CN106571773A - 刚性安装的跟踪太阳能电池板和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是刚性安装的跟踪太阳能电池板和方法。刚性地可安装的太阳能电池板包括在可移动的板的上方支撑的透镜以聚焦日光至在可移动的板上携带的光伏材料上。挠性支柱在透镜的焦点处隔开可移动的板，并且在焦点随着太阳移动时，伺服机构使可移动的板能够移动以调节位置。可移动的板上的光检测器——感测焦点的移动——向伺服机构发信号以自动地调节可移动的板的位置，从而跟踪太阳的移动。将日光集中在选择以具有更高的转换效率的光伏材料上增加输出。将光伏材料分段，使得区段的输出可以以串联‑并联关系结合，并且在可移动的板的端部上使用镜子以反射日光至区段上允许由光伏材料生成的电力在白天期间更一致。

Description

刚性安装的跟踪太阳能电池板和方法
技术领域
本公开内容一般地涉及太阳能电池板。更具体地，本公开内容涉及跟踪太阳的移动的太阳能电池板。
背景技术
将太阳辐射转换为电能的大部分太阳能电池板使用固定的硅平板。因为其性质是熟知的并且其便宜、容易获得需要的量、耐用且可靠，所以硅是光伏材料的选择。硅还是单结光伏材料，所以其不受光谱分布变化的影响；其输出取决于其吸收范围的界限内的集成功率密度。硅平板易于制造和在室外环境中安装。
固定的、平的硅太阳能电池板存在缺点。硅具有相对低的转换效率，通常18％至20％并且理论上不超过30％。由于这种相对低的转换效率，与转换效率更高的情况相比，更大的板、更多的板和更大的板面积被用于产生电力。在用于家用发电的屋顶安装的太阳能电池板的情况下，家庭使用的电量通常比可以由来自住宅的屋顶大小给予的平的硅板的太阳能生成的电量更多。在发电厂的情况下，太阳能收集器的用地需求快速地成为显性成本。最后，大部分太阳能电池板在海外制造，所以新的和替换板的供应可能经受国际稳定问题和汇率波动。
增加平的硅板的转换效率的一种方法是使它们跟踪太阳。虽然太阳能电池板跟踪系统的确提高效率，但是它们还增加资金成本、运营成本、和维修成本。它们还使用电功率来运行，从而抵消它们的转换效率增加。此外，它们的跟踪能力受风和引力偏转损害。
太阳能电池板的效率还可以被不同的光伏材料提高，但是更好的光伏材料更昂贵并且不可以广泛地获得。
尽管太阳能电力的挑战，每平方米将能够生产更多电力的太阳能电池板将相对于当前的太阳能电池板具有显著的优势，并且有用于更众多的应用中。
发明内容
本公开内容描述了采用刚性安装至框架的复数个透镜的太阳能电池板。挠性支柱悬挂于(depend from)复数个透镜，并且保持可移动的板与复数个透镜成间隔关系。透镜聚焦日光——在其随着移动的太阳移动时——至可移动的板上，并且具体而言，至可移动的板上的光伏材料上。将日光聚焦在光电材料上能够导致在更低的材料成本下的更高的转换效率。透镜的阵列自东向西取向，并且倾斜以匹配太阳关于地球的倾角。因而减少各个季节太阳的移动的跟踪，并且可以通过移动持有光伏材料的可移动的板进一步适应。复数个透镜中的一个透镜将光引导至可移动的板上的检测器上，而不是光伏材料上。检测器电连接至响应来自检测器的信号的伺服机构。那些信号通讯位置信息至伺服机构。该位置信息指示检测器上的焦点的位置。当太阳的移动将检测器上的焦点移动至检测器上的不同位置时，该移动引起伺服机构调节可移动的板的位置以将焦点的位置恢复至其在检测器上的初始位置。
本公开内容的一个特征是使用多个透镜，其可以是圆柱形或球形弯曲的，以将日光聚焦在布置在板上的光伏材料上。
