CN106461269A - 用于抛物线太阳能槽的镜子收集器 - Google Patents

Abstract

一种用于太阳能收集器的弯曲的镜子，具有带镜子的表面、弯曲部和支撑系统，该支撑系统在重力载荷和风载荷条件下保持所需的曲率。在各种构型中，镜子由支撑结构支撑，该支撑结构由支撑桅杆和缆索布置构成。支撑结构通过使用较少的材料且通过采用简化的制造方法设计成比常规支撑结构便宜。

Description

用于抛物线太阳能槽的镜子收集器

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年2月25日提交的序列号为61/944,540的共同未决的美国临时专利申请的优先权和权益，该申请通过引用以其整体并入本文。

关于联邦资助的研究或发展的声明

本发明在由能源部授予的DE-EE0006687的政府支持下做出。政府在本发明中具有某些权利。

发明领域

本发明总体上涉及聚焦式太阳能发电(concentrating solar power)并且特别地涉及采用反射面板将太阳辐射集中在线性接收器上的系统。

发明背景

太阳能抛物线槽将阳光聚焦在携带流体的管上，该流体传送热量以用于蒸汽产生(例如，传送到蒸汽驱动发电机，用于工业工艺过程加热，或用于工艺过程蒸汽的生成)或将热量传送到用于能量储存的材料体，该太阳能抛物线槽对于收集能源而言是一种经过验证的、可靠的且成本相对较低的技术。太阳能抛物线槽是当时聚焦式太阳能发电(CSP)的最广泛的部署形式。在这样的系统中，在其上聚焦光的管通常称为“接收器管”、“接收器”或“热收集元件”。在采用太阳能抛物线槽的典型发电设备中，许多接收器(例如，在一个实施方案中，数千个)与反射槽一起以平行的行排列，以形成可收集足够的能量以用于经济规模的发电系统的“太阳能场”。

菲涅尔系统和镜像系统已经用于在线性的传导流体的接收器上聚焦阳光，但抛物线槽式镜是最常见的部署技术。在包括反射表面和将镜子保持在适当位置处并且防止因风荷载以及其它力引起的镜子的不可接受的变形的支撑构件的典型的镜系统(本文还称为“收集器组件”)中，包括大量的刚性的框架构件(例如，撑杆)的桁架支撑镜子，并且使镜子能够以足够的精度保持其抛物线形状，而不管风力以及其它变形力。接收器可以用其从阳光吸收能量的效率部分地取决于镜子在接收器上聚焦阳光的精度。支撑镜子(也称为“收集器”)的桁架或类似结构还通常支撑撑杆，该撑杆将接收器近似地保持在镜子的线性焦点处。

在根据现有技术构造的典型接收器中，具有外部光学吸收涂层的中央的携带液体的管被保持在透明同心封套内的真空包围。由镜子聚焦在接收器上的光穿过透明同心封套且穿过真空并且照射在中央的携带液体的管上。中央管上的涂层吸收入射在其上的大部分(优选地，全部，尽管这在实际中不可能实现)能量并且因而被加热。该热量通过传导传递穿过中央管的壁并且从那里传递到管的液体内容物。加热的液体泵送穿过接收器并且通常穿过另外的接收器，从而在泵送到热水器或能量储存设备(诸如，热液储器)之前升高到高温。在内部的携带流体的管和外部的透明的封套之间的真空的功能是防止热量从接收器通过对流和传导流失到外部封套并且从那里通过辐射和传导流失到外界。

一种提供了优于标准的优点的接收器设计，已经在作为第_______号美国专利(下文的Stettenheim专利)的于2015年__________颁发的序列号为13/831,632的美国专利申请中公开和讨论了现有技术的容纳真空的接收器，该申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。特别地，Stettenheim专利公开了一种高级腔式接收器，其包括携带流体的接收器管，该接收器管的太阳能吸收表面的纵向部分在充满空气的腔内暴露到由抛物线槽式镜(并且在一些实施方案中，辅助地由适当成形的反射腔壁)聚焦在其上的光，并且接收器管的表面的其余部分嵌入在绝缘物中以降低热损失。在Stettenheim专利中，术语“管”是指任何长形的两端式中空体，其横截面形式是简单的封闭图形(例如，在一个实施方案中，圆形、矩形或具有圆角的矩形)。然而，在Stettenheim专利中仅具体描述了由绝缘物包围的圆柱形管和圆角矩形管。

在根据现有技术构造的槽式CSP系统中采用的镜子是系统质量和成本的大部分，并且其直接将阳光集中在接收器上的精度影响系统的效率并且最终影响所输送的能量的单位成本。根据现有技术的镜子本身占大约12％的槽式CSP太阳能场资本成本，并且支撑钢结构—其体积和成本部分地取决于待刚性地支撑和保持在适当位置处的部件的重量，这些部件包括镜子—占大约另外的24％的槽式CSP资本成本。此外，易于制造性和光学性能(在接收器上聚焦太阳辐射的精度)在根据现有技术构造的CSP槽式系统中也是次优的。最后，具有非标准的管壳式几何结构的腔式接收器，诸如由Stettenheim专利公开的那些，将得益于与脱离现有技术的镜系统(本文还称为“收集器组件”)的结合。

因此，存在对这样的CSP收集器组件的要求，即，其在保持或改进光学精度的同时，重量比根据现有技术构造的收集器组件低。

发明概述

本发明涉及CSP收集器组件，其重量比根据现有技术构造的收集器组件低，同时保持或改进了光学精度并且，在一些实施方案中，结合腔式接收器，诸如Stettenheim专利中所公开的那些，最佳地执行。

