CN101523126B - 可膨胀的太阳能聚光器气球的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及利用至少一个透明薄膜和一个反射薄膜的组件进行太阳辐射能汇聚，所述组件膨胀后的形状将平行光线反射到组件内部的汇聚焦点上或者与组件紧邻的汇聚焦点上。本发明的实施方式可以借助薄膜间的胶接或焊接而组装成大体平坦的层叠件，这样其可与常规的高生产量薄膜制造工艺相兼容。依据本发明的实施方式可采用外部周向环或“束带”组件来支撑气球并限定气球的方向，以对抗风力等，而无严重的应力集中。依据本发明的实施方式还可利用薄膜附件，以有利于连线、降低应力集中并修正膨胀后的形状。依据本发明的实施方式还可采用包括层压薄膜、胶粘剂、印花等在内的薄膜修正器，以利于安装、连线和其它功能。

Description

可膨胀的太阳能聚光器气球的方法及装置

相关申请的交叉援引

本非临时专利申请主张于2006年8月23日递交的美国临时专利申请US 60/839,841的优先权，且基于各种目的通过援引将该临时申请整个合并在此。本非临时专利申请还涉及如下的美国临时专利申请：2006年8月23日递交的US 60/839,855、2006年8月25日递交的US60/840,156、以及2006年8月25日递交的US 60/840,110，基于各种目的均通过援引整个合并在此。

背景技术

太阳辐射是地球上最丰富的能源。然而，大规模利用太阳能以在经济性上与大多数化石燃料能源不相上下的尝试迄今尚未成功。

太阳能源不足以大规模采用的一个原因在于，化石燃料能源具有诸如低成本或无需成本的污染及排放之类的外部经济性优势。这种不平衡已长时间试图通过政治途径进行纠正。

太阳能源不足以大规模采用的另一个原因在于，对于一束太阳光通量而言，所述太阳光通量的强度不足以进行有效成本下的直接转换。太阳能聚光器技术试图解决这个问题。

具体地，太阳辐射是最易于操纵和汇聚的能源形式之一，仅利用适中材料就可将太阳辐射折射、衍射、或反射为初始光通量的几千倍。

先前已经有大量的尝试并结合众多的可能方式来实现低成本太阳能聚光器。然而，迄今为止，太阳能聚光器成本太高以至于在不受资助下无法与化石燃料竞争。尽管膨胀式反射镜及聚光器为本领域所熟知，但是它们的结构、组装方式、性能、以及维护难度导致它们不适于大规模的太阳能应用场合。

另外，常规聚光器要求有效的安装和对准。这种设计在局部需要材料加强使得它们必须能对抗巨大风载下的挠曲。常规太阳能聚光器还必须能够长时间地经受太阳、雨水、污物、泥土、风沙、昆虫、动物等的考验，还经常要限定规格以保持太阳能聚光器在各次维护之间的长时段内保持有效。

因此，本领域中存在着将太阳聚光器设计成易于制造、安装及维护的需求。

发明内容

依据本发明的实施方式大体涉及太阳辐射能的汇聚。本发明的具体实施方式涉及利用至少一个透明薄膜和一个反射薄膜的组件进行太阳辐射汇聚，所述组件膨胀后的形状将平行光线反射到所述组件内部的汇聚焦点上或者与所述组件紧邻的汇聚焦点上。依据本发明的实施方式可以通过所述薄膜间的胶接或焊接而以大体平坦层叠件的方式进行组装，这可与常规的高生产量薄膜制造工艺相兼容。依据本发明的实施方式可采用外部周向环或“束带”组件来支撑所述气球并限定气球的方向，以抵抗风力等，而无严重的应力集中。依据本发明的实施方式还可利用薄膜附件，以有利于连线、降低应力集中并修正膨胀后的形状。依据本发明的实施方式还可采用包括层压薄膜、网状物、织物、金属薄膜、胶粘剂、印花等在内的薄膜修正手段，以利于安装、连线、修正膨胀后的形状以调整光学性能、以及其它功能。依据本发明的实施方式还可采用薄膜的暂时或永久扭曲来修正所述膨胀的薄膜形状。

依据本发明的太阳能汇聚手段的实施方式可以采用用材最少的形状及结构，以使聚光器无需过多材料。此外，所述系统结构的实施方式可以在危险负荷下保证弹性，而不会发生塑性弯曲或扭曲。

设计的用料量大体由正常操作机制下稳定性技术要求决定。为了消抵人工费，依据本发明的实施方式采用新颖设计，以使维修简化并迅速。

依据本发明实施方式的用材最少的结构利用膨胀用空气作为聚光器的主要结构要素，使得聚光器所使用的材料远薄于任何常规聚光器。

依据本发明实施方式的构造还能获得不会产生任何非期望后果的外部经济性。具体而言，在依据本发明实施方式的系统中，空气是在重量最多的材料之一。然而，空气是充裕并且是无需开采或运送的免费混合物。

依据本发明一实施方式的装置，包括：椭圆形的上薄膜板，构造成使入射光透射；以及椭圆形的下薄膜板，构造成反射入射光，且所述下薄膜板的周边大体结合于所述上薄膜板的周边，使得结合后的所述上薄膜板和下薄膜板在膨胀后形成气球，所述气球将通过所述上薄膜透射的入射光反射到所述气球内的焦点。

依据本发明一实施方式的收集太阳能的方法，包括：利用膨胀气球的反射下板，将入射到膨胀气球的透明上板的光反射到所述膨胀气球内部的焦点上。

依据本发明一实施方式的膨胀气球，包括：椭圆形的上薄膜板，构造成使入射光透射；以及椭圆形的下薄膜板，构造成反射入射光，且所述下薄膜板的周边大体结合于所述上薄膜板的周边，从而膨胀压力赋予所述膨胀气球以刚性，确保穿过所述上薄膜透射的所述入射光被反射到所述气球内的焦点上。

依据本发明一实施方式的制造太阳能收集器的方法，所述方法包括：将构造成使入射光透射的圆形上薄膜板的周边与构造成反射入射光的圆形下薄膜板的周边结合，以形成气球；以及将气体引至所述上薄膜板和所述下薄膜板之间，以对所述气球进行充气，从而使穿过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气球内的焦点上。

本发明的这些以及其它实施方式及其特征以及一些潜在的优点将结合下面的文字以及随附的图来更详细地予以说明。

附图说明

图1A示出依据本发明实施方式的太阳能聚光器未膨胀时的简化正视图。

图1B示出图1A中的未膨胀的太阳能聚光器的简化俯视图。

图1C示出依据本发明实施方式中的一实施方式的膨胀的太阳能聚光器的简化正视图。

图1D示出图1C中的膨胀的太阳能聚光器的简化俯视图。

图1E示出由平行于膨胀气球轴线的入射光线获得的反射光线的轨迹的简化示意图。

图2是测得的气球外形与平均径向应变(ε)之间关系的曲线图。

图3A至图3L示出了针对不同气球表面外形而言平行于竖直轴线的入射光线(未示出)被反射的光线轨迹。

图4A示出膨胀至约1.5％应变时气球的平坦接收器聚光因子。

图4B示出膨胀至约1.5％应变时的气球的平坦接收器收集效率的俯视图。

图5示出膨胀至9.2％应变时的气球的平坦接收器聚光因子和收集效率。

图6A示出具有5％指向倾斜误差的气球。图6B示出在低膨胀压力下的与图6A相同的气球、指向误差、以及接收器。

图7A示出依据本发明具有支撑条的太阳能聚光器未膨胀时的简化正视图。

图7B示出图7A中的具有支撑条的未膨胀的太阳能聚光器的简化俯视图。

图7C示出依据本发明实施方式的具有支撑条的膨胀的太阳能聚光器的简化正视图。

图7D示出图7C中的具有支撑条的膨胀的太阳能聚光器的简化俯视图。

图7E示出自所述膨胀气球上的带支撑条的反射器反射的光线轨迹的简化示意图。

图8A示出利用刚性相同的透明薄膜和反射薄膜产生1200倍汇聚度的具有支撑条的气球。

图8B示出利用具有刚性低的透明薄膜来产生1200倍汇聚度的具有支撑条的气球。

图9示出了依据本发明实施方式的束带组件的要件。

图10示出了依据本发明一实施方式的双环束带的实施方式。

图11A示出安装于层压薄膜间的套中的支撑条附件。

图11B示出外部结合的支撑条附件。

图11C示出内部结合的支撑条附件。

图12A至图12C示出依据一实施方式的束带组件的柔性条带的视图。

图13A示出依据本发明实施方式的利用皮带扣的束带组件的立体图。

图13B示出图13A的皮带扣的放大视图。

图14A至图14C示出依据本发明一实施方式的一种利用远程致动闩锁机构将皮带扣和独立的系索进行组装的方法的立体图。

图15A至图15B分别示出依据本发明实施方式的聚光器组件、远程操作闩锁、系索点、以及包括接收器撑杆以及连接器的其他构件的立体图和放大视图。

图16A至图16C示出本发明实施方式的利用组合的皮带扣和系索的束带组件的视图。

具体实施方式

依据本发明的实施方式大体涉及太阳辐射能汇聚。本发明的特定施方式涉及利用至少一个透明薄膜和一个反射薄膜的组件汇聚太阳辐射，所述组件膨胀并保持的形状将平行光线反射到所述组件内部的或者紧邻所述组件的汇聚焦点上，上述形状主要通过由诸如空气之类的流体所提供的充胀压力而不是通过至少一个薄膜的刚性来保持。依据一个实施方式，本发明可以通过薄膜间的胶接、粘合或焊接而组成大体平坦的层叠部件，这可与常规的高生产量薄膜制造工艺相兼容。

