CN102779884A - 太阳能到电能和/或热能的转换 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能到电能和/或热能的转换。抛物线形主反射镜(10)具有凹镜面表面(12)，其被构造并定位以接收太阳能并将太阳能聚焦于焦点。具有凸镜面表面(16)的副反射镜(14)被构造并定位以接收来自主反射镜的已聚焦的太阳能并将该太阳能聚焦于环形接收器(18)。环形接收器(18)可包括光学元件(100)的环形阵列，其被构造用以接收来自副镜面表面(14)的太阳能并将其聚焦到离散区域的环上。太阳能到电能转换单元环被定位在离散区域的环上。太阳传感器允许精确的太阳追踪以保持反射镜系统与太阳对准。

Description

太阳能到电能和/或热能的转换

本申请是申请号为200880001856.3、发明名称为“太阳能到电能和/或热能的转换”、申请人为艾德泰克有限公司的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及对太阳能到电能和/或热能的转换的改进。更具体地，本发明提供了一种反射镜和透镜/棱镜的系统，用于经济地聚集太阳能并将其转化为电能和/或热能。

背景技术

三十多年来，太阳能已经成为理想的能源。然而，成本一直是其广泛应用的一个障碍。最熟知的太阳能系统包括覆盖足够的面积或截获足够的入射阳光的大量的太阳能电池，用于在百分之十到十五(10％-15％)的相对低的转换率的情形下获得需要的量的电力。这种方法需要大面积的昂贵的半导体太阳能电池。至今为止，如果没有某种成本补贴这种系统是缺乏竞争力的。通常，太阳能系统的昂贵的成本主要归因于被称为太阳能电池的半导体转换器件的成本和所需要的数量。已有几种方法用于减轻成本问题。一种方法是制造仅使用最少量的半导体材料的薄膜太阳能电池。遗憾地，这种方法产生了更低的效率，百分之六到八(6％-8％)并且材料被证实是存在问题的。第二种方法是使用诸如菲涅耳透镜或反射镜的多种光学器件，来将太阳能聚集成更高的强度并且之后使用较小面积的昂贵的太阳能电池将其转换。所有这些方法都已经并且正在被研究。至今，如果没有由公用事业或政府机构提供的某种财政激励，任何方法都没有导致经济的太阳能的产生。需要一种更经济的方式用于收集太阳能并将其转换为电和/或热能。本发明的主要目的就是满足这种需要。

发明内容

本发明的太阳能收集系统包括主反射镜和副反射镜。主反射镜具有被构造并定位以接收太阳能并将其朝焦点聚焦的凹镜面表面。副反射镜具有被构造并定位以接收来自主反射镜的已聚集的太阳能并将其聚焦于环形接收器上的凸镜面表面。

在一个实施例中，环形接收器包括光学元件的环形阵列，其被构造以将被副镜面表面接收的太阳能聚焦到离散区域的环(a ring of discreetareas)上。在本发明的一个应用中，太阳能到电能转换单元环被定位于离散区域的环上。

在优选形式中，主反射镜的凹镜面表面是大致抛物线形。副反射镜的凸镜面表面是被改变用于将太阳能重新聚焦于环形接收器上的双曲线形表面。

在优选形式中，环形接收器包括透镜/棱镜的图案，其被布置以进一步聚集太阳能并将其传递到光伏电池的环形阵列上。

本发明还包括制造主反射镜和副反射镜的方法。它还涉及副反射镜与光学集中器之间和光学集中器与光伏电池系统之间的关系。光伏电池在系统中起到双重作用。它们吸收被聚集的阳光并将它的一部分转化为电能，和将一部分转化为热或热能。因此，它既作为电产生器又作为热产生器。为了有效地实现这两种作用，利用具有足够宽带隙的半导体材料制造光伏电池以在相对高的温度下保持有效的电转换。一般来说，半导体材料带隙越宽，光伏电池效率随着温度升高，衰减越少。取决于产生电和产生热的相对重要性，需要对考虑的应用进行折中。

本发明的一个方面是提供一种由具有弯曲的镜面表面的薄金属主体构成的反射镜，所述镜面表面包括在所述金属主体表面上的聚合物层，在聚合物层上的反射金属层，和在金属层上的薄玻璃层。这种构造可被用于主反射镜和副反射镜。

在优选形式中，反射镜的薄金属主体由铝合金片形成。尤其适合的合金为已经硬化到T-6状态的铝合金6061。薄金属主体被形成为所需形状，之后在聚合物层、反射金属层和薄玻璃层被相继施加到其上时进行旋转。

在优选实施例中，副反射镜的镜面表面为凸表面，所述凸表面被制定形状以使其将其接收的光/热能反射并聚焦到环形聚焦区域上。

本发明的系统很好地适合于具有单和多串联结的宽带隙光伏电池。至今，由宽带隙材料制造的且处于多结配置的光伏电池的成本已经阻止其在陆地应用中的使用。本发明的集中器系统提供了极高的光强度并允许使用小的、经济面积的光伏电池。

本发明包括一种高强度光伏电池的独特设计。基于两个原因这些电池具有独特、长且窄的有源区域是最佳的。首先，电池图案对应于由第三集中器透镜提供的照明图案。其次，电池图案提供把光致产生的电流传导出电池的很短的路径长度。在光集中下的光伏电池在低电压产生很大的电流。因此，电池中的任何串联电阻都会降低电压，其反过来，又降低了电池效率。通过以电导金属栅网(grid)的图案覆盖电池的有源区域的方式，来自高强度电池的电流被收集并被导出电池。栅网中的串联电阻与栅网长度成正比。基于这个原因，具有平行于电池长尺寸延伸的电力母线的大而窄的电池设计允许必要的短导电栅网。如将在下文中所述的，本发明包括独特而有利的光伏电池结构和这种电池的图案。

本发明的太阳能转换系统是独特的，因为它将太阳能以有用的温度的热水的形式转化为热能，而同时将太阳能功率高效率地转化为电力。在本发明的系统中，被集中的太阳能首先被光伏电池吸收。因为光伏电池由宽带隙半导体材料制成，光伏电池将吸收的一部分能量转化为电能，即使在升高的温度下，宽带隙半导体材料也可以保持高的效率。

