專利名稱：可膨脹的太陽能聚光器氣球的方法及裝置的制作方法
可膨脹的太陽能聚光器氣球的方法及裝置 相關(guān)申請的交叉援引
本非臨時專利申請主張于2006年8月23日遞交的美國臨時專利 申請US 60/839,841的優(yōu)先權(quán)，且基于各種目的通過援引將該臨時申 請整個合并在此。本非臨時專利申請還涉及如下的美國臨時專利申請 2006年8月23日遞交的US 60/839,855、 2006年8月25日遞交的US 60/840,156、以及2006年8月25日遞交的US 60/840,110，基于各種 目的均通過援引整個合并在此。
背景技術(shù)：
太陽輻射是地球上最豐富的能源。然而，大規(guī)模利用太陽能以在 經(jīng)濟(jì)性上與大多數(shù)化石燃料能源不相上下的嘗試迄今尚未成功。
太陽能源不足以大規(guī)模采用的 一個原因在于，化石燃料能源具有 諸如低成本或無需成本的污染及排放之類的外部經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。這種不 平衡已長時間試圖通過政治途徑進(jìn)行糾正。
太陽能源不足以大規(guī)模采用的另一個原因在于，對于一束太陽光 通量而言，所述太陽光通量的強(qiáng)度不足以進(jìn)行有效成本下的直接轉(zhuǎn)換。 太陽能聚光器技術(shù)試圖解決這個問題。
具體地，太陽輻射是最易于操縱和匯聚的能源形式之一，僅利用 適中材料就可將太陽輻射折射、衍射、或反射為初始光通量的幾千倍。
先前已經(jīng)有大量的嘗試并結(jié)合眾多的可能方式來實現(xiàn)低成本太陽 能聚光器。然而，迄今為止，太陽能聚光器成本太高以至于在不受資 助下無法與化石燃料竟?fàn)?。盡管膨脹式反射鏡及聚光器為本領(lǐng)域所熟 知，但是它們的結(jié)構(gòu)、組裝方式、性能、以及維護(hù)難度導(dǎo)致它們不適 于大規(guī)模的太陽能應(yīng)用場合。
另外，常規(guī)聚光器要求有效的安裝和對準(zhǔn)。這種設(shè)計在局部需要材料加強(qiáng)使得它們必須能對抗巨大風(fēng)載下的撓曲。常規(guī)太陽能聚光器 還必須能夠長時間地經(jīng)受太陽、雨水、污物、泥土、風(fēng)沙、昆蟲、動 物等的考驗，還經(jīng)常要限定規(guī)格以保持太陽能聚光器在各次維護(hù)之間 的長時段內(nèi)保持有效。
因此，本領(lǐng)域中存在著將太陽聚光器設(shè)計成易于制造、安裝及維 護(hù)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的實施方式大體涉及太陽輻射能的匯聚。本發(fā)明的具 體實施方式涉及利用至少一個透明薄膜和一個反射薄膜的組件進(jìn)行太 陽輻射匯聚，所述組件膨脹后的形狀將平行光線反射到所述組件內(nèi)部 的匯聚焦點(diǎn)上或者與所述組件緊鄰的匯聚焦點(diǎn)上。依據(jù)本發(fā)明的實施 方式可以通過所述薄膜間的膠接或焊接而以大體平坦層疊件的方式進(jìn) 行組裝，這可與常規(guī)的高生產(chǎn)量薄膜制造工藝相兼容。依據(jù)本發(fā)明的 實施方式可采用外部周向環(huán)或"束帶"組件來支撐所述氣球并限定氣 球的方向，以抵抗風(fēng)力等，而無嚴(yán)重的應(yīng)力集中。依據(jù)本發(fā)明的實施 方式還可利用薄膜附件，以有利于連線、降低應(yīng)力集中并修正膨脹后 的形狀。依據(jù)本發(fā)明的實施方式還可采用包括層壓薄膜、網(wǎng)狀物、織 物、金屬薄膜、膠粘劑、印花等在內(nèi)的薄膜修正手段，以利于安裝、 連線、修正膨脹后的形狀以調(diào)整光學(xué)性能、以及其它功能。依據(jù)本發(fā) 明的實施方式還可采用薄膜的暫時或永久扭曲來修正所述膨脹的薄膜 形狀。
依據(jù)本發(fā)明的太陽能匯聚手段的實施方式可以采用用材最少的形 狀及結(jié)構(gòu)，以使聚光器無需過多材料。此外，所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實施方 式可以在危險負(fù)荷下保證彈性，而不會發(fā)生塑性彎曲或扭曲。
設(shè)計的用料量大體由正常操作機(jī)制下穩(wěn)定性技術(shù)要求決定。為了 消抵人工費(fèi)，依據(jù)本發(fā)明的實施方式采用新穎設(shè)計，以使維修簡化并 迅速。
依據(jù)本發(fā)明實施方式的用材最少的結(jié)構(gòu)利用膨脹用空氣作為聚光
6器的主要結(jié)構(gòu)要素，使得聚光器所使用的材料遠(yuǎn)薄于任何常規(guī)聚光器。 依據(jù)本發(fā)明實施方式的構(gòu)造還能獲得不會產(chǎn)生任何非期望后果的 外部經(jīng)濟(jì)性。具體而言，在依據(jù)本發(fā)明實施方式的系統(tǒng)中，空氣是在 重量最多的材料之一。然而，空氣是充裕并且是無需開采或運(yùn)送的免 費(fèi)混合物。
依據(jù)本發(fā)明一實施方式的裝置，包括橢圓形的上薄膜板，構(gòu)造 成使入射光透射；以及橢圓形的下薄膜板，構(gòu)造成反射入射光，且所 述下薄膜板的周邊大體結(jié)合于所述上薄膜板的周邊，使得結(jié)合后的所 述上薄膜板和下薄膜板在膨脹后形成氣球，所述氣球?qū)⑼ㄟ^所述上薄 膜透射的入射光反射到所述氣球內(nèi)的焦點(diǎn)。
依據(jù)本發(fā)明一實施方式的收集太陽能的方法，包括利用膨脹氣 球的反射下板，將入射到膨脹氣球的透明上板的光反射到所述膨脹氣 球內(nèi)部的焦點(diǎn)上。
依據(jù)本發(fā)明一實施方式的膨脹氣球，包括橢圓形的上薄膜板， 構(gòu)造成使入射光透射；以及橢圓形的下薄膜板，構(gòu)造成反射入射光， 且所述下薄膜板的周邊大體結(jié)合于所述上薄膜板的周邊，從而膨脹壓 力賦予所述膨脹氣球以剛性，確保穿過所述上薄膜透射的所述入射光 被反射到所述氣球內(nèi)的焦點(diǎn)上。
依據(jù)本發(fā)明一實施方式的制造太陽能收集器的方法，所述方法包 括將構(gòu)造成使入射光透射的圓形上薄膜板的周邊與構(gòu)造成反射入射 光的圓形下薄膜板的周邊結(jié)合，以形成氣球；以及將氣體引至所述上 薄膜板和所述下薄膜板之間，以對所述氣球進(jìn)行充氣，從而使穿過所 述上薄膜板的所述入射光被所述下薄膜板反射到位于所述氣球內(nèi)的焦 點(diǎn)上。
本發(fā)明的這些以及其它實施方式及其特征以及一些潛在的優(yōu)點(diǎn)將 結(jié)合下面的文字以及隨附的圖來更詳細(xì)地予以說明。


圖1A示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的太陽能聚光器未膨脹時的簡化
7正視圖。
圖1B示出圖1A中的未膨脹的太陽能聚光器的簡化俯視圖。
圖1C示出依據(jù)本發(fā)明實施方式中的一實施方式的膨脹的太陽能
聚光器的簡化正視圖。
圖1D示出圖1C中的膨脹的太陽能聚光器的簡化俯視圖。
圖IE示出由平行于膨脹氣球軸線的入射光線獲得的反射光線的
軌跡的簡化示意圖。
圖2是測得的氣球外形與平均徑向應(yīng)變(s)之間關(guān)系的曲線圖。圖3A至圖3L示出了針對不同氣球表面外形而言平行于豎直軸線
的入射光線(未示出)被反射的光線軌跡。
圖4A示出膨脹至約1.5%應(yīng)變時氣球的平坦接收器聚光因子。圖4B示出膨脹至約1.5。/。應(yīng)變時的氣球的平坦接收器收集效率的
俯視圖。
圖5示出膨脹至9.2%應(yīng)變時的氣球的平坦接收器聚光因子和收集效率。
圖6A示出具有5%指向傾斜誤差的氣球。圖6B示出在低膨脹壓力下的與圖6A相同的氣球、指向誤差、以及接收器。
圖7A示出依據(jù)本發(fā)明具有支撐條的太陽能聚光器未膨脹時的簡化正-見圖。
圖7B示出圖7A中的具有支撐條的未膨脹的太陽能聚光器的簡化俯視圖。
圖7C示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的具有支撐條的膨脹的太陽能聚光器的簡化正視圖。
圖7D示出圖7C中的具有支撐條的膨脹的太陽能聚光器的簡化俯視圖。
圖7E示出自所述膨脹氣球上的帶支撐條的反射器反射的光線軌跡的簡化示意圖。
圖8A示出利用剛性相同的透明薄膜和反射薄膜產(chǎn)生1200倍匯聚度的具有支撐條的氣球。圖8B示出利用具有剛性低的透明薄膜來產(chǎn)生1200倍匯聚度的具有支撐條的氣球。
圖9示出了依據(jù)本發(fā)明實施方式的束帶組件的要件。
圖IO示出了依據(jù)本發(fā)明一實施方式的雙環(huán)束帶的實施方式。
圖IIA示出安裝于層壓薄膜間的套中的支撐條附件。
圖IIB示出外部結(jié)合的支撐條附件。
圖11C示出內(nèi)部結(jié)合的支撐條附件。
圖12A至圖12C示出依據(jù)一實施方式的束帶組件的柔性條帶的視圖。
圖13A示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的利用皮帶扣的束帶組件的立體圖。
圖13B示出圖13A的皮帶扣的放大視圖。
圖14A至圖14C示出依據(jù)本發(fā)明一實施方式的一種利用遠(yuǎn)程致動閂鎖機(jī)構(gòu)將皮帶扣和獨(dú)立的系索進(jìn)行組裝的方法的立體圖。
圖15A至圖15B分別示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的聚光器組件、遠(yuǎn)程操作閂鎖、系索點(diǎn)、以及包括接收器撐桿以及連接器的其他構(gòu)件的立體圖和放大視圖。
圖16A至圖16C示出本發(fā)明實施方式的利用組合的皮帶扣和系索的束帶組件的視圖。
具體實施例方式
依據(jù)本發(fā)明的實施方式大體涉及太陽輻射能匯聚。本發(fā)明的特定施方式涉及利用至少一個透明薄膜和一個反射薄膜的組件匯聚太陽輻射，所述組件膨脹并保持的形狀將平行光線反射到所述組件內(nèi)部的或者緊鄰所述組件的匯聚焦點(diǎn)上，上述形狀主要通過由諸如空氣之類的流體所提供的充脹壓力而不是通過至少一個薄膜的剛性來保持。依據(jù)一個實施方式，本發(fā)明可以通過薄膜間的膠接、粘合或焊接而組成大體平坦的層疊部件，這可與常規(guī)的高生產(chǎn)量薄膜制造工藝相兼容。
