CN102782421B - 抛物线太阳能接收器的阵列模块 - Google Patents

Abstract

太阳能接收器阵列包括布置成X×Y阵列的多个太阳能接收器。保护外壳包括多个侧面，在其中定义开口。布置成X×Y阵列的多个太阳能接收器可下降到保护外壳的开口中以保护布置成X×Y阵列的多个太阳能接收器免受外面风的影响。

Description

抛物线太阳能接收器的阵列模块

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年1月15日提交的题为“SELF-TRACKINGARRAY OF CPV PARABOLIC SOLAR ENERGY RECEIVERSWHICH EMBODIES 3 AXES OF ORIENTATION”的美国临时申请No.61/295,488的权益，其说明书通过引用合并于此。本申请还要求2010年10月4日提交的题为“ARRAY MODULE OF PARABOLICSOLAR ENERGY RECEIVERS WITH MICRO-POD DEVICE”的美国临时申请No.61/389,593的权益，其说明书通过引用合并于此。本申请还要求2011年1月13日提交的题为“ARRAY MODULE OFPARABOLIC SOLAR ENERGY RECEIVERS”的美国专利申请No.13/006,225的权益，其说明书通过引用合并于此。本申请涉及2004年11月16日公告的题为“CONCENTRATING SOLAR ENERGYRECEIVER”的美国专利No.6,818,818，其说明书通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及太阳能转换，更特别地，涉及自跟踪会聚式太阳能接收器的阵列。

背景技术

用于太阳能收集和转换的设备可归类为会聚型和非会聚型。非会聚型用例如检测或接收器件（诸如光伏电池的太阳能面板或热水管）的阵列截取太阳的非会聚平行光线。输出是光线的接收面积的正函数。会聚型太阳能收集器利用例如抛物线反射体或透镜组件聚焦能量光线以会聚光线，产生更强的能量束。能量束被会聚以改善太阳辐射转换成电力的效率或者提高从太阳辐射收集的热能的量以用于加热水等。在常规会聚式太阳能接收器中，入射太阳辐射通常聚焦在离开圆形反射体（例如碟形反射体）的点或者沿着离开圆筒形反射体的焦线（focalline）。在另一现有技术例子中，在抛物线曲线向外掠到圆的抛物线主反射体的边缘之前，通过平坦化反射体的中心部分而提供的在反射体的中心的平坦部分辐展到预定直径。在该设备中，所反射的太阳能聚焦在与反射体的平坦中部的外径对应的环处。

然而，即使常规的会聚式太阳能接收器也因为两个原因而需要改善。第一，常规系统中的太阳能转换模块直接位于焦点或焦线处，其必须占据非常小的体积，这样的小体积导致高度集中的热，其必须在焦点区域中散去。第二，辐射太阳能谱的红外部分的大部分不能通过当前可获得的小规模转换器件（诸如太阳能电池）有效转换成电力。替代地，剩余的红外能量被反射体收集且贡献给加热转换器件，这会影响太阳能电池的转换效率。

此外，需要聚集结构阵列中使用的任何类型的会聚式太阳能接收器，从而可以利用每个单独太阳能接收器产生的能量的总效果。作为选择，对于阵列结构，可能有由于外部环境条件诸如高速风导致的损坏危险。因此，除了改善太阳能接收器的能量收集和分布特性之外，还需要一种方式来保护它们。

发明内容

如这里所公开和描述的那样，本发明在其一个方面包括一种太阳能接收器。该太阳能接收器包括布置成X×Y阵列的多个太阳能接收器。保护外壳包括多个侧面，其中定义有开口。该多个太阳能接收器可以下降到保护外壳的开口中，从而保护该多个太阳能接收器免受外部风的影响。

附图说明

为了获得更彻底的理解，现在参考下面结合附图进行的描述，附图中：

图1A示出会聚式太阳能接收器的一实施例；

图1B示出具有主反射体和次级反射体二者的会聚式太阳能接收器的备选实施例；

图2A是图1A的实施例的示意图，示出用于主反射体和对应的太阳能到电能转换模块的支承结构；

图2B是说明图1B的备选实施例的示意图，示出用于主反射体和次级反射体以及对应的太阳能到电能转换模块的支承结构；

图3示出图1A的会聚式太阳能接收器的另一备选实施例，其中聚集区域远离主反射体的主轴定位；

图4是图表，示出在若干当前可获得的太阳能转换设备的转换和途径中，与大气层对其影响相对照的太阳辐射谱的各种成分和波长；

图5是曲线图，示出三结GaInP₂/GaAs/Ge太阳能电池的典型相对量子效率对照有效波长范围；

图6是曲线图，示出对于图5所示的三结太阳能电池，典型转换效率性能对照太阳能辐射水平；

图7A示出用于根据本公开的会聚式太阳能接收器的设计示例；

图7B示出在太阳能到电能转换模块中使用膜再循环引擎的图2A的备选实施例；

图8示出太阳能接收器座舱（pod）；

图9示出太阳能接收器座舱的包括集成的次级反射体的透明盖；

图10示出太阳能接收器座舱的集成的主反射体和热沉的侧视图；

图11示出利用单个公共太阳跟踪机构的太阳能接收器座舱集群阵列；

图12A、12B、12C和12D示出各种位置中的太阳能接收器座舱的阵列；

图13是功能框图，示出多个太阳能接收器模块与电网和中央控制器的连接；

图14示出太阳能接收器模块的又一实施例；

图15示出可绕三个不同轴旋转的自跟踪太阳能接收器（“座舱”）的侧视图；

图16示出利用抛物线碟的太阳能接收器的两轴实现；

图17示出利用Fresnal透镜的太阳能接收器的实现；

图18a、18b和18c示出经由跟踪算法控制的太阳能接收器；

图19是流程图，示出用于定位太阳能接收器的一种可行控制算法；

图20示出包括用于提供自跟踪能力的光传感器的太阳能接收器；

图21示出用于经由光传感器控制太阳能接收器的跟踪的控制机构的框图；

图22是流程图，示出使用光传感器的太阳能接收器的控制方法；

图23是流程图，示出解决跟踪算法内的失准的方法；以及

图24示出经由无线通信来进行通信的太阳能接收器阵列。

具体实施方式

现在参照附图，示出和描述抛物线太阳能接收器的阵列模块的各种视图和实施例，并且描述其他可行实施例，附图中相似的附图标记这里始终用于指代相似的元件。图不一定是按比例绘制的，在一些情况下，图在某几处被夸大和/或简化以仅用于示范。基于可行实施例的以下例子，本领域普通技术人员将意识到许多可行的应用和变型。

现在参照图1A，示出根据本公开的会聚式太阳能接收器的一实施例。会聚式太阳能接收器100包括以横截面示出的主抛物线反射体102，其以多个入射光线104从主抛物线反射体102的高度反射性的凹入面朝向焦点106反射的形式截取太阳能辐射。将意识到，焦点106位于主抛物线反射体102的第一或主焦轴上，该主焦轴穿过反射体102的中心并基本垂直于与反射体102的中心相切的平面。为了清楚，该焦轴未在图中示出，但是将理解，其如所描述的那样存在，除非另外说明。如所周知的那样，来自太阳的落在主抛物线反射体102的外边缘112内的入射光线104将反射通过焦点106。图1A还示出近聚焦区域108和远聚焦区域110。这些聚焦区域，其每个定义与穿过焦点106的主焦轴基本成直角设置的平面区域，沿主轴朝向主抛物线反射体102或者远离主抛物线反射体102错开或位移预定距离。聚焦区域的面积大致等于或稍微大于沿着主轴在焦平面位置处反射辐射图案的横截面积。

本公开中的聚焦区域定义为平面区域，其表示传感器的用于接收太阳能以将其转换成另一形式的期望位置。这种聚焦区域的区域也可在此称为接收区域或接收表面。接收表面或太阳能传感器表面是转换器件或模块的能量入射部分，其接收入射能且将它转移到转换器件或模块中将入射太阳能转换成电、机械或热形式的结构。本领域技术人员将容易地意识到，具有大致聚焦区域108或者替代地聚焦区域110尺寸的平面面积的太阳能传感器处于截取被引导穿过焦点106的全部反射入射光线的位置。此外，所反射的太阳能遍及该聚焦区域以较低的平均强度均匀分布。因此，位于聚焦区域的太阳能传感器截取所有辐射，但截取均匀的较低强度的能量，就实用性而言，这意味着太阳能传感器更少地经历强度峰值且能更容易地散去在转换模块的转换带通之外的热能。这是因为与在更集中的焦点处存在的相比，包含在太阳能辐射中的热能能在更大的面积上被截取。通过将所接收的能量均匀地分布在更大表面上，转换模块的有用运行寿命显著增大。因此，如图1A所示地配置的会聚式太阳能接收器能以更宽泛的尺寸建造，对在本公开的会聚式太阳能接收器中使用的太阳能转换模块的散热能力有宽松得多的约束。从下面的描述将显然的是，可被调节以提供各种输出水平的一些参数是主反射体的尺寸、太阳能传感器的尺寸、太阳能传感器离开焦点的位置或偏移、提供散热的方式等。

