太陽輻射收集裝置的製作方法
2023-05-24 00:20:16 2
專利名稱：太陽輻射收集裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能收集裝置等的追蹤及保護。
背景技術：
在直接使用或轉換成電或其他可用形式能量之前，有必要用集中的方式經濟地收集太陽能。在地球表面太陽能的強度不高，大約每平方米1000瓦特。
因此，人們特別希望在使用前將太陽能集中至較高強度(通常用每平方米瓦特來表示或W/m2)，特別是在用太陽能電池將太陽能轉化為電能。用於轉換太陽能為電能的光電池相對較貴。集中入射的太陽能至較小的區域，從而可使用較小範圍內的成本較低的能量轉換電池。集中收集裝置的關鍵需求是通過系統儘可能地收集太陽能的手段，該系統在單位面積上的成本低且可通過繞一或兩個軸線轉動來追蹤太陽。
過去，已經使用過各種集中裝置。該類集中裝置包括折射集中裝置(透鏡)和更普通的弧形反射裝置(反射鏡)。該類集中裝置通常支撐於可動的結構上，藉此每天準確地追隨或追蹤太陽的移動。為了節約，用於追蹤太陽的系統必須儘可能的簡單和堅固耐用。目前追蹤方式要麼使用馬達和傳動裝置，或滑動液壓驅動裝置。這兩種追蹤方式增加相當的成本。由於追蹤移動通常要求所有的支撐件通過轉動的接頭來裝備，該轉動的接頭在狂風時易遭非常大的風力影響，因此與靜態非集中太陽能收集裝置相比，該類追蹤需求使得該類集中裝置結構更重更複雜。
用於集中太陽能的任何結構必須很好的被保護，以防止惡劣天氣條件下的疾風、冰雹及其他因素的影響。此外，通常最普通的需求是對轉化被集中的太陽能轉換為電能的裝置進行某種形式的冷卻。
在這方面最終最經濟的選擇是矽光電池，該矽光電池當其溫度上升時效率較低。如果不使用冷卻該電池的機構裝置，集中裝置的使用可能導致該電池在較高的溫度下工作，降低其能量轉換效率。
大多數目前設計的集中裝置使用非常結實的機械構件，以防止由於風力而引起的移動和損壞。此外，該集中裝置通常使用重的且結實的材料如玻璃，用金屬支撐反射元件，以保護該裝置不被風力、冰或冰雹所破壞。這種結構目前要麼成本非常高，要麼於戶外連續使用時非常易脆。
一種已用於保護反射集中裝置表面的方法是使用可膨脹、鍍鋁且具彈性的塑料膜作為集中反射裝置。該膜的形狀通過從一邊到另一邊的氣壓差來維持。該反射裝置在惡劣的天氣下能收縮。該反射裝置相對較便宜，但仍然易受來自疾風和紫外線光的破壞。此外，該反射裝置要求結實結構以支撐抵禦疾風的活動部件。
另一種已用於保護集中裝置的方法是使用透射的拱頂或營造件來覆蓋保護整個太陽能集中裝置。這使活動的集中裝置的結構設計變得簡單。但是，由於保護結構而增加了成本，因此該方法有很小或沒有整體成本優勢。
尤門斯(Yeomans)的世界專利申請第93/09390號和美國專利第6,220,214號用臨時浸入水中的方法來保護反射集中裝置，其包括浮在水上的反射集中裝置，該集中裝置的空中焦點上設有熱能收集裝置。在不利的天氣條件下，該集中裝置通過限定周期使用泵可被浸入水中，來避免對集中裝置反射鏡面的破壞。這可通過用水充裝浮力容器而改變設備的絕對浮力來實現。當被浸入水中，該集中裝置不能作為太陽能集中裝置或能量收集裝置來工作。如果在關鍵時刻機構故障或失去支撐能力(並不是消極結實)，該集中裝置仍然可能在惡劣的天氣時被破壞。通過在水裡移動，該系統也可在方位角方向上實現追蹤移動(僅繞垂直軸轉動)。通過馬達、傳動裝置和槓桿，完成繞水平軸追蹤。
事實上，所有現有的集中收集裝置要求機構以處於特別受保護的位置來防止不利的天氣，因此在有機械或電故障時特別容易遭受破壞。
羅佛若斯科·內佛(Novorossiisk Naval)的俄羅斯專利第1430-927號揭示了一種將柔性透射袋漂浮在水裡來製成透鏡的概括性觀念，但是其沒有具體給出充裝該柔性透射袋的材料，沒有提供任何能量收集裝置或轉換裝置，沒有揭示裝置的尺寸比例，而且沒有建議追蹤方法。
發明內容因此，本發明的目的在於為太陽能集中裝置和收集裝置提供抗天氣條件和紫外線輻射的保護。
本發明的次要目的是為追蹤太陽能集中裝置提供簡單的機構追隨太陽，為太陽光能收集裝置提供冷卻，而且提供與以前可能做到的相比更輕的結構。本發明通過至少部分利用保護性的、冷卻和浮力的液體特性，該液體如瀉湖、水池、池塘、湖、水壩等中的水或其他液體，來實現這些目的。
