CN101846787A - 一种太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，本发明采用焦线不运动的结构设计，使得热管可以被应用于系统传热，同时由于焦线不动，可以在焦线上设置其他太阳能利用设备，如太阳能光伏发电设备、斯特林发电机等重量比较大的设备，可以采用小的驱动力就可以实现对太阳能跟踪和驱动。采用透镜以及热管等光热转化器件，实现太阳能的跟踪与利用；降低了成本，提高了效能。采用焦点成为直线的各种太阳能透镜，在进行跟踪太阳的过程中，保持其焦距始终处于直线区域，同时在太阳能跟踪的过程中，太阳能光学镜以直线焦线为轴进行运动，取代传统的槽式太阳能热发电中以太阳能光学镜的底线为轴的运动，保证焦线在太阳能跟踪过程中始终保持不动即与地面相对静止；将热管或者其他各种太阳能利用设备设置在焦线上，就可以实现太阳能利用。本发明提供了其阵列结构，适合于小规模的系统，同时也适合于大规模的利用太阳能，特别是太阳能的热发电、供暖、烹饪、制冷等。

Description

一种太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用
技术领域
本发明涉及太阳能利用，特别是采用透镜实现太阳能跟踪焦点为直线的线性跟踪以及组成阵列跟踪。
背景技术
太阳能跟踪主要由槽式、塔式和蝶式三种，由于槽式系统为单向跟踪相对技术难度比较低，同时由于太阳能选择涂层以及真空管技术在100-400度的温度区间具备产业化生产能力，因而可以迅速的被批量生产，在国际上被最早的商业化应用的就是槽式系统。
国际上的槽式系统的主要的跟踪方式采用将一个换热管设置在槽式系统的焦线位置，在换热管内充入导热油，由电机驱动导热油流动从而实现热能的采集。在跟踪太阳能的过程中导热油在管道内一起运动，在导热油管道与流出端采用波纹管的方式实现运动的管道与不运动的管之间的连接；由于波纹管需要耐高温、可靠性高等要求，因而成为关键器件，同时该种连接无法保证保温性要求，因而系统的热损非常高。
中国专利200710176966提供了一种组合的跟踪系统，可以用于槽式、塔式结合的跟踪系统，其跟踪的方式采用将焦点不动而太阳能镜系统进行运动的方式，主要是采用在地面上设置两个轨道进行跟踪，而槽式系统线聚焦系统，利用其线性轴与地球自传轴平行放置，因而可以采用一个方向的转动实现跟踪，但是该方案采用在地面上的转动来实现槽式跟踪，显然不能实现单向跟踪，因而发明者在方案中进一步设置了俯仰跟踪，这样的槽式系统就不是单向跟踪，而成为双向的跟踪，因而发明者没有解决槽式单向跟踪时焦线不运动的跟踪问题。
近年，国际上又发展出了多反射镜的槽式系统，这种系统的特征在于变焦跟踪，其焦线被设置在一个圆柱体的区域内，其运动器件为每一个反射镜的转轴运动，而且基本上采用将平面镜进行平行设置，但该跟踪系统中主要反射跟踪技术，而且其主要采用玻璃平面反射跟踪，其采用的光热转化器采用普通的多金属管系统，而且带有二次反射系统，因而其成本高、系统复杂。但是此种跟踪仅限于应用于太阳能热发电的应用，特别是其换热器件为金属管的换热管，这样限制了此种跟踪系统的应用领域和范围。
发明内容
本发明的目的就是提供一种太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，采用透镜以及热管等光热转化器件，实现太阳能的跟踪与利用；降低了成本，提高了效能。采用焦点成为直线的各种太阳能透镜，在进行跟踪太阳的过程中，保持其焦距始终处于直线区域，同时在太阳能跟踪的过程中，太阳能光学镜以直线焦线为轴进行运动，取代传统的槽式太阳能热发电中以太阳能光学镜的底线为轴的运动，保证焦线在太阳能跟踪过程中始终保持不动即与地面相对静止；将热管或者其他各种太阳能利用设备设置在焦线上，就可以实现太阳能利用。