可替代地，所述薄膜可經(jīng)由中間環(huán)通過膠接、粘合、焊接、摩擦結(jié)合等方式而接連在一起。在膨脹壓力下，彈性薄膜變形或者塑性和彈性薄膜變形的組合生成透明表面和/或反射表面所需的表面幾何形狀?？商娲鼗蚪Y(jié)合膨脹壓力，通過向至少一個薄膜施加空氣壓差、機(jī)械力、壓印、或?qū)⒓?xì)小間距皺褶或者大尺度凹痕模壓于其上、或者通過對所述薄膜組件進(jìn)行充氣，可部分產(chǎn)生塑性薄膜變形。
依據(jù)本發(fā)明的實施方式可采用外部周向環(huán)或"束帶"組件來支撐所述氣球并限定氣球的方向，以抵抗風(fēng)力等，而無嚴(yán)重的應(yīng)力集中。尤其是，使用束帶以及與剛性定位器接觸的系索可用于將來自剛性定位器接觸的應(yīng)力分布在所述束帶和所述氣球之間的多個接觸位置處。當(dāng)然，所述束帶可連接有多個系索，各系索具有至少一個剛性定位器。
依據(jù)本發(fā)明的實施方式還可利用薄膜附件以利于連線、降低應(yīng)力集中、并修正膨脹后的形狀。依據(jù)本發(fā)明的實施方式還可采用薄膜修正手段，包括層壓薄膜、網(wǎng)狀物、織物、金屬薄膜、膠粘劑、印花等，以利于安裝、連線和其它功能。
依據(jù)本發(fā)明的特定實施方式的區(qū)別特征為
1. 所述聚光器氣球是至少一個透明薄膜和一個反射薄膜的層疊
件；
2. 所述聚光器氣球由平的原材料構(gòu)造、且在制造過程中在未膨脹時大體是平的，且依據(jù)可替代實施方式，所述氣球可以是半剛性的并且可由不平的原材料構(gòu)造；
3. 當(dāng)膨脹后，所述薄膜在1%至45%之間的應(yīng)變生成所需的反射器形狀；以及
4. 當(dāng)膨脹后，峰值光匯聚區(qū)域在所述薄膜的內(nèi)部。依據(jù)本發(fā)明的某些實施方式的一個目的是待結(jié)合到太陽能發(fā)電廠
系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)且可縮放的太陽聚光器。這些聚光器分解為可膨脹的薄膜聚光器、要求定期或不定期更換的構(gòu)件、具有無限或若干年使用壽命的聚光器束帶、以及太陽跟蹤機(jī)構(gòu)的系索。安裝夾具和安裝工具用于安裝諸多聚光器系統(tǒng)并在長時間周期內(nèi)對所述諸多聚光器系統(tǒng)進(jìn)行維修。這種分解使得風(fēng)險和成本能同時最小化。例如，膨脹的薄膜在
10長時間暴露于環(huán)境、動物等時自然退化。依據(jù)本發(fā)明的實施方式積極地尋求使得材料使用及成本、組裝成本、薄膜運(yùn)送成本、以及環(huán)境對其生命周期的影響最小化。所述束帶設(shè)計成低成本、具有一定剛性、易于運(yùn)送、安裝及維護(hù)，但是特別關(guān)注使用期限和生命力。安裝及維修夾具和工具(未披露)將降低所述薄膜及束帶的人工費(fèi)、單位成本以及復(fù)雜性。
可膨脹聚光器
依據(jù)本發(fā)明一實施方式的可膨脹聚光器采用這樣的組件配置，該組件配置設(shè)計成膨脹至大體橢圓形的或卵狀的軸向截面。所述軸向截
面的離心率使得長軸長度與短軸長度之比優(yōu)選小于10:1，且從強(qiáng)度和材料使用觀點(diǎn)看，最優(yōu)選地長軸長度與短軸長度之比為接近l。例如，高的離心率會有利于能由具有有限寬度的塑料或金屬巻來制造更大面積的氣球，或者使得氣球能更密地排列而彼此不過分地遮擋。為了簡單起見，本文中的其余部分采用圓形橫截面的氣球的術(shù)語，但旨在擴(kuò)展到更一般的橢圓形或卵狀幾何形狀。
原則上，任何流體可用于使依據(jù)本發(fā)明實施方式的聚光器膨脹。依據(jù)本發(fā)明的實施方式，可使用的流體一般是相對于允許所關(guān)注的光譜范圍內(nèi)的光而言能夠使其大體透過的那些。
稠密流體的重量可能會影響聚光器的外形。為了避免由于稠密流體導(dǎo)致的聚光器的扭曲，所述聚光器可浸入到具有相同或相近密度的流體中。正浮力或負(fù)浮力均可選擇地使用，以影響所述聚光器的形狀或影響其它方面的性能。在一些情形中，包括具有不相近似密度的氣體的流體可用于通過晃動的動作來使得所述聚光器穩(wěn)定。
在一些實施方式中， 一個或多個膨脹流體的折射系數(shù)能影響所述聚光器的光學(xué)性能。在許多情況下，可預(yù)見的是，依據(jù)本發(fā)明實施方式的聚光器將大體由空氣或其它可從環(huán)境中獲得的氣體來實現(xiàn)膨脹。這種膨脹可以在一次或多次干燥處理之后進(jìn)行。
依據(jù)某些實施方式，也可將化學(xué)物添加至膨脹流體中，以影響功能。通過這種添加的化學(xué)物所實現(xiàn)的功能例子包括聚合物或金屬表面的增塑或修復(fù)、涂覆、再次密封、查找泄露以及其它功能。對于提供膨脹壓力的 一 種或多種流體的特性并無限制。
依據(jù)本發(fā)明實施方式的氣球可在操作過程中膨脹，以使平均彈性
膜應(yīng)變和塑性膜應(yīng)變在大約1 %至34%之間，且峰值應(yīng)變在1 %至45%之間。在這些應(yīng)變下，所述氣球薄膜外部的大約10%-40%可自然形成(通過起皺、屈曲及彈性變形過程)賦予所述氣球軸向深度的近似基本圓柱弧面形，這使得所述氣球的焦點(diǎn)能定位于所述氣球的內(nèi)部且為所述氣球薄膜和其它設(shè)備(諸如束帶)提供了結(jié)構(gòu)上的剛性。可替代地，該區(qū)域的全部或部分可通過所述薄膜的塑性變形來生成。
該外部近似圓柱區(qū)域上的膨脹壓力也可能徑向牽引約30%-50%的內(nèi)部薄膜。在一些實施方式中，這種徑向牽引提供了這樣的力，即其支撐薄膜并使得薄膜內(nèi)部區(qū)域拉伸并撓曲而形成內(nèi)凹的大體拋物面形狀，以用于太陽能的高度匯聚。形成或保持這種形狀無需其它額外的組件、或膠接或機(jī)械部件。
接收器是被匯聚輻射的接收部件。接收器的例子為吸收輻射或?qū)⑤椛滢D(zhuǎn)化成另一種形式能量(例如熱、電、化學(xué)、機(jī)械能)的裝置、或成像、部分成像和非成像光學(xué)元件。例如，接收器可包括一個或多個反射鏡、折射光學(xué)器件、菲涅耳(Fresnel)光學(xué)器件、衍射光學(xué)器件、光纖束、光管或光管陣列、太陽能吸收器、光電池或光電模塊、光化學(xué)或光熱化學(xué)處理裝置、這些裝置的組合以及本領(lǐng)域公知的中繼、轉(zhuǎn)換或使用太陽電磁輻射的其它裝置。
使光有效地穿過并反射到所述接收器上的薄膜區(qū)域在此稱為"匯聚區(qū)域"。對于大型接收器或者具有專門定制形狀的接收器而言，該區(qū)域大體與所述氣球的無皺褶范圍重合。對于小型接收器或平坦接收器
而言(例如大多數(shù)光電接收器)，收集效率與聚光因子呈反比變化。例如在初始平坦的薄膜的約10%的名義平均應(yīng)變下，落在所述氣球的軸向截面的32%上的近軸光可#皮捕獲在約180倍匯聚光斑中，而軸向截面的51%上的最大匯聚度約為16倍。
12在未膨脹的初始薄膜的30%至80%且名義上約50%至60%的圓 周上，通過將能在弱的壓負(fù)荷下抵抗屈曲的環(huán)(在此稱為"支撐條") 膠接或安裝在所述反射薄膜上，可同步提高所述收集效率和聚光因子。 在膨脹后，所述支撐條相比已知技術(shù)具有若千功能上的改進(jìn)。
第一，因為在所述支撐條外的薄膜可起皺以形成所述氣球的大的 圓柱擴(kuò)展，所以膨脹氣球的焦點(diǎn)可位于所述氣球的內(nèi)部，而不要求所 述反射薄膜具有超彈性應(yīng)變或塑性。第二，與必須支撐全部徑向膨脹 負(fù)載的周向環(huán)相比，對所述支撐條要求的膠接強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度可以小 得多，這使得所述支撐條能使用最少的材料。
依據(jù)本發(fā)明的實施方式所帶來的第三個改進(jìn)是，因為所述氣球使 得其大部分剛性來自由薄膜的膨脹力及彈性所保持的輕度扁球形狀， 所以所述支撐條僅需對抗高階屈曲不穩(wěn)定性。這與常規(guī)周向環(huán)不同， 常規(guī)周向環(huán)必須對抗直接由風(fēng)荷載引起的低階不穩(wěn)定性。
例如，依據(jù)本發(fā)明的實施方式可釆用這樣的氣球，所述氣球的全 部或部分剛性由所述氣球內(nèi)的膨脹壓力來保持。依據(jù)一個實施方式， 所述氣球的整個剛性的一半或更多可歸因于膨脹壓力。這可以通過測 量在如下風(fēng)力作用下聚光器反射器的峰值撓曲量而測得沿著被系索 的聚光器的直徑吹送的風(fēng)；自所述反射器側(cè)直接正交于所述直徑吹送 的風(fēng)；自透明側(cè)而直接正交于所述直徑吹送的風(fēng)；以及與這些方向成 45度角吹送的風(fēng)。依據(jù)該實施方式，這些負(fù)荷下的最大峰值位移最多 為同樣的聚光器在無膨脹壓力下所測得的值的一半。可替代地，可在 這樣的負(fù)載下進(jìn)行相同的位移測試，即所述負(fù)載由沿不同取向橫跨氣 球至少二分之一的豎直截面而大體均勻地分布的靜態(tài)凈重來提供。
由本發(fā)明的實施方式所提供的第四個改進(jìn)是，所述具有支撐條的 氣球采用小于10%的應(yīng)變設(shè)計，可在73%的軸向收集截面上獲得870 倍的內(nèi)部聚焦匯聚度和在61%的軸向收集截面上實現(xiàn)1200倍的內(nèi)部 聚焦匯聚度。這種改進(jìn)性能的成本在于附加的制造或安裝復(fù)雜性、以 及附加的材料使用，不過所述氣球可設(shè)計成支撐可再使用的支撐條。
所述氣球設(shè)計可以利用已為大家所接受的和高度自動化技術(shù)來制造。所得到的氣球薄膜可高效地層疊并進(jìn)行運(yùn)送，尤其是無支撐條的 氣球或者采用單獨(dú)的可再使用的支撐條的氣球。
依據(jù)本發(fā)明的實施方式生成與前(透明)薄膜間隔良好的內(nèi)部焦 點(diǎn)。這種布置出于幾個原因而優(yōu)于具有外部焦點(diǎn)的設(shè)計。
第一，可膨脹聚光器可獲得超過1000-2000倍的峰值聚光因子。 在這些光通量下，大多數(shù)吸收光的可燃材料將自燃，除非它們被主動 制冷。單個聚光器的偶爾未對齊或瞬間錯誤指向可能會引起野火或建 筑著火。簡單地讓所述聚光器膨脹而不使跟蹤機(jī)構(gòu)啟動是危險的。本 發(fā)明設(shè)計的氣球的前薄膜防止了無意中將所述氣球外部的任何東西危 險地暴露于匯聚光線。
