專利名稱：太陽能到電能和/或熱能的轉(zhuǎn)換的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對太陽能到電能和/或熱能的轉(zhuǎn)換的改進。更具體地，本發(fā)明提供了一種反射鏡和透鏡/棱鏡的系統(tǒng)，用于經(jīng)濟地聚集太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電能和/或熱能。
背景技術(shù)：
三十多年來，太陽能已經(jīng)成為理想的能源。然而，成本一直是其廣泛應(yīng)用的一個障礙。最熟知的太陽能系統(tǒng)包括覆蓋足夠的面積或截獲足夠的入射陽光的大量的太陽能電池，用于在百分之十到十五(10%-15%)的相對低的轉(zhuǎn)換率的情形下獲得需要的量的電
力。這種方法需要大面積的昂貴的半導(dǎo)體太陽能電池。至今為止，如果沒有某種成本補貼這種系統(tǒng)是缺乏競爭力的。通常，太陽能系統(tǒng)的昂貴的成本主要歸因于被稱為太陽能電池的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器件的成本和所需要的數(shù)量。已有幾種方法用于減輕成本問題。一種方法是制造僅使用最少量的半導(dǎo)體材料的薄膜太陽能電池。遺憾地，這種方法產(chǎn)生了更低的效率，百分之六到八(6%-8%)并且材料被證實是存在問題的。第二種方法是使用諸如菲涅耳透鏡或反射鏡的多種光學(xué)器件，來將太陽能聚集成更高的強度并且之后使用較小面積的昂貴的太陽能電池將其轉(zhuǎn)換。所有這些方法都已經(jīng)并且正在被研究。至今，如果沒有由公用事業(yè)或政府機構(gòu)提供的某種財政激勵，任何方法都沒有導(dǎo)致經(jīng)濟的太陽能的產(chǎn)生。需要一種更經(jīng)濟的方式用于收集太陽能并將其轉(zhuǎn)換為電和/或熱能。本發(fā)明的主要目的就是滿足這種需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的太陽能收集系統(tǒng)包括主反射鏡和副反射鏡。主反射鏡具有被構(gòu)造并定位以接收太陽能并將其朝焦點聚焦的凹鏡面表面。副反射鏡具有被構(gòu)造并定位以接收來自主反射鏡的已聚集的太陽能并將其聚焦于環(huán)形接收器上的凸鏡面表面。在一個實施例中，環(huán)形接收器包括光學(xué)元件的環(huán)形陣列，其被構(gòu)造以將被副鏡面表面接收的太陽能聚焦到離散區(qū)域的環(huán)Oa ring of discreet areas)上。在本發(fā)明的一個應(yīng)用中，太陽能到電能轉(zhuǎn)換單元環(huán)被定位于離散區(qū)域的環(huán)上。在優(yōu)選形式中，主反射鏡的凹鏡面表面是大致拋物線形。副反射鏡的凸鏡面表面是被改變用于將太陽能重新聚焦于環(huán)形接收器上的雙曲線形表面。在優(yōu)選形式中，環(huán)形接收器包括透鏡/棱鏡的圖案，其被布置以進一步聚集太陽能并將其傳遞到光伏電池的環(huán)形陣列上。本發(fā)明還包括制造主反射鏡和副反射鏡的方法。它還涉及副反射鏡與光學(xué)集中器之間和光學(xué)集中器與光伏電池系統(tǒng)之間的關(guān)系。光伏電池在系統(tǒng)中起到雙重作用。它們吸收被聚集的陽光并將它的一部分轉(zhuǎn)化為電能，和將一部分轉(zhuǎn)化為熱或熱能。因此，它既作為電產(chǎn)生器又作為熱產(chǎn)生器。為了有效地實現(xiàn)這兩種作用，利用具有足夠?qū)拵兜陌雽?dǎo)體材料制造光伏電池以在相對高的溫度下保持有效的電轉(zhuǎn)換。一般來說，半導(dǎo)體材料帶隙越寬，光伏電池效率隨著溫度升高，衰減越少。取決于產(chǎn)生電和產(chǎn)生熱的相對重要性，需要對考慮的應(yīng)用進行折中。本發(fā)明的一個方面是提供一種由具有彎曲的鏡面表面的薄金屬主體構(gòu)成的反射鏡，所述鏡面表面包括在所述金屬主體表面上的聚合物層，在聚合物層上的反射金屬層，和在金屬層上的薄玻璃層。這種構(gòu)造可被用于主反射鏡和副反射鏡。在優(yōu)選形式中，反射鏡的薄金屬主體由鋁合金片形成。尤其適合的合金為已經(jīng)硬化到T-6狀態(tài)的鋁合金6061。薄金屬主體被形成為所需形狀，之后在聚合物層、反射金屬層和薄玻璃層被相繼施加到其上時進行旋轉(zhuǎn)。在優(yōu)選實施例中，副反射鏡的鏡面表面為凸表面，所述凸表面被制定形狀以使其將其接收的光/熱能反射并聚焦到環(huán)形聚焦區(qū)域上。
本發(fā)明的系統(tǒng)很好地適合于具有單和多串聯(lián)結(jié)的寬帶隙光伏電池。至今，由寬帶隙材料制造的且處于多結(jié)配置的光伏電池的成本已經(jīng)阻止其在陸地應(yīng)用中的使用。本發(fā)明的集中器系統(tǒng)提供了極高的光強度并允許使用小的、經(jīng)濟面積的光伏電池。本發(fā)明包括一種高強度光伏電池的獨特設(shè)計?；趦蓚€原因這些電池具有獨特、長且窄的有源區(qū)域是最佳的。首先，電池圖案對應(yīng)于由第三集中器透鏡提供的照明圖案。其次，電池圖案提供把光致產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)出電池的很短的路徑長度。在光集中下的光伏電池在低電壓產(chǎn)生很大的電流。因此，電池中的任何串聯(lián)電阻都會降低電壓，其反過來，又降低了電池效率。通過以電導(dǎo)金屬柵網(wǎng)(grid)的圖案覆蓋電池的有源區(qū)域的方式，來自高強度電池的電流被收集并被導(dǎo)出電池。柵網(wǎng)中的串聯(lián)電阻與柵網(wǎng)長度成正比?；谶@個原因，具有平行于電池長尺寸延伸的電力母線的大而窄的電池設(shè)計允許必要的短導(dǎo)電柵網(wǎng)。如將在下文中所述的，本發(fā)明包括獨特而有利的光伏電池結(jié)構(gòu)和這種電池的圖案。本發(fā)明的太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是獨特的，因為它將太陽能以有用的溫度的熱水的形式轉(zhuǎn)化為熱能，而同時將太陽能功率高效率地轉(zhuǎn)化為電力。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，被集中的太陽能首先被光伏電池吸收。因為光伏電池由寬帶隙半導(dǎo)體材料制成，光伏電池將吸收的一部分能量轉(zhuǎn)化為電能，即使在升高的溫度下，寬帶隙半導(dǎo)體材料也可以保持高的效率。本發(fā)明提供一種由獨特太陽傳感器構(gòu)成的傳感和控制系統(tǒng)，其向微型計算機提供太陽位置信號，微型計算機處理信息并且向齒輪馬達發(fā)送控制信號，所述齒輪馬達驅(qū)動集中器和以+/-0. I度的精度保持集中器對太陽鎖定。本發(fā)明的微型計算機系統(tǒng)進一步用于在夜間關(guān)閉系統(tǒng)并定位主反射鏡以面朝地，在早晨啟動系統(tǒng)并且采集陽光，監(jiān)控光伏電池的溫度和如果電池過熱時驅(qū)動集中器離開太陽，監(jiān)控風(fēng)速并且如果風(fēng)速超過閾值量則旋轉(zhuǎn)集中器反射鏡為面向下(相對風(fēng)側(cè)立)。本發(fā)明的其它目的、優(yōu)勢和特征將通過下文闡述的描述、從附圖和體現(xiàn)在被顯示和描述的具體結(jié)構(gòu)中的原理，而變得顯而易見。