本发明提供一种由独特太阳传感器构成的传感和控制系统，其向微型计算机提供太阳位置信号，微型计算机处理信息并且向齿轮马达发送控制信号，所述齿轮马达驱动集中器和以+/-0.1度的精度保持集中器对太阳锁定。本发明的微型计算机系统进一步用于在夜间关闭系统并定位主反射镜以面朝地，在早晨启动系统并且采集阳光，监控光伏电池的温度和如果电池过热时驱动集中器离开太阳，监控风速并且如果风速超过阈值量则旋转集中器反射镜为面向下(相对风侧立)。

本发明的其它目的、优势和特征将通过下文阐述的描述、从附图和体现在被显示和描述的具体结构中的原理，而变得显而易见。

附图说明

在附图的几个视图中，相同的参考标号和字母表示相同的部分，并且，

图1是本发明一个实施例的示意截面视图；

图2是图1中的边缘部分的局部放大视图，这种视图示出薄金属反射镜主体、在主体上的聚合物层，聚合物层上的反射金属层以及金属层上的薄玻璃层；

图3是本发明的具有阳光聚集部件、电学部件、热学部件和控制部件的整个系统的框图；

图4是温度对时间的图，示出淬火6061铝合金的时间/温度特性；

图5为屈服强度(yield strength)对冷却速度的图，示出作为淬火参数的函数的6061铝合金的相对强度；

图6是涉及在主反射镜的抛物型表面上旋涂平滑的聚合物涂层的外力的图表；

图7是真空沉积腔和离子辅助沉积元件的示意图；

图8是双曲线的图表，示出其几何轴线和示出在轴线的一端处的实焦点以及在轴线的相对端处的虚焦点；

图9是与图8类似的视图，但示出双曲线以及从几何轴线的原始位置倾斜角度x的几何轴线，并且示出从点a到点b延伸的双曲线的一部分；

图10是结合图8和图9的视图，并且示出经过圆形路径的被旋转的双曲线部分a-b的实焦点；

图11是通过围绕新的几何轴线c-c旋转双曲线部分a-b形成的三维形状的视图；

图12是涉及在副反射镜的双曲线形表面上旋涂平滑的聚合物涂层的外力的图表；

图13为与副反射镜隔开的透镜/棱镜组件的横截面视图；

图14是玻璃透镜/棱镜元件的圆形排列的示意图，元件中的一个被显示从其在阵列中的位置向上移动；

图15是透镜/棱镜元件中的一个的放大侧视图；

图16是图14中的透镜/棱镜元件的端视图；

图17是图14和图15所示的透镜/棱镜元件的俯视图；

图18是包括四个图1所示的太阳能收集系统的一个系统的电学部件的示意图；

图19是在非常高的光强下有效率地运行的独特的光伏电池的平面图；

图20是图19所示的光伏电池的圆形排列与电池互连件、保护性二极管、在铜叠层中被蚀刻的电路、陶瓷衬底和陶瓷衬底下面的另一铜叠层的分解示意图；

图21是图20所示的光伏电池排列的电路示意图；

图22是热学系统和其与整个系统中的其它部件之间的关系的示意图；

图23是示出玻璃的典型反射曲线作为入射光的入射角度的函数的图表；

图24是示出玻璃覆盖的太阳能电池中所产生的信号作为角度的函数的图表；

图25是对小的角度变化非常敏感的传感器阵列的顶部平面图；

图26是图25所示的传感器阵列的侧视图；

图27是整个太阳传感器系统的横截面视图，示出后太阳传感组件、粗糙传感器组件和精细传感器组件；和

图28是示出由太阳传感器产生的典型信号作为误差角度的函数的图表。

具体实施方式

图1是本发明示出的实施例的光学部件的示意图。它包括主反射镜10、副反射镜14和光学聚集器18。主反射镜10是在凹侧上具有镜面表面(specular surface)12的凹/凸盘。副反射镜14是在其凸侧上具有镜面表面16的凹/凸盘。反射镜14的凸侧16面对反射镜10的凹侧12。凹镜面表面12优选为抛物线形并且镜面表面16是大体双曲线形。大致抛物线形表面12被制定形状用于将轴向准直的太阳光线聚焦到与其边缘20共面的焦点上。这个焦点与副反射镜14的大体双曲线形的镜面表面16的虚焦点重合。镜面表面16被构造并且定位用于聚集太阳能，它接收来自主反射镜表面12的太阳能并且将其聚集到光学聚集器18的一端的环形区域上。如下文将要详细描述的，聚集器18由透镜/棱镜100的环形阵列组成，所述透镜/棱镜100进一步将太阳能聚集到离散区域的环上。光伏电池PV被定位于离散区域上用于吸收被聚集的太阳能并将其转换为电和热。

在图3中，系统的太阳能收集部分被指定为SC。系统的电学部分被指定为ES。系统的热学部分被指定为TS。系统的控制部分被指定为CS。

优选地，主反射镜10由铝合金片和圆形边缘20构成，所述铝合金片被形成为具有大致抛物线、凸/凹形状，圆形边缘20由径向的和圆柱形的凸缘22、24构成。如下文将要更详细描述的，聚合物层26沉积在凹表面12上(图2)。随后在聚合物层26上气相沉积反射性金属的薄膜28。然后，为了保护金属层28不被腐蚀和氧化，在金属层28上沉积薄玻璃层30。这样保护金属层28免受恶劣天气、磨损和清洗的影响。

副反射镜14优选也由被制定形状以具有修正的双曲线形镜面表面的铝合金薄片形成。与主镜面表面12一样，副镜面表面16在已形成的铝薄片上提供聚合物层。然后，反射金属层被施加到聚合物层上并且薄玻璃层被施加到金属层上。

主反射镜和副反射镜10、14由公有框架F支撑，主反射镜10由板86、88和一系列紧固件(未示出)连接到公有框架F上。所述框架F包括轴向地延伸的柱P，其与两个反射镜12、16的公共中心线的轴线重合。形成聚集器18的一部分的透镜/棱镜100的环形阵列围绕柱P。如下文将更详细地说明的，修正的双曲线形的表面16被构造并被定位，用于将太阳能聚焦到是聚集器18的一部分的透镜/棱镜的环形环上。副反射镜14可包括在其凹侧上的外壳，其被构造以接收冷却流体。

