專利名稱：太陽能轉(zhuǎn)換裝置及其制造和使用方法
太陽能轉(zhuǎn)換裝置及其制造和使用方法
背景技術(shù)：
光伏(PV)電池在照射輻射能后放射電子。PV電池的組件用來制作太陽能模塊，進(jìn)而太陽能模塊可串聯(lián)成陣列。典型的太陽能發(fā)電機(jī)采用以電路排列連接而成的PV電池陣列，以產(chǎn)生直流(DC) 電；例如，參見專利號(hào)為No. 4，614，879和4，321，416的美國專利。與交流電(AC)不同，標(biāo)準(zhǔn)的DC電力輸出不能被轉(zhuǎn)換，該特點(diǎn)使得其使用限制在離發(fā)電地點(diǎn)相對較近的位置。因此，很多太陽能發(fā)電機(jī)的DC輸出用來驅(qū)動(dòng)附近的、設(shè)計(jì)為通過DC運(yùn)行的裝置(例如，便攜式計(jì)算器)或諸如電池的充電存儲(chǔ)設(shè)備。對于需要長距離傳輸或連接于電力網(wǎng)的太陽能發(fā)電的DC輸出，首先必須通過諸如換流器的裝置將DC轉(zhuǎn)換為AC ；例如，參見專利號(hào)為No. 4，217，633的美國專利。任何這樣的逆轉(zhuǎn)過程必然導(dǎo)致電流的損耗，因此，功率輸出效率降低。一些太陽能發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)為直接產(chǎn)生AC輸出。例如，專利號(hào)為No. 4，577，052的美國專利描述了一種在以反平行的(anti-parallel)構(gòu)造連接的成對PN結(jié)太陽能電池之間交替地導(dǎo)光的裝置。專利號(hào)為No. 6，774，299的美國專利描述了一種包括由DC電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸的裝置，該旋轉(zhuǎn)軸包括安裝有PV電池的多個(gè)葉片；當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平面上的入射輻射的強(qiáng)度發(fā)生改變，因此產(chǎn)生正弦曲線的電壓。關(guān)于特別的形式或輸出方面，太陽能發(fā)電機(jī)受到所采用的PV電池/模塊的類型的局限性；由于諸如反射比、熱力學(xué)、復(fù)合損耗等固有的問題，典型的電池/模塊具有較低的能量轉(zhuǎn)換效率，即使是最佳地適應(yīng)入射太陽光也如此。由于這種低效率，需要較大的PV電池模塊來產(chǎn)生適量的DC電力。需要較大的陣列成本來產(chǎn)生足夠大的電流。能夠產(chǎn)生足量電流的PV電池、模塊或陣列的緊湊配置依然是非常需要的。

發(fā)明內(nèi)容
下文中提供的方法和裝置至少部分地基于提高轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)(rotational translation)的PV電池的效能，這相對于以基本靜止布置方式設(shè)置的同樣的電池而言，例如，這些電池設(shè)置在平行于地面布置的平面陣列中或設(shè)計(jì)為符合太陽的弧度(arc)。轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)通常涉及但不限于圍繞垂直于地球表面的平面的一軸線。這種轉(zhuǎn)動(dòng)可以是圍繞該軸線的交替形式的運(yùn)動(dòng)(前后的半球運(yùn)動(dòng))，或者更通常地是圍繞該軸線的全弧(360° )運(yùn)動(dòng)。 整圈轉(zhuǎn)動(dòng)不必是圓形的，相反，可以是橢圓形、圓錐形、螺旋形、多邊形等中的任一種。例如，效率的提高體現(xiàn)在能夠?qū)⑻柲苡行У剞D(zhuǎn)換為電流的緊湊裝置。該裝置可配置成包括從中心軸向外延伸的多個(gè)葉片；每個(gè)葉片包含多個(gè)PV電池，當(dāng)照射光子時(shí)，PV 電池產(chǎn)生DC輸出，可采用包括例如朝著并穿過軸的多種方法將DC輸出從裝置導(dǎo)出。PV電池可聯(lián)接成模塊，并且，至少在一些配置中，由多個(gè)葉片構(gòu)成的模塊可聯(lián)接成陣列。有利地， 即使在裝置按比例縮小以滿足相對較小的體積時(shí)，該裝置也能夠產(chǎn)生足量的電流。比起平放的基本上垂直于太陽(即，與水平面成 45° -135° )放置的PV電池(這是傳統(tǒng)的太陽能收集板的標(biāo)準(zhǔn)配置)，該裝置典型地具有以非垂直角度布置的PV電池，有時(shí)甚至是豎
3直布置。該裝置可用作另外包括電機(jī)、發(fā)電機(jī)(AC或DC)或兩者的組件的一部分。在一個(gè)方面，提供一種能夠?qū)⑻柲苡行У剞D(zhuǎn)換為電流的裝置。該裝置包括中心軸和多個(gè)向外延伸的葉片，所述葉片可垂直于軸的縱向軸線布置。一些、多數(shù)或優(yōu)選地所有的葉片均包括位于其一個(gè)或優(yōu)選地兩個(gè)主表面上的多個(gè)PV電池，所述PV電池優(yōu)選地設(shè)置成一個(gè)或多個(gè)模塊的形式。葉片不需要物理地連接于軸或與之接觸。在一種配置中，該軸可包括設(shè)計(jì)成與葉片接合或以其他方式保持葉片的環(huán)形托架；盡管這種托架可與軸為一體，但在使用時(shí)，這些部件通常制成為可分離和可組裝的。