CN102484159A - 一维集中式光伏系统 - Google Patents

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Abstract

本文中揭示可借以收集太阳能以提供电力的系统、方法和设备。

Description

一维集中式光伏系统
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2009年2月27日申请的标题为“用于一维集中式光伏系统的设计(Designs For 1-Dimensional Concentrated Photovoltaic Systems)”的第61/156,428号美国临时专利申请案和2009年5月27日申请的标题也为“用于一维集中式光伏系统的设计(Designs For 1-Dimensional Concentrated Photovoltaic Systems)”的第61/181,612号美国临时专利申请案的优先权权益，所述临时申请案中的每一者的全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及收集太阳能以提供(例如)电力。
背景技术
需要替代性能源来满足不断增长的世界范围能量需求。太阳能资源在许多地理区域中足以部分通过提供电力来满足此类需求。太阳能电力产生当前正从小生境技术演进为主流行业。随着发生此转变，两个关键挑战是系统成本和可实现的规模(即，在世界范围内在不因耗尽近期组件/材料供应而抬高系统成本的情况下可安装多少发电容量)。系统设计和架构可通过(例如)使材料使用减到最少和通过避免使用外来材料来显著影响这两个因素。重要的还有基础架构选择：到接收器上的光学集中程度。最近安装的太阳能系统在没有(即，单位)集中的情况下或以高(大于约20x)集中进行操作。
非集中设计尽管简单但仍可能消耗极大量的硅和/或其它面板材料，从而可能在太阳能面板安装速率快速上升的情况下超过世界范围供应。对于集中式系统，归因于(每单位面积)多结电池的高成本或归因于太阳能-热能产生通常利用非常高的操作温度来起作用的事实而历来关注高集中度。高度集中的设计归因于制作、组装和对太阳运动的二维跟踪的严格容差而本质上较复杂。这些极端(单位集中和高集中)可能无法反映用于太阳能发电容量的大量产生的最佳设计，尤其是对于直接PV系统来说。
发明内容
揭示一维集中光伏(CPV)系统、设备、集中几何结构、跟踪几何结构和方法，其可适合于(例如)与硅或其它PV电池一起使用。在一维CPV中，将阳光近似聚集到线而非聚集到在二维CPV系统的情况下发生的斑点。
在一个方面中，一种集中太阳能收集器包含：细长的太阳能接收器，其包含一个或一个以上光伏电池；以及细长的菲涅尔反射器，其具有平行于所述接收器的长轴定向的长轴且经布置以在所述菲涅尔反射器和所述太阳能接收器经定向以使得太阳位于或近似位于由所述菲涅尔反射器的光轴与所述接收器的长轴界定的平面中时将太阳辐射反射到所述光伏电池。所述菲涅尔反射器包含多个细长的反射性元件，其相对于彼此且相对于所述接收器固定且具有平行于所述菲涅尔反射器和所述接收器的所述长轴定向的长轴。所述反射性元件的所述长轴位于或近似位于抛物线上。
本方面的集中太阳能收集器可进一步包含旋转机构，所述旋转机构允许所述接收器和菲涅尔反射器经定向以跟踪太阳。在一个变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器的方位旋转。在另一变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕南北轴或围绕近似南北轴旋转以跟踪太阳的东西运动。在又一变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕东西轴或围绕近似东西轴旋转以跟踪太阳的南北运动。
在本方面的以上变型中的任一者中，所述反射性元件可具有横穿其长轴的宽度，所述宽度为所述菲涅尔反射器的横穿其长轴的宽度的约5％到约10％(举例来说)。也可使用反射性元件的其它宽度。
在本方面的以上变型中的任一者中，所述接收器可在横穿其长轴的平面中具有“V”形横截面或近似“V”形横截面。所述“V”的臂之间的角度可为(例如)约90°，但也可使用更大或更小角度。举例来说，太阳能接收器可包括第一和第二细长太阳能电池阵列，其在长度方向上并排布置且围绕其相应长轴相对于彼此倾斜以形成“V”形状或近似“V”形状，其中顶点指向所述反射器。
在本方面的以上变型中的任一者中，所述反射性元件可经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
在本方面的以上变型中的任一者中，所述光伏电池可由(例如)在长度方向上流过所述接收器的液体(例如，水)来液体冷却。
在另一方面中，一种集中太阳能收集器包含：细长的液体冷却式太阳能接收器，其包含一个或一个以上光伏电池；以及细长的反射器，其具有平行于所述接收器的长轴定向的长轴且经布置以在所述反射器和所述太阳能接收器经定向以使得太阳位于或近似位于由所述反射器的光轴与所述接收器的长轴界定的平面中时将太阳辐射反射到所述光伏电池。所述接收器在横穿其长轴的平面中具有“V”形横截面或近似“V”形横截面。所述“V”的臂之间的角度可为(例如)约90°，但也可使用更大或更小角度。举例来说，太阳能接收器可包括第一和第二细长的太阳能电池阵列，其在长度方向上并排布置且围绕其相应长轴相对于彼此倾斜以形成“V”形状或近似“V”形状，其中顶点指向所述反射器。所述接收器中的所述光伏电池的液体冷却可由(例如)在长度方向上流过所述接收器的液体(例如，水)来进行。
