CN101189480A - 太阳能集中器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种窗式单元，其包括：至少一个透明块片；围绕所述至少一个透明块片的周边的框架(130)；至少一个可转动的、线性且凹面的镜子(110)，所述镜子至少部分地延伸过所述框架；和至少一个能量转换装置(120)，所述能量转换装置至少部分地延伸过所述框架，其特征在于，所述单元布置成：入射到所述镜子上的基本平行的辐射线被反射到所述能量转换装置上。

Description

太阳能集中器
技术领域
[01]本发明涉及太阳能集中器。
背景技术
[02]矿物燃料的消耗和对温室气体排放的关注已经促使科学家们去研究替代能源。近年来已经被集中研究过的一个方案是利用太阳辐射来发电。
[03]传统的太阳能电池板很昂贵并且在一太阳集中度(one sunconcentration)下的工作固有地效率很低。因此，需要宽大且昂贵的太阳能电池板来产生有用数量的能量。
[04]近年来，太阳能集中器已经被研制，其中，系统利用镜子将太阳辐射集中到光电池上。这类所集中的辐射线给每电池单位面积提供更高的功率输出。然而，聚光器太阳能电池很昂贵。另外，这类系统经常与追踪系统结合以允许镜子追踪太阳，从而增加了系统的复杂性和成本。这类系统通常是精密的并且由于被自然环境损坏和磨损而需要定期检修。
[05]人们认为，提供一种制造相对便宜、可以利用较低的技术生产方法来大批量生产、在电力产生中有效的且足够通用于集成到住宅或办公室以及作为独立装置集成在偏远地方的太阳能集中系统是有益的。这类系统也应该耐磨并且不需要定期检修。
发明内容
[06]本发明的实施例提出一种包括框架和透明块片的窗框单元。这类实施例包括至少一个可转动的凹面的镜子和至少一个能量转换装置，所述镜子被定位在块片内部并且至少部分地延伸过所述块片，而所述能量转换装置至少部分地延伸过所述块片。所述单元适配成：入射到镜子上的基本平行的辐射线被反射到能量转换装置上。能量转换装置可以被定位在块片外面，或被定位在玻璃窗格条内，在此所述块片(pane)由多个玻璃或其他透明材料的带块形成。优选实施例包括双层玻璃单元，其中镜子被定位在块片之间。这类实施例具有保护镜子和活动部件不受自然环境影响的优点。因此，既然镜子和活动部件无需承受自然环境的影响，所以可使用便宜的镜子和部件。这类实施例可以被集成到墙壁和屋顶中，或在遥远及无屏障的地点用作独立装置。
[07]本发明更进一步的实施例通过使用线性凹面的镜子将入射的辐射线反射到包括透镜和能量转换装置的辅助光学装置上，来集中基本平行的太阳辐射线。该辅助光学装置具有用于捕获所反射的辐射线的一孔口，并且进入所述孔口的辐射线被引导到能量转换装置上。所述镜子可转动到不同位置，以追踪太阳并将入射的辐射线反射到所述孔口中。这类实施例具有这样的优点：所述辅助光学装置进一步放宽对于镜子要在所有转动角度具有共同焦点的要求，并且在辅助光学装置中的引导透镜既能增加太阳辐射线的集中度，也能方便使用小的能量转换装置。这两个优点降低了制造成本。
[08]本发明在其不同方面被限定在所附的应参照的权利要求中。
附图说明
[09]下面参照附图来详细描述本发明的实施例，其中：
[10] 图1是本发明实施例的视图。
[11]图2是本发明实施例中使用的单个镜子及辅助光学装置的光学布置的截面视图。
[12]图3图示了在一天的日出和日落之间的不同时间太阳辐射线的入射角。
[13]图3a图示了处于倾斜角度的入射辐射线的反射角。
[14]图4图示了具有反射凸起体的镜子。
[15]图5a、5b和5c是本发明实施例中使用的辅助光学装置的视图。
[16]图6图示了用于本发明实施例中的多个光电池的连接。
[17]图7a、7b和7c图示了用于本发明实施例中的辅助光学装置的布置。
[18]图8图示了用于本发明具体实施例中的光学装置的尺寸。
具体实施方式