第二，所述光僅通過所述透明薄膜一次。早期的覆蓋薄膜將反射、 吸收、散射大約10%的入射光。隨著灰塵的積聚以及風(fēng)沙的撞擊，被 分散和吸收的光的量顯著增高。與內(nèi)部聚焦聚光器相比，外部聚焦的 聚光器使得光穿過薄膜兩次，這增加了吸收損失。
最后，內(nèi)部聚焦聚光器的接收器位于在通常免遭昆蟲、風(fēng)雨、灰 塵、或其它潛在的危險物、有害的東西、以及吸收損失源影響的受保 護(hù)區(qū)域中的透明反射薄膜之間。
具有內(nèi)部焦點(diǎn)的幾個方面要求仔細(xì)考慮。第一，在所述氣球組件
的內(nèi)部一般必須包含有至少一個當(dāng)所述氣球組件膨脹時用來捕捉或引 導(dǎo)所匯聚的光的構(gòu)件。這個可以通過將氣球設(shè)計和如后所述的"束帶" 使用的結(jié)合來解決。
第二，除非采用主動制冷或主動攪動，否則的話只有自然對流可 以用來冷卻內(nèi)部接收器。所述冷卻問題一般需要在接收器系統(tǒng)設(shè)計時 進(jìn)行解決。大多數(shù)接收器早已需要在靜止空氣中安全運(yùn)行。然而，需 要對來自薄膜上的接收器的一縷縷熱氣進(jìn)行溫度限制時，可能對接收 器設(shè)計施加附加約束條件。
束帶
所述聚光器氣球在太陽下克服風(fēng)、重力、慣性力等而被固定并精
14確指向。在所述薄膜的周邊上可采用作為安裝及指向構(gòu)件的凸片和加 強(qiáng)索環(huán)。這種安裝方案對于可膨脹的織物組件是普遍存在的，因此對 于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。
凸片和加強(qiáng)安裝孔可應(yīng)用于對本發(fā)明的可膨脹聚光器進(jìn)行定向和 限制。然而，這種安裝布置可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，其降低了最大安全風(fēng) 速并可使得氣球形狀發(fā)生扭曲，這降低了風(fēng)荷載下的效率。這些應(yīng)力 集中可以被消除或強(qiáng)化，但是那樣做會使得所述組件及其設(shè)計復(fù)雜化， 尤其是考慮到產(chǎn)生應(yīng)變的氣球形狀對于聚光器性能的重要性時更是如 此。
由此，利于指向并安裝的優(yōu)選設(shè)計構(gòu)件是由比較剛性的材料制成 與膨脹氣球的赤道周線或者一個或多個同心圓區(qū)域相鄰接的外部環(huán)。 所述環(huán)或"束帶"在所述環(huán)和所述氣球之間的交界處通過摩擦力、粘合 力以及內(nèi)聚力的組合而將力傳遞給所述氣球或者將來自所述氣球的力 進(jìn)行傳遞。所述束帶將來自位置控制及角度控制裝置的局部力分配到
所述氣球薄膜的展開區(qū)域，或者反過來；從而便于使用較薄的薄膜以 及較便宜的氣球組件。
依據(jù)本發(fā)明的束帶不應(yīng)與常規(guī)的邊緣條帶相混淆，所述常規(guī)邊緣 條帶在受壓狀態(tài)下工作并且是用于創(chuàng)建氣球形狀的必要構(gòu)件。依據(jù)本 發(fā)明實施方式的束帶通常在不受壓且可能適度拉伸下工作，以提供與 所述氣球薄膜的改進(jìn)粘合或摩擦接合、以及抑制所述束帶起皺。不像 常規(guī)邊緣條帶，所述束帶主要用于安裝、指向和強(qiáng)化薄膜接頭。
依據(jù)一個實施方式，除了由包含在所述氣球薄膜內(nèi)的膨脹壓力所 提供的恢復(fù)力之外，所述束帶像桶箍一樣相對于徑向位移可以幾乎沒 有什么剛性。在這種實施方式中，這種壓力在所述束帶中產(chǎn)生了抗屈 曲及其它所不需要的束帶扭曲的張力。
在一個實施方式中，所述束帶組件可包括一個或多個薄柔性條帶， 所述條帶通過經(jīng)由緊固件機(jī)械地、通過粘合、通過熔焊、銅焊或錫焊 或通過其它本領(lǐng)域公知方式連接或結(jié)合于一個或多個(優(yōu)選為兩個) 剛性金屬件或"皮帶扣"。所述皮帶扣的目的是提供在所述薄柔性條帶之間設(shè)置剛性中間體，所述剛性中間體將大部分負(fù)荷分布于所述氣球 薄膜和所述跟蹤裝置或系索，并對來自所述氣球薄膜和所述跟蹤裝置 或系索的大部分負(fù)荷進(jìn)行分布。
依據(jù)某些實施方式，所述柔性條帶穿入到所述皮帶扣的匹配槽和 通道中，限制所述條帶和所述皮帶扣相對轉(zhuǎn)動。類似結(jié)構(gòu)的一個實例 是可調(diào)整的皮帶上的皮帶扣。
組裝在一起的條帶和皮帶扣通過使用緊固件、膠接、焊接等或者 優(yōu)選地通過機(jī)械扣鎖方式確保限制所述條帶從所述皮帶扣上脫出。這 種扣鎖可包括一片或多片材料，所述材料自所述條帶或皮帶扣的表面 延伸并在組裝時與其它構(gòu)件的一個或多個匹配表面相抵接，以使所述 條帶和皮帶扣在無干預(yù)的情況下在張力作用下彼此不會脫開。這種匹 配可類似于普通腰帶的皮帶扣，其中延伸部分進(jìn)入并可能穿過另一物 體的材料中的孔或縫隙、并定向成所述系統(tǒng)的張力,將保持所述延伸部 分和所述縫隙之間的相對位置。
可替代地，所述匹配可通過由一個或兩個物體的撓曲所產(chǎn)生的彈 性力來保持。這種布置可同樣匹配于普通的線纜打結(jié)。可替代地，可
在所述物體之間采用維可牢(Vecro)式匹配件。上述匹配部件的任何 組合可用于滿足所述條帶和所述皮帶扣之間的強(qiáng)張力且抗轉(zhuǎn)動接頭的 目的，所述條帶和所述皮帶扣可在安裝地點(diǎn)快速準(zhǔn)確地組裝和拆卸。
盡管以平層疊方式膠接薄膜是切實可行的、比例可變的、且與簡 捷自動化及標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模制造過程相兼容，但是這種組裝方式依賴于薄 膜之間的相對弱的剝離膠接力，以抵抗所述內(nèi)部氣球壓力。機(jī)械粗加 工、金屬化去皮、電暈處理、例如利用聚乙烯亞胺(PEI)基底劑的 打底、活性聚氨酯膠接、或者利用無定形聚酯(APET) 、 EVA、聚 乙烯或天然材料進(jìn)行熱密封等，均可提高膠接強(qiáng)度。相關(guān)薄膜件之間 的最強(qiáng)剝離膠接一般在10磅力/英寸至l磅力/英寸或更小之間的范圍 內(nèi)。所述束帶可設(shè)計成對這種剝離膠接進(jìn)行橋接并提供強(qiáng)化，例如通 過所述氣球薄膜和所述束帶之間的搭接粘合膠接。甚至適度的搭接膠 接可超過所述薄膜的撕裂強(qiáng)度。接收器用具
依據(jù)本發(fā)明實施方式的所述氣球單獨(dú)地或者與單獨(dú)的束帶結(jié)合地 將光匯聚并提供指向和安裝。所述氣球也允許安裝或結(jié)合物件，以收 集或中繼、或轉(zhuǎn)換所匯聚的光，在此稱為所述的"接收器"。"接收器" 可包括一個或多個副反射鏡、光纖束、光管或光管陣列、太陽能吸收 器、光電池或光電模塊、光化學(xué)或光熱化學(xué)處理裝置、這些東西的組 合以及中繼、轉(zhuǎn)換或使用太陽電磁輻射的其它本領(lǐng)域公知的裝置。正 如在此采用的，所述接收器組件包括位于所述氣球內(nèi)部的所述接收器 及其相關(guān)支撐以及輔助裝置(例如撐桿、座、電線及電路、冷卻劑軟 管等)。盡管所述接收器組件自身結(jié)構(gòu)不在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，但是 接收器的安裝、固定、以及運(yùn)行要求一般會影響所述氣球及束帶的設(shè) 計細(xì)節(jié)。
正如在此采用的，所述接收器組件的"結(jié)合，，指的是，所述接收器 組在制造過程中就大體組裝到所述氣球中。在此采用的所述接收器組 件的"安裝"指的是，在可通常于安裝地點(diǎn)進(jìn)行操作的組裝步驟中將所 述接收器組件的至少一部分放置在所述氣球中。所述接收器組件的安 裝可以在所述薄膜未充氣、充了一部分氣或充滿氣時進(jìn)行。具有所結(jié) 合接收器組件的系統(tǒng)可以更簡單地進(jìn)行設(shè)計、組裝以及安裝，但是必 須或者使用廉價的接收器或者采用工廠可回收的接收器，以使得經(jīng)濟(jì)。 此外，所結(jié)合的接收器可能難于在安裝地點(diǎn)維修。所述具有所安裝的 接收器組件的系統(tǒng)可能更難于設(shè)計和組裝，但是具有更簡化的安裝地 點(diǎn)維修和薄膜更換的優(yōu)點(diǎn)。
通路裝置
因為所述氣球具有內(nèi)部焦點(diǎn)，且通常將需要在安裝地點(diǎn)膨脹，所 以氣球設(shè)計通常要求在所述氣球薄膜之間或者穿過所述氣球薄膜的使 氣體、硬件以及接線可通過的開口。這種開口包括各種形狀的槽、縫、 孔、或者未密封或膠接的薄膜交界部，在此所述開口稱為通路裝置。
17通路裝置可以在制造過程中結(jié)合到所述氣球，或者在安裝地點(diǎn)于所述 薄膜未充氣、充了一部分氣或充滿氣時進(jìn)行安裝。在安裝地點(diǎn)安裝通
路裝置可包括撕開薄膜材料的預(yù)穿孔的縫或補(bǔ)片；利用鋒利刀子割 開或剖開或利用局部加熱來使得所述縫或補(bǔ)片熔化。
通路裝置將應(yīng)力集中引導(dǎo)至所述薄膜，這使得通常必須對所述薄 膜進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，所述補(bǔ)強(qiáng)可通過如下任一方式來進(jìn)行通過本領(lǐng)域公知 的技術(shù)，例如有必要時采用比其它處更厚的薄膜；通過使所述薄膜局 部加厚，例如通過層壓；通過涂覆(例如采用粘合)補(bǔ)片或者其它強(qiáng) 化體(諸如所述束帶)；等等。在操作過程中，通路裝置不應(yīng)泄露過
多的空氣。
通路裝置的各種密封設(shè)計是本領(lǐng)域所公知的，包括墊圏、球膽、 粘合密封件以及索環(huán)。如果所述接收器組件設(shè)計成在所述氣球膨脹的 同時進(jìn)行安裝和拆除，則可存在有諸如"通氣門"和"隔板"等之類的構(gòu) 件，以在所述接收器組件并未全部安裝時提供足夠的密封來支持或保 持膨脹。所述通路裝置以及相關(guān)的應(yīng)力補(bǔ)償及限制或防止泄露的材料 在此稱為通路裝置組件。
通路裝置組件可定位并定向在所述氣球組件中的任意位置，只要 通路裝置組件的應(yīng)力集中的補(bǔ)償是合適的，但是因為希望保持光學(xué)效 率以及因為應(yīng)力在所述膨脹的薄膜中的分布不均勻，所以一些定位和 定向?qū)⑹怯欣暮筒焕?。在所述反射薄膜上尤其是處于匯聚區(qū)域內(nèi) 的通路裝置組件是不利的，因為所述通路裝置組件很可能使所述薄膜 產(chǎn)生扭曲并影響光學(xué)性能。在所述透明薄膜的匯聚區(qū)域中的通路裝置 組件由于將光阻擋或分散而會使得所述收集效率降低。