主反射镜10可通过热吹形成，将被加热的铝片形成到模具中，所述模具被精确地机加工成所需的抛物线形。之所以称之为热吹成形过程，是因为它利用气体压力来使被加热的薄片与模具一致。在高温下使薄片成形允许使用现成的轧制铝薄片作为衬底原料(substrate stock)。高成形温度降低了材料的抗张强度，使得引起从模具回弹的内部应力被最小化。已被降低的抗张强度还使由于材料批次之间的差异或不同售方的材料的差别引起的回弹的变化最小化。气体压力在片的所有区域上施加相等的压力，从而确保材料的所有区域精确地与模具一致并且保持与成形模具的形状精确地一致。在成形过程之后，已形成的部件处于软化(T-O)退火条件下。所述软化条件是不希望的且可通过选择适合的合金和适合的成形条件来避免，使得在该部件被从模具移除且被冷却之后可在该部件中发生时效硬化或回火。

铝合金6061对于利用时效硬化过程是适合的材料。时效硬化已形成的铝部件至T-6条件，使其比它在T-O(软化退火)条件时变硬或坚固约五倍。由于其在冷却过程中相对慢的杂质渗出速度，铝合金6061对时效硬化是一个极好的选择。图4示出作为临界温度400到290℃之间的平均冷却速度的函数的材料的固态性质。通常，将主聚集器(反射镜)在某一温度下浸润(soak)十五(15)分钟足以建立时效硬化条件。如果获得所需的杂质的固态溶液，那么足够快速地冷却或淬火铝，防止杂质从溶液中沉淀并且产生过饱和的合金。在所述部件被冷却后，杂质缓慢地沉淀用以减轻过饱和状态。所获得的非平衡态、不稳定的微结构将经过几小时到几个星期的周期(依赖于温度)分解成多相体系，且已沉淀的杂质造成晶格应变或扭曲，其使铝硬化到坚硬且坚固的T-6状态。图5示出作为临界温度400到290℃之间的平均冷却速度的函数的6061合金的相对强度。

加热和冷却条件被确定，使6061铝合金在没有回弹的情况下被精确形成和引起时效硬化。成形和淬火条件都必须在成形模具中实现。这通过在成形腔中热隔离铝片坯(aluminum sheet blank)和利用辐射加热使铝片升高到536℃的溶液温度来实现。之后，部件被迅速吹送到保持在低于铝合金中的沉淀的临界温度的225℃的温度的钢模具中。铝片迅速地将其热量释放到模具并被冷却至时效硬化所需的点。

成形机在加热、成形以及之后淬火主反射镜的过程中执行多个功能。它热隔离盘坯(dish blank)以允许加热。它在坯和模具之间形成气密性密封。它形成围绕盘的外边缘的硬化环，迫使坯料进入到模具中并在模具冷却已形成的盘以建立时效硬化条件时使其固定在适当位置上。已形成的主反射镜被从成形机上移除并在形成镜面表面之前被储存用于时效硬化。

镜面表面被形成在已形成的铝主体10的凹侧上。这通过旋转薄金属主体10且给它施加聚合物层来进行。液体聚合物放置于盘的中心，所述盘然后围绕其几何轴线旋转至一定旋转速度，使得离心力引起液体沿着盘10的表面向外和向上流动到其外边缘20。当主反射镜10的整个凹表面12被液体聚合物膜覆盖时，盘旋转速度被调整以使离心力正好抵消重力。此时，在液体上没有净外力，使得它成为静止的抛物线形的片26，并且其表面张力使其平滑为镜面。在图6中示出液体上没有净外力的状态。所需的流体旋转条件可通过下面所述的进行计算。

图6示出相对抛物线形的盘的曲率需要满足的条件。假设原点在盘的中心，轴线如果垂直于原点，半径Rmax为28英寸且边缘高度Hmax为14英寸。因此，抛物线曲率表达为

h＝1/56r²             (1)

且

dh/dr＝r/28＝tanθ    (2)

其中，h为高于原点的高度和r是从原点的径向距离。之后，切向重力(向心力)为

F_gt＝F_gsinθ＝mgsinθ (3)

其中，F_gt是重力的切向分量，Fg为总重力，θ是曲线的切线相对于水平线成的角，m是流体的质量增量且g是重力常数。之后，切向的向心力为

F_ct＝mrw²cosθ        (4)

其中F_ct是向心力且w是旋转盘的角速度。

通过使方程式(3)和(4)相等并求解w，我们得到

当满足该旋转速度条件时，之后流体在衬底表面的所有点上保持静止且没有流动趋势。相似地，因为推导是基于抛物线曲率的开始前提，之后流体力求满足抛物线曲线并且实际上可对起始衬底上的小的成形缺陷进行校正。

液体聚合物还具有必须满足上述应用中的适当的功能的特定要求。聚合物性质要求为(1)粘度必须足够低以允许容易流过盘的表面，(2)工作时间必须允许真空脱气以便去除气泡和旋涂材料到盘上，(3)它允许热激活固化，(4)固化的材料必须是真空兼容的，(5)固化的材料必须经受得住真空气相沉积金属和介电层的热，(6)它必须支撑这些沉积的层而不起皱，和(7)固化的材料在正常服役时必须耐湿气和热循环。

集成的制造过程生产出耐用的、经济的、精确成形的和光学性能出众的主反射镜10。制造过程的关键步骤在于使成形形状、使表面平滑以及沉积高反射型的金属和保护性玻璃层。反射性的金属层沉积在已固化的聚合物上，在高真空沉积过程中使层平滑。在一次的真空抽气过程中，高反射型的金属表面和保护性玻璃层被沉积。沉积金属和玻璃层的一个关键方面是在它们被沉积到反射镜衬底上时向所述层传递另外的能量。通过使被沉积的材料的一部分离子化且之后朝向膜生长的表面加速这些离子，将增加的能量传递到所述表面。这些离子将它们的动能释放给正在生长的膜，允许沉积材料的横向移动，用于使正在生长的膜致密，最小化针孔的形成，提高膜的粘结力和形成块状层。

