CN1823247A - 太阳辐射收集装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳辐射收集装置，该装置包括若干组件(1)，该组件浸入或部分浸入水池内的水(2)中。每个该组件(1)包括抛物面反射装置(3)和吸收装置(6)。水面上或靠近水(2)的表面设有隔板(10)，用来减少在强风的情况下干扰太阳光在水中直线穿过的波浪。将该组件(1)全部浸入液体用来同时保护和冷却该装置，且可便于通过浮力引起的转动来实现太阳追踪移动；部分浸入可获得较高效率并可通过翻转至水中来抵御恶劣的天气。

Description

太阳辐射收集装置

【技术领域】

本发明涉及太阳能收集装置等的追踪及保护。

【背景技术】

在直接使用或转换成电或其他可用形式能量之前，有必要用集中的方式经济地收集太阳能。在地球表面太阳能的强度不高，大约每平方米1000瓦特。

因此，人们特别希望在使用前将太阳能集中至较高强度(通常用每平方米瓦特来表示或W/m²)，特别是在用太阳能电池将太阳能转化为电能。用于转换太阳能为电能的光电池相对较贵。集中入射的太阳能至较小的区域，从而可使用较小范围内的成本较低的能量转换电池。集中收集装置的关键需求是通过系统尽可能地收集太阳能的手段，该系统在单位面积上的成本低且可通过绕一或两个轴线转动来追踪太阳。

过去，已经使用过各种集中装置。该类集中装置包括折射集中装置(透镜)和更普通的弧形反射装置(反射镜)。该类集中装置通常支撑于可动的结构上，借此每天准确地追随或追踪太阳的移动。为了节约，用于追踪太阳的系统必须尽可能的简单和坚固耐用。目前追踪方式要么使用马达和传动装置，或滑动液压驱动装置。这两种追踪方式增加相当的成本。由于追踪移动通常要求所有的支撑件通过转动的接头来装备，该转动的接头在狂风时易遭非常大的风力影响，因此与静态非集中太阳能收集装置相比，该类追踪需求使得该类集中装置结构更重更复杂。

用于集中太阳能的任何结构必须很好的被保护，以防止恶劣天气条件下的疾风、冰雹及其他因素的影响。此外，通常最普通的需求是对转化被集中的太阳能转换为电能的装置进行某种形式的冷却。

在这方面最终最经济的选择是硅光电池，该硅光电池当其温度上升时效率较低。如果不使用冷却该电池的机构装置，集中装置的使用可能导致该电池在较高的温度下工作，降低其能量转换效率。

大多数目前设计的集中装置使用非常结实的机械构件，以防止由于风力而引起的移动和损坏。此外，该集中装置通常使用重的且结实的材料如玻璃，用金属支撑反射元件，以保护该装置不被风力、冰或冰雹所破坏。这种结构目前要么成本非常高，要么于户外连续使用时非常易脆。

一种已用于保护反射集中装置表面的方法是使用可膨胀、镀铝且具弹性的塑料膜作为集中反射装置。该膜的形状通过从一边到另一边的气压差来维持。该反射装置在恶劣的天气下能收缩。该反射装置相对较便宜，但仍然易受来自疾风和紫外线光的破坏。此外，该反射装置要求结实结构以支撑抵御疾风的活动部件。

另一种已用于保护集中装置的方法是使用透射的拱顶或营造件来覆盖保护整个太阳能集中装置。这使活动的集中装置的结构设计变得简单。但是，由于保护结构而增加了成本，因此该方法有很小或没有整体成本优势。

尤门斯(Yeomans)的世界专利申请第93/09390号和美国专利第6,220,214号用临时浸入水中的方法来保护反射集中装置，其包括浮在水上的反射集中装置，该集中装置的空中焦点上设有热能收集装置。在不利的天气条件下，该集中装置通过限定周期使用泵可被浸入水中，来避免对集中装置反射镜面的破坏。这可通过用水充装浮力容器而改变设备的绝对浮力来实现。当被浸入水中，该集中装置不能作为太阳能集中装置或能量收集装置来工作。如果在关键时刻机构故障或失去支撑能力(并不是消极结实)，该集中装置仍然可能在恶劣的天气时被破坏。通过在水里移动，该系统也可在方位角方向上实现追踪移动(仅绕垂直轴转动)。通过马达、传动装置和杠杆，完成绕水平轴追踪。

