CN103460593A

CN103460593A - 聚光光伏和热太阳能收集器

Info

Publication number: CN103460593A
Application number: CN2010800711215A
Authority: CN
Inventors: 戴维·科雷亚; 吉姆·布赖格; A·M·舒伦伯格
Original assignee: Electrotherm Solar Corp
Current assignee: Electrotherm Solar Corp
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2013-12-18
Also published as: AU2010365050A2; BR112013014051A2; CA2820527C; EP2649719A1; AU2010365050A1; EP2649719A4; CA2820527A1; AU2010365050B2; WO2012078146A1

Abstract

本发明涉及一种将太阳辐射转换成电能和热能二者的太阳能收集器。更具体地说，本发明涉及一种带一体式构造的聚光太阳能收集器，该构造将成本、体积、和重量最小化并将整体效率最大化。典型的非聚光太阳能收集器在其整个表面上使用光伏电池。这些太阳能电池是收集器最昂贵的部分。本发明披露了使用一个反射器来将入射辐射集中到面积为该反射器的二十分之一的光伏电池上，并将共同产生的热能传输到通过电池支撑结构泵送的工作流体中。

Description

聚光光伏和热太阳能收集器

相关申请的交叉引用

本申请要求按照35U.S.C.§119（e）（1）于2009年12月7日提交的临时申请号61/283,588的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

背景技术

传统的太阳能收集器具有低能量转换效率。一个典型的平板光伏（PV）电池板只将15%-20%的入射辐射能量转化成电能，而一个典型的平板集热器将大约50%的入射辐射能量转化成热量。因为它们不集中太阳能，平板集热器通常不能用在期望将一种流体加热到150℉以上温度的应用中。这导致本行业称呼的“低品质热量”。美国专利号4,392,008（以下简称“Cullis”中披露了一种具有代表性的平板装置。

传统的平板太阳能收集器还价格昂贵，主要是因为它们包含大量的硅太阳能电池。产生约250W电力的一个典型PV电池板包含约20平方英尺的硅太阳能电池，这要求太阳能级硅（例如6N纯度）。这些电池是典型太阳能电池板最昂贵的元件，即使是适合太阳能电池板使用的最便宜形式的硅。

因为它们的低效率和对尺寸增加的相应需求，传统的太阳能收集器通常庞大而笨重。这降低了它们的安装选项，或增加了安装的费用和灵活性。这使得用户使用最佳数目的太阳能电池的能力受到限制，以及最佳定位该太阳能收集器的能力受到限制。

这些缺点导致涉及集中辐射太阳能的各种尝试的解决方案。例如，海恩斯（Hines）等人披露了集中“具有传统平板光伏太阳能电池板的方便尺寸和市场接受度的模块（modules having a convenient size and market acceptance oftraditional flat photovoltaic solar panels）”公开号U.S.2007/0193620A1，其全部内容通过引用结合于此。霍赫贝格（Hochberg）和考斯登（Costen）（图1）披露了一种轻量、廉价的聚光太阳能收集器，其在圆筒形壳体中采用了一个抛物形反射器，美国专利号6,994,082，其全部内容通过引用结合于此。吉尔伯特（Gilbert）披露了一种低聚光光伏和热太阳能收集器，其采用“至少一个细长的横截面为V形的光束，第一和第二太阳光线的光反射组成该V形光束的侧柱的对应内部面的表面（at least one elongated cross-sectionally V-shape beam,a firstand second sunray light reflecting surfaces integral to the respective interior faces ofthe V-shape beam side legs）。”公开号U.S.2010/0282315，其全部内容通过引用结合于此。但是，此类聚光系统的缺点是：聚光光伏“在阳光明媚的天气运行最有效，因为云层和阴天条件产生漫射光，其本质上是不能集中的（operates mosteffectively in sunny weather since clouds and overcast conditions create diffuse light,which essentially cannot be concentrated）。”美国公开号U.S.2010/0282315，其全部内容通过引用结合于此。

以背景知识的方式，美国专利号6,111,190披露了一种由可用在太空中的轻量材料制成的菲涅耳（Fresnel）透镜太阳能集中器，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号6,075,200披露了一种适用于太空的拉伸的菲涅耳透镜太阳能集中器，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号6,031,179披露了一种用于太阳能集中器系统的混色透镜，其通过有色差地对光进行分散来提高功率输出，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号5,505,789披露了一种通过使用一个拱形的菲涅耳透镜阵列使用廉价材料获取高性能的光伏模块，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号5,498,297披露了一种使用乙烯膜将一个PV电池耦合到散热器的光伏接收器，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,719,904披露了一种被设计来最小化热量损失的太阳能热接收器，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,711,972披露了一种与光集中器一起使用的PV电池，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,672,949披露了另一种被设计来最小化热量损失的太阳能收集器，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,545,366披露了一种双聚焦的太阳能集中器，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号6,990,830披露了一种用于为消费者提供热能或冷能的系统和方法，其全部内容通过引用结合于此。美国公开申请号20010013207 A1披露了一种用于收集辐射能量的被动准直管状天窗，其全部内容通过引用结合于此。WO 2007109901 A1披露了一种用于太阳能收集器系统的支撑结构，其全部内容通过引用结合于此。WO 2007103300 A1披露了一种带有槽状反射器和吸收器用于接收太阳辐射的太阳能收集器，其全部内容通过引用结合于此。WO2007109899 A1披露了一种使用蓄热容器的能量供应系统以及与其一起使用的一种或多种太阳能收集器，其全部内容通过引用结合于此。WO 05090873 A1披露了一种带线性反射器和从该反射器间隔开的吸收器的太阳能收集器，用于接收太阳辐射并将来自其的热量输送到流体，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,224,082披露了一种多功能的太阳能收集器极，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,323,052披露了一种太阳能系统，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,392,008披露了一种结合电和热的太阳能收集器，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,491,681披露了一种与抛物线型或菲涅耳光学集中器一起使用的液体冷却的、线性焦距太阳能电池，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,700,013披露了一种混合PV和太阳热能的系统和集中器，其全部内容通过引用结合于此。美国专利号4,892,593披露了一种使用光漏斗、菲涅耳透镜及PV电池板的太阳能收集器，其全部内容通过引用结合于此。欧洲公开申请号EP 0384056 A1披露了产生热能和电能的太阳能收集器。

