[发明专利]太阳能收集系统

说明书

优先权

根据35U.S.C.§119要求优先权

本申请要求2008年6月7日提交的序列号为61/131,268的美国临时专利申请和2008年6月20日提交的序列号为61/132,550的美国临时专利申请的权益，其中两个所述临时申请的全文并入本文。

技术领域

本发明涉及通过利用具有跟踪太阳运动模块的聚光元件来收集太阳能的方法，特别是涉及适用于构建具有类似于传统太阳能电池板形状系数和装置特征的系统的该类方法。

背景技术

尽管将平行光聚集到光伏和/或热接收器上的技术已经在工业规模的太阳能装置中使用很长时间了，但小规模的太阳能装置几乎全部由不能聚光的板式光伏板组成。由于这类光伏板使用大量的光伏材料，所以价格昂贵，且仅用来回收那些材料所产生的能量就通常需要数年的工作。通过大大地减少所使用的光伏材料的量，使用聚光光伏(CPV)的太阳能电池板有可能为板式太阳能电池板提供便宜很多的替代形式。此外，通过允许特殊高效光伏电池的经济使用，与对应的板式电池板相比，CPV电池板可具有显著更高的效率，在不能聚光的电池板中该光伏电池的成本是非常高的。

如果要安装CPV电池板以跟踪太阳，由于太阳光要与电池板的法向轴保持在一条直线上，那么CPV电池板的设计必须简单。考虑到跟踪设备给太阳能电池板装置所增加的费用和外形，期望具有能够在固定位置装置中起作用的CPV电池板，并因而对普通的板式太阳能电池板而言，其成为可替换的部分。由于太阳的运动加上太阳能电池板形状因素的限制，制作这样的电池板面临一系列新的挑战。一种显而易见的方法是采用反射和/或折射光学原理，用聚光元件的阵列填充浅外壳，其中每个元件绕其各自的一条或多条轴转动以跟踪太阳。这种方法的两个关键性能指标是所捕集的落在电池板正面的光的比率（其孔径效率）以及元件跟踪运动的范围。显然，捕集到100%的落在其上的光且以最多达90度的入射角跟踪太阳的电池板是最可取的，但在现有的及提出的设计中存在许多影响该等性能属性的问题，并且这些问题中的许多是由CPV元件的光学几何形状所施加的限制而引起的。本发明提供了一种解决在高效CPV电池板设计中存在的问题的新型反射光学几何形状。

CPV系统可以其聚光率为特征，该聚光率以落在其接收器上的太阳光数目来表示。聚光率约大于3的系统通常需要使用运动光学聚焦元件，该运动光学聚焦元件跟踪整个天空的太阳运动。这种光学跟踪系统分成两大类：一种光学跟踪系统，其中具有均一横截面的细长元件分别相对于它们的长轴倾斜以跟踪太阳并使太阳光聚焦于窄光带上；以及另一种光学跟踪系统，其中具有径向对称性的元件分别或以组的形式绕二个轴转动以跟踪太阳，并使太阳光聚焦于小光斑上。太阳圆盘的直径看似约0.5度，将具有单轴和双轴系统可达到的理论聚光率分别限制为几百和几万，由于光学元件和跟踪的缺陷而实际的限制相当小。

术语单轴和双轴用来表示这两种方法，是指使太阳光聚焦所需的倾斜轴的数量。这两种方法均适用于本发明，并且本文公开了根据这两种方法的示例性实施例。

本发明适用于在各种范围和一系列聚光率内使用光伏、热和混合接收器的系统。然而，由于本发明允许创建具有系统效率、散热以及紧凑属性的系统，所述属性特别适用于CPV电池板的应用领域，因此本文中与现有技术所进行的比较着重强调了与CPV元件密堆积阵列性能相关的属性。

本文重点讨论了CPV电池板应用领域内的现有技术。特别是，本文探讨了主要采用反射光学原理，采用多个CPV元件的单轴和双轴跟踪系统，每个元件均安装成相对于其各自的一条或多条轴倾斜，且每个元件均组装了光学聚焦装置和光伏接收器。本文描述了一个实例并描述了这样的三种类型的该系统中的每一种的缺点：第一种，其中元件是具有非对称轮廓的条板，第二种，其中元件是具有对称轮廓的槽，以及第三种，其中元件是盘。

美国专利申请12/156,189描述了枢转安装条板的阵列，每个条板上安装有跨装在同一条板对面上的抛物柱面反射镜焦线上的光伏条。

由于抛物柱面反射镜的焦线与反射镜表面上的点被间隔开至少抛物柱面焦距的距离，所以条板必须包含延伸于柱面表面之上的竖板以支撑光伏材料条。如果条板的反射镜部分被用作散热器以便从光伏条中吸收热量，那么竖板必须向反射镜传导热量并提供相对于反射镜刚性安装光伏条的结构功能，这增加了材料成本和空间要求。