本方面的集中太阳能收集器可进一步包含旋转机构，所述旋转机构允许所述接收器和菲涅尔反射器经定向以跟踪太阳。在一个变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器的方位旋转。在另一变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕南北轴或围绕近似南北轴旋转以跟踪太阳的东西运动。在又一变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕东西轴或围绕近似东西轴旋转以跟踪太阳的南北运动。
在本方面的以上变型中的任一者中，所述反射器可具有横穿其长轴的抛物线形或近似抛物线形横截面。
在本方面的以上变型中的任一者中，所述反射器可包含多个细长的反射性元件，其相对于彼此且相对于所述接收器固定且具有平行于所述反射器和所述接收器的所述长轴定向的长轴。所述反射性元件可任选地经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
在另一方面中，一种集中太阳能收集器包含：细长的太阳能接收器，其包含一个或一个以上光伏电池；以及细长的菲涅尔反射器，其具有平行于所述接收器的长轴定向的长轴且经布置以在所述菲涅尔反射器和所述太阳能接收器经定向以使得太阳位于或近似位于由所述菲涅尔反射器的光轴与所述接收器的长轴界定的平面中时将太阳辐射反射到所述光伏电池。所述菲涅尔反射器包含多个细长的反射性元件，其相对于彼此且相对于所述接收器固定且具有平行于所述菲涅尔反射器和所述接收器的所述长轴定向的长轴。所述反射性元件经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
本方面的集中太阳能收集器可进一步包含旋转机构，所述旋转机构允许所述接收器和菲涅尔反射器经定向以跟踪太阳。在一个变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器的方位旋转。在另一变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕南北轴或围绕近似南北轴旋转以跟踪太阳的东西运动。在又一变型中，所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕东西轴或围绕近似东西轴旋转以跟踪太阳的南北运动。
在本方面的以上变型中的任一者中，所述光伏电池可由(例如)在长度方向上流过所述接收器的液体(例如，水)来液体冷却。
在以上方面中的任一者的以上变型中的任一者中，太阳辐射可在接收器上集中为(例如)近似5个到近似20个“太阳”或近似10个到近似20个“太阳”。也可使用更高或更低的集中。
在以上方面中的任一者的以上变型中的任一者中，所述光伏电池可包含硅光伏电池。
商用(例如，屋顶)和/或大规模安装可受益于本文中所揭示的系统、设备、几何结构和方法。举例来说，在一些变型中，一维集中为近似5到20个或近似10到20个“太阳”的强度可在不需要较高集中CPV系统所固有的严格容差控制或复杂运动的情况下实现显著的电池面积减小的优点。所揭示的系统、设备、几何结构和方法可在一些变型中带来低制作成本(例如，以美元/容量瓦特表达)。另外，一些变型可支持安装尺寸的灵活性、在大容量组装设施处的制作、容易的运输与安装和/或可以实际上无限数量来制造的广泛可用的商品组件的有效使用。
在一些变型中使用硅光伏电池可提供的优点包括成熟的供应链、可用性、稳健性、有效性(例如，约20％或更多的太阳能到电功率转换)和以10到20个“太阳”或更高的入射功率密度操作的能力。在其中光学集中超过约5个“太阳”的变型中，硅电池的中等成本可变成低到可忽略的成本。
所属领域的技术人员在结合首先简要描述的附图参看以下对本发明的较详细描述时将较容易明白本发明的这些和其它实施例、特征和优点。
附图说明
图1展示以极(方位角和倾斜角)坐标表达的太阳在一天过程期间的位置。
图2展示以笛卡尔(东西角和南北角)坐标表达的太阳在一天过程期间的位置。
图3展示实例性反射器/接收器组合件。
图4展示另一实例性反射器/接收器组合件。
图5展示另一实例性反射器/接收器组合件。
图6展示另一实例性反射器/接收器组合件的平面图。
图7展示另一实例性反射器/接收器组合件。
图8展示另一实例性反射器/接收器组合件。
图9展示安装于实例性旋转机构上的实例性反射器/接收器组合件。
具体实施方式
应参看附图来阅读以下具体实施方式，在附图中相同参考数字在不同图式中始终指代相同元件。附图未必按比例描绘，描绘了选择性实施例，且不希望限制本发明的范围。具体实施方式借助于实例而非借助于限制来说明本发明的原理。此描述将清楚地使得所属领域的技术人员能够制作和使用本发明，且描述了本发明的若干实施例、改编、变型、替代方案和使用，包括目前认为是实现本发明的最佳模式的内容。
如本说明书和所附权利要求书中所使用，单数形式“一”和“所述”包括复数对象，除非上下文清楚地另外指示。而且，术语“平行”既定意指“大致上平行”且涵盖与平行几何结构的微小偏差，而非需要平行反射器行(举例来说)或本文中所描述的任何其它平行布置完全平行。
本文中揭示可借以收集太阳能以提供(例如)电力的系统、设备、集中几何结构、跟踪几何结构和方法。可根据以下对用于跟踪太阳位置的坐标系的论述来较好地理解集中几何结构和跟踪几何结构。
