CN102439731A - 太阳能收集系统 - Google Patents

Abstract

一种利用布置在静止底座结构内的平面阵列中的多个能量收集元件收集太阳能的系统，各能量收集元件包括：能量捕获单元，其具有光学器件和感测其轴线与太阳的方向偏离的器件，所述光学器件将与其轴线平行的方向性太阳光聚焦到其自身内的一个或多个太阳光-电转换器上；以及角度定位单元，其通过将两个弓形轨道可滑动地安装在相对且垂直的弓形狭槽中使所述捕获单元围绕两个嵌套轴线取向，两个弓形轨道为所述能量捕获单元内的凸形轨道和所述底座结构内的凹形轨道，各所述狭槽装有驱动装置，所述驱动装置啮合其各自的轨道且使定位器沿着轨道移动。本发明提供用于确定这些元件的形状和布置以便在防止相邻元件碰撞的同时使得孔径效率最大化的方法。

Description

太阳能收集系统

优先权

在35U.S.C.§119下要求优先权

本申请要求本发明人在2008年12月3日提交的序列号No.61/200,835的美国临时专利申请的利益。

技术领域

本发明涉及利用具有跟踪太阳的移动模块的光集中器来收集太阳能的方法，并且特别地，这些方法适用于集中具有与常规的太阳能电池板类似的形状因素和安装特征的光生伏打系统的构造。

背景技术

利用光生伏打电池将太阳光转换成电的方法主要有如下两种类型：使用以固定取向安装的平板型光生伏打电池的方法，以及利用跟踪光学元件将太阳光集中到光生伏打电池的较小区域上的方法。后者类型潜在地通过减少所需的光生伏打材料的量提供较高的功率密度和较低的设备成本，从而使得能够经济地利用高效的光生伏打电池，在非集中板中光生伏打电池的成本非常高。例如，采用III-V型半导体的三向连接构造的光生伏打电池近来已证实太阳光-电的转换效率大于百分之四十，但是这种电池的成本效益的地球应用通常要求在大于一百个太阳的集中处使用这些电池。

到目前为止，集中光生伏打应用已经在很大程度上限制于工业级操作。尽管近来研发的多种集中系统使用相对小尺寸的光学元件且描述为具有低轮廓，但是这些集中系统仍极不适合于将太阳光转换成电的产品的市场-屋顶板市场的单个最大分部。

大部分屋顶太阳能电池板安装件以固定取向安装板，其中这些板具有低轮廓和不突出的外形。将最经济的集中高效光生伏打与易于安装和维护相结合的太阳能收集器以及常规太阳能电池板的审美将为拥有者和用户提供前所未有的价值。使用跟踪光学元件的集中太阳能收集器具有类似于常规板的薄轮廓的固定形状的要求使得使用许多这样的安装到固定底座结构内的光学元件成为必需。

所提出的以包含在相对薄的固定板材内的排列合并光学元件阵列的系统以机械方式将所述元件连接至由多个元件共用的调节机构。这些方法具有多个缺陷，所述缺陷包括：元件之间的机械连接的故障可导致多个元件的跟踪故障，机械连接由于机构的不精确引入跟踪误差源，以及维护单个元件由于必须操纵机械连接而复杂化。

本发明的目标包括提供形成太阳能收集系统的方法，所述方法：

*使得可以电池板状封装件构成的这些阵列的足够小尺寸的集中元件的制造经济。

*提供优良的太阳跟踪井底，使得集中比率最大化且从而使得所需的光生伏打材料的量最小化。

*通过使通往阵列元件之间的空间的光损耗最小化使得集中光学系统的孔径效率最大化。

*提供优良的运行鲁棒性且通过使得元件的移除和重新安装简单且直接使得易于维护和维修。

发明概述

本发明使得能够利用光学器件来形成太阳能收集系统以便通过使用两轴自取向能量收集元件以数百或数千的因数集中太阳光且将太阳光指引到高效的光生伏打(PV)电池，每个元件包括：能量捕获单元，其执行感测光取向、集中光且将光转换成电的功能；角度定位单元，其关于两个垂直轴线支撑捕获单元且使捕获单元倾斜；以及底座单元，其支撑角度定位单元；其中所述能量收集元件布置在板材状封装件内，可具有与常规的太阳能电池板相似的形状因素。

每个能量收集元件各自通过角度定位系统来跟踪太阳，所述角度定位系统通过光学、光电、电子和机械器件的组合来控制捕获单元围绕两个垂直的倾斜轴线中的每一个的旋转。通过能量捕获单元的光学和光感测几何形状，能量捕获单元提供与能量捕获单元的轴线与太阳的方向的偏斜度有关的电形式的信息。该信息用于控制角度定位单元中的电动机的运动，所述电动机使单元围绕两个垂直轴线运动且因此使捕获器在减小所述偏斜度的方向上旋转，其中一个轴线相对于底座且一个轴线相对于捕获器。

由于各元件具有由在相同元件的能量捕获器中的光学系统控制的专用角度定位驱动电动机，因此驱动系统是状态无关的：无论元件如何进行初始定位，驱动系统将使其自身取向为聚焦方向性光，并且不受电池板中其它元件的运行的影响。向取向电子器件提供信息的光学系统和提供该系统的安装和定位控制的角度定位单元之间的紧密机械关系使得引入跟踪误差的可能性最小化。

各元件的能量捕获器由其角度定位器安装以便于围绕两个嵌套的垂直轴线旋转，其中外轴线与底座平台平行，并且内轴线与外轴线垂直且与捕获器的法向轴线垂直。

本发明描述了用于限定能量捕获镜片的轮廓的一族形状，所述能量捕获镜片以紧密组装的阵列由角度定位器安装、在宽范围的倾斜角度内提供最优的孔径效率，而不限制捕获器的个体移动。当朝向阵列的法向时，形状在平面上并排显示，而当通过它们的角度定位器移动时，形状完全保持在由在它们各自的平面铺砌的所述法向上的延伸部限定的各容量内。

本发明进一步提供设计能量捕获单元的镜片的方法，所述方法使得镜片的轮廓极接近所述平面铺砌形状并且在角度定位器的控制之下镜片的运量不与相邻镜片的运量交叉，从而阻止阵列元件之间的碰撞，无论元件各自的运动如何。

然而，能量收集元件的一些实施方案有赖于捕获单元的镜片和PV电池的几何形状以产生直接为定位电动机供给动力而实现捕获单元取向运动的电。其它的实施方案采用提前生成且安装到各个元件中的微控制器上的算法和数据集以便基于捕获单元的PV电池的输出电平的模式来确定定位电动机的捕获单元取向运动。这些算法的使用使得之后类型的实施方案对于由其推导取向信息的数据能够完全依赖于能量收集PV电池，消除了对专用方向感测光传感器的需要。

附图说明

图1示出了本发明的第一实施方案的单个自取向能量收集元件的图。

图2示出了诸如图1中所示的安装在板内部的元件。

图3示出了容纳图1中所示的类型的六十个等同元件的完整板。

图4示出了在各个平面铺砌形状倾斜由本发明的角度定位单元提供的围绕两个运动轴线的增量时各个平面铺砌形状的轮廓的投射。

图5示出了产生当由角度定位器移动时具有非交叉运量的一参数族铺砌形状的方法。

图6示出了在铺砌形状围绕角度定位器的一个和两个倾斜轴线移动时由图5中限定的铺砌形状扫描的容量。

图7示出了描述对于来自阵列的法向轴线的入射光的各个角度位移本发明的示例的孔径效率的仿真。

图8示出了设计第一实施方案的能量捕获单元的反射体部分的方法。

图9示出了第一实施方案的能量捕获单元的分解视图和详细视图。

图10示出了能量捕获单元的法向轴线向下以及单元的三个纵向部分的图。

图11示出了由撞击能量捕获单元的代表性光线所采取的路径。

图12示出了角度定位单元的细节。

图13示出了本发明的第一实施方案的含板能量收集元件的角部的详细视图。

图14示出了板的电气原理图。

图15示出了仅具有简单模拟电路的第一实施方案的能量收集元件的电气原理图。

图16示出了具有微控制器的能量收集元件的电气原理图。

图17示出了对于本发明的多个实施方案能量捕获部件以及它们各自的光学轴线的布置。

图18示出了第二实施方案的能量收集元件，所述能量收集元件的能量捕获单元具有五个捕获部件，四个使用反射型镜片且一个使用折射型镜片。

图19示出了第二实施方案的能量捕获单元的部分的图。

图20示出了第三实施方案的能量收集元件的组装视图和分解视图，能量收集元件的能量捕获单元具有使用折射型镜片的四个捕获部件。

图21示出了第三实施方案的能量捕获单元的视图和截面。

图22示出了第四实施方案的能量收集元件，所述能量收集元件的能量捕获单元具有使用反射型镜片的四个捕获部件。

图23示出了第四实施方案的能量捕获单元的视图和截面。

图24示出了基于模拟电路的能量收集元件的电气原理图。

图25示出了具有微控制器的能量收集元件的电气原理图。

图26示出了移动空间和光方向性位移的代表图。

图27示出了在光位移空间内假想的PV响应函数的实施例。

图28是概述产生由装备有微控制器的能量收集元件所使用的数据集的过程的流程图。

图29是图示由能量收集元件的微控制器执行的取向算法的流程图。

图30图示了从响应空间到位移空间的逆映射。

图31图示了折叠响应空间到位移空间的映射以减少表示映射所需数据的方法。

图32图示了使用取向算法中的状态信息使位移映射清晰。

图33图示了使用取向算法中的状态信息校正位移映射的歪斜。

图34示出了在设计为容纳单个元件的封装件内的第四实施方案的能量收集元件。

图35示出了第四实施方案的含板能量收集元件的角部以图示由元件的相邻元件对元件的遮挡。

图36图示了由位移和位置空间的乘积构成的四维状态空间。

图37示出了利用使得光源能够被固定的平台产生覆盖状态空间的样本数据的测试台。

图38示出了本发明的第五实施方案的组件。

图39示出了本发明的第六实施方案的能量收集元件。

发明详述

优选实施方案的当前详细描述开始于本发明的第一实施方案的总体视图。然后，解释用于确定该实施方案和其它实施方案的能量捕获单元的形状的方法，所述方法在避免单元碰撞的可能性的同时通过单元的稠密组装提供最优的孔径效率。在该背景下，说明书返回到第一实施方案以便详细地解释第一实施方案的功能。接下来，说明书考察本发明的三个另外的实施方案以及这些实施方案的各个元件的微控制器利用来自它们的捕获部件的数据借以对它们的捕获单元进行取向的算法，三个实施方案的能量捕获单元被分成多个捕获部件。最后，说明书涵盖了本发明的两个实施方案，两个实施方案的特征显著偏离于之前的四个实施方案。

辐射能量收集元件

图1示出了单个能量收集元件，图2示出了安装到板中的多个这样的元件，并且图3示出了充满六十个元件的板。

元件包括相对于彼此移动的三个刚性组件：辐射能量捕获单元100、角度定位单元200和底座单元300。为了简要起见，能量捕获单元也称作能量捕获器或仅称作捕获器，并且角度定位单元也称作角度定位器或仅称作定位器。角度定位器同时可滑动地安装弓形轨道的能量捕获器和底座单元且因此提供围绕两个垂直相交的轴线的局部旋转，外轴线为定位器相对于底座的局部旋转且内轴线为捕获器相对于定位器的局部旋转。捕获器的弓形轨道为贯通弧形板的约170度的凸形T形横杆弧形板190。底座的弓形轨道为贯通弧形板的约170度的凹形T形横杆弧形板310。由于定位器的两个弧形板啮合狭槽中的每个跨过约25度的角距离，由各个弧形板所提供的运动的角度范围约为145度。