事实上，所有现有的集中收集装置要求机构以处于特别受保护的位置来防止不利的天气，因此在有机械或电故障时特别容易遭受破坏。

罗佛若斯科·内佛(Novorossiisk Naval)的俄罗斯专利第1430-927号揭示了一种将柔性透射袋漂浮在水里来制成透镜的概括性观念，但是其没有具体给出充装该柔性透射袋的材料，没有提供任何能量收集装置或转换装置，没有揭示装置的尺寸比例，而且没有建议追踪方法。

【发明内容】

因此，本发明的目的在于为太阳能集中装置和收集装置提供抗天气条件和紫外线辐射的保护。

本发明的次要目的是为追踪太阳能集中装置提供简单的机构追随太阳，为太阳光能收集装置提供冷却，而且提供与以前可能做到的相比更轻的结构。本发明通过至少部分利用保护性的、冷却和浮力的液体特性，该液体如泻湖、水池、池塘、湖、水坝等中的水或其他液体，来实现这些目的。

为此，本发明提供用于收集太阳辐射的收集装置，该收集装置包括：至少一个将电磁能转换成另一形式能量的能量转换装置，至少一个接收电磁能且将该电磁能集中到该能量转换装置的集中装置，其中该两个装置在工作时至少部分浸入同种液体中。

该液体优选为水。

该收集装置的一种优选方式是该转换装置包括光电池。在本发明该实施例中，该光电池被密封件包住。

本发明的另一优选方式是该能量转换装置包括将入射的电磁能量转换成热能且被封在真空腔内的部件。

本发明的另一优选方式是该能量转换装置包括通过光化学反应器将入射电磁能转化为储存化学能量的部件，该光化学反应器使用二氧化钛或可将水分离成氢和氧或可加强其他有用化学反应的其他光催化剂。

该集中装置的一种优选方式是其包括反射镜。该集中装置的另一种优选方式是其包括透镜。

该集中装置的一种优选方式是其至少部分用塑料材料制成。

作为优选方式，该收集装置配有至少两个相互连接且于其相对两侧垂直延伸的侧边浮力容器，整体浮力设为常量且足以使整个装置大致位于水表面以下，但浮力为正以致该装置正好在水面下漂浮。作为优选方式，该两个浮力容器的相对浮力应该可通过交换其间的液体和空气来调整，以使得该收集装置绕与该两浮力容器间连线垂直的水平轴线转动，从而提供简单的入射太阳辐射方向的追踪。该两相连的浮力容器可以曲管的方式实现，该曲管的封闭端位于水面以下，该曲管的弯曲部上升至水面上。通过该方法，该设备的净或全部浮力不改变。该整体浮力保持常量，该浮力容器相对外界的空气和水密封，但是该对浮力容器的相对浮力是可调节的。在该实施例中，该集中装置因收集装置浮在水上而悬浮在水下面。因此，在水池的底部没有必要设置结实支撑构件；没有必要准确控制水的深度；也无须任何支撑或转动的接头。

作为优选方式，该收集装置包括防止在液体与空气间的界面的波浪变形的机构。作为更优选方式，该防止波浪变形的机构大致可让太阳辐射透射。

作为优选方式，该液体包括抑制海藻和细菌粘液生长的成分或添加剂。

因此，本发明通过至少使用保护性的、冷却和浮力的液体特性，该液体如海、水池、池塘、水坝或湖等中的水或其他液体，来实现本发明的目的。

本发明有两个重要的改变，第一个是该集中装置和能量转换装置被持久地浸入液体，如图1、图3和图4所示。如图5和图6所示，第二个是该能量转换装置在工作时大致浸入液体；而该集中装置在部分工作日是仅仅部分浸入液体，但是通过转动追踪系统以使该集中装置朝下，可完全浸没该集中装置。

第一个重要改变的优点是：连续将集中装置浸入液体可始终消极保护该集中装置不受天气的影响；该浸入允许使用简单的侧边浮力平衡来实现追踪；而且光电池由于该浸入而自然地被水冷却。

第二个重要改变的优点是：在需要时，通过转动该浮力追踪系统，将该集中装置浸入液体来保护该集中装置；部分浸入该集中装置可使用简单的侧边浮力平衡来实现短聚焦长度系统的追踪(该系统是最轻且最稳定的)；光电池由于该浸入水中而自然地被水冷却。此外，该第二个改变是在光路上有较少的水，这样单位面积上产生更多的能量。