可替代地，所述薄膜可经由中间环通过胶接、粘合、焊接、摩擦结合等方式而接连在一起。在膨胀压力下，弹性薄膜变形或者塑性和弹性薄膜变形的组合生成透明表面和/或反射表面所需的表面几何形状。可替代地或结合膨胀压力，通过向至少一个薄膜施加空气压差、机械力、压印、或将细小间距皱褶或者大尺度凹痕模压于其上、或者通过对所述薄膜组件进行充气，可部分产生塑性薄膜变形。

依据本发明的实施方式可采用外部周向环或“束带”组件来支撑所述气球并限定气球的方向，以抵抗风力等，而无严重的应力集中。尤其是，使用束带以及与刚性定位器接触的系索可用于将来自刚性定位器接触的应力分布在所述束带和所述气球之间的多个接触位置处。当然，所述束带可连接有多个系索，各系索具有至少一个刚性定位器。

依据本发明的实施方式还可利用薄膜附件以利于连线、降低应力集中、并修正膨胀后的形状。依据本发明的实施方式还可采用薄膜修正手段，包括层压薄膜、网状物、织物、金属薄膜、胶粘剂、印花等，以利于安装、连线和其它功能。

依据本发明的特定实施方式的区别特征为：

1.所述聚光器气球是至少一个透明薄膜和一个反射薄膜的层叠件；

2.所述聚光器气球由平的原材料构造、且在制造过程中在未膨胀时大体是平的，且依据可替代实施方式，所述气球可以是半刚性的并且可由不平的原材料构造；

3.当膨胀后，所述薄膜在1％至45％之间的应变生成所需的反射器形状；以及

4.当膨胀后，峰值光汇聚区域在所述薄膜的内部。

依据本发明的某些实施方式的一个目的是待结合到太阳能发电厂系统中的经济且可缩放的太阳聚光器。这些聚光器分解为可膨胀的薄膜聚光器、要求定期或不定期更换的构件、具有无限或若干年使用寿命的聚光器束带、以及太阳跟踪机构的系索。安装夹具和安装工具用于安装诸多聚光器系统并在长时间周期内对所述诸多聚光器系统进行维修。这种分解使得风险和成本能同时最小化。例如，膨胀的薄膜在长时间暴露于环境、动物等时自然退化。依据本发明的实施方式积极地寻求使得材料使用及成本、组装成本、薄膜运送成本、以及环境对其生命周期的影响最小化。所述束带设计成低成本、具有一定刚性、易于运送、安装及维护，但是特别关注使用期限和生命力。安装及维修夹具和工具(未披露)将降低所述薄膜及束带的人工费、单位成本以及复杂性。

可膨胀聚光器

依据本发明一实施方式的可膨胀聚光器采用这样的组件配置，该组件配置设计成膨胀至大体椭圆形的或卵状的轴向截面。所述轴向截面的离心率使得长轴长度与短轴长度之比优选小于10∶1，且从强度和材料使用观点看，最优选地长轴长度与短轴长度之比为接近1。例如，高的离心率会有利于能由具有有限宽度的塑料或金属卷来制造更大面积的气球，或者使得气球能更密地排列而彼此不过分地遮挡。为了简单起见，本文中的其余部分采用圆形横截面的气球的术语，但旨在扩展到更一般的椭圆形或卵状几何形状。

原则上，任何流体可用于使依据本发明实施方式的聚光器膨胀。依据本发明的实施方式，可使用的流体一般是相对于允许所关注的光谱范围内的光而言能够使其大体透过的那些。

稠密流体的重量可能会影响聚光器的外形。为了避免由于稠密流体导致的聚光器的扭曲，所述聚光器可浸入到具有相同或相近密度的流体中。正浮力或负浮力均可选择地使用，以影响所述聚光器的形状或影响其它方面的性能。在一些情形中，包括具有不相近似密度的气体的流体可用于通过晃动的动作来使得所述聚光器稳定。

在一些实施方式中，一个或多个膨胀流体的折射系数能影响所述聚光器的光学性能。在许多情况下，可预见的是，依据本发明实施方式的聚光器将大体由空气或其它可从环境中获得的气体来实现膨胀。这种膨胀可以在一次或多次干燥处理之后进行。

依据某些实施方式，也可将化学物添加至膨胀流体中，以影响功能。通过这种添加的化学物所实现的功能例子包括聚合物或金属表面的增塑或修复、涂覆、再次密封、查找泄露以及其它功能。对于提供膨胀压力的一种或多种流体的特性并无限制。

依据本发明实施方式的气球可在操作过程中膨胀，以使平均弹性膜应变和塑性膜应变在大约1％至34％之间，且峰值应变在1％至45％之间。在这些应变下，所述气球薄膜外部的大约10％-40％可自然形成(通过起皱、屈曲及弹性变形过程)赋予所述气球轴向深度的近似基本圆柱弧面形，这使得所述气球的焦点能定位于所述气球的内部且为所述气球薄膜和其它设备(诸如束带)提供了结构上的刚性。可替代地，该区域的全部或部分可通过所述薄膜的塑性变形来生成。

该外部近似圆柱区域上的膨胀压力也可能径向牵引约30％-50％的内部薄膜。在一些实施方式中，这种径向牵引提供了这样的力，即其支撑薄膜并使得薄膜内部区域拉伸并挠曲而形成内凹的大体抛物面形状，以用于太阳能的高度汇聚。形成或保持这种形状无需其它额外的组件、或胶接或机械部件。

接收器是被汇聚辐射的接收部件。接收器的例子为吸收辐射或将辐射转化成另一种形式能量(例如热、电、化学、机械能)的装置、或成像、部分成像和非成像光学元件。例如，接收器可包括一个或多个反射镜、折射光学器件、菲涅耳(Fresnel)光学器件、衍射光学器件、光纤束、光管或光管阵列、太阳能吸收器、光电池或光电模块、光化学或光热化学处理装置、这些装置的组合以及本领域公知的中继、转换或使用太阳电磁辐射的其它装置。

使光有效地穿过并反射到所述接收器上的薄膜区域在此称为“汇聚区域”。对于大型接收器或者具有专门定制形状的接收器而言，该区域大体与所述气球的无皱褶范围重合。对于小型接收器或平坦接收器而言(例如大多数光电接收器)，收集效率与聚光因子呈反比变化。例如在初始平坦的薄膜的约10％的名义平均应变下，落在所述气球的轴向截面的32％上的近轴光可被捕获在约180倍汇聚光斑中，而轴向截面的51％上的最大汇聚度约为16倍。

在未膨胀的初始薄膜的30％至80％且名义上约50％至60％的圆周上，通过将能在弱的压负荷下抵抗屈曲的环(在此称为“支撑条”)胶接或安装在所述反射薄膜上，可同步提高所述收集效率和聚光因子。在膨胀后，所述支撑条相比已知技术具有若干功能上的改进。

第一，因为在所述支撑条外的薄膜可起皱以形成所述气球的大的圆柱扩展，所以膨胀气球的焦点可位于所述气球的内部，而不要求所述反射薄膜具有超弹性应变或塑性。第二，与必须支撑全部径向膨胀负载的周向环相比，对所述支撑条要求的胶接强度和压缩强度可以小得多，这使得所述支撑条能使用最少的材料。

依据本发明的实施方式所带来的第三个改进是，因为所述气球使得其大部分刚性来自由薄膜的膨胀力及弹性所保持的轻度扁球形状，所以所述支撑条仅需对抗高阶屈曲不稳定性。这与常规周向环不同，常规周向环必须对抗直接由风荷载引起的低阶不稳定性。

例如，依据本发明的实施方式可采用这样的气球，所述气球的全部或部分刚性由所述气球内的膨胀压力来保持。依据一个实施方式，所述气球的整个刚性的一半或更多可归因于膨胀压力。这可以通过测量在如下风力作用下聚光器反射器的峰值挠曲量而测得：沿着被系索的聚光器的直径吹送的风；自所述反射器侧直接正交于所述直径吹送的风；自透明侧而直接正交于所述直径吹送的风；以及与这些方向成45度角吹送的风。依据该实施方式，这些负荷下的最大峰值位移最多为同样的聚光器在无膨胀压力下所测得的值的一半。可替代地，可在这样的负载下进行相同的位移测试，即所述负载由沿不同取向横跨气球至少二分之一的竖直截面而大体均匀地分布的静态净重来提供。