為此，本發明提供用於收集太陽輻射的收集裝置，該收集裝置包括至少一個將電磁能轉換成另一形式能量的能量轉換裝置，至少一個接收電磁能且將該電磁能集中到該能量轉換裝置的集中裝置，其中該兩個裝置在工作時至少部分浸入同種液體中。
該液體優選為水。
該收集裝置的一種優選方式是該轉換裝置包括光電池。在本發明該實施例中，該光電池被密封件包住。
本發明的另一優選方式是該能量轉換裝置包括將入射的電磁能量轉換成熱能且被封在真空腔內的部件。
本發明的另一優選方式是該能量轉換裝置包括通過光化學反應器將入射電磁能轉化為儲存化學能量的部件，該光化學反應器使用二氧化鈦或可將水分離成氫和氧或可加強其他有用化學反應的其他光催化劑。
該集中裝置的一種優選方式是其包括反射鏡。該集中裝置的另一種優選方式是其包括透鏡。
該集中裝置的一種優選方式是其至少部分用塑料材料製成。
作為優選方式，該收集裝置配有至少兩個相互連接且於其相對兩側垂直延伸的側邊浮力容器，整體浮力設為常量且足以使整個裝置大致位於水表面以下，但浮力為正以致該裝置正好在水面下漂浮。作為優選方式，該兩個浮力容器的相對浮力應該可通過交換其間的液體和空氣來調整，以使得該收集裝置繞與該兩浮力容器間連線垂直的水平軸線轉動，從而提供簡單的入射太陽輻射方向的追蹤。該兩相連的浮力容器可以曲管的方式實現，該曲管的封閉端位於水面以下，該曲管的彎曲部上升至水面上。通過該方法，該設備的淨或全部浮力不改變。該整體浮力保持常量，該浮力容器相對外界的空氣和水密封，但是該對浮力容器的相對浮力是可調節的。在該實施例中，該集中裝置因收集裝置浮在水上而懸浮在水下面。因此，在水池的底部沒有必要設置結實支撐構件；沒有必要準確控制水的深度；也無須任何支撐或轉動的接頭。
作為優選方式，該收集裝置包括防止在液體與空氣間的界面的波浪變形的機構。作為更優選方式，該防止波浪變形的機構大致可讓太陽輻射透射。
作為優選方式，該液體包括抑制海藻和細菌粘液生長的成分或添加劑。
因此，本發明通過至少使用保護性的、冷卻和浮力的液體特性，該液體如海、水池、池塘、水壩或湖等中的水或其他液體，來實現本發明的目的。
本發明有兩個重要的改變，第一個是該集中裝置和能量轉換裝置被持久地浸入液體，如圖1、圖3和圖4所示。如圖5和圖6所示，第二個是該能量轉換裝置在工作時大致浸入液體；而該集中裝置在部分工作日是僅僅部分浸入液體，但是通過轉動追蹤系統以使該集中裝置朝下，可完全浸沒該集中裝置。
第一個重要改變的優點是連續將集中裝置浸入液體可始終消極保護該集中裝置不受天氣的影響；該浸入允許使用簡單的側邊浮力平衡來實現追蹤；而且光電池由於該浸入而自然地被水冷卻。
第二個重要改變的優點是在需要時，通過轉動該浮力追蹤系統，將該集中裝置浸入液體來保護該集中裝置；部分浸入該集中裝置可使用簡單的側邊浮力平衡來實現短聚焦長度系統的追蹤(該系統是最輕且最穩定的)；光電池由於該浸入水中而自然地被水冷卻。此外，該第二個改變是在光路上有較少的水，這樣單位面積上產生更多的能量。
圖1是本發明一個實施例設備一部分的立體圖。
圖2是顯示本發明一個實施例光使用效率的圖表。
圖3是本發明另一實施例設備一部分的平面圖，與圖1中的裝置一部分相似。
圖4是本發明另一實施例使用點聚焦集中裝置的立體圖。
圖5和圖6是本發明其他實施例的平面圖，其中集中裝置每天部分的工作循環大致位於水面以上。
具體實施方式如圖1所示，根據本發明實施例，若干組件浸入水池中或其他透射的液體2中。其中一個組件參考標號為1。該水池中的液體2優選為水。
該組件1完全浸入液體以同時保護和冷卻該設備，同時可容易地繞穿過收集裝置重心的軸線轉動。該組件具有微小的正浮力，以將該組件大致保持在液面下，但與該液面相接觸。
太陽能收集組件包括反射裝置，該反射裝置用參考標號為3(圖中被遮住)。作為該反射裝置3的優選方式，其具有一個反射面，該反射面在收集裝置的橫截面上大致為拋物線，且縱向延伸形成大致槽形的反射面。
每個反射組件3建構於薄的且硬的塑料基座上(優選為丙烯酸樹脂或聚碳酸脂)，該基座上添加有金屬反射層。然後透射塑料蓋層將該反射層從水中密封。該透射塑料蓋層的材料可為聚丙烯、丙烯酸樹脂、聚酯薄膜或其他合適的材料。優選的反射材料包括鋁、銀和銠。將若干一維拋物面機構件4和直的相互連接的支撐條5連接到反射面的後面，以維持該拋物面形狀。
