CN103403472B - 太阳能聚集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能聚集器，其提供低成本选项以适于为住宅提供能量。固定和可移动反射器的组合将太阳光线反射并聚集成点聚焦，而以此方式聚焦的热量被导向固定的远程吸收器，在那里用来生成能量来提供给住宅。多个安全阻挡物和遮挡物防止聚集的光束发生意外误导向。设计反射器阵列的固定部分的形状和几何排布，使得在系统工作范围内对太阳的任何位置固定的远程吸收器接收的平均光量最大。

Description

太阳能聚集器

技术领域

本发明一般涉及太阳能聚集器。具体地，本发明涉及用于为住宅提供能量定制的低成本系统。太阳光线反射并聚集成点聚焦，使用在所述点处聚集的热量来产生能量以提供给家庭住宅。自身供电的住宅可以脱离供电网络，对家庭住宅财务和环境保护都有利。

背景技术

以合理成本供能的问题从未完全解决。随着世界范围的能量需求呈指数型增长，对传统能源造成了沉重负担。近些年对能量的螺旋式上升的成本对住宅经济产生不利影响。因此，近些年替代能源例如太阳能日益变得有吸引力。本地发电的选项甚至更有吸引力，因为这消除了有关输送的成本并且支持自主供电模型，由此带来明显的经济优势。

多年来，太阳能研究有助于开发具有改进效率并更具经济效益的系统。然而，信息缺乏、材料、复杂度和制造技术阻碍了用于家用供电的这种大量可用能源的大规模生产和利用。

可以根据几个方面划分典型的太阳能聚集器。出于本说明书目的的相关太阳能聚集器为采用的聚焦（点或线）、聚集处理（固定或跟踪装置）中包含的各种反射器的位置可调节性以及例如热吸收器组件的定位的特性的太阳能聚集器类型。

在解决与本发明相关的现有技术之前，重要的是理解与所解决问题的某些条件。其中之一是能量需求。如下文简单计算所示，为了产生住宅供电所需的能量（平均约20kWh/天），太阳能聚集器系统必须能够收集入射到约36m²面积上的太阳能辐射。这样的面积（例如6m×6m）典型地可用于方便暴露于常规的太阳直射的平均尺寸房屋的房顶上。在理想条件下（晴天、直射等），太阳提供的能量平均为1kWh每平方米，这意味着典型的住宅能轻易地收集36kWh。假定平均每天太阳直射5小时，则平均尺寸的房屋的屋顶可生成180kWh/天。即使考虑从入射光到电能转换仅20%的效率，所获得的36kWh/天仍足以为平均大小的房屋供电。

现有技术中存在几个太阳能聚集器的示例。这些太阳能聚集器具有几个不利方面的特点，例如复杂性和成本。而且，这些设计不容易使它们适于设想成为住宅供电规模的设施。例如，甚至小型可移动盘式反射器的结构重量使得在房顶上的布置变得复杂。也容易收到风的破坏。规模缩减严重限制了这种聚集器可生成的能量。

基于终端应用，采用不同类型的太阳能聚集器以获得有利结果。在本发明的特定范围中，太阳光向点聚焦的高效聚集以生成用于为标准住宅供电的能量，当前技术下的太阳能聚集器性能绝不是最优。例如，中央吸收器型聚集器典型地用于大型应用用以发电。这样需要较大不动产用于正确部署并且由此对于小型和中型规模应用不很经济。连续表面抛物面型盘式聚集器意味着以下限制，例如与综合和复杂反射器曲线有关的过高的成本和昂贵的反光镜基板。

近些年，做出各种尝试来设计和构造以最低复杂度和成本提供点聚焦（高太阳能聚集）的太阳能聚集器。美国专利No.5,374,317（Lamb等人）披露了一种多反射器聚集器太阳能电力系统。在该系统中，太阳光线首先到达单独的主反射器平面（可以是平坦或曲面）。主反射器随后将太阳辐射反射到副反射器（也可以是平坦或曲面）的位置并且随后通过能量转换元件。除了主反射器和副反射器之外，Lamb等人披露的系统使用大量元件，例如，第三反射器、可选的盖板和专门适于太阳能发电的热辐射元件，所得的系统对于住宅规模使用复杂而昂贵。

美国专利No.6,530,369（Yogev等人）也描述了一种系统，包括沿着系统光路连续布置的两个反射器，使得两个反射器中的第一个向第二个反射器反射太阳辐射。来自第二反射器的聚集的辐射被导向到太阳能吸收器。然而，第二反射器实现为高塔反射器。Yogev披露的系统在太阳能量转换方面不很有效，需要较大不动产用于正确的布置，这与其复杂度有关，造成对于小型和中型规模的住宅使用不经济。

国际专利公开No.WO2005/022047A2（Shifman）披露了一种太阳能应用单元，包括太阳能辐射聚集元件和太阳能接收元件。聚集元件包括连续的凹型主反射器和凸型副反射器，用于聚集入射的太阳能辐射并将聚集的辐射转向到接收元件。然而，主反射器为盘形并且需要高精度曲面从而获得正确的聚集效果。连续主反射器盘的需求（或者甚至替代地记载的多个盘阵列）意味着对元件的结构耐用性、昂贵的构造和维护成本（在多个主盘的情况下）以及多个跟踪机构的需要的限制，甚至进一步增加了成本。

美国专利No.3,118,437（Hunt）披露了一种布置成彼此面对的两个反射面或两组反射面的系统，使得照射到第一反射面的所有光线覆盖到基本上一点或有限区域。尽管Hunt讨论了两个反射面的系统，其中，太阳光从第一反射面转向到第二反射面，但是Hunt的反射系统的实际实施例复杂而且需要复杂的基础结构。与此同时，Hunt的主反射器是移动的（非固定的），需要运送轨道。