[19]图1是本发明第一实施例的视图，其被设计成将例如来自遥远辐射源如太阳的基本平行的辐射线引导并集中到光电池上，以便产生电力。图1的实施例的尺寸与窗式单元的尺寸相似，并具有框架130和第一及第二透明块片。图1的实施例包括延伸过所述框架宽度的多面镜子110。所述镜子将太阳辐射线反射到相应的光电池上。所使用的光电池至少部分地延伸过所述单元。光电池被定位在辅助光学装置120中。所述辅助光学装置包括光电池、透镜和散热器，所述透镜用于捕获反射的辐射线并用于将辐射线引导到光电池上，所述散热器与光电池热接触。
[20]镜子是凹面的并且线性地延伸过所述装置。它们以软百叶帘的方式加以布置，并且每一个都可绕平行于其长度的轴线转动，以便其能沿一轴线追踪太阳的运动以在白天跟随太阳的升起。该系统被设计成对于镜子的所有转动位置，都将入射的辐射线反射到辅助光学装置上。为了优化在白天通过该设备反射和捕获的辐射线，镜子按东-西向排列并且所述镜子在南-北向转动。
[21]本发明的优选实施例被设计成通过放置在窗框——或如屋顶上的、或如垂直壁中的天窗——中而被集成到建筑物中。这类实施例收集直射阳光并允许漫射光进入到建筑物中。在本发明的优选实施例中，框架是由市场上可买到的窗框冲压件制成的。镜子和辅助光学装置被支承在框架中并且延伸过框架的宽度。镜子和活动部件被定位在块片(pane)之间，以保护它们免受环境或其他的损害，并免受自然环境的影响。在图1的实施例中，辅助光学装置于外侧被定位到窗式单元并附着到块片的外侧。因此，辅助光学装置的散热器被带至与自然环境接触。
[22]本发明的优选实施例将镜子和活动部件定位在一封闭环境中，以避免镜子受自然环境的影响。因为镜子需要相对电池和太阳准确地定角度，并且另外，与风或雨的接触可能影响镜子的调整，所以这点就特别重要。另外，镜子表面应保持清洁以便最大化镜子的反射能力。还可以使用轻质和低成本的材料并使用更经济的生产工艺来实施实施例，在所述实施例中，镜子被保护免受自然环境的影响。这些特征的每一个都可以降低经济成本和使用周期的成本。另外，追踪、驱动、连接及镜子支承系统全部可以利用低价材料和部件来制造。
[23]反之，散热器应该被放置在凉爽的环境中。因此，通过与自然环境接触地定位，对散热器有利。本发明的优选实施例结合了通过将辅助光学装置定位在窗户外面、并将镜子及其他活动部件定位在窗户里面的这些益处。将未经处理的玻璃或有机玻璃用于这类布置是理想的，因为其保护镜子和活动部件不受自然环境的影响，同时不会阻止阳光到达所述镜子。
[24]透明块片可以衰减入射辐射。一般地，丙烯酸有机玻璃板(acrylicsheet)使入射到镜子上的太阳辐射降低约8％，但可将高透射涂层应用到窗玻璃上，以将该损失降低到小于2％。简单的未经处理的玻璃具有高达大约16％的衰减系数，但可通过使用低铁的镀膜玻璃来改善其光学性能。
[25]进一步的实施例可能不包括块片，但是反而通过框架支承镜子和辅助光学装置，或者具有单个块片，镜子和活动部件定位在其后面。图1的实施例可以包括支架以使装置独立，但如上所述，本发明的实施例也可以被集成到建筑物中。
[26]在本发明的优选实施例中，光电池被连接在一起以便提供单一的输出功率。
[27]虽然图1的实施例包括六面镜子和相应的辅助光学装置，但本发明的进一步实施例还可以包括单面镜子和辅助光学装置，或包括任何其他数量的镜子和辅助光学装置，这取决于设备的设计约束条件或所需的性能。
[28]现在参照附图详细论述本发明实施例的部件和进一步的设计要素。
[29]图2描述用于本发明实施例的基本光学布置。具体地说，图2图示了镜子和相应辅助光学装置的截面视图。镜子210是凹面的并且其截面是圆弧形的。进一步的实施例可以包括能够产生更高反射辐射集中度的抛物线形截面。镜子应该足够坚硬以便它不会沿其长度扭弯或弯曲，并且沿其长度相对于太阳和辅助光学装置保持一恒定的角度。
[30]镜子可以由铝板压制而成。一般地，压制形状应该考虑到一旦压制被解除后材料的“回弹”。然后，可以将镜子涂覆上反射材料以增加对辐射的反射。理想地，应该选择具有至少90％反射效率的材料。优选实施例包括具有由覆盖在铝基片上的VM2000(由3M制造)制成的反射面的镜子。