在其他配置中，每個(gè)葉片可通過徑向延伸臂連接于中心軸，或通過可調(diào)節(jié)的連接組件連接到與葉片的末端邊緣接合的條形 (linear)托架(例如，平行于軸的主軸線設(shè)置的托架)。該裝置可封裝在一個(gè)設(shè)計(jì)成或適于保護(hù)裝置免受灰塵、雨、風(fēng)等影響的腔室內(nèi)。該腔室具有的內(nèi)部壓力可小于腔室外的大氣的壓力。為了便于組裝，可在提供該裝置后，單獨(dú)地提供和組裝該腔室的各部件。在另一方面，提供一種包括轉(zhuǎn)動(dòng)式太陽能轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)電機(jī)(AC或DC)的組件。該組件的軸與發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁交流，使得光伏產(chǎn)生的電流傳輸給發(fā)電機(jī)。這種類型的組件的優(yōu)點(diǎn)包括組件的整體供電，控制轉(zhuǎn)動(dòng)組件產(chǎn)生的電流的能力，并且在AC的情況下，不需要換流器。在又一個(gè)方面，提供一種包括轉(zhuǎn)動(dòng)式太陽能轉(zhuǎn)換裝置和電機(jī)的組件。該組件的旋轉(zhuǎn)軸與電機(jī)進(jìn)行電磁交流。該電機(jī)可用于啟動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)。(除非上下文另外指出，否則， 術(shù)語“發(fā)電機(jī)”指的是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)器，而“電機(jī)”指的是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。)在再一個(gè)方面，提供一種從源于太陽能的能量產(chǎn)生DC電力輸出的方法。該方法包括在一支架上設(shè)置PV電池、模塊或陣列，該支架能夠轉(zhuǎn)動(dòng)地支撐PV電池、模塊或陣列經(jīng)過一弧度，通常為至少180°，且更通常為完整的360°，同時(shí)PV電池、模塊或陣列產(chǎn)生DC輸出。適于在本方法中使用的一種配置為包括中心旋轉(zhuǎn)軸的裝置，該軸具有向外延伸的承載 PV電池、模塊或陣列的葉片。在另一個(gè)方面，提供一種靠近應(yīng)用系統(tǒng)或AC用戶的由可再生能源產(chǎn)生電能的方法。該方法包括在允許PV電池、模塊或陣列旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備與涉及使用或傳送的應(yīng)用系統(tǒng)部件之間提供電磁交流，該應(yīng)用系統(tǒng)部件例如為電線桿、電話線桿等，至少在某些實(shí)施方式中可以接近AC用戶。通常以包含 0. 1至 5m3體積的形式提供該設(shè)備，更通常地為 0. 2至 3m3，在距部件不超過1米或2米的距離處，將源于太陽能的能量轉(zhuǎn)換為電力。在一些配置中，該裝備可固定于應(yīng)用系統(tǒng)部件。該方法可提供一種由可再生(或無損耗)天然能源就地產(chǎn)生能量的便利方式。在再一方面，提供一種靠近車輛從可再生能源產(chǎn)生電能的方法。該方法包括在車輛的電機(jī)與允許PV電池、模塊或陣列旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備之間提供電磁交流。當(dāng)該設(shè)備固定于(永久地或可移動(dòng)地)車輛或與車輛連接的某些結(jié)構(gòu)(例如，拖車)時(shí)，該設(shè)備將源于太陽能的能量轉(zhuǎn)換為電力。從附圖和下文更詳細(xì)的描述中，本發(fā)明的其他方面對普通技術(shù)人員將顯而易見。


附圖示出了下面描述中闡述的示例性配置，其中類似的標(biāo)號(hào)表示類似的部件或特征。所有的附圖均未按比例繪制。圖1是根據(jù)本發(fā)明的太陽能轉(zhuǎn)換裝置的一種配置的透視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的太陽能轉(zhuǎn)換裝置的另一種配置的透視圖。圖3是除圖1和2所示部分外的用于將徑向葉片固定到軸的連接組件(部分被去除)的側(cè)視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的太陽能轉(zhuǎn)換裝置的再一種配置的頂部透視圖。圖5是采用圖4中所示裝置的組件的底部透視圖。圖6是圖5所示組件的頂部透視圖。圖7是圖1所示裝置與發(fā)電機(jī)、支架以及可選的保護(hù)罩組成的組件的另一種配置的透視圖。圖8是圖7所示組件(部分被去除)的一部分的詳細(xì)側(cè)視圖。圖9是圖7所示組件(部分被去除)的一部分的局部詳細(xì)俯視圖。圖10是在示例性的最終使用環(huán)境中描述的組件的另一種配置的頂部透視圖。
具體實(shí)施例方式下文中提供的說明用來解釋和例證由PV電池的轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)所帶來的效率的提高。其描述了示例性的配置以及操作方法。所附的對專有權(quán)進(jìn)行保護(hù)的權(quán)利要求限定本發(fā)明，并且權(quán)利要求并不旨在限制于所示和所描述的具體實(shí)施方式
