CN101769636A - 拼装式聚光太阳能采集装置及其拼装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：所述的太阳能采集装置包含一块底板，两块顶板，一块透明面板，两块顶板各设有一个轴承，一根集热管穿越两个轴承；顶板有上、下两条边，上边为直线，下边为对称抛物线，底板和顶板各有一个表面为反射镜面；底板、顶板和面板的每条边上设有条形拼接构件，底板、顶板和面板借助所述拼接构件拼装成一封闭箱形并形成聚光反射结构，集热管穿过两个轴承内圈定位于该聚光反射结构的焦直线上。本发明可由平面板材直接拼装而成，利用材料的自然弹性弯曲形成聚光曲面，不通过加热预成形。优点是制造和安装均相当简便，大幅度简化制造工艺和降低成本，又很容易通过矫正办法获得较高的聚光精度，同时也可以使包装和运输时的体积和成本缩到最小。

Description

拼装式聚光太阳能采集装置及其拼装方法
技术领域：
本发明涉及太阳能利用的技术领域，具体地说是一种可跟踪的拼装式柱面聚光太阳能采集装置及其拼装方法。
背景技术：
抛物槽式跟踪聚光太阳能采集装置是一种高性价比的太阳能利用方式，已被应用于从中等规模的太阳能热采集到大规模太阳能发电厂的多种环境中。它用一个或一系列弯曲成抛物柱面的反射镜面将入射阳光聚焦集中到位于抛物柱面焦线上的一根集热管上，集热管将太阳光的光能吸收转化为热能后，由集热管内部的循环导热介质将热能带走收集，或用于供热或用于发电。商业运行的大型槽式太阳能发电厂已有数十年的历史。
槽式太阳能采集面临的最大困难是装置的安装成本过高，以致于用于能源采集时能源成本与煤炭等化石能源相比在经济上缺乏竞争优势，严重地制约了它的大面积推广。因此降低装置的成本是技术发展的主要课题。
在槽式太阳能装置的成本中，抛物形聚光镜面的成本往往是最主要的一部分。这是因为现在镜面的制造一般要将平板形基底材料(金属或玻璃)加热软化以后利用模具使其弯曲成所需的形状。成形过程中材料和温度的任何细小的不均匀性都会导入局部的法线方向误差。同时，反射镜面的效率对局部法线方向误差极为敏感，很小的法线方向误差就会引起散焦，降低装置的采集效率。所以在加工过程中对精度要求很高，废品率也不易控制，严重提升成本。
而且，现有的槽式太阳能装置多采用不加前置透明面板的开放式技术方案。开放式槽式装置需要依靠镜面基底材料的强度来防止变形和获得足够的抗风能力，所以基底材料必须具有较高的机械强度和足够的厚度。这就进一步增加了成形加工的困难和成本。
加前置透明面板的小型封闭式采集装置可以得到很强的自然几何稳定性，抗变形和抗风能力比开放式装置大有增强，但镜面加热成形引起局部法线方向误差的问题仍十分严重。
成形误差的存在直接影响到采集装置的聚光率，从而制约其效率。抛物面槽式采集装置的理论最高线聚光率可达220倍左右，对应于70倍的面聚光率。但是目前商业装置中最先进的标称线聚光率为82倍，而且这些装置的制造及安装均甚为昂贵。在一般的加工条件下，加热成形的槽式采集装置要保证30倍的有效线聚光率已有诸多困难。
预成形的反射镜面带来的另一个缺陷是包装和运输成本。特别是小型封闭式装置，制造成本低、重量轻但体积庞大，在某些情况下包装、仓储和运输成本甚至会接近或超过制造成本。
发明内容：
本发明的目的是提出一种拼装式太阳能采集装置，它可大幅度简化制造工艺和降低成本，又很容易通过矫正办法获得较高的聚光精度，同时也可以使包装和运输时的体积和成本缩到最小。
