CN101298943A - 中高温太阳能利用设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用和转换太阳能为热能的中高温太阳能利用设备，包括聚光罩(8)、集热器(1)、机体(39)和与其连接的底座(29)，其特征是：所述聚光罩(8)上固定连接有支架(7)，支架(7)上装有集热器(1)，集热器(1)的轴线通过聚光罩(8)和支架(7)的中心，支架(7)的上端与连接杆(41)活动连接，连接杆(41)上设置有与支架(7)连接的角度跟踪减速机构，连接杆(41)通过方位跟踪减速机构与机体(39)连接，集热器(1)内有相连通的低温循环管(4)和高温循环管(5)，低温循环管(4)与机体(39)内的副储能箱(38)连通，高温循环管(5)与机体(39)内的主储能箱(37)连通，主储能箱(37)与副储能箱(38)通过内循环管(26)连通。本设备带有CPV信息识别控制系统实现设备自动化运转，并且能最大限度利用太阳能的热能。

Description

中高温太阳能利用设备

技术领域：

本发明涉及一种利用和转换太阳能为热能的中高温太阳能利用设备。

背景技术：

随着社会经济的发展，能源和资源的消耗，环境的污染已成为社会关心的重大问题。节约能源，保护环境是人类可持续发展的必要条件。人们的注意力正转向再生能源的开发和利用。为最大限度的利用和转换太阳能，使太阳光更有效快速的转换成高温并储存，实现人们更大范围的利用太阳能。目前生产、使用的太阳能集热器有平板式结构，也有抛物面式结构。平板式结构的太阳能集热器是将多根太阳能集热管安装在一个平板上，利用集热管吸收太阳的热能对介质(如水)加热；抛物面式太阳能集热器是利用抛物面的反射原理将太阳的光线反射到被加热的物体上，将被加热物体内的介质(如水)加热。它们的共同特点是集热器是被固定在一个地方，一天内太阳光线只能短时间与集热器形成近似的垂直照射，太阳能量的利用率相当低，且热能损失大，不能满足目前人类对太阳能的需要。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种太阳能的转化、利用效率高的中高温太阳能利用设备。

本方案是通过如下技术措施来实现的：包括聚光罩、集热器、机体和与其连接的底座，所述聚光罩上固定连接有支架，支架上装有集热器，集热器的轴线通过聚光罩和支架的中心，支架的上端与连接杆活动连接，连接杆上设置有与支架连接的角度跟踪减速机构，连接杆通过方位跟踪减速机构与机体连接，集热器内有相连通的低温循环管和高温循环管，低温循环管与机体内的副储能箱连通，高温循环管与机体内的主储能箱连通，主储能箱与副储能箱通过内循环管连通。

本方案的有益效果为：由于本方案是利用高效率的曲面聚光罩收集太阳光能，又利用自动跟踪装置将太阳的光线一直垂直照射到聚光罩上，使太阳能与被加热介质能最大限度进行热交换，提高设备的集热效率；集热器、热交换不论在哪个设定温度下工作其输出管流出的介质都是恒温；集热器和热交换器工作的同时，利用循环管道的温度差给温差发电模块进行加热和冷却来发电不损失热能；介质经集热器一次性加热到高温流入热能主储存箱和副储能箱或由循环泵进行循环加热来储存热能。

附图说明：

图1是本发明的结构原理图。

图2是本发明聚光罩的结构原理图。

图3是本发明聚光罩的俯视图。

图4是本发明集热器的结构原理放大图。

图5是本发明电器控制原理图。

图6是本发明太阳聚光、集热、跟踪结构放大图。

图中，1-集热器；2-温控阀；3-感温元件；4-低温循环管；5-高温循环管；6-温差发电模块；7-支架；8-聚光罩；9-光电传感器；10-Y向轴；11-绞链；12-绞轮；13-电机；14-蜗轮；15-蜗杆；16-Z向轴；17-上轴承；18-蜗杆；19-蜗轮；20-下轴承；21-连接盘；22-电器控制箱；23-上热交换器接口；24-温度传感器；25-上介质循环接口；26-内循环管；27-下热交换器接口；28-下介质循环接口；29-底座；30-蓄电池；31-单向阀；32-介质输入接口；33-单向阀；34-循环泵；35-下循环管；36-热交换器；37-主储能箱；38-副储能箱；39-机体；40-保温层；41-连接杆；42-骨架；43-聚光板；44-中心轴；45-Y轴电机；46-信息识别控制电路(CPU)；47-Y轴电机执行电路；48-Z轴电机执行电路；49-循环泵执行电路；a-光电传感器信号I；b-光电传感器信号II；c-光照强度传感器信号；d-跟踪转动机构限位信号；e-温度传感器信号。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