本公开内容的另一个特征是使用挠性支柱，其用于保持可移动的板关于透镜成间隔的关系，并且该支柱可以响应于伺服机构的操作而弯曲，所述伺服机构响应于日光的移动调节可移动的板以维持透镜的焦点在光伏材料上。
本公开内容的另一个特征是透镜可以是球面透镜或柱面透镜，并且透镜的阵列可以是一排长的柱面透镜或球面透镜的二维阵列。
太阳能电池板的另一个特征是在可移动的板的端部使用镜子以反射射向可移动的板的端壁的光至与端壁相邻的光伏材料上，以便于捕获额外量的光能。
太阳能电池板的一个特征是光伏材料可以划分为多个区段，使得在一个区段中生成的电量可以以在一整天中产生更恒定的输出的方式与在另一个区段中生成的电量结合。例如，最外侧区段的电量可以并联结合，并且全部区段对的电量可以串联结合。
本公开内容的又另一个特征是具有多个柱面透镜的太阳能电池板可以以平行于太阳的每日路径的透镜的长轴取向，并且太阳能电池板倾斜以匹配太阳关于地球的轴的倾角，以最小化用于跟踪太阳的移动。
太阳能电池板的特征是伺服机构配置为关于柱面透镜的阵列移动可移动的板，同时它们关于板被保持在固定长度下，使得日光聚焦在光伏材料上。
通过仔细地阅读具体实施方式连同下列附图，太阳能电池板的领域中的技术人员将清楚其它特征和它们的优点。
附图说明
已经如此概括地描述了本公开内容的变型，现在将参考附图，其不必然按比例绘制，并且其中：
图1是根据本公开内容的一个方面的太阳能电池板10的顶部透视图，其显示携带光伏材料26的可移动的板18的上方的透镜14，透镜14通过挠性支柱22被连接至可移动的板18，并且可移动的板18可以通过伺服机构30移动；
图2是根据本公开内容的一个方面的图1的太阳能电池板10的端视图；
图3是根据本公开内容的一个方面的图2的太阳能电池板10的端视图，其中可移动的板18通过伺服机构30向左移动以调节太阳的角度的季节变化；
图4是根据本公开内容的一个方面的图2的太阳能电池板10的端视图，其中可移动的板18向右移动以调节太阳的角度；
图5是根据本公开内容的一个方面的图1的太阳能电池板10的侧视图，其中光伏材料26被划分为标记A-A’、B-B’、和诸如此类至F-F’的区段36的对；
图6是图5的太阳能电池板10的侧视图，其显示比如在清晨或傍晚期间来自低角度，并且被可移动的板18的端壁32的镜式(mirrored)表面反射至光伏材料26的区段A’上的日光；
图7和8是图1的太阳能电池板10的端视图，其显示伺服机构30和可移动的板18之间的连接，其使得能够响应通过透镜14的日光的焦点的移动和响应于该移动的挠性支柱22的挠曲调节检测器38的位置；
图9和10是可选布置的端视图，其中透镜14通过固定支柱56由固定底座60支撑，并且可移动的板52经由挠性支柱50由固定底座60从下方支撑，并且可以通过伺服机构30移动以维持来自透镜14的日光的焦点在检测器38上；和
图11和12是另一种可选布置的端视图，其中可移动的板72由可移动的底座68从下方支撑，并且可移动的板72和可移动的底座68通过伺服机构30移动以保持检测器38与透镜14的底部48处于固定距离。
具体实施方式
公开的太阳能电池板可以是太阳能电池板10的形式，其可以以适当的取向和倾斜被刚性安装至固体表面，并且开始自动地跟踪太阳的移动并优化正在使用的光伏材料的收集效率。太阳能电池板10可以是薄的——例如，1.5cm-2.5cm厚——和可扩展的(scalable)。太阳能电池板10可以是例如一平方米和轻质的。它可以使用较少的光伏材料，使得使用较高效率的聚光器光电池材料变得划算。其透镜可以由任何光学玻璃或光学塑料制造，并且可以配置为菲涅耳透镜。
