CN105637301A - 从太阳辐射产生能量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于从太阳辐射产生能量的太阳能反射组件。所述太阳能反射器组件被配置为，将要部署在液体的承载体上并且向太阳能收集器反射太阳辐射。太阳能反射器组件具有长管和平坦截面，长管具有促进液体压载的内部，长管由半刚性材料制作，平坦截面建造到所述管的壁中或者附着到所述管的壁。反射材料附着到所述管的壁的所述平坦截面，以反射太阳辐射。长管具有旋转轴线，所述旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体的表面。长管可以通过沿其长度的力矩的施加而弹性或塑性变形，从而使所述管的每一端处的平坦表面法向矢量在很大程度上彼此对齐。

Description

从太阳辐射产生能量的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年9月4日提交的美国专利申请No.61/873,714的优先权及权益，该美国专利申请通过引用以其整体合并于此。
技术领域
本发明涉及太阳能系统。
背景技术
人们对于从可再生能源提供能量有着长久的需求。人们已经寻求了多种可再生能源，例如太阳能、风、地热，以及生物燃料的生物质，等等。
太阳辐射早已是用于满足这种需求的主要候选者。已经采取了多种方法来获得来自太阳辐射的能量产生。为此目的，人们对于创造一种低成本的太阳能转换系统投入了很多关注，所述太阳能转换系统运转效率高，并且几乎不需要维护。
例如，光伏电池(太阳能电池)形成的太阳能电池板被用于将光转换为电。这样的系统已经在多种应用中得到了实施。太阳能电池板对于小规模的发电通常是有效的，例如，为小的电子器件供电、为住宅发电，以及为空间系统发电。然而，当前的太阳能电池板技术对于大规模应用(例如，对于市政应用来说足够的发电)效果不佳。与这样的大规模应用相关的成本是负担不起的。当前的太阳能电池板相对较贵并且不允许成本有效的能量储备。
其他方法包括将太阳辐射集中于太阳能收集器以用于发电，通常称为集中式太阳能(CSP)。CSP系统通常使用反射表面，以将太阳的能量从大的表面集中到太阳能收集器上。例如，集中式太阳能可以用于加热工作流体。被加热的流体接着用于向涡轮机提供动力以便发电。可替换地，光伏电池可以用在太阳能收集器处，消除了对大量的昂贵的电池的需求。在使得效率最大化的努力中，CSP系统的反射表面可以耦接到跟踪太阳运动的设备，在一整天中保持在接收器目标上的聚焦。使用这种方法，CSP系统可以优化指向太阳能收集器的太阳辐射的水平。
尽管对于大规模应用来说，这样的CSP系统好于传统的平板电池板光伏电池，但仍然存在缺点。例如，玻璃和金属的反射器组件是昂贵的。另外，当前的与CSP一起使用的跟踪设备相对较贵并且复杂。因此，由于成本因素，当前的方法尚未实现显著的市场渗透。
生物质生产，例如水藻和其他微生物，已经逐渐引起关注。这样的材料的潜在使用可见于广泛的应用，包括生物燃料原料生产、肥料、营养补剂、污染控制和其他使用。
当前针对生物质生产的方法包括“封闭空气”系统，其包含受控的环境中的生物质生产，限制了向外部空气的暴露。这样的系统的示例包括形成了封闭容器的封闭的光生物反应器结构，用于容纳培养基，以产生生物质。具有受控的环境有助于使海藻材料的产量最大化(通过限制向入侵物种的暴露并且控制加快海藻生长的其他环境因素)。封闭空气系统显著地减少了蒸发，并因此显著减少了对水资源的需求。此外，封闭空气系统促进了二氧化碳气体的隔离，这加快了海藻生长，有助于符合环境法规，并且(根据大量科学家的研究)总体上对环境有益。然而，这样的系统是昂贵的，并且在很多情况下是负担不起的。
应当理解的是，对于以低成本、大规模的方式从太阳辐射产生能量的系统和方法仍然存在需求。本发明满足这一需求及其他需求。
发明内容
