CN105121975B - 改进的太阳能单元组件和构造这种组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适于将光反射到接收器(4)上的太阳能单元组件(1)，包括多个太阳能收集器单元(2)、主支撑元件(5)、多个第二支撑元件(6)和两个侧支撑元件(7)。本发明进一步涉及一种提供这种太阳能单元组件(1)的方法。

Description

改进的太阳能单元组件和构造这种组件的方法
技术领域
本发明涉及一种适于将光反射到接收器上的太阳能单元组件，包括多个太阳能收集器单元、主支撑元件、多个第二支撑元件和两个侧支撑元件。本发明进一步涉及一种提供这种太阳能单元组件的方法。
背景技术
许多年来，可再生的和可替代的能源已经在大范围内被探测，并且在近些年中，对总体能源产生和消耗的认识不断提高，特别是由对全球气候变化的关注和诸如石油的传统资源更高的价格推动。
一种这种可再生资源为太阳能。太阳能利用来自太阳的辐射产生热或发电，基本上或者通过直接产生电力，即通过使用包括多个含有光伏材料的太阳能电池的光伏太阳能电池板将太阳辐射转换为直流电，或者通过太阳能集热器以利用热能产生热量，例如用于住宅供热的目的，用于液体的蒸发(蒸馏)，或通过加热水或另一种传热流体生成蒸汽(其接着驱动与发电机连接的汽轮机)来发电。
一种获得非常高的温度并因此获得太阳热能的有效利用的方法是聚光太阳能发电(CSP)系统，其根本上使用镜子或透镜以将大面积的太阳光，即太阳热能，聚集至一小面积上。
聚集技术存在四种基本类型，也就是太阳能收集器的形式为抛物面型槽，碟镜，聚集线性菲涅尔反射器，和导向太阳能塔的平面型太阳能收集器。CSP近来已经被广泛地商业化，并已经取得可观的可再生资源市场占有率。就世界范围内的CSP装置而言，抛物面型槽装置占主要部分。
原则上，包括抛物面型槽的太阳热能收集器由线性抛物面反射器组成，线性抛物面反射器将辐射聚集在沿反射器的焦线定位的接收器上。接收器是定位在抛物面镜的中部正上方的管，且填充有传热流体。抛物面型槽通常对准在南-北轴上，且旋转以在太阳移动时追踪太阳，或者槽能够被对准在东-西轴上，其减少了追踪的需求但是降低了收集器的整体效率。
抛物面型槽反射器传统地被形成为由支撑结构承载的长形抛物面镜。该镜典型地由玻璃制成，其具有优异的反射和稳定特性。但是，玻璃具有一些缺点。例如，其易碎，意味着在制造、运输和安装期间必需采取特殊的预防措施。此外，这种镜面的重量是相当大的，这对支撑结构提出大的要求，且系统的制造、运输、安装和维护的总体成本相对高。
在现有技术中，已经试图提供这种抛物面镜组件的替代。示例已经示出在美国公开专利申请No.2010/0313933和欧洲专利No.338 051中。在例如美国公开专利申请No.2003/0193066A1中给出另一示例，其建议形成反射椎体作为对抛物面型槽和碟镜形式的太阳能收集器的替代。与在该文献中提到的特定设计相关的一个优点是构造和保持抛物面型槽和镜碟所需要的相当大的稳定性可被避免。但是，抛物面型槽或镜碟的效率远大于在该文献中建议的太阳能收集器。
在已知的装置中，由铝板制成的反射器被用于减小重量。但是，铝的反射性能比玻璃的反射性能差；此外，因为这种太阳能收集器在所有时间均暴露于风化作用，裸露的铝需要频繁地清洁和抛光，从而保持其反射性能。
文献WO 2007/096158 A1描述了一种自支撑的支撑结构，其形式为在其前表面承载抛物面型集中器反射器的中空腔型材。支撑结构被提供为挤压、线拉拔或辊压形成的型材。类似地，US2008308094描述了一种提供自支撑槽型太阳能单元的方法，其中横向肋的支撑结构环绕反射元件。尽管此设计缓解了其它替代组件的许多缺点，但是就易于制造、运输、安装、尺寸的灵活性、维护来说以及非常地就反射器单元的利用率来说，这种设计不是非常的灵活，因此仍然具有改进的空间。
