專利名稱：：住宅太陽熱能設備的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及太陽熱能系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及高效的住宅太陽熱能收集、存儲和應用系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有能旋轉地安裝在例如為住宅屋頂?shù)膬?yōu)選固定結構上的拋物面槽式太陽聚光器；和共軸定位的用于從聚光器接收聚集的陽光的管狀集熱器，其中聚光器和集熱器的形狀和方位被設置為使陽光收集效率和傳輸?shù)綗釀恿Πl(fā)動機的熱能最大化，以優(yōu)化機械能和電能的產生。
背景技術：
：盡管太陽能商業(yè)可行性嘗試已持續(xù)一個世紀，但太陽能目前在總能量供應中占有的比例微不足道。這主要是由于現(xiàn)有太陽能集熱器、聚光器的性能和成本的低效以及與熱存儲介質的連接裝置，這已經(jīng)妨礙其廣泛采用和使用于商用和住宅應用。例如，在南加利福尼亞的太陽能發(fā)電系統(tǒng)(SEGS)設備代表當今在聚集太陽能(CSP)中運用的現(xiàn)有技術狀態(tài)?；诂F(xiàn)有SEGS設備的經(jīng)驗，來自使用目前可用技術新構建的設備的電力成本大約為IOC/kWh。這種成本比通過燃煤發(fā)電的大約3C/kWh的成本高得多。各種太陽能集熱器和聚光器以及與熱存儲介質和熱機的連接裝置已知用于太陽熱電能系統(tǒng)，例如SEGS設備中。幾個示例包括Nilsson的美國專利4,586,334和Mehos的美國專利6,487,859。Nilsson專利公開:"......太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括用于收集和聚集太陽能的裝置；儲熱裝置；用于產生動力的斯特靈發(fā)動機裝置"，和"……用于收集和聚集太陽能的所述裝置是反射盤；傳熱裝置包括第一和第二熱管；所述儲熱裝置優(yōu)選地為相變介質……"。Mehos專利公開"……用于盤/斯特靈系統(tǒng)的鈉熱管接收器"，而且引用文獻中證明"溫度高至790。C的鈉蒸氣"。此外，美國專利4,125,122公開從太陽聚光器接收能量的熱管，美國專利6700054B2尤其描述了與斯特靈發(fā)動機的連接，美國專利4088120描述了拋物面槽具有在焦點處連接到熱存儲介質的熱管。美國專利787,145描述了橢圓形盤鏡，其被定位成跟蹤太陽，并具有加熱器以在鏡的焦點產生蒸汽。美國專利3,982,526描述了用于使太陽能集熱器圍繞極軸轉動的裝置，美國專利6,886,339B2描述了具有太陽跟蹤系統(tǒng)的拋物面槽式太陽聚光器。美國專利4,205,657描述了具有蒸汽產生系統(tǒng)的拋物面槽式太陽聚光器。美國專利4,108,154描述了具有擋風罩的拋物面槽式太陽能集熱器。不過，目前可用的太陽能集熱器/聚光器的一個具體局限為它們相對較低的熱聚集效率，該效率為由集熱元件傳輸?shù)臒嵯鄬τ谌肷涞骄奂R表面區(qū)域上的陽光熱的比。基于最近的現(xiàn)場測量，最佳的可用集熱器(例如，從來自Schott的Solel或PTR70集熱器的UVAC集熱器，其使用被熱至400°C的油類傳熱流體)在800W/m2陽光入射的情況下實現(xiàn)的熱聚集效率最大值僅為50%。在更高或更低的陽光輻射水平下，熱效率甚至更低。這種效率較低，主要是由于這些集熱器的陽光聚集系數(shù)相對較低。例如，在SEGS設備的發(fā)電中，集熱元件中的吸收表面的直徑為7cm,而拋物面槽孔的寬度為5.77m,則聚光器孔面積與集熱器吸收面積的比，即陽光聚集系數(shù)，僅為26。與拋物面槽式集熱器的相對較低的聚集系數(shù)相關的另一局限在于集熱器軸向長度相對于聚光器孔寬度相當大。在DISS情況下，長寬比例如為46。作為現(xiàn)有技術中拋物面槽式集熱器的特征的另一效率損失系數(shù)與其水平配置相關。對于整天和整年的陽光入射角范圍取平均，導致87%的平均幾何透視收縮系數(shù)。有利的是，在住宅/商用單元環(huán)境中提供高效太陽熱能系統(tǒng)用于太陽熱能的經(jīng)濟利用，從而克服當前太陽能技術在降低能量成本上的局限。特別地，能夠將拋物面槽式集熱器的陽光聚集系數(shù)增加至超過大約160并將平均幾何透視收縮系數(shù)提高至大于大約90%的設備和方法，將特別有利于基本上提高這種太陽熱能設備的熱聚集效率。
發(fā)明內容本發(fā)明的一個方面包括一種太陽熱能設備，包括具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡，用于沿所述聚焦軸聚集陽光；用于使所述鏡圍繞縱向旋轉軸線旋轉以跟隨太陽的裝置；和集熱器，該集熱器包括圍繞流動通道的伸長的供熱管，所述流動通道具有橢圓形截面形狀，所述橢圓形截面形狀的特征為具有長軸和短軸，其中所述通道沿所述長軸具有最大直徑，所述通道沿所述短軸具有最小直徑，并且所述長軸對準所述拋物面槽式鏡的縱向對稱面，所述供熱管沿所述鏡的聚焦軸共軸定位以接收來自所述鏡的聚集陽光，使得在所述供熱管中的工作流體由此被加熱并被提供以通過所述供熱管的出口端供使用。本發(fā)明的另一方面包括一種太陽熱能設備，包括具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡，用于沿所述聚焦軸聚集陽光；用于使所述鏡圍繞旋轉軸線旋轉以跟隨太陽的裝置；和管狀集熱器，該管狀集熱器包括光學透明厚壁供熱管，所述厚壁供熱管具有形成流動通道的內壁表面和用于擴大所述流動通道的尺寸的凸曲線外壁表面，所述內壁表面被涂覆以陽光吸收材料，所述供熱管沿所述聚焦軸共軸定位以接收來自所述鏡的聚集陽光，使得所述流動通道中的工作流體由此被加熱并被提供以通過所述供熱管的出口端供使用。本發(fā)明的又一方面包括一種太陽熱能設備，包括具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡，用于沿所述聚焦軸聚集陽光；用于安裝所述鏡的裝置，使得所述聚焦軸平行于地球的旋轉軸線且所述鏡能夠圍繞其縱向旋轉軸線旋轉；用于使所述鏡圍繞所述旋轉軸線旋轉以跟隨太陽的裝置；和伸長的管狀集熱器，該伸長的管狀集熱器形成流動通道并沿所述聚焦軸共軸定位以接收來自所述鏡的聚集陽光，使得所述流動通道中的工作流體由此被加熱并被提供以通過所述集熱器的出口端供使用。本發(fā)明的再一方面包括一種太陽熱能設備，包括具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡，用于沿所述聚焦軸聚集陽光；用于安裝所述鏡的裝置，使得所述聚焦軸平行于地球的旋轉軸線且所述鏡能夠圍繞其縱向旋轉軸線旋轉；用于使所述鏡圍繞縱向旋轉軸線旋轉以跟隨太陽的裝置；和管狀集熱器，該管狀集熱器包括光學透明厚壁供熱管，所述厚壁供熱管具有形成流動通道的內壁表面和用于擴大所述流動通道的尺寸的凸曲線外壁表面，所述流動通道具有橢圓形截面形狀，所述橢圓形截面形狀的特征為具有長軸和短軸，其中所述通道沿所述長軸具有最大直徑，所述通道沿所述短軸具有最小直徑，所述長軸對準所述拋物面槽式鏡的縱向對稱面，所述內壁表面被涂覆以陽光吸收材料，所述供熱管沿所述聚焦軸共軸定位以接收來自所述鏡的聚集陽光，使得所述流動通道中的工作流體由此被加熱并被提供以通過所述供熱管的出口端供使用。通常，本發(fā)明的住宅太陽熱能設備，主要基于在此描述的用于太陽熱飛機中使用的太陽熱能設備。這樣，本發(fā)明的住宅太陽熱能設備具有多個主要部件，包括能夠聚焦/聚集陽光并圍繞旋轉軸線旋轉的陽光聚集鏡，定位以吸收聚集陽光的集熱器/供熱管，連接到所述集熱器的出口端的熱能存儲器，和能操作地連接到所述熱能存儲器的熱動力發(fā)動機，所有這些部件在結構和操作上類似于前述用于太陽熱飛機的那些部件。不過，所述住宅太陽熱能設備包括另外的提高效率的特征，這些特征能夠通過能安裝到諸如建筑物的屋頂?shù)膬?yōu)選固定結構上并共同工作以提供動力設備的整體效率而實現(xiàn)。例如，在一個特定實施例中，所述集熱器的供熱管具有橢圓形截面輪廓，這增大陽光聚集系數(shù)，即聚光鏡的孔面積與供熱管的陽光吸收面積的比。在另一實施例中，使用光學透明厚壁供熱管，使得所述供熱管的外表面用于擴大由內表面形成的流動通道的尺寸，從而進一步增大陽光聚集系數(shù)。而且，在又一實施例中，聚光鏡和集熱器能夠被安裝而使得所述鏡和集熱器的聚焦軸平行于地球的旋轉軸線對準。這使一年中不同時間的陽光入射的透視收縮影響最小化以提高陽光聚集。在對于系統(tǒng)資金成本的影響可忽略的情況下，由于提高的效率直接增大發(fā)電速率以降低電力成本，因此，本發(fā)明的住宅太陽熱能設備的這些用于提高效率的特征獨立地以及以組合方式提供以更低成本提供能量產生/發(fā)電。表1列出有助于拋物面槽式系統(tǒng)整體效率的多個公知效率系數(shù)(基于諸如南加利福尼亞的SEGS設備之類的商用動力設備的試驗)。此外，表l顯示如何通過本發(fā)明提高這些效率系數(shù)。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表1中的用于傳統(tǒng)拋物面槽的數(shù)值取自SargentLundy的2004拋物面槽技術報告。本發(fā)明的凈效率優(yōu)點，即所有單個效率系數(shù)的乘積，顯示在表中末行。