CN101243293A - 菲涅耳太阳集热器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种菲涅耳太阳集热器装置，其主要包括接收器(1)和配设给接收器(1)的镜装置。通过对于接收器柱(2)和镜支架结构(4)采用具有相同的热膨胀系数的材料而对所述装置进行温度补偿，并通过借助于机电地受驱动的移动杆机械地联结所述镜而简化主镜(6、6’)对太阳的跟踪。

Description

菲涅耳太阳集热器装置

技术领域

本发明涉及一种菲涅耳太阳集热器装置。

背景技术

这种装置是指一种线性聚光系统，在该系统中，根据太阳的位置引导多个平行于接收器布置的镜条，并所述镜条将太阳光线导向固定的吸热器管处，一种存储热量的介质在所述吸热器管中流动。与吸热器管相配的副反射器附加地将光线导向主要由吸热器管形成的焦线上。吸热器管和副反射器形成抬高地设置在镜条上方的接收器。这种菲涅耳太阳集热器目前例如在澳大利亚处于实地试验运行阶段。所产生的热量用作工业用热或用于例如借助于斯特林发动机(Stirlingmotor)转化成电流。

与常见的抛物面集热器相比，菲涅耳太阳集热器的优点在于其明显简化的结构。抛物面集热器由具有抛物面形柱面的反射器组成。这里光线也会聚到一条线上，即焦线。抛物面集热器的吸热器管位于该线上，所述吸热器管吸收会聚的光线并将其释放到流过的介质中。这里，介质被加热到约400℃的温度值。为了改善效率，用玻璃管包围吸收器。这里，在吸热器管和玻璃管之间的中间空间内存在用于隔热的真空。这样产生的“太阳能蒸汽”也可以直接用于工业用热的应用场合或用于传统的蒸汽和热电联产机组(Kombikraftwerk)。

除此以外，作为其它集热器类型还已知平板型集热器和CPC集热器。

这里所述菲涅耳太阳集热器的效率主要取决于所反射的太阳光线多好地会聚到吸热器管上。为此合理的是，引导与吸热器管相配的主镜跟踪太阳。只有这样才能实现所述设备的可接受的效率。这通常借助于(分别)与每个主镜相配的电动机来实现。所述电动机通常又设有时间控制装置，从而跟踪装置更多地是控制装置而不是调节装置。

这种菲涅耳太阳集热器的一个主要问题在于，这种装置在阳光辐照量最高的区域(地区)，即例如在荒漠区域内达到其最高的效率，在所述区域内，从而负的度数到远高于40℃正度数的极端的温度波动并不少见。这里，所使用的材料和支架结构会受到很高的载荷，材料的热变形几乎是不可避免的，因此可导致整个装置中的角度偏差，这种角度偏差会使整个设备在效率上的下降范围达到两位的百分数。镜装置的支架结构中很小的角度偏差就已经能够导致：主镜的大部分不再将反射的光线会聚到吸热器管上，而只是将光线反射成在吸热器管旁经过。此外，对离散的电动机的单独的控制或者也可以说单独的调节和调整以使反射镜进行跟踪或对反射镜的摆动进行控制会导致很高的调节或者控制上的耗费，这种耗费会使所述设备在一定程度上易于发生故障。

发明内容

由现有技术出发，本发明的目的是，将所述设备设计成总体上较为坚固，并在同时尽可能地改进所述设备的效率。

所述目的通过根据独立权利要求所述的菲涅耳太阳集热器来实现。有利的实施形式可以由从属权利要求2-11获得。

根据独立权利要求，在接收器支架结构的区域内和/或与接收器支架结构相结合位置固定地支承镜支架结构，而在其余部分滑动地、同时无约束地(zwngungsfrei)进行支承，由此可以确保，在出现由于热作用不可避免的热膨胀的情况下，所述镜支架结构能够补偿相应的变化。

