CN104160220A - 用于太阳能设备的太阳能跟踪器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种使用热致动转动太阳能设备以跟踪太阳的运动由此改善该太阳能设备的太阳能输出的太阳能跟踪设备。通过使用太阳能收集器和太阳能接收器会聚太阳辐射生成热致动。在被加热时膨胀的介质与太阳能接收器热连通，并且驱动致动器来转动所述太阳能跟踪设备以跟踪太阳的运动。所述介质可以是诸如固体石蜡的相变材料。转动致动可以使用主外壳内的螺旋槽以及耦接至伸出主外壳的转轴的凸轮随动件来执行。在一天结束时，重力和/或机械回复力的组合可以帮助该系统返回初始位置，使得该系统准备好在下一天接收太阳辐射。

Description

用于太阳能设备的太阳能跟踪器
背景技术
1.技术领域
本申请一般地涉及太阳能领域，尤其涉及增加太阳能系统的能量输出。
2.相关背景技术
可再生能源愈发被看作是在降低温室气体排放和对化石燃料的依赖性的同时满足日益增长的能量需求的解决方案。政府的能源政策、可再生能源技术的进步以及增加的投资已经促成了众多各式各样的可再生能源技术的快速增长。
太阳能设备是可再生能源领域中一个增长最快的分支。例如，并网光伏(“PV”)太阳能设备在2004至2009年之间以平均60％的年率增长。单在2009年，全球就增加了估计7GW的并网PV能力。正在使用或开发的其他太阳能技术包括集中式太阳能发电(“CSP”)、太阳能热水加热系统、太阳能食物烹调器、太阳能作物烘干器、太阳能蒸馏器和海水淡化器等。
成本是可再生能源安装的主要驱动力。具体地，可再生能源典型地每瓦特比包括煤和天然气的化石燃料能源昂贵。与诸如太阳能的可再生能源相关联的主要成本是初始资本成本和维护成本。虽然诸如光伏之类的某些太阳能技术的成本归因于技术进步以及生产规模和完备性的增加而正在下降，但是太阳能通常仍然无法实现与化石燃料能源等价的成本。
在太阳能系统中，效率是该系统可用能量输出的重要方面。例如，商用PV电池典型地具有小于20％的入射太阳能转换效率。影响太阳能发电的其他因素包括安装地点处入射太阳能的量以及太阳辐射在太阳能系统上的入射角。
为了增加效率，众所周知可在整个白天将太阳能设备定向在太阳能量最大暴露的方向上。这一被称为太阳能跟踪的定向控制相比于固定定向太阳能设备能够在整个白天增加约20-40％的能量输出。太阳能跟踪器通常用单个轴或使用双轴来跟踪太阳的运动。单轴跟踪器具有一个转动轴，其可以水平、竖直、或相对于水平以某一角度倾斜定向，其中倾斜角通常基于安装的纬度调整。双轴跟踪器能够在水平和竖直两个方向上跟踪太阳，并且由此为太阳能系统提供最优太阳能输出。然而，基于单轴跟踪太阳的运动以约30％的输出增加提供了优于固定定向的最大益处，而附加轴跟踪仅提供另外约6％的能量输出。
太阳能跟踪通常由主动或被动控制系统实现。主动太阳能跟踪器使用传感器或预定数据找出太阳的当前位置，并且主动地定向太阳能设备以使其面向太阳(例如，使用马达、齿轮和计算机)。虽然主动跟踪器可以使用已知的太阳位置来定向并且因此不太会经历由于太阳波动(例如，经过云等)而引起的不准确性，但是它们通常在初始安装和维护成本两方面上都很昂贵。
被动太阳能跟踪器不使用马达来定向太阳能设备。一种商用的被动太阳能跟踪器使用太阳的能量将挥发性液体从位于太阳能电池板一侧上的罐移动至该太阳能电池板另一侧上的罐，这随后允许通过重力来定向该电池板。这一技术是昂贵、不准确、易于受阵风干扰的，并且需要大的液罐来定向大的太阳能系统。此外，这一类型的系统在一天结束时朝西，并且无法在夜间重定向至朝东。因此，液罐太阳能跟踪器需要在清晨太阳升起之后花费时间来使其重定向至朝东。当前，主动和被动太阳能跟踪器两者都是太阳能系统中的可观成本部件。出于这些原因，许多太阳能安装是固定定向并且不使用太阳能跟踪器。
发明内容
本发明的实施例一般地涉及使用热致动在整个白天跟随太阳运动的太阳能跟踪器。太阳能跟踪器通常包括收集器，该收集器在大致位于其焦点或聚焦区域处的接收器上会聚太阳辐射。接收器吸收会聚的太阳辐射并且加热热膨胀介质。由该热膨胀介质引起的液压力使收集器围绕转动轴转动，使得收集器在整个白天领先太阳的运动。收集器的转动还使太阳能设备转动，使得太阳能设备在整个白天通常面对入射的太阳辐射的方向。在各种配置中，通过重力和/或机械弹簧力提供太阳能跟踪器至初始位置的返回，使得其在下一天开始时朝东。
根据符合各实施例的一个方面，所述太阳能跟踪设备包括：可转动地耦接至转动轴的太阳能收集器(例如，抛物线槽等)；具有中心轴的太阳能接收器，所述太阳能接收器相对于所述太阳能收集器布置，使得所述中心轴大致处于所述太阳能收集器的焦点所在地；以及与所述太阳能接收器热连通的介质。所述介质的膨胀致使所述太阳能收集器围绕所述转动轴转动，使得所述收集器的所述光轴在太阳行进方向上转动。该介质可以是相变材料或热膨胀介质。例如，所述介质可以是在预定温度处经历从固相到液相的相转变的诸如固体石蜡的相变介质。
根据符合各实施例的其他方面，所述介质的膨胀可以致使耦接至所述太阳能接收器的转轴轴向伸出与所述转轴同心的外壳。在该实施例中，所述太阳能跟踪器还包括:部分布置在所述太阳能接收器内的活塞，其中所述介质的膨胀在所述活塞上引起相对于所述太阳能接收器的力；与所述活塞同心并与所述活塞可滑动接合的、耦接至所述太阳能接收器的中空转轴；耦接至所述转轴的凸轮随动件；和/或与所述中空转轴同心的、具有凸轮行进轮廓的环形外壳，其中所述凸轮随动件可滑动地接合所述凸轮行进轮廓，并且其中所述凸轮行进轮廓和所述凸轮随动件将由所述活塞上相对于所述太阳能接收器的力引起的所述中空转轴相对于所述外壳的线性运动转化为所述中空转轴相对于所述环形外壳的同时转动运动。所述太阳能跟踪器还包括与所述太阳能接收器同心且与所述太阳能接收器的外表面隔开一间隔的透明接收器包封。
