CN101900434A - 一种太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是提供一种太阳能分布式点聚焦太阳能镜跟踪热管利用系统，可以根据城镇区域的土地情况进行分布的布置，为此将至少一个太阳能热管系统、太阳能跟踪系统、点聚焦太阳能镜、跟踪支架组成一组太阳能点聚焦利用系统，多组太阳能点聚焦利用系统分布在不同的区域，多组的太阳能热管系统可以相互连接共同构成太阳能点聚焦利用系统。通过将现有的槽式太阳能系统的阵列模式改变为分布模式，从而可以将太阳能槽式太阳能利用技术适合于不同的区域和城市应用，减少了其对场地的要求和限制，可以方便的在不同的区域和建筑一体化的进行应用，同时拓宽了太阳能利用的种类和方式，使其可以进行多种的太阳能的利用。

Description

一种太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用，特别是采样点聚焦的太阳能跟踪利用及其分布式利用。

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点位置，在换热管内充入导热油或者直接将水加热为蒸汽，由电机驱动导热油或蒸汽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。同时，槽式太阳能热发电系统主要是大规模的太阳能热发电系统，其规模发电量为30-100WM，其1WM发电站就需要占地60亩，通常每组的槽式系统长100米，镜宽5-8米，要求土地平整度误差小于1-3度，因而对于土地有比较严格的要求。这种技术主要适合于大规模的发电，不适合于小规模的区域应用，特别是不适合于在城市进行太阳能的发电以及热电、冷联产发电，因而限制了其应用。

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线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，而槽式系统点聚焦系统，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，显然不能实现跟踪，因而发明者在方案中进一步设置了俯仰跟踪，这样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点不运动的跟踪问题。

现有的聚焦太阳能利用技术，主要是应用于大规模的发电，通常1WM的发电站，就需要60亩的占地，这样的占地要求很难在城市进行推广，因而需要根据城镇的土地要求，提供一种适合于城镇土地要求的太阳能聚焦利用系统。

发明内容

本发明的目的就是提供一种太阳能分布式点聚焦太阳能镜跟踪热管利用系统，可以根据城镇区域的土地情况进行分布的布置，为此将至少一个太阳能热管系统、太阳能跟踪系统、点聚焦太阳能镜、跟踪支架组成一组太阳能点聚焦利用系统，多组太阳能点聚焦利用系统分布在不同的区域，多组的太阳能热管系统可以相互连接共同构成太阳能点聚焦利用系统。通过将现有的槽式太阳能系统的阵列模式改变为分布模式，从而可以将太阳能槽式太阳能利用技术适合于不同的区域和城市应用，减少了其对场地的要求和限制，可以方便的在不同的区域和建筑一体化的进行应用，同时拓宽了太阳能利用的种类和方式，使其可以进行多种的太阳能的利用。

本发明将现有的槽式跟踪技术由太阳能镜和太阳能热管系统同时跟踪太阳能运动的单一模式改变为太阳能镜和太阳能热管系统至少有一个不运动的跟踪模式，这样解决了分布式系统需要根据不同的场地采用不同的跟踪技术的要求，从而可以将槽式系统进行分布采集；采用焦点不运动的结构设计，使得热管可以被应用于系统传热，利用热管作为太阳能转换器件，将热管技术完美的与光学镜系统结合起来，实现太阳能的热发电、供暖、制冷、热水、开水等应用。

具体发明内容如下：

一种太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，包括至少有一个设置在一个圆柱区域的太阳能热管系统(1)、至少一个点聚焦太阳能镜(2)和至少一个跟踪系统(4)，至少一个太阳能热管系统、太阳能跟踪系统、点聚焦太阳能镜、跟踪支架组成一组太阳能点聚焦利用系统，太阳能热管系统设置在点聚焦太阳能镜的焦点区域内，多组太阳能点聚焦利用系统分布在不同的区域，并通过每组太阳能点聚焦利用系统中的太阳能热管系统相互连接，通过热管实现对热能的热发电、供暖、制冷、热水、开水应用。

所述的热管的蒸发端设置在太阳能点聚焦区域内，热管的冷凝端设置在点聚焦区域之外，冷凝端与换热器相连接，通过换热器实现热能的采集，进而可以将热能应用于热发电、供暖、制冷、热水、开水应用。

太阳能热管系统设置在点聚焦太阳能镜的焦点区域，太阳能跟踪系统采用下列方式之一跟踪太阳运动：

A、太阳能热管系统与地面或建筑物固定连接，太阳能跟踪系统驱动一个或多个点聚焦太阳能镜运动，并保持其焦点在运动过程中处于太阳能热管系统区域内；这是一种股东太阳能热管系统的跟踪方式，主要针对太阳能热管系统需要不运动的情况下采用的跟踪方式，特别是针对热管、外部设置有真空管的热管等需要太阳能热管系统不便于运动以及笨重不适合于运动的太阳能热管系统。