本发明的技术方案是这样实现的：拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：所述的太阳能采集装置包含一块底板，两块顶板，一块透明面板，两块顶板各设有一个轴承，一根集热管穿越两个轴承；顶板有上、下两条边，上边为直线，下边为对称抛物线，底板和顶板各有一个表面为反射镜面；底板、顶板和面板的每条边上设有条形拼接构件，底板、顶板和面板借助所述拼接构件拼装成一封闭箱形并形成聚光反射结构，集热管穿过两个轴承内圈定位于该聚光反射结构的焦直线上。
拼装式聚光太阳能采集装置的拼装方法，其特征为：所述太阳能采集装置的拼装方法包括以下步骤，a.将底板略加弯曲后顶边插入一块顶板底边的拼接构件槽中；b.将底板的另一顶边同法插入另一块顶板底边的拼接构件槽中；c.将集热管穿入两块顶板的轴承内；d.将面板盖上，同时将底板的两个侧边向内压迫使其进入面板侧边的角条内部定位；其中面板通过侧边拼接构件对底板的侧边向内施压使后者弹性弯曲成接近于对称抛物柱面的形状，该形状进一步通过顶板下边与底板顶边的拼接予以矫正和固定；拼接后底板和顶板的镜面向内形成聚光反射结构；底板和面板的侧边条形拼接构件为角条，分别固定于底板和面板的侧边，拼装后两个角条在底板的外向弹性力作用下相互靠紧；面板的顶边拼接构件为金属角条；顶板上边的拼接构件为方形金属管，f.用紧固螺栓将面板的顶边与顶板的上边进行紧固，顶板底边的拼接构件为下部带内钩的槽形条，底板顶边的拼接构件为带斜面的条形突起以及顶边的开叉；拼装时底板的顶边插入槽形条中，插入后底板的条形突起完全置入顶板底边的拼接构件槽形条中，并由槽形条中的内钩锁定不致脱落，底板顶边的开叉被槽形条的底部压紧；此时底板顶边的开叉被槽形条的底部压紧起到防水作用，最后将金属角条与方形金属管在拼装后用螺栓结合紧固。
本发明可由平面板材直接拼装而成，利用材料的自然弹性弯曲形成聚光曲面，不通过加热预成形。优点是制造和安装均相当简便，不仅大幅度简化制造工艺和降低成本，又很容易通过矫正办法获得较高的聚光精度，同时也可以使包装和运输时的体积和成本缩到最小。
附图说明：
图1至图4是本发明的太阳能采集装置的装配过程示意图。其中图1是分散的各部件，其中底板处于弹性弯曲状态；图2是底板和顶板拼装结合后的情形；图3是集热管插入轴承内后的情形；图4是装配完成后的采集装置。
图5是本发明的面板侧边和底板侧边的拼接构件截面图(拼装入位前)。
图6是本发明的面板侧边和底板侧边的拼接构件截面图(拼装入位后)。
图7是本发明的顶板下边和底板顶边的拼接构件截面图(拼装入位前)。
图8是本发明的顶板下边和底板顶边的拼接构件截面图(拼装入位后)。
图9是本发明的顶板上边和面板顶边的拼接构件截面图(拼装入位前)。
图10是本发明的顶板上边和面板顶边的拼接构件截面图(拼装入位后)。
图11是本发明的底板下部矫正构件的立体图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图中的标记1为装置的底板，2为装置的顶板，3为装置的面板，4为集热管，5为轴承。6为面板的顶边拼接构件，7为面板的侧边拼接构件，8为底板的侧边拼接构件，9为底板的顶边拼接构件，10为顶板的下边拼接构件，11为顶板的上边拼接构件，12为面板侧边拼接构件顶部的弯条，13为面板与顶板的拼接紧固螺栓，14为顶板下边拼接构件下部的内钩，15为底板顶边的开叉，16为矫正反射曲面边缘曲率的杆形扳转构件，17为该杆形扳转构件与底板相抵的一端的撑件，20为矫正反射曲面曲率过高区域的角条，21为矫正反射曲面曲率过高区域的钢丝压杆。
