专利名称：太阳能转换的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及辐射能转换。例如，一些实施例涉及将太阳能俘获并转化为热和电，还涉及建筑物设计以及能量转换和应用系统的控制。
背景技术：
随着燃料成本和对环境关注的增加，太阳能产生和再生系统正逐渐成为化石燃料·能源系统的合理替代品或补充。在用电的同时收集太阳的热量提高了能源系统的实用价值。然而，不幸的是，“太阳能再生”系统需要位于使用现场，这就对现存的或以前的光伏聚集方法提出了挑战。由于收集到的热量通常温度较低(典型值为40-80摄氏度)，热能几乎无法在没有寄生损耗的情况下远距离传播。此外，热水和其他热能传输系统的成本费用使其有利于现场使用。并且，由于与周围环境温度差太小，如此低温的热能一般无法在热引擎中转化为机械能或者电能。因此，需要系统有能力采集光能和把采集到的能量在使用现场轻松转化成所需求的热、光和电，从而在考虑如何控制系统时将现时的需求包括进去。太阳能再生技术的发展在某种程度上受创建光学系统方面的挑战而被阻碍，这种光学系统不仅要便宜而且应可以安装或集成到建筑物中。一个实际问题是需要对设计的高度加以限制，以使装置和固定该装置的建筑物可以承受刮风时的风力。在建筑物根基或者承重结构上绑定一个再生设备需要昂贵的安装和/或固定系统以承受系统应力，特别是在屋顶上。许多商业地点缺乏足够的地面空间用于安装一个大小合理的系统，屋顶安装成为了获得足够收集面积的唯一可行方法。
发明内容
通过太阳能捕获装置及其使用方法以及结合到建筑物结构中的实施例等此处讨论的内容，来解决影响太阳能收集技术的问题，例如效率和成本。一个实施例提供了电磁能量捕获装置，包括透光的前盖；后盖；前盖和后盖之间产生的容积，在该容积中安放有平行百叶的阵列，直射光投射到其上。光电(PV)电池将光子转换成电，并被用于将一些光转换成电，同时将大部分剩余的入射能量转变成热和/或用作光源。在一个实施例中，使液体通过热接触于温暖板条的通道，以获得热量。在一些实施例中，PV材料可被用于板条朝太阳的侧面，且装置(随着热和电被产生，还同时产生直射太阳光的天空漫射光和二次反射)可向该装置后面的空间提供光。因此，一些实施例可提供一种装置，该装置提供超过现有系统的有效且经济的益处。在另一实施例中，将具有凹入形状的板条朝向入射光，例如借助合适的板条取向，镜面反射的凹入表面可在邻近板条的背侧上形成高强度光的区域。将PV电池放入该区域，可允许使用更小、更便宜的PV电池区域来产生基本相同的能量。另一实施例提供一光采集装置，包括第一透光盖子，覆盖阵列的较大面积表面；第二盖子，覆盖阵列的较大背表面；透光盖子之间的空间，平行排列的板条阵列位于该空间中，并至少部分地由2个或多个接附于阵列的板条的杆固定在一起，每个板条具有凹入弯曲的前侧，其具有反射性表面，每个板条具有凸出弯曲的背侧，其具有至少位于背侧一部分上的光电能量转换器；透光盖子覆盖较大的阵列前表面；透光盖子覆盖较大的阵列背表面；以及垂直于板条的杆，作为板条定位装置，以等同地打开或关闭板条，同时使板条与例 如液体保持平行关系，其中该液体与板条热接触以移走热。另一实施例提供屋顶光能捕获装置，包括朝外的单片透光盖子；朝内的双片透光盖子；位于空间中的平行排列的弯曲板条阵列，每个板条具有凹入弯曲的前侧和凸出弯曲的背侧，其中凹入弯曲的前侧朝向具有反射性表面的单片盖子，凸出弯曲的背侧具有光电能量转换器，该光电能量转换器位于朝向双片盖子的背侧的至少一部分上，其中可选地，板条的长度基本相等，因此板条的端部形成边缘。另一实施例提供屋顶或窗口系统，用于从太阳捕获光和热，该系统包括朝外的第一透光盖子；朝内的第二透光盖子；透光盖子之间的可选的空间，使盖子大致相互平行；空间中平行排列的弯曲板条阵列，每个板条具有凹入弯曲的表面，该表面朝向第一透光盖子，每个板条具有凸出弯曲的吸收性背表面，朝向第二透光盖子，且其中板条可选地大致长度相等，因此板条的端部形成边缘；液体管道，热接触并可选地制造在每个板条中；枢接机构，以关于来自第一透光盖子的光调整板条的弯曲前侧的角度；传感器，相应于内部光产生信号；以及控制器；其中控制器响应于探测到的光和/或存储的太阳轨迹数据来调整枢接机构，以维持恒定的或期望的光水平。另一实施例提供一自动化系统，其响应于能量输入或热负载的要求，该系统包括如此处描述的转换器，还包括计算机，至少一个用于感测至少光和温度的传感器，以及向致动器发送调整板条位置的至少一个信号输出装置。在一实施例中，自动化系统还包括位于封闭的内部中的光传感器。自动化系统可还包括反馈电路和/或软件，其响应于封闭内部中的光传感器的输出，通过调整板条位置以在封闭内部维持恒定或选定的光水平。在一些实施例中，自动化系统可控制建筑物，并包括建筑物中的温度传感器，其中来自建筑物温度传感器的信号被输入计算机，以控制板条位置从而保持选定的温度。在一个实施例中，自动化系统可包括透光前盖，其被集成为建筑物外墙的一部分。还将举出许多可被本领域读者理解的其他实施例。
