CN112514243B - 具有树形结构的太阳能收集器 - Google Patents

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Abstract

太阳光和热能收集器组件的***和方法被公开。***包括：竖直安装在基部上的中心柱；具有从中心柱径向延伸的同心的支架的支撑结构，支架被定位在沿着中心柱的不同的竖直距离处，并且具有支撑太阳能面板的配置，其中每个支架不阻碍空气和光通过支架；被贴附到每个支架的至少一个太阳能面板，每个太阳能面板包括形成在太阳能面板的径向边缘处的弯曲的反射器；设置在中心柱的顶部的气流涡轮机，中心柱具有将加热的空气朝向气流涡轮机引导的一个或更多个孔和管道；以及电导体，用于供应从每个太阳能面板中的光伏电池单元以及从发电涡轮机取得的电力。

Description

具有树形结构的太阳能收集器
技术领域
本公开大体上涉及收集太阳能(包括光能和热能)并且将收集的能量转换为电力的太阳能转换***。更具体而言，本公开包括一种太阳能收集器***，所述太阳能收集器***具有向周围条件敞开并且被布置为“树”的形式以使收集的太阳能最大化的太阳能收集器的组件。
背景技术
可再生的、高效率的且成本有效的能量源在全球范围内正在变为增长的需要。越来越昂贵的、不可靠的且有环境风险的化石燃料以及对于能量(包括电力)的上升的全球需求已经造成对于替代的、安全的、干净的、可广泛获得的、成本有效的、环境友好的且可再生的能量形式的需要。使用太阳能电池单元(cell)的太阳能光伏(PV)电力产生唯一地适合于满足住宅、商业、工业和集中公用事业应用的需要。因此，期望一般来说太阳能电池单元装置、具体地说太阳能阵列极其高效。通过尽可能地使太阳能阵列高效，它们的总体接受度将变得更大。此外，太阳能的显而易见的环境益处由于其取得普遍使用而被进一步增强。
然而，太阳能电池单元装置和太阳能面板组件具有某些低效要克服。通常，太阳能电池单元的效率低于20％，意味着多于80％的太阳光被反射出去。太阳能面板的目前的成本结构的一部分是向太阳能电池单元添加抗反射层。因此，将有益的是，提供治理反射的光能、而不是将它反射出去、并且在太阳能面板上不需要昂贵的抗反射层的太阳能面板组件。
此外，在长时间暴露于太阳之后，太阳能面板变热，并且开始损失它们的效率。照此，将有益的是使太阳能面板的温度保持在最佳的操作范围内。
更进一步地，太阳能面板通常在它们的寿命期间损失效率。因此，将有益的是提供其中太阳能面板可以在需要时被容易地更换的太阳能收集器结构。
因此，期望改进太阳能面板(具体地说太阳能面板组件的结构)的总体操作、质量和可靠性。本文中描述的技术设想导致更高效的空间利用、并且还可以利用和治理从太阳辐射的热能的多层次方法。
发明内容
为了解决前述问题，要求保护的发明旨在通过多次反射捕捉光能和热能并且将该能量转换为电力。也就是说，在要求保护的发明中，不需要昂贵的抗反射层。此外，在要求保护的发明中，在太阳能面板处接收的热能通过热空气的烟囱效应被转换为电能，从而启动涡轮发电机。通过这样做，将通过使太阳能面板保持接近周围温度来维持它们的效率。
要求保护的发明提供相较于现有的太阳能收集***的许多优点。在要求保护的发明中，太阳能面板被放置成树状结构，并且透亮(clear)外壳将提供不受元件影响的保护。太阳能面板组件的树状布置允许光在太阳能面板之间反射多次，以使得太阳能面板将吸收大部分光能。在外壳随着时间的过去变得褪色的情况下，它可以被以最小的成本更换。随着光伏技术不断变化，要求保护的发明允许容易地更换或升级太阳能面板。此外，外壳的斜度相对于常规的太阳能面板安装陡得多，因此重力帮助从外壳清除大部分障碍物和碎屑，从而维持效率。内置的气流***从外壳清除更细的尘粒。
要求保护的发明的一个实施方案针对一种太阳能收集***，太阳能收集***包括：竖直的中心柱(central pole)，中心柱包括内腔以及沿着中心柱的高度的一个或更多个孔；一个或更多个太阳能面板组件，每个太阳能面板组件包括第一太阳能面板、第二太阳能面板和第三太阳能面板，第一太阳能面板从中心柱径向延伸，第二太阳能面板被设置在第一太阳能面板的下方，从中心柱径向延伸超过第一太阳能面板，第三太阳能面板被竖直地设置在第一太阳能面板和第二太阳能面板之间，第三太阳能面板邻近中心柱，其中第一太阳能面板和第二太阳能面板的各自的自由端被光入口分开；发电涡轮机，发电涡轮机被设置在中心柱的顶部，并且由旋转轮毂和多个叶片组成，多个叶片经由内腔接收气流；以及电导体，电导体用于供应从每个太阳能面板组件中的光伏电池单元以及从发电涡轮机取得的电力。
在要求保护的发明的一些实施方案中，第一太阳能面板包括导热顶表面以及吸收并且反射光的光伏底表面，第二太阳能面板包括吸收并且反射光的光伏顶表面以及导热底表面，并且第三太阳能面板包括吸收并且反射光的光伏外表面以及导热内表面。两个或更多个太阳能面板组件可以被同心地堆叠在中心柱上的不同高度处，其中每个太阳能面板组件被中心柱中的对应的孔分开。此外，每个孔可以对应于中心柱的内腔中的多个空气管道中的一个，其中空气管道与比其基部窄的顶点形成烟囱。多个空气管道被布置在同心的层中，并且被划分为多个段。
在要求保护的发明的另外的实施方案中，太阳能面板的导热表面通过孔将热空气输送到内腔中。通过多个空气管道上升的热空气可以被喷嘴集中成热空气流。热空气流可以将力给予到多个叶片上，从而启动涡轮机的旋转。
在要求保护的其他实施方案中，太阳能面板组件包括在第三太阳能面板的至少一端上的穿孔，穿孔允许热空气逸出。此外，第一太阳能面板和第二面板的各自的自由端可以各自包括被配置为将光反射到太阳能面板组件的向上的弯曲部分。更进一步，第一面板和第二面板被间隔开，以使得光可以在每个太阳能面板组件的光伏表面之间反射多次。一个或更多个光散射介质可以被设置在第一太阳面板和第二太阳能面板之间的空间中，邻近各自的自由端。
