CN102080882A - 一种太阳能锅炉光热模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能锅炉光热模块，属于新能源或可再生能源领域中的太阳能光热利用技术。当前太阳能光热利用技术主要是要解决高聚光比、高效率、大容量和降低造价的问题。这种光热模块是采用单根光热管和聚光罩，由聚光罩全方位跟踪太阳，简化了自动跟踪装置，可大大降低造价，并充分提高太阳能利用效率。聚光罩为抛物线形柱面体，开口面积可以取得很大，光热管位于聚光罩的焦点轴线上，有利于提高聚光比。光热管为真空玻璃管，内置有带螺旋形介质通道的吸热芯管，使介质吸热更加均匀。这种光热模块不但能提供热水，还能够提供具有一定温度和压力的蒸汽，可获得很大的单台容量，满足热、电、冷联产联供需要。

Description

一种太阳能锅炉光热模块

一、技术领域

本发明属于新能源或可再生能源领域中的太阳能光热利用技术，既可为家庭、宾馆、单位提供热水、暖气以及热能制冷，也可用于分布式能源，建立太阳能与其它能源互补的能源供应站(譬如热电厂、热能制冷站)，实现热、电、冷联产联供。

二、背景技术

现有的太阳能光热技术主要有太阳能热水器、分散型发电系统、集中型发电系统和中间型发电系统等。

(一)太阳能热水器

市场现有的太阳能热水器是由多根光热管以及水箱和控制装置组成，不能自动跟踪太阳；光热管采用带真空夹层的玻璃管，内管表面涂有红外线选择性涂层，管内通介质吸收热量，介质采用自然循环，玻璃管承受介质压力和温度很有限；这种太阳能利用装置只能加热较低压力的液体，难以提高压力和温度，更无法提供具有一定温度和压力的蒸汽，因而限制了用途。

(二)太阳能发电系统

1、分散型发电系统。将抛物面型聚光镜等构成的许多个集热器布置在场地上，再将这些集热器加以串联和/或并联，从而收集一定温度、压力和流量的热能送至汽轮发电装置。主要技术方案有：槽型抛物面镜型、复合抛物面镜型和固定镜型等。

槽型抛物面镜型集热系统是通过槽型抛物面镜将太阳光反射聚集到圆柱形集热器上，对介质进行加热，实现太阳能热发电。槽型抛物面镜可装设自动跟踪装置，但由于长宽比太大，只能进行东西向(地球经度方向)跟踪，不能进行南北向太阳照射角(地球纬度方向)跟踪，太阳能利用效率受到一定的限制，并且容量规模也受到制约。

复合抛物面镜型集热系统的太阳能收集原理同上，因不用自动跟踪装置，结构比较简单，但效率和规模受到更大的制约。

固定镜型集热系统(太阳能收集原理同上)是将反射镜固定不动，让吸热体跟随太阳移动而进行跟踪，这样使得跟踪用的功率较小，但在吸热体与介质进出口管道连接方面的技术问题尚待解决。

分散型太阳能利用装置一般聚光比不超过50。

2、集中型发电系统。这是在宽广场地的中心或附近建设高大的竖塔，塔顶上装设集热器，在其周围布置大量的平面反射镜，每面反射镜均实行对太阳全方位跟踪调节，将阳光反射集中到塔顶的集热器上，对介质进行加热，再送去塔下的汽轮发电装置。这种装置的聚光比很大(达到或超过100)，容易获得高温热能，并能进行大型化，但结构复杂，特别是平面反射镜跟踪装置更为复杂，反射镜的角度状况各不相同，造价昂贵，且因季节性因素，太阳位置差别很大，全年太阳能总体利用效率不高。

3、中间型发电系统。这是一种介于分散方式和集中方式之间的太阳能发电系统。该装置是利用平面、曲面聚光方式，将多个平面镜的反射光聚集到曲面镜上再进一步聚光至集热器上，对介质进行加热。这种方式的聚光比最高可达到100(一般在50至100之间)能够提供一定温度和压力的蒸汽。它的缺点是在太阳光入射到集热器之前不能避免平面镜和曲面镜的二次反射，从而降低了效率。