众所周知的是，从地球表面的固定位置观看，太阳运动是二维的。在一年过程中，太阳以在夏季月份期间比在冬季期间在天空中达到更高的日常弧形来移动。可以各种方式来描述此运动，包括笛卡尔坐标系(东西角和南北角)或极坐标系(方位角和倾斜角)。待考虑的自然坐标系取决于CPV系统的架构(机械和光学几何结构)。
图1展示以极坐标表达的太阳位置(对于一年12个月中的每个月，且每隔30分钟)。横轴指示在“太阳正午”之前或之后以小时表达的时刻，“太阳正午”是太阳在头顶位于最高处的时间。具有两个纵轴。左轴为方位(或罗盘)角，其使用圆点来标绘。零度为正北，90度为正东，180度为正南，且270度为正西。右轴为倾斜角，其使用三角形来标绘。零度指示日出或日落，且90度指示头顶正上方的太阳。此实例性曲线图是针对北纬38度来计算的。请注意，太阳从不会在头顶正上方，虽然其在地平线上方确实达到约80度。用于分析太阳运动的极坐标系最适合于包括机械方位旋转的系统架构。
图2展示以笛卡尔坐标表达的太阳位置(对于一年12个月中的每个月，且每隔30分钟)。如同前述，横轴指示在“太阳正午”之前或之后以小时表达的时刻，“太阳正午”是太阳在头顶位于最高处的时间。在此曲线图中，仅具有一个纵轴，其针对于东西角(使用圆点来标绘)和南北角(使用三角形来标绘)两者。请注意，东西角跨越全部-90到+90度(日出到日落)，而南北角跨越较小范围。此实例性曲线图也是针对北纬38度来计算的。请注意，在日出和日落时，南北角可向南部摆动很远，而在中午附近，南北角保持处于观测者的纬度附近。还请注意，太阳在赤道附近横越较窄的南北角总范围，且在较高纬度处横越较大的南北角范围。用于分析太阳运动的笛卡尔坐标系适合于不包括机械方位旋转的系统架构。
尽管太阳运动为二维的，但如本文中所揭示的一维CPV系统可利用对太阳的一维或二维跟踪。举例来说，跟踪可匹配极坐标系或笛卡尔坐标系。跟踪可(例如)使用PV电池运动、反射镜运动或两者来实施。
用以理解一维集中的有用方式是首先注意线性PV电池阵列(例如，在线性太阳能接收器中)和平行于线性PV电池阵列定向的细长(例如，平坦或圆柱形)反射镜的光学中心线(光轴)界定一平面。如果太阳位于此平面中，那么太阳光线聚集成与PV电池阵列共线的线。此聚集线的长度由反射镜的长度决定。此聚集线可长于、等于或短于PV电池阵列的长度。此聚集线还可沿PV电池阵列的长轴相对于PV电池阵列移位。移位取决于太阳与反射镜的表面法线界定的角度以及反射镜与PV电池的相对位置。可能最有效的是使此移位减到最小。
可能需要的是，CPV系统在至少一个维度上跟踪太阳，以便确保太阳确实位于反射镜与PV电池阵列的对称平面中。额外跟踪维度可(任选地)消除阳光聚集线与PV电池阵列之间的移位。如果使用两个跟踪维度，那么其可(例如)彼此垂直或近似垂直。
若干因素可影响阳光聚集线与PV电池之间的相对移位的显著性。可能重要的是使相对移位与PV电池长度的比率减到最小，因为此比率表示潜在损耗因数。相对移位部分地取决于至少两个因素：(1)PV电池在反射镜上方的高度，以及(2)未受CPV系统跟踪的太阳运动的角度范围。因此，可例如通过以下方式来使相对移位的影响减到最小：(1)使电池高度减到最小，(2)使反射镜/电池长度增到最大，以及(3)选择使未被跟踪的太阳运动的角度范围减到最小的配置。
跟踪与集中配置
可用于在本文中所揭示的系统、设备和方法中定向集中和跟踪方向的各种配置包括下文所描述的那些配置。
方位集中(一维跟踪)。此配置可在没有任何额外跟踪的情况下利用方位(一维)跟踪。举例来说，集中反射镜和PV电池组合件(例如，接收器)可固定到旋转机构(例如，转盘)上，使得反射器与电池两者一起旋转。反射镜和PV电池组合件的一维(方位)旋转可确保太阳位于由反射镜光学中心线和PV电池所界定的平面中或其附近。使用这种形式的跟踪，阳光在中午时聚集到南北线。随着太阳的倾斜改变(例如，在回归线的边缘处，在日出/日落时的大概零度直到在中午时的大概90度)，系统可能遭受由小于90度的未跟踪太阳运动所带来的移位损失。转盘或其它旋转机构可相对于地面水平地定向(即，围绕垂直轴旋转)或替代地相对于地面倾斜。反射镜与PV电池可垂直于旋转轴来安装或替代地与旋转轴成角度倾斜。倾斜的旋转轴或安装几何结构可每单位反射镜面积和PV电池长度提供较大的太阳能收集，但有可能以增大的机械复杂性和风载为代价。
方位集中(二维跟踪)。此配置可用方位和倾斜跟踪两者来实施。举例来说，集中反射镜组合件可固定到旋转机构(例如，转盘)上。PV电池组合件(例如，接收器)也附接到转盘，但可沿其轴平移以补偿太阳倾斜的改变。任何合适的平移机构可用以使PV电池组合件沿其轴平移。反射镜和PV电池组合件的一维(方位)旋转可确保太阳位于由反射镜中心线与PV电池界定的平面中或其附近。转盘或其它旋转机构可相对于地面水平地定向(即，围绕垂直轴旋转)或替代地相对于地面倾斜。反射镜和PV电池可垂直于旋转轴来安装或替代地与旋转轴成角度倾斜。倾斜的旋转轴或安装几何结构可每单位反射镜面积和PV电池长度提供较大的太阳能收集，但有可能以增大的机械复杂性和风载为代价。
方位集中(二维跟踪，替代性配置)。类似于以上配置，反射镜的单个线性运动(与电池/接收器相反)可用以补偿太阳倾斜的改变。任何合适的平移机构可用以使反射镜沿其轴平移。转盘或其它旋转机构可相对于地面水平地定向(即，围绕垂直轴旋转)或替代地相对于地面倾斜。反射镜和PV电池可垂直于旋转轴来安装或替代地与旋转轴成角度倾斜。倾斜的旋转轴或安装几何结构可每单位反射镜面积和PV电池长度提供较大的太阳能收集，但有可能以增大的机械复杂性和风载为代价。