【附图说明】

图1是本发明一个实施例设备一部分的立体图。

图2是显示本发明一个实施例光使用效率的图表。

图3是本发明另一实施例设备一部分的平面图，与图1中的装置一部分相似。

图4是本发明另一实施例使用点聚焦集中装置的立体图。

图5和图6是本发明其他实施例的平面图，其中集中装置每天部分的工作循环大致位于水面以上。

【具体实施方式】

如图1所示，根据本发明实施例，若干组件浸入水池中或其他透射的液体2中。其中一个组件参考标号为1。该水池中的液体2优选为水。

该组件1完全浸入液体以同时保护和冷却该设备，同时可容易地绕穿过收集装置重心的轴线转动。该组件具有微小的正浮力，以将该组件大致保持在液面下，但与该液面相接触。

太阳能收集组件包括反射装置，该反射装置用参考标号为3(图中被遮住)。作为该反射装置3的优选方式，其具有一个反射面，该反射面在收集装置的横截面上大致为抛物线，且纵向延伸形成大致槽形的反射面。

每个反射组件3建构于薄的且硬的塑料基座上(优选为丙烯酸树脂或聚碳酸脂)，该基座上添加有金属反射层。然后透射塑料盖层将该反射层从水中密封。该透射塑料盖层的材料可为聚丙烯、丙烯酸树脂、聚酯薄膜或其他合适的材料。优选的反射材料包括铝、银和铑。将若干一维抛物面机构件4和直的相互连接的支撑条5连接到反射面的后面，以维持该抛物面形状。

在图1所示该组件的布置中，如果系统正使用东西方向追踪(水平轴线追踪)，每个槽形反射装置3的长轴就大致沿南北方向延伸。直线延伸阵列的光电池6设置于反射装置组件3的焦点上，并相应地沿南北方向延伸。该南北方位最适合终年有高太阳角度的热带地区。另一种较好地适合较高纬度地区的布置是南北追踪的槽形反射装置，该反射装置的长轴与东西方向对准。为了允许水平轴线(方位)太阳追踪，该反射装置组件3配有密封浮力容器，该浮力容器为曲管7，该曲管经过光电池6的上方。该浮力容器置于组件的一端，避免挡住太阳辐射；另一个浮力容器添加至组件的另一端，以提供平衡支持。通过添加适量的水或其他液体如乙烯到每个浮力容器，来调节该组件的全部浮力，以使整个组件获得微小的正浮力，并足以使曲管的顶缘高于水面同时保证光电池6正好位于水面2以下。每个浮力容器和连接管内的剩下空间填充空气。在这些条件下，通过改变相对侧边的浮力而无须改变其全部浮力，该组件就可在水中绕其重心被转动。使用设于每个浮力容器8和9中的小的密封电子泵，从右边的浮力容器中抽取少量的液体至左边的浮力容器，反之也一样，来完成该组件转动。每个泵的输出边通过小的管道(未图示)连到曲管7的另一端，因此当需要时允许水移动到该曲管7的另一端。如图3所示，该泵也可为单个双向容积式泵。一对光电池控制的简单自动太阳追踪电路来控制该泵的开和关，该对光电池设于系统的南北聚焦轴线上的跟踪片的每个侧边上，因此将整个组件对准太阳的射线。这些电子跟踪器是现有技术因此没有图示出来。该反射组件3绕其重心的转动可全天从东到西地追踪太阳。由于要求转动的速度较低(小于每小时15度)且该组件没有暴露在风里，因此除了水的轻微牵引，没有重大的力作用在图1所示的组件上。太阳的移动速度为每小时15度，但是射入水中的太阳光遇到的折射率的增加减小收集装置要求的实际转动的速度。如果需要，使用相对第一对浮力容器直角设置的第二对浮力容器，可绕两个轴线转动来实现太阳追踪。在该实施例中，由于在水面的浮力追踪管7的填充空气部分，该集中装置可悬浮在水下。所以没有必要在水池底部提供结实的支撑构造，也没有必要准确控制水的深度。

一个成本较高且在任何纬度获得最高性能的变换(未图示)是一个系统，通过绕垂直轴和方位倾斜(水平轴追踪)，该系统可两轴线追踪。绕垂直轴的转动可通过位于转动平面内的圆的切线上的马达驱动推进装置或具有垂直转动轴的马达驱动明轮来实现，以提供水平切线推力。这两轴追踪系统能使用二维(凹面)集中装置。

当集中装置系统全部浸入水中时，由于其在水中的深度，因风力或天气导致的移动和压力快速减小，因此没有必要再使用结实且重的材料来做反射装置。这可使用相对轻的结构材料如塑料来做该收集装置的几乎所有的部件。此外，由于用在构造上的典型塑料的密度仅仅高于周围水密度的百分之二十左右，因此由重力引起的构造偏转也大大被减小。由于浸入水中，保护部件不被多数形式的环境破坏，包括疾风、冰雹、风尘和短波紫外线光的破坏。紫外线光损坏许多塑料。但是，通过本发明全部浸入的方式，只要太阳光穿入水中超过50厘米长，因太阳光穿入水中使得250纳米左右以下的波长被滤出。因此可长期使用价格便宜且不适合直接暴露在太阳光下使用的塑料材料。

