太阳能到电能和/或热能的转换制造技术

本发明专利技术涉及一种太阳能到电能和/或热能的转换。抛物线形主反射镜(10)具有凹镜面表面(12)，其被构造并定位以接收太阳能并将太阳能聚焦于焦点。具有凸镜面表面(16)的副反射镜(14)被构造并定位以接收来自主反射镜的已聚焦的太阳能并将该太阳能聚焦于环形接收器(18)。环形接收器(18)可包括光学元件(100)的环形阵列，其被构造用以接收来自副镜面表面(14)的太阳能并将其聚焦到离散区域的环上。太阳能到电能转换单元环被定位在离散区域的环上。太阳传感器允许精确的太阳追踪以保持反射镜系统与太阳对准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对太阳能到电能和/或热能的转换的改进。更具体地，本专利技术提供了一种反射镜和透镜/棱镜的系统，用于经济地聚集太阳能并将其转化为电能和/或热能。
技术介绍
三十多年来，太阳能已经成为理想的能源。然而，成本一直是其广泛应用的一个障碍。最熟知的太阳能系统包括覆盖足够的面积或截获足够的入射阳光的大量的太阳能电池，用于在百分之十到十五(10%-15%)的相对低的转换率的情形下获得需要的量的电力。这种方法需要大面积的昂贵的半导体太阳能电池。至今为止，如果没有某种成本补贴这种系统是缺乏竞争力的。通常，太阳能系统的昂贵的成本主要归因于被称为太阳能电池的半导体转换器件的成本和所需要的数量。已有几种方法用于减轻成本问题。一种方法是制造仅使用最少量的半导体材料的薄膜太阳能电池。遗憾地，这种方法产生了更低的效率，百分之六到八(6%-8%)并且材料被证实是存在问题的。第二种方法是使用诸如菲涅耳透镜或反射镜的多种光学器件，来将太阳能聚集成更高的强度并且之后使用较小面积的昂贵的太阳能电池将其转换。所有这些方法都已经并且正在被研究。至今，如果没有由公用事业或政府机构提供的某种财政激励，任何方法都没有导致经济的太阳能的产生。需要一种更经济的方式用于收集太阳能并将其转换为电和/或热能。本专利技术的主要目的就是满足这种需要。
技术实现思路
本专利技术的太阳能收集系统包括主反射镜和副反射镜。主反射镜具有被构造并定位以接收太阳能并将其朝焦点聚焦的凹镜面表面。副反射镜具有被构造并定位以接收来自主反射镜的已聚集的太阳能并将其聚焦于环形接收器上的凸镜面表面。在一个实施例中，环形接收器包括光学元件的环形阵列，其被构造以将被副镜面表面接收的太阳能聚焦到离散区域的环Oa ring of discreet areas)上。在本专利技术的一个应用中，太阳能到电能转换单元环被定位于离散区域的环上。在优选形式中，主反射镜的凹镜面表面是大致抛物线形。副反射镜的凸镜面表面是被改变用于将太阳能重新聚焦于环形接收器上的双曲线形表面。在优选形式中，环形接收器包括透镜/棱镜的图案，其被布置以进一步聚集太阳能并将其传递到光伏电池的环形阵列上。本专利技术还包括制造主反射镜和副反射镜的方法。它还涉及副反射镜与光学集中器之间和光学集中器与光伏电池系统之间的关系。光伏电池在系统中起到双重作用。它们吸收被聚集的阳光并将它的一部分转化为电能，和将一部分转化为热或热能。因此，它既作为电产生器又作为热产生器。为了有效地实现这两种作用，利用具有足够宽带隙的半导体材料制造光伏电池以在相对高的温度下保持有效的电转换。一般来说，半导体材料带隙越宽，光伏电池效率随着温度升高，衰减越少。取决于产生电和产生热的相对重要性，需要对考虑的应用进行折中。本专利技术的一个方面是提供一种由具有弯曲的镜面表面的薄金属主体构成的反射镜，所述镜面表面包括在所述金属主体表面上的聚合物层，在聚合物层上的反射金属层，和在金属层上的薄玻璃层。这种构造可被用于主反射镜和副反射镜。在优选形式中，反射镜的薄金属主体由铝合金片形成。尤其适合的合金为已经硬化到T-6状态的铝合金6061。薄金属主体被形成为所需形状，之后在聚合物层、反射金属层和薄玻璃层被相继施加到其上时进行旋转。在优选实施例中，副反射镜的镜面表面为凸表面，所述凸表面被制定形状以使其将其接收的光/热能反射并聚焦到环形聚焦区域上。 本专利技术的系统很好地适合于具有单和多串联结的宽带隙光伏电池。