根据一个方面，本发明以一种用于太阳能发电应用中的改进的镜子支撑系统为特征。根据现有技术，包括受压压缩下的多个刚性构件(例如，撑杆、肋条)的桁架支撑镜子；相比之下相反，本发明包括利用既张拉又和受压压缩下的构件的悬挂支撑结构。张拉下的构件可以包括缆索、线或细杆，其可以承受相对其重量重的载荷，并且在其对它们放置在镜子的上方的位置处对系统产生最小的光学遮挡闭塞。而且在各种实施方案中，本发明包括实质上由层状复合材料组成的相对硬的太阳能反射器面板。相对硬的太阳能反射器面板减小了抵抗风载荷和其它载荷使太阳能反射器的整体形状稳定所需要的力的量(以及并且因而给定的材料的量)。

根据本发明的实施方案的悬挂收集器支撑系统相比于现有技术可以提供优点，包括减轻重量，在风载荷和其它载荷下出众地保持光学精度，以及下文将解释清楚的其它优点。

根据一个方面，本发明以一种镜子收集器系统为特征，该镜子收集器系统用于沿着抛物线槽式太阳能发电设备中的线路(line)的聚焦式太阳能发电，该镜子收集器系统包括多个弯曲面板，该弯曲面板具有抛物线横截面、上部的带有镜子的表面和结构性子结构，该结构性子结构具有沿着第一轴线的所设计的材料特性的第一值并且具有沿着第二轴线的所设计的材料特性的第二值，第一轴线和第二轴线是垂直的并且第一值和第二值是不同的；多个线性的收集热量的接收器，其定位成各自位于多个弯曲面板的相应的焦点处；多个张拉结构元件，其连接到多个弯曲面板和多个线性的收集热量的接收器，多个张拉结构元件构造成提供结构的至少一部分，该结构的至少一部分构造成使多个张拉结构元件与多个弯曲面板保持处于固定的关系；以及扭矩元件，其构造成沿着多个弯曲面板的线性轴线提供扭转刚度。

在一个实施方案中，上部的带镜子的表面包括带镜子的薄膜。

在另一个实施方案中，上部的带镜子的表面包括玻璃镜子。

在又一个实施方案中，所设计的材料特性包括弹性模量。

在还有的另一个实施方案中，扭转元件包括管状结构。

在另外的实施方案中，扭转元件包括空间框架结构。

在又一个实施方案中，所设计的材料特性是转动惯量。

在另外的实施方案中，所设计的材料特性是抗弯刚度。

在另外的实施方案中，多个弯曲面板构造成使用辊轧成形技术形成。

在另一个实施方案中，多个弯曲面板构造成使用金属冲压形成。

在另外的实施方案中，所设计的材料特性的第一值和第二值包括结构强度。在另外的实施方案中，该结构强度超过无结构性子结构的玻璃镜面板的结构强度。

如本文所使用的，术语“镜子”是指反射电磁辐射的元件。术语“太阳能反射器”在本文中与术语“镜子”可交换地使用。在各种实施方案中，太阳能反射器可以是单层或多层的；实心或中空的；包括液体、固体和气体成分；是刚性的或可变形的；包括单个连续的部分或协调作用的接合或未接合的多个部分；并且可以在形式和细节上以其它方式变化。太阳能反射器在本文中通常是指“抛物线”，但该术语是说明性的，不是限制性的：其自始至终意味着，太阳能反射器可以是平坦的、抛物线的、双曲面的、拼接的、或其它形式，包括未对应于典型几何结构的简单曲线的复杂的且随时间变化的形式。

如本文所使用的，术语“接收器”是指通过收集器组件吸收集中在其上的电磁能的一些部分并且将该吸收的能量转化成其它形式(例如，热量、电、物质的相变或化学变化)的元件。通常在槽式CSP系统中，接收器在整体形式上是线性的或管状的。而且通常，接收器的中空内部输送吸收热量同时穿过接收器的的流体并且在CSP系统的另一部分中交出这些热量中的一些，以便储存热量，直接使用(例如，用于工业过程、脱盐或类似的)或用于发电。可替代地或另外地，接收器可以包括用于将聚焦的太阳能直接转化成电的光伏能力。而且，在CSP的一些形式中，流体的改变(例如，废物的化学分解)可以通过加热、或通过聚焦辐射的直接效应、或通过两者在接收器内发生。

如本文所使用的，术语“缆索”是指在张拉下使用多个可能的结构元件，包括但不限于单个丝线、绕成柔性缆索组件的多个丝线、或细杆。此外，“缆索”不限于金属构造，而是相反包含各种其它非金属材料，包括但不限于人造聚合物、弹性体、碳纤维以及玻璃纤维构造。

附图简述

参考下面所描述的附图和权利要求，可以更好地理解本发明的目的和特征。附图不一定按比例绘制，而是总体上将重点放在说明本发明的原理上。在附图中，贯穿各个视图，相似的数字用来指示相似的部分。

图1是用于抛物线槽式聚焦式太阳能发电系统的典型现有技术结构框架的图，在抛物线槽式聚焦式太阳能发电系统中大量的框架构件提供结构刚度。

图2是悬挂缆索结构的示例，这里示出为用于抛物线槽式系统。

图3是在该组太阳能反射器元件的上方和下方连接到压缩元件的缆索系统的示意性横截面，该组太阳能反射器元件表示为抛物线槽。

图4是在该组太阳能反射器元件的上方和下方连接到压缩元件的缆索系统的一部分的示意性纵向视图。

图5是悬挂系统的局部平面示意图(俯视图)，示出了支撑张拉元件的分布的中心压缩元件，张拉元件进而在多个点处支撑一组太阳能反射器元件。

图6是预制子组件的图，其可以现场快速组合，以减少原本由其单个部件构造完整的组件将需要的安装时间。

图7A是由结构复合面板组件组成的太阳能反射器元件的示意性横截面，该结构复合面板组件包括具有带镜子的表面的顶层和通过粘合剂或其它机械装置层压以提供结构刚性的一个或多个背衬层。

