CN107810371B - 太阳能设备聚集太阳光的反射镜、运行太阳能设备的方法以及太阳能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为太阳能设备聚集太阳光的反射镜、一种用于运行太阳能设备的方法以及一种太阳能设备。抛物面反射镜在现有技术中是已知的。抛物面反射镜的一个重要应用是聚集太阳光以利用太阳能。通过聚集可以在大型抛物面反射镜的焦点处达到高温。由此提供的能量可用于熔化金属或产生蒸汽。小规模的应用，如太阳灶，通常使用抛物面反射镜来聚集太阳能。本发明提出了不同有利的机械和几何形状方面的途径。

Description

太阳能设备聚集太阳光的反射镜、运行太阳能设备的方法以 及太阳能设备

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能设备聚集太阳光的反射镜、一种运行太阳能设备的方法以及一种太阳能设备。

背景技术

抛物面反射镜是现有技术已知的。抛物面反射镜的一个重要应用是太阳光的聚集以利用太阳能。通过聚集可以在大抛物面反射镜的焦点处实现高温。由此提供的能量可用于熔化金属或产生蒸汽。小规模的应用，如太阳灶，通常使用抛物面反射镜来聚集太阳的能量。

(来源：https：//de.wikipedia.org/wiki/parbolspiegel，2015年7月13日)

发明内容

本发明的目的是为现有技术提供改进方案或替代方案。

根据本发明的第一方面，该目的通过一种用于为太阳能设备聚集太阳光的反射镜得以实现，该反射镜包括多个条带状的区段，以将来自反射表面的入射太阳光聚集到焦点，其中，这些区段具有切向的延伸(tangential extension)，即，以切向的方式延伸。

在本文中，应注意以下几点：

与本说明书相关的那种反射镜将入射的平行光线(即，主要为太阳光) 聚集到焦点。

这里描述的反射镜通常具有较大的尺寸，例如直径大于一米，通常直径甚至大于两米或三米。

由于这种尺寸和为了简化制造，这种反射镜通常以条带状的区段的形式排列。条带状的区段彼此连接并因此形成反射表面。

根据此处提出的本发明的第一方面，这些区段具有切向的延伸。

简而言之，这意味着，这些条带具有旋转对称的假想体的扇形形状，其中，这些条带沿着所述假想体的圆周被取出。

旋转抛物面是用于聚集太阳光的理想的反射镜。旋转抛物面(或转动抛物面)是围绕中心轴线旋转对称的。条带具有沿围绕所述轴线的圆周的延伸部分，该延伸部分比平行于该轴线的条带的延伸部分更长。

在现有技术中，沿旋转产生的实体(旋转实体)的轴线的方向组装条带状的区段是众所周知的。因为旋转实体的区段划分的类型会导致所有条带，即，所有区段形状是相同的，该形状一目了然地使制造过程更简单。

相反地，发明人认识到，使用沿切向方向延伸的条带时的额外费用是可控的。特别是偏离旋转抛物面的理想形状是可接受的，因为由此引起的损耗在可测量范围的界限处。

即使在不同的水平面上，使用围绕旋转轴线的相同形状的区段可以近乎理想地构造反射镜。

但是，在优选的实施例中，反射镜由具有不同形状的区段组成。

特别优选的实施方式设置为，反射镜在相对于旋转轴线的一个水平面上包括相同形状的、横向相邻的区段，但是在反射镜高度上具有不同形状的区段。

优选地，在反射镜或抛物面的出口端处或其附近处设置比在顶端处更窄的区段。区段在轴向方向上的延伸越少，在各个区段的轮廓不完全对应于旋转抛物面而是相对于其偏离的情况下的误差越小。

本发明的一个特殊的实施例设置为，各个区段的纵向延伸的边界边缘以及因此可在轴线上投影的边界边缘在几何形状上不是作为抛物面区段而成型，而是简单地作为照圆弧形区段成型。它们可以以更加成本有效的方式生产和维护。但是，反射镜的轮廓离顶点越远，其变得更加显著，以使得由于有意的“错误”几何形状引起的误差最小化。这可通过使用在轴向上更短的区段实现。

当然可以通过所提出的切向延伸的区段来组装抛物面反射镜。

然而，基于现有技术，发明人认为，如果一个区段具有偏离旋转抛物面形状的边缘并且主要具有圆弧形区段形状的边缘，则更为明智。

旋转抛物面的形状制造昂贵，这对成本有负面影响。相反，制造成型为圆弧区段的边缘显然成本更有效，并且在技术上较不发达的地区也是可能的。发明人认识到，相对于旋转抛物面的形状的偏离小于为了制造真正的旋转抛物面而增加的支出。

