CN102072563A - 均匀聚焦式太阳能收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种均匀聚焦式太阳能收集系统，包括汇聚器和集热器，汇聚器包括安装面呈凹槽形的镜架和平面反光镜复合体，平面反光镜复合体包括平面反光镜Ⅰ和平面反光镜Ⅱ，平面反光镜Ⅰ和平面反光镜Ⅱ铰接形成合叶结构，平面反光镜Ⅰ和平面反光镜Ⅱ之间的夹角α为160°～180°，平面反光镜复合体的铰接轴与镜架的轴线垂直；所述集热器设置在汇聚器光线汇聚区内；平面反光镜复合体形成长方形反射光斑，使平行于汇聚器对称轴入射的光线准确汇聚于位于光线汇聚区内焦线上的集热管上，形成汇聚倍数均匀、且汇聚倍数可控的光斑，使其在不进行跟踪或者仅进行简易跟踪的情况下能够长时间全功率运行，而且，采用平面镜成本低、制造难度小。

Description

均匀聚焦式太阳能收集系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能收集装置，特别涉及一种具有消除一维跟踪系统光线斜射而导致焦线侧移的、可以采用一套驱动控制系统实现平面二维拓展的均匀聚焦式太阳能接收装置。

背景技术

太阳能作为一种新能源，取之不尽，用之不竭，同时由于太阳能是一种洁净的能源，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡，绝对不会造成污染和公害，因此在高倡环保的今天，广为被人们所青睐。太阳能的开发利用已具有一段时间，为了获得更多的能量，更高的系统运行温度，目前中高温太阳能系统，均采用反光镜汇聚收集太阳能，反光镜大多采用抛物面形的曲面镜，或者由抛物面、渐开线曲面等多个曲面复合的反光镜组合而，其中目前以槽式系统最为典型，最具有市场规模，商业化程度最高。目前大规模聚焦式太阳能收集系统，为了解决跟踪太阳过程中光斑丢失的问题，必须采用成本较高的高精度的，并且配备复杂控制算法在内的伺服控制系统对其进行跟踪控制；目前世界上通用的太阳能跟踪系统大都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度等信息存储到PLC、单片机或电脑等控制系统中，也就是靠根据天体运动规律计算太阳位置以实现跟踪，该种控制策略称为天文模型跟踪策略，采用天文模型控制的系统，需要当地的经纬度数据和准确时间等信息，甚至镜片阵列安装的具体角度等参数都会很大程度上影响系统运行，安装前需要采集大量数据，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；而且该种控制策略常常被一年中太阳日变化的影响所困扰，难以解决；采用实时传感器等控制策略的跟踪系统，常常由于复杂的天气因素等而跑飞，可靠性受到挑战；高精度跟踪系统原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作，大大增加了精确跟踪的成本和技术难度；同时，采用连续曲面镜作为汇聚器的反射镜面，必须采用大规模精准模具进行加工制造，生产难度和成本都较高，而且易损坏，不容易维护，为了提高强度，增加庞大的辅助机构。

跟踪模式一般分为一维跟踪和二维跟踪模式，从单体角度讲，二维跟踪可以收集更多能量，可是从大规模镜场角度看，不再具有很大的优势了，而且成本高，难度大；一维跟踪模式，存在早、晚或者冬、夏阳光斜射时，阵列端部光斑移出集热器和存在无光斑区（称为端部光斑侧移），而降低系统收集能力，特别是较短的阵列，端部光斑侧移影响更大。

针对上述不足，需探索一种新的槽式CSP太阳能接收装置，使其在保留原有功能的基础上，改善和克服上述缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种槽式CSP太阳能接收装置，使其避免采用大片连续曲面镜作为汇聚器，大大降低汇聚器的制作成本；同时，优化设计汇聚器与集热器相对参数，只需采用简易跟踪，甚至不跟踪的情况下即可实现太阳能接收装置长时间的全功率运行，避免采用复杂昂贵的高精度复杂控制算法的伺服跟踪系统，增强该太阳能收集系统的普适性，降低制作难度和成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的: 一种均匀聚焦式太阳能收集系统，包括汇聚器和集热器，所述汇聚器包括安装面呈凹槽形的镜架、设置在镜架上的平面反光镜复合体，平面反光镜复合体包括平面反光镜Ⅰ和平面反光镜Ⅱ，平面反光镜Ⅰ和平面反光镜Ⅱ沿铰接轴铰接形成合叶结构，平面反光镜Ⅰ和平面反光镜Ⅱ之间的夹角α为160°～180°，平面反光镜复合体的铰接轴与镜架的轴线垂直；所述集热器设置在汇聚器光线汇聚区内。