图7B是说明性三层反射器面板复合物的机械性能的表。

图8是可以构成结构复合反射器面板的多个层的分解示意图。

图9是示意性接收器支撑件或桅杆的横截面的图。

图10是桁架式桅杆结构的示意图。

图11包括使用刚性压缩框架结构的悬挂缆索系统的以不同视图的两个示意图。

图12示出了使用压缩环结构的第一悬挂缆索系统的三个视图。

图13示出了使用压缩环结构的第二悬挂缆索系统的三个视图。

图14描绘了两个桅杆镜子悬挂系统在三种倾斜条件下的变形。

图15描绘了针对图14的倾斜构型所计算出的倾斜误差。

图16对6种倾斜和风载荷条件的镜子悬挂系统的特性进行了列表。

附图详细描述

我们描述了用于聚焦式太阳能发电应用的改进的收集器组件，包括抛物线槽式反射器，该抛物线槽式反射器优化了非标准接收器管和壳的几何结构在现实物理和成本约束的范围下的性能并且其以提高的光学效率和热效率为特征，同时降低了结构材料的重量。通过降低材料成本和赋予其它优点，这些改进的收集器组件降低了CSP槽式系统的成本。

本发明涉及太阳能收集器组件设计，其提供了优于现有技术的优点。本文所描述的收集器组件设计可以通过降低组件的材料重量来降低太阳能热系统的初始资本成本。在本发明中详细说明的悬挂结构利用相对于重量比具有高的抗拉强度的缆索或导线，该缆索或导线构造在太阳能反射器的两侧上，来更有效地平衡力并且更均匀地分布材料。缆索或导线可以在直径上相对于其长度是相对窄的，并且因此横跨收集器和接收器元件投射非常小的阴影，从而最小化了光学损失。随着集中器的焦距的增大，随着为了利用规模经济，收集器系统的趋势发展到较大的孔口宽度，缆索或导线的细直径与轴向长度的纵横比具有甚至更大的优势。为了同样的理由，悬挂系统特别地有益于相对于典型的现有技术具有较高的焦距与孔口纵横比的非标准收集器系统。

悬挂结构已经应用到将阳光集中到点接收器的定日镜型太阳能反射器。有别于那些应用，本发明提供了适合于使用线性接收器的太阳能集中器的悬挂系统，如以下列的关键区别为特征：(1)不对称反射器轮廓需要不对称的结构性构型；(2)线性接收器元件诱导另外的载荷，该载荷优选地应与悬挂结构的剩余部分的支撑部分开地或整体地被支撑；(3)收集器沿着线性接收器对齐需要对沿着纵向轴线弯曲以及围绕纵向轴线旋转的另外的抵抗力；(4)反射器元件的曲率限制了沿着弯曲轮廓在反射器面板之间的结合部的数量，与在平坦的反射器面板之间的结合部形成对比，在平坦的反射器面板之间的结合部可以在面板的平面上更直接地传递轴向应力。

在本发明的一些方面，诸如抛物线槽应用中，上面的区别导致下列结果：(1)悬挂缆索优选地应该在反射器表面的上方和下方不同地设定尺寸和布置；(2)可能需要提供桅杆或其它接收器支撑件；(3)应该优选地提供扭矩管或其它旋转性刚性纵向跨距结构；(4)反射器面板元件包括单个面板，在结构单元方面，该单个面板延伸弯曲轮廓的整个长度或一半长度(关于对称面)。

图1是用于抛物线槽式CSP系统的典型现有技术结构框架的示意性横向剖面图，其中大量的框架构件提供结构刚度。组件100包括线性接收器元件102、接收器支撑件104、反射器面板106和结构支撑框架元件108。在一些实例中，框架元件108连接到抗扭转纵向跨距元件110，该抗扭转纵向跨距元件110可以为梁或结构管的形式，或可替代地，为自身可以集成到支撑框架108中的空间框架的形式。

图2是根据本发明的一个实施方案的说明性CSP槽式系统200的部分的示意图(轴测视图)。系统200包括悬挂缆索结构和太阳能反射器202，后者在这里示出为横截面为近似抛物线。太阳能反射器202可以包括硬的(结构复合型的)镜面板，该镜面板主要由悬挂缆索系统支撑。结构上(承载载荷的)硬的太阳能反射器202的使用参考图6和图7A进行进一步讨论。中央扭矩管204或类似结构用于横跨在基础桥塔206之间并且为悬挂桅杆(例如，桅杆208)提供扭转刚度和刚性附接点。扭转力可以通过跟踪马达、非对称重量载荷、不均匀分布的风载荷以及/或其它非对称的产生扭矩的载荷施加到系统。系统200的由桥塔206支撑的部分可以围绕由扭矩管204界定的轴线旋转以便跟踪太阳。桅杆包括中空的区段或桁架，其在扭矩管204上方和下方延伸以为图2中的以缆索210、212所表示的缆索提供附接点。悬挂缆索210从桅杆208延伸到反射器202的表面上的不同的点。相对的预张拉的缆索，例如，缆索210和缆索212，提供了恢复力，以抵抗通过交变载荷(例如通过当槽扫过其角度范围时的风载荷和交变重力载荷)以及通过其它载荷的反射器202的变形。精确制作的缆索实现了镜结构在抛物线形状中的精确装配。接收器214通过上部支撑桅杆(例如，桅杆208)且通过缆索(例如，缆索210)精确地保持在适当位置处。

