專利名稱：拋物線太陽能接收器的陣列模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能轉換，更特別地，涉及自跟蹤會聚式太陽能接收器的陣列。
背景技術：
用于太陽能收集和轉換的設備可歸類為會聚型和非會聚型。非會聚型用例如檢測或接收器件(諸如光伏電池的太陽能面板或熱水管)的陣列截取太陽的非會聚平行光線。輸出是光線的接收面積的正函數。會聚型太陽能收集器利用例如拋物線反射體或透鏡組件聚焦能量光線以會聚光線，產生更強的能量束。能量束被會聚以改善太陽輻射轉換成電力的效率或者提高從太陽輻射收集的熱能的量以用于加熱水等。在常規會聚式太陽能接收器中，入射太陽輻射通常聚焦在離開圓形反射體(例如碟形反射體)的點或者沿著離開圓筒形反射體的焦線(focal line)。在另一現有技術例子中，在拋物線曲線向外掠到圓的拋物線主反射體的邊緣之前，通過平坦化反射體的中心部分而提供的在反射體的中心的平坦部分輻展到預定直徑。在該設備中，所反射的太陽能聚焦在與反射體的平坦中部的外徑對應的環處。然而，即使常規的會聚式太陽能接收器也因為兩個原因而需要改善。第一，常規系統中的太陽能轉換模塊直接位于焦點或焦線處，其必須占據非常小的體積，這樣的小體積導致高度集中的熱，其必須在焦點區域中散去。第二，輻射太陽能譜的紅外部分的大部分不能通過當前可獲得的小規模轉換器件(諸如太陽能電池)有效轉換成電力。替代地，剩余的紅外能量被反射體收集且貢獻給加熱轉換器件，這會影響太陽能電池的轉換效率。此外，需要聚集結構陣列中使用的任何類型的會聚式太陽能接收器，從而可以利用每個單獨太陽能接收器產生的能量的總效果。作為選擇，對于陣列結構，可能有由于外部環境條件諸如高速風導致的損壞危險。因此，除了改善太陽能接收器的能量收集和分布特性之外，還需要一種方式來保護它們
發明內容
如這里所公開和描述的那樣，本發明在其一個方面包括一種太陽能接收器。該太陽能接收器包括布置成XXY陣列的多個太陽能接收器。保護外殼包括多個側面，其中定義有開口。該多個太陽能接收器可以下降到保護外殼的開口中，從而保護該多個太陽能接收器免受外部風的影響。
為了獲得更徹底的理解，現在參考下面結合附圖進行的描述，附圖中圖IA示出會聚式太陽能接收器的一實施例；圖IB示出具有主反射體和次級反射體二者的會聚式太陽能接收器的備選實施例；圖2A是圖IA的實施例的示意圖，示出用于主反射體和對應的太陽能到電能轉換模塊的支承結構； 圖2B是說明圖IB的備選實施例的示意圖，示出用于主反射體和次級反射體以及對應的太陽能到電能轉換模塊的支承結構；圖3示出圖IA的會聚式太陽能接收器的另一備選實施例，其中聚集區域遠離主反射體的主軸定位；圖4是圖表，示出在若干當前可獲得的太陽能轉換設備的轉換和途徑中，與大氣層對其影響相對照的太陽輻射譜的各種成分和波長；圖5是曲線圖，示出三結GaInP2/GaAs/Ge太陽能電池的典型相對量子效率對照有效波長范圍；圖6是曲線圖，示出對于圖5所示的三結太陽能電池，典型轉換效率性能對照太陽能輻射水平；圖7A示出用于根據本公開的會聚式太陽能接收器的設計示例；圖7B示出在太陽能到電能轉換模塊中使用膜再循環引擎的圖2A的備選實施例；圖8示出太陽能接收器座艙(pod)；圖9示出太陽能接收器座艙的包括集成的次級反射體的透明蓋；圖10示出太陽能接收器座艙的集成的主反射體和熱沉的側視圖；圖11示出利用單個公共太陽跟蹤機構的太陽能接收器座艙集群陣列；圖12A、12B、12C和12D示出各種位置中的太陽能接收器座艙的陣列；圖13是功能框圖，示出多個太陽能接收器模塊與電網和中央控制器的連接；圖14示出太陽能接收器模塊的又一實施例；圖15示出可繞三個不同軸旋轉的自跟蹤太陽能接收器(“座艙”)的側視圖；圖16示出利用拋物線碟的太陽能接收器的兩軸實現；圖17示出利用Fresnal透鏡的太陽能接收器的實現；圖18a、18b和18c示出經由跟蹤算法控制的太陽能接收器；圖19是流程圖，示出用于定位太陽能接收器的一種可行控制算法；圖20示出包括用于提供自跟蹤能力的光傳感器的太陽能接收器；圖21示出用于經由光傳感器控制太陽能接收器的跟蹤的控制機構的框圖；圖22是流程圖，示出使用光傳感器的太陽能接收器的控制方法；
圖23是流程圖，示出解決跟蹤算法內的失準的方法；以及圖24示出經由無線通信來進行通信的太陽能接收器陣列。
具體實施例方式現在參照附圖，示出和描述拋物線太陽能接收器的陣列模塊的各種視圖和實施例，并且描述其他可行實施例，附圖中相似的附圖標記這里始終用于指代相似的元件。圖不一定是按比例繪制的，在一些情況下，圖在某幾處被夸大和/或簡化以僅用于示范。基于可行實施例的以下例子，本領域普通技術人員將意識到許多可行的應用和變型。現在參照圖1A，示出根據本公開的會聚式太陽能接收器的一實施例。會聚式太陽能接收器100包括以橫截面示出的主拋物線反射體102，其以多個入射光線104從主拋物線反射體102的高度反射性的凹入面朝向焦點106反射的形式截取太陽能輻射。將意識到，焦點106位于主拋物線反射體102的第一或主焦軸上，該主焦軸穿過反射體102的中心并基本垂直于與反射體102的中心相切的平面。為了清楚，該焦軸未在圖中示出，但是將理解， 其如所描述的那樣存在，除非另外說明。如所周知的那樣，來自太陽的落在主拋物線反射體102的外邊緣112內的入射光線104將反射通過焦點106。圖IA還示出近聚焦區域108和遠聚焦區域110。這些聚焦區域，其每個定義與穿過焦點106的主焦軸基本成直角設置的平面區域，沿主軸朝向主拋物線反射體102或者遠離主拋物線反射體102錯開或位移預定距離。聚焦區域的面積大致等于或稍微大于沿著主軸在焦平面位置處反射輻射圖案的橫截面積。本公開中的聚焦區域定義為平面區域，其表示傳感器的用于接收太陽能以將其轉換成另一形式的期望位置。這種聚焦區域的區域也可在此稱為接收區域或接收表面。接收表面或太陽能傳感器表面是轉換器件或模塊的能量入射部分，其接收入射能且將它轉移到轉換器件或模塊中將入射太陽能轉換成電、機械或熱形式的結構。本領域技術人員將容易地意識到，具有大致聚焦區域108或者替代地聚焦區域110尺寸的平面面積的太陽能傳感器處于截取被引導穿過焦點106的全部反射入射光線的位置。此外，所反射的太陽能遍及該聚焦區域以較低的平均強度均勻分布。因此，位于聚焦區域的太陽能傳感器截取所有輻射，但截取均勻的較低強度的能量，就實用性而言，這意味著太陽能傳感器更少地經歷強度峰值且能更容易地散去在轉換模塊的轉換帶通之外的熱能。這是因為與在更集中的焦點處存在的相比，包含在太陽能輻射中的熱能能在更大的面積上被截取。通過將所接收的能量均勻地分布在更大表面上，轉換模塊的有用運行壽命顯著增大。因此，如圖IA所示地配置的會聚式太陽能接收器能以更寬泛的尺寸建造，對在本公開的會聚式太陽能接收器中使用的太陽能轉換模塊的散熱能力有寬松得多的約束。從下面的描述將顯然的是，可被調節以提供各種輸出水平的一些參數是主反射體的尺寸、太陽能傳感器的尺寸、太陽能傳感器離開焦點的位置或偏移、提供散熱的方式等。繼續參照圖1A，圖IA以橫截面示出的主拋物線反射體102可以一般地為圓形，即朝向主拋物線反射體102的凹入表面觀看時邊緣112呈現為圓。如所周知的那樣，這是接收入射的太陽能輻射的高效形狀。然而，本公開的會聚式太陽能接收器100不限于圓形主反射體102，而是可以是其他幾何形狀，諸如橢圓、卵形、矩形(即圓筒形反射體)、多邊形或規則多邊形的陣列、或者具有拋物線表面的任何其他封閉平面圖形。這樣的面板塊的陣列可以是邊靠邊放置的連續形狀的復合物、或者彼此相鄰布置的反射元件的復合物、或者布置在預定位置但不必靠近在一起的反射元件的復合物。此外，單個面板塊可具有平坦或彎曲表面。主反射體可以由其中可維持所需拋物線形狀的任何材料構造。合適材料的一些例子包括金屬(諸如拋光的鋁、具有鎳或鉻鍍層的鋼)、有或沒有銀涂層(如鏡子中那樣)的玻璃、陶瓷或其他復合物(諸如玻璃纖維、石墨、具有反射涂層或鍍層的聚合物或塑料)、或者滿足拋物線反射體所需的結構和反射屬性的任何其他材料。在一些應用中，具有足夠支承以維持拋物線形狀的反射片或膜可用作反射體。然而，本領域技術人員將意識到，重量輕的金屬諸如鋁提供許多優點，諸如高的強度對重量比率、易于制造、能提供拋光的高反射性光面、以及能從安裝于其上的任何結構導走熱量。