直线延伸阵列的能量吸收装置6，优选为光电池，定位于反射装置组件3的焦点上，且与反射装置组件3同时移动。作为优选方式，该能量吸收装置6通过直接置于反射装置组件3上的支撑组件11(如透射性塑料材料)支撑于焦点上。

当光电池作为能量吸收装置，其被封在薄的密封件中(优选为合适透射塑料材料，如聚氟乙烯或玻璃)，以防止水对半导体的损坏。但是该密封材料必须足够的导热性，借此让该电池被周围的水冷却。该密封材料和光电池间的剩余空间应该填充透射非腐蚀性的液体如硅树脂油或透射的柔性固体如硅树脂橡胶。周围的水对置于集中装置焦点上的能量转换装置提供对流液体冷却。根据本发明进一步优选的实施例(如图6所示)，该光电池等置于导热基座上。该支撑基座的优选材料包括铜、铝和氧化铝陶瓷。作为特别优选方式，若周围液体可腐蚀该基座，该支撑基座也可被薄层合适塑料材料(如聚氟乙烯)包住，以形成密封。远离该电池的基座部分与该液体相接触，加强对该电池的冷却。在特殊安装情况的需要下，进一步提供加强传递基座上的热能到液体的机构。该优选的加强热传机构包括散热片和贯穿该基座的通道，该散热片系于该基座上或与该基座一体，该通道与周围的液体相通。

若太阳能将被吸收作为热能或用以驱动化学反应，而不是通过光电池转化为电能，作为优选方式，在反射焦点提供透射圆柱形真空腔室包围该能量转换装置6，从而防止该吸收装置的水冷。

如图1所示的液体的深度根据焦点吸收带(光电池)的选择宽度来要求，典型的为10毫米至50毫米。该反射装置的集中度典型的为20至50，因此对于50毫米的焦点吸收带，槽宽要求大致为1米至5米，或对于10毫米宽的焦点吸收带，槽宽要求为200毫米米至500毫米。

具有平的吸收装置的抛物面反射集中装置通常需要的焦点长度大致为槽口的一半或更多，因此该焦点的长度范围为150毫米至2.5米。因此水深最小大概为200毫米至3米，典型的为1米。代表性地，该反射装置为1米宽，具有20毫米宽的焦点带，水的深度大约为1米。

因为水的原因，太阳光的较长波长有很大的衰减。对于清水中1米的光路的实验测定，其结果是从目前硅光电池的输出减少至完全暴露在外情况下输出的百分之45至50。为了弥补该影响，由于反射装置可由轻、低成本的材料制成，有必要使用较大反射区域，但不较大地提高整体成本费用。如果最佳光谱灵敏度的光电池用于水下，这些衰减可被减少。一种合适形式的光电池由铟镓磷化物制成，铟镓磷化物对于可见光利用波长为400纳米至700纳米的效率很高。此外，在水中较短光路长度将减少衰减，因此该组件尽可能离水面近。

由于水池在结构上与低成本的储水坝相似，该水池甚至可为自然水池、盐湖、盐水湾、与海相连接的泻湖，因此用于浸入收集组件1的水池的成本不是较大因素。较大阵列的收集装置组件可在一个几千平方米的水池中使用。

作为优选方式，水池设有规律隔开固定和/或浮动的隔板10(当拦截射到集中装置的太阳光时，该隔板10优选为透射性的)。作为优选方式，该隔板的折射率接近水的折射率，从而减少衰减。该隔板置于水面或靠近水面，用于减少在有风的的情况下干扰太阳光线直线通过水下的波浪。至少一个该隔板10置于相邻且平行的两行排集中装置组件1之间，典型的间距为1.5米。若干列排的隔板(未图示)优选以规则的间距设置，且与行排的集中装置组件1成直角。作为优选方式，该列排间的间距大约为3至6米。

作为变换方式，或添加，在低的液体表面上提供在其上漂浮的薄层纯矿物油或其他合适的高粘性透射液体，以减少表面波的产生。

作为变换方式，或添加，在液体表面上提供在其上浮动的薄透射膜或小尺寸的胞状结构，以减少表面波的产生。

为了避免藻类和其他有机污染物在重要面上的产生，水池中的水优选包括抑制海藻生长的合适的成分或添加剂。作为优选方式，该成分或添加剂可为可单独或联合杀死海藻的普通氯化钠(在死海浓度水平)、其他盐或其他透射化学添加剂。某些包括氯化钠的添加剂也有助于防止结冰。其他优选的抑制海藻生长的添加剂包括处理水的铜基的除海藻药、加氯和臭氧或紫外线。作为变换方式，或添加，可使用移动机械清除器高速喷水来清除海藻和细菌，或利用合适的水蜗牛、鱼或其他生物体来吃掉这些污染物。

