專利名稱：多反射器太陽能集熱器和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及采用折疊式光學裝置的多反射器光或太陽能集熱器，以及使用這種集熱器的系統。具體而言，本發明涉及一種用于有效收集光，同時使實現光收集和集中所需的光學裝置的復雜度最小的光學元件的配置。至少包含三個反射器。在系統中，接收器放置于第三反射器的聚焦區中。本發明的配置允許接收器處于固定位置，增強了系統的特定的變型例在接收器中直接產生蒸汽的能力。集熱器的優選實施方式可以為槽型或盤型結構。
背景技術：
太陽能集熱器用于多種能量采集應用中，并且可以包括包含有覆蓋較寬區域的眾多個體系統的大規模應用。鑒于不斷增長的能量需求，這樣的系統更加意義重大，在基礎結構和大面積區域本身沒有建造傳統的發電站和輸電系統的第三世界國家中對此尤為感興趣。不過，當前的太陽能集熱器具有某些不足。機械元件和光學系統復雜，導致在電能產生和/或基于熱的能量采集中，維護費用極高。
在US5,460,163中可以找到大規模槽型拋物線集熱器的一個最近的例子。凹槽形鏡面在縱向延伸。該反射器具有聚焦區，線性熱管接收器設置在聚焦區中。接收器相對于反射器位置固定，從而接收器隨著反射器對太陽日間的運動的跟蹤而移動。
US4,173,213中披露了另一種線性反射器設計。使用一系列分離的線性拋物線反射器，外面的反射器處于內部反射器的孔徑內。
US5,882,434涉及一種拋物線盤型集熱器。拋物線形第一反射器在盤形中心具有用于形成環形聚焦區的平坦區域。將截頭圓錐形接收器倒過來放置，使圓錐的外表面處于環形聚焦區中。光電池設置在接收器的外表面上。
David Mills的US5,899,199披露了一種多重初級反射器菲涅耳(Fresnel)系統。設置一個第一反射器陣列，以反射大量光到線性目標接收器。
Charles E.Mauk等人的文章(Optical and Thermal Analysis of aCassegrainian Solar Concentrator，Solar Energy Vol.23，pp.157-167，Pergamon Press Ltd.1979)中描述了一種卡塞格倫(Cassegrainian)式太陽能反射器。雙曲線形反射器設置在拋物線盤型初級反射器的聚焦區中。雙曲線的焦點指向初級拋物線反射器的中心，在該處設置加熱爐來接收太陽能。
發明內容
本發明涉及多反射器太陽能集熱器和使用該集熱器的系統。具體而言，本發明涉及一種光學元件的配置，用于有效收集光同時使實現光收集和集中所需的光學裝置的復雜度最小。至少三個反射器包含其中。凹面第一反射器接收太陽能，并將其發送到設置在該第一反射器聚焦區中的第二凸面反射器。而第二反射器將至少部分的太陽能發送到設置在第二反射器聚焦區中的非成像第三反射器。在能量采集系統中，接收器設置在第三反射器的聚焦區中。當前這種配置允許接收器處于固定位置，增強系統的特定變型例在接收器中直接產生蒸汽的能力。集熱器的優選實施例可以為槽型或盤型結構。
本發明在反射器的具體設計上具有靈活性。不過，為了使能量采集最大，每個反射器的形狀影響其他反射器的形狀。第一反射器可以從圓形變成拋物線性。形狀的變化將改變第一聚焦區的位置和大小。因此，優選為雙曲線形的第二反射器的形狀也將改變，其中，第二反射器的位置相對于第一反射器而設置。然后，優選為復合拋物線形狀的第三反射器的確切形狀也將改變，其中，第三反射器的位置相對于第二反射器而設置。通常，第三反射器靠近或處于第一反射器附近，如