图1是包括复数个透镜14的太阳能电池板10的透视图，所述复数个透镜14布置在阵列16中并且通过挠性支柱22支撑可移动的板18。阵列16中的透镜14在此图解中显示为圆柱形的，并且具有与透镜14的长边(long dimension)平行的对称轴。在使用中，板18将随着向东和西移动的透镜14的对称轴取向，并且将在太阳的倾角下倾斜，太阳的倾角是地球的转动轴和其轨道轴之间的角度，其是大约23.4度。
板18上的柱面透镜14的焦点处是光伏材料26。因为透镜14能够借助其几何结构和其从可移动的板18至太阳的距离将日光的平行光线聚焦为窄光束，光伏材料26的面积可以更小，并且因此光伏材料的量可以更少。因此，尽管更高的每单位面积成本，仍可以使用效率比硅更高的光伏材料。
透镜14可以是球形的，并且阵列16将然后由球面透镜制造，比如行和列的阵列或紧密堆积的六角形阵列。球面透镜14将光聚焦在可移动的板18上的光伏材料26上的小圆上。
挠性支柱22在图1中显示为从透镜14的端部悬挂下来。挠性支柱22可以可选地是透镜14之间的壁。能够引起横向移动的伺服机构30或其它机械装置被附加至可移动的板18，并且配置为引起板18横向地移动。挠性支柱22用来保持透镜14和可移动的板18之间的焦距恒定。伺服马达30关于透镜14横向地移动可移动的板18。
尽管太阳移动，太阳能电池板10的挠性支柱22使可移动的板18能够横向地移动的能力允许透镜14的焦点保持集中在光伏材料26上。伺服马达30移动跟踪太阳的可移动的板18。需要的移动量很小。放置透镜14，使得其长边平行于太阳的东-西路径，并且倾斜以匹配太阳关于地球的倾斜轴。因此，太阳能电池板10的初始定位适应太阳的大部分日常移动。基于纬度，太阳的位置将从中午时的正上方改变。因此，需要剩余量的太阳跟踪。
通过比较图2、3和4阐明此调节。这些图显示了太阳能电池板10的端视图。图2显示了太阳能电池板10与来自正上方的太阳光线，其由虚线代表。图3图解了可移动的板18的位置向左的移位，在太阳将通常正在从东南行进至西南时，其在北纬中的冬季月份可以是适当的，如果在图3中，南向是向右且北向是向左。同样地，图4然后将图解调节可移动的板18以适应更向北取向的太阳路径——通常从东至西并且向北倾斜，在其将处于南半球的冬季或北半球的夏季时。可移动的板18的移动和挠性支柱22的挠曲使太阳能电池板10能够将太阳光聚焦在光伏材料26上。
图5和6图解了太阳能电池板10的侧视图。从该侧，太阳——在其每日横贯中——将从右至左移动(假设图5和6的右侧被定向为东且左侧被定向为西)。当太阳大体上在正上方时，如图5中图解的，落在太阳能电池板10上的日光(还由虚线代表)穿过透镜14并且直接地落在光伏材料26上。在太阳在日间横贯天空时，如图6中图解的，一些日光将落出太阳能电池板10的端壁32并且因而遮蔽可移动的板18，或可以落在端壁32上。为了包括该日光，端壁32具有镜式内表面以将聚焦日光反射回材料26上，使得反射光也可以转换为电力并且添加至生产的其余电能。
光伏材料26可以被划分为长度可以相等的区段36。区段36是如图5和6中所示的成对的并且由字母标识。第一对区段36由最外侧的两个区段36——图5和6中的区段A和A’——形成，并且然后下两个最外侧的区段36——B-B’——成对，诸如此类：C-C’、D-D’等，直到最后两个区段36——在此实例中，F-F’——成对。每对A-A’、B-B’、C-C’、D-D’、E-E’和F-F’中的区段36并联地电线连接，并且区段对A-A’、B-B’、C-C’、D-D’、E-E’和F-F’串联地电线连接以提供光伏材料26的电流输出。用此方法，落在区段A’上的由镜子34反射的日光添加至直接落在其上的任何日光，并且部分地弥补落在遮蔽的区段A上的减少的日光。因此，由光伏材料26的全部区段36生产的电力的量在日间是相对更恒定的。
