專利名稱：散熱防護物的制作方法
散熱防護物相關(guān)申請本申請要求于2009年8月洸日提交的標題為“A Heat Spreading Shield(散熱防護物)”的美國專利申請12Λ48，410的優(yōu)先權(quán)，該美國專利申請12Λ48，410要求于2008 年 12 月 10 提交的標題為"Inner Diameter Shield for a Mirror in a Solar Energy Device (用于太陽能裝置中的鏡的內(nèi)徑防護物)，，的美國臨時專利申請61/121，539的優(yōu)先權(quán)，這兩個申請據(jù)此通過引入被并入，如同為了所有的目的在本申請中完全闡述的。
背景技術(shù)：
通常知道，用于產(chǎn)生電力的許多已知技術(shù)中的一種技術(shù)涉及收獲太陽輻射并將其轉(zhuǎn)換成直流(DC)電。已證明太陽能發(fā)電是非常有效的和“環(huán)境友好的”能源選擇，并且與該技術(shù)相關(guān)的進一步的發(fā)展繼續(xù)增加對這樣的發(fā)電系統(tǒng)的呼吁。除了實現(xiàn)在性能和尺寸上均有效的設計之外，還期望提供以降低的成本和增大水平的機械堅固性為特征的太陽能發(fā)電單元。太陽能集中器(solar concentrator)是增加將太陽能轉(zhuǎn)換成DC電的效率的太陽能系統(tǒng)。太陽能集中器利用例如拋物面鏡和菲涅耳透鏡來聚焦入射的太陽能，以及利用定日鏡來跟蹤太陽的運動以便使曝光量最大。一種類型的太陽能集中器，在標題為 “Concentrator Solar Photovoltaic Array with Compact Tailored Imaging Power Unit (具有緊湊的特制成像發(fā)電單元的集中器太陽能光伏陣列)”的美國專利公布號 2006/0266408中公開，利用面板來使太陽能進入組件，用主鏡和副鏡來通過還被稱為非成像集中器的光接收器將太陽能反射和聚焦至光伏(PV)電池(還被稱為太陽能電池)上。這樣的系統(tǒng)中的PV電池的表面積遠遠小于非集中系統(tǒng)所需的表面積，例如小于進入窗口表面積的1%。由于太陽光的聚焦強度，這樣的系統(tǒng)在將太陽能轉(zhuǎn)換成電的方面具有高效率。 鏡系統(tǒng)一般集中了 500倍或更多倍的太陽光。跟蹤器可以用于適當?shù)卣{(diào)準集中器，使得太陽輻射被準確地反射到太陽能電池上。在太陽能集中器的跟蹤器失靈或偏移(misalignment)的情況下，集中的太陽光會被部分地引導到主鏡的表面而不是PV電池。在鏡的表面上的集中的太陽光會導致鏡體中的顯著的熱梯度。這可導致對鏡的損壞例如翹曲、爆裂或破裂。明顯地，鏡是需要保護的太陽能集中器系統(tǒng)的重要部件。設想更有成本效益的方法來保護鏡以免遭受集中的太陽光將有助于太陽能集中器設計的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種用于太陽能裝置的熱傳導系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括防護物，該防護物由符合在太陽能裝置中的曲面鏡的凸面?zhèn)鹊臒醾鲗Р牧现瞥伞ｇR可以具有大于50的直徑對深度的長寬比的碗形狀。鏡的厚度可以小于5mm。本發(fā)明的防護物可以被布置在圍繞鏡中的孔的區(qū)域上并且通過降低鏡上的熱梯度來保護鏡以免遭受集中的太陽輻射的影響。防護物可以提供用于經(jīng)由被動的熱傳導來降低鏡的區(qū)域上的溫度差同時保持與PV電池熱隔絕的通路。本發(fā)明的防護物的傳導性(conductance)大于鏡的傳導性。防護物可以被放置在鏡的非反射性的表面上，并且可以是與太陽能系統(tǒng)的光伏電池熱隔絕的。由集中的太陽光產(chǎn)生的熱可以從鏡經(jīng)由直接輻射轉(zhuǎn)移到防護物或經(jīng)由熱傳導轉(zhuǎn)移到鏡的內(nèi)面。在一種實施方式中，防護物可以是位于鏡的凸面?zhèn)鹊慕饘賹?。可以通過任何方法例如使用粘合劑或通過熱/等離子體噴涂來固定防護物。防護物可以是可作為一個或多個條來應用的金屬帶。在一種實施方式中，防護物可以以具有被縫(seam)或間隙(gap)間隔開的端部的一個或多個條來應用。條的端部可以以提供在間隙或縫處對集中的太陽輻射的最少暴露的方式以同一方向被定向在鏡陣列中。