[31]在所述实施例中，镜子被定位在一个透明块片的后面或被定位在一对块片之间，并且因此被保护免受自然环境的影响，这类实施例的优点是可以使用一般的塑料镜子，而所述一般的塑料镜子是成批生产以用于室内荧光照明系统的。这类塑料镜子包括棱柱膜结构。这类镜子对于屋外的用途不够耐磨，但是适合用在将所述镜子保护免受自然环境影响的实施例中。塑料镜子与设计用于屋外用途的更坚固的镜子相比，提供了便宜的部件。
[32]镜子将入射到该镜子上的太阳辐射线220朝辅助光学装置230反射。镜子可绕平行于其长度的轴线转动，它被定位在连接镜子210表面上的曲率中心A(抛物面镜的顶点)至辅助光学装置240的中心点S的线R上。镜子是如何转动的例子包括：在适当的位置上相对于框架枢转，或以典型的软百叶帘的方式从辊子上垂挂下来。当在白天太阳改变其仰角时，镜子转动以追踪太阳并继续将入射的辐射线反射到辅助光学装置上。选择镜子相对于辅助光学装置的位置、镜面的曲率和镜子的转动轴线，使得当镜子在其极限转动角之间转动时，它继续将入射的太阳辐射反射到辅助光学装置230上。在本发明的优选实施例中，转动轴线靠近镜子本身。镜子的极限转动角应该足以在白天的至少中间六个小时期间、甚至在冬至和夏至时，能将太阳辐射朝辅助光学装置反射。
[33]在夏至正午时，太阳与垂直方向的角度比观察太阳的所处地点的纬度的角度小23.5°。例如，在伦敦(纬度为51.5°)所述角度为28°。在冬至正午时，太阳角度比观察太阳所处的纬度大23.5°。例如，在伦敦所述角度将为75°。在夏至和冬至，为了在正午前后几个小时捕获太阳光，所述角度应相应地减小、增加至少12°。要求镜子转动以覆盖那些极端位所通过的角度，根据转动轴线处于镜子、辅助光学装置还是处于这两者之间的某点而变化。
[34]辅助光学装置230包括透镜240、位于透镜后面的光电池260和散热器250。辅助光学装置具有宽度为y的孔口，并且接收入射到该辅助光学装置上并落入所述孔口中的辐射线。构造所述辅助光学装置并定位所述透镜，以便通过所述孔口进入该辅助光学装置中的任何辐射线都被引导到光电池上。理想地，辐射线应该以均匀的集中度沿整个光电池表面入射到该光电池上。与相同数量的光子集中在电池的很小面积上从而产生没有在电池表面上均匀分布的局部高集中度的情况相比，所述布置产生更少的电池热量。因此，透镜的优选实施例是用于扩散入射的辐射线，以在电池的整个表面上提供均匀的入射辐射集中度。依靠镜子将辐射集中到电池上而无辅助光学装置的实施例会在电池表面非常局限的面积上产生非常集中的聚焦线，这降低了电池的效率。
[35]按与散热器250热接触地放置光电池。本发明的实施例使用合适的粘附剂，例如Chomerics Thermattach带。在本发明的优选实施例中，辅助光学装置和被包含的光电池沿所述单元的整个宽度在相应镜子的相对面运行。
[36]图2图示了穿过镜子和辅助光学装置的典型剖面。尽管实施例在任何部件中可能包含断裂或间隙，但是显然镜子、透镜和散热器沿所述单元的宽度延伸。
[37]针对镜子相对辅助光学装置的所有可能的转动角，选择镜子与辅助光学装置的定位与镜子的曲率，以使入射到所述镜子上的最大数量的辐射线能被反射到辅助光学装置中，并且因此被引导到光电池的表面上。一般地，实施例应该捕获至少80％的反射辐射。因此，镜子的曲率、镜子和辅助光学装置之间的距离、光学装置的孔口的尺寸与镜子的转动中心全部作为互相关联的设计参数。
[38]用于在不同转动位置将入射的辐射线反射到辅助光学装置上的镜子表面和入射辐射线之间的最佳角度将取决于转动轴线和镜子的曲率。然而，当转动轴线接近镜子时，镜子中心的平面法线应该等分在镜子表面上的曲率中心A和太阳、与镜子表面上的曲率中心A和辅助光学装置的中心S之间的角度。
[39]按与窗式单元尺寸匹配的尺寸来设计的本发明的实施例要求浅的深度，即，在双层玻璃窗的块片或单层窗或镜子之间存在窄的间距。在这些情况中，镜子应该具有约80毫米的焦距。