角度定位器通过安装在定位器内部的一对微型齿轮电动机的作用利用通过电缆260运载到角度定位器的电形式的电力和信息来实现其沿着安装弧形板的滑动。定位器相对于底座和相对于捕获器的行进范围由安装弧形板中的小竖板限制，小竖板用作在最大角位移处由定位器的壁碰到的缓冲件。

能量收集元件通过以光学方式将辐射能量集中到将电磁能转换成电能的小型高效光生伏打电池或电力PV电池160上来捕获辐射能量。

能量捕获器由三个主要部分构成：塔状部150、反射体盘110和凸形安装弧形板190。该部分重点说明这些部分的一些显著特征，而这些部分的重叠功能在随后的部分中进行解释。

塔状部主要由具有抛光表面的实心铝合金片材构成，所述实心铝合金片材包括抛物形刻面156、翼片154和内部刻面158(参见图9)。该片材支撑角锥形薄板传感器PV电池164，薄板传感器PV电池164各自具有横向格栅以拦截低角度入射光。

安装在形成塔状部的顶部的块170的凹形底侧内的是电力PV电池160(参见图9)，电力PV电池160向下朝向捕获器的光学轴线并且位于包括反射体盘110的抛物形表面的共用焦点处。电力通过层压到塔状部翼片中的一个上的扁平电缆172从所述PV电池传导到塔状部的底座。

反射体盘具有高反射性的、镜面的和抗腐蚀的精确形状的镜状上表面。反射体盘经由方形插口与塔状部配合且设计为使得塔状部确保两个部分中的特征件之间的精确对准。凸形安装弧形板为在塔状部的底座处附接至塔状部的单独的片材。

从光学原理上讲，反射体由共用共同的焦点且具有不同焦距的五个抛物形反射镜构成。沿着反射体的光学轴线看，反射体是不同抛物形的对准拼凑，在拼凑片之间具有与光学轴线平行的竖板，所述竖板完全照透视法缩短以表现为拼凑片之间的细线。

电池板组件

能量收集元件设计为安装在被设计为接受它们的板状封装件的内部。图2示出了元件通过如下两阶段过程安装到其中的封装件的基座部分：首先安装元件的底座单元，然后安装元件的定位单元和捕获单元。

已通过将底座单元的横杆狭槽318滑动到带槽口的基部横杆424上以及利用与基板中的孔414啮合的紧固件416将相邻部件的末端附接至封装件基板412安装了至少六个底座单元。

已通过将组合了能量捕获单元和角度定位单元的预先组织的模块安装到安装好的底座单元的凹形弧形板上安装了四个完整的元件。该安装动作使得将角度定位器的外狭槽与基本模块的轨道对准且向定位器的相对侧施加力以使定位器滑动到轨道上成为必需。在轨道312的末端处的小隆起防止在定位器安装好时滑出轨道。为了完成元件的安装，在末端的电缆的末端处的插头与底座中的插座配合。

图3示出了包含60个元件的完整板，其中元件的所有能量捕获器与能量捕获器的平行于太阳光的方向的光学轴线对准。透明盖430保护元件免受天气的损害。

最优组装形状

本发明说明了包括紧凑组装阵列的等同能量收集元件的能量捕获系统，其中元件不能够碰撞，但是元件单独地移动，并且当元件的光学轴线与阵列的法向轴线重合时，元件基本上铺砌平面。因此，本发明同时实现两个重要的目标：本发明通过将落在元件之间的小部分光最小化成非常小部分的总入射光而是两轴线跟踪元件的阵列的孔径效率最大化；并且本发明确保元件不碰撞，不需要元件的运动同步且不对元件的运动范围施加限制。本发明通过提供生成平面铺砌形状的方法部分地实现目标，当平面铺砌形状围绕诸如由本发明的角度定位器通过的两个垂直的旋转轴线移动时，平面铺砌形状扫描容量，容量的到该平面的投射中的每个与所述形状重合。

通过考察普通平面铺砌形状提供防碰撞运量的失败来开始本发明的形状生成方法的如下说明。

图4示出了由本发明的角度定位器移动的一组铺砌形状的间隙轮廓的研究。图4A示出了安装板10的角度定位器20的实施方案，板10上刻有五个平面铺砌多边形的外形。定位器设计为围绕板的内旋转轴线18移动通过120度的角运动，定位器移动通过内弧形板19且围绕底座的外旋转轴线32通过120度的角运动，定位器移动通过外弧形板31。实施方案显示在距法向角的两个角位移均为零的位置上，并且板位于铺砌平面中。

图4B示出了如下仿真的结果：对于四个铺砌多边形中的每个，通过对于以10度增量远离在负60度至60度范围内的各个法向角的内轴线旋转和外轴线旋转的各个组合累积多边形外形到铺砌平面上的垂直投射来生成估计铺砌多边形的间隙轮廓的轨迹。

仿真显示，四个多边形中没有一个适合作为在确保相邻元件的无碰撞运行的同时使能生成铺砌平面的阵列的能量捕获单元的轮廓。投射多边形外形的位于铺砌平面中的多边形的轮廓的外部重叠铺砌布置中相邻多边形的电池且代表相邻元件之间的碰撞的可能性。然而，右侧的十四边多边形显示与相邻电池的最少重叠并且为图5中所示的其间隙轮廓不重叠的一参数族铺砌轮廓的中的轮廓的粗略近似。

图5图示了用于生成平面形状的方法，所述平面形状中的每一个铺砌平面且当由本发明的角度定位器移动时扫描容量，平面形状到铺砌平面的投射与所述形状等同。通过定义如下四个独立变量来开始所述方法：

Xd：每行内形状之间的位移

Yd：行之间的位移

Rm，Xm：形状对边距离

忽略Rm和Xm，Rm和Xm为提供相邻形状之间的缓冲的相对小的值Yd和Xd的比称为延长率，其限定了一参数族形状，该比率至少为三分之一PI的正弦函数(近似为0.866)。

给定Xd和Yd的值，建立两个相邻形状的中心点的坐标P1和P2，将P1置于原点处。两个形状为连续行，沿着X轴线第二行与第一行间隔开相同行中相邻形状之间的距离的一半。边界半径R为P1和P2之间的距离的一半。凸形弧形板的半径Rp为R减去Rm，并且凹形弧形板的半径Rm为R减去Rm。半形状宽度Xr为Xd减去Xm的一半，并且半形状高度Yr为大于R且小于Yd的值。

由于形状具有两个对称的平面，足以描述形状的象角且通过X和Y轴线的反射来构建整个形状。形状的边缘轮廓与边界曲线90基本平行。形状的边缘由以P2为圆心的凹形弧形板91、以P1为圆心的凸形弧形板92、和如果延长率大于0.866距原点的距离为Xr的与Y轴平行的线段93以及任选地距原点的距离为Yr的曲线94构成。

得到对于本发明有用的形状的延长率(Yd除以Xd)的范围从最小值0.866至大概1.5的值。

图5B和图5C示出了两个阵列，分别用0.866和1.0的延长率限定两个阵列的元件。两个阵列的形状参数的值如下：

      Xd     Yd      Rm     Xm     R

图5A  100    86.6    0.5    -      100

图5B  100    86.6    0.5    0.5    111.8

在两个图中元件的朝向上的板代表可以为多种设计中的任一种的能量捕获单元，而平面代表单元的位于其孔径平面中的部分，孔径平面为为与单元的对称轴线和一条或多条光学轴线垂直的那个平面并且包含元件的内旋转轴线。

在该说明书中列举的实施方案中，第一实施方案、第三实施方案、第四实施方案和第五实施方案使用基于最小延长率0.866的几何形状，而第二实施方案和第六实施方案使用基于延长率1的几何形状。然而，任一实施方案可以适合于使用基于不同延长率的轮廓形状。延长率0.866和1.0各自具有可认为可取的特征。0.866的比率使得可以规则的六边形几何形状紧凑地组装阵列，在规则的六边形几何形状中，各元件的六个相邻元件位于相同距离处。比率1.0使得可以紧凑地组装阵列，其中行中元件之间的距离等于行之间的距离。

由本发明描述的一参数族的形状具有两个反射对称的平面且用cmm对称组来铺砌平面。该族为这个对称组的较大族的平面铺砌形状的部分，当由角度定位器安装时，该对称组的紧凑阵列具有非交叉运量。然而，当前的一参数族描述了对于给定区域其形状具有最短轮廓边缘的该较大族的子集，并且因此最适合用作紧凑阵列中的太阳能收集器的轮廓。

图6示出了适用于能量捕获单元的铺砌形状12扫描的容量，其中所述形状由上文描述的方法以延长率0.866产生。图6A示出了铺砌得稍远离内安装轴线和外安装轴线二者上的法向角的形状。图6B示出了在单元围绕其内安装轴线18旋转而通过其运动的角范围时由单元的能量捕获器扫描的容量。图6C示出了在单元围绕其内安装轴线18和外安装轴线32二者旋转而通过其运动的角范围时由单元的移动部分-单元的铺砌形状12及其角度定位器20扫描的容量。图6D示出了以紧凑组装阵列布置的图6C中的容量中的四个，示出了容量为非交叉的。

图7示出了测量在围绕内安装轴线和外安装轴线的倾斜角的范围内诸如图6A中所示的单元的阵列的孔径效率的仿真。图7A示出了生成图7B的表中所示的投射的方法。各个模块的捕获器的投射平面50和孔径平面取向为垂直于太阳60的方向，所述方向由内轴线旋转58和外轴线旋转52位移远离阵列40的法向。在对于30度和更小的轴线旋转在图7B中所示的一些投射中看到的窄黑色区域表示孔径损坏，在所有的情况下孔径损坏小于百分之五。

反射体设计

图8示出用于设计第一实施方案的反射体的方法。由于反射体具有两个镜面对称的平面，所述方法描述了反射体的单象角的生成，单象角随后由对称平面进行镜面映射以构建整个反射体。图8A示出了共用共同焦点112的一组五个抛物形部分115、116、117、118和119。这些抛物形部分由表示图6B中所示的捕获器间隙容量的表面的四分之一的外壳102夹紧。反射体可以仅包括抛物形部分的位于间隙容量内部的部分。

图8B示出了通过组合图8A中所示的五个夹紧的抛物形部分的拼凑片使得竖板连接拼凑片的边缘所生成的反射体的象角的上表面。与反射体的光学和法向轴线70垂直的平面中的映射120以其母抛物形部分的数量限定了图8B和图8C中所示的一组六个区域，其中每个区域投射到五个抛物形部分中的一个上以限定抛物形拼凑片。这些拼凑片通过垂直的竖板表面128沿着拼凑片的边缘接合到一起。竖板表面由与反射体的光学轴线平行且各处具有从法向到该轴线以90度或更小分开的法向的平面的且圆筒形面构成。该设计确保，当反射体的光学轴线与入射光的方向平行时，竖板不阻碍光且因此减小了单元的有效孔径：竖板既不防止入射光到达抛物形表面，也不防止由抛物形表面反射的光到达沿着光学轴线定位的接收器160。

限定抛物形拼凑片的区域的形状的选择由多个标准指导，所述标准包括：

1.将反射体的外边缘保持在距间隙轮廓曲线122的小距离内。

2.使得反射体的平均焦距尽可能得长。

3.将凹槽容纳在反射体的后侧，以便为内安装弧形板和其它特征件提供空间。

图8C的详细视图示出了如何满足第一标准。每个抛物形在任意给定点处在由抛物形的焦距以及该点距光学轴线70的距离确定的高度处与夹紧外壳102交叉。具有最短焦距的抛物形115在最高的曲线上与外壳交叉，使得每个后继的抛物形沿着较低的曲线与外壳交叉。由于在一个抛物形移动到图8C中所示的反射体的锥形部分时距光学轴线的距离增加，必须选择后续较大焦距的抛物形使其在给定的高度处与外壳交叉，诸如包含轮廓曲线122的中部平面的高度。映射120设计为使得每个抛物形拼凑片在距中部平面的垂直位移的窄范围内遇到夹紧外壳。