发明内容
由此背景，一个目的在于提供一种太阳能单元组件，其更加灵活、有成本效益和多用途，不损害精确性，并且其在制造地点和使用地点均可被容易地组装。
在第一方面中，该目的和另外的目的被实现，如权利要求1中所述的，其中主支撑元件仅被附接到侧支撑元件和第一排沿纵向方向延伸的一个或多个太阳能收集器单元。
通过将主支撑元件仅附接到第一排的太阳能收集器单元，足够的稳定性被出人意料地实现，从而确定接收器被稳定地保持而不沿纵向方向偏离，而在剩余排的太阳能收集器单元中允许一些灵活性，而不损害集中器的精确度。通过提供的结构，能够省略在并置方向上的加强结构，使得唯一的横向稳定性元件为侧支撑元件。以这种方式，已经采用支撑太阳能收集器单元的新方法。不是在整个面积中提供相同的支撑，现在能够优化支撑，并且这不降低太阳能收集器单元的准确性，在测试中显示99.6％的准确性。
在本发明的另一方面提供了一种构造太阳能单元组件的方法，包括方法权利要求15中限定的步骤。
在本发明的特定实施例的说明中描述另外的细节并陈述另外的优点。
附图说明
以下，将参照示意图通过实施例的示例进一步详细地描述本发明，其中
图1示出根据本发明的太阳能单元组件的实施例的透视图；
图2从另一角度示出图1的太阳能单元组件的透视图；
图3示出图1和图2的太阳能单元组件的侧视图；
图4以更大尺度示出图1至图3的太阳能单元组件的细节的局部透视图，即连接到第一排的太阳能收集器单元的主支撑元件；
图5示出图4的细节的局部侧视图；
图6和图7分别示出对应于图4和图5的太阳能组件的另一细节的视图，即连接到第二排的太阳能收集器单元的第二支撑元件；
图8示出侧支撑元件的透视图；
图9和图10分别示出主支撑元件和第二支撑元件的透视图；
图11-14以更大尺度示出支撑结构的细节的局部透视图；
图15是对应于图1的例示构造组件的方法的透视图。
具体实施方式
在图中，根据本发明的太阳能单元组件1的实施例被示出。组件1典型地形成未示出的包括能量产生和储存机构、控制系统等的太阳能装置的一部分。特别参见图1，组件1包括安装在承载或支撑框架上的多个太阳能收集器单元2，承载或支撑框架包括主支撑元件5、多个第二支撑元件6和在组件1的每个纵向端部的侧支撑元件7。
在所示的构造中，组件1包括总共21个太阳能收集器单元2，其中七个太阳能收集器单元2被定位为沿弧形方向a彼此并置，在宽度和高度方向y、z上突出，且三个太阳能收集器单元2沿纵向方向x。
以下，只有一个太阳能收集器单元2将被详细描述；装置的其它太阳能收集器单元可以类似地或改进的方式被设计。还将理解，单个太阳能收集器单元2自身可以构成太阳能装置，例如用于家庭使用领域。此外，太阳能收集器单元也可被用作维修单元。每个太阳能收集器单元2被制造为具有预定的抛物面形状。在所示的实施例中，每个太阳能收集器单元2包括反射器元件21，反射器单元21由基底和提供在该基底上的反射表面形成，所述反射表面可为来自的高反射膜(诸如3M SMF 1.100膜)或者Reflect的镜膜，所述太阳能收集器元件进一步包括支撑结构，参见图11和图13，该支撑结构大体上包括预定数量的型材(profile)22，型材22彼此相距一距离被连接到反射器元件，优选地，每2000mm的型材的数量为3至12，更优选地为4至10，并且再更优选地为5至8。型材起到确保太阳能收集器单元的抛物面性质的作用。关于太阳能收集器单元2的构造的细节为申请人的国际申请No.PCT/DK2012/050308的主题。一般地，太阳能收集器单元2具有每平方米大约5千克的平均重量。
接收器4被布置在抛物面的焦线上，并通过保持臂3被安装至组件1的承载或支撑框架。接收器4适于容纳传热流体，诸如以本身已知的方式用于消耗或用于蒸发的水。
