A.总论—评述

本发明涉及聚光型的光电(PV)系统，该系统可以利用聚光型PV 电池，将聚光的太阳能聚焦在该PV电池上而发生电能，并通过冷却该 PV电池同时生产热水，或者还可以生产过热油，方法是，使一部分太 阳光线聚集在PV电池上，而将另一部分太阳光线聚集在加热油用的特 殊形式的聚集空腔上。另外，在夏天，可以用特殊形成的空调系统将 温度相当低的热水的热能转换成冷却能，直接利用产生的热水对房间 进行空调。

聚光型太阳能系统，众所周知，具有各种形式和联合方式，有各 种聚光型的光电(PV)系统，或者用太阳能加热的系统，或者其它的 系统，聚光系数从2到约1000日光。然而，这些系统没有广泛用太阳 光来生产电能或者热能，因为生产能量的比成本(生产每KWH或者每 Kcal的成本)与用常规燃料生产的成本相比很高。

聚光型太阳能系统成本增加(这些系统在经济上不可行)的主要 原因是，这些系统由很大的反射表面构成，这些反射表面为了跟踪和 聚焦日光需要转动，因此形成了很大的迎风表面。因此，在使用期间 为了承受最大可能的风速，必须进行特别周全的设计，并具有相当重 的结构，这样便使得成本过高。

另外，使用常规的镀银反射镜也限制了系统的寿命，因而使得它 的应用很不经济，这种镀银的反射镜在受到严酷的外部环境作用若干 年以后，将会变坏。

另外，对于1000日光的聚光系数，需要高准确度的抛物面，同时 受到太阳影相大小的限制，因此使用高聚光系数是不可行的。另外， 聚光型的PV电池还具有其效率降低的问题，因为在其表面上聚光的入 射太阳光线分布不均匀。

另外，通过吸热系统应用冷却PV电池产生的热水(温度为50-70 ℃)来生产空调用冷水在经济上是不可行的，而且到现在还没有应用。

B.本发明优点的一般说明

在本发明中，提出了对上述问题的创新性和经济可行的解决方案， 同时还提出了创新性的太阳能系统(S/S)和创新性的结构部件(S/E)， 这些系统和部件可以克服上述障碍，并可以利用太阳光经济地生产电 力、热能和冷却能。这些系统和部件中(不仅这些)的最重要的是如 下：

a)创新性的太阳能全反射(或者简单的常规反射)镜，具有较小 的外形，或者对风的阻力小的外形(S/E 301、313、101、201等)；

b)创新性的全反射镜(TRM)(S/E 131、331、231、1b、1c、1d 等)。该TRM用普通的憎水玻璃(water clear glass)用压模法制造， 成本低，这种全反射镜几乎可以反射100％的入射太阳光线，使用寿命 极长；

c)创新性的次级抛物面TRM(或者常规反射镜)，这种反射镜可 以显著减小太阳映像的尺寸，从而可以采用很高的聚光系数；

d)创新性的PV系统，可以利用入射在PV电池上的超过80％的太 阳能来发电，通过冷却该PV电池来生产热水，以及在夏天，通过硅胶 吸热泵用这种热水来产生空调用的冷却水；

e)该创新性聚焦系统(S/E900)，可以通过冷却PV电池来生产 热水或者生产稍微过热的水，以便采用过热油增加冷却能的生产。

f)聚光型PV系统与吸热型热泵单元的联用装置，这种装置可以 利用例如硅胶生产冷却能。这种吸热型热泵单元可利用低温热水来生 产空调的冷却水，或者生产冰箱或者冰室等的冷却水。

广泛应用本发明的多用途系统，使得生产这种多用途太阳能系统 是可行的，这种系统成本低、可靠性高，并且使用寿命超过20年以上， 这种系统可以同时生产例如居家(或者建筑物)用电能、热水、空调 或者冰室用的冷水、用于做饭的热能以及房间的加热等，几乎可以完 全利用入射在PV电池上的太阳能(超过80％)(和现在的PV电池相 反，这种电池只能应用入射太阳光能的10％-25％，这些能量只用来发 电)。以这样高百分数反复应用入射太阳光能增加了本发明多用途太 阳能系统的可行性，并使得用这些系统生产的能量可以与常规的能源 竞争。

