[发明专利]太阳能采集机

说明书

本申请要求2007年6月29日提出的申请系列号为NO.11/824,177， 名称为“太阳能采集器”的美国专利申请的优先权，该申请的全部内容包 括在这里供参考。

技术领域

本发明涉及一种太阳能系统，特别是涉及一种用于把太阳辐照转换为 更有用的能量形式：电能或者热能、或热能和电能的发电厂。

背景技术

本发明所涉及的这种类型的用于采集太阳辐照的系统已经在不容易 获得电力或者公用电站的遥远地区使用。然而，本领域的技术人员将容易 地理解本发明更广泛地涉及太阳能转换系统，无论这种有用的能源是电能 还是热能，都不考虑它的最终用途。即使本发明已经被如此广泛的应用， 下文将本发明作为电能源、和用于加热和空气调节的热能源，这两种能源 都可用在居住或者办公建筑物内。

过去，最广泛使用的用于采集太阳能的太阳能转换器已使用了大量安 装在固定的平面框架上的光伏电池，这有时被称为“平板”或“整体太阳 （one-sun）”结构。为提高可用太阳能的收集，采用众所周知的方法定位 平板。已知，如果太阳能垂直落到太阳能转换电池的表面上，能量转换值 最大。对于地球上特定的地区的固定位置，太阳能平板的姿势和仰角在全 年的太阳日中将提供已知的最大太阳能转换值，-即，每天产生的瓦特时 数量。

然而，考虑到全年太阳的不同位置，对于可用的发电厂所需要的在固 定平板上的光伏电池的数量如此大，以致于对于传统的商业用途，太阳能 转换系统过于昂贵。通过设置一个电动机，在太阳白天的运行中驱动平板 指向太阳，提高了平板的性能。通过在跟踪装置上设置电池阵列，提高了 整体太阳（one-sun）收集器的能量采集能力。然而，为提供足够的风阻力， 需要沉重的框架和支撑结构。通常，跟踪结构需要昂贵的固定或者基础结 构。这更进一步增加了这种系统的制造、安装和维修成本。暴露于自然环 境下导致的侵蚀，是最频繁的系统故障原因。

由于更高效太阳能电池的连续世代的发展，更进一步提高了太阳能转 换效率：目前，阳光到电能的转换效率通常可以达到15%-40%。

通过汇聚阳光、驱动旋转对称的抛物面反射镜或直线抛物面槽跟踪太 阳的方向，实现了减少光伏材料成本的重大进步。现在，对于缺少或远离 常规能源或者其他缺少政府补贴的偏远地区，跟踪太阳能集中器提供一种 潜在成本效率接近太阳能发电的唯一方法。

众多利用单光圈集中器，诸如已经教导的抛物面盘或抛物面槽跟踪太 阳的方法，以及众多其他方法已经说明了共同跟踪低光圈和群组可变形辅 助光圈的使用。这些方法通常涉及到使用机械连杆、齿轮、链条和链齿轮 驱动，除了由于侵蚀和磨损导致的一般故障以外，至多这些方法通常受到 指向错误，并因此通过风压、齿轮的后冲、和指向分辨率的影响，因而降 低汇集效果。

在理想的集中器中，太阳的图像将精确地反映到最小的光电池阵列中。 太阳角大小为1/2度：因而如果这种集中器的跟踪误差为1/2度，将不能 捕获入射的太阳能。

在全部情况中，由于太阳能产生的电能的价值与集中器结构、驱动设 备和光伏电池自身的分期付款总成本相比的相对差距，严重地限制这些连 续创新的商业实用性。通常，投资的回报时间超过设备的设计寿命。

部分地因为光电池的成本，其他人已经尝试转换阳光直接加热工作液 体。一般用太阳能热水提供家庭热水，利用循环水通过黑色吸收管的简单 屋顶阵列可以获得太阳能热水。今天可以进一步利用太阳能加热来驱动利 用可冷凝液体的吸收空调或制冷单元，具体地用于冷却循环的干燥或退吸 部分。很少用太阳能集中器蒸发工作液体来运行发电机，例如通过Rankine 或Stirling循环发动机。在这些实例的任何一个中，到设备的使用寿命结 束，通常投资的纯经济净利润大约为零。

因而，太阳能发电厂的一个重要方面是它的成本效率：即考虑采购、 移送、安装、维护、燃料、预期寿命等等总成本，与太阳能发电厂将取代 的公用电站的市场价值相比。