[40]辅助光学装置的有限的孔口宽度y——在其内部捕获所反射的辐射线——放宽了要镜子在所有转动角其焦点具有相同物理位置的要求。而唯一的要求是辐射线要被反射到孔口中。通过使用具有有限孔口宽度的辅助光学装置而不是直接将辐射线反射到光电池上，来降低对系统的限制。特别是，只要辅助光学装置能捕获到可接受百分率的反射辐射，则对于不同转动位置可接受镜子的物理焦点发生改变。因此，对于镜子的不同转动位置可能产生彗差。如果镜子不绕其聚焦线转动，则会产生彗差，并可以优化该彗差的位置，使得对于镜子全部可容许的转动角，辐射线可被反射到辅助光学装置中。因此，设置具有用以捕获入射辐射线的孔口的辅助光学装置，可方便采用廉价的镜子，并且因此使系统的总成本降低。另外，所述辅助光学装置容许更廉价构造的追踪系统，所述追踪系统绕靠近镜子表面上其曲率中心的轴线转动所述镜子。对于给定集中度，所述辅助光学装置通常容许精度较低的追踪，或者对于给定追踪精度，其允许更高的集中度。因此，高集中度允许使用更小且因此更便宜的光电池。
[41]虽然具有透镜的实施例是优选的，但是备选实施例可以将辐射线直接反射到传热介质上而不需要透镜。
[42]本发明进一步的实施例可以利用输送传热介质的热管来替换所述光电池。所述热管可以使用蒸发及接着的冷凝来沿该热管将热量从光学系统转移走。另外，光电池可以由有源系统来替代，水通过该有源系统被泵送。这些布置中的任何一个都可以允许管中的传热流体达到足够高的温度以驱动涡轮机并发电。在热管的情况中，为了使温度达到最高，可以用薄真空管将所述热管包围起来。在这类实施例中，热管可以被包围在玻璃单元内部。
[43]在白天，太阳在天空中的位置水平地自东至西移动，并且增加和减小仰角。图3图示了对于从俯视图来看太阳相对一单元东-西向定位的水平路径的一实例，并且指出太阳和垂直于该单元的南-北向线之间的方位角。该方位角从日出(a)时减小到大约正午(b)时的零度，并且接近日落(c)时再次增大。变化的方位角、并因此变化的辐射线入射到镜子上的角度，改变了辐射线通过镜子反射的角度。如图3a所示，在日落和日出附近的时间，方位角最大，并且因此入射的辐射线300和镜子310的表面之间的角度最小。在这些期间，存在未被反射的辐射线照射的光电池部位322。因此，在这些期间，电池的工作长度将减小。为了在这些期间有助于将辐射线反射到电池的这些区域上，本发明的优选实施例包括反射凸起体，所述反射凸起体从镜子前部延伸并沿长度定位，以将辐射线向后反射到未被照射的区域上。在优选实施例中，所述凸起体呈盘状区部的形式，并基本垂直于镜子表面地延伸。这些凸起体在图4中图示为410。进一步的实施例包括定位在单元框架的内表面上的镜子，以将辐射线向后反射到镜子上。
[44]具有大方位角的另一个问题是：由于块片的折射率和通过透明块片的入射辐射的反射，使透明块片造成的辐射衰减增大。这些损失被称为余弦损失。因此，当方位角增大时系统的效率降低。
[45]为了最大化地捕获光线，系统应该在纬度角度向南倾斜。在多数纬度处，太阳上升和下落的位置处于远东和远西的位置上，从而由于余弦损失，捕获到极少光线。因此，实施例被设计成每天能有效地工作大约六个小时。
[46]图5a、5b和5c是穿过用于本发明实施例的辅助光学装置的三个不同实施例的截面视图。各实施例包括散热器500、500’、500”、透镜510、510’、510”和光电池520、520’、520”。按与电池热接触地放置散热器。辅助光学装置的所有实施例的重要特征是：被反射到该辅助光学装置中的辐射线被引导到光电池上。这可以通过透镜内部的全内反射实现，或通过借由散热器内表面的反射来实现。透镜或散热器越能准确地将入射的辐射线引导到光电池上，则在本发明中可以使用的光电池就越小。因为光电池占总成本的重要部分，所以减小光电池的尺寸是有益的，并且这可降低设备的总成本。另外，到光电池上的辐射集中度越高，产生的电流就越高。优选实施例扩散入射辐射，以在表面上实现均匀的集中度。
[47]图5a和5b的实施例具有包含透镜的散热器。这类实施例可以依靠入射辐射在透镜内部的全内反射，或依靠从散热器内表面的反射，或者依靠全内反射和从散热器反射的组合。在本发明的优选实施例中，散热器的内表面被上光或涂覆有高反射材料。在这种实施例中，选择散热器侧面的角度以便能将辐射线引导到电池上。优选实施例分别具有如图5a和5b所示的锥形侧面或曲线形侧面。透镜包含在散热器中的实施例的优点是保护透镜和光电池免受来自自然环境的损坏。这还降低了对清洁透镜的要求，并增加辅助光学装置的总的物理强度。