根据符合各实施例的其他方面，由所述介质的膨胀引起的所述太阳能收集器的所述光轴的转动方向是太阳方位的转动方向。所述转动轴可能被定位成使得其以一个与太阳仰角有关的轴倾斜角倾斜和/或使得所述转动轴在地球表面上的投影大致为南北定向。
根据符合各实施例的其他方面，一种太阳能系统，包括所述太阳能跟踪器以及可转动耦接至所述转动轴的太阳能设备。所述太阳能收集器可以以关于所述转动轴的固定偏移角耦接至所述太阳能设备。所述固定偏移角可以约等于所述太阳能收集器的受光角。
根据符合各实施例的其他方面，一种太阳能跟踪的方法，包括：使用太阳能收集器会聚入射的太阳辐射，所述太阳能收集器具有相对于所述太阳能收集器的光轴以小于或等于所述太阳能收集器的受光角的入射角来接收太阳辐射的焦点所在地；在大致布置在所述太阳能收集器的所述焦点所在地的太阳能接收器处吸收会聚的太阳辐射；把来自于由所述太阳能接收器吸收的所述会聚的太阳辐射的能量传递给介质，所述介质在所述介质温度的增加时膨胀；以及通过所述介质的膨胀致使所述太阳能收集器的转动，其中所述转动致动转动所述太阳能收集器，使得所述太阳能收集器的所述光轴在太阳行进的方向上转动。所述方法可以包括至少部分通过重力和/或机械弹簧力在跟踪时间段结束之后将所述太阳能收集器返回到初始位置。
根据符合各实施例的其他方面，一种太阳能跟踪设备，包括：太阳能收集器；具有纵轴的太阳能接收器；与所述太阳能接收器的所述纵轴同心并且至少部分延伸到由所述太阳能接收器定义的空腔内的活塞；在所述太阳能接收器的所述空腔内的介质，其中所述介质的膨胀致使所述活塞沿着所述纵轴相对于所述太阳能接收器的线性运动；以及将所述活塞的线性运动转化成所述太阳能收集器的转动运动的转动设备。所述太阳能收集器在一天开始时的初始位置比太阳在该天开始时的方位角大。
附图说明
本发明的实施例在参考的附图中示出，其中相似的附图标记贯穿各附图的描述指代相似的元件。
图1a例示了根据各实施例的利用本发明的太阳能跟踪设备的太阳能系统。
图1b例示了根据各实施例的利用本发明的太阳能跟踪设备的太阳能系统的替换配置。
图2例示了根据各实施例的用于太阳能系统的太阳能跟踪设备的各方面。
图3例示了根据各实施例的用于太阳能跟踪设备的太阳能收集器组件的各方面。
图4a例示了根据各实施例的太阳能收集器组件在整个白天跟踪太阳轨迹时的操作的各方面。
图4b例示了根据各实施例的太阳能收集器组件在整个白天跟踪太阳轨迹时的操作的其他方面。
图4c例示了根据各实施例的太阳能收集器组件在整个白天跟踪太阳轨迹时的操作的再一些方面。
图5例示了根据各实施例的用于太阳能跟踪设备的活塞组件。
图6a例示了根据各实施例的太阳能跟踪设备在初始位置时各部件的横截面。
图6b例示了根据各实施例的太阳能跟踪设备在延伸位置时各部件的横截面。
图7a例示了根据各实施例的具有由单个太阳能跟踪设备定向的多个太阳能设备的太阳能系统。
图7b例示了根据各实施例的具有由单个太阳能跟踪设备定向的多个太阳能设备的太阳能系统的另一视图。
图8a例示了根据各实施例的利用太阳能设备的替换安装布置的太阳能系统。
图8b例示了根据各实施例的替换配置下的图8a的太阳能系统。
图9例示了利用结合了常规液压系统的根据本发明各实施例的太阳能跟踪设备的太阳能系统。
具体实施方式
本公开一般地涉及用于定向太阳能设备(例如，光伏电池板等)在整个白天朝向太阳的太阳能跟踪设备。更具体地，公开的太阳能跟踪设备使用基于热致动转动太阳能设备以跟随太阳的太阳能收集器(例如，抛物面反射器等)。太阳能跟踪设备在接收器处聚焦太阳能，该接收器接着加热热膨胀介质，引起转动收集器的机械致动，由此增加太阳辐射的入射角。也就是说，随着太阳在白天行进通过天空，收集器基于热致动而以领先太阳行进方向的方向转动。在白天结束时，热介质冷却并且太阳能跟踪设备将太阳能设备返回至其初始位置(例如，面朝东)，使得其在下一天开始时正确定向。太阳能跟踪设备虽然可被优选地实现为倾斜的单轴方位太阳能跟踪器，但是其也可在其他布置(例如，水平轴、竖直轴等)中实现。
图1a和1b例示了根据各实施例的利用本发明的太阳能跟踪设备110的太阳能系统100。一般地，太阳能系统100安装在固定支架130上并且包括借助安装托架122和124、主枢轴杆160和倾斜安装托架140安装在支架130上的太阳能设备150。倾斜安装托架140被用于将主枢轴杆160定向至期望角度，该角度一般性地随着太阳能系统100跟踪太阳的运动而定义该太阳能系统100的转动轴。
太阳能设备150可以是用于捕捉太阳能和/或将太阳能转化成电和/或热的各种设备中的任何设备，包括但不限于光伏(“PV”)、集中式太阳能发电(“CSP”)、太阳能热水加热器、太阳能内部光照系统(例如，混合太阳能照明)、太阳能食物烹调器、太阳能蒸馏器、太阳能作物烘干器和太阳能海水淡化器等。虽然本说明书一般地将太阳能设备150例示为太阳能PV电池板，但是所公开的太阳能跟踪设备可被用于可以从太阳能跟踪能力中获益的任何太阳能系统。
图1a例示了太阳能跟踪设备110位于初始位置(即，清晨配置)的太阳能系统100。主枢轴杆160为太阳能设备150提供转动轴并且可以一般性地指向南北方向，并且太阳能跟踪设备110可以在北半球使用时位于主枢轴杆160的北端。主枢轴杆160可以使用倾斜托架140以相对竖直的一定角度倾斜，倾角与安装纬度上的太阳轨迹的仰角有关。如下将更详细描述的，太阳能跟踪设备110通过主外壳230附接至主枢轴杆160。太阳能设备150经由上托架122附接至太阳能跟踪设备110，并且还借助可滑动且可转动地耦接至主枢轴杆160的下托架124附接至主枢轴杆160。