由于在當前構造中幾乎不會導致相對于SEGS設備公知的額外成本，因而可通過以表1中相關效率系數(shù)的倒數(shù)換算傳統(tǒng)SEGS成本而估計電力成本。假定資金成本沒有明顯增加，則發(fā)電成本(LEC)估計從10(2/kWh削減至6C/kWh。在住宅應用中，從供給到蒸汽機的冷卻水中獲得的熱的經(jīng)濟價值可基于節(jié)省的加熱燃料量來估計。這種經(jīng)濟價值大約為2C/kWh的加熱能量。通過冷卻發(fā)動機獲得的加熱能量大約是發(fā)動機產生的動力的兩倍。從LEC成本中減去由于水和空間加熱獲得的經(jīng)濟效益，得到低于4(2/kWh的電力成本。由于這一成本比在北加利福尼亞的典型消費者的大約IOC/kWh的電力零售價格低得多，因而這顯示基于本發(fā)明構造的這種陽光熱能實際上具有經(jīng)濟竟爭力。各附圖包含在本申請文件中并且形成為本公開內容的一部分，具體如下圖1是本發(fā)明的太陽能飛機的示例性實施例的立體圖。圖2是太陽能飛機沿圖1的線2-2所取的側剖視圖。圖3是太陽能飛機的機身沿圖2的線3-3所取的剖視圖。圖3a是在圖3所示圓圈3a中包圍的集熱元件和背反射器的放大剖視圖。圖4是在圖3a所示圓圈4中包圍的集熱元件的放大剖視圖。圖5是聯(lián)接到熱機的熱存儲容器的立體圖。圖6是熱存儲容器沿圖5的線6-6所取的剖視圖。圖7是熱存儲容器和熱機沿圖5的線7-7所取的剖視圖。圖8是在圖7所示圓圈8中包圍的曲軸抽吸結構的放大剖視圖。圖9是氫化鋰安全殼結構的放大剖視圖。圖IO是多層絕緣結構的放大剖視圖。圖11是用于陽光跟蹤模式的定日鏡電路圖。圖12是用于陽光搜索模式的定日鏡電路圖。圖13是定日鏡模式開關電路圖。圖14是雙發(fā)動機/雙集熱器的太陽能飛機的立體圖。圖15是單發(fā)動機/雙推進式螺旋槳的太陽能飛機的立體圖。圖16是斯特靈發(fā)動機的剖視圖。圖17是與LiH-Li混合物平衡的氫蒸氣壓的圖線。圖18太陽能飛機的導管風扇實施例的側剖視圖。圖19是通過具有6通道結構的可替代熱管實施例的剖視圖。圖20是包括工作流體的密封貯存器的可替代熱存儲容器和熱機的剖視圖。圖21是本發(fā)明的安裝在北半球地點的住宅太陽熱能設備的示例性實施例的立體圖。圖22是本發(fā)明的被示為由防風罩保護的聚光鏡和集熱器的示例性實施例的軸向剖視圖。圖23是圖21中所示實施例沿線23-23所取的剖視圖，其中顯示在夏至時的代表性太陽光線。圖24是圖21中所示實施例的類似于圖23的剖視圖，其中顯示在冬至時的代表性太陽光線。圖25是圖22的圓圈25中包圍的示例性集熱器的放大剖視圖。圖26是本發(fā)明的集熱器的第二示例性實施例的放大剖視圖，該集熱器包括由真空光學透明管狀包殼包圍并具有橢圓形截面輪廓的薄壁供熱管。圖27是本發(fā)明的集熱器的第三示例性實施例的放大剖視圖，該集熱器為光學透明的厚壁供熱管。圖28是本發(fā)明的集熱器的第四示例性實施例的放大剖視圖，該集熱器包括由真空光學透明管狀包殼包圍的類似于圖27的光學透明厚壁供熱管。圖29是例示本發(fā)明的示例性蒸汽行成實施例的示意圖。圖30是本發(fā)明的拋物面槽式鏡的立體幾何圖。圖31是本發(fā)明的集熱器的第五示例性實施例的放大剖視圖，該集熱器具有四個側面和四個相》于的頂點。具體實施例方式A太陽能飛機在以下用于太陽能飛機的描述中使用的附圖標記在表2中列出。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>現(xiàn)在轉到附圖，圖1和2顯示總體上以附圖標記100表示的本發(fā)明的飛機的示例性實施例。飛機100顯示為具有傳統(tǒng)的固定翼飛機主體結構，該結構包括機身103、翼102以及從機身延伸的水平和豎直穩(wěn)定鰭。在此和在權利要求書中使用的術語"飛機主體"通常包括機身、翼以及連接到機身并從機身延伸的其它結構部件之一的水平和豎直穩(wěn)定鰭。此外，由方向舵104、升降舵105(或圖15中顯示的方向升降舵111)和副翼106提供姿態(tài)控制。諸如圖1中螺旋槳109之類的推進裝置被聯(lián)接到諸如熱機140之類的發(fā)動機，以推進飛機并由此形成上升并維持飛機的自由飛行。飛機主體的示例性可替代實施例示于在下文中更詳細地i侖述的圖14、15和17中。圖1和2還顯示飛才幾100的大致位于飛才幾主體，即沖幾身103內部的太陽熱能設備。該太陽熱能設備包括熱機140、包括熱存儲容器和介質的熱存儲裝置(即熱電池130)、陽光跟蹤聚光器110,以及集熱/傳熱導管、設備、或其它裝置120。熱機140被示為在前端處安裝在才凡身103中，其中熱電池130(特別是熱存儲介質)與熱4幾的熱側熱接觸。冷卻空氣入口通道108由于其內部位置可被設置為將周圍空氣從螺旋槳109逆流引導到熱機的冷側用于冷卻。圖18中顯示的可替代的示例性實施例包括熱機140的后支架，其中通過向后安裝的的導管風扇150將周圍空氣吸入經(jīng)過散熱片141。陽光跟蹤聚光器IIO被可移動地安裝用于在飛機主體的光學透明部分112致動，光學透明部分112在圖2中被示為機身103的一部分。光學透明部分112具有由杜邦公司的TEDLAR的光學透明、防紫外線的輕質材料制成的機身外殼，該材料允許大部分入射的太陽能透過并傳到太陽聚光器110。陽光跟蹤聚光器圖2和3以優(yōu)選拋物面槽式反射器的形式顯示太陽聚光器，即聚光鏡110,該聚光鏡110被能移動地安裝到與機身相連的支撐結構114。特別地，聚光鏡被安裝以圍繞旋轉軸線自由旋轉，該旋轉軸線優(yōu)選地為拋物面槽式反射器的聚焦軸。而且，所述旋轉軸線也可定位成與機身的中心軸線共軸。在任何情況下，聚光鏡可由輕質薄塑料膜制成，所述輕質薄塑料膜例如在一排成形設備的基架上延展并被涂覆以諸如金或銀之類的高反射性金屬的薄層。太陽聚光器支撐結構114優(yōu)選地為允許大部分入射陽光通量傳遞到聚光鏡UO的空間框架。整個太陽聚光器組件被平衡，從而不需要用于保持特定方位的4丑矩。太陽聚光器的旋轉控制由陽光跟蹤設備或裝置提供，該陽光跟蹤設備或裝置包括用于確定太陽聚光器是否與太陽最優(yōu)對準的設備或裝置以及基于最優(yōu)對準確定而使太陽聚光鏡致動(例如旋轉)至與太陽最優(yōu)對準的設備或裝置。在此和在權利要求書中使用的"最優(yōu)對準"是指產生最大陽光通量聚集的對準和角度，即"直接面對"太陽的位置。致動設備或裝置例如可包括安裝在太陽聚光器組件的旋轉軸線上的驅動馬達115(圖2)。用于確定最優(yōu)對準的設備或裝置可為定日鏡116，該定日鏡116適于確定太陽相對于聚光鏡110的聚焦軸的對準并能操作地連接到驅動馬達115以控制太陽聚光器的旋轉動作。特別地，定日鏡適于檢測集熱和傳熱元件(熱管)沿聚焦軸的陰影，用于最優(yōu)對準確定。定日鏡116在圖2中被顯示為安裝在聚光鏡上，并特別地沿反射拋物面槽的對稱面安裝。定日鏡116包括傳感元件，該傳感元件優(yōu)選地為太陽能電池(例如117-119)并優(yōu)選地關于聚光鏡110的對稱面對稱排布。在優(yōu)選實施例中，太陽能電池包括中心電池118和在該中心電池的相反側上的兩個外電池117和119。定日鏡操作的優(yōu)選方法在閉環(huán)反饋穩(wěn)定系統(tǒng)中使用所述一個中心太陽能電池和兩個外太陽能電池，并且包括兩種操作模式太陽搜索模式和太陽跟蹤模式，如圖11-13中所示。首先，在太陽跟蹤模式中，太陽已經(jīng)與反射拋物面槽的對稱面對準，而且檢測到對準偏差。當太陽聚光器與太陽完全，即最優(yōu)對準時，定日鏡116的兩個外電池117、119被同等地照射，而中心電池118處于集熱器120的背反射器113的陰影中(或者在不使用背反射器時處于集熱器自身的陰影中)。隨著對準從最優(yōu)狀態(tài)略微偏離，定日鏡116的外太陽能電池117、119之一得到更多的陽光暴露，而相反的電池暴露減少。這些傳感器反饋到現(xiàn)有技術中已知的能操作地連接到例如馬達115的致動機構的控制機構(未示出)，以可調節(jié)地旋轉支撐結構114上的太陽聚光器UO,從而使聚光鏡與朝向太陽的投射方向保持最優(yōu)對準。這種系統(tǒng)的示于圖11。在此圖中，發(fā)送到DC電動馬達115的電壓是光電二極管117和119上的電壓差，并與對準位置的偏差成比例，且對于特定范圍的偏差具有近似線性的復原力矩。在陽光搜索模式中，與兩個外電池117和119關聯(lián)的光電二極管被電連接，如圖12中所示。只要存在一些陽光照射，則DC馬達115在太陽聚光器機構上產生驅動扭矩。在沒有陰影落到任何光電二極管上且所述光電二極管均被同等照射的條件下，端部光電二極管(用于驅動所述馬達)的平均電壓小于中心二極管上的電壓。在這種情況下，操作放大器164的輸出較低，且極性開關處于太陽搜索模式。當軸向集熱器背反射器的陰影落在中心光電二極管118上時，從太陽搜索模式轉變?yōu)樘柛櫮Ｊ?。當中心光電二極管變得被充分遮蔽時，其電壓下降到低于兩個外光電二極管117和119的平均電壓。利用這種中心二極管電壓的下降以改變與馬達115相連的二極管117和119的極性的電路顯示在圖13中。當中心二極管118變得被充分遮蔽時，其電壓下降，操作放大器的輸出變高，因而觸發(fā)太陽跟蹤模式。機械結構的摩擦用于緩沖關于完全對準方位的振蕩。應認識到的是，在每天日出時以及在每次飛機航向變得很接近于朝向太陽的投射方向且定日鏡受到的照射不足以保持太陽跟蹤時需要太陽搜索模式。此外，太陽能電池傳感器適于提供動力以直接驅動軸向旋轉致動器，即DC馬達115，而且不需要外部動力源。以這種方式，定日鏡系統(tǒng)所需的質量和復雜性顯著降低。