作为变换方式，通过周期提高水池中水的温度，该提高的温度须足够高以杀死生物体来抑制海藻和细菌的生长。当用透射面膜几乎盖住该整个水池时，也可仅通过入射的太阳辐射来杀死生物体来抑制海藻和细菌的生长。

图2示出太阳光在水的上表面的面反射后并在水中穿过2米到达该硅电池之后由该硅光电池产生的相对电能。该相对能量为大约百分之五十的入射到水的上表面的太阳能的全部产出。

增大该集中装置的反射组件3以便弥补由于太阳光在水中通过而造成的效率损失。由于与光电池的成本相比，单位面积反射装置的费用很低(由轻的塑料制成)，因此这不是重要费用。要求一定电能输出的光电池的面积区域不会因太阳光在水中通过的损失而改变，但是与空气中通常集中收集装置要求的面积相比，该反射装置面积必须提高。

根据本发明另一实施例，参阅图3所示，所示为平面或端视图，与图1所示相似的组件大致浸入水2中。在此使用的以及后续附图中的参考标号与图1的参考标号对于对应的元件是相同的。在本实施例中，光电池6靠近转动17中心；浮力容器15和16在剧烈转动时用以防止反射装置从水中升出水面；使用单个泵8。在本实施例中，密封的中空的浮力追踪管7大致装一半液体18，并与可逆、双向容积式泵8一起使用，以使该组件作为整体绕追踪管7的转动17中心转动。在该追踪管7中的液体优选为乙二醇、水，该追踪管7的剩余空间填充空气。将该追踪管7中的液体通过泵8从左到右的移动或从右到左的移动，导致浮力区域12和13的变化，从而改变系统的左右平衡，进而实现上述转动。该泵8通过电动马达驱动，该马达在速度和方向上被电子伺服机构控制，该电子伺服机构是从与系统的垂直轴对齐的左右光感元件得到信号供给。该电子伺服机构为公知技术因此未图示。

浮力容器15和16为密封管，该密封管延伸该反射装置边缘的整个长度，当被浸入水中时，该密封管被薄地封闭并装水，使得浮力在浸没时大致为中性。在急剧向左倾斜时(逆时针)，浮力容器16升起至水面。当浮力容器16伸出水面时，在浮力容器16中的大量水将防止对应的反射装置边缘从水中升出来。反而当该系统进一步逆时针转动，该组件剩下部分将浸入更深的水中，让太阳追踪到更极限的角度，同时确保从反射装置3的整个表面能量收集。当浮力容器15升起至水面时，将发生相似的顺时针移动。本实施例使用浮力容器15和16，让反射装置平均起来与其他可能的相比更靠近水面，从而减少太阳光穿过水介质的光路长度，进而减少由于太阳光穿过水介质而造成的衰减。

根据本发明的另一实施例，如立体图4所示，该设备使用点聚焦或二维抛物面集中装置，该集中装置具有一对圆形浮力追踪管环7和17，该管环7和17垂直设置且相互垂直，以在二维空间提供全部太阳追踪。阵列的光电池临近大致为抛物面的反射集中装置3的焦点设置。该类部件被支撑，以作为整体移动。添加足够的液体18到密封管7和17，每个充有空气或惰性气体的密封管的上部保持平衡，确保该组件大致位于水下。优选的液体18为乙二醇或水。每个管7和17的最低点容纳一个容积式泵8或9来控制每个管7和17底部间液体的移动。该管7和17间的液体不相通，每个管7和17是密封的。因此用泵8和9使每个管相对水面并绕垂直管7和17的平面的轴线转动，来调节每个管7和17的相对侧边浮力。如前面实施例描述的，这些为每个轴线的泵由一对光电池和伺服机构来控制。由于追踪系统要始终保持组件指向天空中最亮的地方，因此没有必要将系统定位在南北方位上。为了确保该组件在一个地方并提供能量配线的路径，因此希望在水池底部设有柔性支持绳索和抛锚22。在该系统中，该圆的抛物面反射装置3的代表尺寸大致为1米。