各種構造變型中的一些將在下面詳細描述。繼續參照圖1A，可以與主拋物線反射體102 —起使用且具有位于聚焦區域108、110之一或另一個內的平面型太陽能傳感器的太陽能轉換模塊可以是若干基本類型。示范性地，這些可包括例如一個或更多光伏太陽能電池或耦接到發電機的熱循環引擎的陣列。在本說明書中，發電機可以指的是將太陽能、機械能或熱能轉換成直流或交流電力的任何設備。此外，發電機包括交流發電機。為了清楚，圖IA中未示出可在圖IA的實施例中使用的具體太陽能轉換模塊，圖IA的目的是示范將轉換模塊的太陽能傳感器部分定位在離主拋物線反射體102的實際焦點預定距離處的原理。如下面將變得顯然的那樣，對于特定應用選擇哪個聚焦區域108或110將隨著進一步描述會聚式太陽能接收器100的各種實施例而變得清楚。在圖IA所示的會聚式太陽能接收器的優選實施例中，光伏太陽能電池轉換模塊包括一個或更多三結太陽能電池，更特別地三結GaInP2/GaAs/Ge太陽能電池。當前可獲得的這種太陽能電池能在高達數百個太陽(sun)的太陽輻射強度下運行，一個太陽等于O. 1368瓦特每平方厘米(W/cm2)。適于在本公開的會聚式太陽能接收器中使用的太陽能電池包括新墨西哥州阿爾伯克基的EMCORE光伏公司或波音公司位于加州西爾馬的分部Spectrolab有限公司制造的器件。用于轉換器件的太陽能傳感器通常由前述類型的太陽能 電池陣列構成，布置成位于所選聚焦區域的平面中的平面陣列。必須確保太陽能傳感器被小心地定位，從而從主反射體反射的陽光均勻分布在整個聚焦區域上且均勻分布在太陽能電池陣列的表面上。未能確保反射能的均勻分布可能導致對轉換模塊的損傷。一般而言，聚焦區域108對于轉換模塊的太陽能傳感器的位置而言是優選的。然而，當選擇熱循環引擎作為轉換器件時聚焦區域110是優選的，因為那個位置使轉換器件(即，熱循環引擎)能夠完全包圍在具有定位得圍繞焦點106的開口的外殼內。示于圖7B中的該構造允許全部所反射的入射光線進入到圍繞熱循環引擎的外殼中。該外殼可以完全絕緣且配置成包含否則可能從熱引擎逃逸到周圍的任何熱能。因此，賦予給熱循環引擎的輸入的熱能的量可得到最大化以獲得采用熱循環引擎的會聚式太陽能接收器的最佳效率。在期望利用熱循環引擎的應用中，一種合適的選擇是Stirling引擎，如本領域所周知的那樣，其是在工作流體中交替存儲能量的閉合循環再生熱引擎。在循環的另一部分，隨著輸入到熱循環引擎的熱轉換成機械運動，例如旋轉或往復運動，且用于驅動發電機來產生電力，能量從工作流體釋放。Stirling引擎可以利用可廣泛獲得的構造信息來容易地建造，因此這里不再進一步描述。現在參照圖1B，示出會聚式太陽能接收器120的替選實施例，以橫截面圖顯示了主拋物線反射體122，主拋物線反射體122截取落在外邊緣132以內的太陽輻射入射光線104且將它們反射向焦點124，焦點124位于穿過主拋物線反射體122的中心的主軸上。在圖IB中，為了清楚而未示出穿過主拋物線反射體122的中心的主軸，但將理解它在哪里。主拋物線反射體122的特性與對于圖IA的主拋物線反射102所描述的相同。對于圖IB所示的實施例也定義聚焦區域。然而，在圖IB的聚焦區域126中，定位有次級拋物線反射體126，其具有與主拋物線反射體122基本相同或類似的特性(除了尺寸之外)。次級拋物線反射體126可以與主拋物線反射體122按相同方式構建。在本實施例中，次級拋物線反射體設置為將從主拋物線反射體122反射的所有入射光線從次級拋物線反射體126的凸起表面截取并反射回到主拋物線反射體122的中央部分。將理解,次級拋物線反射體126的凸起拋物線表面實現了入射在其上的光線沿與來自太陽的初始進來的入射光線104平行的方向的反射。因此，從次級拋物線反射體反射的光線基本平行且將照射主拋物線反射體的中央部分。這個位于中央的聚焦區域，現在定義在主拋物線反射體的中央，也可以稱為接收表面128。接收表面128是轉換模塊134的一部分。次級拋物線反射體126從焦點124朝向主拋物線反射體122錯開預定距離。再一次地，為了控制入射太陽輻照光束的橫截面積以對應于轉換模塊中使用的太陽能傳感器的總橫截面積，接收區域被調節尺寸和定位從而太陽能傳感器區域基本在主拋物線反射體的平面內。如下面將更充分地描述的那樣，根據本 公開，該實施例給出了對于最大化會聚式太陽能接收器的效率而言的若干優點。繼續參照圖1B，其中所示的會聚式太陽能接收器120相對于圖IA所示的實施例具有三個優點。第一，將聚焦區域128或者替代地接收表面128定位在主拋物線反射體122的中央部分允許轉換模塊134在用于主拋物線反射體122的散熱品質的材料內傳輸入射輻照產生的過多的熱。因此，例如，如果主反射體由鋁構建，且具有在主反射體122的中央部分的平面中的太陽能傳感器的轉換模塊安置得與主反射體122接觸，那么可以從轉換模塊134傳輸熱到形成主反射體122的金屬殼層。第二，通過將轉換模塊134定位在主反射體122的中央部分，整個會聚式太陽能接收器的重心可以更近地定位到主拋物線反射體122的支承結構。因此，會聚式太陽能接收器120與轉換模塊134組合的最大單個單元允許更小且更高效的結構用于關于太陽的方向移動和定位該組件等。第三，將次級反射體定位在聚焦區域126處不僅促進了上述兩個優點，而且還允許使用過濾器元件(圖IB未示出)位于次級拋物線反射體126上或之前以用于過濾位于用于會聚式太陽能接收器120的轉換模塊134和太陽能傳感器的轉換帶通之外的太陽輻射成分。例如，過濾材料可以層疊或貼附到次級拋物線反射體126從而僅允許在轉換模塊134和太陽能傳感器的轉換帶通內的太陽能，于是限制不能轉換的能量到達轉換模塊134的太陽能傳感器部分的表面并由此降低轉換模塊134本身的散熱要求。換言之，過濾器與次級拋物線反射體126的協同使用控制了會聚式太陽能接收器的導納帶通，從而它基本對應于與圖IB的會聚式太陽能接收器120 —起使用的太陽能轉換模塊134的轉換帶通。進一步參照圖1B，次級拋物線反射體126的反射屬性能以多種方式改變從而提供上述過濾效果。例如，多個制造工藝是合適的。這些可包括在次級拋物線反射體126的表面上層疊或應用化學涂層或者覆蓋或沉積適當材料的膜。使用毗鄰次級反射體本身的表面定位的特殊材料還可以用來提供所需的過濾。可用于實現期望反射屬性的其他工藝可包括反射體表面材料的化學鍍敷或摻雜。在一替選實施例中，次級拋物線反射體可以是對太陽輻射的某些波長(其對于本轉換器件的轉換而言沒有用)是透明的而對另一些波長(其對于太陽能到電能的轉換而言有用)或其他有用形式是反射性的任意玻璃或塑料材料。作為例子，玻璃是多用途材料，其可以被涂敷以提供多種屬性，包括特定波長的反射、吸收或過濾。實現這些屬性的技術和工藝是周知的，這里將不再進一步描述。轉換器件不需要的光譜太陽輻射成分形式的剩余能量可以在次級拋物線反射體126的表面區域被吸收、穿過或者散去，且通過合適的熱沉輻射到環境或者傳導到為此配置的熱交換器。還將意識到，過濾器元件可以與主拋物線反射體一起使用，應用到主拋物線反射體或者和主拋物線反射體合并，從而輔助與次級拋物線反射體相關聯的過濾或者是在次級拋物線反射體未被使用的實施例中。這樣的主拋物線反射體可以如本段落中先前概述的那樣構造。太陽能輻射光譜和本公開的會聚式太陽能接收器的各種結構的帶通特征的細節將結合圖4、5和6進一步描述。現在參照圖2A，以示意圖形式示出會聚式太陽能接收器的實施例，以示范用于根據本公開的會聚式太陽能接收器的安裝結構。圖2A的會聚式太陽能接收器200包括主拋物線反射體202，其以截面圖示出且具有圓形和邊緣232，邊緣232限定主拋物線反射體202 的圓形外周。圖2A還示出聚焦區域204 (或接收表面204)，其表示轉換模塊206的太陽能感測表面。主拋物線反射體202如先前結合圖IA所描述的那樣。聚焦區域204如先前在圖IA中描述的那樣，其中聚焦區域204相對于主拋物線反射體的焦點錯開，如圖IA中呈現的近聚焦區域108那樣。在圖2A中，聚焦區域204表示轉換模塊206的太陽能感測部分。轉換模塊206可以示范性地是太陽能電池陣列，如上面描述的那樣，或者還可以是熱循環引擎和發電單元的組合，亦如先前描述的那樣。