在要求保护的发明的一些布置中，所有相邻的太阳能面板组件都被布置为使得一个太阳能面板组件的底部太阳能面板的周界不延伸超过相邻的下方的太阳能面板组件的顶部太阳能面板的周界。基部可以被提供用来安装中心柱，其中基部包括用于储存电能的至少一个电池、功率逆变器和空气泵。透亮壳可以覆盖一个或更多个太阳能面板组件和发电涡轮机以用于保护。透亮壳可以允许周围空气通过空气过滤器进入，其中透亮壳具有开口，在开口处，传入的周围空气可以退出***，并且与周围空气混合。透亮壳可以包括在外表面上喷洒空气流的管道。
要求保护的发明的实施方案还可以包括支撑第一太阳能面板、第二太阳能面板和第三太阳能面板的支架，其中支架包括不阻碍空气和光通过的开口。
本发明的另外的实施方案针对一种用于由太阳能面板和热空气涡轮机创建电力的方法，方法包括以下步骤：围绕中心柱同心地堆叠多个太阳能面板，其中太阳能面板竖直地间隔开，并且被布置为形成圆锥形结构；通过中心柱中的多个空气管道将中心柱中的孔与喷嘴连接以将空气给予到气流涡轮机上；以及供应从太阳能面板和气流涡轮机收集的能量。
要求保护的发明的又一实施方案针对一种用于产生电力的设备，设备包括：竖直安装在基部上的中心柱；具有从中心柱径向延伸的同心的支架的支撑结构，支架被定位在沿着中心柱的不同的竖直距离处，并且具有支撑太阳能面板的配置，其中每个支架不阻碍空气和光通过支架；被贴附到每个支架的至少一个太阳能面板，每个太阳能面板包括形成在太阳能面板的径向边缘处的弯曲的反射器；设置在中心柱的顶部的气流涡轮机，中心柱具有将加热的空气朝向气流涡轮机引导的一个或更多个孔和管道；以及电导体，电导体用于供应从每个太阳能面板中的光伏电池单元以及从发电涡轮机取得的电力。
前面的概述仅仅是说明性的，并不意图以任何方式限制。除了上述说明性的方面、实施方案和特征之外，进一步的方面、实施方案和特征通过参照附图和以下详述的描述将变得明白易懂。
附图说明
要求保护的发明的进一步的特性和优点从在附图中仅作为非限制性示例图示说明的、所提出的太阳能面板的优选的、但不是排他的实施方案的说明将变得更加明白易懂，在附图中：
图1是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能收集器组件的总体结构的示意图；
图2是根据要求保护的发明的另外的实施方案的太阳能收集器组件的总体结构的示意图；
图3A是太阳能面板的仰视图，该仰视图图示说明该面板的圆周处的厚度；
图3B是图3A的太阳能面板的俯视透视图；
图3C是图3A的太阳能面板的仰视透视图；
图3D是侧部太阳能面板的仰视图，该仰视图图示说明该面板的圆周处的厚度；
图3E是图3D的侧部太阳能面板的俯视透视图；
图3F是图3D的侧部太阳能面板的仰视透视图；
图3G是太阳能面板的仰视图，该仰视图图示说明该面板的圆周处的厚度；
图3H是图3G的太阳能面板的俯视透视图；
图3I是图3G的太阳能面板的仰视透视图；
图4是根据要求保护的发明的实施方案的两个太阳能面板组件的配置的分解图，每个太阳能面板组件具有两个圆锥形太阳能面板和侧部太阳能面板；
图5是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能收集器组件和其中的光相互作用的详细截面图；
图6是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能收集器组件和其中的光相互作用的详细截面图；
图7是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能收集器组件和其中的热传导的详细截面图；
图8A是根据要求保护的发明的实施方案的***中的太阳能收集器组件和气流的详细截面图；
图8B是根据本发明的实施方案的太阳能收集器组件的中心柱中的空气管道的俯视平面图；
图9A是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能收集器组件和空气管道的详细截面图；
图9B是根据本发明的实施方案的太阳能收集器组件的中心柱中的空气管道的俯视平面图；
图9C是太阳能收集器组件上的太阳光暴露的图示说明；
图10A是根据要求保护的发明的实施方案的、太阳能收集器组件的涡轮机***的详细截面图，该图图示说明涡轮机的热气流启动；
图10B是根据要求保护的发明的另外的实施方案的、太阳能收集器组件的涡轮机***的详细截面图，该图图示说明涡轮机的热气流启动；
图11A是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板组件配置的详细截面图；
图11B是根据要求保护的发明的实施方案的圆形太阳能面板配置的俯视平面图；
图11C是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板支架的俯视平面图；
图11D是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板和透亮罩配置的部分截面图；
图12是根据要求保护的发明的实施方案的用于清洁太阳能收集器的吹气管道***的示意图；
图13A是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13B是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13C是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13D是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13E是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13F是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13G是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13H是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13I是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图13J是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能面板的俯视平面图；