以上背景技术可参考《太阳能热利用原理与计算机模拟》(第2版，西北工业大学出版社，2004.3，张鹤飞主编)。

此外，太阳能光伏电池的光电转换效率较高，可达20％左右，当前光伏产业的发展速度很快，造价也在逐步降低，但由于是光电转换，无法进行电、热、冷联产联供，太阳能利用效率难以进一步提高，且硅生产过程中能耗高、污染严重，有待进一步创新发展。

三、发明内容

当前太阳能光热利用技术主要是要解决高聚光比、高效率、大容量和降低造价的问题。本发明提供了一种太阳能锅炉的光热模块装置。这种太阳能锅炉由若干个光热模块组成，每个光热模块仅采用单根光热管和聚光罩，并且聚光罩能够全方位自动跟踪太阳，大大提高光能利用效率。这种光热模块不但能提供热水，还能够提供具有一定温度和压力的蒸汽，单台容量可以造得很大，不再是分散型系统，可算作中间型系统。这种光热模块可分为热水模块、蒸发模块和过热模块三个等级；为满足介质出口温度和流量需要，可将多个同等级的或不同等级的光热模块串联和/或并联，形成大型太阳能锅炉；理论上，这种太阳能锅炉可以达到任意大的容量，满足发电、供热和制冷需求。由于这种太阳能锅炉可普遍用于热、电、冷联产联供(而光伏电池却无法做到)，并且其光热模块始终正对着太阳，获取最大的照射强度，因而其太阳能利用效率大大高于现有太阳能光热装置和光伏电池装置，且造价低廉。

光热模块的总体构成及工作原理：

这里所述的光热模块适用于上述的任何等级。其基本结构主要由：1、聚光罩(抛物线形柱面体，或称抛物面)，2、光热管(位于聚光罩焦点轴线处)，3、自动跟踪装置，4、支架等组成，总体结构见附图1、图2。光热管不转动，聚光罩可围绕光热管转动。

抛物面型聚光罩，以焦点为轴心，在机械执行机构的带动下能围绕焦点轴线转动，以跟随太阳从日出至日落；焦点轴线与地平面的夹角可以调整，以跟随一年四季太阳光不同的照射角；在这二维跟踪装置的作用下，始终保持太阳光正面照射聚光罩。聚光罩上固定有阳光探头，随聚光罩一起动作。太阳光可看作平行光线，正面照射到抛物面型聚光罩的凹面上后被反射聚集到焦点轴线处，使阳光对光热管集聚照射，只要聚光罩的开口面积足够大，聚光比可达到100以上，以获得高温热能。光热管为内部带有吸热部件(吸热芯管)的圆柱状真空玻璃管，位于抛物面型聚光罩的焦点轴线处，两轴线重合；吸热芯管的一端固定在支架上，另一端与支架导向连接；吸热芯管具有螺旋形的介质通道，以使介质作螺旋形运动，更加均匀地吸收太阳能。自动跟踪装置的阳光探头接受太阳光源方位信号，产生的电信号经放大后控制驱动马达正向或反向转动，通过机械执行机构使聚光罩的凹面始终正对着太阳。支架支撑着整个光热模块的重量，并将各部件有机地组合在一起。

自动跟踪原理如下(见图5)：

本发明提供的二维自动跟踪装置，根据地球的运动状况，分为经向跟踪(日出至日落的跟踪过程，即东西向跟踪)和纬向跟踪(春夏秋冬太阳照射角变化的跟踪过程，即南北向跟踪)两套装置，除机械传动机构有所不同外，两套跟踪装置的工作原理完全相同，这里以经向跟踪为例。

当阳光正面照射时，阳光探头输出平衡电信号，自动跟踪控制电路处于平衡状态，驱动马达不动作，聚光罩保持静止不动。当阳光偏斜照射时，根据偏斜的方向，阳光探头输出相应的不平衡电信号，这一信号经放大处理后控制相应的可控硅导通，使驱动马达作相应方向转动，通过机械执行机构带动聚光罩向相应方向转动，直至聚光罩受到太阳正面照射，即阳光探头也受到正面照射并输出平衡电信号为止。以上是阳光灿烂的正常情况。当夜晚来临，阳光探头将不能工作，或当白天突然出现阴雨天气、太阳被乌云遮挡时，阳光探头将失去方向感，为避免下次太阳在某个位置出现时阳光探头处于盲区，可通过旋转复位功能使聚光罩转动到正午位置(譬如中午11点至13点的太阳位置)待机，保持其始终处于可控状态。复位功能是通过检测阳光探头的微弱电流信号或无电流信号，再通过电流继电器控制开关和位置开关使驱动马达接通电源来实现的。