继续参照图1A，图1A以横截面示出的主抛物线反射体102可以一般地为圆形，即朝向主抛物线反射体102的凹入表面观看时边缘112呈现为圆。如所周知的那样，这是接收入射的太阳能辐射的高效形状。然而，本公开的会聚式太阳能接收器100不限于圆形主反射体102，而是可以是其他几何形状，诸如椭圆、卵形、矩形（即圆筒形反射体）、多边形或规则多边形的阵列、或者具有抛物线表面的任何其他封闭平面图形。这样的面板块的阵列可以是边靠边放置的连续形状的复合物、或者彼此相邻布置的反射元件的复合物、或者布置在预定位置但不必靠近在一起的反射元件的复合物。此外，单个面板块可具有平坦或弯曲表面。主反射体可以由其中可维持所需抛物线形状的任何材料构造。合适材料的一些例子包括金属（诸如抛光的铝、具有镍或铬镀层的钢）、有或没有银涂层（如镜子中那样）的玻璃、陶瓷或其他复合物（诸如玻璃纤维、石墨、具有反射涂层或镀层的聚合物或塑料）、或者满足抛物线反射体所需的结构和反射属性的任何其他材料。在一些应用中，具有足够支承以维持抛物线形状的反射片或膜可用作反射体。然而，本领域技术人员将意识到，重量轻的金属诸如铝提供许多优点，诸如高的强度对重量比率、易于制造、能提供抛光的高反射性光面、以及能从安装于其上的任何结构导走热量。各种构造变型中的一些将在下面详细描述。

继续参照图1A，可以与主抛物线反射体102一起使用且具有位于聚焦区域108、110之一或另一个内的平面型太阳能传感器的太阳能转换模块可以是若干基本类型。示范性地，这些可包括例如一个或更多光伏太阳能电池或耦接到发电机的热循环引擎的阵列。在本说明书中，发电机可以指的是将太阳能、机械能或热能转换成直流或交流电力的任何设备。此外，发电机包括交流发电机。为了清楚，图1A中未示出可在图1A的实施例中使用的具体太阳能转换模块，图1A的目的是示范将转换模块的太阳能传感器部分定位在离主抛物线反射体102的实际焦点预定距离处的原理。如下面将变得显然的那样，对于特定应用选择哪个聚焦区域108或110将随着进一步描述会聚式太阳能接收器100的各种实施例而变得清楚。

在图1A所示的会聚式太阳能接收器的优选实施例中，光伏太阳能电池转换模块包括一个或更多三结太阳能电池，更特别地三结GaInP₂/GaAs/Ge太阳能电池。当前可获得的这种太阳能电池能在高达数百个太阳（sun）的太阳辐射强度下运行，一个太阳等于0.1368瓦特每平方厘米（W/cm²）。适于在本公开的会聚式太阳能接收器中使用的太阳能电池包括新墨西哥州阿尔伯克基的EMCORE光伏公司或波音公司位于加州西尔马的分部Spectrolab有限公司制造的器件。用于转换器件的太阳能传感器通常由前述类型的太阳能电池阵列构成，布置成位于所选聚焦区域的平面中的平面阵列。必须确保太阳能传感器被小心地定位，从而从主反射体反射的阳光均匀分布在整个聚焦区域上且均匀分布在太阳能电池阵列的表面上。未能确保反射能的均匀分布可能导致对转换模块的损伤。

一般而言，聚焦区域108对于转换模块的太阳能传感器的位置而言是优选的。然而，当选择热循环引擎作为转换器件时聚焦区域110是优选的，因为那个位置使转换器件（即，热循环引擎）能够完全包围在具有定位得围绕焦点106的开口的外壳内。示于图7B中的该构造允许全部所反射的入射光线进入到围绕热循环引擎的外壳中。该外壳可以完全绝缘且配置成包含否则可能从热引擎逃逸到周围的任何热能。因此，赋予给热循环引擎的输入的热能的量可得到最大化以获得采用热循环引擎的会聚式太阳能接收器的最佳效率。在期望利用热循环引擎的应用中，一种合适的选择是Stirling引擎，如本领域所周知的那样，其是在工作流体中交替存储能量的闭合循环再生热引擎。在循环的另一部分，随着输入到热循环引擎的热转换成机械运动，例如旋转或往复运动，且用于驱动发电机来产生电力，能量从工作流体释放。Stirling引擎可以利用可广泛获得的构造信息来容易地建造，因此这里不再进一步描述。

现在参照图1B，示出会聚式太阳能接收器120的替选实施例，以横截面图显示了主抛物线反射体122，主抛物线反射体122截取落在外边缘132以内的太阳辐射入射光线104且将它们反射向焦点124，焦点124位于穿过主抛物线反射体122的中心的主轴上。在图1B中，为了清楚而未示出穿过主抛物线反射体122的中心的主轴，但将理解它在哪里。主抛物线反射体122的特性与对于图1A的主抛物线反射102所描述的相同。对于图1B所示的实施例也定义聚焦区域。然而，在图1B的聚焦区域126中，定位有次级抛物线反射体126，其具有与主抛物线反射体122基本相同或类似的特性（除了尺寸之外）。次级抛物线反射体126可以与主抛物线反射体122按相同方式构建。在本实施例中，次级抛物线反射体设置为将从主抛物线反射体122反射的所有入射光线从次级抛物线反射体126的凸起表面截取并反射回到主抛物线反射体122的中央部分。将理解，次级抛物线反射体126的凸起抛物线表面实现了入射在其上的光线沿与来自太阳的初始进来的入射光线104平行的方向的反射。因此，从次级抛物线反射体反射的光线基本平行且将照射主抛物线反射体的中央部分。这个位于中央的聚焦区域，现在定义在主抛物线反射体的中央，也可以称为接收表面128。接收表面128是转换模块134的一部分。次级抛物线反射体126从焦点124朝向主抛物线反射体122错开预定距离。再一次地，为了控制入射太阳辐照光束的横截面积以对应于转换模块中使用的太阳能传感器的总横截面积，接收区域被调节尺寸和定位从而太阳能传感器区域基本在主抛物线反射体的平面内。如下面将更充分地描述的那样，根据本公开，该实施例给出了对于最大化会聚式太阳能接收器的效率而言的若干优点。

继续参照图1B，其中所示的会聚式太阳能接收器120相对于图1A所示的实施例具有三个优点。第一，将聚焦区域128或者替代地接收表面128定位在主抛物线反射体122的中央部分允许转换模块134在用于主抛物线反射体122的散热品质的材料内传输入射辐照产生的过多的热。因此，例如，如果主反射体由铝构建，且具有在主反射体122的中央部分的平面中的太阳能传感器的转换模块安置得与主反射体122接触，那么可以从转换模块134传输热到形成主反射体122的金属壳层。

第二，通过将转换模块134定位在主反射体122的中央部分，整个会聚式太阳能接收器的重心可以更近地定位到主抛物线反射体122的支承结构。因此，会聚式太阳能接收器120与转换模块134组合的最大单个单元允许更小且更高效的结构用于关于太阳的方向移动和定位该组件等。

第三，将次级反射体定位在聚焦区域126处不仅促进了上述两个优点，而且还允许使用过滤器元件（图1B未示出）位于次级抛物线反射体126上或之前以用于过滤位于用于会聚式太阳能接收器120的转换模块134和太阳能传感器的转换带通之外的太阳辐射成分。例如，过滤材料可以层叠或贴附到次级抛物线反射体126从而仅允许在转换模块134和太阳能传感器的转换带通内的太阳能，于是限制不能转换的能量到达转换模块134的太阳能传感器部分的表面并由此降低转换模块134本身的散热要求。换言之，过滤器与次级抛物线反射体126的协同使用控制了会聚式太阳能接收器的导纳带通，从而它基本对应于与图1B的会聚式太阳能接收器120一起使用的太阳能转换模块134的转换带通。

进一步参照图1B，次级抛物线反射体126的反射属性能以多种方式改变从而提供上述过滤效果。例如，多个制造工艺是合适的。这些可包括在次级抛物线反射体126的表面上层叠或应用化学涂层或者覆盖或沉积适当材料的膜。使用毗邻次级反射体本身的表面定位的特殊材料还可以用来提供所需的过滤。可用于实现期望反射属性的其他工艺可包括反射体表面材料的化学镀敷或掺杂。在一替选实施例中，次级抛物线反射体可以是对太阳辐射的某些波长（其对于本转换器件的转换而言没有用）是透明的而对另一些波长（其对于太阳能到电能的转换而言有用）或其他有用形式是反射性的任意玻璃或塑料材料。作为例子，玻璃是多用途材料，其可以被涂敷以提供多种属性，包括特定波长的反射、吸收或过滤。实现这些属性的技术和工艺是周知的，这里将不再进一步描述。转换器件不需要的光谱太阳辐射成分形式的剩余能量可以在次级抛物线反射体126的表面区域被吸收、穿过或者散去，且通过合适的热沉辐射到环境或者传导到为此配置的热交换器。还将意识到，过滤器元件可以与主抛物线反射体一起使用，应用到主抛物线反射体或者和主抛物线反射体合并，从而辅助与次级抛物线反射体相关联的过滤或者是在次级抛物线反射体未被使用的实施例中。这样的主抛物线反射体可以如本段落中先前概述的那样构造。太阳能辐射光谱和本公开的会聚式太阳能接收器的各种结构的带通特征的细节将结合图4、5和6进一步描述。