因此，目前存在对如下太阳能收集器的需要：该太阳能收集器的效率提高，对硅电池的需求降低，带有一个通过减少重量和体积增加安装选项的结构，并在阴天条件下的性能有所改进。此外，太阳能电池板出现故障，最常见的原因是由于电池板上的水渍。这导致了增加的费用、效率的损失和安装的限制，因为传统上建议不要水平安装电池板，以避免水的收集。水渍还由常出现的环境条件造成，如高湿度、雨水、和冷凝，使得在此类环境下使用太阳能电池具有挑战性。存在一种需求，以减少太阳能电池的故障并提供一个可以最小化在此类环境中使用太阳能收集器的挑战的选项。

发明内容

在一个优选的实施例中，本文所描述的太阳能集中器将入射太阳能转换成热量和电力两者。对热能输出和电能输出两者求和，本发明的一个实施例的转换效率为约80%。此外，本发明的一个优选实施例仅使用硅电池的面积的二十分之一来产生与一个传统的太阳能电池板相同量的电能，大大降低了材料成本。这是通过使用一个抛物线型槽式反射器将约二十平方英尺的入射能量集中到一个约一平方英尺的光伏电池上并将该反射器的光伏目标和热目标结合到一个装置中来实现的。此外，根据一个优选实施例，通过将该反射器的光伏目标和热目标结合到一个装置中并集成该PV和热太阳能收集器的结构元件，用户在安装位置和定位选项的灵活性上获得一个显著的优点，由于优化位置的能力这导致使用中效率的提高。本文的收集器本质上是高度模块化的，允许设计上的灵活性和定位上的实用性，如在有可用空间并且障碍物得到了最小化的屋顶上。例如，一个四单元的集中器可以被设计成产生1000W的输出。如果优选额外的功率输出，或者期望补充功率输出，可以结合附加单元以满足应用的需要。在一个优选实施例中，该几何结构在设计上符合空气动力学以限制风的阻力并最小化使用高强度材料的需要，以补偿环境应力。

此外，根据一个优选实施例，通过把该光伏目标和热目标结合到一个装置中（例如接收器），把该装置包在透明管中，并且把该管中的空气抽空，该光伏目标被从潮气及其他有害的环境元素中隔离，并且由于对流引起的热量损失得到了降低。

附图说明

参照附图从下面对特定实施例的详细描述中将可以更好地理解本文所描述的实施例的前述内容及其他方面和优点。

图1是本文所描述的太阳能收集器系统的一个实施例的方框图；

图2是本文所描述的太阳能收集器系统的另一个实施例的方框图；

图3是在图1中的太阳能收集器的覆盖管组件的图；

图4a是沿图1的A-A线的太阳能收集器的横截面；

图4b是沿图1的A-A线的太阳能收集器的另一个实施例的横截面；

图5描绘了图1中的太阳能收集器；

图6描绘了图5中的太阳能收集器的一部分；

图7是本文所列举的太阳能收集器实施例的屋顶安装支架的图。

图8a至图8i是本文所列举的太阳能收集器实施例的制造阶段的横截面视图。

贯穿这几个图中，同样的参考标记指的是相应元素。

具体实施方式

本文的实施例优选使用抛物槽中形成的一个反射面或镜面，以便该反射面将来自太阳的太阳辐射引导到悬挂在该反射面上方的一个接收器或一组接收器。本文的实施例被设计成产生电能和热能两者。

这个或这些接收器具有太阳能电池，优选在底部，以便这些太阳能电池或光伏电池产生电力。冷却时，太阳能电池更高效地运转。在一个优选实施例中，冷却流体流过这些太阳能电池的背面，以从这些太阳能电池中提取热量并调节其内部的电池温度。该冷却流体以加热流体的形式去除热量，以促进同时双重输出：电力和热流体。

由于该镜或镜面的形状，太阳能聚焦到一个点，太阳能集中到其上的一个焦点。一个优点是，构成这些太阳能电池的硅相对昂贵，而该镜面材料相对便宜，以便如果该镜面被最大化并且该硅被最小化，每单位输出功率的成本就被最小化。

在优选实施例中使用的太阳能电池在从约10倍到约100倍，更优选从约20倍到约50倍，更优选从约25倍到约35倍的浓度运转。

在优选实施例中，该系统在大体上直射的阳光下运转。由于该槽将光聚焦到一个点，优选当太阳穿过天空时跟踪太阳。还优选基于季节调整垂直取向，以最大化太阳输入。在一个优选实施例中，该跟踪系统使用了具有一个算法的微处理器，该算法能够准确地知道在一年中的任何一天的任何时间太阳在哪儿，并确定该太阳能集中器的最高效的定位。

一个实施例的示例是一个具有太阳能收集器的太阳能发电系统。该太阳能收集器可选地在一个优选实施例中具有一个盖，该盖提供了对恶劣天气的防护并且对热量损失隔离。该太阳能收集器使用一个或多个聚光反射器、一个或多个光伏电池、一个或多个肋以提供结构完整性、及一个光伏电池安装结构构成，优选与一个热量接收和输送介质接触。该输送介质是一种工作流体，如水和防冻剂的混合物。该热量接收介质可优选是在优选温度下的相变材料，例如蜡等物。此类固体的一个示例根据优选应用是具有从约115℉到约185℉的熔融温度的蜡。目标用途是常规加热时，可使用约115℉到约140℉的较低温度范围。对于空调应用，可以优选约170℉到约185℉的较高温度范围。这两种用途都是目标时，使用从约140℉到约170℉的一个中间温度。使用相变材料时，温度更容易调节并且可以吸收更大量的热量，使得此类材料成为优选的热量接收介质。