[48]在本发明的实施例中，镜子或绕聚焦线朝任一侧转动约36度，或绕靠近其几何中心的轴线朝任一侧运动约18度。散热器外部设计的目的是：当太阳位于中心线以上和以下36度之间时，使遮蔽损失减小到最小。因此，与等边三角形相似的形状使遮蔽损失减小到最小，从而散热器的最大表面积应该适配于该型廓内。
[49]对于散热器，考虑到其导热性，因而优选实施例使用铝挤压件，这是典型的电子学应用。另外，可以使用镁铸件。实际上，可以使用任何具有适当导热性的材料。在挤压不提供任何强度的某些实施例中，可以将散热器分开并将电池直接安装在散热器上，而无需破费地将散热器与电池电绝缘，但这对电池组的串联连接是必要的。
[50]优选的是，使用聚丙烯(PMMA)来制造透镜，但也可使用任何其他的具有合适性质的透明聚合物或玻璃。这类材料容易获得、便宜并且便于模制。再者，这些特性有助于降低设备的总成本。
[51]在图5a和5b的布置中，散热器简单地将热量消散到大气中。然而在图5c中，散热器500”是输送传热介质的热管，其被热连接到光电池520”上。用于制造管的典型材料包括铜，或如果使用在高压中则包括钢。在优选实施例中，管输送空气或水以降低系统的成本。在从光电池上吸收热量后，冷却剂可以被用来加热水。在该情况中，因为热管冷却电池，就不需要外界空气了，且因此可将辅助光学装置完全包围在玻璃窗内。在一备选布置(未图示出)中，散热器是有源系统即非闭路系统，通过该有源系统泵送水(或另一种流体)。在该情况中，水本身可以用作热水，或者可选地可利用水加热其他水。
[52]在优选实施例中，散热器沿光电池的长度延伸过框架的宽度。在进一步的实施例中，散热器可以被连接到设置在框架上的更远的散热器上，以便进一步提高从光电池中提取热能。
[53]本发明的优选实施例采用使用典型的一太阳能技术(one-suntechnology)和制造工艺的光电池。一太阳能电池被设计成在一太阳辐射集中度下工作。然而，由于通过本发明实施例产生的集中度(超过×10)，应该改进电池使其效率最大化。优选实施例采用Solartec聚光电池、BP电池或由BP太阳能公司研制的采用激光嵌入栅极技术开发改进的一太阳能电池(one-sun cell)。
[54]本发明的优点是可以使用按容量与批量生产的一太阳能电池相同价格的电池。一般使用具有精细栅极线的单晶硅电池，所述精细栅极线的间距很小并且不会引起对电池表面的过多遮蔽。栅极线丝网印刷也可能是合适的。另外，可以使用薄膜碲化镉电池。
[55]单晶硅电池的效率取决于温度。一般地，电池被设计成在大约25℃的环境温度下工作。当电池的温度升高到环境温度以上时，电池的效率降低。一般地，光电池经历每升高到环境温度以上1℃光电池效率降低约1/2％的完全线性的温度依赖关系。因此，重要的是确保尽可能有效地冷却光电池，以便优化电池的性能，并且因此散热器布置的选择是重要的设计考虑。在实践中，当需要热水时，电池可以被有效冷却到大约60℃的温度，这比电池正常额定温度效率要低约18％，但却能提供所需的热水温度。这被视为可接受的折衷，因为在某些地区，环境温度可高至40℃，因此60℃与这些温度相比在效率上进一步降低了10％。
[56]当位于一电池部位上的太阳辐射的集中度增加时，该电池部位的温度也升高。温度的升高引起效率的下降，从而，由于电阻的增大而导致电池温度的升高。该循环效应增加了散热器的重要性。特别是，在高集中度下工作的小光电池将产生很高的热能。散热器还可被连接到更远的散热器上，以便改善热能远离电池的传导。
[57]本发明典型的实施例是设计成在有效电压下工作，对于蓄电池充电，所述有效电压为约12或24伏，或对于栅极接线则更高。单个的硅电池产生稍高于0.5V的电压，并且然后可以将其并联或串联起来以提高电压或电流。该系统暴露在垂直于其表面的全部太阳光下的一平方米将产生约110瓦至150瓦的能量，这取决于电池、冷却和光学部件的效率。
[58]选择特殊的太阳能电池的另一考虑是在系统被设计运行的集中度下其能有效地工作。例如，本发明的实施例可被设计成产生比在光电池上的一阳光集中度高20倍或30倍的太阳辐射集中度。为了高集中度，设计成产生更高电流的电池如NAREC制造的电池是合适的。