倾斜集中。此配置可利用方位和倾斜(二维)跟踪两者。举例来说，PV电池组合件可固定到旋转机构(例如，转盘)上，而活动式集中反射镜组合件也放置到同一旋转机构/转盘上。如同“方位集中”途径，一个(方位)旋转可确保太阳位于由反射镜中心线与PV电池界定的平面中或其附近。然而，在此配置中且使用这种形式的跟踪，PV电池和反射镜经定向以使得在中午时阳光聚集到东西线。随着太阳的倾斜改变(在日出/日落时的零度直到在中午时的90度)，反射镜移动以跟踪此倾斜改变，从而减少或消除任何相对移位损失。转盘或其它旋转机构可相对于地面水平地定向(即，围绕垂直轴旋转)或替代地相对于地面倾斜。反射镜和PV电池可垂直于旋转轴来安装或替代地与旋转轴成角度倾斜。倾斜的旋转轴或安装几何结构可每单位反射镜面积和PV电池长度提供较大的太阳能收集，但有可能以增大的机械复杂性和风载为代价。
如与“方位集中”途径相比，此途径可能增大复杂性(以实现二维跟踪)，但可减少或消除任何相对移位损失。因此，PV电池可放置于任何方便高度处，而不管移位损失如何。增大PV电池的高度可减小与集中反射镜相关联的成本、光学损耗和风负荷。如与下文中所描述的“东西集中”和“南北集中”途径相比，此途径减小待跟踪的太阳运动的角度范围。本质上，大角度范围(且简单)的方位旋转与小角度范围的倾斜运动组合以实现二维跟踪。
东西集中。此配置可在没有任何其它跟踪的情况下利用东西(一维)跟踪。举例来说，固定的PV电池组合件(例如，接收器)可与跟踪太阳的东西运动的移动反射镜组合件组合。替代地，PV电池组合件和反射镜组合件可一起移动(例如，相对于彼此固定)以跟踪太阳的东西运动。使用这种形式的跟踪，在一天中阳光总是聚集到南北线(或近似南北线)。随着太阳的南北定向改变，系统将遭受由大于90度的未跟踪太阳运动带来的移位损失。如从以上图式可见，南北角度运动(笛卡尔坐标系)比倾斜角度运动(极坐标系)大得多。因此，此途径可导致比“方位集中”途径大的相对移位损失。
南北集中。此配置可在没有任何其它跟踪的情况下利用南北(一维)跟踪。举例来说，固定的PV电池组合件(例如，接收器)可与跟踪太阳的南北运动的移动反射镜组合件组合。替代地，PV电池组合件和反射镜组合件可一起移动(例如，相对于彼此固定)以跟踪太阳的南北运动。使用这种形式的跟踪，在一天中阳光总是聚集到东西线(或近似东西线)。随着太阳的东西定向改变，系统将遭受由180度的未跟踪太阳运动带来的移位损失。因此，此途径可导致比任何替代方案大的相对移位损失。然而，总跟踪角度范围可小于“东西集中”途径的范围。
额外的光学考虑因素
除了上文所描述的跟踪因素以外，若干额外光学考虑因素可影响性能。反射镜反射率呈现本文中所描述的一维集中架构中的任一者的基础损耗机制。典型的反射镜反射率对于低成本反射镜来说可为约90％到约95％。如果反射器为刻面的或为菲涅尔类型(下文描述)，那么可存在由从反射镜的一个刻面反射但接着由邻近刻面的背表面阻断的光造成的较小(例如，小于10％)损耗量。此损耗机制可在菲涅尔反射镜与高数值孔径(如与反射镜孔径相比，短焦距或低电池高度)一起使用时和/或在反射镜可在集中维度中用于多种入射角时变得较显著。随着集中程度增大(即，对于固定收集孔径，总电池面积减小)，容差变得较困难。大多数机械结构的容差可为(例如)电池宽度的大概10％。反射镜的一部分可由电池本身以及其支撑结构遮蔽。此因素对于小于约10个“太阳”的集中变得较重要。
额外的变型
下文所描述的额外特征和特征组合可彼此以及与上文在“跟踪与集中配置”部分中所描述的那些特征和特征组合以任何合适组合来使用。
菲涅尔反射镜与连续反射镜。反射表面可用任何数目的反射元件来实施。一些变型可利用单个抛物线形沟槽。替代地，可利用一对半沟槽。半沟槽可归因于尺寸减小(以及，例如，减小5％到10％的总反射镜面积，因为电池/接收器可遮蔽单个沟槽的中心的一部分)而制作起来较便宜。还可使用具有许多反射元件的菲涅尔型反射器。菲涅尔反射器允许减小系统高度且减小风负荷。然而，菲涅尔反射器可能遭受渐晕损耗。这些损耗可在菲涅尔反射器以固定入射角使用时较小(如同“方位集中(一维跟踪)”途径)。
菲涅尔反射镜：平坦与弯曲元件。在一些变型中，采用使用N个平坦反射元件的菲涅尔反射镜。此类菲涅尔反射镜提供N个“太阳”的最大集中。在其它变型中，菲涅尔反射器的一些或所有反射元件可为弯曲的。使用弯曲(聚焦)反射镜元件，可实现额外集中。取决于制作方法，可存在优于平坦元件的成本优势。
地面/地表与屋顶。本文中所描述的设备和系统可以一些变型定位于屋顶上且以其它变型定位于地平面处或其附近。低成本和高效率可使得其能够以一些变型用于大规模安装。
近似平坦的菲涅尔反射镜与近似抛物线形的菲涅尔反射镜。反射菲涅尔表面可以各种方式来实施，但共同特征是多个相异(平坦或弯曲)反射子元件。最基本的参数是反射子元件的数目。如果反射子元件为平坦的，那么反射镜的尺寸设定集中光区域的最小尺寸，且因此设定接收器/PV电池的最小照明面积和系统的最大集中量。在布置菲涅尔反射镜中重要的额外参数为偏心反射镜子元件的高程。
在一些变型中，反射性子元件可经布置为使其中心线共面。这使结构的高度减到最小，这可降低机械支撑件成本且有助于减小反射到接收器的光的入射角范围。此设计可能遭受从一个反射镜子元件反射的光可能与邻近反射镜的背表面相交的损耗机制。如果反射镜间隔开以避免此损耗机制，那么一些入射阳光可能不被菲涅尔反射器拦截。