实施例中有一个盖时，该盖对太阳辐射半透明或透明。

在操作中，该聚光反射器将集中的太阳辐射引导到该一个或多个光伏电池上，其将所述集中的太阳辐射的一部分转化成电能，并且在一个优选实施例中，将所述集中的太阳辐射的一大部分转化成热能。该一个或多个光伏电池将该热能引导到该光伏电池安装结构并且该电池安装结构将所述热能引导到该吸热材料中，如可以将该吸收的热量传输到一些介质（如相变固体或其他吸热装置）的工作流体。

结构上，在一个优选实施例中，该盖、反射器、和多个结构肋完整地连接在一起，以使得它们支撑所述太阳能收集器。该反射器表面可以由作为镜面的一些材料制成。这些结构肋在一些实施例中可以是半透明的、透明的或反射式的。在其他实施例中，这些结构肋是在中间部分不存在材料的周长中形成的，以允许阳光直接接触该反射器的最大表面积并将最大量的阳光反射到该接收器。

在一个优选实施例中，该太阳能系统安装有一个倾斜机构，该倾斜机构提供了在一个垂直平面上倾斜所述太阳能收集器的能力。这基于太阳的轨迹在一年中的不同时间补偿了太阳光的入射角。此外，优选实施例具有一个旋转机构，以提供旋转该太阳能收集器的能力以在一整天的过程中增加、优化或最大化入射光。

在一个优选实施例中，该太阳能系统使用了一个与该倾斜机构通信的控制模块，其中该控制模块指导该倾斜机构将所述太阳能收集器倾斜到一个指定倾斜角。该控制模块优选使用与该太阳能收集器相关联的纬度和经度确定该指定倾斜角，以及所述太阳能收集器将要被倾斜的日期和时间。在一个优选实施例中，该太阳能系统的控制模块接收环境数据并且基于该环境数据确定何时将所述太阳能收集器放置在一种受保护的取向中中。该环境数据可以是振动数据。过度振动可能由该收集器在大风风暴中的振动引起。在这种情况下，振动数据可能会导致该控制模块将该收集器的面翻下，以保护其不受例如随风飞舞的碎片的袭击。该环境数据还可以是该太阳能收集器上的入射太阳辐射的测量值。

在一个实施例中，该控制模块接收来自该太阳能收集器的运行数据，并基于该运行数据调整所述指定方向。该运行数据可以是来自该光伏电池的电压数据并且可以选择所述指定倾斜角和旋转以最大化该电压数据。该运行数据还可以是来自该太阳能收集器的温度数据并且如果该系统过热可以选择该指定倾斜角以优化所述温度或降低该温度数据。该运行数据还可以是流体流速并且可以选择该指定倾斜角以将该太阳能收集器放置在一种受保护的取向中。本文的太阳能系统的一个实施例使用了一个开关，该开关使该控制模块将该太阳能收集器放置在一种受保护的取向中。

在一个优选实施例中，该太阳能系统使用了一个透明或半透明的覆盖管和围绕该电池安装结构及该一个或多个光伏电池放置的两个端帽。该透明覆盖管、端帽、及电池安装结构在所述光伏电池周围创造了一个密闭体积。

在一个实施例中，该太阳能系统使用了一个冷却系统，该冷却系统包含一种吸热介质（如蜡）以及一种工作流体（如水和乙二醇的流体混合物）以移动可以存储在所述吸热介质中的热量，其优选是一种相变介质以调节温度并最大化热量存储。在一个优选实施例中，该太阳能系统的覆盖管是密闭的并且其空气被抽空，以减少远离该电池安装结构和该一个或多个光伏电池的热能的对流。该太阳能系统还可以使用施加到该透明覆盖管的内部的反射涂层，使得该反射涂层朝向该电池安装结构反射所集中的太阳辐射。

在另一个实施例中，该太阳能系统还可以包含多个电池安装结构和多个光伏电池，其中该多个电池安装结构成直线放置并且这些结构还可以包括轴向对齐的多个孔，一个或多个流体管以该多个对齐的电池安装结构的长度与穿过该孔。在一种替代结构中，相变介质用于替代该流体。在另一个替代方案中，这些流体管与这些安装结构接触，以冷却这些光伏电池或从该收集器吸收和收集热量。

该太阳能系统的实施例优选使用了一个反射器，该反射器将太阳辐射集中到该多个光伏电池的区域上，即从该反射器的表面积的约十分之一到百分之一，由此产生约10X至约100X浓度的太阳辐射，优选从约二十分之一到约四十分之一，更优选从约二十五分之一到约三十五分之一，最优选约三十分之一或约二十分之一。

在一个实施例中，该多个光伏电池包括单结硅太阳能电池，在所述单结硅太阳能电池中的P+和N+区段之间的间距小于100微米，以允许这些单结太阳能电池在约20X至30X浓度的太阳辐射下的线性操作。在约10X以上的浓度范围下的操作要求此类小间距。该太阳能系统可具有包括单结硅太阳能电池的多个光伏电池，在这些P+和N+区段之间带多个纳米结构（如纳米管结构），以允许所述单结太阳能电池在特定浓度的太阳辐射下的线性操作。

