太阳能利用单元和太阳能利用系统

摘要

本发明提供了一种太阳能利用单元和太阳能利用系统。该太阳能利用单元包括太阳辐射聚集光学器件和包括第一和第二接收器部件的太阳辐射接收器，第一接收器部件设计成将在太阳光谱的第一部分内的辐射转化为电能，第二接收器部件设计成将在太阳光谱的与所述第一部分不同的第二部分内的辐射转化为电能。太阳辐射聚集光学器件包括凹面一次反射器和凸面二次反射器，一次反射器适于朝着二次反射器反射入射的太阳辐射，二次反射器适于将在太阳光谱的第一部分内的辐射反射至第一接收器部件，并且还适于使在太阳光谱的第二部分内的辐射透射到第二接收器部件内。一次反射器形成有布置在中央的开口，第一接收器部件适于通过该开口接收由二次反射器反射的辐射。一次反射器可具有中央部件和周边部件，其中，中央部件由比制成周边部件所用的材料更加耐热的材料制成。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用系统的领域，并且具体地涉及利用卡塞格仑(cassegrainian)式太阳辐射聚集光学器件的所述系统。

背景技术

标准的卡塞格仑聚集光学器件包括同轴对准的两个反射器：一次反射器和二次反射器。一次反射器捕获入射辐射并将其反射至通常较小的二次反射器。二次反射器又将该辐射朝着与太阳能接收器相关联的聚集光学器件的焦点反射。一次反射器和二次反射器可具有不同的形状，例如一次反射器可以为抛物面而二次反射器可以为双曲面。

太阳能接收器可基于工作介质(例如水)对太阳辐射热的直接吸收，或者基于例如在光电池中将太阳辐射转化成另一种能量形式，在这种情况下接收器定位成使其入口邻近或位于聚集光学器件的焦点处。或者，接收器可包括用于将聚集辐射透射至与焦点分开的位置的装置，例如用于在照明系统中利用太阳能。

在2004年JX Crystals公司出版的Lewis M.Fraas所著的《Path toAffordable Solar Electric Power》中，描述了对于卡塞格仑聚集光学器件使用两个不同的接收器，其中二次反射器呈分束器的形式，该分束器将太阳光谱的可见部分中的聚集太阳辐射朝着用于将辐射输送至室内照明系统的光纤光导件反射，并使太阳光谱的红外部分中的聚集太阳辐射朝着定位在二次反射器后方的光电池阵列透射，用以将辐射转化成电。

卡塞格仑太阳能聚集器的效率很大程度上取决于反射器的反射面的质量。长期暴露于外部环境的反射器例如由于灰尘或砂蚀、氧化或腐蚀而容易丧失其反射能力。US 4,166,917和US 4,491,683描述了密封的太阳能收集器。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种具有卡塞格仑式太阳辐射聚集光学器件的太阳能利用单元，该单元设计成使其能够用手操作并被模块化地组装在例如用于家用的太阳能利用系统中。

所述太阳能利用单元包括：太阳辐射聚集光学器件，该太阳辐射聚集光学器件设计成使入射的太阳辐射聚集，并将其分成波长在太阳光谱的不同部分内的至少两部分；以及太阳辐射接收器，该太阳辐射接收器包括第一太阳辐射接收器部件和第二太阳辐射接收器部件，所述第一部件适于将在太阳光谱的所述两部分中的第一部分内的入射辐射转化成电，而所述第二部件适于将在太阳光谱的所述两部分中的第二部分内的入射辐射转化为电。

所述第一接收器部件和所述第二接收器部件均具有太阳辐射接收部，所述太阳辐射接收部优选呈例如一个或多个光电池的光电结构的形式，所述光电结构对于太阳光谱的对应部分敏感。太阳光谱的所述两部分例如可以是其可见部分和红外部分。

各所述接收器部件均可包括聚集器(例如，自身公知的非成像聚集器)，该聚集器用于接纳来自所述太阳辐射聚集光学器件的辐射，并使该辐射以均匀分布的方式前进至所述接收器部件的所述辐射接收部。所述聚集器可以呈会聚器(例如，具有内反射面的截头圆锥形管)的形式，或者呈棱镜的形式，辐射在该棱镜内通过全内反射而传播。