国际专利申请公开No.WO2008/046187A1（Kinley）披露了一种太阳能聚集系统，包括主、副反射器来把太阳光聚集成点聚焦。Kinley教导的各个反射器仅是一维抛物面型（即，单曲面镜）并且其发明设想例如用于融化铸造长熔炉中的金属。Kinley披露的系统不能有效地解决本发明解决的问题，尤其不能生成足够的能量供应常规住宅。Kinley的主反射器－可以构想成类似于本发明的主聚集反射器－为连续表面。为了产生住宅供电所需的能量（平均大约每天20kWh），Kinley教导的主反射器需要非常大。为了收集所需的每天20kWh，收集区域必须大约为400平方英尺。这种体积庞大的主反射器易于受到风和天气破坏，使得房屋屋顶的结构要求复杂并且意味着相对高的建造和运营成本。所有这些问题综合一起在于Kinley的教导，即主反射器是可移动的，不是固定的。如Kinley申请中图11所示，驳船（80）必须移动以跟踪避开支撑件（82）的移动规划的任何太阳运动，避免了Kinley的主反射器必须可移动的需求。最后，Kinley的副反射器为凹型。如在下文将详细描述，本发明将聚集的太阳光转送到可能远离副反射器的目标点。它要求副反射器或者是平坦的或者是凸型的，但不能是凹型的，因为凹型反射器将使得转送的光线聚集到必须靠近副反射器的一点处。换言之，Kinley教导的凹型副反射器不能解决本发明要解决的问题。

美国专利No.4,131,336（Frosch）披露了一种太阳能聚集系统，包括沟槽型的固定的主反射器，沿着由包含工作流体的可移动的带支撑的收集器所占据的直线将太阳光聚集成线聚焦。相比较本发明披露的系统，其昂贵、体积大并且不那么有效率。如下文所述，本发明以点聚焦为特点，体积小并且效率高。Frosch披露的系统取决于线聚焦，这产生比点聚焦低的热效率。主反射器面积和吸收器/收集器面积的比例小，从而防止收集器中的工作流体达到与本发明披露的小型吸收器相同高的温度，这反过来意味着较低热效率。而且，线聚焦的聚集器功率低。对于同样吸光量的房屋，根据本发明的系统产生更多的热。Frosch的可移动支撑的收集器的体积比本发明的小型吸收器体积大，因此容易造成通过这种延伸面的更高的热损失。最后，

Frosch的收集器和本发明的吸收器两者均封装在真空壳体中，然而，Frosch的可移动支撑的收集器更大并且因此其制造成本更高。

日本专利No.JP59097460A（Horigome）披露的系统将不能有效地解决本发明要解决的问题，尤其是以低制造和运营成本产生所需能量的问题。JP59097460A披露了一种太阳能聚集系统，包括固定的连续抛物面型主反射器，在可移动吸收器上将太阳能聚集成点聚焦，该可移动吸收器沿着倾斜以定位吸收器的弓形导轨的延伸部分移动。柔性光纤缆线将源自主反射器的光输送到吸收器组件。与上述的Kinley的WO2008/046187A1一样，Horigome的主反射器－可以构想成类似于本发明的主聚集反射器－为连续表面。给房屋供电所需的能量需要Horigome的主反射器相当大，因此使得房屋屋顶的结构需求复杂并且意味着相对高的建造和运营成本。Horigome披露了一种柔性光纤缆线，用于将源自主聚集反射器的光输送到吸收器组件。然而，将这种光导向到光纤缆线的机构（例如波导）将使得该系统复杂而昂贵。柔性光纤缆线自身昂贵而且易损坏。而且，限制了吸收器组件的距离和物理定位两者。

因此需要改进的太阳能聚集系统，克服与使用需要高技术程度的复杂构造相关的限制。而且，需要改进的太阳能聚集系统，其中使得与传统太阳能聚集系统的制造和布置相关的过高成本最小，从而使得其对于小型和中型规模的住宅使用更具吸引力。

因此，本发明的目的是披露一种小规模尺度可调节的太阳能聚集器系统，具有高能量转换效率，以低建造和运营成本提供点聚焦（高太阳能聚集）。

发明内容

根据本发明的某一发明，披露了一种设备，包括主聚集反射器，其由相对于地球固定并且铺设在二维平坦表面上的多个反射面组成，所有的所述多个反射面协作从而将入射的太阳辐射转向小的主目标区。副转向反射器置于靠近所述小的主目标区，用于将主聚集反射器聚集的光转向相对于地球固定的远程吸收器，所述副转向反射器呈现出反射面，其设计为凸型并且在平行于所述平面的二维正交维度上在主反射器的平面上可选择地移动。副反射器球型枢转连接到移动组件，该移动组件根据太阳跟踪数据移动，用于在太阳在空中运动使得主反射器输出的光的聚集区改变位置时，允许副反射器保持其聚集的光输出指向固定的远程吸收器。

