CN104221280A - 集中光伏收集器 - Google Patents

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Abstract

组合的太阳能采光系统与光伏发电系统在需要及不需要采光时操作。安装在采光系统的次级反射器的背侧上的光伏(PV)阵列与该次级反射器以以下这种方式铰接，即，在无需太阳光时PV阵列可定位成收集来自初级反射器的集中太阳能辐射并且将其转换成电能。当需要太阳光用于采光时，次级反射器的背部上的PV阵列接收非集中太阳能辐射，从而将其转换成电能，然而该电能在量上不如仅在太阳能模式下接收来自主集中反射器的集中太阳能辐射时大。

Description

集中光伏收集器
相关申请的交叉引用
依据美国法典第119章第35节，本申请要求2011年11月15日提交的题为“Concentrating photovoltaic collector”的美国临时专利申请no.61/559,968的优先权的权益，出于PCT第20.6条规定的目的，该临时专利申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本文描述的技术涉及太阳能采光系统和光伏发电系统。
背景技术
阿尼特(anidolic)照明系统使用阿尼特或非成像光学组件(通常为抛物面镜或椭圆镜)来捕捉外部太阳光并且将其充分地引入室内，同时还将光线散射以避免刺眼。阿尼特镜或非成像镜传统上用在工业太阳能集中器(concentrator，聚光器)中。由这些镜在采光应用中捕捉和收窄的光不汇聚成单个焦点；该系统不能形成光源的像并且因此被称为非成像或阿尼特。一些阿尼特“梅森状”反射器系统使用截短的抛物面槽(trough)作为初级反射器和次级反射器。使用槽，当沿着纵向轴线测量时，辐射的输出光束被集中在仅一条轴线上，即，沿着槽的长度。类似于圆对称的盘型系统，每当平行光线轴向地入射在主镜上时，输出光束被准直，即由标称平行光线组成。因此，尽管对于成像应用而言是不足的，然而这些反射器系统足够用于采光系统和太阳能系统。
包含在本说明书的该背景技术部分中的信息(包括在此引用的任何文献和任何书面说明及其讨论)仅仅用于技术参考的目的而被包括，并且不应被认为是如在权利要求中限定的本发明范围所界定的主题。
发明内容
本文公开的技术涉及太阳能采光系统与光伏发电系统的组合，其在需要和不需要采光时操作。在一个示例性实施方式中，在无需太阳光时，光伏(PV)阵列可安装在采光系统的次级反射器的背侧上并与次级反射器以这样的方式铰接，即，PV阵列可定位成收集来自初级反射器的集中太阳能辐射并且将其转换成电能。当需要太阳光用于采光时，次级反射器的背部上的PV阵列接收非集中太阳能辐射，从而将其转换成电能，然而该电能在量上不如在仅太阳能模式下接收来自主集中反射器的集中太阳能辐射时大。
在另一实施方式中，当处于采光模式时，到达次级反射器的集中辐射的大部分可被反射穿过初级反射器中的开孔，并且所产生的日光照射的集中光束被传送至位于结构内的分配系统。可关于次级反射器的周界设置最适度尺寸的PV阵列。可通过周界PV阵列接收次级反射器的周界外部的小部分集中辐射，其产生额外的电能以增加由位于次级反射器背侧上的PV阵列产生的电能。
在另一实施方式中，在不存在指示需要太阳光的控制信号的情况下采取采光系统的故障保护构造。在故障保护构造中，自动放入PV阵列以接收集中光并且防止其向下进入初级反射器下方的空间中的镜面反射，并且将从可获得的任何太阳光产生电力。在一个实施方式中，当不存在迫使次级反射器处于采集太阳光的适当位置的电能的情况下或者当不存在指示需要太阳光的电信号时，弹簧加载或重力致动的机构可迫使次级反射器安装件进入PV模式。当放入PV阵列时，落在PV阵列上的来自初级反射器的太阳能辐射的仅一小部分朝向主镜面中的开孔反射回去，并且以这样的方式反射的辐射横向且半散射地扩散，以显著地减少穿过处于初级反射器中的开孔的太阳能辐射。
在另一示例性实施方式中，太阳能采光装置包括初级反射器、次级反射器、传送管道以及光伏阵列。初级反射器可定位成接收和反射入射的太阳光。次级反射器可安装在与初级反射器相对的位置，以接收和反射从初级反射器反射的集中光。传送管道可配置成接收从次级反射器反射的集中光并且将集中的光传送至位于建筑物内的分配装置。光伏阵列能以从第一位置移动至第二位置的方式安装在太阳能采光装置内，第一位置为不干扰集中的光在传送管道内的接收的位置，第二位置为接收从初级反射器或次级反射器反射的集中的光的位置。当处于第二位置中时，光伏阵列从而拦截集中光并且防止集中光在传送管道内的接收。
在另一示例性实施方式中，太阳能采光装置包括主太阳能收集器和次级太阳能接收器。主太阳能收集器集中被反射的入射光。次级太阳能收集器接收来自主太阳能收集器的集中光并且从反射性集中器转变成辐射能集中器。
在可替换实例实施方式中，提供了用于配置太阳能采光系统的方法。太阳能采光系统可具有光伏阵列，该光伏阵列能以从第一位置移动至第二位置的方式安装在系统内，第一位置为不干扰所述集中的光在传送管道内的接收的位置，第二位置为接收从初级反射器或次级反射器反射的集中的光的位置，并且从而拦截集中光和防止集中光在传送管道内的接收。可在从初级反射器反射的集中光中识别空白，该空白是由次级反射器在初级反射器上的阴影造成的。可相对于从初级反射器反射的集中光的焦距来调节光伏阵列的构造，以使空白最小化。
在还另一示例性实施方式中，提供了用于增加在太阳能采光系统中光伏能量的收集，该太阳能采光系统具有初级反射器、次级反射器以及传送管道。可增加初级反射器的垂直于光学轴线和纵向轴线两者的宽度。可将用于所述次级反射器的安装平台的宽度增加一个量，该量沿平行于所述初级反射器的增加的宽度的方向等于所述初级反射器的所述增加的宽度。可用光伏太阳能电池填充安装平台围绕次级反射器的对应于增加的宽度的区域，其中所述光伏太阳能电池接收从初级反射器的增加的宽度反射的集中太阳能通量，该集中太阳能通量超出用于次级反射器的照明所需的通量。
