CN101751040A - 阵列式镜面反射聚光方法、阵列式镜面反射聚光器和阵列式光伏发电站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法、实现该方法的一种跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器及他的一种其他用途跟踪太阳的阵列式光伏发电站。本跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法由控制器，法线位置传感器，驱动器和镜面反射聚光器构成。镜面反射聚光器通过联轴器(18)和联接器(19)联接构成组，由组平行排列，成阵列。控制器根据当地的经纬度和实时时刻、每组反射镜中心法线的位置、阵列与聚光区的位置关系，驱动水平轴(12)和反光板支杆(3)，使镜面反射聚光阵列运动，使每列反光板反射的太阳光在同一聚光区，实现大规模聚光。本发明将低密度的太阳能聚集成高密度的光能，为高效太阳能利用创造条件。将本发明中的反光板更换成光伏电池板，本发明就演变成跟踪太阳的阵列式光伏发电站。

Description

阵列式镜面反射聚光方法、阵列式镜面反射聚光器和阵列式光伏发电站

技术领域

本发明属于太阳能利用领域，涉及大规模将低密度太阳辐射光能聚集成高密度光能的方法及装置，特别是一种跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法及跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光装置和一种跟踪太阳的阵列式太阳能发电站。

技术背景

众所周知，太阳能的大规模高效利用不仅能缓解能源压力，同时能取到保护改善环境的作用。环境改善了，空气质量改善了，直射到地面的太阳辐射能也就多了，可收集利用的太阳能也就多了，于是将形成一个良性循环。现有的很多太阳能利用方面聚焦聚光的发明，但都局限在小规模聚焦聚光范围，而且制造加工成本较高，很难推广，同时因控制系统和驱动系统的电耗相对聚集的太阳能太高，甚至消耗的电能比收集到的太阳能还高，所以没有实施价值。因此大规模的高密度太阳能采集利用设备基本是空白，而需求巨大的中高温热水又需要大规模的高密度太阳能。

现有发明的二维太阳能跟踪系统大多是绕垂直于水平面的轴旋转，来跟踪太阳的方位角，推动太阳能接受器上下偏转来跟踪高度角，这种方式只能带动少量的太阳能接受器，所以造成性价比低，甚至多接受的太阳能还不及所消耗的电能多，所以很少有真正实用的。

技术内容

跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法的发明内容

为了通过消耗极少的电能，大规模高效高密度聚集太阳能，本发明提供了一种跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法。

本发明，跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法是：

1.用控制器，驱动器，传感器构成闭环反馈控制系统；

2.将一组镜面反光板垂直固定在机架可以绕水平轴旋转的，平行四边形曲柄组结构中的曲柄组上，构成具有可绕水平轴旋转的平行四边形曲柄组结构的镜面反光板组；当其中一个安装在曲柄上的反光板动作时，其他反光板就会一起做同样的运动；

3.用传感器检测镜面反光板组反光板法线即曲柄相对水平面的位置。太阳光线和法线及反射光线在同一平面，而且法线是太阳光线和反射光线的角平分线。太阳的位置及光线是随时间变化的，如果要使反射光线在同一接受区域，必须跟踪太阳的位置调整法线，调整法线就必须知道法线的位置，传感器就可以取到闭环反馈控制系统的反馈的作用；

4.控制器根据传感器检测到的法线位置、太阳的高度角和方位角，控制驱动器，一个驱动机架绕水平轴旋转，带动所有的安装在曲柄上的镜面反光板绕同一水平轴旋转，一个驱动与机架铰接的一个曲柄绕该铰链旋转，带动所有镜面反光板相对机架运动，使反光板组具有跟踪太阳的能力，反光板组就成为跟踪太阳的反光板组；