图14是根据要求保护的发明的实施方案的太阳能收集器组件和与光折射棱镜的光相互作用的详细截面图；
图15A是根据要求保护的发明的实施方案的透亮壳体段的透视图；
图15B是根据要求保护的发明的实施方案的光伏面板的透视图；
图15C是根据要求保护的发明的实施方案的通过图15B的光伏面板***到图15A的透亮壳体段中而形成的太阳能面板组件的面板段的透视图；
图16是图15所示的由多个面板段制成的太阳能面板的实施方案的俯视图；
图17A是太阳能面板组件实施方案的侧视图，该太阳能面板组件具有多个微型太阳能树形组件，并且允许空气传入和传出组件；
图17B是具有多个微型太阳能树形组件的闭合的太阳能面板组件实施方案的侧视图；
图17C是具有多个微型太阳能树形组件的闭合的太阳能面板组件实施方案的侧视图；并且
图18是图17A的太阳能面板组件实施方案的透视图，该图进一步图示说明该实施方案的发电机单元。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图来更充分地描述本发明的实施方案，在附图中示出了本发明的实施方案。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文中阐述的图示说明的实施方案。相反，本文中描述的实施方案被提供是为了使得本公开将是透彻的且完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的全部范围。相似的数字始终指代相似的元件。为了方便参照附图，方向性术语仅被用于参照和图示说明。例如，诸如“上部”、“下部”、“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等的方向性术语正被用于图示说明关系位置。
关于太阳能面板的描述的“大体上圆锥形”意指宽度从形状的顶部到底部增大的总体圆锥形形状，而不管顶点部分是否被移除(类似于倒置的漏斗)或者在总体圆锥形形状的基部的圆周处是否有向上的弯曲部分。
应当理解的是，本发明不限于所示的和所描述的构造、操作、准确的材料或实施方***的细节，因为修改和等同对于本领域技术人员来说将是显而易见的。在附图和说明书中，已经公开了本发明的说明性实施方案，并且尽管特定的术语被采用，但是它们仅仅是从一般性的和描述性的意义上、而不是为了限制的目的而被使用的。
除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明公开所属的领域的普通技术人员通常理解的意义相同的意义。将进一步理解的是，诸如常用词典中定义的那些术语的术语应被解释为具有与它们在相关领域和/或本说明书的上下文中的意义一致的意义。
参照图1，太阳能收集器***100的优选实施方案包括多个太阳能面板组件110，多个太阳能面板组件110大体上是圆锥形的，并且被同心地布置和附连到竖直的中心柱180，中心柱180可以被安装在地面中或者被安装到基部106。中心柱180包括一个或更多个内腔，一个或更多个内腔包含用于从***100收集热空气并且使热空气通风的热空气管道181。来自太阳1的用箭头表示的光2被反射出每个太阳能面板组件110的多个反射表面多次。光的多次反射使每个组件110的面板吸收的热能和光能增大。朝向其中安置气流涡轮机150的***100的顶部安置的太阳能面板组件110的直径相对于朝向***的底部安置的太阳能面板组件一般较小，以使得太阳能树形***100的总体形状大体上为圆锥形。
太阳能收集器***100可以被封装在透亮外壳107中，以保护***不受元件的影响。周围空气可以通过开口107a进入壳107，开口107a被配置有空气过滤器(用虚线表示)以对进入***的空气进行过滤。当空气进入***时，它通过与太阳能面板组件110的接触被加热，并且通过孔145进入中心柱180，孔145通向热空气管道181。热空气上升到***100的顶部，造成“烟囱”效应。优选地具有大体上圆锥形形状的喷嘴184收集通过中心柱180上升的热气流并且使该气流集中，以当该气流被给予到发电气流涡轮机150的组成叶片154上时放大该气流的力。气流使叶片旋转，并且气流涡轮机150的旋转能量被转换为电能。随后，热空气通过排气管107b逸出***100。
中心柱180被竖直地安装在基部106上。基部106可以容纳一个或更多个电池185，一个或更多个电池185被电连接到***的一个或更多个太阳能面板和/或气流涡轮机150，以用于储存经由太阳能面板捕捉的电能以及经由气流涡轮机150捕捉和转换的气流能量。基部106还可以容纳逆变器186，逆变器186用于将***100生成的DC能量转换为建筑物或电力网的常规电力***可用的AC能量。基部106还可以容纳空气泵176，空气泵176用于将空气注入到空气管道171中，空气管道171然后驱逐空气以创建气流172(在图1中用箭头指示)来清洁外壳107，如图12中更详细地图示说明的那样。
中心柱180可以用一种或更多种材料制成。例如，这样的材料包括金属、陶瓷、混凝土、树脂、塑料、复合材料、木材、木材复合物、玻璃、橡胶、碳等。基部106可以用一种或更多种材料制成，诸如，举例来说，金属、陶瓷、混凝土、树脂、塑料、复合材料、木材、木材复合物、玻璃、橡胶、碳等。外壳107可以用一种或更多种材料制成，但是主要用透明的材料(诸如，举例来说，玻璃、丙烯酸、树脂、复合材料等)制成。壳107可以包括用非透明的材料(诸如，举例来说，金属、陶瓷、混凝土、树脂、塑料、复合材料、木材、木材复合物、玻璃、橡胶、碳等)制成的一些部分。这样的非透明材料形成框架以及支撑壳107并且使壳107稳定的框架部件中使用的部分。
参照图2，太阳能树形***100的替代实施方案被图示说明，以展示***的比例和安装可以变化以根据需要适合不同的标准或偏好。图2中所示的***的所有其他部件与图1的***是相同的，然而，如图1中标识的基部106及其部件可以被设置在地面中或者地下以节省***100的占用空间。此外，中心柱180可以具有变化的高度，和/或可以包括变化数量的太阳能面板组件110。
