[发明专利]具有大的多个共轴盘反射器的太阳能聚光器装置

说明书

背景技术

气候变化被认为是已经受到显著关注的重大问题。作为来自化石燃料的能量的遍及全球的生成的结果，大量的温室气体正积聚在我们的大气中。许多专家相信，如果不很快地做一些事情来减慢或甚至逆转这样的积聚，我们的气候和我们居住的世界将遭受悲惨的后果。专家预言，仅仅几度的全球温度的上升将融化极区冰，并导致足以将许多沿海城市推到水下的海平面的上升。一些科学家还预言了许多种类的植物和动物的消失。鉴于由于燃烧化石燃料以产生能量造成的这些和其他显著的不利结果，存在对于能在不产生大量温室气体的情况下以成本有效的方式产生能量的方法和装置的显著需要。

本发明旨在通过需要强烈聚集的太阳能或使用聚集的阳光而变得更有效或更成本有效的过程来便于太阳能到有用的电或化学能的转换。尤其是，本发明旨在用于通过光伏或热的过程的发电的装置。该装置还可用于将太阳能通过热或光化学反应转换为化学能。

热转换的效率受限于第二热力学定律，其为了高转换效率需要高温，因此需要高度聚集的光。光伏转换效率还可在高度聚集的光中被提高。因此，在过去，对在高度聚集下转换太阳能的问题给予了大量的努力和关注，但是结果不是令人完全满意。尽管有更有效地在高度聚集的光操作中的太阳能转换设备的可用性，但是高聚集太阳能系统还没有变成全球太阳发电中的主要因素。之前在高聚集系统的尝试的显著缺点是向太阳能转换设备提供高度聚聚的光所需的光-机械系统的高成本。部分地由于光学聚光器的不利的规模尺寸，之前的努力没有成本竞争性。这些之前的尝试常常涉及使用需要以非常低的水平或非常高的水平的功率来输入聚集的阳光的特定转换设备，而这样的功率需要极大程度地导致阳光聚光器的非常小或非常大的光学孔径。该设计方法未能足够地最小化所产生的电(或其他形式的能量)的每单位成本。

在过去，小单元尺寸有利于大多数光伏转换器。这导致低效和高成本。具有小光学聚光器的大量小单元的阵列制造、装配和运输昂贵，因为它们大且复杂，并具有排列在大面积上的许多小的光学的和电的和热的组件。而且小单元的阵列在大规模上赋予了小的硬度，并将作为静重被承载在两轴太阳跟踪器上。需要以结构构件形式的相当大的附加的重量，以控制重力和风弯曲，并与跟踪支架连接。该设计方法显著地增加了在这样的系统中使用的跟踪器的成本，并且未能实现所产生的电(或其他形式的能量)的足够最小化的每单位成本。

在过去，非常大的单元尺寸有利于需要以高聚集输入的非常高的太阳功率的太阳热系统。在二维上聚集以满足这些需要的大光学器件导致低效率。在一些系统中，热转换器单元被安装在单个大盘的焦点处，盘-发动机组件由两轴跟踪器承载。在其他系统中，热转换器单元被固定在塔上，阳光通过日光反射装置上的一般数以千计的平面反射镜的场被聚集在塔上。这些设计方法都在最小化所输送的每瓦的聚光器系统成本方面是次佳的，并且未能足够地最小化所产生的电(或其他形式的能量)的每单位成本。

对于大的单独的盘，结构复杂性及每单位面积的质量和成本都随着盘面积而上升。在过去，尝试过使用由许多小的弯曲的反射器部分组装的大反射器。在由许多弯曲的反射器部分制成的大反射器中，每个单独的部分必须在抛物面支撑桁架结构(paraboloidal back-up truss structure)上对齐。以此方式组装的组合大反射器往往沉重且制造和组装昂贵。在许多情况下，大圆盘被单独安装在两轴跟踪器上，并陈列在大的太阳农场(solar farm)中。这样的大圆盘必须被充分间隔开，以避免清晨和傍晚时的显著的自身阴影，导致土地的次优化使用。大圆盘的另一缺点是每单位面积的相对高的风载荷，这需要更重且更贵的支撑结构，以抵抗风载荷。

在过去，通过使用日光反射装置的场来尝试非常高的能量聚集。该方法的显著的缺点是对于承载给定反射器面积的跟踪器的低效使用。因为入射在很多日光反射装置反射镜上的阳光成远非垂直入射的角度而导致该低效率，因此输送到功率塔的太阳功率的日平均值是在每个反射镜能被跟踪以面向太阳的情况下可被捕获的太阳功率的仅仅一部分。另一缺点是日光反射装置的许多小的两轴跟踪器的机械复杂性。