如图4所示的实施例在以下方面优于图1所示的方法，图4所示的实施例使用二维空间集中，为了特定集中标准在每个轴线上允许较低调焦准确度。因此更能承受浪和波的影响，该反射装置3可采用较低精度的制造方法。

图5和图6是本发明第二个主要变化的实施例，其中该集中装置不长期浸入水中，但是在追踪转动时部分移动至水中；在从最高点转动180度时全部浸入水中。

根据本发明另一实施例，参阅平面图5，该设备使用折射菲涅耳透镜3，优选用透射塑料材料制成，该透镜与浮力追踪环管7如图所示相连(或一对用于二维追踪集中装置的相互垂直的环管，与图4所示相似)。光电能量转换装置与前面提到的能量转换装置相似。对应元件，使用的参考标号与前面图示中的参考标号相一致。在该实施例中，该设备仅仅部分浸入水中，以致该光电池6始终浸入水里，而菲涅耳透镜3在水面以上，以让该追踪管7在一半的转动范围内转动。如图5所示，该设备被定位指向水平以上大约30度。如前所述，追踪管7容纳一个容积式泵8，该泵8移动追踪管7底部内的液体，从而将浮力区域12和13定位，该浮力区域12和13决定收集装置系统的转动来追踪太阳射线的角度(该射线如箭头所示沿轴线射入)。在严峻的天气条件时，再提供一个容积式泵9来获得额外保护，该容积式泵9如图所示位于追踪管7内的合适位置，允许追踪系统几乎完全翻转该收集装置，将集中装置浸入水里而因此大大减少暴露部分的范围，从而减小风力载荷。该泵8和9相隔大致120度。通过如图5定位该类元件，该收集装置能在超过120度的范围内追踪太阳，对应8个小时的太阳运动。第三个泵与泵8和9相隔120度，可选择地用来提供完全转动能力。部件19为稍微圆锥形的管道，该管道的内表面具有很强的反射能力(镀铝)，从透镜3引导太阳光至光电池6来作为进一步聚集太阳光的辅助集中装置。管道19可多次反射被聚集的太阳光，以均匀被聚集太阳光，使得光电池的工作更有效率。管道19的墙壁、透射窗口20和光电池的封装形成密封封装以防止污垢或该光电池的水污染。管道19的墙壁可为导电金属如铜，以利于将光电池6产生的热传给周围的水，金属热传递件25可设于该光电池的后部。这个封装内可选择地填充透射液体如烃油，以达到更好的冷却效果。应该使该菲涅耳透镜3面对光电池的槽形表面上的污垢累积最小。光电池封装6的后面与水接触，以便冷却。管道19借支撑21连接至追踪管7和透镜3上，借此整个组件可作为整体运动。作为优选方式，该组件应通过套在追踪管7上滑环来固持，该滑环系在固定件上或通过绳或弹性绳索固定在水池底部的重物上，这样也可支撑能量输出的导线。在泵8附近一个或多个叶片可连至该追踪管7上，并向外放射状地延伸，以减小系统因风或浪引起的振动。应该使用如图1中的削弱表面波的隔板10。在不长期与菲涅耳透镜3和透射窗口20的光表面接触，除了过度倾斜外在工作时没有水进入光路的情况下，水池或水库中的水不必保持清洁或被过滤。与图1和图3中保护相比，在本实施例中，可使用较小程度的保护来防止系统受风力影响，但因没有光进入水中而大大地减少能量的损失，因此收集装置单位面积上提供的能量更高。此外，由于太阳光没有折射到水里的能量传播损失，也没有被水面反射的损失，与图1所示的系统相比，该系统每天产生更多能量。当集中装置边缘进入水里，导致一些有用收集区域的损失，但是因该原因造成的损失只是每天总能量产出的一小部分。与使用一维集中透镜相比，该实施例使用二维集中装置，从而更能承受浪和波的影响，该透镜3可采用较低精度的制造方法。

