具有可更換的太陽能收集器部件的兩部分太陽能收集系統技術方案

用于安裝在平面支承表面（例如，屋頂）上的兩部分太陽能收集系統，包括基礎結構的永久定位部件和包括被固定地安裝在支承框架上的太陽能收集元件的可更換的太陽能收集器部件。每個收集元件包括被布置來把太陽輻射聚焦到焦線的光學元件和被固定地保持在焦線上的線性布置的太陽能收集器（例如，ＰＶ電池）。可更換的太陽能收集器部件被固定到基礎結構的旋轉平臺，以使得太陽能收集元件的焦線保持在基本上平行于支承表面的平面上，以及由定位系統使得旋轉平臺和可更換的太陽能收集器部件一起圍繞旋轉軸樞軸地旋轉，以便平行于接收的太陽光束而將ＰＶ電池對準。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術總的涉及太陽能發電的改進，更具體地，涉及適用于住宅屋頂安裝的應用 或包括公用事業規模設施的商業應用的、兩部分太陽能發電系統。
技術介紹
對于“綠色”電源(即，不是用基于石油的產品的發電)的需要引起用于商業和住 宅應用的太陽能發電的許多進步。太陽能發電典型地牽涉到把太陽光直接轉換成電的光伏(PV)元件(太陽能電 池)的使用。這些太陽能電池典型地通過使用方形或準方形硅晶片而被制成，這些硅晶片 通過使用建立的半導體制造技術被摻雜，并以產生自由電子的方式吸收光輻射(例如，太 陽光)，在存在內建電場的情形下使得這些自由電子流動，創建直流(DC)功率。由包括幾個 太陽能電池的陣列生成的DC功率在被放置在電池上的網格上被收集。太陽能發電當前在住宅和商業環境(setting)中執行。在典型的住宅應用中，相 對較小的太陽能電池陣列被安裝在房子的屋頂上，生成的電典型地僅僅提供給該房子。在 商業應用中，較大的陣列被布置在太陽照射下，否則在未使用的區域(例如，沙漠)，最終得 到的大量電力通過電力線被輸送到企業和住房。把太陽能陣列安裝在住宅房子或接近于負 荷的商業設施上的好處是，本地化的發電減小與在長的電力線上的傳輸相關聯的損耗，并 且與諸如在某些公用事業規模太陽能設施中的遠離有用負荷的商業的太陽能發電相比較， 它需要較少的資源(即，土地、電力線和塔、變壓器等等)來對所發的電進行配電。然而，如 下面闡述的，當前的太陽能發電設備在住宅環境中典型地不是經濟可行的。光伏太陽能發電設備通常可被劃分成兩組平板太陽能陣列和聚集型 (concentrating-type)太陽能設備。平板太陽能陣列包括太陽能電池，該太陽能電池被安 排在大的平板上，受到未聚焦的直接漫射太陽光的照射，由此被轉換成電的太陽光量正比 于太陽能電池的面積。相反，聚集型光伏太陽能設備利用把大多數直射的太陽光聚焦(聚 集)到位于光學元件的焦點(或線)上的相對小的太陽能電池的光學元件。平板太陽能陣列比起聚集型太陽能設備有優點也有缺點。平板太陽能陣列的優點在于，它們的重量-尺寸比是相對較低的，易于其在住宅應用中使用，因為它們可以被安裝 在大多數房子的屋頂而不用對屋頂支承結構作重大的修改。另外，它們從大的角度接受太 陽，易于相對直截了當地被固定安裝在屋頂和其它平的安裝地點。然而，平板太陽能陣列具 有相對較低的效率(即，約15% )，它需要大的覆蓋面積，以便提供足夠的電量，使得它們值 得使用。因此，由于硅的高成本，當前的屋頂平板太陽能陣列成本高于每瓦$5，所以房主要 用25年通過節省他/她的電費帳單而回收投資。在經濟上，平板太陽能陣列對于沒有補助金的典型的房主來說不是可行的投資。通過提供把太陽光聚焦(聚集)到太陽能電池的光學元件，聚集型太陽能陣列避免平板太陽能陣列的高的硅成本，并且還可以通過使用較小的、更高效率的太陽能電池 而呈現更高的效率。聚集量依賴于光學設備的類型而變化，范圍從對于槽式反射器型設備 (在以下另外詳細描述)的10X-100X到使用某些卡薩格倫型(cassegrain-type)太陽能設 備的高達600X-10000X。然而，通常，聚集型太陽能設備的問題是系統的接受角度是受限制 的，因此光學元件的取向必須在一天內通過使用二自由度的跟蹤系統連續調節，以便保持 峰值效率，這需要堅實的基礎結構和電動機來支承和定位光學元件，這個結構還必須設計 制造成抗大風和風暴外力。而且，較高效率的(例如，卡薩格倫型)太陽能設備對于反射器 材料、反射器幾何結構和跟蹤精度需要甚至更高的工程要求。由于由支承/跟蹤系統強加 的工程約束，聚集型太陽能設備很少在住宅或商業屋頂環境中使用，因為大多數房子和建 筑物的屋頂需要很大的翻新改進來支承它們的很大的重量和風負荷結構。相反，聚集型太 陽能設備典型地限于商業環境，其中水泥或金屬基礎結構布置在地基上。