参考附图提供详细的描述。在不同的图中使用相同的参考数字表示相似的或相同的部件。图Ia示出了根据一实施例的PV材料的非聚焦位置的透视图。图Ib示出了根据一实施例的用于减小PV区域的多个聚焦反射透镜的透视图。图Ic示出了透明转换器盖子的一个实施例。图2a至图2d示出了根据一些聚焦实施例的太阳辐射入射角度和板条结构的剖面图，其中图2a中太阳角度为-15度，图2b中太阳相应于板条角度调整为+15度，图2c中太阳角度为45度，以及图2d中太阳角度为55度。图3a为转换器一角的透视图，并示出了根据一实施例的太阳能电池保持装置、弯曲的反射体、液体管道和液体管道枢接端部的排列。图3b示出了根据本发明的一个实施例的挤压件的简化剖面图，还示出了用于PV材料的平台、冷却液/安装的管子和用于安装反射镜的俘获/指示部件。图4示出了根据一实施例的百叶管道和转换器盒子端部之间的液体枢接连接器的细节。图5和图6示出了根据一些实施例的致动设计。图7a示出了根据一实施例的太阳能电池的布置，在板条的背侧有一抬高的区域。
·
图7b示出了根据一个实施例的PV电池在远离板条内部边缘的凸缘上的位置。
具体实施例方式在下面的描述中，提出了很多具体的细节以提供对各个实施例的完全理解。但是，一些实施例可在具体细节不存在时被实施。在另一些例子中，为了不使具体的实施例模糊，公知的方法、部件、过程和/或电路没有被详细描述。说明书中所指的“一个实施例”或“一实施例”是指与该实施例相关而描述的具体部件、结构或特征可被包括在至少一个实现方式中。说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”可以是或不是指同一个实施例。一些实施例采用了一种创新的二维辐射能量转换器(“转换器”)，该转换器以多种结构被形成，能结合进较大型结构，且通过有益的方式控制以降低成本和/或提高电磁能(即太阳光)收集和转换的效率。广义地说，能量转换器包括相互配合定位的板条，其形成用于接收光使电磁能(例如太阳光)透过的面。在多种创新构造中，实施例中的转换器基于转换器中板条表面的吸收和/或反射，将穿过透明表面的辐射能转换为电和/或热。能量以热或电的形式从能量转换器移走。转换器的相对面可以是透明的或吸收的，且转换器可控制穿过的没有被吸收的辐射能的量。在一实施例中，转换器的板条被设计成将辐射单独反射到目标上或设计成吸收的。可替代地或附加地，转换器允许可见光透过以到达其后的空间，例如作为光源。—些辐射能量转换器的封装结构可以把热转移到再循环液体中，并可被适用于现有能量系统或可被结合到新建筑物中。光伏(PV)表面可被放置于面朝外的板条上，或利用板条作为聚焦“透镜”，从而在昂贵的PV材料上产生单位面积上更多的电。提供了将二维辐射能量转换器用于建筑物(例如屋顶、墙壁或窗户)的特殊设计和方法，相比于常规设计可限制环境暴露。另外，还提供了用于智能控制和使用转换器的方法，以满足建筑物对热、光和电需求的变化。平面型辐射能量转换器一些实施例包括一个或多个转换器，每一个转换器包括多个板条，该板条被布置为用以形成俘获辐射能量(例如微波能量和光能)的平面结构。转换器可包括允许辐射进A(例如对太阳光透明)的第一前表面以及对辐射透明或不透明的第二背表面。各个表面之间可互相平行，但也可以大致上互相平行(比平行时至多偏离30度)或者甚至是互相倾斜的。(大致)平行的表面将板条围起来，且可具有闭合的边缘以形成具有平坦侧面的不透气的盒子，其中在盒子形转换器的一矩形区域中具有相同长度的板条。转换器的长度和宽度可以是其厚度的至少5倍、8倍、10倍、15倍或至少20倍。厚度可以在5cm至IOOcm之间，或在7cm至60cm之间，或甚至是9cm至25cm之间。这意味转换器可以被设想成是平面型能量转换器，其具有限定的二维辐射能量入射面，该入射面可以是玻璃或干净的塑料透明窗口。该转换器可以是例如具有一组板条，或可替代地具有多于一组的板条的独立盒子，，或者转换器可以是多个盒子，该多个盒子通过共用公共的边缘，公共的液体流，和/或通过共用经液体或气体转移热能的公共管道来一起工作。 在一个实施例中，转换器的透光窗口或盖子具有用于移动以清洁盖子的机构。如窗户和天窗领域内的普通技术人员可以理解的，该机构可以为多种结构。在一实施例中，可使用夹具将盖子保持在转换器上。例如来自小管子的空气流可被用于吹过窗口以移除灰尘。可放置具有水或其他液体的管子或喷雾器来清洗窗口。整个转换器可以是倾斜的并把·水、其他液体或气体喷射到窗口表面以使颗粒离开。一些实施例可使用拱形盖子，例如以提供一定的结构刚性，从而允许使用厚度较薄的材料，还提供了间歇性降雨的自清洁性能。用于能量转换器的板条板条可以为适合场所的任意材料和尺寸。在一些实施例中，板条的长度是其宽度的至少10倍或至少15倍、20倍或至少30倍。在一个实施例中，板条的宽度为数厘米，例如3到25厘米，板条的长度为至少30厘米，或至少50厘米或至少100厘米。在聚焦太阳光的实施例中，可具有凹入的板条“前”侧(在一实施例中其可为反射性的)，其其具有白色涂层、抛光的铝涂层、银基镜面反射涂层或经过其他处理以反射辐射。该表面可被定向以俘获和反射进入转换器的辐射。板条凸起的“后”侧可以对辐射不透明，例如在一些实施例中可为黑色以吸收太阳光。后侧可至少部分被辐射-电换能器覆盖，例如用于太阳光辐射的太阳能电池或PV。板条可以是连续弯曲的，也可以是有多面的(facetted)。在一个实施例中，板条从其宽度的一侧到另一侧可是抛物线形。在一个实施例中，板条不是抛物线形但是具有逐渐弯曲的表面，例如该表面中曲率半径从一个边缘到另一边缘连续增加，以形成更好的光学反射表面。利用该设计，可见到随着太阳角度的改变，通过调整每个边缘相对彼此的相对位置来简单地旋转板条可得到变形的聚焦局域。