繼續參照圖2A，主拋物線反射體202和包括接收表面204的轉換模塊206通過第一框架構件208保持成固定關系。第一框架構件208在主拋物線反射體202的中心附近連接到主拋物線反射體202，并沿主拋物線反射體202的主軸從主拋物線反射體202延伸以與轉換模塊206連接并支承轉換模塊206。接收表面204中的太陽能傳感器于是定位成直接面對主拋物線反射體202的中心部分，使得它接收從主拋物線反射體202反射的全部太陽能輻射。第一框架構件208在樞轉結210處連接到可旋轉垂直柱214，這允許第一框架構件208在垂直平面內繞水平軸搖擺，從而主拋物線反射體202可以位于任何所需的俯仰角，同時繞樞轉結210的軸樞轉。第一框架構件208的搖擺運動由垂直控制致動器218提供，其包括可變長度支柱，可變長度支柱的長度可以在位于垂直控制致動器218的縱軸中的電機或線性致動器的動作下發生變化。旋轉柱214被可旋轉地固定到水平控制電機216，水平控制電機216又由錨定在地面、建筑或其他結構上的垂直取向的固定基座212支承。垂直控制致動器218用于調整本公開的會聚式太陽能接收器組件200的俯仰角。水平控制電機允許調整本公開的會聚式太陽能接收器組件200的方位角。于是，會聚式太陽能接收器200的主拋物線反射體202可以直接瞄準太陽且能夠在白天當太陽越過天空時跟蹤太陽。圖2A所示的會聚式太陽能接收器200的一個屬性是系統的可移動部分的重心大致位于主拋物線反射體202與轉換模塊206之間在主拋物線反射體202的主軸附近，且大致在耦接到第一框架支承構件208的旋轉垂直柱214的上端上方。圖2A的實施例適于與太陽能電池型轉換模塊一起使用，太陽能感測部分位于如圖IA的近聚焦區域108所示那樣的近聚焦區域的區域中。然而，圖2A的實施例還可以用于與熱循環引擎類型的轉換模塊一起使用，將熱循環引擎的太陽能感測部分定位在圖IA的遠聚焦區域110的區域中。在該位置，使用熱循環引擎的轉換模塊206可以包圍在外殼中，外殼具有定位得圍繞焦點的開口(例如參見圖7B)，外殼用于將熱能包含在熱循環引擎的太陽能部分的近場區域內以最大化施加到熱循環引擎的輸入部分的熱量。繼續參照圖2A，雖然其中所示的實施例應用了本公開的原理之一，即利用錯開的聚焦區域，但是該實施例在機械上稍顯笨拙。由于第一框架構件208連接到主 反射體202的凹入側且由于重心202的位置遠離會聚式太陽能接收器200的具有大部分質量的結構，所以實施起來昂貴且效率不高。例如，當太陽在正上方時為了使主反射體202瞄準太陽，大的切除區域或槽必須被切割到主反射體202中以允許它移動經過基座212、垂直支承214和控制電機216。此外，需要更多的結構部件來以圖2A所示的正確關系支承主反射體202和轉換模塊206。主反射體202中的切除區域產生維持主反射體202的拋物線形狀的額外機械支承復雜性，并減小了用于接收陽光的可用反射表面積。現在參照圖2B，示出根據本公開的原理的會聚式太陽能接收器240的替選和優選實施例。在本實施例中，以截面圖示出且具有圓形邊緣252的主拋物線反射體242包括沿主反射體的主焦軸設置在近聚焦區域處的次級拋物線反射體244，用于向主拋物線反射體242的中心部分的表面上的聚焦區域246 (或接收表面246)反射輻射能。還位于主拋物線反射體242的中心部分的是轉換模塊222，其包括安裝在主拋物線反射體242的中心部分的太陽能感測接收表面246。次級拋物線反射體244示為支承在支柱248上，支柱248可以連接到邊緣252，或者如圖2B所示，連接到主拋物線反射體242的凹入側。將意識到，在圖2B的實施例中，次級反射體244的焦軸位于沿著主反射體的焦軸，也就是說，它們的主軸重
八
口 ο采用圖2B所示的會聚式太陽能接收器240的各種部件的質量分布，重心大致位于主拋物線反射體242的中心處且就在其后面。該重心位置大大簡化了支承會聚式太陽能接收器240且實現其沿俯仰和橫轉方向的移動所需的支承結構。會聚式太陽能接收器240支承在旋轉垂直柱226頂上。旋轉垂直柱226由支承在垂直取向的固定基座234的上端的水平控制電機228控制。固定基座234可以安裝在地面、建筑或其他結構上。還連接到旋轉垂直柱226的是垂直控制電機230，垂直控制電機230是可變長度支柱，由沿該可變長度支柱的縱軸設置的線性致動器或電機控制，且垂直控制電機230設置來控制會聚式太陽能接收器240的俯仰角。會聚式太陽能接收器240的方位角取向由水平控制電機228控制。將意識到，在圖2A和2B 二者中，用于垂直(俯仰角)和水平(方位角)的各控制電機可以通過圖中未示出但本領域技術人員已知且容易獲得的適當電子器件來控制。繼續參照圖2B，顯然的是，將大多數重部件定位在一起能夠以控制系統的響應性最大化且致動單元和電機的尺寸最小化的方式定位重心，因此提高性能且減小組裝所需的成本。此外,使用次級拋物線反射體244更容易地允許如上所述地使用過濾元件從而會聚式太陽能接收器240的反射部分的導納帶通與其中所使用的轉換模塊222的轉換帶通良好匹配。當轉換模塊222采用先前描述的三結太陽能電池的太陽能電池陣列時，尤其能實現這個優點。次級反射體244的光反射過濾和吸收屬性的匹配可以利用若干制造工藝中的任意工藝實現，包括但不限于在次級拋物線反射體244的表面上化學涂敷、敷鍍或沉積其他材料，或者在反射體構造中使用特殊材料，或者使用反射性材料的化學摻雜，或者在次級拋物線反射體244的反射表面上層疊過濾材料。被過濾元件拒絕或另外地被次級拋物線反射體244吸收的剩余熱可以在次級拋物線反射體244的表面區域上散去。此外，次級反射體可以安裝在熱沉結構上以改善從其的散熱。替選地，過濾元件或功能可以應用到主拋物線反射體242或者接收表面246，剩余熱能通過與主拋物線反射體242中的相鄰結構的接觸而散去。在一般應用中，過濾可以應用到以下三種結構中的一個或更多主反射體242、次級反射體244和接收表面246。在一替選實施例中，次級拋物線反射體可以由反射將要應用到太陽能接收表面的波長且透射不被接收和利用的那些波長的玻璃或其他類似透明材料制成。現在參照圖3，示出本公開的會聚式太陽能接收器的替選實施例。從圖1A、1B、2A和2B的描述將了解，聚焦區域、太陽能傳感器、太陽能電池或次級反射體已經位于主反射體的主軸上。這些實施例因為感測或反射元件沿主反射體的主軸定位而稱為主聚焦反射體。如圖3所示的替選實施例將焦點與主軸錯開以將主反射體302相對于地球表面維持在更陡峭的角Θ。該取向防止了殘屑和其他沉淀物或顆粒的積累。這還允許水分和污染物從反射表面排出，同時主反射體302從較大仰角收集入射太陽能輻射。圖3的主拋物線反射體302也以橫截面示出且呈具有邊緣312的形狀。沿入射光線304的太陽能輻射被朝向焦點306反射，焦點306位于沿著也穿過主拋物線反射體302的中心的偏移焦軸。同之前一 樣，表示轉換模塊的太陽能傳感器部分或次級反射體的可能位置的聚焦區域308可典型地取向為垂直于焦軸310，但是在一些應用中可以取向在除了垂直于焦軸310之外的角度。然而，在圖3所示的實施例中，太陽能傳感器示為位于近聚焦區域308附近且大致垂直于焦軸310。這樣定位時，主拋物線反射體302將累積大氣沉淀物，諸如雨、雪或其他污染物(諸如灰塵或其他顆粒)，其全部可能損壞反射體或者容易減小本公開的會聚式太陽能接收器的操作效率。圖3所示的會聚式太陽能接收器300的主要部件可以通過與前面結合圖2A和2B描述的結構類似的結構來支承。現在參照圖4，示出表示沿軸402的電磁輻射的光譜成分的一系列圖表。這些分類包括短于380納米的波長，紫外光譜；380nm和750nm之間，可見光譜；以及長于750nm的波長，紅外輻射光譜。在另一軸404上，表示太陽能輻射的范圍，從225nm延伸到3200nm，其重疊了上述電磁輻射的三個分類。在第三軸上，表示太陽能輻射從太陽朝向地球行進時太陽能輻射的終點。沿軸406從320nm到IlOOnm的范圍，其跨越了可見光譜以及部分紫外和紅外光譜，包括到達地球的太陽能量的大約4/5。短于320納米的紫外波長在上層大氣中被吸收，如軸408上所示。對于長于1100納米的紅外波長,軸410示出該能量隨著它穿過地球大氣層而減小或削弱。長度大于2300納米的非常長的紅外波長在大氣中被吸收，如沿軸412所示的那樣，且不到達地球表面。