5.将用上述方法所构成的，跟踪太阳的，具有可绕水平轴旋转的平行四边形曲柄组结构的镜面反光板组平行排列，组成跟踪太阳的镜面反光板阵列；

6.将跟踪太阳的镜面反光板阵列中，同列的镜面反光板的阳光反射接受区设置为同一区域，即聚光区，将聚光区与跟踪太阳的镜面反光板阵列的位置关系，以及当地的经纬度输入控制器存储器内，控制器根据按实时时刻计算出的太阳的高度角和方位角、传感器检测到的各组镜面反光板法线相对水平面的位置，控制驱动器驱动各组镜面反光板组的机架绕水平轴旋转，带动所有镜面反光板绕水平轴旋转；同时控制驱动器驱动各组镜面反光板组中与机架铰接的一个曲柄，绕该铰链旋转，带动所有镜面反光板相对机架运动，使跟踪太阳的镜面反光板阵列中各列镜面反光板反射的阳光在各自聚光区内，这样跟踪太阳的镜面反光板阵列实现了大规模聚光功能，跟踪太阳的镜面反光板阵列也就成为跟踪太阳的镜面反射聚光阵列；

7.控制器每隔一段时间驱动一次跟踪太阳的镜面反射聚光阵列进行聚光调整。如果每时每刻控制系统调整，将会消耗大量的电能，所以聚光区比反光板要稍大一点，在时间间隔里反射光线不偏出聚光区即可。驱动系统每调整一次只要几秒的时间，而其他时间就停止工作，所以消耗的电能很少。

实施上述方法就可以大规模的高效的，将高密度的太阳光能聚集在聚光区。同时由于驱动电机每隔一段时间驱动一组数量不限的反光板调整一次，而且一次仅几秒钟，所以耗电量极少，而且本发明的镜面反射聚光阵列的阵列规模大小不限，所以在耗电量很小的条件下实现大规模的高密度聚集太阳能的目的。而且阵列的规模越大，性价比越高。

所以本发明为大规模高效低成本利用太阳能提供了方法，创造了条件。

为实现上述跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法的一种设备——

跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器的实用新型内容

为了实现上述发明的方法，本实用新型提供了一种大规模，高效聚集高能量密度太阳能的，跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器。

如图5所示，将一台台的镜面反射聚光器联接，成为具有绕水平轴旋转的曲柄组结构的，跟踪太阳的镜面反射聚光组，再将这样的镜面反射聚光组平行排列，组成跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器。控制器根据使用地的经纬度和时间计算出的太阳的高度角和方位角、太阳能接受器与跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器的位置关系、传感器自动检测到的，跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器各组反光板的法线相对水平面的位置，驱动跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器的各组运动，使每列反光板反射阳光在同一区域。本实用新型就实现了大规模高效聚集出高密度的太阳能的目的。

下面结合附图进一步说明：

如图6、7、8所示，由控制器(20)，驱动器(23)、(24)，法线位置角度传感器(21)、(22)，反光板(1)，反光板支架(2)，反光板支杆(3)，转轴(4)，轴承(5)、(6)，铰链(7)、(8)，连杆(9)、(10)，带有水平轴(12)、(13)的转动架(11)，轴承(14)、(15)，支撑座(16)、(17)，联轴器(18)，连接器(19)构成单台镜面反射聚光器。

反光板(1)安装在反光板支架(2)上，反光板支杆(3)是一有个通孔的圆柱体；反光板支架(2)底部中心位置有一个垂直反光板支撑面的圆套，该圆套上有一顶丝，反光板支架(2)通过该圆套套在反光板支杆(3)上，并用顶丝固定；反光板支杆(3)插入转轴(4)，螺栓穿过反光板支杆(3)上的通孔将反光板支杆(3)固定在转轴(4)上；转轴(4)通过轴承(5)、(6)和转动架(11)结合；铰链(7)、(8)在同一圆套筒上，铰链(7)、(8)通过圆套套在反光板支杆(3)上，用顶丝固定，并可调节高度；连杆(9)、(10)分别固定在铰链(7)、(8)上，转动架(11)靠自身的水平轴(12)、(13)通过轴承(14)、(15)分别和支撑座(16)、(17)结合并保持水平。联接器(19)是圆套筒，连杆(10)、(9′)是圆柱体，联接器(19)套在连杆(10)、(9′)上，用顶丝固定，可调节位置。