本发明为一种聚光太阳能采集装置，其特征为：所述太阳能采集装置包含一块底板1，两块顶板2，一块透明面板3，一根集热管4和两个轴承5，其特征为：底板在无外力作用条件下为长方形匀质平板；透明面板为长方形；顶板有上、下两条边，下边为对称抛物线，上边为直线；顶板中部开有一轴孔，轴孔的中心为下边抛物线的焦点或焦点下方，该中心与该焦点的距离不超过顶板上边长度的0.01倍；轴承固定于轴孔的周围；底板和顶板各有一个表面为反射率在80％以上的光滑镜面；底板、顶板和面板的每条边上设有条形拼接构件(6，7，8，9，10，11)；底板、顶板和面板可借助所述拼接构件拼装成一封闭箱形结构，其中面板通过侧边拼接构件对底板的侧边向内施压使后者弹性弯曲成接近于对称抛物柱面的形状，该形状进一步通过顶板下边与底板顶边的拼接予以矫正和固定；拼接后底板和顶板的镜面向内形成聚光反射结构；集热管穿过两个轴承内圈定位于该聚光反射结构的焦直线上；借助于人工或控制机构，所述箱形结构可围绕轴承和集热管自由旋转以跟踪太阳的移动，大大提高了聚光和太阳能的采集效果。
为了使底板弯曲的形状尽可能地接近抛物柱面，采集装置的厚度与宽度之比应保持在1∶3和1∶4之间，并尽可能接近1∶4。装置的宽度与长度之比可以在1∶1到1∶3之间任选。
透明面板可以使用玻璃或透明塑料，底板和顶板可以用金属板(钢板或铝板)，也可以用塑料板制作。为了避免不同的材料热胀冷缩系数之间的差异造成在环境温度变化过大时的箱体变形，玻璃面板应当与金属制的底板和顶板配合使用，塑料面板应当与塑料制的底板和顶板配合使用。
这样形成的反射曲面提供了抛物柱面的一个较好的近似。计算表明这一曲面的理论最高线聚光率为70倍左右。实际可得的聚光率能做到与此相当接近，因为一般的市售匀质板材已有足够的一致性使这个曲面中极少存在可观测到的局部法线方向误差。计入材料和加工误差以及安全系数后，在不加矫正的条件下工业生产已不难获得实用线聚光率为40倍以上的可靠产品。手工制作也能获得30倍的良好效果。
除了大规模太阳能发电厂外，通常的太阳能热采集装置的最高工作温度不超过300℃。对于这类用途，40倍的线聚光率已可满足要求。另一方面，太阳能发电厂希望将工作温度提高到至少350℃，以便获得更高的发电效率。对这样的用途，本发明提出以下的办法矫正反射曲面误差，可以将有效线聚光率提高到80倍或更高。
所述弹性弯曲形成的反射曲面与理想抛物柱面之间的差别主要在于曲面边缘曲率过低，而在与底板中线的距离为曲面宽度的1/6到1/3之间的区域中曲率过高。特别是曲面边缘曲率过低使无矫正的装置的有效采集面积由于散焦而损失10％至15％。
因为实际的反射曲面与抛物柱面有所差异，反射曲面的实际焦直线位于抛物柱面的焦直线下方。对于不加矫正的反射曲面，所述两条焦直线之间的距离为反射曲面宽度(即顶板的上边长度)的0.008倍左右，所以将顶板的轴孔中心定于抛物线焦点下方并且与该抛物线焦点的距离为反射曲面宽度的0.005到0.01倍的位置最为合理。
