CN101609198A - 一种聚光反射镜与应用装置 - Google Patents

Abstract

一种聚光反射镜，由支架和一组反射镜组成，反射镜固定在支架上，其特征是：使每个反射镜的中心在同一个球形弧面上，调整每个反射镜倾斜方向和倾斜角度，当平行光线垂直入射到其中一个反射镜镜面时，使所有反射镜将平行光线反射到同一个面上，所述反射镜是平面反射镜、球面反射镜、旋转抛物面反射镜、球形菲涅尔反射镜或点聚焦菲涅尔反射镜。本发明的有益效果是，使用多个较小面积结构相同的反射镜代替一个面积较大的各种凹面镜，简化了反射镜制造要求，降低了反射镜制造成本，同时达到了大面积整体制造凹面镜的聚光效果。

Description

一种聚光反射镜与应用装置

所属技术领域

本发明涉及一种聚光反射镜及其应用装置，尤其是一种新型点聚焦聚光反射镜及其应用，属于太阳能利用技术领域。

背景技术

随着化石资源的逐渐减少，人们大力发展可再生能源。太阳能是取之不尽，用之不竭的可再生能源。由于太阳能密度低，采用聚光可提高太阳能密度，从而提高太阳能利用效率，是太阳能利用的主要方法之一。目前聚光太阳能利用系统，主要包括多个反射镜跟踪太阳光的点聚光系统，如塔式太阳能热发电系统；带跟踪装置的反射抛物面线聚焦太阳能利用系统；带跟踪装置的碟形抛物面聚焦太阳能利用系统；各种带跟踪装置的折射聚焦太阳能利用系统。由于单个大面积曲面镜面制造难度大，成本高，同时为防风力作用，配置的跟踪装置要求高，人们更重视发展多镜面分散制造安装，反射聚焦到共同的光能接收器上。

目前的聚光反射镜主要包括抛物面反射镜和菲涅尔反射镜，它们在聚光时，只有光线平行于反射镜光轴时，才产生较好的聚光效果。在多镜面跟踪聚光时，反射线通常不是平行于反射镜光轴，产生的光斑较大，使聚光倍率下降，导致热利用时，能量损失较大，光伏利用时，需要较大面积光电池，使效率下降。此外，这些系统的共同特点是需要设置跟踪太阳能装置。跟踪装置需要消耗能量，本身有一个或多个运动部件，寿命有限，使太阳能利用系统结构复杂，可靠性差，能耗大，维护工作量大，难以投入实际应用。中国专利CN101210746A采用菲涅耳折射透镜聚光产生线形光斑，使用光热转换装置吸收太阳光能量，通过移动光热转换装置来利用太阳能。这种方法使用透镜，太阳光损失较大；采用折射方法，焦距较小，以避免大焦距带来的透镜安装困难，使聚集倍数较低，效率较低。还有使用复合平面槽形聚光器，虽然不需要跟踪装置，但是开口面积小，耗用材料多，成本高。

上个世纪七十年代以来，人们曾提出固定多个平面反射镜，移动光能接收器方案，在这些专利设计方案中，多个相同的长方形平面反射镜的中心分布在一个圆柱面上，按照一定角度布置每个平面镜，可产生较好的聚焦光斑，在光线垂直入射到中心镜面时，焦距是该圆周直径另一端，到光线改变入射角度时，焦点随入射角变化而沿该圆弧变化，这就是历史上著名的固定条形镜方案，人们提出多种聚焦光斑跟踪方案，主要包括可按照圆周跟踪，如美国专利3868823，4071017和5655515，4149521等，也有采用直线跟踪等，如美国专利4078549，还有采用斜线跟踪，如美国专利4579106等。这种装置聚焦产生的光斑宽度大于反射镜最大镜面宽度，实际线聚焦产生的光斑较大。为了减小光斑宽度，提高聚光比，通常采用宽度小于10cm平面镜，如美国的通用原子公司和亚特兰大科学公司所生产的产品，这样做出来的产品开口通径小，使用的平面镜多，制造复杂，产品制造费用很大，而且产生的光斑是一定宽度的线光斑。