太阳能跟踪设备110包括转动以领先太阳在整个白天的行进的太阳能收集器组件200。随着太阳能收集器组件200跟踪太阳运动(例如，方位跟踪等)，太阳能跟踪设备110通过上托架122围绕由主枢轴杆160定义的转动轴转动太阳能设备150。太阳能收集器组件200在伸到主外壳230内的转轴上转动，所述主外壳230附接至主枢轴杆160。太阳能收集器组件200中介质的热膨胀使转轴伸出主外壳230，并且转轴上的凸轮随动件跟踪主外壳230的螺旋槽以创建太阳能收集器组件200和太阳能设备150的转动运动。
图1b例示了比图1a在白天更晚时间时的太阳能系统100的各部件，其中太阳能设备150的位置如虚线轮廓线所示。例如，图1b可以例示在午后位置的太阳能系统100。在此例中，转轴254伸出主外壳230，并且太阳能收集器组件200和太阳能设备150围绕主枢轴杆160转动以大致面向西的方向。如图1b所示，下托架124在主枢轴杆160上滑动并转动以跟踪由太阳能跟踪设备110转动的上托架122的运动。虽然图1a和1b例示了一种安装太阳能跟踪器110以转动太阳能设备150的技术，但是在本发明的范围内还具有其他安装配置，并且本领域技术人员可以使用各种安装技术来使用太阳能跟踪设备110转动太阳能设备150。
图2更详细地例示了根据各实施例的太阳能跟踪设备110。太阳能跟踪设备110包括太阳能收集器组件200，所述太阳能收集器组件200一般性地包括由收集器支架211支撑的会聚收集器212，以及被定位为接收由会聚收集器212反射的太阳辐射的接收器214。会聚收集器212例如可以是反射抛物线槽，其具有由该抛物线的对称轴一般性地定义的光轴。入射到反射抛物线槽并一般性地与抛物线的光轴平行的太阳辐射，被聚焦到该抛物线焦点所定义的线上。在该实施例中，接收器214被安装在该抛物线的焦点处或附近。由此，大致平行于抛物线槽光轴的太阳辐射由会聚收集器212反射并由接收器214吸收。在此例中，接收器214吸收收集器212上入射的辐射并将太阳辐射转换为热。
随着接收器214吸收太阳辐射，它将热传送至随着在给定温度范围下被加热而膨胀的介质。在各实施例中，所述介质是在相变温度处经历膨胀的相变材料(“PCM”)。例如，固体石蜡在其从固相或晶相转换至液相时膨胀约10-20％的PCM。固体石蜡还具有相对较高的熔化热或熔化焓(例如，200–220J/g)，这意味着其在从固相或晶相转换至液相时的潜热阶段期间吸收相对大量的热。这一特性会为太阳能跟踪设备110提供如下详述的额外优点。
PCM的相变温度还可以基于期望操作调整。例如，本领域内已知固体石蜡的熔点在较大的温度范围内可调。优选地，PCM的相变温度大于最高期望周围空气温度，使得没有在接收器214上会聚的太阳辐射产生的热量的情况下，不会发生由相变引起的致动。在该实施例中，PCM的相变温度可以取决于太阳能系统安装位置处的期望最大周围空气温度。例如，在可能具有120°F环境温度的亚利桑那州凤凰城，可以使用熔点为145°F的固体石蜡。而在可以期望全年最大周围空气温度为80°F的更冷的气候中，可以使用熔点为100°F的固体石蜡。
在不同的实施例中，也可以使用其他的热膨胀介质。例如，某些实施例可以使用具有在太阳能跟踪设备的操作温度范围内不会经历相变的正热膨胀系数相对较高的介质。例如，各实施例可以使用热膨胀聚合物、液压油、矿物油、植物油和/或其他合适的热膨胀介质。
介质的膨胀(例如，固体石蜡的熔化等)导致介质的液压增加，所述增加可被用来生成机械致动。例如，介质的膨胀可被用于使得活塞或其他液压致动器致动。线性致动(例如，经由活塞等)可被转化为用于转动太阳能跟踪设备110随着太阳在白天行进通过天空来跟踪太阳角度的转动运动。太阳能设备150转动耦接至太阳能跟踪设备110，由此太阳能设备110的转动使得太阳能设备围绕主枢轴杆160转动以跟踪太阳运动的方向。因此，太阳能跟踪设备110能够在无需由太阳能设备或其他源供电的情况下显著改善太阳能设备150的能量输出。
图3更详细地例示了根据各实施例的太阳能收集器组件200的各方面。更具体地，图3可以例示沿着太阳能收集器组件200的转动轴的太阳能收集器组件200的各部件的透视图。例如，太阳能收集器组件200可以围绕与接收器214同心的轴310转动。太阳能收集器212一般性地反射与光轴318平行的入射的太阳辐射，使得该辐射在接收器214上聚焦。例如，太阳能收集器212可以是具有由光轴318定义的对称轴的反射型抛物线槽。由此，与光轴318平行的入射太阳光线(例如，光线332)从太阳能收集器212反射至抛物线的焦点(例如，光线342)并由接收器214吸收。随着太阳辐射入射角的增加，该辐射不再聚焦至抛物线的焦点上。受光角ΘA 330可被定义为太阳辐射将被太阳能收集器组件200中的接收器214吸收的角度范围。也就是说，相对于光轴318以等于受光角ΘA 330的入射角入射到太阳能收集器212上的太阳光线(例如，光线334和336)由太阳能收集器212反射远离抛物线的焦点(例如，反射光线344和346)并且无法由接收器214吸收。因此，可以将接收圆锥定义为使得太阳辐射在接收器214处大致会聚的相对光轴318呈±ΘA的角度范围。受光角ΘA 330可由太阳能收集器212和接收器214的特性确定，如下更详细描述的。
与太阳能收集器组件200操作有关的另一参数是会聚比C。会聚比C可被一般性地定义为由接收器214从收集器212接收的太阳辐射与标称接收的太阳能(即，未经会聚的)之比。会聚比C可由收集器宽度与接收器表面积之比所确定。会聚比C和受光角ΘA 330可以自适应地实现太阳能跟踪系统的期望操作参数，如下更详细描述的。