由本发明的实施方式所提供的第四个改进是，所述具有支撑条的气球采用小于10％的应变设计，可在73％的轴向收集截面上获得870倍的内部聚焦汇聚度和在61％的轴向收集截面上实现1200倍的内部聚焦汇聚度。这种改进性能的成本在于附加的制造或安装复杂性、以及附加的材料使用，不过所述气球可设计成支撑可再使用的支撑条。

所述气球设计可以利用已为大家所接受的和高度自动化技术来制造。所得到的气球薄膜可高效地层叠并进行运送，尤其是无支撑条的气球或者采用单独的可再使用的支撑条的气球。

依据本发明的实施方式生成与前(透明)薄膜间隔良好的内部焦点。这种布置出于几个原因而优于具有外部焦点的设计。

第一，可膨胀聚光器可获得超过1000-2000倍的峰值聚光因子。在这些光通量下，大多数吸收光的可燃材料将自燃，除非它们被主动制冷。单个聚光器的偶尔未对齐或瞬间错误指向可能会引起野火或建筑着火。简单地让所述聚光器膨胀而不使跟踪机构启动是危险的。本发明设计的气球的前薄膜防止了无意中将所述气球外部的任何东西危险地暴露于汇聚光线。

第二，所述光仅通过所述透明薄膜一次。早期的覆盖薄膜将反射、吸收、散射大约10％的入射光。随着灰尘的积聚以及风沙的撞击，被分散和吸收的光的量显著增高。与内部聚焦聚光器相比，外部聚焦的聚光器使得光穿过薄膜两次，这增加了吸收损失。

最后，内部聚焦聚光器的接收器位于在通常免遭昆虫、风雨、灰尘、或其它潜在的危险物、有害的东西、以及吸收损失源影响的受保护区域中的透明反射薄膜之间。

具有内部焦点的几个方面要求仔细考虑。第一，在所述气球组件的内部一般必须包含有至少一个当所述气球组件膨胀时用来捕捉或引导所汇聚的光的构件。这个可以通过将气球设计和如后所述的“束带”使用的结合来解决。

第二，除非采用主动制冷或主动搅动，否则的话只有自然对流可以用来冷却内部接收器。所述冷却问题一般需要在接收器系统设计时进行解决。大多数接收器早已需要在静止空气中安全运行。然而，需要对来自薄膜上的接收器的一缕缕热气进行温度限制时，可能对接收器设计施加附加约束条件。

束带

所述聚光器气球在太阳下克服风、重力、惯性力等而被固定并精确指向。在所述薄膜的周边上可采用作为安装及指向构件的凸片和加强索环。这种安装方案对于可膨胀的织物组件是普遍存在的，因此对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。

凸片和加强安装孔可应用于对本发明的可膨胀聚光器进行定向和限制。然而，这种安装布置可能产生应力集中，其降低了最大安全风速并可使得气球形状发生扭曲，这降低了风荷载下的效率。这些应力集中可以被消除或强化，但是那样做会使得所述组件及其设计复杂化，尤其是考虑到产生应变的气球形状对于聚光器性能的重要性时更是如此。

由此，利于指向并安装的优选设计构件是由比较刚性的材料制成与膨胀气球的赤道周线或者一个或多个同心圆区域相邻接的外部环。所述环或“束带”在所述环和所述气球之间的交界处通过摩擦力、粘合力以及内聚力的组合而将力传递给所述气球或者将来自所述气球的力进行传递。所述束带将来自位置控制及角度控制装置的局部力分配到所述气球薄膜的展开区域，或者反过来；从而便于使用较薄的薄膜以及较便宜的气球组件。

依据本发明的束带不应与常规的边缘条带相混淆，所述常规边缘条带在受压状态下工作并且是用于创建气球形状的必要构件。依据本发明实施方式的束带通常在不受压且可能适度拉伸下工作，以提供与所述气球薄膜的改进粘合或摩擦接合、以及抑制所述束带起皱。不像常规边缘条带，所述束带主要用于安装、指向和强化薄膜接头。

依据一个实施方式，除了由包含在所述气球薄膜内的膨胀压力所提供的恢复力之外，所述束带像桶箍一样相对于径向位移可以几乎没有什么刚性。在这种实施方式中，这种压力在所述束带中产生了抗屈曲及其它所不需要的束带扭曲的张力。

在一个实施方式中，所述束带组件可包括一个或多个薄柔性条带，所述条带通过经由紧固件机械地、通过粘合、通过熔焊、铜焊或锡焊或通过其它本领域公知方式连接或结合于一个或多个(优选为两个)刚性金属件或“皮带扣”。所述皮带扣的目的是提供在所述薄柔性条带之间设置刚性中间体，所述刚性中间体将大部分负荷分布于所述气球薄膜和所述跟踪装置或系索，并对来自所述气球薄膜和所述跟踪装置或系索的大部分负荷进行分布。

依据某些实施方式，所述柔性条带穿入到所述皮带扣的匹配槽和通道中，限制所述条带和所述皮带扣相对转动。类似结构的一个实例是可调整的皮带上的皮带扣。

组装在一起的条带和皮带扣通过使用紧固件、胶接、焊接等或者优选地通过机械扣锁方式确保限制所述条带从所述皮带扣上脱出。这种扣锁可包括一片或多片材料，所述材料自所述条带或皮带扣的表面延伸并在组装时与其它构件的一个或多个匹配表面相抵接，以使所述条带和皮带扣在无干预的情况下在张力作用下彼此不会脱开。这种匹配可类似于普通腰带的皮带扣，其中延伸部分进入并可能穿过另一物体的材料中的孔或缝隙、并定向成所述系统的张力将保持所述延伸部分和所述缝隙之间的相对位置。

可替代地，所述匹配可通过由一个或两个物体的挠曲所产生的弹性力来保持。这种布置可同样匹配于普通的线缆打结。可替代地，可在所述物体之间采用维可牢(Vecro)式匹配件。上述匹配部件的任何组合可用于满足所述条带和所述皮带扣之间的强张力且抗转动接头的目的，所述条带和所述皮带扣可在安装地点快速准确地组装和拆卸。

尽管以平层叠方式胶接薄膜是切实可行的、比例可变的、且与简捷自动化及标准大规模制造过程相兼容，但是这种组装方式依赖于薄膜之间的相对弱的剥离胶接力，以抵抗所述内部气球压力。机械粗加工、金属化去皮、电晕处理、例如利用聚乙烯亚胺(PEI)基底剂的打底、活性聚氨酯胶接、或者利用无定形聚酯(APET)、EVA、聚乙烯或天然材料进行热密封等，均可提高胶接强度。相关薄膜件之间的最强剥离胶接一般在10磅力/英寸至1磅力/英寸或更小之间的范围内。所述束带可设计成对这种剥离胶接进行桥接并提供强化，例如通过所述气球薄膜和所述束带之间的搭接粘合胶接。甚至适度的搭接胶接可超过所述薄膜的撕裂强度。

接收器用具

依据本发明实施方式的所述气球单独地或者与单独的束带结合地将光汇聚并提供指向和安装。所述气球也允许安装或结合物件，以收集或中继、或转换所汇聚的光，在此称为所述的“接收器”。“接收器”可包括一个或多个副反射镜、光纤束、光管或光管阵列、太阳能吸收器、光电池或光电模块、光化学或光热化学处理装置、这些东西的组合以及中继、转换或使用太阳电磁辐射的其它本领域公知的装置。正如在此采用的，所述接收器组件包括位于所述气球内部的所述接收器及其相关支撑以及辅助装置(例如撑杆、座、电线及电路、冷却剂软管等)。尽管所述接收器组件自身结构不在本发明的范围之内，但是接收器的安装、固定、以及运行要求一般会影响所述气球及束带的设计细节。

正如在此采用的，所述接收器组件的“结合”指的是，所述接收器组在制造过程中就大体组装到所述气球中。在此采用的所述接收器组件的“安装”指的是，在可通常于安装地点进行操作的组装步骤中将所述接收器组件的至少一部分放置在所述气球中。所述接收器组件的安装可以在所述薄膜未充气、充了一部分气或充满气时进行。具有所结合接收器组件的系统可以更简单地进行设计、组装以及安装，但是必须或者使用廉价的接收器或者采用工厂可回收的接收器，以使得经济。此外，所结合的接收器可能难于在安装地点维修。所述具有所安装的接收器组件的系统可能更难于设计和组装，但是具有更简化的安装地点维修和薄膜更换的优点。

通路装置

因为所述气球具有内部焦点，且通常将需要在安装地点膨胀，所以气球设计通常要求在所述气球薄膜之间或者穿过所述气球薄膜的使气体、硬件以及接线可通过的开口。这种开口包括各种形状的槽、缝、孔、或者未密封或胶接的薄膜交界部，在此所述开口称为通路装置。通路装置可以在制造过程中结合到所述气球，或者在安装地点于所述薄膜未充气、充了一部分气或充满气时进行安装。在安装地点安装通路装置可包括：撕开薄膜材料的预穿孔的缝或补片；利用锋利刀子割开或剖开或利用局部加热来使得所述缝或补片熔化。