。圖1、圖2和圖4中示出的是太陽能轉(zhuǎn)換裝置10，其通常包括軸12和多個(gè)向外延伸的葉片14。在這些附圖中，每個(gè)葉片14從軸12徑向延伸，但是替代的布置也是可行的， 例如，半徑的切向、與半徑平行等。如這些附圖所示，軸12通常相對于地面或其他支撐表面垂直地布置。軸12通常無需采用實(shí)心的橫截面，但是相反，可以至少是部分中空的。軸12可由多種材料制成，包括但不限于諸如鐵、銅、鋁和鈦的金屬；諸如不銹鋼、青銅和黃銅的合金； 碳纖維復(fù)合材料；以及各種塑料或陶瓷中的任一種。裝置10中所采用的葉片的數(shù)量可以有較大變化，通常在少至2個(gè)到數(shù)打之間變化。盡管附圖中所示的裝置10的每種配置都采用偶數(shù)個(gè)葉片，但葉片為奇數(shù)也是可行的。 圖1中示出的每個(gè)葉片14具有階梯結(jié)構(gòu)，圖2中示出的每個(gè)葉片具有通常為方形(上半部)和矩形(下半部)結(jié)構(gòu)，而圖4中示出的每個(gè)葉片具有矩形結(jié)構(gòu)。各個(gè)圖中示出的葉片的幾何形狀是示例性的，不旨在構(gòu)成限制；例如，當(dāng)裝置10設(shè)計(jì)成用于包括保護(hù)罩(下文中結(jié)合圖7描述)的組件中時(shí)，彎曲的或具有不規(guī)則的多邊形形狀的葉片能夠?qū)⑦B接于PV 電池、模塊或陣列的表面面積最大化。每個(gè)葉片14呈現(xiàn)出具有基本平的主表面，其中，圖1和圖2中的主表面設(shè)置成平行于軸12的縱向軸線(所示為豎直設(shè)置)，而圖4中的主表面以略微偏斜、成角度的方式設(shè)置，即，不垂直于軸12的縱向軸線。圖中所示的葉片均不物理地接觸軸12。在圖1中，每個(gè)葉片14裝配到頂部托架15 和底部托架16中所設(shè)置的互補(bǔ)插槽中；在圖2中，每個(gè)葉片裝配到頂部托架15或底部托架 16和中部托架17中所設(shè)置的互補(bǔ)插槽中，以及在圖3中裝配到可選的立式支座19中；在圖4中，裝置10采用替代的連接機(jī)構(gòu)，其中每個(gè)葉片14固定于相應(yīng)的托架11 (圖5和圖6 中可見)，設(shè)置在徑向臂20的遠(yuǎn)端處，每個(gè)徑向臂朝向軸延伸且連接于軸12。在圖1和圖 2所示的配置中，頂部托架15可通過緊固裝置13(其非限制性實(shí)例為防松墊圈)固定于軸 12。上述配置為示例性的，而并不旨在構(gòu)成限制。例如，圖3示出了一種替代固定配置，該固定配置允許葉片14以各種期望角度的任一種設(shè)置。在圖3中，僅示出了一個(gè)承載 PV電池21的葉片14 ；為了簡明，省略了其余的類似葉片。葉片14通過摩擦配合、粘合劑、 可調(diào)節(jié)的擰緊硬件(未示出)或任一其他方式固定于托架27，該托架示出為與軸12基本平行。進(jìn)而，托架27通過桿25連接于軸12。示出的是，六角螺母23a和2 通過可選的環(huán)形墊圈2 和22b分別與軸12和托架27隔開。通過松開六角螺母2 可將托架27 (以及相應(yīng)的葉片14)轉(zhuǎn)離豎直面，將托架27 (以及相應(yīng)的葉片14)轉(zhuǎn)動(dòng)到期望的角度，然后再擰緊六角螺母23b。每幅圖示出了分開的葉片附接于同一個(gè)軸的配置。同樣還可考慮的配置是，將葉片和軸的相應(yīng)部分(例如，與相當(dāng)于360/n的弧度對應(yīng)的部分，η表示所采用的葉片的數(shù)量)組裝在一起(例如，通過卡扣或者通過滑動(dòng)配合)以便形成軸的預(yù)制子組件。每個(gè)葉片包括兩個(gè)主表面，以1 和14b表示。每個(gè)主表面優(yōu)選地承載PV電池 21的陣列，如圖3和圖4的實(shí)施方式中示意性所示，但為了簡潔和清晰，在其他圖中省去了 (相對于裝置的其他部件)?？稍诿總€(gè)主表面的大部分(例如，至少50%、至少75%或甚至至少80% )面積上設(shè)置PV電池。每個(gè)葉片14通常將承載PV電池的一個(gè)或多個(gè)模塊，但該特征并非強(qiáng)制性的。每個(gè)葉片的尺寸(S卩，主表面14a和14b的面積)沒有具體限制。根據(jù)具體的最終應(yīng)用場合，該尺寸可在幾平方厘米到幾平方米之間變化。因?yàn)橥ǔｎA(yù)先知道具體應(yīng)用場合所需的電量，這個(gè)信息連同所采用的特定PV電池的效率等級可用于確定所需的電流量， 進(jìn)而，確定所需的葉片總面積。可采用多種類型和結(jié)構(gòu)的PV電池，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以撓性帶或膜的形式提供的 PV電池是有利的，因?yàn)樗鼈兊闹亓枯^輕。PV電池和陣列的商業(yè)供應(yīng)商包括BP Solar USA (Frederick, Maryland)以及 Iowa Thin Film Technologies Inc. (Ames, Iowa)。當(dāng)要求較高的效率時(shí)，除了硅元素類型之外的半導(dǎo)體可能是優(yōu)選的；其中的一些半導(dǎo)體可由除光子外的IR、類似^、UV和其他類型的源于太陽能的能量激活或激勵(lì)。高效能的PV電池和陣列的供應(yīng)商包括Emcore Corp. (Albuquerque, New Mexico)禾口 Spectrolab，Inc. (SyImar, California)0葉片14通常由輕質(zhì)材料制成，例如，各種類型的塑料中的一種，但也可使用其他類型的材料。