在圖1所示該組件的布置中，如果系統正使用東西方向追蹤(水平軸線追蹤)，每個槽形反射裝置3的長軸就大致沿南北方向延伸。直線延伸陣列的光電池6設置於反射裝置組件3的焦點上，並相應地沿南北方向延伸。該南北方位最適合終年有高太陽角度的熱帶地區。另一種較好地適合較高緯度地區的布置是南北追蹤的槽形反射裝置，該反射裝置的長軸與東西方向對準。為了允許水平軸線(方位)太陽追蹤，該反射裝置組件3配有密封浮力容器，該浮力容器為曲管7，該曲管經過光電池6的上方。該浮力容器置於組件的一端，避免擋住太陽輻射；另一個浮力容器添加至組件的另一端，以提供平衡支持。通過添加適量的水或其他液體如乙烯到每個浮力容器，來調節該組件的全部浮力，以使整個組件獲得微小的正浮力，並足以使曲管的頂緣高於水面同時保證光電池6正好位於水面2以下。每個浮力容器和連接管內的剩下空間填充空氣。在這些條件下，通過改變相對側邊的浮力而無須改變其全部浮力，該組件就可在水中繞其重心被轉動。使用設於每個浮力容器8和9中的小的密封電子泵，從右邊的浮力容器中抽取少量的液體至左邊的浮力容器，反之也一樣，來完成該組件轉動。每個泵的輸出邊通過小的管道(未圖示)連到曲管7的另一端，因此當需要時允許水移動到該曲管7的另一端。如圖3所示，該泵也可為單個雙向容積式泵。一對光電池控制的簡單自動太陽追蹤電路來控制該泵的開和關，該對光電池設於系統的南北聚焦軸線上的跟蹤片的每個側邊上，因此將整個組件對準太陽的射線。這些電子跟蹤器是現有技術因此沒有圖示出來。該反射組件3繞其重心的轉動可全天從東到西地追蹤太陽。由於要求轉動的速度較低(小於每小時15度)且該組件沒有暴露在風裡，因此除了水的輕微牽引，沒有重大的力作用在圖1所示的組件上。太陽的移動速度為每小時15度，但是射入水中的太陽光遇到的折射率的增加減小收集裝置要求的實際轉動的速度。如果需要，使用相對第一對浮力容器直角設置的第二對浮力容器，可繞兩個軸線轉動來實現太陽追蹤。在該實施例中，由於在水面的浮力追蹤管7的填充空氣部分，該集中裝置可懸浮在水下。所以沒有必要在水池底部提供結實的支撐構造，也沒有必要準確控制水的深度。
一個成本較高且在任何緯度獲得最高性能的變換(未圖示)是一個系統，通過繞垂直軸和方位傾斜(水平軸追蹤)，該系統可兩軸線追蹤。繞垂直軸的轉動可通過位於轉動平面內的圓的切線上的馬達驅動推進裝置或具有垂直轉動軸的馬達驅動明輪來實現，以提供水平切線推力。這兩軸追蹤系統能使用二維(凹面)集中裝置。
當集中裝置系統全部浸入水中時，由於其在水中的深度，因風力或天氣導致的移動和壓力快速減小，因此沒有必要再使用結實且重的材料來做反射裝置。這可使用相對輕的結構材料如塑料來做該收集裝置的幾乎所有的部件。此外，由於用在構造上的典型塑料的密度僅僅高於周圍水密度的百分之二十左右，因此由重力引起的構造偏轉也大大被減小。由於浸入水中，保護部件不被多數形式的環境破壞，包括疾風、冰雹、風塵和短波紫外線光的破壞。紫外線光損壞許多塑料。但是，通過本發明全部浸入的方式，只要太陽光穿入水中超過50釐米長，因太陽光穿入水中使得250納米左右以下的波長被濾出。因此可長期使用價格便宜且不適合直接暴露在太陽光下使用的塑料材料。
直線延伸陣列的能量吸收裝置6，優選為光電池，定位於反射裝置組件3的焦點上，且與反射裝置組件3同時移動。作為優選方式，該能量吸收裝置6通過直接置於反射裝置組件3上的支撐組件11(如透射性塑料材料)支撐於焦點上。
當光電池作為能量吸收裝置，其被封在薄的密封件中(優選為合適透射塑料材料，如聚氟乙烯或玻璃)，以防止水對半導體的損壞。但是該密封材料必須足夠的導熱性，藉此讓該電池被周圍的水冷卻。該密封材料和光電池間的剩餘空間應該填充透射非腐蝕性的液體如矽樹脂油或透射的柔性固體如矽樹脂橡膠。周圍的水對置於集中裝置焦點上的能量轉換裝置提供對流液體冷卻。根據本發明進一步優選的實施例(如圖6所示)，該光電池等置於導熱基座上。該支撐基座的優選材料包括銅、鋁和氧化鋁陶瓷。作為特別優選方式，若周圍液體可腐蝕該基座，該支撐基座也可被薄層合適塑料材料(如聚氟乙烯)包住，以形成密封。遠離該電池的基座部分與該液體相接觸，加強對該電池的冷卻。在特殊安裝情況的需要下，進一步提供加強傳遞基座上的熱能到液體的機構。該優選的加強熱傳機構包括散熱片和貫穿該基座的通道，該散熱片繫於該基座上或與該基座一體，該通道與周圍的液體相通。
若太陽能將被吸收作為熱能或用以驅動化學反應，而不是通過光電池轉化為電能，作為優選方式，在反射焦點提供透射圓柱形真空腔室包圍該能量轉換裝置6，從而防止該吸收裝置的水冷。
