CN105579785A - 收集太阳能的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于获得太阳能的设备包括具有壳体(10..13)的一体单元。壳体包括具有中空反射面(25)的反射装置(20)并且借助折射装置(30)封闭，折射装置具有供阳光进入的入射面(35)。折射装置和反射装置均设置成能够绕旋转轴线(71、72)旋转，并且它们相对于彼此的定向利用为该目的设置的定位装置而被连续调节到天空中的太阳的当前位置。壳体包括多个防尘但通风的室。第一室(100)位于折射装置(30)与反射装置(20)之间并且包括能量转换装置(40)，能量转换装置至少靠近反射面(25)的焦点。第二室(200)位于反射装置(20)与壳体的基部(13)之间，并且包括用于旋转折射装置(30)和反射装置(20)的定位装置(51、53)。

Description

收集太阳能的设备
技术领域
本发明涉及一种用于获得太阳能的设备，该设备包括：反射装置，具有反射面，该反射面具有至少一个焦点；折射装置，具有让阳光进入的入射面以及面对反射装置的反射面的出射面，折射装置设置成能够绕第一旋转轴旋转，反射装置设置成能够绕第二旋转轴旋转，能量转换装置的入射区设置成至少靠近反射面的至少一个焦点，以及定位装置设置成根据太阳的当前位置来使折射装置绕第一旋转轴线旋转并且使反射装置绕第二旋转轴线旋转。
背景技术
从欧洲专利申请EP2005074已知这样的设备。该设备包括棱镜式透镜形式的折射装置，折射装置在入射面从第一方向捕获阳光并在出射面沿第二偏离方向发出阳光。反射体安置有沿该第二方向的凹形反射面，从而捕获折射装置折射的光线并将这些光线聚集在反射装置的焦点上。在这个焦点上或靠近这个焦点安置有将阳光转换成电能的光电池。为了使该设备的性能最优化，透镜和反射器均安装成能够绕旋转轴线旋转且设置有定位装置，该定位装置将它们相对于彼此的方向连续地调整到太阳的当前位置。这种将方向连续或周期性调节到太阳在空中连续改变的位置的方向调节促使最优比例的阳光到达光电池。因此，可以得到对于这种设备的操作效率的实质性改善，有利于使其经济可行性达到最大程度。
所述经济可行性还取决于其它因素。首先是设备待设定的地理位置。在日照时间更长的区域中，可以获得比太阳在空中时间较短的区域更多的能量。而且，技术因素很重要(比如设备的耐久性和可靠性)，应该优选地使其无人地和以完全自动的方式操作。最终，经济因素发挥作用，比如表面区域的有效性和成本价格，特别是如果在大量这种类似设备的停放处使用该设备，从而实现更大的总产量。
因此，不出意料地，沙漠区域特别显著地适用于使用这种装置来获得太阳能。但是，这意味着设备必须能够经受沙漠区域特有的极端气候现象，比如流沙和每日温度波动大。本发明尤其用于提供首段中所述类型的设备，该设备在这种环境下仍具有可靠且持久的不间断操作。
发明内容
为了完成预期目标，一种根据本发明的首段中描述的类型的用于从阳光获得能量的设备的特征在于，反射装置、折射装置、定位装置和转换装置从具有共同壳体的一体单元延伸，折射装置可以相对于壳体的基部绕第一旋转轴线旋转并且设置有主驱动装置，主驱动装置能够且设定成在该折射装置上施加相对于壳体的基部绕第一轴线的旋转，反射装置设置成能够在壳体内绕第二旋转轴线旋转，并且设置有副驱动装置，以在该反射装置上施加相对于基部绕第二轴线的旋转，并且折射装置和反射装置围出折射装置的出射面与反射装置的反射面之间的至少几乎防尘、封闭但透空气和水蒸气的室，该室至少包含所述转换装置的入射区域。
因此，折射装置和反射装置在一体单元中彼此结合，该一体单元使折射装置与反射装置之间包含转换装置的空间能够充分封闭。沙子和灰尘因此没有或几乎没有渗透的机会，然而在周围温度下降(比如夜间)时水蒸气能够离开而不会冷凝。设备因此显著地适合在每日温度波动大的沙漠区域中使用，但当然还可以有利地在少数极端地方中使用。