在附圖的幾個視圖中，相同的參考標號和字母表示相同的部分，并且，圖I是本發(fā)明一個實施例的示意截面視圖2是圖I中的邊緣部分的局部放大視圖，這種視圖示出薄金屬反射鏡主體、在主體上的聚合物層，聚合物層上的反射金屬層以及金屬層上的薄玻璃層；圖3是本發(fā)明的具有陽光聚集部件、電學(xué)部件、熱學(xué)部件和控制部件的整個系統(tǒng)的框圖；圖4是溫度對時間的圖，示出淬火6061鋁合金的時間/溫度特性；圖5為屈服強度(yield strength)對冷卻速度的圖，示出作為淬火參數(shù)的函數(shù)的6061鋁合金的相對強度；圖6是涉及在主反射鏡的拋物型表面上旋涂平滑的聚合物涂層的外力的圖表；圖7是真空沉積腔和離子輔助沉積元件的示意圖；
圖8是雙曲線的圖表，示出其幾何軸線和示出在軸線的一端處的實焦點以及在軸線的相對端處的虛焦點；圖9是與圖8類似的視圖，但示出雙曲線以及從幾何軸線的原始位置傾斜角度I的幾何軸線，并且示出從點a到點h延伸的雙曲線的一部分；圖10是結(jié)合圖8和圖9的視圖，并且示出經(jīng)過圓形路徑的被旋轉(zhuǎn)的雙曲線部分a-b的實焦點；圖11是通過圍繞新的幾何軸線￡-￡旋轉(zhuǎn)雙曲線部分a-b形成的三維形狀的視圖；圖12是涉及在副反射鏡的雙曲線形表面上旋涂平滑的聚合物涂層的外力的圖表;圖13為與副反射鏡隔開的透鏡/棱鏡組件的橫截面視圖；圖14是玻璃透鏡/棱鏡元件的圓形排列的示意圖，元件中的一個被顯示從其在陣列中的位置向上移動；圖15是透鏡/棱鏡元件中的一個的放大側(cè)視圖；圖16是圖14中的透鏡/棱鏡元件的端視圖；圖17是圖14和圖15所示的透鏡/棱鏡元件的俯視圖；圖18是包括四個圖I所示的太陽能收集系統(tǒng)的一個系統(tǒng)的電學(xué)部件的示意圖；圖19是在非常高的光強下有效率地運行的獨特的光伏電池的平面圖；圖20是圖19所示的光伏電池的圓形排列與電池互連件、保護性二極管、在銅疊層中被蝕刻的電路、陶瓷襯底和陶瓷襯底下面的另一銅疊層的分解示意圖；圖21是圖20所示的光伏電池排列的電路示意圖；圖22是熱學(xué)系統(tǒng)和其與整個系統(tǒng)中的其它部件之間的關(guān)系的示意圖；圖23是示出玻璃的典型反射曲線作為入射光的入射角度的函數(shù)的圖表；圖24是示出玻璃覆蓋的太陽能電池中所產(chǎn)生的信號作為角度的函數(shù)的圖表；圖25是對小的角度變化非常敏感的傳感器陣列的頂部平面圖；圖26是圖25所示的傳感器陣列的側(cè)視圖；圖27是整個太陽傳感器系統(tǒng)的橫截面視圖，示出后太陽傳感組件、粗糙傳感器組件和精細傳感器組件；和圖28是示出由太陽傳感器產(chǎn)生的典型信號作為誤差角度的函數(shù)的圖表。
具體實施方式
圖I是本發(fā)明示出的實施例的光學(xué)部件的示意圖。它包括主反射鏡10、副反射鏡14和光學(xué)聚集器18。主反射鏡10是在凹側(cè)上具有鏡面表面(specular surface) 12的凹/凸盤。副反射鏡14是在其凸側(cè)上具有鏡面表面16的凹/凸盤。反射鏡14的凸側(cè)16面對反射鏡10的凹側(cè)12。凹鏡面表面12優(yōu)選為拋物線形并且鏡面表面16是大體雙曲線形。大致拋物線形表面12被制定形狀用于將軸向準直的太陽光線聚焦到與其邊緣20共面的焦點上。這個焦點與副反射鏡14的大體雙曲線形的鏡面表面16的虛焦點重合。鏡面表面16被構(gòu)造并且定位用于聚集太陽能，它接收來自主反射鏡表面12的太陽能并且將其聚集到光學(xué)聚集器18的一端的環(huán)形區(qū)域上。如下文將要詳細描述的，聚集器18由透鏡/棱鏡100的環(huán)形陣列組成，所述透鏡/棱鏡100進一步將太陽能聚集到離散區(qū)域的環(huán)上。光伏電池PV被定位于離散區(qū)域上用于吸收被聚集的太陽能并將其轉(zhuǎn)換為電和熱。在圖3中，系統(tǒng)的太陽能收集部分被指定為SC。系統(tǒng)的電學(xué)部分被指定為ES。系統(tǒng)的熱學(xué)部分被指定為TS。系統(tǒng)的控制部分被指定為CS。優(yōu)選地，主反射鏡10由鋁合金片和圓形邊緣20構(gòu)成，所述鋁合金片被形成為具有 大致拋物線、凸/凹形狀，圓形邊緣20由徑向的和圓柱形的凸緣22、24構(gòu)成。如下文將要更詳細描述的,聚合物層26沉積在凹表面12上(圖2)。隨后在聚合物層26上氣相沉積反射性金屬的薄膜28。然后，為了保護金屬層28不被腐蝕和氧化，在金屬層28上沉積薄玻璃層30。這樣保護金屬層28免受惡劣天氣、磨損和清洗的影響。副反射鏡14優(yōu)選也由被制定形狀以具有修正的雙曲線形鏡面表面的鋁合金薄片形成。與主鏡面表面12—樣，副鏡面表面16在已形成的鋁薄片上提供聚合物層。然后，反射金屬層被施加到聚合物層上并且薄玻璃層被施加到金屬層上。主反射鏡和副反射鏡10、14由公有框架F支撐，主反射鏡10由板86、88和一系列緊固件(未示出)連接到公有框架F上。所述框架F包括軸向地延伸的柱P，其與兩個反射鏡12、16的公共中心線的軸線重合。形成聚集器18的一部分的透鏡/棱鏡100的環(huán)形陣列圍繞柱P。如下文將更詳細地說明的，修正的雙曲線形的表面16被構(gòu)造并被定位，用于將太陽能聚焦到是聚集器18的一部分的透鏡/棱鏡的環(huán)形環(huán)上。副反射鏡14可包括在其凹側(cè)上的外殼，其被構(gòu)造以接收冷卻流體。主反射鏡10可通過熱吹形成，將被加熱的鋁片形成到模具中，所述模具被精確地機加工成所需的拋物線形。之所以稱之為熱吹成形過程，是因為它利用氣體壓力來使被加熱的薄片與模具一致。在高溫下使薄片成形允許使用現(xiàn)成的軋制鋁薄片作為襯底原料(substrate stock)。高成形溫度降低了材料的抗張強度,使得引起從模具回彈的內(nèi)部應(yīng)力被最小化。已被降低的抗張強度還使由于材料批次之間的差異或不同售方的材料的差別引起的回彈的變化最小化。氣體壓力在片的所有區(qū)域上施加相等的壓力，從而確保材料的所有區(qū)域精確地與模具一致并且保持與成形模具的形狀精確地一致。在成形過程之后，已形成的部件處于軟化(T-O)退火條件下。所述軟化條件是不希望的且可通過選擇適合的合金和適合的成形條件來避免，使得在該部件被從模具移除且被冷卻之后可在該部件中發(fā)生時效硬化或回火。鋁合金6061對于利用時效硬化過程是適合的材料。