电池安装架的替代设计。为了清楚起见，图4A中示出的电池安装架128被称为电池安装架128A，图4B中示出的电池安装架128被称为电池安装架128B。如图4A和图4B中所示，假设两个电池安装架都被安装在系统124的孔34’上方。

电池安装架128A(图4A)是一个开口结构，一般包括从电池22至主反射器的上表面的两个或更多个分支。该开口结构允许空气穿过该结构。一个无源散热装置(heat sink)130通过被固定地附接至电池22的背面而置于安装架的空间132内。散热装置130一般是具有横截面134的翅片结构，并且由诸如铜或铝的良导热体制成。

电池安装架128B(图4B)是一个闭合结构，一般是封闭的中空圆锥形，以在安装架中形成一个闭合空间134。冷却流体(一般是气体诸如空气，或者液体诸如水)经由管136被导向至电池22的背面，在与电池的背面接触之后离开进入空间132。冷却流体通过出口138从空间134排出。

图5A是示出由于来自主反射器的反射，在替代CPV系统124的副反射器38’位置的辐照度的示意图，图5B是根据本发明的实施方案的所述辐照度与距离的曲线图。该曲线图描述了沿图5A的对称线150的辐照度与距离的关系。如从图5A和图5B的示意图和曲线图与图2A和图2B的示意图和曲线图的比较中可明了的，上述关于系统24的副反射器的辐照度也存在于系统124的副反射器中。由此，在系统124中，如系统24一样，在副反射器的中心区域没有来自主反射器的经反射的辐射，该中心区域在图5A中被示为区域152。因此，在系统24和系统124中，基本上来自主反射器的所有经反射的辐射都入射在系统的副反射器上，并且都没有入射在副反射器的相应中心区域。

图6是根据本发明的一个实施方案的CPV系统124的矩阵200的示意性侧截面图。为了清楚和简明起见，在图6中未标出系统124的单个元件。举例来说，假设矩阵200包括六个系统124，以2×3的矩形阵列布置，使得矩阵大约是500mm×750mm。或者，矩阵200可包括其他数目的系统124，诸如以4×6阵列布置的24个系统，覆盖大约1m×1.5m。

一般地，包括在矩阵200中的系统的元件通过用于系统窗口的竖直支承物204以及通过用于主反射器的结构206被安装在一个共同的基底系统安装面板202上。每个结构206一般类似于安装架60的骨架状部分62(图1C)。类似于上述关于系统24的说明，面板202转而连接至跟踪设备。在一些实施方案中，不是CPV系统124中的每一个都具有分立的窗口，而是使用一个窗口208以及各自的透射聚光器来覆盖矩阵中的所有系统124。

电子分线盒210可附接至面板202。盒210一般被配置为：根据矩阵用户的需要，允许来自系统124的电功率输出被串联、并联或以串联与并联结合的方式进行连接。

应理解，如对于系统124所描述的，多个系统24可被布置在矩阵中。此外，系统24和系统124以及使用此处所述的CPV系统的原理的其他CPV系统的混合，也可被组合以形成类似于矩阵200的CPV系统的矩阵。这些矩阵的其中之一可被用于替代类似尺寸的非聚光光伏系统。例如，一些非聚光光伏系统具有近似1m×1.5m的尺寸。

图7A、图7B和图7C分别是根据本发明的一个实施方案的系统124的主反射器26’的示意性正视图、后视图和侧视图。主反射器26’被制成多个块的反射器，其通过将反射器分割为较小的曲面块形成，以易于制造和获得更好的光学特性。接下来较小的块被装配以制造较大的具有孔34’的反射器26’，如这些图中所示。举例来说，假设反射器26’由四个基本相同的块252制成。

该小的曲面块可通过冲压由平面的金属板(诸如铝)制成，这通常是一种快速、低成本的操作。冲压件本身一般比预期的块形状具有更小的曲率半径，以表明在冲压后的金属回弹。冲压的准确形状取决于使用的具体金属板，并且可通过简单的试验和误差被最优化。

在冲压前，金属板可被预先涂覆以反射层，或者可将平面的预涂覆薄膜应用至金属板。适合该目的的材料包括由德国Ennepetal的ALANOD Aluminium-Veredlung GmbH & Co生产的Alanod 4270GP；以及美国科罗拉多州Arvada的ReflecTech Inc.生产的ReflecTechMirror Film。用于这些材料的数据表可在以下网络地址找到：www.alanod.de/opencms/export/alanod/Technik_gallery/datasheets/4270GP_E.pdf以及www.reflectechsolar.com/pdfs/ReflecTechBrochuretoEmail22Aug08.pdf，这些数据表通过引用的方式被纳入本文。这两种材料作为镀银薄膜卷是市售可得的。