通路装置将应力集中引导至所述薄膜，这使得通常必须对所述薄膜进行补强，所述补强可通过如下任一方式来进行：通过本领域公知的技术，例如有必要时采用比其它处更厚的薄膜；通过使所述薄膜局部加厚，例如通过层压；通过涂覆(例如采用粘合)补片或者其它强化体(诸如所述束带)；等等。在操作过程中，通路装置不应泄露过多的空气。

通路装置的各种密封设计是本领域所公知的，包括垫圈、球胆、粘合密封件以及索环。如果所述接收器组件设计成在所述气球膨胀的同时进行安装和拆除，则可存在有诸如“通气门”和“隔板”等之类的构件，以在所述接收器组件并未全部安装时提供足够的密封来支持或保持膨胀。所述通路装置以及相关的应力补偿及限制或防止泄露的材料在此称为通路装置组件。

通路装置组件可定位并定向在所述气球组件中的任意位置，只要通路装置组件的应力集中的补偿是合适的，但是因为希望保持光学效率以及因为应力在所述膨胀的薄膜中的分布不均匀，所以一些定位和定向将是有利的和不利的。在所述反射薄膜上尤其是处于汇聚区域内的通路装置组件是不利的，因为所述通路装置组件很可能使所述薄膜产生扭曲并影响光学性能。在所述透明薄膜的汇聚区域中的通路装置组件由于将光阻挡或分散而会使得所述收集效率降低。

所述气球中的应力状态随着位置、膨胀压力以及负荷而变化。所述膨胀气球的极点为旋转对称轴与所述气球薄膜相交处的两个点。所述气球赤道为所述气球表面上的最大周向圆圈。经线是经过所述气球的旋转对称轴的平面与所述气球的表面的交线。在所述极点处，所述薄膜处于双轴向均匀应力状态且具有最大应变。自所述极点起沿着经线向外移动，所述经线的主应力和拉伸应力分量增大、而周向拉伸应力减小。所述气球薄膜的皱曲或皱褶起始于周向应力分量变成轻微压应力的圆周附近、并终止于所述气球的赤道。在该皱褶区域，所述薄膜承受弱周向压应力以及汇聚的经线拉应力。与低压下的情形相比，在更高的内部压力下，因为周向及经线方向的薄膜应变，所述皱褶区域的边界更接近于所述赤道。因为收集横截面最好大体与皱褶区横截面互补，所以由大体弹性和/或塑性变形的平薄膜组装的气球会是更高压力下更有效的光学收集器。此外，在高内部压力下，所述聚光器性受风荷载的影响最小。由此，除了在风高得足以使所述气球发生扭曲并使所述薄膜材料具有危险迹象的情形外，大多数薄膜应力将通常由所述内部膨胀压力来产生。

由于气球极点区域的均匀双轴向应力，所以气球的极点区域最适于大体圆形的通路装置组件。长轴与经线对齐的细长通路装置组件在具有旋转对称的气球中产生的应力集中最小。在所述气球的皱褶区域内，与经线对齐的缝形开口不会使得膨胀应力集中。由此，对于细长通路装置而言，那个位置和取向是最佳的。如果采用一个区域，则所述束带为用于通路装置的另一最佳位置，因为相对刚硬的束带可通过粘合搭接胶接等来消除薄膜的应力集中。同样，结合的支撑条可以是适于相对小的物件的通路装置。

通路装置的使用可利于所述接收器组件和所述束带或其它外部硬件之间的连接。这种连接可包括机械支撑、电连接、控制及监测连接、冷却剂管道、以及膨胀气体管道。

通路装置可用于在安装所述气球之后支撑所述气球束带。支撑件的一个例子是贯穿所述气球的直径或弦长的线缆、杆或梁，以防止来自所述固定装置的挠曲、翘曲和颤振导致的显著负载以及力矩传递到所述气球薄膜和所述束带。

通路装置可用于被动地保持所述内部气球压力。在操作时主动保持膨胀的情况下，这样的膨胀开口和止回阀的组合将是有用的，例如安装过程中利于在安装其它通路装置之前快速膨胀或者对所述气球进行膨胀。

被动压力或薄膜应变调节器也可用作通路装置。周向拉应力及其应变在经线上的演变提供了用于被动致动这种应变调节器的便利物理机制：当所述气球应变为所述薄膜在特定位置具有周向张力，以使缝打开而将溢出过量的膨胀气体。一个或多个缝可设置在气球周边附近，可与另外的一薄膜或不止一个薄膜相结合，以防止膨胀气体泄漏过量到应变阈值之下。应变调节对于压力调节具有不可忽视的优势，因为光学性能直接依赖于薄膜应变。尽管与所述压力相关，但是尤其所述薄膜应变通常还依赖于所述薄膜的温度、湿度、膨胀历史(蠕变)、以及累积的损伤。所述压力和应变之间的关系还依赖于批次间变量，例如薄膜的厚度、密度、以及双轴性、退火、交联以及结晶度。

薄膜附件

本文所述的“薄膜附件”为任意材料组件或材料，其通过针对至少一个功能性目的胶接、焊接、粘合、摩擦接合或机械紧固件而连接于所述气球薄膜。薄膜附件的实例包括所述束带、支撑条、用于密封通路装置的通气门及隔板、止回阀组件、线缆以及管支撑件、接收器组件的零件、颤振控制及热交换零件及支撑件、以及外部固定片。

薄膜调节器

本文中所用术语“薄膜调节器”为出于改变薄膜的物理、机械、弹性、化学、光学、或电学性能、加强薄膜、或者消除薄膜内或在不连续(诸如通路装置、胶接、焊接、接头、裂缝、孔、撕破处等)处的应力集中的目的而在气球薄膜上处理、沉积、扩散、夹杂、机械缠绕、胶接、或层压的任意材料组件、材料或化学品或者为气球薄膜的机械或化学处理。调节器包括胶带、补片、胶接薄膜、金属板、纤维、胶粘剂、热塑性胶粘剂、热固性胶粘剂、接触型胶粘剂、压感胶粘剂、B级胶粘剂、底剂(诸如聚乙烯亚胺基化合物)、墨水、染剂、防蒸汽及水材料、紫外线吸收剂、紫外线保护剂、红外线吸收剂及反射物、抗反射涂料、滑动涂料、等离子、火焰或电晕处理、自修复以及抗刮涂料等。调节器还包括机械穿孔及装置，以促进气体渗透。调节器可在制造过程或在安装地点安装过程中进行结合。围绕通路装置的层压应力强化补片为被结合的调节器的实例；于安装地点贴在孔或撕破处上的胶带补片为所被安装的调节器的例子。像滑动涂料和等离子或电晕处理之类的薄膜调节器是本领域公知的，其便于制造和粘合。

优选的薄膜调节器为用于将气球胶接、粘合、内聚或以其它方式保留到所述束带上的补片。一种这样的补片是成形在气球外表面上的一压感、接触、或其它粘合的或胶带式的补片，以利于安装并利于将负荷分布在所述薄膜和所述束带之间。该粘合补片的一个实施方式是设置在所述薄膜上的一个或不止一个的周向环，当充了一部分气或充满了气时，所述环粘合到所述束带上。这种设置在所述气球的相对侧上或者跨越所述气球的胶接接缝的环或不止一个的环将是有利的，因为所述环能与所述束带形成搭接接头，这除了将风负荷及其它负荷进行分配之外还消除了作用在所述薄膜件的剥离-胶接部上的应力。此外，优选地，弱粘合的非粘合性柔性条带覆盖在所述粘合补片上，以使所述气球薄膜不会彼此粘合或粘合到所述束带上，直到所述条带从所述胶粘剂上剥掉。这种带易于运输和处理，且尤其利于这样的安装，即通过允许气球充了一部分气体或充满气体、并在所述胶粘剂未被覆盖之前通过轻轻地将所述条带从所述束带和所述气球之间拉出而仔细地将所述气球定位在所述束带。优选地，所述胶粘剂、气球薄膜以及束带表面被制定成所述胶粘剂大体保留在所述气球薄膜上，而不是保留在所述束带的表面上，这样在放气之后，气球可从所述束带上被完整无损地剥下，而不会留下粘的残留物在所述束带上。这种粘的残留物会干扰其它气球薄膜的安装。

可替代地，所述气球可充一部分气或充满气、并定位到被安装成重叠在所述束带和所述气球薄膜之间的一个或优选多个接缝上的所述束带和胶带内。这种布置将对胶粘剂残留物的转移到所述束带上几乎不敏感，因为所述残留物将不会过分地干扰下一个气球薄膜的安装。

可替代地，不用胶带，使用胶、胶粘剂、溶剂、或其它胶接试剂沿位于所述气球和所述束带之间的一个接缝或不止一个接缝进行涂覆。这种胶粘剂应优选使薄的大体不剥落的表面变干燥或变硬，且不应产生将划痕、撕扯、或其它消弱所述气球薄膜的硬边或锋利边。

调节器的另一优选实施方式是这样的补片，其将所述气球薄膜保持到所述束带，以支撑所述气球薄膜并利于安装过程(例如在膨胀之前或者在所述薄膜充了一部分气时)中的对齐。当在操作中所述补片用于将所述气球保持到所述束带时，可采用各式各样的胶粘剂、胶带、胶等，但是必须仔细考虑来自该补片的残留物的成分、量和位置。