B、点聚焦太阳能镜与地面或建筑物固定连接，太阳能跟踪系统驱动线性太阳能热管系统运动，并保持其焦点在运动过程中处于太阳能热管系统区域内；此种跟踪方式适合于采用玻璃等大重量的太阳能镜采用的跟踪方式，如果将太阳能热管系统进行运动，比将太阳能镜系统进行运动需要更小的能好与成本。

C、太阳能热管系统设置在点聚焦太阳能镜的焦点区域内并进行固定连接，太阳能跟踪系统驱动太阳能热管系统设置及点聚焦太阳能镜共同运动，使得点聚焦太阳能镜保持与太阳光垂直或夹角最小。此种跟踪方式是采用较多的跟踪方式，但是将其分布化的布局，每一组进行独立的跟踪，适合于分布式的要求。

所述太阳能跟踪系统包括用于支撑点聚焦太阳能镜或同时为点聚焦太阳能镜的运动提供轨道的太阳能镜支架、用于支撑整个系统的跟踪支架、以及与驱动装置连接使点聚焦太阳能镜运动的动力传输机构。

多个点聚焦太阳能镜共同聚焦于一个太阳能热管系统区域内，每个点聚焦太阳能镜上设置有一个转轴，点聚焦太阳能镜可以沿着转轴运动，多个转轴设置在同一个太阳能镜支架上。

所述太阳能镜支架可以为任何的形式和结构，但是优选的为平行、弧、环、抛物线型器件。将太阳能镜设置在平行、弧、环、抛物线型可以成为太阳能镜运动的轨道。

太阳能镜支架上设置有动力驱动装置使得太阳能镜支架可以运动，从而驱动太阳能镜、转轴、支架运动

将太阳能镜设置在平行、弧、环、抛物线型太阳能镜支架上，驱动太阳能镜的轴进行转动，可以实现对太阳能的聚焦跟踪，通过每一个太阳能镜的轴的转驱动的太阳能镜的转动的跟踪实现的单向跟踪，同时根据需要可以将平行、弧、环、抛物线型支架提供驱动，从而实现多向的跟踪，太阳能镜的转动与不同的支架系统的运动，构成了太阳能的多种跟踪方式，从而可以将线性聚焦的系统进行分布的布置，适合于不同的地理位置以及建筑的不同的位置，从而可以实现对建筑的一体化的设计和太阳能一体化的利用。

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)一端与驱动装置进行连接，至少另一端设置在下列位置之一：

A、设置在每个太阳能镜的转轴上，通过转轴提供动力驱动太阳能镜转动，从而实现跟踪运动；

B、设置在点聚焦太阳能镜两端的平行、弧、环、抛物线型器件上，驱动其运动；

C、设置在点聚焦太阳能镜上。

一个动力驱动装置可以与多个动力传输装置进行连接，一个动力传输装置可以与多个转轴、平行或弧或环或抛物线器件、点聚焦太阳能镜进行连接。

点聚焦跟踪系统由南北方向与东西方向两种跟踪方式，主要采用与地平面平行放置，根据在地球表面的不同的经度与纬度，优先选择与太阳光照射垂直或夹角最小的方向设置，太阳能点聚焦光学镜焦点、太阳能光学镜的长度方向的对称轴线与地球自转轴平行，这样使得集热效率最高，太阳能点聚焦光学镜的焦点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，优选为与地球自转轴平行放置。

任何的可以点聚焦的光学镜都可以用于太阳能的采集，太阳能点聚焦的光学镜选择自下列一种：

A、点聚焦透镜；包括玻璃透镜、菲涅尔透镜、非金属透镜；

B、点聚焦反射镜：包括金属、玻璃、非金属的反射镜；

C、曲面点聚焦镜：包括双曲抛物、复合抛物线的点聚焦抛物线镜；

D、多镜系统，由多个平面的反射或透射镜组成的抛物面、复合抛物面或多个菲涅尔透镜或反射镜组成的多镜系统，共同聚焦于一个焦点区域。

由于采用太阳能热管系统不动、太阳能热管系统与太阳能镜同时运动、太阳能设备自己运动三种方式进行跟踪；特别是采用太阳能设备不动的跟踪方式，可以将任何的太阳能热管系统设置在此区域内，甚至可以将大重量的设备设置在焦点区域，在焦点与太阳能镜的焦距范围内，都可以设置太阳能热管系统，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热管系统。