总体而言，本发明提供了一种太阳能反射器组件，其可用于从太阳辐射产生能量。太阳能反射器组件的实施例是刚性或半刚性材料的长管，每个管包括反射材料，以向太阳能收集器反射太阳辐射。所采用的这种结构和材料为制造、运输以及太阳能反射器组件的开发提供了显著的成本节省。所述太阳能反射器组件被配置为部署在液体的承载体上。这提供了液体压载性能和结构支撑。有益地，所述太阳能反射器组件的制造、部署和操作是廉价的，对能量产生来说提供了成本有效的方案。
该组件包括长管，长管具有可以包含压载液体的内部。长管具有旋转轴线和反射材料，旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体的表面，反射材料附着到管的壁，以向太阳能收集器反射太阳辐射。反射材料可以附着到长管内壁或者外壁，以形成反射表面。促进压载的流体具有顶表面，所述顶表面大体平行于液体的承载体的表面。
在示例性的实施例中，反射材料可以被配置为向太阳能收集器反射基本上全部的太阳辐射。在另一示例性的实施例中，反射材料可以被配置为向太阳能收集器反射第一规定波长范围，并且使第二规定波长范围经其透过。一个端盖组件可以耦接至长管，或者一对端盖组件可以耦接至长管，其中端盖组件中的至少一个被配置为促进气体和/或液体流入和流出长管。
管可以被配置为便于具有多种几何形状，以便反射材料的附着。管的截面(反射材料附着到其上)可以包括多种截面几何形状，包括平坦的、有小面的、抛物面和其他形状。
在示例性的实施例中，提供了太阳能反射器组件用于从太阳辐射产生能量。该太阳能反射器组件被配置为部署在液体的承载体上并且向太阳能收集器反射太阳辐射。太阳能反射器组件具有长管和平坦截面，所述长管具有促进液体压载的内部，所述长管由半刚性材料制作，所述平坦截面建造到管的壁中或者附着到管的壁。反射材料附着到所述管的壁的所述平坦截面，以反射太阳辐射。长管具有旋转轴线，旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体的表面。长管可以通过沿其长度的力矩的施加而弹性或塑性变形，从而使管的每一端处的平坦表面法向矢量在很大程度上彼此对齐。
在示例性实施例的详细方面，反射表面形成为热镜，被配置为在宽的入射角范围内反射IR辐射(例如，热反射的)而允许可见光通过(例如，可见光透明的)。例如，反射片允许在正入射时大约400nm至700nm波长带中的入射能量的至少50％的透射率。在示例性实施例的详细方面，反射片允许在正入射时大约400nm至700nm波长带中的入射能量的至少90％的透射率。
在所选择的示例性实施例的另一详细方面，对于基本上所有入射的太阳IR辐射(大约700nm以上，在其他实施例中，大约750nm以上)，反射表面可以具有高百分比的反射。在其他实施例中，反射表面可以被配置为在所限定的IR波长范围内具有高百分比的反射。示例性的范围包括700-1200nm、700-2000nm、750-1200nm、750-2000nm及其他范围。应当理解的是，可以使用别的范围。
太阳能发射器组件的示例性实施例包括长管、平坦截面，以及反射材料，所述长管具有促进液体压载的内部，所述长管由半刚性材料制作，所述平坦截面建造到管的壁中或者附着到管的壁，反射材料附着到所述管的壁的所述平坦截面，以反射太阳辐射。长管可以具有旋转轴线，旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体的表面。长管可以通过沿其长度的力矩的施加而弹性或塑性变形，从而使管的每一端处的平坦表面法向矢量在很大程度上彼此对齐。太阳能反射器组件可以进一步包括一个或多个单独的部分，所述一个或多个单独的部分通过刚性或柔性的耦接件、中跨件耦接在一起。液体压载可以在本发明的多个实施例中使用或不使用。在示例性的实施例中，管的内部限定了容器，该容器包含促进压载的流体，该流体具有大体平行于液体的承载体的表面的顶表面。