因此，至少一个区段具有偏离旋转抛物面形状的边缘。

应注意的是，在本专利申请的范围内，通常将不定冠词和数字参考(例如“一个”、“两个”等)理解为“至少”(例如“至少一个...”、“至少两个...”等)，除非在上下文中明确地提及、清楚地指出，或者对于本领域技术人员是显而易见地该含义只能是或应该是“恰好一个”、“恰好两个”等。

与完全的旋转实体相比，所提出的反射镜设置有开口，特别地，该开口设置为占所述完整的旋转体的表面的至少50％。

当为太阳能设备聚集太阳光时，通常只需要整个表面的一小部分，特别是在反射镜具有智能追踪系统的情况中。

根据本发明的第二方面，该目的通过提供用于为太阳能设备聚集太阳光的反射镜得以实现，该反射镜包括多个区段，用于形成将入射的太阳光反射到焦点的表面，其中该反射镜特别是可以额外地对应于本发明的第一方面，其中，该反射镜的特征在于，区段具有赋形的、相对于环境压力的过压或负压。

采用这种设计，实现了通过施加的过压或者负压使区段成型。这意味着这些区段必须至少在反射表面上是气密的，或者必须至少对另一种流体(即，气体或液体)密封。通过引入或排出流体可以调整形状。例如，该设计可以使得在理想内部压力附近的一定带宽处的表面与理想形状相比仅具有非常小的变形，因此不会显着降低太阳能设备的效率。这也有助于使本发明可在技术欠发达地区经济地使用。

在一个特别简单的应用中设置为，使区段充气或排气。不需要使用特殊的气体或液体，并且区段可以是非常轻的。

因此，这些区段无论是对于运输、维护还是拆卸目的都是可能容易倒塌的。多个区段可以通过流体管线相互连接。这种设计实现的是，简单地通过引入或排出空气或任何其它流体使反射镜的多个区段、特别是所有区段可成型。

一个区段可能包括透明膜和反射膜，该透明膜与该反射膜气密地连接、特别是焊接在一起，以形成袋。

这种设计允许这样设置透明膜，使其优选面向太阳的入射辐射，从而使太阳光线穿过透明膜并且到达反射膜上。因此，在反射镜处于运行时，反射表面位于袋(pouch)内，并因此例如位于充胀的垫状袋内部，从而例如防止反射膜受到灰尘污染。

如果一个区段设置有支撑框架，则机械负载可以由支撑框架吸收，因此可以将非常轻的设计(例如薄膜)用于反射表面。

一个区段设置有可充胀的张紧元件，尤其是管，特别沿其圆周具有不同的内压。

以这种方式，张紧元件可以例如通过空气或任意其它流体(气体或液体) 充胀；箔状的、反射表面经张紧元件张紧并因此采用对反射镜所设计的精确取向。

根据本发明的第三方面，该目的通过一种用于为太阳能设备聚集太阳光的反射镜得以实现，该反射镜包括多个区段，用于形成将入射的太阳光反射到焦点的表面，特别是根据上述第一或第二方面的反射镜，其中，所述反射镜的特征在于，这些区段成型为包括含氟聚合物膜的反射垫。

发明人的原型测试显示含氟聚合物膜对于垫状反射镜是理想的。

特别适合的是乙烯四氟乙烯(ETFE)。

另外，在50μm至200μm之间的透明膜的厚度被证明是理想的，特别是在约100μm至150μm之间。

具有铝层的反射箔被证明对于反射表面而言是理想的，特别是具有溅射的铝反射镜。

根据本发明的第四方面，该目的通过一种用于为太阳能设备聚集太阳光的反射镜得以实现，该反射镜包括多个区段，用于形成将入射的太阳光反射到焦点的表面，特别是根据上述三个方面中任一个的反射镜，其中，反射镜的特征在于，这些区段设置有反射膜，其中，机械增强的格状结构布设在反射膜上，优选在其非反射背侧上。

