CN103299204B - 光跟踪设备 - Google Patents

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Abstract

一种光跟踪设备，包括第一支撑构件和第二支撑构件以及至少一个光接收元件，该至少一个光接收元件通过一个或更多个弹性、柔性梁支撑在每个支撑构件上，所述一个或更多个弹性、柔性梁根据所述第一支撑构件和第二支撑构件的相对平动位移弹性地变形。所述第一支撑构件和第二支撑构件被布置成使所述构件的平动位移产生所述元件的旋转位移。一个或更多个弹性、柔性梁可包括从所述第一支撑构件延伸到所述第二支撑构件的螺旋臂。

Description

光跟踪设备
技术领域
本发明涉及一种用于驱动一个或更多个光接收元件以跟踪光源的光跟踪设备。特别地，本发明应用于太阳能聚光器领域中，其中该跟踪设备可用于驱动一个或更多个太阳光能量转换器以跟踪太阳的路径。
背景技术
太阳能是一种非常充足的能源。光电用于将阳光转换为电能。太阳光电系统在使用中不会产生CO2排放物，因此将来会成为潜在引起关注的能源。
不过，光电的产生比较昂贵，因此作为投资，光电装置会花费超过10年来回收其投资成本，因此这种系统在历史上还不是具备吸引力的能源。
为了解决这个问题，已经考虑使用太阳能聚光系统。太阳能聚光系统聚集直射阳光并将其聚焦或聚集到更小的区域。昂贵的光电(PV)材料仅被放置在光所聚集的位置，因此使用在给定尺寸的系统中的光电材料的量大大减少。在高聚光率下工作良好的各种光电池适合于这种应用。这些包括由例如美国的Spectrolab公司制造的有效的“多结”电池，其在几百倍聚光率或几百个“太阳”下工作。
为了聚集阳光，光学系统需要在太阳横过天空移动时跟踪太阳。用于太阳能跟踪的现有机械系统典型地为两种都能提供两个旋转轴的基本机构的变化。两者都基于万向节类型的装置。
第一种由能够围绕其自身轴旋转的柱(典型地为垂直的)和安装到该柱上的围绕水平轴线倾斜的设备组成。该设备的倾斜和旋转的组合使其跟踪太阳的季节性和每日移动。这种类型系统的示意图如图1所示，这种类型的设备的示例可在专利US 5730117中找到。
第二种类型的设备由在初始位置的都均为水平的两个轴组成。该部件如图2所示被安装。这种系统的示例描述在专利US 4968355中。在US 4968355中，角向运动的一般原理以阵列形式构造以利用较低成本实现更大规模的安装。
不过，机械跟踪系统典型地增加最终设备的显著费用。同样地，这也关系到组合机械系统在灰尘环境中的维护和长期可靠性。而且，由于太阳在大角度范围移动，这种系统的运动典型地意味着占据较大的体积。小轮廓的系统，也就是说在使用和运输时在一个尺寸上较薄的系统，具有优势。例如，小轮廓的系统作为完整单元具有更低的运输成本。它们适于屋顶安装，因为当它们被安装时，不会增加迎风横截面，因此不会增加施加在建筑物结构上的可能风载荷，并具有良好的美学质量。
发明内容
本发明提供一种意在解决这些问题的用于制造太阳能聚光器的新方法。
为了解决与现有技术相关的这些问题，本发明提供一种光跟踪设备，其包括：
第一支撑构件和第二支撑构件；以及
至少一个光接收元件，该至少一个光接收元件通过一个或更多个弹性、柔性梁支撑在每个支撑构件上，所述一个或更多个弹性、柔性梁根据所述第一支撑构件和第二支撑构件的相对平动位移弹性地变形，
其中所述第一支撑构件和第二支撑构件以及所述弹性、柔性梁被布置成使得所述支撑构件的相对平动位移使所述弹性、柔性梁弹性地变形并产生所述元件的旋转位移。
所述光跟踪设备可包括多个光接收元件。
所述一个或更多个弹性、柔性梁可包括从所述元件延伸到所述第一支撑构件和第二支撑构件的螺旋臂。
一个或每个支撑构件可被提供有致动器，以产生所述相对平动位移。
所述至少一个光接收元件可为聚集光的太阳能聚光元件。
所述光跟踪设备可进一步包括：位于光所聚集的位置用于每个光接收元件的至少一个光电池。
所述光电池为多结光电池。
所述一个或更多个弹性、柔性梁可由导电材料制成，并且，所述弹性、柔性梁可用于引导电流远离所述光电池。
所述光接收元件可为标准透镜装置、菲涅尔透镜、抛物面反射器或复合抛物面聚光器(CPC)中的一种。
所述支撑构件之间的距离可由至少一个无源结构元件控制。
所述至少一个无源结构元件可包括连接所述第一支撑构件和第二支撑构件的金属丝。
所述弹性、柔性梁、所述至少一个光接收元件和/或所述第一支撑构件和第二支撑构件可被布置成用作散热器进行散热。
本发明进一步提供一种制造如前述权利要求任一项所述的第一支撑构件和第二支撑构件的方法，所述方法包括步骤：
从单独的板材件上切割所述弹性、柔性梁和/或所述第一支撑构件和第二支撑构件。
所述单独的板材件可包括弹簧钢。
所述方法可进一步包括使用引线框制造技术。
本发明提供一种通过使用可缩放的制造技术创建太阳能跟踪系统的方便且低费用的方案。这种想法基于两个相对彼此平动但不旋转的平行面。至少一个元件被连接成横跨这两个平面之间的间隙，使用柔性梁根据平面的相对平动产生旋转运动。连接到梁的光接收元件当两个平面相对彼此放置时能跟踪运动。因此产生旋转运动的方案与基于滑动接触、方位/滚动控制或组合装配的其他方案不同。
本发明提供一种设计成在不需要接缝或滑动接触的情况下变形或弯曲以产生较大旋转偏移的结构。
本发明提供一种具有减少的部件数量和组件复杂性并由此减少费用的结构。可靠性问题，例如对影响方位或滑动接触的灰尘颗粒的忧虑，被解决或减少。利用较低费用的制造技术，本发明的兼容性也是可以的，因为这种技术允许该设备以阵列形式被方便地制造。