繼續參照圖4，軸414表示為本公開的若干實施例中的應用構思的三結太陽能電池的轉換帶通或有用范圍。三結GaInP2/GaAs/Ge太陽能電池的該轉換帶通從紫外光譜附近的350nm穿過可見光譜延伸到在大約1600nm處的近紅外光譜。從圖4可見，該轉換帶通基本覆蓋其中4/5的太陽能到達地球表面的整個范圍。因此，所述使用三結太陽能電池的轉換模塊能捕獲來自太陽的輻射的大約4/5以用于轉換成電力或其他用途。圖4還示出典型熱循環引擎的大致有用范圍，其沿線416示為從大約750nm穿過紅外光譜范圍延伸到至少2300nm。將意識到，到達地球表面的太陽能位于波長320nm和2300nm之間且大于優選實施例中采用的當前可獲得的三結電池的轉換波長范圍。還可以意識到，雖然當前可獲得的三結太陽能電池的轉換帶通這樣寬，但是技術的進一步發展可能擴展該范圍超越當前極限，從而短于約350nm和/長于約1600nm波長中的能量轉換將允許在地球表面位置或地球大氣之上的位置諸如空間站、衛星等中的有用轉換應用。位于三結電池范圍之外，即具有小于350nm或大于1600nm波長的光譜能量表示不可用或剩余的能量。該剩余能量可導致三結電池的效率降低且因此表示必須被減少、轉移或以其他方式散去的能量。如前所述，減少該剩余能量的一種途徑是對其進行過濾。例如，過濾器元件可以與次級拋物線反射體結合使用。如前所述，過濾器元件可以是應用到反射體表面的涂層或者可以是反射體的一體化屬性。過濾也可以應用在主拋物線反射體處或者設置為這里公開的會聚式太陽能接收器的單獨元件。現在參照圖5，示出建議在本公開的優選實施例中使用的三結太陽能電池的獨特半導體部分的相對量子效率(百分數)對照波長(納米)的曲線圖。三種半導體材料包括鎵、銦和磷的化合物，表示為GaInP2 ;砷化鎵，表示為GaAs ;以及元素鍺，Ge。虛線502所示的鎵銦磷化合物的有用相對量子效率范圍大約從350nm延伸到650nm。如實線504所示，砷化鎵 半導體材料的有用相對量子效率范圍從約650nm延伸到約900nm。如點劃線506所示，鍺半導體材料的有用相對量子效率范圍從約900nm延伸到約1600nm。因此可以看出，圖5描述的三結太陽能電池的大致復合轉換帶通從約350nm延伸到1600nm,其與圖4的圖示一致。現在參照圖6，示出上述三結太陽能電池的總轉換效率(百分數)對照太陽能輻射的集中水平(以太陽為單位)的曲線圖，其中一個太陽等于O. 1368瓦特每平方厘米(W/cm2)。該水平對應于地球表面處約lkW/m2的太陽能直射強度。從圖6的實線602可以看出，三結太陽能電池的轉換效率覆蓋了廣范圍的太陽能集中水平，從一太陽到大于1000太陽的集中水平都超過了 25%，峰值出現在約100和600太陽之間。現在參照圖7A，示出與圖IA所示的類似的會聚式太陽能接收器702的橫截面圖。現在將描述用于設計本公開的典型會聚式太陽能接收器的一些計算。主拋物線反射體702以截面圖示出，其將入射光線704反射到焦點706。這些反射光線可通過近聚焦區域708或遠聚焦區域710。圖7A還示出將在計算中使用的表示各種尺度的符號。符號D表示主拋物線反射體的口徑或直徑。符號d表示主拋物線反射體的深度。符號f表示從主拋物線反射體的中心沿主軸到焦點的距離。符號r表示圓形聚焦區域的半徑。將意識到，由于本實施例以截面圖示出，如前面描述的那樣主拋物線反射體和聚焦區域二者都將是圓形的。符號X表示從焦點到沿主軸的任一方向上的聚焦區域的距離。變量r和X由方程式關聯此外，拋物線反射體的“淺度(shallowness)”由比率f/D給出。實踐中，該比率將需要在大約O. 25和I. O之間以保持制造的容易性。此外，作為實際問題，制造、磨光和運輸淺(即低f/D比率)的主聚焦拋物線反射體要容易得多。半徑r由提供期望的電輸出所需的轉換模塊的接收區域部分的表面積的量(即，太陽能電池陣列的直徑)決定。為了確定主拋物線反射體的大致直徑，注意，到達地球表面的日射度(solarinsolation)，即單位面積進入陽光的功率，為約I千瓦每平方米(lkW/m2)或100毫瓦每平方厘米(lOOmW/cm2)。太陽能到電能的轉換元件的效率也是所需的反射體直徑的主要決定因素。在該例子中，效率如將要描述的那樣從圖6取得。主拋物線反射體的直徑可以從下面的關系計算其中
P是以千瓦為單位的所需電功率輸出；1是日射度的大約值。約為lkW/m2 ;S是轉換模塊的投影面積；D是主拋物線反射體的直徑；E是轉換模塊的轉換效率。在下面的步驟中，將確定需要哪個聚焦區域用于用作轉換模塊的三結太陽能電池。聚焦區域及其半徑r可以通過關注 三結太陽能電池的技術規范來確定。例如，根據制造商的數據，用200至500太陽的強度范圍可以獲得最大效率的輸出，在450太陽下以一定的安全裕度操作電池將產生太陽能電池陣列的面積的大約14W/cm2的輸出。然后，為了產生例如I. 36千瓦的電輸出，將1360瓦特除以14W/cm2得到97平方厘米。因此，將需要97個電池，每個電池具有Icm2的面積，來占據大約97平方厘米的面積。因為電池是方形且必須安裝到大致圓形的區域中，所以照射電池陣列所需的總聚焦面積將稍微更大，或者大約為100平方厘米(11. 28cm的直徑)。這源自如下事實實踐中，將多個方形的三結電池安裝成形成圓形區域的陣列所導致的幾何上的不協調性將需要具有稍大于97平方厘米的面積的圓。前面已經從圖6觀察到，存在400至500太陽的日射時三結太陽能電池陣列的典型轉換效率為稍高于30%。此外，轉換模塊的投影將為大約100cm2。將這些值代入方程(2)，主拋物線反射體的直徑將為D=2. 4米。為了確定對于f/D為O. 75的淺度比率將聚焦區域定位在哪里，將O. 75的f/D比率乘以2. 4米，發現焦點為沿主軸離主反射體的中心I. 8米。在該位置，可以確定圖7A中的角度Θ為45。。然后，從方程式I可以確定值X，即聚焦區域離焦點的距離，為5. 64厘米。因此，在該設計例子中，與具有2. 4米的總體直徑的主拋物線反射體一起使用的具有100平方厘米面積的電路陣列中的三結太陽能電池位于從焦點朝向主反射體大約5. 64厘米處。在使用位于主拋物線反射體的中心處的轉換模塊的一替選實施例中，這也是具有約11. 28厘米直徑的次級拋物線反射體的正確位置。現在參照圖7B，示出作為圖IA所示實施例的變型的根據本公開的會聚式太陽能接收器720的橫截面圖，其中所使用的轉換模塊采用在遠聚焦區域位置處的太陽能傳感器面板。主拋物線反射體示于702處用于接收沿入射光線704的太陽能輻射，入射光線704沿724所示的路徑反射穿過焦點706且進一步沿虛線到達位于聚焦區域726位置處的太陽能傳感器面板710，聚焦區域726根據上面的描述亦稱為遠聚焦區域。與太陽能傳感器710耦接的是包封在外殼728內的熱循環引擎。外殼包括擴展部722，其延伸超過太陽能傳感器710的接收表面且包封太陽能傳感器710和含焦點的與主反射體702的主軸成直角的平面之間的空間。外殼擴展部包括開口 706，其恰好大到足以用于來自拋物線反射體702的反射光線通過該開口到達外殼內太陽能傳感器710之前的空間中。將發現，進入外殼區域的輻射中包含的熱能將趨向于包含在其中并且貢獻給太陽能到外殼728內的熱循環引擎的輸入熱交換器的入射。如上所述，熱循環引擎包括從熱循環引擎的輸出到發電機的機械耦合。其他特征可包括在本公開的會聚式太陽能接收器的具體實施中。例如，主反射體或結構的某些其他部分可以包括一個或更多避雷針或捕集裝置以防止對接收器的雷擊損壞。反射體和接收表面可包括保護涂層以防止反射表面或太陽能感測表面的氧化或劣化。可通過罩來保護反射體免于降雨沉淀物、顆粒、碎屑或其他污染物，或通過可被固定或移動的屏障來保護反射體免于冰雹或其他物體。可以利用輔助面板或偏轉器來最小化風對接收器部件的干擾。在另一些例子中，可以在本公開的會聚式太陽能接收器中收集太陽能以用于其他用途的應用或轉換成其他形式。一個有利的實施可收集熱能用于加熱水或其他液體、氣體或等離子體。傳輸到這些材料的熱可以容易地傳輸到其他位置或結構。隨著太陽能感測和能量儲存技術的發展，太陽能輻射光譜的選擇性部分可以被收集和轉換、處理或儲存以用于各種應用。例如，波長短于380nm的那些紫外波長可被接收、收集和應用到工業或科研過程。