集熱和傳熱元件(熱管)一旦拋物面槽式反射器110與太陽對準，則太陽輻射被聚焦在最佳地如圖2和3中所示沿拋物面槽式反射器110的聚焦軸(也顯示為機身103的中心軸線)定位的集熱器120的中心。如圖3a和4中所示，集熱器120包括中心熱管129和集熱器包殼122，該集熱器包殼122是允許聚焦的陽光傳遞到中心熱管129的透明真空容器。在優(yōu)選實施例中，包殼材料是熔融石英，以利用其高透明性、高強度和耐高溫性。透明的集熱器包殼122被構造成支持在真空空間123中的足夠高的真空，從而防止從中心熱管129的顯著的傳導或對流熱損失。集熱器包殼122可具有防反射涂層121,該防反射涂層121減少至中心熱管的陽光傳輸損失并且使熱的中心熱管對包殼的輻射加熱最小化。如圖4中所示，集熱器包殼122的內表面和外表面均涂覆以防反射涂層121。如圖4所示，熱管129優(yōu)選地包括具有單一三角形通道的三角形微熱管結構129,這種構造特別適合于小型飛機應用。不過，對于較大的飛機應用，具有多個平行毛細管通道的網(wǎng)絡的熱管為優(yōu)選。多個毛細管通道構造的示例顯示在圖19中，其中例示六個平行通道的密集組件，每個通道具有三角形截面。熱管129包含操作以收集太陽能并將熱傳輸?shù)綗岽鎯橘|和/或熱機(見圖5和6)的傳熱工作流體。傳熱工作流體優(yōu)選地為顯示為沿三角形熱管結構的三個角部的彎液面的液相127，以及氣相126的鈉?？商娲兀嚳捎米鱾鳠峁ぷ髁黧w。在任何情況下，熱管工作流體彎液面的曲率半徑在集熱器的受熱區(qū)域的長度上變化，并產生壓降，該壓降將蒸汽從沿太陽聚光器的聚焦軸定位的熱管的熱端驅動至位于熱電池130內的鈉冷凝器128。對應的液態(tài)鈉回流從冷凝器排放至熱部分中。這種排放主要由毛細力驅動，不過還通過如圖5所示并將在下文中更詳細描述的熱管的彎曲區(qū)域158中的重力補充。圖4中所示熱管的殼125優(yōu)選地由高強度、高溫材料制成，例如由不銹鋼制成，并具有外涂層124,外涂層124非常有效地吸收陽光并同時具有相對較低的熱發(fā)射率。根據(jù)文獻"來自拋物面槽式陽光動力設備的能量成本降低預印本"(H.Price和D.Kearney著，從國家技術信息服務中心可獲得，報告編號為NREL/CP-550-33208，2003年1月出版，并在此通過引用被并入本文)，96%的包殼太陽透射率、94.1%的涂層太陽吸收率和9.1%的涂層熱發(fā)射已經(jīng)顯示為對于太陽能收集系統(tǒng)而言是實用的。假定這些值用于收集元件的光學性能，則對于基底寬度等于聚光鏡110的孔口的0.35%的等邊三角形截面熱管129而言，在1150K、接近鈉的沸點時熱管的操作效率將會大約為85%。通過添加高反射性的半圓形背反射器113，如圖3a中所示，該效率增加至大約90%。背反射器在與拋物面槽相反的一側鄰近集熱器120,且優(yōu)選地與太陽聚光器一起被能旋轉地安裝到太陽聚光器支撐結構114。在優(yōu)選實施例中，背反射器113具有與熱管同心的半圓形截面，因此，大量從熱管沿遠離聚光鏡的方向發(fā)射的熱輻射并未損失，而是被反射并重新聚焦到熱管上。直徑明顯大于聚光器孔口的0.35%的熱管吸收稍稍更多的能量，不過且具有更大的輻射表面積并因而效率較低。直徑明顯小于聚光器孔口的0.35%的熱管明顯小于在其表面上的太陽的投射影像，并因而具有低收集效率。采用背反射器113時的90%的效率，表現(xiàn)出入射到聚光鏡上的太陽能的部分，該部分實現(xiàn)為至熱機熱側的熱并可用于熱存儲。陽光收集涂層124僅在熱管被太陽聚光器照射的部分上延伸。對于在陽光吸收區(qū)域的端部與熱電池之間的間隔而言，熱管外表面為例如金的高反射性材料。這減少了熱管在未被設計為收集太陽能的區(qū)域中的熱發(fā)射。用于集熱器120的制造方法對電子真空管制造領域的技術人員眾所周知。實際上，整體結構類似于長柱形"燈泡"，其包括透明包殼，該透明包殼具有中心高溫"燈絲"，即熱管129。如現(xiàn)有技術中眾所周知的是，這樣的真空容器能保持足夠質量的真空，以保持燈絲和玻璃包殼之間的絕熱達數(shù)年。例如鈦的吸氣劑(未示出)在太陽聚光器區(qū)域與熱電池之間的部分中可被沉積在集熱器包殼的內部，以有助于保持必要的真空質量，而又不降低集熱效率。熱管的熱二極管的作用由于熱管129中的熱傳輸機構在陽光照射時主要由毛細管作用驅動，因而在集熱器120中可采用平緩彎曲部以便于將集熱器120聯(lián)接到熱電池130。此外，在熱電池130與太陽聚光器IIO之間的彎曲部，例如圖5中所示的向下傾斜彎曲部158，也為熱管提供"熱二極管"作用。在彎曲部158中遠離熱電池130的向下傾斜部在黑暗時段時用作熱管工作流體的"排放部"。由于只要陽光可用，定日鏡裝置就自發(fā)地用于保持太陽聚光器指向太陽；因而在曰照時，熱管中的鈉例如作為傳熱介質而保持有效。在長期黑暗時，熱管距熱電池130的遠距離區(qū)域中的鈉將液化，并之后固化。液態(tài)鈉將通過重力沿熱管120中的彎曲部158向下排放出熱電池130。最終，幾乎所有鈉將凍結在彎曲部區(qū)域158以下的熱管區(qū)域中。熱電池外的剩余熱連接部為薄的不銹鋼熱管殼和薄玻璃包殼，二者均不具有大的熱導率。以這種方式，熱管用作熱二極管，以在長期黑暗時段(例如在夜晚)或在長期的多云時段防止熱電池的明顯熱損失，而同時在日照時段具有極高的熱傳輸效率。熱電池容器如前所述并進一步在圖6和7所示，熱電池130包括(1)具有層131、132和133的熱存儲容器，和(2)包含在熱存儲容器中的熱存儲介質，即熱電池芯136。對于熱存儲容器即熱電池容器而言，其包括由分隔部135分離的若干層薄、高反射性材料132,和高反射性的外真空容器131，以包圍安全殼結構133。如圖9中所示，安全殼結構133進一步包括主安全殼137和金層139,這在下文中詳細描述。所述高反射性材料層用作輻射屏蔽，并提供對熱的熱電池芯136的熱絕緣。在優(yōu)選實施例中，將多層反射性材料分離的分隔部135是反射性材料中的簡單尖角凹窩，其具有極小的質量，并在層間提供極少的熱接觸。容具131被抽空以防止熱絕緣的傳導或對流退化。特定量的吸氣劑材料(未示出)，例如鈦，可被沉積在真空容器131的內部，以保持足夠高的真空質量，從而保持多層絕緣的熱絕緣質量。對于本領域普通技術人員而言眾所周知的是，對于被設計為具有可忽略的傳導和對流熱損失的這種多層絕緣結構，對于總共15層的發(fā)射率為0.03的反射性材料(如目標涂層的典型情況)和1200K的內部溫度而言，有效熱發(fā)射率為0.001,且輻射冷卻功率損失率僅為大約120W/m2。熱電池芯對于由熱電池容器容納的熱存儲介質，即熱電池芯136,采用作為熱能存儲介質的LiH的效用曾在之前的
背景技術：
中論述，這是因為LiH具有極高的單位質量的熱能的特性。不過，為了解決氬化鋰在諸如700。C或更高的高溫下密封的問題，采用少量鋰的混合物以防止氫爆炸。因此，熱存儲介質，即熱電池芯136,包括氫化鋰和鋰金屬的混合物，該混合物與包括氫氣和液相鋰和氫化鋰在內的各種離解產物134實現(xiàn)平衡。對總氣壓的最重要的貢獻是氫的分壓力。平衡的氫壓是溫度和Li在LiH-Li混合物中所占比例的函數(shù)，如圖17中所示。理論上，純LiH在恰高于LiH熔點時具有無窮大的氫蒸汽壓。因此，必須在熱電池芯中提供特定少量的Li以及LiH或者在最后密封之前使一些氫從容器中滲出。制造LiH和Li的混合物可通過一些方式實現(xiàn)首先，在熱電池制造過程中開始一定量的純LiH;在將LiH初始密封在其包括不透LiH-Li合金的主安全殼137中之后，通過將LiH加熱至恰低于熔點測試密封質量。對于Li而言相對惰性的一些可能合金為Mo-Z、Mo-Re和Nb-Zr,如在第七屆國際熱管研討會(1993)中A.Bricard、T.Claret、P.Lecocq和T.Alleau的"高溫液態(tài)金屬熱管"中所述，該文獻在此通過引用并入本文。根據(jù)SJ.Pawel的文獻"在800°C下潛在安全材料與熔融氬化鋰的相容性"(公開于1993年的核材料期刊第207巻、第136-152頁，并且也通過引用并入本文)，"穩(wěn)定化(Nb和Ti)的低碳(<0.06%)鋼顯示為在具有穩(wěn)態(tài)碳化物的LiH中在800。C下大致惰性，而且沒有晶粒生長"。初始的"密封測試，，加熱步驟導致氫壓力在LiH容器中明顯的積累。如果密封不良，則將會觀測到相對較高的氫壓力。與此不同的是，如果容器密封良好，則在容器之外將可見僅由于氫滲出所致的低得多的氫壓力。在少量氫已滲出容器之后，LiH可緩慢升溫(以避免過大壓力峰值)至熔點以上，且充分的氬通過滲出而被去除以使芯136中的Li金屬比例保持在所希望的值。作為示例，通過獲得2%的Li金屬混合物，在IIOOK的工作溫度下的氫壓力將略高于一個大氣壓，如圖17中的圖線所示。一旦已經(jīng)實現(xiàn)所希望的LiH-Li混合，則可停止加熱，并使LiH容器冷卻。為了防止明顯的氫滲出，內部的LiH安全殼被涂覆以金層139。最外的金層139對氫的散發(fā)提供阻滲透層。大約0.001英寸的金層估計可實現(xiàn)超過一年的氫密封壽命。金具有低的熱發(fā)射率(大約3%)額外優(yōu)點，并由此提供低的通過多層熱絕緣的熱輻射冷卻損失。熱電池130中的內腔在熱管129的端部為鈉冷凝器128提供良好的熱接觸，如圖6中所示。鈉冷凝器128的外表面主要通過LiH離解時的氫"沸騰"而被冷卻。氫氣泡上升至蒸汽空間，其中一些氫-鋰再結合在液相136中發(fā)生，而一些再結合在汽相134中發(fā)生，直到達到平衡。鈉冷凝器足夠大以確保通過鈉冷凝器128進入熱電池的熱通量低于標志所稱"過渡"沸騰開始的臨界熱通量，并由此保持高傳熱效率。