CN102155800B - 模块化无遮挡浮力光集热装置 - Google Patents

Abstract

一种模块化无遮挡浮力光集热装置，该装置主要包括：阳光反射装置，集热输送装置，液压浮体装置，液压控制装置和系统控制装置；所述阳光反射装置将阳光聚焦在所述集热输送装置中的集热器上，并由集热装置将热量输送出去；所述液压浮体装置为所述阳光反射装置提供支撑，并且所述阳光反射装置可跟随所述液压浮体装置转动；所述液压控制装置为液压浮体装置提供液压动力；系统控制装置对所述阳光反射装置，集热输送装置，液压浮体装置，液压控制装置进行协调控制，并且在系统控制装置的操纵下阳光反射装置实时跟踪太阳。

Description

模块化无遮挡浮力光集热装置

技术领域

本发明涉及一种光集热装置，特别涉及一种无遮挡光集热装置。

背景技术

目前的光热发电方式，最常见的有塔式、槽式、蝶式等。其中槽式为比较普及的一种，主要由以下几个部分组成：光反射汇聚结构、支架结构、传动控制结构及系统、集热结构。其光反射汇聚结构主要为抛物反射面，该抛物面的数学定义为：由一簇相互平行且垂直于同一平面的直线经过该平面内的一条抛物线所形成的轨迹集合，此为一个直纹抛物面。取其中对称的一段作为反射面抛物反射面数学模型。一套光反射汇聚结构：包括直纹抛物面状的光反射汇集面及其固定结构，支架结构，传动控制结构及系统和集热结构组成一个集热单元，再由若干个单元水平排成一线组成一组或一行，并将其中的集热结构串连在一起，集热结构一般是集热管。工作时，阳光照射光反射汇聚结构中的抛物反射面，通过反射汇聚到集热管并利用光热转换的高温将管内的导热介质加热，带有热能的导热介质再沿集热管出送到热发电装置。光反射汇聚结构中的抛物反射面可随太阳方位角、仰角俯仰变化而变化，并且通常与反射面集成在一起集热结构也随之一同运动，以保证聚焦光束时刻对准集热结构。

由于结构上的限制槽式光热发电系统具有下列缺点：

第一、集热管由于要承受高温，所以结构并不简单，有一定体积。其产生的阴影影响反射效率，造成部分热量损失；

第二、整个抛物反射面是分段制作，每段的工艺各不相同，制造成本随即增加。

第三、每个分段的反射效率各不相同，汇聚后仍然存在不均匀。

第四、集热结构内有集热管路，管路内流动着导热介质，不便于运动，容易发生故障。

第五、一个集热单元没有进行标准化和模块化生产，不利于批量制作的成品率、质量检测和规范化。

第六：阳光跟踪要有微动控制结构整体，普通的电机由于自身结构和控制形式等原因，在起、制动，微调、野外防护、保养润滑等方面存在一定困难和不可靠性。

塔式电站的缺点是建设费用昂贵，此外太阳光跟踪系统要求较高，特别是定日镜场的投资，由于其跟踪系统复杂，占了整个投资的一半以上。蝶式电站的缺点是功率较小，分散。而当采用集群的大规模时造价也相对较高。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种模块化无遮挡浮力光集热装置，该装置主要包括：阳光反射装置，集热输送装置，液压浮体装置，液压控制装置和系统控制装置；所述阳光反射装置将阳光聚焦在所述集热输送装置中的集热器上，并由集热装置将热量输送出去；所述液压浮体装置为所述阳光反射装置提供支撑，并且所述阳光反射装置可跟随所述液压浮体装置转动；所述液压控制装置为液压浮体装置提供液压动力；系统控制装置对所述阳光反射装置，集热输送装置，液压浮体装置，液压控制装置进行协调控制，并且在系统控制装置的操纵下阳光反射装置实时跟踪太阳。

进一步，所述液压浮体装置可带动所述阳光反射装置以所述集热器中心为圆心转动。

进一步，所述阳光反射装置包括，反射面结构，面支架结构和俯仰传感器；所述，反射面结构的整体形状为抛物线的一部分的垂直拉伸面，其凹面为反射面；所述面支架结构固定在反射面的背面的下部，用于支撑反射面结构，并且将反射面结构与液压浮体装置连接起来；所述俯仰传感器设置在反射面结构的顶部。