如图3所示，托架122可以成角度地偏移光轴318一偏移角322。也就是说，当太阳能设备150被安装在托架122时，太阳能设备150的主轴(例如，最高效率的入射太阳辐射的轴)可以关于转动轴310偏移一托架偏移角322。托架偏移角322可以补偿入射太阳辐射和太阳能收集器组件200的跟踪机构之间的角度偏移，如下更详细描述的。在各实施例中，偏移角322可以约等于受光角ΘA 330。可选地，偏移角322可被选择为小于或大于受光角ΘA 330，或针对特定地点(例如，纬度等)或年内时间而被调整。在其他实施例中，偏移角322可以是零。也就是说，在这些实施例中托架122可选地不与光轴318成角度地偏移。
图4a-4c一般性地例示了太阳能收集器组件200在整个白天跟踪太阳轨迹时的操作。图4a-4c例示了有关太阳能收集器组件200的太阳方位跟踪配置，并由此描述了太阳能收集器组件200相对于太阳方位的定向。由此，太阳能收集器组件200的倾斜角没有在图4a-4c中例示。虽然图4a-4c中例示的是使用太阳能收集器组件200的方位跟踪，但是其他跟踪配置(例如，仰角等)也可以按图4a-4c中描述的一般性操作类似的方式操作。在此使用的术语“太阳方位角”大致遵循从正北开始顺时针测量太阳方位角的惯例。在此方面，图4a-4c描述了北纬的太阳能收集器组件200在跟踪太阳时的操作，描述了具有在整个白天大致增加的太阳方位角的轨迹。应该理解，对于南纬，太阳从东边升起并且随着其在整个白天行进通过天空而描述了一个大致减少方位角的弧线。由此，通过相应地修改本描述就可以理解南纬的太阳能跟踪设备110的操作。
如图4a所示，太阳能收集器组件200在始位角(home angle)426a定义的始位开始。始位角426a通常可以是在始位或初始位置上收集器212的光轴318a相对于太阳方位角的角度。如图4a所示，太阳方位角被一般性地定义为从正北以顺时针方向测量的入射太阳辐射角。在该实施例中，始位角426a在北纬大于90度的太阳方位，这意味着太阳能收集器组件200在始位或初始位置并未完全转动至面向正东。一般地，始位角应该在日出时大于太阳方位角，使得太阳能收集器组件200能够正确初始化。例如，对于安装该太阳能系统的纬度，始位角可以由全年日出时的最大(即，北半球的最南)太阳方位角来设置。
在该实施例中，始位角可被设置为比全年日出时的最大太阳方位角大几度的太阳方位角。例如，清晨的太阳辐射会由于更大的大气损耗而比正午大为减小。于是，在日出时将太阳能设备转动为完全面向太阳的方位角并不是那样重要，这是因为太阳能设备150无论定向如何在上午一定时间之前都将具有减小的总能量输出。此外，清晨减小的太阳辐射会使得太阳能跟踪设备110更加难以达到开始跟踪的操作温度。也就是说，起始时热介质可以近似周围空气温度。如果诸如固体石蜡的PCM被用作介质，则起始条件可以包括将该介质从周围空气温度加热至接近使太阳能跟踪设备110开始跟踪的相变温度。由于起始加热循环在接收器聚焦(即，太阳方位角在光轴318的±ΘA之内)期间出现，因此更强的太阳辐射可以促进更可靠的跟踪初始化。
上午的起始条件可以从将太阳能会聚器组件200的光轴定位在比日出时太阳的方位角更大的太阳方位角(在北半球)的始位角中受益。然而，也可能是始位角在某些情况下会小于太阳方位角。例如，始位角可以与小于日出时的太阳始位角的太阳能收集器组件200的受光角ΘA一样大。在该实施例中，始位角可以取决于纬度可调，或是取决于年中时间可调。
图4a可以示出其中太阳刚从东方地平线升起的实例。在此实例中，太阳具有方位角Θ1，并且太阳辐射424a以相对于光轴318a的入射角428a入射到太阳能收集组件200上。在此方面，太阳辐射424a可以具有刚好大于90度的方位角(即，正东稍偏南)。这可对应于北纬的春秋天。例如，在3月20日上午7点纬度40度附近(例如，科罗拉多州Silverthorne)，太阳辐射的方位角为约98.5度。如图4a所示，从方位角Θ1入射到具有始位角426a的太阳能收集组件200上的太阳辐射424a没有聚焦在接收器214上，而是相反地聚焦在偏离接收器214的区域434a处。
图4b示出了该日在图4a稍后时间的太阳能收集器组件200。在图4b，太阳方位角现在给出为Θ2，其可以导致太阳辐射424b相对于光轴318a小于或等于太阳能收集器组件200的受光角ΘA的入射角428b。如图4b所示，入射的太阳辐射424b现在由收集器212聚焦到接收器214上。随着接收器214吸收太阳辐射424b，它将热传递给与接收器214热连通的热膨胀介质，并且该介质导致向太阳能收集器组件200施加转动力的机械致动。
如图4c所示，该转动致动使得太阳能收集器组件200相对于太阳方位坐标系以顺时针方向转动。也就是说，太阳能收集器212转动使得光轴318b现在指向对着更大太阳方位角426b的方向。太阳能收集器组件200的这一转动使得太阳辐射424b具有可约等于太阳能收集器组件200的受光角ΘA的入射角428c。如图4c所示，由于太阳能收集器组件200的转动，入射的太阳辐射424b可能不再如图4b所示那样聚焦在接收器214上。因此，接收器214不再吸收会聚的太阳辐射。由此，接收器无法持续将吸收的会聚太阳辐射传递给介质，并且介质会停止膨胀。