在具体描述的下文中，本发明的以上和附加特征和优势将变得明显。

附图说明

可以结合附图参考以下具体描述对本发明做出更完整理解，其中：

图1是示出了在本发明的说明书中使用的球型枢转接头或球枢转接头的示例的示意图；

图2是示出了系统在其外在外形中的基本概述的本发明的太阳能聚集器一个方面的透视图，主反射器由分立的矩形面阵列组成；

图3是示出了系统在其外在外形中的基本概述的太阳能聚集器一个方面的透视图，主反射器由两个连续的环形面组成；

图4示出了在截面图中通过线AA的图3的面；

图5是示出了所述面与其玻璃和反射涂层组合的本发明的特定实施例的截面图；

图6是示出了具有平坦反射面的单个面的本发明的特定实施例的透视图；

图7是示出了具有凹型反射面的单个面的本发明的特定实施例的透视图；

图8是示出了划分在几个分立部分的图3的主反射器的模块化布置的本发明的特定实施例的顶视图，排水槽位于相邻部分之间；

图8a是示出了图3的主反射器的分离开的模块之一的本发明的特定实施例的透视图，示出了以该特定模块布置的预制面部分；

图9是示出了类似于图8的模块布置的本发明的特定实施例的顶视图，然而，设计成部署在具有窄的细长形状的表面上；

图10是示出了类似于图9的本发明的特定实施例的顶视图，然而，设计成部署在具有更窄的细长形状的表面上；

图11是示出了具有完全弓形导轨的太阳能聚集器的本发明的特定实施例的俯视图，在其底部枢转铰接并且支撑滑动的可移动组件（M）；

图12是示出了具有一半弓形导轨的太阳能聚集器的本发明的特定实施例的俯视图，在其底部枢转铰接并且支撑滑动的可移动组件（M）；

图13是示出了具有与副转向反射器（9）组合的流体透镜（14）的太阳能聚集器的本发明的特定实施例的俯视图；

图14是示出了太阳能聚集器的本发明的特定实施例的俯视图，其中副转向反射器（9）具有可调节曲率；

图15是示出了一个示例的俯视图，其中主反射器的焦点设置成靠近延长臂（5）的远端，使得延长臂（5）具有一定长度，相应地需要某一尺寸的副反射器（9）；

图16是示出了假想示例的俯视图，其中主反射器的焦点设置成比图15中所示的焦点更远，需要延长臂（5）相对更长并且副反射器（9）更大；

图17是本发明的简化的实施例的俯视图，其中分离的辐射吸收器（7）直接位于延长臂（5）的远端（D）处。

图18a是示出了延长臂（5）的某个位置的俯视图，使得聚集的太阳光行进某一距离；

图18b类似于图18a，不同之处在于假定太阳位于不同位置，使得延长臂（5）示出在不同位置，使得聚集的太阳光行进比图18a所示的距离更远，从而需要副反射器改变其形状从而使其凸曲度略小；

图19是示出了临界误导情况以及并入以避免临界误导情况的安全特征的示例的俯视图；

图20是示出了太阳能聚集器的本发明的特定实施例的俯视图，其中延长臂（5）位于某个位置并且主聚焦环区域较大；

图21类似于图20，不同之处在于延长臂（5）位于不同的位置并且主聚焦环区域相对较小。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明。附图意在示意性而非限定性，并且包含于此以有利于理解本发明。

以下描述需要先前定义的主、副反射器概念以及热吸收器组件。主聚集反射器在本文中定义为负责入射太阳光的最初偏转的组件，将其聚集到指定目标。副转向反射器在本文中定义为负责主聚集反射器偏转的辐射转向到指定目标的组件入射太阳光的最初偏转的组件，将其聚集到指定目标。吸收器组件在本文中定义为接收聚集的辐射的组件，作为结果提高了其温度。而且，在本说明的前后文中，术语球型枢转接头或球枢转接头意在涵盖任何机械布置，允许围绕垂直于支撑面的给定轴“Z”旋转，以及围绕垂直于所述轴“Z”的任何第二轴独立枢转。图1示出了这种铰接的示意性示例，包括满足垂直于所述旋转轴“Z”的需要的两个不同枢转轴“X”和“Y”的示例。

图1所示的系统的基本概述如下：太阳光照射到由几个单独面（2）组成的主聚集反射器阵列（1）上，单独面铺设在相对于地面固定的支撑面（3）上。所述主反射器将太阳光转向到位于延长臂（5）的顶端的副转向反射器（9），从那里光被偏转到固定的远程辐射吸收器（11）。延长臂（5）可移动使得副反射器（9）连续重新定位从而跟踪太阳在天空的明显运动，所述跟踪保持首先由主反射器并且随后由副反射器逐步聚集的太阳光指向热绝缘真空壳体内的固定的辐射吸收器（11），其中这种聚集的光束优选地指向点聚焦。

主聚集器的描述

如先前在背景技术所讨论的，能为普通家庭供电的太阳能聚集器系统必须能收集和聚集入射到大约36平方米的面积上的太阳辐射。在房屋顶部上以一个连续抛物面镜部署所需的6m×6m的主反射面是不切实际的。这种原则将意味着镜子本身的高制造和维护成本，需要标准屋顶的结构加强并且还带来受到风和天气损坏的风险。

为了抑制上述不便，本发明用等同的多部分反射布置替代这种可移动的连续反射器表面，多部分反射布置能容易与地面、建筑物的屋顶或其他适合表面配合。就像被设计来替代的连续反射器表面一样，它将太阳辐射聚集到小区域上。然而，本发明的主聚集反射器阵列（1）由布置成二维场并且形成同心圆部分的几个单独的面组成（即，类似于定日镜），其中单独的面的每一个均指向目标区，使得组合起来的面将入射的太阳辐射聚集到所述目标区上。可以在图2和图3上看出主聚集反射器阵列（1）从上看去的示例，图2中各个面（2）具有分立的矩形形状并且图3中的各个面（2）具有整圆环形状。

主聚集反射器组件分布成几何图案，其光学特性类似于单个连续凹面镜，形成固定阵列，其中几个单独的反射组件协同来将入射光聚集到小的目标区。所得的效果类似于菲涅耳透镜。

本领域公知的是，借助根据太阳的位置连续调整其位置的连续表面抛物面型反射器可以聚集太阳光。所述连续调整被称为太阳跟踪。如已经在前面段落所指示的，本发明用固定的反射面阵列替代所述太阳跟踪的连续抛物面型表面。可以通过使用几个小抛物面片段，实现通常借助所述太阳跟踪的连续表面抛物面型反射器获得的许多结果。换言之，本发明将连续抛物面型反射面分割成锯齿状反射面。尽管反射阵列固定的事实使得所述焦点区域的位置和大小随着太阳入射角度变化，但是对于太阳光到反射面阵列的大多数入射角度，入射的平行光进入到大致上窄的焦点区域。这种位置变化通过本发明的可移动的副反射面的部署加以解决，下文将进一步描述。对于主反射器的布置，片段或面下降位于公共平面上。所有片段或面典型具有共同高度，尽管在可替代实施例中它们可以呈现不同的高度。因为从施工和维护的经济学角度希望浅的反射面，所以反射面的最大高度相对低，例如大约12＂(英寸)。优选地，反射面从支撑面的高度在4＂和15＂之间。