进一步，所述平面反光镜复合体为至少两个，对称设置在镜架上形成反光镜阵列；

进一步，所述镜架的安装面为抛物面形或由两平面组合而成的V字形；

进一步，所述集热器为表面设置光能转换吸收层的集热管，集热管的轴线与汇聚器光线汇聚区的焦线重合，集热管外设置一端开口的透明真空桶； 

进一步，所述集热管为至少两个，且其轴线互相平行设置；

进一步，过平面反光镜复合体的铰接轴两端与集热管的轴线相垂直、且与集热管表面相切的两条直线形成的夹角β为0.1度～23.5度；

进一步，还包括跟踪系统，所述跟踪系统包括配置同轴光电编码器的驱动电机、与驱动电机相连的一级减速机、通过传动轴与一级减速机相连的二级减速机、与二级减速机相连的三级涡轮减速机和主传动轴，三级涡轮减速机通过摇臂与主传动轴相连。

本发明的有益效果在于：

第一，本发明的均匀聚焦式太阳能收集系统，与传统的太阳能收集系统相比，汇聚器采用了多个平面反光镜复合体组合而成，而每个平面反光镜复合体形成均匀的长条形反射光斑，使平行于汇聚器对称轴入射的光线准确汇聚到集热器上，形成汇聚倍数均匀且受控的汇聚光斑，为对汇聚倍数敏感的太阳能电池板提供一款较理想的汇聚反射器，也有利于光热转换的集热管长期可靠工作；

第二，集热器尺寸、平面反光镜复合体的尺寸以及他们之间的相对位置等参数都可以根据需要进行系统化设计优化，特别是根据实际工况需要，可以设计夹角β为0.1度～23.5度之间，实现太阳入射方位角在变化的时候，即使偏离汇聚器对称轴平面一定角度，仍然可以使汇聚器反射太阳光入射到集热器上，继续接收太阳能，从而能够保证本发明的均匀聚焦式太阳能收集系统在不进行跟踪或者仅进行简易跟踪的情况下能够长时间全功率运行，消除或者大大降低了跟踪系统的控制难度，节约了控制成本，提高了运行效率；

第三，由于本发明的太阳能收集系统采用平面反光镜复合体进行太阳能汇聚，相对传统太阳能的汇聚器采用连续曲面镜而言，本发明采用普通平面镜排列，形成近似曲面反光镜汇聚器，避免采用制作曲面镜模具，大大降低了汇聚器的生产成本；同时，大大降低了施工过程中的技术难度和工艺成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述；

附图1为实施例1的结构示意图；

附图2为实施例2的结构示意图；

附图3为平面反光镜复合体2的结构示意图；

附图4为实施例1的平面反光镜复合体2在镜架1上的分布结构图；

附图5为集热器示意图；

附图6为本发明跟踪系统的传动机构示意图。

具体实施方式

附图1为实施例1的结构示意图；附图2为实施例2的结构示意图；附图3为平面反光镜复合体2的结构示意图；附图4为实施例1的平面反光镜复合体2在镜架1上的分布结构图；附图5为集热器示意图；附图6为本发明跟踪系统的传动机构示意图。如图所示：一种均匀聚焦式太阳能收集系统，包括汇聚器和集热器，所述汇聚器包括呈凹槽形的镜架1、设置在镜架1上的平面反光镜复合体2，平面反光镜复合体2包括平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22，平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22沿铰接轴23铰接形成合叶结构，平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22之间的夹角α为160°～180°，平面反光镜复合体2的铰接轴23与镜架1的轴线垂直；所述集热器设置在汇聚器光线汇聚区内。