通过附图可以看出，本发明包括聚光罩8、集热器1、主储能箱37、副储能箱38、热交换器36。聚光罩8与支架7固定安装，支架7上端装有集热器1，集热器1可以用铜管盘绕而成，也可以用其它金属管或非金属材料制成。集热器1位于高温焦斑F处；支架7上的Y向轴10轴线通过聚光罩8和集热器1物体的重心处，支架7经Y向轴10与Z向轴16(连接杆41)铰接；Z向轴16(连接杆41)的轴线在聚光罩8中心处，在Z向轴16(连接杆41)上装有角度跟踪减速机构，Z向轴16(连接杆41)下端装有方位跟踪减速机构，Z向轴16(连接杆41)经上轴承17和下轴承20安装在连接盘21的中心轴44上，集热器1带有低温循环管4和高温循环管5，它们的作用是把低温介质经集热器接收到的高温加热后传输到热能利用设备或储存箱。低温循环管4上装有温度控制阀2，高温循环管5上装有感温元件3，以控制被加热介质的流量。

低温循环管4与压力罐或副储能箱38连接，以便将压力罐输送的冷介质或储能箱38内低温介质输送到集热器中；高温循环管5与用热设备或主储能箱37连接，以便将被加热后的高温介质输送到用热设备或主储能箱37中。

主储能箱37、副储能箱38安装在机体39内，在主、副储能箱与机体39之间带有保温层40，以防热量损失。

聚光罩8是由不同焦距的聚光板43分别固定在钢骨架42上制成，各聚光板的焦点重合在同一位置而形成高温焦斑F处，各聚光板面之间带有通风空间N，以减少聚光罩8的风阻，有利于跟踪机构的调整和提高设备的钢性。聚光罩8也可以是有相同焦距的聚光板固定安装在钢骨架42上制成，形成一个完整的聚光曲面，如抛物面。

低温循环管4和高温循环管5介质循环管道之间装有温差发电模块6，温差发电模块6经导线与蓄电池30连接，所产生电能可以直接给电器控制元件22、光电传感器9、温度传感器24、驱动电机等直接供电，并联有蓄电池30储存电能。

支架7、聚光罩8、集热器1等结构形成阳光聚光、集热、跟踪机构。其中，角度跟踪减速机构的蜗杆、蜗轮14、电机13经过支撑架安装在Z向轴16(连接杆41)上，蜗杆15啮合蜗轮14，绞轮12与蜗轮14同轴，绞轮上的铰链11两端分别固定在支架7的两侧。方位跟踪减速机构的蜗轮19固定安装在Z向轴16(连接杆41)的下端，并且与安装在连接盘21上的蜗杆18啮合，蜗杆18由驱动电机带动其转动。

热能储存箱分主储能箱37和副储能箱38，主储能箱37带有上介质循环接口25，副储能箱带有下介质循环接口28，主、副储能箱内带有热交换器36，主、副储能箱上带有与热交换器36连接的上热交换接口23和下热交换接口27。

电器控制元件22装有CPV信息识别装置，聚光罩1上装有光电传感器9；高温循环系统装有温度传感器24。

其应用原理为光电传感器9包括有太阳高度角传感器和方位传感器。太阳高度角传感器有两只光电管分别接收太阳高度角变化，当两只光电管受光照强度相同时、既是聚光罩对正太阳时，光电管电压V1＝V2电机(13)不转动。当太阳高度角出现变化，两只光电管分别进入强光区和弱光区，光电管的电压会出现高低变化、V1＞V2或V2＞V1；由信息识别电路控制跟踪电机13进行反正转，使聚光、集热系统跟踪太阳的高度角；同理，方位传感器控制方位跟踪机构的电机，当光电管V3＞V4时，电机正转使聚光、集热系统跟踪太阳方位角，对正太阳时，V3＝V4电机不转动。为了跟踪安全可靠，该光电传感器上还可以装有光电管V5进行阳光强度检测判断，达不到光照强度时停止工作。CPV信息识别系统设时间记忆功能，根据季节变化设定开关机时间，并记忆每天的跟踪时间进行复位。具体的执行方式为：太阳高度角的跟踪：由电机13反正转、带动蜗杆15、蜗轮14、绞轮12转动，绞链11拉动支架7使聚光集热机构跟踪太阳的高度角变化。太阳方位角的跟踪：由电机反正转带动蜗杆18、蜗轮19、Z轴16转动，来跟踪太阳的方位角。

由于聚光罩8接受到的太阳光经聚焦可达到1000℃以上的高温，为了控制介质的流量，在低温循环管4安装有一个温控阀2和高温循环管5上安装一个感温元件3。温控制阀2在常温下为常闭，当集热器1受热时高温循环管5有高温介质排出经过感温元件3达到设定启动温度时温控阀开启；根据其温度，利用温控阀2调整进入集热器的介质流量进行热交换、实现集热器在恒温和常下压工作。