在其它变型中，反射镜子元件可经布置为使其中心线位于或近似位于抛物线形沟槽上。(例如，见下文描述的图4、5、7和8)。在这些变型中，菲涅尔反射镜形成对将聚焦于同一位置上的接收器的(弯曲)抛物线形沟槽的分段近似。在这些变型中，菲涅尔反射镜可视为异常抛物线形反射镜。此设计的优点在于，存在较少或没有归因于从一个反射镜子元件反射的光与邻近反射镜的背表面相交而带来的损耗。此设计的可能缺点是增大了整体反射器高度。这可增大机械支撑件成本，而且还增大接收器上的入射角范围。
在另外其它变型中，菲涅尔反射器的子元件可经布置以形成具有不同于抛物线的横截面形状的反射性沟槽。这些形状可(例如)介于平坦反射镜与抛物线形沟槽之间。
用以避免接收器的非均匀照射和遮蔽的方法。对于光伏系统，可能重要的是，用近似相同的总光学功率来照射PV阵列内的电串联连接的所有电池。这是因为由串联连接的PV电池产生的电流受串内的最少照射电池所限制。作为实例，如果含有串联连接的100个电池的阵列具有一个电池被部分遮蔽且进而接收剩余电池的太阳通量的仅90％，那么整个串将产生其潜在电功率的仅90％，即使其拦截其潜在太阳通量的99.9％也是如此。
在一些变型中，PV电池(例如，接收器)可由支撑结构定位于反射器上方。电池(例如，接收器)和支撑结构可在PV电池上投下阴影。此类阴影可由在阳光撞击反射器之前将所述阳光遮蔽或由在阳光已从反射器朝向接收器反射之后将所述阳光遮蔽造成。阴影可随着太阳在天空中移动且随着反射器和/或接收器移动以跟踪太阳而在一天中移动。阴影的大小、数目和/或影响可在若干变型中得以减小。
在一些变型中，反射器和接收器经设计且/或布置以使得所反射的阳光光线不会在其去往PV电池的路径上越过中心线。这可减少或消除支撑结构对从反射器反射到接收器的光的遮蔽。举例来说，在一些变型中，接收器包括两组PV电池，其中一组在接收器的一侧上接收来自反射器的反射光且其中另一组在接收器的另一侧上接收来自反射器的反射光。(例如，见下文描述的图3、图4和图9)。这些变型中的一些变型可利用坚固的(可能不透明的)中心支撑件来将接收器支撑于反射器上方。在一些变型中，支撑件的宽度可例如大于PV电池的宽度的约5％、约10％、约25％、约50％或约100％。
在其它变型中，产生可容忍的阴影(例如，小于电池宽度的约5％)的大部分开放式中心支撑件可用以设定接收器与反射镜中心之间的距离。接收器与反射器的两个顶部边缘之间的额外牵拉(拉紧)线可用以保持接收器稳定。牵拉线可产生可忽略的阴影，且可当反射器/接收器在跟踪太阳时经定向为重力指向远离中心线时支撑接收器的重量。中心支撑件的强度不需要大于避免皱缩所必要的强度。在一些变型中，中心支撑件产生此类可容忍的阴影且强度足够大以使得无需使用此类牵拉线。
在其它变型中，反射器、接收器和将接收器支撑于反射器上方的支撑结构形成近似三角形结构。(例如，见下文描述的图7和图8)。在这些变型中，周期性刚性支撑件从接收器的任一侧将反射器的顶部(即，外部)边缘连接到接收器。举例来说，这些支撑件可足够厚且/或刚性以避免皱缩，但并不大以免产生占PV电池的显著部分的阴影。举例来说，支撑件可足够薄以使得其在反射到接收器时投到反射镜上的阴影覆盖小于PV电池的宽度的约5％、约7％或约10％。
在其它变型中，除了位于接收器的任一末端上的一个或一个以上支撑件之外，可依靠完全位于接收器上方的结构来支撑接收器。(例如，见下文描述的图5)。可在一些变型中通过使支撑结构延伸超过反射器的末端且将末端支撑件放置得足够远离反射器来避免遮蔽。
除了由相对于反射器定位接收器的支撑结构所造成的PV电池上的阴影之外，还可存在由两个反射器区段之间的间隙造成的“有效”阴影。举例来说，如果系统(例如，反射器和接收器)为18米长，那么反射器可由各自为三米长的六个反射镜区段来制成。在那些区段中的每一者之间，可存在小间隙(例如，用以允许热膨胀和/或组合件容差)。这些间隙将不反射/集中阳光；因此，可在接收器上产生暗“阴影”。而且，如果反射器的聚焦线沿接收器移位，那么反射器的末端(或反射器子元件的末端)可界定由所述移位在接收器上产生的有效阴影的边缘。在任一情况下，随着太阳移动，阴影可移动，从而在PV电池上形成时变非均匀性。
在一些变型中，这些“有效”阴影的影响可通过布置菲涅尔反射器中的子元件以使反射镜区段(或子元件)之间的间隙的位置交错且/或使菲涅尔反射器子元件的末端的位置交错来减小。这使“有效”阴影沿接收器(例如，跨越若干PV电池)分散且因而减小非均匀性的量值，这可改进整体系统效率。
反射器和/或接收器的运动。反射器和/或接收器中的任一者或两者可移动以跟踪太阳运动。反射器可较靠近地面，可不需要电或冷却连接，且因此可比接收器更容易移动。在一些变型中，反射器和接收器作为单个单元一起移动以跟踪太阳。这可减少或最小化反射到接收器的阳光的入射角范围，且还可允许在一天的大部分或所有时间使用反射器的全部收集孔径。在其中反射器和接收器一起移动以跟踪太阳的一些变型中，刚性结构将反射器和接收器支撑在一起作为单个单元，所述单个单元通过跟踪系统指向太阳。
冷却PV电池。许多类型的PV电池当在室温附近或较冷温度操作时较有效地工作。以大于“1”个太阳的强度进行操作可将PV电池加热到其效率下降的温度。在一些变型中，PV电池经空气冷却(例如，经由鳍状散热片)或水冷却。在水冷却式变型中，可例如在接收器的相对末端处制作入水口和出水口连接。此类连接可利用(例如)具有倒钩型配件的柔性“软管”、具有o形环密封件的连接管或衬套型接头。在一些变型中，可能有利的是通过延长接收器来使水连接的数目减到最小。