通过动力驱动系统(6)驱动动力传输机构，实现对太阳能的跟踪，采用的动力驱动装置，选自下列至少一种：

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。

每组太阳能点聚焦利用系统设置在一个地面区域上和/或一个建筑物的区域。可以分布的将每组太阳能点聚焦利用系统设置在不同的区域，因而可以实现对太阳能利用系统的适合于区域、建筑物的特点和要求、不同的平面区域进行分别的布局，因而可以适合于城镇特别是城市内，根据不同的地点以及建筑进行选择的实现太阳能的利用。

多个太阳能点聚焦利用系统的太阳能热管系统(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。

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。

此种跟踪利用系统的优点为：

1、采用本发明公布的太阳能的跟踪利用系统，可以根据城镇的要土地情况进行分组的布置，可以因地制宜的进行太阳能的利用，减少了对土地平整度、宽度等一些列的要求，从而可以在城镇推广和应用太阳能聚焦利用技术；

2、减少器件的运动范围，减少跟踪的动力驱动部分的能耗，实现高效、高可靠、低成本的跟踪以及太阳能的利用。

3、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；

4、可以利用本发明的方案，实现利用热管技术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；

5、本发明可以实现多种的太阳能利用，太阳能的发电、热电联产、蒸汽、供暖、制冷、热水、烹饪等，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。

6、可以适合于小型区域及家庭的综合利用，同时实现供暖、发电、烹饪、等多种应用，实现区域能源供应。

图1：单轴跟踪多抛物线反射镜太阳能点聚焦热管利用系统(侧视图)

图2：双轴跟踪多抛物线反射镜太阳能点聚焦热管利用系统(侧视图)

图3：热管传热点聚焦热管利用系统

图4：流体传热点聚焦热管利用系统

图中标号含义：

1：热管利用系统，2：太阳能点聚焦光学镜，3：太阳能镜支架，4：跟踪系统支架，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。

具体实施方式

实施例一：

单轴跟踪多抛物线反射镜太阳能点聚焦热管利用系统(侧视图)

本图1为一个侧视图，太阳能镜为四个抛物面反射镜(2)、热管利用系统(1)，太阳能镜支架等组成的一组太阳能利用系统；热管的外部设置有真空管进行保温盒隔热；抛物面镜设置在一个抛物线型的器件上(3)，在每一个抛物线镜上设置有一个转轴(5)，太阳能镜可以沿着转轴(5)进行转动，多个太阳能镜通过不同的运动实现对太阳能的跟踪，同时将太阳能光聚焦到热管上，四个抛物线镜采用同一个驱动系统，传递机构为齿轮组，不同的太阳能镜的齿轮齿数不同，从而可以采用不同的转速有驱动不同的太阳能镜进行运动。可以在不同的建筑物上设置分布的太阳能利用系统，从而可以实现在城镇进行太阳能的综合利用。

实施例二：

双轴跟踪多抛物线反射镜太阳能点聚焦热管利用系统(侧视图)

本图2为一个侧视图，太阳能镜为四个抛物面反射镜(2)、热管利用系统(1)，太阳能镜支架等组成的一组太阳能利用系统；热管的外部设置有真空管进行保温盒隔热；热管设置在建筑物上并保持不动；抛物面镜设置在一个抛物线型的器件上(3)，在每一个抛物线镜上设置有一个转轴(5)，太阳能镜可以沿着转轴(5)进行转动，多个太阳能镜通过不同的运动实现对太阳能的跟踪，同时将太阳能光聚焦到热管上，四个抛物线镜采用同一个驱动系统，传递机构为齿轮组，不同的太阳能镜的齿轮齿数不同，从而可以采用不同的转速有驱动不同的太阳能镜进行运动。整体的跟踪系统设置在一个平板上，平板设置在地面上，在平板上设置有两个轴承，并由驱动电机系统进行驱动，这样实现双轴的跟踪，在整个跟踪过程中，热管利用系统与地面固定连接，实现在太阳能镜跟踪太阳的光的过程中，始终将处于不动的位置，实现了变焦跟踪的太阳能的利用。可以在不同的建筑物上设置分布的太阳能利用系统，从而可以实现在城镇进行太阳能的综合利用。

实施例三、热管传热点聚焦热管利用系统

如图3，本案例为在建筑物上设置的多个点聚焦反射镜构成的太阳能利用系统，太阳能镜(2)采样点聚焦的抛物线反射镜，每个点聚焦的反射镜设置在跟踪系统(3)上，跟踪系统设置在跟踪支架(4)上，每个太阳能镜将太阳能聚焦于一个热管利用系统(1)，多个热管通过热管传热系统(10)实现热能的传输，多个热管蒸发端设置在不同的点聚焦系统上实现光热转换，共同组成一个整体的热管系统实现了热能的传输和利用。将多个组的太阳能利用设置在不同的建筑及地面区域，就可以实现在城镇不同区域的太阳能点聚焦利用。