時效硬化已形成的鋁部件至T-6條件，使其比它在T-O(軟化退火)條件時變硬或堅固約五倍。由于其在冷卻過程中相對慢的雜質(zhì)滲出速度，鋁合金6061對時效硬化是一個極好的選擇。圖4示出作為臨界溫度400到290°C之間的平均冷卻速度的函數(shù)的材料的固態(tài)性質(zhì)。通常，將主聚集器(反射鏡)在某一溫度下浸潤(soak)十五(15)分鐘足以建立時效硬化條件。如果獲得所需的雜質(zhì)的固態(tài)溶液，那么足夠快速地冷卻或淬火鋁，防止雜質(zhì)從溶液中沉淀并且產(chǎn)生過飽和的合金。在所述部件被冷卻后，雜質(zhì)緩慢地沉淀用以減輕過飽和狀態(tài)。所獲得的非平衡態(tài)、不穩(wěn)定的微結(jié)構(gòu)將經(jīng)過幾小時到幾個星期的周期(依賴于溫度)分解成多相體系，且已沉淀的雜質(zhì)造成晶格應(yīng)變或扭曲，其使鋁硬化到堅硬且堅固的T-6狀態(tài)。圖5示出作為臨界溫度400到290°C之間的平均冷卻速度的函數(shù)的6061合金的相對強度。加熱和冷卻條件被確定，使6061鋁合金在沒有回彈的情況下被精確形成和引起時效硬化。成形和淬火條件都必須在成形模具中實現(xiàn)。這通過在成形腔中熱隔離鋁片坯(aluminum sheet blank)和利用福射加熱使招片升高到536°C的溶液溫度來實現(xiàn)。之后，部件被迅速吹送到保持在低于鋁合金中的沉淀的臨界溫度的225°C的溫度的鋼模具中。鋁片迅速地將其熱量釋放到模具并被冷卻至?xí)r效硬化所需的點。 成形機在加熱、成形以及之后淬火主反射鏡的過程中執(zhí)行多個功能。它熱隔離盤坯(dish blank)以允許加熱。它在坯和模具之間形成氣密性密封。它形成圍繞盤的外邊緣的硬化環(huán)，迫使坯料進入到模具中并在模具冷卻已形成的盤以建立時效硬化條件時使其固定在適當位置上。已形成的主反射鏡被從成形機上移除并在形成鏡面表面之前被儲存用于時效硬化。鏡面表面被形成在已形成的鋁主體10的凹側(cè)上。這通過旋轉(zhuǎn)薄金屬主體10且給它施加聚合物層來進行。液體聚合物放置于盤的中心，所述盤然后圍繞其幾何軸線旋轉(zhuǎn)至一定旋轉(zhuǎn)速度，使得離心力引起液體沿著盤10的表面向外和向上流動到其外邊緣20。當主反射鏡10的整個凹表面12被液體聚合物膜覆蓋時，盤旋轉(zhuǎn)速度被調(diào)整以使離心力正好抵消重力。此時，在液體上沒有凈外力，使得它成為靜止的拋物線形的片26，并且其表面張力使其平滑為鏡面。在圖6中示出液體上沒有凈外力的狀態(tài)。所需的流體旋轉(zhuǎn)條件可通過下面所述的進行計算。圖6示出相對拋物線形的盤的曲率需要滿足的條件。假設(shè)原點在盤的中心，軸線如果垂直于原點，半徑Rmax為28英寸且邊緣高度Hmax為14英寸。因此，拋物線曲率表達為h = l/56r2(I)且dh/dr = r/28 = tan 0 (2)其中，h為高于原點的高度和r是從原點的徑向距離。之后，切向重力(向心力)為Fgt = Fgsin 0 = mgsin 0 (3)其中，F(xiàn)gt是重力的切向分量，F(xiàn)g為總重力，0是曲線的切線相對于水平線成的角，m是流體的質(zhì)量增量且g是重力常數(shù)。之后，切向的向心力為Fct = mrw2cos 0(4)其中Fet是向心力且w是旋轉(zhuǎn)盤的角速度。通過使方程式(3)和⑷相等并求解W，我們得到W = Vg/28 弧度或_分鐘轉(zhuǎn)數(shù)=60/IM-Jg7M(5)當滿足該旋轉(zhuǎn)速度條件時，之后流體在襯底表面的所有點上保持靜止且沒有流動趨勢。相似地，因為推導(dǎo)是基于拋物線曲率的開始前提，之后流體力求滿足拋物線曲線并且實際上可對起始襯底上的小的成形缺陷進行校正。液體聚合物還具有必須滿足上述應(yīng)用中的適當?shù)墓δ?的特定要求。聚合物性質(zhì)要求為(I)粘度必須足夠低以允許容易流過盤的表面，(2)工作時間必須允許真空脫氣以便去除氣泡和旋涂材料到盤上，(3)它允許熱激活固化，(4)固化的材料必須是真空兼容的，
(5)固化的材料必須經(jīng)受得住真空氣相沉積金屬和介電層的熱，(6)它必須支撐這些沉積的層而不起皺，和(7)固化的材料在正常服役時必須耐濕氣和熱循環(huán)。集成的制造過程生產(chǎn)出耐用的、經(jīng)濟的、精確成形的和光學(xué)性能出眾的主反射鏡
10。制造過程的關(guān)鍵步驟在于使成形形狀、使表面平滑以及沉積高反射型的金屬和保護性玻璃層。反射性的金屬層沉積在已固化的聚合物上，在高真空沉積過程中使層平滑。在一次的真空抽氣過程中，高反射型的金屬表面和保護性玻璃層被沉積。沉積金屬和玻璃層的一個關(guān)鍵方面是在它們被沉積到反射鏡襯底上時向所述層傳遞另外的能量。通過使被沉積的材料的一部分離子化且之后朝向膜生長的表面加速這些離子，將增加的能量傳遞到所述表面。這些離子將它們的動能釋放給正在生長的膜，允許沉積材料的橫向移動，用于使正在生長的膜致密，最小化針孔的形成，提高膜的粘結(jié)力和形成塊狀層。如圖7所示，金屬和玻璃層的沉積是在高真空腔中完成。過程開始于將已被平滑的主反射鏡10引入到真空腔70中并且將足夠的氣體從腔70中移除以產(chǎn)生4. OX 10_6托的壓力。反射層通過將包含金屬鋁或銀的坩堝加熱到金屬氣化點而被蒸發(fā)。金屬蒸發(fā)物被允許穿過高能電子流，從而使金屬蒸發(fā)物部分地離子化。未離子化的金屬蒸汽前進到主聚集器襯底，在所述主聚集期襯底處它液化。出現(xiàn)在腔70中的電場向著主聚集器襯底加速離子化的蒸發(fā)物，當離子到達它們的目的地時以這些額外的加速能量被沉積于表面上。長期以來，離子轟擊已經(jīng)被用于改善氣相沉積的薄膜。然而，已知的過程典型地使用用于轟擊的離子化的氣體束、原子束或分子束。這種束的方法很昂貴并且對于轟擊像拋物線型主反射鏡這樣大的面積不是很實用?；谶@個原因，我們發(fā)明了一種獨特的系統(tǒng)，用于使蒸發(fā)束的一部分離子化和使它向著目標膜加速來實現(xiàn)相同的結(jié)果。在如圖7中顯示了離子化沉積系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)由足夠大的真空腔70構(gòu)成，用于允許主反射鏡10被封閉于所述腔中。金屬蒸發(fā)物源72和玻璃蒸發(fā)物源74被提供并被使用。經(jīng)由電流加熱絲76以使得電子被從絲中釋放出來。陽極78放置于絲的對面并被提供電荷以吸引從絲釋放出的電子。電子流80被允許穿過由金屬或玻璃蒸發(fā)物源流出的蒸發(fā)物流。典型地，100到500mA的電子流足以使從所述源出來的蒸發(fā)物部分離子化。離子化和非離子化的蒸發(fā)物都朝襯底運動。板82位于源/絲和襯底之間。板82被充電到高電壓以加速離子化的蒸發(fā)物并且由此賦予蒸發(fā)物流額外的能量。接地的另外的板84位于充電板82和絲之間以減少從蒸發(fā)源轉(zhuǎn)移離開的電子的數(shù)量。