为了提供理想的焦点聚集，选择各种面的斜度使得无论平行光线入射到哪个面上，反射光线都将交汇在前述的窄聚焦区域内。对于每个单独面，斜率是主反射器阵列的面与中心之间的距离和聚焦区域与固定所述面的公共支撑面之间的距离的函数。通过以此方式选择各种面的斜率，获得有效地复制连续面的抛物面型反射器的聚集，但实际上具有图4所示的形状的主反射面。图4示出图3沿贯通线AA的截面图中的各个面。在光学方面，所述反射器对应于连续面的抛物面型反射器的平面形式。

由于主聚集反射器阵列（1）具有真正连续并且常规的抛物面型面聚集器的近似，所以主反射器的焦点不是一点。实际上是聚焦区域，是一个环，而不是无量纲的点。因此，无论何时在本说明书中提到主焦点，都是指聚焦环而非聚焦点。

所述面（2）是固定的，附接到自身相对于地面固定的公共支撑面。各个面（2）的大小使得在支撑面（3）上的高度相对小，例如大约12英寸。根据到装置中心的距离确定各个面的斜率，如图4所示的截面图上所看到的，使得各个单独面（2）指向一个相同的目标区，如同菲涅耳透镜一样。支撑面（3）可以例如是充分暴露于太阳光的房屋的任何部分（即，屋顶、侧壁等）或者甚至地面上的一个面（即，非建筑物的一部分）。

针对单独面（2）设想几个不同的形状。各个面（2）的反射面可以是平坦的，例如图6或者是凹型的，例如图7。各个面（2）可以由玻璃、吹塑成型的塑料或涂敷反射层的其他透明材料制成。可替代地，所述面可以由本质上反光的结构化声音材料制成，例如铝、不锈钢或镀铬金属。用于各个面（2）的结构和反射涂层的材料的标准选择确保能量传输损失小并且所述的主聚焦反射器阵列（1）有效地反射宽频谱范围。

在本发明的一个实施例中，主聚焦反射器阵列（1）分割成多个模块（4），作为套件售卖。一旦一起布置在支撑面（3）上，例如用紧固螺丝或粘合剂，如所附的组装说明所示，该套件获得希望的主聚集反射器。对于其中主聚集反射器阵列（1）由一系列同心圆的连续部分组成，例如图3所示，在相邻模块之间留有小空间用于形成排水沟槽。所述模块布置可以见图8所示并且进一步降低了本发明的成本。

图8a中示出了先前段落所述的示例性模块的外观。这些面部分以设计的固定几何排列预先设置在支撑面的模块部分上的各个位置，使得一旦所有模块单元组装在一起，所得结果就是图8所示的设想的主聚集反射器阵列（1）。

所有面（2）是固定的事实在消除了高成本的复杂跟踪传动装置并且减小了与现有技术中的太阳能聚集器有关的成本。各个单独面（2）的相对小的表面积和低垂直尺寸消除了受到风损坏的潜在问题，并且小的单独重量形成装载分配模式，消除了支撑面（3）的结构加强的需要。后面的两个方面降低了主反射器的成本。同样简化了维护，这是由于所述面的小尺寸和固有的耐用性确保可以容易通过冲洗、喷射和本领域许多其他已知技术经常性地清洁主聚集反射器阵列，保持高水平的光学性能。最后，本发明的主聚集反射器阵列（1）具有高效率，由于它有效地聚集照射到所占据区域上的大部分直射太阳光，产生房屋与聚集光量之间的较高比例。

延长臂的描述

根据本发明，入射到主聚集反射器阵列（1）上的太阳辐射被反射到离散点或小区域，本文称为主目标点。由于主聚集反射器阵列的固定配置，所以主聚集目标点的位置随着太阳在天空中的运行而变化。

为了匹配每日和季节性太阳运动，本发明的延长臂（5）具有球枢转连接（即，通过球型枢转接头）到固定支撑点的近端（P），例如在支撑面（3）上，以及远端（D）。延长臂（5）的远端（D）在该其运动期间跟踪主目标点。多组主致动器（6）根据连接到光学传感器的数字控制系统提供的太阳跟踪数据移动延长臂（5）。这种配置确保延长臂（5）的远端（D）不断地定位成靠近主目标点。延长臂（5）的球型枢转允许远端（D）至少在二维范围内移动－例如在形成支撑面（3）的两个主轴中任一个的方向上，从而允许在不移动主聚集反射器（1）的情况下重新定位远端（D）。除了太阳跟踪之外，延长臂（5）的球型枢转还允许该装置处理在固定的主聚集反射器中的可能的光学缺陷所造成的变化。

在本发明的另一实施例中，延长臂（5）是可伸缩的，使得其延伸和缩短其轴向距离从而根据需要调节其近端与远端（P和D）之间的距离。这种移动受到前述数字控制系统所操控的一组可伸缩致动器（13）的控制。与臂的近端（P）处的球型枢转接头所提供的机动性相结合，该伸缩操作增强了用于连续太阳跟踪的延长臂（5）的远端（D）的有效三维再定位能力。而且，假定主聚集反射器阵列（1）的焦距根据太阳入射角而改变，延长臂（5）的伸缩提供大致的轴向可调节性从而无论太阳相对位置如何都使得主聚集反射器阵列的焦点与主目标点的跟踪协调。

在本发明的另外可替代实施例中，延长臂（5）可以由执行相同任务的不同结构来替代。示例包括图8和9所示的弧（15）和（16）。在具有延长臂（5）的实施例中，其远端（D）位于选定位置从而定位某一可移动组件（M）－必须能三维移动的分立辐射吸收器（7）或副转向反射器（9）。在这种延长臂（5）由如图11所示的整个弧（15）的弧替代的实施例中，利用以下事实的优势，该弧与支撑面（3）之间的连接允许该弧如图所示枢转，所述三维可移动性由沿着弓形导轨（15）滑动可移动组件（M）以及围绕枢转水平轴（17）滚动弓形导轨的组合来提供。在具有图12所示的半弧的实施例中，利用以下事实的优势，该弧与支撑面（3）之间的连接允许该弧如图所示摆动，所述三维可移动性由沿着弓形导轨（15）滑动可移动组件（M）以及围绕枢转轴（17）摆动弓形导轨的组合来提供。图9和10所示的两个实施例也可以具有移动组件（M）的可选垂直移位布置，其中组件（M）沿着弓形导轨（15）的任一点向上和向下垂直延伸。本领域技术人员将会认识到图8和9的提出的替代实施例执行针对具有可伸缩选项的延长臂（5）描述的可移动组件（M）的三维重新定位的相同任务。