提供本发明内容以便以简化的形式提出在下文具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容既并非旨在确定所要求保护主题的关键特征或实质特征，也并非旨在用于限制所要求保护主题的范围。在下文本发明各个实施例的书面描述中提供了并在附图中示出了如在权利要求中限定的本发明的特征、细节、实用性和优点的更多的呈现。
附图说明
图1A为由梅森反射器系统组成的采光系统的示例性实施方式的示意性透视图，该梅森反射器系统由矩形的初级反射器、凸式次级反射器、位于次级反射器的相对侧上的PV阵列面板、以及用于次级反射器的旋转驱动器。
图1B为图1A的采光系统的示意性俯视平面图。
图1C为图1A的采光系统的示意性右侧正视图。
图1D为图1A的在次级反射器朝向初级反射器定向的情况下的采光系统的示意性正视图。
图1E为图1A的弯曲的PV阵列面板朝向初级反射器定向的情况下的采光系统的示意性正视图。
图2A为由梅森反射器系统组成的采光系统的另一示例性实施方式的示意性透视图，该梅森反射器系统包括：具有椭圆形周界的凸式初级反射器、次级反射器、位于次级反射器的相对(opposite)侧上的PV阵列面板、以及用于次级反射器的旋转驱动器。
图2B为图2A的采光系统的俯视等角视图。
图2C为图2A的采光系统的正视图。
图2D为图2A的采光系统的俯视平面图。
图2E为示出了朝向初级反射器的PV阵列面板定向的图2A的采光系统的示意性透视图。
图2F为图2E的采光系统的示意性俯视平面图。
图2G为图2E的采光系统的示意性右侧正视图。
图2H为图2E的在次级反射器朝向初级反射器定向情况下的采光系统的示意性正视图。
图2I为图2E的在PV阵列面板朝向初级反射器定向的情况下的采光系统的示意性正视图。
图3为一些光线位置的示意图，呈现了形成在来自椭圆形初级反射器的准直集中通量中的空白图案。
图4A为包括平PV面板的采光系统的可替换示例性实施方式的示意性正视图，该PV面板安装在凸式次级反射器的相对侧上并且与该凸式次级反射器间隔开。
图4B为类似于图4A的采光系统的示例性实施方式的示意性正视图，但其中的平PV面板与次级反射器的背侧间隔更紧密，以便增加与初级反射器的焦距。
图5为包括凹式弯曲PV面板的采光系统的示例性实施方式的示意性正视图，该PV面板安装在凸式次级反射器的相对侧上的凹区域内并且接收由于空白效应而导致的减弱的光集中。
图6为类似于图4的采光系统的示例性实施方式的示意性正视图，其具有分离的PV面板以更好地捕捉光通量和抵偿从初级反射器反射的空白。
图7为采光系统的示例性实施方式的示意性正视图，其中，初级反射器在邻近传送腔体的长度上是截断的，并且初级反射器的半部朝向彼此移动以减小从初级反射器反射的空白。
图8为采光系统的示例性实施方式的示意性正视图，其概念性地示出了初级反射器的光学件与其焦线之间相对于凸式次级反射器以及凸式PV阵列的关系。
图9A为采光系统的可替换示例性实施方式的示意性透视图，该采光系统包括位于圆形次级反射器的相对侧上的凸式PV面板，该圆形次级反射器的额外PV面板位于矩形支撑结构的转角上，在该转角上安装有次级反射器，并且次级反射器具有用于重力故障保护系统的偏心旋转轴线。
图9B为图9A的采光系统的示意性俯视平面图。
图9C为图9A的采光系统的示意性右侧正视图。
图10A为图2A至图2E的示例性采光系统的一种形式的示意性俯视平面图，该采光系统具有被矩形周界围绕的圆形周界次级反射器，该矩形周界可容纳额外的PV电池。
图10B为图10B的系统的示意性俯视平面图，但其中的初级反射器加宽至较大的周界并且用于次级反射器的支撑结构加宽至较大的矩形周界，可用PV电池填充该矩形周界以利用较大面积和太阳能辐射的较大通量。
图11A为示例性采光系统的示意性透视图，该采光系统包括具有PV阵列的铰接盖，该铰接盖安装在建筑物中的传送开孔上方。
图11B为图11A的采光熊的示意性正视图。
图12为示例性采光系统的示意性透视图，该采光系统包括具有PV阵列的滑动盖，该滑动盖安装在建筑物中的传送开孔上方。
图13为现有技术的盘形梅森反射器系统的示意性透视图。
图14A为盘形梅森反射器系统的示意性透视图，该反射器系统具有延展直径的初级反射器以及延展直径的次级反射器，该次级反射器具有覆盖次级反射器延展部分的PV阵列。
图14B为图14A的次级反射器的示意性透视图，该次级反射器的反射表面指向初级反射器中的开孔。
图14C为图14A的次级反射器的示意性透视图，示出了从反射表面向覆盖有PV阵列的表面过渡的中心部分。
图14D为图14A的次级反射器的示意性透视图，示出的中心部分为覆盖有PV阵列的表面以补充覆盖延展部分的PV阵列。
具体实施方式
本发明涉及集中光的采光系统，该集中光的采光系统额外提供用于与采光功能结合或替代采光功能的光伏(PV)发电的选项。在一个实施方式中，集中光伏(PV)电池的PV阵列可安装在次级反射器的背面侧上。次级反射器可以以下这种方式枢转地安装，当从采光系统不需要太阳光时，PV阵列可从初级反射器收集集中的太阳能辐射并将其转换成电能。
当采光系统处于“备用”模式时，即，当建筑物不需要照明时可使用PV系统。例如，许多仓库并不长期被人员占用并且因此无需持续的光。而且，如果不需要光的话，则可期望的是关闭来自收集器阵列的传送管道，以减少通过传送管道的热冷却损失以及通过由反射器引导的热能而引起的热增热。这种未使用的太阳能通过将收集的光引导至PV阵列可被转换成电力，用于对系统电池充电、用于将能量源导向建筑物需求、用于对电池充电以对建筑物提供电服务(例如一般电力或夜间照明)、和/或向电网提供能量。