在一些實(shí)施方式中，葉片14可由一種或多種光學(xué)透明材料制成，例如，聚碳酸酯、PMMA等，以降低裝置的總反射比或不發(fā)電吸光度(non-generating absorbance)，從而在軸12轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)增加在葉片14的軌道中的任何給定點(diǎn)均能到達(dá)PV電池的光子量。盡管未作要求，但軸和/或托架也可由光學(xué)透明材料制成。不管圖1至圖3所示實(shí)施方式中所采用的托架是否為光學(xué)透明的，優(yōu)選地這些托架由非導(dǎo)電的且具有相對較小熱膨脹系數(shù)(有助于在操作過程中確保與葉片14的牢固接合)的材料制成。PV電池、模塊或陣列可通過各種方式與葉片結(jié)合，但光學(xué)透明粘合劑(包括熱熔性的、在空氣中可固化的、PSA等)相對簡單而且有效?？商娲兀總€(gè)葉片可設(shè)置成一組部件，其中一些部件可機(jī)加工或形成為能夠適于容納預(yù)定尺寸和/或配置的PV電池和其它互補(bǔ)部件，這些互補(bǔ)部件設(shè)計(jì)成固定PV電池并與第一類型的部件配合(可選地，以卡扣配合方式)。另一種選擇包含兩個(gè)或更多個(gè)機(jī)械或粘合地固定的薄片，以便提供背對背布置且共享一個(gè)共同區(qū)域的PV電池。
也可考慮包括一個(gè)或多個(gè)集成陣列的葉片。在附圖所示的裝置和組件的配置中，省去了一個(gè)葉片上的PV電池之間的電連接以及葉片之間的連接，以便更清楚地解釋該裝置和組件的其它元件。采用串聯(lián)或并聯(lián)方式連接PV電池以形成模塊以及連接葉片(以串聯(lián)或并聯(lián)方式)均在普通技術(shù)人員預(yù)想的能力范圍之內(nèi)，因此，為了簡潔，省略這些連接的文字描述。除了如圖示和上面描述的中央軸配置，普通技術(shù)人員可以預(yù)想其它方式，其中PV 電池、模塊或陣列可以按照允許它們?nèi)炕虿糠洲D(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)的方式布置。非限制性實(shí)例包括轉(zhuǎn)動(dòng)的圓頂、轉(zhuǎn)筒或可充氣支架；往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的槳葉或其它支架(可由任一種機(jī)械或電機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，并且可行進(jìn)穿過任何物體小于360°的弧度)；可橫穿軌道上的回路的支架；以及轉(zhuǎn)動(dòng)的帶或軌道。此外，可以組合地使用這些替代方式中的兩種或更多種，或者這些替代方式中的一種或多種可結(jié)合附圖中示意的中央軸設(shè)計(jì)方案使用。參見圖4(在圖6中也可見)，每個(gè)徑向臂20是包括軸12的整體組件的一部分。 因?yàn)閳D4所示的裝置10的方式包括固定于中央軸的徑向臂，所以該裝置通常設(shè)置成圖5和 6所示的整體組件100的一部分。相反，裝置10的配置，諸如圖1和2中所采用的配置(以及采用圖3所示連接配置的配置和圖10組件中所采用的配置)，也可設(shè)置成如圖7所示整體組件的一部分，這些配置還允許將這些單個(gè)部件或局部組裝的各部分裝運(yùn)到指定使用地點(diǎn)，然后將它們組裝到一起或操作地連接至其他部件。在圖5到圖7中描述了發(fā)電組件100，該發(fā)電組件包括如上所述的與發(fā)電機(jī) 101(在圖7中部分可見)電磁交流(communication)的太陽能轉(zhuǎn)換裝置，該發(fā)電機(jī)通常由外殼102保護(hù)。下文更詳細(xì)地描述裝置10連接到發(fā)電機(jī)101(或電機(jī))并與其進(jìn)行電磁交流的方式。發(fā)電機(jī)(通常稱為直流發(fā)電機(jī))通過在操作中對電磁體通電使之接近場磁體而將運(yùn)動(dòng)(在當(dāng)前的實(shí)例中，指附接于換向器的輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))轉(zhuǎn)換成電流。普通技術(shù)人員熟知直流發(fā)電機(jī)的部件、布置以及內(nèi)部操作，因此，此處不再詳細(xì)描述。因此，圖5到圖7中所示的組件100的配置采用軸12的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)給以發(fā)電機(jī)101 動(dòng)力，進(jìn)而提供電流。軸12旋轉(zhuǎn)的速度沒有具體限制，幾千轉(zhuǎn)rpm的速度是可行的。操作轉(zhuǎn)速典型地為 5至 5000rpm，更典型地為 10至 lOOOrpm，通常為 20至 750rpm， 更通常為 30至 500rpm。組件100中可使用各種各樣的發(fā)電機(jī)模塊，用于具體組件的具體類型和模塊可基于電流輸出類型(AC或DC)和所期望的安培值來選取。各種電刷和無刷發(fā)電機(jī)的一個(gè)供應(yīng)商是 Minnesota Electric Technology, Inc. (Mankato，Minnesota) 0電機(jī)可以代替發(fā)電機(jī)101來提供一種類似構(gòu)造但實(shí)質(zhì)上操作完全相反的組件。