在上下文中，设备的特定实施例的特征还在于基部与反射装置之间的壳体包括至少几乎防尘的第二室，主驱动装置和副驱动装置至少大体上设置在第二室中。因此，驱动装置在为此目的而充分封闭的单元的室内还免受灰尘和沙子的影响。此外，在共同、充分封闭的单元中的所有相关部件的联合(unification，统一)减少了设备的安装时间和安装费用，其仅需要被放置就位并连接到能量消耗网络。
除了充当光学部件，反射装置可以在设备中充当结构元件。在上下文中，根据本发明的设备的另一特殊实施例的特征在于反射面从反射体延伸，该反射体几乎完全使第一室与第二室彼此分离，并且特别地，反射体在第一室与第二室之间留有至少几乎防尘但通风的缝隙。因此，反射体以防尘但经由例如所述缝隙通风的方式使第一室与第二室彼此几乎完全闭合。室的有意的通风不仅促进设备内的湿度和水蒸气管理，还促进温度的平衡(leveling)。不期望的冷凝和设备的机械应力的风险因此能够被限制。
根据本发明的设备的另一特殊实施例的特征在于主驱动装置包括主电机单元或致动器，该主电机单元或致动器可以直接或者可以不直接刚性地连接到折射装置和壳体的基部中的第一个，并且该主电机单元或致动器借助输出轴可以直接或者可以不直接与齿(toothing)接合，该齿从折射装置和壳体的基部中的第二个延伸。因此，基部提供了参考点，折射装置相对于该参考点被定位。对于反射装置，这一点是可能的，或者至少某些相似之处是可能的。为了这个目的，根据本发明的设备的另一特殊实施例的特征在于副驱动装置包括副电机单元或致动器，该副电机单元或致动器可以直接或者可以不直接刚性地连接到反射装置和壳体的基部中的第一个，并且该副电机单元或致动器借助输出轴可以直接或者可以不直接与齿接合，该齿从反射装置和壳体的基部中的第二个延伸。对于电机单元/致动器，优选地使用步进电机。这能够分别在折射装置或反射装置上施加相对于相关的旋转轴线的极其精确的旋转角度。
转换装置和反射面所处的第一室中的冷凝必然导致设备暂时甚至永久的低效率，尤其是如果结果是在其中一个表面处的盐或氧化物沉积。为了进一步减少发生这种情况的风险，根据本发明的设备的另一实施例的特征在于第一室包括可逆水分吸收装置，该装置与反射面和折射装置的出射面开放地连通，并且尤其在于，吸收装置包括多孔吸收体，特别是包含纤维素的吸收体，更特别地是木制吸收体。这背后的想法是在第一位置通过吸收体中水分的吸收而非冷凝，从而消减(counteract)过量的水蒸气。随后，如果例如通过加热使非饱和空气上升，吸收体将这些湿气释放到周围环境。由于这种可逆性，吸收体将不会这么快地饱和且可以以这种方式操作很长时间。
除反射装置之外，折射装置(除了光学功能之外)也能够满足根据本发明的设备内的结构作用。为了这个目的，根据本发明的设备的另一特殊实施例的特征在于折射装置包括折射体，该折射体在主侧上至少几乎完全密封地闭合壳体。折射体因此形成闭合壳体的盖(lid)。这方面的好的经验知识借助设备的特殊实施例而获得，其中折射装置包括棱镜式透镜(prismaticlens)，特别是菲涅耳透镜。
为了提高效率和输出，根据本发明的设备的优选实施例的特征在于反射面包括多个部分(segment，区段)，每个部分具有其自己的焦点，并且在至少靠近这些部分的焦点的每一个的位置包括副折射装置，这些部分具有与转换装置的主表面至少几乎重合的焦点。因此，在通过折射装置的折射之后，入射阳光可以从这些部分聚合到它们各自的焦点。副折射装置进而用于将光聚集在转换装置的操作主表面上，这因此分配在入射面处进入的至少几乎所有光。
另一特殊实施例涉及一个或多个光电池形状的转换装置，该转换装置将阳光转换为电能。设备的另一特殊实施例的特征在于转换装置刚性地连接到反射装置。因此，转换装置总是位于反射装置的一个或多个焦点处，而不管它们相对于第二旋转轴线的定向。
附图说明
现在基于实施例的示例以及附图来进一步解释本发明。在附图中：
图1是根据本发明的设备的实施例的示例的剖视图。
附图仅仅是示意图且没有完全按比例画出。特别地，为了清楚，一些尺寸可以渲染为更大或更小。图中的对应部件尽可能用相同的附图标记指代。