增强的“格状结构”意味着在可以彼此连接的膜的厚度中存在条带状或缝状凸起部分。

优选的格状结构是菱形的。

根据本发明的第五方面，该目的通过一种用于运行具有反射镜的太阳能设备的方法，该反射镜用于为太阳能设备聚集太阳光，该反射镜包括多个区段，用于形成将入射的太阳光反射到焦点的表面，特别是用于运行具有根据本发明关于发射器的上述多个方面中任一个的反射镜的太阳能设备的方法，其中，该方法的特征在于，在紧急模式下，这些区段可以放气或充气以减小聚集效应。

根据本发明的第六方面，该目的通过一种用于运行具有反射镜的太阳能设备的方法，该反射镜用于为太阳能设备聚集太阳光，该反射镜包括多个区段，用于形成将入射的太阳光反射到焦点的表面，特别是用于运行具有根据本发明的第一至第四方面中任一个的反射镜的太阳能设备的方法和/或根据本发明的第五方面的方法，其中，该方法的特征在于，区段受到波动的气压并因此而振动以清洁其表面。

区段由于波动的气压而在表面上表现的振幅并不是非常显著。而是说，该振动例如可以用来抖落雪或灰尘。

根据本发明的第七方面，该目的通过一种具有用于聚集太阳光的反射镜的太阳能设备得以实现，在该太阳能设备中，反射镜被安装在桁架(framework) 结构状的反射镜支撑件上并且将入射的太阳光反射到焦点，而且，反射镜支撑件优选地配备有机动的每日追踪系统，而且该每日追踪系统被设计为，使反射镜支撑件围绕旋转轴线旋转，并因此跟随入射太阳光线的变化的方向，该太阳能设备的特征在于，如果该太阳能设备被安装在在北半球，旋转轴线与北极星对齐，并且将每日追踪系统设置为，使得反射镜如果被机动化，则以15°/分钟的角速度围绕旋转轴线转动，而焦点和位于焦点中的接收器被保持在相同的位置中。

另外，优选提供季节性的追踪系统，该季节性的追踪系统被设置为，使反射镜围绕倾斜轴线倾斜至少15°、优选至少20°、特别是约23.5°，其中，倾斜轴线水平地延伸穿过转台的中心。

如果反射镜支撑件用于追踪机构，并且反射镜支撑件承载尽可能轻的反射镜，例如垫状的、可充胀的反射镜，则这种太阳能设备是特别有利的。所考虑的主要是根据本发明上述的前四个方面的反射镜，和/或其中应用了根据本发明的第五或第六方面的方法的反射镜。

根据本发明的第八方面，该目的通过一种包括用于聚集太阳光的反射镜的太阳能设备得以实现，在该太阳能设备中，反射镜被安装在桁架状的反射镜支撑件上并且将入射的太阳光反射到焦点，其中，反射镜支撑件优选地配备有机动的每日追踪系统，并且该每日追踪系统被设计为，使反射镜支撑结构围绕旋转轴线旋转并因此跟随入射太阳光线的变化的角度，其中该太阳能设备的特征在于，设置有包括聚焦传感器、控制器和形变电机(shaping motor) 的控制系统，其中，控制器具有与聚焦传感器的数据连接和与形变电机的运行连接(operational connection)，其中，该控制器被设置为，在运行中，通过反射镜的至少一个区段的形变(shaping)将被聚集的太阳光的焦点保持在目标值。

特别应该注意的是，“目标值”也可以具有公差范围，其中，公差范围优选在控制器中设定。

“形变电机”必须被设计成能够使反射镜的至少一个区段、优选所有区段一起或单独地被调控到指定的焦点。因此可以想到的是，空气从垫状的反射镜区段缓慢地逸出。例如，形变电机能够通过泵将更多的空气泵入到区段中和/或通过一个或多个轴线(在理想情况下，通过全部六个空间自由度)来调节在其边缘上的区段。