如图7所示，金属和玻璃层的沉积是在高真空腔中完成。过程开始于将已被平滑的主反射镜10引入到真空腔70中并且将足够的气体从腔70中移除以产生4.0×10^-6托的压力。反射层通过将包含金属铝或银的坩埚加热到金属气化点而被蒸发。金属蒸发物被允许穿过高能电子流，从而使金属蒸发物部分地离子化。未离子化的金属蒸汽前进到主聚集器衬底，在所述主聚集期衬底处它液化。出现在腔70中的电场向着主聚集器衬底加速离子化的蒸发物，当离子到达它们的目的地时以这些额外的加速能量被沉积于表面上。

长期以来，离子轰击已经被用于改善气相沉积的薄膜。然而，已知的过程典型地使用用于轰击的离子化的气体束、原子束或分子束。这种束的方法很昂贵并且对于轰击像抛物线型主反射镜这样大的面积不是很实用。基于这个原因，我们发明了一种独特的系统，用于使蒸发束的一部分离子化和使它向着目标膜加速来实现相同的结果。在如图7中显示了离子化沉积系统的示意图。系统由足够大的真空腔70构成，用于允许主反射镜10被封闭于所述腔中。金属蒸发物源72和玻璃蒸发物源74被提供并被使用。经由电流加热丝76以使得电子被从丝中释放出来。阳极78放置于丝的对面并被提供电荷以吸引从丝释放出的电子。电子流80被允许穿过由金属或玻璃蒸发物源流出的蒸发物流。典型地，100到500mA的电子流足以使从所述源出来的蒸发物部分离子化。离子化和非离子化的蒸发物都朝衬底运动。板82位于源/丝和衬底之间。板82被充电到高电压以加速离子化的蒸发物并且由此赋予蒸发物流额外的能量。接地的另外的板84位于充电板82和丝之间以减少从蒸发源转移离开的电子的数量。出于安全原因，衬底10保持在接地电势。

以相类似的方式沉积玻璃层30，除了用一氧化硅材料作为将被蒸发的起始源材料。一氧化硅被从所述源蒸发，同时氧气被注入到真空腔70中，用于在沉积腔中生成被控制的氧气分压。氧气与一氧化硅在它从所述源到目标表面的路径上和在目标表面上化合以将它转化为二氧化硅，二氧化硅在沉积表面上形成稳定的、透明的熔融二氧化硅膜。在蒸发过程中，电子流使一氧化硅材料部分地离子化，腔内的充电的板朝着衬底10加速离子化的一氧化硅。来自被加速的离子的这种增加的能量被沉积在在目标表面上正在生长的SiO₂层上，产生更大的迁移率和反应性，这改善玻璃膜的致密性和粘结力，同时减少膜针孔的数量，改善膜的抗气候性。在沉积玻璃之后，主反射镜10被从沉积腔70中移出并被插入太阳能转换系统中。

也可以与主反射镜10大体相同的方法由铝合金片形成副反射镜14。也就是说，铝合金片可被热吹形成在被精确地机加工成所需要的镜面表面的形状的模具上。之后，副反射镜的凸表面被提供被施加到已形成的铝构件上的聚合物层。之后反射性金属层被施加到聚合物层上，并且薄玻璃层形成在金属层上。

参考图8-11，副反射镜镜面表面16可以下述方式来确定。首先，形成双曲线hc，其具有几何中心线轴线40、凹侧、凸侧、在凹侧与轴线40相交的虚焦点IFP和在凸侧与轴线40相交的实焦点RFP。所述轴线40和双曲线hc以图9所示的方式围绕虚焦点IFP被枢转适当的位置处。当双曲线hc在这个位置时，在曲线上有一个点，其与轴线40的原始位置z-z相交。之后双曲线hc的a-b部分被围绕轴z-z旋转到适当的位置以形成回转表面，回转表面大致是双曲面，除了它被修正以使得实焦点RFP正好位于围绕原始轴线z-z的圆42上。在图10中示出所述圆42。相应地，倾斜的双曲线的被旋转的部分形成一表面，该表面正好将光能聚焦到环形区域上。

图10将图8叠加到图9上并且示出太阳能聚焦到其上的环42。因此，通过围绕虚焦点IFP使双曲线90倾斜并且之后围绕原始轴线z-z旋转倾斜的曲线所形成的回转表面hc被作为制备模具的凹表面的基础，通过使用热气体依靠其移动铝合金片。在金属主体成型之后，反射表面被平滑成镜面品质。同样，类似于主平滑技术，具有足够表面张力和低粘度的聚合物被施加到所述表面上。允许脱气足够长的时间，用于使表面张力平滑所述表面。需要小心以允许聚合物拉平而不流动。这可通过以一旋转速度面朝下旋转反射镜14实现，使得向心力抵消重力，同时毛细粘结力将聚合物膜保持在部件的表面上。所述技术需要平滑的聚合物层足够薄以允许毛细粘结力保持薄层颠倒而不滴落。粘结力需要抵消重力分量和离心力分量。图12示出了旋转双曲线表面hc的示意图；和示出了必须被平衡以保持聚合物不移动的力。在平滑的聚合物层固化之后，利用上述的用于主反射镜镜面表面12的技术沉积反射表面。首先利用沉积附加能量的高能离子沉积金属反射层。之后，再次使用玻璃蒸发物的高能离子来提供另外的能量至所述正在生长的膜，沉积玻璃保护层。这样完成了副反射镜表面16的制造。

根据本发明的一个方面，环形透镜/棱镜组件被定位在通过旋转实焦点REP形成的环形区域上。在图13中，光学元件50的环被显示在部件18的向下收敛的环形开口的下端处。透镜/棱镜元件50的这个阵列起到将环形焦点由主反射镜和副反射镜重新定向到一离散的矩形区域的环上的作用。每个矩形的长轴线沿着初始聚焦环的径向线定向并且互相之间具有相等的角。这种布置的好处在于高强度、会聚的能量目前只被引导到光伏或其它能量转换元件的有源区域。参见在图20中示出的光伏电池PVC。这具有这样的另外的优势，即互接线、路径和其它结构不必暴露于高强度能量并且无需为了避免这些区域的损坏而进行特殊的设计考虑。