在另外替代实施例中，延长臂（5）的远端－或图8和9所示的替代结构的等同端球型枢转连接到（即，通过球型枢转接头）到不是位于房屋屋顶的支撑面（3），而是球型枢转连接到例如墙壁或其他建筑物的不太支撑面。在此情况下，延长臂（5）部署成使得其能够执行正确定位其远端（D）的任务从而跟踪连续定位在太阳与主聚集反射器阵列（1）之间的主目标点。

还考虑延长臂（5）的结构并且回想起由于成本和风阻所强加的需求，延长臂（5）应当优选地尽可能短且轻。根据本发明，针对主聚集反射器使用位于平坦表面上的多部分反射排列而不是连续面反射器排列提供另一优势：主聚集反射器阵列（1）的所得的焦距比等同区域的连续面曲面反射器的焦距短。这使得能够在本发明披露的系统中使用较短的延长臂（5），使得臂更便宜并且更坚固。

副反射器位于臂末端的实施例的描述

在本发明的一个实施例中，副转向反射器（9）位于延长臂（5）的远端（D）。副转向反射器（9）球型枢转连接（即，通过球枢转接头）到远端（D），所述球型枢转连接允许副转向反射器（9）在至少二维范围内移动，例如自由旋转以及围绕垂直于前述旋转轴的至少一个轴接合（参见图1的示例）。

远端（D）处的所述球型枢转连接的目的在于允许副转向反射器（9）连续转向，使得无论延长臂（5）围绕近端（P）处的球型枢转连接的运动如何都将其直接指向远程的辐射吸收器（11）。因而副转向反射器（9）能将主聚集反射器阵列（1）输出的聚集辐射转向到可以远离延长臂（5）定位的远程辐射吸收器（11）。

副转向反射器（9）的反射面的连续重新定位由一组副致动器（10）提供。它们连接并由相同的数字控制系统和光学传感器控制，控制用来如前所述移动延长臂（5）的主致动器（6）。

假定副转向反射器（9）反射的光束极端聚集并不可能会造成健康风险，副转向反射器（9）方便地指向使得与人或动物接触风险最小的轨迹。而且，所述聚集的辐射所指向的远程辐射吸收器（11）优选地定位于进入受限的位置，从而使得发生事故的风险最小。

逐步聚焦概念的描述

系统设计成提供太阳辐射向吸收器组件的逐步聚焦。本文将所述聚集描述成逐步的，原因在于该想法不是从光在主反射器和吸收器组件之间的路径中传播的各个反射中获得点聚焦，目的在于在所有连续反射之后，所得到的到达吸收器的光束的焦点尽可能接近点聚焦。

副反射器的凸曲度

为了将主聚集反射器阵列（1）所偏转的辐射转向到可能最终远离延长臂（5）定位的固定的远程辐射吸收器（11），副转向反射器（9）的反射面不能是凹型，必须是平坦的或者凸型的。这是因为凹型反射器造成焦距过短不能聚焦到可能最终远离副反射器而定位的固定吸收器。换言之，主和副反射器必须协作从而提供连续反射，在辐射吸收器（11）上一起实现点聚焦。由于来自主聚焦反射器阵列（1）的光线本质上是会聚的－毕竟，它们源自聚集器－副转向反射器中的凹型反射面会将光线更会聚一些，从而在吸收器远离副转向反射器（9）时防止理想的点会聚在吸收器上。这解释了副转向反射器（9）必须是发散的，因此具有凸型反射面特点。

既然讨论了所包含的组件，本文讨论源自根据本发明的主聚集反射器的设计的某些系统优势：主聚集反射器阵列（1）起到凹型透镜的作用，具有通过标准设计和定位组成的固定反射组件而选择的本质上的短焦距特点。本发明的所述特征带来两个彼此相关的优势，如下所述。

第一优势是主聚集反射器阵列（1）的短焦距消除了长延长臂（5）的需要，相比较较短臂，长延长臂容易损坏并且昂贵。

第二优势是在设计时精确选择固定的主反射器阵列（1）的焦距的能力允许定义焦点以将其定位在延长臂（5）的远端（D）。这种设计考虑的目的在于允许副转向反射器（9）的尺寸小和重量轻。这使得副转向反射器（9）及其支撑延长臂（5）更便宜。

如果固定的主反射器阵列（1）的焦点远离如图13和14所示的延长臂（5）的远端（D），则副转向反射器（9）将不得不比较大以覆盖反射来自主反射器的所有光线所需的区域。这反过来将需要相对大、足够坚固的延长臂（5）从而即使平衡点远离延长臂（5）的底座时也能承受所述较大的副反射器（9）的重量。较大延长臂（5）将更贵，更容易受到风破坏并且可能需要附接其近端（P）的表面的结构加强。

因此，本发明的目的在于具有固定的主反射器阵列（1），设计成将反射的太阳光聚集到窄小区域－前述的聚焦环－靠近副转向反射器（9）的表面，如所述的那样，这允许使得副转向反射器的尺寸小。由于主反射器焦距设计成很短，所以所有偏转的单独太阳光线聚集在小区域内（再次通过设计），从而使得即使小型副反射器也能转向大部分光线。

