CN101595405A - 多定日镜聚光器 - Google Patents

Abstract

一种用于利用太阳能的多定日镜聚光(MHC)系统具有至少一个MHC模块。MHC模块具有至少一个光学聚光器，该光学聚光器具有聚集反射表面、孔和光轴。优选相对于光学聚光器的光轴对称定位的多个定日镜将太阳辐射同时朝着光学聚光器的孔反射。设在光学聚光器焦点区域的通量误差修正和通量均匀化装置提供了对聚集的太阳辐射的进一步聚集和通量均匀化。优选包括聚光型光电池和可选被动式散热器的接收器用于有效和经济地产生电能。

Description

多定日镜聚光器

技术领域

本发明通常涉及聚集的太阳能，尤其涉及用于收集、聚集太阳能并将其转换为电能的方法和设备。

背景技术

聚集的太阳能有很大希望使经济上可行的能量应用成为可能。通过使用辐射收集表面来收集和聚集阳光，各种热、电和化学应用可利用太阳能进行实际的和经济的应用。

例如，聚光型光电池(CPV电池)能使光电在价格上与由化石燃料产生的电相媲美。CPV比其它光电池更加有效率。并且，通过使用聚集的阳光照射CPV电池，大多数阳光收集表面都由比较便宜的光学材料制成，例如玻璃或塑料。因此，与非聚光型光电池相比，使用CPV电池产生一单位电能所需的电池面积可降低几个量级。聚光比越高，所需的电池面积越小。

聚集阳光需要使光学系统成为聚光太阳能系统的一部分。并且，高聚光应用(如CPV电池)需要均匀的聚集通量，因此在设计和制造精度方面对光学系统有严格的要求。并且，CPV电池只将它们从光学系统接收的能量的一部分转换为电能。其余能量转化为热量。该浪费的热量必须尽快从电池消散，以防止电池温度升高、降低电池效率和对CPV电池的可能损坏。因此，CPV电池系统还需要电池冷却系统。

已知许多用于聚光太阳能系统的设计。但是，没有一种现有设计能够使聚光太阳能系统满足使太阳能在经济上具有竞争力的性价比目标。现有聚光太阳能的设计还不足够耐用，而且比较难以维护。下面指出了通常在这种聚光太阳能系统中使用的现有可用技术的一些缺点：