在图1A至图1E中示出了利用PV阵列65增强的采光系统5的一个示例性实施方式。在这个实施方式中，采光系统5可包括：采集器部分2、传送部分4和分配部分6。采集器部分2可具有初级反射器10和安装在太阳追踪的旋转支撑结构上并且布置成梅森构造的次级反射器60。该传送部分4可具有通过支撑结构(通常为建筑物的屋顶)中的开孔延伸的光传送管道130，以将收集的光经由光束控制光学件传送至安装在待照亮的房间的天花板12下方的建筑物内的光源或其他光分配结构20。如在图1D中示出的，入射在初级反射器10上的光线8a、8b(示出了由初级反射器10捕捉的光的外部或内部界限)被反射并且集中至次级反射器60，次级反射器将大致准直的通量反射至传送管道130中，如在图1A中所示。从传送管道130显现的集中光线入射在图1A中示出的光分配结构20上并且横向地向外和向内重新引导至建筑物内的房间的墙壁和天花板上。天花板和墙壁优选地涂覆有高反射率的漫反射材料，以有助于光在整个房间内的漫反射，但在特定期望的情况下，该分配方法可被替换为可更适于工作照明的光源设计(未示出)。
初级反射器10可形成为具有围绕中心的反射面的周界的凹抛物面槽。初级反射器10可横向延伸并且终止在图1D中示出的纵向尖端11处。初级反射器10可具有垂直于纵向轴线30的横向轴线75以及垂直于横向轴线和纵向轴线的光学轴线35，全部三个轴线均与位于初级反射器的中心中的孔或开孔14的中心40重合。并且三个轴线的相交的点40与初级反射器10的表面重合(用于定义的目的，假设扩展成填充图1A中示出的中央孔14)。初级反射器10具有延伸通过纵向轴线30的中心点40的光学轴线35，该光学轴线垂直于纵向轴线30和横线轴线75。
如在图1A至图2A中示出的，当初级反射器被认为是周界在垂直于光学轴线35的平面上的投影时，初级反射器10可具有矩形或其他多边形或弯曲的轮廓或边缘。初级反射器10沿其纵向方向具有抛物线形状，但沿横向轴线75的方向不存在弯曲。初级反射器10可配置有在中心点40上居中的孔14，从次级反射器60反射的拟准直的太阳能的一小部分穿过该孔以便进入光传送管道130。在可替换实施方式中，初级反射器10可由两个单独的侧翼形成，该侧翼由居中在中心点40上的间隙或跨距14分隔开，从次级反射器60反射的太阳能穿过该间隙或跨距以便进入光传送管道130。
在这种配置的一个示例性版本中，次级反射器60的长度约为23.3英寸并且包括间隙或孔的初级反射器10的长度约为155英寸。采光系统5中的初级反射器10与次级反射器60的组合产生净太阳能集中比，其中，入射光被反射器集中并聚焦。在一个示例性配置中，次级反射器60的前顶点距初级反射器10中的间隙或孔14的平面约为32.5英寸，并且初级反射器10的焦点距初级反射器10中的间隙或孔14的平面(即处于次级反射器60的顶点后面)约为38英寸。在一个示例性实施方式中，可选择次级反射器60的长度和初级反射器10的长度，这样使得净集中比可介于3与7之间。为了使由次级反射器反射的辐射适当的准直，初级反射器和次级反射器可被定位成共焦布置，借此两个反射器的焦线重合并且位于图1D中的次级反射器60的表面上方。
初级反射器10和次级反射器60可安装在附接至建筑物的屋顶上的安装表面的方位角驱动机构120(见图2A至图2D)，例如，转盘或“圆转盘”轴承)上或安装在相对于彼此旋转和该安装表面旋转采光系统的部分的电机驱动系统上。方位角驱动机构使反射器旋转，这样使得主发射器和次级反射器追踪太阳的方位角。可使用机动化旋转轨道以及转轮或轴承支架中的几种传统实施方式的任一种，但期望的是选择最小化采光系统旋转所需的摩擦转矩和电能的系统。方位角驱动机构通过定向初级反射器10朝向太阳的方位角，同时初级反射器10、次级反射器60与光传送管道130之间的几何关系保持恒定来最小化太阳能通量的损失。
初级反射器和次级反射器可替换地安装在具有旋转轴承水平轴线的高度驱动机构(未示出)上。该高度驱动机构可依次安装在方位角驱动机构上。双轴线追踪系统中的高度与方位角轴线的组合通过将具有槽形集中反射器的梅森状光学系统保持与太阳能盘对准的同时恒定地将来自次级反射器的通量的准直集中光束垂直向下输送到下方的结构中来进一步最小化太阳能的损失，。
如在图1A和图1C至图1E中所示，弯曲PV阵列65可安装至支撑次级反射器60的安装件70的背面侧。驱动机构100可用于将安装件70旋转到两个位置的任一个，即，次级反射器60指向开孔14或PV阵列65指向开孔14。将次级反射器60和PV阵列65保持就位的安装件70的旋转轴线80在图1A中示出为短划线。轴向安装件70在图1A中示出为实线。在一个实施方式中，驱动机构100可为具有轴输出部的电机，该轴输出部与安装件70上的枢转铰接部耦接。在另一实施方式中，驱动机构100可为在第一位置与第二位置之间转换的螺线管。驱动机构100可通过控制系统(未示出)致动，该控制系统依据建筑物的需求而选择性地改变安装件70的位置。示例性控制系统可包括计算装置(例如微处理器、集成电路芯片或者计算机)，用于确定在一天任何时间对于特定维度和经度而言的太阳在天空中的位置(例如，通过存储的查找表)，并且用于将这个位置信息转换成命令或指令电发送至追踪电机。这种系统还可包括来自传感器的电信号，该传感器测量通过次级反射器输出的直接太阳能光束的强度，从而指示该强度何时可下降至最小值以下。用于感测人在照射空间中的存在的传感器可连接至计算装置，从而指示在该空间中需要采光或不需要采光。这种信号可用于将命令或其他信息发送至在面向初级反射器10的次级反射器60与面向初级反射器10的PV阵列65之间的开关。