所述氣球中的應(yīng)力狀態(tài)隨著位置、膨脹壓力以及負(fù)荷而變化。所 述膨脹氣球的極點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)對稱軸與所述氣球薄膜相交處的兩個點(diǎn)。所 述氣球赤道為所述氣球表面上的最大周向圓圏。經(jīng)線是經(jīng)過所述氣球 的旋轉(zhuǎn)對稱軸的平面與所述氣球的表面的交線。在所述極點(diǎn)處，所述 薄膜處于雙軸向均勻應(yīng)力狀態(tài)且具有最大應(yīng)變。自所述極點(diǎn)起沿著經(jīng) 線向外移動，所述經(jīng)線的主應(yīng)力和拉伸應(yīng)力分量增大、而周向拉伸應(yīng)力減小。所述氣球薄膜的皺曲或皺褶起始于周向應(yīng)力分量變成輕微壓 應(yīng)力的圓周附近、并終止于所述氣球的赤道。在該皺褶區(qū)域，所述薄 膜承受弱周向壓應(yīng)力以及匯聚的經(jīng)線拉應(yīng)力。與低壓下的情形相比， 在更高的內(nèi)部壓力下，因為周向及經(jīng)線方向的薄膜應(yīng)變，所述皺褶區(qū) 域的邊界更接近于所述赤道。因為收集橫截面最好大體與皺褶區(qū)橫截 面互補(bǔ)，所以由大體彈性和/或塑性變形的平薄膜組裝的氣球會是更高 壓力下更有效的光學(xué)收集器。此外，在高內(nèi)部壓力下，所述聚光器性 受風(fēng)荷栽的影響最小。由此，除了在風(fēng)高得足以使所述氣球發(fā)生扭曲 并使所述薄膜材料具有危險跡象的情形外，大多數(shù)薄膜應(yīng)力將通常由 所述內(nèi)部膨脹壓力來產(chǎn)生。
由于氣球極點(diǎn)區(qū)域的均勻雙軸向應(yīng)力，所以氣球的極點(diǎn)區(qū)域最適 于大體圓形的通路裝置組件。長軸與經(jīng)線對齊的細(xì)長通路裝置組件在 具有旋轉(zhuǎn)對稱的氣球中產(chǎn)生的應(yīng)力集中最小。在所述氣球的皺褶區(qū)域
內(nèi)，與經(jīng)線對齊的縫形開口不會使得膨脹應(yīng)力集中。由此，對于細(xì)長 通路裝置而言，那個位置和取向是最佳的。如果采用一個區(qū)域，則所 述束帶為用于通路裝置的另一最佳位置，因為相對剛硬的束帶可通過 粘合搭接膠接等來消除薄膜的應(yīng)力集中。同樣，結(jié)合的支撐條可以是 適于相對小的物件的通路裝置。
通路裝置的使用可利于所述接收器組件和所述束帶或其它外部硬 件之間的連接。這種連接可包括機(jī)械支撐、電連接、控制及監(jiān)測連接、 冷卻劑管道、以及膨脹氣體管道。
通路裝置可用于在安裝所述氣球之后支撐所述氣球束帶。支撐件 的一個例子是貫穿所述氣球的直徑或弦長的線纜、桿或梁，以防止來 自所述固定裝置的撓曲、翹曲和顫振導(dǎo)致的顯著負(fù)載以及力矩傳遞到 所述氣球薄膜和所述束帶。
通路裝置可用于被動地保持所述內(nèi)部氣球壓力。在操作時主動保 持膨脹的情況下，這樣的膨脹開口和止回閥的組合將是有用的，例如 安裝過程中利于在安裝其它通路裝置之前快速膨脹或者對所述氣球進(jìn) 行膨脹。被動壓力或薄膜應(yīng)變調(diào)節(jié)器也可用作通路裝置。周向拉應(yīng)力及其 應(yīng)變在經(jīng)線上的演變提供了用于被動致動這種應(yīng)變調(diào)節(jié)器的便利物理
機(jī)制當(dāng)所述氣球應(yīng)變?yōu)樗霰∧ぴ谔囟ㄎ恢镁哂兄芟驈埩?，以使縫 打開而將溢出過量的膨脹氣體。一個或多個縫可設(shè)置在氣球周邊附近， 可與另外的一薄膜或不止一個薄膜相結(jié)合，以防止膨脹氣體泄漏過量 到應(yīng)變閾值之下。應(yīng)變調(diào)節(jié)對于壓力調(diào)節(jié)具有不可忽視的優(yōu)勢，因為 光學(xué)性能直接依賴于薄膜應(yīng)變。盡管與所述壓力相關(guān)，但是尤其所述 薄膜應(yīng)變通常還依賴于所述薄膜的溫度、濕度、膨脹歷史(蠕變)、 以及累積的損傷。所述壓力和應(yīng)變之間的關(guān)系還依賴于批次間變量， 例如薄膜的厚度、密度、以及雙軸性、退火、交聯(lián)以及結(jié)晶度。
薄膜附件
本文所述的"薄膜附件"為任意材料組件或材料，其通過針對至少 一個功能性目的膠接、焊接、粘合、摩擦接合或機(jī)械緊固件而連接于 所述氣球薄膜。薄膜附件的實例包括所述束帶、支撐條、用于密封通 路裝置的通氣門及隔板、止回閥組件、線纜以及管支撐件、接收器組 件的零件、顫振控制及熱交換零件及支撐件、以及外部固定片。
薄膜調(diào)節(jié)器
本文中所用術(shù)語"薄膜調(diào)節(jié)器"為出于改變薄膜的物理、機(jī)械、彈 性、化學(xué)、光學(xué)、或電學(xué)性能、加強(qiáng)薄膜、或者消除薄膜內(nèi)或在不連 續(xù)(諸如通路裝置、膠接、焊接、接頭、裂縫、孔、辦破處等)處的 應(yīng)力集中的目的而在氣球薄膜上處理、沉積、擴(kuò)散、夾雜、機(jī)械纏繞、 膠接、或?qū)訅旱娜我獠牧辖M件、材料或化學(xué)品或者為氣球薄膜的機(jī)械 或化學(xué)處理。調(diào)節(jié)器包括膠帶、補(bǔ)片、膠接薄膜、金屬板、纖維、膠 粘劑、熱塑性膠粘劑、熱固性膠粘劑、接觸型膠粘劑、壓感膠粘劑、 B級膠粘劑、底劑(諸如聚乙烯亞胺基化合物)、墨水、染劑、防蒸 汽及水材料、紫外線吸收劑、紫外線保護(hù)劑、紅外線吸收劑及反射物、 抗反射涂料、滑動涂料、等離子、火焰或電暈處理、自修復(fù)以及抗刮
20涂料等。調(diào)節(jié)器還包括機(jī)械穿孔及裝置，以促進(jìn)氣體滲透。調(diào)節(jié)器可 在制造過程或在安裝地點(diǎn)安裝過程中進(jìn)行結(jié)合。圍繞通路裝置的層壓
應(yīng)力強(qiáng)化補(bǔ)片為被結(jié)合的調(diào)節(jié)器的實例；于安裝地點(diǎn)貼在孔或撕破處 上的膠帶補(bǔ)片為所被安裝的調(diào)節(jié)器的例子。像滑動涂料和等離子或電 暈處理之類的薄膜調(diào)節(jié)器是本領(lǐng)域公知的，其便于制造和粘合。
優(yōu)選的薄膜調(diào)節(jié)器為用于將氣球膠接、粘合、內(nèi)聚或以其它方式 保留到所述束帶上的補(bǔ)片。 一種這樣的補(bǔ)片是成形在氣球外表面上的 一壓感、接觸、或其它粘合的或膠帶式的補(bǔ)片，以利于安裝并利于將 負(fù)荷分布在所述薄膜和所述束帶之間。該粘合補(bǔ)片的一個實施方式是 設(shè)置在所述薄膜上的一個或不止一個的周向環(huán)，當(dāng)充了一部分氣或充 滿了氣時，所述環(huán)粘合到所述束帶上。這種設(shè)置在所述氣球的相對側(cè) 上或者跨越所述氣球的膠接接縫的環(huán)或不止一個的環(huán)將是有利的，因 為所述環(huán)能與所述束帶形成搭接接頭，這除了將風(fēng)負(fù)荷及其它負(fù)荷進(jìn) 行分配之外還消除了作用在所述薄膜件的剝離-膠接部上的應(yīng)力。此 外，優(yōu)選地，弱粘合的非粘合性柔性條帶覆蓋在所述粘合補(bǔ)片上，以 使所述氣球薄膜不會彼此粘合或粘合到所述束帶上，直到所述條帶從 所述膠粘劑上剝掉。這種帶易于運(yùn)輸和處理，且尤其利于這樣的安裝， 即通過允許氣球充了 一部分氣體或充滿氣體、并在所述膠粘劑未被覆 蓋之前通過輕輕地將所述條帶從所述束帶和所述氣球之間拉出而仔細(xì) 地將所述氣球定位在所述束帶。優(yōu)選地，所述膠粘劑、氣球薄膜以及 束帶表面被制定成所述膠粘劑大體保留在所述氣球薄膜上，而不是保 留在所述束帶的表面上，這樣在放氣之后，氣球可從所述束帶上被完 整無損地剝下，而不會留下粘的殘留物在所述束帶上。這種粘的殘留 物會干擾其它氣球薄膜的安裝。
可替代地，所述氣球可充一部分氣或充滿氣、并定位到被安裝成 重疊在所述束帶和所述氣球薄膜之間的一個或優(yōu)選多個接縫上的所述 束帶和膠帶內(nèi)。這種布置將對膠粘劑殘留物的轉(zhuǎn)移到所述束帶上幾乎 不敏感，因為所述殘留物將不會過分地干擾下一個氣球薄膜的安裝。
可替代地，不用膠帶，使用膠、膠粘劑、溶劑、或其它膠接試劑沿位于所述氣球和所述束帶之間的一個接縫或不止一個接縫進(jìn)行涂 覆。這種膠粘劑應(yīng)優(yōu)選使薄的大體不剝落的表面變干燥或變硬，且不 應(yīng)產(chǎn)生將劃痕、撕扯、或其它消弱所述氣球薄膜的硬邊或鋒利邊。
調(diào)節(jié)器的另一優(yōu)選實施方式是這樣的補(bǔ)片，其將所述氣球薄膜保 持到所述束帶，以支撐所述氣球薄膜并利于安裝過程(例如在膨脹之 前或者在所述薄膜充了一部分氣時)中的對齊。當(dāng)在操作中所述補(bǔ)片 用于將所述氣球保持到所述束帶時，可采用各式各樣的膠粘劑、膠帶、 膠等，但是必須仔細(xì)考慮來自該補(bǔ)片的殘留物的成分、量和位置。
薄膜扭曲
本文所用術(shù)語"薄膜扭曲"是指薄膜的機(jī)械拉伸。這種扭曲可以為 塑性變形或彈性變形、或者是任意組合。這種扭曲可以是雙軸向的和 單軸向的，而且可在制造之后持久存留在所述薄膜中，或者可主要在 制造過程中出現(xiàn)。
一個扭曲為雙軸向的，或者更一般地為薄膜的各向異性拉伸，以 抵消或減少所述薄膜中的單軸性或表面不均勻度(例如形成淺凹坑)。 這種抵消可用于確保所述薄膜組件膨脹至精確形狀。在這種方式下薄 膜拉伸可以與其它技術(shù)結(jié)合使用，以減少薄膜單軸性對膨脹后的薄膜 形狀的影響，諸如不同定向(例如大體正交地的)頂部和底部薄膜。 該拉伸可單獨(dú)進(jìn)行或者結(jié)合熱來進(jìn)行，以瞬息間確保操作過程中在所 述薄膜上的對齊或者永久地扭曲所述薄膜。例如， 一個或兩個薄膜在 彼此膠接在一起或膠接于支撐條或者膠接于將支撐條保持的裝置上的 同時，所述薄膜可被拉伸，以使膨脹后的形狀比無所述拉伸的情形更 接近理想狀態(tài)。
另一扭曲是所述薄膜的平面外弓形或凹凸壓印。如前所述，這種 扭曲可以通過各種方式來形成，包括單獨(dú)地或與熱結(jié)地施加橫跨薄膜 的壓差、機(jī)械處理和凹凸壓印。這些平面外扭曲的目的可用于調(diào)整所 述氣球的深度，以例如更好地容置接收器或者修正膨脹的薄膜光學(xué)系 統(tǒng)。