图3是根据本发明的实施方案的说明性太阳能收集器模块300的示意性横向剖面图。模块300采用了连接到上桅杆304和下桅杆306的多个缆索302。之所以称之为上桅杆304是因为其在太阳能反射器面板308的上方，并且之所以称之为下桅杆306是因为其在太阳能反射器面板308的下方。在该实施方案中，每个模块300包括定位在沿着模块300的纵向尺寸的一半处的单个上桅杆304和相似地定位的单个下桅杆306。上桅杆304和下桅杆306形成相对的一对。在各种其它实施方案中，两个或更多个这样的桅杆对可以定位在沿着类似于模块300的模块的纵向尺寸的不同的点处。

在图3中，太阳能反射器面板308表示为构成了抛物线槽式反射器。在说明性模块300中所示的实施方案中，槽式反射器总体上包括八个太阳能反射器面板(如在图5中更详细示出的)。桅杆304和桅杆306附接到本文也称为“扭矩管”的相对刚性的纵向跨距元件310，该纵向跨距元件310(a)抵抗扭转和弯曲并且(b)将静载荷和活载荷传递到位于每个收集器模块300的端部处的桥塔或其它承载结构(未在图3中示出)。扭矩管可以是严格管状的或可以不是严格管状的：能够承受必要载荷的任何延伸结构(例如，管、桁架、其它)被设想并且落入本发明的范围内。在所描绘的实施方案中，从反射器面板306延伸的悬挂缆索302直接连接到上桅杆304的基部，该上桅杆304的上端部为缆索302提供附接点并且为接收器312提供刚性支撑。上桅杆304还承受由缆索302施加在其上的压缩力。类似地，下桅杆306承受由缆索302(即，附接到反射器面板308的下侧的那些缆索)在张拉中施加的压缩力。由缆索302和桅杆304、306施加和承受的力始终处于净平衡中，除了在当动载荷正被系统的各个部件的轻微变形吸收时的短暂的时间间隔期间。在其它变型中，支撑桅杆可以提供给与接收器支撑件分开的缆索302。实质上，太阳能反射器面板308悬挂在桅杆304和桅杆306之间。

在系统300中，反射器面板308是以抛物线形状精确形成并且在附接点之间提供刚性的层状复合结构。由图3的实施方案以及由各种其它实施方案包括的层状复合结构的性质被进一步描述并且在图7A和图8中图示。反射器面板308在槽的中央连接到扭矩管310，然后由附接到反射器面板308的缆索302支撑在槽唇缘314处和第二点316处，该第二点316在中心线和唇缘之间的近似中间处。我们已经使用计算机结构研究以为镜面板和缆索的刚度提供边界值并且使必要的缆索预张力的规格能够防止缆索变松弛。

在系统300中，利用完全由缆索302和镜面板308自身支撑的抛物线的孔口形状，收集器框架可以减小成提供弯曲刚度和抗扭刚度的中央脊柱，图示为扭矩管310。为了使缆索阵列保持收集器对齐，桅杆优选地应该刚性地联接到该中央脊柱。对桅杆刚度的模拟研究已经将扭矩管刚度确认为限制因素；例如，具有0.25英寸壁厚的12平方英寸的中空钢扭矩方形管是足以在实际重力载荷和风载荷下避免桅杆中的过度位移误差的基线构件。该说明性情形的其它研究已经检验了在单位长度的恒定的风力矩下扭矩管310沿着模块300的长段(多个跨距)的扭曲以及管310在桥塔之间的弯曲刚度。这些研究结论认为，12平方英寸的扭矩管310的扭转刚度仅对于超过跟踪驱动器延伸约24m(假设桥塔之间的跨距为12m)的模块串是足够的。扭矩管或框架的各种其它形式可以用较少的材料消耗实现相似的或改进的扭转刚度和弯曲刚度：任何给定实施方案的扭矩管310的设计细节应综合地取决于所使用的材料以及其它部件的所有尺寸(例如，抛物线曲率、孔口宽度、模块长度、串长度、接收器线性密度)。

当作为典型太阳能场的部件部署时，类似于模块300的模块通常端对端联接以形成串或段，并且多个串平行地构建、间隔开足够的间距以防止在主要操作时段期间相互遮荫。

在图3中，模块300描绘为竖直定向。然而，在典型操作中，一个或多个跟踪马达(未示出)直接或经由另外的模块(未示出)的扭矩管联接到扭矩管310，并且可以在每个模块串上施加扭矩，从而改变串的轴向定向以便跟踪太阳运动。分布式跟踪驱动器(例如，由InterControl公司制造的那些)，与定位在模块串或段的端部处的常规马达相对照，可以在各种实施方案中减少对扭转刚度的需要。例如，在一些实施方案中，驱动器可以每隔约48m(四个12米模块跨距)地定位并且将是足够的。作为在长轴上的一系列扭转固定点的分布式驱动器系统的计算机模拟显示对于给定的允许的收集器扭曲而言，两个驱动器之间的跨距的数量(扭转固定边界条件)是从单个驱动器到自由端的跨距的数量的两倍，如在典型的槽式系统中。

图4是图3的太阳能收集器模块的示意性纵向(侧)视图400，其采用在太阳能反射器面板308上方连接到上桅杆402以及在太阳能反射器面板308下方连接到下桅杆306的缆索302的系统。图4中还描绘了纵向跨距构件310。图4图示了多个(在该情况中，4个)反射器面板可以由单个模块300包括。图4还示出了缆索302的定向并不局限于图3的平面或任何其它单个平面：而是，它们形成三维结构，该三维结构设计成最佳地承受和匹配贯穿模块300的载荷。支撑典型的桁架天线桅杆所使用的缆索将是恰当的比较。此外，除了支撑反射器面板304外，在本发明的一些实施方案中，缆索302还可以稳定用于接收器306的支撑件(例如，桅杆304)。桅杆304、306和/或接收器支撑件的数量和间距在不同的实施方案中可以不同，并且每个反射器面板308可以由附接到一个或多个桅杆304、306的缆索302支撑。

