CN100427846C - 固定反射面的线聚焦太阳能装置 - Google Patents

Abstract

本发明是固定反射面线聚光太阳能装置。采用固定反射面结构，绕固定轴心转动日光收集转换器，跟踪聚焦线，从而达到聚光比高、简单牢固、成本低廉的太阳能装置。由于采用了固定反射面形式，就可以通过很简单的电路和机械结构控制日光收集转换器绕固定轴心转动，跟踪聚焦线，整体结构简单牢固，避免了聚光式太阳能装置跟踪机构过于复杂难以控制的缺点，反射槽一经建成可以长久使用，使聚光式太阳能装置整体造价降低，可靠性大大提高，为大规模开发利用太阳能提供了一种较好的方法。

Description

固定反射面的线聚焦太阳能装置

技术领域

本发明涉及太阳能技术领域，具体地说是一种采用简单牢固的固定反射面结构实现聚光功能的太阳能装置。

背景技术

太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，正得到越来越广泛的开发和运用。虽然到达地球表面的太阳辐射能非常丰富，然而平均能流密度却很低，目前光电池单位面积的造价还很高，不可能大面积的铺设光电池直接进行光电转换，同样直晒式的太阳能装置所能提供的热源温度不高，也只能作为普通供热设备，要大规模的利用太阳能进行发电或者其他运用，往往需要通过一定形式的聚光设备提高能量密度，但目前聚光式太阳能装置跟踪方式复杂，建设和运行维护成本较高，使聚光式太阳能设备的大规模推广运用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚光比高、简单可靠、成本低廉的固定反射面线聚的焦太阳能装置。

本发明根据光学原理和日光照射的规律，科学的采用固定反射面结构，通过绕固定轴心有规律的转动日光收集转换器，自动跟随日光聚焦点，从而达到聚光比高、简单可靠、成本低廉的太阳能装置。采用不同的反光镜组，本装置聚光比可以达到30至50倍。由于绕固定轴心转动日光收集转换器比起转动整个聚光设备跟踪日光，结构上简单牢固，运行维护也非常容易，与目前所建成的采用聚光方式的大型太阳能热电站相比较，本发明使太阳能电站的造价和运行维护成本都大大降低，将可以使太阳能发电成本降低到与煤电、水电相接近的水平。

本发明由一组固定的沿柱面排列的反光镜组成的反射槽，支撑反射槽和固定转轴的固定支架，绕固定转轴转动的转动支架，以及安装在转动支架上的日光收集转换器所组成，反光镜组与日光收集转换器共同分布在一个圆柱面上(称为基准圆柱)。组成反射槽的反光镜组由多个细长条形的平面反光镜或者凹面反光镜组成，反光镜的边缘偏离圆柱面越少聚焦性能越好。仔细调整每一面反光镜的倾斜角度，保证反射光线基本聚焦在反射槽所在圆柱面上的一条很窄的光带上(可以将其抽象为直线来讨论)。调整好倾角后，将反光镜固定下来组成反射槽。可以证明，无论太阳的东升西落还是季节变换，都能够保证固定后的反射槽能够将太阳光基本反射聚焦到一条直线上，该聚焦线将随着日光入射角度的变化，沿大圆柱面有规律的移动。根据日期和时间可以换算出该聚焦线的准确位置，从而调整日光收集转换器跟随聚焦线移动。按照极坐标的模式来看，如果仅仅是角度的改变，实际上就是把复杂的跟踪过程转换成了简单的一维运动。

上述装置在入射光不断偏转的情况下还能有效聚焦是基于以下光学原理：

1.反光镜组成的柱面反射槽中轴线和日光收集转换器互相平行，只要该平行结构有足够的长度，那么入射光源在过该中轴线的同一个平面上运动对反光镜组的聚焦性能影响不大，反射光都同样能聚焦到日光收集转换器上。