现在参照图2A，以示意图形式示出会聚式太阳能接收器的实施例，以示范用于根据本公开的会聚式太阳能接收器的安装结构。图2A的会聚式太阳能接收器200包括主抛物线反射体202，其以截面图示出且具有圆形和边缘232，边缘232限定主抛物线反射体202的圆形外周。图2A还示出聚焦区域204（或接收表面204），其表示转换模块206的太阳能感测表面。主抛物线反射体202如先前结合图1A所描述的那样。聚焦区域204如先前在图1A中描述的那样，其中聚焦区域204相对于主抛物线反射体的焦点错开，如图1A中呈现的近聚焦区域108那样。在图2A中，聚焦区域204表示转换模块206的太阳能感测部分。转换模块206可以示范性地是太阳能电池阵列，如上面描述的那样，或者还可以是热循环引擎和发电单元的组合，亦如先前描述的那样。

继续参照图2A，主抛物线反射体202和包括接收表面204的转换模块206通过第一框架构件208保持成固定关系。第一框架构件208在主抛物线反射体202的中心附近连接到主抛物线反射体202，并沿主抛物线反射体202的主轴从主抛物线反射体202延伸以与转换模块206连接并支承转换模块206。接收表面204中的太阳能传感器于是定位成直接面对主抛物线反射体202的中心部分，使得它接收从主抛物线反射体202反射的全部太阳能辐射。第一框架构件208在枢转结210处连接到可旋转垂直柱214，这允许第一框架构件208在垂直平面内绕水平轴摇摆，从而主抛物线反射体202可以位于任何所需的俯仰角，同时绕枢转结210的轴枢转。第一框架构件208的摇摆运动由垂直控制致动器218提供，其包括可变长度支柱，可变长度支柱的长度可以在位于垂直控制致动器218的纵轴中的电机或线性致动器的动作下发生变化。旋转柱214被可旋转地固定到水平控制电机216，水平控制电机216又由锚定在地面、建筑或其他结构上的垂直取向的固定基座212支承。垂直控制致动器218用于调整本公开的会聚式太阳能接收器组件200的俯仰角。水平控制电机允许调整本公开的会聚式太阳能接收器组件200的方位角。于是，会聚式太阳能接收器200的主抛物线反射体202可以直接瞄准太阳且能够在白天当太阳越过天空时跟踪太阳。

图2A所示的会聚式太阳能接收器200的一个属性是系统的可移动部分的重心大致位于主抛物线反射体202与转换模块206之间在主抛物线反射体202的主轴附近，且大致在耦接到第一框架支承构件208的旋转垂直柱214的上端上方。图2A的实施例适于与太阳能电池型转换模块一起使用，太阳能感测部分位于如图1A的近聚焦区域108所示那样的近聚焦区域的区域中。然而，图2A的实施例还可以用于与热循环引擎类型的转换模块一起使用，将热循环引擎的太阳能感测部分定位在图1A的远聚焦区域110的区域中。在该位置，使用热循环引擎的转换模块206可以包围在外壳中，外壳具有定位得围绕焦点的开口（例如参见图7B），外壳用于将热能包含在热循环引擎的太阳能部分的近场区域内以最大化施加到热循环引擎的输入部分的热量。

继续参照图2A，虽然其中所示的实施例应用了本公开的原理之一，即利用错开的聚焦区域，但是该实施例在机械上稍显笨拙。由于第一框架构件208连接到主反射体202的凹入侧且由于重心202的位置远离会聚式太阳能接收器200的具有大部分质量的结构，所以实施起来昂贵且效率不高。例如，当太阳在正上方时为了使主反射体202瞄准太阳，大的切除区域或槽必须被切割到主反射体202中以允许它移动经过基座212、垂直支承214和控制电机216。此外，需要更多的结构部件来以图2A所示的正确关系支承主反射体202和转换模块206。主反射体202中的切除区域产生维持主反射体202的抛物线形状的额外机械支承复杂性，并减小了用于接收阳光的可用反射表面积。

现在参照图2B，示出根据本公开的原理的会聚式太阳能接收器240的替选和优选实施例。在本实施例中，以截面图示出且具有圆形边缘252的主抛物线反射体242包括沿主反射体的主焦轴设置在近聚焦区域处的次级抛物线反射体244，用于向主抛物线反射体242的中心部分的表面上的聚焦区域246（或接收表面246）反射辐射能。还位于主抛物线反射体242的中心部分的是转换模块222，其包括安装在主抛物线反射体242的中心部分的太阳能感测接收表面246。次级抛物线反射体244示为支承在支柱248上，支柱248可以连接到边缘252，或者如图2B所示，连接到主抛物线反射体242的凹入侧。将意识到，在图2B的实施例中，次级反射体244的焦轴位于沿着主反射体的焦轴，也就是说，它们的主轴重合。

采用图2B所示的会聚式太阳能接收器240的各种部件的质量分布，重心大致位于主抛物线反射体242的中心处且就在其后面。该重心位置大大简化了支承会聚式太阳能接收器240且实现其沿俯仰和横转方向的移动所需的支承结构。会聚式太阳能接收器240支承在旋转垂直柱226顶上。旋转垂直柱226由支承在垂直取向的固定基座234的上端的水平控制电机228控制。固定基座234可以安装在地面、建筑或其他结构上。还连接到旋转垂直柱226的是垂直控制电机230，垂直控制电机230是可变长度支柱，由沿该可变长度支柱的纵轴设置的线性致动器或电机控制，且垂直控制电机230设置来控制会聚式太阳能接收器240的俯仰角。会聚式太阳能接收器240的方位角取向由水平控制电机228控制。将意识到，在图2A和2B二者中，用于垂直（俯仰角）和水平（方位角）的各控制电机可以通过图中未示出但本领域技术人员已知且容易获得的适当电子器件来控制。

继续参照图2B，显然的是，将大多数重部件定位在一起能够以控制系统的响应性最大化且致动单元和电机的尺寸最小化的方式定位重心，因此提高性能且减小组装所需的成本。此外，使用次级抛物线反射体244更容易地允许如上所述地使用过滤元件从而会聚式太阳能接收器240的反射部分的导纳带通与其中所使用的转换模块222的转换带通良好匹配。当转换模块222采用先前描述的三结太阳能电池的太阳能电池阵列时，尤其能实现这个优点。次级反射体244的光反射过滤和吸收属性的匹配可以利用若干制造工艺中的任意工艺实现，包括但不限于：在次级抛物线反射体244的表面上化学涂敷、敷镀或沉积其他材料，或者在反射体构造中使用特殊材料，或者使用反射性材料的化学掺杂，或者在次级抛物线反射体244的反射表面上层叠过滤材料。被过滤元件拒绝或另外地被次级抛物线反射体244吸收的剩余热可以在次级抛物线反射体244的表面区域上散去。此外，次级反射体可以安装在热沉结构上以改善从其的散热。替选地，过滤元件或功能可以应用到主抛物线反射体242或者接收表面246，剩余热能通过与主抛物线反射体242中的相邻结构的接触而散去。在一般应用中，过滤可以应用到以下三种结构中的一个或更多：主反射体242、次级反射体244和接收表面246。在一替选实施例中，次级抛物线反射体可以由反射将要应用到太阳能接收表面的波长且透射不被接收和利用的那些波长的玻璃或其他类似透明材料制成。

现在参照图3，示出本公开的会聚式太阳能接收器的替选实施例。从图1A、1B、2A和2B的描述将了解，聚焦区域、太阳能传感器、太阳能电池或次级反射体已经位于主反射体的主轴上。这些实施例因为感测或反射元件沿主反射体的主轴定位而称为主聚焦反射体。如图3所示的替选实施例将焦点与主轴错开以将主反射体302相对于地球表面维持在更陡峭的角θ。该取向防止了残屑和其他沉淀物或颗粒的积累。这还允许水分和污染物从反射表面排出，同时主反射体302从较大仰角收集入射太阳能辐射。图3的主抛物线反射体302也以横截面示出且呈具有边缘312的形状。沿入射光线304的太阳能辐射被朝向焦点306反射，焦点306位于沿着也穿过主抛物线反射体302的中心的偏移焦轴。同之前一样，表示转换模块的太阳能传感器部分或次级反射体的可能位置的聚焦区域308可典型地取向为垂直于焦轴310，但是在一些应用中可以取向在除了垂直于焦轴310之外的角度。然而，在图3所示的实施例中，太阳能传感器示为位于近聚焦区域308附近且大致垂直于焦轴310。这样定位时，主抛物线反射体302将累积大气沉淀物，诸如雨、雪或其他污染物（诸如灰尘或其他颗粒），其全部可能损坏反射体或者容易减小本公开的会聚式太阳能接收器的操作效率。图3所示的会聚式太阳能接收器300的主要部件可以通过与前面结合图2A和2B描述的结构类似的结构来支承。