如圖1所示的液體的深度根據焦點吸收帶(光電池)的選擇寬度來要求，典型的為10毫米至50毫米。該反射裝置的集中度典型的為20至50，因此對於50毫米的焦點吸收帶，槽寬要求大致為1米至5米，或對於10毫米寬的焦點吸收帶，槽寬要求為200毫米米至500毫米。
具有平的吸收裝置的拋物面反射集中裝置通常需要的焦點長度大致為槽口的一半或更多，因此該焦點的長度範圍為150毫米至2.5米。因此水深最小大概為200毫米至3米，典型的為1米。代表性地，該反射裝置為1米寬，具有20毫米寬的焦點帶，水的深度大約為1米。
因為水的原因，太陽光的較長波長有很大的衰減。對於清水中1米的光路的實驗測定，其結果是從目前矽光電池的輸出減少至完全暴露在外情況下輸出的百分之45至50。為了彌補該影響，由於反射裝置可由輕、低成本的材料製成，有必要使用較大反射區域，但不較大地提高整體成本費用。如果最佳光譜靈敏度的光電池用於水下，這些衰減可被減少。一種合適形式的光電池由銦鎵磷化物製成，銦鎵磷化物對於可見光利用波長為400納米至700納米的效率很高。此外，在水中較短光路長度將減少衰減，因此該組件儘可能離水面近。
由於水池在結構上與低成本的儲水壩相似，該水池甚至可為自然水池、鹽湖、鹽水灣、與海相連接的瀉湖，因此用於浸入收集組件1的水池的成本不是較大因素。較大陣列的收集裝置組件可在一個幾千平方米的水池中使用。
作為優選方式，水池設有規律隔開固定和/或浮動的隔板10(當攔截射到集中裝置的太陽光時，該隔板10優選為透射性的)。作為優選方式，該隔板的折射率接近水的折射率，從而減少衰減。該隔板置於水面或靠近水面，用於減少在有風的的情況下幹擾太陽光線直線通過水下的波浪。至少一個該隔板10置於相鄰且平行的兩行排集中裝置組件1之間，典型的間距為1.5米。若干列排的隔板(未圖示)優選以規則的間距設置，且與行排的集中裝置組件1成直角。作為優選方式，該列排間的間距大約為3至6米。
作為變換方式，或添加，在低的液體表面上提供在其上漂浮的薄層純礦物油或其他合適的高粘性透射液體，以減少表面波的產生。
作為變換方式，或添加，在液體表面上提供在其上浮動的薄透射膜或小尺寸的胞狀結構，以減少表面波的產生。
為了避免藻類和其他有機汙染物在重要面上的產生，水池中的水優選包括抑制海藻生長的合適的成分或添加劑。作為優選方式，該成分或添加劑可為可單獨或聯合殺死海藻的普通氯化鈉(在死海濃度水平)、其他鹽或其他透射化學添加劑。某些包括氯化鈉的添加劑也有助於防止結冰。其他優選的抑制海藻生長的添加劑包括處理水的銅基的除海藻藥、加氯和臭氧或紫外線。作為變換方式，或添加，可使用移動機械清除器高速噴水來清除海藻和細菌，或利用合適的水蝸牛、魚或其他生物體來吃掉這些汙染物。
作為變換方式，通過周期提高水池中水的溫度，該提高的溫度須足夠高以殺死生物體來抑制海藻和細菌的生長。當用透射面膜幾乎蓋住該整個水池時，也可僅通過入射的太陽輻射來殺死生物體來抑制海藻和細菌的生長。
圖2示出太陽光在水的上表面的面反射後並在水中穿過2米到達該矽電池之後由該矽光電池產生的相對電能。該相對能量為大約百分之五十的入射到水的上表面的太陽能的全部產出。
增大該集中裝置的反射組件3以便彌補由於太陽光在水中通過而造成的效率損失。由於與光電池的成本相比，單位面積反射裝置的費用很低(由輕的塑料製成)，因此這不是重要費用。要求一定電能輸出的光電池的面積區域不會因太陽光在水中通過的損失而改變，但是與空氣中通常集中收集裝置要求的面積相比，該反射裝置面積必須提高。
根據本發明另一實施例，參閱圖3所示，所示為平面或端視圖，與圖1所示相似的組件大致浸入水2中。在此使用的以及後續附圖中的參考標號與圖1的參考標號對於對應的元件是相同的。在本實施例中，光電池6靠近轉動17中心；浮力容器15和16在劇烈轉動時用以防止反射裝置從水中升出水面；使用單個泵8。在本實施例中，密封的中空的浮力追蹤管7大致裝一半液體18，並與可逆、雙向容積式泵8一起使用，以使該組件作為整體繞追蹤管7的轉動17中心轉動。在該追蹤管7中的液體優選為乙二醇、水，該追蹤管7的剩餘空間填充空氣。將該追蹤管7中的液體通過泵8從左到右的移動或從右到左的移動，導致浮力區域12和13的變化，從而改變系統的左右平衡，進而實現上述轉動。該泵8通過電動馬達驅動，該馬達在速度和方向上被電子伺服機構控制，該電子伺服機構是從與系統的垂直軸對齊的左右光感元件得到信號供給。該電子伺服機構為公知技術因此未圖示。