圖1中所示。為了決定最佳結構設置，如本領域技術人員熟知的，可以使用傳統遺傳算法獲得多種解決方案。通常，可以選擇一組反射器形狀，其將第一反射器孔徑內光能的至少90％反射到第三聚焦區中。
在一個寬泛的實施方式中，太陽能槽型集熱器包括三個反射器。第一反射器具有線性凹面結構，其確定了第一聚焦區，并具有第一縱軸。第二反射器具有線性凸面結構，其確定了第二聚焦區，并具有與第一縱軸平行對齊的第二縱軸。第二反射器設置在第一聚焦區內。第三反射器具有線性非成像結構，其確定了第三聚焦區，并具有與第一和第二縱軸平行對準的第三縱軸。第三反射器設置在第二聚焦區中。使用這種新穎結構，第一反射器反射的光能首先到達第二反射器，然后到第三反射器，最后進入第三聚焦區。
在另一寬泛的實施方式中，太陽能盤形集熱器也包括三個反射器。第一反射器具有圓形凹面結構，其確定了第一聚焦區并具有第一縱軸。第二反射器具有圓形凸面結構，其確定了第二聚焦區。第二反射器設置在第一聚焦區內。第三反射器具有圓形非成像結構，其確定了第三聚焦區。第三反射器設置在第二聚焦區內。通過這種新穎結構，第一反射器反射的光能首先被反射到第二反射器，然后被反射到第三反射器，最后進入第三聚焦區。
本發明的目的在于提供一種改進的太陽能收集系統。
本發明的另一目的在于提供一種新型光學太陽能集熱器，其第一反射器具有與第二反射器分離的換能器。
本發明的主要目的在于使得能量接收器設置在最后一個匯聚聚焦區中，從而使接收器不必移動，或者僅以旋轉方式運動。
本發明的另一目的在于提供一種改進的太陽能收集系統，其第一和第二反射器具有特制的表面輪廓。
本發明的又一目的在于提供一種新型太陽能收集裝置，其具有特制的拋物線形第一反射器，特制的雙曲線形第二反射器以及特制的環繞著接收器的非映射凹槽。
本發明的另一目的在于提供一種改進的太陽能收集系統，其第二反射器系統能選擇性地透射和反射光波長，以產生光電能，并且采集和集中的太陽能。
本發明的另一目的在于提供一種新型太陽能收集系統，其具有與第二反射器系統相關的太陽能換能器，能產生用于控制和/或移動太陽能收集系統的光電能量。
通過下面的詳細說明和附圖，本發明的其他目的、優點和變型就變得清楚了。
附圖簡要說明圖1示出了使用復合拋物線形第三反射器的本發明的多反射器集熱器優選實施例的剖面圖。
圖2示出了本發明優選的線性槽型實施例的透視圖。
圖3示出了本發明優選的盤型實施例的透視圖。
圖4示出了還包括第四反射器的優選實施例的剖面圖。
圖5示出了本發明使用凹槽形第三反射器的另一優選實施例的剖面圖。
圖6示出了現有技術的卡塞格倫型反射器集熱器的剖面圖。
具體實施例方式
圖1示出了本發明的一種三反射器優選實施例。
太陽能集熱器(10)包括具有拋物線截面結構的第一反射器(20)，該第一反射器(20)確定了第一孔徑(22)和第一聚焦區。在第一聚焦區中設置有具有雙曲線結構的第二反射器(30)，其確定了第二孔徑(32)和第二聚焦區。可以使用傳統結構的支撐裝置(50)支撐第二反射器，以與第一反射器對準。不過，也可以使用更加復雜的可移動的跟蹤裝置。在第二聚焦區內設置第三反射器(40)，其具有非成像結構(如復合拋物線形狀)，確定了第三孔徑(42)和第三聚焦區。如圖所示，第三反射器可以與第一反射器相連。第一反射器反射的光能首先傳播到第二反射器，然后傳播到第三反射器，最后進入第三聚焦區。
從本發明的示例性的而不是限定性的例子中的反射器相對孔徑，可以看到本發明能達到的集中能量。如果第一孔徑為大約5米，則第二孔徑可以為大約150毫米，第三孔徑可以為大約40毫米。