此前我们提出了一种新的球形菲涅尔反射镜(CN200910116885.0)，可以很好聚焦斜射平行光，产生点焦斑，从而可以固定镜面，也可以用于多镜聚焦系统，不会因为光线斜射导致光斑增大，但是这种反射镜是一种复合镜面，制造高质量镜子时，需要整体制造，制造大面积镜子成本高，实际使用时风阻大，对支撑结构要求高，或者多个镜面拼接时，要求每个镜面是整体镜面一部分，导致对制造每个镜面要求高。

发明内容

为克服现有太阳能收集系统中大面积反射镜需要整体制造，制造工艺复杂，以及整体大面积镜面风阻大问题，或者分体制造，各子镜曲面是大面积曲面镜一部分，相互之间各不相同，拼接难度大，质量下降问题，本实用新型提供一种分体制造，子镜结构相同，不需要子镜曲面拼接的聚光反射镜。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种聚光反射镜，由支架和一组反射镜组成，反射镜固定在支架上，使每个反射镜的中心在同一个球形弧面上，调整每个反射镜倾斜方向和倾斜角度，当平行光线垂直入射到其中一个反射镜镜面时，使所有反射镜将平行光线反射到同一个面上，所述反射镜是平面反射镜、球面反射镜、旋转抛物面反射镜、球形菲涅尔反射镜或点聚焦菲涅尔反射镜。从原理上看，选择平行光垂直入射的镜面甲和任意一个其他镜面，考察它们的中心和垂直入射镜面过镜面中心的法线所在的平面，所述两个镜面中心反射平行光相交的交点就是所述聚光反射镜焦点，调整其他反射镜，可使它们的镜面中心反射光同样到达这个焦点。镜面甲的中心法线就是所述聚光反射镜轴，对于与此轴成一定角度的入射平行光线，属于斜射平行光，它们可以将斜射平行光聚焦到另一个点上，其原理与固定条形镜类似。

让所述反射镜之间保留间隙，以减少斜射光入射时带来的不同反射镜之间的重叠，从而提高反射镜镜面利用率和光线收集率。

所述反射镜可以是正方形或圆形或正六边形。其最优方案是使用正六边形，可以减小间隙，同时又可使镜面之间重叠最低，从而在同样光能收集能力下，使所述聚光反射镜体积最小。

应用上述聚光反射镜，本实用新型提供了一种太阳能收集装置，由所述聚光反射镜和光能转换装置组成，所述光能转换装置是光热转换装置或光伏电池，让光能转换装置安装在所述聚光反射镜焦点上，聚光反射镜安装在跟踪装置上，这时通过跟踪装置让太阳光始终垂直入射到聚光反射镜上，反射镜聚焦的能量多；或者让所述聚光反射镜支撑在地面上，光能转换装置安装在跟踪装置上跟踪太阳光经所述聚光反射镜聚焦产生的反射光斑，这时跟踪装置简化。光伏电池可以使用现有聚光光伏电池，如单晶硅电池和砷化镓电池，优化的光伏电池是砷化镓电池。

所述太阳能收集装置还包括一个安装在所述光能转换装置上的二次反射镜，使所述光能转换装置处在二次反射镜焦点上，二次反射镜反射所述聚光反射镜聚焦的光斑到光能转换装置上，所述二次反射镜是旋转抛物面反射镜、球面反射镜、复合抛物面反射镜、V型反射镜、球形菲涅尔反射镜或点聚焦菲涅尔反射镜。

所述太阳能收集装置包括一个光伏电池和一个光热转换设备组成，所述二次反射镜是反射式分光镜，能透过可见光，反射红外光，二次反射镜背面安装所述光伏电池，接受和转换二次反射镜透过的可见光线，二次反射镜焦点上安装光热转换装置，接受和转换二次反射镜反射的光线。通常将光热转换装置安装在聚光反射镜背面，撤去聚光反射镜中心反射镜，让二次反射镜反射光线穿过聚光反射镜，到达光热转换装置。也可以使用另外一个光伏电池，代替光热转换装置。光伏电池可以使用现有聚光光伏电池，如单晶硅电池和砷化镓电池，优化的光伏电池是砷化镓电池。可以使用镀低辐射膜的反射镜作二次反射镜，最好的低辐射膜是商品化的双银膜。

还可在二次反射镜焦点上安装三次反射镜，进一步聚焦光线。

下面所述太阳能收集装置实现了使用多个所述聚光反射镜聚焦到一个光能转换装置。它包括两个或两个以上安装在跟踪装置上的如前所述聚光反射镜，所述光能转换装置支撑在地面上，且位置高于所述聚光反射镜，每个所述聚光反射镜可通过所述跟踪装置选择性定向，使入射太阳光反射到光能转换装置上。每个聚光反射镜所带跟踪装置能够跟踪太阳在高度和方位上的变化。