指导反射体的设计的第二个标准是使得包括反射体的抛物形表面的平均焦距最大化。而延伸到反射体的边缘的抛物形拼凑片的选择受拼凑片在中部平面附近与夹紧外壳交叉的要求限制，可以为反射体的内部选择来自较长焦距的抛物形的拼凑片。为反射体的内部使用大拼凑片的抛物形119而不是较短焦距的抛物形意味着，到达接收器的光的大部分将比不是这样情况的情况具有较小的入射角。

假定为反射体的内部选择较长焦距的抛物形的另外优点是，允许竖板在拼凑片之间延长，为诸如凹进的反射镜124的特征件提供空间。

总之，本方法用于设计反射型镜片以通过利用与抛物形的光学轴线垂直的平面中的邻接区域的映射组合具有相同光学轴线和焦点而具有不同焦距的多个抛物形装配到本发明的平面铺砌轮廓形状内以从不同的抛物形切下拼凑片，所述拼凑片然后由与所述光学轴线垂直的竖板表面沿着它们的边缘接合到一起。该方法易于被归纳而应用于具有多个光学分段的反射体的设计，各光学分段由孔径和光学轴线限定，诸如图18和图19中所示的第二实施方案的反射体或者图22中所示的第四实施方案的反射体。

类似的方法用于设计折射型镜片以装配到本发明的平面铺砌轮廓形状和对应的免碰撞运量内。该方法涉及组合具有相同光学轴线和焦点而具有不同焦距的多个透镜分段，其中透镜分段的范围由捕获单元的运量确定。对于在第三实施方案的情况下具有四个光学分段的透镜示例了这种方法的使用，如图21所示。

图9示出了第一实施方案的能量捕获单元的分解视图和详细视图。所述单元被分成三个主要部件：塔状部150、反射体110和凸形安装弧形板190。标记为A的圆形区域放大为细节A以示出覆盖方向性PV拼凑片的折射型格栅166。

标签为细节B的右下角的放大视图示出了包含电力PV电池160和镜面型朝向内的切面158和镜面型朝向外的切面156的塔状部块中的凹槽。

图10示出了捕获单元在其法向轴线下方的视图以及三个指示的纵向分段。恰在光学轴线的前边切断分段B，因此在轮廓中看到翼片154中的两个。

图11示出了落在元件的能量捕获单元上的代表性光线的路径。图11A和图11B示出了由图10中的B表示的对角分段，并且图11C和图11D示出了由图10中的C表示的分段。在全部四个图中，入射光与页面的垂直轴线平行，而单元的光学轴线围绕与页面垂直的轴线远离该方向倾斜四个不同的角度：图11A中为0度，图11B中为0.5度，图11C中为2度，并且图11D中为20度。

当单元的光学轴线与入射光的方向平行时，如图11A中所示，反射体的各个抛物形表面将入射光反射到电力PV电池160。光线510由抛物形表面119反射到电力PV电池160。光线512首先由塔状部块切面156反射、然后由凹进反射镜124的下部反射到电力PV电池。传感器PV 164精确地位于塔状部块的阴影中。

当单元的光学轴线仅稍偏离于入射光的方向时，如图11B中所示，由反射体的表面反射的光的大部分仍到达电力PV电池，而其它光开始撞击传感器PV 164中的一个或两个。光线514由抛物形表面119朝向电力PV电池反射，在到达电池之前可能反射脱离内部塔状部块切面158。光线516首先由塔状部块切面156反射、然后由中间的凹进反射镜124反射到传感器PV 164。由于凹进反射镜的杯形表面的曲率，反射点的高度的微小增加使得反射光的角度大幅度变化。

当单元的光学轴线更加偏离于入射光的方向时，如图11C中，光经由两种路线到达传感器PV。恰传递到塔状部块170的侧边的光线520直接撞击传感器PV 164。光线522由抛物形表面119反射到传感器PV 164的上部。尽管这两条光线经由非常高的入射角到达传感器PV，覆盖PV的横向格栅表面确保大部分光由PV捕获和吸收。

当单元的光学轴线再更多地偏离于入射光的方向时，如图11D中所示，光继续经由两种路线到达传感器PV，但是入射到PV上的光的量增加。光线524直接传递到传感器PV 164。光线526由抛物形表面119反射到传感器PV的下部。

角度定位器

两轴角度定位器200具有两个弓形狭槽，上部一个204可滑动地安装凸形轨道190，并且下部一个206可滑动地安装凹形轨道310。

所述定位器的弓形狭槽中的每一个装备有沿着轨道的带凸缘边缘的周边啮合狭槽的各个轨道的电动机驱动辊。狭槽204具有由微型齿轮电动机222驱动的辊224，并且狭槽206具有由微型齿轮电动机226驱动的辊228。

捆束在线束230中的线通过各种连通腔连接定位器内部的电子器件。图12B示出了诸如在图16中描述的版本的实施方案中发现的微控制器232。

定位器的主体由四个成型片材构成：两个等同的上半部214以及两个等同的下半部216。定位器通过如下过程组装而成：将诸如驱动电动机和线的部件插入到上半部和下半部中的腔中、与各个半部配合、使得到的顶部部件和底部组件一起滑动、且最终通过将锁螺纹接套218插入到组件中的横向孔中而锁定完整的组件。图1和图2中所示的外电缆260和262通过锁螺纹接套进入定位器中。

在支撑太阳能捕获单元且提供角度定位器相对于底座单元的角度定位的同时，角度定位器为齿轮电动机和电子器件提供保护性封装件。角度定位器与底座的铰接使得角度定位器可以通过滑出底座锚固的凹形轨道的末端而被移除。

角度定位器的其它实施方案可以修改驱动器与角度定位器的轨道啮合的方式。驱动器可以装备有小齿轮和带有连通齿的轨道，以及允许元件的微控制器记录行进的角距离且因此推导角位置的伺服电动机。或者，驱动器可以具有带有纵向脊状部的辊，所述纵向脊状部在轨道的表面上提供更好的牵引。

图13示出了第一实施方案的板的部分的细节，其中所有的能量捕获器取向为法向位置。视图是恰在板封装件430的透明盖的宽顶面的下方的分段。分段平面切通所述盖的阴影侧壁，阴影侧壁围绕板的周边从所述面向下延伸以与半透明底座侧壁420相遇。

进气口436沿着板的底边缘定位。装备有过滤器438，进气口436可以用于使否则与外界空气密封的板中的压力均等，或者可以与排气扇(未示出)结合使用，所述排气扇从进气过滤器通过板吸入空气并且通过排气口排出空气。排气口可通过导管将加温的空气输送到诸如建筑物加热的应用。

行线448将各个元件的输出并联地连接到行内，并且基干线446将所述行线并联地或串联地连接到板的微控制器450。主输出线444传导所有元件的累积电力，并且将所述微控制器连接至安装到板外部上的电连接器442。带有未示出的与所述连接器配合的电连接器的弦杆用于将由电池板产生的电流供给到外部负荷。

第一实施方案的电子器件

图14是图13中所示的电池板的电气原理图，简化为仅示出了十六个元件。被平截且由图14中的虚线方形表示的元件的电气原理图显示在图15和图16中。

图15和图16为第一实施方案的两个变型例的元件的电气原理图，其中图15示出了具有实现元件的自取向表现的一对简单的模拟电路的元件，并且图16示出了其功能由微控制器236增强的元件。

本说明书首先考察两个电路的共同特征，然后考察两个电路各自的特征。元件电路通过连接器280连接至它们各自的行线448。导体282和284携载由电力光生伏打电池160产生的电流，并且在图16中所示的电路的情况下将电力供给元件的微控制器236。驱动电动机222和226分别由导体对286和288供给动力。

现在转到图15中的原理图的具体情况，所述原理图具有三个电路，一个电路将来自电力PV电池160的电力携载到连接器280，一个电路将一对相对朝向的传感器PV电池164连接至驱动电动机222，并且另一个电路将另一对相对朝向的传感器PV电池164连接至驱动电动机226。

现在转到图16中的原理图的具体情况，该原理图具有多个电路，当电力PV电池160不产生电流时，电路连接至微控制器236，并且导体282和284之间的偏压通过电池板微控制器450足以为元件微控制器236和由元件微控制器236控制的驱动电动机供给动力的动作而得以保持。

驱动电动机222和226具有轴，所述轴分别装有旋转式开关292和284，旋转式开关292和284分别通过导体296和298连接至元件微控制器236。通过结合来自旋转式开关的信号监测驱动电动机导体对286和288上的电压，元件微控制器可以记录安装到所述驱动电动机轴上的各个辊的行进的方向和距离。

图16中描述的微控制器增强系统中的辐射能量收集单元具有如下能力：即使当辐射能量收集单元的光取向传感器在一天中或早或晚地被相邻元件遮挡住时并且当太阳被云遮挡时，辐射能量收集单元能够跟踪太阳；因此延长了每天工作的时间，并且减小或消除了的在直接太阳光被简单遮挡之后恢复跟踪的延迟。

为了该说明书的目的，主跟踪限定为响应于由光取向传感器产生的电势或电流而直接执行的跟踪，并且辅跟踪限定为所有其它形式的跟踪。辅跟踪必需在元件微控制器和/或电池板微控制器的控制之下，而主跟踪可由所述微控制器间接进行或者可以不由所述微控制器间接进行。

在主跟踪期间，收集元件的微控制器如上所述记录驱动电动机的旋转，且因此推导元件的两个安装轴随时间的角位移。微控制器使用该数据来校准模型，所述模型预测太阳的位置，太阳的位置作为一天的时间和一年的时间以及安装轴的角位移的函数，安装轴保持元件的对称轴线指向作为时间的函数的太阳。然后，在辅跟踪期间，所述微控制器向驱动电动机供给电流以实现如由电动机旋转所测量的所述安装轴的位移以便保持元件的能量捕获单元的取向。

在主跟踪和辅跟踪之间的切换是由导体282和284之间的电势确定的：当所述电势在某阈值以上时，由于集中的太阳光落在电力PV电池160上，元件在主模式下跟踪，并且当所述电势在该阈值以下时，元件在辅模式下跟踪。

微控制器可以装有贯通开关，所述贯通开关允许来自光取向传感器的电流直接为驱动电动机供给动力。如果微控制器检测到故障，则微控制器可以缺省执行该操作。在贯通操作过程中，导体对182和184上的电流以相反极性结合以在导体对288上产生电流，并且导体对186和188上的电流以相反极性结合以在导体对286上产生电流。

传感器PV 164的主要功能是提供与入射光相对于捕获单元的光学轴线的方向有关的信息，以便由电路用于恢复单元的光学轴线和入射光的方向之间的对准。这就是其电路示于图15中的元件的实施方案中传感器PV的唯一功能。然而，当在具有如图16中所示的必要电子器件的元件实施方案中太阳被遮挡住并且需要聚焦到电力PV电池上的方向性光不存在时，传感器PV还可以用于产生电力。尽管当单元正在聚焦方向性光时与电力PV产生的电力相比由传感器PV产生的最大量电力小，来自传感器PV的电可用于诸如当太阳被遮挡住时为元件微控制器以及电动机和电池板微控制器提供电力的功能。

具有多个能量捕获部件的实施方案

这部分说明了本发明的三个另外的实施方案。这些实施方案与图1至图3以及图8至图12中描述的第一实施方案共享本发明的下列基本特征：

·基本等同元件的阵列布置在电池板状封装件的内部，各自具有独立地感测其相对于太阳的取向且相应地调节其取向的器件。

·根据图5中所示的方法设计元件的能量捕获单元，所述方法使得所述单元可以最优的紧凑组装排列方式进行布置，其中当在法向位置上取向时元件的捕获单元实质上铺砌平面，而无论捕获单元如何单独移动彼此都会能够碰撞。