如上所述，诸如固体石蜡的PCM可被用作热膨胀介质。在此例中，太阳能收集器组件200在图4c所示的位置会由于介质的潜热存储而处于稳定。也就是说，由于PCM介质以潜热存储了相对大量的能量，因此当接收器214不再吸收会聚的太阳辐射时，介质也不会开始减小体积并立即反向转动太阳能收集器组件200。这一条件由于能够在临时太阳能遮挡(例如，经过的云层等)的情况下保持太阳能收集器组件200的位置因而是有益于跟踪的。当临时太阳能遮挡清除时，太阳能收集器组件200将再次将太阳辐射聚焦在接收器214上，后者则将吸收的辐射作为热量传递至介质并使得太阳能收集器组件200在太阳行进到的新稳定位置的方向上进一步转动(例如，在近似太阳能收集器组件200的受光角ΘA的太阳辐射的入射角)。
图4c例示了在相对于大约为受光角ΘA的当前太阳方位的角度位置处，太阳能收集器组件200可以放置成与光轴318呈平衡关系。也就是说，随着太阳继续通过其轨迹转动(在北半球通常为太阳方位角增大)，太阳能收集器组件200在太阳辐射会聚到接收器214上的情况下持续转动。更具体地，当接收器214吸收会聚的太阳辐射并将热传递至介质时，该介质持续提供在太阳方位角前面移动太阳能收集器组件200的机械致动。由此，太阳能收集器组件200的光轴318在整个白天以太阳能收集器组件200的大约为受光角ΘA 330的角度领先该太阳方位角。
太阳能收集器组件200的若干参数可被调整以实现太阳能跟踪设备110的期望操作特性。如上所述，太阳能收集器组件200的光学特性包括受光角ΘA和会聚比C。高会聚比C(近似于收集器212的孔径面积与接收器214的表面积之比)提供高热增益，其可以提供更快的跟踪恢复和/或跟踪起动。受光角ΘA也可以影响太阳能跟踪设备110的跟踪起动和恢复。具体地，经过的云或其他太阳能遮挡会在一段时间内妨碍跟踪。更宽的受光角ΘA 330允许太阳在太阳能收集器组件200被遮挡的同时行进的更远(即，更长的遮挡时间)，并且仍能允许太阳能跟踪设备110的恢复。也就是说，一旦太阳方位角领先光轴318大于受光角ΘA，太阳能跟踪设备110将不再继续跟踪太阳运动，因为进一步的太阳方位转动将不会把接收器214恢复成与收集器212清晰对焦。由此，通常期望宽的受光角ΘA。然而，受光角ΘA和会聚比C通常是逆相关的。也就是说，将太阳能收集器组件200设计成具有大受光角ΘA通常会减小会聚比C并且反之亦然。在一个实施例中，太阳能收集器组件200被设计为具有约2.75°的受光角ΘA以及约15x的会聚比C。使用这些设计特征，太阳能跟踪设备110能够从长达22分钟的临时太阳能遮挡中恢复。
虽然本说明书一般性地描述了其中收集器212是抛物线槽且接收器214是大致位于抛物线槽焦线处或附近的圆筒的太阳能收集器组件200的实施例，但是也可以考虑太阳能收集器组件200的其他配置。例如，收集器212可以是诸如组合抛物线会聚器(“CPC”)、圆筒形槽、双曲面、菲涅耳反射器之类的另一类型的反射型会聚收集器，和/或其他类型的会聚收集器(例如，利用透镜等)。接收器214也可以是圆筒之外的其他形状(例如，具有半圆、矩形等的横截面)。在实施例中，接收器214可以相对于收集器212非对称布置。也就是说，接收器214可以偏离会聚收集器的焦点。例如，接收器214可以偏离使得受光弧(即，±ΘA)偏离收集器的几何光轴。在该实施例中，这会导致收集器的几何光轴在不偏离受光角ΘA的情况下跟踪太阳方位角。
再次参考图1a、1b和2，将更详细地描述太阳能跟踪设备110的各实施例的特征和操作。在图2例示的实施例中，接收器214包括热膨胀介质(例如，固体石蜡)，并且介质的膨胀被用于通过使用从接收器214之内延伸至主外壳230的活塞来生成机械致动。
图5更详细地例示了根据各实施例的用于太阳能跟踪设备110的活塞组件。参考图2和5，活塞246从接收器214之内延伸至主外壳230的基部。随着介质膨胀(例如，固体石蜡从固体到液体的转变等)，介质的膨胀对活塞246产生液压力，这延伸并迫使中空转轴254伸出主外壳230。随着中空转轴254伸出主外壳230，凸轮随动件244跟踪主外壳230中的凸轮行进轮廓242(例如，螺旋槽等)，使得引导套环248和中空转轴254围绕活塞246转动。也就是说，凸轮行进轮廓242和凸轮随动件244将活塞246相对于中空转轴254的线性运动转化为中空转轴254相对于主外壳230的同时的线性和转动运动。中空转轴254的转动还转动太阳能收集器组件200(例如，收集器212、收集器支架211、接收器214、接收器套筒216、套环258和/或帽260等)。
图6a和6b例示了各种配置中太阳能跟踪设备110各部件的横截面。首先转向图6a，示出了根据各实施例的处于初始位置或始位的太阳能跟踪设备110的横截面。在此位置中，活塞246被示出为与接收器214同轴，并且大致延伸接收器214的长度。接收器214还在由接收器214定义的空腔内包含介质270(例如，PCM材料、固体石蜡等)，随着接收器214吸收太阳辐射而向介质传递能量。接收器214可由吸收太阳辐射并将热传导至介质270的材料制成，诸如各类金属(例如，铜、铝、钢等)。接收器214还可以涂有多个涂层(例如，选择性表面涂层等)以增强其对太阳辐射的吸收。
在该实施例中，太阳能收集器组件200包括一般性地围绕接收器214的透明接收器套筒216。透明接收器套筒216例如可以是具有抗反射涂层且与接收器214同心布置的玻璃管。透明接收器套筒216减小由于热对流和/或传导引起的接收器214的热损失。由此，接收器套筒216可以减小周围空气温度和其他环境因素(例如，风等)对太阳辐射会聚器组件200的操作的影响。在实施例中，接收器214和接收器套筒216之间的间隙215可由空气、惰性气体(例如，氩等)填充或被抽空。由惰性气体填充间隙215或是抽空间隙215相比于用空气填充间隙215可以降低通过该间隙215的热传导和/或对流。