根据本发明另一实施例，如平面图6所示，该设备使用反射凹形抛物面集中装置3与小的反射凸面辅助反射装置23，该辅助反射装置23放在轴线上且正好在集中装置3的焦点位置里面。该辅助反射装置23的焦点长度足以使太阳射线偏离，并将其通过反射装置3的中心的窗口20导引至光电能量转换装置附近的焦点上。当系统在垂直的60度范围内时，该光电池始终大致浸入水池的水面以下的位置。该设备仅仅部分浸入，以使得集中装置3在工作的大部分角度维持在水面上。圆锥管19连接光电池和窗口20，形成密封封装来防止光电池的水污染。该封装可选择地填充非腐蚀性的透射液体，以加快去除光电池产生的热量。在光电池的后面可提供金属热量传递件25，以更好地将热量传到周围的水中。圆锥管19的内侧壁优选具有内部高反射性，以进一步集中太阳射线。如图5所示的系统可为直线一维集中装置，也可为图4揭示相似的二维集中装置和与追踪系统，并添加与追踪管7垂直的另一追踪管。在一维的情况下，管19为从图的平面内延伸出来的槽。如图5所示，该设备浮在具有波浪抑制装置的水池中。追踪管和泵8和9工作如图5所示，可使太阳追踪和设备完全翻转以将较大反射装置3浸入水中来抵御强风进行保护。反射装置3靠近窗口20设有若干小孔来排水。每个轴线配有叶片24，以减少浪和风的载荷而产生的振动。该叶片24为扇形折叠件，其顶端设置于滑锁铰接处，当处于暴露位置时(被翻转)，该叶片24在风中时折叠起来。所有部件牢固地设在一起以可作为整体转动。所有大的部件优选用薄塑料材料作成。使用与图4揭示的相似的方法，将设备束缚在水池的底部。该系统相对图5揭示的系统的优点是该集中装置仅需平滑平面，因此更容易通过喷射水来清洁，而且该反射装置因其抛物面形状可更经济地得到高强度。其他方面，图6所示该系统与图5所示的系统有相似的性能。在不长期与反射装置3和辅助反射装置23的光表面接触，除了过度倾斜外在工作时没有水进入光路的情况下，水池或水库中的水不必保持清洁或过滤，水中的污染物的影响很小。图5和图6揭示的实施例都要求设备的整体大致平衡在旋转17中心附近。为了便于平衡和小的迎风面，有必要将图5中的透镜和图6中的反射装置尽可能地靠近水面。当指向接近水平时，在每日追踪循环的端部位置，该要求将导致图5和图6中的集中装置3的边缘部分进入水中。使用置于水面上的防风设备来减少该类系统的振动。

如图3、4、5和6所示的双向容积式泵8和9包括电马达驱动装置和传递装置或叶片或蠕动泵，或者该类泵为使用螺线管来压缩柔性腔室的脉冲泵。该类泵为现有技术，再此不必赘述。仅要求该类泵非常小的尺寸、功率、负载量，典型的是每秒抽取一立方厘米。

根据本发明另外未图示的实施例，该设备使用水下集中装置，该类集中装置为折射透镜的形式，可选择菲涅耳或分割形式。这些实施例优选使用透射的塑料材料和能量转换装置如置于焦点上透镜下方的一片光电池，该类材料靠近水面可在水下形成一个或多个充气孔来聚焦光线。这些实施例的优点是无须金属反射层，因此延长该装置的潜在寿命。在这些实施例中，该集中装置可悬浮在水下，连至如图3所示的漂浮的浮力追踪系统，借此无须设于水池底部的结实支持结构件，也无须准确控制水的深度。

本发明更优选但未图示的实施例使用全息集中装置。

以上任一实施例中，该光电池能量转换装置6可用化学反应室或热电转换装置，该反应室可选择地包括催化剂。

本发明可使用低成本材料来做图1、3、4、5和6中的反射装置组件3。太阳光穿入水或其他液体中会造成对整体效率的透射损失，该透射损失可通过提供较大的反射装置3来平衡，该较大反射装置3比使用同样光电池的陆地上的收集装置组件的反射装置大。该反射装置组件3(或透镜组件)在尺寸上的增加导致光电池上的更高的入射光能强度。在光电池上升高的入射能量强度一般导致光电池产生热量的增加。由于许多原因不期望该光电池产生的热量增加。一个重要原因是随着光电池温度的增加，光电池的能量转化效率将下降。但是，将光电池置于水中后，可通过水的自然对流来冷却电池，因此光电池可在入射至其上能量密度是标准太阳光50倍或更多条件下工作，其温度上升可很小。

250纳米以下的波长在太阳光进入水后被滤出，因此将设备置于水下可提供抗紫外线的保护(如果太阳光在水中大于500毫米的路径)。抗紫外线保护允许较长使用成本低且不适合暴露在太阳下使用的塑料材料。

在这种情况下，将该设备放置在水下或部分置于水下可达成以下五个主要目的。

第一、置于水下可减少风对聚焦收集装置的干扰，其包括风力使构造变形，从而减少可能集中程度。这些不良影响还包括风力对转动追踪移动的干扰。

第二、由于仅变化要求的相对角度(或侧边)浮力可实现准确和稳定的转动，水下放置可大大简化对追踪机构的要求来使集中装置和收集装置聚焦在入射太阳辐射上。简单地从部分充装水并垂直延伸的一侧浮力容器中抽取一定量的水到相对另一侧的浮力容器(在封闭系统中改变相对浮力的大小)，就可在任何水平轴线上追踪太阳。如果需要，使用设在集中装置边缘的小推进器驱动的推进装置，就可实现绕垂直轴线追踪。