所述太阳辐射聚集光学器件具有光轴，并包括凹面一次反射器和凸面二次反射器，它们的中心和焦点沿着所述光轴定位。所述二次反射器呈具有两个焦点的光谱分束器的形式，并且该二次反射器设计成接纳通过所述一次反射器聚集的辐射，从而使在太阳光谱的所述第一部分内的辐射朝着其第一焦点反射，并使在太阳光谱的所述第二部分内的辐射朝着第二焦点透射，所述第一接收器部件和所述第二接收器部件分别与所述二次反射器的所述第一焦点和所述第二焦点相关联。

所述一次反射器在它的中央形成有开口，并且所述二次反射器的所述第一焦点通常布置在所述开口中或邻近该开口。所述第一接收器部件牢固地固定至所述一次反射器的外表面，从而该第一接收器部件的辐射接收部或与该第一接收器部件相关联的聚集器布置在所述二次反射器的所述第一焦点上或邻近该第一焦点。

所述二次反射器具有面向所述一次反射器的凸表面，并且位于后方的所述第二焦点具有凸表面，所述第二接收器部件牢固地固定在所述凸表面的后方，从而该第二接收器部件的辐射接收部或与该第二接收器部件相关联的聚集器布置在所述二次反射器的所述第二焦点上或邻近该第二焦点。

在所述第一接收器部件和所述第二接收器部件中的任一个均包括所述聚集器的情况下，所述聚集器可以与其对应的接收器部件和/或与和该接收器部件相关联的一次反射器或二次反射器一体形成。

所述第二接收器部件还可包括壳体单元，该壳体单元承载所述第二接收器部件的所述辐射接收部以及与该第二接收器部件相关联的所述聚集器(如果有的话)。

所述第一接收器部件和所述第二接收器部件中的任一个或两者还可包括从所述部件的所述辐射接收部吸热的散热装置。所述散热装置可以是被动的(passive)并基于对流，这可用在两个接收器部件中；或者所述散热装置可以是主动的(active)并使用冷却流体，这对所述第一接收器部件会特别有用。

根据本发明，通过将聚集辐射分成至少两部分，并利用对辐射的这些部分敏感的、与所述聚集光学器件的不同部件(一次反射器和二次反射器)相关联的对应接收器部件将这些部分转化成电能，可得到多种优点，这些优点包括：

所述第一接收器部件和所述第二接收器部件均可设有单独的电装置(electric set up)从而在其最优的生成电流下工作；

可彼此独立地选择并优化所述接收器的特性，从而使所述部件的效率更高而生产成本更低；

每个接收器部件均可以以不同的聚集水平工作，该聚集水平可由包含在所述部件中的所述聚集器的设计来控制，从而可针对各个接收器部件实现辐射的最优聚集，因此使接收器部件的效率最大化；

由于各个接收部仅施加有部分辐射光谱，因而可更易处理所述接收器部件的所述辐射接收部的散热。

本发明的太阳能利用单元还可包括刚性盖体，该盖体沿着所述一次反射器的周缘(circumference)牢固且密封地安装至所述一次反射器，从而在所述盖体的内表面与所述一次反射器的固定有所述太阳辐射接收器部件的内反射面之间形成封闭容积。所述单元可包括对所述封闭容积的环境进行控制以使所述反射器的质量劣化最小化的装置。

所述盖体由透明材料制成，并具有相对较小的不工作区域和环绕所述反射器的相对较大的工作区域，所述不工作区域的内表面与和其一体形成或固定地安装至其上的所述二次反射器相关联，入射的太阳辐射经由所述工作区域而朝着所述一次反射器的反射面传播。