在阵列形式中，阵列中的每个元件可包含光学组件，以将太阳光线聚集到例如PV晶体的元件上。每个元件内的光学装置通常为刚性结构，在对其施加力的情况下不会显著变形。相反，光学装置被保持在本发明的设备内。
在本发明的一个实施例中，可以使用弹性、柔性梁作为电导体，带走由光电池聚集的电能，由此节约提供分离的电连接的费用和复杂性。
在本发明的另一实施例中，另外的无源元件被添加到该结构中。该元件可包括连接两个支撑构件的金属丝，该金属丝在支撑构件相对彼此横向位移时限制支撑构件之间的间隙。例如，在承受拉力较为牢固的金属丝可连接和附接在上支撑构件和下支撑构件之间，使其在“默认”状态下垂直。当相对平动施加到其中一个支撑构件时，这些金属丝强制支撑构件相对彼此继续移动成弧线。这是所述设计的优点，因为当施加较大的平动时，支撑构件阻止弹性、柔性梁延伸超过它们的弹性极限。
光学组件的实施例能采取多种形式。这些包括标准透镜装置、菲涅尔透镜、抛物面反射器或复合抛物面聚光器(CPC)。
附图说明
现在将描述本发明的示例，其中：
图1和图2是显示光跟踪元件的现有技术示例的示意图；
图3是显示可与本发明使用的示例性集光器的示意图；
图4是根据本发明的跟踪设备的示意性侧视图；
图5是显示如何产生旋转位移的本发明的设备的示意性侧视图；
图6是保持单独集光元件的根据本发明的设备的侧视图，并且还显示当一个支撑构件相对另一个平动时，弹性、柔性梁如何变形以形成集光元件的旋转；
图7显示可在本发明的设备中使用的弹性、柔性梁的其它示例；
图8显示在根据本发明的设备中的聚光器的阵列；
图9是显示根据本发明的设备与集光元件可能的电连接的平面视图；以及
图10显示本发明的另一实施例，其中无源保持元件用于限制分离所述支撑构件的距离。
具体实施方式
参见图1和图2，如前所述，其中显示了用于支撑太阳光收集设备的现有技术的光跟踪装置的示例。在图1的装置中，可旋转柱1支撑倾斜板2，倾斜板2在使用时支撑集光元件，使得白天在太阳的移动期间能对其进行跟踪以使光的收集最优。在根据相同方案的可替换装置中，可旋转柱1用于支撑一块以上的倾斜板。
图2显示了可替换装置，其中提供相似的倾斜板，但其支撑在另一枢轴支撑部件3上。在根据相同方案的可替换装置中，(例如，US4968355，Johnson)，很多板被连接到单独的枢轴支撑件。
图3显示了已经在现有技术的设备中使用并能在本发明中采用的光学元件。这些光电元件5的每一个具有通过透镜(选项A或B)或反射器(选项C或D)朝其直射的光。
根据本发明，该光学组件通过至少两个位置被连接到机械系统。该两个位置被连接到两个可独立移动的平面，该两个可独立移动的平面通过形成弹性、柔性梁的截面而形成主要结构或在一些优选可替换方案中将压缩的弹性、柔性梁隔开。空间压缩的弹性、柔性梁被折叠或弯曲，使得其远大于在两个锚定位置之间的直接路径，由此其端点在超过最大应变之前由于其弹性行为能够不只是使简单的直线光束偏转。图7显示了空间压缩梁和传统的、非空间压缩梁的示例。
该梁是被设计成弹性地变形的结构的一部分。该设计的重要方面在于能够将平动运动转换为旋转以支撑光接收元件的上平面和下平面。
该设备的目标规范在于它应该能够从中心点沿一个方向至少+/-24度(以考虑天空中太阳位置的季节性变化)，而沿另一个方向大于+/-60度(以考虑太阳位置的大量日变化)的两个方向旋转。
图4以示意的形式显示本发明的设备。提供上支撑构件10和下支撑构件11，每个支撑构件具有附接到光接收元件13上的弹性支撑梁12。
当两个构件10、11相对彼此平动而不旋转时，平动促使通过梁12连接在两个构件10、11之间的元件13围绕位置A和B旋转。图4和图5对此进行了图解。
由于这些构件10、11之间的偏移，上平面相对下平面的线性平动促使光学元件13如图5中所示旋转。
梁12的结构使其允许位置A和B(图4)沿两个轴旋转。这些梁12的一种示例为图6所示的两个螺旋臂。在此示例中，螺旋臂由扁平部件形成，该扁平部件有助于其自身由板材简单制造。基于3D结构的其它装置为可替换的实施例。注塑成型可以是适于这种实施例的制造技术。
这种装置允许元件13围绕X和Y轴(图6所示)旋转，以通过上支撑构件10和下支撑构件11的平动受到控制。因此，太阳可在每天和每季始终被跟踪。
其他类型的梁也是可以的，这些可能性中的两种显示在图7中。
这种系统的主要优点之一在于很多光学组件能被布置成阵列形式，且全部通过相同的上构件和下构件受到控制。这允许由很多小的光学接收器组成的小轮廓、大面积的跟踪系统被构造成具有少得多的分离部分，如图8所示。
只要用于每个元件的梁的制造公差较小，则每个元件的旋转角度将相同，由此将都瞄准天空中相同的位置。
每个元件的控制于是通过使用单独的上构件和下构件被连结到两个或三个致动器。一个用于控制上薄板和下薄板之间的x轴偏移，另一个用于控制y轴偏移，可选的第三个致动器用于控制支撑构件沿z方向的分离。
PV5在下薄板上的放置在制造中能完全自动化。如图9中所示，电连接件(+，-)然后可被系到下构件11的两个臂12上。这意味着不需要任何到达元件或来自元件的金属丝；大大减低了费用。
使用例如图10中所示的那些无源结构部件也可改善本发明的性能。通过将另外的无源元件包含到系统中可以改善该设备的最大位移。例如，仅在承受拉力时较为牢固的丝线或细绳材料能连接在限制这些部件分离的刚性外部元件之间。
对于某些设计，包含这种部件增加光学接收元件旋转的角度。当相对平动施加到其中一个支撑构件时，这些金属丝强制支撑构件相对彼此继续移动成弧线。因此，这些金属丝限制支撑构件的分离(这改变弹性、柔性梁的端部位置)并增加所述元件的旋转位移。
也可以在系统中设计和制造一个或更多个部件，例如散热器，来散发产生在PV电池中的多余的热。