第三、当需要，特别在该收集装置为光电池或热电转换装置(其后面的冷端需要冷却)，把能量转换装置放在水下，其也可对能量收集装置提供足够有效对流冷却。该能量收集装置和转换装置两者被冷却，特别是冷却到白天周围大气温度以下，其工作的效率较高，通常这种情况是光电池在较大开放水域中。

第四、由于水下放置，在水中的浮力可提供机构部件的支撑，减少因风力而导致的偏斜，与暴露在太阳下的集中装置相比，该部件重量、强度可较小，成本较低。

第五、在工作时长期置于水下可大大降低所有与天气有关总是包括来自冰雹和风的损坏风险，且不必采取积极抑制或加强措施。该系统是消极地结实。

应该认为，轻材料的应用反过来可降低材料运输到安装地的成本以及与安装相关的处理成本。

本发明很好地应用在水力电气的抽水蓄能系统，该系统由两个在不同高度的水坝组成，电动发电机连接到两水坝间的管道内的涡轮机上。利用太阳光储存能量，该浮动太阳电能发电机可提供能量将低水坝中的水提升到高水坝内。如果需要适应变化大的水位，用水面上的绳索或配线，该类浮动太阳能收集装置覆盖大部分水坝表面，不与水坝底部接触而设置。通过运用本发明的构思，为了太阳能收集，使用现有的水坝和水库，不用较大惯例的厂房基地，节省太阳能发电厂的建造费用。

Claims (24)

1.一种用于收集太阳辐射的太阳辐射收集装置，其特征在于，该太阳辐射收集装置包括至少一个将电磁能转换成另一形式能量的能量转换装置、至少一个接收电磁能且将其集中到该能量转换装置的集中装置，其中在工作时该能量转换装置大致浸入液体中，日常工作循环中该集中装置至少部分浸入该同样的液体中。

2.如权利要求1所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该液体大致可让可见光透射。

3.如权利要求1或2所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该液体是水。

4.如权利要求1或2所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该液体是碳氢化合物。

5.如前面任一项权利要求所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该转换装置包括光电池。

6.如权利要求1至4中任一项所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该能量转换装置包括暴露在被集中的电磁能量中的化学反应腔室。

7.如权利要求1至4中任一项所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该能量转换装置包括热电转换装置。

8.如权利要求5至7中任一项所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该能量转换装置被密封件封住。

9.如权利要求1至4中任一项所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该能量转换装置包括将入射电磁能转化成热能的部件，该部件封在真空腔室内。

10.如前面任一项权利要求所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该集中装置包括反射镜。

11.如权利要求1至9中任一项所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该集中装置包括透镜。

12.如前面任一项权利要求所述的太阳辐射收集装置，或该收集装置大致浮在水面上，其特征在于，太阳追踪的转动是通过改变侧边浮力容器的相对浮力来实现的。

13.如权利要求12所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，每个侧边浮力容器垂直延伸到水面上，并通过通道将其最高部分相接。

14.如权利要求12或13所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该侧边浮力容器的最低部分通过通道相互连接，该通道内设有双向容积式泵来将其中一个浮力容器中的液体转移到另一个浮力容器中，以倾斜该收集装到要求的方向。

15.如权利要求14所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该泵的工作是通过伺服机构控制，该伺服机构是从设于垂直叶片一边且与系统的垂直轴线对齐的左右传感器获得供给信号。

16.如权利要求10、11或12所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该集中装置至少部分由塑料材料制作。

17.如前面任一项权利要求所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该太阳辐射收集装置进一步包括防止液体和大气间的界面上的波浪变形的机构。

18.如权利要求17所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该防止波浪变形的机构大致可让太阳辐射透射。

19.如权利要求17或18所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该防止波浪变形的机构包括浮动隔板或浮动隔膜。

20.如权利要求17至19中任一项所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该防止波浪变形的机构包括固定隔板。

21.如权利要求17至20中任一项所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，有若干该防止波浪变形的机构，每个该机构被规律地隔开。

22.如前面任一项权利要求所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该液体包括抑制藻类生长的元素。

23.如前面任一项权利要求所述的太阳辐射收集装置，其特征在于，该太阳辐射收集装置大致如参照附图所述。

24.大致如前参考附图所描述及如附图所示的太阳辐射收集装置。

Images