在另一个实施例中，该多个光伏电池包括多结砷化镓（GaAs）光伏电池，如从Spectrolab公司可得的。虽然它们更昂贵，GaAs电池的效率可以超过40%，显著高于单结硅太阳能电池。一个更进一步的实施例采用了带磷化铟镓（GaInP）的光电池。GaInP光伏电池具有的效率比硅电池更高，如掺杂硼的丘克拉斯基法（CZ）硅晶片或掺杂浮区（FZ）的晶片。其他的替代品包括掺镓的CZ（GA：CZ）、磁种植CZ（MCZ）、和掺硼的FZ硅（B：FZ）。所有这三种材料已被证明在曝光（LID）后不表现出可测量的降解并且导致较长有效寿命的电池。

可以在本文的实施例中采用替代效率技术，例如使用如随机金字塔纹理表面的优选纹理来降低反射、使用如氮化硅抗反射涂层的抗反射涂层，可以使用激光加工的窄线宽来最小化遮光，还可以使用高导电性的铜金属化。

本文的优选实施例包括一种制造用于后期组装的太阳能收集器的方法。该制造包括创建一个盖、一个反射器、多个肋、和一个覆盖管组件。可以在运输之前或之后组装这些部件。如果例如在运输后组装这些部件，该反射器可围绕所述肋放置以形成聚光反射器。可以围绕该覆盖管组件放置这些肋以将该覆盖管组件放在该聚光反射镜的一个焦点处，并且可以围绕该覆盖管组件将所述盖放置在一个由该聚光反射器确定的位置处。

现在参看图1至图6，示出了聚光光伏和热太阳能收集器的优选实施例，下面进一步详细描述此类图。在图1中，一个方框图示出了由框架33固持并被取向成接收太阳辐射的太阳能收集器1。冷却流体供应2连接到太阳能收集器1以将流体引导通过覆盖管组件3。反射器4将太阳辐射引导到覆盖管组件3上。反射器4具体将太阳辐射引导到光伏电池5上（见图3），光伏电池5是覆盖管流体组件3的一个元件。覆盖管组件3吸收并且将来自太阳辐射的部分能量传输到冷却流体供应2供应的流体中。变热的流体离开覆盖管组件3进入温热流体回路6。温热流体回路6将变热的流体引导到使用温热流体的装置（未示出）（如散热器、储罐）或本领域普通技术人员已知的其他装置。覆盖管组件3还通过光伏电池5的方式将该太阳辐射的一部分转化成电能。覆盖管组件3通过电源引线7输出DC电力。

参看图2，在一个实施例中，电源引线7连接到DC-AC逆变器8，该逆变器输出AC电力。旋转致动器和传感器9以一种允许旋转致动器和传感器9绕着与覆盖管组件3的轴线平行的轴线旋转太阳能收集器1的方式将太阳能收集器1连接到基座12。这种旋转允许旋转致动器和传感器9放置太阳能收集器1，以跟踪太阳在天空中的每天运动的至少一部分。倾斜致动器和传感器11以一种允许倾斜致动器和传感器11绕着与覆盖管组件3的轴线垂直的轴线枢转太阳能收集器1的方式将太阳能收集器1连接到基座12。这种枢转允许倾斜致动器和传感器11放置太阳能收集器1用于太阳的季节性跟踪。

冷却流体供应2配备有输入温度传感器14和流体流量传感器15。温热流体回路6配备有输出温度传感器16。电源引线7配备有DC电压传感器17和DC电流传感器18。倾斜致动器和传感器11、旋转致动器和传感器9、输入温度传感器14、流体流量传感器15、输出型温度传感器16、DC电压传感器17、和DC电流传感器18被放置为与控制和接口模块13通信。控制和接口模块13调节流体流量以将流体温度保持在150℉-175℉的设计范围内。在一个实施例中，控制和接口模块13通过USB电缆20与个人计算机19通信。本领域普通技术人员会理解，这些传感器与控制和接口模块13之间以及接口模块13与计算机19之间的通信可以以无线方式进行。

图3描绘了覆盖管组件3的一端以及从反射器4接收太阳辐射的一侧。电绝缘的导热弹性体材料可用于将该PV安装到散热器上。光伏电池5安装在电池安装结构21上。芯流体管22通过孔28穿过端帽23（见图4a）。芯流体管22和电池安装结构21之间的热连接是通过最小化两者之间的空间并且用导热油脂（未示出）或电绝缘的导热弹性体材料（未示出）填充剩余空间来完成的。盖管24对太阳辐射透明并且围绕着光伏电池5、电池安装结构21、和芯流体管22。盖管24滑入并且密封端帽23。电源引线7通过引线出口25穿过端帽23。

覆盖管组件3每一端具有一个端帽23。端帽23由铝制成，并且与盖管24和芯流体管22结合组成一个气密密封。尽管其他材料（包括模制的塑料）可用于端帽3，必须小心将所选择材料的热膨胀系数与盖管24和芯流体管22的相匹配。在优选实施例中，匹配和密封是用由乙烯丙烯二烯橡胶（epdm）或乙烯-丙烯橡胶（EPR）制成的“O”型环（未示出）完成。可替代地，可以通过金属化盖管24的一部分并且将端帽23焊接到其上，或者通过将熔融的玻璃料用于粘结来实现密封。在一个实施例中，一个端帽23可以是可移除的，而另一个是永久粘结的。这允许拆卸覆盖管组件3用于维护或升级。一个端帽23为电源导线7（见图1）提供一个导线出口25。优选地，导线出口25在电源导线7选路穿过它后被密封。一个端帽23提供了一个用于抽气的管和阀门（未示出）。可替代地，该管和阀门可以由铜管取代，该铜管可以是抽气后冷焊的，如制冷系统中通常使用的。