进一步，所述反射面的截取范围是在反射效率最高原则的基础上结合偏馈天线截取原则来确定的，即选取抛物面内，处于遮挡区外并满足反射率最高原则的部分。 

进一步，所述液压浮体装置主要包括：浮力圆弧腔、压力限位弹性滑动轮、轨道圆弧腔和密封圈结构；所述浮力圆弧腔为圆弧形密封空腔，其圆心为集热器的中心；其顶端与所述面支架结构固定连接；所述轨道圆弧腔为一端开口的圆弧状空腔，其圆心也为集热器的中心；所述浮力圆弧腔设置在轨道圆弧腔内，并可在其中移动；固定设置在浮力圆弧腔顶端的面支架结构由所述轨道圆弧腔的开口端伸出；轨道圆弧腔的开口端处还设置有密封结构，以避免轨道圆弧腔内的液体外泄；在所述浮力圆弧腔内侧壁上，位于浮力圆弧腔和轨道圆弧腔之间还设置有压力限位弹性滑动轮，压力限位弹性滑动轮受控于控制系统，当浮力圆弧腔需要自由移动时，压力限位弹性滑动轮正常滑动，辅助浮力圆弧腔在轨道圆弧腔中移动；当浮力圆弧腔需要制动时，则压力限位弹性滑动轮在控制系统的控制下产生磁力，将浮力圆弧腔吸附固定。

进一步，所述液压控制装置包括：液体储备箱、上液压管、液压泵及控制装置和下液压管；上液压管的一端与液体储备箱相连通，另一端与液压泵相连；下液压管的一端与液压泵相连，另一端与液压浮力装置中的轨道圆弧腔相连通，

进一步，所述液压控制装置还包括设置在下液压管上的液体过滤器，用于在液压液体进入到轨道圆弧腔之前对液压液体进行过滤，以避免液压液体中的杂质进入到轨道圆弧腔内。

进一步，所述集热输送装置包括:集热器、集热支架、热输送管路和传热介质;所述集热器设置在集热支架的顶端，所述集热器与热输送管路相连，并通过热输送管道中的传热介质将其收集到的热量传递出去。

进一步，所述集热器为固定式集热器，不参与所述模块化无遮挡浮力光集热装置任何机械运动，始终保持静止。

进一步，所述系统控制装置，包括：控制系统、控制网络；控制网络将控制系统与整个集热装置中的各需要控制的部分连接起来，进行数据传输和协调控制。

本发明主要具有下列优点：

1、无遮挡反射：

参考偏馈天线的设计原理，如图3a示，图中S区域位于抛物线顶点附近，为遮挡区，即入射阳光由于集热器的遮挡照射不到这个区域上，所以，我们选择S区域以外的区域中抛物面片段作为反射面，避免抛物反射面的焦点位于太阳和反射面之间。提高光照效率。

2、高效反射面：

本发明中的太阳光反射面是抛物线垂直拉伸面的一部分，该部分的截取原则遵循的是反射效率最高原则，所以，在反射面面积相同的情况下，使用本发明中所公开的反射面形状可以获得较高的太阳光反射率。

3、液压浮力推动：

控制阳光反射装置运动采用液压方式，利用浮力圆弧腔的浮力支撑其自身与阳光反射装置重量，以注液量控制浮力圆弧腔及固定为一体的反射面的转动高度，进而控制反射面的俯仰姿态，确保阳光汇聚于反射面焦点。

4、固定式集热器

在收集太阳光时，集热器不参与系统任何机械运动，保持静止，确保内部的传热介质工作正常。

附图说明

图1a为无遮挡浮力光集热装置结构示意图；

图1b为无遮挡浮力光集热装置结构侧视图；

图2为填埋法安装无遮挡浮力光集热装置安装示意图；

图3a为反射面聚焦示意图；

图3b为图3a中O区局部放大图； 

图4为反射效率最高原则示意图。

具体实施方式

本发明中的模块化无遮挡浮力光集热装置主要包括：阳光反射装置，集热输送装置，液压浮体装置，液压控制装置和系统控制装置，阳光反射装置将阳光聚焦在集热输送装置上，并由集热装置将热量输送出去，液压浮体装置为阳光反射装置提供支撑，并且阳光反射装置可跟随液压浮体装置运动，液压控制装置为液压浮体装置提供液压动力，系统控制装置对上述各装置进行协调控制，并且在系统控制装置的操纵下阳光反射装置实时跟踪太阳。