例如，如果人进入建筑物并且需要室内照明，则控制系统可引起驱动机构100旋转安装件70并且将次级反射器60朝向开孔14定向，如在图1D中所示，以引导传送管道130内的集中光用于建筑物内的分配和漫反射。可替换地，如果无人占用该建筑物并且不需要室内光照，则控制系统可引导驱动机构100使安装件70定向，这样使得PV阵列65指向开孔14，如在图1E中示出的，以接收通过初级反射器10被引导至该PV阵列的集中光能而产生电力，该电力用于操作采光系统5、用于存储、或另作他用。如果控制系统感测到可获得的太阳能辐射不足，则其可发送命令以使次级反射器支撑结构在其两个不同的定向状态之间切换，用于天气保护或其他设计意图的目的。
在又一实施方式中，驱动机构100可为螺线管，该螺线管使安装件70抵抗弹簧的力或重力旋转定向，从而次级反射器60向下面向初级反射器10，将太阳光发送至分配系统中。在电力故障的情况下，将停止对螺线管供能且安装件70将旋转以使得PV阵列65定向在从初级反射器10反射的光束中，并且由PV阵列65产生的电力可用于对电池充电或对建筑物内的紧急备用电照明供能，或者其可用于其他用途。
PV阵列可包括PV电池，该PV电池设计成在不会对PV电池阵列的短期或长期性能造成不良影响的前提下利用初级反射器10的集中电力。集中PV通常以低集中比、中集中比和高集中比来分类。低集中通常限定为1至10倍集中，中集中通常限定为10至100倍集中，而高集中通常限定为超过100倍集中。低集中PV和中集中PV通常可通过本文描述的采光系统的初级反射器来获得。如上文所指出的，在实例构造中，集中比可介于3与7之间。考虑到对于多数采光系统而言所需的适度追踪精度以及期望避免非常高集中比的可能的危险，高集中PV(尽管也是可能的)通常是不现实的。
在图2A至图2I中示出的可替换实施方式中，初级反射器10a的周界可形成为使得，当将初级反射器10的周界投影在垂直于光学轴线35的平面上时，形成具有沿纵向方向的半长轴的椭圆。由于初级反射器10a的投影的椭圆形状，集中的光可以成接近次级反射器60的圆形光束的形式，并且其来自次级反射器的反射可为相对于图2E具有大致圆形横剖面形状的拟准直的垂直光束。当投影在垂直于光学轴线35的平面上时，次级反射器60和PV阵列65可因此具有相同的圆形周界。(可替换地，它们可具有如在图2E中示出的正方形投影周界形状，例如在不影响光学性能的前提下节省制造成本。)因此，传送管道130a可具有圆形而非矩形横截面。在所有其他方面，图2A至图2I的实施方式可与图1A至图1E的实施方式相同。
可替换地，如在图1A至图2I中示出的PV阵列面板可以是用于接收集中太阳能辐射的矩形PV阵列，该矩形PV阵列所具有的宽度等于次级反射器60的宽度，但所具有的纵向长度等于或小于次级反射器60的纵向长度，这样使得PV阵列面板可为平的或弯曲的并且安装在次级反射器60的背面侧上的凹区域内(如果期望的话)。这种平(flat)阵列的实施方式在图4A中示出并且在下文中结合该图进行描述。
在本文中描述的任何实施方式中，采光系统5可包括故障保护系统，以在采光系统5发生机械故障的情况下保护建筑物内的人和材料免受暴露于集中太阳能辐射的影响。作为故障保护系统的一部分，传送管道130可围绕其周界配备有两个或多个电路导体140、150。当一个导体可能是足够的，附加导体可能是可取的冗余。当将采光系统5的采集部分2安装至屋顶或结构的其他表面的支撑机构的机械故障(例如，由于高的风速)时，电路导体140、150中的一个或多个可在采集部分2与传送部分4之间的应力下断开并且确定地将采集部分2从传送部分4分离而断开。当电路导体140、150中的一个断开时，控制系统可将次级反射器安装件70放置在故障保护位置中，这样使得PV阵列65(而非次级反射器60)指向初级反射器10。这样，防止了集中太阳能进入建筑并可做出有益的使用。
注意到，由于次级反射器60在初级反射器10上的阴影，在从次级反射器60穿过开孔14反射进入传送管道130的集中光通量中引起了图1D中的孔、空隙或空白120。在采光系统5配置有正方形投影周界次级反射器10的情况下，空白120形状为矩形。这种构造中的空白的宽度近似匹配次级反射器的投射宽度，但其纵向长度比次级反射器的纵向长度短3至7倍(由于由初级反射器仅沿纵向方向产生集中)，并且出现在穿入传送管道的通量的矩形横剖面的中心内。可替换地，在采光系统5a配置有椭圆初级反射器10a的情况下，空白110形状为椭圆形并且出现在穿入传送管道的通量的圆形横剖面的中心内，例如，如由图3中提供的光线追踪点图所示。
图3示出了当将椭圆形周界初级反射器10a与圆形周界次级反射器60一起使用时横过从次级反射器60反射的圆形光束的光线位置图。穿过该光束的中心的通量中的孔或空白110由次级反射器在初级反射器上的阴影造成，而且在初级反射器10的两个半部之间的间隙中的开孔14或间隙需要容纳传送管道130。准直光的中心中的通量集中的减少可对光在建筑物内部的分配和漫反射(diffusion)具有负面影响。美国专利申请公开No.2010/0091396公开了解决该问题的多种方法，该专利申请的全部内容通过引证结合于此。在本公开的上下文中，由于安装件70/次级反射器60/PV阵列65在初级反射器上的阴影，空白还可引起来自初级反射器10的入射光在PV阵列上的通量密度的变化，这可对PV阵列65的效率具有负面影响。例如，空白可导致光在PV阵列65的中心的较低集中，并因此与整个PV阵列65接收均匀高通量集中的情况相比导致较低的电转换输出。