本发明采用焦线不运动的结构设计，使得热管可以被应用于系统传热，同时由于焦线不动，可以在焦线上设置其他太阳能利用设备，如太阳能光伏发电设备、斯特林发电机等重量比较大的设备，可以采用小的驱动力就可以实现对太阳能跟踪和驱动。
本发明提供了其阵列结构，适合于小规模的系统，同时也适合于大规模的利用太阳能，特别是太阳能的热发电、供暖、烹饪、制冷等；
本发明的技术方法，不仅适用于光学镜和热管，还可以适用于光学镜和其他技术方式的吸热、传热、换热；
具体发明内容如下：
一种太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，至少有一个设置在一个圆柱区域的太阳能利用设备、一个太阳能透镜、一个跟踪系统，其特征是：太阳能利用设备设置在至少一个透镜的下面的焦线区域，每个透镜上设置有一个转轴，透镜在跟踪系统的驱动下可以沿着转轴运动，使得至少一个或多个透镜共同聚焦于一个焦线区域，太阳能利用设备设置在焦线区域内保持不动。
所述跟踪系统包括用于支撑透镜并可以为透镜的运动提供轨道的透镜支架、用于支撑整个系统的跟踪支架、与驱动装置连接使透镜运动的动力传输装置、以及为系统提供动力驱动装置。
为了减少太阳能聚焦设备的运动空间和距离，对于同一个太阳能利用设备，采用多个不同的太阳能聚焦设备实现对太阳能的跟踪和聚焦；设置有多个弧或环形轨道(3)，对于每一对弧或环形轨道上设置有一个太阳能聚焦装置，多对太阳能聚焦装置共同聚焦于一个太阳能利用设备上，太阳能动力传输装置设置驱动不同的太阳能聚焦装置使其共同聚焦与太阳能利用设备上。多个太阳能采集可以通过设置在动力传送设备中齿轮的不同数量来实现采用一个动力驱动设备如电机实现对不同的太阳能聚焦设备的驱动，也可以采用其他的技术方案实现对聚焦于一个太阳能利用设备上的太阳能跟踪，只要实现对太阳能的跟踪并保持将多个太阳能聚焦设备的焦线聚集于同一个太阳能利用设备上，都是本发明的范围。
透镜支架为直线型或非直线型，非直线的透镜支架选择下列至少一种形状的器件：
A、抛物线型；
B、弧形；
C、或圆形器件；
D、多边形支架；
E、复合抛物线型。
透镜支架系统上设置有动力驱动装置使得透镜支架可以运动。
太阳能线性聚焦光学镜(2)以太阳能线性聚焦的焦线为轴跟踪太阳转动时，使太阳能利用设备(1)处于焦线的圆柱体内并始终保持不动。
所述动力传输机构选择下列之一：齿轮机构(10)、链条机构、涡轮蜗杆机构、铰链机构。
所述动力传输装置(10)设置在下列位置之一：
A、每个透镜的转轴上，通过轴提供动力驱动透镜转动；
B、透镜直线或非直线的器件上，驱动其运动；
C、透镜边框上，进而驱动太阳能透镜运动。
透镜的焦线选择下列方式之一进行放置：与地球自转轴平行、与地球自转轴平行夹角最小、与地面平行、与水平面平行。
任何透镜都可以用于本发明的太阳能镜先聚焦，但是透镜通常可以选择下列一种：
A、线性复合抛物面透镜；
B、线性菲涅尔透镜；
C、线性凹、凸透镜；
D、多镜系统，由多个透镜组成的抛物面、复合抛物面或多个菲涅尔透镜组成的多镜系统，共同聚焦于一个焦线区域。
由于线聚焦系统不动，可以将任何的太阳能利用设备设置在此区域内，甚至可以将大重量的设备设置在焦线区域，在焦线与太阳能镜的焦距范围内，都可以设置太阳能利用设备，根据温度与空间等要求，可以选择任何不大于焦距的范围设置太阳能利用设备，通常太阳能利用设备可以选择自下列一种：
A、太阳能直接转化为电能的太阳能设备；包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜电池、燃料电池等；