一 種這樣的扭曲為大體與所述氣球軸線同心的基本圓形的弓形區(qū)域。另 一扭曲為大體與所述氣球軸線對齊的兩個基本同心圓之間的弓 形區(qū)域。
另一個扭曲是影響膨脹的薄膜形狀的在薄膜表面的凹凸壓印的 "皺褶"。在無需沉積附加材料(例如添加薄膜調(diào)節(jié)器)而修正所述光 學(xué)性能時，這種凹凸壓印的皺褶提供給氣球設(shè)計師巨大的靈活性。凹 凸壓印可以以本領(lǐng)域所/>知的各種方式才幾械地并結(jié)合加熱來快速并重
復(fù)進(jìn)行。與弓形薄膜不同，這些皺褶可以小得足以不會對薄膜板的巻 曲或平坦層疊能力造成影響。
實施方式1
圖1A至圖1B示出了依據(jù)本發(fā)明一實施方式的可膨脹的太陽能聚 光器。圖1A和圖1B分別示出了大體平坦的未膨脹的薄膜的正視圖和 俯視圖。所述未膨脹薄膜的相對平且薄的特征便于制造和運(yùn)送。圖1C 和圖1D分別示出了已膨脹的薄膜的正視圖和俯視圖。這些視圖基于 實際測量結(jié)果并示出了薄膜形狀和皺褶程度。圖1E示出了平行于氣 球的軸線(未示出)向下傳播的光線在接觸到反射薄膜之后進(jìn)行反射 的情形。所述光線沿著所述氣球軸線匯聚，同時在氣球中央附近具有 峰值匯聚度。光線一離開氣球就快速發(fā)散，因此不會產(chǎn)生外部著火的 危險。
皺褶區(qū)域的外形和邊界依賴于氣球應(yīng)變。圖2示出了針對不同平 均應(yīng)變量所測得的氣球橫截面的外形。隨著應(yīng)變量的增加(例如在內(nèi) 部壓力增高的情況下)，皺褶區(qū)域朝氣球縫(軸向位置=0)移動。已 膨脹的氣球的直徑約為未膨脹的氣球直徑的80%至93%。徑向應(yīng)變在 氣球的軸線上達(dá)到峰值并朝氣球的邊緣逐漸降低。周向應(yīng)變在氣球軸 線附近達(dá)到最大值并隨著與軸線之間的距離增加而快速減小。
氣球薄膜反射的光線的位置和分布隨著薄膜的徑向應(yīng)變而變化。 圖3A至圖3B示出了近軸光線如何在各種凹面上進(jìn)行反射。具體地， 圖3A至圖3B分別示出了拋物面和球面。圖3B至圖3L示出了相同 氣球在不同應(yīng)變量或不同加壓下測得的氣球外形上的光線軌跡。在圖
233C中，氣球在實際零應(yīng)變下稍微膨脹。薄膜應(yīng)變從圖3D中的約1% 增加到圖3L中的約45%的峰值，所述峰值接近尼龍薄膜氣球的爆裂 應(yīng)變。在所有情形中，光線最大匯聚度區(qū)域位于氣球內(nèi)。顯然，所述 反射表面的聚焦像差要比球形表面的聚焦像差差得多。
所述接收器的尺寸和形狀應(yīng)該與氣球的直徑和膨脹應(yīng)變共同優(yōu) 化，以獲得最佳性能。例如，沿軸線定位的圓柱接收器將接收所有入 射在反射表面上的光——因為非圓形氣球形狀或皺褶而偏離徑向軌跡 的光線除外。其它各種形狀可應(yīng)用于高效的接收器，例如球形、半球 形、金字塔型、扁的或長的球形或半球形、或者特定匹配的幾何形狀 等。然而，通常的接收器具有平坦的圓盤狀或方形的有效面積。
對于落到氣球的中央部分上的光而言，不管所述像差如何，利用 這種接收器可獲得高的聚光因子。圖4A示出了在膨脹至約1.5%應(yīng)變 的氣球中于不同位置處的聚光因子。圖4B示出了氣球俯視區(qū)的光線 落入所述匯聚區(qū)域的百分比。顯然，所述像差使得氣球的聚光因子和 收集效率(經(jīng)測量其均隨著已膨脹的氣球直徑的變化而變化)之間具 有嚴(yán)重的矛盾。
聚光率和收集效率之間的所述矛盾隨著氣球應(yīng)變(至少高達(dá)約 5%-20%的應(yīng)變)而提高。圖5示出了氣球在9.2%應(yīng)變下的性能 在 圖5中，采用200倍匯聚度的接收器將接收氣球的大約30%的光。
出于幾個原因，大部分未利用的光不會對依據(jù)本發(fā)明的實施方式 形成嚴(yán)重不利影響。第一，以俯視區(qū)為基礎(chǔ)，與常規(guī)剛性鏡相比，膨 脹的氣球可以便宜400倍以上。與所述接收器裝置的成本相比，太陽 能收集器的"不動產(chǎn)"或土地使用成本同樣地小。對于給定的產(chǎn)能容量 而言，這種低效率的主要成本可包括
1. 增加的風(fēng)荷載和支撐系統(tǒng)要求；
2. 增加的薄膜材料和束帶材料成本；
3. 增加的不動產(chǎn)要求；以及
4. 每個聚光器低的產(chǎn)能容量(每瓦特所增加的人工以及跟蹤系統(tǒng) 成本)。這種低效率的一些優(yōu)點(diǎn)抵消了這些成本。例如，浪費(fèi)的光線使得 匯聚光通量的邊緣變得柔和，這降低了對指向穩(wěn)定性和精度的要求。
圖6A至圖6B示出了 5%斜指向誤差對光線的影響。在虛線表示 的接縫線的下方的水平條表示接收器。圖6A示出了氣球具有5%斜指 向誤差。這種誤差會來自于例如風(fēng)振顫或機(jī)械彎曲。 一些正常"未使用" 的光線入射在所述接收器上，使得這種指向誤差導(dǎo)致性能上的降低被 削減。在圖6A的實施方式中，正常未使用的光線變成入射在所述接 收器上，這在太陽跟蹤為次優(yōu)時提高了性能。
可膨脹氣球設(shè)計使得實時控制匯聚區(qū)的形狀以及使匯聚區(qū)的形狀 最優(yōu)化變得容易。例如，圖6B示出了與圖6A相同的氣球以及接收器 在低膨脹壓力下的指向誤差。在這樣的條件下，操作人員可選擇降低 膨脹壓力，以使得時間-平均能量生成性能增加。當(dāng)指向穩(wěn)定性差(例 如在風(fēng)力較大的情況下)時，操作人員可降低所述膨脹壓力來獲得如 圖6B所示的外形。所述聚光外形的柔軟性和針對環(huán)境條件調(diào)整所述 聚光外形的能力有利于極不精確且剛性的氣球指向裝置，同時顯著地 節(jié)約了系統(tǒng)成本。
具有支撐條的氣球的一個實施方式
在不增加制造復(fù)雜性、材料要求或安裝要求的情況下，薄膜附件 可用于提高聚光因子和收集效率。這些用于改進(jìn)氣球輪廓的附件中的 最重要的一類稱為"支撐條"。本文中所用術(shù)語"支撐條，，為防止在壓應(yīng) 力下產(chǎn)生屈曲和皺褶的薄膜附件。支撐條可在制造過程中例如通過熱 結(jié)合或膠粘劑膠接結(jié)合到薄膜上，袋或套可結(jié)合在所述薄膜上以容置 在安裝地點(diǎn)安裝(可能可以再利用)的支撐條，或者支撐條可簡單地 粘合安裝到薄膜上。支撐條可定位在所述反射薄膜之內(nèi)或之外。支撐 條的優(yōu)選實施方式為安裝到氣球反射側(cè)的環(huán)形袋內(nèi)的條帶、擠出成型 件或桿。該實施方式是優(yōu)選的，是因為支撐條能夠被再次使用。可替 代的實施方式是支撐條具有針對在制造過程中用材最少設(shè)計、并結(jié)合 到所述薄膜的橫截面，或者支撐條可從所述薄膜上拆下并由制造商再使用或循環(huán)利用。
圖7A至圖7E示出了一實施方式的可膨脹聚光器，其具有位于反 射薄膜上的環(huán)形支撐條。圖7A至圖7B分別在正視圖和俯視圖中示出 了未膨脹薄膜和支撐條。圖7C至圖7D分別在正視圖和俯視圖中示出 了膨脹的薄膜和支撐條。虛線表示在無支撐條時的反射薄膜的形狀。 圖7E覆蓋了由膨脹氣球上的帶支撐條的反射器反射的光線軌跡。
將支撐條設(shè)置在透明薄膜上幾乎沒有或根本沒有帶來任何好處， 除非希望將焦點(diǎn)移至氣球之外，或者除非前部薄膜上的支撐條起到氣 球束帶的功能。在圖7C中的虛曲線示出了在無支撐條時反射器的陡 峭的外形。利用所述支撐條，薄膜在支撐條內(nèi)的實際形狀為大體球形。 如圖7C和7D所示，皺褶不會自支撐條起徑向向內(nèi)顯著擴(kuò)展。在圖 7E中，聚光因子設(shè)計為超過73%氣球面積具有約870倍。如果未膨 脹直徑相同，則圖7A至圖7E中的設(shè)計膨脹壓力與圖3G所示的情形 相同，這呈現(xiàn)出更低的效率。
支撐條使得可同步獲得的聚光因子和收集效率得到極大的提高。 然而，采用支撐條的成本包括
1. 增加的組裝和安裝以及應(yīng)力集中；
2. 增加的材料/聚光器；
3. 增加應(yīng)力集中；以及
4. 更嚴(yán)格的指向要求。
帶支撐條的氣球還將光匯聚在最接近于透明薄膜表面，這可能降 低透明薄膜的使用期限、增加接收器組件的設(shè)計復(fù)雜性、并使得氣球 之外的物品或人員暴露于高度聚集的太陽光下。
圖8示出了采用支撐條以獲得1200倍聚光因子的兩個設(shè)計。圖 8A的實施方式采用了薄膜剛性相同的透明薄膜和反射薄膜。圖8B的 實施方式采用了透明薄膜的剛性為反射薄膜剛性的約一半。針對不同 的工程設(shè)計目的，不同薄膜剛性可以以同樣的方式用于有具有支撐條 的氣球或無支撐條的氣球等。
在圖8B的實施方式的情況下，所述選擇可按照將前薄膜移動離開匯聚焦點(diǎn)的需求進(jìn)行。某些金屬化薄膜(例如邁拉(mylar )或PET ) 可呈現(xiàn)比其它例如尼龍或BOPA之類的薄膜更好的反射性能和穩(wěn)定 性，且略微地更硬些并支持更低的極限應(yīng)變。采用不同的材料可在保 持所述焦點(diǎn)處于氣球內(nèi)部的同時使反射薄膜處于更低的應(yīng)變下。最后， 在最優(yōu)化單位用材的氣球強(qiáng)度、成本或使用期限的過程中，不同的剛 性自然是使用不同薄膜的結(jié)果。
透明薄膜的材料應(yīng)能抵抗紫外線光輻射。為了延長聚光器壽命， 透明薄膜或者能抵抗其光學(xué)和機(jī)械性能在這種照射下的降低、或者能 初步擁有超額能力(例如，負(fù)荷承載)。丙烯酸材料為合適的透明薄 膜材料，其在成本相對高和強(qiáng)度及溫度性能相對差的情況下提供良好 的壽命周期。紫外線穩(wěn)定化的或抑制的聚酯薄膜在強(qiáng)度和溫度性能良 好的情況下提供了適中的生命周期，且對于高成本是適中的。紫外線 穩(wěn)定化的聚酰胺在成本稍高和強(qiáng)度稍低的情況下具有類似的性能。聚 氟乙烯(PVF)以及其它含氟聚合物薄膜(TEDLAR、 TEFZEL等) 在高成本和低強(qiáng)度的情況下提供了罕有的且可能超長的使用期限。其 它值得注意的薄膜包括聚乙烯基塑料(其便宜、但是光學(xué)性能差、以 及強(qiáng)度、溫度性能及使用期限性能低)、APET (無定形聚酯)、聚 碳酸酯、以及聚丙烯。雙軸向薄膜可以采用，因為這簡化了裝置設(shè)計， 以創(chuàng)建可膨脹至所需幾何的薄膜。