低温循环管4通过三通管，一端经过单向阀31接介质输入接口32，另一端经单向阀33、循环泵34与副储能箱38的底部相连；高温循环管5直接与主储能箱37连接；两储能箱之间经内循环管26相连接，在主储能箱37上带有上循环介质接口25；在副储能箱38上带有下循环介质接口28，这样更有利于能源的利用。介质的加热过程为压力罐的介质一次性加热到高温进入主储能箱37和副储能箱38保存，即：压力罐的介质经接口32→单向阀31→低温循环管4→温控阀2→集热器1→感温元件3→高温循环管5进入主储能箱37介质存满后，经内循环管26在进入副储能箱38；也可以利用上介质循环接口25经过烤箱对物体加热后，经下介质循环接口28进入副储能箱38。对储能箱的介质进行循环加热：下循环管35装有温控式循环泵34，当集热器1受热时温控阀开启，温控循环泵启动，副储能箱38的介质经下循环管35→循环泵34→单向阀33→低温循环管4→温控阀2→集热器)→感温元件3→高温循环管5→主储能箱37→经内循环管26或进入副储能箱38进行循环加热储存热能。

为保护集热器和热循环系统，在热循环系统装有温度传感器24，来检测系统的工作温度，温度传感器24最好固定安装在储能箱的外侧。当热循环系统的工作温度超过最大设定值时，有信息识别电路控制跟踪机构电机带动Z向轴16(连接杆41)反转一定角度，使聚光、集热系统避开阳光照射并停止跟踪。

为了排出储能箱中的气体，在主储能箱的上端设有带放气阀的排气口。电器控制箱22固定安装在机体39上。

本太阳能利用设备有以下功能和优点：产生的热能温度范围大，应用领域广(60-1200℃)；较小容量的集热器有温控阀控制输入介质的流量实现升温快，十几秒钟就可产生所应用的高温；集热器、热交换不论在哪个设定温度下工作其输出管流出的介质都是恒温；集热器和热交换器工作的同时，利用循环管道的温度差给温差发电模块6进行加热和冷却来发电不损失热能；利用自动跟踪装置最大限度的利用太阳能进行热交换，提高设备的集热效率；介质经集热器加热成高温蒸汽经上介质循环接口25供设备使用；介质经集热器一次性加热到高温流入热能主储存箱37和副储能箱38或由循环泵进行循环加热来储存热能。

Claims (10)

1.一种中高温太阳能利用设备，包括聚光罩(8)、集热器(1)、机体(39)和与其连接的底座(29)，其特征是：所述聚光罩(8)上固定连接有支架(7)，支架(7)上装有集热器(1)，集热器(1)的轴线通过聚光罩(8)和支架(7)的中心，支架(7)的上端与连接杆(41)活动连接，连接杆(41)上设置有与支架(7)连接的角度跟踪减速机构，连接杆(41)通过方位跟踪减速机构与机体(39)连接，集热器(1)内有相连通的低温循环管(4)和高温循环管(5)，低温循环管(4)与机体(39)内的副储能箱(38)连通，高温循环管(5)与机体(39)内的主储能箱(37)连通，主储能箱(37)与副储能箱(38)通过内循环管(26)连通。

2.根据权利要求1所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：所述低温循环管(4)还通过三通管与压力罐连接。

3.根据权利要求1所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：所述集热器(1)上的低温循环管(4)设置有温度控制阀(2)，高温循环管(5)上设置有感温元件(3)。

4.根据权利要求1或2或3所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：所述主储能箱(37)设置有上介质循环接口(25)，副储能箱(38)设置有下介质循环接口(28)，主储能箱(37)和副储能箱(38)内带有热交换器(36)，主储能箱(37)和副储能箱(38)上分别设置有与热交换器(36)连接的上热交换接口(23)和下热交换接口(27)。

5.根据权利要求1所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：所述角度跟踪减速机构包括相互啮合的蜗轮(14)、蜗杆(15)与相配合的铰轮(12)、铰链(11)，铰轮(12)和蜗轮(15)同轴固定连接，铰链(11)两端分别固定在支架(7)的两侧。

6.根据权利要求1或5所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：所述方位跟踪减速机构包括相互啮合的蜗轮(19)和蜗杆(18)、上轴承(17)、下轴承(20)和连接盘(21)，连接杆(41)通过上轴承(17)和下轴承(20)安装在连接盘(21)的中心轴上，蜗轮(19)固定安装在连接杆(41)的下端。

7.根据权利要求6所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：电器控制元件(22)装有CPV信息识别装置，聚光罩(8)上装有光电传感器(9)，主储能箱(37)的外侧设置有温度传感器(24)。

8.根据权利要求7所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：低温循环管(4)和高温循环管(5)之间装有温差发电模块(6)，温差发电模块(6)与蓄电池(30)电连接。

9.根据权利要求1或2或3所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：所述聚光罩(8)是由不同焦距的聚光板(43)分别固定在钢骨架(42)上制成，各聚光板的焦点重合在同一位置而形成高温焦斑(F)，集热器(1)的上端置于高温焦斑(F)处，各聚光板面之间带有通风空间(N)。

10.根据权利要求1或2或3所述的中高温太阳能利用设备，其特征是：所述主储能箱(37)、副储能箱(38)之间及机体(39)与主储能箱(37)、副储能箱(38)之间带有保温层(40)。

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