图4a是沿图1的A-A线的太阳能收集器的横截面。覆盖管组件3与光伏电池5一起放置在反射器4的焦点附近并且由反射器肋26（见图5）保持在适当位置。前盖27对太阳辐射透明并被连接到反射器4，覆盖管组件3包含在所创建的空间中。入射太阳辐射穿过前盖27。该入射辐射的一部分也穿过盖管24以撞击电池安装结构21。电池安装结构21吸收并将许多此辐射转换成热能。该热能被引导穿过整个电池安装结构21到达芯流体管22，其与电池安装结构21热接触并有助于加热来自冷却流体供应2（图1）的流体。没有立即通过盖管24的辐射继续并且反射离开反射器4，被反射器4的聚焦形状集中，穿过盖管24，并撞击光伏电池5。光伏电池5根据其效率将该太阳辐射转化成电能，吸收作为热能的许多剩余的太阳辐射，并将其引导到电池安装结构21、芯流体管22、和内部的流体。

在一个优选实施例中，芯流体管22是一个单一的铜管，约8英尺长和1/2英寸标称ID。外部泵（未示出）通过芯流体管22泵送待加热的流体。通过将芯流体管22以太阳能收集器1的长度限制在一个单一的铜管，最小化了该收集器内的流体泄漏。用铜制造芯流体管22提供了长寿命，虽然其他材料包括不锈钢可能合适。应避免容易腐蚀的材料。并且，在本实施例中电池安装结构21是一个其中有孔28的挤压铝件。芯流体管22在孔28的内部滑动，以在电池安装结构21与来自冷却流体供应2的工作流体（其在一个优选实施例中是水和防冻流体）之间提供一个热路径。电池安装结构21为光伏电池5提供了一个平坦的安装表面。

在本实施例中，一些太阳辐射被转换成电力。更多的作为热量被捕获，并传输到该工作流体。向该流体传输热量产生来自收集器组件1的热量输出。从电池安装结构21去除热量降低了光伏电池5经历的温度，这使得它更加高效。在一个优选实施例中，电池安装结构21与芯流体管22之间的热连接被导热油脂或浆料（未示出）增强。可替代地，电池安装结构21可以被压装或卷曲到该芯流体管22之上。除了用铝挤出成型电池安装结构21之外，可以使用其他金属例如铜或任何好的热导体。可替代地，可以使用好的导热塑料模制结构21。

在一个实施例中，覆盖管组件3去除了芯流体管22。来自冷却流体供应2的流体通过电池安装结构21中的孔28流到温热流体回路6。

本发明的一个特征是，该工作流体被来自反射器4的集中的太阳辐射加热。一些辐射被转化成电能，而很多辐射作为热量被捕获并被传输到该工作流体。这允许该工作流体达到和保持在150℉-175℉。这种高温在业内被称为“高品质”热量。此类温度在不集中太阳光线的集热器中是不能达到的，如Cullis所披露的。在20X或以上的太阳能浓度须达到被认为具有“高品质”的流体温度。10X以上的浓度要求对PV太阳能电池改动，如上面所讨论的更小的结间距。约50X以上的浓度甚至要求对PV太阳能电池的进一步和更昂贵的改动。因此，20X的最佳浓度提供了显著地足够高的流体温度以使所收集的热能被认为是“高品质的”，并且可仅通过对该PV太阳能电池的轻微改动实现，保持产生电能的低成本。

该优选实施例在太阳能收集器1中使用了八个电池安装结构21，每个1英尺长。这有利于安装光伏电池5。人们会理解，较长的电池安装结构21部分可用在长达太阳能收集器1的长度。这将有利于去除芯流体管22。电池安装结构21需要具有良好的热传递特性。它还应该允许光伏电池5和包括电池安装结构21的材料的不同热膨胀特性。在该优选实施例中，这是通过使用一种灵活的高温传导性粘合剂实现的。替代粘结过程可能涉及压装接片或可弯曲的接片，以保护这些光伏电池。还可以完成该光伏电池5与包括电池安装结构21的材料的热膨胀的匹配—允许使用两者之间的刚性粘结。

反射器4是弯曲和保持在一个抛物线形状中的一块抛光的不锈钢金属薄片，其将入射辐射聚焦到覆盖管组件3及封装在其中的光伏电池5和电池安装结构21上。反射器4还可以由其他材料如铝或塑料制成。该优选实施例使用压敏粘合剂纳入了粘结到该反射器的反射膜30，以较低的成本产生一个高反射表面。这比抛光反射器4本身的表面更可取。该优选实施例中使用的特定的膜是：ReflecTech镜膜^TM。

在该优选实施例中盖管24一直都是透明的。来自反射器4的集中的辐射能量从距离反射器4最近的盖管24的大约一半处进入。在一个实施例中，图4b所描绘的反射涂层29或物理反射器被添加到与反射器4相对的盖管24的一半。反射涂层29将集中的太阳辐射反射回电池安装结构21上。

参见图5，优选实施例的组件涉及将电池安装结构21（其中八个附装有光伏电池5）滑到芯流体管22之上。电池安装结构21用固定螺钉固定到位并且用导热浆料或油脂（未示出）确保良好的热接触。一旦所有的电池安装结构到位，进行电连接将光伏电池5放置在电串联中（未示出）。芯流体管22被用作导体返回从一端光伏电池5到相反端的端帽23的连接，以便两个电触头可以由覆盖管组件3的同一侧制成。多个太阳能收集器1可以连接在一个系统中，优选为每一个提供一个DC-AC逆变器8（见图2，可替代地这可以是一个DC-DC转换器）。这消除了被遮光的收集器1从完全被照亮的单元分流电流的风险。在一个实施例中，此类逆变器被添加到每个单个电池安装结构21以提高性能。

光伏电池5是将入射辐射转换成电力的元件。在该优选实施例中，光伏电池5正以20X或更高浓度的入射辐射运转。在本行业中，这被称为介质浓度。高浓度是近似100X-1000X。在该优选实施例中，光伏电池5是单结硅太阳电池，因为它们成本效益最高。可使用其他技术电池，如GaAs、掺杂Ga的硅或本文所讨论的其他材料或多结技术，每一个具有特定的成本-性能的权衡。