主密封外壳256将接收器214连接至中空转轴254。中空转轴254经由活塞引导轴衬268和272可滑动接合活塞246。主密封外壳256包括密封266以在接收器214中密封介质270的同时允许活塞246滑动通过该密封266和主密封外壳256。在固定至套环248的凸轮随动件244行进通过主外壳230中的凸轮行进轮廓242时，转轴引导轴衬250引导耦接至中空转轴254的套环248。上电池板托架122可以固定至主密封外壳256以随着该主密封外壳256延伸并转动通过该太阳能收集器组件200的运动范围时转动太阳能设备150。
如上所述，当太阳辐射在受光角圆锥内入射时，介质270的加热导致活塞246上的液压，从而延伸中空转轴254。例如，诸如固体石蜡的PCM介质可以在接收器214传递通过吸收会聚的太阳辐射产生的热时开始部分熔化。所得的太阳能收集器组件200的转动使得太阳辐射的入射角增大，最终使得太阳辐射不再被大致聚焦到接收器214上。在这一情况发生时，接收器214不再吸收同样多的辐射也不再将同样多的额外能量传递给介质270。因此，介质不再持续膨胀。例如，诸如固体石蜡的PCM介质可以维持其中介质部分液体部分固体的状态。因此，由介质270对活塞246施加的力减小，并且太阳能跟踪设备110维持在当前位置(或者仅极为缓慢地运动)。也就是说，一旦接收器214由于入射太阳辐射以大于或等于收集器212的受光角ΘA入射而不接收会聚的太阳能时，介质270就不再主动地由接收器214接收的会聚太阳辐射加热。
随着太阳运动通过天空，其递增的运动使得太阳辐射相对于收集器的光轴的入射角变低。也就是说，太阳的运动减小了太阳辐射的入射角，同时在介质270向活塞246施力时由凸轮随动件244和螺旋槽242生成的转动使太阳辐射的入射角增加。因此，随着系统跟踪太阳运动，转轴254持续从主外壳230中伸长并且太阳能收集器组件200随着转轴254的延伸而持续转动。
转向图6b，示出了根据各实施例处于伸长位置的太阳能跟踪设备110的横截面。图6b中示出的伸长位置可以对应于太阳能跟踪设备110在太阳处于西部天空时该日中更晚的位置。图6b例示了在该日更晚的伸长位置时，介质270比其在图6a中例示的初始位置中要占据接收器214大得多的体积。例如，图6b可以例示其中诸如固体石蜡的PCM介质270处于基本液相的太阳能跟踪设备110的情况。
入射的太阳辐射的量随着太阳在天空中的位置变低由于大气损耗而开始减少。在该日中的某个时间点(例如，午后，傍晚等)，入射的太阳辐射实质上降低并且不再提供持续膨胀热介质的足够热量。于是太阳通过入射角，其中太阳辐射会聚在接收器214上，并且最终超过光轴318并以比收集器212的受光角ΘA大的角度入射。在此实例中，光轴318不再领先太阳辐射的入射角，并且太阳辐射不再聚焦在接收器214上。
于是，在将近该日结束时，太阳能跟踪设备110处于延伸位置(例如，图6b例示的位置)并且接收器214不再接收会聚的太阳能。结果，介质270由于热传递通过各种路径，包括接收器214的辐射损耗以及通过各种导热部件(例如，活塞246等)的其他热损耗而开始冷却。随着介质270冷却，其体积收缩。例如，如果固体石蜡被用作介质270，则其随着冷却返回固体状态。随着介质270冷却，太阳能跟踪设备110可以利用多种途径在下一个清晨之前返回初始位置。例如，随着介质270冷却，弹簧252可以向套环248施力，使其返回到图6a例示的位置。虽然弹簧252被例示为线圈弹簧，但是弹簧252可以是包括以张力或压缩布置的气压弹簧和/或其他机械弹簧器件的其他类型的机械器件。在其他实施例中，将太阳能收集器组件200返回初始位置的力由太阳能收集器组件200和/或太阳能设备150的重量提供。也就是说，在处于倾斜配置时，太阳能跟踪设备110可以部分支撑太阳能设备150的重量。随着介质冷却，太阳能设备150和/或太阳能收集器组件200的重量提供足够的力来将太阳能跟踪设备110返回到图6a例示的初始位置。
再次参考图1a、1b和2，将更详细地描述太阳能跟踪设备110在太阳能系统100跟踪太阳运动时的操作。一般地，主枢轴杆160可按南北方向定向，并且以相对于在太阳能系统100安装纬度处的太阳通过天空的轨迹的太阳仰角的角度相对于水平倾斜。如图1a、1b和2所示，太阳能设备经由托架122附接至太阳能收集器组件200。在上午，太阳能设备150通常围绕由主枢轴杆160定义的转动轴朝东转动。随着太阳行进通过天空，太阳能跟踪设备110围绕转动轴转动太阳能设备150，使得其大致跟随太阳通过天空的方位角。在此方面，图1示出的太阳能系统100通常指代倾斜方位跟踪太阳能系统，其中太阳能设备150的倾斜角由主枢轴杆160固定并且太阳能设备150围绕主枢轴杆160转动以随着太阳在白天行进通过天空而跟踪太阳的方位。
如图1a和1b所示，太阳能系统100的仰角可以使用倾斜托架140调节。用于太阳能系统100的倾斜方位跟踪配置的倾斜角可以按各种方式设置。例如，倾斜角可由给定纬度处的平均最大太阳仰角确定，或是可被选择以最大化能量生成。在实施例中，倾斜角可以在全年的各个时间使用倾斜托架140调节。
在实施例中，太阳能跟踪设备110被用于在联动配置中定向多个太阳能设备150。图7a和7b例示了根据本发明各实施例的具有由单个太阳能跟踪设备110定向的多个太阳能设备150的太阳能系统700。具体地，太阳能跟踪设备110被安装到太阳能系统700的多个太阳能设备150中的一个设备上。随着太阳能跟踪设备110移动太阳能设备150中的一个设备，定向运动通过转化系统转化至其他联动的太阳能设备150。例如，定向运动可以使用在太阳能系统700中示出的连接至联动设备之间的转换器杆710的下联动托架720来转化。如图7b所示，可以使用螺旋随动件730，使得其他联动的太阳能设备150跟随至太阳能跟踪设备110的类似运动轨迹(例如，螺旋运动等)。这可以有助于太阳能跟踪设备110以更少的摩擦损耗通过联动托架720和转换器杆710进行的运动转化。以此方式，太阳能系统700的每个太阳能设备150围绕每个主枢轴杆160转动以跟踪太阳的方位角。