现在参照图4，示出表示沿轴402的电磁辐射的光谱成分的一系列图表。这些分类包括：短于380纳米的波长，紫外光谱；380nm和750nm之间，可见光谱；以及长于750nm的波长，红外辐射光谱。在另一轴404上，表示太阳能辐射的范围，从225nm延伸到3200nm，其重叠了上述电磁辐射的三个分类。在第三轴上，表示太阳能辐射从太阳朝向地球行进时太阳能辐射的终点。沿轴406从320nm到1100nm的范围，其跨越了可见光谱以及部分紫外和红外光谱，包括到达地球的太阳能量的大约4/5。短于320纳米的紫外波长在上层大气中被吸收，如轴408上所示。对于长于1100纳米的红外波长，轴410示出该能量随着它穿过地球大气层而减小或削弱。长度大于2300纳米的非常长的红外波长在大气中被吸收，如沿轴412所示的那样，且不到达地球表面。

继续参照图4，轴414表示为本公开的若干实施例中的应用构思的三结太阳能电池的转换带通或有用范围。三结GaInP₂/GaAs/Ge太阳能电池的该转换带通从紫外光谱附近的350nm穿过可见光谱延伸到在大约1600nm处的近红外光谱。从图4可见，该转换带通基本覆盖其中4/5的太阳能到达地球表面的整个范围。因此，所述使用三结太阳能电池的转换模块能捕获来自太阳的辐射的大约4/5以用于转换成电力或其他用途。图4还示出典型热循环引擎的大致有用范围，其沿线416示为从大约750nm穿过红外光谱范围延伸到至少2300nm。将意识到，到达地球表面的太阳能位于波长320nm和2300nm之间且大于优选实施例中采用的当前可获得的三结电池的转换波长范围。还可以意识到，虽然当前可获得的三结太阳能电池的转换带通这样宽，但是技术的进一步发展可能扩展该范围超越当前极限，从而短于约350nm和/长于约1600nm波长中的能量转换将允许在地球表面位置或地球大气之上的位置诸如空间站、卫星等中的有用转换应用。

位于三结电池范围之外，即具有小于350nm或大于1600nm波长的光谱能量表示不可用或剩余的能量。该剩余能量可导致三结电池的效率降低且因此表示必须被减少、转移或以其他方式散去的能量。如前所述，减少该剩余能量的一种途径是对其进行过滤。例如，过滤器元件可以与次级抛物线反射体结合使用。如前所述，过滤器元件可以是应用到反射体表面的涂层或者可以是反射体的一体化属性。过滤也可以应用在主抛物线反射体处或者设置为这里公开的会聚式太阳能接收器的单独元件。

现在参照图5，示出建议在本公开的优选实施例中使用的三结太阳能电池的独特半导体部分的相对量子效率（百分数）对照波长（纳米）的曲线图。三种半导体材料包括：镓、铟和磷的化合物，表示为GaInP₂；砷化镓，表示为GaAs；以及元素锗，Ge。虚线502所示的镓铟磷化合物的有用相对量子效率范围大约从350nm延伸到650nm。如实线504所示，砷化镓半导体材料的有用相对量子效率范围从约650nm延伸到约900nm。如点划线506所示，锗半导体材料的有用相对量子效率范围从约900nm延伸到约1600nm。因此可以看出，图5描述的三结太阳能电池的大致复合转换带通从约350nm延伸到1600nm，其与图4的图示一致。

现在参照图6，示出上述三结太阳能电池的总转换效率（百分数）对照太阳能辐射的集中水平（以太阳为单位）的曲线图，其中一个太阳等于0.1368瓦特每平方厘米（W/cm²）。该水平对应于地球表面处约1kW/m²的太阳能直射强度。从图6的实线602可以看出，三结太阳能电池的转换效率覆盖了广范围的太阳能集中水平，从一太阳到大于1000太阳的集中水平都超过了25%，峰值出现在约100和600太阳之间。

现在参照图7A，示出与图1A所示的类似的会聚式太阳能接收器702的横截面图。现在将描述用于设计本公开的典型会聚式太阳能接收器的一些计算。主抛物线反射体702以截面图示出，其将入射光线704反射到焦点706。这些反射光线可通过近聚焦区域708或远聚焦区域710。图7A还示出将在计算中使用的表示各种尺度的符号。符号D表示主抛物线反射体的口径或直径。符号d表示主抛物线反射体的深度。符号f表示从主抛物线反射体的中心沿主轴到焦点的距离。符号r表示圆形聚焦区域的半径。将意识到，由于本实施例以截面图示出，如前面描述的那样主抛物线反射体和聚焦区域二者都将是圆形的。符号x表示从焦点到沿主轴的任一方向上的聚焦区域的距离。变量r和x由方程式关联:

此外，抛物线反射体的“浅度（shallowness）”由比率f/D给出。实践中，该比率将需要在大约0.25和1.0之间以保持制造的容易性。此外，作为实际问题，制造、磨光和运输浅（即低f/D比率）的主聚焦抛物线反射体要容易得多。半径r由提供期望的电输出所需的转换模块的接收区域部分的表面积的量（即，太阳能电池阵列的直径）决定。

为了确定主抛物线反射体的大致直径，注意，到达地球表面的日射度（solar insolation），即单位面积进入阳光的功率，为约1千瓦每平方米（1kW/m²）或100毫瓦每平方厘米（100mW/cm²）。太阳能到电能的转换元件的效率也是所需的反射体直径的主要决定因素。在该例子中，效率如将要描述的那样从图6取得。主抛物线反射体的直径可以从下面的关系计算：

其中：

P是以千瓦为单位的所需电功率输出；I是日射度的大约值。约为1kW/m²；S是转换模块的投影面积；

D是主抛物线反射体的直径；E是转换模块的转换效率。

在下面的步骤中，将确定需要哪个聚焦区域用于用作转换模块的三结太阳能电池。聚焦区域及其半径r可以通过关注三结太阳能电池的技术规范来确定。例如，根据制造商的数据，用200至500太阳的强度范围可以获得最大效率的输出，在450太阳下以一定的安全裕度操作电池将产生太阳能电池阵列的面积的大约14W/cm²的输出。然后，为了产生例如1.36千瓦的电输出，将1360瓦特除以14W/cm²得到97平方厘米。因此，将需要97个电池，每个电池具有1cm²的面积，来占据大约97平方厘米的面积。因为电池是方形且必须安装到大致圆形的区域中，所以照射电池阵列所需的总聚焦面积将稍微更大，或者大约为100平方厘米（11.28cm的直径）。这源自如下事实：实践中，将多个方形的三结电池安装成形成圆形区域的阵列所导致的几何上的不协调性将需要具有稍大于97平方厘米的面积的圆。

前面已经从图6观察到，存在400至500太阳的日射时三结太阳能电池阵列的典型转换效率为稍高于30%。此外，转换模块的投影将为大约100cm²。将这些值代入方程（2），主抛物线反射体的直径将为D=2.4米。为了确定对于f/D为0.75的浅度比率将聚焦区域定位在哪里，将0.75的f/D比率乘以2.4米，发现焦点为沿主轴离主反射体的中心1.8米。在该位置，可以确定图7A中的角度θ为45°。然后，从方程式1可以确定值x，即聚焦区域离焦点的距离，为5.64厘米。因此，在该设计例子中，与具有2.4米的总体直径的主抛物线反射体一起使用的具有100平方厘米面积的电路阵列中的三结太阳能电池位于从焦点朝向主反射体大约5.64厘米处。在使用位于主抛物线反射体的中心处的转换模块的一替选实施例中，这也是具有约11.28厘米直径的次级抛物线反射体的正确位置。