還最好是采用在低應(yīng)力和中等應(yīng)力下具有大體線性、虎克應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的薄膜。此外，不希望有薄膜蠕變，因為針對展開聚光器活 動而言這必須隨著時間來降低膨脹壓力或相反進(jìn)行補(bǔ)償。具有相對高 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的未增塑或稍增塑的聚合物、尤其是無論在任何條 件下均光學(xué)透明的結(jié)晶聚合物是優(yōu)選的，以限制蠕變。
支撐條的一個實施方式
支撐條附件的一個實施方式是這樣的塑料袋，即通過至少沿著圓 形邊將薄膜層壓在反射薄膜上、同時具有至少一個用于在安裝地點(diǎn)安 裝支撐條的開口而制得，如圖11A所示。除了為支撐條提供套之外，
27所述薄膜層壓體可提供超高強(qiáng)度并使得反射薄膜防水。所述套的不膠 接區(qū)域可以通過在所述套的區(qū)域內(nèi)印刷或軋制或者涂覆抗粘合材料來 創(chuàng)建、或者可以通過在共同擠塑過程中將所述膠粘劑材料掩膜(例如 熱密封)或通過在共同擠塑之前沿著所需的套環(huán)涂覆可剝掉的且無過 大應(yīng)力的犧牲層來創(chuàng)建、或者通過避免施加充分的熱和壓力于所述區(qū) 域來創(chuàng)建。不足的是，支撐條的外側(cè)面具有處于相對高的張力下的剝 離膠條。熱密封因為其結(jié)合的強(qiáng)度和低成本是另一個優(yōu)選的將薄膜附件結(jié)合的方式?？商娲?，可以采用溶劑焊、RF焊、超聲焊以及其它本 領(lǐng)域所公知的結(jié)合技術(shù)。例如，支撐條附件的優(yōu)選實施方式是塑料、 金屬、或復(fù)合條的環(huán)形箍，其沿著反射薄膜的一個邊緣被熱密封或粘 合膠接(可采用一種或多種方式來提高前面列出的膠接強(qiáng)度)于如圖 IIB和圖IIC分別示出的薄膜的外表面或內(nèi)表面上。將支撐條結(jié)合于所述外表面上的優(yōu)點(diǎn)在于，在進(jìn)行所述初步氣球 密封之前，無需安裝支撐條。此外，所述支撐條可容易地設(shè)計成使用 較少材料、并機(jī)械連接于所述束帶，因為其不需要滑動到應(yīng)力接縫中。 所述支撐條由相對少量的張力下的剝離膠條來保持。將支撐條像圖IIC所示結(jié)合到氣球內(nèi)側(cè)，將消除來自所述膠條的 張力。然而，由于在組裝過程中需要將支撐條夾在未膨脹薄膜之間， 所以設(shè)計理想擠塑形狀的工程設(shè)計能力被消弱。內(nèi)部的支撐條和所述 束帶之間的機(jī)械連接會典型地要求一個或多個薄膜通路裝置，但是所 述支撐條的相對低應(yīng)力的搭接膠接結(jié)合易于提供強(qiáng)化的效果。半剛性氣球的一個實施方式本發(fā)明的實施方式不限制于完全柔性的或有支撐條的氣球。依據(jù) 可替代實施方式，氣球可以由這樣的薄膜制成，即所述薄膜的厚度足 以抵抗某些彎曲或抵抗某些屈曲、但不足以抵抗由風(fēng)載荷產(chǎn)生的大應(yīng) 力而無損壞或無過分扭曲。膨脹用的空氣可用作避免使用例如支柱或 肋等其它強(qiáng)化物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性要素。膨脹用空氣還可調(diào)整半剛性表面的形狀以及隨后的所述氣球的光學(xué)系統(tǒng)。因為材料的相對厚度，僅膨脹壓力通常將不會使這種薄膜扭曲成 具有曲率足以實現(xiàn)焦點(diǎn)位于氣球內(nèi)的形狀。由此，對于這種氣球而言， 通常會要求永久薄膜扭曲。所述扭曲可以在工廠或安裝地點(diǎn)中由特定設(shè)備來實施。如果在工 廠外實施所述扭曲，則所述薄膜可以按照它們的弓形構(gòu)型來層疊，以 便于運(yùn)送?？商娲?，薄膜原材料可以以巻的形式被運(yùn)送到安裝地點(diǎn)， 并在安裝地點(diǎn)利用便攜機(jī)械或可在安裝地點(diǎn)作業(yè)的機(jī)械來進(jìn)行扭曲， 從而避免半剛性薄膜在其扭曲形狀下進(jìn)行封裝的低效率以及難于運(yùn) 輸?？商娲?，所述薄膜原材料可以采用能大體平式運(yùn)輸并在安裝地 點(diǎn)通過膨脹壓力、通過手等形成合適形狀的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行扭曲。在這樣的實施方式中，薄膜的半剛性也提供了利用較小棱線造出 有小面的"菲涅耳鏡"。這種有小面的反射鏡能提高所述反射鏡的有效 收集面積，同時并不與自然穩(wěn)定的已膨脹的薄膜形狀產(chǎn)生大的偏差， 所述偏差可能使得半剛性反射鏡在膨脹應(yīng)力作用下易于周向屈曲。合 適的半剛性薄膜包括金屬薄膜(例如拋光鋁、電鍍塑料或鍍金屬塑料)、 金屬薄膜以及防護(hù)屏障薄膜的層壓體、或涂覆薄膜等。束帶組件的實施方式圖9示出了束帶組件的典型構(gòu)件，這些構(gòu)件可以在制造過程中被 完全或部分結(jié)合、或者在安裝地點(diǎn)被大體安裝。在該特定實施方式中， 系索接頭在相對側(cè)上大體鏡像重復(fù)。還可以使用三個或更多個系索接 頭，各系索接頭僅有一個系索點(diǎn)。圖9中的束帶組件的構(gòu)件包括至少 一個圍繞氣球周邊的環(huán)或弓形物、以及附連于所述氣球薄膜的接合件。 這個接合件是將氣球保持到所述環(huán)上并將載荷分布到所述氣球薄膜上 的構(gòu)件。所述接合件的實施方式包括外貼膠帶、膠粘劑、預(yù)成型的 膠粘劑、機(jī)械互鎖或纏結(jié)部件、摩擦結(jié)合件等。如果氣球接縫比薄膜 強(qiáng)度弱，則所述氣球接合件優(yōu)選地騎跨在或包圍住所述接縫，以用于 強(qiáng)化。所述束帶可以選擇地包括諸如槽、凸片、孔眼等之類的特征，29以幫助薄膜對齊以及氣球安裝。所述環(huán)的一部分實施為可在安裝地點(diǎn)彎曲成形的薄的金屬的、塑 料的或復(fù)合材料的板帶。因為氣球大的周邊，所以出于運(yùn)送方面的考慮，多條板可具有將在安裝地點(diǎn)安裝以形成所述環(huán)的構(gòu)造。圖12A至 圖12C示出 一種這樣的板帶1200的各種視圖。圖12A示出了該板帶 的正視圖，圖12B示出了側(cè)視圖，而圖12C示出了詳細(xì)的正視圖。如圖12C中所示，特征1202為方便與束帶組件的其它構(gòu)件相匹 配的特征。所述板帶還可以形成為非平面的，以容置其它束帶構(gòu)件或 者易于與其它束帶構(gòu)件相匹配。特征1204為易于使聚光器薄膜初步對 齊并被放置的特征的示例。特征1206為易于調(diào)整束帶周長的構(gòu)件的實 例。特征1208為抵抗應(yīng)力集中的機(jī)械強(qiáng)化件(例如褶邊強(qiáng)化件或?qū)訅?強(qiáng)化件)的一個實例。示于圖13和圖15中的特征1302和1502 (下面說明)描述了該 條帶在其彎曲和安裝狀態(tài)下的示范實施方式?？商娲?，所述環(huán)可由 包在輥上的原材料、通過可包括產(chǎn)生所需橫截面和箍形形狀的成形步 驟在內(nèi)的操作步驟而制成。圖15A至圖15B示出了束帶組件1500的實施方式，其使用了剛 性匹配部件1502，該剛性匹配部件1502結(jié)合有用于與跟蹤裝置連接 的樞軸1506，并提供了通路裝置1508。圖13A至圖13B示出了束帶組件1300的一實施方式，其采用了 在此稱為"皮帶扣，，的剛性構(gòu)件1304，以保持所述條帶而形成環(huán)1302。 該皮帶扣提供了通路裝置1310并可靠地緊緊限制住所述條帶。在該實 施方式中，利用緊裝配的導(dǎo)槽1316和凸片1312構(gòu)成的系統(tǒng)來抑制所 述條帶的轉(zhuǎn)動。在安裝時，所述凸片進(jìn)入到孔、槽、凹口或其它這種 形狀的特征1314中，從而對抗張力地箝制所述條帶。在該實施方式中，所述凸片的角度和所述條帶的彈性均對所述箝 制的可靠性作出貢獻(xiàn)。此外，在該實施方式中，所述條帶以某些花樣 進(jìn)行折邊(例如將所述材料在其自身上折疊到上方或者在所述條帶的 端部附近層壓強(qiáng)化板)，以針對這些應(yīng)力集中區(qū)域提供額外的強(qiáng)度。皮帶扣自身并不包含將聚光器系索到跟蹤組件上的樞軸，因此必須匹
配于另一提供這種系索的部件。采用單獨(dú)系索的復(fù)雜性不應(yīng)該過多苛 責(zé)，因為其簡化了快速連接/脫開系統(tǒng)的設(shè)計。
圖14A至圖14C示出了這種連接/脫開系統(tǒng)1400的一實施方式的 視圖。構(gòu)件1402為組合的系索、密封板和閂鎖組件。構(gòu)件1404為線 纜，而構(gòu)件1406為彈簧加載桿。在處于彈起位置時，構(gòu)件1404松弛， 所述彈簧加載桿將閂鎖指收回到槽1408中。所述聚光器組件(為了清 楚起見，僅由皮帶扣1410來示出)隨后自由地沿著構(gòu)件1402的引導(dǎo) 面1412和保持所述接收器的撐桿的引導(dǎo)面1412 (在該實施方式中為 線纜)而滑動。當(dāng)聚光器到達(dá)預(yù)定位置時，所述引導(dǎo)面約束皮帶扣， 以精確地保持皮帶扣的相對位置尤其是定向。
在該實施方式中，構(gòu)件1402的所述引導(dǎo)面與皮帶扣的開口 1414匹 配，但是任何合適的部件可被匹配。 一旦就位，線纜1404被張緊，使 所述桿轉(zhuǎn)動、并由此使閂鎖1416的閂鎖指接合，所述閂鎖指相對于構(gòu) 件1402約束構(gòu)件1410并預(yù)加負(fù)荷于其上，從而形成不透氣不透水的 固定密封。
該連接/脫開系統(tǒng)的其它實施方式涉及各種不同可逆匹配和閂鎖 方式，包括其它機(jī)械布置、磁性布置、電磁布置、螺線管致動閂鎖以 及非閂鎖機(jī)構(gòu)等。不管什么方式，為了減少聚光器的維護(hù)和更換時間， 能以機(jī)械方式(例如線纜、磁極或其它專用工具)或電學(xué)方式(通過 開關(guān)、包括無線信號在內(nèi)的信號或軟件命令)遠(yuǎn)程致動所述閂鎖的能 力是期望的，因為這可以使得操作人員僅接近所述組件的 一側(cè)就能安 裝或拆卸氣球。所述遠(yuǎn)程控制側(cè)可以與接近危險側(cè)(例如高壓、熱水 或開水、升降機(jī)構(gòu)等)重合，而且由此所述遠(yuǎn)程使得維修技師與所述 危險隔離。