熱機圖16例示對熱機領域中的專業(yè)人員公知的P型斯特靈發(fā)動機，其用作熱機140的優(yōu)選實施例。通常，曲柄機構147通過曲軸148將斯特靈發(fā)動機的往復運動轉變?yōu)槁菪龢男D運動，這對于本領域技術人員是公知的。斯特靈發(fā)動機具有熱側和冷側，分別由熱側熱交換器142和冷側熱交換器144表示。斯特靈發(fā)動機機構迫使密封在其中的諸如空氣或氦之類的工作流體從膨脹空間151循環(huán)通過熱側熱交換器142、再生器143、冷側熱交換器144、壓縮空間153并返回。工作流體經(jīng)過壓力循環(huán)，該壓力循環(huán)被分階段實行，以將循環(huán)過程中的凈功率通過動力活塞154傳遞到曲軸148。壓縮空間容積153相對于膨脹空間容積151的相位變化大約為90。。圍繞移位活塞的間隙156足夠大，以使膨脹空間151與壓縮空間153之間僅發(fā)生不明顯的壓降。與此不同的是，圍繞動力活塞的間隙157足夠小，以使壓縮空間153與曲軸箱空間155之間幾乎不存在工作流體。在多次循環(huán)之后，足夠的工作流體也確實流動通過動力活塞間隙157,從而在壓縮空間153中的平均壓力與曲軸箱空間155中的平均壓力之間達到平衡。如圖7所示，熱電池130整體和熱存4諸介質(特別地例如為LiH/Li混合物)與熱機140的熱側熱接觸，用于將熱由集熱和傳熱導管(即熱管120)傳輸?shù)拇鎯峁綗醾?。熱側熱交換器142主要由熱的液相136的傳導通過薄容器壁133被加熱。通過經(jīng)由入口通道108流入并經(jīng)過一組散熱片141的周圍空氣所提供的強制對流冷卻，廢熱從熱機140的冷側熱交換器144中去除。由于高空的空氣溫度很低，在10km與40km之間大約為220K,因此，熱機的冷側可保持相對較冷，結果形成的卡諾熱機效率可超過70%。實現(xiàn)這種效率得益于圖2所示的空氣冷卻通道108的設計。被迫通過散熱片141的冷空氣可由經(jīng)過飛機的氣流、向前的螺旋槳109或向后的導管風扇150驅動。如圖7所示，熱側熱交換器142的全長位于熱電池芯內，而再生器143的全跨度延伸越過熱電池芯與外真空容器壁之間的間隙，冷側熱交換器144位于散熱片141的范圍內。這種布置使得與熱和冷熱貯存器的熱接觸均最大化，并在再生器上產生近似線性的溫度梯度。斯特靈發(fā)動機功率調制由斯特靈發(fā)動機產生的功率易于隨發(fā)動機內膨脹空間151中的平均壓力增大。這樣，通過圖7所示的曲軸箱減壓閥149使發(fā)動機曲軸箱通風到例如周圍空氣，用于減小輸出功率。相應地，增大曲軸箱壓力用于增大輸出功率。將曲軸箱加壓至高于周圍大氣壓，優(yōu)選地通過曲軸泵145的作用而實現(xiàn)，該曲軸泵145隨著曲軸旋轉產生抽吸作用以使曲柄軸箱自加壓。曲軸泵145包括在曲軸表面上或在圍繞該曲軸的軸頸上的至少一個螺旋槽。應認識到的是，可采用沿相同方向的一個或多個螺旋槽以實現(xiàn)更大的抽吸性能。過濾器146防止工作流體中的顆粒污染阻塞曲軸泵145中的通路。在優(yōu)選實施例中，針對工作流體筒單地為周圍空氣的情況，曲軸箱增壓至由曲軸泵和外部大氣壓的壓降確定的值。這種壓降進而根據(jù)槽的數(shù)量和槽的形狀由所述槽的設計確定。曲軸泵的穩(wěn)態(tài)速度被設計成產生發(fā)動機曲軸箱內的給定平均工作壓力。在曲軸箱泵上的一個大氣壓的壓降例如產生的工作壓力對飛機的工作高度相對不敏感。在對應于大氣壓10%的高度，發(fā)動機的工作壓力將大約為50%，這對應于海平面?？商娲鷮嵤├@示在圖20中，其使用氦作為斯特靈發(fā)動機的工作流體，該可替代實施例包括封閉和密封貯存器160(工作流體壓力容器)，用于容納從曲軸箱減壓閥149排出的氦并在閉合循環(huán)中使排出的氦經(jīng)由過濾器146返回曲軸泵145。在密封腔中氦的壓力比發(fā)動機工作壓力低的多，因此，外曲軸軸頸軸承162可易于用作氣密性密封件以防止漏至周圍空氣的明顯氦損失。在另一實施例中，工作流體可為氫，此外，透氫帽163(為此，在許多情況即使高溫鋼也是適合的)可用在斯特靈發(fā)動機的熱端上。在這種情況下，熱電池芯136中的緩慢氫損失可由通過端帽163的斯特靈發(fā)動機氫工作流體的緩慢增益平衡，由此將熱電池的氫密封壽命延長至任意程度?？商娲鷺嬙靾D14、15和18顯示用于各種構造的飛機的太陽熱能設備的可替代結構。圖14例示的飛機100具有兩個太陽熱能設備，分別設置在飛機的每個翼102上。特別地，圖14顯示出的多個安裝在翼上的太陽能收集和存儲系統(tǒng)直接聯(lián)接到對應的安裝在翼上的熱機。這樣，每個翼上的每個太陽熱能設備能夠自給維持并且能夠獨立工作。圖15顯示安裝在機身上的太陽能收集和存儲系統(tǒng)，其中多個安裝在翼上的螺旋槳由傳動系統(tǒng)107驅動。應認識到的是，螺旋槳可被設置以推動飛機，如圖15中具體所示，或者可替代地可拉動飛機(未示出)。圖18顯示安裝在機身上的太陽能收集和存儲系統(tǒng)，其中具有尾部安裝的導管風扇推進系統(tǒng)150。如所示，熱機140和散熱片141特別地通過空氣入口108;故冷卻，空氣入口108也用于將氣流供應到導管風扇推進系統(tǒng)。B.住宅太陽熱能設備前述的用于太陽能飛機的太陽熱能設備也可被具體表現(xiàn)為用在住宅和商用地面應用中，在下文中被統(tǒng)一稱為"住宅太陽熱能設備"。當用于這樣的固定、靜止的實施方案中，可實現(xiàn)另外的益處，例如成本效率，這可使這樣的住宅太陽熱能設備對于國內消費而言具有經(jīng)濟吸引力。雖然以下描述主要著重于固定結構應用，不過應認識到的是，本發(fā)明的住宅太陽熱能設備也可安裝在不必固定或設置在地面上的其它結構中，例如安裝在船舶、火車或其它移動的但受限于地面的平臺上，以實現(xiàn)有效太陽熱能發(fā)電的類似益處。在以下對于住宅太陽熱能設備的描述中使用的附圖標記在表3中列出。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage27</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>圖21以立體圖方式顯示本發(fā)明的住宅太陽熱能設備的示例性實施例，其中具有多個主要部件，包括能夠圍繞旋轉軸線旋轉并沿聚焦軸陽光聚焦的陽光聚集鏡210、沿所述鏡的聚焦軸定位以吸收聚焦的/聚集的陽光的集熱器220(類似于集熱器120)、連接到集熱器的輸出端的熱能存儲器230以及能操作連接到熱能存儲器的熱動力發(fā)動機240,所有這些部件在結構和操作上類似于前述的用于太陽能飛機的部件。特別地，用于住宅太陽熱能設備的陽光聚集鏡210的優(yōu)選形狀也為伸長的拋物面槽的形狀，如圖30所示，該陽光聚集鏡210具有沿其聚焦軸的縱向的長度L和拋物曲線截面，并具有將陽光聚焦到聚焦軸上的反射性內表面。聚光鏡具有寬度W和縱向對稱面213,對稱面213半部分通過沿寬度W的拋物曲線的聚焦軸，并在槽的底部通過拋物曲線的中心，如圖30所示。圖22顯示住宅太陽熱能設備的聚集鏡210和集熱器的軸向截面，其中包括供熱管226(集熱器220代表其主要部件)，供熱管226沿鏡的聚焦軸共軸定位而使得由鏡聚焦的陽光入射到供熱管226上以加熱在該管內的工作流體(未示出)。為了使聚集鏡圍繞其旋轉軸線(例如聚焦軸)旋轉，優(yōu)選地使用類似于用于旋轉針對太陽能飛機所描述的鏡的致動器裝置、馬達或其它裝置215,其不同之處在于，該致動器裝置優(yōu)選地為時鐘機構驅動器，其工作以基于預定的旋轉時間表來轉動鏡，例如每循環(huán)24小時，從而在白天跟隨太陽并保持聚焦陽光聚集到供熱管226上。不過不同于太陽能飛機的是，住宅太陽熱能設備的這些主要部件優(yōu)選地安裝在充分暴露于太陽的固定結構上，所述固定結構例如為圖21所示的住宅屋頂。不同于太陽能飛機的還有，熱動力發(fā)動機的廢熱優(yōu)選地由于其熱值而被進一步利用，而不是被筒單地棄置于環(huán)境。這樣，由住宅太陽熱能設備收集的熱能可通過各種方式用于家用或商用消費，例如，用于直接補償家用熱需要量、用于通過熱機轉化為機械能來抽水、或者用于通過發(fā)電機進一步轉化為電能。例如，圖21例示用于組合的水加熱和動力應用中的住宅太陽熱能設備，其中通過將冷水應用線路連接到熱機獲得有用的熱水以提供發(fā)動機冷卻。特別地，家用冷水供應線路250被示為連接到動力設備的熱動力發(fā)動機系統(tǒng)240，并且進而經(jīng)過溫水返回線路251連接到熱儲水箱260。圖21還顯示住宅太陽熱能設備通過曲軸248連接到發(fā)電機249用于發(fā)電。如圖21所示，典型的住宅動力消耗需求使得作為當前系統(tǒng)中單一的最大部件的聚集鏡僅需要占據(jù)每人幾平米(這為典型屋頂面積的一小部分)，特別是在陽光相對充足的地區(qū)，例如美國西南部。與在
背景技術：