采用電流(來自外部源或來自葉片14上的PV電池的DC輸出，當(dāng)它們被通以通過連接配線60 從裝置流到電機(jī)的電流時(shí))來形成電磁體，所述電磁體與場磁體一起使得附接于換向器的輪軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)引起與該輪軸操作交流(例如，通過滑輪、皮帶、齒輪等機(jī)械方式、磁方式等)的裝置的軸12和附接于該軸上的葉片14轉(zhuǎn)動(dòng)。該轉(zhuǎn)速?zèng)]有具體限制，上文闡述的轉(zhuǎn)速范圍在此處也適用。這些葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)之前提到的提高轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)PV電池的效能的一種方式。 組件100提供圍繞在典型操作中垂直于地表面的軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)。這種轉(zhuǎn)動(dòng)通常繞著該軸線生成360°的弧度，但是通過選取合適的電機(jī)，也可能出現(xiàn)圍繞該軸線的往復(fù)式半球形運(yùn)動(dòng)。關(guān)于電機(jī)的更多細(xì)節(jié)，感興趣的讀者請直接參考專利號(hào)為3，450，907,3, 760，209、 4，414，481,4, 820，948和5，334，897的美國專利以及引證這些的更多最新專利文獻(xiàn)中的任一篇。組件100中可采用的電機(jī)類型的非限制性實(shí)例包括輪轂電機(jī)和主軸電機(jī)(諸如在計(jì)算機(jī)中用來轉(zhuǎn)動(dòng)硬盤的電機(jī))。圖7中的組件100的配置包括與發(fā)電機(jī)101 (或電機(jī))電磁交流的圖1中所示的太陽能轉(zhuǎn)換裝置，該裝置受可選的保護(hù)罩40所形成的腔室保護(hù)，該保護(hù)罩安置在可選的支腿50所支承的底座30上。這種布置可提供額外的益處，即可以使組件100用在受積雪、落葉等影響的區(qū)域中。圖7示出的底座30是不透明且基本上是平的，但是對以上兩特征均不做要求。提供具有一定凹度和/或反射能力的底座30可能會(huì)提高太陽能轉(zhuǎn)換裝置的效能。反射能力可通過由帶有金屬箔、金屬化薄膜等構(gòu)成的層作為其最上層薄片的金屬或?qū)訅喊鍢?gòu)成底座 30來提供。凹度可通過各種模具或沖壓技術(shù)中的任一種甚至通過后形成操作來提供。在采用保護(hù)罩40時(shí)，可將保護(hù)罩設(shè)計(jì)成安置在底座30上，因此，底座30的周邊一般將至少延伸到稍微超出保護(hù)罩40的周邊。雖然示出的保護(hù)罩40在形狀上為圓形或半球形的，但這些僅為示例性的。此外，雖然保護(hù)罩40通常僅由光學(xué)透明材料制成，但它也可設(shè)計(jì)為或適于包括透鏡、多層膜、涂層、過濾器等，以對可見光進(jìn)行放大、集中、修改(例如，相移)等?？赏ㄟ^將裝置10上的保護(hù)罩40應(yīng)用于底座30上來形成保護(hù)腔室。太陽能轉(zhuǎn)換裝置10運(yùn)作時(shí)，腔室的壓力可以降低，例如，至少在腔室內(nèi)形成部分真空。減輕葉片14所遇到的空氣阻力可能對該裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)效能產(chǎn)生積極影響?？蓪?shí)現(xiàn)抽空保護(hù)腔室的一種方式為，在底座30中設(shè)置一真空連接配件(未示出)然后從該腔室中抽取所需體積的空氣，在該真空連接配件內(nèi)附接有真空管線。在圖7中的組件100未以組裝形式提供的情況下，可由終端用戶自行組裝。延伸穿過外殼102的發(fā)電機(jī)101(未示出)或電機(jī)的軸、桿或輪軸可與插入穿過底部托架16和底座30的軸12接合。葉片14可與托架15和16接合，并且緊固裝置13安裝在上托架15 上方且與軸12接合。可替代地，軸12可設(shè)置為發(fā)電機(jī)101 (或電機(jī))的一部分，這種布置不再需要將與裝置和發(fā)電機(jī)相關(guān)的互補(bǔ)件組裝在一起且不再需要在操作過程中保持接合。將參考圖8至圖9描述太陽能轉(zhuǎn)換裝置10與發(fā)電機(jī)101 (或電機(jī))之間的電磁交流，這些圖提供了不旨在構(gòu)成限制的示例性配置，反而旨在向普通技術(shù)人員提供一種裝置 10可使用的示例性環(huán)境以及裝置10和發(fā)電機(jī)101之間的示例性電磁連接。單獨(dú)或集體通過葉片間電連接(例如，配線)的每個(gè)葉片14通過一條或多條連接配線60電連接到發(fā)電機(jī)101。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)葉片上的PV電池、模塊或陣列將入射光子轉(zhuǎn)換成電力時(shí)，電流從PV電池(通過未示出的半導(dǎo)體觸頭)流入到經(jīng)由連接點(diǎn)103與發(fā)電機(jī) 101電力交流進(jìn)而與發(fā)電機(jī)101的為電樞部件供電和/或在場部件中產(chǎn)生磁力的各部分電力交流的相應(yīng)連接配線，借此引起發(fā)電機(jī)輪軸或軸(轉(zhuǎn)子)以及該裝置的軸12轉(zhuǎn)動(dòng)。