当接收器支架结构和镜支架结构基本上由相同的材料制成并且位置固定地支承在基本上相同的位置上时，可以更好地实现上述效果。在出现热材料膨胀或收缩的情况下，可以至少接近于确保，所述支架结构相互的膨胀以相同的程度进行。例如，此时，接收器柱由于热作用以接近与例如设置成镜支架结构的主镜支承轨相同的程度膨胀。由于至少基本上相互垂直地布置接收器支架结构和镜支架结构以及由于由相同的所使用的材料得到的相同的膨胀系数，又可以确保，相互之间的角度关系不会变化或者无论如何只发生很小的变化。只有当接收器支架结构和镜支架结构都是无约束地支承时，即当至少两个必要的支承部中只有一个是位置固定的时，才能实现上述情况。这种令人吃惊地简单的解决方案使得不必对材料的膨胀或收缩进行复杂的补充调节，或进行基本上毫无意义的试验，以及使用或多或少地具有温度不敏感性的材料。至少由于成本的原因应避免使用这种材料。

在一种具体的设计方案中，菲涅耳太阳集热器装置的接收器可以设计成支承在一排接收器柱上的吸热器管，其中，在必要时采用混凝土底座的情况下，在相同的位置处还可以位置固定地支承镜支架结构。接收器柱和镜支架结构这里可以有利地由37号钢制成，并由此具有基本上相同的膨胀系数。

在有利的实施形式中，几个支承在镜支架结构上的主镜组成一主镜组，所述主镜组有借助于一共同的机械调节元件机械地联结，以进行跟踪，从而所述主镜组跟踪太阳。由于采用了共同的调节元件，可以省去对至少在相关主镜组内部所采用的电动机相互之间进行繁琐的调整、复杂的控制和调节。而是可以借助于共同的调节元件可以共同地调节主镜组，其中可以始终确保主镜之间的相对角度关系。这又是基于日常的截线定理/射线理论(Strahlensatz)知识，即，在跟踪太阳的过程中，相对于隔开地并且抬高地设置的吸热器管，前后顺序地设置在相对于吸热器管垂直的假想直线上的主镜必需的相对于彼此之间的相对角度设置是相同的。对于设置在平行于吸热器管的假想平行线上的主镜，这通常也适用。

这里，前面说明的具有用于共同摆动主镜的机械连接部的集热器装置的结构有利地还独立于镜支架结构无约束的支承。

所述共同的摆动通过一主镜组的主镜借助于一跟随轴的连接来实现。在调整主镜方向时，通过移动一移动杆来使跟随轴转动，所述转动通过所述连接均匀地传递到整个主镜组上。

所述跟随轴有利地以规则的间距支承在滚轮托架(Rollenbock)上。所述滚轮元件允许跟随轴进行轴向转动，并在其形状上设计成桶形的，即，基本上是圆柱形的，同时其外壳面隆起地突出。这种形状使得所述跟随轴不仅可以沿一平面布置，而且在必要时还可以进行高度变化。所述轴可以倾斜地放置在滚轮元件上，从而可以不必同时倾斜地放置滚轮托架。

在一种具体的实施形式中，组成一组的主镜的机械连接借助于一移动杆来实现，通过所述移动杆，所述可摆动地支承在镜支架结构上的主镜根据太阳的位置或者说时间(Uhrzeit)相对于吸热器管摆动，或者更好地说，跟踪太阳。

在一种有利的实施形式中，利用一线性电机机电式地驱动所述移动杆，其中，借助于所述线性电机根据太阳的位置将垂直于吸热器管的纵向延伸方向/纵向长度设置的移动杆压进或压出。

在一种有利的实施形式中，这里，水蒸汽或导热油在吸热器管中流动，所述水蒸汽或导热油通过反射的光线被加热到最高约400℃的温度。这样被加热的热介质此时可以用已知的方式输送给其它用途或用于产生电流。

为了尽管在所述装置具有保角性/角度保持性(Winkeltreu)的情况下仍能进一步改善所述装置的效率，所述吸热器管附加地配设有副反射器，所述副反射器基本上屏障式地包围所述吸热器管，并由此捕获主镜可能的散射光线并使其这样转向，即，使所述散射光线也会聚到吸热器管上。