浮力容器15和16為密封管，該密封管延伸該反射裝置邊緣的整個長度，當被浸入水中時，該密封管被薄地封閉並裝水，使得浮力在浸沒時大致為中性。在急劇向左傾斜時(逆時針)，浮力容器16升起至水面。當浮力容器16伸出水面時，在浮力容器16中的大量水將防止對應的反射裝置邊緣從水中升出來。反而當該系統進一步逆時針轉動，該組件剩下部分將浸入更深的水中，讓太陽追蹤到更極限的角度，同時確保從反射裝置3的整個表面能量收集。當浮力容器15升起至水面時，將發生相似的順時針移動。本實施例使用浮力容器15和16，讓反射裝置平均起來與其他可能的相比更靠近水面，從而減少太陽光穿過水介質的光路長度，進而減少由於太陽光穿過水介質而造成的衰減。
根據本發明的另一實施例，如立體圖4所示，該設備使用點聚焦或二維拋物面集中裝置，該集中裝置具有一對圓形浮力追蹤管環7和17，該管環7和17垂直設置且相互垂直，以在二維空間提供全部太陽追蹤。陣列的光電池臨近大致為拋物面的反射集中裝置3的焦點設置。該類部件被支撐，以作為整體移動。添加足夠的液體18到密封管7和17，每個充有空氣或惰性氣體的密封管的上部保持平衡，確保該組件大致位於水下。優選的液體18為乙二醇或水。每個管7和17的最低點容納一個容積式泵8或9來控制每個管7和17底部間液體的移動。該管7和17間的液體不相通，每個管7和17是密封的。因此用泵8和9使每個管相對水面並繞垂直管7和17的平面的軸線轉動，來調節每個管7和17的相對側邊浮力。如前面實施例描述的，這些為每個軸線的泵由一對光電池和伺服機構來控制。由於追蹤系統要始終保持組件指向天空中最亮的地方，因此沒有必要將系統定位在南北方位上。為了確保該組件在一個地方並提供能量配線的路徑，因此希望在水池底部設有柔性支持繩索和拋錨22。在該系統中，該圓的拋物面反射裝置3的代表尺寸大致為1米。
如圖4所示的實施例在以下方面優於圖1所示的方法，圖4所示的實施例使用二維空間集中，為了特定集中標準在每個軸線上允許較低調焦準確度。因此更能承受浪和波的影響，該反射裝置3可採用較低精度的製造方法。
圖5和圖6是本發明第二個主要變化的實施例，其中該集中裝置不長期浸入水中，但是在追蹤轉動時部分移動至水中；在從最高點轉動180度時全部浸入水中。
根據本發明另一實施例，參閱平面圖5，該設備使用折射菲涅耳透鏡3，優選用透射塑料材料製成，該透鏡與浮力追蹤環管7如圖所示相連(或一對用於二維追蹤集中裝置的相互垂直的環管，與圖4所示相似)。光電能量轉換裝置與前面提到的能量轉換裝置相似。對應元件，使用的參考標號與前面圖示中的參考標號相一致。在該實施例中，該設備僅僅部分浸入水中，以致該光電池6始終浸入水裡，而菲涅耳透鏡3在水面以上，以讓該追蹤管7在一半的轉動範圍內轉動。如圖5所示，該設備被定位指向水平以上大約30度。如前所述，追蹤管7容納一個容積式泵8，該泵8移動追蹤管7底部內的液體，從而將浮力區域12和13定位，該浮力區域12和13決定收集裝置系統的轉動來追蹤太陽射線的角度(該射線如箭頭所示沿軸線射入)。在嚴峻的天氣條件時，再提供一個容積式泵9來獲得額外保護，該容積式泵9如圖所示位於追蹤管7內的合適位置，允許追蹤系統幾乎完全翻轉該收集裝置，將集中裝置浸入水裡而因此大大減少暴露部分的範圍，從而減小風力載荷。該泵8和9相隔大致120度。通過如圖5定位該類元件，該收集裝置能在超過120度的範圍內追蹤太陽，對應8個小時的太陽運動。第三個泵與泵8和9相隔120度，可選擇地用來提供完全轉動能力。部件19為稍微圓錐形的管道，該管道的內表面具有很強的反射能力(鍍鋁)，從透鏡3引導太陽光至光電池6來作為進一步聚集太陽光的輔助集中裝置。管道19可多次反射被聚集的太陽光，以均勻被聚集太陽光，使得光電池的工作更有效率。管道19的牆壁、透射窗口20和光電池的封裝形成密封封裝以防止汙垢或該光電池的水汙染。管道19的牆壁可為導電金屬如銅，以利於將光電池6產生的熱傳給周圍的水，金屬熱傳遞件25可設於該光電池的後部。這個封裝內可選擇地填充透射液體如烴油，以達到更好的冷卻效果。應該使該菲涅耳透鏡3面對光電池的槽形表面上的汙垢累積最小。光電池封裝6的後面與水接觸，以便冷卻。管道19借支撐21連接至追蹤管7和透鏡3上，藉此整個組件可作為整體運動。