如上簡要概括，通過磁場發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電流，或者為AC或或者DC，取決于發(fā)電機(jī)的具體配置和操作(例如，是否包括換向器)，這些電流可從組件100處傳出并投入使用或存儲(chǔ)。這類發(fā)電機(jī)的電流輸出很容易理解、易于提前計(jì)算、易于調(diào)整等。在圖8至圖9中，示出的是在底座30限定的平面之上但是在下托架16的平面之下延伸的發(fā)電機(jī)101 —部分，下托架在圖7中可見，但是，在圖8所示的視圖中省去了它連同軸12、葉片14、上托架15和緊固裝置13。這里不再描述在底座30的平面之下的(以及從圖5到圖7看到的在外殼102內(nèi)的)發(fā)電機(jī)101的部分的結(jié)構(gòu)和操作，因?yàn)槠胀夹g(shù)人員已經(jīng)熟知它們，如上所闡述的。圖8和圖9中所示的發(fā)電機(jī)101的各部件同樣為普通技術(shù)人員所熟知，但在此進(jìn)行概要性描述，從而可更容易預(yù)想裝置10運(yùn)行的環(huán)境。發(fā)電機(jī)端罩104裝配到底座30的開口中和/或與之接合，同時(shí)安裝螺釘106確保發(fā)電機(jī)101保持固定于裝置10。普通技術(shù)人員可預(yù)想接合和固定這些部件的其它技術(shù)。圖9所示的視圖可看到發(fā)電機(jī)輪軸108略微延伸于底座30的平面之上。如之前所述，其他配置也是可行的。例如，可提供軸12，使得該軸伸入到發(fā)電機(jī)101內(nèi)并用作發(fā)電機(jī)的一部分，或者相反，輪軸108可伸得更長并且也用作裝置10的軸。在圖8和9所示的特定發(fā)電機(jī)中，延伸于底座30的平面之上的部分包括電轉(zhuǎn)換和傳輸組件，具體地是電刷單元外殼110和120、電刷112和122(典型為碳刷，但也可使用其它材料)、通常作為絕緣配線設(shè)置的電刷分路器114和124、電刷分路器接線片116和126、 發(fā)電機(jī)電源端子118和128、以及發(fā)電機(jī)電源端子接線柱119和129。電刷分路器114和 124分別連接到發(fā)電機(jī)電源端子118和1 并分別通過接線柱119和1 固定。雖然圖8 和圖9所示的發(fā)電機(jī)為電刷型模塊，但也可使用無刷型換向器。通過各種已知連接和技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)將電流從電源端子118和1 傳輸?shù)诫妱?dòng)裝置、 電池，或者在AC的情況下，傳輸?shù)诫娏W(wǎng)。如果用電機(jī)取代圖5到圖7所示組件中的發(fā)電機(jī)，電連接僅需細(xì)微改變。由裝置的供電PV電池產(chǎn)生的少量電流可引向電機(jī)并為電機(jī)供電，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)并以所需的速度保持轉(zhuǎn)動(dòng)。(如果電機(jī)從獨(dú)立的電源獲得電力，如電流，則太陽能轉(zhuǎn)換裝置不需要與電機(jī)進(jìn)行電力交流。)由PV電池產(chǎn)生的大部分電流可按多種方式中的任一種引離組件100，這些方式包括但不限于，引入并穿過軸12的電連接(其中軸是中空的)，或者位于葉片弧度(arc) 之上或之下的多個(gè)點(diǎn)中的任一點(diǎn)處的摩擦(電刷或無刷式)連接。組件100的DC輸出可傳輸以為電動(dòng)裝置供電、為電池或其它存儲(chǔ)裝置充電，或者在轉(zhuǎn)換之后按照任何需要或指定的電壓傳輸至電力網(wǎng)。有利地，如參照圖10最容易預(yù)想的(下文說明)，在不涉及遠(yuǎn)程發(fā)電點(diǎn)和使用點(diǎn)之間的高壓傳輸線的情況下，后一種選擇可發(fā)生在接近擬使用點(diǎn)處。再次參照圖7，設(shè)計(jì)組件100的尺寸和配置，使得該組件可用于各種環(huán)境中并附接或固定于各種物體。無論帶有或不帶有可選的支腿50，該組件都可定位在待被供電的建筑物的頂部或附近。便利地(conveniently)，如果組件配置成用于AC電力輸出，則可直接使用電流，而不需要換流器。根據(jù)組件100的尺寸和效率，可從一個(gè)或多個(gè)組件提供建筑物的所有供電需求，并且如果提供的電量超過需要，則將多余的電量直接供應(yīng)至電力網(wǎng)。組件100還可配置成與例如機(jī)動(dòng)車輛一起使用。該車輛可配置成完全或部分依靠 DC電力運(yùn)行，并且該組件可配置成用于DC電力輸出。此外，根據(jù)組件100的尺寸和效率， 可由該組件提供車輛的所有電力需求。多余的電流可用于對車輛中的電池進(jìn)行充電或再充 H1^ ο之前的兩種用途為示例性的，因此，不具有限制性；普通技術(shù)人員能夠?qū)⑦@些用途擴(kuò)展到其它各種可能的環(huán)境。圖10中的組件100的配置包括與電機(jī)(被電機(jī)蓋70所隱藏)進(jìn)行電磁交流的太陽能轉(zhuǎn)換裝置的另一種配置，其中該裝置受與環(huán)形框架160接合的保護(hù)罩40所形成的腔室的保護(hù)。該配置包括具有兩個(gè)基本上為半球形半部的保護(hù)罩，但普通技術(shù)人員可預(yù)想包裝該太陽能轉(zhuǎn)換裝置并安置于一支架上的整體蓋，從而無需框架。電機(jī)操作地接合并轉(zhuǎn)動(dòng)太陽能轉(zhuǎn)換裝置的軸12。