圖IA是示出同軸輻射和離軸輻射的太陽能裝置的橫截面。圖IB描繪了具有熱防護物的太陽能裝置的部分的特寫橫截面。圖2示出了本發(fā)明的熱防護物的俯視圖和仰視圖。圖3示出了本發(fā)明的熱防護物的一種實施方式的分解圖。圖4A示出了在模塊上的鏡陣列的后視圖。圖4B示出了本發(fā)明的防護物的兩種實施方式的特寫，其指示在防護物條的端部之間的間隙或縫的方位。
具體實施例方式現(xiàn)將詳細參考所公開的發(fā)明的實施方式，在附圖中闡述實施方式的一個或多個實例。本發(fā)明的防護物可以保護主鏡和集中太陽能裝置的其它部件。圖1中所示的一種類型的集中太陽能裝置利用曲殼主鏡110和副鏡120來將太陽能集中和聚焦到光學非成像集中器130，該非成像集中器130將集中的太陽輻射引導到光伏(PV)電池140上。集中器可以被封裝在接收器模塊150中。接收器模塊150可以位于孔160中，在該示例中孔160被居中定位在中空的主鏡110中并用于保護PV電池外殼170以免遭受集中的太陽輻射。當太陽能裝置沿入射的太陽輻射181的軸定向時，集中的太陽光被適當?shù)匾龑У椒浅上窦衅?130上。從集中器130，光被引導到PV電池140，用于轉(zhuǎn)換成可使用的電能。圖1的集中太陽能裝置可以是例如在標題為"Concentrator Solar Photovoltaic Array with Compact Tailored Imaging Power Units (具有緊湊的特制成像供電單元的集中器太陽能光伏陣列)，，的美國專利公布號2006/(^66408中所公開的裝置，該專利據(jù)此通過引用被并入。該裝置可以被裝配成裝置陣列并被安裝在跟蹤裝置上，以便沿正交于太陽的輻射的路徑來引導它們。本發(fā)明的防護物裝置可以保護主鏡以免遭受由太陽能裝置的離軸輻射(off-axis irradiation)造成的集中的太陽輻射。由于任何原因都可能發(fā)生離軸輻射182、183，例如當太陽能裝置偏移時或當太陽能裝置的運動不合時宜時。離軸輻射的其它源包括太陽跟蹤裝置的部分的或完全的故障。在主鏡上的離軸輻射不同于PV電池140中的熱積聚并會導致在鏡的區(qū)域上的強的溫度差，集中的太陽光的聚焦光束被引導到該區(qū)域。本發(fā)明的熱防護物可以與可熱耦合到PV電池的任何溫度控制裝置分開。當局部區(qū)域經(jīng)歷強的熱梯度時， 鏡上的溫度差會導致鏡的翹曲或破裂。本發(fā)明的防護物裝置190，如在圖IB中所示的，可以降低當集中的太陽光被引導到鏡上時所產(chǎn)生的溫度梯度。更均勻的溫度確保更均勻的應力，更均勻的應力又降低超過鏡材料的彈性極限或斷裂強度的風險。在本發(fā)明的一種實施方式中，通過在更寬的面積上傳導熱能，該防護物可以降低由在鏡的小部分上的集中的輻射造成的在區(qū)域上的溫度梯度。通過用具有相對于通常使用的鏡材料(例如玻璃或塑料) 的低的熱傳導性的更高的熱傳導性的材料(例如金屬)提供熱傳導機理，這可以有利地提高鏡的使用壽命。圖IA和圖IB闡明了在鏡中熱積聚的機理。由于如上文所描述的各種跟蹤器和偏移誤差，所以太陽能系統(tǒng)可以被定位成輕微地偏離正交于太陽的光線的軸，這可以允許入射輻射182被引向在接收器防護物150和鏡110之間的空間，導致在鏡110的凸面?zhèn)?11 上發(fā)生局部的“熱點(hot spot)”。當離軸方位度為更顯著的183時，導致聚焦的太陽輻射更大偏離至主鏡110的凹側(cè)面112上的點，發(fā)生熱積聚的第二實例。這些聚焦的輻射點產(chǎn)生鏡的小部分的大的溫度增加。其為鏡的輻射區(qū)域和周圍部分之間的溫度梯度，溫度梯度會導致鏡破裂、爆裂或翹曲。當輻射部分的溫度提高并且當使用更薄的鏡材料(例如小于 5mm)時，鏡損壞的可能性增加。