由中等电阻率材料制成的典型的单结硅太阳能电池在20X浓度下运转不好—它们在约5X下工作更好。5X以上时据说它们变成非线性。随着入射能量浓度在类似于内部分流电阻增加的现象中上升，其输出电流下降。这些物理限制是可跟踪的，部分由于PN结中的少数载流子重组以及这些电触头的物理电阻的上升。

仍然关于图5，在该优选实施例中光伏电池5、电池安装结构21（见图4a）、和芯流体管22全部包含在盖管24内。盖管24由硼硅酸盐玻璃制成，其能够透射陆地太阳光谱，维持高温并且很坚固。铝质适配器板（未示出）被放置这些电池安装结构21（见图4a）之间并且围绕着芯流体管22以将芯流体管22的位置保持在该盖管24内。该铝质适配器板可以具有另一种材料，但在为盖管24内的这些元件选择材料时必须小心，因为它们也在入射能量的20X强化束中并且将会变热。可替代地，该适配器板的功能可被纳入到电池安装结构21中，省去了对这些适配器板的需求。

要提高太阳能收集器1的整体热效率，覆盖管组件3内部的气室被抽空。这最小化了对流损失并且最大化了流入芯流体管22中的流体中的热量。在该优选实施例中，抽空进行到“低真空泵”级别，通常为10^-3mmHg的绝对压力。可替代地，可以使用高真空泵或吸气器或两者的组合来实现更高的真空度。较高的真空度将导致更少的对流热量损失。在一个实施例中，用具有比空气低的热导率的气体填充了覆盖管组件3，这增加了热效率，而不需要创建和维护高真空度。

肋31和端肋32为反射器4形成了一个安装结构，将其保持在适当的抛物线形状中。每个肋31和端肋32由铝片制作，约1/8”厚并纳入了用于牢固地附装到反射器4和前盖27的功能。在肋31中创建槽35以接收盖管34（见图5）。在太阳能收集器1的每一端，端肋32包括用于固定各个端帽23的特征并且这保持覆盖管组件3。端肋32提供了用于将整个收集器安装在一个框架33中的功能。端肋32还提供了安装该系统的旋转轴承（未示出）。可以使用可替代的制造技术，如纳入该反射器和肋结构的成型或挤出成型的金属或塑料组件。

肋31、端肋32、反射器4、和前盖27集成在一起，以形成太阳能收集器1的支撑结构。现在关于图6，在反射器4和肋31和或端肋32之间战略上放置的紧固点33以及前盖27和肋31和或端肋32之间的紧固点（未示出）提供了结构完整性。用于肋31和端肋32的铝形成为95%的反射。该优选实施例在点33处使用波普铆钉将反射镜4固定到肋31或端肋32上，并使用索环螺丝将前盖27固定到肋31或端肋32上。可替代的固定手段包括焊接、压接或粘合剂。通过把肋31和端肋32、反射器4、和前盖27集成在一起实现的结构完整性允许以最小化其重量和体积的方式来制造太阳能收集器1。这极大地扩展了其安装选项，尤其使得它可用于非工业装置。

组装后，太阳能收集器1的优选实施例为30英寸宽94英寸长，收集面积为2820平方英寸且焦距为一英尺。在图5中所示的取向中，框架33和太阳能收集器1的组合高度为24英寸。并且太阳能收集器1在该八个电池安装结构21上采用32个光伏电池5，每个电池宽1.3英寸。

在该优选实施例中，前盖27是透明的并且不具有透镜特征。前盖27保护覆盖管组件3和反射器4免受灰尘、雨水和损坏。前盖27在结构上附装到肋31和端肋32二者和反射器4上，并且由约1/8英寸厚的透明聚碳酸酯制成。聚碳酸酯是一种紫外线（“UV”）稳定材料。由于长期的UV照射和结构方面，选择材料时必须小心。通常情况下，UV稳定聚碳酸酯具有10到15年的“日晒”寿命。光伏电池5和其他系统部件可能持续15到25年。前盖27可以是可更换的，以允许太阳能收集器1具有更长的使用寿命。并且要维持太阳辐射的高效传输，可定期清洗前盖27或配备一个一次性透明片材（未示出）。

回到图2，聚光收集系统在配备有旋转跟踪时运转最好，该旋转跟踪使该系统保持朝向太阳光线。在一个优选实施例中，倾斜致动器和传感器11可以使用一个蜗轮传动机构（未示出），该机构中有大型传动齿轮（未示出）附装到端肋32（见图5）。小型蜗轮（未示出）相切安装到该大型传动齿轮。使用大的缩小率，从而允许一个小的12v DC电动机（未示出）影响运动。大的缩小率还提供对风压的阻力，并防止该电池板不经意间移动。可替代的实施例使用了一个链条或皮带传动机构，或是一个作用于运动弧度的切线上的直线传动机构。在该优选实施例中该旋转范围比简单地跟踪太阳所需的宽得多。该旋转范围大到足以允许太阳能收集器1被放置成前盖27朝“向下”并且由反射器4对恶劣天气进行防护。这可能会使得该系统幸免于风暴，或防止可能会损坏前盖27或覆盖管组件3的过度灼热，或通过在夜间保护前盖27而简单地延长系统寿命。在一个实施例中，通过将一个停泊结构（未示出）添加到框架33并将太阳能收集器1“嵌套”进该停泊结构中，安排此类“向下”或安全位置以进一步保护太阳能收集器1。

倾斜跟踪全年提供最佳太阳能收集器1的对齐。倾斜范围小于旋转范围。倾斜跟踪有时称为第二轴线追踪。在该优选实施例中，该倾斜致动器和传感器11（图2）使用齿条和齿轮传动（未示出）。可替代地，可以使用一个直线传动机构。