相邻的区段可以沿着它们的边缘彼此附接，或者它们为可单独自由调节的，即，彼此相邻排布但不附接。

附图说明

现将通过对本发明的背景理论以及本发明的非限制性的实施例的进一步描述来更详细地解释本发明。附图中：

图1为具有焦点F的旋转抛物面的示意图，所有垂直到达抛物面的入射面的光线在该焦点F中聚集，

图2为比较理想抛物面的截距因子(intercept factor)相对于反射镜的昼夜等分点(equinox)位置处接收器开口的直径的图表。

图3为定焦反射镜在昼夜等分点位置中的截距曲线的三维图，该反射镜由六个圆鼓形部分组装而成，

图4是透明平膜和反射平膜的示意性横截面，

图5是具有增强格状结构的反射膜的一部分的示意性立体图，

图6是区段的局部部分的示意性立体图，

图7是具有安装附件的反射镜区段(已在图4中示出)的横截面的示意图，

图8是负压反射镜的横截面示意图，

图9是具有六个轻质结构区段的薄膜(membrane)抛物面的示意形的立体图，

图10是图9所示的具有反射镜几何形状的可实现的截距因子的图表，

图11为在压力p下成型的膜的极小表面元件的示意性立体图，以解释机械背景，

图12为具有指定表面元件的旋转抛物面的示意性立体图，以解释几何背景，以及

图13为在此所述的追踪定焦反射镜的几何形状的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例描述了一个极轻的、偏心的、焦点固定的、准抛物面的太阳光聚集器的结构、其功能及其主要的应用领域。反射镜由通过特殊轮廓界定的、透明的和反射的聚合物薄膜的排布组成，聚合物薄膜的表面形状通过(相对于环境压力的)空气超压或空气负压形成。

发明人的基本构思为：

a)相应反射镜的极低的单位面积重量-用于其制造的较低的能量需求 (“灰色能量”)-能量相关的快速摊销。

b)张紧的反射膜的高表面质量(即最小的粗糙度)。

c)通过有针对性地施加气体(空气)过压或负压，在膜的弹性伸缩范围内类抛物面地使膜成型。

在荷兰物理学家H.Hencky“关于具有减小的弯曲刚性的圆形薄板的张紧状态(Concerning the tensional state of circular sheets with reducing bendingstiffness)”的研究中，他在1913年提出了用于描述平衡形状的方程，外围为圆形的并且牢固夹紧的薄膜在空气压力下可采用该方程：

其中w_r表示薄膜在z轴上的位移。

求导后，该方程变为：

对于抛物面，表面的梯度作为半径的函数由线性函数表征。但是，方程 (2)中的第二项是三次项，其表明“Hencky”薄膜比周边处的抛物面更陡(类似于球面镜的球面畸变)。

H.

计算在通过空气压力而变形的薄膜中的张紧状态(纵向和横向的张紧)并发现，起初平展的薄膜必须被系统地和各向异性地预张紧，以使得在施加给定的压力之后其具有精确的抛物面形状。现在可观察到膜的极小的表面元件由于压力p而变形。假定薄膜中的弯曲应力小到可以忽略不计，对比图11。

在平衡状态下，可以建立由压力引起的力F_p和由缩回应力(retracting stresse)引起的力F_σ1和F_σ2之间的力的平衡。

F_p＝F_σ1+F_σ2 (3)

基于11中的图a)，可插入上述值，其中与压力相反的应力分量(stresscomponents)对于较小的角度如图11的图b)所示那样表现。

p·ρ₁dα₁·ρ₂dα₂＝σ₁dα₁·s·ρ₂dα₂+σ₂dα₂·s·ρ₁dα₁ (4)

公式(4)转换为

为此，假设在压力下变形的薄膜呈现为以焦点f围绕z轴旋转的抛物面的形式。

由于旋转对称性，并且通过主曲率的计算，可以仅根据数值x来确定抛物面ρ₁(相对于平行线)和ρ₂(沿子午线方向)的曲率半径(比较图12)。

这两个曲率半径的商都会得出

所分析的表面元件中的一个方向上的膜的膨胀是两个分量的结果。第一分量是扩张，该扩张是由于在该方向上的张紧作用所导致。第二分量是由横向收缩所引起的，该横向收缩由于在正交方向上作用的张紧所导致。

E在此表示膜材料的弹性模量，v表示材料在拉伸时的横向收缩行为的泊松比(Poisson’s ratio)。由方程(10)求解σ₁和σ₂，得到

以及

公式(11)和(12)代入到(5)，得到

总结上述考虑，可以说，如果使膜如前所述各向异性地张紧，则使平膜在压力施加的条件下呈现抛物面的形状。

这个考虑导致了定焦的聚集器的概念。数量为n个的相同的膜区段反射镜(通常为梯形)的排布围绕极轴以连续的15°/h旋转，并通过小孔(反射镜的焦平面)将太阳光反射到空腔接收器中。季节性的调整(±23.5°)通过延伸穿过孔平面的第二轴进行(见图13)。