图7-12图解了来自透镜14的光的焦点如何保持在光伏材料26上。在阵列16的透镜14下方，光伏材料26被检测器38替换。由透镜14聚焦的光在检测器38上的移动用于确定如何移动可移动的板18。在检测器38上的焦点响应于正上方的太阳的移动而移动时，检测器38感测该移动并且发送相应的信号至伺服机构30，其通过移动可移动的板18以使光的焦点在检测器38上重新居中来响应。检测器38可以是任何类型的光学器具，比如四象限检测器(quad cell)、位置相关(position dependent)检测器、线性阵列或二维阵列。
在图7中，用推动或拉动可移动的板18的伺服机构30完成检测器38的移动。挠性支柱22促进可移动的板18关于透镜14的移动。挠性支柱22具有两个挠性接头，即，上部挠性接头40和下部挠性接头44，这使其能够维持可移动的板18平行于透镜14，尽管可移动的板18通过伺服机构30移动。透镜14的底部48限定了平行于可移动的板18的平面的平面。当可移动的板18被伺服机构30如图8中箭头所指示的推动时，上部和下部挠性接头40、44确保透镜的底部48保持平行于可移动的平面18。通过能够横向地移动透镜14，可以适应全年的太阳的相对较高或较低的角度。在可移动的板18的移动从其极限位置行进至其中心位置时，透镜14和可移动的板18之间的间隔存在轻微增加，其影响焦点。
图9和10图解了倒转挠曲布置，其是图7和8的布置的替代选择，其中挠性支柱50从下面的固定底座60支撑可移动的板52。一组刚性支柱56从固定底座60支撑透镜14。在此布置中，可移动的板52可以从伺服机构30如箭头显示的移动，以将检测器38维持在透镜14的焦点。不同于图7和8中的布置，在可移动的板52从其两个极限位置中的任一个移动至其中心位置时，检测器38和透镜14之间的距离增大，并且该移动还对焦点具有影响。
图11和12图解了第三种布置，其中透镜14由附加至可移动的底座68的刚性支柱64支撑。可移动的底座68使用挠性支柱76支撑可移动的板72。可移动的底座68和可移动的板72可以使用例如两个伺服机构30如箭头指示的独立地移动。此布置维持了透镜14的底部48和检测器38之间的分离距离，以及它们的平行关系，以便于锐聚焦同时允许检测器38在跟踪太阳的移动中关于透镜14横向地移动。
在图7-12中显示的本发明的三个方面中，检测器38和透镜14的相对位置需要被调节以保持透镜14与遍及阵列16的检测器38对齐。检测器38检测光焦点的移位位置，并且向伺服机构30发信号以通过移动可移动的板18、52、72而使其改变。其余阵列16——用光伏材料26替换检测器38——相应地遵循。
进一步，本公开内容包括根据下列条款的实施方式：
条款1.太阳能电池板(10)，其包括：
多个透镜(14)，所述多个透镜中的透镜是曲面的以聚焦光；
可移动的板(18)；
光伏材料(26)，其被携带在所述可移动的板(18)上，当光通过所述多个透镜(14)聚焦在所述光伏材料(26)上时，所述光伏材料(26)生成电流；
多个支柱，其将所述多个透镜连接至所述可移动的板；和
伺服机构，其被连接至所述可移动的板，所述伺服机构移动所述可移动的板以维持来自所述多个透镜的所述光在所述光伏材料上。
条款2.条款1所述的太阳能电池板，其中所述多个支柱中的支柱具有挠性接头。
条款3.条款2所述的太阳能电池板，其中所述支柱具有上部和下部挠性接头。