本發(fā)明的防護物可以用于降低由集中的太陽輻射引起的在鏡上形成的溫度梯度。本發(fā)明的防護物190是熱傳導層，其可以被布置在中空的主鏡110的凸側(cè)面111 上，基本上圍繞鏡110的開口 160。本發(fā)明的防護物與鏡熱接觸。在一種實施方式中，可以使用粘合劑層191(例如丙烯酸、丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂、硅氧烷或其它粘合劑)將防護物190 固定到鏡110。粘合劑可以具有熱傳導性質(zhì)。在另一種實施方式中，熱防護物190可以包括可以提高防護物的發(fā)射率或耐久性性質(zhì)的材料外層192例如聚合物或油漆涂層(例如丙烯酸)。聚合物層192可以在光譜的可見區(qū)和近頂區(qū)中是透明的以提供最佳的熱能發(fā)射率。 外層192可以是高度反射的或高度發(fā)射的。外層可以比防護物的基本材料更具發(fā)射性。在一種實施方式中，外層192可以具有白色裝飾(white finish)。防護物190可以由有效地傳導熱量的任何材料例如金屬(例如，Al、Cu、Ag、鋼和 Au)來制成。為了本公開內(nèi)容的目的的術(shù)語傳導性是材料的至少熱導率和部件的厚度的函數(shù)。本發(fā)明的防護物裝置可以是提供高于鏡的熱傳導水平的熱傳導水平或傳導性的任一厚度。金屬帶提供高的傳導率值，允許從相對低的厚度具有優(yōu)良的傳導性質(zhì)。在本發(fā)明的一種實施方式中，防護物可以是諸如例如3M 鋁帶之類的金屬帶的一個或多個條。防護物可以是提供足以將鏡中的溫度梯度降低至低于鏡材料的斷裂點的傳導性的任一寬度。在一個非限制性實例中，本發(fā)明的防護物可以將鏡中的熱梯度從10°C /mm降至5°C /mm。本發(fā)明的防護物有利地提供在由薄的材料(厚度小于5mm)組成的具有高的長寬比的曲面鏡中熱梯度的降低。這樣的‘中空的’曲面鏡不是固體光學元件，并且可能不能夠充分地將熱量從大于5°C/mm的熱梯度傳導開。鏡材料可以具有大于50的長寬比(直徑/深度)并由薄的材料(厚度小于5mm)組成。在一種實施方式中，鏡材料的厚度可以為約2mm。本發(fā)明的防護物可以將鏡的局部區(qū)域的溫度從大于100°C降低至小于65°C。在一種實施方式中，防護物的寬度可以為Imm-lOOmm，例如寬度為25mm。防護物的厚度可以在1 μ m至1000 μ m之間， 例如厚度在70 μ m至500 μ m之間。防護物可以應用為帶的這樣一個或多個條具有在帶的端部之間的縫或間隙。這可以有利地改進帶在主鏡的彎曲幾何形狀上的應用。在一種實施方式中，帶可以以兩個或更多個部分來應用，以便符合曲面鏡的復合曲線。在可選擇的實施方式中，防護物可以是被固定到鏡以圍繞開口的沖壓金屬盤(stamped metal disk)。防護物可以是具有變化的厚度以符合曲面鏡并通過粘合劑固定的沖壓金屬盤。注意到，雖然在本公開內(nèi)容中將防護物的實施方式描述為環(huán)形環(huán)，但其它的構(gòu)型是可能的，例如多邊形或曲線形狀，其可以被設計成穿過防護物的表面區(qū)域?qū)崿F(xiàn)所期望的熱曲線。在其它的實施方式中，防護物可以是熱或等離子體噴涂的諸如金屬(例如Al、Cu) 的傳導材料層。在一種實施方式中，防護物可以具有遞減的或平滑的邊緣，以在防護物的邊緣附近提供防護物材料的厚度梯度。緩慢地改變厚度可以有利地避免傳導性的空間梯度并減少在防護物的邊緣處損壞鏡的風險。提供遞減邊緣的另一個益處可以是被噴涂的金屬體積與均勻厚度的噴涂相比可以被減小，導致降低的制造成本。在圖2的實例I中示出本發(fā)明的裝置的優(yōu)點。在鏡的凸側(cè)面211上的防護物四0(仰視圖)可以有效地將熱量從鏡的高溫區(qū)域傳導開，同時不堵塞或減少凹面?zhèn)如R212 的反射表面(俯視圖)。還可以看出，鏡孔260基本上未被防護物覆蓋，有利地將與PV電池相關(guān)的熱調(diào)節(jié)機制與本發(fā)明的熱傳導方式分開。