对液体透镜需要的描述（或者副反射器上可调节焦点）

现在考虑吸收器要小的需求（为了提高热效率并且节省其热绝缘真空壳的成本），重要的是，即使对于可能远离延长臂结构定位的固定吸收器（11）来说，副转向反射器（9）能尽可能接近点聚焦来提供对辐射的聚集。该需求通过该需要结合从而保留延长臂（5）的球型枢转（以及在某些实施例中轴向伸缩）的这种独立聚焦，这使得副转向反射器与作为目标的吸收器之间的线性距离发生变化。为了使得本发明的副转向反射器（9）能调节导向到吸收器的光束的聚焦，其凸曲度可调节或者与液体透镜有关。通过使用凸型副转向反射器（9）和液体透镜（14）的所述组合，本发明能够转向和调节来自主聚焦反射器（1）的光的焦距，所述光必须被转向到远程辐射吸收器（11）。在图13所示的实施例中，具有延长臂（5）的收缩和液体透镜（14）的特征，可以将这些组合来获得如上所述理想的聚焦，由于伸缩改变了所涉及的距离和焦点调节的影响。

优选地是液体透镜（14）与平坦或凸型副转向反射器（9）一起存在，然而，尽管由于入射到远程辐射吸收器（11）上的光的较不优化聚焦可能对系统性能造成折中，但是更简单的凸型副转向反射器（9）也会起作用。可替代地并且如上文所指出的，优选的聚焦可以借助能调节其凸曲度的任何副转向反射器（9）来实现。所附的图14示出了在不同凸曲度调节条件的情况下相同副转向反射器（9）的三个方面。

参考所附的图24a和24b更好地理解具有能调节其凸曲度的副转向反射器的实施例，示出了延长臂（5）的两个不同位置，从主反射器（1）到副反射器（9）并且随后到吸收器（11）的光行进的距离连续变化，减轻了改变凸曲度从而保留吸收器（11）上窄聚焦的需要。在延长臂（5）位于图18a所示的位置时，距离小于图18b所示的位置，因此图18b上的副转向反射器（9）凸曲度较小。

吸收器的描述

根据本发明，为固定远程辐射吸收器（11）提供高能量密度太阳辐射，从而提高吸收器的温度。例如使用吸收器组件获得的高温产生气流来驱动气体涡轮机并且为住宅发电。在优选实施例中，吸收器组件封装在热绝缘的例如由玻璃制成的透明真空壳中。所述绝缘壳的透明特性允许源自主聚集反射器阵列（1）的光穿透吸收器组件，同时壳壁与吸收器组件主体之间的真空层防止吸收器将其收集的热量疏散到周围环境中。根据本发明，接收聚集辐射的吸收器组件的表面优选地较小，例如大约1′×1′或者甚至更小。如前所述，该系统设计成确保到达吸收器组件的太阳辐射尽可能多地聚集成点聚焦，从而提高能量聚集度。随着光行进通过该系统逐步获得的所述能量聚集减小了传输中的热损耗并且产生了较高的热效率。该点聚焦允许吸收器组件具有小尺寸特点，减小了其自身热损失率。针对吸收器组件（11）的外表面选择的材料优选地具有光学特性－例如太阳吸收和输出辐射－使得其容量最大从而保持源自入射其上的辐射的热量。如以上已经指出，远程辐射吸收器（11）优选地定位于进入受限的地方，从而减小了意外的可能危及生命的接触的风险。

光度计的描述

在本发明的另一实施例中，光度计将数据馈送到控制主致动器（6）和副致动器（10）的前述数字控制系统，该主致动器和副致动器分别控制延长臂（5）和副转向反射器（9）。数字控制系统事先加载有恒定数据，例如针对各个可能的太阳入射角的多主反射面（1）的每一个的正常反射角，允许系统连续监测并将其自身测量性能与期望性能进行比较。由此，数字控制系统能检测和校正延长臂（5）和副转向反射器（9）两者的定位中的可能的缺陷，优化它们的位置从而匹配能量转换的期望性能。如果针对检测的发光条件该调节不足以产生期望的性能，该系统可能假定事件的检测，例如对反射组件的阻挡或损坏。所述信息可以被合适的装置，例如警告面板传送给房屋主人，以通知可能所需的干预（清洁、维护等）。

防止受到风损坏方面的描述

在本发明的另一实施例中，风力传感器（12）不断监测风速。该风力传感器连接到控制主致动器（6）和副致动器（10）的相同数字控制系统，该主致动器和副致动器分别控制延长臂（5）和副转向反射器（9）。无论何时风速产生威胁伸缩臂的结构整体性的力，风力传感器（12）就向数字控制系统发送信号，该数字控制系统反过来启动前述一组伸缩致动器（13）收回延长臂（5）。一旦风力传感器（12）通知风力条件不再是威胁，则向数字控制系统发送信号，数字控制系统反过来启动同一组伸缩致动器（13）以将延长臂（5）重新设置到其最后一次操作位置。在延长臂（5）不可伸缩的实施例中，仅通过其主致动器（6）的操作来设置，一旦风力传感器（12）通知风力条件不再是威胁时重新设置到位。

吸收器位于臂末端的替代实施例的描述

在图17所示的本发明的更简单替代实施例中，不存在副转向反射器（9）。分立辐射吸收器（7）直接位于延长臂（5）的远端（D）。适合的吸热液体通过封闭的液压回路流动，液压回路将辐射吸收器（7）连接到位于适合地点，例如靠近支撑面（3）的壁部的储热罐（8）。吸热液体循环使得热量从辐射吸收器（7）传送到储热罐（8）。

分立的辐射吸收器（7）优选地呈现设计成圆形的外表面，使得主聚集反射器阵列（1）输出的大部分辐射以近似垂直于吸收器外表面的角度照射在分立辐射吸收器（7）的表面。这使得暴露于照射辐射的吸收器的面积最大。

在替代实施例中，分立辐射吸收器（7）可能不是圆形，相反呈现出优先接收太阳辐射的接收面。定位于延长臂（5）远端（D）的分立辐射吸收器（7）球型枢转连接（即，通过球枢转接头）到远端（D），所述球型枢转连接允许分立辐射吸收器（7）在至少二维范围内移动，例如自由旋转以及围绕垂直于前述旋转轴的至少一个轴接合（参见图1的示例）。