整个太阳能收集器单元2通过机械方式或者粘合方式、或者组合的方式被连接到承载框架1。合适的粘合连接包括使用例如3MTMScotch-WeldTM7271B/A。机械连接也是可想到的，可例如包括夹持装置。此外，太阳能收集器单元可以任何合适的方式彼此连接。
以下，将详细描述形成承载或支撑框架的一部分的元件的构造。
因此，接收器4在提供最大程度的保护以抵抗可能使接收器失去对准的扭力和弯曲的位置被连接到主支撑元件5。
接着，主支撑元件5仅被附接到侧支撑元件7和第一排沿纵向方向延伸的一个或多个太阳能收集器单元211、212、213。
在剩余排的太阳能收集器单元221、222、223；231、232、233…271、272、273中，一个第二支撑元件6被附接到相应的一排一个或多个太阳能收集器单元和侧支撑元件7，例如如15中所示。
为了承受对抗扭强度和抗弯强度的要求，主支撑元件5为坚固的结构。在所示的实施例中，主支撑元件5包括两个端部50，且主支撑元件的横截面大体上为矩形，其中四个梁51在端部50之间沿纵向方向延伸。主支撑元件5由一个或多个中间部56和在一个端部50和相邻的中间部56之间以及在中间部56之间延伸的多个撑条元件52、53、54、55加强。为了在每个纵向侧提供与侧支撑元件7的连接，主支撑元件5被提供有适于与各个侧支撑元件7配合的接合机构，如图12所示，在所示的实施例中为提供在各个端部50上的法兰57的形式。元件通过例如螺栓或夹持装置之类的任何合适的机构彼此连接。
主支撑元件5的长度与第一排的太阳能收集器单元211、212、213的总长度相适应。在实际的实施例中，每个太阳能收集器单元具有大约为4m的相同的长度和大约为1.3m的弧形尺寸，因此，主支撑元件5的长度为大约12m。在此长度，主支撑元件5的重量为大约500kg。
对于第二支撑元件6，其包括两个端部60，且其横截面大体为三角形。三角形横截面通过每个第二支撑元件6包括一个形成顶梁的梁61和两个形成底梁的梁62而获得，参见图13，底梁62在安装状态下适于面向太阳能收集器板221。在所示的实施例中，足够的强度被获得，其中第二支撑元件6还包括一个或多个中间部66和在位于任一端的端部60和相邻的中间部66之间以及在中间部66之间延伸的多个撑条元件63、64、65。在任一侧与侧支撑元件7的连接通过为第二支撑元件6提供适于与各个侧支撑元件7配合的接合机构而获得，这里接合机构的形式为提供在各个端部60上的法兰67。对于主支撑元件5，元件通过例如螺栓或夹持装置之类的任何合适的机构彼此连接。
第二支撑元件6的长度与第二排和任意其它排中的太阳能收集器单元221、222、223的总长度相适应。在实际的实施例中，每个主支撑元件6的长度为大约12m。在此长度，第二支撑元件6的重量为大约200kg。可想到，第二元件可具有其它合适的尺寸，诸如与主支撑元件相同的尺寸。但是，三角形结构是优选地，因为总结构的重量被减小，且这不需要损害最终单元的稳定性和精确性。
主支撑元件5和第二支撑元件6的长度，即大约12m，提供几个部件安装的便利性和可管理的长度之间的良好折中。12m的长度将因此能够由常见的方式运输，诸如卡车和集装箱。但是，该长度可为任意合适的长度，本发明不应当被限制于所例示的长度。
为了提供纵向延伸的主支撑元件5和第二支撑元件6与侧支撑元件7之间的容易和可靠的连接，在所示的实施例中，每个侧支撑元件7包括至少一个弧形梁71、72、这里是两个弧形梁71、72，并包括适于与主支撑元件配合的一个主接合构件73、74，以及适于与各个第二支撑元件6配合的一组第二接合构件75、76。特别地分别参见图8以及图11和图13，主接合构件包括矩形梁结构73和四个法兰74，每个第二接合构件包括三角形梁结构75和三个法兰76。此外，每个侧支撑元件被提供有直立的板元件77，该直立的板元件77适于提供与最外侧的支撑接收器4的保持臂3的连接。保持臂3被直接安装到主支撑元件5。