至今，由宽带隙材料制造的且处于多结配置的光伏电池的成本已经阻止其在陆地应用中的使用。本专利技术的集中器系统提供了极高的光强度并允许使用小的、经济面积的光伏电池。本专利技术包括一种高强度光伏电池的独特设计。基于两个原因这些电池具有独特、长且窄的有源区域是最佳的。首先，电池图案对应于由第三集中器透镜提供的照明图案。其次，电池图案提供把光致产生的电流传导出电池的很短的路径长度。在光集中下的光伏电池在低电压产生很大的电流。因此，电池中的任何串联电阻都会降低电压，其反过来，又降低了电池效率。通过以电导金属栅网(grid)的图案覆盖电池的有源区域的方式，来自高强度电池的电流被收集并被导出电池。栅网中的串联电阻与栅网长度成正比。基于这个原因，具有平行于电池长尺寸延伸的电力母线的大而窄的电池设计允许必要的短导电栅网。如将在下文中所述的，本专利技术包括独特而有利的光伏电池结构和这种电池的图案。本专利技术的太阳能转换系统是独特的，因为它将太阳能以有用的温度的热水的形式转化为热能，而同时将太阳能功率高效率地转化为电力。在本专利技术的系统中，被集中的太阳能首先被光伏电池吸收。因为光伏电池由宽带隙半导体材料制成，光伏电池将吸收的一部分能量转化为电能，即使在升高的温度下，宽带隙半导体材料也可以保持高的效率。本专利技术提供一种由独特太阳传感器构成的传感和控制系统，其向微型计算机提供太阳位置信号，微型计算机处理信息并且向齿轮马达发送控制信号，所述齿轮马达驱动集中器和以+/-0. I度的精度保持集中器对太阳锁定。本专利技术的微型计算机系统进一步用于在夜间关闭系统并定位主反射镜以面朝地，在早晨启动系统并且采集阳光，监控光伏电池的温度和如果电池过热时驱动集中器离开太阳，监控风速并且如果风速超过阈值量则旋转集中器反射镜为面向下(相对风侧立)。本专利技术的其它目的、优势和特征将通过下文阐述的描述、从附图和体现在被显示和描述的具体结构中的原理，而变得显而易见。附图说明在附图的几个视图中，相同的参考标号和字母表示相同的部分，并且，图I是本专利技术一个实施例的示意截面视图2是图I中的边缘部分的局部放大视图，这种视图示出薄金属反射镜主体、在主体上的聚合物层，聚合物层上的反射金属层以及金属层上的薄玻璃层；图3是本专利技术的具有阳光聚集部件、电学部件、热学部件和控制部件的整个系统的框图；图4是温度对时间的图，示出淬火6061铝合金的时间/温度特性；图5为屈服强度(yield strength)对冷却速度的图，示出作为淬火参数的函数的6061铝合金的相对强度；图6是涉及在主反射镜的抛物型表面上旋涂平滑的聚合物涂层的外力的图表；图7是真空沉积腔和离子辅助沉积元件的示意图； 图8是双曲线的图表，示出其几何轴线和示出在轴线的一端处的实焦点以及在轴线的相对端处的虚焦点；图9是与图8类似的视图，但示出双曲线以及从几何轴线的原始位置倾斜角度I的几何轴线，并且示出从点a到点h延伸的双曲线的一部分；图10是结合图8和图9的视图，并且示出经过圆形路径的被旋转的双曲线部分a-b的实焦点；图11是通过围绕新的几何轴线￡-￡旋转双曲线部分a-b形成的三维形状的视图；图12是涉及在副反射镜的双曲线形表面上旋涂平滑的聚合物涂层的外力的图表;图13为与副反射镜隔开的透镜/棱镜组件的横截面视图；图14是玻璃透镜/棱镜元件的圆形排列的示意图，元件中的一个被显示从其在阵列中的位置向上移动；图15是透镜/棱镜元件中的一个的放大侧视图；图16是图14中的透镜/棱镜元件的端视图；图17是图14和图15所示的透镜/棱镜元件的俯视图；图18是包括四个图I所示的太阳能收集系统的一个系统的电学部件的示意图；图19是在非常高的光强下有效率地运行的独特的光伏电池的平面图；图20是图19所示的光伏电池的圆形排列与电池互连件、保护性二极管、在铜叠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光能收集系统，包括：主反射镜，所述主反射镜具有凹镜面表面，所述凹镜面表面被构造并定位以接收光能并将朝焦点聚焦光能；和副反射镜，副反射镜具有凸镜面表面，所述凸镜面表面被构造并定位以接收来自所述主反射镜的已聚集的光能并且将该光能聚焦到环形接收器上。