具体实施方式
由于矿物燃料减少或越来越难以恢复，然而世界能源需求显示为上升趋势，因此可再生能源作为附加能源越来越重要。就此而言，太阳能可以是一个重要因素，如果可以实现足够高的性能和足够高的产量。本发明提供一种可以同时满足这两个方面的用于获得太阳能的设备。图1中示出这种设备的示例。
设备至少包括几乎完全防尘的封闭壳体10。中空镜形式的反射装置20位于封闭壳体10内。虽然镜20可以构造有单个凹部，特别地可构造为具有单个焦点的双曲线反射面21，这个示例使用具有多个中空反射面的反射装置，上述多个中空反射面具有多个单独的叶片(lobe)。在这个示例中，反射面包括四个这种叶片，每个叶片具有各自的焦点。
能量转换装置位于焦点上或靠近焦点，以便从焦点上聚集的阳光获得能量。在这个示例中，能量转换装置包括一个或多个光电池(photo-voltaiccell)本体，光电池本体尤其与多个透镜组成的副光学系统45结合。透镜45放置为入射面在镜的一个或多个叶片22的焦点上或靠近焦点处。各个透镜的焦点依次至少几乎与一个或多个光电池40的作用面(activesurface)一致。另外，关于能量转换装置，还可以使用用于获得热量的光-热(helio-thermic)设备，但是在本示例中，使用将入射阳光转换为电的一个或多个光电池。与光电池一起，副光学系统45通过一组刚性臂47固定连接到镜20，使得转换装置总是位于镜的焦点上。对于这里使用的光-电转换装置的实施例的另一示例，参考申请人的另一正在申请中的专利申请，该申请的内容应该认为被援引且并入于此。
壳体10还包括在主入射侧的棱镜式透镜形式的折射装置。该透镜由在主入射侧闭合壳体的板状体60形成。板状体可以由玻璃形成，但是从节省成本的角度来看，这个示例使用清晰、透明的塑料(特别是聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯)，该塑料可以设置或不设置有额外的传输涂层，从而尽可能在其入射面上抵消反射。在出射侧，板状体60的表面已经被加工成棱镜式锯齿形轮廓已经设置在其中。因此，板状体作为所谓的菲涅耳透镜(Fresnellens)，以一定角度冲击(impinge)的光借助该菲涅耳透镜向光学主轴线弯曲。如果需要，板状体60可以覆盖有玻璃板以抵抗腐蚀。
透镜牢固地连接到壳体10的第一壳部11，该壳部具有步进电机31(带有输出轴和链轮齿(sprocket)35)形式的驱动装置，该壳部与从壳体的基部13延伸的齿圈(toothwreath)36接合。因此，在操作期间，壳部11绕第一旋转轴线71可旋转，并且作为结果，透镜60绕第一旋转轴线71可旋转。由于该旋转，透镜60的延伸的光学主轴线可以连续地被定向和调节以使其尽可能准确地与镜20的反射面21的输入主轴线重合。结果，透镜60的主入射侧进入的阳光会完全或几乎完全集中于反射面21的一个或多个焦点上，并且由于副光学器件45而从该或这些焦点会聚到光电池40的入射区域中的共同焦点。
为了使这个共同焦点能够尽可能准确地与所述入射区域(即光电池40的作用面)重合，反射装置20设置成能够绕第二旋转轴线72旋转且设置有(副)驱动装置以便能够绕该轴线72进行旋转。副驱动装置包括第二步进电机32，反射装置因此能够借助该副驱动装置相对于透镜60被定向。该第二步进电机的输出轴借助链轮齿37与壳体10的基部13中的第二齿圈38接合。
在这个示例中，第二旋转轴线72与第一旋转轴线71重合，但是这不是必要的。重要的是，透镜60和镜20因此可以彼此独立地被调节，并且它们相对于彼此的方向因此可以连续地被调节到天空中太阳的当前位置。结果，能够捕获一部分(尽可能多)阳光，并且将这些阳光聚集在转换装置40的作用面上。相较于更传统的光-电太阳能电池板和光-热太阳能收集器，该设备因此实现用于此目的的表面区域的空前的每单位性能。为了使这个设备的功能更清楚，请参考申请人发布的EP2005074号所述在先欧洲专利申请，该申请内容应该被认为援引且并入于此。