在冲压后，反射器块被结合在一起以形成完整的反射器组件，如附图中所示。例如，所述块的背面可被胶粘至一个基底，该基底一般由低成本材料制成，所述基底用作结合件(joint)，以将多个块保持在一起。在图7B和图7C示出的实施方案中，铝型材(profile)被挤压成具有反射器26’的精确抛物面形，然后被切割成小的棱254，所述棱可被粘合至已装配反射器的背面，以将所述块固定并结合在一起，以形成安装基底。装配所述块的其他合适方法对于本领域普通技术人员将是明了的，诸如通过在棱254中包括夹具，并且使用所述夹具将所述块附接至棱。所有这样的方法都包含在本发明的范围内。

图8是根据本发明的一个替代实施方案的主反射器26’的示意性正视图。在该替代实施方案中，主反射器26’通过由如下八个块组成而被制成多个块的反射器：四个基本类似的方形块256，以及四个基本类似的矩形块258。应理解，方形块和矩形块的尺寸根据反射器26’和孔34’的尺寸被调整。

图9A是根据本发明的一个实施方案的系统24的主反射器26的块的示意性正视图，图9B是用于制造所述块中的一些块的平面板的示意性平面图。反射器26被制成由12个块组成的多个块的反射器，所述12个块被装配形成完整的反射器(基本类似于上述关于图7A、图7B和图7C中示出的反射器26’的块的描述)。为了简明起见，在图9A中仅示出了位于反射器的左象限260中的反射器26的三个块，因为其他的九个块(在另外三个反射器象限中)一般是所示出的三个块的复制品。为了完整起见，在图9A中示出了孔34。

象限260被分割为方形块262和相互成镜像的两个块264、266。一般地，使用矩形板制造块262，可将所述板初始切割且基本上不浪费材料。为了使用矩形板有效地制造块264和/或266，如(图9B)简图268所示，所述块可初始地被切割成两个块266，在该图中被标为266A和266B。

上述关于图7A、图7B、图7C、图8、图9A和图9B的描述假设三维的反射器——反射器26或反射器26’——是由小于所述反射器的总体尺寸的块制成的。通过冲压平面的金属板制造三维反射器会引起变形，所述变形可导致在反射层内以及在反射涂层和下面的金属之间形成空隙，从而降低反射器的反射性，以及因此缩短反射器的寿命。然而，如下文关于图10A和图10B的解释，通过将反射器分为更小的块，减少了每个反射器块的变形。

图10A和图10B示出了根据本发明的实施方案的通过使用较小块构造抛物面反射器(例如，反射器26或反射器26’)所实现的减小的变形。为了简洁起见，在附图中未示出反射器中的孔。

图10A示出由四个块构造的反射器。在简图270中，实线示出了单个平面板280(此处还称为板ABCD)的示意性俯视图。简图中的虚线示出制造反射器的块的边缘的俯视图。简图272示出在单个板变形为抛物面形状之前和之后的相应的示意性横截面282、284。横截面282沿板ABCD的对角线AC截取。假设反射器由如下四个平面方形板制成，所述板被变形成块，然后将所述块结合在一起，简图272示出四个板中的一个示例性板分别在变形为其抛物面块之前以及之后的横截面286、288。横截面286沿示例平面方形板的对角线AE截取。

图10B示出将反射器分割为九个块，但是一般仅使用八个块，因为中心孔取代了中心块。简图274是单个平面板280的示意性俯视图。简图276示出了单个板在变形为其抛物线形(如图10A中所示)之前和之后的相应的横截面282、284。图中的虚线示出制造反射器的块的边缘的俯视图。所述反射器可由如下八个或九个平面方形板制成，所述板被变形为块，然后将所述块结合在一起。简图276示出中心块294在变形为其抛物面形状之前以及之后的相应的示意性横截面290、292。横截面290取自所述块的对角线GH。

图10A和图10B所示情况中的变形计算的细节在本公开文本的附录中给出。所述计算适于具有如下焦距f的方形抛物面反射器，该焦距等于方形的边长2a的一半。如附图中所示，对于一个平面板，该板的深度变化为H1，以制造完整的反射器。如附录中所示，H1＝0.5a，从方形平面到方形抛物面反射器的面积变化(即，板中产生的变形)是增加大约12％。将反射器分为四块，每一个块产生的深度变化为H4，其中H4≈0.129a，引起的变形是增加所述平面块的面积的大约仅3％。