[59]为了防止辅助光学装置部件的移动，可以加入在透镜和光电池之间的透明封装剂和光学连接件。另外，在透镜和透明块片之间也可加入一类似的光学连接件。尽管可使用任何一种合适的硅弹性体或其他合适的材料，但在本发明的实施例中，凝胶体是一种优选的封装剂。所述封装剂应是透明的并能维持光电池所经历的温度。将部件连接到散热器上的电子工业的通用方法可应用于将电池热连接到散热器，选择将取决于所要求的导电性或绝缘性。
[60]本发明的实施例被设计成将太阳辐射反射到辅助光学装置中。因此，在大多数实施例中，入射到镜子上的太阳辐射被自辅助光学装置后面引导。该设计布置意味着辅助光学装置将阻拦一些入射的辐射，并且因而阻止其到达镜子。因此，重要的是将辅助光学装置所阻拦的辐射最小化。另外，因为太阳相对于该设备移动而光学装置是静止的，所以当设计辅助光学装置时考虑到所有的入射角是很重要的。另外的考虑是设备所处的纬度，因为在不同纬度太阳的仰角将发生变化。设计成在不同纬度使用的实施例在不同锥形角方面加以优化。如果该系统倾斜、垂直于纬度角度，则对于不同纬度，在这方面差别将很小。但是，例如如果它在垂直的壁中，则需要辅助设备有不同的倾斜角及位置，以优化到电池上的入射。
[61]如上所述，在本发明的实施例——其中镜子或绕聚焦线朝任一侧转动约36度，或绕靠近其几何中心的轴线朝任一侧移动约18度——中，因此，与等边三角形相似的形状将使遮蔽损失减到最小，所以散热器的最大表面积应适配于该型廓内。
[62]另外，在考虑将被辅助光学装置阻拦的辐射时，应该考虑到孔口和辅助光学装置的物理尺寸。在使用小孔口和较大孔口之间清楚地存在设计考较，所述小孔口产生很小的覆盖区，但需要精确的镜子以便捕获大部分的反射射线，而所述较大孔口产生较大的覆盖区，但会省去对有精确镜子的要求。另外，当孔口的尺寸增大时，介于镜子和孔口之间的角度增大且因此降低对追踪精度的要求。再者，系统成本和所要求的输出功率将是确定辅助光学装置尺寸的要素。下面参照图8来提供辅助光学装置的尺寸和性能的实例。
[63]图6表示本发明一实施例中光电池610-650连接的原理电路图。光电池610-650延伸过所述单元并且如图6所示被并联连接。然而，在进一步的实施例中，电池可以串联连接。并联连接具有在电池上的不均匀照射不会显著降低全部电池输出的优点。相反，如果串联连接，则在电池上的不均匀照射将使全部电池组的输出降低到最少照射的电池的输出。如果是并联连接，当任何一个电池承受高电阻或断开连接时，则可绕过该电池，而不会像电池串联连接的情况那样显著降低其他电池的电流或性能。
[64]进一步的优选实施例具有穿过电池的电接线660。该方法进一步减小电池的尺寸，并且允许绕过更小的低效部分。
[65]特定电池的电阻可能因为许多原因而增大，所述原因包括电池变得过热，所述过热可能是由局部区域中散热器的问题所引起的。另外，电池例如由于外界破坏可能发生断路。某一特定电池可能比其他电池产生更少电流的其他原因是：如果一个电池接收入射辐射较少，这或是因为相关的镜子处于其入射辐射线被阻拦的位置，或者因为用于镜子的转动机构发生故障，并且不能使反射到光电池上的辐射数量达到最佳。
[66]本发明的优选实施例包括跟随太阳升高而自动转动镜子的追踪系统。正如以上所讨论的，镜子绕平行于该镜子长度的一轴线转动。在本发明的优选实施例中，驱动镜子转动的机构被连接到一时钟上。利用数据库程控所述设备，所述数据库确定将太阳相对设备的仰角作为时间的函数，并因此将镜子所需的转动角作为时间的函数。这类实施例实现起来相对简单，并且确保即使在白天太阳朦胧时，镜子也会继续跟随太阳的预定位置，并因而当太阳再次显露时被准确对齐。
[67]进一步的实施例结合标准开环或闭环的太阳追踪方法，或结合开环和闭环追踪方法，以使镜子在白天能追踪太阳。只要取决于时间的角度被正确程控，简单的时钟转动系统就可提供一种转动镜子的便宜且可靠的部件。
[68]本发明进一步的实施例包括一机构，在日落后镜子通过该机构返回到其起始位置。
[69]通过在框架上枢转镜子并且将各镜子的枢轴点连接到一齿轮系统，可实施用于转动镜子的所述驱动机构，其中所述齿轮系统接着被连接到驱动器上。另外，镜子能以软百叶帘的方式被悬挂，其中镜子在框架顶端从辊子悬垂下来，所述辊子转动以转动镜子。