在槽型變型例中，第一反射器是線性的，從而也具有第一縱軸，如圖2中所示，圍繞第一縱軸作出了橫截面。第二反射器也是線性的，從而也具有與第一縱軸平行對齊的第二縱軸。繼而，第三反射器具有與第一和第二縱軸平行對齊的第三縱軸。
在盤型集熱器中，反射器將具有圖3中所示的圓形結構，其與槽型集熱器的線性結構不同。
本發明另一優選實施例使用第四個附加反射器，如圖4中所示。第四反射器(60)具有確定了第四聚焦區的非映射結構。第四反射器設置在第二孔徑范圍內的第二反射器的非凸表面上。可以使第四反射器的反射面的取向與第一反射器反射面取向相同。或者，可以使第四反射器的反射面的取向與第二反射器相同。在此情形中，第二反射器的非凸形表面(具有凹面結構)用作第五反射器，其具有反射面(34)，該反射面具有第五聚焦區。第四反射器設置在第五聚焦區中。從第五反射器反射的光能到達第四反射器，并進入第五聚焦區中。
第四反射器實施方式特別適用于希望預加熱流體介質的能量采集系統。特別是，可以使用設置在第三反射器聚焦區中的接收器70和設置在第四聚焦區中的預加熱接收器(80)。在液體流過接收器之前，首先流過預加熱接收器。
在槽型集熱器中，第四反射器具有與第二縱軸平行對準的第四縱軸，第四反射器設置在第二反射器的非凸形面上。
在另一優選實施例中，可以將上述的集熱器與附加的可選擇的第二反射器一起使用。這種結構特別適合于用光電裝置發電。使用傳統方法由已知的波長選擇材料制成該反射器，使得來自第一反射器的光能的一部分通過第二反射器。通常，選擇性地使一定范圍的能量，如近紅外范圍，以相當的效率通過并使所設置的光電裝置接收該光能。光電裝置產生的電能可被用于控制集熱器位置，以及其他與收集器系統有關的控制系統。
可以根據本發明構造太陽能收集系統。該系統將包括上述用于集熱器的光學裝置。第一線性接收器(70)沿第三縱軸方向設置在第三聚焦區中。將用于旋轉太陽能集熱器以跟蹤日間太陽運動的傳統裝置與集熱器(10)相連。最好，將接收器固定，從而當集熱器移動時，接收器不移動。因此，無需現有技術中所使用的復雜的旋轉的球窩接頭。這種球窩接頭不僅購買價格昂貴，而且要求大量維護保養。通過這種系統，可以使水流過接收器，以在接收器內產生蒸汽。直接產生蒸汽可省去能量傳遞液體和熱交換器的資本成本。如果用成行的槽型集熱器構造大規模系統，則可以將凹槽彼此分隔設置。一般這種間隔至少為第一孔徑的大約3倍。并且，為了維護、存儲的目的，或者在接收器出現流動問題，如停滯或阻塞的情形，可以將集熱器放置在足夠高的高度，使集熱器可以旋轉，從而使第一孔徑處于非收集模式。
另一種優選能量收集系統使用上述盤形集熱器。用于旋轉太陽能盤以跟蹤日間太陽運動的傳統裝置，安裝在集熱器(10)上，其最好可以雙軸運動。用于轉換能量的裝置如熱力發動機，可以設置在第三聚焦區中。或者可以將接收器設置在該處。對于大規模系統而言，可以使用多個盤形集熱器，并提供用于連接每個接收器或每個熱能轉換裝置的裝置。
用于非成像反射器的特別有利的制作方法是本領域公知的。Roland Winston博士及其同事已經在包括US6,205,998；US5,967,140；US5,927,271；US5,537,991；和US5,335,152的公報中披露了這些方法，所有這些專利在此引作參考。因此，本發明的某些集熱器實施例可以使用圖5中所示的結構，其中第三反射器包括特制的復合拋物線形狀和V-形槽(44)。