B、将太阳能转化为热能的热管或者在热管外部设置有真空管系统并且与热管进行密闭连接的热管真空管系统；热管上设置有太阳能选择涂层，可以将太阳能转换为热能，特别是耐高温的太阳能选择涂层，同时在热管上还可以设置翅片来增加转换与换热效率。
C、将太阳能转化为流体的热能流体换热器；或者在流体换热器外部设置有真空管系统并且与流体换热器进行密闭连接的流体换热器真空管系统。如将导热油同入到一个金属管中，金属管上设置有太阳能选择涂层，可以将太阳能转换为热能，特别是耐高温的太阳能选择涂层，同时在热管上还可以设置翅片来增加转换与换热效率。
D、太阳灶；可以直接的利用太阳灶实现太阳能中高温的利用。
E、将太阳能转化为热能并且通过热能进行发电的设备，优选为斯特林发电机；
F、太阳能干燥、裂解设备。任何被干燥的器件或被分离、裂解的物质。
任何通过动力驱动系统(6)驱动动力传输机构，都可以用于本发明的太阳能跟踪，通常的动力传输机构选择下列之一：齿轮机构(10)、链条机构、蜗杆机构、铰链。
可以采用不需要消耗电能的无电驱动机构，也可以采用消耗电能的耗电驱动机构实现多系统的驱动，通常所采用的动力驱动系统装置，选自下列之一：
A、机械驱动器件，优选为机械发条、弹簧、跟踪；
B、相变驱动装置，采用密闭在一个空间的物质，随着温度的增大使其压力的增大，来推动运动机构，实现跟踪；
上述A、B两种跟踪不需要耗费电能，成为无电驱动；
C、利用电能带动电机或液压装置驱动动力传输机构来实现跟踪；
D、通过电或光的传感器的信号，通过比较不同部位的太阳能转化器件的电流、电压值和/或光亮度值，由计算机或单片机来调整电机(6)的运动实现的跟踪；
上述C、D两种跟踪需要耗费电能，成为耗电驱动；
至少有多个太阳能利用设备(1)设置、跟踪系统、透镜、支架系统组成的一个阵列，对同一排和/或同一列的太阳能利用设备，可以共用一个动力驱动设备，每个阵列可以设置在一个共同的平台上或设置在一个地面和/或建筑物的区域。
由多个阵列组成一个系统，在每个阵列上设置多排、列太阳能利用设备(1)，每一个阵列上的每排或列太阳能利用设备(1)通过热管系统(9)和/或强制循环流动的流体进行换热或者直接利用，多个阵列之间通过热管系统(9)和/或强制循环的流体进行换热或者直接利用。
在进行对太阳能的跟踪过程中，可能出现跟踪的误差，或者部分的太阳光由于散射等原因，经过第一次的太阳能光学镜线聚焦后太阳光处于太阳能利用设备之外的区域，为了减少此部分的损失，采用了二次聚焦，即在太阳能利用设备上设置一个二次聚焦的太阳能镜，将一次聚焦损失的太阳能光经二次聚焦后将太阳能光聚焦到太阳能利用设备上，通常可以选择至少下列一种二次聚焦光学镜(8)：
A、线性复合抛物面反射镜；
B、线性菲涅尔透镜或反射镜；
C、线性凹、凸透镜；
D、线性抛物面反射镜；
E、槽式多棱反射镜。
可以将二次聚焦光学镜设置在太阳能利用设备上，与一次聚焦的太阳能镜一起转动，这个样一次和二次聚焦的太阳能镜可以采用同一个跟踪设备和驱动设备实现对太阳能的二次聚焦，提高了太阳能利用的效率。
由多个阵列组成一个系统，在每个阵列上设置多排、列太阳能利用设备(1)，每一个阵列上的每排或列太阳能利用设备(1)通过热管系统(9)和/或强制循环流动的流体进行换热或者直接利用，多个阵列之间通过热管系统(9)和/或强制循环的流体进行换热或者直接利用；直接利用就是将太阳能利用设备设置在焦线上，或者通过热管系统(9)和/或强制循环流动的流体进行换热，为实现热发电等各种应用。
本发明选择的方案是实现本发明目的的优选方案，任何符合本发明的原理的方案和技术、产品，都是本发明的保护范围。
此种跟踪系统的优点为：
1、采用本发明公布的太阳能的跟踪系统，可以实现多种太阳能利用设备的结合利用，特别是将热管技术完美的与透镜光学镜系统结合，便于太阳能的中高温的综合利用；
2、可以便于实现阵列的太阳能的利用，实现不同的太阳能产品的高效的大规模的利用；