图3A-3I提供太阳能面板组件110实施方案的部件(即，底面板121、侧面板141和顶面板131)的不同视图。图3A-3C描绘底面板121的不同视图。画有交叉阴影线的表面阴影部分指示用于吸收光能的光伏材料。加点的表面阴影部分指示导热材料。图3A示出底面板的仰视图，该图图示说明该面板的圆周处的厚度，其中外层或上层121a是光伏材料，并且内层或下层121b是导热表面或材料。图3B示出具有外部光伏表面121a的底面板121的俯视图。图3C示出具有内部导热层121b的底面板121的仰视图。图3G示出顶部太阳能面板131的仰视图，该图图示说明该面板的圆周处的厚度，其中外层或上层131a是导热材料层，并且内层或下层131b是光伏层或材料。图3H示出具有外部导热表面131a的顶面板131的俯视图。图3I示出具有内部光伏层131b的顶面板131的仰视图。图3D示出侧部太阳能面板141的仰视图，该图图示说明该面板的圆周处的厚度，其中外层141a是光伏层或材料，并且内层141b是导热层或材料。侧部太阳能面板141的俯视图将与图3D相同。在图3E和图3F中，侧部太阳能面板的双曲面结构和形状被示出，其中外表面141a是光伏的，并且内表面141b是导热的。
图4图示说明两个太阳能面板组件110(组件110a和组件110b)的分解图。在每个组件110a和110b中，圆形或椭圆形底部太阳能面板121被设置在侧部太阳能面板141下方，并且被穿孔146至少部分地与侧部太阳能面板分开。圆形或椭圆形顶部太阳能面板131被设置在同一侧部太阳能面板141上方，并且被每个太阳能面板组件110a和110b中类似的穿孔至少部分地与侧面板分开。虽然图4示出了组件110a和110b的分解图，但是每个组件通常被布置为使得顶面板131的顶上开口143与底面板121的顶上开口竖直分开侧面板141的高度。每个穿孔146允许热量从腔147逸出到***中布置的多个组件之间(诸如组件110a的面板121和组件110b的板131之间)的通道210中。在一些实施方案中，太阳能面板121和/或131可以包括光反射脊190，诸如在组件110b的面板121上，从该面板的中心径向延伸到圆周。一个或更多个脊190可以被用在面板上，以使对于太阳光的曝光量最大化。此外，每个组件110a和110b的面板121、131和141具有如图3A-3I所示和所描述的光伏的和导热的层或表面。
在每个组件110a和110b中，顶部太阳能面板131的直径小于或最多等于底部太阳能面板121的直径。在太阳能面板121和131的形状为椭圆形的情况下，直径是指面板121和131的平均直径。在组件不符合圆形或椭圆形形状的情况下，直径是指组件110的面板121和131从中心柱180径向延伸的最大长度。
此外，为了允许每个组件110接收光并且给予树状结构，每个连续的组件110的总体最大直径大于相对于和靠近地面的前一个组件。总体最大直径是指太阳能面板组件110的底面板121的直径。在组件110的形状为椭圆形的情况下，总体最大直径是指组件110的底部太阳能面板121的平均直径。在组件不符合圆形或椭圆形形状的情况下，总体最大直径是指组件110的底部太阳能板121从中心柱180径向延伸的最大长度。一般来说，将理解的是，每个组件110随着它们邻近地面连续地安置的增大的尺寸将给予如例如图1中表现出的三角形截面形状。照此，组件110b中的面板121的直径将大于图4的组件110a中的面板121的直径。
参照图5，***100的实施方案具有几个太阳能面板组件110，这些太阳能面板组件110具有围绕中心柱180的圆周布置的大体上圆锥形的太阳能面板121和131，其中每个组件110的太阳能面板121和131远离中心柱的纵轴径向延伸，并且相对于中心柱的附连点向下倾斜。照此，组件110的每层太阳能面板可以形成大体上圆锥形的形状，其中每层的自由端关于中心柱的纵轴、相对于附连点限定的顶点而言受到圆锥体的基部的限制。上部组件110仅在图5中的中心柱的左侧示出，以展示两个竖直相邻的组件如何被定位。因为***100的该实施方案中的面板121和131大体上是圆锥形的，其中圆锥体的顶点缺失以允许面板通过顶上开口***在中心柱的上方，所以上部组件将在中心柱的右侧具有镜像的结构。
中心柱相对于地面垂直或基本上垂直定向。每个太阳能面板121、131和141包括至少一个单个的太阳能面板，但是每个优选地包括多个单个的太阳能面板部分的布置，这些太阳能面板部分由附连到中心柱的一个或更多个刚性结构支撑。刚性结构可以将两个太阳能面板121和131作为构成一体的组件支撑，或者每个太阳能面板121、131可以由单独的对应的刚性结构支撑。侧部太阳能面板141被竖直地设置在两层之间并且邻近中心柱180。具有介于中间的侧面板141的太阳能面板121和131可以形成构成一体的构造或单个的部件。
仍参照图5，在优选实施方案中，每个太阳能面板组件110包括同心地堆叠的两个太阳能面板121和131、以及邻近中心柱180地设置在面板121和131之间的侧面板141。在每个组件110中，下部或底部太阳能面板121具有吸光的反射顶表面121a(也被称为光伏表面)和导热底表面121b，以捕捉热能。上部太阳能面板131具有吸光的反射底表面131b和导热顶表面131a，以捕捉热能。提供吸光的反射外表面141a和导热内表面141b以捕捉热能的侧部太阳能面板141被邻近中心柱180设置在面板121和131之间。光在腔147中被接收，腔147具有由组件110的下部太阳能面板121、上部太阳能面板131和侧面板141限定的三个侧面，并且具有大体上U形的截面，其中光通过由面板121和131的自由端限定的间隙进入腔。组件110的优选实施方案包括在太阳能面板121和131中的每个的自由端或圆周处的连续的弯曲部分161，弯曲部分161朝向天空向上弯曲以使得能够捕捉附加的太阳光并且将该太阳光反射到腔147中。弯曲部分161将光反射回到太阳能面板组件上，并且在太阳1在太阳正午左右、在天空中位于高处时，对于将光反射到腔147中特别有用。否则，竖直地堆叠在彼此顶部的大体上水平的太阳能面板在这样的时间期间将丧失效率，因为那些结构的内部部分不接收光。下面板121的径向长度可以长于上面板131的径向长度以使光捕捉最大化。
