[发明专利]二维模块化日光反射装置的追踪及构造

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求于2008年9月22日提交、名称为二维模块化日光反射装置的追踪及构造并且发明人为Xiaodong Xiang的美国临时专利申请号为61/192,767，以及于2008年11月3日提交、名称为二维模块化日光反射装置的追踪及构造、并且发明人为Xiaodong Xiang的美国临时专利申请号为61/110,752的优先权，每一临时专利申请的全部内容以引用方式结合于此。

技术领域

本发明通常涉及一种太阳能集中器，更确切地说，涉及一种在补偿能量源移动时聚集太阳能的太阳能集中器。

背景技术

由于太阳能易于产生热能和电能，因此，太阳能被普遍视为非常理想的能量源。例如，太阳能聚集器(通常由镜子形成)可聚集来自太阳的光能，并引导光能至转换器(接收器)，该转换器可将光能转换为热能或电流。所述热能通常通过诸如水、油等的“导热液体”(Heat Transfer Fluid，HTF)从转换器输送(或在转换器之间)至加热感应器。通过以阵列方式排列太阳能聚集器，已经开发了可将大量太阳能转换为用作预期用途的能量的发电站。

在太阳能热量应用中，来自太阳的光能转换为在其他用途中使用的热能，例如使用诸如传统涡轮电动发电机或斯特林(Sterling)发电机等已知工具产生电能，或用于制冷或加热。为此，大量单独太阳能模块(包括光学聚集器以及热量接收器，也就是，用于接收、吸收光能并将其转换为热能的设备)典型地通过液体管道耦合并使用HTF传送热量。每个模块具有固定的功率转换以及传送能力，也就是聚集并传送至导热液体的太阳能的数量。

在该应用中，热量损耗限制了整体转换效率。热量损耗由转换损耗以及“黑体辐射”损耗(black-body radiation，BRL)控制。同时，通过对热量接收器以及HTF传送管道进行绝热处理，可以减少转换损耗。然而，接收器的黑体辐射(BRL)难以控制。BRL取决于接收器孔径面积、温度、以及聚集器的吸收表面的材料。更确切地，BRL与接收/辐射孔径面积以及辐射体的温度的第四功率成线性比例关系。为了减少BRL，并且因此提高整体转换效率，需要减少接收器面积。其中一个用于减小BRL同时最小化聚集器模块的低效率的方法是使用具有集中器的太阳能聚集器，其中，该集中器具有高集中度，该高集中度也就是大的太阳能聚集面积与热量接收器面积的比。

需要太阳追踪器以使太阳能集中器工作。太阳追踪器跟随太阳相对位置的变化以将太阳辐射集中或聚焦在热量接收器孔径上。经常以两个角度移动描述太阳移动：“时角”，以及“季节性角度”或“倾斜角”。该时角描述由于地球每天周期性运动(也就是地球自转)而导致的太阳相对于地球表面定位的角度位置；该倾斜角(季节性角度)描述由于相对于地球自转轴的地球太阳旋转轴的周期性移动而导致的太阳相对于地球表面定位的角度位置。

传统的太阳移动的追踪经常通过在两个轴线上旋转太阳能接收器部件和整个光能聚集器面板来实现，这常被称作“移动目标”的追踪系统。然而，许多此类太阳能集中器的每一太阳能接收器包括单独的光学元件，从而产生了须旋转的沉重的系统。结果是，由于需要机械设备为期望的移动而提供力矩和加速度，导致追踪系统通常很昂贵。

其他太阳能集中器的每一太阳能接收器包括单独移动以将太阳光束聚焦在固定太阳能接收器或目标上的光学元件阵列，这通常称作“日光反射装置”或“固定目标”系统。在该构造中，对于每一光学元件，集中度或者为1或者比1稍高；然而，许多该光学元件将太阳光投射在相同的太阳能聚集器上，并且因此产生非常高的集中度。每一该光学元件相对于目标具有不同的相对位置和角度，聚集性地形成“菲涅尔(Fresnel)反射镜”，也就是在背平板上形成凹面的小平面(或者基本上平面)镜阵列。由于太阳光束通常并不垂直于反射镜，在该系统中光学余弦损耗很大(～25％)。具有M×N光学元件的日光反射装置通常需要2×M×N的独立移动轴(因此电机)以在太阳每日或季节移动时保持聚焦(追踪)在固定目标上，这种方式实现成本非常昂贵。

因此，需要改进的太阳追踪技术。

发明内容