專利名稱：一種高剛度輕質的梁結構的制作方法
技術領域：
本發明的領域大體涉及用于在制造結構中使用的一種高剛度輕質的梁。更具體地，本發明涉及用于并入光伏板(photovoltaic panel)組件的縱向結構元件。
背景技術：
太陽能發電板(Solar electric panel)將光能轉化成電能。這樣，它們能夠潛在地與常規發電方法例如以煤、核燃料或天然氣為燃料的蒸汽渦輪發電機競爭。為了使太陽能大規模地與常規發電競爭，太陽能系統的成本必須顯著降低。商業上普遍的(Commercially-prevalent)太陽能板幾乎完全通過自動化制造，因此其勞動力成本構成已最小化。商業上普遍的太陽能板的真正成本動因是用于提純和“生長”單晶硅的設備、設施和能量的成本，而單晶硅自身組成太陽能電池。目前，太陽能工業通過設計將昂貴的提純硅材料的使用最小化的系統而進行根本的成本降低。將硅材料使用最小化的一個方法是這樣設計太陽能系統，即使用在襯底 (substrate)上間隔開的小太陽能電池，并且使用不貴的會聚透鏡，從而將大面積的陽光集中在這些太陽能電池上。這個方法通過接近于透鏡聚光比(optical concentration ratio)的因素減少了每千瓦發電能力的硅的使用。在一些情形中，所需硅的量可減少至 l/200th或小于常規平板太陽能板所需的量。這一基于透鏡的光伏集中系統的構造趨向于類似均勻厚度的“三明治體”，而透鏡安裝在該三明治體的頂側，在襯底上隔開的太陽能電池安裝在三明治體的底側，而陽光會聚路徑穿過兩者之間的空間。隨著地球在太陽下轉動，使得太陽看起來仿佛穿過天空移動，為了保持聚焦光束集中在太陽能電池上，整個太陽能模塊結構必須準確地追蹤太陽，并且太陽能模塊結構必須是明顯地剛性的，以便其彎曲的“下陷”不會顯著地降低透鏡和太陽能電池的相對對齊。所需要的是用于形成安裝在支座上的太陽能板系統的結構的梁構件，該系統具有成本效率，其提高了彎曲剛度與梁的材料體積比，其包括利于組件結合至該系統的形狀和大小，并且具有用預電鍍或預涂層金屬板或片制造的能力。

發明內容
在本發明的一方面，結構梁包括具有期望長度的平的片材或板材或網，平的片材或板材或網具有第一或頂部邊緣和第二或底部邊緣。頂部和底部邊緣在平的片材或板材的近端與遠端之間延伸。沿頂邊緣，至少第一弦桿(chord)或者凸緣基本垂直于平片連接，該弦桿具有五條邊的橫截面。沿第二邊緣，第二弦桿或者凸緣基本垂直于平片連接，該第二弦桿具有五條邊的橫截面。—方面，弦桿的橫截面形狀具有以非對稱、非閉合多邊形形狀布置的至少五條邊。 每個弦桿都包括基本互相平行并且基本垂直于平的片材或板材的三條邊。還有平面基本互相平行并且與平的片材或板材平行的弦桿的兩個相對邊。同樣，每個弦桿的橫截面包括基本成四邊形形狀(例如矩形或正方形)的四條邊。
在另一方面，該結構梁用一塊連續材料例如金屬片制造。進一步，該結構梁可以用常規的滾軋成型或彎曲或彎折成型(brake forming)制造工藝制造。在進一步方面，結構梁可被用來作為用于太陽能板系統的機械結構的主要縱向梁構件，太陽能板系統例如為安裝在支座上的太陽能板系統。機械結構的框架由結構梁形成， 每個結構梁都包括期望長度的具有頂部邊緣和底部邊緣的平的片材或板材或者網。第一弦桿或凸緣沿頂部邊緣基本垂直于平片連接，而第二弦桿或凸緣沿底部邊緣基本垂直于平片連接。第一和第二弦桿每個都具有五條邊的橫截面。太陽能板系統還包括被固定到結構梁的頂部邊緣上的第一弦桿的多個會聚透鏡。多個太陽能電池隔開并結合在襯底上，而襯底被固定到結構梁的底部邊緣上的第二弦桿。會聚透鏡和太陽能電池相對于彼此被布置在太陽能板系統中，使得透鏡將光線(陽光)聚焦到被結合到襯底上的單獨的太陽能電池上。使用結構梁形成的框架具有剛度，使得其彎曲的“下陷”不會影響會聚透鏡和太陽能電池的相對對齊。