远端（D）处的所述球型枢转连接的目的在于允许分立辐射吸收器（7）连续转向，使得无论延长臂（5）围绕近端（P）处的球型枢转连接的运动如何都保持其接收面指向主聚集反射器阵列（1）输出的入射聚集光束。因此，分立辐射吸收器（7）能不断保持其接收面持续朝向最佳位置从而吸收主聚集反射器阵列（1）输出的大部分聚集辐射并且导向到小的主目标区。

具有安全阻挡物和光学遮挡物的替代实施例的描述

假定针对延长臂（5）和副转向反射器（9）的移动的各种自由度，存在以下风险：不希望的系统移动和太阳位置的假定组合造成副转向反射器（9）输出的聚集辐射导向不希望的目标而不是固定的远程辐射吸收器（11）。例如，所述不希望的目标可能是布置该系统的建筑物附近的地面上的儿童游乐场。这种聚集太阳光束向不期望目标的不希望的朝向在本文称为关键误导向。图19示出了设置这些安全特征以避免关键误导向的示例。

为了防止这种关键误导向，本发明的实施例并入了一系列安全装置。针对部署该系统的特定位置的期望的各种致动器的正常工作范围受到围绕延长臂（5）的近端（P）与支撑面（3）之间的球枢转接头定位的近端阻挡物（18）所限制。近端阻挡物（18）机械固定到支撑面（3）并且防止延长臂到达会引起关键误导向事件的位置。远端阻挡物（19）在延长臂（5）的相对端执行相同任务。围绕将延长臂（5）的远端（D）连接到副转向反射器（9）的球枢转接头机械固定，所述远端阻挡物（19）防止副转向反射器（9）到达会造成关键误导向事件的位置。另外，一组光学遮挡物也起到阻挡不适当排列的输出光远离副转向反射器（9）。机械固定到支撑副转向反射器（9）延长臂（5）的延伸部分，所述远端遮挡物（20）防止副转向反射器（9）到达会造成关键误导向事件的位置。图19示出了描述的安全装置。

最终，主致动器（6）、副致动器（10）和伸缩致动器（13）中的每一个单独预接线以防止它们将装置定位在会产生聚集光束的任何布置中，该布置错过希望目标（吸收器11）的中心大于其最小尺寸一半。最终，一组光学遮挡物（反射器或吸光面）关键地定位在副转向反射器（9）的周围从而指向完全相同的任务。

作为光学安全备份，无论何时检测到这种风险，延长臂（5）都可以通过其伸缩致动器（13）的操作自动收回或者通过其主致动器（6）的操作简单放下。通过连续比较延长臂（5）和副转向反射器（9）两者的真实和希望的朝向可以容易实现该检测。针对部署该系统的特定定位，希望的朝向可以基于存储在数字控制系统中的数据，该数据包含有关延长臂（5）的远端（D）位置和太阳在空中所占据位置的所有组合的综合。

聚焦性能问题的描述

由于主聚集反射器阵列（1）具有真正连续并且常规的抛物面型面聚集器的近似，所以主反射器的焦点不是一点。实际上是聚焦区域，是一个环，而不是无量纲的点。理论上，并且取决于副反射器（9）的设计尺寸，该主聚焦环可以比副反射器宽，使得存在某些浪费－来自主反射器（1）的副反射器（9）未收集到的光。

从热效率角度来看，理想地，无论太阳相对位置如何，主反射器（1）都提供围绕前述主目标点（接近副反射器，如前所述）的极窄主聚焦环，从而允许使用小型副反射器（9）。事实上，所述主聚焦环的宽度对于有些特定太阳位置较窄，但是针对其他太阳位置并不很窄。结果，针对不同的太阳位置，“覆盖”主聚焦环区域所需的副反射器（9）的尺寸发生变化。例如，在延长臂（5）位于图20所示的垂直位置时主聚焦环的区域小于延长臂（5）位于图21所示的倾斜位置的主聚焦环的区域。在确定本发明的副转向反射器（9）的尺寸以优化系统性能时自然考虑到这一点。换言之，副转向反射器（9）的设计尺寸规定为最小，针对系统操作的所有各种太阳位置，其能够收集和聚集来自主反射器（1）的大部分太阳辐射。

太阳在每天运行周期占据的各个不同位置需要延长臂（5）和副转向反射器（9）假定几个不同位置从而将聚集的太阳能输出导向到固定的吸收器（11）。当然，对太阳入射角存在物理限制，系统超过该入射角不能获得这种转向。这些限制入射角限定了边界，系统超过该边界就不能收集和聚集入射的太阳辐射。所述边界反过来限定了本文所称的本发明的几何工作范围。将副转向反射器（9）所占据的各个对应位置作为几何基准，所述工作范围限定了半球部分，本文称为工作范围半球面（21）。如果考虑延长臂（5）不是可伸缩的实施例，则该半球面定义为圆形（即，具有恒定半径）。本文定义的几何工作范围典型地包含不同种类的工作范围的限制，本文称为操作工作范围。操作工作范围设想以下事实，对于有些太阳入射角－最明显的入射角非常浅的角度－主聚集器阵列（1）收集的能量远小于太阳高高在天空期间收集的能量。尽管仍然位于几何工作范围内，但是超过所述操作工作范围的太阳入射角造成主聚集器（1）不能收集足够能量来验证该操作，这就是编程数字控制系统从而在其到达所述操作工作范围的限制时关闭太阳能聚集器，在下一个太阳周期重新进入操作工作范围时再次接通的原因。

对比工作范围半球面，主目标点在每天行进的半球面－本文称为主目标面（22）－与连续抛物面型反射器相比时可能不是圆形，原因是主聚集反射器阵列（1）的缺陷。作为不同形状的结果，工作范围半球面（21）与主目标面（22）之间存在距离。所述距离取决于所考虑的特定太阳位置而变化，并且直接正比于针对各个特定位置获得的主反射器的聚焦环的宽度。图16和17示出了这些面的示例。取决于太阳位置，这些面出现的顺序可以相反（即，这些面可以在系统的工作范围内相交）。