出于安全原因，襯底10保持在接地電勢。以相類似的方式沉積玻璃層30，除了用一氧化硅材料作為將被蒸發(fā)的起始源材料。一氧化硅被從所述源蒸發(fā)，同時氧氣被注入到真空腔70中，用于在沉積腔中生成被控制的氧氣分壓。氧氣與一氧化硅在它從所述源到目標表面的路徑上和在目標表面上化合以將它轉(zhuǎn)化為二氧化硅，二氧化硅在沉積表面上形成穩(wěn)定的、透明的熔融二氧化硅膜。在蒸發(fā)過程中，電子流使一氧化硅材料部分地離子化，腔內(nèi)的充電的板朝著襯底10加速離子化的一氧化硅。來自被加速的離子的這種增加的能量被沉積在在目標表面上正在生長的SiO2層上，產(chǎn)生更大的遷移率和反應(yīng)性，這改善玻璃膜的致密性和粘結(jié)力，同時減少膜針孔的數(shù)量，改善膜的抗氣候性。在沉積玻璃之后，主反射鏡10被從沉積腔70中移出并被插入太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。也可以與主反射鏡10大體相同的方法由鋁合金片形成副反射鏡14。也就是說，鋁合金片可被熱吹形成在被精確地機加工成所需要的鏡面表面的形狀的模具上。之后，副反射鏡的凸表面被提供被施加到已形成的鋁構(gòu)件上的聚合物層。之后反射性金屬層被施加到聚合物層上，并且薄玻璃層形成在金屬層上。參考圖8-11，副反射鏡鏡面表面16可以下述方式來確定。首先，形成雙曲線hc，其具有幾何中心線軸線40、凹側(cè)、凸側(cè)、在凹側(cè)與軸線40相交的虛焦點IFP和在凸側(cè)與軸線40相交的實焦點RFP。所述軸線40和雙曲線he以圖9所示的方式圍繞虛焦點IFP被樞 轉(zhuǎn)適當?shù)奈恢锰帯．旊p曲線he在這個位置時，在曲線上有一個點，其與軸線40的原始位置
相交。之后雙曲線he的a-h部分被圍繞軸旋轉(zhuǎn)到適當?shù)奈恢靡孕纬苫剞D(zhuǎn)表面，回轉(zhuǎn)表面大致是雙曲面，除了它被修正以使得實焦點RFP正好位于圍繞原始軸線n的圓42上。在圖10中示出所述圓42。相應(yīng)地,傾斜的雙曲線的被旋轉(zhuǎn)的部分形成一表面,該表面正好將光能聚焦到環(huán)形區(qū)域上。圖10將圖8疊加到圖9上并且示出太陽能聚焦到其上的環(huán)42。因此，通過圍繞虛焦點IFP使雙曲線90傾斜并且之后圍繞原始軸線互I旋轉(zhuǎn)傾斜的曲線所形成的回轉(zhuǎn)表面he被作為制備模具的凹表面的基礎(chǔ)，通過使用熱氣體依靠其移動鋁合金片。在金屬主體成型之后，反射表面被平滑成鏡面品質(zhì)。同樣，類似于主平滑技術(shù)，具有足夠表面張力和低粘度的聚合物被施加到所述表面上。允許脫氣足夠長的時間，用于使表面張力平滑所述表面。需要小心以允許聚合物拉平而不流動。這可通過以一旋轉(zhuǎn)速度面朝下旋轉(zhuǎn)反射鏡14實現(xiàn)，使得向心力抵消重力，同時毛細粘結(jié)力將聚合物膜保持在部件的表面上。所述技術(shù)需要平滑的聚合物層足夠薄以允許毛細粘結(jié)力保持薄層顛倒而不滴落。粘結(jié)力需要抵消重力分量和離心力分量。圖12示出了旋轉(zhuǎn)雙曲線表面he的示意圖；和示出了必須被平衡以保持聚合物不移動的力。在平滑的聚合物層固化之后，利用上述的用于主反射鏡鏡面表面12的技術(shù)沉積反射表面。首先利用沉積附加能量的高能離子沉積金屬反射層。之后，再次使用玻璃蒸發(fā)物的高能離子來提供另外的能量至所述正在生長的膜，沉積玻璃保護層。這樣完成了副反射鏡表面16的制造。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，環(huán)形透鏡/棱鏡組件被定位在通過旋轉(zhuǎn)實焦點REP形成的環(huán)形區(qū)域上。在圖13中，光學(xué)元件50的環(huán)被顯示在部件18的向下收斂的環(huán)形開口的下端處。透鏡/棱鏡元件50的這個陣列起到將環(huán)形焦點由主反射鏡和副反射鏡重新定向到一離散的矩形區(qū)域的環(huán)上的作用。每個矩形的長軸線沿著初始聚焦環(huán)的徑向線定向并且互相之間具有相等的角。這種布置的好處在于高強度、會聚的能量目前只被引導(dǎo)到光伏或其它能量轉(zhuǎn)換元件的有源區(qū)域。參見在圖20中示出的光伏電池PVC。這具有這樣的另外的優(yōu)勢，即互接線、路徑和其它結(jié)構(gòu)不必暴露于高強度能量并且無需為了避免這些區(qū)域的損壞而進行特殊的設(shè)計考慮。透鏡/棱鏡元件50是獨特的，在于它們將入射的光束分為兩個分量以對其會聚和將其分為狹窄的光線。每個透鏡/棱鏡元件50的光學(xué)軸線是通過元件50的中心從上到下垂直延伸的垂直線。在徑向尺寸上，元件50起到具有圖14-17中示出幾何構(gòu)型的棱鏡的作用。元件50對穿透元件沿徑向成以離軸角度入射并且在元件50的平坦端面通過全內(nèi)反射被反射的光線起棱鏡作用。棱鏡的光學(xué)特性通過圖15和16中的光線路徑示出。對沿圓周方向以離軸角度入射的光線，元件50起到雙凸透鏡的作用。圖16示出雙凸透鏡的幾何構(gòu)型。透鏡的光學(xué)特性通過圖16中的光線路徑示出。穿入到元件50內(nèi)的圓周方向地離軸光線被折射到元件50下面的一個焦點上。在好的設(shè)計中，雙凸透鏡的厚度可以改變以優(yōu)化它們的性能。例如，最簡單的形式是兩個凸表面形成完整的圓形或圓柱形透鏡。在這種情況中，對大多數(shù)實際應(yīng)用的玻璃，光束以一定距離聚焦在透鏡的下表面之間。若透鏡的厚度增力口，光線可以被使得聚焦在玻璃材料的內(nèi)部。在圖16示出的例子中，光線聚焦于透鏡的下表面上。通過這種方式，對于特定系統(tǒng)，透鏡的性能可被優(yōu)化。通過棱鏡與透鏡功能的獨特組合，在透鏡頂表面上聚集的太陽光的連續(xù)環(huán)被形成為正好在透鏡下面形成的狹窄的矩形聚焦點上。最后，透鏡/棱鏡元件50的側(cè)面成為如圖17中所示的錐形，因此它們可以被裝配成如圖14所示的環(huán)形陣列。