建造了具有在2m²至20m²范围内的不同原型。显著大于1000Suns的平均太阳光聚集度(平均聚集度c＞1000)得以实现。这开启了利用空腔接收器的可能性，并且有效地达到了最高约2000℃的过程温度。与常规的抛物面反射镜(其中接收器必须跟随太阳追踪移动)相比，定焦的概念的主要优点在于，具有和不具有存储效应的较重的、固定的接收器与移动的、轻型光学系统的机械去耦合。

这些原型用于展示应用的不同领域：

·通过使用钢或沙作为存储介质而昼夜地进行太阳能烹煮(solar cooking)；·运行一种热化学的、可逆的Mg-MgH₂的存储以用于斯特林发动机(Stirling engine)的基本负荷运行；

·用于使H₂S分裂成H₂和硫的热催化接收器；

·将光耦合到固定的光导体中；

·冶金和制陶。

但是，由于以下的原因，将具有各向异性预张紧的偏心的抛物面区段转变成高效的、经济上可行的大规模生产尚未实现：

1)复杂且耗时的机械预张紧方法二

2)膜中的蠕变过程(creeping processe)，需要重新调整二

3)由于预张紧必须只发生在薄膜延伸的弹性范围内，因此较低的预张紧导致反射镜元件对风力的敏感性，导致反射薄膜的变形。

本发明的发明人的目的在于，开发一种轻型抛物面反射镜，其保留并改进了前文中描述的定焦反射镜的优点(被固定、固定的焦点、重量轻、通过气体/空气压力形成反射镜)，但避免了其固有的缺点(复杂的各向异性预张紧、由于流动的塑料造成的图像劣化、耗时且昂贵的生产)。

这需要超越现有技术的两个重要的开发步骤和见解。

首先，这个想法被设想成不是由沿子午线方向的长条来形成定焦反射镜，而是从沿抛物面旋转方向上的长条形成定焦反射镜。

图1反应了这一事实。所示的是具有焦点F的旋转的初始抛物面(1)，所有垂直于入射面的光线该焦点中聚集。附图标记(1a)系统地描绘了在子午线方向上排列的三个定焦区段，如从所述现有技术中已知的那样。

沿子午线方向延伸的这些区段(2a)的侧向轮廓必须自然地遵循初始抛物面的抛物面形状，从而形成抛物面部分。相反，界定区段(1a)的较短的上部轮廓和下部轮廓(2b)形成圆形区段。为了使它们在压力下以抛物面的形式变形，由于子午线方向的曲率不断变化，必须如上所述各向异性地预张紧这种已知的膜反射镜。

但是，如果根据本发明的一个方面，这些部分在旋转方向上形成，如示意性示出的三个区段(1b)，则短边(3b)也将形成圆弧的很好的近似(因为它们仅在子午线方向上延伸很短的距离)。界定轮廓的长边(3a)在任何情况下都形成精确的圆弧。由于边界形成具有恒定曲率半径的圆弧，则不再需要反射薄膜的各向异性的预张紧。根据截锥的表面切割的薄膜仅需在连接到框架之后均匀地被预张紧。

在施加受控制的气体/空气压力之后，各个区段(1b)形成上下相叠的圆鼓形区段，并且这些圆鼓形区段的焦点在F结合。如果各个元件足够窄，则根据偏心抛物面的本发明的一个方面的排布构成理想抛物面的相应部分的非常好的近似，如图2中所示。

图2示出了根据本发明一个方面的排布的截距因子(与辐射功率成比例的相对值)与理想抛物面的截距因子相对于反射镜的昼夜等分点位置处接收器开口的直径的比较。理想的定焦抛物面的聚集图(concentration figure)仅稍好一些。在强度分布的图示中，焦点的变形几乎不可识别。由于形状上的误差，焦点在z方向上比在y方向上延伸得更远一些。理想抛物面的聚集可以通过反射镜表面的更好的分区(在顶部比在底部更小的部分)和对准的优化来进一步近似。

图3示出了根据本发明的一个方面的由六个圆鼓形部分构成的、在昼夜等分点位置中的定焦反射镜的拦截曲线。

事实上，如上所述，这些区段只需要在旋转方向上被均匀地预张紧，就可以实现本发明相比于所述现有技术创新的第二方面：薄膜均匀的预张紧。

这清楚地显示在图4中。用(4)标记的是透明的平膜，(5)标记的是反射平膜。膜(4)和(5)在其边缘(6)处气密地接合。

由(4)和(5)形成的袋作为拟合的截锥形表面，其随后被拉到框架结构(2×3a+2×3b)上。可充胀的弹性管沿框架的外周延伸，或者替代地沿在其基态(base state)中平放的非弹性胎(tire)(7)延伸。