将反射器分割为九块所产生的相应深度变化和变形小于分割为四块所产生的变化。由此，中心块294的深度变化为H9，其中H9≈0.05a，在该情况下，所述变形被减小至增加了稍大于1％。

如上所述，存在将金属板预涂覆以反射材料的合适材料。假设执行该预涂覆，使用多个块制造的抛物面反射器将材料的变形降低至所使用的反射材料的容许限度内。因此，可以首先使用反射材料卷将反射材料涂层放置在金属板上，然后将该金属弯曲。该方法比涂覆曲面形状简单得多，且成本更低。此外，当如上所述将反射板应用至平面的金属板且接着将其与金属板一起弯曲时，所涂覆的层会更加均匀，从而与将涂层应用至已是曲面的表面相比，所涂覆的层具有总体更好的性能。

图11是根据本发明的一个实施方案的示出CPV系统124的矩阵200(图6)的装配的示意性图解示图。该简图示出了将反射器26’装配在面板202上。该部件抛物面反射器由四个块252制成，然后将所述四个块共同结合在棱254上，如图7A和图7B中所示。所述反射器以及用于支撑窗口和其他部件(图11中未示出)的竖直支承物204被安装在基板202上。然后将CPV电池、均化器、窗口以及系统124的副反射器装配在基底上，以完成该系统，如图6中所示。

上述描述总体涉及将入射太阳能辐射聚集到光伏电池上的聚光器。然而，应理解，例如此处所述的太阳能聚光器可被用于将入射太阳能辐射聚集到除了光伏电池以外的其他装置。例如，这样的装置可包括热电偶，或者装配为热电堆的多个热电偶，这些系统中的任一个还可用于发电。此外，接收聚集的太阳能辐射的装置可被配置为将所述辐射转化为另一形式的能量，例如化学能或热能。

尽管上述描述包括使用多个较小的曲面块组成主反射器，但应理解，基本相同的方法还可用于制造副反射器。

因此，应理解，上述实施方案是通过示例方式说明的，本发明不限于上文具体示出和说明的。而是，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合，以及本领域普通技术人员在阅读完上述说明之后可想到的并且现有技术中未公开的上述特征的变化和修改。

附录

由形成抛物面引起的面积变形

抛物面(通过绕y轴线旋转抛物线形成，f是抛物线的焦点)的表面面积S_p由下式得出：

$S_p={\∫}_0^{c}2\mathrm{\πx}\sqrt{(1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2)}\mathrm{dx}---\left(1\right)$

其中c是抛物面的边长的x值。

假设整个抛物面是由一个边长为2a的方形板冲压而成的，则抛物面的最大x值是这是等式(1)中c的值。

通过抛物线

的等式，得到

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\frac{x}{2f}---\left(2\right)$

将

和c的表达式代入等式(1)中，经重新整理，得到：

$S_p=\frac{\mathrm{\π}}{f}{\∫}_{x=0}^{x=a\sqrt{2}}x\sqrt{(4f^2+x^2)}\mathrm{dx}---\left(3\right)$

将u＝4f²+x²(从du＝2xdx)代入等式(3)中，得到：

$S_p=\frac{\mathrm{\π}}{2f}{\∫}_{u=4f^2}^{u=4f^2+2a^2}\sqrt{u}\mathrm{du}---\left(4\right)$

假设所述板被冲压从f＝a，等式(4)约等于：

$S_p=\frac{\mathrm{\π}}{2f}{\left[\frac{2}{3}{u}^{\frac{3}{2}}\right]}_{4f^2}^{6f^2}=\frac{\mathrm{\π}{a}^2}{3}[6\sqrt{6}-8]\≈7.013a^2---\left(5\right)$

半径为的圆形平面板的表面积S_f为：

S_f＝2πa²≈6.28a²                (6)

通过等式(5)和(6)，当将平面板变形为抛物面时，面积的百分比增加Δ₁为：

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{S_p-S_f}{S_f}=\frac{7.013a^2-6.28a^2}{6.28a^2}=11.67\%---\left(7\right)$

将抛物面近似为圆顶

通过等式抛物面的高度h(从其顶点)为：

$h=\frac{{\left(a\sqrt{2}\right)}^2}{4f}=\frac{a}{2}$ (因为a＝f)         (8)