或者，本公開的基本原理的變型可以適用于在地球大氣層之上的位置接收太陽能輻射，該位置處太陽輻射的可見光譜之上和之下的波長未受到吸收或其強度以另外方式衰減的影響。現在參照圖8，示出包括太陽能接收器座艙802的太陽能接收器的替選實施例。太陽能接收器座艙802包括主反射體804，如前面關于圖IA所描述的那樣。在主反射體804之上安裝于三個支承構件806上的是次級反射體808。當然，可以使用其他類型和數量的支承構件。主反射體804和次級反射體808的操作是與前面描述的相同的方式。然而，主反射體804不是前面關于圖IA描述的圓形，而是配置成具有拋物線表面的方形結構，其中主·反射體804的每條側邊與其他側邊中的每個尺寸相等。這使得主反射體804能裝配在包括四面方形盒的方形外殼810中。外殼810中所組裝的主反射體804、次級反射體808構成太陽能接收器座艙802 (為了簡單而未示出跟蹤機構)。當與其他太陽能接收器座艙802組裝時，太陽能接收器座艙802可以沿多種不同方向移動。太陽能接收器座艙802可以沿列向軸812旋轉。此外，座艙802可以配置成沿垂直于列向軸812的行向軸814旋轉。最終，整個座艙802可以在其邊緣沿弧816旋轉。這將為座艙802提供跟蹤太陽的能力，使得太陽能接收器座艙802的操作更有效。次級反射體808將所接收的太陽能聚焦在太陽能傳感器和轉換器件809上。雖然圖8的太陽能接收器座艙802示出次級反射體808利用一系列支承構件806支承在主反射體804上方，但是在替選實施例中，如圖9所示，次級反射體808可以在透明罩902中懸于主反射體804上方。在該實施例中，透明罩902包封座艙組件802且延伸到外殼810的每個邊緣，以保護主反射體804免于碎屑和外部環境條件。由于透明罩902覆蓋外殼810的整個開口，所以次級反射體808可以集成在透明罩902內，從而當透明罩902在適當位置時，次級反射體808懸在主反射體804上方的適當位置。這消除了對支承構件806的需要。透明罩902包括玻璃或高度透明材料。玻璃或透明材料可以涂敷有允許一范圍的光譜穿過的材料，同時玻璃或透明材料用于保護太陽能傳感器和轉換模塊809以及主反射體804的表面免于塵土或其他妨礙性污染物。這樣的光譜過濾可以通過用諸如前面描述的光學過濾材料涂敷透明材料或玻璃來實現。現在參照圖10，示出集成的主反射體804和熱沉1002。如前所述，熱沉1002可以與主反射體804 —起被包括以去除太陽能接收器收集的太陽輻射產生的熱。不是利用經由某類型的導熱粘合劑連接到主反射體804的單獨熱沉，而是主反射體804以及熱沉部分1002可以配置成單個組件1004。組件1004可由單塊金屬或可被擠壓的其他材料制成。組件184的一部分被延展(ream)或形成為產生拋物線碟，其在一側形成主反射體804，該側被拋光以產生高反射性表面或涂敷有反射光中的特定光譜而對其他能譜透明的高度反射性膜。這允許穿過的光被主反射體804吸收并散在周圍空間中和散到可貼附到主反射體804的任何導熱器件諸如熱沉1002。熱沉1002將熱從轉換器件809運走以限制對器件的損傷。該組合組件1004然后將置于外殼810內，如前面描述的那樣。現在參照圖11，更完全地示出太陽能接收器模塊1102。太陽能接收器模塊1102包括太陽能接收器座艙1104的5X6陣列，沒有個體的跟蹤機構。太陽能接收器座艙1104中的每個配置得與前面關于圖8-10描述的接收器座艙相同。太陽能接收器座艙1104排列在一起，使得整個座艙陣列組件1106可以利用升降機構1110沿邊緣1108升高和降低。雖然圖11示出升降機構1110包括用于沿陣列組件1106的底邊緣1108升高和降低陣列組件1106的機械臂，但是應意識到，液壓、電、機械等的其他類型的機構可以用于沿其底邊緣1108或任意其他邊緣升高和降低陣列組件1106。此外，應意識到，雖然關于圖11示出太陽能接收器座艙1104的5X6陣列，但是根據本發明各方面，可以使用任意尺寸和/或構造的陣列。 如前面關于圖8所述的那樣，除了經由升降機構1110升高和降低之外，太陽能接收器座艙1104中的每個還可以繞其旋轉列向軸1114旋轉，且另外還可以沿其旋轉行向軸1116旋轉。在每種情況下，太陽能接收器座艙1104在垂直列中每個都鏈接在一起，使得列中的每個座艙1104將繞旋轉列向軸旋轉相同的量。類似地，每個太陽能接收器座艙1104在單獨行中鏈接在一起，使得它們可以繞行向軸1116旋轉相同的量。雖然本說明書描述了每個座艙與相同行和列中的其他座艙鏈接，但是在替選構造中，可以構造太陽能接收器座艙1104使得它們僅與相同列中的其他座艙或者替代地僅與僅相同行中的其他座艙鏈接。在又另一實施例中，可以構造每個太陽能接收器座艙1104使得每個座艙以錯開布置被獨立控制，而不是在相同行或列中的相似座艙一起被控制，由此更高行的相鄰座艙不被它下面的相鄰座艙遮住太陽。模塊組件1102可以經由升降機構1110降低以下落到保護機殼1118中。圖11的圖示中的保護機殼1118包括傾斜或氣動形狀的側面。保護機殼1118的四個側面中的每個在中央定義模塊組件1106可下降到其中的形狀。當下降到保護機殼1118中時，模塊組件1106將位于保護機殼1118的頂邊緣之下。當座艙縮回/下降到機殼中時，保護機殼1118的傾斜或氣動形狀的側面有利于保護機殼1118之上和周圍的空氣動力學氣流，同時保護下躺到其中的模塊組件1106。各個座艙1104可以被鎖住以防止大風條件下的移動。在另外的構造中，保護機殼1118的側面的氣動形狀能以一方式構造，使得稍微的真空產生在保護機殼之上和座艙組件1106的表面之上的區域內。在該情況下，在風經過保護機殼1118時，位于座艙組件1106的各個座艙1104的表面上的灰塵、碎屑或其他顆粒物質將被該稍微的真空吸離太陽能接收器座艙1104。實現風渦流的生成的其他氣動形狀是可行的，風渦流導致風流動的改變，或者引導風例如用作冷卻介質或用于次級能量轉換，諸如從機械能轉換成電能。現在參照圖12A-12D，示出模塊組件1102內各種位置和構造的座艙組件1106。在圖12A的情況中，座艙組件1106在升起位置，各個單獨座艙1104繞它們的列向軸1114旋轉，從而主反射體沿基本向圖左邊的方向聚焦。在該情況下，關于行沒有取向改變，各個太陽能接收器座艙1104與其同一列中的其他太陽能接收器座艙1104鏈接。每個座艙被保護
罩封圍。現在參照圖12B，座艙組件1106仍在與關于圖12A描述的那樣相同的升起位置；然而，各個單獨座艙1104繞其列向軸1114旋轉，使得每個主反射體的聚焦是在基本向圖右邊的方向上。關于圖12C，座艙組件1106現在是在最大展開位置和完全下降位置之間的較低位置。此外，每個單獨座艙1104沿某一方向配置，使得它們繞列向軸1112旋轉從而使主反射體的焦點基本垂直于座艙組件1106的平面指向。最后，在圖12D中，座艙組件1106已經完全下降在保護機殼1118內。當下降在保護機殼1118內時，每個單獨座艙1104被保護機殼1118的各側面所保護，如前面描述的那樣。現在參照圖13，示出太陽能接收器模塊1302可以與其他模塊互連且受控制的方式。每個太陽能接收器模塊1302包括逆變器1304和收發器電路1306。太陽能接收器模塊1302包括前面關于圖11和12描述的結構。逆變器1304將太陽能接收器模塊1302產生的DC能變成AC電能，其可以在相關聯的電網1308中使用。與太陽能接收器模塊1302相關聯的每個逆變器1304與電網1308連接，使得全部功率可以分布到所需區域。太陽能接收器模塊額外包括DC/DC轉換器1305用于將太陽能接收器模塊1302產生的DC能變成調節了的DC電壓。通過包括與每個太陽能接收器模塊1302 —起的單獨的逆變器和轉換器，可以使這些模塊如獨立單元那樣便攜以用于個人用途，由此提供便攜式AC和/或DC電源以給個人電子設備諸如個人計算機、個人數字裝置(PDA)和其他流行的個人消費電子產品供電。每個單元可以配置有合適的通用電源插座，諸如用于標準三頭連接器、用于AC或USB插座、用于5V DC裝置等。此外，構成這樣的便攜式單元的部件可以制造為可折疊的，諸如在旅行 或運輸時占據較少空間，而當使用它時可以重組裝。