[70]不包括追踪系统的系统实施例允许手动转动镜子。根据靠近至点的程度和所要求的集中度，移动可达到一天三次。在科研界，这是相当令人满意的，并且提供了易于维护和低成本的保证。为减少由于太阳昼间移动造成的余弦损失，可以将整个单元绕极坐标轴转动并且将其固定在三个位置。为了省钱，在印度对平板光电泵吸系统就是这样实施的。
[71]图7a、7b和7c图示了本发明不同实施例中的辅助光学装置和散热器的不同布置。在图7a中，辅助光学装置和散热器被附着到块片外侧。在这类实施例中，使用的粘附剂是透明的并且不会阻挡辐射进入透镜是很重要的。虽然必须准确地定位辅助光学装置以捕获从镜子上反射的辐射，但是本发明的这类实施例构造起来相对简单。
[72]在图7b中，窗玻璃包括一系列玻璃带块701、702，且辅助光学装置定位在玻璃带块之间。在该实施例中，散热器具有作为支撑窗体的玻璃窗格条的附加用途。另外，这类实施例具有反射的辐射在到达透镜之前无须穿过玻璃窗的优点。因此，消除了由于镜子和透镜之间的玻璃块片引起的任何衰减。另外，透镜被放置在封闭的环境内，并且因此被保护起来。另外，窗材料深度不大，且因此可以使用更薄的截面，结果节约了用料。在这类实施例中，虽然如果仍需要电池的并联连接，而在电池和散热器或者散热器的区部之间需要某种程度的电绝缘，但散热器能被用作玻璃窗格条。
[73]图7c的实施例使用特殊的模压玻璃或有机玻璃，以便透镜与块片成一整体。散热器被定位在模压玻璃的外部。使用分离的辅助装置使得模制和挤压更容易和更便宜，因为模制由于较薄的壁区而比制成为单一单元的辅助装置更快，并且装配也变得更容易，且系统的部件更少。
[74]图8图示了本发明具体实施例的一实例。镜子被完全包围在具有玻璃块片810和820的双层玻璃单元内。镜子830宽130毫米，且长1米。镜子表面上的曲率中心和辅助光学装置840之间的距离为15厘米。透镜850具有15毫米的孔口并在更窄的端部逐渐变细到7.5毫米。透镜的深度为15毫米。散热器860是由铝制成的，并被定位在玻璃块片820的外侧上。这类系统能够在光电池上产生×20的集中度。
[75]通过因玻璃块片产生的衰减值、被镜子反射的效率、及由辅助光学装置捕获并被引导到光电池上的反射辐射的百分比，来计算系统的总光学效率。假如玻璃的衰减系数为16％，入射到镜子上的辐射的91％被反射，且反射辐射的80％被引导到光电池上，则系统的总光学效率大约为61％。可以通过使用低铁镀膜玻璃来提高该效率。如上所述，光电池的效率大约为16％。因此，总的系统效率大约为10％。
[76]假如大部分昂贵的部件(即框架和电池)都是批量生产的，则预计作为独立单元的系统的总成本处于每平方米单位180美元的范围。这换算为2.02$/Wp。当建造集成单元时，假如收集器替换相等尺寸和性能的窗体，则系统的费用增加到1.27$/Wp。因此，本发明的实施例提供了一种对于太阳电池板的更便宜的备选方案，虽然效率较低。所描述的实施例仍然未被优化，并且利用不同尺寸的部件可以获得更高的效率。
[77]本领域的技术人员非常清楚本发明的主要优点是其用于结合到墙壁和屋顶的不同朝向中的通用性。定位在垂直壁上的单元工作更有效，但不允许镜子之间存在太多环境光线。然而对于欧洲型纬度，并入到水平屋顶中将允许大量的环境光线进入到建筑物。
[78]优选实施例具有另外的优点，所述优点是：受益于被定位在被保护环境内的所有部件被放置在封闭的环境内部，例如镜子和活动部件，而受益于处在暴露于自然环境的环境中的所有部件是暴露的，例如散热器。
[79]当系统的光滑面不垂直于纬度时，需要更宽的接受角度以不让任何直射阳光进入建筑物内。辅助光学装置应处于与光滑面相应的角度。
[80]本发明的实施例提供了一种装置，其通过以高集中度将太阳辐射集中到光电池上，以便以合理成本产生用于民用的适当功率级。实施例将太阳辐射反射到辅助光学装置上，该辅助光学装置将辐射线集中到光电池上。辅助光学装置消除了对高质量镜子的需求，所述高质量镜子通过提供一有限的孔口而具有精确焦点，辐射被反射到所述有限孔口中，然后被引导到光电池上。实施例能很容易地产生至少×8的集中度，但通过利用不同的部件和尺寸可以产生更高的集中度。本发明的实施例可以应用于许多不同的环境中，例如被结合到建筑物的各种不同的倾斜外表面中，或用作仅用于产生电力的独立单元。