在这些偏离设计的入射光的情况下，位于最佳设计角度处的太阳光能被彻底且准确地聚集，而该最佳设计角度不再是典型的焦点。图Ia示出了根据一实施例的PV材料的非聚集位置的透视图。图Ib示出了根据一实施例的用以减小PV区域的会聚反射透镜的透视图。如图Ia和Ib所示，直射的太阳光93可入射在板条(这里也可替换地指“百叶”)1020上的PV材料上，其中图Ia中的PV材料出现在板条1020的顶表面上，而图Ib中的PV材料被提供在聚焦板条(82)的背侧。图Ic示出了透明盖子(770)(例如被提供在转换器上方作为转换器盖子)的一个实施例，其用于使板条附近的空气与外面或周围环境的空气隔离，以允许所获得的热量达到更高温度。另夕卜，盖子770可提供与其他自然条件隔离，例如雨、雪等。图2a至2d示出了根据一实施例的可选择的太阳辐射入射角以及板条结构，其示意了当太阳光方向在一个方向(远离于从凹形表面的中部指向相邻下一板条上的PV阵列的矢量)上改变时，出现2个“损耗”机制1)光不再与反射体交叉；2)聚焦损耗。这两种损耗机制都可以通过调整板条的长度以及调整板条的曲率而被最小化。图2d示出了根据一实施例的太阳辐射入射角和板条结构，其示意出为负15度太阳光角度而设计的板条形状同样可以高效地俘获偏离设计角度(+55度)的70度太阳光。这些附图示出了随着太阳光角度改变，板条角度可被改变以使投射到反射体(在该视图中为右边缘)外部的大部分的太阳光可被导向到太阳能电池的右边缘或其附近。该设计可通过利用位于后面的板条的背面上的接收区域来容纳散焦光，该接收区域足够宽以容纳大部分变形的焦线。板条形状的另一个光学要求是最大化俘获入射到板条的光，且控制允许穿过转换器的光的量。如美国专利序列号4，690，335所示意，在本文中通过旋转板条使俘获的能量最大化，该专利的内容(尤其是板条的构造和控制)通过引用其在本领域的教导而被结合。特别地，对于不沿着设计方向的辐射，板条的共焦线为“变形的”。虽然使用板条转动以补偿大部分的这种变形，但当平行、直射的辐射的方向不是来自设计角度，抛物线形不再具有焦线。而且，焦线随着板条的转动而调整和转动。但是，较宽的聚焦区域的结合可提供被俘获·的合适的聚焦区域，例如大小为反射表面的至少10%的太阳能电池反射目标。通常，一些变形发生在从板条最内部反射的光，但是被发现该区域被临近的板条所遮挡。从镜面板条的光照部分反射出去的光可相对地保持在聚点处。一些板条的取向如图2a至2d中所示例的。这些图示出了针对不同的辐射角度，如何定向板条的凹面。进入转换器的光越平行于板条而偏离设计值，光越难以被俘获。板条可由任意材料形成；虽然可使用成型加工的金属(例如铝)片(因为滚轧成型显得切实可行且成本低、产量高)。挤压件也是可行的。在一个实施例中，板条由塑料形成，其可进一步被反射和/或吸收涂层所涂布，且可选地，可以被电子材料涂布，例如柔性光电池。塑料板条的问题是热导率较差的塑料在具有聚焦光学元件的实施例中不能很好地传导吸收的热。在聚焦实施例中，材料可被涂布以变成反射性的或吸收性的，并且材料还可以具有镜面反射磨光、涂层或膜，以将辐射反射到相邻板条上的较小的背部吸收性表面。在一个实施例中，例如可使用不同的部件和方法一起配合来形成整个板条。例如，铝挤压件可具有冷却通道和可伸入工具的PV安装形状，但是与结合到该挤压件上的镜面化片状金属部件一起提供反射功能。因为从焦点和冷却通道区延伸出来的传导性反射片较少，因此利用该技术可使用较少的金属，且热损耗可被降低。在一个实施例中，板条相互平行的安装。这种平行的定向可被一结构或机构维持。一个实施例利用冷却管作为安装部件，如图3a和3b所示。形成传动的连杆可位于平面型阵列与入射辐射相对的一侧，以避免或至少减少投射到反射镜以及随后投射到聚焦区域中的太阳能电池上的阴影。可替代地，可在位于反射镜和辐射源之间的连杆中使用透明(例如聚碳酸酯)或相对薄的(细绳或线)材料。一个实施例提供了成本更低且更容易制造的转换器设计，其基于一个板条到另一个板条之间较短的焦距，以及对聚焦目标区域的要求的放松。板条的实际曲率可在正或负
或更大的范围内变化，板条之间的实际距离(从反射体到吸收目标区域的聚焦距离)可在正或负2%，5%，10%，20%或更大范围内变化。因此，相比于其他更昂贵的太阳光聚集设计，根据该实施例的设计提供了在板条形状、连杆间距和控制器精度上较为宽松的容忍度。此外，板条和连杆机构的整个规模被选择为可使用安装部件相对容易达到的容忍度，以此在机械组件中有效地使多个板条的指向一致。这节省了成本且有助于制造精度。参考图3a至图4，在一实施例中，通过将百叶上的冷却通道(520)共心匹配于液体连接器(620)，来安装板条或百叶，该液体连接器(620)机械地安装在与其他结构共享的隔板上以通过其端部支撑百叶。在一个实施例中，百叶可以主要由铝制成。通过设计合理的槽口或气封￠25)，将与冷却液、金属和运行温度相兼容的材料制成的0型环安装到液体连接器上。这些0型环可提供两个功能。他们是液体密封以防止液体在界面处泄露，他们还是轴承，支撑百叶同时允许具有相对小量的扭矩的旋转。小扭矩意味着较便宜的致动器，更轻的连杆部件。较小直径的0型环和液体连接器也可降低所需的旋转扭矩，但是直径受限于足够的液体流动所需的尺寸，且与冷却液回路(包括百叶通道和液体连接器)中的压降有关。可使用多个0型环以用作冗余和从百叶的负担中减少0型环上的反应负载。在一些实施例中，热通过由泵使其循环的液体而转移。本领域技术人员可容易地·想到管子的尺寸和结构以及泵送的流速。