如图8所示将一台台镜面反射聚光器，通过联轴器(18)将水平轴(13)、(12′)紧固联结，联接器(19)将连杆(10)、(9′)紧固联接，联接中保持所有的反光板支杆(3)相互平行，构成以可绕水平轴旋转的水平轴(13)、(12′)为机架，相互平行的反光板支杆(3)为曲柄组的，可绕水平轴旋转的平行四边形曲柄机构组。因反光板(1)通过反光板支架(2)垂直安装在该平行四边形曲柄机构组的曲柄即反光板支杆(3)上，所以构成了具有可绕水平轴旋转的平行四边形曲柄组结构的镜面反射聚光组。

驱动器(23)驱动每组中第一列的水平轴(12)旋转；驱动器(24)驱动每组中第一列的转轴(4)带动反光板支杆(3)及反光板支架(2)绕转轴(4)旋转。

角度传感器(21)、(22)分别安装在每组第一列的水平轴(12)和转轴(4)上，检测水平轴(12)和转轴(4)转动角位移及所处的角度，用来控制驱动器驱动水平轴(12)的转动情况和反光板支杆(3)绕转轴(4)转动情况。

结合控制器，传感器，驱动器，该镜面反射聚光组就具备跟踪太阳的能力，所以就变成跟踪太阳的镜面反射聚光组。

如图5所示，将跟踪太阳的镜面反射聚光组平行排列，组成跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器。

控制器根据跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器与聚光区域的位置关系，太阳的实时高度角和方位角，以及检测到的反光板法线相对水平面的角度，每隔一段时间驱动跟踪太阳的镜面反射聚光阵列运动，将阳光反射到设定的聚光区，就实现了大规模的聚光功能。

本实用新型通过间歇性启动驱动器，每次启动仅仅几秒钟，所以消耗的电能极少就可以实现大规模的聚集高密度的太阳能，与现有的设计比较本实用新型有以下优点：

1.造价低

2.效率高

3.规模大

4.能量密度高

为推广太阳能大规模高效利用，特别是中高温热水应用提供了条件，创造了机会。

跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器的一种其他用途——

跟踪太阳的阵列式光伏发电站的实用新型内容

如上面所述的，大规模高效聚集高能量密度的，跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器，如果将反光板更换为太阳能电池板，每台镜面反射聚光器就变成太阳跟踪器，每组跟踪太阳的镜面反射聚光组就变成跟踪太阳的发电组，跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器就变成了跟踪太阳的阵列式发电站，所以该实用新型就演变成另一实用新型即自动跟踪太阳的阵列式太阳能发电站。

控制器自动检测跟踪太阳的阵列式太阳能发电站电池板的法线位置，每间隔一段时间驱动跟踪太阳的阵列式太阳能发电站运动，使电池板的法线指向太阳的位置。

本跟踪太阳的阵列式发电站的优点是：

可大规模的，以很小电耗驱动发电站运动到最好的接受太阳能的位置，大大提高太阳能发电站的效率。

附图说明

图1是：具有平行四边形曲柄组机构的镜面反射组

图2是：单面受光体受光面朝下水平布置，聚光板组左右布置示意图

图3是：双面受光体垂直布置，聚光板组左右布置示意图

图4是：单面受光体受光面朝下水平布置，聚光板组单向布置示意图

图5是：跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器示意图(说明书摘要图)

图6是：单台镜面反射器示意图

图7是：反光板支架，反光板支杆，铰链，转轴安装分解图

图8是：由单台镜面反射器构成组的示意图

具体实施方式

跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法的具体实施方式

1.如图1所示，由水平轴，立杆，水平杆，构成了一个以水平轴为机架，立杆为曲柄的平行四边形曲柄机构组，镜面反光板垂直安装在平行四边形曲柄机构组的曲柄组立杆上，构成具有平行四边形曲柄组结构的反光板组。在水平轴不动的情况下，驱动该曲柄机构组的立杆绕水平轴上的铰链运动时，所有的立杆总保持平行，而且他们的运动轨迹也是平行的，所以在运动中，垂直安装在立杆上的反光板也总是平行的，他们的法线也保持平行，所以控制其中一面反光板，就控制了整组反光板。曲柄就是反光板的法线。