C.本发明附图的说明

图1a示出全反射的过程，而图1b、1c、1d示出全反射镜(TRM) 的各种典型形式。

图2a是不等角投影图，示出多用途太阳能。

图2b是平面图(ground view)和截面图，示出多用途太阳能系 统。

图2c是细节图，示出多用途太阳能系统S/S300a的TRM301a的结 构，该TRM301a是整个抛物面反射镜361a的截取部分。

图2d示出多用途太阳能系统S/S300a的聚焦S/E900a。

图2e示出具有次级抛物面TRM(或者常规反射镜)的S/S300b的 结构细节和放在最后焦点上并用贮热水直接冷却的PV电池。

图2f示出适合于放在第一焦点或者最后焦点的焦点反射镜363a 结构的细节。

图2g示出创新性次级抛物面TRM(或者常规反射镜)的细节，该 次级抛物面TRM可以显著减小太阳映像尺寸，因此可以得到很高的聚 光系数。

图3是不等角投影图，示出S/S100a，b。

D.本发明结构部件和太阳能系统的详细说明

1.全反射镜(TRM)。

图1示出在光线进入正交玻璃棱镜1a(棱镜的前表面1a-2是平 的，而后表面1a-1是正交棱镜)时光线1a-3(入射到棱镜1a的I、 II、III)和光线1a-4(从棱镜1a射出的I′、II′、III′)的全反射 过程，入射角φ和θ的范围是已知的(即对于折射系数η＝1.52的玻 璃，横向角(lateral angle)φ应为-5°＜φ＜5°，以便达到全反 射，而对于平行角(along angle)θ，在0＜θ＜180°时该角度是 有效的。

图1b示出全反射片TRT或者TRM 1b，该全反射片的特征在于厚 度小(即5-10mm)，用透明材料(即憎水玻璃(water clear glass) 或者透明塑料，例如折射系数n高于约1.5的聚碳酸酯或者有机玻璃) 制作，其前表面1b-2是平面，而后表面1b-1是由很多平行正交棱镜 构成的底部凹凸部分(bas-relief)。可以明显看出，入射角与光线 1a-3入射在棱镜1a上(图1a)的入射角相同的入射光线1b-3(I、 II、III)将受到完全相同的全反射，并且对于入射角其范围也与棱镜 1a的角度相同。因此，全反射片1b代表全反射镜(TRM)，该全反射 镜的特征在于生产成本低，可以用现有的具有高生产率的自动机器(即 生产玻璃等的自动机器)或者用塑料等的挤压机通过模制方法用普通 的憎水玻璃或者透明塑料生产，该TRT不需要镀银来进行反射，因此 它没有老化等问题。另外，其特征还在于，该TRM 1b(一般说来所有 的TRM)具有由于全反射横向角特殊性造成的重要优点[因为在例如光 线II对垂直线成横向角φ(-5°＜φ＜5°)的角度入射时，该光线将 以相同的角度φ射出，相对于垂直线，从棱镜光线入射的同一侧射出， 与常规反射镜不同，在常规反射镜中，反射光线II′相对于垂线将从 该光线入射侧的相反侧射出]，这些优点例如为a)在TRM绕平行于棱 镜顶边(along sacme)的一根轴线摆动约±5°时，使交点保持不变； b)利用在次级TRM上的反射和随后的聚焦等，可以显著减小太阳映像 的尺寸。

其特征还在于，全反射是唯一在性质上已知的反射过程，在全反 射中，我们实际上可以达到光线100％的反射，这样，如果用TRM 1b 等，则我们可以形成多次反射而最后聚焦的聚光太阳能系统，这种系 统的光损耗较小，小于用常规反射镜的聚光系统中单次反射的光损失。

在图1c和1d中，示出上述TRM 1b全反射镜的两种不同形式，这 些不同形式的特征在于，图1c是平的全反射圆盘(TRD)1c(其前表 面1c-2是平的，而其后表面1c-1是由很多平行正交棱镜构成的底部 凹凸部分)。图1d示出全反射片(TRT)1d(前表面1d-2是柱形抛物 面，而后表面1d-1也是由很多平行正交棱镜构成的柱形抛物面底部凹 凸部分)。但是，在下面将说明上述TRM或者TRT的若干其它形式， 并应用来例如构成本发明各种形式的太阳能系统S/S300a、S/S100a、 b等中的大尺寸或者小尺寸全反射镜，即TRM301a、131a、131b、201a，b、 231a，b、363a等。