通過將入射光線分成兩個部分，一個沿著徑向和一個沿圓周方向，棱鏡和透鏡各自起作用的角度的分布被限制到非常小的范圍并且即便在非常高的CHP系統(tǒng)聚集水平下也允許對系統(tǒng)的指向誤差容錯。圖18為電學(xué)系統(tǒng)示意圖。所示的特定系統(tǒng)包括四個太陽能收集系統(tǒng)I、II、III、IV，其被并聯(lián)地連接到通向用戶連接器CH的電導(dǎo)線。四個收集系統(tǒng)I、II、III、IV中的每一個都包括24個串聯(lián)連接/并聯(lián)的GaAs光伏電池的陣列,所述光伏電池適于在沒有負載時產(chǎn)生26伏特且在10安培時產(chǎn)生24伏特。電路包括8個15安培電路斷路器B和接地線GW。正極和負極導(dǎo)線從電路斷路器引導(dǎo)至用戶電路負載。系統(tǒng)包括用于跟蹤(tracking)驅(qū)動和控制的微型計算機和用于啟動的小的蓄電池。光伏電池PVC在系統(tǒng)中起到雙重作用。它們吸收已聚集的陽光并將其一部分轉(zhuǎn)化為電和將其一部分轉(zhuǎn)化為熱或熱能。因此，它在系統(tǒng)中作為電產(chǎn)生器和熱產(chǎn)生器。為了有效地實現(xiàn)這兩種作用，光伏電池PVC必須由具有足夠?qū)挼膸兜陌雽?dǎo)體材料制造以在相對高的溫度下保持有效的電轉(zhuǎn)換。一般地，半導(dǎo)體材料的帶隙越寬，光伏電池效率隨著溫度升高而衰減會越小。因此，依賴于產(chǎn)生電和產(chǎn)生熱的相對重要性，對于所考慮的應(yīng)用需要進行折中。例如，若使用GaAs光伏電池PVC，那么系統(tǒng)在高達約100°C的溫度產(chǎn)生熱，同時還能保持電轉(zhuǎn)換效率約為在25°C的效率的約95%。因此，所述系統(tǒng)很好地適合于具有單和多串聯(lián)結(jié)的寬帶隙光伏電池。在本發(fā)明之前，由寬帶隙材料制備和在多結(jié)配置的光伏電池的成本阻止了它們在陸地應(yīng)用中的使用?；谶@個原因，由在此處公開的集中器系統(tǒng)產(chǎn)生的非常高的強度允許使用小的、經(jīng)濟面積的光伏電池。為了使光伏電池PVC在非常高的強度下有效地運行，需要獨特的設(shè)計。圖19示出了一種非常高強度的太陽能電池的設(shè)計。電池PVC具有獨特的、長且窄的有源區(qū)域，其對于以下兩個原因是最佳的。首先，它對應(yīng)于圖14中所示的第三集中器透鏡50提供的照射模式。其次，它為光致產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)離開電池PVC提供了很短的路徑長度。在高的光聚集下光伏電池PVC在低電壓時產(chǎn)生非常大的電流；因此，電池中的任何串聯(lián)電阻會降低電壓，并且因而降低電池效率。通過采用導(dǎo)電金屬柵網(wǎng)G的圖案覆蓋電池的有源區(qū)域的方式，來自高強度電池的電流被收集并被導(dǎo)出電池。柵網(wǎng)G中的串聯(lián)電阻與柵網(wǎng)長度成正比?；谶@個原因，具有平行于電池PVC的長尺寸的電力母線BB的長且窄的電池設(shè)計允許必需的短的導(dǎo)體柵網(wǎng)G。對柵網(wǎng)線G的另一個限制是它們覆蓋盡可能小的有源區(qū)域的一部分以便不遮擋電池PVC的有源區(qū)域并防止光進入電池PVC。柵網(wǎng)G的電阻也與它們的寬度和高度成正比。基于這個原因，使電池PVC成錐形(逐漸變細)，在它們到達母線時變得較寬以及來自電池PVC的電流增加可有助于根據(jù)低遮擋的需要最優(yōu)化低電阻。。使柵網(wǎng)G盡可能地厚也可以減少柵網(wǎng)G所需要的寬度。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，用于最小化電阻和最大化有源區(qū)域的很多其它的柵網(wǎng)母線設(shè)計是顯而易見的。用于柵網(wǎng)和母線中的典型金屬是金、銀或銅。光伏電池PVC安裝于特定的、電絕緣的、導(dǎo)熱襯底120上。襯底120由每一側(cè)面結(jié)合鍍金的銅覆層124的薄氧化鋁片122組成.。在襯底的頂側(cè)，蝕刻覆層124以形成電路圖案，用于在光伏電池PVC之間制備電互連126，其被結(jié)合至如圖20所示的已蝕刻的銅電路圖案。在串聯(lián)連接的串中，如果由于集中器被部分遮擋使所述串的一部分被照射，那么光伏電池PVC由于反偏壓擊穿而遭受損壞。二十四個電池的串聯(lián)串中的每兩個光伏電池PVC由與所述兩個光伏電池PVC以相反的極性被連接的二極管D保護而免于反偏壓擊穿。 圖21示出光伏電池和二極管陣列的電連接。通過圖20所示的連接在環(huán)形板中心處的兩個銅導(dǎo)線將電力傳導(dǎo)離開所述陣列。通過接觸在陶瓷電路板背面上的鍍金的銅覆層的背面的循環(huán)水流使電池PVC冷卻。以這種方式，熱能被從電池中提取并被傳遞至位于集中器底部的熱交換器。圖22示出整個熱收集和控制系統(tǒng)。圖22示出被液體冷卻的副反射鏡14，所述液體從循環(huán)泵130流到通向集中器18底部的“進入”導(dǎo)管132，從那里穿過柱P流入到副反射鏡14的中空的內(nèi)部。被加熱的冷卻液從副反射鏡14的中空的內(nèi)部穿過“出口”導(dǎo)管134流出，并且流到兩向選擇電磁閥136，所述“出口”導(dǎo)管134穿過柱P延伸返回。如果熱能要被傳遞到外部負載，那么閥136操作以將被加熱的冷卻液傳送到液-液熱交換器138。熱能被轉(zhuǎn)移到使用流體以傳送至所需的熱負載。如果外部熱負載不需要熱能的任何一部分，那么閥136操作以將冷卻液引導(dǎo)到液-氣熱交換器140，在該熱交換器140中，熱能被轉(zhuǎn)移至周圍空氣。安裝于光伏電池PVC的襯底上的熱耦傳感器TS監(jiān)控光伏電池PVC的溫度。如果電池溫度升高至預(yù)設(shè)閾值，那么通過機載微型計算機來引導(dǎo)集中器陣列使單個太陽能收集器(或多個太陽能收集器)偏離太陽，用于防止對系統(tǒng)的損害。作為對計算機故障的備用設(shè)備，熱控開關(guān)S安裝于接收器基底的外殼上。這種常開的熱控開關(guān)S與垂直驅(qū)動齒輪馬達并聯(lián)連接。如果溫度升得太高，開關(guān)S關(guān)閉并且以適合的極性給馬達提供連續(xù)的dc功率，以驅(qū)動集中器陣列到面向地面位置，直到熱問題被分析和被改正為止。圖23-28涉及由圖3中標記為CS的元件構(gòu)成的控制系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括太陽傳感器，太陽傳感器將太陽位置信號供給至微型計算機，所述微型計算機處理所述信息并將控制信號發(fā)送至齒輪馬達，所述馬達驅(qū)動集中器并將它們以+/-0. 1°的精度對太陽保持鎖定。微型計算機還監(jiān)測水的溫度并調(diào)節(jié)在冷卻液回路中的流量以達到所需的操作溫度。微型計算機進一步用于在夜間關(guān)閉系統(tǒng)并定位集中器盤以面向地面，在早晨啟動系統(tǒng)并且采集陽光，監(jiān)控光伏電池的溫度和如果電池過熱則驅(qū)動集中器離開太陽，監(jiān)控風(fēng)速并且如果風(fēng)速超過閾值量則旋轉(zhuǎn)集中器盤至面朝下(側(cè)對著風(fēng))。將在下文對傳感器和控制系統(tǒng)的主要功能進行更詳細的描述。CHP太陽能集中器系統(tǒng)需要它的太陽傳感系統(tǒng)具有幾項特殊功能。首先，追蹤系統(tǒng)利用雙軸主動閉合環(huán)連續(xù)感測太陽并且不依賴于時鐘和計時算法(timing algorithm)來尋找和追蹤太陽。因為它不使用計時算法，傳感器必須能夠從180°立體角或半球的任何位置感測太陽的位置。