虽然图7a和7b例示了具有由一个太阳能跟踪设备110定向的三个太阳能设备的联动配置，但是太阳能跟踪设备110可以具有在各种配置下驱动大量联动太阳能设备的能力。具体地，由太阳能跟踪设备110内的热膨胀介质产生的巨大液压力可被用于提供转动通过各种机械或液压致动器连接的太阳能设备的机械或液压力。因此，整个系统的成本会由于给定太阳能安装所需的跟踪设备数量的减少而降低。
虽然图1a、1b、2、5、6a和6b例示了用于太阳能跟踪设备110的一个实施例，但是如图3、4a、4b和4c所示的太阳能收集器组件200的基本操作(即，太阳方位跟踪、太阳仰角跟踪等)可以通过其他方法和设备执行。例如，可以使用齿轮、线缆和/或其他液压机制来将活塞的线性运动转化为太阳能收集器组件200和太阳能设备150的转动运动。
图8a和8b例示了根据各实施例的利用太阳能设备150的替换安装布置的太阳能系统800。在太阳能系统800中，太阳能设备150经由滑动托架组件822安装在太阳能跟踪设备110。滑动托架组件822包括安装至太阳能收集器组件200的托架852和棒856，以及安装至太阳能设备150并与棒856可滑动接合的套环854。图8a例示了在初始位置或始位的太阳能系统800。随着太阳能跟踪设备110跟踪太阳运动，太阳能收集器组件200如上所述伸出主外壳230并围绕与主外壳230和主枢轴杆160同心的轴转动。在该实施例中，太阳能设备150由滑动托架组件822转动，并且由于套环854可滑动接合棒856，因此太阳能设备150不由滑动托架组件822抬高。也就是说，在此实施例中，太阳能设备150不在相对主枢轴杆160的轴向上移动。在此情况下，下托架824围绕枢轴杆160转动，但是同样不相对枢轴杆160轴向移动。锁定套环826在主枢轴杆160上保持下托架824就位。
图8b例示了在太阳能设备150位于虚线所示位置的处于延伸位置的太阳能系统800的各部件。也就是说，图8b例示了一种配置下的太阳能系统800，在该配置中太阳能设备150由跟随太阳在整个白天的运动(例如，在下午面朝西等)的太阳能跟踪设备110转动。如图8b所示，太阳能收集器组件200如上所述伸出主外壳230并围绕与主外壳230同心的轴转动。然而，随着太阳能收集器组件200伸出主外壳230，套环854在棒856上滑动，并且因此太阳能设备150在不相对于主枢轴杆160的轴向运动的情况下围绕主枢轴杆160转动。在该日结束时，由弹簧252提供的力和/或归因于太阳能收集器组件200的重量的重力使得太阳能系统800返回到如图8a所示的位置。
太阳能系统800的安装布置可以在如图8a和8b所示的倾斜方位跟踪配置以及其他配置(例如，水平、竖直等)中使用。滑动托架组件822可以在如图7a和7b所示的联动电池板配置中使用。由于太阳能设备150不由太阳能系统800中的滑动托架组件822抬高，因此图7b中例示的螺旋随动件无需使用滑动托架组件822定向由单个太阳能跟踪设备110驱动的联动配置中的多个太阳能设备。
图9例示了利用结合常规液压系统的根据本发明各实施例的太阳能跟踪设备的太阳能系统900。用于太阳能系统900的太阳能跟踪设备可以包括大致如上所述的太阳能收集器组件200，其中使用由介质270转化至液压流体的液压力来驱动跟踪机构。具体地，介质270的机械能可以如本领域已知地借助液压活塞转化至常规液压系统。一旦机械能被传递至液压流体，其就可以通过液压端口922传递至液压线路924并在液压分配箱926处被接收。液压系统的机械能于是可被用于驱动下跟踪组件940。
如图9所示，下跟踪组件使用螺旋槽和凸轮随动件转动安装在倾斜杆960上的太阳能设备150以跟踪太阳。因此，下跟踪组件940随着介质270生成液压的增加来转动转轴950并使其伸出支架外壳930。在该日结束时，重力和/或其他途径使太阳能系统900返回至其初始位置，由此太阳能收集器组件200和太阳能设备150在下个清晨再次大致朝东。虽然图9例示了使用由介质270生成的液压来转动太阳能系统900的一种方法，但是将会理解的是液压可被用来驱动各类机构以转动、倾斜和/或延伸太阳能设备150和太阳能收集器组件200以在整个白天跟踪太阳运动。
业已出于例示和描述的目的呈现了前述说明。此外，这些描述并不旨在将本发明的各实施例限制为在此公开的形式。虽然已经如上讨论了多个示例性方面和实施例，但是本领域技术人员将会理解各种变化、修改、枚举、添加及其子组合。
在此公开的方法包括用于实现所描述的方法的一个或多个动作。上述方法的各操作可以通过能够执行相应功能的任何合适的途径来执行。方法和/或动作可以彼此互换而不背离权利要求的范围。换句话说，除非规定了动作的具体次序，具体动作的次序和/或使用可被修改而不背离权利要求的范围。
其他例子和实现在本公开和随附权利要求的范围和精神内。例如，由于软件的特性，上述功能可以使用由处理器、硬件、固件或上述任意组合执行的软件而实现。实现各功能的特征也可以物理地位于各个位置，包括被分布以使得功能的各部分在不同的物理位置处实现。同样地，如在此使用的(包括在权利要求书中)，在以“至少一个”为前序的项目列表中使用的“或”指代分离性列表，使得例如“A、B或C中的至少一个”的列表意味着A或B或C或AB或AC或BC或ABC(即，A和B和C)。此外，术语“示例性的”并不意味着描述的例子优选或好于其他例子。