一个液体的例子是具有诸如丙二醇的防冻剂的水。图3a示出了具有百叶510的板的剖视图，百叶510枢接于管道，端部520被切断以示出。百叶510的背面(所示的朝左上)具有弯曲的反射体530，其使入射光聚焦到相邻的百叶540的前面。在本例子中具有端部520的管道515与太阳能电池保持器550相连。在一个实施例(例如，图3b中更清晰的示出的例子)中，太阳能电池保持器550可为平坦表面以接收太阳能电池。在一实施例中，弯曲的反射体530被单独制造且接附于单个挤压成型的铝片的背面，挤压成型的铝包括具有端部开口 520的管道515部分和太阳能电池保持器部分550。该图示出了 3个这样的百叶，其并排地枢接在管道端部(示出了两个端部)。通过致动器720沿致动器长轴的运动来实现旋转。图3b示出了管道515以及作为单片制造的太阳能电池保持器550的放大剖面图。该图示出了分别在旋转轴的远端和近端的突起552和554，其提供了用于装配指示/精度的表面，以及为密封PV电池的封装材料提供了密封挡(dam)。管道开口 556与百叶的每个端部处的开口相连，并且例如延伸穿过侧面保持固定架，或与侧面保持固定架上的连接器匹配，如图4所示。图4示出了具有枢接装配开口 620的转换器侧架630。开口 620被安装到具有两个0型环625的突出接头以形成与具有较大开口的液体管道紧密密封，在使用时该液体管道的较大开口可从0型环上滑过。开口 620通向转换器盒子外侧的管连接器640，管连接器640连接到上面相邻的枢接管道(超出该透视图)。开口 620示出了突出接头如何被稳固且精确地支撑到架子中以将百叶的重量作用到基座结构(未示出)中。图4示出了百叶如何连接到固定的液体管道连接器上，以及如何围绕该固定的液体管道连接器旋转。可以设想该布置的各种变形，其中液体管道连接器可以是可旋转的，并且其中可使用其他液体密封机制，例如单个0型环，三个0型环，磁性安装的密封件等等。在一个使用大尺寸百叶的实施例中，可使用各种轴承，如本领域技术人员所公知的。图5示出了一种连杆技术，其中连杆臂(710)的一端被安装到板条上，另一端具有连接于共同的杆或组件(720)的圆柱形部件，因此通过利用共同的致动装置(730)，例如电马达驱动的致动器(诸如步进马达)，来移动杆(720)，使所有板条等同地旋转。多种致动技术可以被使用，以确保所有板条对于辐射源都具有相同的取向(允许有小角度的偏差)。致动杆(720)和连杆臂(710)上的部件示出了连接这些运动部件的一种方式。图6示出了连杆臂一端的圆柱形部件(750)在致动杆上的接收部件(760)内旋转。该接收部件包括间隙以使连杆臂在位于连杆臂和致动棒之间的较宽的角度范围内。这些可替代的机构中的一些罗列在于2009年I月7日提交、2009年7月9日公开并转让给本申请的受让人的较早美国公开专利申请20090173375中，其大致可应用在本设计中，至少为了前述的目的将该申请通过引用结合于此。其他传送热转换液体使其接触百叶的方法是可预期的，例如在百叶中使用小纹理，使百叶被包围在大量液体中，该液体可具有较低的沸点，并部分呈现为气/液混合物，因此由百叶表面对液体的加热在闭环或开环系统中导致了沸腾或向百叶上喷射液体。液体可以通过一个或多个开口进入转换器，然后通过一较大空间被分散，或可替代地，如图3a/3b和4所示，穿过一个或多个接触百叶的管子。加热的液体可作为热的液体、气体或混合物从围绕百叶的较大空间离开，或通过将液体传送到或穿过每个百叶的分散管道离开，·如图3a/3b和4所示。具体应用由周围的温度所决定。在一个特别热的例如微波吸收百叶式阵列的环境下，可采用在较大空间中的液体到气体的转变在一个实施例中，反射体530，管道515和太阳能电池保持部分550作为单独的片被构造，例如，由导热材料制成。在一个例子中，通过非导电的导热粘合剂将太阳能电池粘附到保持器550，例如导热的环氧树脂。在一个实施例中，在管道中沿板条长度流动的液体从板条吸收热，然后流出板条端部并进入相邻板条的安装/枢接/耦合端。以这种方式，来自多个板条的热被吸收，然后最终给送到转换器外侧的热交换器。太阳能电转换在一个实施例中，通过将来自板条前凹曲面的光聚焦到位于相邻板条的凸起的背表面上的较小光电区域(即从辐射到电能的转换)，例如太阳能电池，来提供低成本电能转换。在一个实施例中，聚焦比率(前凹部分的光反射区域除以位于相邻板条背面上的太阳能电池区域)在2到50之间，或4到10之间。如果平行辐射的入射角度较宽(例如，太阳划过天空时，平面收集器的方向固定)，这样的光学设计可能会被限制到仅有8倍的聚集度。对于入射角度范围较窄的应用，可达到更高的聚集度。图2a示出了一个代表性的聚焦板条设计的光学布置。在每个部分中都示出了两个板条，但太阳光和板条的角度不同。在该图的左上部示出了设计的太阳光和板条角度，太阳光(长虚线)沿负15度的方位角向左侧照射，并被板条的凹面(10)根据设计角度反射到太阳能电池(30)(用虚线(20)表示)。太阳能电池(30)位于每个板条的背部，在该处光被聚焦。图2d示出了为了接收从55度的方位照射的太阳光的板条调整，尽管方位角改变，其允许聚焦到相同的太阳能电池区域。在一个实施例中，太阳能电池(或其他辐射-电能转换装置)被放置到板条的另一部分，或不放置到板条上。例如，如图7b，其示出了板条反射体表面81，接附的太阳能电池82与反射表面垂直。其他实施例可使用其他角度，但是未在此处示出。