所述单元优选与跟踪太阳的跟踪机构相关联，并且可包括用于使所述单元朝着太阳附加精确对准的自对准机构。

本发明还涉及一种太阳能利用系统，该太阳能利用系统具有基板和多个太阳能单元座，所述太阳能单元座适于可拆卸地安装有多个上述类型的太阳能利用单元，其中，在每个单元中，所述第一接收器部件和所述第二接收器部件都设有它们各自的用于从其取电的电缆，并且其中每个单元都是模块化且大规模制造的。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括太阳辐射聚集光学器件和太阳辐射接收器的太阳能利用单元。所述接收器设计成将辐射转化成另一种能量形式。所述太阳辐射聚集光学器件包括凹面一次反射器和凸面二次反射器。所述一次反射器适于朝着所述二次反射器反射入射的太阳辐射，而所述二次反射器适于将聚集辐射导向所述接收器。所述一次反射器形成有布置在中央的开口，所述接收器适于通过该开口接收由所述二次反射器反射的辐射。所述一次反射器由环绕所述接收器的中央部件和环绕该中央部件的周边部件制成。所述中央部件由比制成所述周边部件所用的材料更加耐热的材料制成。

根据一个实施例，所述周边部件是基座并且所述中央部件是金属盘。所述基座和所述金属盘的表面适于形成连续表面，以反射所述入射的太阳辐射。所述基座可由塑料制成并至少在适于在使用中对所述入射的太阳辐射进行反射的表面上镀有反射材料。

根据本发明的另一方面，提供了一种整体式反射器组件，该反射器组件包括多个一次反射器和单个盖体，该盖体保持多个对应的二次反射器，以形成多个如上所述的太阳能利用单元。

根据本发明的又一方面，提供了一种反射器元件，该反射器元件包括第一表面和适于承载太阳辐射接收器的第二表面。所述第一表面适于反射在太阳光谱的第一部分内的辐射，并适于朝着所述接收器透射在太阳光谱的第二部分内的辐射。所述第二表面包括一槽，该槽适于接收可连接到所述太阳辐射接收器的引线。所述第二表面可包括至少两个不共面的部分。所述太阳辐射接收器和所述槽可位于所述第二表面的不共面的部分上。所述太阳辐射接收器可以是光电池。所述元件适于与太阳能利用单元一起使用。

附图说明

为了理解本发明并明白其在实践中是如何实施的，下面将参照附图仅以非限定性示例的形式描述实施例，附图中：

图1是根据本发明一个实施例的太阳能利用单元的示意性剖视图；

图2A是图1所示的太阳能利用单元的示意性立体图；

图2B是根据本发明替代实施例的太阳能利用单元的示意性立体图；并且

图3是根据本发明的太阳能利用系统的示意性立体图；

图4是根据本发明与图1所示的太阳能利用单元一起使用的接收器结构的俯视立体图；

图5A是根据本发明与图4所示的接收器结构一起使用的刚性盖体的一个实施例的局部俯视图；

图5B是根据本发明与图4所示的接收器结构一起使用的刚性盖体的另一实施例的局部俯视图；

图6是图4所示的接收器结构的俯视立体图，在该接收器结构中装配有引线；

图7A和7B分别是图6所示的接收器结构安装至刚性盖体的正视图和俯视图；

图8是根据本发明的红外电路的底视立体图；

图9是图8所示的红外电路结合至铝盖底部的底视立体图；

图10A和10B分别是图9所示的铝盖结合至接收器结构顶部的正视图和侧视图；

图11A是附加有罐体的接收器结构的侧视图；

图11B是图11A所示的接收器结构沿着线II-II剖取的剖视图；

图11C是在图11B中的‘A’处所示区域的放大图；并且

图12是图6所示的接收器结构的另一实施例；

图13是根据本发明一个实施例的反射器组件的立体图；

图14A是图13所示的反射器组件在根据本发明修改的情况下的立体图；

图14B是沿着图14A中的线IV-IV剖取的剖视图；并且

图14C是在图14B中的‘B’处所示区域的放大图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的太阳能利用单元5。该单元5包括：太阳辐射聚集光学器件6，该太阳辐射聚集光学器件包括凹面一次反射器7和凸面二次反射器9；以及太阳能接收器，该太阳能接收器设计成将由光学器件6聚集的辐射转化成电能，并包括第一光电接收器部件10A和第二光电接收器部件10B，每个光电接收器部件均与一次反射器7或二次反射器9相关联。