部分論述的SEGS設備以及其它大多數(shù)目前采用的使用拋物槽太陽能集熱器的集中式動力設備不同的是，不存在由住宅太陽熱能設備的聚集鏡產生的"行間"陰影，這是因為其與可能安裝在其它建筑物或結構的屋頂上的其它鏡隔離。在集中式動力設備中，土地成本為一個因素，而且在所需面積與自遮擋程度之間存在權衡。與此不同的是，在本文中呈現(xiàn)的住宅情況中，聚光鏡可用的屋頂面積綽綽有余，不需受到自遮擋的不利影響。這樣，專用于太陽能集熱器的每kW容量的屋頂面積，小于在集中式拋物槽太陽熱能設備中每kW所需的對應土i也面積的三分之一。應認識到的是，住宅太陽熱能設備在被安裝用于住宅應用時，常常直接暴露于各種自然環(huán)境，例如，風、雨、雪、灰塵等等。為了保護設備不受環(huán)境影響，優(yōu)選地提供防風罩組件以圍繞鏡210和管226。圖22顯示防風罩組件的優(yōu)選實施例，該防風罩組件具有透明窗212和鏡支撐結構214。防風罩防止風過度冷卻管226的表面，這會降低系統(tǒng)傳熱效率。此外，由防風罩提供的保護允許聚光鏡210的結構由輕質材料制成。而且，在住宅應用的示例性實施例中，可通過使空氣循環(huán)以從屋內通過防風罩容積的由集熱器管加熱的內部來供應冬天室內空間的熱需求量的一部分。集熱器鏡的聚焦軸的極性對準在圖21所示的住宅太陽熱能設備的示例性實施例中，鏡210的聚焦軸優(yōu)選地平行于地球旋轉軸線，并由此在北半球地點基本對準北極星270。集熱器220也優(yōu)選地沿聚光鏡的聚焦軸共軸定位，從而使其也平行于地球旋轉軸線對準并在北半球地點基本對準北極星。首先，為了適當調節(jié)鏡和集熱器的方位，提供本領域中已知的在圖21中一般顯示為215的適合安裝結構，以使鏡和集熱器的一端(即出口端)升高而比鏡和集熱器的另一端(即入口端)高。例如，每一端均可通過可調節(jié)的安裝托架安裝。而且，安裝結構優(yōu)選地將鏡和集熱器安裝為圍繞聚焦軸旋轉，即聚焦軸為鏡的旋轉軸線。為了實現(xiàn)與地球旋轉角的正確對準，可采用各種方法。對于北半球地點，一個示例采用小型望遠鏡，望遠鏡與鏡/集熱器組件設置在一起并保持平行以在晴朗的夜晚確定北才及星的位置，如圖21、23和24所示。以這種方式，在安裝過程中或在可能的房屋安置之后，可對集熱器的對準進行輕微調節(jié)，而使得北極星的偏心不超過幾分弧度。用于指向北極星的鏡的聚焦軸的基本對準，在北半球由于北極星的容易的能見度而最為快捷，不過，相應的南天極對準在南半球同樣通過觀察暗淡的參考星也是可以的。實現(xiàn)與地球旋轉軸線的正確平行對準的可替代方法使用安裝地點的綿度坐標和羅盤以確定朝北方向，如圖23和24中所示。在這種情況下，安裝結構將聚焦軸在水平面上方轉動等于當?shù)氐木d度角的角度，并朝向一極傾斜(對于非零綿度而言)。角等級可設置在安裝結構上以實現(xiàn)這種方式的角度調節(jié)。對于北半球地點，聚焦軸傾斜朝向北天極，而對于南半球地點，聚焦軸傾斜朝向南天極。通過使拋物槽的聚焦軸基本平行于地球的旋轉軸線，聚光器軸線的法線與朝向太陽的方向之間的角度在一年中變化將不超過23.5°,即太陽光線從正入射至聚集鏡的孔徑面從不超過23.5。。這些極限偏差發(fā)生在夏至(白天最長)和冬至(白天最短)。在夏至時，來自太陽一對的極限光線的路徑例示在圖23中，在冬至時，來自太陽的一對極限光線的路徑例示在圖24中。在一年中由聚集陽光照射的最低軸向位置在圖23中由點229G表示，并在夏至正午被達到。類似地，在冬至正午達到的最高軸向位置在圖24中為點229H。集熱器組件220在一年中曾經(jīng)暴露于聚集陽光的有效長度僅從點229G延伸到點229H。在極性對準情況下的最大的透^L收縮程度僅在東至和夏至獲得，并且在極限時僅為91.7%。在極性對準情況下暴露的集熱器管的有限長度和低程度的透視收縮不同于商用拋物槽集熱器中特有的水平布置的情況。與這種入射角影響相關的年均透視收縮系數(shù)在
發(fā)明內容部分中所示表1的第一行中列出。類似地，列出對于針對太陽角與傳統(tǒng)水平集熱器相關的末端損失也被列出，其中聚焦的陽光因為太陽角在沿超出集熱器管范圍的軸線的位置會聚。在本發(fā)明的靠近極地的方位中，這種損失通過具有比槽自身略長的供熱管而避免，如圖23和24中所示。供熱管顯示為定位以延伸超出鏡的兩端，超出的量基本等于鏡的焦距乘以正切(23.5。)，以收集所有的聚集陽光，包括東至和夏至時的陽光。這產生極少的額外成本，但提高收集效率。這種效率系數(shù)在表3的第二4亍列出。通過使太陽能集熱器的軸線以基本等于當?shù)鼐d度的角度傾斜并且平行于地球的旋轉軸線，對于水平集熱器的情況可獲得多種益處。如前所述，由于太陽光線到太陽能集熱器的軸線的角度在一年內從正入射不會偏離超過23.5。，因而可用于陽光收集的投射鏡面積在一年內僅變化±4%。這與目前例如SEGS的商用太陽熱能動力設備特有的水平設置拋物槽大不相同，平均入射角的余弦明顯較小。考慮到在全年中該入射角的變化，傳統(tǒng)的水平設置的拋物槽具有的幾何效率系數(shù)為87.3%，而對于槽的角度對準北極星的情況，該幾何效率系數(shù)增加到95.9%。這樣，總的陽光收集效率的增加相對于水平槽僅根據(jù)這種布置角度大約為9%。傾斜方位的另一優(yōu)點在于通過使熱能存儲器位于太陽能集熱器的上端，集熱器中的兩相工作流體中的液相可主要通過重力作用非常有效地從冷凝器返回加熱器。這樣的集熱器被稱為熱虹吸管，在現(xiàn)有技術中眾所周知，且在市場銷售。使集熱器軸線對準北極星的另一明顯優(yōu)點為，拋物反射器的旋轉可通過相對簡單且便宜的時鐘機構驅動，其中僅需要偶爾調節(jié)而使其稍快或稍慢。這種逐漸調節(jié)所需的控制結構可以非常簡單和便宜。聚集鏡形狀如前所述，聚光鏡210的優(yōu)選形狀是拋物槽的形狀，該形狀沿縱向平直并且在限定槽寬度的垂直面中具有拋物曲線截面。而且，拋物曲線的焦距f優(yōu)選地等于槽的總寬度W的25%。換句話說，在光學術語中由f/弁表示的焦比優(yōu)選地大約為f/0.25。在這一焦比，與任何其它￡/#焦比相比，j艮定鏡210具有完美的拋物外形，完全捕獲所有反射陽光所需的吸收器(例如圖22和25中的管226的外表面)的相對尺寸最小，且相應的陽光聚集系數(shù)最大。特別地，對于這種形狀和f/0.25,在槽的極限邊緣入射的太陽光線被反射大約90°，如圖22中的代表性入射陽光229所示。由于從地球所見的太陽的角直徑為大約1/2度，因而從鏡210上任何給定點反射的光線在其接近聚焦軸時以該角度發(fā)散。來自三個分立的代表性點的這種光束的發(fā)散顯示在圖22中，其中光束的角展度有較大夸張。具體而言，光線229A和229B對應于從鏡210的左方極限，即從入射陽光229反射的陽光。類似地，光線229C和229D對應于鏡210上的中間位置處反射的光，而光線229E和229F對應于從鏡210中心附近反射的光。當焦比為f/0.25時，在光線229A和229B之間接近于拋物鏡210的焦點處的擴展是光線229E和229F之間的擴展兩倍。這可如圖25中的視圖所示，其中顯示圖22中所示聚焦軸附近的特寫，不過在不同太陽光線的角度擴展上沒有夸張。對于稍稍不同于最優(yōu)f/0.25的，值，相關效率變化如下。對于在f/0.2與f/0.3之間的，值，相關聚集系數(shù)從在f/0.25時的最大可能值減小2%，而對于在f/0.16與f/0.4之間的，值，最大能實現(xiàn)的聚集系數(shù)減小10%。集熱器管圖21所示的集熱器220的主要部件是供熱管226,如圖22中的截面所示，供熱管226沿拋物槽聚集鏡210的聚焦軸共軸定位。在圖22中，供熱管226被示為在優(yōu)選為f/0.25的鏡的情況下在鏡210的拋物線輪廓的相對邊緣之間在焦點處居中。通常，熱管位于鏡焦點(即聚焦軸)處，而無論其焦距如何。集熱器220和供熱管226分別類似于之前關于太陽能飛機所述的集熱器120和熱管129。集熱器的截面形狀的各種實施例顯示在圖25-28和31中，這些截面形狀能夠實現(xiàn)高效操作。供熱管可為光學透明薄壁管，例如圖25和31所示；或者在可替代方案中，供熱管可為光學透明厚壁管223,其用作浸入式透鏡(圖27)以擴大形成流動通道的內表面。如圖26所示，集熱器220可選地還包括另外部件，例如提供圍繞供熱管226的真空絕緣的管狀玻璃包殼222A。而且如圖28所示，厚壁管還可另外具有光學透明薄壁真空管/包殼222C,用于提供圍繞集熱器管226的真空絕緣。在任何情況下，與現(xiàn)有技術相比，改進的收集效率使供熱管226相對于集熱器鏡210的寬度能夠短得多。例如，在現(xiàn)有技術中的DISS(直接太陽蒸汽)結構中，長寬比大約為46。這種不令人滿意的長寬比將會需要大量的"折疊"以裝配在典型的住宅屋頂上，而這引起明顯程度的額外管路以及額外的低效。在本申請中，長寬比可以低至1或2，而沒有過度效率損失。優(yōu)選地，供熱管226包括具有濺射刻蝕表面的中空的316型不銹鋼管。在316型不銹鋼上的這種表面已知為耐老化，并可用于溫度高至400°C的空氣。這種表面的制備和特征在現(xiàn)有技術中是已知的，并例如描述在太陽能材料第5(1981)巻、第445-464頁公開的由G丄.Harding和M.R.Lake所著的"用于高溫集熱器的濺射刻蝕金屬陽光選擇性吸收表面"，該文獻通過引用并入本文。用于賊射刻蝕不銹鋼的陽光吸收比顯示為93%,并且僅具有22%的熱發(fā)射率。進一步已知的是，316型不銹鋼適合與作為傳熱流體的鈉、鉀或高壓蒸汽一起使用。集熱器管形狀圖25顯示圖22所示圓圈25以及包圍流動通道的管226的示例性實施例的放大圖，該流動通道具有的截面輪廓為橢圓形，并具有對應于通道最大直徑的長軸和對應于通道最小直徑的短軸，并大致近似于檸檬形狀。在圖25的示例性實施例中，橢圓形輪廓優(yōu)選地由兩個面對的拋物表面形成，這兩個面對的拋物表面纟皮接合以形成兩個相對頂點，其中在每個相對頂點形成的角度優(yōu)選地為90°。在圖31所示的另一種示例性情況，橢圓形截面輪廓優(yōu)選地由具有四邊的長方菱形形成，其中具有沿長軸的兩個相對頂點和沿短軸的兩個相對頂點。