作為優選方式，該組件應通過套在追蹤管7上滑環來固持，該滑環系在固定件上或通過繩或彈性繩索固定在水池底部的重物上，這樣也可支撐能量輸出的導線。在泵8附近一個或多個葉片可連至該追蹤管7上，並向外放射狀地延伸，以減小系統因風或浪引起的振動。應該使用如圖1中的削弱表面波的隔板10。在不長期與菲涅耳透鏡3和透射窗口20的光表面接觸，除了過度傾斜外在工作時沒有水進入光路的情況下，水池或水庫中的水不必保持清潔或被過濾。與圖1和圖3中保護相比，在本實施例中，可使用較小程度的保護來防止系統受風力影響，但因沒有光進入水中而大大地減少能量的損失，因此收集裝置單位面積上提供的能量更高。此外，由於太陽光沒有折射到水裡的能量傳播損失，也沒有被水面反射的損失，與圖1所示的系統相比，該系統每天產生更多能量。當集中裝置邊緣進入水裡，導致一些有用收集區域的損失，但是因該原因造成的損失只是每天總能量產出的一小部分。與使用一維集中透鏡相比，該實施例使用二維集中裝置，從而更能承受浪和波的影響，該透鏡3可採用較低精度的製造方法。
根據本發明另一實施例，如平面圖6所示，該設備使用反射凹形拋物面集中裝置3與小的反射凸面輔助反射裝置23，該輔助反射裝置23放在軸線上且正好在集中裝置3的焦點位置裡面。該輔助反射裝置23的焦點長度足以使太陽射線偏離，並將其通過反射裝置3的中心的窗口20導引至光電能量轉換裝置附近的焦點上。當系統在垂直的60度範圍內時，該光電池始終大致浸入水池的水面以下的位置。該設備僅僅部分浸入，以使得集中裝置3在工作的大部分角度維持在水面上。圓錐管19連接光電池和窗口20，形成密封封裝來防止光電池的水汙染。該封裝可選擇地填充非腐蝕性的透射液體，以加快去除光電池產生的熱量。在光電池的後面可提供金屬熱量傳遞件25，以更好地將熱量傳到周圍的水中。圓錐管19的內側壁優選具有內部高反射性，以進一步集中太陽射線。如圖5所示的系統可為直線一維集中裝置，也可為圖4揭示相似的二維集中裝置和與追蹤系統，並添加與追蹤管7垂直的另一追蹤管。在一維的情況下，管19為從圖的平面內延伸出來的槽。如圖5所示，該設備浮在具有波浪抑制裝置的水池中。追蹤管和泵8和9工作如圖5所示，可使太陽追蹤和設備完全翻轉以將較大反射裝置3浸入水中來抵禦強風進行保護。反射裝置3靠近窗口20設有若干小孔來排水。每個軸線配有葉片24，以減少浪和風的載荷而產生的振動。該葉片24為扇形摺疊件，其頂端設置於滑鎖鉸接處，當處於暴露位置時(被翻轉)，該葉片24在風中時摺疊起來。所有部件牢固地設在一起以可作為整體轉動。所有大的部件優選用薄塑料材料作成。使用與圖4揭示的相似的方法，將設備束縛在水池的底部。該系統相對圖5揭示的系統的優點是該集中裝置僅需平滑平面，因此更容易通過噴射水來清潔，而且該反射裝置因其拋物面形狀可更經濟地得到高強度。其他方面，圖6所示該系統與圖5所示的系統有相似的性能。在不長期與反射裝置3和輔助反射裝置23的光表面接觸，除了過度傾斜外在工作時沒有水進入光路的情況下，水池或水庫中的水不必保持清潔或過濾，水中的汙染物的影響很小。圖5和圖6揭示的實施例都要求設備的整體大致平衡在旋轉17中心附近。為了便於平衡和小的迎風面，有必要將圖5中的透鏡和圖6中的反射裝置儘可能地靠近水面。當指向接近水平時，在每日追蹤循環的端部位置，該要求將導致圖5和圖6中的集中裝置3的邊緣部分進入水中。使用置於水面上的防風設備來減少該類系統的振動。
如圖3、4、5和6所示的雙向容積式泵8和9包括電馬達驅動裝置和傳遞裝置或葉片或蠕動泵，或者該類泵為使用螺線管來壓縮柔性腔室的脈衝泵。該類泵為現有技術，再此不必贅述。僅要求該類泵非常小的尺寸、功率、負載量，典型的是每秒抽取一立方釐米。
根據本發明另外未圖示的實施例，該設備使用水下集中裝置，該類集中裝置為折射透鏡的形式，可選擇菲涅耳或分割形式。這些實施例優選使用透射的塑料材料和能量轉換裝置如置於焦點上透鏡下方的一片光電池，該類材料靠近水面可在水下形成一個或多個充氣孔來聚焦光線。這些實施例的優點是無須金屬反射層，因此延長該裝置的潛在壽命。在這些實施例中，該集中裝置可懸浮在水下，連至如圖3所示的漂浮的浮力追蹤系統，藉此無須設於水池底部的結實支持結構件，也無須準確控制水的深度。
本發明更優選但未圖示的實施例使用全息集中裝置。
以上任一實施例中，該光電池能量轉換裝置6可用化學反應室或熱電轉換裝置，該反應室可選擇地包括催化劑。