【技术特征摘要】
2007.01.08 US 11/650,7391.一种光能收集系统，包括 主反射镜，所述主反射镜具有凹镜面表面，所述凹镜面表面被构造并定位以接收光能并将朝焦点聚焦光能；和 副反射镜，副反射镜具有凸镜面表面，所述凸镜面表面被构造并定位以接收来自所述主反射镜的已聚集的光能并且将该光能聚焦到环形接收器上。2.如权利要求I所述的光能收集系统，其中，所述环形接收器是被构造为将从所述副镜面表面接收的光能聚焦到离散区域的环上的光学元件的环形阵列。3.如权利要求2所述的光能收集系统，其中，光-电转换单元的环被定位在所述离散区域的环上。4.如权利要求I所述的光能收集系统，其中，所述主反射镜的凹镜面表面是大致抛物线形。5.如权利要求I所述的光能收集系统，其中，所述副反射镜的凸镜面表面是大致双曲线形。6.如权利要求2所述的光能收集系统，其中，所述光学元件包括透镜。7.如权利要求2所述的光能收集系统，其中，所述光学元件包括棱镜。8.如权利要求I所述的光能收集系统，其中，所述环形接收器是适于将所述光能转化为热能的主体。9.如权利要求I所述的光能收集系统，其中，所述环形接收器适于将所述光能转换为电能。10.如权利要求3所述的光能收集系统，其中，所述光-电转换单元是光伏电池。11.如权利要求3所述的光能收集系统，其中，所述光-电转换单元被连接在一起。12.—种太阳能收集系统，包括 框架； 主反射镜，由所述框架支撑，所述主反射镜具有被构造并定位以接收太阳能并将其朝焦点聚焦的凹反射镜表面；和 副反射镜，由所述框架支撑，所述副反射镜具有被构造并定位以接收来自主反射镜的已聚焦的太阳能并将其聚焦到环形接收器上的凸反射镜表面，所述环形接收器被所述框架支撑。13.如权利要求12所述的太阳能收集系统，其中，所述环形接收器是被构造为将从所述副反射镜表面接收的太阳能聚焦到离散区域的环上的光学元件的环形阵列。14.如权利要求13中的太阳能收集系统，其中，太阳能至电能转换单元的环被定位在所述离散区域的环上。15.如权利要求12所述的太阳能收集系统，其中，所述主反射镜的凹镜面表面是大致抛物线形。16.如权利要求12所述的太阳能收集系统，其中，所述副反射镜的凸镜面表面是大致双曲线形。17.如权利要求12所述的太阳能收集系统，其中，所述环形接收器是适合用于吸收太阳能并将太阳能转化为热能的主体。18.如权利要求13所述的太阳能收集系统，其中，所述光学元件是透镜。19.如权利要求13所述的太阳能收集系统，其中，所述光学元件是棱镜。20.如权利要求12所述的太阳能收集系统，包括用于可调整地安装所述框架以便于移动的装置，以保持所述主反射镜指向太阳。21.如权利要求20所述的太阳能收集系统，其中，所述框架定位装置包括方位调整装置和高度调整装置。22.如权利要求20所述的太阳能收集系统，包括定位装置的控制装置，其包括响应于太阳位置的传感器装置，用于保持所述主反射镜朝向所述太阳。23.—种反射镜,包括 具有弯曲的表面的薄金属体； 在所述弯曲的表面上的聚合物层； 在所述聚合物层上的反射金属层；和 在所述金属层上的薄玻璃层，所述层为所述反射镜提供了镜面表面。24.如权利要求23所述的反射镜，其中，所述薄金属主体由铝合金片形成。25.如权利要求23所述的反射镜，其中，所述薄金属主体由被硬化到T-6状态的铝合金6061片形成。26.如权利要求23所述的反射镜，其中，所述弯曲的表面是凹表面。27.如权利要求26所述的反射镜，其中，所述弯曲的表面是大致抛物线形表面。28.如权利要求26所述的反射镜，其中，所述弯曲的表面是凸表面。29.如权利要求26所述的反射镜，其中，所述弯曲的表面是大体双曲线形表面。30.一种反射镜,包括 片状金属主体，被形成为在一侧上为凸形且在另一侧上为凹形，所述主体具有镜面表面，所述镜面表面被形成在其侧面中的一个侧面上，通过以下方式 在所述侧面上...

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉·E·赫尔尼，马克·D·摩根，
申请(专利权)人：艾德泰克有限公司，
类型：发明
国别省市：