现在参照图7B，示出作为图1A所示实施例的变型的根据本公开的会聚式太阳能接收器720的横截面图，其中所使用的转换模块采用在远聚焦区域位置处的太阳能传感器面板。主抛物线反射体示于702处用于接收沿入射光线704的太阳能辐射，入射光线704沿724所示的路径反射穿过焦点706且进一步沿虚线到达位于聚焦区域726位置处的太阳能传感器面板710，聚焦区域726根据上面的描述亦称为远聚焦区域。与太阳能传感器710耦接的是包封在外壳728内的热循环引擎。外壳包括扩展部722，其延伸超过太阳能传感器710的接收表面且包封太阳能传感器710和含焦点的与主反射体702的主轴成直角的平面之间的空间。外壳扩展部包括开口706，其恰好大到足以用于来自抛物线反射体702的反射光线通过该开口到达外壳内太阳能传感器710之前的空间中。将发现，进入外壳区域的辐射中包含的热能将趋向于包含在其中并且贡献给太阳能到外壳728内的热循环引擎的输入热交换器的入射。如上所述，热循环引擎包括从热循环引擎的输出到发电机的机械耦合。

其他特征可包括在本公开的会聚式太阳能接收器的具体实施中。例如，主反射体或结构的某些其他部分可以包括一个或更多避雷针或捕集装置以防止对接收器的雷击损坏。反射体和接收表面可包括保护涂层以防止反射表面或太阳能感测表面的氧化或劣化。可通过罩来保护反射体免于降雨沉淀物、颗粒、碎屑或其他污染物，或通过可被固定或移动的屏障来保护反射体免于冰雹或其他物体。可以利用辅助面板或偏转器来最小化风对接收器部件的干扰。在另一些例子中，可以在本公开的会聚式太阳能接收器中收集太阳能以用于其他用途的应用或转换成其他形式。一个有利的实施可收集热能用于加热水或其他液体、气体或等离子体。传输到这些材料的热可以容易地传输到其他位置或结构。随着太阳能感测和能量储存技术的发展，太阳能辐射光谱的选择性部分可以被收集和转换、处理或储存以用于各种应用。例如，波长短于380nm的那些紫外波长可被接收、收集和应用到工业或科研过程。或者，本公开的基本原理的变型可以适用于在地球大气层之上的位置接收太阳能辐射，该位置处太阳辐射的可见光谱之上和之下的波长未受到吸收或其强度以另外方式衰减的影响。

现在参照图8，示出包括太阳能接收器座舱802的太阳能接收器的替选实施例。太阳能接收器座舱802包括：主反射体804，如前面关于图1A所描述的那样。在主反射体804之上安装于三个支承构件806上的是次级反射体808。当然，可以使用其他类型和数量的支承构件。主反射体804和次级反射体808的操作是与前面描述的相同的方式。然而，主反射体804不是前面关于图1A描述的圆形，而是配置成具有抛物线表面的方形结构，其中主反射体804的每条侧边与其他侧边中的每个尺寸相等。这使得主反射体804能装配在包括四面方形盒的方形外壳810中。外壳810中所组装的主反射体804、次级反射体808构成太阳能接收器座舱802（为了简单而未示出跟踪机构）。

当与其他太阳能接收器座舱802组装时，太阳能接收器座舱802可以沿多种不同方向移动。太阳能接收器座舱802可以沿列向轴812旋转。此外，座舱802可以配置成沿垂直于列向轴812的行向轴814旋转。最终，整个座舱802可以在其边缘沿弧816旋转。这将为座舱802提供跟踪太阳的能力，使得太阳能接收器座舱802的操作更有效。

次级反射体808将所接收的太阳能聚焦在太阳能传感器和转换器件809上。虽然图8的太阳能接收器座舱802示出次级反射体808利用一系列支承构件806支承在主反射体804上方，但是在替选实施例中，如图9所示，次级反射体808可以在透明罩902中悬于主反射体804上方。在该实施例中，透明罩902包封座舱组件802且延伸到外壳810的每个边缘，以保护主反射体804免于碎屑和外部环境条件。由于透明罩902覆盖外壳810的整个开口，所以次级反射体808可以集成在透明罩902内，从而当透明罩902在适当位置时，次级反射体808悬在主反射体804上方的适当位置。这消除了对支承构件806的需要。透明罩902包括玻璃或高度透明材料。玻璃或透明材料可以涂敷有允许一范围的光谱穿过的材料，同时玻璃或透明材料用于保护太阳能传感器和转换模块809以及主反射体804的表面免于尘土或其他妨碍性污染物。这样的光谱过滤可以通过用诸如前面描述的光学过滤材料涂敷透明材料或玻璃来实现。

现在参照图10，示出集成的主反射体804和热沉1002。如前所述，热沉1002可以与主反射体804一起被包括以去除太阳能接收器收集的太阳辐射产生的热。不是利用经由某类型的导热粘合剂连接到主反射体804的单独热沉，而是主反射体804以及热沉部分1002可以配置成单个组件1004。组件1004可由单块金属或可被挤压的其他材料制成。组件184的一部分被延展（ream）或形成为产生抛物线碟，其在一侧形成主反射体804，该侧被抛光以产生高反射性表面或涂敷有反射光中的特定光谱而对其他能谱透明的高度反射性膜。这允许穿过的光被主反射体804吸收并散在周围空间中和散到可贴附到主反射体804的任何导热器件诸如热沉1002。热沉1002将热从转换器件809运走以限制对器件的损伤。该组合组件1004然后将置于外壳810内，如前面描述的那样。

现在参照图11，更完全地示出太阳能接收器模块1102。太阳能接收器模块1102包括太阳能接收器座舱1104的5×6阵列，没有个体的跟踪机构。太阳能接收器座舱1104中的每个配置得与前面关于图8-10描述的接收器座舱相同。太阳能接收器座舱1104排列在一起，使得整个座舱阵列组件1106可以利用升降机构1110沿边缘1108升高和降低。虽然图11示出升降机构1110包括用于沿阵列组件1106的底边缘1108升高和降低阵列组件1106的机械臂，但是应意识到，液压、电、机械等的其他类型的机构可以用于沿其底边缘1108或任意其他边缘升高和降低阵列组件1106。此外，应意识到，虽然关于图11示出太阳能接收器座舱1104的5×6阵列，但是根据本发明各方面，可以使用任意尺寸和/或构造的阵列。

如前面关于图8所述的那样，除了经由升降机构1110升高和降低之外，太阳能接收器座舱1104中的每个还可以绕其旋转列向轴1114旋转，且另外还可以沿其旋转行向轴1116旋转。在每种情况下，太阳能接收器座舱1104在垂直列中每个都链接在一起，使得列中的每个座舱1104将绕旋转列向轴旋转相同的量。类似地，每个太阳能接收器座舱1104在单独行中链接在一起，使得它们可以绕行向轴1116旋转相同的量。虽然本说明书描述了每个座舱与相同行和列中的其他座舱链接，但是在替选构造中，可以构造太阳能接收器座舱1104使得它们仅与相同列中的其他座舱或者替代地仅与仅相同行中的其他座舱链接。在又另一实施例中，可以构造每个太阳能接收器座舱1104使得每个座舱以错开布置被独立控制，而不是在相同行或列中的相似座舱一起被控制，由此更高行的相邻座舱不被它下面的相邻座舱遮住太阳。

模块组件1102可以经由升降机构1110降低以下落到保护机壳1118中。图11的图示中的保护机壳1118包括倾斜或气动形状的侧面。保护机壳1118的四个侧面中的每个在中央定义模块组件1106可下降到其中的形状。当下降到保护机壳1118中时，模块组件1106将位于保护机壳1118的顶边缘之下。当座舱缩回/下降到机壳中时，保护机壳1118的倾斜或气动形状的侧面有利于保护机壳1118之上和周围的空气动力学气流，同时保护下躺到其中的模块组件1106。各个座舱1104可以被锁住以防止大风条件下的移动。在另外的构造中，保护机壳1118的侧面的气动形状能以一方式构造，使得稍微的真空产生在保护机壳之上和座舱组件1106的表面之上的区域内。在该情况下，在风经过保护机壳1118时，位于座舱组件1106的各个座舱1104的表面上的灰尘、碎屑或其他颗粒物质将被该稍微的真空吸离太阳能接收器座舱1104。实现风涡流的生成的其他气动形状是可行的，风涡流导致风流动的改变，或者引导风例如用作冷却介质或用于次级能量转换，诸如从机械能转换成电能。

现在参照图12A-12D，示出模块组件1102内各种位置和构造的座舱组件1106。在图12A的情况中，座舱组件1106在升起位置，各个单独座舱1104绕它们的列向轴1114旋转，从而主反射体沿基本向图左边的方向聚焦。在该情况下，关于行没有取向改变，各个太阳能接收器座舱1104与其同一列中的其他太阳能接收器座舱1104链接。每个座舱被保护罩封围。

现在参照图12B，座舱组件1106仍在与关于图12A描述的那样相同的升起位置；然而，各个单独座舱1104绕其列向轴1114旋转，使得每个主反射体的聚焦是在基本向图右边的方向上。关于图12C，座舱组件1106现在是在最大展开位置和完全下降位置之间的较低位置。此外，每个单独座舱1104沿某一方向配置，使得它们绕列向轴1112旋转从而使主反射体的焦点基本垂直于座舱组件1106的平面指向。最后，在图12D中，座舱组件1106已经完全下降在保护机壳1118内。当下降在保护机壳1118内时，每个单独座舱1104被保护机壳1118的各侧面所保护，如前面描述的那样。