在纬向跟踪装置中，不必考虑夜晚来临和天气变化的情况，也即不用复位功能，因为一年四季太阳照射角的变化不可能出现使阳光探头处于盲区的状况。

四、附图说明

图1和图2分别为光热模块总体结构立体图和侧视图。图中：1-聚光罩，2-光热管，3-经向跟踪机械执行机构，4-纬向跟踪机械执行机构，5-支架活动体，6-支架底座，7-经向跟踪阳光探头，8-纬向跟踪阳光探头，9-轴承(见图2)。

图3为聚光罩的数学线形-抛物线。在oxy直角坐标系中，抛物线的顶点与坐标原点O重合。图中：f-抛物线的焦距，Z-聚光罩的焦点轴线，H-聚光罩的深度，D-聚光罩的开口宽度，L-聚光罩的长度。

图4为光热管的总体结构。图中：21-玻璃外壳(一种圆柱形真空玻璃管)，22-吸热芯管，23-密封填料，24-支撑部件，25-固定部件，26-介质进、出口。

图5为自动跟踪装置控制电路原理图。图中：GD1、GD2-阳光探头的两个部分(光伏电池)，J1、J2-PNP型晶体管(开关管)，G1、G2、G3、G4-可控硅，E-晶体二极管，R0、R1、R2......R7、R8-电阻，K-电源开关，K1、K2-位置开关，Ki-电流继电器控制开关，DC-可充电的蓄电池，M-可双向转动的直流马达。e1和e2分别为J1和J2的发射极，b1和b2分别为J1和J2的基极，c1和c2分别为J1和J2的集电极。

五、具体实施方式

(一)抛物面型聚光罩(图1和图2中的部件1)

这是一个抛物线形柱面体，横截面为抛物线，有唯一的焦点。其线形适用于抛物线公式x²＝4fy，其中x和y分别为横坐标和纵坐标变量，f为焦距(即焦点到抛物线顶点的距离)。本图形关于y轴对称，抛物线顶点与坐标原点O重合。如果设定D为抛物线(聚光罩)的开口宽度，H为深度(即开口水平线至顶点的距离)，则上述公式即为(D/2)²＝4fH，即H＝D²/(16f)，这就是抛物面型聚光罩(1)的深度与宽度、焦距三者之间的关系，详见图3。

聚光罩(1)的长度L可任意选取，但为了满足介质加热温度要求，聚光比必须足够大，即聚光罩的开口面积L×D需要足够大，兼顾考虑节省材料，长度与宽度要选择适当的比例关系，可取L＝kD，式中k为系数，可以等于1，也可以小于或大于1。聚光罩(1)的两端部通过轴承(9)与支架活动体(5)连接，轴承(9)的轴线与焦点轴线Z重合。

聚光罩(1)由红外线反射材料制作(譬如抛光铝)，或采用镜面镀银技术，或在普通材料表面涂刷对红外线反射率极高的涂层，能将红外线和可见光近百分之百地反射到焦点轴线Z处，即反射到光热管(2)上。

(二)光热管(图1和图2中的部件2)

详细结构见附图4。光热管(2)主要由玻璃外壳(21)、吸热芯管(22)、密封填料(23)、支撑部件(24)和固定部件(25)组成。

玻璃外壳(21)是一种圆柱形真空玻璃管，具有透光(红外线)性和耐热性好、强度高的特点。玻璃管内表面蒸镀一层选择性透过膜，这种膜对可见光范围波长及更长的红外区范围波长的透过率几乎达100％。内部抽真空，起绝热作用。

吸热芯管(22)位于玻璃外壳(21)的内部，由内、外套管组成，外套管用导热性良好的金属材料制作。内、外管之间形成螺旋状的夹层，作为介质通道，并在一端(自由端)与内管中的空间连通，夹层通道和内管中空间在另一端(固定端)分别与固定部件(25)的介质进、出口(26)连通，让介质形成完整的流动通道，并在流过时吸收热量，同时具有较高的耐压强度。螺旋形介质通道能够使介质绕管轴线呈螺旋状流动，以克服外部光照的不均匀性(上半部直接光照，下半部聚集光照)，确保均匀吸热效果。外套管的外壁涂有红外线选择性涂层，尽可能多地吸收红外线，并将热量传给内部介质。