为了矫正曲面边缘的曲率过低，本发明提出的办法是在底板两侧的外部加装4至20个杆形扳转构件16；所述杆形扳转构件的一端固定于底板的侧边条形拼接构件上，并通过该侧边条形拼接构件与底板边缘连接；所述杆形扳转构件的另一端抵于并压迫底板；该另一端与底板的接触点离底板边缘的距离为底板宽度的0.13至0.23倍，或直接接触，或通过撑件17接触；该另一端压迫底板的力通过杆形扳转构件的传递对底板的边缘实施扳转，将底板的边缘曲率半径矫正为反射曲面宽度的1.3至1.5倍；相邻的杆形扳转构件间的距离为底板宽度的0.1倍至0.6倍之间。
一个较优的选择为杆形扳转构件的另一端与底板的接触点离底板边缘的距离为底板宽度的0.2倍，底板的边缘曲率半径矫正为反射曲面宽度的1.45倍。所述撑件可以是弹簧或者是可调节长度的螺栓，通过调节螺栓的长度调整杆形扳转构件对底板边缘曲率的矫正强度。
为了矫正曲率过高的区域，本发明提出的办法是在拼装后的底板外部加装由二根金属角条19和一根或多根钢丝压杆20组成的矫正构件；所述金属角条长度与底板的长度相同，方向与集热管平行，固定于底板外部距离底板中线为采集装置宽度的1/6到1/3之间的两侧；所述钢丝压杆的两端固定于采集装置侧边，内侧通过压迫金属角条对底板施压。如图11所示。
钢丝压杆的中部可用螺栓连接，通过调节螺栓长度调整钢丝压杆施于底板的压力。
一个较优的选择为：金属角条固定于底板下方距离底板中线为采集装置宽度的1/4的两侧。
所述办法不仅可以精确矫正反射曲面的理论曲率误差，而且可以对材料的不一致性和重力等引起的误差同时予以矫正。计算所得的矫正后理论最高线聚光率高达170倍。
矫正后的反射曲面更接近于理想的抛物柱面，因此其焦直线与抛物柱面的焦直线也更接近。此时顶板的轴孔中心可定于抛物线焦点上或抛物线焦点下方并且与该抛物线焦点的距离不超过反射曲面宽度的0.002倍的位置
若仅用杆形扳转构件矫正边缘曲率过低而不矫正曲率过高的区域，可取杆形扳转构件的抵于底板的一端与底板的接触点离底板边缘的距离为底板宽度的0.17倍。矫正后理论最高线聚光率超过90倍，并且曲面边缘有效采集面积的损失得以基本消除。
集热管可以根据不同的用途采用多种不同的配置。对于工作温度不超过100℃的低温采集装置，一根外表涂黑的普通金属圆管即可满足要求。该金属圆管外也可敷设一层太阳能光伏电池发电，管内通水循环，该循环水一方面为太阳能光伏电池提供冷却，另一方面提供低温热源，实现热电联供。高温采集装置的集热管外需加套一根透明玻璃管隔热，集热管和玻璃管之间的空间抽真空密封以加强隔热效果。
具体实施例：
一个具体实施方案是，底板和面板的侧边条形拼接构件为角条，分别固定于底板和面板的侧边，拼装后两个角条在底板的外向弹性力作用下相互靠紧，如图5和图6所示。为了防止滑落，面板角条的顶部加一弯条12将底板的角条锁定。所述弯条仅安装于面板中部不超过面板长度的2/3的区域，以保证在拼装时底板可以利用弹性越过弯条进入拼接位置。
面板的顶边拼接构件为金属角条，顶板上边的拼接构件为方形金属管，金属角条与方形金属管在拼装后用螺栓13结合紧固。如图9和图10所示。
顶板底边的拼接构件为下部带内钩14的槽形条，底板顶边的拼接构件为带斜面的条形突起9以及顶边的开叉15，如图7和图(8)所示。拼装时底板的顶边插入槽形条中，插入后底板的条形突起完全置入槽形条中，并由槽形条中的内钩锁定不致脱落。此时底板顶边的开叉被槽形条的底部压紧起到防水作用。
太阳能采集装置可以按如下顺序拼装。1.将底板略加弯曲后顶边插入一块顶板底边的拼接构件槽中；2.将底板的另一顶边同法插入另一块顶板底边的拼接构件槽中；3.将集热管穿入两块顶板的轴承内；4.将面板盖上，同时将底板的两个侧边向内压迫使其进入面板侧边的角条内部定位；5.用紧固螺栓将面板的顶边与顶板的上边紧固。