2.多点聚焦的太阳能系统S/S300a

本文要说明的示于图2a、2b、2c和2d中的太阳能系统S/S300a 的特征在于，它是聚光型的多点聚焦系统，由很多平行的全反射镜(或 者简单常规反射镜)构成的全反射表面313a是小尺寸的，从而不形成 很大的迎风表面，通过将全反射表面313′a(等于所有的313a)固定 在转动底座310b上，借助于垂直转动机构309a可以使该全反射镜系 统绕系统的对称垂直轴线312a转动，该转动底座浮在贮热水310e(水 加防冻剂)上，并在该贮热水上转动，该贮热水装在水容器310a中， 或者该反射表面由装贯穿圆筒310c上的圆锥转动支承310d可转动地 支承，借助于垂直转动机构309a实现转动(或者联合这两种方法)。

另外，该系统的特征在于，在太阳光线051a入射在具有抛物面顶 点在点301a的初级抛物面TRM后形成第一反射宽束光线052a，该束 光线聚焦在焦点304a上，在此处，直接利用这些光[还借助于次级截 头棱锥或者圆锥全反射(或者常规反射)聚光镜363a聚焦在PV电池 302a上]，或者使这束光(052a)在抛物面的次级反射镜231a，b(为 有关完整抛物面次级反射镜201a，b的截取部分)上反射后形成达到 最后焦点204a，b的窄束光线053a，b，并通过较后的聚焦反射镜363b 聚焦在PV电池302a上。

各个TRM 301a是从(全反射或者常规反射)完整抛物面反射镜 361a截取的正交平行四边形部分。各个TRM 301a可以是一片，或者 由2、3、4或者多个全反射片(TTR)构成，这些全反射片固定在适当 的抛物面底衬上，其中每一个的尺寸约为20×20em，因而可以用模 压玻璃的自动机器进行低成本生产。TRM 301a的材料例如是没有氧化 铁的透明玻璃(憎水玻璃)，或者是本身支承在或者固定在适当底衬 上的透明塑料。

TRM 301a的前表面313a为光滑的抛物面形状，而后表面313c也 具有抛物面的底部凹凸部分，该后表面由很多平行的正交棱镜314a构 成，该棱镜的顶边缘(top acmes)315a汇聚在完整抛物面反射镜(PM) 361a的顶部362a，并被切断。我们还可以看到对称轴线311a(对准 太阳)和转动轴线312a和312c(分别是垂直轴线和水平轴线)。

该TRM 301a支承在金属支架305a上，该支架又支承在水平转动 轴308a上，该水平轴的两端装有滑轮和水平转动机构308b，借助于 两个支承308c，该水平转动轴被支承在转动座架310b上。

贮水器310a由绝热的水容器构成，该贮水器充满水和防冻剂 301e，并支承转动座架301b，该座架通过垂直转动机构309a可以绕 贯穿圆筒310c转动。

PV电池302a支承在金属支架302b上，该支架又支承在水平转动 轴308a上，该PV电池放置在各个TRM 301a的焦点上，这些PV电池 的前侧装有全反射(或者常规反射)的聚焦反射镜363a，而在其后侧 装有铜冷却板302c，该板具有焊接在它上面的冷却管302d，该冷却板 由冷却流体302e(即水和防冻剂)冷却，该冷却流体流过该冷却板 302c。

冷却流体302e借助于循环泵318a在封闭管路中循环，这种管路 由螺旋形的热交换器318b构成，装在贮水容器310a的底部。因此， 通过冷却流体302e和螺旋形热交换器318b带走的热量被传输到贮水 器310a的贮热水310e中，在此处，热量由第二螺旋形热交换器318c 接收，并通过循环泵318d送出，作家用热水消费，或者进入到吸热泵 319a，以便供给生产空调用5/12℃或者7/14℃冷水所需的热能，该吸 热泵最后与用常规燃料加热的辅助热水生产锅炉配套使用，以便在太 阳光强度低的时间或者没有太阳的时间，或者不能利用太阳能驱动单 元的时间使用。