在傳統的現有技術系統中，第一反射器具有拋物線形，傳統接收器以第一反射器的焦點為中心，集中度(concentration ratio)(“CR”)取決于邊界角φ，對于拋物線形截面的管狀接收器，CR＝sinφ/πα，其中α為接收角。CR在φ＝π/2時最大，這就是為什么商業拋物線形凹槽的邊界角接近90度。用α替代sinα(對α使用小角度近似，因為α通常為幾度)，則集中度的極限為CR＝1/sin≈1/α。因此，簡單拋物線形凹槽的集中減小了π倍(大于3)。
如圖6中所示，在具有卡塞格倫(Cassegranian)凹槽設計的傳統的現有技術系統中，其中卡塞格倫凹槽設計僅具有第一反射器(120)和第二反射器(130)，可通過引入兩個輔助參數拋物線的焦距(f)和雙曲線兩個焦距中較小的一個(a)，來確定CR。雙曲線的另一焦距接近于f，從而使最終焦點處于拋物線的中心。對于邊界角φ近接90度的拋物線而言，拋物線的孔徑為4f(對于φ＝90度)，同樣，雙曲線的孔徑接近于4a。雙曲線的邊界角同樣具有接近于90度的邊界角。通過跟蹤邊緣光線獲得最終“圖像”的尺寸。對著半角α的邊緣光線，當從拋物線的邊緣反射時，在拋物線焦點處截取的距離為4fα。該距離對著(半角)β＝(f/a)α。從而，邊緣光線被雙曲線反射器反射后，穿過(intercept)的尺寸為A1＝2βf＝2(f2/a)α。結果，對于卡塞格倫式的拋物線凹槽，所產生的CR為CR＝4f/A1或＝2(a/f)α。被雙曲線形反射器阻擋的入射光的比例為a/f(小于10％)。因此，CR與理論極限(1/α)相差5倍。這就是這種類型的集熱器不是一種有用的應用的設計的原因，如太陽能熱電裝置，其中CR是重要的品質特征。
在本發明集熱器的優選實施例中(如圖1中所示)，在孔徑A1處增加非成像第三集熱器。該第三集熱器的接收角(θ)為大約2a/f。第三反射器的CR為大約1/θ或＝f/2a。再次假設小角度近似，則可以得出總集中度為1/或理論極限值。通過第二反射器(孔徑為大約4a)和第三反射器阻擋入射光，可以使孔徑近似滿足CR的目的。因此，A1＝2βf＝2(f2/a)α＝4a，其中a等于 被阻擋的入射光比例為大約A1/4f=a/f=α/2.]]>對于傳統的6到10毫弧度的α值，本發明的阻擋比例在大約5％到7％范圍內。
本領域普通技術人員可知，本發明可以包含任何數量的上述優選特征。
此處提及的所有公開或未公開專利申請在此引作參考。
現在或者在根據本專利說明得到的任何專利保護期間內，對本領域普通技術人員是顯而易見的本發明的其他實施例在此并未給出，而這些其他的實施例均在本發明精神和范圍之內。
權利要求
1.一種光能槽型集熱器，包括a)具有線性凹面結構的第一反射器，其確定了第一聚焦區，并具有第一縱軸；b)具有線性凸面結構的第二反射器，其確定了第二聚焦區，并具有與第一縱軸平行對齊的第二縱軸，第二反射器設置在第一聚焦區內；以及c)具有線性非成像結構的第三反射器，其限定了第三聚焦區，并具有與第一和第二縱軸平行對齊的第三縱軸，第三反射器設置在第二聚焦區內；其中第一反射器反射的光能首先到達第二反射器，然后傳播到第三反射器，最后進入第三聚焦區。
2.如權利要求1所述的光能集熱器，其中第一反射器具有拋物線形結構，第二反射器具有雙曲線結構。
3.如權利要求1所述的光能集熱器，其中設置第二反射器和第三反射器的形狀使得將第一反射器所反射光能的至少75％反射到第三聚焦區中。
4.如權利要求1所述的光能集熱器，其中第一反射器具有圓弓形結構。
5.如權利要求1所述的光能集熱器，還包括非成像第四反射器，其限定了第四聚焦區，并具有與第二縱軸平行對準的第四縱軸，第四反射器設置在第二反射器的非凸面上。