条款4.条款1所述的太阳能电池板，其中所述光是来自太阳的日光，并且其中所述太阳能电池板进一步包括所述可移动的板上的检测器，所述检测器响应于焦点关于所述检测器的移动，所述检测器提供与所述焦点的所述移动相关的位置信息，并且其中所述伺服机构与所述检测器通讯，所述伺服机构移动所述可移动的板以维持所述焦点在所述检测器上。
条款5.条款1所述的太阳能电池板，其中所述透镜是球面透镜。
条款6.条款1所述的太阳能电池板，其中所述透镜是柱面透镜。
条款7.条款1所述的太阳能电池板，其中所述透镜是菲涅耳透镜。
条款8.条款1所述的太阳能电池板，其中所述透镜由光学塑料制造。
条款9.条款1所述的太阳能电池板，其中所述可移动的板具有端部，并且其中所述太阳能电池板进一步包括位于所述可移动的板的所述端部的镜子以反射所述光至所述光伏材料上。
条款10.条款1所述的太阳能电池板，其中光伏材料划分为多个区段，当暴露于所述光时，所述多个区段中的区段生成电力。
条款11.条款10所述的太阳能电池板，其中所述多个区段以区段对布置，并且由所述区段对生成的电力串联地结合。
条款12.使用太阳能电池板的方法，所述方法包括以下的步骤：
对地取向放置多个透镜，使得所述多个透镜的轴向东和西取向；并且
倾斜所述多个透镜以匹配太阳的倾角。
条款13.太阳能电池板，其包括：
具有轴的透镜的阵列，所述透镜是柱面透镜；
可移动的板；
光伏材料，其被携带在所述可移动的板上；
挠性支柱，其保持所述可移动的板关于所述透镜的阵列成间隔的关系，使得照射在所述透镜的阵列上的日光聚焦在所述可移动的板上携带的所述光伏材料上，当所述日光聚焦在其上时，所述光伏材料生成电量；和
伺服机构，其连接至所述可移动的板，当所述日光不被所述透镜的阵列聚焦在所述光伏材料上时，所述伺服机构移动所述可移动的板。
条款14.条款13所述的太阳能电池板，其中所述透镜的阵列具有第一端部和第二端部，并且其中所述太阳能电池板进一步包括在所述第一端部和所述第二端部处定位的镜子以反射日光至所述光伏材料上。
条款15.条款13所述的太阳能电池板，其中所述光伏材料划分为区段，并且其中所述区段中的区段产生电力。
条款16.条款15所述的太阳能电池板，其中所述区段成对地电连接。
条款17.条款16所述的太阳能电池板，其中所述区段对串联地电连接。
条款18.条款13所述的太阳能电池板，其进一步包括在所述可移动的板上并且与所述伺服机构通讯的检测器，所述检测器接收来自所述多个透镜中的透镜的光，并且响应于由所述检测器接收的所述光的移动，并且输出与所述移动有关的信号，并且其中所述伺服机构接收来自所述检测器的所述信号并且通过移动所述可移动的板响应。
条款19.条款13所述的太阳能电池板，其进一步包括：
固定底座；和
刚性支柱，并且其中所述刚性支柱关于所述可移动的板保持所述透镜的阵列，并且所述挠性支柱关于所述固定底座保持所述可移动的板，并且其中所述伺服机构移动所述可移动的板。
条款20.条款13所述的太阳能电池板，其进一步包括：
固定底座；和
刚性支柱，并且其中所述挠性支柱关于所述固定底座支撑所述可移动的板，并且所述刚性支柱关于所述固定底座保持所述透镜的阵列，并且其中所述伺服机构随着所述日光移动而移动所述可移动的底座和所述可移动的板。
当介绍本公开内容的要素或其示例性方面或实施方式(一个或多个)，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意欲意思是存在要素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意欲是开放性的，并且意思是可以存在那些列举的以外的要素。虽然已经关于具体的实施方式描述了本公开内容，但是这些实施方式的细节不解释为限制性的。