在其边缘，抛物面形成半径为

的圆。

在下文中，将抛物面近似为圆顶(由一个平面切割球体产生的部分)的曲面。所述圆顶具有高度h，和由所述平面产生的圆的半径r。在该情况下，

通过应用毕达哥拉斯定理，其中形成圆顶的球体的半径R_c为：

$R_c=\frac{h^2+r^2}{2h}=\frac{h^2+{\left(a\sqrt{2}\right)}^2}{2h}=\frac{9a}{4}---\left(9\right)$

圆顶的曲面面积为：

A_dome＝2πR_ch            (10)

由此，将来自等式(8)和(9)的R_c和h的值代入等式(10)，

$A_{\mathrm{dome}}=\frac{9\mathrm{\π}}{4}{a}^2\≈{7.068a}^2---\left(11\right)$

通过使用等式(10)而非等式(3)产生的百分比误差Δ₂为：

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{7.068-7.013}{7.013}=0.78\%---\left(12\right)$

由此，假设曲面的面积为球形，与表面为抛物面形状相比，误差小于1％。

该误差计算针对对于较小值的r，误差甚至更小。

在四个象限中形成抛物面

考虑图10A，对于抛物线

(假设合适的轴线)，截面286具有顶点(0，0)和

因为a＝f，所述截面的长度是

这是圆顶的平面圆形的直径，从而半径是

假设

并且以

使用等式(9)求解圆顶的高度H4，得出：

$H4=\frac{2R_c\±\sqrt{{\left(2R_c\right)}^2-4r^2}}{2}=\frac{2\frac{9a}{4}\±\sqrt{4{\left(\frac{9a}{4}\right)}^2-4{\left(\frac{3a}{4}\right)}^2}}{2}---\left(13\right)$

等式(13)简化为：

$H4=\frac{(9-6\sqrt{2})}{4}a\≈0.129a---\left(14\right)$

根据等式(10)，圆顶的曲面面积为：

$A_{\mathrm{dome}}=2\mathrm{\π}{R}_{c}H4=2\mathrm{\π}\frac{9a}{4}0.129a\≈{1.824a}^2---\left(15\right)$

具有半径

的平面板的面积为：

$A_{\mathrm{flat}}=\mathrm{\π}{\left(\frac{3a}{4}\right)}^2\≈{1.767a}^2---\left(16\right)$

根据等式(15)和(16)，当将平面板变形为抛物面块时，面积的百分比增加Δ₄为：

$\mathrm{\Δ}4=\frac{A_{\mathrm{dome}}-A_{\mathrm{flat}}}{A_{\mathrm{flat}}}=\frac{{1.824a}^2-1.767a^2}{{1.767a}^2}=3.23\%---\left(17\right)$

比较等式(7)和(17)，显然由较小抛物面块导致的变形显著减小。

使用九个块形成抛物面

考虑图10B，截面290具有长度GH，其等于

这是圆顶平面圆的直径，从而半径为

使用该半径值，应用与等式(13)和(14)相同的运算，得出H9的值：

H9≈0.05a                     (18)

应用与等式(15)和(16)相同的运算，得出：

$\left.\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{dome}}=2\mathrm{\π}{R}_{c}H9=2\mathrm{\π}\frac{9a}{4}0.05a\≈0.706a^2\\ A_{\mathrm{flat}}=\mathrm{\π}{\left(\frac{a\sqrt{8}}{6}\right)}^2\≈0.698a^2\end{array}\right\}---\left(19\right)$

根据等式(19)，当将中心平面板变形为中心抛物面块时，面积的百分比增加Δ₉为：

${\mathrm{\Δ}}_9=\frac{A_{\mathrm{dome}}-A_{\mathrm{flat}}}{A_{\mathrm{flat}}}=\frac{{0.706a}^2-{0.698a}^2}{{0.698a}^2}=1.146\%---\left(20\right)$

对于其他八个抛物面块，存在总体类似的表面积百分比增加，所有增加小于由等式(17)给出的值3.23％。

Claims (32)

1.一种装置，包括：

光伏电池；

凹形主反射器，其被配置为将入射辐射的第一部分聚焦朝向焦点；

副反射器，其定位在所述凹形主反射器和所述焦点之间，从而将聚焦的辐射导向所述光伏电池，所述副反射器具有与所述光伏电池对准的中心开口；以及

透射聚光器，其被定位以使所述入射辐射的第二部分聚焦穿过所述中心开口，到达所述光伏电池。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述主反射器和所述副反射器中的至少一个包括多个曲面块。

3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括一个跟踪设备，该跟踪设备被连接至所述光伏电池、所述主反射器、所述副反射器以及所述透射聚光器，其中所述主反射器具有一个孔，并且其中所述透射聚光器和所述孔的尺寸的差异不超过根据所述跟踪设备的跟踪误差所确定的一个值。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述透射聚光器具有的聚光器尺寸大于所述副反射器的最大尺寸。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述透射聚光器和所述副反射器具有一致的外部尺寸。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述透射聚光器与所述中心开口的形状相似。