基于菲涅尔透镜的CPV模块具有比较昂贵的光学器件，难以清洁，并且在电池包装上具有多个缺陷点。

抛物柱面反射器系统具有比较昂贵的光学器件，难以清洁，并且在地平面上具有比较高的外形。

抛物迷你柱面反射器系统具有复杂的电池阵列，具有复杂的光学器件，在地平面上具有比较高的外形，并且在电池包装模式上具有多个缺陷点。

类似于菲涅尔槽系统的抛物槽系统具有比较昂贵的光学器件，具有比较低的聚光比，并且难以清洁。

因此，需要一种紧凑和易于生产、安装、操作和维护，并且在成本上可与使用化石燃料的电能系统相媲美的聚光太阳能系统。

附图说明

图1示意性地示出了本发明示例性光学子系统的立体图；

图2为以顶视方式示出的本发明示例性光学子系统的光线轨迹图的片断；

图3示意性示出根据本发明优选实施例的组合光学聚光器的截面图；

图4A为在根据本发明优选实施例的光学聚光器内所示第一示例性光线轨迹图的片断；

图4B为图4A的放大细节；

图4C为在图4B中所示同一光学聚光器内所示的第二示例性光线轨迹图的片断；

图4D为在图4B中所示同一光学聚光器内所示的第三示例性光学轨迹图的片断；

图4E为在根据本发明另一优选实施例的光学聚光器内所示第一示例性光线轨迹图的片断；

图4F为在图4E中所示同一光学聚光器内所示的第二示例性光线轨迹图的片断；

图4G为在图4E中所示同一光学聚光器内所示的第三示例性光线轨迹图的片断；

图4H为在根据本发明另一优选实施例的光学聚光器内所示第一示例性光线轨迹图的片断；

图4I为在图4H中所示同一光学聚光器内所示的第二示例性光学轨迹图的片断；

图4J为在图4H中所示同一光学聚光器内所示的第三示例性光学轨迹图的片断；

图5A为根据本发明优选实施例的被动式散热器的侧视图；

图5B为图5A中所示散热器的后视图；

图6A为具有一行定日镜的安装好的MHC模块的立体图；

图6B为根据本发明优选实施例的安装好的MHC模块的立体图；

图7为具有独立结构的MHC模块的示意布置图。

具体实施方式

根据本发明，提供了利用太阳能的多定日镜聚光器(MHC)系统。根据本发明的MHC系统包括一个或多个MHC模块。每个MHC模块都包括下面的子系统：光学系统，具有同时指向共用光学聚光器的多个定日镜；接收器，如公知的，用于将太阳能转换为热量以便进一步应用，或者直接将太阳能转换为电能，例如借助于一聚光型(CPV)电池阵列进行。根据本发明，一个定日镜或一组定日镜设有一个或两个驱动马达以及局部控制器，用于转动地跟综太阳。连接到所有局部控制器上的中央控制器使整个MHC系统的运行同步并控制整个MHC系统的运行。

光学子系统

首先参考图1，其中示意性地示出了示例性光学子系统10的立体图。光学聚光器12面向对称布置在光学聚光器12的光轴18两侧的两组定日镜14和16。根据本发明的单个定日镜的孔具有反射对称轴，该轴布置成与聚光器的光轴垂直并且相交。本发明的光学子系统优选具有偶数个用于照射同一共用光学聚光器12的定日镜。平面定日镜通常在生产和维护上比较便宜，因此根据本发明是优选的。光学聚光器12具有聚焦反射背面20，其通常制成抛物线圆柱表面形状。即，当通过垂直于对称轴的一系列平行面来剖开时，在形成抛物线的地方，该表面是轴对称的。在聚焦反射背面20的焦点区域设有聚焦误差校正和通量均匀化装置(FECFHD)22。根据本发明的一个优选实施例，光学聚光器12还具有内表面能反射的平面侧壁24。因此，对应于由设在光轴18旁边的定日镜所反射的辐射的焦间距沿着几乎线性间隔汇合入非常小的区域内，其中所述线性间隔在下文中称为焦间距，其跨过FECFHD 22的入口布置。下文中，具有将太阳辐射反射至同一区域的表面的装置称为定日镜。

参考图2，可更好地说明将对应于分别从不同定日镜反射的多个照射光束焦间距汇合的效果。图2中，以顶视图方式示意性地示出了本发明示例性光学子系统38的一部分内的光线轨迹图。光学聚光器40面向布置在其光轴44相对两侧的两个定日镜42和42A。照射光束46被定日镜42反射到聚光器40的聚焦反射后壁上，从而会聚为与间隔48部分重合的线性焦点。间隔48位于图2纸平面的后面的平面中。在没有侧壁49的情形下，焦线沿着虚线间隔50延伸。为简化描述，该焦线由间隔52示意性地表示。类似地，间隔52A表示由定日镜42A反射的光产生的焦线。但是，具有两个反射侧壁的光学聚光器使这两个焦线对称地折叠并沿着间隔48汇合。