如来自图5中的太阳1的箭头所表示的，太阳光2进入组件110的腔147，并且在同一组件110中的太阳能面板131的底表面131b、侧部太阳能面板141的外表面141a和太阳能面板121的顶表面121a之间反射多次。因此，太阳的大部分光能将被这些面板吸收。要求保护的发明的实施方案可以利用平坦的、圆锥形的或凸形的太阳能面板。太阳能面板121、131和141可以被构造为一个组件。侧面板141可以与面板121和131组合。太阳能面板组件110中的在侧面板141的一端或两端的穿孔146允许热量从太阳能面板组件110的腔147以及从后面的侧面板141逸出。每个太阳能面板组件110还可以包括下面参照图11A-11D讨论的夹持太阳能面板121和131的支架140。
举例来说(而非限制)，参照图6、图7和图8A-8B进一步说明两个相邻的太阳能面板组件110之间的相互作用。
图6图示说明太阳能面板121和131中的每个的自由端处的弯曲部分161的有益的性质，其中太阳1相对于***100位于太阳正午或左右。太阳光2被以与地面基本上成90°角向下引导，该角度表示午间的光将如何与组件110和***100相互作用。因为每个太阳能面板121和131的自由端具有弯曲部分161，所以光被引导到腔147中。在每个太阳能面板121和131的自由端处没有弯曲部分161的情况下，光吸收仅在早上和下午的白昼时间的一部分内将是最佳的，其中底部太阳能面板121的角度将被设置成将太阳光最佳地反射到腔147中。利用弯曲部分，角度被沿着底部太阳能面板121提供，以使得最佳的吸收在所有白昼时间都是可能的。
图7图示说明对于太阳光2的太阳能面板暴露以及***100中对应的热传递。在直接暴露于太阳光2期间，正被暴露于直接太阳光的每个底面板121的暴露长度198将比面板121的未暴露长度199热。来自每个面板121的暴露长度198的热量将通过传导传递到其余的未暴露长度199。底面板121的没有暴露于太阳光的其余的未暴露横向表面积将进一步充当传导热量的散热器。面板121、131、141中的热量被传递到每个腔147内部的空气，以促使气流通过通向热空气管道181的孔145。
在图8A中，第一太阳能面板组件110被图示在第二太阳能面板组件110的上方并且邻近第二太阳能面板组件110，以展示热量和热空气191流动在***100内的两个太阳能面板组件110之间的运动。为了本发明的目的，热空气191是当热量从面板121、131和141以及从进入腔147的太阳光2被传递时、通过传导热传递而在腔147和通道210中被加热的周围空气。通道210被形成在上部组件110的表面121b和下部组件110的表面131a之间，其中所述通道从上部组件110的下面板121和下组件110的上面板131的自由端延伸到中心柱180并且穿过孔145。
仍参照图8A，腔147和通道210中的周围空气在它接触面板121、131和141时被加热，从而创建热空气191流。腔147中的热空气191通过穿孔146退出腔，进入到通道210中并且穿过中心柱180的孔145。每个面板121和131的大体上圆锥形的形状允许热空气191向上行进，因为热空气由于膨胀和密度差而通过穿孔146、并且通过孔145上升，孔145在通道210的顶部、沿着中心柱被定位。热空气191流被引导到竖直烟囱182中的多个热空气管道181中的一个中，竖直烟囱182由在中心柱180内竖直向上延伸的一个或更多个热空气管道形成。太阳能面板组件110之间的每个通道210对应于单独的管道181，以允许热空气流进入烟囱182。当被暴露于太阳时，面板121和131的表面将比周围空气热。因此，触及面板121和131的表面的两侧的空气对于周围空气将更快加热，并且将上升。
参照图8B，在一些实施方案中，热空气管道181可以被布置为中心柱180的烟囱182内的同心圆。烟囱182中的热空气管道181的每层可以被划分为两个或更多个段192。图8B示出被划分为四个段192的烟囱的实施方案。在给定的时间，每个太阳能面板的一部分将被暴露于太阳1。相对于每个太阳能面板的未被暴露的部分199，周围空气将围绕暴露部分198更快地加热并且上升。当热空气191流到烟囱182中时，每个段192将保持空气温度和空气速度的差异。图8B中的最内侧的圆被链接到最低的面板组件110，并且最外侧的圆被链接到最高的面板组件110。最低的面板组件110是最宽的，因此它将产生最大的空气流动，反之亦然。为了适应更多的热空气191流动，烟囱182内的更大的体积是最内侧的环所需的。其中基部相对于更窄的顶点更宽的大体上圆锥形的烟囱182将提高***的性能。然而，烟囱182可以是圆柱形的，具有笔直的管状结构。可替换地，其中基部相对于更宽的顶点更窄的烟囱182被设想。
图9A图示说明***100的优选实施方案的中心柱180的更详细的截面图，中心柱180在中心柱的内部中空区域内具有大体上圆锥形的烟囱182。图9B示出中心柱180和烟囱182的俯视平面图，其中烟囱182包括向上延伸的管道D1、D2、D3、D4和D5。如图9A所示，管道D1、D2、D3、D4和D5每个附连到中心柱180的在对应的孔145上方的内表面，并且围绕中心柱的内表面的圆周连续地延伸。每个管道可以可替换地以类似的方式附连在对应的孔145下方。管道的这个结构化与中心柱内的具有彼此横向隔离的多层的分层内部创建烟囱182。每个管道引导热空气191流动从腔147和通道210一直通过烟囱182，以使***100的顶部的涡轮机150工作以将热能转换为电力。
每个管道在如图9B所示那样被从上到下看时形成环。管道D1的最内侧的环对应于底面板组件，而管道D5的最外侧的环对应于顶面板组件，而D2-D4的环和对应的组件110在中间。底面板组件是最宽的，因此将产生最大的空气流动，对于顶面板组件，则反过来。五个管道D1、D2、D3、D4和D5仅仅是作为示例提供的，不应被解读为限制***100，***100可以具有有两个或更多个管道181的烟囱182。烟囱182的可替换的实施方案包括将管道划分为两个或更多个单独的区域的烟囱段192。