圖16A至圖16C示出了依據(jù)本發(fā)明的實施方式1600的聚光器、 束帶、系索接頭1612以及遠(yuǎn)程閂鎖裝置1622、以及控制線纜1624、 接收器撐桿1614、 1616和1618以及撐桿連接器1620的關(guān)系。所述系 索接頭在1602處樞轉(zhuǎn)。延伸臂可以繞著1604自由樞轉(zhuǎn)，以使所述線纜或跟蹤裝置1624的非平面運(yùn)動不會使所述聚光器偏斜。為了優(yōu)化這 些設(shè)計構(gòu)件，在該設(shè)計中將成對的聚光器連接在一起。
在每天的各個部分段， 一個或其它聚光器的外部系索可以方便地 定位以進(jìn)行維護(hù)操作。電、水、和氣之間的彼此連接沿著聚光器之間 的軸線行進(jìn)。
依據(jù)本發(fā)明，聚光器的維護(hù)設(shè)想為包括如下步驟，但不限定于所 給順序
1. 等待直到當(dāng)轉(zhuǎn)動所述陣列以提供便于接近外部系索機(jī)構(gòu)(圖 16A中的附圖標(biāo)記1606)的白天或夜晚的時間。
2. 在所述聚光器的方便接觸側(cè)執(zhí)行脫開，例如使機(jī)械緊固件(圖 16A中的1610 )脫開，并將線纜(圖16C中的1626 )從其底座(圖 16A中的1608 )上松開。該步驟可能需要使用工具，以應(yīng)對線纜張力。
3. 例如通過使線纜(圖16A中的1604，圖16C中的1626 )松弛， 將位于聚光器的遠(yuǎn)程側(cè)的閂鎖或匹配件(圖16C中的1622)松脫。
4. 將聚光器組件從所述閂鎖(圖16C中的1622)和接收器撐桿 (圖16C中的1614、 1616和1618 )上移出，以使所述聚光器和束帶不 受所述跟蹤和指向組件的約束。
5. 將舊的薄膜從所述聚光器組件上拆下，例如使所述薄膜和所述 束帶之間的膠粘劑膠接剝離。
6. 在新聚光器薄膜組件上例如通過膠粘劑、膠帶、維可牢(Velcro ) 尼龍搭扣、機(jī)械裝置等使各個特征對齊并固定到例如所述束帶(圖12C 中的1204)上的對應(yīng)構(gòu)件。
7. 將所述薄膜密封到包括所述束帶中的大通路裝置在內(nèi)的區(qū)域 上，以用于填充流體。準(zhǔn)備膨脹。如果需要的話，例如通過將該通路 裝置內(nèi)的所述薄膜刺穿，以使能進(jìn)行填充流體?？商娲兀稍谒?薄膜中預(yù)切開口或在所述薄膜中可結(jié)合止回閥組件，以輔助填充流體。 為了避免具有過多的通路裝置，優(yōu)選地使用相同的開口 (例如圖13B 的附圖標(biāo)記1310)，以對所述薄膜進(jìn)行充注流體，最初所述開口用于 一些其它功能(例如使所述接收器進(jìn)入到所述薄膜中)。8. 輕輕地對所述薄膜充注流體，以使所述聚光器接近于其最終構(gòu) 型，但是接頭和接縫不得承受過應(yīng)力。
9. 按照需要調(diào)整所述膨脹的薄膜對齊程度。
10. 涂覆膠粘劑或其它材料，以使所對齊的氣球薄膜匹配于所述 束帶，以使負(fù)載分布于整個薄膜上，并將所述薄膜中的所有開口相對 于所述束帶組件密封。如上其它地方所述，這將涉及使用壓感膠帶等。 在優(yōu)選實施方式中，所述薄膜與所述束帶之間的匹配采用具有幾秒至 幾分鐘或更長固定時間的液體膠粘劑，這樣在涂覆所述膠粘劑之后， 可以進(jìn)行一些快速調(diào)整。
11. 經(jīng)由通路裝置(例如圖16A的附圖標(biāo)記1610)插入工具，以 引導(dǎo)線纜等穿過聚光器組件的內(nèi)部并將這些線纜臨時連接到所述工具 上。
12. 將所述工具抽回，同時將所述聚光器組件向上返回引導(dǎo)到所 述跟蹤組件(圖16C的附圖標(biāo)記1614、 1616、 1618)上。如圖14B 所示，在這個階段的過程中，引導(dǎo)部件1412可有利于所述組裝的對齊
和運(yùn)動順暢o
13. 當(dāng)所述聚光器組件就位時，致動所述遠(yuǎn)程閂鎖。
14. 完成所述聚光器的可進(jìn)出側(cè)的連接(圖16A的附圖標(biāo)記 1606)，以完成所述再安裝。
值得注意的是，所述聚光器組件具有相對大的開口，以必須能使 接收器撐桿和其它閂鎖裝置通過。從所述開口中出來的空氣會加大安 裝的復(fù)雜程度。 一種補(bǔ)救方式是在組裝過程中繼續(xù)將空氣吹送到所述 聚光器內(nèi)。另一種補(bǔ)救方式是通過使用柔性隔板、嚢狀件、止回閥、 通氣門等來限制外流的空氣流。所述空氣流同樣也可利用可拆卸以供 重復(fù)使用的插塞工具來進(jìn)行限制。
所述環(huán)可以可選地包括諸如槽、凸片、孔眼等之類的特征，以輔 助薄膜對齊和氣球安裝。所述束帶還必須針對使所述氣球定位并定向 的所述機(jī)械系索而設(shè)置接頭。
該系索接頭以及所述系索在所述聚光器組件上的布置可以采取多種形式。然而，圍繞著所述氣球通常設(shè)置總共有至少三個系索點(diǎn)。特 定的布置包括采用兩個相對設(shè)置的各自具有兩個系索點(diǎn)的系索接頭。 一個系索點(diǎn)從運(yùn)動學(xué)角度而言是冗余的，但是防止風(fēng)載荷在所述氣球 和束帶上產(chǎn)生過大的扭矩，因為這將影響聚光器性能和氣球穩(wěn)健性。
可替代地，例如以約120度間隔或約卯度和90度間隔圍繞所述束帶 設(shè)置的三個系索接頭將各包含至少一個系索點(diǎn)。僅有一個系索點(diǎn)的系 索接頭可以是束帶環(huán)上的加強(qiáng)件或其它法向定位件。
可替代地，四個各自均具有至少 一 個系索點(diǎn)的系索接頭例如以約 90度間隔圍繞所述束帶來設(shè)置。采用四個這種系索接頭(而不是運(yùn)動 學(xué)上最少的3個)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠減小由風(fēng)載荷等造成的所述氣球的 翹曲，并且能夠使得正交氣球指向系統(tǒng)更簡易。 一個成本是增加的材 料，但是如果額外的系索接頭能夠降低對所述一個環(huán)或不止一個環(huán)的 強(qiáng)度要求，則這個成本可得以補(bǔ)償。
可以使用附加的系索接頭來作為針對例如五足或六足定位系統(tǒng)的 接頭。使用多個冗余的系索接頭可以使所述負(fù)荷分布，并實際上避免 了在所述束帶上使用連續(xù)的環(huán)，然而，這種系統(tǒng)的成本和機(jī)械復(fù)雜性 則可能不合算。
從定義上看，系索接頭上的系索點(diǎn)實現(xiàn)與所述系索的連接。在一 些優(yōu)選實施方式中，這些系索點(diǎn)能夠在有限或無限的角度范圍下隨意 樞轉(zhuǎn)。在圖9所示的實施方式中的所述系索點(diǎn)為相對于所述氣球傾斜 30度。通過改進(jìn)所述桿臂，這種傾斜偏置可以使高煒度下的應(yīng)力降低 并且具有更好的控制。所述傾斜的優(yōu)選范圍為IO度至30度，但是可 以高達(dá)O度(與所述周向的法向?qū)R)至90度(與所述周向?qū)R)， 因為除了絆度之外的考慮因素也可驅(qū)使最優(yōu)化設(shè)計，例如使成本最低 或避免機(jī)械干擾。所述束帶組件還示出具有供所述接收器組件的附件。 所述附件包括通路裝置(示出)、接收器組件松系特征(例如孔眼、 孔洞、槽、凸片、鉚釘)或其它為本領(lǐng)域所廣泛公知的手段。
所述環(huán)的優(yōu)選實施方式是在安裝地點(diǎn)彎曲成形的薄的金屬的、塑 料的或復(fù)合材料的板帶。因為氣球大的周邊，所以出于運(yùn)送目的的考慮，多條板可具有將在安裝地點(diǎn)安裝以形成所述環(huán)的構(gòu)造?？商娲?， 所述環(huán)可由包在輥上的原材料、通過可以包括產(chǎn)生所需橫截面和箍形 狀的成形步驟在內(nèi)的操作過程制成。
來自所述系索點(diǎn)的力被傳遞給所述環(huán)。所述系索點(diǎn)可位于所述環(huán) 上，以避免使用單獨(dú)的系索接頭支撐構(gòu)件。然而，除了在高綿度處， 這一般將要求所述環(huán)更寬并由此不必要地使用更多的材料。所述系索
接頭支撐構(gòu)件的優(yōu)選實施方式包括
1. 板狀金屬的、塑料的、或復(fù)合材料的凸緣，如圖所示出的；
2. 從這種凸緣上沖壓或模制出的桁架網(wǎng)狀構(gòu)造，以使所用材料最
少；
3. 多個剛性梁，其組裝到桁架中以支撐所述系索點(diǎn)；或者
4. 一個或多個承壓梁和可伸長的懸掛線纜的組合。 這些支承構(gòu)件可包括離散調(diào)整傾斜偏置角通路，所述傾斜偏置角
通路例如為其中插入有一個或多個銷、彈簧片、鉚釘、螺釘、螺栓、 或其它機(jī)械緊固件、用于保持所選偏置角的弧形孔或槽。也可例如通 過槽或夾具來連續(xù)地調(diào)整所述傾斜角，只要它們被充分分析以在不喪 失它們的設(shè)定的情況下經(jīng)得住風(fēng)載荷。離散調(diào)整和精確的連續(xù)調(diào)整的 組合可用于調(diào)節(jié)制造或安裝的不精確所產(chǎn)生的最小指向誤差。
不同系索接頭上的系索點(diǎn)的定位同樣可能需要進(jìn)行調(diào)整，以對所 述指向誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。再有，所述調(diào)整設(shè)計可以是足夠嚴(yán)格的，以隨 時間的流逝來保持其設(shè)定。為了使機(jī)械復(fù)雜性和成本降低，優(yōu)選的可 替代方式是在完全結(jié)合所述氣球接合件(例如膠帶貼、涂膠或剝掉膠 粘劑覆蓋物)之前，對所述薄膜相對于所述環(huán)的位置進(jìn)行調(diào)整。這種 調(diào)整也可通過太陽跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)件來調(diào)節(jié)。
圖10示出依據(jù)本發(fā)明另一實施方式的氣球束帶組件。圖10示出 帶支撐條的氣球，但是這種布局也適于無支撐條的氣球。兩個環(huán)用于 保持氣球。通過環(huán)連接裝置來保持所述環(huán)的相對位置。所述環(huán)連接裝 置可以由成型的金屬板制成(如圖所示)或者由模壓的或模鍛的塑料 或復(fù)合材料來制成?？商娲?，所述環(huán)連接裝置可由多個桁架構(gòu)件、或至少一個承壓椅架和可伸長的繩索、線纜或絲線之間的組合來組裝:
張力繩索、線纜或絲線。優(yōu)選的環(huán)幾何為由管或擠出成型件形成的箍。 再有，優(yōu)選的具有所述環(huán)的氣球接合件是膠帶條、預(yù)組裝在氣球薄膜 上的膠粘劑、或者膠。如果所述兩個環(huán)的連接裝置用于帶支撐條的氣 球，則其優(yōu)選地使用所述支撐條作為組件引導(dǎo)件、并可直接機(jī)械連接 于所述支撐條而非連接至單獨(dú)的粘合接頭。可替代地，所述環(huán)可通過 附著于所述薄膜上的機(jī)械部件(如這些在機(jī)械可再次密封的塑料袋) 而連接于氣球薄膜。
塑料薄膜的組裝
薄膜氣球或箔氣球和其它塑料薄膜的組裝是公知的，但是可膨脹 聚光器的幾個方面使得所述組裝方法變得復(fù)雜。常規(guī)的箔氣球通過在 用于所述氣球的所述薄膜的基體聚合物(通常為尼龍)上由混合擠壓 熱密封聚合物(通常為聚乙烯/乙烯基混合)來構(gòu)造。隨后，膠粘劑側(cè) 被一起從輥上展開并被熱密封。由此，所述膠粘劑層在所述氣球的內(nèi) 部徹底覆蓋所述薄膜。所述膠粘劑層典型地將所述反射光進(jìn)行漫射并 使得所傳輸?shù)墓膺^于分散，從而不是一種可行的組裝方法。例如通過 使所述膠粘劑熱回流或?qū)⑺瞿z粘劑在拋光表面上輥壓、調(diào)整所述膠 粘劑配方、或者是相對已有技術(shù)的這些改進(jìn)的組合，可減少所述膠粘 劑層的分散量。
一個可替代的解決方案是，將所迷膠粘劑僅涂覆到所述反射薄膜 上，正常組裝所述氣球，為所述膠粘劑的熱密封提供一些額外時間和 壓力，以在所述膠接處漫射到所述透明薄膜中，并隨后翻轉(zhuǎn)所述氣球 (將所述內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)到外部)。然而，所述制造方法不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
優(yōu)選的可替代方式是，在輥壓、噴射、或絲網(wǎng)涂覆中將所述膠粘 劑涂覆于一個或兩個薄膜上的環(huán)上，具體地涂覆于所述薄膜的金屬化 側(cè)(如果那個薄膜被涂覆的話)。隨后，所述薄膜與所述金屬化側(cè)一 起夾在所述內(nèi)側(cè)，且所述膠接通過在所述邊沿周圍加熱并加壓來完成。
36因為這些氣球的直徑大到例如幾米，所以所述加熱和加壓可通過在^走 轉(zhuǎn)臂或計算機(jī)控制橫軸上的熱輥或超聲焊機(jī)來最佳地施加。
順序的一個或多個步驟
1. 沿著待膠接的表面對所述透明薄膜進(jìn)行電暈、等離子、火焰、 或研磨處理；
2. 將底劑(例如基于聚乙烯亞胺(PEI))應(yīng)用于所述透明薄膜
表面；
3. 將熱塑性熱融或熱密封膠粘劑(例如聚乙烯、EVA、丙烯酸等) 應(yīng)用于所述表面。如果需要侵蝕性地膠粘到所述金屬化反射薄膜或者 天然聚合物的反射薄膜或透明薄膜，則可對所述膠粘劑進(jìn)行調(diào)制。在 一個步驟中也可利用底劑分子來進(jìn)行實施，且所述膠粘劑可以以顆粒 懸浮物形式來擴(kuò)散。可替代地，可在熔融狀態(tài)下噴射或沉積膠粘劑混 合物。
4. 對所述反射薄膜進(jìn)行電暈、等離子、火焰、化學(xué)和/或研磨處理， 以提高膠接強(qiáng)度。如果采用具有弱金屬化膠接的薄膜，則這種處理可 以具有足夠的侵蝕，以整個消除所述金屬化。
5. 將所制備的薄膜熱密封在一起。
其它可能的膠粘劑包括熱熔活性聚氨酯。其它結(jié)合技術(shù)(例如超 聲焊接和RF焊接等)已為本領(lǐng)域所公知并可作為替代使用，或者與 熱密封結(jié)合使用。
與單一成分薄膜相比，不同材料的層壓體常常是更有利于作為蒸 汽屏障等。使用所述工程薄膜層壓體來提高性能和使用期限是可預(yù)計 的。合適的薄膜包括PET (聚酯)、APET (無定形聚酯)、BOPA (尼龍)、BOPP(聚丙烯)、乙烯基、丙烯酸、KORAD、聚碳酸酯、 以及氟化薄膜(例如TEFZEL、 TEDLAR、聚氟乙烯)。用于反射表 面的合適的金屬包括鋁、銀、金、鉑。可替代地，所述薄膜可釆用多 層電介質(zhì)反射鏡。使用紫外線阻止劑、受阻胺光穩(wěn)定劑(HALS)、 以及其它保護(hù)劑在使用期限上的優(yōu)點(diǎn)可以抵消其在成本上的劣勢。由此已經(jīng)說明了本發(fā)明的示范性實施方式，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員應(yīng)該注意的是，在所述披露書中的實施方式僅是示范性的，且在本 發(fā)明的范圍內(nèi)可進(jìn)行其它替代、改造和修正。由此，本發(fā)明不限于在 此示出的具體實施方式
，而是本發(fā)明僅由隨附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1. 一種裝置，包括橢圓形的上薄膜板，構(gòu)造成使入射光透射；以及橢圓形的下薄膜板，構(gòu)造成反射入射光，且所述下薄膜板的周邊大體結(jié)合于所述上薄膜板的周邊，使得結(jié)合后的所述上薄膜板和下薄膜板的膨脹形成氣球，所述氣球?qū)⑼ㄟ^所述上薄膜透射的入射光反射到所述氣球內(nèi)的焦點(diǎn)。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述氣球的剛性由所述氣球 內(nèi)的膨脹壓力來保持。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述剛性能夠僅由所述膨脹 壓力來提供。
4. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述剛性的一半或更多由所 述膨脹壓力來提供。
5. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述上薄膜板和所述下薄膜 板具有圓形形狀。
6. 如權(quán)利要求l所述的裝置，還包括 束帶，其構(gòu)造成將所述氣球束縛于物體上。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述束帶與所述氣球在多個 位置處接觸。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，還包括與所述氣球接觸并與剛性定 位器接觸的系索；其中，所述束帶和所述系索構(gòu)造成將來自所述剛性 定位器的力分布于所述多個位置。
9，如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述束帶為柔性的并構(gòu)造成 抵抗所述氣球內(nèi)的膨脹壓力。
10. 如權(quán)利要求l所述的裝置，還包括支撐條，其在低于所述氣球的赤道的位置處繞著所述氣球延伸。
11. 如權(quán)利要求IO所述的裝置，還包括 所述氣球的皺褶區(qū)，其位于所述支撐條之上。
12. 如權(quán)利要求IO所述的裝置，其中，所述支撐條為剛性、處于 受壓狀態(tài)并抵抗向內(nèi)的力。
13. —種收集太陽能的方法，包括利用膨脹氣球的反射下板，將入射到膨脹氣球的透明上板的光反 射到所述膨脹氣球內(nèi)部的焦點(diǎn)上。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括通過束帶和剛性定位器將所述膨脹氣球錨定在地上，所述束帶和 剛性定位器構(gòu)造成將來自所述系索和所述剛性定位器之間的單個接觸 位置的應(yīng)變分布到所述束帶和所述膨脹氣球之間的多個接觸位置上。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括將柔性束帶圍繞所述膨脹氣球設(shè)置并構(gòu)造成用來抵抗所述膨脹氣 球內(nèi)的膨脹壓力。
16. —種膨脹氣球，包括橢圓形的上薄膜板，構(gòu)造成使入射光透射；以及 橢圓形的下薄膜板，構(gòu)造成反射入射光，且所述下薄膜板的周邊 大體結(jié)合于所述上薄膜板的周邊，從而膨脹壓力賦予所述膨脹氣球以 剛性，確保穿過所述上薄膜透射的所述入射光被反射到所述氣球內(nèi)的 焦點(diǎn)上。
17. 如權(quán)利要求16所述的膨脹氣球，其中，所述剛性能夠僅由所 述膨脹壓力來提供。
18. 如權(quán)利要求16所述的膨脹氣球，其中，所述剛性的一半或更 多由所述膨脹壓力來提供。
19. 一種制造太陽能收集器的方法，所述方法包括 將構(gòu)造成使入射光透射的圓形上薄膜板的周邊與構(gòu)造成反射入射光的圓形下薄膜板的周邊結(jié)合，以形成氣球；以及將氣體引至所述上薄膜板和所述下薄膜板之間，以對所述氣球進(jìn) 行充氣，從而使穿過所述上薄膜板的所述入射光被所述下薄膜板反射 到位于所述氣球內(nèi)的焦點(diǎn)上。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述氣體的引入產(chǎn)生了保持所述氣球剛性的膨脹壓力。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述剛性僅由所述膨脹壓 力來提供。
22. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述剛性的一半或更多由 所述膨脹壓力來提供。
全文摘要
本發(fā)明的實施方式涉及利用至少一個透明薄膜和一個反射薄膜的組件進(jìn)行太陽輻射能匯聚，所述組件膨脹后的形狀將平行光線反射到組件內(nèi)部的匯聚焦點(diǎn)上或者與組件緊鄰的匯聚焦點(diǎn)上。本發(fā)明的實施方式可以借助薄膜間的膠接或焊接而組裝成大體平坦的層疊件，這樣其可與常規(guī)的高生產(chǎn)量薄膜制造工藝相兼容。依據(jù)本發(fā)明的實施方式可采用外部周向環(huán)或“束帶”組件來支撐氣球并限定氣球的方向，以對抗風(fēng)力等，而無嚴(yán)重的應(yīng)力集中。依據(jù)本發(fā)明的實施方式還可利用薄膜附件，以有利于連線、降低應(yīng)力集中并修正膨脹后的形狀。依據(jù)本發(fā)明的實施方式還可采用包括層壓薄膜、膠粘劑、印花等在內(nèi)的薄膜修正器，以利于安裝、連線和其它功能。
文檔編號F24J2/08GK101523126SQ200780036805
公開日2009年9月2日 申請日期2007年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月23日
發(fā)明者E·B·卡明斯 申請人:清涼地球太陽能公司