每个接收器部件10A、10B都包括可以为单个板状电池或电池阵列的光电结构11A、11B。光电结构11A和11B具有不同的敏感波段(例如，它们中的一个对太阳光谱的红外部分中的辐射敏感，而另一个对太阳光谱的可见部分中的辐射敏感)，并设计成将它们对应波段内的辐射转化成电能。结构11A和11B分别设有安装至其上的电缆13A、13B，用于将电能输送至必要场所以进行利用。光电结构11A和11B又被称为“光电池”。

一次反射器和二次反射器以卡塞格仑设计进行布置，其中一次反射器7具有焦点为F的抛物反射面。二次反射器9具有面向一次反射器的表面9’，该表面为双曲面形状并且具有位于双曲面的不同侧的两个焦点F1和F2。两个反射器的焦点都位于公共光轴X上。一次反射器7的焦点F与二次反射器9的焦点F2重合。

二次反射器9呈分束器的形式，其将在光电池11A的敏感波段内的辐射朝着其第一焦点F1反射，并将在光电池11B的敏感波段内的辐射朝着其第二焦点F2透射。

每个接收器部件10A、10B都包括非成像聚集器，该聚集器的入口位于或邻近二次反射器的相应焦点F1、F2，并且该聚集器设计成用于接纳被二次反射器9反射或透射的辐射并使其以均匀分布的方式前进至相应的光电池11A、11B。聚集器可以呈会聚器(例如，具有内反射面的截头圆锥形的管30A)的形式，或者呈棱镜(例如棱镜30B)的形式，辐射在该棱镜内通过全内反射而传播。

反射器7和9绕轴线X圆对称，一次反射器7的周缘直径为D并限定了整个单元5的周缘。二次反射器的周缘直径为d，其明显小于直径D。

单元5还包括刚性盖体15，该盖体由透明材料制成并具有边缘17，该边缘在一次反射器7的周缘处牢固且密封地安装至该一次反射器，从而在盖体15与反射器7之间形成封闭容积。可用诸如氮的惰性气体填充该封闭容积。

盖体15具有面向一次反射器7和第一接收器部件10A的内表面14、大致面向太阳的外表面16、保持二次反射器9和第二接收器部件10B的不工作区域18、以及环绕它们的工作区域19。

如图1所示，盖体1 5的不工作区域1 8呈孔(未示出)的形式，并且二次反射器9和第二接收器部件10B形成为安装在该孔中的一个单元。第二接收器部件还包括壳体24B，该壳体用作设计成能够被动冷却的光电池11B的绝缘基底和保护盖。

一次反射器7形成有供安装太阳辐射接收器部件10A的开口20。

太阳辐射接收器部件10A由导热材料制成，并包括定位在中央的电池保持部22、散热部26、以及布置在周边的安装装置24A，散热部的至少一部分环绕电池保持部。

电池保持部22包括从开口20向外伸出的电池座28。散热部26从一次反射器7的开口20向内伸出从而限定了截头圆锥形的管30A，并且该散热部形成有冷却流体腔32，该冷却流体腔环绕管30A并适于提供布置在其内的冷却流体与电池座28的接触，从而从该电池座吸热。

散热部26设计成位于由二次反射器9投射的阴影中。散热部26具有与冷却流体腔32连通的入口34和出口36。

单元安装装置24A包括：支撑表面35，其在邻近开口20的区域处固定地安装至一次反射器7的外表面；装置40，其优选位于太阳辐射接收器部件的三个周边区域(图1中仅示出其中两个)，用于将单元5安装在板8上，并且单元5与板8之间的距离可独立地调整；以及自对准机构42，其具有适于执行调整的任何适当的调整装置44(例如步进电机、电磁体等)，从而相对于太阳校准单元5的位置。

为此，自对准机构42可包括一传感器(未示出)，该传感器位于盖体15的不工作区域18的外表面上，并与调整装置44和控制器(未示出)相连接，从而基于从传感器接收到的数据对调整装置进行控制。或者，可将一传感装置设计成接收器部件1 0的一部分，这就不需要传感器46。