在给定时间，每个面板组件的一部分将被暴露于直接太阳光2，并且另一部分将不被暴露。相对于同一面板组件的不被暴露于太阳光的另一部分(NE)，空气将从面板组件的被暴露于太阳光的部分(E)更快地上升。这个暴露差异在图9C中被图示说明。如图9B所示的段192将保持烟囱182内的空气温度和空气速度的差异，以使通过烟囱182的热空气192流动最大化。段192防止组件110的暴露侧(E)的热空气191中的热量扩散到非暴露侧(NE)的更冷的空气中，这将降低通过烟囱182和涡轮机150的空气流动速率。
参照图10A和图10B，所公开的发明的实施方案包括一个或更多个气流涡轮机150。图10A图示说明气流涡轮机150的实施方案，气流涡轮机150具有连接在轮毂155处的组成叶片154，这些叶片154被设置在中心柱180的顶部或顶点的上方。被气流喷嘴184聚集的上升的热空气191流的速率和压力增大，使发电气流涡轮机150的叶片154旋转，从而创建被涡轮机150转换为电力的旋转能量。具有更宽的基部和更窄的顶部的烟囱将使热空气191流动的速度增大，热空气191流动在喷嘴184处被聚集以使***100的顶点处的涡轮机150转动。当热空气被朝向气流涡轮机150引导时，热空气撞击叶片154并且使叶片转动，这通过如上述实施方案中的发电机作用产生电力。图10B图示说明涡轮机150的可替换的实施方案，其中气流涡轮机150可以与***100的结构分开，并且经由空气导管187被连接，热空气191被引导通过空气导管187。
图11A进一步图示说明示出被配置为被支撑在支架140上的太阳能面板121和131的截面图，支架140被用虚线图示说明。在所述组件的这个实施方案中，分段式支架140直接附连到***100的中心柱180。太阳能面板121和131被铺放在下面的支架140的顶部，并且由支架140支撑。如本说明书中的其他地方所描述的，支架140提供不阻碍面板121和131的热传导/对流或光吸收/反射的框架，或者以其他方式包括不阻碍面板121和131的热传导/对流或光吸收/反射的开口。图11B是太阳能面板121和/或面板131的可定位在支架140上的段的俯视平面图，支架140在图11C的俯视平面图中被图示说明。参照图11D，太阳能面板121和131可以包括透明罩或壳183以及包含在该罩内的光伏电池单元以用于进一步保护太阳能面板。此外，如太阳能面板121/131和支架140的俯视平面图中图示说明的，这样的罩183可以被直接放置在支架140上。
图12图示说明空气泵176，空气泵176用于通过管道171泵送空气以用于清洁***100的内部。气流172通过管道171被泵送以吹到壳107的外表面上。另外，管道171被固定到壳107以提供进一步的结构强度。为了便于图示说明，图12示出没有图1所示的、***100的其余部分的基部106内的空气管道171和空气泵176。空气管道171可以被固定到壳107的表面上或壳内。此外，如图12所示，管道171可以包括一个或更多个基本上成直线的构件，连同被可操作地连接以在空气管道171的构件之间传递空气并且将空气传递到壳107的外表面的一个或更多个基本上圆形的构件。空气泵176可以被配置为根据需要、间歇地、突发地或不断地提供气流172来清洁***100的外部。
太阳能面板可以被实施为各种形状，诸如图13A-13J的不同的可能的太阳能面板形状的俯视平面图中图示说明的那些形状。图13A-13J图示说明面板可以是整个圆、或者圆或其他形状的小段。本领域的普通技术人员将认识到各种类型的太阳能面板(诸如第三方销售的那些)可以被用来实现要求保护的发明。
图14图示说明***100的另外的实施方案，在该实施方案中，光折射装置201(诸如棱镜)被用来使太阳光2的光谱分散。因为许多基于硅的光伏电池单元只可以吸收某个光谱的光，所以光谱特定的电池单元可以被用来提高效率。因此，太阳能面板可以由各种光谱特定的电池单元制成。通过使光分散到各种部件中，光谱特定的电池单元可以容易地吸收它们自己的光谱。一个或更多个光散射介质可以被添加到一个或更多个层。
图15A-15C是太阳能面板实施方案的面板段300的透视图。面板段300包括***到透亮壳体段301中的光伏面板303。图15A示出透亮壳体段301，透亮壳体段301在几乎所有侧面上都是透明的，除了具有一个或更多个销305的侧面之外。段301的透明性允许沿着光伏面板303的上表面和下表面两者的光吸收和/或光反射。具有一个或更多个销305的侧面经由***到中心柱中的一个或更多个对应开口中的一个或更多个销305沿着中心柱180的外表面固定面板段300。
用于壳体段301的理想的材料是玻璃、晶体或类似的材料。这些材料是透亮的且导热的。面板段300的一侧需要光，而相对侧需要将热量传递到周围空气。面板303的导热侧将触及透亮壳体段301。透亮壳体段301是为面板303提供气密的且水密的盖所需的。具有一个或更多个销305的表面不必是透明的，因为最小的光预计与段300的部分反应或相互作用。图15B示出光伏面板303。销305还可以将光伏面板303电连接到电力***，以用于将电力传递到电池185。图15C示出整个面板段300，其中光伏面板303被固定在透亮壳体段301内。面板段300应是气密的且水密的，类似于灯泡。此外，面板段300可以被填充适当的气体以增强太阳能电池单元的寿命。这样的配置对于有机太阳能电池单元或钙钛矿太阳能电池单元是有用的。
每个面板段300还可以包括沿着自由边缘的弯曲部分161，类似于早先的实施方案。在这样的实施方案中，面板30和壳体段301这二者将包括弯曲部分161。
此外，每个面板303可以从其对应的透亮壳体段301移除。照此，每个段301可以包括被形成为连接在一起以形成气密的且水密的密封件的两个单独的部分，其中所述两个单独的部分在段内形成对应于并且容纳面板303的腔。