模块。一些变型可利用集成式模块面板，其包括某一(例如，一到三米或大于三米)长度的反射器、接收器和接收器支撑结构。模块还可包括用于空气或水冷却PV电池的装备。这些模块可借助恰当的电、水和结构连接以及在必要时进行或执行的光机械对准来组装成较大系统(例如，在使用现场)。这种利用集成式模块的可缩放途径可为有利的。举例来说，此类模块可在一些变型中大量制造且借助少量或极少现场劳动力来组装成系统。在一些变型中，模块可安装在多种跟踪系统上。一个实例是非常大的方位跟踪器，其支撑大的模块面板阵列。在一些变型中，模块包括用于连接到其它模块/与其它模块对准所必要的所有特征。
实例
下文相对于实例所描述的特征和特征组合可彼此以及与上文在“跟踪与集中配置”和“额外的变型”部分中所描述的那些特征和特征组合以任何合适组合来使用。
现参看图3，实例性反射器/接收器组合件(例如，模块)5包含太阳能接收器10和集中菲涅尔反射器20(包含反射器元件30)，其安装到共同支撑件40。集中反射器20使来自太阳的太阳辐射一维地(即，近似于线或线性延伸的斑点)聚集到细长接收器10上。在所说明的实例中，每一接收器具有“V”或三角形形状，其中PV电池50安装于面向下的侧面上以接收来自接收器的相对侧面的反射阳光。虽然所说明的实例包括两个接收器10和两个反射器20，但在其它变型中，反射器/接收器组合件(例如，模块)可仅包括一个接收器和一个反射器，或包括两个以上接收器和两个以上反射器。
举例来说，每一菲涅尔反射器可包含大约20个反射器元件，其中在对应接收器的每一侧上具有大约10个反射器元件。可省略中心反射器元件(因为其可能由接收器遮蔽)。反射器元件成角度以使阳光集中于接收器上。每一菲涅尔反射器中的个别反射器元件可相对于彼此以稍微不同的倾斜度来成角度，以便使阳光集中到位于V形接收器的相对侧上的太阳能电池上。
现参看图4，另一实例性反射器/接收器组合件(例如，模块)5包含V形接收器70，其由中心支撑件90支撑于单个菲涅尔反射器80(包含反射器元件30)上方。接收器70包含安装于其面向下的侧面上以接收来自接收器的相对侧面的反射阳光的PV电池50。如果反射器/接收器组合件5经定向以使得太阳位于或近似位于由接收器70与菲涅尔反射器80的光轴界定的平面中，那么少量或没有反射光越过所述平面，且中心支撑件90在PV电池50上产生少量或没有阴影。反射器元件30可经布置为使其中心线位于或近似位于抛物线形沟槽上。
现参看图5，另一实例性反射器/接收器组合件(例如，模块)5包含接收器70，其由上部支撑结构(例如，支架)100和垂直支撑件110从上方支撑于菲涅尔反射器80(包含反射器元件30)上方。垂直支撑件110任选地由横拉条120架住。上部支撑结构100的宽度小于或近似等于接收器70的宽度。如果反射器/接收器组合件5经定向以使得太阳位于或近似位于由接收器70与菲涅尔反射器80的光轴界定的平面中，那么上部支撑结构100不在反射器80上投下任何阴影(其仅遮蔽接收器70的背侧)。横拉条120可在一些变型中成角度以使得其仅在一天开始和结束时在PV电池上投下阴影。反射器元件30可经布置为使其中心线位于或近似位于抛物线形沟槽上。
图6展示另一实例性反射器/接收器组合件(例如，模块)5的平面图，其中菲涅尔反射器80的反射性子元件30的位置(任选地)经交错。(图4、图5、图7和图8中也展示反射器子元件的类似任选交错，但并不如在图7的平面图中那么清楚)。如上文所描述，此布置可在接收器70上产生跨越若干PV电池的有效阴影，进而减小电池的非均匀照射的影响。图7还展示将接收器70支撑于菲涅尔反射器80上方的支撑件130。
现参看图7，另一实例性反射器/接收器组合件(例如，模块)5包含接收器70(包含PV电池，未图示)，其由从接收器的任一侧将反射器80的顶部(即，外部)边缘连接到接收器70的窄支撑件130支撑于菲涅尔反射器80(包含反射器子元件30)上方。在此实例中，反射器80、接收器70和支撑件130形成近似三角形结构。在所说明的实例中，反射性子元件30的位置如上文所描述那样交错。然而，这并不是所需的。电连接140和(任选的)水连接150位于接收器70的每一末端处。反射器元件30可经布置为使其中心线位于或近似位于抛物线形沟槽上。
图8展示实例性反射器/接收器组合件(或CPV系统)160，其包含端到端布置的六个图7所示的反射器/接收器组合件(例如，模块)5。窄支撑件130从接收器70到反射器阵列的外部边缘周期性地放置。任选的水配件150位于每一模块5的末端处。反射器子元件30的交错位置使邻近反射器/接收器组合件(例如，模块)中的反射器子元件之间的间隙(例如，间隙170)交错，从而使由这些间隙投在接收器70上的有效阴影分散。反射器元件30可经布置为使其中心线位于或近似位于抛物线形沟槽上。
如本文中所揭示的反射器/接收器组合件(例如，模块)可经制作为与许多现有类型的跟踪系统兼容。在一些变型中，反射器/接收器组合件安装于个别旋转机构(例如，转盘/跟踪器)上。在其它变型中，两个或两个以上反射器/接收器组合件(例如，模块阵列)可安装于较大旋转机构(例如，转盘)上。共享旋转机构(例如，转盘)可允许使马达/控制器成本减到最小，使冷却成本减到最小，且还使模块到模块的间距减到最小。举例来说，在集中维度中，反射器/接收器组合件可在方位跟踪旋转机构上彼此邻近安装而不会遭受显著的光学损耗(由于方位跟踪)。在非集中维度中，反射器/接收器组合件可以由反射器/接收器的倾角(其可为零度-水平)且由将在没有遮蔽损耗的情况下俘获的最低太阳倾斜所限制的间隔来安装于方位跟踪旋转机构上。