6.如權利要求1所述的光能集熱器，其中第二反射器可選擇性地使來自第一反射器的一部分光能穿過，并且設置光電裝置以接收所通過的光能。
7.如權利要求6所述的光能集熱器，其中所通過的光能的光譜范圍使光以相當的效率通過，以使光電裝置產生電流。
8.如權利要求6所述的光能集熱器，其中所通過的光能處于近紅外范圍。
9.一種光能收集系統，包括權利要求1所述的光能集熱器，和沿第三縱軸方向設置在第三聚焦區內的第一線性接收器。
10.如權利要求9所述的光能收集系統，其中水通過第一接收器以產生蒸汽。
11.如權利要求9所述的光能收集系統，還包括用于旋轉光能集熱器以跟蹤日間太陽運動的裝置。
12.如權利要求11所述的光能收集系統，其中該線性接收器是不移動的。
13.如權利要求9所述的光能收集系統，還包括權利要求5中的光能集熱器以及沿第四縱軸方向設置在第四聚焦區中的第二線性接收器。
14.如權利要求9所述的光能集中系統，還包括設置成與第二反射器的非雙曲線側成導熱關系的第二線性接收器。
15.如權利要求14所述的光能收集系統，其中第二接收器預加熱通過第一接收器的流體。
16.一種光能收集系統，包括權利要求65所述的太陽能集熱器以及沿第三縱軸方向設置在第三聚焦區中的第一線性接收器。
17.一種光能盤型集熱器，包括a)具有圓形凹面結構的第一反射器，其確定了第一聚焦區并具有第一縱軸；b)具有圓形凸面結構的第二反射器，其確定了第二聚焦區，并且第二反射器設置在第一聚焦區內；以及c)具有圓形非成像結構的第三反射器，其確定了第三聚焦區，第三反射器設置在第二聚焦區內；其中從第一反射器反射的光能首先到達第二反射器，然后到第三反射器，最后進入第三聚焦區中。
18.如權利要求17所述的光能集熱器，其中第一反射器具有拋物線形結構，第二反射器具有雙曲線形結構。
19.如權利要求17所述的光能集熱器，其中設置第二反射器和第三反射器的形狀使得第一反射器所反射的光能的至少75％反射到第三聚焦區中。
20.如權利要求17所述的光能集熱器，其中第一反射器具有圓弓形結構。
21.一種光能收集系統，包括權利要求17所述的光能盤型集熱器以及安裝在盤型集熱器上的、用于跟蹤太陽日間運動的裝置。
22.如權利要求21所述的光能收集系統，還包括用于轉換在第三聚焦區收集的光能的裝置。
23.如權利要求21所述的光能收集系統，其中該光能轉換裝置為熱力發動機。
24.如權利要求21所述的光能收集系統，還包括設置在第三聚焦區中的接收器，和用于傳輸來自接收器的熱能的裝置。
25.如權利要求24所述的熱能收集系統，包括多個盤型集熱器，和用于連接每個盤型集熱器的多個熱能傳輸裝置的裝置。
全文摘要
本發明涉及多反射器光或太陽能集熱器，和使用該集熱器的系統，該集熱器采用光學元件的一種配置從而有效采集光，同時使實現光匯聚和集中所需的光學系統的復雜度最小。該集熱器在盤型或槽型結構中使用至少三個反射器。凹面第一反射器(20)接收太陽能并將其發送到設置在第一反射器(20)聚焦區中的第二凸面反射器(30)。而第二反射器(30)將太陽能至少部分地發送到設置在第二反射器(30)聚焦區中的第三非成像反射器(40)。在系統(10)中，接收器(70)設置在第三反射器(40)的聚焦區中。可以在接收器(70)中直接產生蒸汽，同時接收器(70)處于固定位置。
文檔編號F24J2/18GK1582378SQ02820939
公開日2005年2月16日 申請日期2002年8月23日 優先權日2001年8月24日
發明者吉爾伯特·E·科恩, 羅蘭·溫斯頓 申請人:國際太陽能頂板公司