如图1a、1b中所示，阳光反射装置包括，反射面结构11、面支架结构12、俯仰传感器13。反射面结构11为具有一定厚度的成型板材。如图3a中所示，反射面结构的垂直截面形状为抛物线的一部分，而反射面结构的整体形状为该部分的垂直拉伸面，也就是完整的抛物面的一部分。反射面结构11的材质采用玻璃或金属或高分子材料；反射面结构11的凹面为反射面，反射面的表面镀膜或贴附反光材料，反光材料可为铝箔或其它材质反光材料。面支架结构12固定在反射面背面的下部，用于支撑反射面结构11，并且将反射面结构11与液压浮体装置2连接起来。面支架结构12为圆弧形支柱，其圆弧的圆心为集热器21的中心。俯仰传感器13设置在反射面结构11的顶部，用于测量反射面结构11的俯仰角度，并通过控制网络即时将俯仰角数据传递给系统控制装置。

反射面的截取方法：本发明反射面的在整个抛物面中截取范围是在反射效率最高原则的基础上结合偏馈天线截取原则来确定的。偏馈天线的设计原理为：偏馈是相对于正馈而言，天线设计曲面是用截面截取曲面的一部分，以旋转抛物面为例，是指偏馈天线的截面的垂直方向不平行于旋转抛物面的旋转轴。其天线特点为：没有焦点处馈源阴影的影响.在天线面积，加工精度，接收频率相同的前提下，偏馈天线的增益大于正馈天线。但无论正馈天线，还是偏馈天线，它们都是旋转抛物面的截面，只是截取的位置不同而。如图3a中所示的，整个抛物线反射面与集热器21之间的相对位置，箭头线表示光线入射、反射方向及路径，S表示遮挡区，F表示焦点O区为本发明中反射面区域的设置位置，由图中可看出参考偏馈天线理论，选择反射面时避开焦点，使入射到反射面上的入射阳光不会被焦点处的集热器所遮挡，实现反射面无遮挡。图3b是对图3a中O处放大图。

反射效率最高原则如图4中所示，其中，曲线弧长PQ、QR、RS对应反射曲面所接受的太阳能相等，以q表示；PQ、QR、RS中弧长最短的片段就符合反射效率最高原则的片段，即以相对小的面积反射相对多的太阳能。本发明的反射面即适用于此原则，其垂直截面形状既是图中PQ、QR、RS三段中最短的曲线弧长。所以，本发明的反射面，即为：在整个抛物面中，除去被遮挡的S段外，满足反射效率最高原则的一段。

如图1a、1b中所示，集热输送装置，包括集热器21、集热支架22、热输送管路23和传热介质。集热器11设置在集热支架22的顶端，位于反射面抛物面的焦点处，集热支架22的底端固定在液压浮体装置上。集热器11与热输送管路23相连，并通过热输送管道23中的传热介质将其收集到的热量传递出去。传热介质可选熔融盐类或传热油类，集热器21采用耐高温及抗化学腐蚀材料制成。

如图1a、1b中所示，液压浮体装置主要包括：密封圈结构31、浮力圆弧腔32、压力限位弹性滑动轮33和轨道圆弧腔34。浮力圆弧腔32为圆弧形密封空腔，其圆心为集热器的中心。其顶端与支架结构12固定连接。轨道圆弧腔34为一端开口的圆弧状空腔，其圆心也为集热器的中心。浮力圆弧腔32设置在轨道圆弧腔内，并可在其中移动。固定设置在浮力圆弧腔32顶端的支架结构由轨道圆弧腔34的开口端伸出。轨道圆弧腔34的开口端出还设置有密封结构31，以避免轨道圆弧腔34内的液体外泄。在浮力圆弧腔32内侧壁上，位于浮力圆弧腔32和轨道圆弧腔34之间还设置有压力限位弹性滑动轮33，其数量可根据浮力圆弧腔32停止运动所需的制动力大小设定。压力限位弹性滑动轮33受控于控制系统，当浮力圆弧腔32需要自由移动时，压力限位弹性滑动轮33正常滑动，辅助浮力圆弧腔32在轨道圆弧腔34中移动；当浮力圆弧腔32需要制动时，则压力限位弹性滑动轮33在控制系统的控制下产生磁力，将浮力圆弧腔吸附固定。