控制和接口模块13的一个功能是使用该旋转致动器和传感器9和倾斜致动器和传感器11保持所需的太阳能收集器1的对齐。一旦安装了太阳能收集器1，可以计算出一个给定的时间和地点下的适当倾斜和旋转。不需要反馈。在日期和时间的基础上，控制和接口模块13调整倾斜和旋转，用于太阳能收集器1与太阳光线的最佳对齐。局部特征可能遮蔽太阳能收集器1，并且在一个实施例中采用了一个基于使功率输出“达到峰值”的反馈回路来将太阳能收集器1放置在提供该峰值功率输出的倾斜和旋转处。

控制和接口模块13的另一个功能是保护太阳能收集器1。如果光伏电池5过热，太阳能收集器1可能会损坏。如果芯流体管22内的流体流量被中断，这可能会发生。随着来自流体流量传感器15的输入表示流量减少，控制和接口模块13可以调整该倾斜或旋转以将太阳能收集器1从与太阳光线的最佳对齐移开，从而保护光伏电池5免受损坏。在一个实施例中，温度传感器（未示出）被纳入到电池安装结构21中或上，其输入到控制和接口模块13，这决定了光伏电池5的工作温度并根据需要调整太阳能收集器1的倾斜和旋转。控制和接口模块13还被编入了日出和日落运算，导致它晚上将该太阳能收集器“向下”旋转（前盖27在反射器4下方）。并且，在潜在有破坏性的风暴的情况下，开关（未示出）允许操作者使控制和接口模块13将该太阳能收集器1“向下”倾斜。可替代地，如多轴加速度计的运动传感器可以固定在太阳能收集器1上来表示振动，如由强风引起的振动。在这种情况下，如果振动超过设定的阈值，控制和接口模块13可以自动将该太阳能收集器停泊在“向下”的位置。

图6示出了图5的太阳能收集器的一部分，具有紧固点34和框架33的特点。

图7示出了在本文所描述的太阳能收集器的实施例中有用的屋顶安装支架，并且对在表面上高效地安装特别有用，以允许在旋转轴和倾斜轴两者中的全面的运动范围。如图7上所示，750是安装管，751是支架板，752是管和板上的孔，753是板上的孔，并且754是密封套。通过使用一端扁平并钻有若干孔的标准直径大小的管可以安装该收集器框架，以便它可以被固定到屋顶下的屋顶托梁上。该管的圆端将突出通过屋顶并且作为该收集器框架组件的一个倾斜支点肘的安装点。标准的管道排气管屋顶密封套将用在所有四个突出的管道以将该管道密封到屋顶上。这些通风口密封套在管道行业中用于管道屋顶突出的标准。所产生的安装管道还将允许用于该收集器的电气和管道设施从屋顶下穿过，它们将在那里受到保护免受风化和热量损失。

图8a至图8i示出了本文中所描述的一个实施例的太阳能接收器的横截面层状结构。图8a描绘了{111}晶向的晶片899，直径约100mm至约150mm，厚约2mm至约5mm，掺硼约0.2ohm-cm至约0.5ohm-cm。可替代地，该硅可以是晶体的、多晶的、黑色无定形的、掺杂了镓的、或普通技术人员已知的其他硅。图8a示出了顶部和底部上的氧化物层898，5000埃厚，中间有一个硅层897。图8b示出了去除的顶部氧化层。在此步骤中，可以在顶部蚀刻一个5微米深的金字塔形状。如本领域普通技术人员所知，可以使用其他取向。图8c示出了掺杂的硅层896，其可以例如掺杂有磷并且对为例如0.01ohm-cm2的电阻可以是0.1微米深。图8d示出了在纹理表面895顶部的600埃厚的氮化物。图8e示出了氮化物表面895的顶部之上的10微米厚的光致抗蚀剂894的顶部涂层。图8f示出了穿过该氮化物表面的顶层的湿法蚀刻。图8g示出了在有约200埃至约250埃的层的顶部和底部上钛、钯的汽相淀积。图8h示出了用丙酮超声波清洁去除光致抗蚀剂。图8i示出了一个电镀步骤，该步骤中其上沉积了一个35微米厚的银层。

下面的图表中示出了本文中的实施例的一个优点。下面第一张图是在不同的两天中同一个收集器的性能的比较。第一天是晴天并在收集器槽上的完整太阳入射。第二天有薄雾，天空中的云有高有低。可以从这两条线看出，电气性能几乎相同。考虑到这两条曲线下的面积，确定下降为约7%。与本文的实施例相一致的收集器保持几乎相同的电输出，至少部分是由于太阳辐射的大角度接受。

相比之下，高浓度收集器系统在雾天或阴天演示出巨大的功率衰减。下面的第二张图示出了代表高浓度太阳能收集器的热量收集的两条线。可以看到，所收集到的电量在雾天低了25%。晴天和雾天之间功率输出上的这种差异主要归因于高云反射和吸收的光谱部分的减少。

虽然前面的描述和附图代表本发明的优选实施例，但应理解为，可以在不背离所附权利要求中所限定的本发明的精神和范围的情况下在其中做出各种增补、修改和替换。特别是，本领域普通技术人员将清楚，本发明可以在不脱离其精神或基本特征的情况下以其他特定的形式、结构、安排、比例并用其他元件、材料和部件体现。因此，目前披露的实施例在所有方面将被认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求表明并且不局限于前面的描述。

Claims

1.一种包括太阳能收集器的太阳能系统，所述太阳能收集器本身包括一个盖、一个聚光反射器、一个光伏电池、多个肋、及带有一个内部孔的一个电池安装结构，该内部孔包含一种工作流体，其中：