由PV电池302a产生的直流电由导线340a送出，该直流电或者直 接用于充电，或者进入直流/交流转换器，以便用交流电的用户使用。

3.多点聚焦的太阳能系统S/S300b

本文说明的示于图2e、2f和2g的太阳能系统S/S300b的特征在 于，其结构与上面第二节说明的S/S300a的结构相同，但是其特征在 于，聚焦在第一焦点304a的第一反射宽束光线052a在(全反射或者 常规反射)抛物面次级反射镜231a，b(为有关完整抛物面次级反射镜 201a，b的截取部分)上反射之后形成达到最后焦点204a，b的窄束光 线053a，b，该窄束光线的特征还在于，可以显著降低(反射时太阳像) 的太阳映像053c的尺寸(在图2g中也示出)，因此，聚光系数可以 达到1000-2000日光或更大，该窄束光线通过最后的聚焦反射镜363b 聚焦在位于最后焦点204a，b的或者位于该最后焦点后面的PV电池 302a上。

其特征还在于，在此位置，PV电池302a的冷却板302b还可以直 接接触贮热水310e，这意味着在这种情况下不再需要冷却管302d、循 环泵318a和螺旋形热交换器318b，并可以省去这些部件。(其特征 在于，作为TRM的聚焦反射镜363a(如图2f所示)或者由四个全反 射片构成，这些反射片围绕PV电池302a形成截头的棱锥形，其正交 棱镜的顶边缘(acmes)向由这些棱镜(或者甚至由常规的空气冷却或 者水冷却的反射镜)构成的棱锥体的顶点汇聚，该棱锥体具有适当的 对着初级TRM 301a的张开角度，从而可以使该聚焦反射镜363a可以 补偿太阳跟踪系统的少量跟踪错位，或者可以补偿TRM 301a的缺陷。 当用抛物面次级反射镜231a，b将宽束光线052a向后反射，形成射向 最后焦点204a，b的窄束光线053a，b时，该聚焦反射镜363a还可以固 定在最后焦点204a，b上(以后称为最后的聚焦反射镜363b)(或者 形成在分别与其相应次级反射镜231a，b联合形成的接连的TRM 301a 的各个最后焦点204a，b上，该次级反射镜是相应完整抛物面次级反射 镜201a，b的截取部分)。

其特征还在于，在PV电池302a位于最后焦点204a，b时，水平转 动轴308a或者具有固定在它上面的冷却板302c[在这种情况下，该轴 308a可以是空心的，由冷却流体302e冷却，该冷却流体流过该转轴， 或者由循环泵318d循环，或者在转轴308a的两端位于贮存水310e 的水面下时，直接由重力循环(此时可以利用特殊结构的不透水的位 于水下的水盘308e防止固定在其上的太阳能电池302a受到水的侵蚀， 该水盘围绕沿着水下的转动轴308a，利用穿过中央贯穿圆筒310c的 排水管308h可以抽出该水盘中的积水)，同时用柔性连接件308f使 转轴308a的两端穿过该水盘308e端壁，进入贮存水308e，从而可以 使308a不透水地转动约±90°，以便于跟踪太阳]，或者该转轴可以 包括包含最后聚焦反射镜363b的适当开孔，该PV电池302a固定在开 口的末端，在这种情况下，该PV电池可以通过其冷却板302c直接接 触贮存水310e，因此可以由该水直接冷却(利用围绕各个最后聚焦反 射镜363b的不透水的水盘308g可以防止太阳能电池302a受到水的侵 蚀)。

在后一种情况下以及上述转轴308a位于水面下的情况下，由于 PV电池302a固定在该转轴上，所以不再需要循环泵318a和螺旋形的 热交换器318b，因而可以省去它们。

其特征还在于，在水面下的水平转动轴308a的位置，将支承件 308c固定在特殊结构件310b上，该支承件308c的头部在下面分别连 接于相关的水平转动机构308b。 其特征还在于，初级TRM 301a和作为整个反射镜361a和201a，b截取 部分的次级反射镜231a，b的特殊配置和定位，如图2e中虚线所示。