由于承载或支撑框架的优化结构，主支撑元件5的抗扭强度和抗弯强度应当大体上大于第二支撑元件6的抗扭强度和抗弯强度，例如在1.5:1至3:1的范围内，优选地在2:1的范围内，例如至少为第二支撑元件6的对应值的两倍。
通过此结构，能够提高太阳能单元组件的排的数量。在传统结构的情况下，排将最经常地被限制为三个、四个或五个，因此设定跨度，每长度单位的反射表面的总面积以及因此聚集在接收器4中的能量的上限。取决于太阳能单元组件的应用领域，排的数量在2至11的区间中，优选地为5至9，诸如5、6、7、8或9。在仅12m的长度上更大数量的太阳能收集器单元、这里为21个太阳能收集器单元，使其能够提供更短的装置，或者提高接收器4内的传热流体的温度，例如甚至高至450℃或550℃，这使其能够提高这种装置中太阳能收集器单元下游的系统的效率。
构造太阳能收集器单元原则上可以以任何合适的方式和步骤顺序进行。但是，一种优选的方法包括步骤：
a)形成多个太阳能收集器单元，每个太阳能收集器单元由以下步骤提供：
提供基底，
在基底上提供反射表面以形成反射器元件，
提供包括预定数量型材的支撑结构，
调整反射器元件的形状，和
通过将支撑结构连接到反射器元件来固定反射器元件的形状，以提供太阳能收集器单元；
b)提供主支撑元件5、多个第二支撑元件6和两个侧支撑元件7；
c)将侧支撑元件7连接在接地元件上，诸如安装有电缆塔的混凝土地基；
d)将主支撑元件5连接到侧支撑元件7；
e)将多个第二支撑元件6连接到侧支撑元件7；
f)将多个太阳能收集器单元中的第一多个太阳能收集器单元在第一排中附接到主支撑元件5，以便沿纵向方向覆盖主支撑元件的全部长度；
g)将多个太阳能收集器单元中的第二多个太阳能收集器单元在第二排、第三排、第四排等中附接到多个第二支撑元件6，以便覆盖第二支撑元件的全部长度并限定弧形方向；
以提供太阳能单元组件1。
可想到，步骤e)和f)的顺序能够颠倒，使得太阳能收集器单元在第二支撑结构被附接之前被附接到第一支撑结构。
还可想到，附加排的第二支撑结构和对应的太阳能收集器单元可在太阳能单元组件的初始构造以后被增加，使得如果需要的话能够增大容量。增加第二支撑结构和对应的太阳能收集器单元的数量不损害结构的稳定性，也不降低反射的精确度和准确度。相反，附加排的第二结构的增加提高效率，并因此提高流体的温度。
太阳能单元组件的各个部件能够在任意地点被灵活地组装，从而优化组成该组件的部件的制造和运输。
因为每个元件非常轻，且组装非常简单，能够使用仅一小组工人利用叉车在少于一年中建造500.000m2太阳能场。
每个太阳能组件可独立放置或形成更大的太阳能单元装置的一部分。由于每个太阳能单元组件的设计，它们能够例如由电动机单独控制，以将每个组件保持在正确的位置。

Claims (15)

1.一种太阳能单元组件，包括：
布置在至少一排中的具有相同宽度的多个太阳能收集器单元(2)，
接收器(4)，
主支撑元件(5)，
多个第二支撑元件(6)，和
两个侧支撑元件(7)，
每个太阳能收集器单元(2)包括柔性的反射器元件(21)和支撑所述反射器元件的支撑结构，并且所述支撑结构每长度单位包括预定数量的型材(22)，
其中所述多个太阳能收集器单元限定纵向方向(x)和弧形方向(a)，
其特征在于，所述接收器(4)被连接到所述主支撑元件(5)，所述主支撑元件(5)仅被附接到所述侧支撑元件(7)和第一排沿所述纵向方向延伸的一个或多个太阳能收集器单元(211，212，213)，并且所述多个第二支撑元件(6)仅被附接到所述侧支撑元件(7)和剩余的一排或多排沿所述纵向方向延伸的一个或多个太阳能收集器单元(221，222，223；231，232，233…271，272，273)。
2.根据权利要求1所述的太阳能单元组件，其中所述主支撑元件(5)包括两个端部(50)，并且所述主支撑元件(5)的横截面大体上为矩形。
3.根据权利要求2所述的太阳能单元组件，其中所述主支撑元件(5)包括在所述端部(50)之间沿所述纵向方向延伸的四个梁。