如果将压力p1施加到管的内部，管将膨胀并向膜施加定义的张紧。膜的初始预张紧不是很重要，因为管由于其膨胀并保持在膜上的定义的张力补偿了该预张紧。膜中的温度变化也以相同的方式由管补偿。

当分析薄膜的张力平衡和内框架(14)上的反作用力时，这一事实变得清晰。薄膜的张力为σ_F、薄膜的厚度为d_F和内框架的高度为h_R。膜(4)和 (5)之间的提供形状的气压是p₂，其中，p₁＞＞p₂。

管(7)通过辅助型材(8)固定在一个位置中。

该管可以作为单管基本上围绕整个框架结构延伸(在角部3a-3b中具有固定的通道以防止扭结)，或者该管可由四个单独的、可充胀的线性部分(2 ×沿着3a，2×沿着3b)组成。

被施压的管对其内壁施加恒定的压力。现在也可以各向异性地对薄膜施加张力。张力的各向异性可以通过框架高度h_R来控制。所述各向异性在膜温度的变化期间也被保持。根据本发明的一个方面，各向异性也可以这样来达到，即，沿着薄膜边缘的管由在变化的内压下的n个部分区段构成，而不是设置边缘轮廓的厚度的变化。

边缘焊缝(6)的曲率半径遵循提供形状的型材(3a)的曲率半径。膜(4) 和(5)优选由高度透明且耐光的含氟聚合物膜制成，该含氟聚合物膜由于其高熔点而难以使用传统的电阻加热方法以定义的压力进行焊接。因此，优选使用两种其他的方法来更好地解决这个问题：使用超声波或激光进行焊接。两种方法都能够精确地形成焊缝(6)所要求的轮廓。

根据图4的用于反射元件的材料的选择是本发明的熟练选择。为了满足轻质、高精度和长寿命的主要标准，根据发明人目前的理解水平，优选以下材料组合：

反射镜垫的材料

含氟聚合物膜，特别是厚度在100μm和150μm之间的ETFE；透明膜(4) 的太阳光透射率≥95％。寿命：＞30年。防污。作为气垫是密集坠落物是不可穿透的(Hail-proof)。溅射铝反射镜优选施加到反射膜上：这也允许紫外线太阳光聚集到焦点中，因为膜对于自然UV光谱(300-400nm)也是高度透明的。因此，根据本发明的一个方面的反射镜技术也非常适合于与(通常优选固定放置的)光化学和光催化接收器组合。

反射镜框架

出于重量的原因，如果选择金属，则选择铝。非常合适的还有非金属纤维复合材料。

预张紧的管子的材料

ETFE管由于其在光的作用下使用寿命长且摩擦系数低而是优选的，因此易于横向地和垂直地移动，使得反射镜薄膜更容易在无折痕的条件下预张紧。

预张紧的管子(6)通常在广泛的控制范围内补偿由于环境中的温度变化以及由于膜(4)和(5)的温度相关的弹性特性而导致的气动反射镜中的压力变化。如果膜内有任何流动效应(flowing effect)，也可以这样纠正。

然而，为了完全排除任何流动，特别是根据本发明的一个方面可以将反射膜(5)制成为柔性的、格状增强的复合结构。图5示意性地描绘了这种复合结构。图5示意性示出了该复合结构。(5)表示反射膜的一部分，(9)表示在其下侧上可见的格状结构，而且(9a)示出了所述柔性的格状结构的典型的菱形图案，其实现了纵向以及横向上良好的预张紧。通常可以以下列方式、特别是根据氟膜技术的现状有效地制造这种膜复合结构：将由高张紧强度的纤维制成的薄网格平坦放置，随后通过凝胶状“液体氟膜”层覆盖，以使得有任何网孔的波动穿过。膜(5)的氟侧与液体箔表面(liquid foil surface) 的接合通过轻的全表面压力而实现，并且通过蒸发溶剂而使液体膜变为固态。

除了避免使用这种类型的膜时的流动效应，反射镜垫的预施压力可以选择具有这样的大小，即，即使强风的作用也不会显着影响元件的光学精度。根据本发明的一个方面，预张紧的管子(6)也可以被用来实现一个更重要的功能：当使用具有聚集在焦点的高能量密度的可聚集的太阳能抛物面时，可能需要在短时间内“切断”通过辐射的能量供应。原则上这可以通过将反射镜快速移出太阳收集位置，或者通过将保护屏(protective screen)折叠到辐射路径来实现。第一个选项需要在反射镜追踪系统中复杂的“快速移动模式”，而第二种方法面临的问题是需要提供具有高热负载的保护屏。在本发明的情况下，反射镜的几何形状可以通过快速地使预张紧的管放气而被立即“中和 (neutralised)”。