如图2中所示，液压控制装置用于为液压浮力装置提供液压液体。主要包括：液体储备箱41、上液压管42、液压泵43及控制装置、下液压管44和液体过滤器45，另外图2中的46表示的是轨道圆弧腔34内的液体，47表示的是轨道圆弧腔34内液面高度。上液压管42的一端与液体储备箱41相连通，另一端与液压泵43相连。下液压管44的一端与液压泵43相连，另一端与液压浮力装置中的轨道圆弧腔34相连通，液体储备箱41中的液体可通过上液压管42、液压泵43和下液压管44进入到轨道圆弧腔34中。另外，下液压管上还设置有液体过滤器45，用于在液压液体进入到轨道圆弧腔34之前对液压液体进行过滤，以避免液压液体中的杂质进入到轨道圆弧腔34内，而阻碍浮力圆弧腔32在轨道圆弧腔34内的运动。液压液体可选液压水、液压油等。下液压管44采用地下液压防腐材料制作。液压泵43及控制装置在控制系统控制下，将液体储备箱41内的液压液体通过上液压管42和下液压管44泵出或泵入轨道圆弧腔34，用以调节轨道圆弧腔34内液面高度。通过液压液体的液压浮力推动，进而控制阳光反射装置的运动。并利用浮力圆弧腔32的浮力支撑其自身与阳光反射装置重量，以注液量控制浮力圆弧腔32在轨道圆弧腔34内的位置，进而控制反射面结构11的俯仰姿态。确保阳光时刻汇聚于反射面焦点，也就是集热器21处。工作时，反射面结构11始终在浮力圆弧腔32可带动下以集热器21中心为圆心转动。 

系统控制装置，包括：控制系统、控制网络。控制网络将控制系统与整个集热装置中的各需要控制的部分连接起来，进行数据传输和协调控制。

本发明中的无遮挡浮力光集热装置的各主要部分主要采用金属材料制成，如钢结构等。需要固定或连接一体的各部分在生产时就预装集成，通过焊接或法兰连接成为一体。也就是说，装置采用模块化制造工艺生产，安装、拆卸都很方便。使无遮挡浮力光集热装置更加适合野外使用。

工作及控制过程原理：

由阳光反射装置中的反射面结构11的反射面将经过其反射的阳光汇聚于集热输送装置的集热器21中，集热器21经反射阳光集中照射后，将光能转换为热能，利用热能加热其中的传热介质，被加热的传热介质再经过热输送管路23送出到外部。与此同时，由于太阳在不停地运动着，控制系统通过控制网络对液压泵43及控制装置发出控制指令，液压泵43及控制装置通过上、下液压管42、44控制轨道圆弧腔34内的液体容量及浮力圆弧腔32的转动角度，控制了反射面的俯仰角度变化，并确保太阳光时刻汇聚于集热器21处；并且由于反射面上还设置有俯仰传感器13，可通过控制网络将由俯仰传感器13俯仰数据传回控制系统，如此形成对俯仰角闭环控制，达到反射面实时跟踪太阳的目的，使系统连续高效工作。

本发明中的无遮挡浮力光集热装置可采用地表支架或填埋方式进行安装。如图2所示，使用填埋方式安装步骤如下：无遮挡浮力光集热装置外型挖好地基坑，并在三角形表示的硬化地段29夯实。而后安放地下设备并连接管线，回填土方埋至地表水平线27，之后安装地表设备。如果采用支架安装，则在无遮挡浮力光集热装置的预设点处设立支架，然后将整个装置固定置于支架上，并保证集热器支架垂直于地表水平线。

本发明中采用的是固定式集热器，在收集太阳光时，集热器不参与模块化无遮挡浮力光集热装置的任何机械运动，始终保持静止，确保内部的传热介质工作正常。

Claims (1)