在具有方位跟踪的方位集中的一个实例中，各自包含一个或一个以上反射器(例如，反射性沟槽)和一个或一个以上包含PV电池的接收器的一个或一个以上反射器/接收器组合件(例如，模块)以倾斜角度(例如，等于或近似等于纬度)安装到转盘或其它旋转机构上，所述转盘或其它旋转机构允许模块方位旋转以跟踪太阳。
反射器/接收器组合件(例如，模块)可为近似2.4米正方形(举例来说)，且包含一个抛物线形沟槽或(任选地)两个并排抛物线形沟槽。包含PV电池的线性接收器可定位于所述(或每一)抛物线形沟槽上方，其中PV电池位于例如为沟槽长度的近似10％的高度处(例如，如果沟槽为约2.4米长，那么位于约20到约30厘米处)。在2.4米正方形模块中包含两个沟槽的变型中，每一沟槽为约1.2米宽和约2.4米长。PV电池可接收集中为(例如)介于约10个“太阳”与约20个“太阳”之间的反射阳光。在其中2.4米正方形模块包含两个沟槽和两个接收器的一些变型中，PV电池为约10厘米宽且接收集中为约11个“太阳”的反射光。在其它此类变型中，PV电池为约6厘米宽且接收集中为约20个“太阳”的反射光。
包含PV电池的接收器可为三角形或“V”形的，其中顶点面向下且PV电池位于所述“V”或三角形的两个面向下的侧面上。顶角可为(例如)约90度，使得PV电池接收器的两个半部中的每一者可经定向为与沟槽的轴成约45度角。与接收器包含位于接收器的平坦的水平面向下的表面上的相等面积的PV电池相比，此布置可提供改进的放置容差、减小的遮蔽和减小的电池高度。
在具有方位和倾斜跟踪的倾斜集中的实例中，各自包含旋转反射镜阵列和一个或一个以上包含PV电池的接收器的一个或一个以上反射器/接收器组合件(例如，模块)安装于方位跟踪转盘或其它旋转机构上。个别反射镜可经旋转(例如，以相同角速率)以跟踪太阳的倾斜运动且在倾斜方向上集中阳光。此实例的其它方面可与上文所描述的具有方位跟踪的方位集中实例的方面相同或相似。
现参看图9，如所说明或如在任一以上实例中所描述的反射器/接收器组合件(例如，模块)5可安装到旋转机构(例如，旋转支撑件或转盘)60。旋转机构60可由马达驱动以使菲涅尔反射器和接收器一起旋转。任何合适的太阳跟踪系统可用以控制马达以使模块5的旋转与太阳的运动同步。反射器和接收器(例如，模块)可经倾斜(如图所示)以考虑在部署所述系统的位置处地理纬度对太阳倾斜的影响。在所说明的实例中，旋转支撑件、接收器和菲涅尔反射器可在方位上跟踪太阳，使得菲涅尔反射器在方位上集中阳光。
在具有东西跟踪的东西集中的实例中，一个或一个以上反射器/接收器组合件(例如，上文所描述的那些组合件中的任一者)经定向以使其接收器在南北方向上对准(或近似对准)。如此对准的反射器/接收器组合件安装于或以另外方式(例如，刚性地)连接到旋转机构，所述旋转机构允许反射器和接收器围绕某一(或近似)南北轴一起旋转以在一天期间跟踪太阳的东西运动且因此将反射阳光聚集到接收器上的某一(或近似)南北线或线性延伸的斑点。所述跟踪可(例如)定向反射器/接收器组合件以使得太阳位于由接收器与其相关联反射器的光轴界定的平面中。可使用任何合适的旋转机构或旋转机构组合。一些变型可利用(例如)一个或一个以上轮子、滚筒、旋转轴承、滚轴或其组合。在一些变型中，近似南北旋转轴相对于水平面倾斜以使所述一个或一个以上反射器/接收器组合件朝向赤道倾斜。所述倾斜可成(例如)近似为安装CPV系统的位置的纬度的角度。在一些变型中，旋转轴位于反射器/接收器组合件的质心处或其附近以围绕所述轴旋转。
在具有南北跟踪的南北集中的实例中，一个或一个以上反射器/接收器组合件(例如，上文所描述的那些组合件中的任一者)经定向以使其接收器在东西方向上对准(或近似对准)。如此对准的反射器/接收器组合件安装于或以另外方式(例如，刚性地)连接到旋转机构，所述旋转机构允许反射器和接收器围绕某一(或近似)东西轴一起旋转以在一天期间跟踪太阳的南北(倾斜角)运动且因此将反射阳光聚集到接收器上的某一(或近似)东西线或线性延伸的斑点。所述跟踪可(例如)定向反射器/接收器组合件以使得太阳位于由接收器与其相关联反射器的光轴界定的平面中。可使用任何合适的旋转机构或旋转机构组合。一些变型可利用(例如)一个或一个以上轮子、滚筒、旋转轴承、滚轴或其组合。在一些变型中，旋转轴位于反射器/接收器组合件的质心处或其附近以围绕所述轴旋转。
本揭示内容为说明性的而非限制性的。所属领域的技术人员鉴于本揭示内容将容易明白另外的修改，且所述修改既定属于所附权利要求书的范围内。

Claims (31)

1.一种集中太阳能收集器，其包含：
细长的太阳能接收器，其包含一个或一个以上光伏电池；以及
细长的菲涅尔反射器，其具有平行于所述接收器的长轴定向的长轴，且经布置以在所述菲涅尔反射器和所述太阳能接收器经定向以使得太阳位于或近似位于由所述菲涅尔反射器的光轴与所述接收器的长轴界定的平面中时将太阳辐射反射到所述光伏电池；
其中所述菲涅尔反射器包含多个细长的反射性元件，其相对于彼此且相对于所述接收器固定，且具有平行于所述菲涅尔反射器和所述接收器的所述长轴定向的长轴；且
其中所述反射性元件的所述长轴位于或近似位于抛物线上。
2.根据权利要求1所述的集中太阳能收集器，其中所述反射性元件具有横穿其长轴的宽度，所述宽度为所述菲涅尔反射器的横穿其长轴的宽度的约5％到约10％。
3.根据权利要求1所述的集中太阳能收集器，其进一步包含旋转机构，所述旋转机构允许所述接收器和菲涅尔反射器经定向以跟踪太阳。
4.根据权利要求3所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器的方位旋转。