Claims (11)

1.一种光跟踪设备，包括：
第一支撑构件和第二支撑构件；以及
至少一个光接收元件，该至少一个光接收元件通过一个或更多个弹性、柔性梁支撑在每个支撑构件上，所述一个或更多个弹性、柔性梁根据所述第一支撑构件和第二支撑构件的相对平动位移弹性地变形，
其中所述第一支撑构件和第二支撑构件以及所述弹性、柔性梁被布置成使得所述支撑构件的相对平动位移使所述弹性、柔性梁弹性地变形并产生所述元件的旋转位移，并且
其中所述一个或更多个弹性、柔性梁包括从所述元件延伸到所述第一支撑构件和第二支撑构件的螺旋臂。
2.如权利要求1所述的光跟踪设备，包括多个光接收元件。
3.如权利要求1至2任一项所述的光跟踪设备，其中一个或每个支撑构件被提供有致动器，以产生所述相对平动位移。
4.如权利要求1所述的光跟踪设备，其中所述至少一个光接收元件为聚集光的太阳能聚光元件。
5.如权利要求4所述的光跟踪设备，进一步包括：
位于光所聚集的位置用于每个光接收元件的至少一个光电池。
6.如权利要求5所述的光跟踪设备，其中所述光电池为多结光电池。
7.如权利要求5或6所述的光跟踪设备，其中所述一个或更多个弹性、柔性梁由导电材料制成，并且，所述弹性、柔性梁用于引导电流远离从所述光电池。
8.如权利要求1所述的光跟踪设备，其中所述光接收元件为标准透镜装置、菲涅尔透镜、抛物面反射器或复合抛物面聚光器(CPC)中的一种。
9.如权利要求1所述的光跟踪设备，其中所述支撑构件之间的距离由至少一个无源结构元件控制。
10.如权利要求9所述的光跟踪设备，其中所述至少一个无源结构元件包括连接所述第一支撑构件和第二支撑构件的金属丝。
11.如权利要求1所述的光跟踪设备，其中所述至少一个光接收元件、所述弹性、柔性梁和/或所述第一支撑构件和第二支撑构件被布置成用作散热器进行散热。
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