现在参照图13，示出太阳能接收器模块1302可以与其他模块互连且受控制的方式。每个太阳能接收器模块1302包括逆变器1304和收发器电路1306。太阳能接收器模块1302包括前面关于图11和12描述的结构。逆变器1304将太阳能接收器模块1302产生的DC能变成AC电能，其可以在相关联的电网1308中使用。与太阳能接收器模块1302相关联的每个逆变器1304与电网1308连接，使得全部功率可以分布到所需区域。太阳能接收器模块额外包括DC/DC转换器1305用于将太阳能接收器模块1302产生的DC能变成调节了的DC电压。通过包括与每个太阳能接收器模块1302一起的单独的逆变器和转换器，可以使这些模块如独立单元那样便携以用于个人用途，由此提供便携式AC和/或DC电源以给个人电子设备诸如个人计算机、个人数字装置（PDA）和其他流行的个人消费电子产品供电。每个单元可以配置有合适的通用电源插座，诸如用于标准三头连接器、用于AC或USB插座、用于5V DC装置等。此外，构成这样的便携式单元的部件可以制造为可折叠的，诸如在旅行或运输时占据较少空间，而当使用它时可以重组装。

调节的DC电压可以本地用于蓄电池1307或供电设备中的存储，或者用作太阳能接收器模块1302的电源稳定器（power smoother）和备用电源。DC/DC转换器1305还使得太阳能接收器模块1302能够以独立模式操作，其中模块由转换器1305或蓄电池1307供电。此外，收发器电路1306使得每个太阳能接收器模块1302能够与中央控制器1310无线通信，中央控制器1302也包括收发器电路1312。通过经由收发器电路1312的无线连接，中央控制器1310可以控制太阳能接收器模块1302的操作，并且控制太阳能接收器模块内的单独座舱的配置和控制电网1308将电力分配到与特定太阳能接收器模块相关联的建筑或地区的方式。此外，中央控制器1310能经由有线连接1314而不是借助于收发器电路1312的无线连接与太阳能接收器模块1302通信。

特定太阳能接收器模块1302中聚集在一起的多个座舱可以电地配置或连接成多种结构以产生期望的功率、电压和电流输出。聚集阵列还可以与其他物理上分开的聚集阵列或单个座舱电连接和集成从而产生太阳能生成电力的网络或网格，由此电网络的部件（座舱和模块）经由中央控制器1310无线地独立控制和/或同步以用于物理取向和电力生成以及到电网1308的连接。

在一个例子中，若干太阳能接收器模块1302可以安装在许多不同住宅单元的屋顶上。个体太阳能接收器模块1302可以电连接到电网1308以提供电力到与各个太阳能接收器模块1302相关联的个人住宅单元所关联的住宅社区。图13的配置将实现电力流动从太阳能接收器模块1302到电网1308的自动开关，由此可以使产生电力的模块1302可用于连接到电网的其他设备且替代地当太阳能接收器模块1302没有产生足够的电力时电网可以提供电力到住宅单元。

与各个太阳能接收器模块1302相关联的住宅单元可以电地分组，从而由组产生和/或消耗的电力可以隔离或者作为组连接到电网1308，而从中央控制器1310无线控制每个模块1302，因此每组住宅单元可以聚集且电地集成到电网1308。住宅单元的组也可以电地聚集为电力发生器或消费者的更高集合，对集合的级数没有可预见的限制。因此，数百、数千和更多住宅单元的整个社区可以关于来往于电网1308的通道得到控制。

通过包括与每个太阳能接收器模块1302一起的单独的逆变器和转换器，可以使这些模块如独立单元那样成为便携的以用于个人用途，由此提供便携式AC和/或DC电源以给个人电子设备诸如个人计算机、个人数字装置（PDA）和其他流行的个人消费电子产品供电。每个单元可以配置有合适的通用电源插座，诸如用于标准三头连接器、用于AC或USB插座、用于5V DC装置等。此外，构成这样的便携式单元的部件可以制造为可折叠的，诸如在旅行或运输是占据较少空间，而当使用它时可以重组装。

现在参照图14，示出如图8至10所示那样的太阳能接收器座舱的又一实施例。太阳能接收器座舱利用太阳能接收器1402，太阳能接收器1402使用放大朝向相关联的CPV电池或多个电池引导的太阳能的机构。在一例子中，该机构可以包括美国专利No.6,818,818所公开的机构，该专利通过引用合并于此，或者可以包括视网膜透镜（retinallens）或将太阳能更有效地聚焦到光伏电池上的其他放大装置，诸如使用Fresnel透镜。太阳能接收器1402通过逆变器和/或蓄电池充电控制器1408连接到能量存储装置1406。太阳能接收器1402中产生的能量提供到逆变器1408，逆变器1408将能量转换成能够存储在能量存储装置1406中的形式。在一个例子中，能量存储装置1406可包括可再充电蓄电池。能量存储装置1406可用于提供能量到跟踪控制器1410和驱动机构1412。跟踪控制器1410和驱动器机构1412使得太阳能接收器1402能够在一个或更多轴上跟踪太阳以将CPV电池定位得面向太阳并能产生电和/或热能，其然后可被提供到外部连接的设备。能量存储装置1406可以与CPV接收器1402一起封围在单个机壳内或者坐落在机壳外连接到外部连接的设备。

逆变器1408或蓄电池充电控制器或其他类似类型的能量控制装置也可以与接收器1402一起包括在机壳内或者借助于连接电缆或热交换器（在热存储的情况下）连接在机壳外。因此，单个太阳能接收器1402可包含跟踪太阳所需的全部辅助器件，以优化CPV电池1404上的太阳能接收和放大，从而实现太阳能到电力和其他衍生能量的转换以用于给太阳能接收器1402外部的设备提供能量。连接这些外部设备的装置还可以诸如经由电插座提供给或者包括到容纳太阳能接收器的组件中。每个接收器1402还可以配置有双路通信接口1414以使接收器1402能被遥控和/或通过通信接口1414与外部设备通信。

图14的组件可以按独立构造实施，且可以包括“即插即用”结构，其中使接收器组件能产生电力或其他形式的能量诸如热的全部所需部件可以包括在单个组件中。这样的太阳能接收器1402还可以形成为总电网的一部分，其中所需的电连接和机械插座单独提供以用于插座与接收器组件的容易匹配。接收器1402将封围在密封容器中，全部所需连接电缆或者被嵌埋或者突出到接收器1402外以用于连接到外部设备。如果使用玻璃材料或其他透光材料，则材料本身将用作作为次级透镜的这些部件的机械支承或支架，如这里描述的那样。

如上所述，太阳能接收器1402可以构造成在一个或更多轴上操作以相关于太阳来定位CPV电池1404。现在参照图15，示出太阳能接收器1402的侧视图，太阳能接收器1402可以绕三个不同的轴旋转，即X、Y和Z轴。接收器结构1402连接到驱动机构1504，驱动机构1504包含提供太阳能接收器1402绕X、Y和Z轴的移动的许多不同部件。基座结构1506包括使整个太阳能接收器1402能够绕Z轴旋转的驱动齿轮1508。齿轮1510使太阳能接收器1402能绕Y轴转动。最后，驱动器和蜗轮1512使太阳能接收器1402能绕X轴转动。因此，使用各种驱动器和齿轮组件，太阳能接收器1402能绕三组不同的轴转动。这种程度的移动将允许接收器1402跟踪太阳的移动。

现在参照图16，示出利用抛物线碟1602用于太阳能放大的太阳能接收器1402的两轴实现。驱动机构1604确定抛物线太阳能接收器的取向，抛物线太阳能接收器可包括各种形状和曲率，如美国专利No.6,818,818中描述的那样。驱动机构1604使得太阳能接收器1402能面对太阳以优化和放大CPV电池1606接收的太阳能。驱动机构1604包括任意数量的机械装置以用于旋转图16所示的抛物线碟1602。在一实施例中，该机构包括辊以用于施加摩擦力到抛物线碟的凸起表面（即背面）来将抛物线碟移动到接收太阳能的位置。此外，轨道机构可以包括在抛物线碟1602的凸起面上，提供与某类型的驱动电机耦接的引导和行经路径。另一实现包括碟的枢转点，使碟1602能倾斜以面向一个方向，额外的枢转点可以用于使碟1602沿其他方向倾斜。

现在参照图17，可以使用太阳能放大的替选形式，而不是图16所示的抛物线碟。Fresnel透镜1702可以安装在外壳1704内。外壳1704经由与外壳1704连接的相关联的驱动齿轮和辊来枢转和/或旋转。Fresnel透镜外壳1704的驱动利用上面关于图15和16所示的实施中任一个的驱动方式描述的一个或更多部件。此外，Fresnel透镜1702可以与各种其他接收器部件一起被包括，诸如逆变器/控制器和双路通信能力，以优化相关联的CPV电池上的太阳能放大和接收，并将太阳能转换成电力或衍生能量形式以用于对外部设备进行供电或加热。