2.将水平轴通过轴承安装在支撑座上，平并保持水平，反光板组就成为具有机架可绕水平轴旋转的，平行四边形曲柄组结构的反光板组。

3.通过两个驱动器，一个驱动机架(水平轴)绕水平轴旋转，带动所有的安装在曲柄上的镜面反光板，绕水平轴旋转；一个驱动与机架铰接的一个曲柄(立杆)，绕铰链旋转，带动所有镜面反光板相对机架统一运动。

4.利用两个传感器，一个检测水平轴的转动情况和位置，另一个检测立杆绕铰接在水平轴的铰链转动情况和位置，并将这些信息传送给控制器，计算立杆即反光板法线相对水平面的角度，控制器根据使用地的经纬度和实时时间计算出太阳的高度角和方位角，根据这些信息控制器就可以控制反光板组跟踪太阳运动，这些反光板就成为一个完整的跟踪太阳的反光板组。

5将这些跟踪太阳的镜面反光板组平行排列，就成为跟踪太阳的镜面反光板阵列。

6.如图2、3、4、5所示，将跟踪太阳的镜面反光板阵列，按每组的水平轴平行于受光体布置，并将每列反光板的反光接受区定为同一区域。7.控制器根据跟踪太阳的镜面反射聚光阵列与聚光区域的位置关系，太阳的实时高度角和方位角，以及检测到的反光板法线相对水平面的角度，每隔一段时间驱动跟踪太阳的镜面反射聚光阵列运动，使阳光反射到设定的聚光区。这样就实现聚光效果，跟踪太阳的镜面反光板阵列也就成为跟踪太阳的镜面反射聚光阵列。

通过上述实施方式，就实现了大规模的将低密度的太阳能聚集成高密度的太阳能的目的，为大规模高效利用太阳能提供了方法。

为实现上述跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法的一种设备——

跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器的具体实施方式

如图6、7、8所示，由控制器(20)，驱动器(23)、(24)，法线位置角度传感器(21)、(22)，反光板(1)，反光板支架(2)，反光板支杆(3)，转轴(4)，轴承(5)、(6)，铰链(7)、(8)，连杆(9)、(10)，带有水平轴(12)、(13)的转动架(11)，轴承(14)、(15)，支撑座(16)、(17)，联轴器(18)，连接器(19)构成单台镜面反射聚光器。

反光板(1)安装在反光板支架(2)上，反光板支杆(3)是一有个通孔的圆柱体；反光板支架(2)底部中心位置有一个垂直于反光板支撑面的圆套，该圆套上有一顶丝，反光板支架(2)通过该圆套套在反光板支杆(3)上，并用顶丝固定；反光板支杆(3)插入转轴(4)，螺栓穿过反光板支杆(3)上的通孔将反光板支杆(3)固定在转轴(4)上；转轴(4)通过轴承(5)、(6)和转动架(11)结合；铰链(7)、(8)在同一圆套筒上，铰链(7)、(8)通过圆套套在反光板支杆(3)上，用顶丝固定，并可调节高度；连杆(9)、(10)分别固定在铰链(7)、(8)上，转动架(11)靠自身的水平轴(12)、(13)通过轴承(14)、(15)分别和支撑座(16)、(17)结合并保持水平。联接器(19)是圆套筒，连杆(10)、(9′)是圆柱体，联接器(19)套在连杆(10)、(9′)上，用顶丝固定，可调节位置。