所述盖对太阳辐射透明，

所述聚光反射器将集中的太阳辐射引导到所述光伏电池上，

所述光伏电池将所述集中的太阳辐射的一部分转化成电能并将所述集中的太阳辐射的一大部分转化成热能，

所述光伏电池将所述热能引导到所述电池安装结构，并且所述电池安装结构将所述热能引导到所述工作流体中，并且其中：

所述盖、所述反射器、以及所述肋一体地连接在一起，以使得它们支撑所述太阳能收集器。

2.如权利要求1所述的太阳能系统，进一步包括一个倾斜机构，该倾斜机构提供了倾斜所述太阳能收集器的能力。

3.如权利要求1所述的太阳能系统，进一步包括一个提供倾斜所述太阳能收集器的能力的倾斜机构以及一个提供旋转所述太阳能收集器的能力的旋转机构。

4.如权利要求2所述的太阳能系统，进一步包括一个与所述倾斜机构通信的控制模块，其中所述控制模块引导所述倾斜机构将所述太阳能收集器倾斜到一个指定倾斜角。

5.如权利要求4所述的太阳能系统，其中所述控制模块使用与所述太阳能收集器相关联的纬度和经度确定所述指定倾斜角，以及所述太阳能收集器将要被倾斜的日期和时间。

6.如权利要求4所述的太阳能系统，其中所述指定倾斜角将所述太阳能收集器放置在一种受保护的取向中。

7.如权利要求6所述的太阳能系统，其中所述受保护的取向包括将所述反射器放置在所述电池安装结构和所述盖之上。

8.如权利要求6所述的太阳能系统，进一步包括一个嵌套结构，并且其中所述受保护的取向包括保护所述盖的所述嵌套结构。

9.如权利要求6所述的太阳能系统，其中所述控制模块接收环境数据并且基于所述环境数据确定何时将所述太阳能收集器放置在所述受保护的取向中。

10.如权利要求9所述的太阳能系统，其中所述环境数据是振动数据。

11.如权利要求9所述的太阳能系统，其中所述环境数据是对所述太阳能收集器上的入射太阳辐射的测量值。

12.如权利要求4所述的太阳能系统，其中所述控制模块从所述太阳能收集器接收运行数据，并基于所述运行数据调整所述指定方向。

13.如权利要求12所述的太阳能系统，其中所述运行数据包括来自所述光伏电池的电压数据并且选择所述指定倾斜角以最大化所述电压数据。

14.如权利要求12所述的太阳能系统，其中所述运行数据包括来自所述太阳能收集器的温度数据并且选择所述指定倾斜角以改变所述温度数据。

15.如权利要求12所述的太阳能系统，其中所述运行数据包括流体流速并且选择所述指定倾斜角以将所述太阳能收集器放置在一种受保护的取向中。

16.如权利要求4所述的太阳能系统，进一步包括一个开关，其中所述开关使所述控制模块将所述太阳能收集器放置在一种受保护的取向中。

17.如权利要求1所述的太阳能系统，进一步包括围绕所述电池安装结构和所述光伏电池放置的一个透明覆盖管和两个端帽，并且其中所述透明覆盖管、所述端帽、及所述电池安装结构围绕所述光伏电池创建一个密闭体积。

18.如权利要求17所述的太阳能系统，进一步包括在所述电池安装结构内的一个孔和一个流体管，其中所述流体管放置在所述孔内并且与所述电池安装结构热接触。

19.如权利要求17所述的太阳能系统，其中所述密闭体积的空气被抽空，以减少远离所述电池安装结构和所述光伏电池的热能的对流。

20.如权利要求17所述的太阳能系统，进一步包括施加到所述透明覆盖管的内部部分的一个反射涂层，其中所述反射涂层朝所述电池安装结构反射所述集中的太阳辐射。

21.如权利要求18所述的太阳能系统，进一步包括多个电池安装结构和多个光伏电池，其中所述多个电池安装结构与所述轴向对齐的孔成直线放置，并且所述流体管以所述多个对齐的电池安装结构的长度贯穿该孔。

22.如权利要求21所述的太阳能系统，其中所述反射器将所述太阳辐射集中到所述多个光伏电池的一个区域上，该区域是所述反射器的表面积的二十分之一，由此创建20X浓度的太阳辐射。

23.如权利要求22所述的太阳能系统，其中所述多个光伏电池包括单结硅太阳能电池，在所述单结硅太阳能电池中的这些P+和N+区段之间的间距小于100微米，以允许所述单结太阳能电池在所述20X浓度的太阳辐射下的线性操作。

24.如权利要求22所述的太阳能系统，其中所述多个光伏电池包括单结硅太阳能电池，在这些P+和N+区段之间带多个纳米管结构，以允许所述单结太阳能电池在所述20X浓度的太阳辐射下的线性操作。

25.一种包括太阳能收集器的太阳能系统，所述太阳能收集器本身包括一个盖、一个聚光反射器、一个光伏电池、多个肋、及带有一个内部孔的一个电池安装结构，该内部孔包含一种工作流体，其中：

所述盖对太阳辐射透明，

所述聚光反射器将集中的太阳辐射引导到所述光伏电池上，

所述盖、所述反射器、以及所述肋被连接起来以创建一个一体式单元，其中所述一体式单元保持着所述反射器的期望几何结构，而无需来自附加结构的辅助。

26.一种制造太阳能收集器用于后期组装的方法，该方法包括：

创建一个盖、一个反射器、多个肋、和一个覆盖管组件，其中在后期组装中将围绕所述肋放置所述反射器以形成一个聚光反射器，围绕所述覆盖管组件放置所述肋以将所述覆盖管组件放置在所述聚光反射镜的焦点处，并且围绕所述覆盖管组件将所述盖放置在一个由所述聚光反射器确定的位置处。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述覆盖管组件包括一个孔，用于包含一种工作流体。

28.如权利要求26所述的方法，其中所述覆盖管组件包括至少一个光伏电池。