5.根据权利要求3所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕南北轴或围绕近似南北轴旋转以跟踪太阳的东西运动。
6.根据权利要求3所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕东西轴或围绕近似东西轴旋转以跟踪太阳的南北运动。
7.根据权利要求1所述的集中太阳能收集器，其中所述接收器在横穿其长轴的平面中具有“V”形横截面或近似“V”形横截面。
8.根据权利要求3所述的集中太阳能收集器，其中所述接收器在横穿其长轴的平面中具有“V”形横截面或近似“V”形横截面。
9.根据权利要求1所述的集中太阳能收集器，其中所述反射性元件经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
10.根据权利要求3所述的集中太阳能收集器，其中所述反射性元件经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
11.根据权利要求7所述的集中太阳能收集器，其中所述反射性元件经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
12.根据权利要求8所述的集中太阳能收集器，其中所述反射性元件经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
13.根据权利要求1所述的集中太阳能收集器，其中所述光伏电池为液体冷却式。
14.根据权利要求7所述的集中太阳能收集器，其中所述光伏电池为液体冷却式。
15.一种集中太阳能收集器，其包含：
细长的液体冷却式太阳能接收器，其包含一个或一个以上光伏电池；以及
细长的反射器，其具有平行于所述接收器的长轴定向的长轴且经布置以在所述反射器和所述太阳能接收器经定向以使得太阳位于或近似位于由所述反射器的光轴与所述接收器的长轴界定的平面中时将太阳辐射反射到所述光伏电池；
其中所述接收器在横穿其长轴的平面中具有“V”形横截面或近似“V”形横截面。
16.根据权利要求15所述的集中太阳能收集器，其进一步包含旋转机构，所述旋转机构允许所述接收器和所述反射器经定向以跟踪太阳。
17.根据权利要求16所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述反射器的方位旋转。
18.根据权利要求16所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述反射器围绕南北轴或围绕近似南北轴旋转以跟踪太阳的东西运动。
19.根据权利要求16所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述反射器围绕东西轴或围绕近似东西轴旋转以跟踪太阳的南北运动。
20.根据权利要求15所述的集中太阳能收集器，其中所述反射器具有横穿其长轴的抛物线形或近似抛物线形横截面。
21.根据权利要求16所述的集中太阳能收集器，其中所述反射器具有横穿其长轴的抛物线形或近似抛物线形横截面。
22.根据权利要求15所述的集中太阳能收集器，其中所述反射器包含多个细长的反射性元件，其相对于彼此且相对于所述接收器固定且具有平行于所述反射器和所述接收器的所述长轴定向的长轴。
23.根据权利要求16所述的集中太阳能收集器，其中所述反射器包含多个细长的反射性元件，其相对于彼此且相对于所述接收器固定且具有平行于所述反射器和所述接收器的所述长轴定向的长轴。
24.根据权利要求22所述的集中太阳能收集器，其中所述反射性元件经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
25.根据权利要求23所述的集中太阳能收集器，其中所述反射性元件经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
26.一种集中太阳能收集器，其包含：
细长的太阳能接收器，其包含一个或一个以上光伏电池；以及
细长的菲涅尔反射器，其具有平行于所述接收器的长轴定向的长轴且经布置以在所述菲涅尔反射器和所述太阳能接收器经定向以使得太阳位于或近似位于由所述菲涅尔反射器的光轴与所述接收器的长轴界定的平面中时将太阳辐射反射到所述光伏电池；
其中所述菲涅尔反射器包含多个细长的反射性元件，其相对于彼此且相对于所述接收器固定且具有平行于所述菲涅尔反射器和所述接收器的所述长轴定向的长轴；且
其中所述反射性元件经布置以使其末端交错、使邻近的共线或近似共线反射性元件之间的间隙交错或进行所述两者。
27.根据权利要求26所述的太阳能集中收集器，其中所述接收器为液体冷却式。
28.根据权利要求26所述的集中太阳能收集器，其进一步包含旋转机构，所述旋转机构允许所述接收器和菲涅尔反射器经定向以跟踪太阳。
29.根据权利要求28所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器的方位旋转。
30.根据权利要求28所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕南北轴或围绕近似南北轴旋转以跟踪太阳的东西运动。
31.根据权利要求28所述的集中太阳能收集器，其中所述旋转机构允许所述接收器和所述菲涅尔反射器围绕东西轴或围绕近似东西轴旋转以跟踪太阳的南北运动。
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