如图8所示将一台台镜面反射聚光器，通过联轴器(18)将水平轴(13)、(12′)紧固联结，联接器(19)将连杆(10)、(9′)紧固联接，联接中保持所有的反光板支杆(3)相互平行，构成以可绕水平轴旋转的水平轴(13)、(12′)为机架，相互平行的反光板支杆(3)为曲柄组的，可绕水平轴旋转的平行四边形曲柄机构组。因反光板(1)通过反光板支架(2)垂直安装在该平行四边形曲柄机构组的曲柄即反光板支杆(3)上，所以构成了具有可绕水平轴旋转的平行四边形曲柄组结构的镜面反射聚光组。

驱动器(23)驱动每组中第一列的水平轴(12)旋转；驱动器(24)驱动每组中第一列的转轴(4)带动反光板支杆(3)及反光板支架(2)绕转轴(4)旋转。

角度传感器(21)、(22)分别安装在每组第一列的水平轴(12)和转轴(4)上，检测水平轴(12)和转轴(4)转动角位移及所处的角度，用来控制驱动器驱动水平轴(12)的转动情况和反光板支杆(3)绕转轴(4)转动情况。

结合控制器，传感器，驱动器，该镜面反射聚光组就具备跟踪太阳的能力，所以就变成跟踪太阳的镜面反射聚光组。

如图5所示，将跟踪太阳的镜面反射聚光组平行排列，组成跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器。

控制器根据跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器与聚光区域的位置关系，太阳的实时高度角和方位角，以及检测到的反光板法线相对水平面的角度，每隔一段时间驱动跟踪太阳的镜面反射聚光阵列运动到将阳光反射到设定的聚光区。

通过上述实施方式，本跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器，就实现了大规模的将低密度的太阳能聚集成高密度的太阳能，为大规模高效利用太阳能提供了设备。对大规模推广太阳能利用具有巨大意义，对社会的良性循环，和谐发展有积极作用。

跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器的一种其他用途——

跟踪太阳的阵列式光伏发电站的实施方式

与跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器的具体实施方式基本是一致的，在硬件上仅仅将反光板更换成太阳能光伏电池板即可。将反光板更换成太阳能光伏电池板后，每台镜面反射聚光器就变成太阳跟踪器，每组跟踪太阳的镜面反射聚光组就变成跟踪太阳的发电组，跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器就变成了跟踪太阳的阵列式太阳能发电站；在控制上，控制器自动检测跟踪太阳的阵列式太阳能发电站电池板的法线位置，每间隔一段时间驱动跟踪太阳的阵列式太阳能发电站运动到电池板的法线指向太阳的位置。

通过上述实施方式，本实用新型跟踪太阳的阵列式发电站的优点是：可以通过很小电耗驱动发电站运动到最好的接受太阳能的位置，大大提高太阳能发电站的效率。

Claims (9)

1.一种跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光方法，其特征是：

1.1有控制器，驱动器，传感器，形成闭环反馈控制系统；

1.2将一组镜面反光板垂直固定在机架可以绕水平轴旋转的，平行四边形曲柄组结构中的曲柄组上，构成具有可绕水平轴旋转的平行四边形曲柄组结构的镜面反光板组；

1.3用传感器检测镜面反光板组反光板法线即曲柄相对水平面的位置；

1.4控制器根据传感器检测到的法线位置、太阳的高度角和方位角，控制驱动器，一个驱动机架绕水平轴旋转，带动所有的安装在曲柄上的镜面反光板绕同一水平轴旋转；一个驱动与机架铰接的一个曲柄，绕该铰链旋转，带动所有镜面反光板相对机架运动，使反光板组具有跟踪太阳的能力，反光板组就成为自动跟踪太阳的反光板组；

1.5用具有权利要求1.1，1.2，1.3，1.4所述特征的，跟踪太阳的镜面反光板组平行排列，组成跟踪太阳的镜面反光板阵列；

1.6将跟踪太阳的镜面反光板阵列中，同列的镜面反光板的阳光反射接受区设置为同一区域即聚光区，将聚光区与跟踪太阳的镜面反光板阵列的位置关系、当地的经纬度输入控制器存储器内；