·能量捕获单元的镜片设计为使得各单元的孔径在孔径平面内延长到其轮廓形状的边缘。

·能量捕获单元的取向由角度定位单元实现，角度定位单元啮合捕获单元和底座中的垂直弧形板。

·来自捕获单元的光生伏打电池的信息用于确定使得所述单元与方向性入射光对准所需的角移动的方向。

这些另外的实施方案与第一实施方案的不同之处主要在于能量捕获单元中镜片和光生伏打元件的构造，并且一些实施方案还演示了角度定位单元的形状和安装弧形板的构造的变化。

所有其余的实施方案偏离于第一实施方案，第一实施方案有赖于通过将多个电力PV电池组合到捕获单元中的专用传感器PV电池且有赖于用于获得取向信息的专用传感器PV电池的输出。图1中所示的第一实施方案的能量捕获单元具有沿着捕获单元的单光学轴线定位的单个电力PV电池以及围绕该轴线布置的四个传感器PV。相反地，四个其余实施方案中的每一个的能量捕获单元具有多个电力PV电池，各电力PV电池具有其自身的光学轴线。当这些实施方案中的一个的捕获单元与方向性光对准时，捕获单元的孔径内的光由多个能量捕获部件中的任一个捕获，各能量捕获部件具有为单元的孔径的某小部分的孔径分段、与单元的法向轴线平行的光学轴线以及沿着该光学轴线定位的电力PV电池。在大多数情况下，各部件的光集中功能通过共用零件的不同部分来执行，诸如复合反射体或透镜。

图17示出了第一实施方案至第四实施方案的能量捕获单元，表示A至D的四个示例中的每一个表示能量捕获单元的捕获部件的光学轴线和对应的孔径分段。第二实施方案至第四实施方案的所有元件显示在图18至图23中。

图17A示出了第一实施方案的能量捕获单元，单个能量捕获部件具有孔径分段540和光学轴线541。

图17B示出了第二实施方案的能量捕获单元，详示于图18和图19中，所述能量捕获单元具有五个能量捕获部件，中央的部件使用透镜将光聚焦到朝向上的PV电池上，并且四个环绕的部件使用反射体的部分将光聚焦到朝向外的PV电池上。中央部件具有孔径分段550和光学轴线551，并且四个环绕的部件分别具有孔径分段552和光学轴线553、孔径分段554和光学轴线555、孔径分段556和光学轴线557、孔径分段558和光学轴线559。

图17C示出了第三实施方案的能量捕获单元，详示于图20和图21中，所述能量捕获单元具有四个能量捕获部件，各能量捕获部件使用复合透镜的不同部分将光聚焦到PV电池上。四个部件分别具有孔径分段562和光学轴线563、孔径分段564和光学轴线565、孔径分段566和光学轴线567、孔径分段568和光学轴线569。

图17D示出了第四实施方案的能量捕获单元，详示于图22和图23中，所述能量捕获单元具有四个能量捕获部件，各能量捕获部件使用复合反射体的不同部分将光聚焦到PV电池中的安装在相同反射体上的竖板上的一个PV电池上。四个部件分别具有孔径分段572和光学轴线573、孔径分段574和光学轴线575、孔径分段576和光学轴线577、孔径分段578和光学轴线579。

具有五个捕获部件的元件

图18示出了本发明的第二实施方案的能量收集元件，所述能量收集元件的能量捕获单元具有五个能量捕获部件，各能量捕获部件具有各自的孔径分段、光学轴线和电力PV电池。图19示出了第二实施方案的能量捕获单元的细节。

电池安装在中央块632的凹槽中。中央捕获组件使用由穿孔的塔状部644支撑的透镜640将方向性光聚集到朝向上的电池650上。

其余四个捕获部件中的每一个使用反射体盘610的象角将方向性光聚集到四个朝向外的电力PV电池652中的一个上。各个所述象角包括共享贯通的光学轴线和由其目标PV电池652跨过的焦点的一系列抛物形表面。限定象角的抛物形表面的不同抛物形的高度和那些表面的角范围选择以使得其与捕获元件的内轴线间隙轮廓交叉的表面的高度保持在元件的孔径平面的指定距离之内。图19B对四个象角中的一个的抛物形表面加标签，抛物形表面以焦距增加的次序为表面612、613、614、615、616、617和618。

尽管当捕获单元与光对准时所有的五个电力PV参与了方向性光到电的转换，朝向外的电力PV电池652用于确定当两个轴线不对准时能量捕获单元偏离入射光方向的方向。使用该信息获得元件来跟踪太阳移动的角度定位器的方法描述如下。

然而，与第一实施方案相比，第二实施方案需要更高级电子器件来实现取向和跟踪表现，第二实施方案具有如下优点：消除第一实施方案的塔状部的小孔径损耗，同时提供大得多的热沉，在多个PV电池位置中分配热点，并且为PV线提供热沉内部的空间，并且导热结构穿过反射体。

具有使用折射型镜片的四个捕获部件的元件

图20示出了第三实施方案的能量收集元件，所述能量收集元件的能量捕获单元使用复合透镜710将光聚集到四个电力PV电池750上。图20A示出了处于组装状态的元件，并且图20B示出了分解的相同元件。

图21示出了第三实施方案的视图以及能量捕获单元的两个指示分段。视图显示了从其法向轴线以及标记为A和B的分段切通复合透镜的两个对称平面的单元。

PV电池750固定到热沉752，热沉752反过来嵌入到平台730中。PV电池通过嵌入到平台中的导体754电连接至电连接器756。

平台730通过双重安装弧形板720刚性连接至透镜，双重安装弧形板720由角度定位单元760的内弓形狭槽764可滑动地安装。

包括透镜710、双重安装弧形板720和平台730及安装在其中的电子器件的捕获单元由角度定位单元760支撑和定位，角度定位单元760由具有双重内弓形狭槽764、外弓形狭槽766和钻孔的块形状的材料762构成以接受内轴线齿轮电动机772和外轴线齿轮电动机776。定位器可滑动地安装与底座单元790一体的底座弧形板792。

装备有连接器和嵌入式电子器件的挠性电缆形式的电子模块780经由连接器782电连接至PV电子插座756，经由连接器784电连接至驱动电动机，并且通过连接器786电连接至底座，连接器785容纳有元件的微控制器。电子模块和驱动齿轮电动机二者可以进行更换，而不需拆卸元件的主机械部件。

在本文中描述的实施方案中，仅第三实施方案完全使用折射型镜片。第三实施方案还为大部分其它的庞大零件使用透明材料，诸如捕获单元的弧形板和平台以及底座单元。该实施方案的元件阵列可以封装在具有透明背面的电池板中。

由第三实施方案实现的显著透明的集中电池板具有特别适用于某些应用的特性。在天窗、窗口或遮阳篷中使用，无论何时当太阳照耀且电池板的捕获单元取向为朝向太阳时，这种电池板将绝大部分入射光集中到其PV电池上，从而遮挡住其下方的孔径，但是无论何时当太阳被遮挡住或者电池板的捕获单元不是这样取向时，电池板将传输大部分光，从而使相同孔空间充满光。用于覆盖半透明表面，这种电池板具有其颜色和其它可视属性模拟表面的外形。当太阳正在照耀并且电池板的捕获单元正在跟踪太阳时，电池板将吸收大部分光以便表现得比表面更暗得多，但是当太阳被遮挡住或者单元不这样取向时，电池板将传输大部分入射光到被覆盖表面、然后传送来自被覆盖表面的光，从而呈现出表面的颜色和外形。

具有嵌入到反射体中的PV电池的元件

图22示出了第四实施方案的能量收集元件，所述能量收集元件的能量捕获单元使用复合反射体，复合反射体的四个象角中的每一个将方向性光聚焦到嵌入到反射体的相对象角中的竖板中的PV电池上。图23从其法向轴线示出了实施方案的能量捕获器以及所述捕获器的三个分段。

用于形成反射体的方法是本发明人提交的专利申请PCT/US2009/046606的主题。在本申请中，实施方案用于示例由角度定位单元提供的两轴安装以及基于电力PV电池的电势差的相关取向方法。

其背侧刚性附接至凸形安装弧形板820的反射体810为具有将反射体划分成四个象角的两个反射型对称平面的单个零件。每个象角的上表面由共享共同焦点和光学轴线的一组抛物形面以及与捕获单元的法向轴线平行的一组扁平且圆筒形竖板面818构成。一个象角的抛物形的焦点存在于相对象角的竖板面的中部且由安装在该面中的光生伏打电池850跨过。

当反射体的对称轴线与入射光的方向对准时，四个象角的光学轴线是同样的，并且抛物形面中的每一个将光聚焦到相对象角中的PV电池上。

第四个实施方案提供了有利于形成能量捕获单元的多个特征。特别地，将PV电池嵌入到反射体自身中的竖板中移除了反射体上方的结构以及在确保这种结构的刚性时伴随的设计问题并且使得来自所述结构的孔径损耗最小化。构成能量捕获单元的体积的反射体部分可以制造为用于简化和尺寸精度的单个零件。

此外，由于PV电池在围绕反射体的周边均匀分布的点处安装到反射体中，并且沿其半径反射体可以提供特别有效的热沉，尤其是如果主要由诸如铝的具有高导热率的材料构成。即使反射体部分由具有低导热率的材料构成且因此不适合作为热沉，附接至PV电池的背侧的单独热沉可以设计为延伸到反射体后方的热沉不会遮挡反射体的空间中。

第四实施方案的另一优选是由反射体聚焦到PV电池上的光具有低的平均入射角，避免了由高的光入射角引起的在PV电池表面上的反射损耗。

用于具有多个捕获部件的实施方案的电子器件

第二实施方案至第四实施方案共享将它们与第一实施方案区分开的共同特征，即第二实施方案至第四实施方案具有多个能量捕获部件，各个能量捕获部件在不同的方向上远离能量捕获单元的对称轴线。由于捕获部件围绕捕获单元的对称轴线对称地布置但是彼此不对准，并且由于光学几何形状使得即使当捕获单元的轴线偏离入射光的方向时PV电池将接收到一些照射，PV电池将产生作为单元的轴线距入射光轴线的位移的函数的水平的至少小量的电。不同于除了其电力PV电池之外具有四个方向感测PV电池的第一实施方案的能量收集单元，第二实施方案至第四实施方案的能量收集元件有赖于它们的多个电力PV电池的输出以便采集与它们的能量捕获单元相对于入射光的取向有关的信息并且无需专用的方向感测PV电池。

对于每个捕获单元具有多个电力PV电池的实施方案而言，本发明构思了多种方法，单元通过所述方法确定其角度定位器所需的移动以使其捕获单元与方向性入射光对准。所述方法的范围从仅比图15中所示的模拟电路稍复杂的简单模拟电路到采用由微控制器执行的存储程序的方法。

图24和图25示出了第四实施方案的两个变型例的电气原理图。第四实施方案选择为代表性实施例，通过所述实施例来示例具体的电路设计，电路设计的变型例适合于第二实施方案、第三实施方案和第五实施方案。

图24为第四实施方案的模块的电气原理图，所述模块的太阳跟踪功能完全由模拟电子器件来实现。

在图24中所示的电路中，四个二极管870将四个PV电池850的输出连接至模块电力线880，并且八个二极管872将各PV电池的输出连接至两个内轴线方向感测线876中的一个以及两个外轴线方向感测线878中的一个。