如果發(fā)現(xiàn)太陽，太陽位置傳感器SPS必須提供足夠敏感的信號以允許以+/-0. 1°的精度來指向太陽。傳感器必須能在直接太陽照射和來自明亮云邊的光之間進行區(qū)分，且它必須不受雜散的反射光或基于地面的光源的干擾。最后，傳感器和追蹤系統(tǒng)對于商業(yè)銷售來說必須是足夠經(jīng)濟的。在本發(fā)明以前，沒有現(xiàn)有系統(tǒng)能夠滿足所有上述標準。本發(fā)明的傳感器SPS是基于一種與傳統(tǒng)傳感器不同的物理現(xiàn)象。本發(fā)明的傳感器SPS適于更好地免受雜散光影響并且在指定(指向)精度上提供對小角度偏移的更敏感的探測。大多數(shù)可使用的傳感器可使用某種高的柱子，光傳感器連接至其4個側(cè)面。當柱體直接指向太陽時，電池的邊緣轉(zhuǎn)向太陽并且沒有信號產(chǎn)生。當電池轉(zhuǎn)離太陽時，柱體一側(cè)上的電池被照射而產(chǎn)生信號，而相反側(cè)上的電池被遮擋并且不產(chǎn)生信號。另一種類型的傳感器使用平坦地安裝在準直管的底部的電池。這些設(shè)計的麻煩在于產(chǎn)生的信號是高度非線性的并且傳感器或者非常易于受雜散光照射(柱狀型)或者它們以大誤差角感測太陽而不能 修正(準直管型)。為了克服上述困難，本發(fā)明的傳感器SPS是基于對光伏電池表面上和例如玻璃的介電材料中的光反射和透射的入射角的非線性依賴。圖23示出典型的玻璃反射曲線作為入射光的入射角度的函數(shù)；圖24示出在進入光伏電池的光透射中驗證的相同的作用。光伏電池中產(chǎn)生的電流與透射進入它的光的量直接成正比。為了產(chǎn)生圖24所示的數(shù)據(jù)，玻璃覆蓋的光伏電池被放置在準直光束的下面并且被旋轉(zhuǎn)一百八十度(180° )，從-90° (面向一個方向側(cè)對著光束)，經(jīng)過0° (垂直入射)到+90° (面對相反方向側(cè)立)?？梢灾?，產(chǎn)生的信號是非線性的，在偏離垂直線的較大角度處的變化率遠大于其偏離軸線的角度處的改變率。這種對入射角的非線性電池電流響應(yīng)可被用于產(chǎn)生太陽傳感器，其對偏離垂直入射的角度誤差高度敏感并且產(chǎn)生隨著偏離軸線的誤差角度的增加而增加的線性信號。圖25和圖26示出本發(fā)明的太陽傳感器的實際的實施例。小的玻璃覆蓋的光伏電池150被安裝在截棱錐160的傾斜側(cè)面152、154、156、158上。當傳感器正在追蹤“對準太陽”(“on-sun”)時，太陽在傳感器的截棱錐152、154、156、158上方被直接對準，傳感器的軸線被定義為穿過棱錐的中心的垂線。所述線在圖26中被標識為光學(xué)軸線。當傳感器從太陽偏離時，照射有顏色的玻璃傳感器150的入射光的角度發(fā)生改變，在遠離太陽的一側(cè)變得更陡而在接近太陽的一側(cè)陡度很小。如果側(cè)面角被選擇，以使得電池工作在非線性反射的開端(on-set)附近(大約60° )，那么進入到面向太陽的電池的光迅速增加而進入背向太陽的電池的光迅速減少。側(cè)面角被優(yōu)化以得到最大和最線性的誤差信號。圖28示出典型的產(chǎn)生的誤差信號。信號具有極好的幅度，對小角度變化非常敏感，在圍繞垂直線的角度的大范圍內(nèi)有很好的線性，并且幅度與偏離垂直線的角度成正比例地增加?；诜蔷€性反射的太陽傳感器對圍繞其垂直線的小角度誤差非常敏感，允許它以非常嚴格的容差(典型地，+/-0. 1° )將集中器對太陽鎖定。傳感器的低剖面(profile)使得能夠使用遮蔽護罩ss來保護傳感器不受雜散反射光或本地光源的影響。圖27示出典型的護罩實施例的軸向截面視圖。精細傳感器組件位于柱狀遮蔽護罩SS的底部。護罩SS將傳感器限定為進入角非常窄的錐形，因此它成為系統(tǒng)的“精細”傳感器。為了粗感測，四個光伏電池162位于遮蔽護罩ss的外側(cè)上。這四個電池圍繞遮蔽護罩的周圍分開九十度(90° )排列。這種配置分別提供兩對相對的電池，用于南-北和東-西感測。在太陽位于集中器陣列后面的情形中，還有兩個面朝后的光伏電池傳感器RFC。來自精細傳感器、粗糙傳感器和朝后面向的傳感器的信號通過控制微型計算機處理。如果精細和粗糙傳感器的信號很少或沒有，但在朝后面向的傳感器上有信號，那么計算機引導(dǎo)齒輪馬達來向西驅(qū)動系統(tǒng)，直到粗糙傳感器獲得信號為止。在這一點上，計算機將控制傳送至粗糙信號，集中器驅(qū)動系統(tǒng)將在水平方向和高度方向上尋找太陽。當計算機探測到來自精細傳感器的足夠多的信號時，它那么向傳感器傳送控制以鎖定對準太陽(on-sun)和在每個軸線上保持所需的追蹤容差。以這種方式，獲得不受雜散光信號影響的 高敏感度、高精度的追蹤系統(tǒng)。由于明亮云邊散射光產(chǎn)生的剩余問題“追云(cloud chasing)”通過軟件來解決。計算機被指示忽略未達到典型的直射陽光的閾值的信號。機載計算機是控制系統(tǒng)的核心。除了處理追蹤信號和控制追蹤馬達外，計算機處理多種來自它的內(nèi)部時鐘、限制開關(guān)、熱偶、以及風(fēng)傳感器的其它信號來保證系統(tǒng)安全而有效地運行。限制開關(guān)位于馬達傳動系統(tǒng)中并且當集中器的運行到達在任一方向和兩個軸向上的行進的極限時被啟動。例如，在白天結(jié)束時，水平驅(qū)動系統(tǒng)從向西的太陽落下的位置旋轉(zhuǎn)回向東。它使向東極限開關(guān)啟動來對集中器進行定位以用于第二天早晨開啟一天的運行。通常(除了夏至外)在傍晚，系統(tǒng)不驅(qū)動到極端向西的位置，因而在一天能量收集結(jié)束時，內(nèi)部時鐘被用于以程序時間給計算機發(fā)信號來驅(qū)動返回到它的向東“起始”位置。類似地，在傍晚程序時間，在系統(tǒng)到達其向東“起始”位置之后，計算機驅(qū)動集中器面朝下。計算機也對風(fēng)傳感器的信號進行采樣，并且如果風(fēng)速超過已編程的閾值，那么計算機引導(dǎo)集中器朝向面向地面的位置(即與風(fēng)成水平)，直到風(fēng)信號降低到閾值以下。計算機還監(jiān)控位于每個光伏電池陣列上的熱偶，并且如果一個陣列顯示出溫度超過已編程的閾值，那么集中器被驅(qū)動到朝向地面的位置，直到問題根據(jù)需要可被評估和修正。作為備用設(shè)備，在計算機故障的情形下，熱機械開關(guān)位于光伏接收器主體上。如果接收器主體達到足夠高的溫度用于啟動熱機械開關(guān)，之后它取代計算機并且直接向仰角傳動馬達提供電力來將集中器驅(qū)動到面向地面的位置。對于正常運轉(zhuǎn)來說，計算機監(jiān)控冷卻流體的溫度并且控制泵流量來調(diào)節(jié)流體溫度達到程序值。如果溫度在上升且流體流速處于其最大值，那么假定外部熱負載不能接受產(chǎn)生的所有熱能并且用電磁閥將流體流轉(zhuǎn)向至液體-空氣熱交換器，用于控制流體溫度。在本發(fā)明的另一個實施例中，光伏電池陣列可被光吸收器替代用于吸收聚集的陽光并將它直接轉(zhuǎn)化為熱且把它傳遞到所需的應(yīng)用中。所需的應(yīng)用可以變化，例如家用熱水、水凈化、商業(yè)處理、或吸收空調(diào)。熱能可直接被用于(I)驅(qū)動熱發(fā)動機例如斯特林(Stirling)發(fā)動機，(2)超熱蒸汽，來驅(qū)動蒸汽引擎或渦輪，(3)給熱電產(chǎn)生器提供燃料，或