图5是图3的太阳能收集器模块的示意性纵向(顶视)视图500，其采用在上方连接到上桅杆402的缆索302的系统。图3和图4的下桅杆306在图5中未描绘。接收器306(为了清楚未示出)的轴线在纵向跨距元件310的轴线502上方并且与纵向跨距元件310的轴线502平行。

在本文未明确描绘的各种实施方案中，除了抛物线镜槽外的结构由悬挂系统支撑。例如，以单轴线跟踪的方式固定或操作的光伏(PV)面板的线性平坦阵列在各种实施方案中通过本文所描述的用于太阳能反射器组件的支撑、稳定和旋转的实质上相同的方法来支撑以及如果合适的话被旋转以用于跟踪太阳的目。值得重视的，与用于大致相当尺寸的太阳能放射器组件的约束条件相比，对于PV面板组件而言，对形状稳定的约束条件将不是严格的：为了完全实现其能效潜力，PV阵列不需要以毫拉德级(millirad-scale)的精确度定位。因而，当PV组件并入到悬挂系统而不是镜组件中时，悬挂系统成本很可能降低。

图6是说明性预制子组件的示意图，根据本发明，其可以现场快速组合，以便同由其单个部件构造太阳能收集器模块600的整个组件所需要的时间相比，减少模块(例如，图3的模块300)的安装时间。在本发明的一个实施方案中，这些子组件包括主结构602、复合镜面板区段604a、604b、次级结构(下桅杆)606a、606b以及一组缆索(未示出)。在本发明的一个实施方案中，主结构602包括扭矩管(纵向跨距元件)608、接收器元件610以及接收器支撑件和/或桅杆612a、612b。子组件部件之间的连接可以是键接合的或凸耳接合的，以有利于每个部件高精度地对齐。

图7A是根据本发明的实施方案的说明性太阳能反射器子组件700的示意性横截面。子组件700包括一个或多个结构复合面板702，该一个或多个结构复合面板702包括具有带镜子的表面706的顶层704和通过粘合剂或其它机械装置层压到顶层704以提供刚性的一个或多个背衬层708。背衬层708可以具有外部密封剂涂层或外部密封剂层710。层压的子组件700是结构性反射器，即，其不仅聚焦照射在其反射上表面706上的阳光而且另外是机械刚性的并且足够坚固以显著地有助于支撑附带的载荷，包括其自身的重量和从其边缘传递到子组件700的力。背衬层706的目的并且以及在一些实施方案中顶层704的目的是在最低的可能的材料密度处提供刚度。在本发明的各种实施方案中，这可以通过将中空的、多孔的、冲孔的或穿孔的材料、蜂窝状复合材料、泡沫材料、呈肋状的、波纹状的、辊压成形、编织的材料、或对象并入到其它制造或加工技术以达到低质量密度和高刚度来实现。在各种其它实施方案中，子组件700包括两个或更多个背衬层，每个均通过胶合剂层或其它装置层压到其紧邻的背衬层。多层反射器组件在图8中描绘。

在本发明的并入非标准接收器，例如，如在Stettenheim专利中所描绘的接收器的各种实施方案中，可以使用相对低的面板曲率，即，面板可以比根据现有技术构造的在其它方面可比较的抛物线反射器更平坦。该现有技术反射器的曲率由虚线712指示。较低的反射器曲率在结构性层压的反射器的构造中是有利的，因为其实现了更简单的层压结构并且因而制造成本较少。例如，用于背衬层制造的原料可以包括1英寸厚的刚性蜂巢状片材。在各种实施方案中，该片材可以具有聚合物材料、金属、纸、泡沫或能够形成具有适当机械性能(例如，抗弯刚度)的蜂巢状或低密度片材的其它材料。该片材可以是可变形的以使抛物线弯曲层屈曲，但片材越厚，在不开裂或破裂的情况下可以适应的曲率越小。因而，对于较低曲率的镜子，对于制造而言，可能需要较少的(在一些实施方案中，仅一个)蜂巢状片材层数，而对于较高曲率的镜子，可能需要多个较薄的蜂巢状片材层数，以实现比得上的机械强度，相应地具有较大数量的胶合剂层和制造复杂性。简言之，相比于制造比得上的较高曲率的镜子，制造结构上刚性的较低曲率的镜子成本较低。

图7B示出了表712，其显示了用于七个说明性的三层反射器面板复合物的备选材料的选定的机械性能(即，厚度、面密度(kg/m²))。表712的每一行对应单个说明性的三层复合物，该三层复合物包括上部片材、下部片材、以及在上部片材和下部片材之间的蜂巢状片材。由这些说明性面板结构所包含的胶合剂层的的性能从图7B的表712中省略。每个复合物的抗弯刚度(“EI”)或弯曲刚度在表712的极右列中给出。在图7B中，“G10酚醛树脂”是指G-10级酚醛树脂片材(例如，由United States Plastic公司制造的片材)并且“诺梅克斯(Nomex)”是由E.I.杜邦公司制造的耐火间位芳纶(flame-resistant meta-aramid)材料的商标名。G10酚醛树脂具有比聚碳酸酯高八倍的弹性模量和仅50％的较高密度，使得相比于表712中的其它复合物，表712中的第七(底行的)复合材料的总质量密度较低，而保持高的EI。

一般地，具有高EI和低面密度的复合物是优选的。较高的EI使给定大小和形状的结构性反射器面板能够承受较大的载荷而无破裂或不可接受的变形，这趋向于允许降低CSP系统的其它结构部件的数量和质量而不影响性能。较低的面密度减少了结构性反射器面板和CSP系统的其它结构部件上的重力载荷，另外趋向于允许降低结构部件的数量和/或质量而不影响性能。