内外轴线控制电路882和884分别基于来自所述方向感测线对876和878的输入的相对电势分别经由电动机线对886和888向驱动电动机822和826提供电力。当与控制电路通信的两个方向电势相对相似时，电路在其电动机线上平衡电势。当一个方向感测线的电势以至少某阈值不同于另一个时，控制电路将一个电动机线有效地切换到模块地且将另一电动机线切换到模块电力线880，其中当方向感测线电势差相反时行偏对偶现象相反。因此，当方向电势差的绝对值大于某阈值时，电动机运转并且在由该差值的符号所确定的方向上运转。

图25为第四实施方案的具有微控制器860的模块的电气原理图。四个二极管870允许来自PV电池850的电流流到输出和模块电力线880，同时允许微控制器读取各个电池上的电势。利用与这样采集的电势有关的信息，微控制器执行诸如在下部分中说明的算法以移动齿轮电动机882和884，从而使能量捕获单元与方向性入射光对准。

其原理图示于图24和图25的元件经由可插连接器890电连接至电池板电路，可插连接器890与图15和图16中所示的连接器280可兼容。在阵列中使用的元件的电子器件和安装系统二者可以设计为可兼容。假定元件设计为具有兼容的操作间隙轮廓、安装系统和电子器件接口，具有非常不同设计的元件，特别是它们的能量捕获单元，可以用于相同的阵列中。

对于具有多个捕获部件的元件的取向算法

具有图15中描述的电子器件的第一实施方案实现了通过其表面的形状和非常简单的电气电路将能量捕获单元移动以与方向性光对准的方法。由于相对朝向的传感器PV电池的照射强度之间的差别的符号与在由该对PV电池控制的倾斜轴线的旋转平面中捕获器的光学轴线相对于入射光方向的角度的符号匹配，这种取向行为是可能的。

具有图24中描述的电子器件的第四实施方案还实现了通过其反射体的形状和比第一实施方案稍复杂的电气电路将其能量捕获单元移动以与方向性光对准的方法。

在其它实施方案的几个实施方案中，PV照射水平和光学轴线距光方向的位移之间的关系更加复杂，使得通过其光学部件和模拟电子器件的设计实现取向行为更加苦难。该部分描述了用于取向实施方案的能量捕获单元的算法，所述实施方案的元件具有多个能量捕获部件且装备有微控制器。

由于第二实施方案至第五实施方案仅具有跨过它们各自的捕获部件的焦点且以高达几千的集中率运行的小光生伏打电池，当捕获单元的轴线偏离入射光方向尽可能小的度数时，到达这些PV电池的光水平落到它们峰值的小部分上。然而，由于存在光可取道到达PV电池的许多族可选路径并且这些族覆盖了角位移的空间的不同的且重叠的区域，在来自单元的法向轴线的任一方向上入射光方向距捕获单元的轴线的角位移到90度的两维空间的大部分中方向性光继续落在构思的实施方案的PV电池上。对于使用反射型镜片的捕获部件，该空间的大部分由光直接到达PV电池的区域覆盖。空间的其它部分由其中在光由捕获单元的反射体进行一次、两次或三次反射之后到达PV电池的区域覆盖。

在本发明的这些实施方案中，在能量捕获单元的各个PV电池上照射的水平的组合将作为单元的光学轴线距入射光方向的角位移的函数变化。本发明提供了一组方法，所述方法利用结合编写的算法的与它们的PV电池的照射有关的实时数据以及有效地实现从PV响应数据到角度定位控制的逆向映射的数据集使得能量收集元件能够使它们的捕获单元取向为与方向性光对准。

根据该组方法，能量收集元件利用通过两阶段过程提前生成的紧密数据集将PV响应数据直接转移成定位控制。该过程首先使用测试系统来生成描述作为捕获单元位置和移动的函数的PV响应水平的高分辨率数据，然后对该数据进行处理以生成取向作为PV响应数据的函数的定位控制的逆向映射，并且将那些映射编码成紧密生成数据集。

由取向算法使用的空间和映射

参考下面的五个空间说明在产生生成数据集中涉及的过程，参考图26和图27说明五个空间。

·定位单元角位移孔径或移动空间，其说明了角度定位单元的双向驱动电动机的两维移动和捕获单元在位置空间之内的耦合移动。图26A示出了作为具有笛卡尔坐标系统的平面900的矩形区域的角移动空间的表示，笛卡尔坐标系统的ud轴线表示围绕单元的内倾斜轴线的移动，并且笛卡尔坐标系统的vd轴线表示围绕单元的外倾斜轴线的移动。所述空间的范围从在两个方向上的负向移动到正向移动，单元在原点902处是无运动的。

·捕获单元角位置空间或位置空间，其为能量捕获单元相对于由角度定位单元提供的元件的底座的可能取向的两维空间。图26B示出了捕获单元的能够沿着内倾斜轴线和外倾斜轴线从元件的法向轴线904旋转到正60度和负60度的位置空间的两个表示。图示的上部示出了作为围绕单元的间隙轮廓908的球形拼凑片906的与捕获单元相关的空间。图示的下部示出了映射到具有笛卡尔坐标系统的平面的矩形区域到相同空间。拼凑片和区域由格栅规定，格栅示出了沿着以10度分隔开的两个轴线的角移动的等高线。角位置空间912的原点对应于取向为使得其法向轴线与阵列的法向轴线平行的捕获单元。作为与包含元件的外倾斜轴线的阵列的法向轴线垂直的平面的阵列水平面914表示为环绕描绘的元件的圈。

·光方向位移空间或位移空间，其为入射光方向距捕获单元的法向轴线的角位移的两维空间。图26C示出了位移空间的两个表示，位移空间在来自捕获单元的法向924的所有方向上向外延伸到90度。上方图示示出了作为由两组曲线形成的格栅规定的半球920与捕获单元相关的空间，其中各组的曲线与捕获单元的两个对称平面中的一个平行。下方图示示出了映射到具有具有轴线g和h的笛卡尔坐标系统的平面的菱形形状的区域的相同空间及其格栅。在该表示中给定点(g，h)，该点在球体上的位置的三维笛卡尔坐标由如下组等式表示：

x＝sin(|g|)*cos(h)*(1-|h|/π)

y＝sin(|h|)*cos(g)*(1-|g|/π)

z＝sqrt(1-sqrt(x²+y²))

存在位移空间的许多可能的可选表示，诸如由极坐标系统规定的表示，以及使用由半球到平面的不同投射的表示。由于格栅用其覆盖半球的密度仅微小变化，选择图26C的表示，并且格栅映射到其点可指定为笛卡尔坐标的平面的紧密区域。

·PV响应空间或响应空间，其为包含捕获单元的PV电池的输出值的可能组合的多维空间。该空间具有如捕获单元具有这样的PV电池的尽可能多的维数。

·德尔塔(delta)PV响应空间或德尔塔响应空间，其为在捕获单元沿着角移动空间的两个垂直轴线中的每一个以小增量移动时包含捕获单元的PV电池的输出值的可能变化率的空间。对于PV响应空间的每一维，在德尔塔PV响应空间中存在两个对应的维，对于由角度定位单元提供的两个移动方向中的每个各有一个。

对于本文中说明的本发明的实施方案中的大部分，能量收集元件及其捕获单元具有通过读取它们的PV电池的输出电平仅在PV和德尔塔PV响应空间中直接感测它们的坐标的能力，并且通过控制供给到它们的角度定位器的驱动电动机的电来直接控制它们仅在角移动空间中的位置的能力。下面说明的算法使得元件能够将它们的捕获单元移动而通过角位置空间并且因此在光位移空间中以快速且高效地方式使它们的捕获单元与方向性光对准。各算法实际上实现了其域为PV响应空间中的任一个或两个且其范围为角移动空间的函数。算法的设计基于当前说明的各空间之间的关系。

前两个空间的关系是直接的：角位置的u和v分量为随时间的角移动的ud和vd分量的积分。

位置和位移空间的关系是可变的且通过选择位置空间中的点以及因此位移空间原点在位置空间内的位置而确定，该点限定了捕获单元的取向。图26D示出了叠加到位置空间的球形表示上的位移空间的球形表示，位移空间的轴线和原点从位置空间的原点沿着外倾斜轴线位移40度且沿着内倾斜轴线位移30度。该构造要求，在位移空间原点922处，两个空间的格栅对准，使得对应于位移空间的g和h轴线的大圆圈与沿着位置空间的u和v方向的等高线成正切。

由于将位置空间中的点选为位移空间的原点唯一地确定了两个空间如何叠加，对于各个这样的点在两个空间之间存在极好限定的一对一的映射。该映射提供了空间内的由位置空间中的变量u和v以及位移空间中的变量g和h限定的基本方向在位移空间的原点处对准。然而，由于两个空间参数化不同，这些基本方向与从位移空间的原点渐增的距离分歧。然而，对于在位置空间内的位移空间原点的任何选择的映射的任意部分，该分歧不大大超过45度。

响应空间与位移空间的关系为两个独立变量的多值函数的关系。给定具有参与方向感测的四个PV电池的能量捕获单元，对于位移空间(g，h)中的每个点，存在4重PV响应值。

图27示出了对于具有四个PV电池的假想捕获单元将位移空间映射到响应空间的函数的视图。图27A至图27C示出了作为以g和h变量为参数的位移空间内的表面图形的响应函数。图27A示出了单个捕获部件的图形。图形在位移空间的原点上具有峰值930，其中方向性光聚焦到部件的PV电池上。图形的垂直尺寸具有对数级，以使得与如果尺寸具有线性级的情况相比峰值表现得相对于图形的环绕部分低得多。图27B示出了叠加的四个捕获部件的图形，其中从图形中去除楔形以通过四个部件呈现出各部分。从位移空间点940升起的线分别在水平941、942、943和944处与四个部件的图形交叉。

图27D示出了响应空间作为其中响应空间点946对应于位移空间点940的四维超立方体的投射在表示四个捕获部件的四个维中从响应空间原点948位移距离941、942、943和944的表示。

图27C示出了图27B的仅在位移空间的四分之一上的合成图形。由于四个捕获部件的响应图形彼此等同，通过g和/或h轴线为一个或两个反射按模计算，在位移空间内四个响应函数的整个映射可以在单个象角中折叠成四个叠加图形，减小了表示映射所需的存储器。使用这样的函数表示，位移空间中的任意点的响应值可以通过在包含数据的象角中定位该点的图像且相应地转置响应空间轴线进行重新构造。下面参考图31提供实现响应函数表示的这种折叠的方法的详细情况。

作为近似，德尔塔响应空间也与作为两个独立变量g和h的多值函数的位移空间相关，对于每个PV电池具有两个值，对于移动空间中的两个方向ud和vd中的每个各有一个。然而，由于上文提到的位置空间和位移空间之间的映射的基本方向的分歧，该说明书仅精确地适用于其中这两个空间的原点重合的情形。精确地描述PV响应水平相对于具有四个PV电池的能量捕获单元的角位置的导数的函数具有四维域和八维范围：对于各点((g，h)，(u，v))，存在两个4重德尔塔响应值。

数据集生成

尽管移动空间、位置空间和位移空间之间的关系是可分析的且可以具有数学严密的特征，对于给定的实施方案，将这些空间映射到响应空间和德尔塔响应空间的函数将受限于该实施方案的实例的镜片和PV电池的性能特征。本发明提供根据经验生成表示从位移空间到响应空间的映射以及基于该数据从响应空间回到位移空间的逆向映射的数据结构一组方法。这些方法将用于具有宽范围的光学设计的实施方案，而实施方案的单个单元具有PV灵敏度的光学几何形状的足够小的变化，即相同的数据集将提供从一个单元到下一个单元的稳健取向行为。

图28概括了使用测试台系统生成表示位移空间到响应空间映射的中间数据集、然后处理该数据来生成表示响应空间到位移空间逆向映射的紧密数据集的方法。现在详细地说明该方法。