(4)驅(qū)動任何其它類型的熱引擎或熱應(yīng)用。將激光束沿平行于其光軸的方向引導(dǎo)到雙曲盤中，之后利用對激光光子敏感的光伏電池將激光束轉(zhuǎn)化為電能，是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。通過這種方式，無需使用電線即可在長距離上傳輸電力。將已調(diào)制的激光束平行于其光學(xué)軸線引導(dǎo)到集中器系統(tǒng)中，并且使用對激光光子敏感的探測器來探測和分析已調(diào)制的信號，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。以這種方式，系統(tǒng)可以被用作在激光傳輸通信系統(tǒng)中的接收器。此處，“光能”一般指陽光(太陽能)、激光束和其它光束。被闡述和/或描述的實施例僅作為本發(fā)明的例子，因此，是非限制性的。可以理解，在不偏離本發(fā)明實質(zhì)和范圍的情況下，可對本發(fā)明的特定結(jié)構(gòu)、材料和特征做出多種改變。因此，我們的意圖是指專利權(quán)并不受限于這里所闡述和描述的特定實施例，而是應(yīng)該 由，依據(jù)專利權(quán)利要求解釋進行解釋的、包括使用等價物的原理、后面的權(quán)利要求所確定。
權(quán)利要求
1.一種光能收集系統(tǒng)，包括 主反射鏡，所述主反射鏡具有凹鏡面表面，所述凹鏡面表面被構(gòu)造并定位以接收光能并將朝焦點聚焦光能；和 副反射鏡，副反射鏡具有凸鏡面表面，所述凸鏡面表面被構(gòu)造并定位以接收來自所述主反射鏡的已聚集的光能并且將該光能聚焦到環(huán)形接收器上。
2.如權(quán)利要求I所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述環(huán)形接收器是被構(gòu)造為將從所述副鏡面表面接收的光能聚焦到離散區(qū)域的環(huán)上的光學(xué)元件的環(huán)形陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的光能收集系統(tǒng)，其中，光-電轉(zhuǎn)換單元的環(huán)被定位在所述離散區(qū)域的環(huán)上。
4.如權(quán)利要求I所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述主反射鏡的凹鏡面表面是大致拋物線形。
5.如權(quán)利要求I所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述副反射鏡的凸鏡面表面是大致雙曲線形。
6.如權(quán)利要求2所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件包括透鏡。
7.如權(quán)利要求2所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件包括棱鏡。
8.如權(quán)利要求I所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述環(huán)形接收器是適于將所述光能轉(zhuǎn)化為熱能的主體。
9.如權(quán)利要求I所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述環(huán)形接收器適于將所述光能轉(zhuǎn)換為電能。
10.如權(quán)利要求3所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述光-電轉(zhuǎn)換單元是光伏電池。
11.如權(quán)利要求3所述的光能收集系統(tǒng)，其中，所述光-電轉(zhuǎn)換單元被連接在一起。
12.—種太陽能收集系統(tǒng)，包括 框架； 主反射鏡，由所述框架支撐，所述主反射鏡具有被構(gòu)造并定位以接收太陽能并將其朝焦點聚焦的凹反射鏡表面；和 副反射鏡，由所述框架支撐，所述副反射鏡具有被構(gòu)造并定位以接收來自主反射鏡的已聚焦的太陽能并將其聚焦到環(huán)形接收器上的凸反射鏡表面，所述環(huán)形接收器被所述框架支撐。
13.如權(quán)利要求12所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述環(huán)形接收器是被構(gòu)造為將從所述副反射鏡表面接收的太陽能聚焦到離散區(qū)域的環(huán)上的光學(xué)元件的環(huán)形陣列。
14.如權(quán)利要求13中的太陽能收集系統(tǒng)，其中，太陽能至電能轉(zhuǎn)換單元的環(huán)被定位在所述離散區(qū)域的環(huán)上。
15.如權(quán)利要求12所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述主反射鏡的凹鏡面表面是大致拋物線形。
16.如權(quán)利要求12所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述副反射鏡的凸鏡面表面是大致雙曲線形。
17.如權(quán)利要求12所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述環(huán)形接收器是適合用于吸收太陽能并將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的主體。
18.如權(quán)利要求13所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件是透鏡。
19.如權(quán)利要求13所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件是棱鏡。
20.如權(quán)利要求12所述的太陽能收集系統(tǒng)，包括用于可調(diào)整地安裝所述框架以便于移動的裝置，以保持所述主反射鏡指向太陽。
21.如權(quán)利要求20所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中，所述框架定位裝置包括方位調(diào)整裝置和高度調(diào)整裝置。
22.如權(quán)利要求20所述的太陽能收集系統(tǒng)，包括定位裝置的控制裝置，其包括響應(yīng)于太陽位置的傳感器裝置，用于保持所述主反射鏡朝向所述太陽。