图16是太阳能面板350的实施方案的俯视图，太阳能面板350可以对应于底面板或顶面板121和/或131，由多个如图15A-15C所示的面板段300制成。图16的太阳能面板350实施方案包括八个面板段300，但是基于面板350的尺寸和形状，可以总共包括经由销305被附连到中心柱180以使圆形或椭圆形形状完整的一个或更多个面板段300。太阳能面板350连同另外的太阳能面板可附连到中心柱180以使太阳能面板组件完整，类似于图1-8A中所示和所描述的组件110的太阳能面板131和121。在图16中，在箭头指示的方向上经由销305被附连到中心柱180的面板段被示出。
图17A-17C是具有多个微型太阳能树形组件402的太阳能面板组件400实施方案的侧视图。多个太阳能树形组件402被附连到太阳能面板406，太阳能面板406类似于所示的和所描述的实施方案中描述的基部106那样作用，除了太阳能面板本身可以吸收并且反射光以转换为电力之外。太阳能树形组件402中的每个可以被类似于所示的和所描述的太阳能树形***100中的任何一个那样构造。透明盖404装配在多个太阳能树形组件402和太阳能面板406的上方，以保护其中容纳的光伏电池单元和其他结构，同时仍允许光通过盖。通过在太阳能面板406上包括多个太阳能树形组件402，吸光材料的总表面积被最大化以用于在给定区域内产生电力。图17A示出太阳能面板组件40的实施方案，其中多个开口409存在于透明盖404的突出部分处以允许周围空气移入和移出组件的内部。箭头示出从太阳能面板406周围的开口409进入的周围空气、以及在盖404的顶部离开的周围空气。图17B示出具有完全密封的盖404的组件400的实施方案，其中空气移入和移出组件的内部不被允许。图17C示出具有完全密封的盖404的组件400的实施方案，其中空气移入和移出组件的内部不被允许。该实施方案可以是圆柱形的或球形的。当组件的暴露侧变热时，圆柱形或球形形状可以旋转以在连续地提供用于吸收太阳光的光伏表面的同时使面板冷却。图17B和图17C的组件400这二者都适合于太空中的应用。
图18是例如作为更大型的电力发电机***450一部分的图17A的太阳能面板组件400实施方案的透视图。图17B和图17C的组件400实施方案可以同样地被以类似的方式利用。在图18中，透明盖404被移除以便于查看，但是将如图17A所示那样以其他方式覆盖组件400。太阳能面板组件包括附连到太阳能面板406的多个太阳能树形组件402。然而，在图18所示的***450的实施方案中，空气管道408的***可选地连接每个太阳能树形组件，以允许热空气的气流经由连接管道410被收集并且被输运到涡轮机***412的发电机烟囱414。收集的热空气沿着烟囱向上行进以作用于多个叶片上以使轮毂转动，从而产生旋转能量，该旋转能量然后可以被转换为电力。多个连接管道410被示出以指示如图18所示的多个太阳能面板组件400可以被包括在***450中，其中每个连接管道对应于单独的组件400。
本发明的实施方案被各式各样地配置为从太阳能面板组件110和附加的源取得电力，诸如内部气流涡轮机150产生的电力。输出可以通过导体(未示出)被供应给电池185。为方便起见，来自这些源的电力可以被组合，如果产生的电力的参数允许的话。在一个实施方案中，太阳能面板和气流涡轮机产生DC电力，从而允许使用单个功率导体来从太阳能树形物产生出来。DC电力在逆变器186中被转换为AC电力，以供消费者直接使用或者输入到电力网。逆变器186和相关联的控件可以被安置在基部106处或者单独的邻近的结构中。
气流涡轮机150包括从使发电发电机转动的旋转的驱动轴155延伸的多个叶片154。发电机可以生成交流电流或直流电流，并且根据本领域技术人员已知的换向原理和感应原理进行操作。本发明意图包含用于从光和热气流源产生电力的所有类型的设备。发电机和气流涡轮机的领域的技术人员将认识到，几种不同的发电机类型(和线圈绕组)中的任何一个都可以与气流涡轮机结合用来产生电力。这些发电机和绕组类型中的任何一个都在本发明的范围内。
所描述的实施方案中的许多实施方案在同一总体结构内包括太阳能面板和气流涡轮机这二者。然而，这不是必需的，因为本发明特征可以被单独地用来创建用于从光产生电力的太阳能树形物、以及用于通过热空气从太阳能树形组件的运动和通风来产生电力的气流涡轮机的单独的结构。
虽然已经参照优选实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等同元件来替代其元件。本发明的范围还包括来自阐述的各种实施方案的元件的任何组合。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行修改以使特定情形适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于作为被设想用于实现本发明的最佳模式公开的特定实施方案，但是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1.一种太阳能收集***，所述太阳能收集***包括：
中心柱，所述中心柱包括内腔以及沿着所述中心柱的高度的一个或更多个孔，所述一个或更多个孔允许气流流到所述中心柱的所述内腔中；
一个或更多个太阳能面板组件，每个太阳能面板组件包括：
第一太阳能面板，所述第一太阳能面板具有一个或更多个光伏电池单元，并且从所述中心柱径向延伸；
第二太阳能面板，所述第二太阳能面板具有一个或更多个光伏电池单元，并且从所述中心柱径向延伸，并且被设置在所述第一太阳能面板的下方；以及
第三太阳能面板，所述第三太阳能面板具有一个或更多个光伏电池单元，并且被竖直地设置在所述第一太阳能面板和所述第二太阳能面板之间，所述第三太阳能面板邻近所述中心柱，其中所述第一太阳能面板和所述第二太阳能面板的各自的自由端是分开的以在所述第一太阳能面板、所述第二太阳能面板和所述第三太阳能面板之间形成腔，其中光进入所述腔以被所述第一太阳能面板、所述第二太阳能面板和所述第三太阳能面板的所述一个或更多个光伏电池单元吸收以产生电力；