在本文中没有描绘的各种其它实施方案中，结构面板包括除蜂巢状材料外的结构材料。这些可替代的材料包括但不限于通过辊轧成形形成的反射器面板材料，诸如由Insolare公司制造的结构性反射器材料。辊轧成形是一个过程，在该过程中，连续的弯曲工序施加到材料，例如件数片材或金属条片，以使材料沿着线性轴线塑性变形。辊轧站使材料在串联的轧辊组中通过渐进阶段成形，直到获得所需的构型。几乎任何可以通过片材成形技术形成的材料均可以辊轧成形。由Insolare制造的结构性槽式反射器包括辊轧成形为结构性抛物线单元的呈肋状的金属片材。用于结构性反射器面板的另一种说明性材料是由Gossamer Innovations公司制造的穿孔金属结构，一种网状金属片材，其中多个弯曲突片从金属(例如，铝)片材冲出，所述突片保持附接到片材同时弯曲到使得突片能够充当第二材料片材的间隔件或支撑件的适当位置中。所有能够在太阳能反射器中充当结构性片材层的低密度、高强度材料被设想并且落入本发明的范围之内。

图8是说明性多层结构性复合太阳能反射器子组件800的一部分的分解示意图。顶层802具有高反射的带镜子的表面(未单独描绘)，该高反射的带镜子的表面可以包含增强反射性并且提供环境保护的薄膜或涂层。在本发明的一个实施方案中，背衬层806a、806b包括机械地或通过使用粘合剂层808a、808b、808c固定的相对硬的但轻质的蜂巢状中间层。背衬层810完善了复合面板并且增加了另外的刚性。在各种其它实施方案中，蜂巢状背衬层的数量可以是一个或任何更大的数量。

图9描绘了四个说明性示意横截面，其可以描述用于支撑张拉构件和/或抗扭纵向跨距元件(扭矩管)的(例如，图3的系统300的)接收器支撑件和/或桅杆元件中的任何一个或全部。截面900是沿着其长度可以是直的或成锥形的中空结构管或管道。截面902示出了通过桁架式元件连接和稳定的三个轴向构件的三角形布置。截面904示出了通过桁架式元件连接和稳定的三个轴向构件的矩形布置。截面906实现了通过桁架式元件在截面的周边处连接和稳定的六个撑杆或轴向构件的六边形布置。在一些构型中，另外的结构稳定性可以通过连接横跨外部撑杆之间的内部空间的张拉元件(例如，由线908指示的缆索，仅标出其中的一个)来提供。在横截面902、904、906中的任一个或包含多个框架元件的其它构型中，连接元件中的一些或全部可以是刚性元件或缆索或线。图9中所示的几何结构是示例性的，并且不是穷举的。

图10是根据本发明的实施方案的说明性空间框架或桁架式桅杆结构1000的说明性示意图。在该实施方案中，其使用了类似于图9中的截面904的几何结构的四边几何结构，四个刚性轴向构件1002(仅明确标出其中的一个)以矩形构型布置并且通过张拉的交叉的缆索1004(仅明确标出其中的一个)在每个边上被连接。代替刚性构件的缆索的在上(镜子上方)桅杆中的使用可以减少接收器的阴影并且从而可以提高光学效率。通过间隔撑杆1006(仅明确标出其中的一个)的适当的间隔布置，防止了轴向构件1002的箱式布置在缆索1004的拉力下塌陷。

在各种CSP模块实施方案中，其中结构1000被用作组合的接收器支撑件和镜缆索布置，镜缆索1008(仅描绘了其中的三个，并且仅明确示出其中的一个)附接在间隔撑杆1006的最上面结构处或恰好布置在间隔撑杆1006的最上面结构的下方。在该点以上，结构1000仅支撑接收器的重量的载荷并且因而不需要同样坚固：因而，刚性轴向构件1002的在最上面间隔撑杆1006上方的部分1010可以是较薄弱的(例如，较薄的)。

结构1000是说明性的一类桅杆结构，其可以在细节上无穷尽地变化，诸如例如在横截面上(例如，图9的每个横截面变型)。所有这些结构被设想并且落入本发明的范围内。

图11描绘了根据本发明的一个实施方案的包括刚性压缩框架结构的说明性悬索悬挂系统1100的两个示意图。三角形悬挂框架1102以抛物线槽式镜1106的对称轴线1104为中心。悬挂元件(例如，缆索)，例如，缆索1108a、1108b将镜子1106连接到框架1102。为了清楚起见，悬挂元件在两个视图的右手侧中省略。在各种实施方案中，框架1102不必是三角形的，而是可以呈现各种各样的形式。接收器1108被示出处于抛物线槽式镜1106的焦线处。抛物线槽式镜1106包括类似于图7A和图8中描绘的那些的结构性复合型子组件。系统1100是有利的，因为图3中的上桅杆304、下桅杆306和扭矩管310的机械支撑功能全部由单个结构，即悬挂框架1102来执行。然而，如果要实现太阳跟踪，系统1100优选地应该是旋转的，并且尽管可能的这样的旋转不是直接随着三角形结构一起旋转。该缺陷通过图12和图13中所示的说明性框架设计得到解决。