如图7a所示，入射到反射体81的光线83被导向到接附的太阳能电池82的相邻表面。在一个实施例中，太阳能电池位于反射性板条内侧端部上的小突起上。图7a示出了两个板条，太阳能电池82位于他们的背表面，但是通过帽结构87被间隔开。冷却管道的位置在这些图中未示出，但是可以是沿着板条的很多位置，一些位置在吸收/聚焦区域附近，以最小化通过百叶将热从聚焦区域传导至冷却通道所需的温差。如果百叶足够厚(例如，大约Imm或在一些实施例中为更多)，冷却通道接近聚焦区域的程度可稍灵活，因为很多实施例预想的金属具有较高传导率。成本的降低可来源于将太阳光聚集到更小的太阳能电池表面区域，且通过使用单位表面区域的价格比半导体更便宜的材料(反射性板条)吸收光。在一个实施例中，百叶为压印或成形加工的金属片，或铝片。通过使用相对小的百叶且包封他们使其远离风力，移动光学表面(板条)所需的力比移动许多在先系统的相对大型的收集区域所需的力小得多。在一个实施例中，使用大约5-15cm的较短光程，同时伴随着3到10的适度低的聚焦比率。相比于具有较长光程和较大聚焦比率的在先系统所需的制造和跟踪精度容忍度，这些尺度 提供了宽松的制造和跟踪精度容忍度。因此，在太阳能收集表面的制造上、在用以将该表面保持在其较合适空间内的系统上以及在用以获得较高效率所需的简单跟踪系统这些方面上都可以节省成本。在一个实施例中，太阳能电池被直接接附到导热金属板条上，以便于热从太阳能电池转移到板条。可使用导热粘合剂。通常通过将非常细小的高传导率粉末(如果可以是导电的为金属，如果不能是导电的则为陶瓷)混合到粘合剂中来加强传导率。在一个实施例中，可使用导电及导热的环氧树脂将太阳能电池的背表面电连接及热连接到金属板条上，例如银填充的环氧树脂、铝填充的环氧树脂或溴插入石墨填充的环氧树脂。到太阳能电池的第二连接可经由导线形成在顶表面或边缘上，该导线可以连接到金属连杆或沿着诸如机械连杆的连杆延伸，其中该机械连杆将板条固定在一起或将板条枢接在一起。一个实施例提供了非对称弯曲的反射体，其可有效地将处于各个辐射能量角度下的光聚集到目标太阳能电池表面上。例如，当辐射矢量变得更平行于板条，俘获的辐射的比例就更低。在一些情况下，该辐射穿过转换器作为照明，潜在地减少了电照明的需要。可将这些特征开发作为窗口处理装置，其中可以控制直射光的热增量和刺眼，并伴随有电能的产生以及甚至热能的产生。其他的应用包括用作天窗，因为对于居住者来说，其没有传统天窗常有的热增量和刺眼的问题，同时当天空可以通过半透明顶盖被不失真地见到时，还可在建筑物的内部创造户外的感觉，另外该半透明顶盖可用于纠正热增量和刺眼。在一个实施例中，单轴跟踪被用于确定反射聚焦装置的方向。例如当太阳光与在非跟踪轴上的阵列不垂直时，这可形成阴影并有可能在光电阵列的端部附近形成辐射泄露。通过省略板条边缘处的太阳能电池，和/或通过向一个或多个太阳能电池增加旁路二极管可减轻这个问题，从而基本上不会使阴影减少从辐射导电源电路的电输出。 在一些实施例中，对于在任何合理的时间段内，任何其上会有阴影的电池或电池组来说，二极管是一种有效的解决方法，尤其是对于那些在百叶端部的电池或电池组，在那里光源(太阳)在非跟踪轴上的运动与焦距结合，形成其上没有阳光的纵向区域(“阴影”)。例如，跨越每个电池的二极管通常是一个好办法，因为在被照射的电池的电流下，试图驱动太阳能电池的电压损耗(不是较少的增益，实际上是负增益)远大于穿过二极管的损耗。因此，即使来自该“旁路”电路的二极管中的电压损耗比未被照射的电池的能量损失大，对无二极管和未被照射造成的损失也大得多，因为当电流流过被照射的电池和未被照射的电池时，非照射电池会变成能量陷阱。使二极管布置有意义的不同情形包括a)当电池的长度相对于焦距较小时会有很多个(串联的)电池，性价比决定了每个二极管与组合的数个电池相对应，或b)如果电池很少和/或仅部分被遮挡，无二极管的成本更低。该形式的一个变型是多个被导线并联的电池有效地使“电池”更宽。极端的话，板条上所有的电池可以是并联的，因此阴影在各个板条上是相同的。研究和试验表明，对于长度是板条间距的2到4倍的板条，在板条端部附近具有二极管的电池是有益的。来自转换器的热传递液体如上所述，转换器可具有板条阵列，板条相互平行，用连杆协同控制其等同地旋转。在一些实施例中，板条绕管道端部旋转有两个目的，使热传递液体从板条中通过，以及机械上保持和旋转板条到合适位置。液体在板条中的流速可被控制，以最优化泵送所使用的能量。例如，与板条接触的热传感器或其他传感装置用于感测和监测板条温度，并能够基于感测临界高温限，通过开启或增大泵的功率、或通过转移更大的液体流速进入板条来触·发泵。通过形成具有加热管的回路，诸如建筑物中的散热器，沿板条长度循环的液体可被直接用于加热。在这种情况下，泵可被布置在回路中任何位置。可替代地，来自接触的板条的被加热的液体可将热能通过热交换器传递到另一液体、气体或固体，热交换器可被封装在辐射能量转换器中，或邻近转换器，可选地与一组转换器相组合，或远离于热传递液体流经的装置。在一个实施例中，低沸点液体被使用并在板条管道中转化成气体，作为机械热力发动机的高温产生部。转换器可包括两个大面积表面，侧面(即如果为矩形等，则为4个侧面)，一个或多个板条阵列，其机械地耦合到至少一个表面上，且管道端部可枢接，作为板条中循环液体的液体入口和出口。一个表面为可移动的，以允许板条或转换器中的其他部件的清洗。