一个具体的制作是，底板和顶板用一面贴有镜面反射膜层的普通聚苯乙烯板材，厚度2mm，面板用2mm厚的聚碳酸脂透明板材。底板为长和宽均为一米的正方形，拼装成形后的反射曲面宽度为0.857米。轴孔中心位于顶板上边以下28mm处，采集装置最大厚度232mm。集热管外径为10mm。因此采集装置的设计线聚光率约为86倍。以顶板上边的中点为原点，底板下边的曲线方程为(单位为毫米)：y＝228-0.0012434x2
杆形扳转构件用宽15mm、厚3mm的不锈钢条，相临的杆形扳转构件的间距为底板宽度的0.2倍，撑件为可调节长度的螺栓，钢丝压杆使用螺栓调节长度和压力。
拼装完成后的采集装置可以通过直接观察实施矫正，具体方法如下。观察位置位于采集装置正面，距离为采集装置宽度与线聚光率乘积的1/20至1/6。此时可在采集装置的反射曲面上观察到集热管的放大影象。移动观察位置则该影象也随之移动。对于精确矫正的反射曲面，集热管的影象在中部时最宽，边缘最窄，边缘的影象宽度约为中部宽度的0.5至0.6倍。影象从中部向边缘移动时，其宽度应当成比例逐渐缩小。若某一区域影象宽度过高，则说明该区域曲面的曲率过高，反之亦然。
如果影象从中部向某一方向开始移动时宽度不缩小或反而增大，可以通过缩短钢丝压杆的调节螺栓长度予以矫正；如果宽度缩小过快，则伸长所述螺栓长度。
如果边缘影象宽度小于中部宽度的0.55倍，可以通过增加撑件长度予以矫正；反之则缩短该长度。
实测表明，一个手工制作的采集装置在使用所述方法矫正后可以在80倍以上的线聚光率下得到准确聚焦，除了反射曲面最边缘不超过反射面积2％的两条超出曲率矫正区的区域外，没有明显可观测到的散焦损失，采集装置的总体光学效率可达70％以上。

Claims (8)

1.拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：所述的太阳能采集装置包含一块底板，两块顶板，一块透明面板，两块顶板各设有一个轴承，一根集热管穿越两个轴承；顶板有上、下两条边，上边为直线，下边为对称抛物线，底板和顶板各有一个表面为反射率超过80％的光滑镜面；底板、顶板和面板的每条边上设有条形拼接构件，底板、顶板和面板借助所述拼接构件拼装成一封闭箱形并形成聚光反射结构，集热管穿过两个轴承内圈定位于该聚光反射结构的焦直线上。
2.根据权利要求1所述的拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：所述底板在无外力作用条件下为长方形匀质平板，透明面板为长方形的匀质平板；顶板中部开有一轴孔，轴孔的中心为下边抛物线的焦点或焦点下方，该中心与该焦点的距离不超过顶板上边长度的0.01倍；轴承固定于轴孔的周围。
3.根据权利要求1所述的拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：所述面板通过侧边拼接构件对底板的侧边向内施压使后者弹性弯曲成接近于对称抛物柱面的形状，该形状进一步通过顶板下边与底板顶边的拼接予以矫正和固定；拼接后的底板和顶板的镜面向内形成聚光反射结构；底板和面板的侧边条形拼接构件为角条，分别固定于底板和面板的侧边，两个角条在底板的外向弹性力作用下相互靠紧；面板的顶边拼接构件为金属角条；顶板上边的拼接构件为方形金属管，金属角条与方形金属管在拼装后用螺栓结合紧固；顶板底边的拼接构件为下部带内钩的槽形条；底板顶边的拼接构件为带斜面的条形突起以及顶边的开叉；底板的顶边插入槽形条中，插入后底板的条形突起完全置入槽形条中，并由槽形条中的内钩锁定，底板顶边的开叉被槽形条的底部压紧。