图12示出了根据本发明的实施方案的使用压缩环结构(压缩框架)的说明性悬挂缆索系统1200的三个示意图。在该实施方案中，采用了圆形框架1202，而不是如图11中的三角形框架。缆索(例如，缆索1204)附接到框架1202的有限数量的附接点并且从上方和下方在抛物线镜槽1206上施加张力。圆形悬挂框架提供优于三角形或其它悬挂框架的数个优点。首先，圆形结构的固有机械强度允许用少于任何其它结构的材料消耗获得等效的承载强度(如同在自行车轮中，承担大致对称的内部载荷)。其次，圆形结构易于旋转，例如，通过将结构安装在动力支承辊上，或通过将结构安装在被动支承辊上并且在结构周边的一个或多个点上拉动(例如，通过在附接到周边的缆索中的的绞盘)，或通过其它装置。因而，圆形悬挂框架，诸如系统1200的圆形悬挂框架实现了除本文所描述的其它实施方案的那些优点外的优点，并且特别是优于现有技术的优点，优点在于，强有力的轴向安装的马达不需要系统1200的太阳跟踪旋转；可以应用用于太阳跟踪旋转的许多可替代的低成本方案。所有这些方案被设想并且落入本发明的范围内。

图13示出了根据本发明的实施方案的使用压缩环结构的说明性悬挂缆索系统1300的三个示意图。在该实施方案中，采用了圆形框架1302，如图12中所示。缆索(例如，缆索1304)附接到框架1302上的有限数量的附接点并且从上方和下方在抛物线镜槽1306上施加张力。系统1300类似于系统1200，除了缆索1304从框架1302的分散布置的点发出外。该布置，通过在框架1302上更均匀地分布应力，对于其它方面等效的系统可以允许使用甚至更少的材料。

现在参考图14。结构有限元(FEA)计算模型已经用于在重力和风载荷下分析各种实施方案；这些结构模型捕获镜子表面、缆索系统、扭矩管和接收器支撑件。图14示意性描绘了用于在三种倾斜(重力载荷)情况，即0°俯仰角(左边)、45°俯仰角(中间)和90°俯仰角(右边)下研究类似于图3的系统300的两个桅杆的实施方案的变形的模型的特性。重力载荷倾向于支配镜子表面的变形；多达25mph的风载荷对于镜子表面而言是相对温和的。对于这些分析，风载荷(净力和力矩系数，以及分布在镜子表面上的极端情况压力)已经采用了在具有80°边界角的常规槽上进行的Hosoya等人，2008年，“Wind Tunnel Tests ofParabolic Trough Solar Collectors”NREL/SR-550-32282中给出的National RenewableEnergy Laboratory wind-tunnel数据。可以预期的是，风压力分布和调节载荷(governingloads)对于较平坦的收集器轮廓(例如，如这里所讨论的分析中的55°边界角)有所不同，但风洞研究，例如，Peterka等人，1980年，“Mean Wind Forces on Parabolic-Trough SolarCollectors”，SAND80-7023，Sandia National Laboratory，已经发现，峰值载荷既不强烈也不始终与边界角相关。

对于初步分析，六种不同的情况被考虑，其中收集器的俯仰角和风载荷是变化的：0°、45°、90°、30°、在5m/s风情况下的30°以及在11m/s风情况下的30°。对于该分析，0°表示收集器竖直向上，并且90°表示收集器对准水平面。30°针对风载荷情况被选择，因为该构型表示最大风载荷构型(Sun等人，“A review of wind loads on heliostats and troughcollectors”，Renewable and Sustainable Energy Reviews，32(2014):206–221)。镜子和反射器支撑件的变形被计算并且用作光学射线跟踪模型的输入。图14示意性描绘了在三种重力载荷的说明性条件下桅杆和镜子的变形。

图14示意性描绘了说明性CSP系统1400的部分，其上桅杆1402、下桅杆1404和镜子在重力载荷的多种条件下经历了各种程度和类型的变形。在没有图14中所有三种倾斜条件下所描绘的重力载荷的假设条件中，镜子曲面由虚线1406描述，并且上桅杆1402和下桅杆1404未变形。在以0°倾斜的重力载荷条件(左边所描绘的条件)中，镜子对称地下垂并且其曲面由第一实线1408描述。还在该倾斜条件下，许多缆索(例如，缆索1408)拉在其上的桅杆1402在缆索锚固点附近向外变形，如由变宽的桅杆轮廓1412指示的。在图14中，为了清楚起见，缆索仅用于每个倾斜位置的变形状态而被描绘。

在以45°倾斜的重力载荷(在图14的中央所描绘的)条件中，镜子对称地下垂并且其曲面由第二实线1414描述。上桅杆1402还偏斜，如由所移动的轮廓1416所指示的和端部挠曲1418所指示的。下桅杆1404以与上桅杆1402的偏斜的类似的方式偏斜(在图14中未明确标出挠曲)。

在以90°倾斜的重力载荷(在图14的右边所描绘的)条件中，镜子对称地下垂松垂并且其曲面由第三实线1420描述。上桅杆1402和下桅杆1404以与45°情况大致相似的方式偏斜偏转，只是更加明显(桅杆挠曲未在图14中明确标出)。总之，在非零倾斜度或其它方面不平衡力载荷的情况下，部件的翘曲和挠曲是非对称的并且随着倾斜度以及其它不平衡载荷的增加而在量值大上增大幅度增加。精确形式和变形程度取决于所有涉及到的部件，包括镜面板和缆索的柔韧性，以及取决于缆索的位置和数量，缆索中的预张力，反射器面板刚度，桅杆刚度以及其它因素。一般地通常，镜子挠曲变形量沿着镜子轮廓变化以及随着倾斜角而变化。通过由风、雪以及其它因素加载通常将使图4中示意性描绘的重力变形复杂化。

现在参考图15。射线跟踪编码和能力已经被开发出来，这使得快速分析各种实施方案的结构变形的光学效应成为可能。该编码将来自机械FEA模型的偏斜的镜子轮廓和/或接收器位置作为输入，并且将光通量分布和几何光学效率作为输出。该结构—光学模型连接实现了用于各种实施方案的关键收集器元件的足够的结构刚度值的界定，关键收集器元件包括缆索、缆索桅杆、扭矩管、镜子面板和接收器支撑件。