23.—種反射鏡,包括 具有彎曲的表面的薄金屬體； 在所述彎曲的表面上的聚合物層； 在所述聚合物層上的反射金屬層；和 在所述金屬層上的薄玻璃層，所述層為所述反射鏡提供了鏡面表面。
24.如權(quán)利要求23所述的反射鏡，其中，所述薄金屬主體由鋁合金片形成。
25.如權(quán)利要求23所述的反射鏡，其中，所述薄金屬主體由被硬化到T-6狀態(tài)的鋁合金6061片形成。
26.如權(quán)利要求23所述的反射鏡，其中，所述彎曲的表面是凹表面。
27.如權(quán)利要求26所述的反射鏡，其中，所述彎曲的表面是大致拋物線形表面。
28.如權(quán)利要求26所述的反射鏡，其中，所述彎曲的表面是凸表面。
29.如權(quán)利要求26所述的反射鏡，其中，所述彎曲的表面是大體雙曲線形表面。
30.一種反射鏡,包括 片狀金屬主體，被形成為在一側(cè)上為凸形且在另一側(cè)上為凹形，所述主體具有鏡面表面，所述鏡面表面被形成在其側(cè)面中的一個側(cè)面上，通過以下方式 在所述側(cè)面上的聚合物層，所述聚合物被施加至所述表面上，同時，片狀金屬主體圍繞它的幾何軸線以一旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，使得作用于所述聚合物上的離心力抵消重力； 在所述聚合物層上的反射金屬層；和 在所述金屬層上的薄玻璃層。
31.如權(quán)利要求30所述的反射鏡，其中，所述主體由鋁合金片形成。
32.如權(quán)利要求30所述的反射鏡，其中，所述薄金屬主體由被硬化到T-6狀態(tài)的鋁合金6061片形成。
33.如權(quán)利要求30所述的反射鏡，其中，所述鏡面表面在所述主體的凹側(cè)上。
34.如權(quán)利要求33所述的反射鏡，其中，所述鏡面表面是大致拋物線形表面。
35.如權(quán)利要求30所述的反射鏡，其中，所述鏡面表面形成在主體的凸側(cè)上。
36.如權(quán)利要求35所述的反射鏡，其中，所述鏡面表面是大致雙曲線形表面。
37.如權(quán)利要求36所述的反射鏡，其中，所述大致雙曲線形表面被制定形狀以將由它接收的光/熱能反射和聚焦到環(huán)形聚焦區(qū)域上。
38.一種具有凸鏡面表面的反射鏡，所述凸鏡面表面適合將光能聚焦到環(huán)形區(qū)域上，所述凸鏡面表面通過以下方式形成 提供圍繞軸線對稱地形成的雙曲線，其具有凹側(cè)、凸側(cè)、凹側(cè)上的虛焦點和凸側(cè)上的實隹占.圍繞所述虛焦點使所述軸線和雙曲線傾斜，使得在傾斜位置上，所述軸線從它的原始位置分離一銳角并且所述拋物線被從其原始位置傾斜； 圍繞所述原始軸線旋轉(zhuǎn)所述傾斜的雙曲線的一部分，所述部分從所述原始軸線延伸到所述傾斜軸線并且延伸超過所述傾斜軸線，使得所述傾斜的雙曲線的被旋轉(zhuǎn)的部分形成圍繞所述原始軸線的回轉(zhuǎn)表面；并且 使反射鏡的凸鏡面表面具有所述回轉(zhuǎn)表面的形狀，使得所述鏡面表面具有環(huán)形焦點。
39.一種光能集中器，包括玻璃透鏡/棱鏡元件的環(huán)形陣列，每個所述元件具有凸頂部、凸底部、平坦內(nèi)端和外端以及徑向延伸的平坦側(cè)面，使得所述玻璃透鏡/棱鏡元件能夠大體安裝在一起并形成大致環(huán)形陣列。
40.一種光能收集系統(tǒng)，包括 主反射鏡，具有被構(gòu)造并定位以接收太陽能并將其朝焦點聚焦的凹鏡面表面； 副反射鏡，具有被構(gòu)造并定位以接收來自所述主反射鏡的已聚集的光能并將其聚焦于環(huán)形接收器上的凸鏡面表面，所述凸鏡面表面通過以下方式被形成 提供圍繞軸線對稱形成的雙曲線，其具有凹側(cè)、凸側(cè)、在所述凹側(cè)上的虛焦點和在所述凸側(cè)上的實焦點； 圍繞所述虛焦點傾斜所述軸線和所述雙曲線，使得在傾斜位置上，所述軸線從它的原始位置分離一個銳角并且所述拋物線從它的原始位置傾斜； 圍繞所述原始軸線旋轉(zhuǎn)所述傾斜的雙曲線的一部分，所述部分從所述原始軸線延伸到所述傾斜的軸線并超過所述傾斜的軸線，使得所述傾斜的雙曲線的旋轉(zhuǎn)部分形成圍繞所述原始軸線的回轉(zhuǎn)表面；并且 使所述副反射鏡的凸鏡面表面具有所述回轉(zhuǎn)表面的形狀，使得所述鏡面表面將具有環(huán)形焦點圖案。
41.如權(quán)利要求40所述的光能收集系統(tǒng)，進一步包括基本上位于所述環(huán)形焦點處的玻璃透鏡/棱鏡元件的環(huán)形陣列，每個所述元件具有凸頂部、凸底部、平坦的內(nèi)端和外端、以及徑向延伸的平坦側(cè)面，使得所述玻璃透鏡/棱鏡元件能夠大體安裝在一起并形成大致環(huán)形陣列。
42.一種太陽位置傳感器，包括 基部; 從基部向上延伸的圓柱狀遮蔽護罩，所述護罩包括上端、圓柱狀內(nèi)表面和一外表面；傳感器支撐件，具有下部和上部，所述下部連接到在遮蔽護罩里面的基部，所述上部成截棱錐的形式，且所述上部具有基本上分開九十度(90° )定位的四個傾斜側(cè)面； 四個光伏電池，安裝在所述支撐件上，每個光伏電池在所述截棱錐的一個傾斜側(cè)面上；和 四個光伏電池，分開九十度(90° )安裝在所述遮蔽護罩的外表面上。
43.如權(quán)利要求42所述的傳感器組件，其中，所述截棱錐的四個側(cè)面基本上與垂直方向成三十度(30° )傾斜。
44.如權(quán)利要求42所述的傳感器組件，其中，每個光伏電池都被玻璃覆蓋。
45.如權(quán)利要求42所述的傳感器組件，其中，對于所述光伏電池的入射角存在反射/透射的非線性響應(yīng)。
46.如權(quán)利要求44所述的傳感器組件，其中，對于所述玻璃覆蓋的光伏電池的入射角存在反射/透射的非線性響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽能到電能和/或熱能的轉(zhuǎn)換。拋物線形主反射鏡(10)具有凹鏡面表面(12)，其被構(gòu)造并定位以接收太陽能并將太陽能聚焦于焦點。具有凸鏡面表面(16)的副反射鏡(14)被構(gòu)造并定位以接收來自主反射鏡的已聚焦的太陽能并將該太陽能聚焦于環(huán)形接收器(18)。環(huán)形接收器(18)可包括光學(xué)元件(100)的環(huán)形陣列，其被構(gòu)造用以接收來自副鏡面表面(14)的太陽能并將其聚焦到離散區(qū)域的環(huán)上。太陽能到電能轉(zhuǎn)換單元環(huán)被定位在離散區(qū)域的環(huán)上。太陽傳感器允許精確的太陽追蹤以保持反射鏡系統(tǒng)與太陽對準。
文檔編號F24J2/18GK102779884SQ20121019290
公開日2012年11月14日 申請日期2008年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月8日
發(fā)明者威廉·E·赫爾尼, 馬克·D·摩根 申請人:艾德泰克有限公司