设备的最终有效输出将很大程度上取决于日照时间和设备每天暴露的太阳的强度。此外，与设备安装有关的投资的经济回收期还取决于当地土地价格和安装费用。鉴于这些和其它因素，优选地在大量这些设备的停放处使用该设备并且在沙漠区域中建立这样的停放处。
根据本发明，如在示出的示例中，由于反射装置20、折射装置60、定位装置31、32以及转换装置40都从设定在共同壳体10中的一体单元延伸，安装时间以及由此导致的安装费用可以保持在相对限度内。此外，安装因此不需要来自负责的操作员的任何特殊知识。
为了能够经受沙漠区域特有的气候环境(比如流沙和大的每日温度波动)，设备至少包括几乎防尘但通风的第一室100，第一室100在壳体10中、透镜60与反射装置20之间。转换装置40内设置有副光学系统，使得这些以及反射面21免受灰尘和沙子的影响。
由于室100通风的事实，其内部的冷凝消减了。为了这个目的，反射体20保持缝隙或裂缝，其外周具有环绕壳11。一条过滤材料设置在这个缝隙上，该过滤材料防尘但可以渗透水和水蒸气。为了这个目的，可以使用改进的膜过滤器，比如在品牌名称GoreTex下的商业上可用的塑料、或类似材料、或者由适当塑料(如聚酯)制成的足够精细的网状无纺布材料。室100因此可以充分通风并且使水蒸气与周围环境交换，而且沙子和灰尘不能进入。
然而，如果室100中的空气在寒冷的夜晚期间下降到露点以下，结果还是会发生冷凝，吸收体90被包括在室中作为额外的保护措施。这个吸收体能够接收和排出(relinquish)水，以便饱和水蒸气能够从空气中有效地排出，而不是存留在其中一个光学部件上。由此，多种不同的多孔材料使其自身具有这样的可逆行为。在这个示例中，为此目的而使用木环90，该木环设置在室中的顶侧、设备的光学操作区域外。因此，吸收体不会干扰设备的光学功能和效率，但是在室中与大气开放地连通并且能够调节其含水量。
反射体20从第二室200分离出第一室100，第二室200也至少几乎防尘和通风。这个第二室200具有用于主驱动装置31和副驱动装置32的空间。壳体的第二壳部12形成第二室200的外部边界(outerlimit)。第一壳部11与第二壳部12之间的密封件(没有进一步示出)使透镜20能够在壳体内旋转，但是将第二室的防尘保持到足够的程度。结果，设备中的驱动电机31、32以及与它们有关的传输部件35、38同样免受外部(天气)的影响，特别是沙子和灰尘的影响。
第二室200通过接地板250与第三室300分离，第三室300还由壳体的基部13界定。壳体借助第二壳部12安置在基部13上并且这两者在操作期间静止的。因此，设备完全设置为一体，并且因此相对容易且快速地现场安装。
多种材料可以用于壳部11、12和基部。在这个示例中，使用抗冲击塑料。更具体地，基部由聚丙烯制成，而对于壳部则使用丙烯腈(ASA)。不同的部件(如果可能)通过注塑成型生产。精密部件例如透镜的棱柱面和镜的反射面可能被处理，从而在相对狭窄的、可应用的尺寸公差内保持到足够的程度。反射体20还可以主要由塑料制成，在反射面的反射体设置有反射涂层。
为了连接到市内配电网络(localdistributionnetwork)的目的，设备具有电转换装置，电转换装置使光电池的放电充分适应该网络的类型和大小。为了在出故障或维护时实现简单的更换，这些电子设备设置在插件板上并且设置在设备的其中一个室中。在设备的出口处，因此释放的电力可以直接连接到该网络。
虽然以上仅使用单个示例描述了本发明，应该清楚的是，本发明当然并不局限于此。相反，在本发明的上下文中，很多变型和实施例对于本领域普通技术人员来说是可行的。

Claims (13)