與太陽能轉(zhuǎn)換裝置的其它配置一樣，軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)變化可非常大，從每秒轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的一小部分到每秒轉(zhuǎn)動(dòng)幾圈。大多數(shù)電機(jī)允許變化的旋轉(zhuǎn)速度，從而允許軸速的實(shí)時(shí)變化。軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)引起每個(gè)葉片14轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而引起位于葉片上或葉片中的PV電池(基于以上解釋的原因未示出)通過一弧度。以與以上參照圖3所述類似的方式，具體地，每個(gè)葉片14經(jīng)由托架27附接于軸12，該托架通過連接組件沈連接(可采用如上述圖3所示的墊圈和六角螺母的部件)。為了允許裝置和組件的其他元件更清楚地示出，已省略了葉片上的PV電池、模塊或陣列以及葉片內(nèi)和葉片間的電連接?？砂幢菊f明書之前所述類似的方式實(shí)現(xiàn)這些未示出元件的附接與連接。組件100的電機(jī)可位于組件100之內(nèi)或之外的其它位置，并且可被供以來自葉片 14上的PV電池、模塊或陣列，來自獨(dú)立的儲(chǔ)電電源(如可再充電電池)或來自連接至豎直支架130的獨(dú)立線的電力。另外，可采用多個(gè)電機(jī)，在這種情況下，通常還可采用同步裝置或機(jī)構(gòu)。如所示，組件100在上下可由C形托架140的水平臂支承。組件100可通過多種機(jī)構(gòu)中的任一種連接至這類支承。在圖10所示的具體配置中，C形托架140的上臂或下臂可用來附接于電機(jī)(未示出)，同時(shí)還提供電機(jī)和豎直支架130之間的可選電力交流。可通過多種機(jī)械技術(shù)或粘合技術(shù)中的任一種將托架140附接于豎直支架130(如電線桿)。除托架外，組件100可經(jīng)由可選的管道150連接至豎直支架130(部分被去除)。 當(dāng)通過托架140中或上的配線來實(shí)現(xiàn)組件100與也附接于豎直支架130的應(yīng)用部件(未示出)的電磁交流時(shí)，可選的管道150可為從應(yīng)用部件流動(dòng)到電機(jī)的電流(除非為此目的使來自組件100的一些電流轉(zhuǎn)向)或從組件100流動(dòng)到一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用部件(如變壓器、配線等)的電流提供額外保護(hù)?？蛇x的管道150還可為放置換流器提供便利位置，但是很多此類裝置應(yīng)足夠小以便能夠放入組件100內(nèi)、放在托架140上或者放在豎直支架130上的其它位置?？筛淖兘M件100的尺寸，從而滿足各種電流或電壓需求，同時(shí)保持安裝到豎直支架(如電線桿)上的能力。當(dāng)豎直支架130為電線桿時(shí)，如圖10所示的組件允許AC發(fā)電 (通過換流)非常接近使用點(diǎn)。換句話說，除用作連接到其它電線桿的電力線的支承外，許多電線桿具有連接到附近的一棟或多棟建筑物的電力線。極其需要能夠在使用點(diǎn)附近的電線桿處產(chǎn)生電力，因?yàn)榭墒箓鬏敁p失最小化，傳輸損失是可超過通過換流器將DC轉(zhuǎn)換為AC 造成的任何效能損失的一個(gè)因素?？杀O(jiān)控組件100的操作，通常是遠(yuǎn)程監(jiān)控。可通過硬線連接或無線連接來測量電力輸出并報(bào)告給監(jiān)測點(diǎn)或設(shè)施，進(jìn)而可調(diào)整操作參數(shù)，以便計(jì)算負(fù)荷需求、提高效率等。還可利用監(jiān)測來提供用于電力行業(yè)、其客戶或兩者的數(shù)據(jù)。以上所述的每個(gè)裝置和組件以及可選的裝置可用于經(jīng)由布置于一個(gè)或多個(gè)支架上或中的PV電池、模塊或陣列從源于太陽能的能量產(chǎn)生電力，所述支架可在PV電池、模塊或陣列產(chǎn)生DC輸出時(shí)通過一定弧度轉(zhuǎn)動(dòng)地支撐它們。該弧度通常至少為15°，至少為 30°，至少為45°，至少為60°，至少為75°，至少為90°，至少為105°，至少為120°，至少為135°，至少為150°，至少為165°，至少為180°，或至少為180°和360°之間的對應(yīng)補(bǔ)角。PV電池、模塊或陣列的轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)通常涉及某種往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，除非它們按整圓運(yùn)動(dòng)。以下表格以列表的形式總結(jié)了用于表示適當(dāng)?shù)牟考筒牧系男g(shù)語和短語。表1 參考標(biāo)號(hào)列表
序號(hào)描述10太陽能轉(zhuǎn)換裝置12軸13緊固裝置14葉片15頂部托架16底部托架17中間托架19豎直支架20徑向臂
權(quán)利要求