薄膜扭曲

本文所用术语“薄膜扭曲”是指薄膜的机械拉伸。这种扭曲可以为塑性变形或弹性变形、或者是任意组合。这种扭曲可以是双轴向的和单轴向的，而且可在制造之后持久存留在所述薄膜中，或者可主要在制造过程中出现。

一个扭曲为双轴向的，或者更一般地为薄膜的各向异性拉伸，以抵消或减少所述薄膜中的单轴性或表面不均匀度(例如形成浅凹坑)。这种抵消可用于确保所述薄膜组件膨胀至精确形状。在这种方式下薄膜拉伸可以与其它技术结合使用，以减少薄膜单轴性对膨胀后的薄膜形状的影响，诸如不同定向(例如大体正交地的)顶部和底部薄膜。该拉伸可单独进行或者结合热来进行，以瞬息间确保操作过程中在所述薄膜上的对齐或者永久地扭曲所述薄膜。例如，一个或两个薄膜在彼此胶接在一起或胶接于支撑条或者胶接于将支撑条保持的装置上的同时，所述薄膜可被拉伸，以使膨胀后的形状比无所述拉伸的情形更接近理想状态。

另一扭曲是所述薄膜的平面外弓形或凹凸压印。如前所述，这种扭曲可以通过各种方式来形成，包括单独地或与热结地施加横跨薄膜的压差、机械处理和凹凸压印。这些平面外扭曲的目的可用于调整所述气球的深度，以例如更好地容置接收器或者修正膨胀的薄膜光学系统。一种这样的扭曲为大体与所述气球轴线同心的基本圆形的弓形区域。另一扭曲为大体与所述气球轴线对齐的两个基本同心圆之间的弓形区域。

另一个扭曲是影响膨胀的薄膜形状的在薄膜表面的凹凸压印的“皱褶”。在无需沉积附加材料(例如添加薄膜调节器)而修正所述光学性能时，这种凹凸压印的皱褶提供给气球设计师巨大的灵活性。凹凸压印可以以本领域所公知的各种方式机械地并结合加热来快速并重复进行。与弓形薄膜不同，这些皱褶可以小得足以不会对薄膜板的卷曲或平坦层叠能力造成影响。

实施方式1

图1A至图1B示出了依据本发明一实施方式的可膨胀的太阳能聚光器。图1A和图1B分别示出了大体平坦的未膨胀的薄膜的正视图和俯视图。所述未膨胀薄膜的相对平且薄的特征便于制造和运送。图1C和图1D分别示出了已膨胀的薄膜的正视图和俯视图。这些视图基于实际测量结果并示出了薄膜形状和皱褶程度。图1E示出了平行于气球的轴线(未示出)向下传播的光线在接触到反射薄膜之后进行反射的情形。所述光线沿着所述气球轴线汇聚，同时在气球中央附近具有峰值汇聚度。光线一离开气球就快速发散，因此不会产生外部着火的危险。

皱褶区域的外形和边界依赖于气球应变。图2示出了针对不同平均应变量所测得的气球横截面的外形。随着应变量的增加(例如在内部压力增高的情况下)，皱褶区域朝气球缝(轴向位置＝0)移动。已膨胀的气球的直径约为未膨胀的气球直径的80％至93％。径向应变在气球的轴线上达到峰值并朝气球的边缘逐渐降低。周向应变在气球轴线附近达到最大值并随着与轴线之间的距离增加而快速减小。

气球薄膜反射的光线的位置和分布随着薄膜的径向应变而变化。图3A至图3B示出了近轴光线如何在各种凹面上进行反射。具体地，图3A至图3B分别示出了抛物面和球面。图3B至图3L示出了相同气球在不同应变量或不同加压下测得的气球外形上的光线轨迹。在图3C中，气球在实际零应变下稍微膨胀。薄膜应变从图3D中的约1％增加到图3L中的约45％的峰值，所述峰值接近尼龙薄膜气球的爆裂应变。在所有情形中，光线最大汇聚度区域位于气球内。显然，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状应该与气球的直径和膨胀应变共同优化，以获得最佳性能。例如，沿轴线定位的圆柱接收器将接收所有入射在反射表面上的光——因为非圆形气球形状或皱褶而偏离径向轨迹的光线除外。其它各种形状可应用于高效的接收器，例如球形、半球形、金字塔型、扁的或长的球形或半球形、或者特定匹配的几何形状等。然而，通常的接收器具有平坦的圆盘状或方形的有效面积。

对于落到气球的中央部分上的光而言，不管所述像差如何，利用这种接收器可获得高的聚光因子。图4A示出了在膨胀至约1.5％应变的气球中于不同位置处的聚光因子。图4B示出了气球俯视区的光线落入所述汇聚区域的百分比。显然，所述像差使得气球的聚光因子和收集效率(经测量其均随着已膨胀的气球直径的变化而变化)之间具有严重的矛盾。

聚光率和收集效率之间的所述矛盾随着气球应变(至少高达约5％-20％的应变)而提高。图5示出了气球在9.2％应变下的性能。在图5中，采用200倍汇聚度的接收器将接收气球的大约30％的光。

出于几个原因，大部分未利用的光不会对依据本发明的实施方式形成严重不利影响。第一，以俯视区为基础，与常规刚性镜相比，膨胀的气球可以便宜400倍以上。与所述接收器装置的成本相比，太阳能收集器的“不动产”或土地使用成本同样地小。对于给定的产能容量而言，这种低效率的主要成本可包括：

1.增加的风荷载和支撑系统要求；

2.增加的薄膜材料和束带材料成本；

3.增加的不动产要求；以及

4.每个聚光器低的产能容量(每瓦特所增加的人工以及跟踪系统成本)。

这种低效率的一些优点抵消了这些成本。例如，浪费的光线使得汇聚光通量的边缘变得柔和，这降低了对指向稳定性和精度的要求。

图6A至图6B示出了5％斜指向误差对光线的影响。在虚线表示的接缝线的下方的水平条表示接收器。图6A示出了气球具有5％斜指向误差。这种误差会来自于例如风振颤或机械弯曲。一些正常“未使用”的光线入射在所述接收器上，使得这种指向误差导致性能上的降低被削减。在图6A的实施方式中，正常未使用的光线变成入射在所述接收器上，这在太阳跟踪为次优时提高了性能。

可膨胀气球设计使得实时控制汇聚区的形状以及使汇聚区的形状最优化变得容易。例如，图6B示出了与图6A相同的气球以及接收器在低膨胀压力下的指向误差。在这样的条件下，操作人员可选择降低膨胀压力，以使得时间-平均能量生成性能增加。当指向稳定性差(例如在风力较大的情况下)时，操作人员可降低所述膨胀压力来获得如图6B所示的外形。所述聚光外形的柔软性和针对环境条件调整所述聚光外形的能力有利于极不精确且刚性的气球指向装置，同时显著地节约了系统成本。

具有支撑条的气球的一个实施方式

在不增加制造复杂性、材料要求或安装要求的情况下，薄膜附件可用于提高聚光因子和收集效率。这些用于改进气球轮廓的附件中的最重要的一类称为“支撑条”。本文中所用术语“支撑条”为防止在压应力下产生屈曲和皱褶的薄膜附件。支撑条可在制造过程中例如通过热结合或胶粘剂胶接结合到薄膜上，袋或套可结合在所述薄膜上以容置在安装地点安装(可能可以再利用)的支撑条，或者支撑条可简单地粘合安装到薄膜上。支撑条可定位在所述反射薄膜之内或之外。支撑条的优选实施方式为安装到气球反射侧的环形袋内的条带、挤出成型件或杆。该实施方式是优选的，是因为支撑条能够被再次使用。可替代的实施方式是支撑条具有针对在制造过程中用材最少设计、并结合到所述薄膜的横截面，或者支撑条可从所述薄膜上拆下并由制造商再使用或循环利用。

图7A至图7E示出了一实施方式的可膨胀聚光器，其具有位于反射薄膜上的环形支撑条。图7A至图7B分别在正视图和俯视图中示出了未膨胀薄膜和支撑条。图7C至图7D分别在正视图和俯视图中示出了膨胀的薄膜和支撑条。虚线表示在无支撑条时的反射薄膜的形状。图7E覆盖了由膨胀气球上的带支撑条的反射器反射的光线轨迹。

将支撑条设置在透明薄膜上几乎没有或根本没有带来任何好处，除非希望将焦点移至气球之外，或者除非前部薄膜上的支撑条起到气球束带的功能。在图7C中的虚曲线示出了在无支撑条时反射器的陡峭的外形。利用所述支撑条，薄膜在支撑条内的实际形状为大体球形。如图7C和7D所示，皱褶不会自支撑条起径向向内显著扩展。在图7E中，聚光因子设计为超过73％气球面积具有约870倍。如果未膨胀直径相同，则图7A至图7E中的设计膨胀压力与图3G所示的情形相同，这呈现出更低的效率。