自跟踪太阳能接收器的实现中的主要挑战在于用于跟踪的过程和相对于太阳维持跟踪过程的精度。对太阳位置的跟踪可以用许多不同方式实现。这些包括使用固定算法，固定算法依赖于历法纪年期间太阳的已知位置，并且基于地球相对于太阳的自然旋转或者通过利用两个或更多光传感器来测量入射在特定接收器上的太阳的相对强度而改变。

现在参照图18a-c，示出在太阳能接收器中使用固定算法实现。在固定算法实现中，太阳能接收器1802可以使其位置关于升起的太阳的已知位置被手动设置，诸如图18a所示的那样，并且太阳能接收器1802的取向通过相关联的电机被自动调节，电机沿一个或更多轴旋转接收器1802以对应于日间太阳1806的已知路径。每个早晨，接收器1802返回到固定初始取向以再一次开始其跟踪循环。该初始位置当然可以根据年中的时间而改变。

在图18a中，太阳能接收器1802示为其轴1804置于使它能跟踪早晨日出之后不久的太阳1806的位置。在该情况下，响应于太阳1806的升起，轴1804低地指向东方地平线。控制算法将包括基于存储在太阳能接收器1802的存储器内的历史数据的太阳将要升起的地平线上的已知位置。随着白天时间的前进，如图18b所示，太阳能接收器1802在更右上的位置，轴1804几乎垂直指向地面。这是因为如下事实：随着白天时间的过去，太阳1806已经上升到正午的高位置。最后，如图18c所示，当太阳1806开始下沉到西方地平线以下时，太阳能接收器1802将其轴1804低地指向在西方地平线上以跟踪太阳1806。

现在参照图19，示出描述控制算法控制接收器1802在白天期间的操作的过程的流程图。一开始，在步骤1902确定白天的时间。接下来，在步骤1904确定太阳能接收器的位置。查询步骤1906确定当前时间和太阳能接收器1802的位置相对于彼此是否正确。这可以利用将白天时间指示到太阳能接收器1802的中心轴1804的特定方向的表来实现。如果白天时间和接收器的位置如它们应该的那样对应，那么控制返回到步骤1902以继续监视白天时间和接收器位置。如果查询步骤1906判定白天时间和接收器位置没有适当地指示到彼此，那么太阳能接收器1802的驱动组件用于在步骤1908将接收器移动到与算法相关联地存储的定位数据指示的新位置。然后控制将进展到步骤1902以继续位置和时间监视过程。

现在参照图20，示出实现自跟踪太阳能接收器的一替选方法，其中太阳能接收器2002包括固定到其表面的多个光传感器2004以使得太阳能接收器2002能将接收器与太阳对准。典型方法利用超过一个传感器2004且提供一种控制机构，其中检测到更强光能的传感器2004被确定为更直接指向太阳的传感器。传感器2004经受更少阳光表明传感器2004不直接指向太阳。控制过程通过不同传感器2004的相对阳光检测来确定接收器2002的取向。控制电机被开动以使接收器2002旋转到将接收器2002朝向所检测的阳光取向的位置。

现在参照图21，示出与太阳能接收器2002相关联的一个这样的控制机构的实现。每个传感器2004向中央控制器2102提供传感器信息。在一个实施例中，传感器2004彼此相等地间隔开，但是还可以应用其他结构。虽然本说明书公开了关于太阳能接收器2002使用四个传感器2004，但是为了优化太阳能接收器2002的定位能力，可以使用任意数量的传感器或传感器阵列。中央控制器2102利用所接收的传感器信息和本地存储器2104提供的控制信息确定太阳能接收器2002相对于太阳的当前位置。一旦控制器2102确定了太阳能接收器2002的位置，控制器2102作出将太阳能接收器2002的中心轴更好地朝向太阳取向的新位置。控制器2102将致动信号发送到用于驱动定位机构2108的各种驱动电机2106以将太阳能接收器2002取向到控制器2102所确定的新位置。控制器2102以减小太阳能接收器2002的旋转行程的方式与光传感器2004提供的信息相互作用，使得仅步进位置变化被提供到驱动电机2106和定位机构2108，于是导致接收器2002的更精确的定位。

从各种光传感器2004提供的信息之间经常有不匹配，使得即使在光传感器接收相同量的入射光时它们也提供不同的光强度信息。这将是影响跟踪机构的精确度的原因。为了改善跟踪精度，一算法可用在控制器2102内，其检测当驱动电机2106和定位机构2108移动太阳能接收器2002时不同光传感器2004的相对光强度的改变。控制器2102通过监视光传感器的输出和确定对于每个传感器什么时候检测到最大光检测位置来确定相对于太阳的精确定位。将比较光传感器的输出以补偿电机移动期间太阳的光强度改变。因此，对于每个传感器2004读取的最大光强度用于确定太阳的最可能方向，而不是传感器2004所检测的绝对值。通过这样的多传感器裁决实现，控制器2102可以自初始化其初始位置取向朝向太阳，这对于包括超过一个自跟踪太阳能接收器2002的阵列而言是有很大用处。这将消除物理链接太阳能接收器2002的要求，即使阵列中的太阳能座舱通过非柔性的框架物理链接时。太阳能接收器2002将不需要在框架上预设，也不需要在运输和安装之前对准，于是减少了现场安装所需的时间的劳动。因此，自跟踪能力使得太阳能接收器2002的阵列能自对准。

然而，自对准要求跟踪传感器精确操作，这不可以是一个传感器因为各种原因（诸如变脏或操作能力退化）而丧失灵敏度的情况。为了避免太阳能接收器初始化为面对太阳时的蠕升失准，初始的日常开始位置可以由控制器2102与已知参考坐标相比较，已知参考坐标诸如为历法纪年期间太阳能接收器2002的历史初始定位。此类信息存储在存储器2104内。替代和/或同时地，传感器2004感测的光相对于另一传感器的相对强度可以与主语传感器的历史相对强度来比较，该数据也存储在存储器2104内。这样的相对强度信息对照于超过一个参考传感器来测量，由此提供一种裁判失灵传感器的真实位置且产生响应于其的正确信息的手段。

现在参照图22，示出说明控制器2102控制太阳能接收器2002的操作的一种方式的流程图。在步骤2202，从传感器2004取得传感器读数。由控制器2102判断从上次取得读数之后传感器读数是否已经发生改变。如果没有，那么在步骤2202和2204继续监视传感器。如果查询步骤2204判断传感器读数发生改变，那么接收器2002在步骤2206沿第一方向移动。在接收器2002移动之后，查询步骤2208判断光传感器读数增大还是减小。如果光传感器值增大，那么控制回到步骤2206且接收器2002再次沿第一方向移动。如果查询步骤2208判定所检测的光强度下降，那么接收器2002在步骤2210沿相反方向移动。在步骤2212取得新的传感器读数，查询步骤2214判断是否已经检测到最大光强值。如果已经检测到，那么过程在步骤2216处完成。如果查询步骤2214判定最大传感器值未被检测到，那么接收器2002在步骤2206沿第二方向再一次移动。过程继续，直到检测到最大光强传感器值且过程在步骤2216处完成。

现在参照图23，示出本公开的控制系统内可以解决说明传感器灵敏度丧失或其他类型的环境条件导致的失准的方式的流程图。一开始，在步骤2302，从传感器2004读取实际传感器数据。在步骤2304，该数据与先前从该传感器监视并存储在相关联的存储器2104内的历史数据相比较。查询步骤2306判断实际监视数据与历史数据之间是否有巨大差异。如果存在变化，那么在步骤2308调整传感器的位置或校准以校正任何巨大差异。如果查询步骤2306检测到在实际数据与历史数据之间没有显著差异，那么在步骤2310处不需要调节。

现在参照图24，示出太阳能接收器2402的阵列，其能够经由无线通信连接2404彼此通信。这允许每个太阳能接收器2402接收关于太阳位置的信息，相应地控制其跟踪并且集体提供信息到蓄电池存储或使用位置2406。在太阳能接收器2402的阵列的情况下，通过使每个接收器2402配置有通信接口2404（其可以是如图24所示的无线装置，或者替代地，可以包括其他有线通信能力），每个接收器2402可以与阵列内的其他接收器以及与其他阵列中的接收器或者与集群中的其他阵列通信，以接收和提供与接收器2402相对于太阳的位置相关的信息。通过在集群中共享此类信息，可以通过使每个太阳能接收器2402在传感器失灵或其他情况下能够基于来自其他传感器的信息校正其位置，来提高相对于太阳的位置精度。因此，如果任何特定接收器2402上的传感器失效，太阳能接收器2402利用从相邻或相结合的接收器2402接收的信息来跟踪太阳的位置。每个太阳能接收器2402可以额外地包括参考位置装置诸如GPS接收器2408。GPS接收器2408用于相关于太阳对准太阳能接收器2402。接收器之间的通信能力的另一优点在于阵列群中的阵列的取向的同步以最大化太阳能的位置相关的接收，因为更远离日出的接收器直到太阳在天空中达到足够的高度才能检测到太阳。物理上远离太阳的太阳能接收器2402对太阳的这种早期检测将增大每个接收器或接收器的组和阵列的能量生成的工作循环（duty cycle），如果他们在太阳在地平线或地势之上变得可见之前聚焦在位于某点处的太阳上的话。