4.S/S300a的聚焦结构部件(S/E)900a

本文所述的示于图2d的聚焦结构部件(S/E)900a的特征在于， 该部件设计成可以同时发电、(通过冷却PV电池)生产热水和生产过 热油(用于烹调以及过热家用热水，以及用于调节S/S300a或者其它 任何有关聚光PV系统生产电能和热量的比例)。

该部件的特征还在于，太阳光线051a入射到其顶点为点362a的 初级抛物面反射镜即301a之后形成反射的宽束光线052a，该宽束光 线首先聚焦焦点304a上，然后入射在PV电池302a上。该PV电池或 者定位在空腔913a的开口912a上(该开口可以与焦点304a相重合)， 由此可使所有的聚光的太阳辐射(宽束光线052a)通过363a入射在 PV电池302a上，并由这些电池吸收。该PV电池也可以定位在空腔913a 内的任一个深度(在空腔913a中使PV电池302a的支承/冷却圆筒914a 向后移动)，由此只有一部分宽束光线052a入射到该PV电池302a 上，并由其吸收，而其余部分的辐射则入射到油管915a上，该油管覆 盖空腔913a的内壁，并由特别的过热油916a(该油的温度可能达到 300℃-400℃)吸收。

聚光的宽束光线052a的太阳辐射由PV电池302a吸收的和由过热 油916a吸收的百分数取决于PV电池302a在空腔913a中的退回位置 (或者定位)，在PV电池处于极内位置时由PV电池吸收的百分数可 以降低到很小的百分数(即5％)，造成由过热油916a吸收的百分数 相对增加，因此，该过热油吸收95％的辐射。

其特征还在于，支承PV电池302a的PV电池302a支承/冷却圆筒 914a以有通过同心冷却管917a传输和带走PV电池302a的冷却流体 302e。该冷却管917a通过软管918a连接于送入和送出冷却流体302e 的管子302d。该冷却流体302e由这些管子传送到热水容器310a中的 螺旋形热交换器318b。其特征还在于，可以利用机构928a执行支承/ 冷却圆筒914a进入和退出空腔913a的移动，该机构由移动螺栓928c 构成，该移动螺栓连接于固定在支承圆筒914a上的位移螺栓928b， 该机构通过连接于位移螺栓928b的移动螺栓928c、通过连接连贯 S/E900a的移动螺栓928c(各个TRM 301a的移动螺栓)的连接轴928d 以及通过连接于该连接轴928d的马达928e，最后经减速齿轮和部件 928c和928b将前后运动传送给圆筒914a。其特征还在于，覆盖空腔 913a内部的油管915a通到热水容器310a中的热交换器919a，并使通 过冷却PV电池302a得到的贮热水310e温度增加到要求的温度。

其特征还在于，在过热油管915d达到热交换器919a之前，该管 子首先穿过高温贮存容器921a的外套920a，在该外套中，热能以高 温形式贮存在易熔盐922a中，该易熔盐装在高温贮存容器921a中， 随后引入到热交换器919a。其特征还在于，贮存容器921a具有很强 的绝热件926a，该容器921a上部加热板924a的绝热塞子923a可以 取下来，使得在除去绝热塞子923a时，在太阳能峰值以外的时间，该 加热板924a可以用作烹调器。其特征还在于，过热油916c可以通过 循环泵925a在油管915a中循环，而冷却流体302e可以通过循环泵 318a在管子302d中循环。其特征还在于，聚焦部件S/E900a通过4 个支承件907a支承在相应系统S/S即300a(或者聚光PV系统中任一 个另外的系统)的相应支承架302b上，该支承件同时还起水管302d 和油管915a的双重作用。

5.用于很高聚光系数的具有全反射镜(或者常规反射镜)的单点 聚焦太阳能系统S/S100a，b

本文所述的示于图3的S/S100a，b[在应用全反射镜时用(a)表 示S/S100a，而采用常规反射镜时，用(b)表示]的特征在于，它包 括整个的初级抛物面全反射镜(或者简单的常规反射镜)PTRM 101a，b， 其顶点在点102a，b(该PTRM的特征还在于它的全反射片(TRT)131a， 该全反射片具有前表面113a和其后部的正交棱镜114a)，太阳光线 051a入射在该初级PTRM 101a，b之后形成第一反射宽束光线052a，b， 该光束聚焦在第一焦点104a，b上，该光束在此处或者被直接利用，方 法是，还借助于聚焦反射镜119a，b(此反射镜与第一节中说明的聚焦 反射363a完全一样)将其聚焦在PV电池302a，b上，或者使该宽束光 在次级反射镜201a，b(用支承臂207a，b支承在支承环105a，b上)反 射，之后，产生窄束光线053a，b，该窄束光线到达最后焦点204a，b， 并且也借助于最后聚焦反射镜119c(与最后聚焦反射镜363b完全一 样)聚焦在PV电池302a，b上，该最后聚焦反射镜支承在支承环105c 上。