在示例性的方法中，使得一单个的管同时在每一端进行对齐，接着与一个或多个机械联接装置固定到位，之后，一附加的管被相似地配置，并且以此类推，直到所需数量的管被配置为瞄准目标。
更特别地，通过示例而不是限定，提供了用于从太阳辐射产生能量的系统，包括容纳流体的承载体的池，以及布置在所述流体的承载体上的一个或多个太阳能反射器组件。每个太阳能反射器组件包括可膨胀的长管和反射材料，所述长管具有上部、下部和旋转轴线，所述上部至少部分地由柔性材料形成，所述下部至少部分地由柔性材料形成，所述旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体的表面，所述反射材料附着到管的壁，以形成反射表面，从而向太阳能收集器反射太阳辐射。反射材料可以附着到长管的内壁。可替换地，反射材料可以附着到长管的外壁。
长管的内部包含有助于压载的液体。有助于压载的液体具有大体平行于液体的承载体的表面的顶表面。系统进一步包括太阳能收集器，并且可以包括发电机组件，太阳能收集器定位为从反射片接收反射的太阳辐射，发电机组件被配置为将反射的太阳辐射转变为电。
用于从太阳辐射产生能量的系统的实施例可以进一步包括发电机组件，所述发电机组件操作性地耦接至太阳能收集器，以将反射的太阳辐射转变为电。至少一个端盖组件可以耦接至长管，并且一对端盖组件可以耦接至一个或多个长管的相对的端，其中端盖组件中的至少一个被配置为促进气体和/或液体流入和流出长管，以保持管内的压力。旋转组件可以在管上的任何位置耦接至长管。在示例性的实施例中，旋转组件耦接至端盖组件中的至少一个，以引起长管的受控旋转，从而将反射的太阳辐射引导至太阳能收集器。
在示例性的实施例中，太阳能收集器组件可以包括耦接至所述长管的一个或多个贯通件，以促进气体和液体流入和流出所述长管。
在示例性实施例的详细示例中，太阳能反射器组件或系统可以包括旋转组件，所述旋转组件耦接至长管的至少一端并且被配置为使长管旋转，使得反射片在一整天中都向太阳能收集器引导太阳辐射。在另一方法中，旋转组件耦接至长管的至少一端，以引起长管的受控旋转，从而向太阳能收集器引导反射的太阳辐射。
在另一示例性的实施例中，多个长管沿纵向侧耦接在一起，形成联排，其中反射表面布置在每个管中或者每个管的顶上。可替换地，外面的太阳能收集器可以布置在规定的位置，与长管隔开或者与长管的联排隔开，以从反射片接收反射的太阳辐射。
长管可以包括用于光合作用生物质的培养基，因此形成了混合的太阳能反射器和光生物反应器组件(“CSP/PBR”)。管中的培养基可以用于(例如)促进光合作用生物质生长，例如海藻生物质。反射片可以被配置为，基本上向太阳能收集器反射第一规定波长范围，并且基本上使第二规定波长范围透过反射片到达长管内的培养基。以此方式，一部分太阳能被导向太阳能收集器，而另一部分被培养基所用，例如促进光合作用生物质生长，例如海藻生物质。CSP/PBR组件可以布置在液体的承载体上并且包括太阳能收集器，太阳能收集器被定位为从反射片接收反射的太阳辐射。
为使成本最小化，管可以使用常见的塑料挤压装置及标准聚合物树脂(例如PVC、ABS、丙烯酸树脂及其他树脂)。传统的塑料挤出装置没有设计成在整个长度上保持角扭转公差。甚至当非常小心时，塑料挤出也经常不够直，从而不能用在集中式太阳能系统中，因为它们不产生对于射到目标而言足够的光学精度。
特别地，在线性菲涅耳反射器(LFR)系统中，重要的是各个反射器元件沿其长度是笔直的，使得沿着元件的整个长度反射的整个光束射到直线的聚焦目标。如果挤压的反射器安装管被扭转，其将不可能射到直线的聚焦目标(除了聚焦目标的长度的一部分)。