发电涡轮机，所述发电涡轮机被设置在所述中心柱的顶部，并且具有旋转轮毂和多个叶片，所述多个叶片被配置为接收经由所述一个或更多个孔进入所述中心柱的所述内腔的气流，其中所述气流向上运动，并且驱动所述多个叶片以使所述旋转轮毂旋转以产生电力；以及
电导体，所述电导体用于供应从每个太阳能面板组件中的所述一个或更多个光伏电池单元以及从所述发电涡轮机取得的电力。
2.如权利要求1所述的***，其中所述第一太阳能面板包括导热顶表面，并且所述一个或更多个光伏电池单元被沿着底表面设置以吸收并且反射光，
其中所述第二太阳能面板的所述一个或更多个光伏电池单元被沿着顶表面设置以吸收并且反射光，所述第二太阳能面板还具有导热底表面，并且
其中所述第三太阳能面板的所述一个或更多个光伏电池单元被沿着外表面设置以吸收并且反射光，所述第三太阳能面板还具有导热内表面。
3.如权利要求2所述的***，所述太阳能收集***包括同心地堆叠在所述中心柱上的不同高度处的两个或更多个太阳能面板组件，其中每个太阳能面板组件被所述中心柱中的所述一个或更多个孔中的孔分开。
4.如权利要求3所述的***，其中所述一个或更多个太阳能面板组件中的每个的所述第二太阳能面板径向延伸超过所述太阳能面板组件的所述第一太阳能面板。
5.如权利要求1所述的***，其中所述一个或更多个孔中的每个对应于所述中心柱的所述内腔内的空气管道，并且所述气流运动通过每个空气管道。
6.如权利要求3所述的***，其中所述太阳能面板的导热表面通过所述一个或更多个孔将包括热空气的所述气流输送到所述内腔中。
7.如权利要求6所述的***，其中所述内腔中的所述气流被附连在所述中心柱的顶点处的喷嘴聚集。
8.如权利要求7所述的***，其中通过所述喷嘴的所述气流将力给予到所述多个叶片上，从而启动所述涡轮机的旋转。
9.如权利要求1所述的***，其中所述太阳能面板组件包括在所述第三太阳能面板的至少一端处的穿孔，所述穿孔允许热空气退出所述腔。
10.如权利要求1所述的***，其中所述第一太阳能面板和第二面板的各自的自由端各自包括被配置为将光反射到每个太阳能面板组件的所述腔中的向上的弯曲部分。
11.如权利要求1所述的***，所述太阳能收集***还包括一个或更多个光散射介质，所述一个或更多个光散射介质被设置在所述腔中，邻近所述第一太阳能面板和所述第二太阳能面板的各自的自由端。
12.如权利要求3所述的***，其中相邻的太阳能面板组件被布置为使得一个太阳能面板组件的底部太阳能面板的周界不延伸超过相邻的下部太阳能面板组件的顶部太阳能面板的周界。
13.如权利要求1所述的***，所述太阳能收集***还包括用于安装所述中心柱的基部，其中所述基部包括至少一个电池、功率逆变器和空气泵，所述至少一个电池用于储存所述***产生的电能。
14.如权利要求1所述的***，所述太阳能收集***还包括覆盖所述一个或更多个太阳能面板组件和所述发电涡轮机的透亮壳。
15.如权利要求14所述的***，其中所述透亮壳允许周围空气通过空气过滤器进入，所述透亮壳具有开口，在所述开口处，所述周围空气可以退出所述***，并且其中所述透亮壳包括在所述透亮壳的外表面上喷洒空气流以清除碎屑的管道。
16.如权利要求1所述的***，其中所述太阳能面板组件还包括一个或更多个支架，所述一个或更多个支架被附连到所述中心柱，并且支撑所述第一太阳能面板、所述第二太阳能面板和所述第三太阳能面板，并且其中所述一个或更多个支架包括不阻碍空气和光通过的开口。
17.如权利要求1所述的***，其中每个太阳能面板组件的所述第一太阳能面板和所述第二太阳能面板包括容纳所述一个或更多个光伏电池单元中的每个的透亮壳。
18.一种用于由太阳能面板和热空气涡轮机创建电力的方法，所述方法包括以下步骤：
围绕中心柱同心地堆叠多个太阳能面板，其中所述太阳能面板竖直地间隔开，并且被布置为形成圆锥形结构；
通过所述中心柱的内部中形成的多个空气管道将所述中心柱中的孔与喷嘴连接以将空气给予到气流涡轮机上；以及
供应从所述太阳能面板和气流涡轮机收集的能量。
19.一种用于产生电力的设备，所述设备包括：
太阳能面板；
透亮壳体，所述透亮壳体被附连到所述太阳能面板的表面；以及
多个太阳能收集***，所述多个太阳能收集***被附连到所述太阳能面板的所述表面，并且被容纳在所述透亮壳体内，每个太阳能收集***包括：
中心柱，所述中心柱包括内腔以及沿着所述中心柱的高度的一个或更多个孔，所述一个或更多个孔允许气流流到所述中心柱的所述内腔中；
一个或更多个太阳能面板组件，每个太阳能面板组件包括：
第一太阳能面板，所述第一太阳能面板具有一个或更多个光伏电池单元，并且从所述中心柱径向延伸；
第二太阳能面板，所述第二太阳能面板具有一个或更多个光伏电池单元，并且从所述中心柱径向延伸，并且被设置在所述第一太阳能面板的下方；以及
第三太阳能面板，所述第三太阳能面板具有一个或更多个光伏电池单元，并且被竖直地设置在所述第一太阳能面板和所述第二太阳能面板之
间，所述第三太阳能面板邻近所述中心柱，其中所述第一太阳能面板和所述第二太阳能面板的各自的自由端是分开的以在所述第一太阳能面板、所述第二太阳能面板和所述第三太阳能面板之间形成腔，其中光进入所述腔以被所述第一太阳能面板、所述第二太阳能面板和所述第三太阳能面板的所述一个或更多个光伏电池单元吸收以产生电力；
发电涡轮机，所述发电涡轮机被设置在所述中心柱的顶部，并且具有旋转轮毂和多个叶片，所述多个叶片被配置为接收经由所述孔进入所述中心柱的所述内腔的所述气流，其中所述气流向上运动，并且驱动所述多个叶片以使所述旋转轮毂旋转以产生电力；以及
电导体，所述电导体用于供应从每个太阳能面板组件中的所述一个或更多个光伏电池单元以及从所述发电涡轮机取得的电力。
20.一种太阳能发电厂***，所述太阳能发电厂***包括：
多个如权利要求19所述的设备，每个设备通过附连到每个设备的每个太阳能收集***的管道系列被连接到中心发电涡轮机，每个管道系列还通过连接空气管道被连接到所述中心发电涡轮机，其中气流从每个太阳能收集***行进到所述管道系列中，进入所述连接空气管道中，并且通过所述中心发电涡轮机以产生电力。
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