使所述太阳能收集装置包括两个或两个以上安装在地面上，且高于所述聚光反射镜位置的光能转换装置，每个所述聚光反射镜可通过所述跟踪装置选择性定向，使入射太阳射线的反射方向从一个光能转换装置转移到另一个光能转换装置上，可提高聚光反射镜收集的能量。

改进的太阳能收集装置包括一组如前所述聚光反射镜，所述跟踪装置包括支撑结构及安装在支撑结构上一组可绕水平轴旋转的第一种托架，每个第一种托架上依次排列安装一子组所述聚光反射镜，所述水平轴相互平行，支撑结构可绕垂直于水平面的轴旋转，光能转换装置安装在支撑结构上，且高于所述聚光反射镜位置，各反射镜将入射光反射到光能转换装置上。还可将光能转换装置支撑在地面上，且位于所述垂直于水平面的轴上。所述水平轴旋转实现对太阳光在高度上的跟踪，所述垂直轴旋转，实现对太阳光在方位上的跟踪。本方案减少了跟踪装置数量。

另外一种方案是：所述跟踪装置包括一组可绕水平轴旋转的第二种托架，每个第二种托架上安装一组可绕垂直水平面轴旋转的第三种托架，每个第三种托架上安装一个如权利要求书1所述聚光反射镜，所述水平轴相互平行，光能转换装置支撑在地面上，且高于所述聚光反射镜位置，各反射镜将入射光反射到光能转换装置上。本方案同样减少了跟踪装置数量，同时每个反射镜位置保持不变。

所述光热转换装置包括上下汽包，安装在上汽包顶部的排汽管，安装在上汽包或下汽包的进水管，一组竖向排列的金属管道，管道外壁涂有太阳选择性吸收涂层，每个管道一端与下汽包连通，一端与上汽包连通。

将上述光热转换装置安装在密闭空腔内，空腔内部抽真空，空腔侧壁部分用透明玻璃制造，让光线能够进入空腔内部，照射到所述金属管上，可以减少热损失，提高集热效率。

所述光热转换装置还包括一个燃烧器和燃烧室，一个一侧安装可开启闸门的封闭腔体，封闭腔体上有一个开口与燃烧室连通，还有一个向上的排气出口，所述金属管道安装在封闭腔体内，燃烧器安装在燃烧室内或燃烧器火焰出口通向燃烧室，封闭腔体四壁用耐火材料或水冷壁制造。

本发明的有益效果是，使用多个较小面积结构相同的反射镜代替一个面积较大的各种凹面镜，简化了反射镜制造要求，降低了反射镜制造成本，同时达到了大面积整体制造凹面镜的聚光效果。

附图说明

下面结合附图和典型实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型实施例的俯视图；

图2为本实用新型实施例的横截面图。

以下附图说明4种优化的装置：

以下结合实施例对本专利作进一步说明：

图1是聚光反射镜俯视图

图2是固定安装聚光反射镜横截面图；

图3是固定安装聚光反射镜光伏发电系统平面图；

图4是固定安装聚光反射镜光伏发电系统横截面图；

图5是多反射镜聚焦太阳能热利用系统俯视示意图；

图6是多反射镜聚焦太阳能热利用系统纵向截面示意图；

图7是跟踪装置示意图；

图8是控制系统示意图；

图9是光热转换装置水平截面示意图；

图10是光热转换装置纵向截面示意图；

图11是多反射镜太阳能热利用系统平面图。

具体实施方式

图中：1，2，3，4，反射镜；11，21和31聚光反射镜；5是虚拟球上圆弧；12，光伏电池；13，19，34轴；14，立柱；15，杆；18，反射面；20，25支架；32光热转换装置；23，处理器；24，传感器；26，反射镜；27，跟踪马达；33，方位跟踪装置；41，水冷壁；42，火焰入口；43，上汽包；44，下汽包；45，活动闸门；46，金属管阵列；47，过热器；48，排气出口；49，燃烧室。