在圖2的實例II中所示的本發(fā)明的一種實施方式中，防護物293可以向鏡的孔260伸出，以對被布置在鏡孔260下方的太陽能系統(tǒng)的任何組件提供另外的保護以免受到集中的太陽光，同時保持與太陽能電池分離。在該實施方式中，可以例如通過物理分離或熱絕緣材料的存在而將太陽能電池和接收器組件(未顯示)與本發(fā)明的防護物裝置熱隔絕。圖3闡釋本發(fā)明的一種實施方式，在該實施方式中，防護物可以是金屬帶的一個或多個條301，例如被布置成端對端并應用到主鏡陣列300中的主鏡311的凸面?zhèn)鹊膬蓚€半圓形的部件。帶可以以一個或多個條來應用，以適應平滑應用到曲主鏡的復合曲線。條的端部可以在條之間的縫或間隙處接觸并且可以被基本上同一地定位在陣列300中的鏡311 上。在一些實施方式中，間隙或縫的寬度可以小于1英寸。圖4A示出了主鏡陣列400的后視圖。在本發(fā)明的實施方式中(在圖4B中所詳述的)，本發(fā)明的金屬條的端部之間的空間可以是間隙402 (圖4B的“ I ”)或縫403 (圖4B的“ II ”)。對于被布置在模塊400中的所有的鏡411，金屬條的端部可以相對于模塊的側(cè)邊405以同一方向定位，如在圖4A中所示。 金屬條的端部的位置和方位可以提供鏡的未保護區(qū)域?qū)τ杉械奶柲芟到y(tǒng)的離軸輻射導致的熱點的減少的暴露。當離軸誤差由跟蹤時間的延遲或提早造成時，由于系統(tǒng)沿太陽路徑而行，則熱點會存在于主鏡上的東-西方位。當離軸誤差由跟蹤系統(tǒng)的橫向位移造成時，由于系統(tǒng)沿太陽路徑而行，則熱點會存在于主鏡上的北-南方位。在本發(fā)明的一種實施方式中，在一個或多個防護物條的端部之間的間隙或縫可以被定向成相對于主鏡陣列411 的側(cè)邊405約43° -47°角度。在本發(fā)明的另一種實施方式中，在一個或多個防護物條的端部之間的間隙或縫可以被定向成相對于太陽的東-西路徑約43° -47°角度。這些方位可以有利地使在金屬防護物條的端部上的熱點的出現(xiàn)最少。雖然已經(jīng)關(guān)于本發(fā)明的具體實施方式
詳細地描述了本說明書，但應明白，本領域技術(shù)人員在獲得上述內(nèi)容的理解之后可以容易地設想對這些實施方式的變更、這些實施方式的改變和這些實施方式的等同物。可以由本領域普通技術(shù)人員實踐對本發(fā)明的這些和其它的修改和改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的精神和范圍在所附權(quán)利要求中更具體地闡述。此外，本領域普通技術(shù)人員應明白，上述描述僅僅是作為實例，且并不意圖限制本發(fā)明。因此，預期本主題涵蓋落入所附權(quán)利要求的范圍的這樣的修改和改變及它們的等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于太陽能裝置的熱傳導系統(tǒng)，包括中空的曲面鏡，具有凸面?zhèn)?、凹面?zhèn)?、孔以及第一傳導性；防護物，符合所述鏡的所述凸面?zhèn)炔⑶覈@開口的一部分，所述防護物具有第二傳導性；以及光伏電池，用于將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能；其中，所述防護物的第二傳導性大于所述曲面鏡的第一傳導性，并且所述防護物是與所述光伏電池熱隔絕的。
2.如權(quán)利要求1所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述防護物包含金屬帶。
3.如權(quán)利要求1所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述中空的曲面鏡具有小于5mm的厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述防護物包含具有孔的沖壓金屬盤。
5.如權(quán)利要求1所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述防護物包含通過熱噴涂固定到所述曲面鏡的材料層。