圖1是抗彎曲梁的透視圖；圖2是沿圖1的線2-2截取的橫截面圖；圖3A是圖1中所示的抗彎曲梁的弦桿的一個實施例的詳細橫截面圖；圖3B是抗彎曲梁的弦桿的另一個實施例的詳細橫截面圖；圖4A和圖4B是圖1的抗彎曲梁的橫截面圖，其中代表性的鄰近組件緊固在梁上。圖5是具有預先穿孔的抗彎曲梁的弦桿的一個實施例的詳細橫截面圖；圖6是安裝在支座上的太陽能板系統的透視圖；圖7是圖6的安裝在支座上的太陽能板系統的拐角部分的分解圖。
具體實施例方式如圖1至3所示，結構梁10包括具有期望長度的平的片材或板材或網12，該平的片材或板材具有第一或頂部邊緣14和第二或底部邊緣16。頂部和底部邊緣在平的片材或板材的近端或第一端18與遠端或第二端20之間延伸。沿頂部邊緣，第一弦桿或凸緣22基本垂直于平片連接，弦桿具有五條邊的橫截面形狀。沿第二邊緣，第二弦桿或凸緣24基本垂直于平片連接，第二弦桿具有五條邊的橫截面形狀。在這個實施例中，弦桿與網成整體， 然而，在其他實施例中，弦桿可由結合在網上的單獨的材料形成。圖中也示出，第一和第二弦桿在相同方向遠離網延伸，但是取決于梁的使用，弦桿可在相反方向延伸。在優選實施例中，弦桿22和24的形狀具有以非對稱、非閉合多邊形形狀布置的至少五條邊。如圖3A中最佳示出，弦桿包括面向外部的邊26、相鄰的面向右側的邊28、進一步相鄰的面向底部的邊30、進一步相鄰的面向左側的邊32和向網12延伸的另一個面向底部的邊34，邊34被布置得鄰近并平行于面向外部的邊26。如圖所示，邊26和34可具有彼此靠近的平面接觸。優選的是，弦桿邊26、28、30、32、34與網12形成整體，然而，每個邊都可機械地連接至彼此和網。弦桿的邊26、30和34每個都具有基本彼此平行并且基本垂直于網的平面。弦桿邊28和32彼此相對，并且具有基本彼此平行并平行于網平面的平面。在一個實施例中，例如，邊28和邊32之間的距離優選為大約0. 75英寸，但是可在大約0. 125英寸至6英尺之間。同樣，邊26和邊30之間的距離大約為0. 75英寸，但可在大約0. 125英寸至6英尺之間。在優選實施例中，弦桿的橫截面包括基本成四邊形形狀的四條邊26、28、 30和32。在這種情形中，該四邊形是矩形形狀，但是可以是如正方形或其他任意四邊形的形狀。該四邊形限定腔36，腔36可完全或部分封閉。在另一個實施例中，例如如圖3B中描述的實施例，弦桿22可具有包括局部圓形或者類似曲線的橫截面形狀。在這個實施例中，弦桿包括面向外部的邊26、彎曲部分42和面向底部的邊34。彎曲部分42使弦桿具有P形的橫截面。也已設想，其他的實施例可包括邊數等于2、3、4、5、6、7或者更多的弦桿，而不偏離本發明的范圍。在一個實施例中，選擇抗彎曲梁10的橫截面形狀，從而利于最終結構的相鄰組件結合或連接。這些相鄰組件可包括會聚透鏡的板和襯底，襯底包括間隔開的太陽能電池，如在下文中進一步討論的。選擇梁10的材料厚度范圍，使得常規的自攻螺紋件可輕易地被打入梁中。在一個實施例中，用來形成網和弦桿的材料的厚度在大約0. 02英寸至0. 25英寸之間，并且優選為大約0. 06英寸。包括弦桿的梁的各側邊基本是平面的以利于相鄰組件的連接和結合。