为了能够更容易的清洗，转换器面积的尺寸在移去其盖子后可小于4平方米。直接安装到板条上的太阳能电池可以是平坦的，或甚至是弯曲的，并可在机械上接触热传导的(例如金属的)板条表面，或通过中间的传导性的粘结剂或紧固件被结合。在一些实施例中发现，覆盖了板条背表面的约8% -20%的光电池可向招板条表面传递足够的热。能量壳(powerskin):结合到建筑物中的转换器当结合到建筑物中时，转换器用作外层并提供一些外部保护。在本文中，转换器可成为建筑物的一部分，可被添加到已有的建筑中，或结合到新的建筑中，并用术语“能量壳”表达。旨在作为能量壳而被安装的转换器可以与安装说明书、一个或多个传感器和/或一个或多个适用于所结合的建筑物系统的操控装置一起被广告、出售和/或包装。这样的伴有说明书手册和一个或多个系统传感器/操控装置的转换器旨在用于能量壳应用，并被称为未安装的能量壳。具有一个或多个将传感器或操控装置信号发送给控制器的电连接的转换器被称作“能量壳”，由于具有一个或多个输入/输出连接，且这些输入/输出连接允许转换器作为大型建筑物能量系统的一部分而使用。作为能量壳，转换器可提供隔离并可控制从太阳或其他辐射能量进入建筑物的能量的量和种类。能量壳具有露天的外表面或“盖子”以及朝向建筑物或建筑物内部的内表面。在该实施例中，盖子用作转换器和建筑物的气候防护装置。盖子可最小化穿过转换器的太阳光的反射和吸收损耗，并将加热的空气封闭起来，以使加热的空气与外部空气分离。各种特有的部件可被改进，以平衡能量壳的成本、能量壳的隔离性能和穿过能量壳的可见光传输。转换器的背表面可以是透明的(对于日间应用)或不透明的，其提供了更好的隔离选择以及更低的成本。在一个实施例中，多层的塑料/聚碳酸酯的后壁提供了重量轻、结构坚固且比玻璃的绝缘性能优异的屏障，虽然玻璃一般更透明且通常不太昂贵。转换器的背部可选地支撑底部板条隔离装置。玻璃窗可与能量壳相结合使用，以形成非常坚固的结构以抵挡气候。因为能量壳的光学元件在封闭物中且被保护，载荷不会影响光学元件的作用。其他光学聚集器暴露于他们跟踪的致动器上的风力中，这导致了更大的安装和维护成本。在一些实施例中，这些收集器被安装在东-西轴向上，且具有追随太阳的偏角的跟踪轴。在夏至或冬至附近，该偏角在一天中发生显著变化，且早晨和傍晚的角度从夏天到冬天非常不同。这种结构可利用在大约130度内变化的太阳光，对于夏天的早晨，该角度甚至可以更大，因为夏天早晨时的太阳在北半球自东北方升起，水平的西-东轴向阵列需要·在黎明直接指向北方，而在冬天的黎明和黄昏直接指向南方。在这些较短时间内实际的光量较小。因此，优化更多普通方向的性能，可使每年收集到的能量更多。可选地，收集器在北半球可以朝赤道或南方倾斜，其减少了南方的最极端情况，因为南方的地平线不再与法线呈90度。因此，使北方地平线远离法线。每一种安装均可使用此处描述的能量壳且可结合于旨在作为安装的实施例的建筑物结构。反射光学元件的直线特性可允许单轴设计，其中在非跟踪轴上的光入射变化可显著地改变，而不改变跟踪轴中的焦线。随着辐射入射角移动穿过非跟踪轴，光在该视图的平面外移动，但是聚集光区域仍保留。有益地，该设计允许使用无需倾斜的纯单轴跟踪系统。随着偏角在一年中改变，会自然发生余弦损耗，但是所述系统显著地降低了系统上的风力载荷，且显著地简化了跟踪机构。在一个实施例中，在一年中的特殊时间，系统为倾斜的，以改变射向开口的太阳光线的入射角度。在一些用于平坦的屋顶表面的实施例中，可通过适当地倾斜(例如，小于45度)板，以改进到外部玻璃窗的入射角度，并以此降低玻璃窗反射损耗，从而增大光能俘获。在后一实施例中，可安装单独的盒状能量转换器单元，以在用于安装和维修的行之间留有通道。在实施例中，缝隙的尺寸可为模块在间隔方向上的长度的0.5到2. 5倍之间。转换器的倾斜安装决定了最佳的间隔，由此使行转换器的阴影几乎不会落在“后面的”行上。由于倾斜的板会把可能射到间隙上的光截住，每年的能量收集损耗变得最小。一个实施例包括至少一个存储有一年太阳轨迹数据的计算机，诸如在一段给定时间内的太阳角。在一实施例中，计算机可用作这里所讨论的控制器(例如，关于能量壳等等)。可使用多个控制器/计算机。例如，每个转换器可能包换一个控制器用于控制其步进马达或调整其百叶。一个中央或主计算机/控制器应可以和一个或更多其他控制器通信(例如，提供给每组百叶或转换器)，并控制对百叶的调整(或其他转换器的功能，如以下关于能量壳的讨论)，其中百叶在每个转换器基部，转换器组的基部，建筑物内部区域等等。计算机可包括易失性(如随机存储器RAM)或非易失性(如闪存，硬盘，光学存储装置等)装置；一个或多个处理器(如执行指令和/或运行存在存储装置上的数据)，和/或一个或多个总线或互联线来耦合计算机的各种组件，如网络(例如，有线的或无限的网络)交互装置(允许与耦合进该网络的其他计算机通信)，一个显示装置(例如用以显示由该计算机或其他计算机产生的图像、数据等的监视器)。计算机应被耦合到并操控一个或多个机电输出装置(例如，通过像RS-232、USB、网络(诸如以太网或IEEE 802. lla/b/g/n等等)这样的通信接口)，如用于改变板条位置的电致动器。在一实施例中，计算机还控制辐射能量进入到能量壳中的比例，该能量被转化成热与电能。在另一个实施例中，计算机还控制辐射能量进入到能量壳中的比例，该能量被转化成热能和被允许通过到室内或建筑物为照明所用。