調節的DC電壓可以本地用于蓄電池1307或供電設備中的存儲，或者用作太陽能接收器模塊1302的電源穩定器(power smoother)和備用電源。DC/DC轉換器1305還使得太陽能接收器模塊1302能夠以獨立模式操作，其中模塊由轉換器1305或蓄電池1307供電。此外，收發器電路1306使得每個太陽能接收器模塊1302能夠與中央控制器1310無線通信，中央控制器1302也包括收發器電路1312。通過經由收發器電路1312的無線連接，中央控制器1310可以控制太陽能接收器模塊1302的操作，并且控制太陽能接收器模塊內的單獨座艙的配置和控制電網1308將電力分配到與特定太陽能接收器模塊相關聯的建筑或地區的方式。此外，中央控制器1310能經由有線連接1314而不是借助于收發器電路1312的無線連接與太陽能接收器模塊1302通信。特定太陽能接收器模塊1302中聚集在一起的多個座艙可以電地配置或連接成多種結構以產生期望的功率、電壓和電流輸出。聚集陣列還可以與其他物理上分開的聚集陣列或單個座艙電連接和集成從而產生太陽能生成電力的網絡或網格，由此電網絡的部件(座艙和模塊)經由中央控制器1310無線地獨立控制和/或同步以用于物理取向和電力生成以及到電網1308的連接。在一個例子中，若干太陽能接收器模塊1302可以安裝在許多不同住宅單元的屋頂上。個體太陽能接收器模塊1302可以電連接到電網1308以提供電力到與各個太陽能接收器模塊1302相關聯的個人住宅單元所關聯的住宅社區。圖13的配置將實現電力流動從太陽能接收器模塊1302到電網1308的自動開關，由此可以使產生電力的模塊1302可用于連接到電網的其他設備且替代地當太陽能接收器模塊1302沒有產生足夠的電力時電網可以提供電力到住宅單元。與各個太陽能接收器模塊1302相關聯的住宅單元可以電地分組，從而由組產生和/或消耗的電力可以隔離或者作為組連接到電網1308，而從中央控制器1310無線控制每個模塊1302，因此每組住宅單元可以聚集且電地集成到電網1308。住宅單元的組也可以電地聚集為電力發生器或消費者的更高集合，對集合的級數沒有可預見的限制。因此，數百、數千和更多住宅單元的整個社區可以關于來往于電網1308的通道得到控制。通過包括與每個太陽能接收器模塊1302 —起的單獨的逆變器和轉換器，可以使這些模塊如獨立單元那樣成為便攜的以用于個人用途，由此提供便攜式AC和/或DC電源以給個人電子設備諸如個人計算機、個人數字裝置(PDA)和其他流行的個人消費電子產品供電。每個單元可以配置有合適的通用電源插座，諸如用于標準三頭連接器、用于AC或USB插座、用于5V DC裝置等。此外，構成這樣的便攜式單元的部件可以制造為可折疊的，諸如在旅行或運輸是占據較少空間，而當使用它時可以重組裝。現在參照圖14，示出如圖8至10所示那樣的太陽能接收器座艙的又一實施例。太陽能接收器座艙利用太陽能接收器1402，太陽能接收器1402使用放大朝向相關聯的CPV電池或多個電池引導的太陽能的機構。在一例子中，該機構可以包括美國專利No. 6，818，818所公開的機構，該專利通過引用合并于此，或者可以包括視網膜透鏡(retinallens)或將太陽能更有效地聚焦到光伏電池上的其他放大裝置，諸如使用Fresnel透鏡。太陽能接收器1402通過逆變器和/或蓄電池充電控制器1408連接到能量存儲裝置1406。太陽能接收器1402中產生的能量提供到逆變器1408，逆變器1408將能量轉換成能夠存儲在能量存儲裝 置1406中的形式。在一個例子中，能量存儲裝置1406可包括可再充電蓄電池。能量存儲裝置1406可用于提供能量到跟蹤控制器1410和驅動機構1412。跟蹤控制器1410和驅動器機構1412使得太陽能接收器1402能夠在一個或更多軸上跟蹤太陽以將CPV電池定位得面向太陽并能產生電和/或熱能，其然后可被提供到外部連接的設備。能量存儲裝置1406可以與CPV接收器1402—起封圍在單個機殼內或者坐落在機殼外連接到外部連接的設備。逆變器1408或蓄電池充電控制器或其他類似類型的能量控制裝置也可以與接收器1402 —起包括在機殼內或者借助于連接電纜或熱交換器(在熱存儲的情況下)連接在機殼外。因此，單個太陽能接收器1402可包含跟蹤太陽所需的全部輔助器件，以優化CPV電池1404上的太陽能接收和放大，從而實現太陽能到電力和其他衍生能量的轉換以用于給太陽能接收器1402外部的設備提供能量。連接這些外部設備的裝置還可以諸如經由電插座提供給或者包括到容納太陽能接收器的組件中。每個接收器1402還可以配置有雙路通信接口 1414以使接收器1402能被遙控和/或通過通信接口 1414與外部設備通信。圖14的組件可以按獨立構造實施，且可以包括“即插即用”結構，其中使接收器組件能產生電力或其他形式的能量諸如熱的全部所需部件可以包括在單個組件中。這樣的太陽能接收器1402還可以形成為總電網的一部分，其中所需的電連接和機械插座單獨提供以用于插座與接收器組件的容易匹配。接收器1402將封圍在密封容器中，全部所需連接電纜或者被嵌埋或者突出到接收器1402外以用于連接到外部設備。如果使用玻璃材料或其他透光材料，則材料本身將用作作為次級透鏡的這些部件的機械支承或支架，如這里描述的那樣。如上所述，太陽能接收器1402可以構造成在一個或更多軸上操作以相關于太陽來定位CPV電池1404。現在參照圖15，示出太陽能接收器1402的側視圖，太陽能接收器1402可以繞三個不同的軸旋轉，即X、Y和Z軸。接收器結構1402連接到驅動機構1504，驅動機構1504包含提供太陽能接收器1402繞Χ、Υ和Z軸的移動的許多不同部件。基座結構1506包括使整個太陽能接收器1402能夠繞Z軸旋轉的驅動齒輪1508。齒輪1510使太陽能接收器1402能繞Y軸轉動。最后，驅動器和蝸輪1512使太陽能接收器1402能繞X軸轉動。因此，使用各種驅動器和齒輪組件，太陽能接收器1402能繞三組不同的軸轉動。這種程度的移動將允許接收器1402跟蹤太陽的移動。現在參照圖16，示出利用拋物線碟1602用于太陽能放大的太陽能接收器1402的兩軸實現。驅動機構1604確定拋物線太陽能接收器的取向，拋物線太陽能接收器可包括各種形狀和曲率，如美國專利No. 6，818，818中描述的那樣。驅動機構1604使得太陽能接收器1402能面對太陽以優化和放大CPV電池1606接收的太陽能。驅動機構1604包括任意數量的機械裝置以用于旋轉圖16所示的拋物線碟1602。在一實施例中，該機構包括輥以用于施加摩擦力到拋物線碟的凸起表面(即背面)來將拋物線碟移動到接收太陽能的位置。此外，軌道機構可以包括在拋物線碟1602的凸起面上，提供與某類型的驅動電機耦接的引導和行經路徑。另一實現包括碟的樞轉點，使碟1602能傾斜以面向一個方向，額外的樞轉點可以用于使碟1602沿其他方向傾斜。現在參照圖17，可以使用太陽能放大的替選形式，而不是圖16所示的拋物線碟。Fresnel透鏡1702可以安裝在外殼1704內。外殼1704經由與外殼1704連接的相關聯的 驅動齒輪和輥來樞轉和/或旋轉。Fresnel透鏡外殼1704的驅動利用上面關于圖15和16所示的實施中任一個的驅動方式描述的一個或更多部件。此外，Fresnel透鏡1702可以與各種其他接收器部件一起被包括，諸如逆變器/控制器和雙路通信能力，以優化相關聯的CPV電池上的太陽能放大和接收，并將太陽能轉換成電力或衍生能量形式以用于對外部設備進行供電或加熱。自跟蹤太陽能接收器的實現中的主要挑戰在于用于跟蹤的過程和相對于太陽維持跟蹤過程的精度。對太陽位置的跟蹤可以用許多不同方式實現。這些包括使用固定算法，固定算法依賴于歷法紀年期間太陽的已知位置，并且基于地球相對于太陽的自然旋轉或者通過利用兩個或更多光傳感器來測量入射在特定接收器上的太陽的相對強度而改變。現在參照圖18a_c，示出在太陽能接收器中使用固定算法實現。在固定算法實現中，太陽能接收器1802可以使其位置關于升起的太陽的已知位置被手動設置，諸如圖18a所示的那樣，并且太陽能接收器1802的取向通過相關聯的電機被自動調節，電機沿一個或更多軸旋轉接收器1802以對應于日間太陽1806的已知路徑。每個早晨，接收器1802返回到固定初始取向以再一次開始其跟蹤循環。該初始位置當然可以根據年中的時間而改變。