通信接口2404额外地使接收器2402能彼此远离地放置且仍保持电连接，从而实现接收器2402独立产生的能量在中央能量存储/使用位置2406处的集合。自跟踪太阳的能力将使得太阳能接收器2402能以独立配置使用以提供能量到一个或更多设备，诸如提供DC能到DC操作设备，其中DC到DC转换器可以直接包括到接收器中或者设置为单独连接的设备。相同的方式可以应用到功率逆变器，其将用于将DC功率转换为AC功率。独立太阳能接收器2402的另一用途在于电动交通工具诸如电动自行车（e-bike）的独立供电，其可以要求若干接收器电组合在一起以提供所需的能量和所要求的电流。

利用上述太阳能接收器模块，太阳能接收器的阵列可以组合在一起以产生电网所使用的电能。组合结构可允许太阳能接收器以最佳接收角度跟着太阳，且如果环境风或其他条件可能对太阳能接收器的操作造成损伤时，将个体接收器置于保护机壳内。

受益于本公开的本领域技术人员将意识到，抛物线太阳能接收器的该阵列模块提供了生成电力且同时保护该阵列免于环境条件的有效方式。应理解，图和这里的详细描述应以示范而非限制性的方式来看待，且无意限制到所公开的特定形式和例子。相反，在不偏离所附权利要求限定的本发明的思想和范围的情况下，可包括对于本领域技术人员而言显然的任何进一步的修改、变化、重布置、替换、代替、设计选择和实施例。因此，所附权利要求书旨在理解为涵盖所有这样的进一步修改、变化、重布置、替换、代替、设计选择和实施例。

Claims (31)

1.一种太阳能接收器阵列，包括：

多个太阳能接收器，布置成X×Y阵列；

保护外壳，包括限定在其中的开口的多个侧面；

其中，该保护外壳的多个侧面中的每个引导该X×Y阵列中的多个太阳能接收器上方的气流，且

其中，布置成X×Y阵列的该多个太阳能接收器可下降到该保护外壳内的开口中以保护布置成X×Y的该多个太阳能接收器免于外面的风。

2.如权利要求1所述的太阳能接收器阵列，其中该X×Y阵列的第一边缘可以从该保护外壳内的第一位置上升到该保护外壳外的第二位置，此外，其中在该X×Y阵列的第一边缘从该第一位置向该第二位置移动时，该X×Y阵列在该X×Y阵列的第二边缘上枢转。

3.如权利要求1所述的太阳能接收器阵列，其中该X×Y阵列的多个太阳能接收器中的每个绕第一列向轴旋转。

4.如权利要求3所述的太阳能接收器阵列，其中该X×Y阵列的多个太阳能接收器中的每个绕与该第一列向轴垂直的第二轴旋转。

5.如权利要求1所述的太阳能接收器阵列，其中该多个侧面中的每个配置成响应于该保护外壳上方的气流，在该开口上方产生真空以从该X×Y阵列去除颗粒。

6.如权利要求1所述的太阳能接收器阵列，其中该多个太阳能接收器中的每个还包括：

主反射体；

次级反射体，悬置于该主反射体之上；

外壳，用于容纳该主反射体；以及

太阳能电池，安装在该主反射体的面上以用于接收从该次级反射体反射的能量。

7.如权利要求6所述的太阳能接收器阵列，其中该主反射体还包括热沉，该主反射体和该热沉集成为单个单元。

8.如权利要求6所述的太阳能接收器阵列，还包括将该主反射体包封在该外壳内的透明罩，其中该透明罩具有安装在其中的该次级反射体以将该次级反射体悬置于该主反射体之上。

9.如权利要求6所述的太阳能接收器阵列，还包括至少一个支承臂以用于将该次级反射体悬置于该主反射体之上。

10.如权利要求1所述的太阳能接收器阵列，还包括用于将该多个太阳能接收器所产生的DC电力转换成AC电力的逆变器。

11.如权利要求1所述的太阳能接收器阵列，还包括：

用于无线连接到中央控制器的收发器，

其中该多个太阳能接收器的取向可以通过该中央控制器来配置。

12.如权利要求1所述的太阳能接收器阵列，还包括用于将该太阳能接收器阵列所产生的电能经由电网引导到选定位置的中央控制器。

13.如权利要求1所述的太阳能接收器阵列，其中该太阳能接收器中的每个包括检测太阳的位置且将该太阳能接收器的指向轴对准太阳的自跟踪太阳能接收器。

14.如权利要求13所述的太阳能接收器阵列，还包括用于控制该太阳能接收器的指向轴的位置的跟踪算法。

15.如权利要求13所述的太阳能接收器阵列，还包括：

多个光传感器，用于感测太阳的位置并产生响应于其的控制信号；

控制器，用于响应于该控制信号控制该太阳能接收器的指向轴的位置。

16.如权利要求15所述的太阳能接收器阵列，还包括：

存储器，用于存储与该太阳能接收器的指向轴的位置和太阳位置相关的历史数据；

其中所述控制器还使用该历史数据来控制该太阳能接收器的指向轴的位置。

17.如权利要求16所述的太阳能接收器阵列，其中该控制器使用该历史数据来调整该多个光传感器的传感器读数以校正传感器读数测量时的错误。

18.一种太阳能接收器阵列，包括：

布置成X×Y阵列的多个太阳能接收器，该太阳能接收器中的每个包括检测太阳的位置且将该太阳能接收器的指向轴对准太阳的自跟踪太阳能接收器，其中该多个太阳能接收器中的每个还包括：

主反射体；

次级反射体，悬置于该主反射体之上；

外壳，用于容纳该主反射体；以及

太阳能电池，安装在该主反射体的面上以用于接收从该次级反射体反射的能量；以及

保护外壳，包括限定在其中的开口的多个侧面，

其中该X×Y阵列的第一边缘可以从该保护外壳内的第一位置上升到该保护外壳外的第二位置，此外，其中在该X×Y阵列的第一边缘从该第一位置向该第二位置移动时，该X×Y阵列在该X×Y阵列的第二边缘上枢转；

其中该X×Y阵列的多个太阳能接收器中的每个绕第一列向轴旋转；

其中，布置成X×Y阵列的该多个太阳能接收器可下降到该保护外壳内的开口中以保护布置成X×Y的该多个太阳能接收器免于外面的风；且

其中，该保护外壳的多个侧面中的每个引导该X×Y阵列中的多个太阳能接收器上方的气流。

19.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，其中该X×Y阵列中的多个太阳能接收器中的每个绕与该第一列向轴垂直的第二轴旋转。

20.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，还包括用于将该太阳能接收器阵列所产生的电能经由电网引导到选定位置的中央控制器。

21.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，其中该多个侧面中的每个配置成响应于该保护外壳上方的气流，在该开口上方产生真空以从该X×Y阵列去除颗粒。

22.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，其中该主反射体还包括热沉，该主反射体和该热沉集成成单个单元。

23.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，还包括将该主反射体包封在该外壳内的透明罩，其中该透明罩具有安装在其中的该次级反射体以将该次级反射体悬置于该主反射体之上。

24.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，还包括至少一个支承臂以用于将该次级反射体悬置于该主反射体之上。

25.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，还包括用于将该多个太阳能接收器所产生的DC电力转换成AC电力的逆变器。

26.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，还包括：

用于无线连接到中央控制器的收发器，以及

其中该多个太阳能接收器的取向可以通过该中央控制器来配置。

27.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，还包括用于控制该太阳能接收器的指向轴的位置的跟踪算法。

28.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，还包括：

多个光传感器，用于感测太阳的位置并产生响应于其的控制信号；

控制器，用于响应于该控制信号控制该太阳能接收器的指向轴的位置。

29.如权利要求28所述的太阳能接收器阵列，还包括：

存储器，用于存储与该太阳能接收器的指向轴的位置和太阳位置相关的历史数据；

其中所述控制器还使用该历史数据来控制该太阳能接收器的指向轴的位置。

30.如权利要求29所述的太阳能接收器阵列，其中该控制器使用该历史数据来调整该多个光传感器的传感器读数以校正传感器读数测量时的错误。

31.如权利要求18所述的太阳能接收器阵列，还包括：

与该多个太阳能接收器中的每个相关联的DC/DC转换器；以及与该多个太阳能接收器中的每个相关联的蓄电池。