使用射线跟踪以计算归因于镜子在镜子表面的离散的位置处的变形的反射光束与焦线的偏差，镜子的倾斜误差(单位为millirads、mrad)被确定。在每个离散(或局部)位置处的等效倾斜误差然后使用等式来计算

fd＝(2·sdx)·d

其中，fd是使用射线跟踪法计算出的局部焦点偏差，sdx是局部倾斜偏差，且d是局部镜子表面和焦点之间的距离，如在Meiser等人“Analysis of parabolic troughconcentrator mirror shape accuracy in different measurement setups”，EnergyProcedia49(2014)2135–2144中所描述的。每个镜子构型(倾斜条件)的均方根(RMS)倾斜误差然后被计算出。该倾斜误差包含由于镜子位置和梯度引起的误差。图15示出了根据沿线性收集器孔口的位置(单位米)的图14的三种镜子构型的所计算出的倾斜误差。

上面关于图15所讨论的6种测试情况中的每一种的结果在图16中制成表。从FEA模型和射线跟踪模型确定的RMS误差表示面板中的归因于来自在载荷下的支撑结构的变形的倾斜误差，但忽略了面板中固有的任何倾斜误差。由Gossamer Space Frames开发的面板具有大约1.1mrad的RMS倾斜误差并且因而系统的倾斜误差可以被假定为

其中，σ_support是由于面板的来自在载荷下的支撑结构的变形引起的倾斜误差，且σ_panel是面板中固有的倾斜误差。该系统误差表示归因于重力载荷挠曲和风力挠曲由镜结构引起的误差，并且优于Gossamer Space Frame公司系统所计算出的2.3mrad的系统倾斜误差，如在Chen等人，“Next Generation Parabolic Trough Solar Collectors for CSP”，Proceedings of the 6th International Conference on Energy Sustainability，2012年，中所描述的。该误差的组合排除了由于(例如)扭转、接收器对齐以及跟踪引起的误差。这些误差将有助于光学误差安排。迄今为止，在所有检查过的载荷条件下，这些系统误差低于4mrad。

对于每个构型，镜子-接收器对的光学效率已经使用类似于Stettenheim专利中所公开的那些的优化的腔式接收器被计算出。在现实条件下，将存在接收器对齐、太阳跟踪和扭转误差。因此，为了计算光学效率的目的，估算这些误差是有用的。射线跟踪模型已经用于计算腔式接收器的光学性能。对于每个构型，使用来自ANSYS模型的变形的镜子表面和位移的接收器位置来跟踪射线。另外的高斯散射被强加在反射的射线上以表示附加误差。这些误差的组合可以估计为

其中σ_panel是面板中的固有的倾斜误差(约1.1mrad)，σ_torsion是由于扭转引起的误差(约1mrad)，σ_alignment是由于接收器对齐引起的误差(约1.5mrad)，且σ_track是由于太阳跟踪引起的误差(约1.5mrad)。这些误差组合以给出待被应用到反射的射线的附加的3.2mrad散射。

图16中的表示出了使用上面对于反射率、透射比以及3.2mrad的附加误差的吸收率的定义的假设，参考图14和图15在以上所讨论的用于每种镜载荷构型的镜子-接收器对的光学效率。每种镜载荷构型的光学效率高于78％。

引用条款

任何专利、专利申请、专利申请公开、期刊文章、书籍、已发表的论文或说明书中所确定的其它公共可获得的材料据此通过引用以其整体并入本文。被认为通过引用并入本文但与现有的定义、陈述或本文明确提出的其它公开材料冲突的任何材料或其部分仅在所并入材料和目前公开材料之间不出现冲突的程度上并入。在冲突的情况下，冲突以有利于作为优选的公开的本公开来解决。

虽然本发明已经被特别地示出并且参考如图中所图示的优选模式来描述，但本领域中的技术人员应理解，各种细节上的变化在本发明中可能受到影响而不偏离本发明的如由权利要求所限定的精神和范围。

Claims (12)

1.一种镜子收集器系统，用于沿着抛物线槽式太阳能发电设备中的线路的聚焦式太阳能发电，包括：

多个弯曲面板，所述弯曲面板具有抛物线横截面、上部的带有镜子的表面和结构性子结构，所述结构性子结构具有沿着第一轴线的所设计的材料特性的第一值并且具有沿着第二轴线的所述所设计的材料特性的第二值，所述第一轴线和所述第二轴线是垂直的并且所述第一值和所述第二值是不同的；

多个线性的收集热量的接收器，其定位成各自位于所述多个弯曲面板的相应的焦点处；

多个张拉结构元件，其连接到所述多个弯曲面板和所述多个线性的收集热量的接收器，所述多个张拉结构元件构造成提供结构的至少一部分，所述结构的所述至少一部分构造成使所述多个张拉结构元件与所述多个弯曲面板保持处于固定的关系；以及

扭矩元件，其构造成沿着所述多个所述弯曲面板的线性轴线提供扭转刚度。

2.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述上部的带有镜子的表面包括带有镜子的薄膜。

3.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述上部的带有镜子的表面包括玻璃镜子。

4.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述所设计的材料特性包括弹性模量。

5.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述扭转元件包括管状结构。

6.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述扭转元件包括空间框架结构。

7.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述所设计的材料特性是转动惯量。

8.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述所设计的材料特性是抗弯刚度。

9.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述多个弯曲面板构造成使用辊轧成形技术形成。

10.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述多个弯曲面板构造成使用金属冲压形成。

11.根据权利要求1所述的镜子收集器系统，其中所述所设计的材料特性的所述第一值和所述第二值包括结构强度。

12.根据权利要求1所述的镜式收集器系统，其中所述结构强度超过无所述结构性子结构的玻璃镜面板的结构强度。