由能量收集元件的微控制器执行的取向算法使用了表示从响应空间到位移和/或移动空间的映射的生成数据集。对于给定的实施方案，生成数据集是利用测试阵列生成的，测试阵列的元件具有与生成阵列元件基本等同的镜片和PV电池。测试阵列与生成阵列的不同之处在于，元件装备有外部控制的角度定位单元且装有仪器来测量它们的能量捕获单元的角位置，以及其它的测试条件。测试系统可以装有仪器来测量太阳或人工光源相对于阵列的角位置，或者可以与固定光源一起使用，其中光源的角位移通过移动测试阵列而生成。下面参考图37说明测试阵列的特定实施方案。

生成数据集的产生涉及执行数据获取程序以产生称为响应样本数据的中间数据集，且随后是数据处理程序，数据处理程序检查所述样本数据以生成称为位移查找数据额生成数据集。

本说明书首先考察了忽略位置空间和位移空间的基本方向的偏离或歪斜的程序的简单变型。由于空间之间的该歪斜通常在绝对值上保持得比45度的旋转小，如果不是通过最直接的路线，这样的变型应当产生能量捕获单元收敛到其法向轴线与入射光的方向对准的运动。该变型还忽略了有利于仅查看简单得多的响应数据的德尔塔响应数据并且示例了存在四个能量捕获部件的情况。

数据获取程序使得对于覆盖位移空间的部分的多个位置、PV电池的输出和对应位置数据中的每个在记录的同时以系统的且可逐步的方式移动模拟阵列的元件通过它们的运动范围成为必需。该程序生成了作为高分辨率阵列样本的表示从位移空间到响应空间的映射的数据集。该样本数据为表示响应空间中的4重代表点的两维阵列，其中阵列的行和列表示位移空间中的位置。可选表示免除了样本落在位移空间中的格栅线(均等的g和h值的等高线)上的要求，并且变成两维阵列结构。在该情况下，位移数据由存储有各样本的坐标对(g，h)提供，而不是由阵列中样本的位置推导。

取向算法和数据

数据处理程序考察产生生成数据集的中间数据集，中间数据集为数据结构和访问方法，称为位移映射，所述位移映射将响应空间中的点映射到位移空间中的点。该数据结构的优选形式是响应空间分隔成一组电池，各电池包含光位移空间中的零或多个点或区域的坐标，该坐标可能接近于或包含位移空间中捕获单元的实际坐标。给定响应空间中的点，查找方法将电池定位在点落在其内的该空间的分隔中，并且返回存储在该电池中的位移空间中的零或多个点或区域。

单元的微控制器重复地执行查找算法，向查找算法提供来自PV电池的响应数据并且从位移-空间数据获取响应数据。在各个这样的步骤中，算法将位移数据映射到预测以移动捕获单元得更靠近位移空间的原点的移动坐标，算法使用移动坐标调节控制定位器的驱动电动机的运动的电平。

图29是概述取向算法的优选形式的流程图。下面说明算法的细节，随后考察位移查找数据和算法的实现。

由于响应空间到位移空间的映射位置上可以为多值的，并且由于作为光位移的函数的镜片和PV电池的响应行为在某种程度上存在误差，位移查找映射的目的是使元件能尽可能好地猜测其在位移空间中的位置和使其捕获单元更靠近位移空间原点所需的移动。分隔方法利用与位移空间和响应空间中的样本数据的同时分布有关的信息来产生可用于基于响应数据估计捕获单元的位移的紧密数据结构。

图30图示了响应空间分隔电池与响应空间中的坐标的关系。块950代表被分割以呈现出空间952的两维分段的四维响应空间，在空间952内示出了三个分隔电池。曲线958表示所述电池到位移空间926的点和区域的映射。分隔算法的主要标准是，分隔算法产生了映射到位移空间的紧密区域的电池。一组样本的紧密性的有用测量是样本的角度范围以及较小程度上为它们的径向范围，由于受限角度范围和径向范围的区域内的点转换为移动空间中的相似点。存储在分隔电池中的位移空间值可以包括表示区域的质心的点并且可以包括与区域的范围有关的数据，诸如由图30中所示的位移空间区域的径向形状表示的数据。

在图30中所示的三个电池中，电池954映射到单个区域，电池955映射到两个区域，并且电池956不映射到区域，由X表示。给定图27中所示的响应函数，响应空间中的大部分将由类似于电池956的具有空值映射到的电池所占据。下面将解释从响应空间电池到位移空间的单值映射、多值映射和空值映射的取向算法的作用。

位移映射折叠

由于描述的实施方案的PV响应函数通过g和h轴线具有反射对称，可以利用仅覆盖一个象角的数据结合访问方法提供覆盖整个位移空间的映射来四倍地减少表示函数所需的数据。随后是对方法的说明，称为响应函数折叠，所述方法将对称利用数据减少方法应用于生成样本数据阵列和生成及使用位移查找映射二者。参考第三实施方案和第四实施方案说明该方法，第三实施方案和第四实施方案二者均具有四个捕获部件，但是具有不同的对称。

响应函数折叠方法修改生成的样本数据阵列以生成仅覆盖位移空间的第一象角的数据，其中g和h均为正的。

作为质量控制措施，可以对其它象角收集数据，并且可将数据与对第一象角记录的数据相比较。对于第一象角的样本数据然后用于生成实现位移查找映射的生成数据集。

该折叠表示的位移查找数据包含了仅在第一象角中的位移坐标。然而，位移查找数据利用映射四个响应空间维到两个位移空间维的反射的置换的访问方法用于找到在位移空间中的任一象角中的位置。因此，尽管未置换的4重响应空间值指代第一象角中的位移，三重置换指代其它三个象角中的位移。

图31示出了对于如下两种情况中的每种从所选择的象角中产生位移空间的其余三个象角的响应空间维的置换：捕获单元和置换映射显示在左侧的第三实施方案，以及捕获单元和置换映射显示在右侧的第四实施方案。符号r1、r2、r3和r4指代四个响应空间维，各维对应于如捕获单元内的标签所示的捕获部件。4重(r1，r2，r3，r4)表示响应空间中的点。

仅对第一象角产生样本数据阵列，其中g和h为正的。位移查找数据由该数据生成，并且因为由响应空间分隔的电池所指代的所有位移点均同样在第一象角中。

借助于如下定义更加完整地说明从折叠的位移查找数据产生位移映射的访问方法。使D(r1，r2，...rn)为位移映射，其给定n个响应空间维r1至rn，返回一组零或(g，h)形式的多个位移空间坐标。使Df(r1，r2，...rn)为折叠位移映射，其给定n个响应空间维r1至rn，返回一组零或(g，h)形式的多个位移空间坐标，其中g和h均为正的。使Df(r1，r2，...rn)*(sg，sh)为折叠位移映射，其中各个返回坐标乘以缩放因子(sg，sh)为(g*sg，h*sh)。折叠位移映射Df对应于位移查找数据，覆盖了第一象角。现在，可将图31中所示的两个实施例的位移映射分别限定如下：

D(r1，r2，r3，r4)＝Df(r1，r2，r3，r4)∪Df(r3，r2，r1，r4)*(1，-1)∪Df(r3，r4，r1，r2)*(-1，-1)∪Df(r1，r4，r3，r2)*(-1，1)

D(r1，r2，r3，r4)＝Df(r1，r2，r3，r4)∪Df(r3，r4，r1，r2)*(1，-1)∪Df(r4，r3，r2，r1)*(-1，-1)∪Df(r2，r1，r4，r3)*(-1，1)

尽管参考本发明的第三实施方案和第四实施方案的能量捕获单元进行了示例，位移映射依据位移查找表的这两个定义中的每一个可应用于捕获部件共享其对称性的其它实施方案。第二个定义还适用于第二实施方案，并且第一定义还适用于下文中说明的第五实施方案。具有多个捕获部件且因此具有多维响应空间的实施方案将需要基于与本实施例示例相同的方法的不同置换映射。

取向模式

图29中概述的取向算法利用位移映射在两个不同的查找程序内来推导捕获单元在位移空间中的位置：状态无关，其中算法排他性地依赖于单元的当前响应值；以及状态相关，其中算法将当前响应值与关于捕获单元的近期位移历史的信息相结合。在响应值仅指代响应空间分隔中的空值电池时，各程序可以成功地找到位移点或者不能找到。

算法可以概述为具有两个主要的控制环或模式：搜索模式，其占据了流程图的左部，在随机方向上重复地移动捕获单元通过位置空间中的明显距离并且执行状态无光查找程序直到该程序成功，然后将控制转移到跟踪环；以及跟踪模式，其占据流程图的右部，朝向位移空间的原点以小增量重复移动捕获单元并且执行状态相关查找程序直到该程序连续失败多次，然后将控制转回到搜索环。

跟踪环记录诸如之前迭代的位移坐标的状态信息并且通过多种可能的方法利用该信息来提高取向性能，这里描述所述方法中的两种如下：使位移映射结果与位移空间和位置空间之间的歪斜补偿意义清晰。

图32图示了使用状态信息澄清位移映射结果。如上文参考图30所述的，响应空间分隔中的电池可以指代位移空间的多个点或区域，使得位移映射不清晰。然而，由于捕获单元在跟踪模式下渐增地移动，为之前的迭代记录的位移坐标可能接近于当前迭代的正确位移坐标。如果且当位移映射返回多个候选点时，算法将每个这样的点与一个或多个近期记录的点进行比较并且选出候选点，如果有候选点，则算法基于如连续点之间的向量的长度和方向的标准来拟合近期点的趋势。

图32示出了捕获单元移动通过位移空间的轨迹960，轨迹的顶点代表在各个步骤的位移坐标，在各个步骤中，算法读取PV响应值，查找位移映射以推导出其位移空间坐标，并且通过设定驱动电动机速度来调节其轨迹。径向分段表示位移映射查找的结果，分段962通过在两个连续步骤处的查找返回，并且分段963通过在下个步骤处的查找返回。在968所示的最后轨迹点所示的步骤处，查找返回两个分段964和965。由于分段964存在于通过之前步骤的查找而返回的分段的趋向，算法接受分段964，由于分段964表示正确的位移位置，并且拒绝分段965。

图33图示了利用状态信息进行歪斜补偿。如上文参考图26所述的，取决于诸如捕获单元的当前角位置、光位移大小和位移空间的参数化等因素，位移空间和位置空间之间的歪斜通常随着从位移空间原点到多达50度的距离的增加而增长。如果通过按分量方式将(g，h)映射到(ud，vd)而将推导出的位移空间坐标直接转换成移动坐标，那么取向算法将产生运动以将捕获单元与光的方向对准，在很多情况下，光的方向大幅度地偏离最直接的路径。

这个由于歪斜而非最优的取向行为易于通过在从(g，h)到(ud，vd)的映射中引入反歪斜旋转并且调节该旋转以抵消歪斜效应来进行校正。在跟踪环的每次迭代中，考察位移空间中的当前的和之前的一个或多个位置来测量跟踪方向与最优方向的角分离度，并且反歪斜角度按该角度的逆量增加。

图33示出了在执行状态相关跟踪环的三个连续步骤中通过位移映射查找从PV响应数据推导出的位移空间中的三个点。在第一步骤，算法刚刚进入状态相关模式，已经估计出了点970的位移坐标，并且尚未具有与歪斜相关的信息。在该点处，位置空间坐标系统975相对于位移坐标系统旋转约50度。基于该点在位移空间中的推导位置，算法推出朝向空间的原点976的方向，该方向约为沿空间的g轴线的顺时针方向的二十度，并且基于g，h坐标系统中的原点方向向量到ud，vd坐标系统的按分量映射来设定定位器的驱动速度。由于歪斜977，在距最优方向976顺时针方向约50度的方向上产生运动。在下一个步骤，算法测量将之前点970连接至当前点972的线段的角度，并且减去从当前方向到原点的角度以获得约负50度的反歪斜角度978。在该步骤处，算法基于g，h坐标系统中的原点方向向量到ud，vd坐标系统旋转反歪斜角度的映射来设定定位器的驱动速度，使得运动到其方向紧接近原点方向2的下个推导点974。