透镜/棱镜元件50是独特的，在于它们将入射的光束分为两个分量以对其会聚和将其分为狭窄的光线。每个透镜/棱镜元件50的光学轴线是通过元件50的中心从上到下垂直延伸的垂直线。在径向尺寸上，元件50起到具有图14-17中示出几何构型的棱镜的作用。元件50对穿透元件沿径向成以离轴角度入射并且在元件50的平坦端面通过全内反射被反射的光线起棱镜作用。棱镜的光学特性通过图15和16中的光线路径示出。对沿圆周方向以离轴角度入射的光线，元件50起到双凸透镜的作用。图16示出双凸透镜的几何构型。透镜的光学特性通过图16中的光线路径示出。穿入到元件50内的圆周方向地离轴光线被折射到元件50下面的一个焦点上。在好的设计中，双凸透镜的厚度可以改变以优化它们的性能。例如，最简单的形式是两个凸表面形成完整的圆形或圆柱形透镜。在这种情况中，对大多数实际应用的玻璃，光束以一定距离聚焦在透镜的下表面之间。若透镜的厚度增加，光线可以被使得聚焦在玻璃材料的内部。在图16示出的例子中，光线聚焦于透镜的下表面上。通过这种方式，对于特定系统，透镜的性能可被优化。通过棱镜与透镜功能的独特组合，在透镜顶表面上聚集的太阳光的连续环被形成为正好在透镜下面形成的狭窄的矩形聚焦点上。最后，透镜/棱镜元件50的侧面成为如图17中所示的锥形，因此它们可以被装配成如图14所示的环形阵列。

通过将入射光线分成两个部分，一个沿着径向和一个沿圆周方向，棱镜和透镜各自起作用的角度的分布被限制到非常小的范围并且即便在非常高的CHP系统聚集水平下也允许对系统的指向误差容错。

图18为电学系统示意图。所示的特定系统包括四个太阳能收集系统I、II、III、IV，其被并联地连接到通向用户连接器CH的电导线。四个收集系统I、II、III、IV中的每一个都包括24个串联连接/并联的GaAs光伏电池的阵列，所述光伏电池适于在没有负载时产生26伏特且在10安培时产生24伏特。电路包括8个15安培电路断路器B和接地线GW。正极和负极导线从电路断路器引导至用户电路负载。系统包括用于跟踪(tracking)驱动和控制的微型计算机和用于启动的小的蓄电池。

光伏电池PVC在系统中起到双重作用。它们吸收已聚集的阳光并将其一部分转化为电和将其一部分转化为热或热能。因此，它在系统中作为电产生器和热产生器。为了有效地实现这两种作用，光伏电池PVC必须由具有足够宽的带隙的半导体材料制造以在相对高的温度下保持有效的电转换。一般地，半导体材料的带隙越宽，光伏电池效率随着温度升高而衰减会越小。因此，依赖于产生电和产生热的相对重要性，对于所考虑的应用需要进行折中。例如，若使用GaAs光伏电池PVC，那么系统在高达约100℃的温度产生热，同时还能保持电转换效率约为在25℃的效率的约95％。因此，所述系统很好地适合于具有单和多串联结的宽带隙光伏电池。在本发明之前，由宽带隙材料制备和在多结配置的光伏电池的成本阻止了它们在陆地应用中的使用。基于这个原因，由在此处公开的集中器系统产生的非常高的强度允许使用小的、经济面积的光伏电池。为了使光伏电池PVC在非常高的强度下有效地运行，需要独特的设计。图19示出了一种非常高强度的太阳能电池的设计。电池PVC具有独特的、长且窄的有源区域，其对于以下两个原因是最佳的。首先，它对应于图14中所示的第三集中器透镜50提供的照射模式。其次，它为光致产生的电流传导离开电池PVC提供了很短的路径长度。在高的光聚集下光伏电池PVC在低电压时产生非常大的电流；因此，电池中的任何串联电阻会降低电压，并且因而降低电池效率。通过采用导电金属栅网G的图案覆盖电池的有源区域的方式，来自高强度电池的电流被收集并被导出电池。栅网G中的串联电阻与栅网长度成正比。基于这个原因，具有平行于电池PVC的长尺寸的电力母线BB的长且窄的电池设计允许必需的短的导体栅网G。

对栅网线G的另一个限制是它们覆盖尽可能小的有源区域的一部分以便不遮挡电池PVC的有源区域并防止光进入电池PVC。栅网G的电阻也与它们的宽度和高度成正比。基于这个原因，使电池PVC成锥形(逐渐变细)，在它们到达母线时变得较宽以及来自电池PVC的电流增加可有助于根据低遮挡的需要最优化低电阻。。使栅网G尽可能地厚也可以减少栅网G所需要的宽度。对本领域技术人员来说，用于最小化电阻和最大化有源区域的很多其它的栅网母线设计是显而易见的。用于栅网和母线中的典型金属是金、银或铜。

光伏电池PVC安装于特定的、电绝缘的、导热衬底120上。衬底120由每一侧面结合镀金的铜覆层124的薄氧化铝片122组成.。在衬底的顶侧，蚀刻覆层124以形成电路图案，用于在光伏电池PVC之间制备电互连126，其被结合至如图20所示的已蚀刻的铜电路图案。在串联连接的串中，如果由于集中器被部分遮挡使所述串的一部分被照射，那么光伏电池PVC由于反偏压击穿而遭受损坏。二十四个电池的串联串中的每两个光伏电池PVC由与所述两个光伏电池PVC以相反的极性被连接的二极管D保护而免于反偏压击穿。

图21示出光伏电池和二极管阵列的电连接。通过图20所示的连接在环形板中心处的两个铜导线将电力传导离开所述阵列。通过接触在陶瓷电路板背面上的镀金的铜覆层的背面的循环水流使电池PVC冷却。以这种方式，热能被从电池中提取并被传递至位于集中器底部的热交换器。

图22示出整个热收集和控制系统。

图22示出被液体冷却的副反射镜14，所述液体从循环泵130流到通向集中器18底部的“进入”导管132，从那里穿过柱P流入到副反射镜14的中空的内部。被加热的冷却液从副反射镜14的中空的内部穿过“出口”导管134流出，并且流到两向选择电磁阀136，所述“出口”导管134穿过柱P延伸返回。如果热能要被传递到外部负载，那么阀136操作以将被加热的冷却液传送到液-液热交换器138。热能被转移到使用流体以传送至所需的热负载。如果外部热负载不需要热能的任何一部分，那么阀136操作以将冷却液引导到液-气热交换器140，在该热交换器140中，热能被转移至周围空气。安装于光伏电池PVC的衬底上的热耦传感器TS监控光伏电池PVC的温度。如果电池温度升高至预设阈值，那么通过机载微型计算机来引导集中器阵列使单个太阳能收集器(或多个太阳能收集器)偏离太阳，用于防止对系统的损害。作为对计算机故障的备用设备，热控开关S安装于接收器基底的外壳上。这种常开的热控开关S与垂直驱动齿轮马达并联连接。如果温度升得太高，开关S关闭并且以适合的极性给马达提供连续的dc功率，以驱动集中器阵列到面向地面位置，直到热问题被分析和被改正为止。