1.一種用于將太陽能轉(zhuǎn)換為電力的裝置，所述裝置包括中心的、豎直布置的軸以及多個(gè)向外延伸的葉片，其中，至少一些所述葉片在其至少一個(gè)主表面上或沿著至少一個(gè)主表面包括一個(gè)或多個(gè)光伏電池、模塊或陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每個(gè)所述葉片在其至少一個(gè)主表面上或沿著至少一個(gè)主表面包括一個(gè)或多個(gè)光伏電池、模塊或陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，每個(gè)所述葉片在其兩個(gè)主表面上或沿著兩個(gè)主表面包括一個(gè)或多個(gè)光伏電池、模塊或陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，至少一些所述葉片在其兩個(gè)主表面上或沿著兩個(gè)主表面包括一個(gè)或多個(gè)光伏電池、模塊或陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述葉片布置成垂直于所述軸的縱向軸線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述軸操作性地連接至至少一個(gè)托架，所述至少一個(gè)托架與所述多個(gè)葉片中的至少一個(gè)接合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述托架為環(huán)形的，且與所述多個(gè)葉片的每一個(gè)接合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述至少一個(gè)托架中的每一個(gè)布置成垂直于所述軸的縱向軸線，且與所述多個(gè)葉片中的一個(gè)接合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的裝置，還包括發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)與所述裝置進(jìn)行電磁交流，且由所述裝置供電。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的裝置，還包括電機(jī)，所述電機(jī)與所述軸操作性地接合，并且轉(zhuǎn)動(dòng)地驅(qū)動(dòng)所述軸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，還包括保護(hù)罩。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，還包括底座，所述底座和保護(hù)罩操作性地接合，以提供一保護(hù)腔室。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述軸具有穿過其中的通道。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，還包括穿過所述通道布置的一條或多條配線，所述配線用來將所述光伏電池、模塊或陣列產(chǎn)生的電流導(dǎo)離所述裝置。
15.一種轉(zhuǎn)換太陽能的方法，所述方法包括使其上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)光伏電池、模塊或陣列的支架轉(zhuǎn)動(dòng)地運(yùn)動(dòng)經(jīng)過一弧度，同時(shí)所述光伏電池、模塊或陣列產(chǎn)生DC電力輸出。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述弧度至少為180°。
17.根據(jù)權(quán)利要求15至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述支架包括與可旋轉(zhuǎn)軸操作性地接合的葉片。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述軸與用于轉(zhuǎn)動(dòng)地驅(qū)動(dòng)所述軸的電機(jī)操作性地接合。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括將所述DC電力輸出轉(zhuǎn)換成AC電力輸出。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，轉(zhuǎn)動(dòng)地運(yùn)動(dòng)步驟和轉(zhuǎn)換步驟都在應(yīng)用系統(tǒng)部件的兩米內(nèi)進(jìn)行。
全文摘要
相對于在平行于地面靜止布置的平面陣列中提供或設(shè)計(jì)成符合太陽弧度的同樣的電池而言，轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)的光伏電池顯示出更高的效能。太陽能轉(zhuǎn)換裝置(10)包括軸(12)和多個(gè)向外延伸的葉片(14)，每個(gè)葉片承載多個(gè)光伏電池(21)，該太陽能轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生的電流量高于布置在一個(gè)平面中的同樣面積的光伏電池。本裝置可用作具有電機(jī)或發(fā)電機(jī)(101)的組件(100)的一部分。
文檔編號(hào)H01L31/042GK102301489SQ200980155985
公開日2011年12月28日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者馬克·C·安德森 申請人:馬克·C·安德森