就是说，副反射器同样设置成使吸热器管基本上位于副反射器的焦线上。

在机电驱动装置的另一个实施形式中，所述线性电机基本上也布置在中央，即大约布置在由成排布置的接收器柱形成的假想线的区域内。这里在采用相应的转向装置(Umlenkung)的情况下，利用同一个线性电机，可以这样地既驱动吸热器管左边的、借助于一个或多个移动杆驱动的主镜组，也驱动吸热器管右边的、借助于一个或多个移动杆驱动的主镜组，即，使主镜进行根据时间控制的或跟踪太阳位置调节的摆动。

与吸热器管左边的主镜组相比，吸热器管右边的主镜组必要的反向运动通过一只配设给两侧中的一侧的、移动杆线性运动的转向装置来实现。

在一种有利的实施形式中，线性电机与一共同的控制装置和/或调节装置相连，因为移动杆进行的相对移动在吸热器管的整个长度上是精确一致的，并且由此可以对整个设备进行共同的调节。

附图说明

下面借助于在附图中只是示意性示出的实施例来详细说明本发明。其中：

图1示出一菲涅耳太阳集热器装置的横截面，

图2以原理草图示出菲涅耳太阳集热器装置的细部，

图3示出图1和图2所示的菲涅耳太阳集热器装置的调节图。

具体实施方式

根据图1所示，菲涅耳太阳集热器装置包括抬高设置在接收器柱2上的接收器1。为此接收器柱2支承在固定支承部3中，所述固定支承部同时又构成角度对称地布置的镜支架结构4的中轴。这里镜支架结构4基本上由支承轨5构成，所述支承轨由与接收器柱2相同的材料制成，在本实施例中是37号钢，并且分别垂直地从接收器1的纵轴线向外延伸。这里接收器1主要由吸热器管构成，起热存储器作用的热介质在所述吸热器管内流动。所述热介质可以是简单的水蒸汽或导热油。所述吸热器管通常由副反射器包围，所述副反射器捕获镜装置的可能的散射光线并使其转向到吸热器管上。在支承结构上的两侧，即相对于抬高设置的接收器1基本上镜像对称地，设置有镜轨道，所述镜轨道可摆动地支承所述主镜6、6’。这里所述镜轨道基本上是这样地支承在所述镜支架结构4上的，即，可以这样地使作用在菲涅耳太阳集热器装置上的太阳光线反射和转向，即，使所述太阳射向在接收器1的区域内会聚在吸热器管上。这里所述吸热器管理想地形成支承在镜支架结构4上的主镜6、6’的焦线。这里，每个接收器1都以不同的距离配设有多个主镜6、6’，即，以距由吸热器管限定的镜支架结构4的中轴线的垂直距离逐渐增加。

所述镜支架结构4本身又竖立在具有底脚元件7的放置底部上，其中，所述底脚元件仅通过滑动轴承与垂直于接收器1的纵向延伸方向固定地延伸的支承轨5相连接。具体地，即接收器柱2以及沿接收器1纵向延伸的支承轨5仅固定在位置固定的固定支承件3中，其余部件都是无约束地滑动支承的。据此，接受器柱2以及支承轨5都是由37号钢制成的，并由此具有基本上相同的膨胀系数，所述两个支承结构可能的热膨胀也是基本上相对应的。即接收器柱2的长度膨胀基本上这样得到补偿，即，通过支承轨5相同形式的膨胀来补偿该装置可能的角度误差，所述角度误差可能导致这样的后果，即，吸热器管移出镜装置的焦线。

由此，通过相互补偿由于在菲涅耳太阳集热器装置的使用区域的地区内非常常见的温度波动而出现的可能的材料膨胀或收缩，根据图1的菲涅耳太阳集热器装置基本上可自调节地进行温度补偿。由此，至少可基本上避免反射光线的散射损失，这种散射损失对于设备的产出系数(Ertragsfaktor)有非常不利的影响。因此，基本上可以不必使用用于补偿所用材料由温度引起的长度变化。