图23-28涉及由图3中标记为CS的元件构成的控制系统。所述系统包括太阳传感器，太阳传感器将太阳位置信号供给至微型计算机，所述微型计算机处理所述信息并将控制信号发送至齿轮马达，所述马达驱动集中器并将它们以+/-0.1°的精度对太阳保持锁定。微型计算机还监测水的温度并调节在冷却液回路中的流量以达到所需的操作温度。微型计算机进一步用于在夜间关闭系统并定位集中器盘以面向地面，在早晨启动系统并且采集阳光，监控光伏电池的温度和如果电池过热则驱动集中器离开太阳，监控风速并且如果风速超过阈值量则旋转集中器盘至面朝下(侧对着风)。将在下文对传感器和控制系统的主要功能进行更详细的描述。

CHP太阳能集中器系统需要它的太阳传感系统具有几项特殊功能。首先，追踪系统利用双轴主动闭合环连续感测太阳并且不依赖于时钟和计时算法(timing algorithm)来寻找和追踪太阳。因为它不使用计时算法，传感器必须能够从180°立体角或半球的任何位置感测太阳的位置。如果发现太阳，太阳位置传感器SPS必须提供足够敏感的信号以允许以+/-0.1°的精度来指向太阳。传感器必须能在直接太阳照射和来自明亮云边的光之间进行区分，且它必须不受杂散的反射光或基于地面的光源的干扰。最后，传感器和追踪系统对于商业销售来说必须是足够经济的。在本发明以前，没有现有系统能够满足所有上述标准。

本发明的传感器SPS是基于一种与传统传感器不同的物理现象。本发明的传感器SPS适于更好地免受杂散光影响并且在指定(指向)精度上提供对小角度偏移的更敏感的探测。大多数可使用的传感器可使用某种高的柱子，光传感器连接至其4个侧面。当柱体直接指向太阳时，电池的边缘转向太阳并且没有信号产生。当电池转离太阳时，柱体一侧上的电池被照射而产生信号，而相反侧上的电池被遮挡并且不产生信号。另一种类型的传感器使用平坦地安装在准直管的底部的电池。这些设计的麻烦在于产生的信号是高度非线性的并且传感器或者非常易于受杂散光照射(柱状型)或者它们以大误差角感测太阳而不能修正(准直管型)。

为了克服上述困难，本发明的传感器SPS是基于对光伏电池表面上和例如玻璃的介电材料中的光反射和透射的入射角的非线性依赖。图23示出典型的玻璃反射曲线作为入射光的入射角度的函数；图24示出在进入光伏电池的光透射中验证的相同的作用。光伏电池中产生的电流与透射进入它的光的量直接成正比。为了产生图24所示的数据，玻璃覆盖的光伏电池被放置在准直光束的下面并且被旋转一百八十度(180°)，从-90°(面向一个方向侧对着光束)，经过0°(垂直入射)到+90°(面对相反方向侧立)。可以知道，产生的信号是非线性的，在偏离垂直线的较大角度处的变化率远大于其偏离轴线的角度处的改变率。这种对入射角的非线性电池电流响应可被用于产生太阳传感器，其对偏离垂直入射的角度误差高度敏感并且产生随着偏离轴线的误差角度的增加而增加的线性信号。

图25和图26示出本发明的太阳传感器的实际的实施例。小的玻璃覆盖的光伏电池150被安装在截棱锥160的倾斜侧面152、154、156、158上。当传感器正在追踪“对准太阳”(“on-sun”)时，太阳在传感器的截棱锥152、154、156、158上方被直接对准，传感器的轴线被定义为穿过棱锥的中心的垂线。所述线在图26中被标识为光学轴线。当传感器从太阳偏离时，照射有颜色的玻璃传感器150的入射光的角度发生改变，在远离太阳的一侧变得更陡而在接近太阳的一侧陡度很小。如果侧面角被选择，以使得电池工作在非线性反射的开端(on-set)附近(大约60°)，那么进入到面向太阳的电池的光迅速增加而进入背向太阳的电池的光迅速减少。侧面角被优化以得到最大和最线性的误差信号。图28示出典型的产生的误差信号。信号具有极好的幅度，对小角度变化非常敏感，在围绕垂直线的角度的大范围内有很好的线性，并且幅度与偏离垂直线的角度成正比例地增加。

基于非线性反射的太阳传感器对围绕其垂直线的小角度误差非常敏感，允许它以非常严格的容差(典型地，+/-0.1°)将集中器对太阳锁定。传感器的低剖面(profile)使得能够使用遮蔽护罩ss来保护传感器不受杂散反射光或本地光源的影响。图27示出典型的护罩实施例的轴向截面视图。精细传感器组件位于柱状遮蔽护罩ss的底部。护罩ss将传感器限定为进入角非常窄的锥形，因此它成为系统的“精细”传感器。为了粗感测，四个光伏电池162位于遮蔽护罩ss的外侧上。这四个电池围绕遮蔽护罩的周围分开九十度(90°)排列。这种配置分别提供两对相对的电池，用于南-北和东-西感测。在太阳位于集中器阵列后面的情形中，还有两个面朝后的光伏电池传感器RFC。

来自精细传感器、粗糙传感器和朝后面向的传感器的信号通过控制微型计算机处理。如果精细和粗糙传感器的信号很少或没有，但在朝后面向的传感器上有信号，那么计算机引导齿轮马达来向西驱动系统，直到粗糙传感器获得信号为止。在这一点上，计算机将控制传送至粗糙信号，集中器驱动系统将在水平方向和高度方向上寻找太阳。当计算机探测到来自精细传感器的足够多的信号时，它那么向传感器传送控制以锁定对准太阳(on-sun)和在每个轴线上保持所需的追踪容差。以这种方式，获得不受杂散光信号影响的高敏感度、高精度的追踪系统。由于明亮云边散射光产生的剩余问题“追云(cloud chasing)”通过软件来解决。计算机被指示忽略未达到典型的直射阳光的阈值的信号。