为了消除这类误差，使用了两个不同的校准点。管的每个端有一个校准点。这利用了在施加力矩时塑料挤压变形的线性本质。管通常会沿其长度均一地扭转，从而如果两端被独立地校准，则两端之间的跨度也会被校准。管的阵列的每个单独的元件可以以此方式校准。每个管可能会不同程度地失准。如果每个管被机械联接，例如(但不限于)使用四杆机构，则在每一端处的共用的机械联接装置将起到将每个单独的元件保持为相对于每个其他单独的元件对齐的作用。这两端，由于它们的被多重耦接的各个元件，将需要被两个或更多个独立的致动器致动，或者可替换地，被单个线性致动器致动，所述单个线性致动器由至少一个完全刚性(例如但不限于：金属)的连接杆连接。
可以使用多个线性致动器，或者可以使用单个线性致动器。在使用单个线性致动器的情况下，各个元件必须在每一端被联接。所述端必须被联接。
该现象甚至在管长超过直径的10倍时也是真实的。
有利的是使用标准的低成本塑性树脂和挤压装置，但是长的聚合物管(反射器安装在顶部上)也可以以其他方式形成，本发明覆盖了长的、半刚性的聚合物管，反射表面安装在顶部上，反射表面是视场可配置的，以用作太阳能反射器。
这样的管的阵列可以被配置为将大量的太阳光反射到目标上，并因此将太阳光集中于所述目标，适于用在工业过程热、发电或其他应用中。
为了概括本发明以及相对于现有技术所取得的优点，本文描述了本发明的特定优点。当然，要理解的是，并不是根据本发明的任何特定的实施例都可以取得所有这样的优点。因此，(例如)本领域技术人员将会意识到，本发明可以以这样的方式来实施或执行，即，取得或优化本文教导的一个优点或一组优点，然而不必取得本文教导或暗示的其他优点。
所有这些实施例旨在落入本文公开的本发明的范围内。对于本领域技术人员来说，本发明的这些和其他实施例将通过下文的具体实施方式(参见附图)变得显而易见，本发明不限于所公开的任何特定的优选实施例。
附图说明
现在参照以下附图，仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的太阳能收集部件的实施例的立体图；
图2是根据本发明的太阳能收集系统的太阳能反射器组件阵列的实施例的截面图；
图3是根据本发明的太阳能收集部件的实施例的立体图；
图4是根据本发明的太阳能收集系统的太阳能反射器组件阵列的实施例的立体图；
图5是根据本发明的太阳能收集系统的太阳能反射器组件阵列的实施例的截面图；
图6是根据本发明的太阳能收集系统的太阳能反射器组件阵列的实施例的立体图；
图7是根据本发明的太阳能收集系统的太阳能反射器组件阵列的实施例的截面图；以及
图8是根据本发明的太阳能收集系统的太阳能反射器组件阵列的实施例的立体图。
具体实施方式
现在参见附图特别是图1，示出了具有平坦截面的单个管的立体图，反射材料附着到所述平坦截面上。箭头在管的每个端处表示垂直于反射器平面的矢量。这样的管可以旋转以反射一束光，该束光将会射到箭头顶部之间的短划线所表示的目标上。这是已经被完美制造并且在其长度上没有扭转的聚合物管的截面的理想化视图。
现在参见图2，示出了在构筑的池中的太阳能反射器组件阵列的截面。在图1的理想化情况下，各个管元件反射的光束将一致地照到目标，如图所示。
现在参见图3，示出了具有平坦截面的单个管的立体图，反射材料附着到平坦截面上。该管被扭转了。这可以在远端处的垂直于实际表面的非理想矢量中看出，该非理想矢量与在远端处垂直于理想化的平坦平面的理想矢量有所偏离。将被反射的光束由两个实际的矢量法线之间的弯曲的短划线示出。这从被反射的光束与笔直的短划线有所偏离来看是清楚的，其中所述笔直的短划线在第一近矢量法线与远端的第二理想化的矢量法线之间。在使用中，如果这种偏离在1.0度以上，则从太阳能集中的角度说，这样的管或多或少将是无用的。
现在参见图4，示出了太阳能反射器组件阵列的立体图。这些管被扭转了。它们以或多或少的随机量和随机方向被扭转。所述方向由远端处的矢量法线的端部的白色箭头顶部所示。被各个管元件反射的光束将在一端(近端)一致地照到目标，但是将在另一端散开，在很大程度上错失目标。这将导致显著地降低太阳能集中器系统的性能，使其或多或少是无用的。