1.一种用于获得太阳能的设备，所述设备包括：反射装置，具有拥有至少一个焦点的反射面，以及折射装置，具有供阳光进入的入射面以及面向所述反射装置的反射面的出射面，所述折射装置设置成能够绕第一旋转轴线旋转，所述反射装置设置成能够绕第二旋转轴线旋转，所述能量转换装置的入射区域设置在至少靠近所述反射面的至少一个焦点的位置，并且定位装置设置成根据太阳的当前位置来使所述折射装置绕所述第一旋转轴线旋转，并且使所述反射装置绕所述第二旋转轴线旋转，其特征在于，所述反射装置、所述折射装置、所述定位装置和所述转换装置从具有共同壳体的一体单元延伸，所述折射装置能够相对于所述壳体的基部绕所述第一旋转轴线旋转，并且设置有主驱动装置，所述主驱动装置能够且设定成在所述折射装置上施加相对于所述基部绕所述第一轴线的旋转，所述反射装置设置成能够在所述壳体内绕所述第二旋转轴线旋转，并且设置有副驱动装置，从而在所述反射装置上施加相对于所述基部绕所述第二轴线的旋转，以及所述折射装置和所述反射装置围出至少几乎防尘但透空气和水蒸气的、封闭的室，所述室在所述折射装置的出射面与所述反射装置的反射面之间，所述室包括至少所述转换装置的所述入射区域。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述壳体包括至少几乎防尘的第二室，所述第二室在所述基部与所述反射装置之间，并且所述主驱动装置和所述副驱动装置至少大体上设置在所述第二室中。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述反射面从反射体延伸，所述反射体几乎完全使所述第一室与所述第二室彼此分离。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述反射体在所述第一室与所述第二室之间留有至少几乎防尘但通风的缝隙。
5.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述主驱动装置包括主电机单元或致动器，所述主电机单元或致动器能够直接或者不直接刚性地连接到所述折射装置和所述壳体的基部中的第一个，并且所述主电机单元或致动器能够借助输出轴直接或者不直接与齿接合，所述齿从所述折射装置和所述壳体的基部中的第二个延伸。
6.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述副驱动装置包括副电机单元或致动器，所述副电机单元或致动器能够直接或者不直接刚性地连接到所述反射装置和所述壳体的基部中的第一个，并且所述副电机单元或致动器能够借助输出轴直接或者不直接与齿接合，所述齿从所述反射装置和所述壳体的基部中的第二个延伸。
7.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述第一室包括可逆水分吸收装置，所述可逆水分吸收装置与所述反射面和所述折射装置的出射面开放地连通。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述吸收装置包括多孔吸收体，特别地是包含纤维素的吸收体，更特别地是木制吸收体。
9.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述折射装置包括棱镜式透镜，特别是菲涅耳透镜。
10.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述折射装置包括折射体，所述折射体在主侧上至少几乎完全密封地闭合所述壳体。
11.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述反射面包括多个部分，每个所述部分具有其自己的焦点，并且所述副折射装置被包括在至少靠近所述部分的每个焦点的位置，所述部分具有与所述转换装置的主表面至少几乎重合的焦点。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述转换装置包括来自光电池和光热元件构成的组至少一个设备。
13.根据前述权利要求中的一个或多个所述的设备，其特征在于，所述转换装置刚性地连接到所述反射装置。
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