机载计算机是控制系统的核心。除了处理追踪信号和控制追踪马达外，计算机处理多种来自它的内部时钟、限制开关、热偶、以及风传感器的其它信号来保证系统安全而有效地运行。限制开关位于马达传动系统中并且当集中器的运行到达在任一方向和两个轴向上的行进的极限时被启动。例如，在白天结束时，水平驱动系统从向西的太阳落下的位置旋转回向东。它使向东极限开关启动来对集中器进行定位以用于第二天早晨开启一天的运行。通常(除了夏至外)在傍晚，系统不驱动到极端向西的位置，因而在一天能量收集结束时，内部时钟被用于以程序时间给计算机发信号来驱动返回到它的向东“起始”位置。类似地，在傍晚程序时间，在系统到达其向东“起始”位置之后，计算机驱动集中器面朝下。计算机也对风传感器的信号进行采样，并且如果风速超过已编程的阈值，那么计算机引导集中器朝向面向地面的位置(即与风成水平)，直到风信号降低到阈值以下。

计算机还监控位于每个光伏电池阵列上的热偶，并且如果一个阵列显示出温度超过已编程的阈值，那么集中器被驱动到朝向地面的位置，直到问题根据需要可被评估和修正。作为备用设备，在计算机故障的情形下，热机械开关位于光伏接收器主体上。如果接收器主体达到足够高的温度用于启动热机械开关，之后它取代计算机并且直接向仰角传动马达提供电力来将集中器驱动到面向地面的位置。

对于正常运转来说，计算机监控冷却流体的温度并且控制泵流量来调节流体温度达到程序值。如果温度在上升且流体流速处于其最大值，那么假定外部热负载不能接受产生的所有热能并且用电磁阀将流体流转向至液体-空气热交换器，用于控制流体温度。

在本发明的另一个实施例中，光伏电池阵列可被光吸收器替代用于吸收聚集的阳光并将它直接转化为热且把它传递到所需的应用中。所需的应用可以变化，例如家用热水、水净化、商业处理、或吸收空调。热能可直接被用于(1)驱动热发动机例如斯特林(stirling)发动机，(2)超热蒸汽，来驱动蒸汽引擎或涡轮，(3)给热电产生器提供燃料，或(4)驱动任何其它类型的热引擎或热应用。

将激光束沿平行于其光轴的方向引导到双曲盘中，之后利用对激光光子敏感的光伏电池将激光束转化为电能，是在本发明的范围内。通过这种方式，无需使用电线即可在长距离上传输电力。将已调制的激光束平行于其光学轴线引导到集中器系统中，并且使用对激光光子敏感的探测器来探测和分析已调制的信号，也在本发明的范围内。以这种方式，系统可以被用作在激光传输通信系统中的接收器。此处，“光能”一般指阳光(太阳能)、激光束和其它光束。

被阐述和/或描述的实施例仅作为本发明的例子，因此，是非限制性的。可以理解，在不偏离本发明实质和范围的情况下，可对本发明的特定结构、材料和特征做出多种改变。因此，我们的意图是指专利权并不受限于这里所阐述和描述的特定实施例，而是应该由，依据专利权利要求解释进行解释的、包括使用等价物的原理、后面的权利要求所确定。

Claims (46)