光学聚光器

由于光学聚光器(例如，具有抛物线圆柱形表面的光学聚光器)的聚焦反射背面形成的焦点区域具有非常小的围绕焦间距的横截面，所以其提供了非常显著的聚光比，其中所述焦间距接近地定位在包含光学聚光器的光轴的平面内。下文中，该聚光比称为主聚光比，其大致等于光学聚光器的孔的面积与该横截面面积之间的比值。被许多定日镜照射的光学聚光器提供了阳光的会聚，其聚光比与照射定日镜的总面积除以光学聚光器的孔面积的主比率的乘积成比例。本发明的MHC模块的聚光比还乘以各自的余弦因数以及与包括跟踪误差的沿着会聚辐射光路的累计损耗相关的损耗因数。本发明MHC模块中的定日镜布置优选是对称的，使得一对对称布置的定日镜中的每个定日镜都以相对于其光轴相同的角度照射光学聚光器的孔。光学聚光器的侧壁或者为平面的，或者具有会聚曲率，例如抛物线。这些侧壁形成光道，各个定日镜的焦点经过单次或多次反射通过该光道折叠，并沿着跨过FECFHD入口孔布置的共用焦间距汇合。因此，通过考虑将定日镜放置在光学聚光器前方的实际限制，根据本发明提供了几百阳光的显著聚光比，如下文中进一步描述的。(标准的阳光定义为每平米850瓦的辐射能。)

根据本发明的光学聚光器的壁通常由金属制成，例如磨光的和/或者带反射涂层的不锈钢。安装在由金属或塑性树脂制成的支撑架上的涂覆有反射性材料的玻璃或塑料板也是可接受的。本发明定日镜的反射表面与已知方式类似地制成。

组合聚光器

通常，按照MHC系统的功率需求来限定根据本发明的定日镜的孔的数量和尺寸。显然，根据本发明的光学聚光器的孔的尺寸符合定日镜的尺寸。现在参考图3，其中示意性地示出了包括三个交错的光学聚光器62、63、64的组合光学聚光器。聚光器62的焦点区域65位于聚光器63的外面。光线66表示照射光束与交错聚光器62-64的组合孔的重叠。根据本发明的组合光学聚光器的有效孔包括所含的基本聚光器的所有孔。组合光学聚光器的组合孔在下文中称作光学聚光器的孔，其有效面积等于组成它的基本聚光器的孔的面积之和。

类似地，根据本发明，基本光学聚光器可以按任意布置方式来布置。优选为一维或两维阵列。在任意这种布置中，相邻基本聚光器的孔尽可能地彼此靠近，使它们之间分离开的间隙(如果有)的面积最小化。聚光器的阵列的行或列的数目，即其阵列的宽度和高度符合照射它的相应定日镜的尺寸。

FECFHD

使用FECFHD是为了补偿光学组件的几何形状和方位(例如定日镜或光学聚光器的反射表面的相应的方位或均匀性)的不精确或畸变，和/或光学组件沿着光路的位置的不精确；和/或太阳跟踪操作的不精确。本发明的FECFHD优选为具有较弱的聚光功率和宽的受光角的光学装置。根据本发明，这种装置可基于折射光学元件，例如具有包含波导的透明聚焦透镜的光学元件，其中沿着波导侧壁的多重反射使通量均匀化。替代地，也可使用非成像的聚焦反射表面。FECFHD用于补偿与指向共用光学聚光器的许多定日镜相对应的相应焦间距的位置偏移或形状畸变。焦间距的这种位置偏移源自各个定日镜相对于光学聚光器的相应位置和/或定向的不精确。反射表面几何形状的畸变通常引起焦间距的弯曲和将其扩展成具有宽度和容积的区域。FECFHD的宽受光角确保以比较宽的入射角射在FECFHD入口上的光线以比较小的离去角从FECFHD离开。

为了更好地描述本发明的FECFHD，现在参考图4A至4J，其中分别示出了根据本发明不同实施例的光学聚光器内的光线轨迹图的不同部分。在图4A中，射在光学聚光器69的聚焦反射后壁68上的光线67会聚到FECFHD 70的入口。图4B-4D中分别更加详细地示出了FECFHD 70和相同的光线轨迹图，以及另外两个示例性的图。根据该优选实施例的FECFHD 70的形状为例如漏斗状。当布置成使得侧壁点的下端背离光学聚光器的聚焦反射后壁时，相对于其轴线倾斜的FECFHD入口70A提供了比较宽的受光角。侧壁70B凹陷以提供另外的聚焦。沿着侧壁70B的多重反射还使通量均匀化，以使得最大离去角显著小于可能的最大受光角。