Claims (15)

1.太阳能电池板(10)，其包括：
多个透镜(14)，所述多个透镜中的透镜是曲面的以聚焦光；
可移动的板(18)；
光伏材料(26)，其被携带在所述可移动的板(18)上，当光通过所述多个透镜(14)聚焦在所述光伏材料(26)上时，所述光伏材料(26)生成电流；
多个支柱(22)，其将所述多个透镜(14)连接至所述可移动的板(18)；和
伺服机构(30)，其被连接至所述可移动的板(18)，所述伺服机构(30)移动所述可移动的板(18)以维持来自所述多个透镜(14)的所述光在所述光伏材料(26)上。
2.权利要求1所述的太阳能电池板(10)，其中所述多个支柱中的支柱具有挠性接头(40、44)。
3.权利要求2所述的太阳能电池板(10)，其中所述支柱具有上部(40)和下部(44)挠性接头。
4.权利要求1所述的太阳能电池板(10)，其中所述光是来自太阳的日光，并且其中所述太阳能电池板进一步包括所述可移动的板(18)上的检测器(38)，所述检测器(38)响应于焦点关于所述检测器(38)的移动，所述检测器(38)提供与所述焦点的所述移动相关的位置信息，并且其中所述伺服机构(30)与所述检测器(38)通讯，所述伺服机构(30)移动所述可移动的板(18)以维持所述焦点在所述检测器(38)上。
5.权利要求1所述的太阳能电池板(10)，其中所述透镜(14)是球面透镜。
6.权利要求1所述的太阳能电池板(10)，其中所述透镜(14)是柱面透镜。
7.权利要求1所述的太阳能电池板(10)，其中所述透镜(14)是菲涅耳透镜。
8.权利要求1所述的太阳能电池板(10)，其中所述透镜(14)由光学塑料制造。
9.权利要求1所述的太阳能电池板(10)，其中所述可移动的板(18)具有端部，并且其中所述太阳能电池板进一步包括位于所述可移动的板(18)的所述端部的镜子(34)以反射所述光至所述光伏材料(26)上。
10.权利要求1所述的太阳能电池板(10)，其中光伏材料划分为多个区段(36)，当暴露于所述光时，所述多个区段(36)中的区段生成电力。
11.权利要求10所述的太阳能电池板(10)，其中所述多个区段(36)以区段对(A-A’、…)布置，并且由所述区段对生成的电力串联地结合。
12.使用太阳能电池板的方法，所述方法包括以下的步骤：
对地取向放置多个透镜，使得所述多个透镜的轴向东和西取向；并且
倾斜所述多个透镜以匹配太阳的倾角。
13.太阳能电池板(10)，其包括：
具有轴的透镜(14)的阵列(16)，所述透镜(14)是柱面透镜；
可移动的板(18)；
光伏材料(26)，其被携带在所述可移动的板(18)上；
挠性支柱(22)，其保持所述可移动的板(18)关于所述透镜的阵列(16)成间隔的关系，使得照射在所述透镜的阵列(16)上的日光聚焦在所述可移动的板(18)携带的所述光伏材料(26)上，当所述日光聚焦在其上时，所述光伏材料(26)生成电量；和
伺服机构(30)，其连接至所述可移动的板(18)，当所述日光不被所述透镜的阵列聚焦在所述光伏材料(26)上时，所述伺服机构(30)移动所述可移动的板(18)。
14.权利要求13所述的太阳能电池板(10)，其中所述透镜的阵列(16)具有第一端部和第二端部，并且其中所述太阳能电池板进一步包括在所述第一端部和所述第二端部处定位的镜子以反射日光至所述光伏材料(26)上。
15.权利要求13所述的太阳能电池板，其中所述光伏材料(26)划分为区段(36)，并且其中所述区段(36)中的区段产生电力。
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