根据图2，用这样的优点对所述装置进行补充，即，配设给各单个支承轨5的主镜6、6’分别通过镜支架8、8’可摆动地与相应的支承轨5相连。这里由现有技术已知，每个主镜6、6’都配设有单独的电机，并且，借助于该机电的驱动装置可以根据太阳相对于接收器1的位置实现使主镜6、6’进行跟踪。根据图2，将多个主镜6、6’组合成一个主镜组，所述主镜组的特征在于，可通过调节元件，即移动杆10、10’相互机械地联结。利用线性驱动装置11线性移动地机电式地驱动所述移动杆10、10’，其中接收器柱2以及由此接收器1的左侧和右侧的移动杆10、10’的移动借助于这里没有详细示出的转向装置彼此反向。即接收器1左侧和右侧的所述移动杆10或10’或者都被压入或者都被压出。这可以理解为，所述两个移动杆10或10’中的一个仅是间接地，即通过转向装置作用在主镜6、6’上，所述转向装置导致所述反向运动。这又使得，右侧和左侧的镜以精确相同的角度关系朝向或背朝布置在中央的反射器或者说吸热器管。即根据图2的解决方案使得可以借助唯一一个电机，优选借助于线性驱动装置，通过简单的移动杆10、10’实现机械的联结，并由此不必对多个单独的电机相互间至少沿支承轨5、即在主镜组内部进行复杂的调整，尽管如此通过刚性的机械联结以及由于装置的保角性，使得可以利用唯一一个共同的线性驱动装置精确地跟踪太阳的位置。

根据图3的原理图，这里可以涉及一种控制装置和/或调节装置。根据图2的图示，给分别配设有一个或多个移动杆10、10’或支承轨5的线性电机11、11’、11”配设有一个共同的调节器12。在最简单的情况下，可以在控制装置的意义上根据预先确定的程序时间控制地对所述调节器12进行控制，所述程序使每个时间和确定的太阳位置以及由此和主镜6、6’确定的角度位置相配。为此，所述调节器12与时间测量装置14数据连接。但除此以外，所述调节器12也可以与实时的实际/额定值比较装置13相连，其中，实际和额定值(比较)或者将实际的太阳位置与额定规定值进行比较，或者直接将例如通过对所实现的照射强度进行分析处理得到的设备的效率或当前的电流效率作为调节参数的实际值回输(反馈)，以获得可能的调节偏差。这样通过所述调节元件可以对主镜6、6’的角度位置进行补偿调节。如果在本质上进行理解，移动杆10、10’或多或少地也构成用于调节或跟踪引导主镜结构的调节元件，其中电机11、11’、11”也属于所述调节元件。通过共同的调节器12实现对线性电机11、11’、11”的控制或调节。

图4和图5示出滚轮托架15，在所述滚轮托架中引导跟随轴17。所述跟随轴17连接一个主镜组的主镜6、6’，并确保，由于通过移动杆10、10’的移动引起的跟踪运动，所述组的所有镜进行平行的转动。滚轮托架15包围跟随轴17，其中所述轴在滚轮托架15中支承在滚轮元件16、16’、16”。滚轮元件16、16’、16”基本上是圆柱形的，并具有凸出的外壳面，跟随轴17支承在所述外壳面上。如图5所示，通过这种桶形的构型，使得跟随轴17可以倾斜地放置，同时滚轮托架15保持在其垂直的位置。这使得可以在沿倾斜的面，例如在山丘或不平坦的地形上布设跟随轴17。此时当然必须确保，避免相对于相关的主镜6、6’遮盖接收器1。

前面说明了这样一种菲涅耳太阳集热器装置，所述菲涅耳太阳集热器装置基本上这样来进行温度补偿，即，采用具有相同的热膨胀系数的材料用于镜支架结构4的支承轨5和接收器柱2，此外，还无约束地支承接收器柱2以及镜支架结构4。此外，通过机械的联结大大简化了主镜6、6’对太阳位置的跟踪。

附图标记说明

1               接收器

2               接收器柱

3               支承部

4               镜支架结构

5               支承轨

6、6’          主镜

7               底脚元件

10、10’        移动杆

11              线性电机

12              调节器

13              实际/额定值比较装置

14              时间测量装置

15              滚轮托架

16、16’、16”  滚轮元件

17              跟随轴

Claims (13)