如果对管(6)施加波动的压力，则可以实现目标的振动垫表面，根据本发明的一个方面，通过该振动垫表面可以抖落灰尘、污垢和雪(这得到了含氟聚合物膜的低表面粘附的支持)。

通过类似于模型飞机机翼的设计来实现薄膜区段的轻质结构的轻重量 (1-2kg/m²)。

图6示出了这种区段的局部截面。除了已经描述的纵向和横向的型材(3a， 3b)、辅助型材(8)、上部透明膜(4)和下部反射膜(5)以及鼓形的膜垫(1b) 之外，示出了横向的支撑件(3c)。当在此处未示出的垫(1b)和管(6)膨胀时，所述横向的支撑件通过所述框架上的横向收缩力防止框架过度变形。

由于上述原因，图6中示意性示出的区段尽管具有极轻的结构，但具有高光学质量。由于有意识地选择了型材框架的小尺寸(重量)，但是其对纵向方向上的扭转相对敏感。根据本发明的一个方面，所述扭转敏感被转化为系统优点。由于各个反射镜区段被安装在作为反射镜支撑件的轻质的、抗扭的桁架(framework)中，因此在整体构造中利用了在安装到反射镜支撑件过程中调节区段的能力。

在图7中，图4中反射镜元件的已说明的横截面补充有安装构件(8a)，该安装构件通过长度可调的支柱(8b)连接到反射镜支撑桁架结构(10)。根据本发明的一个方面，反射镜区段框架的多个点以这种方式连接到桁架结构。通过目视观察焦平面，可以以这种方式微调各个区段。

至此所描述的反射镜区段均作为压力反射镜，因为气动压力施加在上部透明膜和下部反射膜之间。这具有这样的优点，即，反射镜被保护不受直接的天气条件影响，但是由于射线必须两次通过膜(4)会发生约10％的反射损失。光学铝层具有约90％的反射能力，这意味着有效的光学效率约为80％。

从图8中可以清楚看出，图4中所示的压力反射镜原则上也可以通过型材(3a)的高度的适配而用作负压反射镜，这实现了90％的光学效率。必须这样选择型材(3a)的高度，即，如果在透明膜(4)与反射膜(5)之间的间隔中施加与焦距相关的负压，反射膜(5)与透明膜(4)不会接触。

图9示意性示出了根据本发明的一个方面的偏心的、轻质的薄膜抛物面，其就有六个区段。

这六个反射镜以所讨论的方式紧固到呈桁架结构形状的反射镜支撑件。平行安装的反射镜的旋转轴线通过转台(11)的中心和(北半球中的)点向北极星延伸。太阳追踪系统的角速度因此是恒定的15°/分钟。由于以相对较小的立体角范围内投射到焦平面上的较高的光聚集度，光通过具有焦斑直径的光瞳馈入高效的空腔接收器(13)中。作为太阳高度(±23.5°)(仰角 (elevation))的函数的反射镜的季节性追踪(12)经第二旋转轴线得以实现，该第二旋转轴线水平地延伸通过转台的中心。

由于反射镜和反射镜支撑件的轻质结构，在无需复杂的机械结构的情况下，在反射镜位置改变时发生的偏心扭转力矩以及仰角的调整是可能的。

气动形成的聚集反射镜可以达到大约3mrad的表面质量。如图9所示，图9中所示的反射镜几何形状可以实现接近100％的截距因子。

本发明的主要目的是利用太阳的巨大潜力，特别是用于南部的村庄和居民区中分散使用。由于本发明所述的特征，高性能的太阳能光学器件可以以低成本、轻质、易于安装和维护的组合套件(kit)的形式应用。这些太阳能光学器件能够为地方自主、生活质量和价值创造做出重大贡献。

因此，广泛的应用范围-从全天候的太阳能烹饪到以聚集的UV光的水处理，再到用于能源、电力和冷却的简单斯特林发动机的运行均成为可能。

Claims (25)