存在多种可能的方法来解决PV阵列上的空白效应并且增加入射在PV阵列65上的光集中的均匀性。图4A至图4B示出了一种可能的方案，其中，PV阵列65是平的且狭窄的而非凹面的，并且被保持在凹式次级反射器60的背面侧上的凹面形状内的安装件70上。如在图4A中所示，其中，PV阵列65a安装成比图4B中的PV阵列更靠近初级反射器10，而空白110仍然很大。然而，通过可替换地放置平坦PV阵列65进一步远离初级反射器10并且略微超过初级反射器10的焦点，可实现较高的通量集中并且可使用较小的PV阵列，从而节省成本。用于PV阵列65a的安装件70可为可调节的，以在现场安装时提供PV阵列65a的位置调整或以容纳各种尺寸的PV阵列65a来实现对光伏阵列部65a上的最大通量。PV阵列65a的一些位置可减小入射在其上的光束的空白，如在图4B中提出的。
在图5中示出了用于弥补空白效应的另一可能的构造，其中，PV阵列65b形成为凹弯曲，以更好地捕捉从初级反射器10入射在PV阵列上的通量，在垂直入射的更多来用于增加转换效率，并且由此更紧密地符合次级反射器60的背部的凹面形状。再次，凹式PV阵列65b沿纵向长度可为狭窄的但匹配初级反射器10以及次级反射器60的全部宽度，并且可定位成使得初级反射器10的焦点略微在PV阵列65b的其横向中间的表面的前方，使得穿过焦线发散的通量将扩散成适当地填充PV阵列65b的纵向长度。PV阵列65b从焦线设定的距离将确定PV阵列65b的纵向长度。集中比还可设定成使得设计成用于集中太阳光中使用的PV阵列65b的成本/益处/性能最大化。
用于弥补空白效应的另一可能的选择为将PV阵列65a分成两个半部，在两个半部之间留下一个间隙，该间隙等于如在图6中示出的空白110的纵向长度。在这个示例性实施方式中，PV阵列65c可由两个狭窄组件构成，该两个狭窄组件被一间隙分开，该间隙等于该位置处的光束中的空白110的纵向长度，使得PV阵列65c的各个组件接收位于空白110任一侧上的集中通量。因此，这也是较高的整体效率的节省成本的设计，因为光伏阵列65c中没有未被充分利用的PV材料。
在图7中示出了设计成解决空白效应的采光系统5的再另一示例性实施方式。理解分割镜像方法的方式是将初级部认为是连续的，在初级部中不存在孔。次级部的阴影在从次级部反射的光束中产生了伴随该光束传播的空白。为了校正该问题，可从初级反射器和次级反射器的中心移除在纵向长度上等于空白的纵向“长度”的区段。这个空白长度为初级反射器10以及次级反射器60的宽度(初级反射器的宽度与次级反射器的宽度为相等的)除以C，其中C为集中比。C近似等于初级反射器10(减去其中的孔)的纵向长度除以次级反射器60的纵向长度的比值，假设矩形初级反射器周界。由于拦截太阳能辐射的初级反射器面积较小，故椭圆形主反射器周界将略微变小。
在这个实施方式中，初级反射器10在靠近开孔14的两个半部10a、10b的各内侧端处被截端。可从横跨初级反射器10对称平面的初级反射器两侧移除矩形区段。每个矩形区段所具有的宽度等于空白的“纵向长度”的一半。“纵向长度”限定为初级反射器的宽度除以C，其中C为集中比。初级反射器的截断半部10a、10b则沿着对称平面在开孔14的边缘处被重新结合，而维持初始的角度方向。
为了校正次级反射器以用于移除初级反射器的一区段，移除次级反射器60的中央区段，该中央区段具有与从初级反射器10移除的区段相同的宽度(图7中从左到右)，并且次级反射器60的剩余半部进而在中心处重新结合，产生复合式反射器。通过使初级反射器10和次级反射器60以这样的方式截断，显著地减小了空白效应并且在PV阵列65a处接收了总体上均匀的通量，该PV阵列在这种情况下示出为类似于图4B的狭窄平坦阵列，尽管如此，其他构造是可能的。
图8概念性地示出了初级反射器10的光学件与其焦线之间的关系，示出了存在两种方式产生来自次级反射器60的准直反射光束，该次级反射器首先放置在初级反射器10的焦线的前方60’并且然后放置在该焦线的后方60”。
在第一情况下，其中，次级反射器60’定向为定位在焦线前方的凹式抛物面，次级反射器60’在来自初级反射器10的朝向初级反射器焦线汇聚的光束到达焦点之前拦截该光束并且反射以及校准该光束。反射的光束将具有与初级反射器10以及次级反射器60’相同的横向宽度，并且纵向“长度”(在图上从左到右)将为由次级反射器60’与初级反射器10的设计距离任意设定的长度。为了产生从次级反射器60’反射并且穿过初级反射器10中的孔14的正方形或圆形光束，次级反射器60’的纵向长度被选择成匹配两个反射器的横向宽度。
在第二情况下，其中次级反射器60”定位在焦线后方，凹式抛物线形式的次级反射器60”也可校准入射光线，以相同的方式将入射光线向下发送穿过初级反射器10中的孔14，并且具有相同的纵向和横向尺寸。这意味着次级反射器60”可为凹形并且PV阵列65可为符合次级反射器60”的凸相对侧的表面(或者反之亦然)。因此，这个构造的次级反射器60”的凹反射侧将如所期望地将准直光束向下引导穿过初级反射器10中的孔14，并且当翻转时，凸PV覆盖侧65将从初级反射器10收集集中通量并且将其转换成电力。这个方法所具有的优点在于，旋转轴线将穿过初级反射器10的焦线。当次级反射器60”就位时，重要的是该旋转机构位于次级反射器60”的开孔外侧，从而不遮挡次级反射器。这通过位于旋转轴线的侧端处的附接至次级反射器60”/PV阵列65的组合的横向边缘的两个轴承的使用而容易地实现。
图9A至图9C示出了采光系统5b的另一实施方式。初级反射器10可具有在垂直于光学轴线的平面上投射成矩形的周界轮廓，并且初级反射器产生具有正方形周界的反射光束。从初级反射器10反射的集中光束汇聚在矩形安装件70上。在这个实施方式中，抛物面次级反射器60a可具有如在图9A中示出的圆形周界。为了采光的目的，通常期望是圆形反射光束，使得仅有凸式次级反射器60a的中央圆形(在投影上)部为镜面反射的。安装件70的剩余非反射性转角可填充有PV电池62，使得可采集不用于照明的额外太阳能辐射以产生少量电能，从而尽可能的为电池充电，该电池用于驱动该系统5b的追踪以跟随太阳运动。