在另一个实施例中，计算机还控制辐射能量进入到能量壳中的比例，该能量转化为热、电能并被允许通过为室内照明所用。在另一个实施例中，计算机还根据需要控制百叶在夜晚的关闭，例如依赖一年的时节和/或室外温度来最小化或最大化热量损耗。能量壳控制系统在一实施例中，能量壳控制系统包括感测的输入信号(例如通过转换器中的一 个传感器产生，在一个或者更多的转换器之间共享，与一栋建筑物内部的一个区域有关或者更复杂等等)，能量壳操控信号，一个控制器计算机(例如，伴有一个可以接收感测的数据和输出控制信号的控制程序)，和/或能量壳(例如，一个适合安装到建筑里或已经安装到建筑里的转换器)。能量壳可被控制用于I)拦截和转换直射太阳光为电和热，2)在直射光很少的情况下，打开以允许最大量的光进入建筑物，或者3)关闭百叶使内部空间变暗和/或提供隐私。对于一个或者更多这些参数的控制可以是自动的，例如，基于存储在一个存储装置内的结构数据(例如在此与计算机相关的那些讨论)。为了保温，控制器在晚上或者光强低于特定阈值的情况下可以关闭百叶，这表明更多的能量可以通过最大限度的保温模式而不是通过光收集模式被保存起来。百叶在晚上自动关闭可以通过阻止从外向里看从而增强安全性。在一些实施例中，控制系统会按照一种或者更多种算法来权衡相对内部照明与热量收集与电能产生之间的关系，这种算法可以用于形成最大化所需的情况。在一个自动化实施例中，云飘过头顶被检测到，这会影响电输出。在这种情况下，打开板条提高内部空间对天空的“可视因子”和补偿由于云效应而导致的光暗淡可以增强入射光。由于这种调整，仅需很少的照明调节，同时可以使暂时情况下的电能损失最小化，因为太阳能电池区域仅仅被缺失的直射太阳光所照射。一些更简单的情况是太阳落山或者天空变得足够暗以至于板条自动定位到夜晚位置以提高保温效果并最小化从内部照明通过收集器开口而造成的光损耗。这些均优于传统的静态天窗或者窗口处理。控制系统可以连接到其他建筑物负载以最小化被建筑物利用的峰值功率。在部分多云的天气具有变化较大的光电输出。然而，一些负载像空调、冰箱系统、通风系统、或者UPS充电系统在光电能量产生的间歇可以被调整，从而在多云时光电功率下降的时候降低建筑物负载。当太阳重新出现或其他可协调情况下，这些半自由处置的负载可以被重新打开。系统中的“惯性”(对于AX和制冷器为热)对于这样短的持续调制允许有可忽略的影响，然而潜在的最大化了总电能消耗。这是因为许多大型建筑物和电力限制区域将能量与电力分开计量，从而在最坏的负载情景下将产生、传输和配电基础设施依大小进行分类时，考虑设施的挑战以传送足够多的电力。控制系统可以允许建筑物内的居住者对板条方向进行暂时调整以看清外界，使房间变暗，或其他目的。在一段编程时间周期之后，系统会重新回复到能量产生模式。这些远程控制在操作上与带有射频或红外信号的车库门开关类似，可以最小化在建筑物内部布线的需求。这个模式可以允许个人控制窗口处理，至少暂时地依靠板条的方向看到外面。能量壳控制方案要素列出的每个能量壳控制要素，可以单独或与其他要素组合，用于控制一个或者多个能量壳。例如，室内温度信号，内部恒温设置信号和外部光信号都可以输入到控制计算机中。计算机执行软件，对比内部恒温设置与室内温度，如果外部光信号超过了阈值，控制能量壳上的板条设置从阳光中收集更多的热量。在另一个实施例中，控制系统检测到建筑物中有人，还检测内部光信号和外部光信号，然后指导能量壳向建筑物内发送更多的光以增加建筑物光亮达到目标值。在另一个实施例中，指示人在或不在建筑物之内的信号被输入，同时控制计算机在检测到人离开的信息之后会调整能量壳以允许很少的光进入到室内。在另一个实施例中，当输入的室内光信号表明灯光已经被关闭的时候，能量壳被指导允许更少的光进入，从而产生更多的热量。不例的数据输入信号包括室内温度、室外温度、室内外温度差、内部光亮、夕卜部光·亮、内外光亮差、一年中的时节(温暖、寒冷季节)、一年中的时节(存储或计算的太阳仰角或其他参数)、一天的时间(存储或计算的太阳仰角、方位角)、内部恒温设置对于其他数据、内部光开关、建筑物中人的出现、房间(假期天数等等)和相对的或绝对的热水需求。来自能量壳控制器的典型输出操控装置信号包括板条角度控制、板条关闭控制、通过电转换装置控制百叶制冷剂的泵流、建筑物利用热量的其他泵和阀位置、基于夜晚出现的阴影的闯入警报、在一个方向对另一个方向所有的板条关闭(反射面朝外)以及非反射或涂色的面朝外。在一些实施例中，通过考虑当地的气候类型、安装方向(倾斜和方位角)，任何当地障碍物、所用板条的总长度和是否需要有让光从收集器穿过射入作为室内日光的入口，板条设计可优化用于特殊的安装。以上列出的有代表性的能量壳控制输入要素和输出要素例证了一些参数，但是本领域技术人员能容易地想到更有用的参数。能量壳的夜晚使用当设计主要考虑辐射转换的时候，一些实施例中包括夜晚使用的有用特征。相对于那些使用了传统建筑表面的外观，能量壳通过夜晚自动关闭板条可以提供增强的保温效果。这种自动移动可以用作对流壁垒。带有额外一层玻璃或底板的封闭的转换器增加了另一个对流和/或传导壁鱼。能量壳可以关闭具有反射表面的百叶来对外提供一个反射表面以最小化晚间照明成本。在一实施例中，板条包括一个或更多的发光元件，用于进一步的一般性外部照明或产生诸如广告信息的图案。能量壳可以通过自动屏蔽从室外看到室内的景象以提供安全性。在另一个实施例中，太阳能电池在夜晚从转换器的输出可用于监测落在建筑物旁的阴影的存在或其图形，同时通过警示出现了非预期的或不明的光图形来用于安全性的目的。