1.一种用于为太阳能设备聚集太阳光的反射镜，所述反射镜包括连接到框架的多个区段，所述区段用于形成将入射的太阳光反射到焦点的表面，其特征在于，

所述反射镜成型为抛物面反射镜，

所述区段是条带状区段并且在所述抛物面反射镜的旋转方向上形成，并且

所述区段适于根据需要呈现出赋形的、相对于环境压力的过压，或赋形的、相对于环境压力的负压，

在将受控制的气体/空气过压或负压施加到所述区段中之后，所述区段分别形成上下相叠的圆鼓形区段，以使得所述区段在连接到所述框架之后均匀的预张紧。

2.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，一个区段具有透明膜和反射膜，其中，所述透明膜与所述反射膜气密地相互接合，以形成袋。

3.根据权利要求2所述的反射镜，其特征在于，所述透明膜与所述反射膜气密地相互焊接，以形成袋。

4.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，一个区段设置有支撑框。

5.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，一个区段设置有可充胀的张紧元件，沿其圆周具有不同的内压室。

6.根据权利要求5所述的反射镜，其特征在于，可充胀的张紧元件是管。

7.根据权利要求1所述的反射镜，

其特征在于，

使用含氟聚合物膜将所述区段制成反射垫的形式。

8.根据权利要求7所述的反射镜，其特征在于，反射垫包含乙烯四氟乙烯(ETFE)。

9.根据权利要求7所述的反射镜，其特征在于，使用厚度在50μm至200μm之间的透明膜。

10.根据权利要求9所述的反射镜，其特征在于，所述透明膜具有100μm至150μm之间的厚度。

11.根据权利要求7所述的反射镜，其特征在于，所述反射镜包括具有铝层的反射镜膜。

12.根据权利要求11所述的反射镜，其特征在于，所述反射镜包括溅射的铝反射镜。

13.根据权利要求1所述的反射镜，

其特征在于，

所述区段包括反射膜，其中，所述反射膜的非反射背侧设置有机械增强的格状结构。

14.根据权利要求13所述的反射镜，其特征在于，所述格状结构是菱形的。

15.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，所述反射镜具有不同形状的区段。

16.根据权利要求15所述的反射镜，其特征在于，在所述抛物面反射镜的出口端处设置比在顶端处更窄的区段。

17.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，一个区段具有偏离旋转抛物面的形状的边缘。

18.根据权利要求1所述的反射镜，其特征在于，与完整的旋转体相比，反射镜主体设置有开口，所述开口设置为占所述完整的旋转体的表面的至少50％。

19.一种用于运行包括根据权利要求1至18中任一项所述的反射镜的太阳能设备的方法，其特征在于，

在紧急模式下，所述区段可以放气或充气以减小聚集效应。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，

通过波动的气压使所述区段振动以清洁其表面。

21.一种包括根据权利要求1至18中任一项所述的反射镜的太阳能设备，在所述太阳能设备中，所述反射镜被固定到桁架状的反射镜支撑结构并且将入射的太阳光反射到焦点，其中，所述反射镜支撑结构配备有机动的每日追踪系统，并且所述每日追踪系统被设计为，使所述反射镜支撑结构围绕旋转轴线旋转，以追踪入射太阳光的变化的方向，

其特征在于，

在安装太阳能设备时，所述旋转轴线朝向北半球的北极星，其中，所述每日追踪系统设置为，以使得所述反射镜如果被机动化，则以15°/分钟的角速度围绕所述旋转轴线转动，而其中所述焦点和位于所述焦点中的接收器保持静止。

22.根据权利要求21所述的太阳能设备，其特征在于，提供季节性的追踪系统，所述季节性的追踪系统被设置为，使所述反射镜围绕倾斜轴线倾斜至少15°，其中，所述倾斜轴线水平地延伸穿过转台的中心。

23.根据权利要求22所述的太阳能设备，其特征在于，所述季节性的追踪系统被设置为，使所述反射镜围绕倾斜轴线倾斜至少20°。

24.根据权利要求22所述的太阳能设备，其特征在于，所述季节性的追踪系统被设置为，使所述反射镜围绕倾斜轴线倾斜至少23.5°。

25.根据权利要求21所述的太阳能设备，其特征在于，设置有包括聚焦传感器、控制器和形变电机的控制系统，其中，所述控制器具有与所述聚焦传感器的数据连接和与所述形变电机的运行连接，其中，所述控制器被设置为，在运行中，通过所述反射镜的至少一个区段的形变将被聚集的太阳光的焦点保持在目标值。

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