吸热芯管(22)的一端(介质进出口端)通过密封填料(23)与玻璃外壳(21)的开口端固定，另一端在在玻璃外壳(21)的密封端内呈自由状，并通过支撑部件(24)来支持，防止与玻璃外壳相碰。自由端的设计主要是解决玻璃外壳(21)与吸热芯管(22)热膨胀不一致的问题。

密封填料(23)选用可塑性好的耐热绝热材料(如硅橡胶等)，对真空玻璃管内的真空起密封作用，防止外界的空气漏入，同时使玻璃外壳(21)的开口端与吸热芯管(22)的介质进出口端相固定。

支撑部件(24)对吸热芯管(22)的自由端部起支撑作用，确保吸热芯管(22)位于真空玻璃管的中心轴线上并能自由滑动。此部件采用耐热绝热材料制作。

固定部件(25)作为光热管(2)的固定端，可用螺栓将其固定在支架活动体(5)的一端，随支架活动体(5)一起调整仰角，同时设有介质的进、出接口(26)。

光热管(2)的自由端与支架活动体(5)的另一端作导向连接，既起到固定支撑作用，又可相对于支架活动体(5)自由胀缩。

(三)自动跟踪装置

二维自动跟踪装置——经向(聚光罩旋转)跟踪和纬向(整体仰角)跟踪。无论哪一种功能，均由阳光探头、自动跟踪控制电路、电源、驱动马达和机械执行机构等组成。

1、阳光探头由两块相互垂直的光伏电池片组成(见图1和图2中的部件7和8)，并配有相应阻值的电阻和二极管(图5中的R0、R1、R2和E)；一片是基本电池片，另一垂直于基本电池片放置的是两块背靠背的组合片，并将基本电池片分隔为均等的两部分。二极管E的作用是使电流单向流动，以确保光伏电池在不产生电能时而不消耗蓄电池的电能；R0的阻值可根据具体状况选用，原则是确保光伏电池在没有阳光照射而不产生电能时和阳光均衡照射时a、b两点的电位相等。阳光探头被安装在聚光罩上。当阳光正面照射聚光罩时，也垂直照射基本电池片而平行于垂直组合片，电池片两侧输出电压相同，即得到的是平衡电信号；而当阳光偏斜时，垂直组合电池片及被分隔的基本电池片一侧光照充足，一侧有阴影，产生不平衡电信号，利用这一不平衡电信号就可实现聚光罩(1)对太阳的跟踪。

2、自动跟踪装置控制电路原理见图5。在经向跟踪控制电路中，接通电源开关K，电路开始工作，光伏电池GD1和GD2向蓄电池DC充电。阳光探头东西向放置(图1中的5a)，当阳光正面照射时，GD1和GD2产生的电动势相同，此时a、b两点电位相等，故晶体管J1和J2均处于断开状态。当阳光偏斜照射时，GD1和GD2产生的电动势不同，假如GD2强于GD1，则a点电位必将高于b点，当这个电位差大于开关晶体管的门槛电压(0.3V)时，J1将处于导通状态，而J2仍处于断开状态，此时c1处于高电位，导致G1和G3导通(而G2和G4仍处于断开状态)，这时电流方向为G1-M-G3，M作正向转动，直至a、b两点电位相等为止。反之，GD1强于GD2时，b点电位高于a点电位，J2导通，c2处于高电位，导致G2和G4导通，此时电流方向为G4-M-G2，M作反向转动，直至a、b两点电位相等为止。

当夜晚来临或在非正常天气的情况下，为避免出现跟踪盲区，Ki、K1、K2所组成的电路的复位功能就会自动起用，其原理如下：位置开关K1和K2的通断状态由聚光罩(1)的旋转位置确定，这可以通过聚光罩(1)端部的档块触动位置开关(K1或K2)来实现。当固定在聚光罩(1)上的阳光探头(7)处于正午位置(中午11点至13点的太阳位置)时，K1和K2均为关断状态；K1在上午位置时处于接通状态(其它位置均为关断状态)，K2在下午位置时处于接通状态(其它位置均为关断状态)，电流继电器控制开关Ki，在小电流或无电流时接通所控线路，即当流过E中的电流较小或为0时，会使K1和K2线路与电源接通，正常电流时处于断开状态。夜晚来临或下午太阳被乌云遮住时，GD1和GD2不能产生电流或仅产生微小电流，Ki接通所控线路，因为此时为下午位置，K2处于接通状态，这使得G2和G4导通，M反向转动，带动聚光罩(1)向正午位置转动，直至到达正午位置时K2断开为止。在上午位置有乌云遮住太阳时，GD1和GD2只能产生微小电流，Ki接通所控线路，此时K1处于接通状态，G1和G3导通，M作正向转动，直至聚光罩(1)到达正午位置时K1断开为止。