在延长臂（5）可伸缩并且可以具有变化的长度的本发明的替代实施例中，系统的热效率通过使用所述伸缩性进一步提高从而使得工作范围半球面更靠近主目标面，从而针对考虑的任何太阳位置使得主聚焦环更窄并且提高了性能。

前面段落所述的焦点优化独立于通过主反射器的标准设计获得的焦点优化，在以下段落进行描述。

对于给定太阳位置，获得的主焦点越窄，系统的热效率越高。不优化构成主聚集反射器阵列（1）的固定面的形状和几何排列从而在太阳位于某些位置时破坏聚焦性能情况下提供在太阳位于特定位置时的极窄聚焦环，本发明意图平衡太阳位置的整个工作角度上的所述聚焦性能。主反射器的固定面的形状和几何排列设计成使得在系统工作范围内对于太阳的所有位置，平均的主聚焦环的尺寸最小。对于某些特定太阳位置，这可能造成热效率损耗，但是整个平均效率较高。这还确保对于副转向反射器（9）的任何给定尺寸，来自主反射器（1）并且入射其上的平均光量最大。

相对于现有技术，本发明提供了多个优势。与直线或表面聚焦相比，点聚焦的优势包括获得较高最大太阳能聚集，较小接收器热损耗（因为接收器本身具有较小面积和体积）以及由于通常所需较少材料带来的较低建造和运行成本的能力。本发明还提供了一种小型、尺寸适应的太阳能聚集器系统，具有高能量转换效率，提供了相对低的建造和运行成本。

尽管在前面描述中连同本发明的结构和特征的细节呈现了本发明的许多特征和优势，但本说明书仅仅是示意性的。本领域技术人员将会理解以下事实，在不脱离合理含义的范围的情况下，本发明可以进行修改，包括但不限于许多方面，例如部件的形状、尺寸和排列以及所述实施例之间的自由和互换组合。

Claims (16)

1.一种太阳能聚集器系统，包括：

主聚集反射器，包括多个同心环形面，每个面都包括多个不可移动段，所述多个不可移动段包括定位成将入射太阳辐射转向朝向共同目标区的反射表面，并且其中所述反射表面固定不动并且所述共同目标区随着太阳运动的变化而移动；

副转向反射器，其置于所述共同目标区并且用于将来自主聚集反射器聚集的所述太阳辐射直接转向到固定的远程吸收器，所述副转向反射器可相对于所述主聚集反射器和所述远程吸收器移动；以及

重新定位机构，其在所述共同目标区内在二维维度上移动所述副转向反射器以在所述太阳辐射相对于所述太阳能聚集器系统的入射角改变时保持将来自主聚集反射器的太阳辐射转向到所述远程吸收器。

2.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，其中固定的多个反射表面的每一个都置于二维平面上，从所述平面上高出4＂到15＂并且其中所述反射表面的每一个都是平坦的。

3.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，其中固定的多个反射表面中的每一个都置于二维平面上，从所述平面上高出4＂到15＂并且其中所述反射表面的每一个都是曲面的。

4.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，其中所述段中的每一个都形成模块的一部分，并且其中多个模块组装在一起构成所述主聚集反射器。

5.根据权利要求4所述的太阳能聚集器系统，其中单独的模块由单一反光材料制成。

6.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，其中所述重新定位机构包括延长臂，其远端球型枢转连接到所述副转向反射器，而其近端球型枢转连接到一表面。

7.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，其中所述重新定位机构可在基本上垂直于地球表面的方向上移动所述副转向反射器。

8.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，其中所述重新定位机构包括弓形导轨，所述弓形导轨两端枢转连接到一表面，用于使得弓形导轨倾斜并且定位副转向反射器，副转向反射器可沿弓形导轨的长度选择性地滑动。

9.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，其中所述重新定位机构具有一部分弓形导轨的形状，其一端球型枢转连接到副转向反射器，相对端球型枢转连接到一表面，副转向反射器可沿弓形导轨的长度选择性地滑动。

10.根据权利要求8或9所述的太阳能聚集器系统，其中副转向反射器安装成使得其从沿弓形导轨任一点上下垂直延伸。

11.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，还包括近端阻挡物，所述近端阻挡物围绕所述重新定位机构的近端与其支撑面之间的球型枢转接头定位，限制所述重新定位机构的范围从而机械固定到所述支撑面，用于防止所述重新定位机构到达会造成副转向反射器输出的太阳辐射向非设定目标的误导向的位置。

12.根据权利要求6所述的太阳能聚集器系统，还包括远端阻挡物，所述远端阻挡物限制所述重新定位机构的范围从而防止所述副转向反射器到达会造成副转向反射器输出的太阳辐射向非预期目标的误导向的位置。

13.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，还包括一组光学遮挡件，机械固定到支撑所述副转向反射器的所述重新定位机构的延伸部分，用于防止副转向反射器到达会造成副转向反射器输出的太阳辐射向非预期目标。

14.根据权利要求1所述的太阳能聚集器系统，其中所述主聚集反射器的反射表面在所述目标区共同产生太阳辐射聚焦环。

15.根据权利要求4所述的太阳能聚集器系统，其中所述段的至少两个形成所述模块中每一个的一部分。

16.一种太阳能聚集器系统，包括：

主聚集反射器，包括多个同心环形面，每个面都包括多个不可移动段，所述多个不可移动段包括定位成将入射太阳辐射转向朝向共同目标区的反射表面，并且其中所述反射表面固定不动并且所述共同目标区随着太阳运动的变化而移动；

吸收器，其位于所述共同目标区处，用于吸收来自主聚集反射器聚集的所述太阳辐射，所述吸收器可相对于所述主聚集反射器移动；以及

重新定位机构，其在所述太阳辐射相对于所述太阳能聚集器系统的入射角改变时在所述共同目标区内在二维维度上移动所述吸收器，其中所述吸收器定位于所述重新定位机构的远端。