在矩形安装件70的背部上的与保持次级反射器60a的侧面相对的凸表面可完全填充有PV电池65。因此，当次级反射器60a面向初级反射器10时，从初级反射器反射的集中太阳光被引导穿过初级反射器10中的开孔14，而转角中的小PV阵列产生电力。当不需要系统5b采光时，控制系统将安装件70翻转180度，使得在转角中这些PV电池62上的非集中太阳能辐射可产生电力，以补充至由面向初级反射器10且接收集中太阳能辐射的较大PV阵列65产生的电力。
如提及的，在这个构造中，次级部安装件70的背部可保持矩形周界(在投影上)PV阵列65。当旋转安装件70使得次级反射器60a面向初级反射器10时，安装件70的具有矩形PV阵列65的背侧面向太阳并且可从入射在其上的非集中光产生电力，而邻近次级反射器60a的太阳能电池62从来自初级反射器10的集中反射来产生电力。因此，可在采光系统5b将太阳光输送至建筑物内部时以及在采光系统不将光输送至建筑物内时都产生太阳能电力。这种相对适度的发电可用于对采光系统5的追踪电子元件以及驱动电机供能，其中剩余的任何过量的电量用于电池存储或用于其他用途。
如在现有实施方式中的，导体140和150形成闭合电路。如果由于屋顶支撑件故障之后的机械破坏而导致这种电路断开，则损失的电信号可导致控制系统以PV阵列65面向初级反射器10的方式将次级反射器60a旋转至“安全”构造中，从而作为故障保护准备防止集中太阳能辐射穿过管道130传播进入下方的建筑物空间。
图9A至图9C还示出了采光系统5b的一个实施方式，其中，采光系统5b的默认配置为“安全构造”，在该“安全”构造中集中光通常被引导至PV阵列65而非进入传送管道130。在图9A至图9C的实施方式中，在缺乏指示需要室内照明的控制信号时，PV阵列65将自动定位在集中光的路径中并且将从可获得的任何太阳光产生电力。用于实现该默认定位的一个实施方式为通过弹簧加载机构或重力致动机构，在缺乏迫使次级反射器60a处于采集太阳光位置的电能的情况下或者当不存在需要太阳光的电信号时，迫使次级反射器安装件70进入PV模式。
在图9A和图9C中示出了用于次级反射器安装件70的运动的偏心旋转轴线90，在使次级反射器60a旋转或保持在面向初级反射器10的位置的电机或螺线管电力损失的情况下该偏心旋转轴线使重力能够迫使次级部安装件进入安全位置。轴线90还可成角度并且一定程度上从框架70以及安装在该框架上的次级反射器60a和PV阵列65的质心偏心。电动力的致动器将框架70保持在次级反射器60a面向初级反射器10的构造中的偏心旋转轴线上，以将准直的照射光束输送至下方的空间。然而，由于机械故障，通过电路140或150流动的电信号应该被中断，仅靠重力足以使得框架70返回至PV阵列65面向初级反射器10的方向。
应当注意的是，由于采光系统5b设计成追踪太阳，重力的方向将转移。另外，在追踪机构故障的情况下，重力相对于采光系统5b的方向可显著地不同。因此，应该仔细地选择旋转轴线90相对于次级反射器60a/PV阵列65装配的位置和方向，使得故障保护预期操作将工作，而不管在故障时采光系统5b的方向。可替换地，可使用其他机械偏置机构(例如弹簧、对重件、偏心加重装置等)作为故障保护构造使框架70返回至PV阵列65面向初级反射器10的方向。
因此，在通常操作下，次级反射器60a面向上方并且背离初级反射器10，所以无集中太阳能光束可被发送进入开孔14。在接收到来自下方的房间或其他控制系统输入的需要照明的命令表明时，驱动机构100使得安装件70抵抗故障保护偏置力旋转至次级反射器65朝向开孔14这样的位置。太阳能辐射从而从初级反射器10反射到次级反射器60a上，在此处光进一步被次级反射器60a反射和校准，并且穿过传送管道130向下发送至下方房间中。如果电路140和150损坏，则失去了使次级反射器面向初级部的动力，并且重力或者弹簧加载使次级反射器安装件70旋转，使得次级反射器60a在故障保护的情况下背离初级反射器10。
在另一实例实施方式中，在图10A中从示意性俯视平面图示出了圆形次级反射器60和具有椭圆形周界的典型抛物面槽初级反射器10a。用于次级反射器60的支撑结构70a可为圆形或正方形的形状。依据设计选择，围绕次级反射器60的区域62可或不可填充有PV电池。如在图10B中示出的，初级反射器10b沿横向方向加宽以形成较大的矩形周界形状从而收集更多的太阳能通量(solar flux，太阳光通量)。支撑结构70b类似地加宽至与初级反射器10b相同的宽度。由于并不期望增加从次级反射器60反射进入传送管道中的光束的直径，因而次级反射器60的表面保持与图10A中相同的圆形抛物面槽形状，并且不改变大小或形状。
围绕次级支撑结构70b上的次级反射器60的附加区域14b可填充有PV电池62a，如在图10B中示出的。先前设计的这种修改的主要结果是显著地增加了在普通采光模式下入射在围绕次级反射器60的PV电池62a上的集中太阳能通量。支撑结构70b的相对侧还可完全填充有太阳能电池阵列并且接收来自太阳的非集中直接光束和散射辐射，该非集中直接光束和散射辐射被转换成电能以补充由位于面向初级反射器10b的另一侧上的PV电池62a上的集中通量所产生的电力。当不需要日光并且将支撑结构70b翻转180度时，支撑结构70b的完全填充有PV电池的背部接收来自扩展的初级反射器10b的集中太阳能辐射，而位于围绕次级反射器60的另一侧上的PV电池62a区域的较小区域接收非集中太阳能和散射辐射。在两种构造中，这个实施方式可产生相当大量的太阳能电力，进而在需要替换电照明能量时产生用于建筑物使用的太阳能光照，并且提供良好品质的自然日光。