    实施例1，

本实施例的均匀聚焦式太阳能收集系统，包括汇聚器和集热器，所述汇聚器包括安装面呈抛物面形的镜架1和设置在镜架1上的平面反光镜复合体2，平面反光镜复合体2包括平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22，平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22沿铰接轴23铰接形成合叶结构，具体分布情况为（如说明书附图4所示）：镜架1沿轴向的中间部分平面反光镜复合体的平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22之间的夹角α为180°（此时平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22位于同一平面内，等效为一个大平面反光镜镜），镜架1轴向两端的平面反光镜复合体的平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22之间的夹角α为160°（此时平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22形成v字形，该结构能够有效减弱太阳光斜射到汇聚器上，引起汇聚器端部的上方的集热器一端无入射光斑，另一端入射光斑超出集热器的斜射光斑侧移效应，最大限度地使反射光线汇聚到集热器上），平面反光镜复合体2的铰接轴23与镜架1的轴线垂直；所述集热器设置在汇聚器光线汇聚区内。本实施例中，所述平面反光镜复合体2为36个，均布在镜架1的抛物面内，形成列阵。本实施例的均匀聚焦式太阳能收集系统，与传统的太阳能收集系统相比，汇聚器采用了多个平面反光镜复合体组合而成，可以根据集热器大小、平面反光镜单体的尺寸、汇聚器和收集器之间的距离等参数的不同设计而单独调整每个平面反光镜复合体或者每单片平面反光镜的位置与角度，使平行于汇聚器对称轴入射的光线准确汇聚于集热管上，形成汇聚倍数均匀、可控的光斑，最大限度的收集太阳光能，使其在太阳相对运动过程中能够保证本发明的均匀聚焦式太阳能收集系统在不进行跟踪的情况下能够4—8小时的全功率运行，消除了跟踪系统的控制难度，节约了控制成本，提高了运行效率；而且，由于本实施例的太阳能收集系统采用平面反光镜单体进行太阳能汇聚，相对传统太阳能的汇聚器采用曲面镜而言，本实施例采用普通平面镜单体排列成列陈，形成近似曲面反光镜汇聚器，避免采用曲面镜制作模具，大大降低了汇聚器的生产成本；同时，由于平面镜单体的位置和角度可以根据需要灵活调整，大大降低了施工过程中的技术难度和工艺成本。

    实施例2，

本实施例的均匀聚焦式太阳能收集系统，包括汇聚器和集热器，所述汇聚器包括安装面呈V字形的镜架1和设置在镜架1上的平面反光镜复合体2，平面反光镜复合体2包括平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22，平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22沿铰接轴23铰接形成合叶结构，平面反光镜Ⅰ21和平面反光镜Ⅱ22之间的夹角α为170°（此时平面反光镜复合体2为一相互对称的V字形，沿镜架1的轴线排列），采用V字形平面反光镜复合体2能够防止上午或者下午时段太阳光汇聚产生的偏差，最大限度地使反射光线汇聚到集热器上，平面反光镜复合体2的铰接轴23与镜架1的轴线垂直；所述集热器设置在汇聚器光线汇聚区内。本实施例中，所述平面反光镜复合体2为36个，均布在镜架1的V字形安装面内，形成列阵。采用本实施例的技术方案，在不采用跟踪系统的同时，能够达到每天3到6小时全功率运行。本实施例的技术方案，除了有实施例1的上述优点外，还具有镜架1的制造容易，施工要求低，容易控制，节约成本低等优点。

作为对上述两实施例的进一步改进，所述集热器为表面设置光能转换吸收层的集热管3，集热管3的轴线与汇聚器光线汇聚区的焦线重合，集热管3外设置一端开口的透明真空桶31；本实施例中，所述集热器表面设置光热转化膜，用于将集热管吸收的光能转换为热能传递给工质，加以利用；当然，光能转换吸收层不限于光热转化膜，也可以是光电转化层等其他光能综合转化层。透明真空桶31用于外保温，降低集热管热量损失。

作为对上述两实施例的进一步改进，所述集热管3为至少两个，且其轴线平行设置。本实施例中集热管3为5个，其中一集热管轴线与汇聚器焦线重合，其余四个集热管分布在其周围，可以在入射光线与汇聚器对称轴呈一定角度时，使入射过来的光线也可以汇聚在集热管上，提供光线命中率，降低跟踪精度要求，提高光能转化率。