在工作中，安装在板8上的单元5跟踪太阳，并且太阳辐射沿着平行于轴线X的方向穿过透明盖体15的工作区域19而照射在一次反射器7上，从而沿着该一次反射器的与二次反射器9的焦点F2重合的焦点F的方向反射。然后，该辐射在第一光电池11A的敏感波段内的部分被二次反射器9朝着其焦点F1反射，在焦点F1处管30A使该部分辐射进一步聚集并以均匀分布的方式将其引向光电池11A。在第二光电池11B的敏感波段内的辐射未被二次反射器9反射，而是朝着焦点F2透射，在焦点F2处棱镜30B使该辐射进一步聚集并以均匀分布的方式将其引向光电池11B。

在第一接收器部件10A中，聚集在光电池11A的区域中的大量辐射可能导致在该处周围特别是在电池座28中积累大量的热。散热部26通过利用穿过冷却流体腔32从入口34流向出口36的冷却流体从电池座28散热而起到热交换器单元的作用。类似地，光电池11B被设置在第二接收器部件10B的壳体24B中的装置冷却。

单元5可以具有多种尺寸，但对于家用而言，其优选为紧凑从而易于处理。该单元可具有大约22厘米的直径和大约7厘米的厚度，二次反射器9的直径d大约为4.4厘米，并且一次反射器7上的对应阴影面积仅是反射器9的面积的百分之四。

单元5可根据高精度工业标准以单元形式大规模制造。具体地说，可以以相对较低的成本将其所有部件组装成坚固耐用的精密结构。

将二次反射器9牢固地安装在刚性盖体15的孔中并将盖体15牢固地安装至一次反射器7，这确保了可在制造过程期间容易地实现一次反射器7与二次反射器9的期望对准，并可在该单元的有效服务期内保持该期望对准。另外，盖体15有利于使反射器7和9的表面环保。

因此，使用透明刚性盖体15的有利之处在于，它能够将单元5构成为一个尺寸精密的单元式刚性件，同时保护反射器，从而延长该反射器的服务期。

图2A和2B示出了太阳能利用单元5的两个相应的示例性设计5A和5B，除周缘形状之外它们是相同的。在单元5A中周缘形状为圆形，而在单元5B中为方形，单元5B的周缘形状能够更加有效地以阵列布置多个单元。在太阳能利用系统中，由于一次反射器7的凹面形状，单元5A和5B看起来都具有蘑菇状主体64，该主体可形成有支脚62，以利于以标准化方式安装该主体。支脚62可容纳图1所示的单元安装装置、电池保持部、和散热部的至少一部分。

图3示出了太阳能利用系统60的示例，该太阳能利用系统包括板8和安装至该板的多个单元5B的阵列。板8设有任何已知的跟踪机构(未示出)以跟随太阳。

板8还设有与所有单元的散热部的入口和出口连接的装置66和68，从而使冷却流体能够如前所示通过多个单元5B循环。冷却流体在从所述多个单元退出时还可用于任何适当用途。

根据本发明设计的多个单元可在需要时容易地单独替换，从而有利于系统的维护。

太阳能利用单元的一个问题是为由图1所示的作为接收器结构10B的一部分的光电结构11B产生的电力布线。为了解决该问题，对该系统进行了额外的改进。

接收器结构10B包括二次反射器9和棱镜30B。该接收器结构被接收在刚性盖体15内。

如图4所示，二次反射器9的背侧设有槽100。该槽100被定位成使其邻近棱镜30B的其中一个底边缘并与该底边缘平行。该槽的尺寸设定为接收引线102(如图6所示)。

如图5A所示，在刚性盖体15中，在供棱镜30B穿过而设的孔附近设置有两个开口104。所述开口位于与槽100的中央对应的位置，并且尺寸均设定为使引线102能够穿过。或者如图5B所示，孔105可以为圆形，并在棱镜30B附近留出供引线102穿过的足够空间，而不需要开口104。

如图6所示，在槽100内装配有两个引线102，每个引线的一端均露出。每个引线102在槽100的中部附近在与其中一个开口104对应的位置处弯曲。结合在一起的反射器9和棱镜30B在该棱镜穿过为其而设的孔105的情况下安装至刚性盖体15。引线102穿过开口104，如图7A和7B所示。