在任一情況下，橢圓形輪廓優(yōu)選地具有的長短軸長度比為2:1,不過所述輪廓具有如圖31所示的平直外邊或如圖25至28所示的曲形邊。在任何情況下，此輪廓的長軸優(yōu)選地位于聚光鏡210的縱向對稱面213內(如圖25和圖30所示)，并因而必須隨鏡旋轉以跟隨太陽。在管226內部設置有通道228,用于使傳熱流體，即工作流體的通過和傳輸。管226的橢圓形截面的長寬比(其中，長度沿長軸測量，而寬度沿短軸測量)優(yōu)選地為2:1。如圖24和25所示，假定鏡210具有完美的拋物線外形，則這樣的輪廓允許以明顯減小(與圓形相比)的管226的表面積從鏡210攔截所有聚焦陽光。實際上，與這種采用兩個面對拋物線部分的方式的橢圓形管對應的表面積，僅為直徑與橢圓形管長軸相等的圓形管的表面積的73%。而且，如果忽略壁厚，則液壓直徑(即，除以中心通道的周長的中心通道流動區(qū)域的四倍)僅為圓形情況下的直徑的58%。這種減小的液壓直徑有助于實現(xiàn)傳熱目的。重要的是，還應注意到聚集的太陽光線在遇到管226的表面時的入射角。光線229A和229B以45。入射角遇到管226的表面。與此不同的是，對于直徑與橢圓形形狀的長軸相等的圓形集熱器管，針對該光線的入射角將為90°。另一方面，光線229E和229F以90。入射角遇到管226的表面，而對于圓形管的情況，入射角將為45。。由于邊緣光線能以相對較大的入射角遇到尺寸最小化的管226的表面，因而重要的是，即使對于這樣的入射余角，表面的吸收比也依然較高。根據(jù)在前文中所提及的Harding和Lake的文獻，濺射刻蝕的316型不銹鋼的相關陽光吸收比在60°入射角時大于90%,并且在80。入射角時大約為80%。由于陽光吸收比在入射角很大時依然較高，因而集熱器管226的長軸可以不大于圖30所示寬度W的大約0.45%。應注意的是，在地球最接近太陽時，從地球所見的太陽的角直徑使得集熱器管的長軸將需要精確地為0.474%，以覆蓋具有完美f/0.25拋物面聚集鏡的影像，而在距離太陽最遠時，集熱器管的長軸將需為0.458%。應認識到的是，通過適當抑制對流損失，集熱器組件的熱損失易于通過熱的中心管的熱輻射而被控制。進而，與熱輻射相關的功率損耗與輻射表面的面積直接成比例。通過減小如針對橢圓形輪廓所述的輻射表面的面積，集熱器的效率通過
發(fā)明內容部分中的表1的第一行列出的相關系數(shù)被提高。熱功率損耗的量不會隨溫度升高而增大。表1中的數(shù)值是在假定溫度為400°C時計算所得，正如目前在SEGS設備中所用的溫度。由于本發(fā)明的管的輻射面積與現(xiàn)有技術相比如此減小，因而與傳統(tǒng)的拋物槽太陽能集熱器相比可以獲得更高的傳熱流體溫度。這樣能夠采用更有效的熱機。另一方面，如果使用傳統(tǒng)傳熱流體，例如在SEGS設備中的傳熱流體，且溫度被限制在400°C,則由于熱輻射損失減少而使得效率將充分提高。不過，應認識到的是，雖然圓形管不如橢圓形截面管有效，不過圓形管不必隨集熱器鏡旋轉，而且圓形管因而可相對于地面完全靜止，這可提供操作的補償性簡化。真空包殼雖然防風罩212基本上減少由管226的對流冷卻產生的風，不過可提供可選的透明玻璃包殼，以進一步保護管226并為其提供熱絕緣。圖26顯示集熱器組件220A的示例性實施例，該集熱器組件220A具有管狀圓形輪廓的透明玻璃包殼222A，包殼222A優(yōu)選地沿徑向與管226分開并設置為與管226共軸，在透明玻璃包殼222A內保持真空224以消除對管226的對流冷卻。在本實施例中，集熱器組件220A被認為是管226、玻璃包殼222A和在其間的真空絕緣224的組合。這種真空管結構在對于拋物槽太陽能集熱器的現(xiàn)有技術中眾所周知。采用薄壁玻璃包殼，檸檬形集熱器自身基本上不存在益處損失。不過，假定具有防反射表面涂層(未示出)益處，則存在與透過玻璃包殼222A的透射相關的大約5%的陽光強度損失。玻璃真空包殼可特別用于預計采用自然對流產生大于5%的功率損耗的應用中，例如，采用如在飛機實施例中必需的極高溫工作。對于住宅應用，玻璃真空包殼可用于例如集熱器管不直接用于熱回收的情況，例如前述的通過使殼體經(jīng)過防風罩內部提供一部分住宅加熱的情況。應認識到的是，在系統(tǒng)的不存在聚集陽光照射的部分中，例如在圖21中所示的集熱器鏡與熱存儲器之間的部分中，雖然可以優(yōu)選地設置包圍供熱管226的具有真空的包殼，不過包殼不必是透明的。浸入式透鏡集熱器圖27顯示可替代的示例性的集熱器實施例220B，其具有光學透明厚壁供熱管223，供熱管223具有凸曲線外表面和形成流動通道的內表面，其中具有涂覆內表面的陽光吸收材料(例如黑色涂層227)。這樣，外表面用作浸入式透鏡以擴大內表面和流動通道的尺寸。優(yōu)選地，管壁厚度具有優(yōu)選為至少3:1的外表面直徑與最大內表面直徑(例如，橢圓形截面管226長軸的長度)的比。具有這樣的厚壁光學透明供熱管的效果為，當從外部觀看時，中心的橢圓形流動通道看起來被擴大。擴大程度取決于玻璃的折射系數(shù)。對于例如"Pyrex"的便宜的硼珪酸鹽玻璃，擴大系數(shù)為140%至150%。這種擴大系數(shù)的重要性在于，吸收所有聚焦到拋物槽聚光鏡210的軸線上的陽光所需的流動通道尺寸可減小至未擴大管的尺寸的大約2/3。這種透鏡作用對會聚陽光的效果的示例在圖27中示出，其中以與圖26相同比例繪制光線229A和229B。這些入射光線當遇到厚玻璃的表面時，入射光線由于折射而彎曲，陽光通量當其在表面227被吸收時變得更高度聚集。這樣的浸入式透鏡作用眾所周知，例如在油浸沒顯微法的情況下。由于集熱器管在光學上顯得更大，因而與以通常認為可采用拋物槽太陽能集熱器的情況相比，可實現(xiàn)更高的入射陽光聚集。此外，通過集熱器管的這種減少截面，管226的軸向長度相對于集熱器210的寬度，可減少超過25的與傳統(tǒng)的拋物槽幾何形狀(例如在現(xiàn)有技術的DISS直接蒸汽產生)試驗相關的系數(shù)，而仍然保持同等傳熱。這允許集熱器比傳統(tǒng)的拋物槽集熱器緊湊得多，并有利于在典型住宅屋頂上包裝這樣的系統(tǒng)。圖28顯示另一示例性實施例，通過提供沿徑向分開的薄壁玻璃真空包殼222C修改圖27所示的浸入式透鏡220B,以利用其間的真空區(qū)域224圍繞厚玻璃包殼，從而提供更大的熱絕緣。住宅熱能存儲本發(fā)明的熱力設備優(yōu)選地還包括熱存儲器，例如圖21中的230，存儲器230能操作地連接到集熱器的出口端。優(yōu)選地，熱存儲器和集熱器流體相連，從而通過對集熱器和熱存儲單元使用相同的工作流體實現(xiàn)傳熱。在住宅實施例中用于熱能存儲的優(yōu)選介質是水和石塊的組合，這是因為這種組合比飛機實施例中所需的LiH-Li材料安全得多且便宜得多。而且，水也適于作為在集熱器管226中使用的傳熱介質以替代在飛機實施例中優(yōu)選的更昂貴且更危險的鈉。在第三功能中，水還適于作為熱機的工作流體，熱機因而變?yōu)槌Ｒ姷恼羝麢C240,水還提供比在飛機實施例中優(yōu)選的氳或氦更便宜且更易于更換的介質。最后，在第四功能中，水還適于作為消耗品。使用單一物質水用于所有四種功能集熱器的傳熱，熱能存儲，發(fā)動機工作流體和熱水供應，這實際上消除了與從傳熱流體至熱能存儲器、從熱能存儲器至熱機的工作流體和從熱能存儲器或熱機至可消耗的熱水供應的傳熱相關的熱交換低效率。由于這樣的熱交換過程不可避免地導致溫度降低，因而其消除能轉化成更有效的操作或對于給定效率水平的更低的最大溫度需求。使用水作為熱介質是足夠有益的，通過適當清潔的無油泵、閥和發(fā)動機部件，熱水可直接用于清洗碗碟、清洗衣物、或者甚至烹飪。在經(jīng)濟方面，水和石塊作為熱能存儲介質的成本很低而使其僅為要緊的密封裝置的成本。熱能轉化和動力產生單一氣相熱機，例如前述的在飛機實施例情況下的斯特靈發(fā)動機實施例，雖然可利用高空中很低的周圍空氣溫度并可由此實現(xiàn)很高的熱效率，不過在基于地面環(huán)境的情況下，沒有這樣的低溫能力，則常見的蒸汽機是優(yōu)選的。如果考慮到水作為熱能介質的優(yōu)點，則尤其如此。使用蒸汽產生動力是非常熟知而且非常完善的技術，存在如此多種方式，因而最優(yōu)構造將很大程度上取決于所希望的能量產品的性質。在一種極端情況中，可能所有的需求在于針對某一具體關注過程的高壓、高溫蒸汽的供應，而可能對于動力存在相對少的需求。在另一極端情況中，可能主要的需求僅在于電力，而廢熱只是無用之物。在下一部分中，在這些眾多情況中，將考慮適合于住宅消費者的平均動力能量需求的具體示例。在本示例中，根據(jù)典型住宅能量消費者的需求，在一年內需要相當大量的熱能和電能，不過在冬天需要更多熱能，而在夏天需要更多電能。因此，重要的是具有將聚集的太陽能轉化為熱能或電能的靈活性。如圖21所示，熱存儲器優(yōu)選地與熱動力發(fā)動機接觸。這樣，熱能存儲器與熱機之間也不存在例如在SEGS設備中存在的延伸管路部件。與此不同的是，熱能存儲器與熱機非常緊密接觸，因而實際上消除了這種損失。由于基本上所有傳熱均通過極為有效的自動的相變推進作用進行，其中包括集熱器中的沸騰和熱存儲器中的冷凝，因此，幾乎不存在與通過延伸管路相連部件和熱交換器將傳熱流體積極抽吸到周圍相關的附加功率損耗。熱能存儲在住宅情況中的一個益處在于，陽光照射的瞬時中斷不會相應地造成對發(fā)動機供熱的混亂。雖然陽光飛機應用中的熱能存儲的主要作用在于能夠實現(xiàn)夜間飛行，不過在住宅應用中，不總是有必要存儲整天的熱能。在一些情況下，在經(jīng)濟上可能有利的是，僅具有相對較短的存儲持續(xù)能力。