本發明可使用低成本材料來做圖1、3、4、5和6中的反射裝置組件3。太陽光穿入水或其他液體中會造成對整體效率的透射損失，該透射損失可通過提供較大的反射裝置3來平衡，該較大反射裝置3比使用同樣光電池的陸地上的收集裝置組件的反射裝置大。該反射裝置組件3(或透鏡組件)在尺寸上的增加導致光電池上的更高的入射光能強度。在光電池上升高的入射能量強度一般導致光電池產生熱量的增加。由於許多原因不期望該光電池產生的熱量增加。一個重要原因是隨著光電池溫度的增加，光電池的能量轉化效率將下降。但是，將光電池置於水中後，可通過水的自然對流來冷卻電池，因此光電池可在入射至其上能量密度是標準太陽光50倍或更多條件下工作，其溫度上升可很小。
250納米以下的波長在太陽光進入水後被濾出，因此將設備置於水下可提供抗紫外線的保護(如果太陽光在水中大於500毫米的路徑)。抗紫外線保護允許較長使用成本低且不適合暴露在太陽下使用的塑料材料。
在這種情況下，將該設備放置在水下或部分置於水下可達成以下五個主要目的。
第一、置於水下可減少風對聚焦收集裝置的幹擾，其包括風力使構造變形，從而減少可能集中程度。這些不良影響還包括風力對轉動追蹤移動的幹擾。
第二、由於僅變化要求的相對角度(或側邊)浮力可實現準確和穩定的轉動，水下放置可大大簡化對追蹤機構的要求來使集中裝置和收集裝置聚焦在入射太陽輻射上。簡單地從部分充裝水並垂直延伸的一側浮力容器中抽取一定量的水到相對另一側的浮力容器(在封閉系統中改變相對浮力的大小)，就可在任何水平軸線上追蹤太陽。如果需要，使用設在集中裝置邊緣的小推進器驅動的推進裝置，就可實現繞垂直軸線追蹤。
第三、當需要，特別在該收集裝置為光電池或熱電轉換裝置(其後面的冷端需要冷卻)，把能量轉換裝置放在水下，其也可對能量收集裝置提供足夠有效對流冷卻。該能量收集裝置和轉換裝置兩者被冷卻，特別是冷卻到白天周圍大氣溫度以下，其工作的效率較高，通常這種情況是光電池在較大開放水域中。
第四、由於水下放置，在水中的浮力可提供機構部件的支撐，減少因風力而導致的偏斜，與暴露在太陽下的集中裝置相比，該部件重量、強度可較小，成本較低。
第五、在工作時長期置於水下可大大降低所有與天氣有關總是包括來自冰雹和風的損壞風險，且不必採取積極抑制或加強措施。該系統是消極地結實。
應該認為，輕材料的應用反過來可降低材料運輸到安裝地的成本以及與安裝相關的處理成本。
本發明很好地應用在水力電氣的抽水蓄能系統，該系統由兩個在不同高度的水壩組成，電動發電機連接到兩水壩間的管道內的渦輪機上。利用太陽光儲存能量，該浮動太陽電能發電機可提供能量將低水壩中的水提升到高水壩內。如果需要適應變化大的水位，用水面上的繩索或配線，該類浮動太陽能收集裝置覆蓋大部分水壩表面，不與水壩底部接觸而設置。通過運用本發明的構思，為了太陽能收集，使用現有的水壩和水庫，不用較大慣例的廠房基地，節省太陽能發電廠的建造費用。
權利要求
1.一種用於收集太陽輻射的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該太陽輻射收集裝置包括至少一個將電磁能轉換成另一形式能量的能量轉換裝置、至少一個接收電磁能且將其集中到該能量轉換裝置的集中裝置，其中在工作時該能量轉換裝置大致浸入液體中，日常工作循環中該集中裝置至少部分浸入該同樣的液體中。
2.如權利要求1所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該液體大致可讓可見光透射。
3.如權利要求1或2所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該液體是水。
4.如權利要求1或2所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該液體是碳氫化合物。
5.如前面任一項權利要求所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該轉換裝置包括光電池。
6.如權利要求1至4中任一項所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該能量轉換裝置包括暴露在被集中的電磁能量中的化學反應腔室。
7.如權利要求1至4中任一項所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該能量轉換裝置包括熱電轉換裝置。