在图4E至4J中，分别示出了根据本发明其它两个优选实施例的FECFHD内的类似三个示例性光线轨迹图。两个FECFHD都由透明绝缘材料制成，例如分别具有使得在其波导部分72提供全内反射的折射常数的玻璃或塑性树脂。根据这些优选实施例的第一个，FECFHD73具有抛物线圆柱形入口73A，其中抛物线位于平行于纸面的平面内。波导部分72的横截面朝着入口73A近端一侧不对称地延伸，以便使得当延伸侧远离光学聚光器的抛物线反射后壁设置时提供比较宽的受光角。根据另一优选实施例的FECFHD 74具有圆柱形入口74A和为四边形截面的波导部分72。由基于折射光学器件的元件构成的FECFHD的入口的表面可选择地涂覆有公知的反射涂层。

接收器

根据本发明的接收器可为能够将聚集的太阳辐射的能量的一部分转换为可进一步利用的其它形式能量的任意装置。根据本发明的示例性接收器由输送流动流体的一段导管组成。由聚集的太阳辐射加热的该流体可被进一步利用，例如通过激励涡轮来产生机械运动。输送被加热流体的该导管的一部分表面构成该接收器的入口。该接收器安装在安装框架上，使得其入口在光学聚光器的焦点范围内对中设置，或者当具有FECFHD时在FECFHD的出口对中设置。无论是否存在FECFHD，接收器入口都布置成使得照射其的聚集太阳辐射的部分最大。

根据本发明优选实施例的接收器借助于CPV电池阵列将一部分太阳能直接转换为电能。CPV电池的数量和线性CPV电池阵列的长度与MHC模块的相应光学子系统的聚光比相符。该接收器还包括用于将废热从CPV阵列驱散的装置。如所公知的，该装置包括通过空气或者液体(例如水)的被动式冷却或强制冷却。

现在参考图5A和5B，其中分别示出了根据本发明一个优选实施例的被动式散热器75的两个不同侧视图。借助于该被动式散热器，废热被传递到大气，没有其它的操作成本。布置在散热体77前面的凹槽76适于安装CPV阵列以使得CPV阵列与散热体77之间存在良好的热连接。这些CPV电池的表面构成接收器的入口。接收器安装在安装框架上以便使得其入口位于FECFHD的出口。翅片78布置成使大气的对流最大。显然，散热器及其各翅片的尺寸对其冷却效率有影响。但是，可将这种被动式散热器安装在光学聚光器附近，使得其并不阻止光线传入各自的光学聚光器。

MHC模块

根据本发明的MHC模块由光学子系统构成，该光学子系统具有至少一个光学聚光器和分别照射该至少一个光学聚光器的多个定日镜、用于独立地或者同时地转动定日镜的驱动装置和用于执行太阳跟踪的至少一个局部控制器。