其特征还在于上述反射镜101a，b和201a，b的联用(或者这些反 射镜中彼此对应的任何截取部分的联用)，这种联用的特征是可以显 著降低(反射时太阳像的)太阳映像053c的尺寸，方法是，将太阳光 051a首先在PTRM 101a上反射，形成宽束光052a，然后使该宽束光线 052a在位于有关焦点104a后面的凹面抛物面次级反射镜201a，b上进 行二次反射，由此形成窄束光线053a，在反射镜101a，b和201a，b之 间存在某种尺寸关系时，该窄束光线在聚焦时将显著减小太阳映像 053c的尺寸(例如，在101a，b的直径与201a，b的直径之比等于4时， 可以减小最后聚焦204a，b上的太阳映像053′c的尺寸，减小太阳映 像053″c应当具有尺寸的20％以下，而不会由于联用上述101a，b和 201a，b而被部分删除)，所以有关的S/S100a，b的聚光系数可以增大 到超过2000日光。

其特征还在于，PTRM 101a，b被支承在金属支承环105a，b(外部) 和105c(内部)上，这些支承环又由金属支承臂107a，b支承，该支 承臂支承在水平转动头108a，b上。该转动头108a，b被支承在垂直转 动柱109a，b上，该柱建立在底座110a，b上，该底座可以是固定的地 基，或者是悬浮的转动底座110a，b，这种转动底座可以转动跟踪太阳， 和第一节中的转动底座310b一样(在这种情况下，不再需要垂直转动 柱109a，b，可以省去)。其特征还在于，该悬浮的转动底座110a，b 在其上可以装上一个或多个S/S100a，b，这些S/S100a，b或者具有整 个的初级抛物面全反射镜(PTRM)101a，b，或者只有PTRM 101a，b的 扇形部分，或者PTRM 101a，b和有关扇形部分的任何截取部分，或者 次级抛物面反射镜201a，b的截取部分。

其特征还在于，PTRM 101a由例如没有氧化铁的透明憎水玻璃构 成(对于较小的表面作成一片，或者对于较大的表面，由全反射片(TRT) 131a构成该全反射片构成抛物面113′a的一部分，该全反射片支承 在适当的抛物面底衬)，或者该PTRM 101a可以由透明塑料构成，该 透明塑料本身支承适当的底衬上。113′a的前表面113a具有光滑抛 物面形状，而其后表面113c是抛物面的底部凹凸部，平行于113a， 由正交棱镜114a构成，其顶边缘115a向PTRM 101a的顶部102a汇聚 并被切开。其特征在于，S/S100a，b还包括对称轴111a，b(瞄准太阳) 以及转动轴112a，b和112c(分别为垂直轴和水平轴)。

其特征还在于，S/S100a，b包括位于其第一焦点104a，b的抛物面 次级反射镜201a，b(该次级反射镜的特征还在于它的TRT 231a，b，该 TRT具有前表面213a，b、后部正交棱镜214a，b、向其顶点202a，b汇 聚的顶边缘215a，b以及后表面213c)，不用带有PV电池302a，b的 聚焦反射镜119a，b，该抛物面次级反射镜201a，b用于将宽束光线 052a，b向后反射，形成射向最后焦点204a，b的窄束光线053a，b，现 在在最后焦点处，配置聚焦反射镜119a，b以及PV电池302a，b(以后 称为最后聚焦反射镜119a，b)

其特征还在于，S/S100a，b可以换一种方式包括位于其第一焦点 104a，b或者位于其最后焦点204a，b的聚焦结构部件S/E900a，该结构 部件和上述第一节中的S/S300a类似。