8.如權利要求5至7中任一項所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該能量轉換裝置被密封件封住。
9.如權利要求1至4中任一項所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該能量轉換裝置包括將入射電磁能轉化成熱能的部件，該部件封在真空腔室內。
10.如前面任一項權利要求所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該集中裝置包括反射鏡。
11.如權利要求1至9中任一項所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該集中裝置包括透鏡。
12.如前面任一項權利要求所述的太陽輻射收集裝置，或該收集裝置大致浮在水面上，其特徵在於，太陽追蹤的轉動是通過改變側邊浮力容器的相對浮力來實現的。
13.如權利要求12所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，每個側邊浮力容器垂直延伸到水面上，並通過通道將其最高部分相接。
14.如權利要求12或13所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該側邊浮力容器的最低部分通過通道相互連接，該通道內設有雙向容積式泵來將其中一個浮力容器中的液體轉移到另一個浮力容器中，以傾斜該收集裝到要求的方向。
15.如權利要求14所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該泵的工作是通過伺服機構控制，該伺服機構是從設於垂直葉片一邊且與系統的垂直軸線對齊的左右傳感器獲得供給信號。
16.如權利要求10、11或12所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該集中裝置至少部分由塑料材料製作。
17.如前面任一項權利要求所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該太陽輻射收集裝置進一步包括防止液體和大氣間的界面上的波浪變形的機構。
18.如權利要求17所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該防止波浪變形的機構大致可讓太陽輻射透射。
19.如權利要求17或18所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該防止波浪變形的機構包括浮動隔板或浮動隔膜。
20.如權利要求17至19中任一項所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該防止波浪變形的機構包括固定隔板。
21.如權利要求17至20中任一項所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，有若干該防止波浪變形的機構，每個該機構被規律地隔開。
22.如前面任一項權利要求所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該液體包括抑制藻類生長的元素。
23.如前面任一項權利要求所述的太陽輻射收集裝置，其特徵在於，該太陽輻射收集裝置大致如參照附圖所述。
24.大致如前參考附圖所描述及如附圖所示的太陽輻射收集裝置。
全文摘要
一種太陽輻射收集裝置，該裝置包括若干組件(1)，該組件浸入或部分浸入水池內的水(2)中。每個該組件(1)包括拋物面反射裝置(3)和吸收裝置(6)。水面上或靠近水(2)的表面設有隔板(10)，用來減少在強風的情況下幹擾太陽光在水中直線穿過的波浪。將該組件(1)全部浸入液體用來同時保護和冷卻該裝置，且可便於通過浮力引起的轉動來實現太陽追蹤移動；部分浸入可獲得較高效率並可通過翻轉至水中來抵禦惡劣的天氣。
文檔編號H01L31/052GK1823247SQ200480019829
公開日2006年8月23日 申請日期2004年5月27日 優先權日2003年5月29日
發明者P·M·康納 申請人:森恩基Pty有限公司