实施例1是聚光反射镜，如图1-2，由19个相同正六边形平面反射镜组成的聚光反射镜，它们通过支架固定(支架未在图中画出)，通过在支架上设置三个支点来调整每个反射镜倾斜方向和角度。图1是聚光反射镜俯视图，图2标示的是图1中A-A’横截面，5个正六边形反射镜对称分布在虚拟球上圆弧5上，根据固定条形镜原理设置倾斜角度，例如，镜面3与中心镜面2之间夹角等于镜面3中心与镜面2中心在虚拟圆弧5上的圆周角一半。反射镜之间在水平方向上间距约17毫米，正六边形反射镜的边长是0.2米，面积是0.104平方米，有效聚光面积约1.9平方米，聚焦倍数约15倍。

实施例2是应用固定安装的聚光反射镜太阳能利用装置，如图3-4，其中图3是装置的俯视示意图，图4是装置的横截面示意图，由所述聚光反射镜11，光伏电池12及跟踪装置组成一个单元，一个单元直径可达10-20米。反射镜11焦距随直径增加而增加，可取宽度80％到200％。跟踪装置由一根处于聚光反射镜轴线，且冷绕轴线旋转的立柱14(可将聚光反射镜中心反射镜去掉，例如图1中反射镜2，改为安装立柱14)，及另一个绕水平轴13旋转的杆15组成，杆一端固定在水平轴13上，随水平轴转动而一起转动，光伏电池12固定在杆15一端，水平旋转的轴13由立柱14支撑，并随立柱一起旋转，其位置离镜面距离为反射镜11焦距一半。旋转立柱14能够跟踪太阳方位变化，旋转水平轴使杆15运动，能够跟踪太阳高度角变化，从而实现太阳经反射镜聚焦产生的光斑。

实施例3是多个聚光反射镜组成的阵列反射到安装在塔上的光热转换装置，如图5-8，其中图5是装置俯视示意图，图6是纵向截面示意图，图7是跟踪装置示意图；图8是控制系统示意图；装置由一组带跟踪装置的聚光反射镜21，安装在高塔上光热转换装置32组成，光热转换装置32包括上汽包43和下汽包44，安装在上汽包43顶部的排汽管(图中未标出)，安装在上汽包或下汽包的进水管(图中未标出)，一组竖向排列的金属管阵列46，金属管外壁涂有太阳选择性吸收涂层，每个金属管一端与下汽包44连通，一端与上汽包43连通。所述光热转换装置还包括一个燃烧器(图中未标出)和燃烧室49，一个一侧安装可开启闸门45的封闭腔体，封闭腔体上有一个开口与燃烧室通过过热器47连通，还有一个排气出口48，所述金属管道49装在封闭腔体内，燃烧器安装在燃烧室外(图中未标出)，其火焰出口通向燃烧室火焰入口42进入燃烧室，封闭腔体四壁用耐火材料或水冷壁制造。该系统在白天晴天时，打开活动闸门45，使用聚光反射镜阵列将太阳能照射到金属管阵列46上，被金属管表面太阳选择性涂层吸收，传递到汽包水中，产生高温蒸气，可根据需要，产生180℃蒸气，用于吸收式空调，或产生300℃以上蒸气，用于蒸气发电。在阴天时，或晚上，可以关闭活动闸门使用燃气或燃油产生蒸气。

反射镜21安装在跟踪装置的支架20上，如图7，反射面18朝向光热转换装置22，该支架20由一用于使反射镜作单轴旋转的水平轴予以承托，然后由可绕垂直水平面的轴旋转的支撑结构19予以承托，而该结构19的尺寸定得可把反射镜支撑在地面以上大约1米处，还包括一个用于反射镜转动的驱动装置。如图8，一束太阳光线经反射镜21反射后进入集热管22。

控制系统如图10，一单独驱动系统连接在每一聚光反射镜21上，而每一驱动系统可包括多个跟踪马达27或者步进马达，用于对构成每一反射镜21传递角度驱动，对于各反射镜的驱动可以由一传感器24予以控制，此传感器用于监测太阳位置并通过一处理器23为与各反射器连接的各跟踪马达27产生适当的驱动信号。

实施例4，如图11，由多个聚光反射镜31，光热转换装置32、方位跟踪装置33和多个水平轴组成一个单元，一个单元长宽可达50-100米，反射镜31直径为3-5米。所有反射镜分组平行排列，每一组中所有反射镜都固定到同一个水平轴上，随轴转动改变反射镜与地面夹角，跟踪太阳高度角变化。光热转换装置和所有反射镜，包括水平轴，都安装在方位跟踪装置33上，其中光热转换装置安装在比反射镜高的位置。反射镜31焦距约等于反射镜31与光热转换装置32之间距离。方位跟踪装置33可绕垂直轴转动，使整个装置能跟踪太阳方位变化。