1、具有至少一个接收器(1)的菲涅耳太阳集热器装置，所述接收器(1)相对于多个主镜(6、6’)抬高地支承在接收器支架结构上，所述主镜在接收器(1)的两侧可摆动地这样设置在镜支架结构(4)上，即，使得由主镜(6)反射的太阳光线至少基本上会聚到接收器(1)上，并且分别引导主镜(6)跟踪太阳，其特征在于，从接收器支架结构的两侧延伸出来的镜支架结构(4)在接收器支架结构的区域内和/或与接收器支架结构相结合的位置被固定地支承，而在其余部分则被滑动地、同时无约束地支承。

2、根据权利要求1所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，所述接收器支架结构和镜支架结构(4)由具有至少基本上一致的材料膨胀系数的材料制成，优选由37号钢制成。

3、根据权利要求1或2所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，所述接收器(1)包括吸热器管，所述吸热器管借助于一排优选布置在一条假想的直线上的、基本上形成接收器支架结构的接收器柱(2)抬高地支承，并且镜支架结构(4)包括相互隔开设置的支承轨(5)，所述支承轨必要时通过相应的支杆框架形地连接，其中所述支承轨(5)至少基本上垂直地从成排布置的接收器柱(2)的假想的直线延伸出来，支承轨(5)在与接收器柱(2)的连接部或者在接收器柱(2)的基础区域内的位置被固定地支承，而在其它部分被滑动地支承。

4、根据前述权利要求中任一项所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，在假想的直线上平行或垂直于接收器(1)的吸热器管的纵向延伸方向布置在一个共同的支承轨(5)上的主镜(6、6’)组成一主镜组，其中所述主镜组的主镜(6、6’)借助于一共同的调节元件机械地连结并由此共同地跟踪太阳。

5、根据权利要求4所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，配设给一个或多个设置在彼此假想的延长线的支承轨(5)的主镜(6)组成一个主镜组。

6、根据权利要求5所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，所述主镜组的主镜(6、6’)分别可摆动地支承在所述一个或多个支承轨(5)上，其中所述主镜(6)通过一个优选机电地驱动的移动杆(10、10’)刚性地彼此连接，并通过移动杆(10、10’)的线性移动共同地摆动到其相对于接收器(1)的吸热器管的相应倾角。

7、根据权利要求6所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，为了进行共同的摆动，主镜组的主镜(6、6’)通过跟随轴(17)彼此固定地连接，所述跟随轴基本上平行于吸热器管的纵向延伸方向相对于支承轨(5)可转动地布置。

8、根据权利要求7所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，所述跟随轴(17)支承在滚轮托架(15)上，所述滚轮托架包围所述轴，其中所述轴借助于多个、优选三个桶形的滚轮元件(16、16’、16”)这样保持在所述滚轮托架(15)中，即，使得所述跟随轴(17)可进行轴向转动。

9、根据权利要求5至8中任一项所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，所述移动杆(10、10’)能够通过线性电机(11)沿其纵向延伸方向机动地移动。

10、根据权利要求6至9中任一项所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，所述线性电机(11)优选设置在接收器柱(2)的区域内，一个或多个移动杆(10、10’)由所述线性电机(11)驱动，其中，为了进行跟踪，布置在接收器(1)右侧的主镜(6)相对于接收器(1)左侧的主镜(6’)反向地移动，其中，通过只设置在接收器(1)一侧的相应转向装置来转化实现该反向移动。

11、根据前述权利要求中任一项所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，一种热存储介质，优选是水蒸汽或导热油在吸热器管内流动。

12、根据权利要求10或11所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，所述接收器(1)附加地包括配设给吸热器管的副反射器，所述副反射器主要接纳由主镜(6、6’)反射的散射光线并使其转向到吸热器管上。

13、根据前述权利要求中任一项所述的菲涅耳太阳集热器装置，其特征在于，这样来确定主镜(6、6’)的尺寸和距离，即至少基本上避免主镜(6、6’)相互遮蔽。

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