2.这组固定在柱面上的反光镜和日光收集转换器分布在同一大圆柱面，将入射光分解为与反射槽平行和垂直的两种分量，讨论入射光偏转时的聚焦性时，根据原理1平行分量不影响聚焦性能，所以就可以只考虑与反射槽垂直的分量，将其简化成横截平面来讨论。根据几何学原理，如果调整分布在同一大圆柱面的各反光镜(如“M”和“N”)，使反射光聚焦到同一个点“A”，那么入射光偏转后，各反光镜的反射光仍然将汇聚到圆上的另一个点“B”上，不会发散。原理如图1所示。

从上述原理可知，使反射槽轴向沿东西向平行于地球纬度线，过基准圆柱的轴心存在一个反射槽的对称面，按照装置所在地纬度调整反射槽向上的倾角，使该对称面与赤道面平行，分别调整每一个反光镜倾斜角，使平行于赤道面的入射光(春分和秋分时节的日光)，完全反射聚焦到反射槽对称面与基准圆柱面的上相交线(该相交线就是日光收集转换器的初始位置)，那么把调整好的反光镜固定后，随季节变化，在一天当中太阳不但有东升西落，而且南北向也有偏转，聚焦线也将跟随这种入射角度的变化沿着同一圆柱面南北移动，由于反光镜虽然是细长条型，但毕竟还有宽度，不是严格包含在圆柱面上，偏转角度增大后，聚焦线会稍微有发散，但可以做到并能证明，在最佳日照时间段内(9小时左右)反射光将完全聚焦在日光收集转换器上，早晚的时间段反射光将部分聚焦在日光收集转换器上，按照正弦分布曲线可以计算出，在早晚时间段分布的太阳辐射能量很少，聚焦性能完全能够满足实际运用。通过时钟控制日光收集转换器转动跟踪聚焦线，就能保证在一定时间段内有效的收集阳光。这里所说的日光收集转换器采用现有公知技术，既可以是光电转换器，也可以是光热转换器，或者是其他太阳能转换器件。

本发明由于采用了固定反射器形式，就可以通过很简单的电路和机械结构控制日光收集转换器绕固定转轴转动，作一维运动跟踪聚焦线，整体结构简单牢固，避免了转动机构和跟踪机构过于复杂难以控制的缺点。反射槽一经建成可以长久使用，通过时钟换算出来的同一个控制信号可以控制当地所有的转动跟踪装置，同时仅仅绕固定转轴转动的机电装置也非常简单，所以就能使聚光式太阳能装置整体造价大幅度降低，可靠性大大提高。日光汇聚到很小的面积后，转换器使用量就只需要原来直晒式太阳能装置的几十分之一，因此可以选用转换效率高的器件，不仅可以获得高温，而且也可以直接进行光电转换，为开发大规模的太阳能电站提供了一种较好的方法。目前平板直晒式光电池并网发电的成本约为煤电成本的5-8倍，选用在聚光条件下转换效率高的太阳能电池作为转换器，发电成本将下降到与煤电成本接近，将有很强的竞争能力，可以广泛运用到边远的家庭、工厂和中小城镇。