如图8所示，呈光电池形式的红外(IR)电路106包括若干安装在铝基底上并串联连接的GaSb电池108。两个铜带110从该红外电路垂直伸出并用作正引线和负引线。如图9所示，IR电路106安装至带散热片的铝盖112的底部，该铝盖用作散热器。该散热器的侧边缘114成斜面。

如图10A和10B所示，IR电路结合至棱镜30B的顶侧116。使用适当的结合剂，例如硅酮胶。该IR电路布置成使得所述铜带在棱镜30B的邻近槽100的侧面上向下延伸，从而使所述铜带接触引线102的端部。

如图11A至图11C所示，为了提高散热性，设置呈罐体118形式的附加筒形散热器。罐体118在一端处与铝盖112的侧边缘114对应地成斜面。在成斜面的边缘的其中一个或二者上放置导热环氧树脂，并将罐体118放置在铝盖112上。可以在罐体118的底部和刚性盖体15的顶部之间施加胶合珠(glue bead)120，如图11B所示。

应注意，虽然所述槽示出为线性，但也可以采用其它配置。例如，所述槽可围绕棱镜30B的角部弯曲90°，如图12所示。

根据本发明的改进允许这样布线，即：使引线位于刚性盖体的内部上，穿过与接收器结构相关并优选形成在该接收器结构内的部分，并沿着棱镜的与IR电路的一部分相接(meet)的侧面。

图13示出了本发明的一个实施例，其中将多个一次反射器7模制成单个反射器组件130。反射器组件130包括以诸如栅格的棋盘格状图案布置的一次反射器7。反射器组件130包括一个接收器部件10A，该接收器部件如上所述与各个一次反射器相关联。反射器组件130装配在封装件132内，并使用单个盖体15封装反射器组件上方的容积。盖体15包括数量与一次反射器7的数量相等的二次反射器(未示出)和接收器部件10B，它们布置成使得各个一次反射器7的焦点与对应的二次反射器的焦点F2重合。

反射器组件130与封装件132之间的界面以及盖体15与封装件之间的界面被密封，从而在期望时允许如上所述用惰性气体填充限定在反射器组件与盖体之间的容积。

通过将多个一次反射器模制成单件，降低了制造和组装的成本。通过由单件形成用于所有一次反射器的盖体也降低了这些成本。

应理解，可以采用其它构造的棋盘格状图案，例如蜂窝图案等等。

根据一个修改例，单元5设计成使得一次反射器可耐受由于从二次反射器反射到一次反射器的表面上的一些聚集光而可能产生的热。这可以通过使各个一次反射器7包括中央带孔(未示出)的塑料基座134而实现，如在图14A至14C中相对于参照图13所述的实施例所示。所述孔比接收接收器部件10A所必需的孔大。紧邻所述孔定位有与该孔同心的架部(shelf)135(仅在图14C中可见)。所述塑料选择成使得可以通过任何传统方式(例如，在真空室腔内的汽相淀积)在塑料上镀银或其它任意反射材料。

设置曲面金属盘136以完成一次反射器7的表面。盘136的尺寸设定为使其外周138与架部135的外周140相匹配(在图14C中最佳可见)。基座134和盘136形成为使得它们的相应上表面142a、142b如上所述共同配合以形成构成一次反射器的连续表面。

通过按这种方式制造一次反射器7，反射器的大部分可利用塑料，这可通过更加简单廉价的工序制造反射器。而且还使单元的整体较轻。由于被二次反射器9反射的一些聚集太阳能会因为某种原因而未准确导向接收器部件10A的非成像聚集器，因而接收器部件10A附近的区域可能会变得很热。因此，设置金属盘136以耐受在该可能事件中产生的热，从而不会中断单元5的正常工作。

虽然提供了与参照图13所述的实施例一起使用的以上实施例的示例，但应注意不因此而进行限制，而是可应用于根据本发明设计的任意太阳能单元。

应理解，存在多种可根据本发明构想的太阳能利用单元和太阳能利用系统，而以上描述仅是说明性的。因此，在作出必要变更的情况下，可以以多个方面实施所述太阳能利用单元和太阳能利用系统，这落入本发明范围内。