如圖4A和圖4B所示，優選實施例的梁的橫截面呈現出面向幾個不同方向的安裝表面，使得相鄰組件44、46、48、50和52可以根據其用途安裝在梁的任何邊和任何部分上。 設計梁10的腔36以容納穿過梁的表面的緊固件的伸出長度。如圖4A中所見，組件46用多個緊固件被安裝至網12，并且組件44和48每個都分別安裝至弦桿22和24。將組件44 和48連接至弦桿的一個緊固件的尖端和長度被示為位于梁的腔36內。圖4B示出組件50 和52用穿過弦桿的邊28的緊固件分別安裝至弦桿22和24，使得緊固件的尖端和長度位于梁的腔36內。通過預成型穿過邊26和邊34中的一個或兩個邊的孔54，可利于緊固件穿過雙倍材料厚度的弦桿邊26和34。如圖5所示，孔54可以預成型在梁10的任意邊或部分上以使得緊固件容易結合或連接，緊固件例如為螺釘、螺栓、鉚釘、銷栓、繩索以及類似物。在優選實施例中，包括弦桿22和24的非閉合橫截面的抗彎曲梁10的幾何形狀被設計成可用單個連續片材或板材(例如金屬片)制造。還優選的是，連續片材或板材包括基本均勻的材料厚度，使得有可能使用基本不擾亂預電鍍或預涂層材料的機械、抗腐蝕或表面性能的制造方法，用不貴的預電鍍或預涂層片材或板材制造本發明。這些制造方法的示例包括輥軋成型或彎曲或彎折成型。在其他實施例中，梁10可通過擠壓、拉擠、復合扭轉(composite layup)、熱軋、熱彎曲或其他方法形成。該梁也可用多于一片材料制造。例如，弦桿22和24可使用單獨的片材或板材形成，并且通過焊接或者其他機械手段，弦桿可在頂部邊緣14或底部邊緣16處接合。優選的是，被用來形成梁10的材料包括商業等級的金屬片。可被用來形成梁的其他金屬包括而不限于鋼、鋁、或提供剛度、強度和工藝性的期望特性的其他材料。用于該梁的其他組成材料也可包括塑料、復合材料或材料的組合。選擇抗彎曲梁10的橫截面尺寸，從而產生具有高剛度-材料體積比和高剛度-重量比的結構。在一個實施例中，面積慣性矩與材料體積的比至少是每平方英寸的橫截面35 英寸4，彎曲剛度_重量比至少是3. 7 X IO9Ib X每平方英寸(磅/英寸梁長度)，而強度_重量比取決于抵抗的機械載荷的具體類型。在本發明的實施例中，通過將橫截面形狀與關于彎曲中心軸線的大面積慣性矩合并來獲得高彎曲剛度。這個實施例還提供用于重量和成本最小化目的的小材料體積。通過增加組成梁10的頂部和底部弦桿22和M的材料的體積， 并減小組成梁的網12的材料的體積，實現增加梁10的彎曲剛度并減小材料體積。由于優選實施例由用基本均勻厚度的片材或板材制造，如圖2中最佳示出的，通過設計具有多個折疊材料厚度的頂部和底部弦桿，以及通過設計具有單一材料厚度的網，增加組成弦桿的材料的體積。通過增加由最終結構的總尺寸約束的梁的頂部和底部弦桿之間的距離來實現高剛度-重量比。在一個實施例中，雖然梁10可用于形成任何機械結構的任何部分，但是多個梁10 可用作用于圖6和圖7所示的安裝在支座上的太陽能板系統56的機械結構的主要縱向梁構件。由本發明各種實施例提供的這一梁的使用降低了安裝在支座上的太陽能板系統的成本。該梁通過提高彎曲剛度-材料體積的比并減少在梁的那些區域中(例如網12)材料的使用來提供至少有助于結構的彎曲剛度和機械強度的這些優點。因為梁能夠用不貴的、高速度、高度自動化的制造工藝制造，并且該梁能夠用預電鍍或預涂層金屬片制造，安裝在支座上的太陽能板系統也更有成本效率。這些優點也通過具有利于太陽能板系統的其他組件結合的形狀和大小的梁實現。