7.根据权利要求1-6中任一所述的装置，包括一个均化器，其位于所述副反射器和所述光伏电池之间，所述均化器将聚焦的辐射中的至少一些辐射改向到光伏电池上。

8.根据权利要求1-6中任一所述的装置，包括一个均化器，其位于所述副反射器和所述光伏电池之间，所述均化器将所述辐射的第二部分中的至少一些辐射改向到光伏电池上。

9.根据权利要求1-6中任一所述的装置，其中位于所述副反射器内的所述中心开口被对准且调整尺寸，从而不接收任何聚焦的辐射。

10.根据权利要求1-6中任一所述的装置，其中所述透射聚光器具有的聚光器尺寸大于所述中心开口的最大尺寸。

11.根据权利要求1-6中任一所述的装置，其中所述凹形主反射器包括抛物面反射器。

12.一种方法，包括：

将平面金属板冲压，以形成具有预定曲面形状的多个块；以及

将曲面块结合在一起，以形成曲面反射器。

13.根据权利要求12所述的方法，包括在冲压所述板之前，将反射涂层应用至所述金属板。

14.根据权利要求13所述的方法，其中由冲压所述平面金属板引起的变形在反射涂层的容许限度内。

15.根据权利要求12-14中任一所述的方法，其中所述预定曲面形状和所述曲面反射器是一个共同的抛物面的多个部分。

16.一种方法，包括：

将凹形主反射器配置为将入射辐射的第一部分聚焦朝向焦点；

将副反射器定位在所述凹形主反射器和所述焦点之间，从而将聚焦辐射导向至一个光伏电池；

使位于所述副反射器中的中心开口与所述光伏电池对准；以及

定位一个透射聚光器，以使所述入射辐射的第二部分聚焦穿过所述中心开口，到达所述光伏电池上。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述主反射器和所述副反射器中的至少一个包括多个曲面块。

18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将一个跟踪设备连接至所述光伏电池、所述主反射器、所述副反射器以及所述透射聚光器，以及包括在所述主反射器中形成一个孔，其中所述透射聚光器和所述孔的尺寸差异不超过根据所述跟踪设备的跟踪误差所确定的一个值。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述透射聚光器具有的聚光器尺寸大于所述副反射器的最大尺寸。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述透射聚光器和所述副反射器具有一致的外部尺寸。

21.根据权利要求16所述的方法，包括将所述透射聚光器成形为与所述中心开口几何相似。

22.根据权利要求16-21中任一所述的方法，包括在所述副反射器和所述光伏电池之间定位一个均化器，以及将所述均化器配置为将聚焦的辐射中的至少一些辐射改向到光伏电池上。

23.根据权利要求16-21中任一所述的方法，包括在所述副反射器和所述光伏电池之间定位一个均化器，以及将所述均化器配置为将所述辐射的第二部分中的至少一些辐射改向到光伏电池上。

24.根据权利要求16-21中任一所述的方法，包括将位于所述副反射器内的所述中心开口对准并且调整尺寸，从而不接收任何聚焦的辐射。

25.根据权利要求16-21中任一所述的方法，其中所述透射聚光器具有的聚光器尺寸大于所述中心开口的最大尺寸。

26.根据权利要求16-21中任一所述的方法，其中所述凹形主反射器包括抛物面反射器。

27.根据权利要求16-21中任一所述的方法，其中配置所述凹形主反射器和定位所述副反射器包括：将所述主反射器和副反射器装配和校准为一个组合单元，然后将该组合单元安装在系统安装面板上。

28.一种装置，包括：

多个平面金属板，被配置为形成相应的曲面块，所述曲面块具有相应的预定曲面形状；以及

至少一个结合部，其将所述曲面块保持在一起，以形成一个曲面反射器。

29.根据权利要求28所述的装置，包括一个反射涂层，所述反射涂层在将所述金属板形成相应的曲面块之前被应用至金属板。

30.根据权利要求29所述的装置，其中通过形成相应的曲面块所引起的变形在所述反射涂层的容许限度内。

31.根据权利要求28-30中任一所述的装置，其中所述预定曲面形状和曲面反射器是抛物面的一部分。

32.根据权利要求28-30中任一所述的装置，其中所述至少一个结合部包括如下的棱，所述棱具有对应于所述曲面反射器的横截面的棱横截面。

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