Claims (10)

1、一种聚光反射镜，由支架和一组反射镜组成，反射镜固定在支架上，其特征是：使每个反射镜的中心在同一个球形弧面上，调整每个反射镜倾斜方向和倾斜角度，当平行光线垂直入射到其中一个反射镜镜面时，使所有反射镜将平行光线反射到同一个面上，所述反射镜是平面反射镜、球面反射镜、旋转抛物面反射镜、球形菲涅尔反射镜或点聚焦菲涅尔反射镜。

2、一种太阳能收集装置，其特征是：由光能转换装置和权利要求书1所述聚光反射镜组成，所述光能转换装置是光热转换装置或光伏电池，让光能转换装置安装在所述聚光反射镜焦点上，所述聚光反射镜安装在跟踪装置上；或者让所述聚光反射镜支撑在地面上，光能转换装置安装在跟踪装置上。

3、根据权利要求书2所述太阳能收集装置，其特征是：所述太阳能收集装置还包括一个安装在所述光能转换装置上的二次反射镜，使所述光能转换装置处在二次反射镜焦点上，二次反射镜反射所述聚光反射镜聚焦的光斑到光能转换装置上，所述二次反射镜是旋转抛物面反射镜、球面反射镜、复合抛物面反射镜、V型反射镜、球形菲涅尔反射镜或点聚焦菲涅尔反射镜。

4、根据权利要求书3所述太阳能收集装置，其特征是：所述太阳能收集装置包括一个光伏电池和一个光热转换设备组成，所述二次反射镜是反射式分光镜，能透过可见光，反射红外光，二次反射镜背面安装所述光伏电池，接受和转换二次反射镜透过的可见光线，二次反射镜焦点上安装光热转换装置，接受和转换二次反射镜反射的光线。

5、根据权利要求书2所述太阳能收集装置，其特征是：所述太阳能收集装置包括两个或两个以上安装在跟踪装置上的如权利要求书1所述聚光反射镜，所述光能转换装置支撑在地面上，且位置高于所述聚光反射镜，每个所述聚光反射镜可通过所述跟踪装置选择性定向，使入射太阳光反射到光能转换装置上。

6、根据权利要求书2所述太阳能收集装置，其特征是：所述太阳能收集装置包括一组如权利要求书1所述聚光反射镜，所述跟踪装置包括支撑结构及安装在支撑结构上一组可绕水平轴旋转的第一种托架，每个第一种托架上依次排列安装一子组所述聚光反射镜，所述水平轴相互平行，支撑结构可绕垂直于水平面的轴旋转，光能转换装置安装在支撑结构上，且高于所述聚光反射镜位置，各反射镜将入射光反射到光能转换装置上。

7、根据权利要求书6所述太阳能收集装置，其特征是：光能转换装置支撑在地面上，且位于所述垂直于水平面的轴上。

8、根据权利要求书2所述太阳能收集装置，其特征是：所述跟踪装置包括一组可绕水平轴旋转的第二种托架，每个第二种托架上安装一组可绕垂直水平面轴旋转的第三种托架，每个第三种托架上安装一个如权利要求书1所述聚光反射镜，所述水平轴相互平行，光能转换装置支撑在地面上，且高于所述聚光反射镜位置，各反射镜将入射光反射到光能转换装置上。

9、根据权利要求书5所述太阳能收集装置，其特征是：所述光热转换装置包括上下汽包，安装在上汽包顶部的排汽管，安装在上汽包或下汽包的进水管，一组竖向排列的金属管道，管道外壁涂有太阳选择性吸收涂层，每个管道一端与下汽包连通，一端与上汽包连通。

10、根据权利要求书9所述太阳能收集装置，其特征是：所述光热转换装置还包括一个燃烧器和燃烧室，一个一侧安装可开启闸门的封闭腔体，封闭腔体上有一个开口与燃烧室连通，还有一个向上的排气出口，所述金属管道安装在封闭腔体内，燃烧器安装在燃烧室内或燃烧器火焰出口通向燃烧室，封闭腔体四壁用耐火材料或水冷壁制造。

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