1.一种光能收集系统，包括：

主反射镜，所述主反射镜具有凹镜面表面，所述凹镜面表面被构造并定位以接收光能并将朝焦点聚焦光能；和

副反射镜，副反射镜具有凸镜面表面，所述凸镜面表面被构造并定位以接收来自所述主反射镜的已聚集的光能并且将该光能聚焦到环形接收器上。

2.如权利要求1所述的光能收集系统，其中，所述环形接收器是被构造为将从所述副镜面表面接收的光能聚焦到离散区域的环上的光学元件的环形阵列。

3.如权利要求2所述的光能收集系统，其中，光-电转换单元的环被定位在所述离散区域的环上。

4.如权利要求1所述的光能收集系统，其中，所述主反射镜的凹镜面表面是大致抛物线形。

5.如权利要求1所述的光能收集系统，其中，所述副反射镜的凸镜面表面是大致双曲线形。

6.如权利要求2所述的光能收集系统，其中，所述光学元件包括透镜。

7.如权利要求2所述的光能收集系统，其中，所述光学元件包括棱镜。

8.如权利要求1所述的光能收集系统，其中，所述环形接收器是适于将所述光能转化为热能的主体。

9.如权利要求1所述的光能收集系统，其中，所述环形接收器适于将所述光能转换为电能。

10.如权利要求3所述的光能收集系统，其中，所述光-电转换单元是光伏电池。

11.如权利要求3所述的光能收集系统，其中，所述光-电转换单元被连接在一起。

12.一种太阳能收集系统，包括：

框架；

主反射镜，由所述框架支撑，所述主反射镜具有被构造并定位以接收太阳能并将其朝焦点聚焦的凹反射镜表面；和

副反射镜，由所述框架支撑，所述副反射镜具有被构造并定位以接收来自主反射镜的已聚焦的太阳能并将其聚焦到环形接收器上的凸反射镜表面，所述环形接收器被所述框架支撑。

13.如权利要求12所述的太阳能收集系统，其中，所述环形接收器是被构造为将从所述副反射镜表面接收的太阳能聚焦到离散区域的环上的光学元件的环形阵列。

14.如权利要求13中的太阳能收集系统，其中，太阳能至电能转换单元的环被定位在所述离散区域的环上。

15.如权利要求12所述的太阳能收集系统，其中，所述主反射镜的凹镜面表面是大致抛物线形。

16.如权利要求12所述的太阳能收集系统，其中，所述副反射镜的凸镜面表面是大致双曲线形。

17.如权利要求12所述的太阳能收集系统，其中，所述环形接收器是适合用于吸收太阳能并将太阳能转化为热能的主体。

18.如权利要求13所述的太阳能收集系统，其中，所述光学元件是透镜。

19.如权利要求13所述的太阳能收集系统，其中，所述光学元件是棱镜。

20.如权利要求12所述的太阳能收集系统，包括用于可调整地安装所述框架以便于移动的装置，以保持所述主反射镜指向太阳。

21.如权利要求20所述的太阳能收集系统，其中，所述框架定位装置包括方位调整装置和高度调整装置。

22.如权利要求20所述的太阳能收集系统，包括定位装置的控制装置，其包括响应于太阳位置的传感器装置，用于保持所述主反射镜朝向所述太阳。

23.一种反射镜，包括：

具有弯曲的表面的薄金属体；

在所述弯曲的表面上的聚合物层；

在所述聚合物层上的反射金属层；和

在所述金属层上的薄玻璃层，所述层为所述反射镜提供了镜面表面。

24.如权利要求23所述的反射镜，其中，所述薄金属主体由铝合金片形成。

25.如权利要求23所述的反射镜，其中，所述薄金属主体由被硬化到T-6状态的铝合金6061片形成。

26.如权利要求23所述的反射镜，其中，所述弯曲的表面是凹表面。

27.如权利要求26所述的反射镜，其中，所述弯曲的表面是大致抛物线形表面。

28.如权利要求26所述的反射镜，其中，所述弯曲的表面是凸表面。

29.如权利要求26所述的反射镜，其中，所述弯曲的表面是大体双曲线形表面。

30.一种反射镜，包括：

片状金属主体，被形成为在一侧上为凸形且在另一侧上为凹形，所述主体具有镜面表面，所述镜面表面被形成在其侧面中的一个侧面上，通过以下方式：

在所述侧面上的聚合物层，所述聚合物被施加至所述表面上，同时，片状金属主体围绕它的几何轴线以一旋转速度旋转，使得作用于所述聚合物上的离心力抵消重力；

在所述聚合物层上的反射金属层；和

在所述金属层上的薄玻璃层。

31.如权利要求30所述的反射镜，其中，所述主体由铝合金片形成。

32.如权利要求30所述的反射镜，其中，所述薄金属主体由被硬化到T-6状态的铝合金6061片形成。

33.如权利要求30所述的反射镜，其中，所述镜面表面在所述主体的凹侧上。

34.如权利要求33所述的反射镜，其中，所述镜面表面是大致抛物线形表面。

35.如权利要求30所述的反射镜，其中，所述镜面表面形成在主体的凸侧上。

36.如权利要求35所述的反射镜，其中，所述镜面表面是大致双曲线形表面。

37.如权利要求36所述的反射镜，其中，所述大致双曲线形表面被制定形状以将由它接收的光/热能反射和聚焦到环形聚焦区域上。

38.一种具有凸镜面表面的反射镜，所述凸镜面表面适合将光能聚焦到环形区域上，所述凸镜面表面通过以下方式形成：

提供围绕轴线对称地形成的双曲线，其具有凹侧、凸侧、凹侧上的虚焦点和凸侧上的实焦点；

围绕所述虚焦点使所述轴线和双曲线倾斜，使得在倾斜位置上，所述轴线从它的原始位置分离一锐角并且所述抛物线被从其原始位置倾斜；

围绕所述原始轴线旋转所述倾斜的双曲线的一部分，所述部分从所述原始轴线延伸到所述倾斜轴线并且延伸超过所述倾斜轴线，使得所述倾斜的双曲线的被旋转的部分形成围绕所述原始轴线的回转表面；并且

使反射镜的凸镜面表面具有所述回转表面的形状，使得所述镜面表面具有环形焦点。

39.一种光能集中器，包括玻璃透镜/棱镜元件的环形阵列，每个所述元件具有凸顶部、凸底部、平坦内端和外端以及径向延伸的平坦侧面，使得所述玻璃透镜/棱镜元件能够大体安装在一起并形成大致环形阵列。

40.一种光能收集系统，包括：

主反射镜，具有被构造并定位以接收太阳能并将其朝焦点聚焦的凹镜面表面；

副反射镜，具有被构造并定位以接收来自所述主反射镜的已聚集的光能并将其聚焦于环形接收器上的凸镜面表面，所述凸镜面表面通过以下方式被形成：

提供围绕轴线对称形成的双曲线，其具有凹侧、凸侧、在所述凹侧上的虚焦点和在所述凸侧上的实焦点；

围绕所述虚焦点倾斜所述轴线和所述双曲线，使得在倾斜位置上，所述轴线从它的原始位置分离一个锐角并且所述抛物线从它的原始位置倾斜；

围绕所述原始轴线旋转所述倾斜的双曲线的一部分，所述部分从所述原始轴线延伸到所述倾斜的轴线并超过所述倾斜的轴线，使得所述倾斜的双曲线的旋转部分形成围绕所述原始轴线的回转表面；并且

使所述副反射镜的凸镜面表面具有所述回转表面的形状，使得所述镜面表面将具有环形焦点图案。

41.如权利要求40所述的光能收集系统，进一步包括基本上位于所述环形焦点处的玻璃透镜/棱镜元件的环形阵列，每个所述元件具有凸顶部、凸底部、平坦的内端和外端、以及径向延伸的平坦侧面，使得所述玻璃透镜/棱镜元件能够大体安装在一起并形成大致环形阵列。

42.一种太阳位置传感器，包括：

基部；

从基部向上延伸的圆柱状遮蔽护罩，所述护罩包括上端、圆柱状内表面和一外表面；

传感器支撑件，具有下部和上部，所述下部连接到在遮蔽护罩里面的基部，所述上部成截棱锥的形式，且所述上部具有基本上分开九十度(90°)定位的四个倾斜侧面；

四个光伏电池，安装在所述支撑件上，每个光伏电池在所述截棱锥的一个倾斜侧面上；和

四个光伏电池，分开九十度(90°)安装在所述遮蔽护罩的外表面上。

43.如权利要求42所述的传感器组件，其中，所述截棱锥的四个侧面基本上与垂直方向成三十度(30°)倾斜。

44.如权利要求42所述的传感器组件，其中，每个光伏电池都被玻璃覆盖。

45.如权利要求42所述的传感器组件，其中，对于所述光伏电池的入射角存在反射/透射的非线性响应。

46.如权利要求44所述的传感器组件，其中，对于所述玻璃覆盖的光伏电池的入射角存在反射/透射的非线性响应。

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