在圖6和圖7中安裝在支座上的太陽能板系統56的一個實施例被示為包括具有基本為矩形形狀的單獨子框架61的結構框架60 ；然而，該結構框架可為包括正方形的任意其他多邊形形狀。框架60和子框架61由多個梁10形成，梁10被用作具有橫梁58的主要縱向梁構件，該橫梁58用于將縱向梁構件連接在一起，并且形成用于系統的框架60。在一個實施例中，橫梁也可為本發明的梁10。在圖6中所示的實施例中有48個子框架，其全部以12行、4列的形式對齊。但是在其他實施例中，例如，安裝在支座上的太陽能板系統可包括但不限于少至一個子框架或多至400個框架。通常地，總的結構框架60具有但不限于例如大約40英尺至大約60英尺的長度， 以及具有但不限于例如大約6英尺至大約12英尺的寬度。每個子框架61都可具有但不限于例如大約2英尺至大約6英尺的長度，以及具有但不限于例如2英尺至大約6英尺的寬度，并且優選地是大約4英尺長、3英尺寬。同樣，梁10的高度(從頂部邊緣14至底部邊緣16的距離)可以是但不限于例如大約6英寸至大約3英尺，并且優選為大約2英尺。同樣，第一和第二弦桿22和M的寬度，即弦桿邊沈的長度，也可以但不限于例如從大約1英寸至大約6英寸的范圍變化，并且優選大約為3英寸。仍然參考圖6和圖7，會聚透鏡62的板，例如菲涅耳透鏡板，每個都具有光學透鏡模式(optical lens pattern) 63，并且被固定至梁的頂部弦桿22。襯底64安裝至梁的底部弦桿對，該襯底M包括在襯底上間隔開的多個太陽能電池66，使得單獨的會聚透鏡與單獨的太陽能電池對齊或對準。在這個實施例中，M個光學透鏡模式(pattern) 63以6行、4 列的形式布置在板上，其與襯底64上的太陽能電池66的模式匹配。使用中，會聚透鏡模式將陽光聚焦在結合在襯底上的單獨的太陽能電池上。包括梁10的框架具有剛度使得其彎曲的“下陷”不會隨著時間的推移而降低會聚透鏡和太陽能電池的相對對齊。盡管本發明已參照優選實施例進行了描述，但無意將本發明限制于描述的實施例。因此，可對公開的實施例做更改而不偏離本發明的精神和范圍。還考慮到實施例的特定特征和方面的各種組合或子組合可相互結合或者取代以便形成本發明的變化模式。因此， 本發明僅由隨附的權利要求限定。
權利要求
1. 一種結構梁，其包含具有長度的平片，所述平片具有第一邊緣和第二邊緣；以及第一弦桿，其沿所述第一邊緣基本平行于所述平片布置，所述弦桿具有五條邊的橫截
2.根據權利要求1所述的結構梁，其進一步包含第二弦桿，所述第二弦桿沿所述第二邊緣基本平行于所述平片布置，所述第二弦桿具有五條邊的橫截面。
3.根據權利要求1所述的結構梁，其中所述第一弦桿包括基本互相平行并且基本垂直于所述平片的三條邊。
4.根據權利要求1所述的結構梁，其中所述第一弦桿包括以大約等于或小于0.25英寸的間隔隔開的兩條相對的邊。
5.根據權利要求1所述的結構梁，其中所述第一弦桿的橫截面包括基本成四邊形形狀的四條邊。
6.根據權利要求1所述的結構梁，其中，用于形成所述平片和所述第一弦桿的材料的厚度適合用常規自攻螺絲攻入。
7.根據權利要求1所述的結構梁，其中所述平片和所述第一弦桿用一塊材料制造。
8.根據權利要求1所述的結構梁，其中彎曲剛度與材料重量的比至少是3.7X109磅X 每平方英寸(磅/英寸梁寬度)。