3、可以利用本发明的方案，实现高效的热能采集及传输，减少了系统的采集及传输热损；
4、本发明可以实现多种的太阳能利用，包括对大重量的设备的应用，克服了现有的槽式系统的载重小、可靠性差、应用范围有限的缺点。
5、本发明的技术可以利用于实现建筑一体化的利用。
附图说明
图1：菲涅尔透镜圆弧型单向跟踪利用系统原理图
图2：菲涅尔透镜平面型双向跟踪利用系统原理图
图3：建筑物上的平面透镜跟踪利用系统侧视图
图中标号含义：
1：太阳能利用设备，2：透镜，3：透镜支架，4：跟踪支架，5：转轴，6：动力驱动装置(电机)，7：齿轮，8：二次太阳能反射镜，9：动力传输系统，10：热管传热系统；11、建筑物。
具体实施方式
实施例一：菲涅尔透镜圆弧型单向跟踪利用系统
如图一所示，采用四个线型聚焦的菲涅尔透镜，三个内插有热管的玻璃真空管为太阳能利用设备，在热管上设置有太阳能选择涂层，利用热管将热能进行传递和转化，每个菲涅尔透镜上设置有一个转轴，转轴设置在一个圆弧器件上，菲涅尔透镜可以沿着转轴进行运动，实现对太阳能的跟踪，玻璃真空集热管固定在建筑物顶部，整个系统设置在建筑物的屋顶，实现太阳能利用以及建筑一体化的利用，在菲涅尔透镜运行过程中真空集热管保持不动。
实施例二：菲涅尔透镜平面型双向跟踪利用系统
如图二所示，采用四个线型聚焦的菲涅尔透镜，四个不锈钢金属管外部设置有玻璃真空管，四个不锈钢管的内部设置有导热油，通过导热油实现热能的传递，在不锈钢管上设置有太阳能选择涂层，每个菲涅尔透镜上设置有一个转轴，转轴设置在一个平行的器件上，菲涅尔透镜可以沿着转轴进行运动，每个转轴上设置有一个涡轮蜗杆机构以及驱动电机，驱动每个透镜进行转动，实现对太阳能的跟踪；同时在四个跟踪支架上设置有四个齿轮机构，并有一个电机进行驱动，可以驱动透镜平面支架进行平动，通过透镜的转动以及支架的平动的双向运动，实现对太阳能的跟踪，玻璃真空集热管固定在建筑物顶部，整个系统设置在建筑物的屋顶，实现太阳能利用以及建筑一体化的利用，在菲涅尔透镜运行过程中真空集热管保持不动。
实施例三：建筑物上的平面透镜跟踪利用系统
如图三所示，本图为一个侧视图，太阳能镜(2)为三个菲涅尔透镜；太阳能利用设备(1)为一个太阳能光伏与光热综合利用系统，单晶硅的太阳能电池板设置在真空管的内部，同时还设置有一个热管装置为太阳能电池板提供散热装置，这样既可以实现聚焦光伏发电又可以实现热水的利用，在单晶硅的真空管外部，还设置有二次反射板(8)，为单晶硅提供二次的反射太阳能光；动力驱动装置为一个电机(6)，在每个透镜上设置有转轴以及电机，全部的系统设置在建筑物的屋顶，实现太阳能的光伏光热综合的利用。

Claims (12)

1.一种太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，至少有一个设置在一个圆柱区域的太阳能利用设备、一个太阳能透镜、一个跟踪系统，其特征是：太阳能利用设备设置在至少一个透镜的下面的焦线区域，每个透镜上设置有一个转轴，透镜在跟踪系统的驱动下可以沿着转轴运动，使得至少一个或多个透镜共同聚焦于一个焦线区域，太阳能利用设备设置在焦线区域内并保持不动。
2.根据权利要求1所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：所述跟踪系统包括用于支撑透镜并可以为透镜的运动提供轨道的透镜支架、用于支撑整个系统的跟踪支架、与驱动装置连接使透镜运动的动力传输装置、以及为系统提供动力驱动装置。
3.根据权利要求2所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：所述的透镜支架为直线型或非直线型，非直线的透镜支架选择下列至少一种形状的器件：