4.根据权利要求1所述的拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：在底板两侧的外部装有4至20个杆形扳转构件；所述杆形扳转构件的一端固定于底板的侧边条形拼接构件上，并通过该侧边条形拼接构件与底板边缘连接；所述杆形扳转构件的另一端抵于并压迫底板；该另一端与底板的接触点离底板边缘的距离为底板宽度的0.13至0.23倍，或直接接触，或通过撑件接触；该另一端压迫底板的力通过杆形扳转构件的传递对底板的边缘实施扳转，将底板的边缘曲率半径矫正为反射曲面宽度的1.3至1.5倍；相邻的杆形扳转构件间的距离为底板宽度的0.1倍至0.6倍之间。
5.根据权利要求4所述的拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：杆形扳转构件抵于底板的一端与底板的接触点离底板边缘的距离为底板宽度的0.2倍，底板的边缘曲率半径矫正为反射曲面宽度的1.45倍。所述撑件可以是弹簧或者是可调节长度的螺栓，通过调节螺栓的长度调整杆形扳转构件对底板边缘曲率的矫正强度。
6.根据权利要求1所述的拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：底板外部装有由二根金属角条和至少一根钢丝压杆组成的矫正构件；所述述金属角条长度与底板的长度相同，方向与集热管平行，固定于底板下方距离底板中线为采集装置宽度的1/6到1/3之间的两侧；所述钢丝压杆的两端固定于采集装置侧边，内侧通过压迫金属角条对底板施压。
7.根据权利要求1所述的拼装式聚光太阳能采集装置，其特征为：所述采集装置的厚度与宽度之比在1∶3和1∶4之间，宽度与长度之比在1∶1和1∶3之间。
8.根据权利要求1所述的拼装式聚光太阳能采集装置的拼装方法，其特征为：所述太阳能采集装置的拼装方法包括以下步骤，a.将底板略加弯曲后顶边插入一块顶板底边的拼接构件槽中；b.将底板的另一顶边同法插入另一块顶板底边的拼接构件槽中；c.将集热管穿入两块顶板的轴承内；d.将面板盖上，同时将底板的两个侧边向内压迫使其进入面板侧边的角条内部定位；其中面板通过侧边拼接构件对底板的侧边向内施压使后者弹性弯曲成接近于对称抛物柱面的形状，该形状进一步通过顶板下边与底板顶边的拼接予以矫正和固定；拼接后底板和顶板的镜面向内形成聚光反射结构；底板和面板的侧边条形拼接构件为角条，分别固定于底板和面板的侧边，拼装后两个角条在底板的外向弹性力作用下相互靠紧；面板的顶边拼接构件为金属角条；顶板上边的拼接构件为方形金属管，f.用紧固螺栓将面板的顶边与顶板的上边进行紧固，顶板底边的拼接构件为下部带内钩的槽形条，底板顶边的拼接构件为带斜面的条形突起以及顶边的开叉；拼装时底板的顶边插入槽形条中，插入后底板的条形突起完全置入顶板底边的拼接构件槽形条中，并由槽形条中的内钩锁定不致脱落，底板顶边的开叉被槽形条的底部压紧；此时底板顶边的开叉被槽形条的底部压紧起到防水作用，最后将金属角条与方形金属管在拼装后用螺栓结合紧固。
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