熱能存儲在住宅情況中的另一種益處在于，陽光照射的正午峰值可分布到下午的多個小時，由此允許較低的最大發(fā)電能力設計以及較便宜的熱機和發(fā)電機。而且，通過存儲熱能，典型的正午太陽能供應峰值可更好地與典型的下午三時的電能需求峰值相匹配。在另一極端情況中，對于能量自足的情況，熱能存儲能力可形成為足夠大以用于數(shù)周至數(shù)月的存儲，從而上消除太陽能對天氣變化的依賴性。示例系統(tǒng)搡作直接蒸汽產生圖29顯示本發(fā)明的住宅太陽熱能設備的示例性蒸汽動力設備的示意圖。如所示，集熱器管226從下端至上端傾斜，其中上端通過自動壓力調節(jié)止回閥237連接到熱能存儲器230的頂部，且供熱管226的下端通過水泵235和水閥231連接到熱能存儲器230的底部，以形成特征為集熱器環(huán)路的射流回路。箭頭指示通過該回路的水的正常流動方向。類似地，特征為發(fā)動機環(huán)路的第二獨立射流回路串聯(lián)連接熱能存儲器230的頂部、蒸汽閥238、蒸汽機240、冷凝散熱器261、冷凝水箱244、水泵236、水閥239,并返回到熱能存儲器230的底部。集熱器環(huán)路水閥231控制水從能存儲器到供熱管226底部的水的流動，而水泵235控制集熱器環(huán)路中的水壓，且自動止回閥237防止在集熱器環(huán)路中積累過高壓力。類似地，蒸汽閥238控制到達蒸汽機240的過熱蒸氣的流動，而發(fā)動機環(huán)路水泵236確定熱存儲器230內的壓力。從太陽能集熱器至熱存儲器230的傳熱和從熱存儲器至蒸汽機240的傳熱在兩個獨立的過程流中進行。集熱器流的操作成比例于太陽能熱供應，而發(fā)動機流的操作成比例于動力需求。關于集熱器流，在適量陽光可用而使得通過吸收聚集陽光以迫使開啟自動閥237而產生足夠蒸汽壓的時段，從聚集陽光的熱被傳遞到管226中的水，并之后傳遞到熱存儲器230的頂部。相反地，在夜晚或在太陽昏暗的時段，閥237和231關閉。應認識到的是，聚光鏡210沿其軸線日夜連續(xù)旋轉，而使得無論直射陽光何時可用，聚光器均對準而使管226中水的加熱將發(fā)生。關于發(fā)動機環(huán)路，在需要動力的時段時，闊238和239均開啟，來自熱能存儲器230的高壓蒸汽被供給到蒸汽發(fā)動機240,并在膨脹后在散熱器261中冷凝，然后作為液態(tài)水排入水箱244。在冬天，當溫度足夠低而需要空間加熱時，經(jīng)過散熱器261的冷卻空氣流可提供暖空氣的補充供應用于空間加熱目的。與此不同的是，在夏天，當溫度足夠高而不希望進一步空間加熱時，散熱器261簡單地將熱排放到戶外。加熱過程更詳細地描述如下加壓冷水通過集熱器環(huán)i各循環(huán)泵235一皮迫進入管226的下端，并沿集熱器軸線被加熱。與現(xiàn)有技術中已知的水平管相比，管226軸線的向上傾斜能夠實現(xiàn)非常高的蒸汽加熱速率。在正常操作條件下，由于水通過聚集陽光被加熱，因而水在由液面232指示的部位到達沸騰溫度。在液面232的沸騰開始與在液面234的過熱開始之間，蒸汽以大致恒定的溫度從極濕轉變?yōu)闃O干。蒸汽在液面234之上過熱，且其溫度升高到設計最大值。一旦溫度升高到設計點，則過熱蒸汽流到熱存儲器232和/或流到蒸汽機240。在對應于存儲時的最低量熱的"冷起動"情況下，壓力容器241幾乎完全被填充以近室溫的水，在頂部具有相對較小的蒸汽空間，水箱244幾乎為空。在這種狀態(tài)下，液面232的頂部接近壓力容器241的頂部。在聚集陽光聚焦到管226上之后不久，過熱蒸汽通過自動閥237被迫進入壓力容器241的頂部。同時，冷水由泵235,人壓力容器241的底部抽吸通過閥231。當此蒸汽被吹送到熱能存儲器230頂部的卵石245時，卵石開始發(fā)熱。引入的蒸汽的一部分初始在卵石245上冷凝并下滴至水位232,且開始加熱存儲器230中的水。由于氣態(tài)蒸汽相對較低的導熱性，因而氣態(tài)蒸汽溫度幾乎沒有下降，閥238在陽光變得可用之后不久可被開啟以將過熱蒸氣提供到蒸汽機240。隨著過熱蒸汽繼續(xù)流入儲器230的頂部，同時液態(tài)水繼續(xù)抽吸出底部，因而液態(tài)水的溫度持續(xù)升高，直到其達到沸點。而且，隨著過熱蒸汽繼續(xù)流動經(jīng)過上部卵石245,因而卯石溫度也很快超過容器241中加壓水的沸點。隨著壓力容器中的水沸騰、隨著蒸汽被提供到發(fā)動機240、并隨著水被抽吸出存儲器230的底部，因而液面232下降，更大部分的卵石242暴露于水位232之上，且這些卵石也開始升溫而高于加壓水的沸點。這一過程可繼續(xù)進行，直到水位232已經(jīng)下降至最低允許安全液面，在此處，熱能存儲器230已經(jīng)達到其最大容量，而且飽和水位234上方的基本上所有卵石242均處于過熱蒸汽溫度，系統(tǒng)中的大部分水被容納在液態(tài)水箱244中。在此，進一步通過泵235從儲器230中去除液態(tài)水必須由水泵236補給，水泵236將冷凝水從箱244通過閥239抽吸回到儲器230的底部。在日落之后或在長期沒有可用聚集陽光的時段，閥237和231關閉，集熱器環(huán)路不再工作。在這種情況下，由于過熱蒸汽通過閥238被提供到蒸汽機240,補給水由泵236通過閥239被抽吸至存儲器230的底部。隨著水位232在儲器230中升高，飽和蒸氣液面234也升高，熱從新浸沒的熱卵石234被傳遞到周圍的水并產生更多蒸汽。這一過程可繼續(xù)，直到存儲器230中的飽和蒸氣液面234達到蒸汽闊283的水平。在此，通常不希望在繼續(xù)使蒸汽機對飽和水工作，不過仍希望通過加熱來自冷水供應器262的水從熱能存儲器230提取熱并將傳輸?shù)阶≌瑹崴?60,特別是在冬天用于空間加熱目的。如果限定了存儲在存儲器230中的所有熱實際上被整夜取出，則完成晝夜循環(huán)，并再次獲得"冷起動"條件。采用這種系統(tǒng)方便的是，通常的熱需要時間在夜晚，這對應于存儲器230中相對較低平均水溫的時段；而通常的動力需要時間在白天，這對應于相對較高的蒸汽溫度和更有效發(fā)電時段?；诘湫偷恼羝麢C熱效率，輸入太陽能的大致分配可被估計為1/4至1/3用于動力以及大部分余額用于加熱。采用這樣的系統(tǒng)，對于加熱和動力的組合可利用遠超過90%的入射太陽能。采用這樣的系統(tǒng)，在熱能與動力之間的分配從而與美國西南部典型住宅消費者的典型的熱能-動力消耗相當匹配，特別是在冬天。在曰落之后的寒冷冬夜，當集熱器管226中的水可能凍結時，有利的是，允許干蒸汽從熱存儲器230通過集熱器管回流并將任何液態(tài)水沖出管226外。雖然具體的操作次序、材料、溫度、參數(shù)以及具體實施例已經(jīng)被描述和圖示，不過這不是用于限制本發(fā)明。修改和變化對于本領域技術人員而言可變得明顯，而且本發(fā)明意在由所附權利要求書的范圍限定。權利要求1、一種太陽熱能設備，包括具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡，用于沿所述聚焦軸聚集陽光；用于使所述鏡圍繞縱向旋轉軸線旋轉以跟隨太陽的裝置；和集熱器，該集熱器包括圍繞流動通道的伸長的供熱管，所述流動通道具有橢圓形截面形狀，所述橢圓形截面形狀的特征為具有長軸和短軸，其中所述通道沿所述長軸具有最大直徑并沿所述短軸具有最小直徑，所述長軸對準所述拋物面槽式鏡的縱向對稱面，所述供熱管沿所述鏡的聚焦軸共軸定位以接收來自所述鏡的聚集陽光，使得所述供熱管中的工作流體由此被加熱并被提供以通過所述供熱管的出口端供使用。2、根據(jù)權利要求.l所述的太陽熱能設備，其中所述鏡的焦比為大約f/0.25。3、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述鏡旋轉裝置包括定時器，用于基于預定旋轉時間表使所述拋物面槽式鏡旋轉以跟蹤太陽。4、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述最大直徑與所述最小直徑的比為大約2:1。5、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述流動通道的所述橢圓形截面形狀由兩個拋物面形成，所述兩個拋物面沿所述長軸結合以形成兩個相對的頂點。6、根據(jù)權利要求5所述的太陽熱能設備，其中所述相對頂點中的每一個形成大約卯度的角。7、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述流動通道的橢圓形截面形狀包括具有沿所述長軸的兩個相對頂點和沿所述短軸的兩個相對頂點的四個側邊。8、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述供熱管是陽光吸收薄壁管。9、根據(jù)權利要求8所述的太陽熱能設備，其中所述集熱器進一步包括真空光學透明薄壁管，所述真空光學透明薄壁管伸縮地圍繞所述供熱管并沿徑向與所述供熱管分開。10、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述供熱管包括光學透明厚壁管，所述光學透明厚壁管具有形成所述流動通道的內壁表面和用于擴大所述流動通道的尺寸的凸曲線外壁表面，所述內壁表面被涂覆以陽光吸收材料。11、根據(jù)權利要求IO所述的太陽熱能設備，其中所述光學透明厚壁包殼的外壁表面直徑與所述流動通道沿所述長軸的最大直徑之比為至少3:1。12、根據(jù)權利要求IO所述的太陽熱能設備，其中所述集熱器進一步包括真空光學透明薄管，所述真空光學透明薄管能伸縮地圍繞所述光學透明厚壁供熱管并沿徑向與所述光學透明厚壁供熱管分開。