以上是经向跟踪控制电路，而对于纬向跟踪控制电路，因为聚光罩(1)仰角的调节幅度较小，不会出现跟踪盲区，无须复位功能，只需将图5中的Ki、K1、K2电路去除或将K1和K2永久处于断开状态，并将阳光探头转90°放置(南北向，见图1中的8)就行了，其它完全相同，不过二者可共用同一蓄电池。其工作原理无须再赘述。

3、电源即为可充电的蓄电池(也可采用外界直流电源或交流电源)，见图5中的DC。正常情况下由阳光探头(7和8)的基本电池片向其充电，在阳光不足时将储存的电能释放出来，供自动跟踪装置和驱动马达使用。

4、驱动马达即为直流电动机(当采用交流电源时，驱动马达可改用交流电动机)，见图5中的M。在自动跟踪装置的控制下作正向或反向转动，驱动机械执行机构动作。

5、机械执行机构有两套，一套是经向跟踪机械执行机构(3)，使聚光罩产生旋转角度，另一套是纬向跟踪机械执行机构(4)，调整支架活动体(5)、聚光罩(1)和光热管(2)的整体仰角，二者配合起来使得聚光罩(1)的开口始终正对着太阳。其基本结构和工作原理如下：

经向跟踪机械执行机构(3)，调整聚光罩旋转角度，主要由蜗轮-蜗杆装置、外壳、小齿轮和弧形齿条等构成，见附图1中的部件3。驱动马达带动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合带动与蜗轮同轴的小齿轮转动，小齿轮与弧形齿条啮合；由于蜗轮-涡杆装置和小齿轮是固定在支架活动体(5)上的，而弧形齿条是固定在聚光罩(1)端部的，这样就使小齿轮驱动弧形齿条绕轴线转动，从而带动聚光罩(1)转动。

纬向跟踪机械执行机构(4)即为一套电动推杆(或液压推杆)，市场已有成品采购。纬向跟踪机械执行机构(4)的一端与支架的底座(6)铰接，另一端与支架的活动体(5)铰接。当驱动马达(M)被接通相应方向的电流时，纬向跟踪机械执行机构(4)作相应伸长或缩短运动，推动支架活动体(5)绕铰链轴心转动，从而改变支架活动体(5)、聚光罩(1)和光热管(2)的整体仰角。

(四)支架

支架主要由活动体(5)、底座(6)和铰链等构成，见图1和图2中的5和6。聚光罩(1)、光热管(2)均安装在活动体(5)上，活动体(5)通过铰链与底座(6)相连。调整整体仰角，就是通过纬向跟踪机械执行机构(4)调整活动体(5)来进行的。整个模块的重量都是由底座(6)来承受的，底座(6)可平放在地面或其它基础上，并可用螺栓固定。

Claims (2)

1.一种由聚光罩(1)、光热管(2)、自动跟踪装置、支架活动体(5)和支架底座(6)组成的太阳能锅炉光热模块，其特征是聚光罩(1)为抛物线形柱面体，光热管(2)位于聚光罩(1)的焦点轴线上，聚光罩(1)的两端于焦点轴线处通过轴承(9)与支架活动体(5)连接，光热管(2)的一端与支架活动体(5)固定，另一端与支架活动体(5)导向连接，光热管(2)为一种真空玻璃管，其内部的吸热芯管具有螺旋形介质通道并可在真空玻璃管中自由胀缩。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是自动跟踪装置通过阳光探头、控制电路、驱动马达和机械执行机构使聚光罩(1)对太阳进行二维自动跟踪，即经向跟踪和纬向跟踪，并在太阳不出现时通过电流继电器控制开关电路使聚光罩(1)旋转复位，避免出现跟踪盲区。

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