现在参考图6A和6B，其中分别示出了根据本发明一个优选实施例的两种安装好的MHC模块的结构。安装好的MHC模块80具有单行定日镜82，该定日镜82优选包括安装在共用框架84上的三对定日镜。光学聚光器85连接到被动式散热器86上，该散热器86还连接到安装框架84上。每一个定日镜(如定日镜88)通过共用轴90铰接到安装框架84上。因此，所有这些定日镜具有共同的旋转轴线，该共同的旋转轴线为轴向轴90的轴线。定日镜分别按一定方位角和仰角倾斜成使得被每一个定日镜反射到聚光器85中的太阳辐射的水平最大。支撑定日镜行82中的定日镜的反射板的杆(例如，将定日镜88连接到轴向轴90的杆92、92A和92B)的长度和它们之间的角度固定了每个定日镜的不同倾斜角。因此，定日镜88的反射板借助于轴92C分别铰接到杆92和92A上。类似地，侧向连杆92B的一端可枢转地连接到杆92上，而其另一端牢固地固定在轴向轴90上。因此，通过以任意的转角转动轴向轴90，定日镜行82的每个定日镜改变其仰角，使得所有的反射面保持其仰角的同步，并继续同时指向光学聚光器85的孔。定日镜93以与其配对定日镜88在安装框架84上方相同的高度连接到轴向轴90上，但是与相反方向的定日镜88对称地倾斜并从聚光器85的光轴间隔开。定日镜行82的所有定日镜同时顺时针旋转或逆时针旋转其各自的转角。借助于驱动马达94延伸或收缩至相同程度的轴90实现如双箭头96所示的旋转，其中驱动马达94为安装在该模块上的所有定日镜共用。

在图6B中，所示MHC模块110的光学子系统安装在框架112上，并借助于基座114稳固。MHC模块110由跟踪太阳的三行同时旋转的定日镜组成。旋转运动由分别同时转动每行轴向轴的驱动马达120来产生。该旋转通过分别收缩或延伸轴126而使连杆122沿着上框架124的方向前后移动来实现。示例性的垂直连杆128的一端可枢转地连接到连杆122上，另一端连接到轴向轴130上，以便定日镜行132的所有定日镜同时旋转。

在根据本发明的实施例的变型中，共同照射共用光学聚光器的一组定日镜单独配备有驱动马达和用于独立地跟踪太阳的局部控制器。下文中，包括独立跟踪的定日镜的模块的这种结构被称为独立结构。在这种情形下，优选使用非常大的定日镜，例如具有几米宽度和高度的定日镜。但是，制造和维护具有这种尺寸的孔的光学聚光器过于复杂和昂贵。因此，优选使用组合光学聚光器。显然，由于本发明的被动式散热器的尺寸使得获得的聚光比显著损耗，所以用于这种结构的接收器优选包括强制冷却系统。

现在参考图7，图7示意性地示出了具有根据本发明一个优选实施例的独立结构150的MHC模块的布置图。组合光学聚光器152由基本光学聚光器的二维阵列组成，例如其焦点区域154位于相邻聚光器外面的示例性光学聚光器153。组合光学聚光器152面向多个定日镜，例如定日镜156和157，这些定日镜优选相对于组合光学聚光器152的光轴158对称布置。(在北半球，光轴158指向北方。)定日镜密集地布置在聚光器152的前方，即，在相邻定日镜的相互阻挡和/或相互遮蔽的水平最小的情况下(尤其是早上或晚上期间)，使相邻定日镜之间的间距最小。为此，计算由全年白天期间任意时刻MHC模块150的所有定日镜的瞬时累计被遮蔽和/或被阻挡面积的时间积分定义的遮挡度量。显然，在选择最优布置的过程中，用于安装MHC模块的地点的地理位置会强加限制，例如地面的坡度和/或设在该地点区域内的物体。考虑到模块的目标位置，选择这种计算得出的遮蔽度量最小的定日镜的布置。

局部控制器

根据本发明的局部控制器至少用于太阳跟踪。因此，局部控制器具有用于沿其轨道感测太阳瞬时位置的太阳跟踪装置，并且该控制器连接到方位传感器以及由其同时进行控制的一个定日镜或一组定日镜的驱动马达。太阳跟踪装置通常设有搜寻功能，使它能够发现太阳的当前位置并从其继续跟踪太阳。基于太阳的瞬时位置和定日镜或定日镜组的当前方位，控制器致动驱动马达以转动各自的定日镜，使得其瞬时方位与太阳的瞬时位置一致。可选择地，同一局部控制器或其它控制器提供状态监测，以及控制MHC模块的各种元件的操作，例如接收器的CPV电池阵列的温度或其环境状况。