取向算法可以利用歪斜的不间断测量来进行与捕获单元的角位置有关的推导且利用该信息来提高各任务的性能，诸如考虑到如下文描述的捕获单元遮挡的响应空间分隔的搜索。

取向算法的概述

由于上文中描述的算法产生了从响应空间到位移空间的映射，上文中描述的算法称为位移-空间取向算法。尽管捕获单元的角位置可连同德尔塔响应值、诸如歪斜历史的状态信息由位移推导出，上文描述的位移查找映射基于产生从经验函数映射位移数据到PV响应数据的逆向映射。

位移-空间取向算法假设，至少作为近似，对于任何给定的光位移捕获单元的孔径被均匀照亮。然而，从图7的孔径研究可以看出，甚至对于偏离阵列的法向的小的光位移和角位置，紧凑组装阵列内的捕获单元开始被遮挡住。诸如上文所述的位移-空间取向方法可期望为在其中能量收集元件不如此紧靠近以至于能量收集元件通过大部分运动范围和入射光状态彼此遮挡的构造中使用的能量收集元件提供稳健的取向行为，但是不必期望不经修改而证实紧凑组装的元件阵列中的稳健取向行为。

图34示出了包括第四实施方案的在设计为接受能量收集元件的封装件内部的能量收集元件的独立模块。封装件980的透明顶部在元件的倾斜轴线的枢转点下方延伸并且允许在整个运动的工作范围内捕获单元的孔径被完全照亮。这些模块可以稀疏的布置安装以使得单个模块彼此不显著地遮挡。可选择地，元件可以稀疏的布置安装在包含多个元件的封装件内以避免遮挡。然而，本发明的多个有用特征使能且涉及到以最优紧凑的布置组装元件，其中能量捕获单元大部分时间受到相邻单元的某种程度的遮挡。

用于紧密组装的元件阵列，使用来自遮挡的捕获单元的响应数据的位移查找将易于失败，由于由仅来自未受遮挡单元的样本数据生成的响应空间分隔将不能覆盖该空间的对应于被遮挡状态的部分。下面首先说明了解决问题的位移空间取向算法的修改；其次说明了生成样本数据和与位移空间和移动空间的乘积而不仅是位移空间相关的逆向查找映射的位移空间取向算法的概述。

响应空间搜索

如上所述，位移映射用于对于给定的响应空间中的特定点推导出位移空间中的位置。然而，实施方案的捕获单元的几何形状可以为使得覆盖捕获单元的部分的阴影以如下充分可预测的方式影响响应值：对于给定光位移和遮挡状态，给定响应空间点，对于无遮挡的相同近似位移的响应空间点可以通过响应空间分隔的约束搜索被定位。

例如，如果捕获单元的位置和光位移仅得到被遮挡的四个捕获部件中的一个，捕获单元的响应空间点与对于未受遮挡状态的相同位移记录的点的唯一不同之处在于，遮挡的捕获部件的响应空间坐标减少。因此，给定响应空间中的点，算法将其搜索限制到响应空间分隔的一维、两维或三维子空间或分段，这取决于是否假定捕获部件中的一个、两个或三个被遮挡。在所有情况下，搜索需要仅考察其坐标等于或大于给定点的坐标的这些分段。

因此，即使假定所有四个部件可以被遮挡，响应空间分隔的搜索仍限制到由给定的响应值确定的子空间。因为搜索次数随着待搜索的子空间的维数增长，算法可以执行搜索以便于增加子空间的维数，当算法定位满足其搜索标准的电池时结束搜索。算法还可以使用状态信息来引导其搜索的次序，诸如通过首先搜索其中在跟踪环的之前迭代中找到匹配的子空间。

图35示出了容纳第四实施方案的能量收集元件的电池板的部分，其中大部分捕获单元的法向轴线彼此对准。角部元件的反射体的象角根据它们对应的捕获部件的孔径进行标签，如上文参考图17描述的。如果太阳直接位于观察者的后面，那么所有的可视捕获单元在某种程度上被遮挡，所有最远离观察者574的捕获部件几乎完全未被遮挡，并且大部分最靠近观察者578的捕获部件完全被遮挡。由于相对于阵列的光位移变得较小，捕获单元的遮挡在受影响捕获部件的量和数量两方面减少了。

由于相对于阵列的法向轴线的光位移和遮挡之间的关系，当太阳的方向接近阵列的法向时，位移空间取向算法可期望为紧凑组装的阵列提供稳健的跟踪行为，但是随着这些轴线的角位移增加可变得较低效且较不可靠。算法可通过在低遮挡状态器件记录其跟踪移动并且利用该数据来校准在其它时间执行的规划移动过程来利用该事实。实现这种规划移动可需要装有角度定位器来感测相对于各个弧形板的行进距离，诸如上文关于图16描述的角度定位器。

状态空间映射

概述的取向算法将能量收集元件的状态空间限定为角位置和光位移空间的乘积。尽管位置空间和位移空间均具有两维，状态空间具有四个，u和v来自位置空间，并且g和h来自位移空间。状态空间基于g和h的符号分成四个象角。

图36图示了作为四维容量到页面的投射的状态空间。对于由坐标对(u，v)给定的位置空间中的任意点，状态空间包含跨过位移空间的切割，并且对于由坐标对(g，h)给定的位移空间中的任意点，状态空间包含跨过位置空间的切割。状态空间982的原点是位移空间原点912和位置空间原点902相交的点。

图36中描述的状态空间以与如上文参考图31说明的位移空间折叠相同的方式折叠。仅对于状态空间的第一象角生成样本数据，并且所述样本数据用于生成响应空间分隔。给定响应值，状态映射通过返回四个响应空间分隔查找的并集而返回状态空间的四个象角中的任一个中的位置，各个响应空间分隔查找使用分隔坐标的唯一置换，并且各个响应空间分隔查找在四个可能组合中的一个中倒置结果的g和u坐标、和/或h和v坐标或者不倒置任一个。

测试台系统用于以与该系统用于生成覆盖如上文参考图28说明的位移空间的样本数据阵列极相同的方式生成覆盖状态空间的样本数据阵列。然而，状态空间与位移空间相比较的两个另外的自由度对测试台系统提出了更多的要求，下文参考图37描述其实现的实施例。

在上文描述的程序中，使得能量捕获单元相对于光源移动而通过角运动的两参数范围，覆盖光位移空间的至少一个象角。由于位移空间在捕获单元不遮挡的情况下被映射，测试台可以仅使用单个能量收集元件来收集数据。在本程序中，捕获单元相对于阵列基座以及相对于光源的移动分别对应于在正交角移动和状态空间的光位移子空间内的移动。当捕获单元在保持其相对于光源的取向恒定的同时相对于底座移动时，PV响应电平仅作为横穿捕获单元的阴影的移动的函数而变化。为了获取PV响应相对于角移动的该函数，测试单元需要生成阴影，或者通过利用仪器化的能量收集元件的阵列，或者通过使用由与中央元件一致地移动且遮挡中央元件的实体模型元件环绕的单个仪器化元件。

图37示出了测试台系统的使得能够收集用于覆盖状态空间的样本数据的部分。系统使用测试台定位装置，其中，具有两轴角度定位器1020的平台1010，本身为本发明的角度定位器的变型例，设计为使小阵列的能量收集单元1012移动通过模拟太阳相对于阵列的法向轴线的可能的位移范围的运动范围。在示例中，法向轴线为1006的平台围绕其内倾斜轴线相对于底座旋转10度，并且中央单元的法向轴线为1008的能量捕获单元围绕它们的外倾斜轴线相对于它们的底座和平台旋转40度。平台在其内倾斜轴线的下方位移以使得测试台定位装置的旋转中心对应于中间的能量捕获单元的旋转中心。

由于测试台定位装置提供了测试阵列相对于模拟太阳的相对角位移的固定光源的两轴角运动范围，尽管阵列的能量收集元件的角度定位器提供了能量捕获单元相对于在阵列内生成遮挡状态的阵列的独立的两轴角运动范围，测试台系统允许生成用于利用固定光源覆盖四维状态空间的数据。

图37中所示的相同装置可与太阳一起使用，绕过由于太阳光和人工光之间的差别可能引起的问题，但是由于太阳的移动引入了位移空间的恒定变化。许多方法可用于利用计算机控制的四轴测试台系统来收集这些动态变化的数据。一组方法为各捕获部件记录一系列轨迹，各轨迹记录作为绝对时间的函数的PV响应数据，并且借助于与测试台的位置历史和太阳的路径有关的信息利用轨迹来生成状态空间的覆盖。由于能够以相对高的精度来确定太阳的位置、测试台捕获的倾斜角度以及测试台底座的倾斜角度，状态空间中沿着轨迹的任意点的位置同样能够以相对高的精度来确定。用于生成作为诸如由图36所示的四维样本阵列的状态空间的覆盖的方法是将最靠近其状态空间的轨迹点的响应值分配给各样本点。

单个PV响应校准

上文说明的方法取决于捕获单元的PV电池，所述PV电池提供与其中电池的输出的大小与落在其上的太阳光的量成比例的电输出形式的照明有关的信息。上述在捕获单元内从PV电池的响应映射获得位移和状态逆向查找映射的程序假定那些电池具有彼此基本等同且与测试台系统内的PV电池基本等同的响应特性。然而，按相同规格制造的PV电池可以在响应特性上具有显著的差别，并且本发明提供了补偿这些差别的方法。这些方法包括对于元件的各PV电池在各能量收集元件的微控制器中记录校准数据，该数据用于在位移或状态映射使用各PV的输出数据之前使得各PV的输出数据标准化。

本发明构思了两种类型的PV输出标准化。在第一种类型的标准化中，对于各PV电池存储单系数，并且在每次访问时，PV的输出值乘以该系数以获得标准化的值。在第二种类型的标准化中，为各PV电池存储表示函数的数据结构，并且在每次访问时，PV的输出值被传递到函数以获得标准化的值。

样本数据生成的其它方法

前面的说明阐述了规划具有某些特性的装有微控制器的集中太阳能收集装置以移动它们的能量捕获器件与方向性光对准的方法，其中那些方法使用描述作为位置状态的函数的PV响应电平的据经验生成的样本数据，从而生成描述从PV响应电平到那些状态的逆向映射的数据。描述的用于生成样本数据的测试台系统是采用与发电系统类似的能量收集元件的物理装置。然而，给定实施方案的特性，可以采用生成逆向映射且使用逆向映射从PV响应数据推导位移和位置信息的相同方法来生成有用的样本数据，其中样本数据借助于计算机仿真生成，而不是借助于物理测试台系统，假定仿真充分接近实际。

其它实施方案

上述实施方案示出了本发明的优选形式，给定现有的完整开发的技术，诸如形状因子减小到几平方毫米的面积的太阳光-电的转换效率接近百分之四十的三重接合的光生伏打电池，直径为铅笔的一半的高比率微型齿轮电动机，能够存储兆字节数据的微控制器，以及精确的镜片零件为手持式物体的尺寸的高容量制造方法。本发明涉及到的角度定位、兼容紧凑组装零碰撞镜片形状生成以及每元件跟踪的方法可以看起来与所述实施方案非常不同的方式来应用。

最后两个实施方案示例了使得可通过研发尚未存在的但是可预见的制造方法实现的本发明的形式。例如，第五实施方案使用了可能非常小的珠状能量捕获单元。目前这种小维数且这样大量的电动机、电子器件和镜片的制造可能不经济，但是随着自动化微型制造技术的推进可能随时间变得更加经济。同样，第六实施方案需要以数千阵列定位和布线的微小光生伏打接收器。目的可能存在能够规划和构造为执行这些任务的机器，但是用于制造太阳能电池板的尺寸的部件可能不经济。