实施例四、流体热管传热点聚焦热管利用系统

如图4，本案例为在建筑物上设置的多个点聚焦菲涅尔反射镜(2)构成的太阳能利用系统，每个点聚焦的反射镜设置在跟踪系统(3)上，跟踪系统设置在跟踪支架(4)上，每个太阳能镜将太阳能聚焦于每个热管利用系统(1)，热管利用系统通过一个流体实现热能的传输，共同将热能传输到一个热能利用系统中实现热能的利用，分布在不同区域的太阳能采集系统通过流体传热，流体采样相变材料组成的多相化的工作介质，将热能进行传输后实现太阳能的利用。

Claims (10)

1.一种太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，包括至少有一个设置在一个圆柱区域的太阳能热管系统(1)、至少一个点聚焦太阳能镜(2)和至少一个跟踪系统(4)，其特征是：至少一个太阳能热管系统、太阳能跟踪系统、点聚焦太阳能镜、跟踪支架组成一组太阳能点聚焦利用系统，太阳能热管系统设置在点聚焦太阳能镜的焦点区域内，多组太阳能点聚焦利用系统分布在不同的区域，并通过每组太阳能点聚焦利用系统中的太阳能热管系统相互连接，通过热管实现对热能的热发电、供暖、制冷、热水、开水应用。

2.根据权利要求1所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，其特征是：所述的热管的蒸发端设置在太阳能点聚焦区域内，热管的冷凝端设置在点聚焦区域之外，冷凝端与换热器相连接，通过换热器实现热能的采集，进而可以将热能应用于热发电、供暖、制冷、热水、开水应用。

3.根据权利要求1所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，其特征是：太阳能跟踪系统采用下列方式之一跟踪太阳运动：

A、太阳能热管系统与地面或建筑物固定连接，太阳能跟踪系统驱动一个或多个点聚焦太阳能镜运动，并保持其焦点在运动过程中处于太阳能热管系统区域内；

B、点聚焦太阳能镜与地面或建筑物固定连接，太阳能跟踪系统驱动太阳能热管系统运动，并保持其焦点在运动过程中处于太阳能热管系统区域内；

C、太阳能热管系统设置在点聚焦太阳能镜的焦点区域内并进行固定连接，太阳能跟踪系统驱动太阳能热管系统设置及点聚焦太阳能镜共同运动，使得点聚焦太阳能镜保持与太阳光垂直或夹角最小。

4.根据权利要求1所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，其特征是：所述太阳能跟踪系统包括用于支撑点聚焦太阳能镜或同时为点聚焦太阳能镜的运动提供轨道的太阳能镜支架、用于支撑整个系统的跟踪支架、以及与驱动装置连接使点聚焦太阳能镜运动的动力传输机构。

5.根据权利要求4所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，其特征是：多个点聚焦太阳能镜共同聚焦于一个太阳能热管系统区域内，每个点聚焦太阳能镜上设置有一个转轴，点聚焦太阳能镜可以沿着转轴运动，多个转轴设置在同一个太阳能镜支架上。

6.根据权利要求4所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，其特征是：所述太阳能镜支架为至少两个设置在点聚焦太阳能镜两端的平行、弧、环、抛物线型器件，太阳能镜支架上设置有动力驱动装置使得太阳能镜支架可以运动，从而驱动太阳能镜、转轴、支架运动。

7.根据权利要求4所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，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。

8.根据权利要求4所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，其特征是：所述动力传输装置(10)一端与驱动装置进行连接，至少另一端设置在下列位置之一：

A、设置在每个太阳能镜的转轴上，通过转轴提供动力驱动太阳能镜转动，从而实现跟踪运动；

B、设置在点聚焦太阳能镜两端的平行、弧、环、抛物线型器件上，驱动其运动；

C、设置在点聚焦太阳能镜上。

一个动力驱动装置可以与多个动力传输装置进行连接，一个动力传输装置可以与多个转轴、平行或弧或环或抛物线器件、点聚焦太阳能镜进行连接。

9.根据权利要求1所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，其特征是：点聚焦太阳能镜选择自下列一种：

A、点聚焦透镜；包括玻璃透镜、菲涅尔透镜、非金属透镜；

B、点聚焦反射镜：包括金属、玻璃、非金属的反射镜；

C、曲面点聚焦镜：包括双曲抛物、复合抛物线的点聚焦抛物线镜；

D、多镜系统，由多个平面的反射或透射镜组成的抛物面、复合抛物面或多个菲涅尔透镜或反射镜组成的多镜系统，共同聚焦于一个焦点区域。

10.根据权利要求1所述的太阳能分布式点聚焦光学镜跟踪热管利用系统，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。

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