MHC系统

根据本发明的MHC系统用于将太阳电磁能转换为可被进一步利用的其它形式的能量。根据本发明一个优选实施例的MHC系统包括至少一个安装好的和/或具有独立结构的MHC模块，该模块具有包括CPV电池阵列的接收器。MHC系统还包括连接到系统所有MHC模块的所有局部控制器的中央控制器。中央控制器监测、控制、同步和协调所有模块的操作，以提供根据需要产生的电能。

考虑光学效率最大化、土地使用最小化、定日镜相互遮挡最小化以及防止从定日镜至聚光器孔的视线相互阻挡，在根据本发明限定的布置中设置单个MHC模块和多个MHC模块的定日镜的数量。单个安装好的MHC模块可提供这种功率在几千瓦功率范围内的小型功率系统。本发明的大型MHC系统通常包括安装好的MHC模块和具有独立结构的模块的组合。

实例

通过模拟方式来分析根据本发明的一个优选实施例的光学聚光器和具有一行6个定日镜的已安装MHC模块的聚光比。该计算使用光线追踪来进行。聚光器的物理模型包括抛物线圆柱形反射后壁、两个相对的反射侧壁，其孔的面积为1米，与定日镜的孔相一致。考虑到制造的实际限制以及定日镜相互定位的不精确，并考虑太阳跟踪误差，引入了反射面的畸变。已经证实了在80-100范围内的主聚光比和480-500太阳的聚光比。

Claims (17)

1.一种多定日镜聚光(MHC)模块，包括：

至少一个光学聚光器，所述光学聚光器用于将射在所述孔上的太阳辐射会聚到焦点区域，所述光学聚光器具有孔、光轴和聚焦反射后壁；

多个定日镜，用于将所述太阳辐射反射到所述至少一个光学聚光器的所述孔上；

接收器，用于将所述太阳辐射的一部分能量转换为其它形式的能量，以及

其中所述接收器具有接收器入口，而且其中所述接收器入口布置成使得其被一部分所述会聚的太阳辐射照射。

2.如权利要求1所述的MHC模块，其中所述定日镜相对于所述至少一个光学聚光器的所述光轴对称地布置。

3.如权利要求1所述的MHC模块，其中所述光学聚光器具有反射侧壁。

4.如权利要求3所述的MHC模块，其中所述光学聚光器还具有聚焦误差校正和通量均匀化装置(FECFHD)。

5.如权利要求4所述的MHC模块，其中所述FECFHD的侧壁为凹的。

6.如权利要求4所述的MHC模块，其中所述FECFHD具有入口和轴线，并且其中所述入口相对于所述轴线倾斜。

7.如权利要求4所述的MHC模块，其中所述FECFHD具有入口，所述入口具有抛物线圆柱形表面。

8.如权利要求4所述的MHC模块，其中所述FECFHD具有入口，所述入口具有圆柱形表面。

9.如权利要求7或8中任意一项所述的MHC模块，其中所述FECFHD的所述入口涂覆有抗反射涂层材料。

10.如权利要求1所述的MHC模块，其中所述定日镜的数量是偶数。

11.如权利要求4所述的MHC模块，其中所述接收器包括设在所述FECFHD出口的至少一个聚光型光电池。

12.如权利要求1所述的MHC模块，其中所述定日镜中的至少两个安装在共用安装框架上。

13.如权利要求12所述的MHC模块，其中所述至少两个定日镜能绕着共用旋转轴线旋转。

14.如权利要求12所述的MHC模块，其中所述至少两个定日镜借助于至少一个共用驱动马达同时旋转。

15.如权利要求1所述的MHC模块，还包括用于跟踪太阳的至少一个局部控制器。

16.如权利要求15所述的MHC模块，所述MHC模块连接到用于监测至少所述局部控制器的状态的中央控制器。

17.如权利要求1所述的MHC模块，其中所述接收器还包括被动式散热器。

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