[81]本发明的实施例可以替换建造物中的标准窗体，其不仅产生电力，还阻止直射阳光进入到建筑物的内部中，同时允许环境光线通到镜子之间。这类实施例有助于降低对建筑物内部冷却的需要，并且来自吸收体的任何余热也可以被用来加热水或产生通风。

Claims (20)

1.一种窗式单元，包括：
至少一个透明块片；
围绕所述至少一个透明块片的周边的框架；
至少一个可转动的、线性且凹面的镜子，所述镜子至少部分地延伸过所述框架；和
至少一个能量转换装置，所述能量转换装置至少部分地延伸过所述框架；
其特征在于，所述窗式单元布置成：入射到所述镜子上的基本平行的辐射线被反射到所述能量转换装置上。
2.如权利要求1所述的窗式单元，还包括至少部分地延伸过所述框架的透镜，所述透镜被定位在所述镜子和所述能量转换装置之间，其特征在于，所述基本平行的辐射线通过所述镜子被反射到所述透镜上，并且随后被引导到所述能量转换装置上。
3.如权利要求1或2所述的窗式单元，其特征在于，所述透镜分配所述辐射线，以在所述能量转换装置的表面上提供均匀的辐射集中度。
4.如权利要求1、2或3所述的窗式单元，还包括用于追踪辐射线相对所述窗式单元的入射角的部件、和用于将所述镜子转动到一位置以使得入射的辐射线被反射到所述能量转换装置上的部件。
5.如权利要求1、2、3或4所述的窗式单元，其特征在于，所述能量转换装置是光电池。
6.如权利要求5所述的窗式单元，还包括与所述光电池热接触的散热器。
7.如权利要求6所述的窗式单元，其特征在于，所述镜子被定位在所述透明块片的与所述透镜、光电池和散热器相对的一侧上。
8.如权利要求7所述的窗式单元，其特征在于，所述散热器被附着到所述透明块片，并且所述透镜和光电池被容纳在所述散热器内。
9.如权利要求1、2、3或4所述的窗式单元，其特征在于，所述能量转换装置是输送能量传递介质的管道。
10.如权利要求1至9中任一项所述的窗式单元，包括多面镜子，所述镜子穿过所述窗体被并联地排列，并且以软百叶帘的方式加以布置。
11.如权利要求1至8或10中任一项所述的窗式单元，其特征在于，所述镜子被定位在所述透明块片的与所述透镜、光电池和散热器相对的一侧上。
12.如权利要求1至11中任一项所述的窗式单元，其特征在于，各镜子在所述框架上被枢转，并且利用一系列齿轮来转动所述镜子，其中所述齿轮使所述镜子绕其枢轴转动。
13.如权利要求1至11中任一项所述的窗式单元，其特征在于，各镜子从辊子垂挂下来，并且随所述辊子的转动而转动。
14.如权利要求1至11中任一项所述的窗式单元，其特征在于，所述窗式单元包括两个呈双层玻璃结构的窗体，且所述镜子定位在所述窗体之间。
15.如前述权利要求中任一项所述的窗式单元，其特征在于，所述透镜与所述窗体集成为一整体。
16.如权利要求6所述的窗式单元，其特征在于，所述块片包括多个透明材料带块，所述透明材料带块被所述散热器分开，而所述散热器作为玻璃窗格条以支撑所述带块。
17.如前述权利要求中任一项所述的窗式单元，其适于被结合到建筑物中。
18.一种用于将基本平行的辐射线集中到能量转换装置上的仪器，包括：
至少一个线性凹面的镜子，所述镜子能绕平行于其长度的一轴线转动；知
接收器，所述接收器包括透镜和能量转换装置，
其特征在于，所述仪器布置成入射到所述镜子上的辐射线被反射到所述透镜上，并且随后被引导到所述能量转换装置的表面上。
19.一种用于将基本平行的辐射线集中到能量转换装置上的仪器，包括：
至少一个能量转换装置；
至少一个线性凹面的镜子，所述镜子能绕平行于其长度的一轴线转动，并且定位成所述镜子能转动以把入射的辐射线反射到所述能量转换装置上；
用于追踪辐射线相对所述仪器的入射角的部件，和
用于将所述镜子转动到一位置以使得入射的辐射线被反射到所述能量转换装置上的部件。
20.如参照附图基本在此所描述的一种窗式单元。
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