支撑条使得可同步获得的聚光因子和收集效率得到极大的提高。然而，采用支撑条的成本包括：

1.增加的组装和安装以及应力集中；

2.增加的材料/聚光器；

3.增加应力集中；以及

4.更严格的指向要求。

带支撑条的气球还将光汇聚在最接近于透明薄膜表面，这可能降低透明薄膜的使用期限、增加接收器组件的设计复杂性、并使得气球之外的物品或人员暴露于高度聚集的太阳光下。

图8示出了采用支撑条以获得1200倍聚光因子的两个设计。图8A的实施方式采用了薄膜刚性相同的透明薄膜和反射薄膜。图8B的实施方式采用了透明薄膜的刚性为反射薄膜刚性的约一半。针对不同的工程设计目的，不同薄膜刚性可以以同样的方式用于有具有支撑条的气球或无支撑条的气球等。

在图8B的实施方式的情况下，所述选择可按照将前薄膜移动离开汇聚焦点的需求进行。某些金属化薄膜(例如迈拉(mylar)或PET)可呈现比其它例如尼龙或BOPA之类的薄膜更好的反射性能和稳定性，且略微地更硬些并支持更低的极限应变。采用不同的材料可在保持所述焦点处于气球内部的同时使反射薄膜处于更低的应变下。最后，在最优化单位用材的气球强度、成本或使用期限的过程中，不同的刚性自然是使用不同薄膜的结果。

透明薄膜的材料应能抵抗紫外线光辐射。为了延长聚光器寿命，透明薄膜或者能抵抗其光学和机械性能在这种照射下的降低、或者能初步拥有超额能力(例如，负荷承载)。丙烯酸材料为合适的透明薄膜材料，其在成本相对高和强度及温度性能相对差的情况下提供良好的寿命周期。紫外线稳定化的或抑制的聚酯薄膜在强度和温度性能良好的情况下提供了适中的生命周期，且对于高成本是适中的。紫外线稳定化的聚酰胺在成本稍高和强度稍低的情况下具有类似的性能。聚氟乙烯(PVF)以及其它含氟聚合物薄膜(TEDLAR、TEFZEL等)在高成本和低强度的情况下提供了罕有的且可能超长的使用期限。其它值得注意的薄膜包括聚乙烯基塑料(其便宜、但是光学性能差、以及强度、温度性能及使用期限性能低)、APET(无定形聚酯)、聚碳酸酯、以及聚丙烯。双轴向薄膜可以采用，因为这简化了装置设计，以创建可膨胀至所需几何的薄膜。

还最好是采用在低应力和中等应力下具有大体线性、虎克应力-应变关系的薄膜。此外，不希望有薄膜蠕变，因为针对展开聚光器活动而言这必须随着时间来降低膨胀压力或相反进行补偿。具有相对高的玻璃化转变温度的未增塑或稍增塑的聚合物、尤其是无论在任何条件下均光学透明的结晶聚合物是优选的，以限制蠕变。

支撑条的一个实施方式

支撑条附件的一个实施方式是这样的塑料袋，即通过至少沿着圆形边将薄膜层压在反射薄膜上、同时具有至少一个用于在安装地点安装支撑条的开口而制得，如图11A所示。除了为支撑条提供套之外，所述薄膜层压体可提供超高强度并使得反射薄膜防水。所述套的不胶接区域可以通过在所述套的区域内印刷或轧制或者涂覆抗粘合材料来创建、或者可以通过在共同挤塑过程中将所述胶粘剂材料掩膜(例如热密封)或通过在共同挤塑之前沿着所需的套环涂覆可剥掉的且无过大应力的牺牲层来创建、或者通过避免施加充分的热和压力于所述区域来创建。不足的是，支撑条的外侧面具有处于相对高的张力下的剥离胶条。

热密封因为其结合的强度和低成本是另一个优选的将薄膜附件结合的方式。可替代地，可以采用溶剂焊、RF焊、超声焊以及其它本领域所公知的结合技术。例如，支撑条附件的优选实施方式是塑料、金属、或复合条的环形箍，其沿着反射薄膜的一个边缘被热密封或粘合胶接(可采用一种或多种方式来提高前面列出的胶接强度)于如图11B和图11C分别示出的薄膜的外表面或内表面上。

将支撑条结合于所述外表面上的优点在于，在进行所述初步气球密封之前，无需安装支撑条。此外，所述支撑条可容易地设计成使用较少材料、并机械连接于所述束带，因为其不需要滑动到应力接缝中。所述支撑条由相对少量的张力下的剥离胶条来保持。

将支撑条像图11C所示结合到气球内侧，将消除来自所述胶条的张力。然而，由于在组装过程中需要将支撑条夹在未膨胀薄膜之间，所以设计理想挤塑形状的工程设计能力被消弱。内部的支撑条和所述束带之间的机械连接会典型地要求一个或多个薄膜通路装置，但是所述支撑条的相对低应力的搭接胶接结合易于提供强化的效果。

半刚性气球的一个实施方式

本发明的实施方式不限制于完全柔性的或有支撑条的气球。依据可替代实施方式，气球可以由这样的薄膜制成，即所述薄膜的厚度足以抵抗某些弯曲或抵抗某些屈曲、但不足以抵抗由风载荷产生的大应力而无损坏或无过分扭曲。膨胀用的空气可用作避免使用例如支柱或肋等其它强化物的关键结构性要素。膨胀用空气还可调整半刚性表面的形状以及随后的所述气球的光学系统。

因为材料的相对厚度，仅膨胀压力通常将不会使这种薄膜扭曲成具有曲率足以实现焦点位于气球内的形状。由此，对于这种气球而言，通常会要求永久薄膜扭曲。

所述扭曲可以在工厂或安装地点中由特定设备来实施。如果在工厂外实施所述扭曲，则所述薄膜可以按照它们的弓形构型来层叠，以便于运送。可替代地，薄膜原材料可以以卷的形式被运送到安装地点，并在安装地点利用便携机械或可在安装地点作业的机械来进行扭曲，从而避免半刚性薄膜在其扭曲形状下进行封装的低效率以及难于运输。可替代地，所述薄膜原材料可以采用能大体平式运输并在安装地点通过膨胀压力、通过手等形成合适形状的结构来进行扭曲。

在这样的实施方式中，薄膜的半刚性也提供了利用较小棱线造出有小面的“菲涅耳镜”。这种有小面的反射镜能提高所述反射镜的有效收集面积，同时并不与自然稳定的已膨胀的薄膜形状产生大的偏差，所述偏差可能使得半刚性反射镜在膨胀应力作用下易于周向屈曲。合适的半刚性薄膜包括金属薄膜(例如抛光铝、电镀塑料或镀金属塑料)、金属薄膜以及防护屏障薄膜的层压体、或涂覆薄膜等。

束带组件的实施方式

图9示出了束带组件的典型构件，这些构件可以在制造过程中被完全或部分结合、或者在安装地点被大体安装。在该特定实施方式中，系索接头在相对侧上大体镜像重复。还可以使用三个或更多个系索接头，各系索接头仅有一个系索点。图9中的束带组件的构件包括至少一个围绕气球周边的环或弓形物、以及附连于所述气球薄膜的接合件。这个接合件是将气球保持到所述环上并将载荷分布到所述气球薄膜上的构件。所述接合件的实施方式包括：外贴胶带、胶粘剂、预成型的胶粘剂、机械互锁或缠结部件、摩擦结合件等。如果气球接缝比薄膜强度弱，则所述气球接合件优选地骑跨在或包围住所述接缝，以用于强化。所述束带可以选择地包括诸如槽、凸片、孔眼等之类的特征，以帮助薄膜对齐以及气球安装。

所述环的一部分实施为可在安装地点弯曲成形的薄的金属的、塑料的或复合材料的板带。因为气球大的周边，所以出于运送方面的考虑，多条板可具有将在安装地点安装以形成所述环的构造。图12A至图12C示出一种这样的板带1200的各种视图。图12A示出了该板带的正视图，图12B示出了侧视图，而图12C示出了详细的正视图。

如图12C中所示，特征1202为方便与束带组件的其它构件相匹配的特征。所述板带还可以形成为非平面的，以容置其它束带构件或者易于与其它束带构件相匹配。特征1204为易于使聚光器薄膜初步对齐并被放置的特征的示例。特征1206为易于调整束带周长的构件的实例。特征1208为抵抗应力集中的机械强化件(例如褶边强化件或层压强化件)的一个实例。

示于图13和图15中的特征1302和1502(下面说明)描述了该条带在其弯曲和安装状态下的示范实施方式。可替代地，所述环可由包在辊上的原材料、通过可包括产生所需横截面和箍形形状的成形步骤在内的操作步骤而制成。

图15A至图15B示出了束带组件1500的实施方式，其使用了刚性匹配部件1502，该刚性匹配部件1502结合有用于与跟踪装置连接的枢轴1506，并提供了通路装置1508。

图13A至图13B示出了束带组件1300的一实施方式，其采用了在此称为“皮带扣”的刚性构件1304，以保持所述条带而形成环1302。该皮带扣提供了通路装置1310并可靠地紧紧限制住所述条带。在该实施方式中，利用紧装配的导槽1316和凸片1312构成的系统来抑制所述条带的转动。在安装时，所述凸片进入到孔、槽、凹口或其它这种形状的特征1314中，从而对抗张力地箝制所述条带。