附图说明

图1为本发明装置的聚焦原理示意图：

图2为本发明装置的横截面示意图；

图3为本发明装置的整体结构示意图；

图4为本发明装置采用凹面镜时的反光镜组设计原理示意图。

在图2和图3中，1-固定支架，2-构成反射槽的反光镜组，3-位于圆心的固定转轴，4-转动支架，5-日光收集转换器。

具体实施方式

在图3所示的实施例中，固定支架1包括支撑架和圆柱型的支撑体，在固定支架1上安装有反光镜组2，固定支架1的圆柱型支撑体轴向应沿东西向平行于地球纬度线，按照装置所在地纬度确定圆柱型支撑体向上的倾角，使圆柱型支撑体对称面与赤道面平行。由于反光镜的边缘偏离圆柱面越少聚焦性能越好，为保证聚焦性能，我们可以先将反光镜的内边缘置于基准圆柱面上，分别调整每一个反光镜外边缘改变倾斜角，使平行于赤道面的入射光(春分和秋分时节的日光)，完全反射聚焦到对称面与基准圆柱面的上相交线上，该交线就是日光收集转换器的初始位置，调整好后就可以将反光镜固定下来。该装置的圆柱面中轴线平行于地球纬度线，整个系统是通过很多个这种单元按直线排列组合而成，有足够的长度。在春分和秋分时节，相对于地面参照系，太阳都在一个平面运动，日光从早到晚都能聚焦到同一条直线上，不用移动日光收集转换器，当日期偏离春分和秋分时节，太阳不再是作平面运动，早晚时候有南北向的偏离，随着日光南北向入射角度的变化，聚焦线将沿着圆柱面有规律的移动，这种规律是可以根据日期和时间换算出该聚焦线的准确位置的，只要将其固化为程序，通过一定的机构控制转动支架4绕固定转轴3转动的角度，就能使安装在转动支架4上的日光收集转换器5能有效跟踪聚焦线，收集到日光。

本发明的装置的聚光比取决于反光镜的设计和组成方式，可以参照以下方式确定反光镜的组成：

如果采用凹面镜组，取装置的横截面来讨论，如图4所示：先设定一个偏离量(可以取收集转换器直径为偏离量)，以转动支架的长度(基准圆半径)加上偏离量作为半径，得到基准圆的一个同心圆。以过轴心平行于赤道平面的平面为对称面(在横截面上表示为对称线“P”)，对称线“P”与基准圆有两个交点，以上交点“F”为焦点(该交点实际就是日光收集转换器初始位置)，下交点“T”为顶点，可以得到一条抛物线(实际对应的是一个抛物柱面)，该抛物线在上述两同心圆之间的部分，就是第一块反光镜镜面“M1”。过“M1”外边缘作直线“P′”平行于“P”，“P′”与基准圆相交点即为第二块反光镜“M2”内边缘的位置，同样过“M2”内边缘位置并以“F”为焦点，得到第二条抛物线，按照同样的原则就可以确定出一组抛物线组“L”(实际对应的是一组抛物柱面)。保留抛物线组“L”在上述两同心圆之间的部分，就得到所需要的凹面镜组M1、M2、M3……。采用上述方法时，所设定的偏离量与转动支架的长度的比值越小，装置的聚焦性能越好，但比值过小反光镜尺寸就小，反光镜数量需要的多，安装调整就越困难。

如果是平面镜，则每一个平面镜宽度应小于或等于收集转换器宽度或直径，以上述对称线“P”与基准圆的下交点“T”为安装第一块反光镜内边缘的位置，调整外边缘使反射光聚焦到收集转换器初始位置“F”，即固定了第一块反光镜，按照沿对称线方向互不遮挡且所有反光镜的内边缘都在基准圆上的原则，就可以依次确定其他反光镜位置，如果简化了计算，平面反光镜的数量就是聚光比。

反射槽还可以采用凹面镜与平面镜的组合，反光镜数量与聚光比的大小是密切相关的，但并不是反光镜越多越好，一方面调试复杂，另一方面互相遮挡影响会使聚光性能下降，以反射槽所对应圆弧不超过1/3基准圆圆周长为好。将多个上述装置，以直线排列的方式级连足够长度，日光的收集效率更高。支撑反光镜组的槽状固定支架可以永久固定，比如使用砖混结构等方式。

Claims (3)

1、一种固定反射面的线聚焦太阳能装置，其特征在于由固定支架(1)、一组沿柱面分布的反光镜组(2)、位于柱面圆心的固定转轴(3)、绕固定转轴(3)转动的转动支架(4)、与转动支架(4)连接的日光收集转换器(5)构成；反光镜组与日光收集转换器共同分布在一个圆柱面上。

2、根据权利要求1所述的固定反射面的线聚焦太阳能装置，其特征在于由多块长条形的互相平行的反光镜组成反射槽，每块反光镜是凹面镜或窄条的平面镜，反光镜调整好聚焦点后固定安装在固定支架(1)的圆柱型的支撑体上。

3、根据权利要求1所述的固定反射面的线聚焦太阳能装置，其特征在于所述的日光收集转换器是光电转换器、光热转换器或其他太阳能转换装置。

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