1.7控制器根据按实时时刻计算出的太阳的高度角和方位角、聚光区与跟踪太阳的镜面反光板阵列的位置关系、传感器检测到的各组镜面反光板法线相对水平面的位置，控制驱动器驱动各组镜面反光板组的机架绕水平轴旋转，带动所有镜面反光板，绕水平轴旋转；同时控制驱动器驱动各组镜面反光板组的与机架铰接的一个曲柄，绕该铰链旋转，带动所有镜面反光板相对机架运动，使跟踪太阳的镜面反光板阵列中，各列镜面反光板反射的阳光在各自聚光区内，这样跟踪太阳的镜面反光板阵列实现了大规模聚光功能，跟踪太阳的镜面反光板阵列也就成为跟踪太阳的镜面反射聚光阵列；

1.8控制器每隔一段时间驱动一次跟踪太阳的镜面反射聚光阵列，完成具有权利要求1.7所述特征的动作。

2.为了实施权利要求1所述方法的，一种跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器，由控制器(20)，驱动器(23)、(24)，法线位置角度传感器(21)、(22)，单台镜面反射聚光器构成，单台镜面反射聚光器又由反光板(1)，反光板支架(2)，反光板支杆(3)，转轴(4)，轴承(5)、(6)，铰链(7)、(8)，连杆(9)、(10)，带有水平轴(12)、(13)的转动架(11)，轴承(14)、(15)，支撑座(16)、(17)，联轴器(18)，连接器(19)构成.其特征是：

2.1反光板(1)通过反光板支架(2)上垂直安装在反光板支支杆(3)上；反光板支杆(3)固定在转轴(4)上；转轴(4)通过轴承(5)、(6)和转动架(11)结合；铰链(7)、(8)固定在反光板支杆(3)上；连杆(9)、(10)分别固定在铰链(7)、(8)上；转动架(11)靠自身的水平轴(12)、(13)通过轴承(14)、(15)分别和支撑座(16)、(17)结合；

2.2将具有权利要求2.1所述特征的，一台台镜面反射聚光器用联轴器(18)将水平轴(13)、(12′)紧固联结，联接器(19)将连杆(10)、(9′)紧固联接，联接位置调整到反光板支杆(3)相互平行后紧固，构成具有以水平轴(13)、(12′)为机架，反光板支杆(3)为曲柄的可绕水平轴旋转的平行四边形曲柄组结构的镜面反射聚光组；

2.3角度传感器(21)、(22)分别安装在每组第一列的水平轴(12)和转轴(4)上；

2.4驱动器(23)驱动每组中第一列的水平轴(12)旋转，驱动器(24)驱动每组中第一列的反光板支支杆(3)绕转轴(4)旋转；

2.5将具有权利要求2.1，2.2，2.3，2.4所述特征的，跟踪太阳的镜面反射聚光组平行排列，组成跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器。

3.根据权利要求2所述的反光板支杆(3)是有一通孔的圆柱体。

4.根据权利要求2所述的水平轴(12)、(13)通过轴承(14)、(15)分别安装在支撑座(16)、(17)上，并保持水平。

5.根据权利要求2所述的反光板(1)是平面镜反光板；

6.根据权利要求2所述的反光板支架(2)的底部中心有垂直的圆筒型套，该套套在反光板支杆(3)上，由顶丝固定。

7.根据权利要求2所述铰链(7)、(8)在同一圆套筒上，该圆套筒套在反光板支杆(3)上，由顶丝固定，可调节高度。

8.根据权利要求2所述联接器(19)是圆套筒，连杆(10)、(9)是圆柱体，联接器(19)套在连杆(10)、(9′)上，由顶丝固定，可调节位置。

9.权利要求2所述的，跟踪太阳的阵列式镜面反射聚光器的一种其他用途，一种跟踪太阳的阵列式太阳能发电站，其特征是：将权利要求2、3、4、5、6、7、8所述的反光板换成太阳能光伏电池板，具有权利要求2、3、4、5、6、7、8所述的特征。

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