图11A和图11B示出了用于与太阳能采光系统5d一起使用的集中PV收集器的可替换实施方式。在这个实施方式中，初级反射器10和次级反射器60均为布置成如图1A至图1E中的典型梅森构造的槽形抛物面反射器。然而，不同于先前的实施方式，PV阵列65d安装在用于传送管道130的枢转盖64的顶表面上。可期望提供用于传送管道130的盖64，以用于安全、隔热、和/或隔音的目的。在这个实施方式中，额外地使用盖64以在采光系统5d之下的结构内无需采光时提供PV发电的机构。在这个实施方式中，盖64沿着传送管道130的认定为轴线81的边缘铰接。当盖64在如在图11B中示出的覆盖传送管道130的位置中枢转时，PV阵列65d直接放置在从次级反射器60反射的通量路径中，该次级反射器提供了基本准直光束的太阳能通量用于发电。图11B的构造中的次级反射器的顶表面60也可包含PV电池，从而增加由位于盖64上的PV阵列65d产生的太阳能电力。
如在图12中所示，在可替换实施方式中，盖64a可安装在滑动轨道上或以其他方式在平坦平面上水平移动以覆盖或者露出传送管道上方的初级反射器10中的开孔14。盖64a的顶表面和次级反射器60的背部可由PV电池65d和60a的阵列覆盖。当盖64a滑动到覆盖传送管道130以及开孔14的位置中时，PV阵列65d直接放置在从次级反射器60反射的通量的路径中，以提供基本准直光束的太阳能通量用于发电。
图13示出了典型盘形梅森集中反射器系统，该典型盘形梅森集中反射器系统具有初级反射器10和固定至安装件或支撑结构70的次级反射器60。入射光从初级反射器10反射、在次级反射器60上集中并且进一步校准并反射以通过初级反射器10中的开孔14进入传送管道，用于在下方结构中的分配。
图14A示出了对图13的盘形梅森集中反射器系统的典型设计的变形例。图14A的变形设计提供具有增大的周界区16的初级反射器10，以收集更多的太阳能通量。这种额外的通量对于采光的目的而言是非必须的，因为光从周界区16的反射将被引导至位于次级反射器60的周界外部的区域，该次级反射器的尺寸设计成对初级反射器10中的开孔14的尺寸区域提供准直光。然而在图14A的实施方式中，支撑结构70的直径被增大成超出次级反射器60的直径，并且PV电池阵列63安装在围绕次级反射器60的扩展周界区。在这个构造中，支撑结构70保持次级反射器60以将太太阳光传送进入待照射的房间中并且还保持PV阵列63以收集额外的太阳能辐射并将其转换成电力以用于其他用途。
如进一步在图14B至图14D中示出的，支撑结构70可以两部分的方式形成，其中内部安装件72枢转地连接至外部安装件71内。内部安装件72支撑次级反射器60，而外部安装件支撑周界PV阵列63。如果下方的结构无需采光，或者如果反射器系统切换至安全模式，则驱动系统100(例如电机或如上所述的其他器件或构造)可使内部安装件72在外部安装件71的开孔内的轴线上旋转，以引导次级反射器60背离初级反射器。此外，另一PV阵列65可安装在内部安装件72的与次级反射器60相对的侧上，这样使得当内部安装件72旋转时，使用来自初级反射器10的集中通量可获得额外的发电量。应当注意的是，外部安装件71的顶侧还可由PV阵列(不可见)覆盖，这样使得当次级反射器60定位向上并且背离初级反射器10时以及当PV阵列65定向向上时，可获得来自安装件70的顶侧上的非集中入射太阳光的发电。
应当注意的是，选择性地拦截来自初级反射器和/或次级反射器的集中光的PV阵列可结合到在本文未明确示出的采光系统的其他构造中。例如，具有作为产生并排的两个点焦点的初级反射器的双峰圆形盘和作为次级反射器的两部分抛物面凸盘的盘形采光系统可以在通过驱动机构旋转的相反的两部分抛物面凸盘上结合PV阵列。具有其他形状及构造的初级反射器及次级反射器的其他实施方式也是可行的。
所有的方向参照(例如近、远、上、下、向上、向下、左、右、横向、纵向、前、后、顶、底、上方、下方、垂直、水平、径向、轴向、顺时针以及逆时针)仅用于识别的目的以帮助读者理解本发明，并且不具体地对本发明的位置、方向或使用构成限制。除非另有指示，否则连接参照(例如附接、耦接、连接以及结合)应当宽泛地理解并且可包括位于各元件的连接之间的中间构件以及元件之间的相对运动。如此，连接参照并非必要地表示两个元件直接连接并相对于彼此固定。示例性附图仅用于说明的目的，并且在附图中反应的尺寸、位置、顺序和相对大小可变化。
上文的说明、实例和数据提供了结构的完整描述以及如在权利要求中限定的本发明示例性实施方式的使用。尽管上文已经在一定程度的细节上或者参照一个或多个实施方式描述了本要求保护的发明的各个实施方式，但在不背离本主张发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可对所公开的实施方式作出多种改变。因此可设想其他实施方式。本发明旨在，在上文说明中包含的和在附图中示出的所有主题应当仅仅理解为对具体实施方式的说明并且为非限制性的。在不背离如在权利要求中限定的本发明基本要素的情况下可作出细节或结构的改变。

Claims (20)

1.一种太阳能采光装置，包括：
初级反射器，定位成接收并反射入射的太阳光；
次级反射器，安装在与所述初级反射器相对的位置，以接收并反射从所述初级反射器反射的集中的光；
传送管道，被配置为接收从所述次级反射器反射的集中的光并且将所述集中的光传送至建筑物内的分配装置；
光伏阵列，安装在所述太阳能采光装置内，能从不干扰在所述传送管道内接收所述集中的光的第一位置移动至接收从所述初级反射器或所述次级反射器的任一个反射的所述集中的光的第二位置并由此拦截所述集中的光并防止在所述传送管道内接收所述集中的光。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：驱动机构，可操作地与所述光伏阵列连接，以在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述光伏阵列。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：偏置机构，将所述光伏阵列偏置在所述第二位置。