4.根据权利要求3所述的太阳能单元组件，其中所述主支撑元件(5)还包括一个或多个中间部(56)和多个撑条元件(52，53，54，55)，该多个撑条元件(52，53，54，55)在端部(50)和中间部(56)之间和/或在中间部(56)之间延伸。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的太阳能单元组件，其中所述主支撑元件(5)被提供有适于与各个侧支撑元件(7)配合的接合机构，优选地，该接合机构为提供在各个端部(50)上的法兰(57)的形式。
6.根据权利要求1所述的太阳能单元组件，其中每个第二支撑元件(6)包括两个端部(60)，并且每个第二支撑元件(6)的横截面大体上为三角形。
7.根据权利要求6所述的太阳能单元组件，其中每个第二支撑元件(6)包括一个形成顶梁的梁(61)和两个形成底梁的梁(62)，所述底梁(62)在安装状态下适于面向太阳能收集器板(221)。
8.根据权利要求7所述的太阳能单元组件，其中所述第二支撑元件(6)还包括一个或多个中间部(66)和多个撑条元件(63，64，65)，该多个撑条元件(63，64，65)在端部(60)和中间部(66)之间和/或在中间部(66)之间延伸。
9.根据权利要求6所述的太阳能单元组件，其中所述第二支撑元件(6)被提供有适于与各个侧支撑元件(7)配合的接合机构，优选地，该接合机构为提供在各个端部(60)上的法兰(67)的形式。
10.根据权利要求1所述的太阳能单元组件，其中每个侧支撑元件(7)包括至少一个弧形梁(71，72)，优选地包括两个弧形梁，并包括适于与所述主支撑元件(5)配合的一个主接合构件(73，74)和适于与各个第二支撑元件(6)配合的一组第二接合构件(75，76)。
11.根据权利要求10所述的太阳能单元组件，其中所述主接合构件包括矩形梁结构(73)和四个法兰(74)。
12.根据权利要求10所述的太阳能单元组件，其中每个第二接合构件包括三角形梁结构(75)和三个法兰(76)。
13.根据权利要求1所述的太阳能单元组件，其中所述主支撑元件(5)的抗扭强度和抗弯强度大体上大于所述第二支撑元件(6)的抗扭强度和抗弯强度，优选地在1.5:1至3:1的范围内，最优选地为所述第二支撑元件(6)的对应值的至少两倍。
14.根据权利要求1所述的太阳能单元组件，其中排的数量在2至11的区间中，优选地在5至9的区间中。
15.一种构造根据权利要求1至14中任一项所述的太阳能单元组件(1)的方法，包括步骤：
a)形成多个太阳能收集器单元(2)，每个太阳能收集器单元(2)由以下步骤提供:
提供基底，
在所述基底上提供反射表面以形成反射器元件(21)，
提供包括预定数量的型材的支撑结构(22)，
调整所述反射器元件(21)的形状，和
通过将所述支撑结构(22)连接到所述反射器元件来固定所述反射器元件(21)的形状，以提供太阳能收集器单元(2)；
b)提供主支撑元件(5)、多个第二支撑元件(6)和两个侧支撑元件(7)；
c)将所述侧支撑元件(7)连接在接地元件上，诸如安装有电缆塔的混凝土地基；
d)将所述主支撑元件(5)连接到所述侧支撑元件(7)；
e)将所述多个第二支撑元件(6)连接到所述侧支撑元件(7)；
f)将所述多个太阳能收集器单元(2)中的第一多个太阳能收集器单元(2)在第一排中附接到所述主支撑元件(5)，以便沿纵向方向覆盖所述主支撑元件的全部长度；
g)将所述多个太阳能收集器单元(2)中的第二多个太阳能收集器单元(2)在第二、第三、第四…排中附接到所述多个第二支撑元件(6)，以便覆盖所述第二支撑元件(5)的全部长度并限定弧形方向；
以提供所述太阳能单元组件(1)。
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