13、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述供熱管比所述鏡長，并被定位成延伸超出所述鏡的每一端。14、根據(jù)權利要求13所述的太陽熱能設備，其中所述集熱器被定位成以基本上等于所述鏡的焦距乘以正切(23.5。)的量延伸超出所述鏡的每一端。15、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述加熱管的最大外直徑與所述鏡的寬度的比為大約0.45%。16、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，進一步包括用于安裝所述鏡的裝置，使得所述聚焦軸平行于地球的旋轉軸線且所述鏡能夠圍繞其縱向旋轉軸線旋轉。17、根據(jù)權利要求16所述的太陽熱能設備，其中所述鏡安裝裝置能夠安裝所述鏡，使得所述鏡的聚焦軸同樣是所述旋轉軸線。18、根據(jù)權利要求16所述的太陽熱能設備，其中所述鏡安裝裝置包括用于在北半球地點使用使所述聚焦軸與北極星基本上對準的裝置。19、根據(jù)權利要求16所述的太陽熱能設備，其中所述鏡安裝裝置包括用于將所述鏡的聚焦軸從水平線轉動等于安裝地點的綿度的角度。20、根據(jù)權利要求16所述的太陽熱能設備，其中對于非零煒度的安裝地點，所述鏡安裝裝置能夠安裝所述鏡而使得所述供熱管的出口端升高而比相反端高。21、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，進一步包括能操作地連接到所述供熱管出口端的熱存儲器，用于能存儲地接收由加熱后的工作流體傳遞到所述存儲器的熱能。22、根據(jù)權利要求21所述的太陽熱能設備，其中所述熱存儲器同樣能操作地連接到所述供熱管的入口端，以在閉環(huán)熱存儲循環(huán)中將所述工作流體返回到所述供熱管的入口端。23、根據(jù)權利要求21所述的太陽熱能設備，其中所述熱存儲器被流體連接到所述供熱管的出口端，以能存儲地接收來自所述供熱管的出口端的加熱后的工作流體。24、根據(jù)權利要求23所述的太陽熱能設備，其中所述熱存儲器同樣被流體連接到所述供熱管的入口端，以在閉環(huán)熱存儲循環(huán)中將所述工作流體返回到所述供熱管的入口端。25、根據(jù)權利要求21所述的太陽熱能設備，其中所述熱存儲器包含用作熱能存儲介質的水和石塊。26、根據(jù)權利要求21所述的太陽熱能設備，其中所述熱存儲器具有能連接到供水線路的熱交換表面，用于加熱由所述供水線路供應的水。27、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，進一步包括熱動力發(fā)動機，所述熱動力發(fā)動機能被操作地連接，以從所述集熱器接收熱能用于產生動力。28、根據(jù)權利要求27所述的太陽熱能設備，進一步包括熱存儲器，所述存儲器能操作地連接到所述供熱管的出口端用于存儲從所述供熱管的出口端接收的熱能，并能操作地連接到所述熱動力發(fā)動機用于將熱能供應到所述熱動力發(fā)動機。29、根據(jù)權利要求28所述的太陽熱能設備，其中所述熱動力發(fā)動機為蒸汽機，所述蒸汽機被流體連接到所述熱存儲器以接收存儲在所述熱存儲器中的蒸汽。30、根據(jù)權利要求29所述的太陽熱能設備，其中所述蒸汽機被流體連接到所述熱存儲器，以在閉環(huán)動力循環(huán)中同樣將水返回到所述存儲器。31、根據(jù)權利要求30所述的太陽熱能設備，其中所述熱存儲器也能被操作地連接到所述供熱管的入口端，以在獨立于所述閉環(huán)動力循環(huán)工作的閉環(huán)熱存儲循環(huán)中將所述工作流體返回所述供熱管的入口端。32、根據(jù)權利要求31所述的太陽熱能設備，其中水同樣是用于所述閉環(huán)熱存儲循環(huán)的工作流體。33、根據(jù)權利要求32所述的太陽熱能設備，其中所述熱存儲器被流體連接到所述集熱器的出口端以能存儲地接收來自所述集熱器的出口端的蒸汽，并被流體連接到所述集熱器的入口端以將水返回到所述集熱器的入口端，使得相同的工作流體同時用于所述閉環(huán)動力循環(huán)和所述閉環(huán)熱存儲循環(huán)。34、根據(jù)權利要求27所述的太陽熱能設備，進一步包括能操作地連接到所述熱動力發(fā)動機的發(fā)電機。35、根據(jù)權利要求1所述的太陽熱能設備，其中所述供熱管的出口端能流體連接到儲水箱，且所述供熱管具有能流體連接到水源的入口端。36、根據(jù)權利要求35所述的太陽熱能設備，進一步包括水泵，用于將水從所述水源抽吸到所述入口端并將加熱后的水從所述出口端抽吸到所述儲水箱。37、一種太陽熱能設備，包括具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡，用于沿所述聚焦軸聚集陽光；用于使所述鏡圍繞旋轉軸線旋轉以跟隨太陽的裝置；和管狀集熱器，該管狀集熱器包括光學透明厚壁供熱管，所述光學透明厚壁供熱管具有形成流動通道的內壁表面和用于擴大所述流動通道的尺寸的凸曲線外壁表面，所述內壁表面被涂覆以陽光吸收材料，所述供熱管沿所述聚焦軸共軸定位以接收來自所述鏡的聚集陽光，使得所述流動通道中的工作流體由此被加熱并被提供以通過所述供熱管的出口端供使用。38、根據(jù)權利要求37所述的太陽熱能設備，其中所述供熱管的外壁表面直徑與內壁表面直徑的比為至少3:1。39、根據(jù)權利要求37所述的太陽熱能設備，其中所述流動通道具有橢圓形截面形狀，所述橢圓形截面形狀的特征為具有長軸和短軸，其中所述通道沿所述長軸具有最大直徑，所述通道沿所述短軸具有最小直徑，并且所述長軸對準所述拋物面槽式鏡的縱向對稱面，40、根據(jù)權利要求39所述的太陽熱能設備，其中所述供熱管的橢圓形截面形狀由兩個拋物線部分形成，所述兩個拋物線部分沿所述長軸結合以形成兩個相對的頂點。41、根據(jù)權利要求40所述的太陽熱能設備，其中所述相對頂點中的每一個形成大約90度的角。42、根據(jù)權利要求39所述的太陽熱能設備，其中所述通道的最大直徑與所述通道的最小直徑的比為大約2:1。43、根據(jù)權利要求37所述的太陽熱能設備，其中所述集熱器進一步包括真空光學透明薄管，所述真空光學透明薄管伸縮地圍繞所述供熱管并沿徑向與所述供熱管分開。44、根據(jù)權利要求37所述的太陽熱能設備，其中所述供熱管的最大外直徑與所述鏡的寬度的比為大約0.45%。45、一種太陽熱能設備，包括具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡，用于沿所述聚焦軸聚集陽光；用于安裝所述鏡的裝置，使得所述聚焦軸平行于地球的旋轉軸線且所述鏡能圍繞其縱向旋轉軸線旋轉；用于使所述鏡圍繞所述旋轉軸線旋轉以跟隨太陽的裝置；和伸長的管狀集熱器，該伸長的管狀集熱器形成流動通道并沿所述聚焦軸共軸定位以接收來自所述鏡的聚集陽光，使得所述流動通道中的工作流體由此被加熱并被提供以通過所述集熱器的出口端供使用。46、根據(jù)權利要求45所述的太陽熱能設備，其中所述鏡安裝裝置能夠安裝所述鏡而使得所述鏡的聚焦軸同樣是所述旋轉軸線。47、根據(jù)權利要求45所述的太陽熱能設備，其中所述鏡安裝裝置包括用于在北半球地點使用而使所述聚焦軸與北極星基本上對準的裝置。48、根據(jù)權利要求45所述的太陽熱能設備，其中所述鏡安裝裝置包括用于將所述鏡的聚焦軸從水平線轉動等于安裝地點的綿度的角度。49、根據(jù)權利要求45所述的太陽熱能設備，其中對于非零煒度的安裝地點，所述鏡安裝裝置能夠安裝所述鏡而使得所述集熱器的出口端升高而比相反端高。50、根據(jù)權利要求45所述的太陽熱能設備，其中所述供熱管的最大外直徑與所述鏡的寬度的比為大約0.45%。51、一種太陽熱能設備，包括具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡，用于沿所述聚焦軸聚集陽光；用于安裝所述鏡的裝置，使得所述聚焦軸平行于地球的旋轉軸線且所述鏡能圍繞其縱向旋轉軸線旋轉；用于使所述鏡圍繞縱向旋轉軸線旋轉以跟隨太陽的裝置；和管狀集熱器，該管狀集熱器包括光學透明厚壁供熱管，所述光學透明厚壁供熱管具有形成流動通道的內壁表面和用于擴大所述流動通道的尺寸的凸曲線外壁表面，所述流動通道具有橢圓形截面形狀，所述橢圓形截面形狀的特征為具有長軸和短軸，其中所述通道沿所述長軸具有最大直徑，所述通道沿所述短軸具有最小直徑，并且所述長軸對準所述拋物面槽式鏡的縱向對稱面，所述內壁表面被涂覆以陽光吸收材料，且所述供熱管沿所述聚焦軸共軸定位以接收來自所述鏡的聚集陽光，使得所述流動通道中的工作流體由此被加熱并被提供以通過所述供熱管的出口端供使用。全文摘要一種高效住宅太陽熱能設備，用于通過太陽熱能經(jīng)濟地產生動力，該設備使用具有縱向聚焦軸的拋物面槽式鏡(210)用于聚集陽光；定時器旋轉器，用于使所述鏡(210)圍繞聚焦和縱向旋轉軸線旋轉以跟隨太陽；以及圍繞流動通道(288)的集熱器(220)，該流動通道優(yōu)選地具有橢圓形截面形狀，橢圓形截面形狀具有與所述拋物面槽式鏡(210)的縱向對稱面(213)對準的長軸。所述集熱器沿所述鏡(210)的聚焦軸共軸定位以接收聚集陽光，使得工作流體被加熱并被提供以通過所述集熱器的出口端供使用。文檔編號F24J2/07GK101529168SQ200780039685公開日2009年9月9日申請日期2007年9月28日優(yōu)先權日2006年10月4日發(fā)明者查爾斯·班尼特申請人:勞倫斯利福摩爾國家安全有限公司