9.一種太陽能板系統，其包含框架，所述框架包含結構梁、第一弦桿和第二弦桿，每個結構梁都具有平片，所述平片具有長度、頂部邊緣和底部邊緣，所述第一弦桿沿所述頂部邊緣基本垂直于所述平片連接， 所述第二弦桿沿所述底部邊緣基本垂直于所述平片連接，所述第一和第二弦桿每個都具有五條邊的橫截面；多個會聚透鏡，所述會聚透鏡被固定到所述框架的結構梁的所述第一弦桿；多個太陽能電池，所述太陽能電池被結合到襯底，所述襯底被固定到所述框架的結構梁的所述第二弦桿；其中，所述會聚透鏡將光線聚焦到被結合到所述襯底的單獨的太陽能電池上，并且所述框架具有剛度，使得該框架彎曲的下陷不會降低所述會聚透鏡和所述太陽能電池的相對對齊。
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述第一和第二弦桿包括基本互相平行并且基本垂直于所述平片的三條邊。
11.根據權利要求9所述的系統，其中彎曲剛度與材料重量的比至少是1.3X106磅X 平方英寸每磅總太陽能板重量。
12.根據權利要求9所述的系統，其中所述結構梁用一塊材料制造。
13.根據權利要求9所述的系統，其中所述第一和第二弦桿的橫截面每個都包括基本成四邊形形狀的四條邊。
14.一種制造結構梁的方法，其包含通過彎曲頂部邊緣，沿具有平坦表面的單個片材或板材的所述頂部邊緣形成第一弦桿，使得所述第一弦桿的橫截面包括五條邊，其中所述第一弦桿的三條邊垂直于所述單個片材或板材的所述平坦表面；以及通過彎曲底部邊緣，沿所述單個片材或板材的底部邊緣形成第二弦桿，使得所述第二弦桿的橫截面包括五條邊，其中所述第二弦桿的三條邊垂直于所述單個片材或板材的所述平坦表面。
15.根據權利要求14所述的方法，其中使用輥軋成型形成所述第一和第二弦桿。
16.根據權利要求14所述的方法，其中使用彎曲或彎折成型形成所述第一和第二弦桿。
17.根據權利要求14所述的方法，其中所述單個片材或板材是預電鍍金屬片。
18.根據權利要求14所述的方法，其中形成所述第一和第二弦桿，所述第一和第二弦桿的橫截面每個都包括基本成四邊形形狀的四條邊。
19.根據權利要求18所述的方法，其中形成所述第一和第二弦桿，所述第一和第二弦桿的橫截面包括以基本等于或小于0. 25英寸的間隔隔開的兩條相對的邊。
20.根據權利要求14所述的方法，其進一步包含預先穿孔穿過所述第一弦桿以利于將緊固件穿過所述第一弦桿。
21.一種結構梁，其包含具有某長度的平片，所述平片具有第一邊緣和第二邊緣；以及第一弦桿，所述第一弦桿沿所述第一邊緣基本垂直于所述平片布置，所述弦桿具有P 形橫截面。
22.根據權利要求21所述的結構梁，其進一步包含沿所述第二邊緣基本垂直于所述平片布置的第二弦桿，所述第二弦桿具有P形橫截面。
23.根據權利要求21所述的結構梁，其中所述第一弦桿包括基本互相平行并且基本垂直于所述平片的兩條邊。
24.根據權利要求21所述的結構梁，其中所述第一弦桿包括面向外部的邊、平行于所述面向外部的邊的面向底部的邊以及彎曲部分，所述彎曲部分被布置在所述面向外部的邊和所述面向底部的邊之間。
全文摘要
一種輕質高剛度的結構梁具有網和弦桿，其以橫截面幾何形狀為特征，該橫截面幾何形狀的特征在于以非對稱、非閉合、凸多邊形形狀布置的多個邊。弦桿的至少三條邊基本互相平行，并且基本垂直于網。使用完全自動化的制造機械容易制造該梁，并且該梁可用作太陽光聚集光伏模塊的主要抗彎曲組件。
文檔編號B21K23/00GK102176990SQ200980140167
公開日2011年9月7日 申請日期2009年8月26日 優先權日2008年9月2日
發明者D·杜特拉 申請人:阿莫尼克斯公司