在圖18a中，太陽能接收器1802示為其軸1804置于使它能跟蹤早晨日出之后不久的太陽1806的位置。在該情況下，響應于太陽1806的升起，軸1804低地指向東方地平線。控制算法將包括基于存儲在太陽能接收器1802的存儲器內的歷史數據的太陽將要升起的地平線上的已知位置。隨著白天時間的前進，如圖18b所示，太陽能接收器1802在更右上的位置，軸1804幾乎垂直指向地面。這是因為如下事實隨著白天時間的過去，太陽1806已經上升到正午的高位置。最后，如圖18c所示，當太陽1806開始下沉到西方地平線以下時，太陽能接收器1802將其軸1804低地指向在西方地平線上以跟蹤太陽1806。現在參照圖19，示出描述控制算法控制接收器1802在白天期間的操作的過程的流程圖。一開始，在步驟1902確定白天的時間。接下來,在步驟1904確定太陽能接收器的位置。查詢步驟1906確定當前時間和太陽能接收器1802的位置相對于彼此是否正確。這可以利用將白天時間指示到太陽能接收器1802的中心軸1804的特定方向的表來實現。如果白天時間和接收器的位置如它們應該的那樣對應，那么控制返回到步驟1902以繼續監視白天時間和接收器位置。如果查詢步驟1906判定白天時間和接收器位置沒有適當地指示到彼此，那么太陽能接收器1802的驅動組件用于在步驟1908將接收器移動到與算法相關聯地存儲的定位數據指示的新位置。然后控制將進展到步驟1902以繼續位置和時間監視過程。現在參照圖20，示出實現自跟蹤太陽能接收器的一替選方法，其中太陽能接收器2002包括固定到其表面的多個光傳感器2004以使得太陽能接收器2002能將接收器與太陽對準。典型方法利用超過一個傳感器2004且提供一種控制機構，其中檢測到更強光能的傳感器2004被確定為更直接指向太陽的傳感器。傳感器2004經受更少陽光表明傳感器2004不直接指向太陽。控制過程通過不同傳感器2004的相對陽光檢測來確定接收器2002的取向。控制電機被開動以使接收器2002旋轉到將接收器2002朝向所檢測的陽光取向的位置。現在參照圖21，示出與太陽能接收器2002相關聯的一個這樣的控制機構的實現。每個傳感器2004向中央控制器2102提供傳感器信息。在一個實施例中，傳感器2004彼此相等地間隔開，但是還可以應用其他結構。雖然本說明書公開了關于太陽能接收器2002使用四個傳感器2004，但是為了優化太陽能接收器2002的定位能力，可以使用任意數量的傳 感器或傳感器陣列。中央控制器2102利用所接收的傳感器信息和本地存儲器2104提供的控制信息確定太陽能接收器2002相對于太陽的當前位置。一旦控制器2102確定了太陽能接收器2002的位置，控制器2102作出將太陽能接收器2002的中心軸更好地朝向太陽取向的新位置。控制器2102將致動信號發送到用于驅動定位機構2108的各種驅動電機2106以將太陽能接收器2002取向到控制器2102所確定的新位置。控制器2102以減小太陽能接收器2002的旋轉行程的方式與光傳感器2004提供的信息相互作用，使得僅步進位置變化被提供到驅動電機2106和定位機構2108，于是導致接收器2002的更精確的定位。從各種光傳感器2004提供的信息之間經常有不匹配，使得即使在光傳感器接收相同量的入射光時它們也提供不同的光強度信息。這將是影響跟蹤機構的精確度的原因。為了改善跟蹤精度，一算法可用在控制器2102內，其檢測當驅動電機2106和定位機構2108移動太陽能接收器2002時不同光傳感器2004的相對光強度的改變。控制器2102通過監視光傳感器的輸出和確定對于每個傳感器什么時候檢測到最大光檢測位置來確定相對于太陽的精確定位。將比較光傳感器的輸出以補償電機移動期間太陽的光強度改變。因此，對于每個傳感器2004讀取的最大光強度用于確定太陽的最可能方向，而不是傳感器2004所檢測的絕對值。通過這樣的多傳感器裁決實現，控制器2102可以自初始化其初始位置取向朝向太陽，這對于包括超過一個自跟蹤太陽能接收器2002的陣列而言是有很大用處。這將消除物理鏈接太陽能接收器2002的要求，即使陣列中的太陽能座艙通過非柔性的框架物理鏈接時。太陽能接收器2002將不需要在框架上預設，也不需要在運輸和安裝之前對準，于是減少了現場安裝所需的時間的勞動。因此，自跟蹤能力使得太陽能接收器2002的陣列能自對準。然而，自對準要求跟蹤傳感器精確操作，這不可以是一個傳感器因為各種原因(諸如變臟或操作能力退化)而喪失靈敏度的情況。為了避免太陽能接收器初始化為面對太陽時的蠕升失準，初始的日常開始位置可以由控制器2102與已知參考坐標相比較，已知參考坐標諸如為歷法紀年期間太陽能接收器2002的歷史初始定位。此類信息存儲在存儲器2104內。替代和/或同時地，傳感器2004感測的光相對于另一傳感器的相對強度可以與主語傳感器的歷史相對強度來比較，該數據也存儲在存儲器2104內。這樣的相對強度信息對照于超過一個參考傳感器來測量，由此提供一種裁判失靈傳感器的真實位置且產生響應于其的正確信息的手段。現在參照圖22，示出說明控制器2102控制太陽能接收器2002的操作的一種方式的流程圖。在步驟2202，從傳感器2004取得傳感器讀數。由控制器2102判斷從上次取得讀數之后傳感器讀數是否已經發生改變。如果沒有，那么在步驟2202和2204繼續監視傳感器。如果查詢步驟2204判斷傳感器讀數發生改變，那么接收器2002在步驟2206沿第一方向移動。在接收器2002移動之后，查詢步驟2208判斷光傳感器讀數增大還是減小。如果光傳感器值增大，那么控制回到步驟2206且接收器2002再次沿第一方向移動。如果查詢步驟2208判定所檢測的光強度下降，那么接收器2002在步驟2210沿相反方向移動。在步驟2212取得新的傳感器讀數，查詢步驟2214判斷是否已經檢測到最大光強值。如果已經檢測到，那么過程在步驟2216處完成。如果查詢步驟2214判定最大傳感器值未被檢測至IJ，那么接收器2002在步驟2206沿第二方向再一次移動。過程繼續，直到檢測到最大光強 傳感器值且過程在步驟2216處完成。現在參照圖23，示出本公開的控制系統內可以解決說明傳感器靈敏度喪失或其他類型的環境條件導致的失準的方式的流程圖。一開始，在步驟2302，從傳感器2004讀取實際傳感器數據。在步驟2304，該數據與先前從該傳感器監視并存儲在相關聯的存儲器2104內的歷史數據相比較。查詢步驟2306判斷實際監視數據與歷史數據之間是否有巨大差異。如果存在變化，那么在步驟2308調整傳感器的位置或校準以校正任何巨大差異。如果查詢步驟2306檢測到在實際數據與歷史數據之間沒有顯著差異，那么在步驟2310處不需要調節。現在參照圖24，示出太陽能接收器2402的陣列，其能夠經由無線通信連接2404彼此通信。這允許每個太陽能接收器2402接收關于太陽位置的信息，相應地控制其跟蹤并且集體提供信息到蓄電池存儲或使用位置2406。在太陽能接收器2402的陣列的情況下，通過使每個接收器2402配置有通信接口 2404 (其可以是如圖24所示的無線裝置，或者替代地，可以包括其他有線通信能力)，每個接收器2402可以與陣列內的其他接收器以及與其他陣列中的接收器或者與集群中的其他陣列通信，以接收和提供與接收器2402相對于太陽的位置相關的信息。通過在集群中共享此類信息，可以通過使每個太陽能接收器2402在傳感器失靈或其他情況下能夠基于來自其他傳感器的信息校正其位置，來提高相對于太陽的位置精度。因此，如果任何特定接收器2402上的傳感器失效，太陽能接收器2402利用從相鄰或相結合的接收器2402接收的信息來跟蹤太陽的位置。每個太陽能接收器2402可以額外地包括參考位置裝置諸如GPS接收器2408。GPS接收器2408用于相關于太陽對準太陽能接收器2402。接收器之間的通信能力的另一優點在于陣列群中的陣列的取向的同步以最大化太陽能的位置相關的接收，因為更遠離日出的接收器直到太陽在天空中達到足夠的高度才能檢測到太陽。物理上遠離太陽的太陽能接收器2402對太陽的這種早期檢測將增大每個接收器或接收器的組和陣列的能量生成的工作循環(duty cycle),如果他們在太陽在地平線或地勢之上變得可見之前聚焦在位于某點處的太陽上的話。