[发明专利]用于太阳能设备的太阳能跟踪器

说明书

背景技术

1.技术领域

本申请一般地涉及太阳能领域，尤其涉及增加太阳能系统的能量输出。

2.相关背景技术

可再生能源愈发被看作是在降低温室气体排放和对化石燃料的依赖性的同时满足日益增长的能量需求的解决方案。政府的能源政策、可再生能源技术的进步以及增加的投资已经促成了众多各式各样的可再生能源技术的快速增长。

太阳能设备是可再生能源领域中一个增长最快的分支。例如，并网光伏(“PV”)太阳能设备在2004至2009年之间以平均60％的年率增长。单在2009年，全球就增加了估计7GW的并网PV能力。正在使用或开发的其他太阳能技术包括集中式太阳能发电(“CSP”)、太阳能热水加热系统、太阳能食物烹调器、太阳能作物烘干器、太阳能蒸馏器和海水淡化器等。

成本是可再生能源安装的主要驱动力。具体地，可再生能源典型地每瓦特比包括煤和天然气的化石燃料能源昂贵。与诸如太阳能的可再生能源相关联的主要成本是初始资本成本和维护成本。虽然诸如光伏之类的某些太阳能技术的成本归因于技术进步以及生产规模和完备性的增加而正在下降，但是太阳能通常仍然无法实现与化石燃料能源等价的成本。

在太阳能系统中，效率是该系统可用能量输出的重要方面。例如，商用PV电池典型地具有小于20％的入射太阳能转换效率。影响太阳能发电的其他因素包括安装地点处入射太阳能的量以及太阳辐射在太阳能系统上的入射角。

为了增加效率，众所周知可在整个白天将太阳能设备定向在太阳能量最大暴露的方向上。这一被称为太阳能跟踪的定向控制相比于固定定向太阳能设备能够在整个白天增加约20-40％的能量输出。太阳能跟踪器通常用单个轴或使用双轴来跟踪太阳的运动。单轴跟踪器具有一个转动轴，其可以水平、竖直、或相对于水平以某一角度倾斜定向，其中倾斜角通常基于安装的纬度调整。双轴跟踪器能够在水平和竖直两个方向上跟踪太阳，并且由此为太阳能系统提供最优太阳能输出。然而，基于单轴跟踪太阳的运动以约30％的输出增加提供了优于固定定向的最大益处，而附加轴跟踪仅提供另外约6％的能量输出。

太阳能跟踪通常由主动或被动控制系统实现。主动太阳能跟踪器使用传感器或预定数据找出太阳的当前位置，并且主动地定向太阳能设备以使其面向太阳(例如，使用马达、齿轮和计算机)。虽然主动跟踪器可以使用已知的太阳位置来定向并且因此不太会经历由于太阳波动(例如，经过云等)而引起的不准确性，但是它们通常在初始安装和维护成本两方面上都很昂贵。

被动太阳能跟踪器不使用马达来定向太阳能设备。一种商用的被动太阳能跟踪器使用太阳的能量将挥发性液体从位于太阳能电池板一侧上的罐移动至该太阳能电池板另一侧上的罐，这随后允许通过重力来定向该电池板。这一技术是昂贵、不准确、易于受阵风干扰的，并且需要大的液罐来定向大的太阳能系统。此外，这一类型的系统在一天结束时朝西，并且无法在夜间重定向至朝东。因此，液罐太阳能跟踪器需要在清晨太阳升起之后花费时间来使其重定向至朝东。当前，主动和被动太阳能跟踪器两者都是太阳能系统中的可观成本部件。出于这些原因，许多太阳能安装是固定定向并且不使用太阳能跟踪器。

发明内容

本发明的实施例一般地涉及使用热致动在整个白天跟随太阳运动的太阳能跟踪器。太阳能跟踪器通常包括收集器，该收集器在大致位于其焦点或聚焦区域处的接收器上会聚太阳辐射。接收器吸收会聚的太阳辐射并且加热热膨胀介质。由该热膨胀介质引起的液压力使收集器围绕转动轴转动，使得收集器在整个白天领先太阳的运动。收集器的转动还使太阳能设备转动，使得太阳能设备在整个白天通常面对入射的太阳辐射的方向。在各种配置中，通过重力和/或机械弹簧力提供太阳能跟踪器至初始位置的返回，使得其在下一天开始时朝东。

根据符合各实施例的一个方面，所述太阳能跟踪设备包括：可转动地耦接至转动轴的太阳能收集器(例如，抛物线槽等)；具有中心轴的太阳能接收器，所述太阳能接收器相对于所述太阳能收集器布置，使得所述中心轴大致处于所述太阳能收集器的焦点所在地；以及与所述太阳能接收器热连通的介质。所述介质的膨胀致使所述太阳能收集器围绕所述转动轴转动，使得所述收集器的所述光轴在太阳行进方向上转动。该介质可以是相变材料或热膨胀介质。例如，所述介质可以是在预定温度处经历从固相到液相的相转变的诸如固体石蜡的相变介质。