现在参加图5，示出了具有聚焦目标的太阳能反射器组件阵列的截面图。这些管被扭转了，如图4那样。它们以或多或少的随机量和随机方向被扭转。近端处的反射光的方向由黑色箭头顶部所示。远端处的反射光的方向由白色箭头顶部所示。被各个管元件反射的光束将在一端(近端)一致地照到目标，但是将在另一端散开，在很大程度上错失目标。这将导致显著地降低太阳能集中器系统的性能，使其或多或少是无用的。
现在参见图6，示出了太阳能反射器组件阵列的立体图。该阵列被示出为在两端都具有共用的机械联接装置。所述机械联接装置将足以允许在每一端对每个单独的管元件的配置。在单个的管在每一端对齐后，利用半刚性聚合物管的扭转的能力，整个阵列现在被配置为照到目标上，并且能够凭借每一端处的一个或多个致动器，或者凭借一个致动器，以及连接两端的完全刚性的杆来保持聚焦。
现在参见图7，示出了太阳能反射器组件阵列的截面图。这样的阵列被配置为用在图8所示的圆形池塘中。
现在参见图8，示出了在构筑的池中的太阳能反射器组件阵列。太阳能反射器组件的整个联排被配置为，作为一个协调的整体围绕一旋转轴线旋转，该旋转轴线大体平行于池中的液体的承载体。
应当注意，本文描述的示例性实施例可以由计算机控制。无论是开环系统(其预编程有太阳在天空中的位置)、闭环系统(其具有检测太阳在天空中的位置的传感器)或者这两种策略的组合都可以用于控制管的位置。
由此可以看出，提供了从太阳辐射产生能量的系统和方法。应当理解的是，以上配置以及专门的部件或化合物中的任何内容可以可互换地与前述实施例中的任何系统一起使用。尽管上文描述了本发明的示例性实施例，然而对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本文作出多种改变和修正而不背离公开的内容。所附权利要求旨在覆盖落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变和修正。

Claims (19)

1.一种太阳能反射器组件，包括：
长管，所述长管具有促进液体压载的内部，所述长管由半刚性材料制作；以及
平坦截面，所述平坦截面建造到所述管的壁中或者附着到所述管的壁；
反射材料，所述反射材料附着到所述管的壁的所述平坦截面，以反射太阳辐射；
其中所述长管具有旋转轴线，所述旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体的表面；
其中所述长管可以通过沿其长度的力矩的施加而弹性或塑性变形，从而使所述管的每一端处的平坦表面法向矢量在很大程度上彼此对齐。
2.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，其中所述下压载部分限定了容器，该容器包含促进压载的流体，该流体具有大体平行于液体的承载体的表面的顶表面。
3.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，进一步包括耦接至所述长管的一端的至少一个端盖组件，所述至少一个端盖组件促进气体和/或液体流入和流出所述长管。
4.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，进一步包括一个或多个单独的部分，所述一个或多个单独的部分通过刚性或柔性的耦接件、中跨件耦接在一起。
6.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，其中所述反射材料附着到所述长管的内壁。
7.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，其中所述反射材料附着到所述长管的外壁。
8.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，其中所述长管进一步包括用于光合作用生物质的培养基。