A、抛物线型；
B、弧形；
C、或圆形器件；
D、多边形支架；
E、复合抛物线型。
4.根据权利要求2所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：透镜支架系统上设置有动力驱动装置使得透镜支架可以运动。
5.根据权利要求1、2、3所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：所述动力传输机构选择下列之一：齿轮机构(10)、链条机构、涡轮蜗杆机构、铰链机构。
6.根据权利要求1、2、3所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：所述动力传输装置(10)设置在下列位置之一：
A、每个透镜的转轴上，通过轴提供动力驱动透镜转动；
B、透镜直线或非直线的器件上，驱动其运动；
C、透镜边框上，进而驱动太阳能透镜运动。
7.根据权利要求1、2、3所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：透镜的焦线选择下列方式之一进行放置：与地球自转轴平行、与地球自转轴平行夹角最小、与地面平行、与水平面平行。
8.根据权利要求1、2所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：透镜选择自下列一种：
A、线性复合抛物面透镜；
B、线性菲涅尔透镜；
C、线性凹、凸透镜；
D、多镜系统，由多个透镜组成的抛物面、复合抛物面或多个菲涅尔透镜组成的多镜系统，共同聚焦于一个焦线区域。
9.根据权利要求1、2所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：太阳能利用设备为至少下列一种：
A、太阳能直接转化为电能的太阳能设备；
B、将太阳能转化为热能的热管，或者在热管外部设置有真空管系统并且与热管进行密闭连接的热管真空管系统；
C、将太阳能转化为流体的热能流体换热器；或者在流体换热器外部设置有真空管系统并且与流体换热器进行密闭连接的流体换热器真空管系统。
D、太阳灶；
E、将太阳能转化为热能并且通过热能进行发电的设备；
F、太阳能干燥、裂解设备。
10.根据权利要求1、2所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：所采用的动力驱动装置，选自下列之一：
A、机械驱动器件；
B、相变驱动装置，采用密闭在一个空间的物质，随着温度的增大使其压力的增大，来推动运动机构，实现跟踪；
C、利用电能带动电机或液压装置驱动动力传输机构(10)来实现跟踪；
D、通过电或光的传感器的信号，通过比较不同部位的太阳能转化器件的电流、电压值和/或光亮度值，由计算机或单片机来调整电机(6)的运动实现的跟踪。
11.根据权利要求1、2所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：至少有多个太阳能利用设备(1)设置、跟踪系统、透镜、支架系统组成的一个阵列，对同一排和/或同一列的太阳能利用设备，可以共用一个动力驱动设备，每个阵列可以设置在一个共同的平台上或设置在一个地面和/或建筑物的区域。
12.根据权利要求10所述的太阳能线性透镜变焦跟踪系统及应用，其特征是：由多个阵列组成一个系统，在每个阵列上设置多排、列太阳能利用设备(1)，每一个阵列上的每排或列太阳能利用设备(1)通过热管系统(9)和/或强制循环流动的流体进行换热或者直接利用，多个阵列之间通过热管系统(9)和/或强制循环的流体进行换热或者直接利用。
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