对在此描述的技术的各类改变、替换和变更能够在不背离由所附权利要求定义的教导技术的情况下做出。此外，本公开和权利要求书的范围不受上述处理、机器、制造、合成物、手段、方法和动作的具体方面的限制。可以利用与在此描述的各方面对应地执行大致相同功能或是实现大致相同结果的现有或今后研发的处理、机器、制造、合成物、手段、方法或动作。因此，随附权利要求在其范围内包括这些处理、机器、制造、合成物、手段、方法或动作。

Claims (20)

1.一种可在太阳能系统中利用的太阳能跟踪设备，所述太阳能跟踪设备包括：
可转动地耦接至转动轴的太阳能收集器，所述太阳能收集器具有光轴；
具有中心轴的太阳能接收器，所述太阳能接收器相对于所述太阳能收集器布置，使得所述中心轴大致处于所述太阳能收集器的焦点所在地；以及
与所述太阳能接收器热连通的介质，其中所述介质的膨胀致使所述太阳能收集器围绕所述转动轴转动，使得所述收集器的所述光轴在太阳行进方向上转动。
2.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，其中所述介质包括相变材料。
3.如权利要求2所述的太阳能跟踪设备，其中所述相变材料在预定温度处经历从固相到液相的相转变。
4.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，其中所述介质包括固体石蜡。
5.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，其中所述介质包括热膨胀介质。
6.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，其中所述介质的膨胀致使耦接至所述太阳能接收器的转轴轴向伸出与所述转轴同心的外壳。
7.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，还包括：
部分布置在所述太阳能接收器内的活塞，其中所述介质的膨胀在所述活塞上引起相对于所述太阳能接收器的力；
与所述活塞同心并与所述活塞可滑动接合的中空转轴，所述中空转轴耦接至所述太阳能接收器；
耦接至所述转轴的凸轮随动件；以及
与所述中空转轴同心的环形外壳，所述外壳具有凸轮行进轮廓，其中所述凸轮随动件可滑动地接合所述凸轮行进轮廓，并且其中所述凸轮行进轮廓和所述凸轮随动件将由所述活塞上相对于所述太阳能接收器的力引起的所述中空转轴相对于所述外壳的线性运动转化为所述中空转轴相对于所述环形外壳的同时转动运动。
8.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，其中由所述介质的膨胀引起的所述太阳能收集器的所述光轴的转动方向包括太阳方位的转动方向。
9.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，其中所述转动轴以一个与太阳仰角有关的轴倾斜角倾斜。
10.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，其中所述转动轴在地球表面上的投影大致为南北定向。
11.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，还包括与所述太阳能接收器同心且与所述太阳能接收器的外表面隔开一间隔的透明接收器包封。
12.如权利要求1所述的太阳能跟踪设备，其中所述太阳能收集器包括抛物线槽。
13.一种包括如权利要求1所述的太阳能跟踪设备的太阳能系统，还包括可转动耦接至所述转动轴的太阳能设备。
14.如权利要求13所述的太阳能系统，其中所述太阳能设备以关于所述转动轴的固定偏移角耦接至所述太阳能收集器。
15.如权利要求14所述的太阳能系统，其中所述固定偏移角约等于所述太阳能收集器的受光角。
16.一种太阳能跟踪的方法，包括：
使用太阳能收集器会聚入射的太阳辐射，所述太阳能收集器具有相对于所述太阳能收集器的光轴以小于或等于所述太阳能收集器的受光角的入射角来接收太阳辐射的焦点所在地；
在大致布置在所述太阳能收集器的所述焦点所在地的太阳能接收器处吸收会聚的太阳辐射；
把来自于由所述太阳能接收器吸收的所述会聚的太阳辐射的能量传递给介质，所述介质在所述介质的温度增加时膨胀；以及
通过所述介质的膨胀致使所述太阳能收集器的转动，其中所述转动致动转动所述太阳能收集器，使得所述太阳能收集器的所述光轴在太阳行进的方向上转动。
17.如权利要求16所述的方法，还包括至少部分通过所述介质上的重力在跟踪时间段结束之后将所述太阳能收集器返回到初始位置。
18.如权利要求16所述的方法，还包括至少部分通过机械弹簧力在跟踪时间段结束之后将所述太阳能收集器返回到初始位置。
19.一种可在太阳能系统中利用的太阳能跟踪设备，所述太阳能跟踪设备包括：
太阳能收集器；
具有纵轴的太阳能接收器；
与所述太阳能接收器的所述纵轴同心并且至少部分延伸到由所述太阳能接收器定义的空腔内的活塞；
在所述太阳能接收器的所述空腔内的介质，其中所述介质的膨胀致使所述活塞沿着所述纵轴相对于所述太阳能接收器的线性运动；以及
将所述活塞的线性运动转化成所述太阳能收集器的转动运动的转动设备。
20.如权利要求19所述的太阳能跟踪设备，其中所述太阳能收集器在一天开始时的初始位置比太阳在该天开始时的方位角大。
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