在一实施例中，控制器对比移动光的活动状态的图案就可以了解新的图案，同时也了解了一个要接近建筑物的人的图案。板条“向内”凹进的表面可以涂成各种颜色或图形以提供美学或广告，其在白天或夜晚使用。当装置不需要锚固在建筑物外部，并且可以很容易的安装所需的承受风吹、雨淋和极限温度的时候，安装转换器的成本在很大程度上可以降低。在一实施例中，热的液体在板条中循环以保证在夜晚散热。本实施例在经历酷热的白天和寒冷的夜晚的沙漠地区特别有用。在一实施例中，通过温度传感器来决定何时达到设定的最小温度，之后激活泵来泵浦建筑物内部温暖的液体使其流进板条，以降低流体温度，然后液体回流到建筑物内部，其中板条热量可被液体吸收，因此可以冷却建筑物的内部或者冷却热能存储器。在一实施例中，两路分离的液体回路被采用，一条热回路在白天把热能导入室内用于加热水或者其他目的。同一板条导管可以在晚上切换为使暖空气流流进板条回路，同时在夜间释放热量。在一实施例中，两条回路都是闭合循环系统，尽管在一些冰冻不是问题的环境中，淡水在白天可直接用于热水加热。在阅读本说明书后，上述发明特征的其他组合可以容易地被本领域技术人员确定，且被包括在本发明要求的精神和范围内。特别地，此处引用的文献的全部内容通过引用结合于此。因此，虽然已经用语言描述了该发明的实施例，尤其是结构特征和/或方法动作，但是可以理解的是，所要求的主题不受所述具体特征或动作的限制。更合适的是，具体特征和动作被作为实施所要求的主题的示例形式而被公开。·
权利要求
1.一种百叶，包括 用于在百叶第一侧上接纳太阳能电池的表面；以及 液体管道，热接触于所述表面，液体管道包括液体入口和出口端，该液体入口和出口端还用作百叶绕百叶长轴旋转的枢轴， 其中相邻百叶包括凹入的反射性弯曲部分，以将光聚焦到太阳能电池上，该相邻百叶具有朝向所述百叶第一侧的一侧。
2.权利要求I的百叶，其中相对于百叶第一侧的百叶第二侧包括凹入的反射性弯曲部分，以将光聚焦到另一相邻百叶的太阳能电池上。
3.权利要求3的百叶，其中凹入的反射性弯曲部分是抛物线形。
4.权利要求I的百叶，还包括以提供组装或安装指示的多个部件，，或用于太阳能电池的封装和密封部件。
5.权利要求I的百叶，其中百叶主要由铝构成。
6.权利要求5的百叶，其中所述表面和管道由单片的挤压成形的铝构成。
7.权利要求I的百叶，其中凹入的弯曲部分是抛物线形。
8.权利要求I的百叶，其中太阳能电池的至少一端被耦合到一个或多个旁路二极管。
9.权利要求I的百叶，其中液体管道延伸超过所述表面的一端外，以形成第一枢接部分，并延伸超过所述表面的另一端外以形成第二枢接部分。
10.权利要求9的百叶，其中第一和第二枢接部分被耦合到O型环密封。
11.权利要求10的百叶，其中每个枢接部分包括2个O型环，O型环提供液体密封并作为旋转轴承。
12.权利要求I的百叶，还包括接附到百叶的至少一端的步进马达致动器以枢接该百叶和相邻的百叶。
13.权利要求I的百叶，其中太阳能电池通过非导电的、导热粘合剂被耦合到上述表面。
14.权利要求13的百叶，其中粘合剂包括导热环氧树脂。
15.一种装置,包括 包括多个沿长轴平行耦合的百叶的转换器；以及 转换器盖子，具有后盖和透光的前盖，其中转换器盖子在前盖和后盖之间产生一容积，在该容积中安放有多个平行的百叶，其中百叶中的至少一个包括 用于在百叶第一侧上接纳太阳能电池的表面；以及 液体管道，热接触于所述表面且平行于长轴，以从百叶中提取热，其中相邻百叶包括凹入的反射性弯曲部分，以将光聚焦到太阳能电池上，相邻百叶具有朝向所述至少一个百叶第一侧的一侧。
16.权利要求16的装置，还包括步进马达，以调整至少一个百叶和相邻百叶的位置。
17.权利要求15的装置，其中所述表面为平坦的。
18.—种系统,包括 控制器，被耦合到多个百叶以调整多个百叶的位置； 存储装置，存储相应于给定时间的太阳角度的数据，其中控制器基于所存储的数据引发对多个百叶的位置调整，且其中多个百叶包括第一百叶，具有朝向第二百叶的第一侧的一侧，第一百叶的一侧包括凹入的反射性弯曲，以将光聚焦到耦合到第二百叶的第一侧的太阳能电池上；以及第二百叶，包括与太阳能电池热接触的液体管道。
19.权利要求18的系统，还包括耦合到控制器和多个百叶的步进马达，其中步进马达用于引发多个百叶的位置调整。
20.权利要求18的系统，其中控制器包括处理器，以处理所存储的数据。
全文摘要
描述了与设计为具有特殊形状的、旋转的反射性百叶及其应用相关的方法、装置和系统，以低成本地获得电、热和/或光。在一个实施例中，反射的和聚集的直射光被聚焦到相邻百叶的光电电池上以产生电，且一体的冷却通道可收集热量。天窗的实施例允许直射光在百叶间传播并穿过透明的衬底以为内部提供高质量自然光，同时使人造光变暗或变成储存能量。在一些实施例中，控制系统(可被计算机控制)可调整百叶的位置，以改进传播到建筑物中的光，以在合适的时候最大化依赖位置而储存或产生的俘获能量。此外，可使装置变型到现有的建筑物中或集成到新的建筑物结构中。其他实施例也被公开。
文档编号F24J2/24GK102792104SQ200980139389
公开日2012年11月21日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年8月6日
发明者R·德亚顿, S·弗雷泽 申请人:Mbc合资有限公司