通信接口 2404額外地使接收器2402能彼此遠離地放置且仍保持電連接，從而實現接收器2402獨立產生的能量在中央能量存儲/使用位置2406處的集合。自跟蹤太陽的能力將使得太陽能接收器2402能以獨立配置使用以提供能量到一個或更多設備，諸如提供DC能到DC操作設備，其中DC到DC轉換器可以直接包括到接收器中或者設置為單獨連接的設備。相同的方式可以應用到功率逆變器，其將用于將DC功率轉換為AC功率。獨立太陽能接收器2402的另一用途在于電動交通工具諸如電動自行車(e-bike)的獨立供電，其可以要求若干接收器電組合在一起以提供所需的能量和所要求的電流。利用上述太陽能接收器模塊，太陽能接收器的陣列可以組合在一起以產生電網所使用的電能。組合結構可允許太陽能接收器以最佳接收角度跟著太陽，且如果環境風或其他條件可能對太陽能接收器的操作造成損傷時，將個體接收器置于保護機殼內。受益于本公開的本領域技術人員將意識到，拋物線太陽能接收器的該陣列模塊提供了生成電力且同時保護該陣列免于環境條件的有效方式。應理解，圖和這里的詳細描述應以示范而非限制性的方式來看待，且無意限制到所公開的特定形式和例子。相反，在不偏離所附權利要求限定的本發明的思想和范圍的情況下，可包括對于本領域技術人員而言顯然的任何進一步的修改、變化、重布置、替換、代替、設計選擇和實施例。因此，所附權利要求 書旨在理解為涵蓋所有這樣的進一步修改、變化、重布置、替換、代替、設計選擇和實施例。
權利要求
1.一種太陽能接收器陣列，包括 多個太陽能接收器，布置成XXY陣列； 保護外殼，包括限定在其中的開口的多個側面；以及 其中，布置成XXY陣列的該多個太陽能接收器可下降到該保護外殼內的開口中以保護布置成XXY的該多個太陽能接收器免于外面的風。
2.如權利要求I所述的太陽能接收器陣列，其中該XXY陣列的第一邊緣可以從該保護外殼內的第一位置上升到該保護外殼外的第二位置，此外，其中在該XXY陣列的第一邊緣從該第一位置向該第二位置移動時，該XXY陣列在該XXY陣列的第二邊緣上樞轉。
3.如權利要求I所述的太陽能接收器陣列，其中該XXY陣列的多個太陽能接收器中的每個繞第一列向軸旋轉。
4.如權利要求3所述的太陽能接收器陣列，其中該XXY陣列的多個太陽能接收器中的每個繞與該第一列向軸垂直的第二軸旋轉。
5.如權利要求I所述的太陽能接收器陣列，其中該保護機殼的多個側面中的每個引導該XXY陣列中的多個太陽能接收器上方的氣流。
6.如權利要求I所述的太陽能接收器，其中該多個側面中的每個配置成響應于該保護外殼上方的氣流，在該開口上方產生真空以從該XXY陣列去除顆粒。
7.如權利要求I所述的太陽能接收器，其中該多個太陽能接收器中的每個還包括 主反射體； 次級反射體，懸置于該主反射體之上； 外殼，用于容納該主反射體；以及 太陽能電池，安裝在該主反射體的面上以用于接收從該次級反射體反射的能量。
8.如權利要求7所述的太陽能接收器陣列，其中該主反射體還包括熱沉，該主反射體和該熱沉集成為單個單元。
9.如權利要求7所述的太陽能接收器陣列，還包括將該主反射體包封在該外殼內的透明罩，其中該透明罩具有安裝在其中的該次級反射體以將該次級反射體懸置于該主反射體之上。
10.如權利要求I所述的太陽能接收器陣列，還包括至少一個支承臂以用于將該次級反射體懸置于該主反射體之上。
11.如權利要求I所述的太陽能接收器陣列，還包括用于將該多個太陽能接收器所產生的DC電力轉換成AC電力的逆變器。
12.如權利要求I所述的太陽能接收器陣列，還包括 用于無線連接到中央控制器的收發器， 其中該多個太陽能接收器的取向可以通過該中央控制器來配置。
13.如權利要求I所述的太陽能接收器，還包括用于將該太陽能接收器陣列所產生的電能經由電網引導到選定位置的中央控制器。
14.如權利要求I所述的太陽能接收器，其中該太陽能接收器中的每個包括檢測太陽的位置且將該太陽能接收器的指向軸對準太陽的自跟蹤太陽能接收器。
15.如權利要求14所述的太陽能接收器，還包括用于控制該太陽能接收器的指向軸的位置的跟蹤算法。
16.如權利要求14所述的太陽能接收器，還包括 多個光傳感器，用于感測太陽的位置并產生響應于其的控制信號； 控制器，用于響應于該控制信號控制該太陽能接收器的指向軸的位置。
17.如權利要求16所述的太陽能接收器，還包括 存儲器，用于存儲與該太陽能接收器的指向軸的位置和太陽位置相關的歷史數據； 其中所述控制還使用該歷史數據來控制該太陽能接收器的指向軸的位置。
18.如權利要求16所述的太陽能接收器，其中該控制器使用該歷史數據來調整該多個光傳感器的傳感器讀數以校正傳感器讀數測量時的錯誤。
19.一種太陽能接收器陣列，包括 布置成XXY陣列的多個太陽能接收器，該太陽能接收器中的每個包括檢測太陽的位置且將該太陽能接收器的指向軸對準太陽的自跟蹤太陽能接收器，其中該多個太陽能接收器中的每個還包括 主反射體； 次級反射體，懸置于該主反射體之上； 外殼，用于容納該主反射體； 太陽能電池，安裝在該主反射體的面上以用于接收從該次級反射體反射的能量，其中該XXY陣列的第一邊緣可以從該保護外殼內的第一位置上升到該保護外殼外的第二位置，此外，其中在該XXY陣列的第一邊緣從該第一位置向該第二位置移動時，該XXY陣列在該XXY陣列的第二邊緣上樞轉； 其中該XXY陣列的多個太陽能接收器中的每個繞第一列向軸旋轉； 保護外殼，包括限定在其中的開口的多個側面；以及 其中，布置成XXY陣列的該多個太陽能接收器可下降到該保護外殼內的開口中以保護布置成XXY的該多個太陽能接收器免于外面的風。
20.如權利要求19所述的太陽能接收器陣列，其中該XXY陣列中的多個太陽能接收器中的每個繞與該第一列向軸垂直的第二軸旋轉。
21.如權利要求19所述的太陽能接收器陣列，其中該保護機殼的多個側面中的每個引導該XXY陣列中的多個太陽能接收器上方的氣流。
22.如權利要求19所述的太陽能接收器，其中該多個側面中的每個配置成響應于該保護外殼上方的氣流，在該開口上方產生真空以從該XXY陣列去除顆粒。
23.如權利要求19所述的太陽能接收器陣列，其中該主反射體還包括熱沉，該主反射體和該熱沉集成成單個單元。
24.如權利要求19所述的太陽能接收器陣列，還包括將該主反射體包封在該外殼內的透明罩，其中該透明罩具有安裝在其中的該次級反射體以將該次級反射體懸置于該主反射體之上。
25.如權利要求19所述的太陽能接收器陣列，還包括至少一個支承臂以用于將該次級反射體懸置于該主反射體之上。
26.如權利要求19所述的太陽能接收器陣列，還包括用于將該多個太陽能接收器所產生的DC電力轉換成AC電力的逆變器。
27.如權利要求19所述的太陽能接收器陣列，還包括用于無線連接到中央控制器的收發器，以及 其中該多個太陽能接收器的取向可以通過該中央控制器來配置。
28.如權利要求19所述的太陽能接收器，還包括用于將該太陽能接收器陣列所產生的電能經由電網引導到選定位置的中央控制器。
29.如權利要求19所述的太陽能接收器，還包括用于控制該太陽能接收器的指向軸的位置的跟蹤算法。
30.如權利要求19所述的太陽能接收器，還包括 多個光傳感器，用于感測太陽的位置并產生響應于其的控制信號； 控制器，用于響應于該控制信號控制該太陽能接收器的指向軸的位置。
31.如權利要求30所述的太陽能接收器，還包括 存儲器，用于存儲與該太陽能接收器的指向軸的位置和太陽位置相關的歷史數據； 其中所述控制還使用該歷史數據來控制該太陽能接收器的指向軸的位置。
32.如權利要求30所述的太陽能接收器，其中該控制器使用該歷史數據來調整該多個光傳感器的傳感器讀數以校正傳感器讀數測量時的錯誤。
33.如權利要求19所述的太陽能接收器，還包括 與該多個太陽能接收器中的每個相關聯的DC/DC轉換器；以及 與該多個太陽能接收器中的每個相關聯的蓄電池。
全文摘要
太陽能接收器陣列包括布置成X×Y陣列的多個太陽能接收器。保護外殼包括多個側面，在其中定義開口。布置成X×Y陣列的多個太陽能接收器可下降到保護外殼的開口中以保護布置成X×Y陣列的多個太陽能接收器免受外面風的影響。
文檔編號H01L31/042GK102782421SQ201180011681
公開日2012年11月14日 申請日期2011年1月14日 優先權日2010年1月15日
發明者E·高爾, T·趙, Y·陳 申請人:埃斯派特太陽能私人有限公司