1.一种模块化无遮挡浮力光集热装置，其特征为，该装置主要包括：阳光反射装置，集热输送装置，液压浮体装置，液压控制装置和系统控制装置；所述阳光反射装置将阳光聚焦在所述集热输送装置中的集热器上，并由集热输送装置将热量输送出去；所述液压浮体装置为所述阳光反射装置提供支撑，并且所述阳光反射装置可跟随所述液压浮体装置以所述集热器中心为圆心转动；所述液压控制装置为液压浮体装置提供液压动力；系统控制装置对所述阳光反射装置，集热输送装置，液压浮体装置，液压控制装置进行协调控制，并且在系统控制装置的操纵下阳光反射装置实时跟踪太阳; 所述液压浮体装置主要包括：浮力圆弧腔、压力限位弹性滑动轮、轨道圆弧腔和密封圈结构；所述浮力圆弧腔为圆弧形密封空腔，其圆心为集热器的中心；其顶端与所述阳光反射装置中的面支架结构固定连接；所述轨道圆弧腔为一端开口的圆弧状空腔，其圆心也为集热器的中心；所述浮力圆弧腔设置在轨道圆弧腔内，并可在其中移动；固定设置在浮力圆弧腔顶端的面支架结构由所述轨道圆弧腔的开口端伸出；轨道圆弧腔的开口端处还设置有密封结构，以避免轨道圆弧腔内的液体外泄；在所述浮力圆弧腔内侧壁上，位于浮力圆弧腔和轨道圆弧腔之间还设置有压力限位弹性滑动轮，压力限位弹性滑动轮受控于系统控制装置中的控制系统，当浮力圆弧腔需要自由移动时，压力限位弹性滑动轮正常滑动，辅助浮力圆弧腔在轨道圆弧腔中移动；当浮力圆弧腔需要制动时，则压力限位弹性滑动轮在所述控制系统的控制下产生磁力，将浮力圆弧腔吸附固定。

2、根据权利要求1中所述模块化无遮挡浮力光集热装置，其特征为，所述阳光反射装置包括，反射面结构，面支架结构和俯仰传感器；所述反射面结构的整体形状为抛物线的一部分的垂直拉伸面，其凹面为反射面；所述面支架结构固定在反射面的背面的下部，用于支撑反射面结构，并且将反射面结构与液压浮体装置连接起来；所述俯仰传感器设置在反射面结构的顶部。

3、根据权利要求2中所述模块化无遮挡浮力光集热装置，其特征为，所述反射面的截取范围是在反射效率最高原则的基础上结合偏馈天线截取原则来确定的，即选取抛物面内处于遮挡区外并满足反射率最高原则的部分。 

4、根据权利要求1中所述模块化无遮挡浮力光集热装置，其特征为，所述液压控制装置包括：液体储备箱、上液压管、液压泵及控制装置和下液压管；上液压管的一端与液体储备箱相连通，另一端与液压泵相连；下液压管的一端与液压泵相连，另一端与液压浮力装置中的轨道圆弧腔相连通。

5、根据权利要求4中所述模块化无遮挡浮力光集热装置，其特征为，所述液压控制装置还包括设置在下液压管上的液体过滤器，用于在液压液体进入到轨道圆弧腔之前对液压液体进行过滤，以避免液压液体中的杂质进入到轨道圆弧腔内。

6、根据权利要求1中所述模块化无遮挡浮力光集热装置，其特征为，所述集热输送装置包括:集热器、集热支架、热输送管路和传热介质;所述集热器设置在集热支架的顶端，所述集热器与热输送管路相连，并通过热输送管路中的传热介质将其收集到的热量传递出去。

7、根据权利要求1中所述模块化无遮挡浮力光集热装置，其特征为，所述集热器为固定式集热器，不参与所述模块化无遮挡浮力光集热装置任何机械运动，始终保持静止。

8、根据权利要求1中所述模块化无遮挡浮力光集热装置，其特征为，所述系统控制装置，包括：控制系统、控制网络；控制网络将控制系统与整个集热装置中的各需要控制的部分连接起来，进行数据传输和协调控制。

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