4.根据权利要求3所述的装置，进一步包括：驱动机构，可操作地与所述光伏阵列连接，以移动所述光伏阵列进入不干扰的所述第一位置，从而允许所述集中的光在所述传送管道内的接收。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，在对所述驱动机构的动力故障的情况下，所述偏置机构将所述光伏阵列偏置在所述第二位置。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光伏阵列被安装为围绕所述第一位置与所述第二位置之间的轴线旋转。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述次级反射器被安装在关于所述轴线与所述光伏阵列相对的位置；
所述次级反射器被配置为当所述光伏阵列处于所述第一位置时处于所述第二位置；以及
所述次级反射器被配置为当所述光伏阵列处于所述第二位置时处于所述第一位置。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
盖，围绕所述轴线旋转以覆盖和露出所述传送管道；以及
其中，所述光伏阵列被安装在所述盖上。
9.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
盖，在平面内横向滑动以覆盖和露出所述传送管道；以及
其中，所述光伏阵列被安装在所述盖上。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光伏阵列相对于从所述初级反射器反射的所述集中的光的焦距定位，以最小化从所述初级反射器反射的所述集中的光中的、由所述次级反射器在所述初级反射器上的阴影造成的空白。
11.根据权利要求10所述的装置，其中
所述光伏阵列具有相对于入射的集中的光的凹表面；以及
所述凹表面被定位成基本上超出所述集中的光的焦距。
12.根据权利要求10所述的装置，其中
所述光伏阵列具有相对于入射的集中的光的凸表面；以及
所述凹表面的顶点基本上处于所述集中的光的焦距处。
13.根据权利要求10所述的装置，其中
所述光伏阵列被分成第一半部和第二半部；
所述第一半部被定位为与所述空白的第一边界相邻；以及
所述第二半部被定位为与所述空白的第二边界相邻，从而所述第一半部和所述第二半部位于所述空白的相对侧上。
14.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
安装平台，支撑所述次级反射器，其中
垂直于光学轴线和纵向轴线两者的所述初级反射器的宽度大于照射所述次级反射器以向所述传送管道反射所需的宽度；并且
用于所述次级反射器的所述安装平台的宽度在平行于所述初级反射器的增加的宽度的方向等于所述初级反射器的宽度，并且限定延伸超出所述次级反射器的周界的区域；以及
一个或多个光伏太阳能电池，安装在所述安装平台的超出所述次级反射器的所述周界的所述区域上，其中
所述光伏太阳能电池接收从所述初级反射器的比所需宽度大的宽度反射的超出用于照射所述次级反射器所需的通量的集中太阳能通量。
15.一种太阳能采光装置，包括：
主太阳能收集器，通过反射集中入射光；
次级太阳能收集器，从所述主太阳能收集器接收所集中的光，并从反射集中器转变成辐射能量收集器。
16.一种用于配置具有光伏阵列的太阳能采光系统的方法，所述光伏阵列安装在所述太阳能采光装置内，能从不干扰在传送管道内接收集中的光的第一位置移动至接收从初级反射器或次级反射器的任一个反射的所述集中的光的第二位置并由此拦截所述集中的光并防止在所述传送管道内接收所述集中的光，所述方法包括：
识别从所述初级反射器反射的所述集中的光中的、由所述次级反射器在所述初级反射器上的阴影造成的空白；以及
相对于从所述初级反射器反射的所述集中的光的焦距来调节所述光伏阵列的构造，以最小化所述空白。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述调节的操作进一步包括：
将所述光伏阵列形成为具有相对于入射的集中光的凹表面；以及
将所述凹表面定位成基本上超出所述集中的光的焦距。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述调节的操作进一步包括：
将所述光伏阵列形成为具有相对于入射的集中光的凸表面；以及
将所述凹表面的顶点定位成基本位于所述集中的光的焦距处。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述调节的操作进一步包括：
将所述光伏阵列分成第一半部和第二半部；
将所述第一半部定位为与所述空白的第一边界相邻；以及
将所述第二半部定位为与所述空白的第二边界相邻，从而所述第一半部和所述第二半部位于所述空白的相对侧上。
20.一种用于增加太阳能采光系统中的光伏能量的收集的方法，所述太阳能采光系统具有初级反射器、次级反射器、以及传送管道，所述方法包括：
增加垂直于光学轴线和纵向轴线两者的所述初级反射器的宽度；
以等于所述初级反射器的增加的宽度的量并沿平行于所述初级反射器的所述增加的宽度的方向增加用于所述次级反射器的安装平台的宽度；
利用光伏太阳能电池填充围绕所述次级反射器的所述安装平台的对应于所述增加的宽度的区域，其中，所述光伏太阳能电池接收从所述初级反射器的所述增加的宽度反射的超出用于照射所述次级反射器所需的通量的集中太阳能通量。
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