另外，對于所有的 設施，具有相關的風負荷和其它結構支承的此類二自由度跟蹤系統的成本會增加聚集器的 成本，因此抵消通過減少所使用的硅PV元件而達到的成本減小。圖15㈧到(C)是顯示傳統的槽式反射器太陽能發電設備50的簡化的透視圖，它 代表一種類型的傳統的聚集型太陽能設備。設備50總的包括槽式反射器51，該槽式反射 器51具有被成形為把太陽(光)束B反射在焦線FL上的鏡射(反射)表面52 ；拉長的光 感受器53，該光感受器53通過支承臂55以固定關系沿焦線FL安裝在槽式反射器51上； 以及跟蹤系統(未示出)，用于支承槽式反射器51和圍繞平行于焦線FL的水平軸X旋轉 槽式反射器51。在傳統的環境中，槽式反射器51被放置成X軸對準在南北方向，并且如圖 15(A)到(C)所示，跟蹤系統在一天的過程期間沿東到西方向旋轉槽式反射器51，這樣，光 束B被引導到反射鏡表面52。如上所述，在住宅環境中這種布置的問題是，跟蹤系統(即， 對于旋轉槽式反射器51所需要的支承結構和電動機)需要對普通的住宅房子屋頂作很大 的修改。另一方面，如果槽被做得很小，并且被并排地包裝在一起，多個槽由一個電動機驅 動，那么要使得多個鉸鏈和聯動裝置一起樞軸地旋轉以精確地聚焦太陽光在工程上是困難 的。所需要的是能夠克服上述的與傳統的太陽能發電系統相關聯的問題的、經濟可行 的住宅或商業屋頂安裝的或地面安裝的太陽能發電系統。具體地，所需要的是利用比傳統 平板太陽能陣列更少的PV材料的、避免傳統的聚集型太陽能設備的笨重的昂貴的跟蹤系 統的、且在安裝與維護上便宜的太陽能發電設備。
技術實現思路
本專利技術涉及兩部分太陽能收集(例如，太陽能發電)系統，其包括永久(即，不能 更換的)定位部件和低成本、可更換的太陽能收集器部件。定位部件包括具有框架的基 礎結構，易于永久連接到支承表面(例如，住宅房子的屋頂)；被安裝在框架上的像轉臺樣 的旋轉平臺，用于可拆卸地支承太陽能收集器組件；和旋轉定位(運動/跟蹤)系統，用于 調節旋轉平臺圍繞垂直于基礎支承表面的旋轉軸的旋轉角度。定位系統通過使用被設計成 為了太陽能收集系統的壽命永久附著到支承表面(例如，屋頂)的一組魯棒的元件而被構建。相比之下，太陽能收集器組件包括一個或多個太陽能收集元件，它們通過使用低成本制 造技術而被安裝在平的支承框架上。平面(平的)支承框架被可拆卸地安裝到定位系統的 旋轉平臺，由此太陽能收集元件的重量通過平的支承結構被散布在大的面積上，并且組裝 的系統的低輪廓(low-profile)避免不必要的風力。通過把魯棒的、永久定位部件與低成 本、可更換的太陽能收集器組件相組合，本專利技術提供經濟可行的太陽能發電系統，因為傾向 于在相對短的時間量內用壞的部件(例如，光伏電池)被放置在低成本太陽能收集器組件 上，它可以容易周期地更換，以使得發電效率最大化。 按照本專利技術的一個實施例，所述一個或多個太陽能收集元件通過槽式反射器被實 施，槽式反射器由旋轉定位系統圍繞非平行于(例如垂直于)由槽式反射器限定的焦線的 旋轉軸而進行旋轉(即，不是像傳統的槽式反射器系統那樣是水平的)。另外，旋轉定位系 統包括跟蹤系統，其控制被耦合到旋轉平臺的電動機，以便調節太陽能收集元件的角位置， 這樣，由槽式反射器限定的焦線對準得大體上平行于入射太陽光束(例如，在日出時大體 上對準本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于安裝在平面支承表面上的兩部分太陽能收集系統，所述兩部分太陽能收集系統包括：永久定位部件，包括：基礎結構，包括框架和可旋轉地布置在框架上的旋轉平臺，以使得旋轉平臺可以相對于框架圍繞旋轉軸旋轉，以及旋轉定位系統，包括用于調節旋轉平臺圍繞旋轉軸的旋轉角度的裝置；以及可更換的太陽能收集器部件，包括被固定地安裝在支承框架上的一個或多個太陽能收集元件和被固定地保持在焦線上的線性布置的太陽能收集器，其中所述一個或多個太陽能收集元件中的每一個包括光學元件，該光學元件被布置來把太陽輻射聚焦到焦線，其中當基礎結構的框架在工作時被固定到平面支承表面時，旋轉軸保持為基本上垂直于所述支承表面，以及其中當可更換的太陽能收集器部件的支承框架在工作時被固定到旋轉平臺時，所述一個或多個太陽能收集元件的焦線保持在基本上平行于平面支承表面的平面上，而旋轉平臺和可更換的太陽能收集器部件一起圍繞旋轉軸旋轉。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：KA利陶，PY梅達，PC鐘，N帕雷克，
申請(專利權)人：帕洛阿爾托研究中心公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]