9.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，进一步包括耦接至所述长管的一端或两端的旋转组件。
10.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，进一步包括太阳能收集器，所述太阳能收集器与所述长管隔开，并且定位为从所述反射片接收反射的太阳辐射。
11.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，进一步包括耦接至所述长管的一个或多个贯通件，以促进气体和液体流入和流出所述长管。
12.根据权利要求1所述的太阳能反射器组件，其中所述反射片基本上反射第一规定波长范围，并且基本上使第二规定波长范围经其透过。
13.一种用于从太阳辐射产生能量的系统，包括：
池，所述池容纳液体的承载体；
一个或多个太阳能反射器组件，所述一个或多个太阳能反射器组件浮在液体的承载体上，每个太阳能反射器组件包括：
长管，所述长管具有促进液体压载的内部，所述长管由刚性或半刚性材料制作，平坦截面，所述平坦截面建造到所述管的壁中或者附着到所述管的壁，反射材料，所述反射材料附着到所述平坦截面，以反射太阳辐射；其中所述长管具有旋转轴线，所述旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体的表面；以及
太阳能收集器，所述太阳能收集器与所述长管隔开并且被定位为从所述反射片接收反射的太阳辐射；
其中所述长管的内部包含促进压载的流体，所述流体具有大体平行于液体的承载体的表面的顶表面。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括耦接至所述长管的一端的至少一个端盖组件，所述至少一个端盖组件被配置为促进液体和/或气体流入和流出所述长管。
15.根据权利要求13所述的系统，进一步包括发电机组件，所述发电机组件操作性地耦接至所述太阳能收集器，以将反射的太阳辐射转变为电。
16.根据权利要求13所述的系统，进一步包括旋转组件，所述旋转组件耦接至所述长管中的至少一个，以引起所述长管的受控的旋转，从而向所述太阳能收集器引导反射的太阳辐射。
17.根据权利要求16所述的系统，进一步包括耦接至一个以上的长管的一个或多个旋转组件，所述一个或多个旋转组件独立地控制每个管的角度。
18.根据权利要求13所述的系统，其中所述池基本是圆形的，并且其中管的整个阵列能够围绕一旋转轴线旋转，所述旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体。
19.配置权利要求1的系统的方法，其中使得一单个的管同时在每一端进行对齐，接着与一个或多个机械联接装置固定到位，之后，一附加的管被相似地配置，并且以此类推，直到所需数量的管被配置为瞄准目标。
20.一种用于从太阳辐射产生能量的系统，包括：
池，所述池容纳液体的承载体；
一个或多个太阳能反射器组件，所述一个或多个太阳能反射器组件浮在液体的承载体上，每个太阳能反射器组件包括：
长管，所述长管具有促进液体压载的内部，所述长管由刚性或半刚性材料制作，平坦截面，所述平坦截面建造到所述管的壁中或者附着到所述管的壁，反射材料，所述反射材料附着到所述平坦截面，以反射太阳辐射；其中所述长管具有旋转轴线，所述旋转轴线定向为大体平行于液体的承载体的表面；以及
太阳能收集器，所述太阳能收集器与所述长管隔开并且被定位为从所述反射片接收反射的太阳辐射；
其中所述长管的内部包含促进压载的流体，所述流体具有大体平行于液体的承载体的表面的顶表面；
其中一个或多个长管可以通过沿其长度的力矩的施加而弹性或塑性变形，从而使所述管的每一端处的平坦表面法向矢量在很大程度上彼此对齐。
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