在该实施方式中，所述凸片的角度和所述条带的弹性均对所述箝制的可靠性作出贡献。此外，在该实施方式中，所述条带以某些花样进行折边(例如将所述材料在其自身上折叠到上方或者在所述条带的端部附近层压强化板)，以针对这些应力集中区域提供额外的强度。皮带扣自身并不包含将聚光器系索到跟踪组件上的枢轴，因此必须匹配于另一提供这种系索的部件。采用单独系索的复杂性不应该过多苛责，因为其简化了快速连接/脱开系统的设计。

图14A至图14C示出了这种连接/脱开系统1400的一实施方式的视图。构件1402为组合的系索、密封板和闩锁组件。构件1404为线缆，而构件1406为弹簧加载杆。在处于弹起位置时，构件1404松弛，所述弹簧加载杆将闩锁指收回到槽1408中。所述聚光器组件(为了清楚起见，仅由皮带扣1410来示出)随后自由地沿着构件1402的引导面1412和保持所述接收器的撑杆的引导面1412(在该实施方式中为线缆)而滑动。当聚光器到达预定位置时，所述引导面约束皮带扣，以精确地保持皮带扣的相对位置尤其是定向。

在该实施方式中，构件1402的所述引导面与皮带扣的开口1414匹配，但是任何合适的部件可被匹配。一旦就位，线缆1404被张紧，使所述杆转动、并由此使闩锁1416的闩锁指接合，所述闩锁指相对于构件1402约束构件1410并预加负荷于其上，从而形成不透气不透水的固定密封。

该连接/脱开系统的其它实施方式涉及各种不同可逆匹配和闩锁方式，包括其它机械布置、磁性布置、电磁布置、螺线管致动闩锁以及非闩锁机构等。不管什么方式，为了减少聚光器的维护和更换时间，能以机械方式(例如线缆、磁极或其它专用工具)或电学方式(通过开关、包括无线信号在内的信号或软件命令)远程致动所述闩锁的能力是期望的，因为这可以使得操作人员仅接近所述组件的一侧就能安装或拆卸气球。所述远程控制侧可以与接近危险侧(例如高压、热水或开水、升降机构等)重合，而且由此所述远程使得维修技师与所述危险隔离。

图16A至图16C示出了依据本发明的实施方式1600的聚光器、束带、系索接头1612以及远程闩锁装置1622、以及控制线缆1624、接收器撑杆1614、1616和1618以及撑杆连接器1620的关系。所述系索接头在1602处枢转。延伸臂可以绕着1604自由枢转，以使所述线缆或跟踪装置1624的非平面运动不会使所述聚光器偏斜。为了优化这些设计构件，在该设计中将成对的聚光器连接在一起。

在每天的各个部分段，一个或其它聚光器的外部系索可以方便地定位以进行维护操作。电、水、和气之间的彼此连接沿着聚光器之间的轴线行进。

依据本发明，聚光器的维护设想为包括如下步骤，但不限定于所给顺序：

1.等待直到当转动所述阵列以提供便于接近外部系索机构(图16A中的附图标记1606)的白天或夜晚的时间。

2.在所述聚光器的方便接触侧执行脱开，例如使机械紧固件(图16A中的1610)脱开，并将线缆(图16C中的1626)从其底座(图16A中的1608)上松开。该步骤可能需要使用工具，以应对线缆张力。

3.例如通过使线缆(图16A中的1604，图16C中的1626)松弛，将位于聚光器的远程侧的闩锁或匹配件(图16C中的1622)松脱。

4.将聚光器组件从所述闩锁(图16C中的1622)和接收器撑杆(图16C中的1614、1616和1618)上移出，以使所述聚光器和束带不受所述跟踪和指向组件的约束。

5.将旧的薄膜从所述聚光器组件上拆下，例如使所述薄膜和所述束带之间的胶粘剂胶接剥离。

6.在新聚光器薄膜组件上例如通过胶粘剂、胶带、维可牢(Velcro)尼龙搭扣、机械装置等使各个特征对齐并固定到例如所述束带(图12C中的1204)上的对应构件。

7.将所述薄膜密封到包括所述束带中的大通路装置在内的区域上，以用于填充流体。准备膨胀。如果需要的话，例如通过将该通路装置内的所述薄膜刺穿，以使能进行填充流体。可替代地，可在所述薄膜中预切开口或在所述薄膜中可结合止回阀组件，以辅助填充流体。为了避免具有过多的通路装置，优选地使用相同的开口(例如图13B的附图标记1310)，以对所述薄膜进行充注流体，最初所述开口用于一些其它功能(例如使所述接收器进入到所述薄膜中)。

8.轻轻地对所述薄膜充注流体，以使所述聚光器接近于其最终构型，但是接头和接缝不得承受过应力。

9.按照需要调整所述膨胀的薄膜对齐程度。

10.涂覆胶粘剂或其它材料，以使所对齐的气球薄膜匹配于所述束带，以使负载分布于整个薄膜上，并将所述薄膜中的所有开口相对于所述束带组件密封。如上其它地方所述，这将涉及使用压感胶带等。在优选实施方式中，所述薄膜与所述束带之间的匹配采用具有几秒至几分钟或更长固定时间的液体胶粘剂，这样在涂覆所述胶粘剂之后，可以进行一些快速调整。

11.经由通路装置(例如图16A的附图标记1610)插入工具，以引导线缆等穿过聚光器组件的内部并将这些线缆临时连接到所述工具上。

12.将所述工具抽回，同时将所述聚光器组件向上返回引导到所述跟踪组件(图16C的附图标记1614、1616、1618)上。如图14B所示，在这个阶段的过程中，引导部件1412可有利于所述组装的对齐和运动顺畅。

13.当所述聚光器组件就位时，致动所述远程闩锁。

14.完成所述聚光器的可进出侧的连接(图16A的附图标记1606)，以完成所述再安装。

值得注意的是，所述聚光器组件具有相对大的开口，以必须能使接收器撑杆和其它闩锁装置通过。从所述开口中出来的空气会加大安装的复杂程度。一种补救方式是在组装过程中继续将空气吹送到所述聚光器内。另一种补救方式是通过使用柔性隔板、囊状件、止回阀、通气门等来限制外流的空气流。所述空气流同样也可利用可拆卸以供重复使用的插塞工具来进行限制。

所述环可以可选地包括诸如槽、凸片、孔眼等之类的特征，以辅助薄膜对齐和气球安装。所述束带还必须针对使所述气球定位并定向的所述机械系索而设置接头。

该系索接头以及所述系索在所述聚光器组件上的布置可以采取多种形式。然而，围绕着所述气球通常设置总共有至少三个系索点。特定的布置包括采用两个相对设置的各自具有两个系索点的系索接头。一个系索点从运动学角度而言是冗余的，但是防止风载荷在所述气球和束带上产生过大的扭矩，因为这将影响聚光器性能和气球稳健性。可替代地，例如以约120度间隔或约90度和90度间隔围绕所述束带设置的三个系索接头将各包含至少一个系索点。仅有一个系索点的系索接头可以是束带环上的加强件或其它法向定位件。

可替代地，四个各自均具有至少一个系索点的系索接头例如以约90度间隔围绕所述束带来设置。采用四个这种系索接头(而不是运动学上最少的3个)的优点在于能够减小由风载荷等造成的所述气球的翘曲，并且能够使得正交气球指向系统更简易。一个成本是增加的材料，但是如果额外的系索接头能够降低对所述一个环或不止一个环的强度要求，则这个成本可得以补偿。

可以使用附加的系索接头来作为针对例如五足或六足定位系统的接头。使用多个冗余的系索接头可以使所述负荷分布，并实际上避免了在所述束带上使用连续的环，然而，这种系统的成本和机械复杂性则可能不合算。

从定义上看，系索接头上的系索点实现与所述系索的连接。在一些优选实施方式中，这些系索点能够在有限或无限的角度范围下随意枢转。在图9所示的实施方式中的所述系索点为相对于所述气球倾斜30度。通过改进所述杆臂，这种倾斜偏置可以使高纬度下的应力降低并且具有更好的控制。所述倾斜的优选范围为10度至30度，但是可以高达0度(与所述周向的法向对齐)至90度(与所述周向对齐)，因为除了纬度之外的考虑因素也可驱使最优化设计，例如使成本最低或避免机械干扰。所述束带组件还示出具有供所述接收器组件的附件。所述附件包括通路装置(示出)、接收器组件栓系特征(例如孔眼、孔洞、槽、凸片、铆钉)或其它为本领域所广泛公知的手段。

所述环的优选实施方式是在安装地点弯曲成形的薄的金属的、塑料的或复合材料的板带。因为气球大的周边，所以出于运送目的的考虑，多条板可具有将在安装地点安装以形成所述环的构造。可替代地，所述环可由包在辊上的原材料、通过可以包括产生所需横截面和箍形状的成形步骤在内的操作过程制成。