安装到托盘型底座结构中的元件

图38示出了本发明的第五实施方案，其使用了结合反射型和折射型镜片的能量捕获单元，并且其中能量捕获单元和角度定位单元形成了其组合形状嵌置到设计为接受它们的托盘状平台内的空腔内的模块。

图38A示出了具有18个完整空腔的托盘1140的部分，空腔中的五个由模块1106占据，并且单个模块悬置到底座托盘1108的上方。

图38B示出了单个模块的角度定位单元，其中隐藏边缘为虚线表示。该实施方案的定位单元与其它实施方案的变型例的相反之处在于，该定位单元具有延伸到捕获单元的相对端的弧的形状，定位单元经由轴向栓钉1122轴向安装，而不是周向地安装。类似于其它实施方案，定位单元经由靠近弧的中点安装的驱动辊沿周向向内倾斜轴线和外倾斜轴线二者上施加转矩。从定位器主体的上表面中的空腔突出的内驱动辊1134啮合能量捕获单元的近似球形表面1110的底侧。从定位器主体的下表面中的空腔突出的外驱动辊1138啮合安装有模块的底座空腔中的圆筒形轨道1142。驱动辊由小的齿轮电动机供给动力，齿轮电动机的主体大部分位于辊的内部且锚固到定位器的主体上。

能量捕获单元的镜片使用折射和反射的组合，其中入射光在进入单元的实心透明体时首先被折射，然后在最终收敛到嵌入到主体中的PV电池上之前由主体的背侧上的镜面表面反射。各捕获单元具有四个能量捕获部件，所述能量捕获部件以与在第三实施方案的捕获部件中找到的图案类似的图案布置。

图38未示出连接各个电气部件的导体的细节。在一个设计中，导体经过捕获单元和角度定位单元之间靠近或通过轴向栓钉1122中的一个，并且通过小电缆将导体从捕获单元传递到底座托盘，小电缆从捕获单元的面中的一个出来且在位置恰越过轨道1142的插座处进入底座。电缆具有足够的硬度以确保电缆以宽弧弯曲，防止电缆在底座和模块之间缠结。

具有微型镜片的元件

图39示出了本发明的第六实施方案的能量收集元件，所述能量收集元件的能量捕获单元具有板状表面，所述板状表面包含大于一千集中微型元件的微型阵列。图中的下部示出了基于延长率1.0的单个能量收集元件，并且图中的右上手部分的放大块示出了具有56个光生伏打电池的微型阵列的部分的放大视图。

参考放大视图解释光学集中的方法。透明材料1220形成复合透镜，使得各光生伏打电池的光学轴线与支撑微型阵列的板1210垂直。复合透镜1222的各元件集中到各PV电池1230上的焦点。PV电池由导体带1232连接，导体带1232连接收集由PV电池产生的电力且通过第一电缆1250将电力传送到定位单元1240，然后通过第二电缆1252传送到单元的底座。

相互垂直且分别与板1210垂直的一对薄板1214沿着能量捕获单元的对称平面划分微型元件的行和列。这些板与微型元件的光学轴线平行，当单元与方向性入射光对准时，这些板不遮挡任一微型元件，而是随着单元的轴线偏离入射光的方向而逐渐地遮挡更多的微型元件。遮挡哪些微型元件取决于单元的轴线偏离入射光方向的方向。能量捕获单元的电子器件使用与哪些微型元件被遮挡有关的信息来确定捕获单元需要移动以恢复其轴线与入射光的方向之间的对准并且控制角度定位单元相应地移动的角方向。

术语汇编

角度定位单元(也称为角度定位器，定位器)：通过其自身抵住底座和捕获单元中的垂直弧形板的滑动运动而使能量捕获单元取向的部件。

角位置空间(也称为位置空间)：包含由角度定位单元提供的能量捕获单元相对于底座的可能的一组角位置的两维空间。

孔径：与占优平行光的方向垂直的平面中的限定将落在装置上的这样的光的列的区域。

孔径平面：包含单元的内倾斜轴线的与能量捕获单元的法向轴线垂直的平面。

孔径效率：落在元件阵列上的光中由那些元件捕获的小部分。

孔径分段：元件的孔径的由其能量捕获部件中的一个覆盖的那部分。

阵列法向轴线(也称为电池板法向轴线)：与能量收集元件的阵列的平面垂直的方向。

底座单元：能量收集元件的通过安装弧形板支撑其角度定位单元且将元件锚固到阵列底座或其它平台的那部分。

捕获单元法向轴线：能量捕获单元的中心轴线，能量捕获单元的一条或多条光学轴线与所述中心轴线平行，并且所述中心轴线通常与单元的各对称平面的相交线重合。

旋转中心：内倾斜轴线和外倾斜轴线相交的点。

凹形安装弧形板：刚性附接至底座单元的安装弧形板。

状态映射：给定响应空间中的坐标返回零或状态空间中的多个点的数据结构和访问方法。

状态空间：包含入射的方向性光的方向距能量捕获单元的法向轴线的一组可能的角位移以及由角度定位单元提供的能量捕获单元相对于底座的可能角位置的四维空间。

凸形安装弧形板：刚性地附接至能量捕获单元的安装弧形板。

德尔塔PV响应空间(也称为德尔塔响应空间)：其维数为能量捕获单元的PV电池的输出电平响应于沿着角位置空间的两个方向的少量移动的变化率的空间。

位移映射：给定响应空间中的坐标返回零或光位移空间中的多个点的数据结构和访问方法。

位移查找数据：位移映射所使用的由响应空间分隔成指代位移空间中的点和/或区域的单元的分隔组成的数据结构。

延长率：在能量收集元件的阵列中行之间的距离与行内元件之间的距离的比率。

能量捕获部件(也称为捕获部件)：能量捕获单元的具有孔径分段的功能性部分。

能量捕获单元(也称为能量捕获器)：能量收集元件的包括光集中镜片和光-电转换器件的部分。

能量收集元件：其阵列安装在电池板状封装件内的组件，包括能量捕获单元、角度定位单元和底座单元。

内倾斜轴线：角度定位器相对于诸如能量捕获单元的其有用负荷的局部旋转轴线。

光位移空间：包含入射的方向性光的方向距能量捕获单元的法向轴线从该轴线到90度的可能的一组角位移的两维空间。

安装轴线：使用角度定位器的倾斜轴线。

安装弧形板：凸形安装弧形板或凹形安装弧形板中的任一个，其与角度定位单元啮合以支撑能量捕获单元并提供能量捕获单元的角移动。

法向轴线：(参见捕获单元法向轴线或阵列法向轴线。)

工作间隙轮廓：在能量收集元件的捕获单元和定位单元通过角度定位单元的动作而移动通过它们的运动范围时由能量收集元件的捕获单元和定位单元扫描过的容量。

外倾斜轴线：角度定位器相对于底座的局部旋转轴线。

PV响应函数：对于给定设计的能量捕获单元，将光位移空间中的点映射到PV响应空间中的点的函数。

PV响应空间(也称为响应空间)：其维数为能量捕获单元的PV电池的输出电平的空间。

响应空间分隔：基于位移空间和响应空间中的样本分布将响应空间分隔成在位移查找数据中编码的单元的分段。

样本数据阵列：利用仿真阵列生成的数据集，包含对于位移空间中的点的稠密格栅中的每一个给出响应空间点的样本或者位移空间和位置空间的乘积。

倾斜轴线：角度定位单元围绕其产生角运动的两个轴线中的任一个，相对于能量捕获单元的运动的内轴线，以及相对于底座的运动的外轴线。

Claims (14)

1.一种太阳能收集系统，包括：支撑在底座结构中的两维能量收集元件阵列，各元件装备有组合了光集中镜片和光-电转换器件的能量捕获单元；所述捕获单元围绕两个基本垂直的轴线的安装容许倾斜；以及实现围绕各个轴线倾斜的器件；

其中，改进包括与紧凑角度定位单元结合的各元件的两轴安装和倾斜实现功能，所述紧凑角度定位单元通过沿着与所述捕获单元一体的一个或多个凸形弓形轨道安装和移动其自身来支撑所述能量捕获单元并且相对于其自身定位所述能量捕获单元，并且所述紧凑角度定位单元通过沿着刚性地固定到所述底座结构的凹形弓形轨道安装和移动其自身来支撑所述底座结构且相对于所述底座结构定位其自身。

2.如权利要求1所述的能量收集元件，其中，所述角度定位单元包括可滑动地安装所述捕获单元的凸形轨道的弓形狭槽以及可滑动地安装底座单元的凹形轨道的基本垂直的弓形狭槽。

3.如权利要求1所述的能量收集元件，其中，所述角度定位单元包括一对电动机驱动的辊或小齿轮，所述辊或小齿轮中每个啮合所述轨道中的一个并且控制所述定位单元沿着所述轨道的行进。

4.如权利要求3所述的能量收集元件，其中，所述电动机由元件的能量捕获单元内的朝向外的PV电池所产生的电供给动力。

5.如权利要求3所述的能量收集元件，其中，所述电动机由其特征被控制作为元件的能量捕获单元中的多个电力PV电池中的每一个的响应电平的多维向量的函数的电供给动力。

6.如权利要求1所述的能量收集元件，其中，所述角度定位单元和底座附接的凹形弧形板之间的铰接允许通过简单的手动动作将前者从后者移除以及重新安装到后者上，并且其中安装程序不包含校准。

7.如权利要求1所述的能量收集元件，其中，由所述能量捕获单元中的一个或多个弓形轨道的中心限定的内倾斜轴线和由所述底座中的弓形轨道的中心限定的外倾斜轴线彼此垂直且交叉。

8.如权利要求7所述的能量收集元件，所述能量捕获单元的定形和设计使得：所述能量捕获单元具有从其法向轴线看到的轮廓，所述轮廓与其镜片的孔径对应，并且除了小的单元间间隙之外所述轮廓以cmm对称组的模式铺砌平面；并且当在所述角度定位单元的控制之下围绕其倾斜轴线移动时扫描其与底座垂直的投射确切地存在于所述轮廓形状之内的容量。

9.如权利要求1所述的太阳能收集系统，其中，无论所述能量收集元件如何单独地移动，所述能量收集元件不能够碰撞。

10.如权利要求1所述的太阳能收集系统，其中，所述底座结构为具有保护太阳能收集元件的透明顶面的封装件的部分。

11.一种结合支撑在两轴安装件上的刚性能量捕获单元中的光生伏打电池使用光集中镜片的太阳能收集元件；

其中，改进包括通过将捕获单元分隔成具有平行光学轴线而各自具有不对称镜片的不同捕获部件实现不使用专用传感器的闭环太阳跟踪，以及基于捕获部件的电池对偏轴方向性光的响应的实时图案执行取向运动。

12.如权利要求11所述的元件，其中，由在测试台环境中测量能量收集元件的表现所获得的数据用作给定实时的电池响应数据计算取向运动的基石出。

13.一种形成集中光学单元的方法，所述方法使得在与其法向轴线垂直的平面中其孔径形状与其轮廓形状匹配，并且通过组合各自具有不同孔径和焦距而共享共同的光学轴线和焦点的多个光学部件对于由两轴跟踪安装件提供的任意组倾斜单元到底座平面上的投射也存在于该形状之内，其中所述部件孔径铺砌所述形状或孔径的分段。

14.如权利要求13所述的方法，所述方法用于形成反射体，其中所述光学部件包括多个抛物形的拼凑片，其中所述拼凑片在所述底座平面上形成图形，使得竖板表面与接合相邻拼凑片的边缘的所述光学轴线平行，并且其中，该图形符合距所述平面的指定的最大距离之内的轮廓曲线。

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