6.如權(quán)利要求2所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述金屬帶包含圍繞所述孔的一個或多個條，所述條具有端部。
7.如權(quán)利要求6所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述金屬條的所述端部被間隙或縫間隔開。
8.如權(quán)利要求6所述的熱傳導系統(tǒng)，還包括太陽能裝置的陣列，其中所述陣列的側(cè)邊相對于太陽的光線的軸來定向，并且所述帶的所述端部被定向成使射到所述端部處的離軸輻射最少。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)的熱傳導，其中，所述間隙或縫的寬度小于1英寸。
10.如權(quán)利要求8所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述金屬帶的所述端部被定向成相對于所述太陽能裝置的陣列的側(cè)邊成43° -47°角度。
11.如權(quán)利要求2所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述金屬帶包括從由鋁、銀、金、銅、鋼和鐵組成的組中選擇的金屬。
12.如權(quán)利要求2所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述金屬帶被用粘合劑固定到所述鏡。
13.如權(quán)利要求1所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述防護物向所述孔伸出。
14.如權(quán)利要求1所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述防護物還包括聚合物層。
15.如權(quán)利要求14所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述聚合物層相比于所述防護物具有更高的熱發(fā)射率。
16.如權(quán)利要求1所述的熱傳導系統(tǒng)，其中，所述防護物具有朝所述防護物的邊緣平滑地減小的厚度。
17.一種用于降低在太陽能集中鏡的一部分上的溫度差的方法，包括 提供中空的曲面鏡和光伏電池，其中所述鏡包括凹面?zhèn)取⑼姑鎮(zhèn)群涂?；以及將防護物固定到所述曲面鏡的凸面?zhèn)鹊囊徊糠?；將所述防護物與所述光伏電池熱隔絕；其中所述防護物包括熱傳導材料，所述熱傳導材料圍繞開口的一部分，符合所述曲面鏡的形狀。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述熱傳導材料包括金屬帶。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述金屬帶包括被間隙間隔開的一個或多個條。
20.如權(quán)禾腰求17所述的方法，其中，所述間隙被定向成相對于太陽路徑成43°-47°角度。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于太陽能裝置的熱傳導系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括防護物，該防護物由符合太陽能裝置中的中空的曲面鏡的凸面?zhèn)鹊臒醾鲗Р牧现瞥?。本發(fā)明可以經(jīng)由被動的熱傳導來降低在鏡的區(qū)域上的溫度差。本發(fā)明的防護物的傳導性大于鏡的傳導性。防護物可以是諸如金屬帶的金屬層。帶可以作為具有被縫或間隙間隔開的端部的一個或多個條而應用。條的端部可以以提供在間隙或縫處對集中的太陽輻射的最少暴露的方式以同一方向被定向在鏡陣列中。
文檔編號H01L31/052GK102246321SQ200980149504
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者伊萬.格林, 邁克爾.米爾本, 馬克.麥克唐納 申請人:索爾?？怂构煞萦邢薰?br>