来自所述系索点的力被传递给所述环。所述系索点可位于所述环上，以避免使用单独的系索接头支撑构件。然而，除了在高纬度处，这一般将要求所述环更宽并由此不必要地使用更多的材料。所述系索接头支撑构件的优选实施方式包括：

1.板状金属的、塑料的、或复合材料的凸缘，如图所示出的；

2.从这种凸缘上冲压或模制出的桁架网状构造，以使所用材料最少；

3.多个刚性梁，其组装到桁架中以支撑所述系索点；或者

4.一个或多个承压梁和可伸长的悬挂线缆的组合。

这些支承构件可包括离散调整倾斜偏置角通路，所述倾斜偏置角通路例如为其中插入有一个或多个销、弹簧片、铆钉、螺钉、螺栓、或其它机械紧固件、用于保持所选偏置角的弧形孔或槽。也可例如通过槽或夹具来连续地调整所述倾斜角，只要它们被充分分析以在不丧失它们的设定的情况下经得住风载荷。离散调整和精确的连续调整的组合可用于调节制造或安装的不精确所产生的最小指向误差。

不同系索接头上的系索点的定位同样可能需要进行调整，以对所述指向误差进行调节。再有，所述调整设计可以是足够严格的，以随时间的流逝来保持其设定。为了使机械复杂性和成本降低，优选的可替代方式是在完全结合所述气球接合件(例如胶带贴、涂胶或剥掉胶粘剂覆盖物)之前，对所述薄膜相对于所述环的位置进行调整。这种调整也可通过太阳跟踪系统的构件来调节。

图10示出依据本发明另一实施方式的气球束带组件。图10示出带支撑条的气球，但是这种布局也适于无支撑条的气球。两个环用于保持气球。通过环连接装置来保持所述环的相对位置。所述环连接装置可以由成型的金属板制成(如图所示)或者由模压的或模锻的塑料或复合材料来制成。可替代地，所述环连接装置可由多个桁架构件、或至少一个承压桁架和可伸长的绳索、线缆或丝线之间的组合来组装，或者所述组装可单纯地采用所述气球的膨胀压力以拉伸所述环之间的张力绳索、线缆或丝线。优选的环几何为由管或挤出成型件形成的箍。再有，优选的具有所述环的气球接合件是胶带条、预组装在气球薄膜上的胶粘剂、或者胶。如果所述两个环的连接装置用于带支撑条的气球，则其优选地使用所述支撑条作为组件引导件、并可直接机械连接于所述支撑条而非连接至单独的粘合接头。可替代地，所述环可通过附着于所述薄膜上的机械部件(如这些在机械可再次密封的塑料袋)而连接于气球薄膜。

塑料薄膜的组装

薄膜气球或箔气球和其它塑料薄膜的组装是公知的，但是可膨胀聚光器的几个方面使得所述组装方法变得复杂。常规的箔气球通过在用于所述气球的所述薄膜的基体聚合物(通常为尼龙)上由混合挤压热密封聚合物(通常为聚乙烯/乙烯基混合)来构造。随后，胶粘剂侧被一起从辊上展开并被热密封。由此，所述胶粘剂层在所述气球的内部彻底覆盖所述薄膜。所述胶粘剂层典型地将所述反射光进行漫射并使得所传输的光过于分散，从而不是一种可行的组装方法。例如通过使所述胶粘剂热回流或将所述胶粘剂在抛光表面上辊压、调整所述胶粘剂配方、或者是相对已有技术的这些改进的组合，可减少所述胶粘剂层的分散量。

一个可替代的解决方案是，将所述胶粘剂仅涂覆到所述反射薄膜上，正常组装所述气球，为所述胶粘剂的热密封提供一些额外时间和压力，以在所述胶接处漫射到所述透明薄膜中，并随后翻转所述气球(将所述内侧翻转到外部)。然而，所述制造方法不利于大规模生产。

优选的可替代方式是，在辊压、喷射、或丝网涂覆中将所述胶粘剂涂覆于一个或两个薄膜上的环上，具体地涂覆于所述薄膜的金属化侧(如果那个薄膜被涂覆的话)。随后，所述薄膜与所述金属化侧一起夹在所述内侧，且所述胶接通过在所述边沿周围加热并加压来完成。因为这些气球的直径大到例如几米，所以所述加热和加压可通过在旋转臂或计算机控制横轴上的热辊或超声焊机来最佳地施加。

依据本发明实施方式的胶接程序包括按以下顺序但不限制于所给顺序的一个或多个步骤：

1.沿着待胶接的表面对所述透明薄膜进行电晕、等离子、火焰、或研磨处理；

2.将底剂(例如基于聚乙烯亚胺(PEI))应用于所述透明薄膜表面；

3.将热塑性热融或热密封胶粘剂(例如聚乙烯、EVA、丙烯酸等)应用于所述表面。如果需要侵蚀性地胶粘到所述金属化反射薄膜或者天然聚合物的反射薄膜或透明薄膜，则可对所述胶粘剂进行调制。在一个步骤中也可利用底剂分子来进行实施，且所述胶粘剂可以以颗粒悬浮物形式来扩散。可替代地，可在熔融状态下喷射或沉积胶粘剂混合物。

4.对所述反射薄膜进行电晕、等离子、火焰、化学和/或研磨处理，以提高胶接强度。如果采用具有弱金属化胶接的薄膜，则这种处理可以具有足够的侵蚀，以整个消除所述金属化。

5.将所制备的薄膜热密封在一起。

其它可能的胶粘剂包括热熔活性聚氨酯。其它结合技术(例如超声焊接和RF焊接等)已为本领域所公知并可作为替代使用，或者与热密封结合使用。

与单一成分薄膜相比，不同材料的层压体常常是更有利于作为蒸汽屏障等。使用所述工程薄膜层压体来提高性能和使用期限是可预计的。合适的薄膜包括PET(聚酯)、APET(无定形聚酯)、BOPA(尼龙)、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)。用于反射表面的合适的金属包括铝、银、金、铂。可替代地，所述薄膜可采用多层电介质反射镜。使用紫外线阻止剂、受阻胺光稳定剂(HALS)、以及其它保护剂在使用期限上的优点可以抵消其在成本上的劣势。

由此已经说明了本发明的示范性实施方式，本领域的普通技术人员应该注意的是，在所述披露书中的实施方式仅是示范性的，且在本发明的范围内可进行其它替代、改造和修正。由此，本发明不限于在此示出的具体实施方式，而是本发明仅由随附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种装置，包括：

椭圆形的上薄膜板，构造成使入射光透射；

椭圆形的下反射薄膜板，构造成反射入射光，且所述下反射薄膜板的周边大体结合于所述上薄膜板的周边，使得结合后的所述上薄膜板和下反射薄膜板的膨胀形成气球，所述气球将通过所述上薄膜透射的入射光反射到位于所述气球内的焦点处的接收器，其中当未膨胀形成气球时所述下反射薄膜板大体是扁平的，而当膨胀形成气球时所述下反射薄膜板变形，以将光反射至所述焦点上；

连接到所述气球上的柔性束带，所述束带与所述气球在多个位置处接触，所述束带将气球上的第一力分布于所述气球上的多个接触点；其中，所述气球上的第一力是通过系索响应于作用于气球上的第二力而产生的，并且其中，所述柔性束带处在张力作用下，以抵抗作用于柔性束带上的向外的力，所述向外的力是由于来自膨胀的气球的压力而产生的；

通过所述系索连接到所述柔性束带上的刚性定位器，所述刚性定位器通过所述柔性束带固定地定位和束缚至所述气球，以抵抗所述第二力来支撑所述气球。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述气球的刚性由所述气球内的膨胀压力来保持。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述刚性能够仅由所述膨胀压力来提供。

4.如权利要求2所述的装置，其中，所述刚性的一半或更多由所述膨胀压力来提供。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述上薄膜板和所述下反射薄膜板具有圆形形状。

6.如权利要求1所述的装置，其中：

所述束带构造成将所述气球束缚于物体上。

7.如权利要求1所述的装置，还包括：

所述气球的皱褶区，其位于所述支撑条之上。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述支撑条为刚性、处于受压状态并抵抗向内的力。

9.一种收集太阳能的方法，包括：

利用膨胀气球的反射下板，将入射到膨胀气球的透明上板的光反射到位于所述膨胀气球内部的焦点的接收器上；其中一支撑条在低于所述气球的赤道的位置处绕着所述气球延伸；其中当未膨胀形成气球时所述下反射板大体是扁平的，而当膨胀形成气球时所述下反射板变形，以将光反射至所述焦点上；

提供围绕所述气球的柔性束带，使柔性束带连接到所述气球上并与所述气球在多个位置处接触，所述束带将气球上的第一力分布于所述气球上的多个接触点；

通过所述柔性束带和一刚性定位器将所述膨胀气球锚定在地上，以抵抗所述第二力来支撑所述气球；

其中，所述刚性定位器是固定定位的，并且所述气球上的第一力是通过一系索响应于作用于气球上的第二力而产生的，并且其中，所述柔性束带处在张力作用下，以抵抗作用于柔性束带上的向外的力，所述向外的力是由于来自膨胀的气球的压力而产生的。

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