作为对上述两实施例的进一步改进，过平面反光镜复合体2的铰接轴23两端与集热管3的轴线相垂直、且与集热管3表面相切的两条直线形成的夹角β为8度。合理控制平面反光镜复合体的位置和角度，以降低控制系统精度要求，甚至不进行跟踪控制或者进行简易跟踪控制即可实现长时间全功率运行。

作为对上述两实施例的进一步改进，还包括跟踪传动系统，所述跟踪传动系统包括：配备同轴光电编码器的驱动电机4、一级减速机5、一级传动轴、二级减速机6、二级传动轴、三级涡轮减速机7、主传动轴8和摇臂。驱动电机4直接与一级减速机5相连，一级减速机5通过一级传动轴10与二级减速机6相连，二级减速机6通过二级传动轴11三级涡轮减速机7相连，三级涡轮减速机7通过摇臂与主传动轴8相连，汇聚器和集热器固定在主传动轴8上。一级减速机5可以向2个方向伸出一级传动轴，与二级减速机6相连；二级减速机6可以向2个方向伸出二级传动轴，与三级涡轮减速机7相连，而且二级传动轴可以穿过三级涡轮减速机7继续拓展连接下一个三级涡轮减速机7。电机经过2级减速和3级减速，将动力传到主传动轴8，带动镜片阵列（镜片和镜架）和集热管3运动，跟踪太阳运行，收集能量；电机的转动经过一级减速后，形成中低速转动（数十转每分钟的转速），可以通过机械传动轴，实现一台电机拖动远处的多组镜片主轴阵列；采用涡轮减速机，可以实现平面内向垂直的4个方向拓展延伸，拖动不同的镜片阵列；减速机与安装镜片阵列的传动主轴通过曲柄摇臂连接，通过优化设计曲柄摇臂长度参数，可以消除不平衡扭矩，使传动系统处于很小的不平衡扭矩状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权要求范围当中。

Claims (7)

1.一种均匀聚焦式太阳能收集系统，包括汇聚器和集热器，其特征在于：所述汇聚器包括安装面呈凹槽形的镜架（1）和设置在镜架（1）上的平面反光镜复合体（2），平面反光镜复合体（2）包括平面反光镜Ⅰ（21）和平面反光镜Ⅱ（22），平面反光镜Ⅰ（21）和平面反光镜Ⅱ（22）沿铰接轴（23）铰接形成合叶结构，平面反光镜Ⅰ（21）和平面反光镜Ⅱ（22）之间的夹角α为160°～180°，平面反光镜复合体（2）的铰接轴（23）与镜架（1）的轴线垂直；所述集热器设置在汇聚器光线汇聚区内。

2.根据权利要求1所述的均匀聚焦式太阳能收集系统，其特征在于：所述平面反光镜复合体（2）为至少两个，对称设置在镜架（1）上形成反光镜阵列。

3.根据权利要求1所述的均匀聚焦式太阳能收集系统，其特征在于：所述镜架（1）的安装面为抛物面形或由两平面组合而成的V字形。

4.根据权利要求1所述的均匀聚焦式太阳能收集系统，其特征在于：所述集热器为表面设置光能转换吸收层的集热管（3），集热管（3）的轴线与汇聚器光线汇聚区的焦线重合，集热管（3）外设置一端开口的透明真空桶（31）。

5.根据权利要求1所述的均匀聚焦式太阳能收集系统，其特征在于：所述集热管（3）为至少两个，且其轴线互相平行设置。

6.根据权利要求1所述的均匀聚焦式太阳能收集系统，其特征在于：过平面反光镜复合体（2）的铰接轴两端与集热管（3）的轴线相垂直、且与集热管（3）表面相切的两条直线形成的夹角β为0.1度～23.5度。

7.根据权利要求1所述的均匀聚焦式太阳能收集系统，其特征在于：还包括跟踪系统，所述跟踪系统包括配置同轴光电编码器的驱动电机（4）、与驱动电机相连的一级减速机（5）、通过传动轴与一级减速机相连的二级减速机（6）、与二级减速机相连的三级涡轮减速机（7）和主传动轴（8），三级涡轮减速机通过摇臂与主传动轴（8）相连。

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