CN102237822B - 太阳能聚集设备 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种太阳能聚集设备，其包括：至少两个辐轮支撑装置(1)，所述辐轮支撑装置(1)包括至少两个辐轮(3)和支撑该辐轮(3)的辐轮基础支撑架(9)，所述辐轮(3)包括轮圈、位于辐轮(3)的中心的花轮筒(11)以及连接轮圈和花轮筒(11)的辐条，所述至少两个辐轮(3)彼此平行间隔放置；太阳能聚光器(2)，所述太阳能聚光器(2)设置于两个相邻的辐轮(3)之间；以及线性吸收管(4)，所述线性吸收管的中心轴线与所述辐轮(3)的中心轴线平行布置，用于吸收由所述太阳能聚光器(2)反射的太阳光。本发明的太阳能聚集设备的制造方法简单，尺寸标准化，适合模块化生产，现场组装工作量低，安装和维修异常方便，而且能在各种恶劣天气下工作，所以适合大规模推广应用。

Description

太阳能聚集设备

技术领域

本发明涉及太阳能聚集设备，尤其涉及采用辐轮支撑装置的太阳能聚集设备。

背景技术

太阳能作为一种洁净、环保的能源，长期以来人们一直致力于对其进行开发和利用。特别是近年来，由于油价的不断攀升和对环境保护要求的提高，以及对大气二氧化碳排放量的限制，各国更加努力地开展了太阳能利用方面的研究。

由于太阳辐射的功率密度较低，为了充分地利用太阳能，跟踪太阳光的位置变化并将其光线聚集转化为热能和电能，是太阳能利用中非常重要的技术。目前多种不同聚光方式的太阳能聚集设备都已在使用中。整体上，聚光方式可以是点聚焦和/或线聚焦，其中线聚焦方式由于只需一维运动，系统简单且成本较低；而点聚焦需要二维运动，虽然复杂，但可以获得较高的聚焦倍率。太阳光聚集过程中使用的反射镜主要有抛物面反射镜、费涅尔镜、平面反射镜等。另外，近20年来，一种综合成像型和非成像型聚光结构已经开发出来，如复合抛物面聚光器(CPC-Compoundparabolic concentrator)并取得了迅速的发展。

利用驱动装置跟踪太阳光，并驱动反射镜面位置，使系统主光轴始终指向太阳，达到跟踪太阳的目的。按入射光线与主光轴的关系可以采用两轴跟踪和单轴跟踪方式。

现有太阳能聚集技术中，如美国专利US4,296,737、US4,770,162、US4,148,564和US5,832,362分别公开了具有抛物面反射镜、费涅尔镜、平面条反射镜等结构的太阳能聚集设备。但是，这些太阳能聚集设备中存在的一个主要问题是：结构自身的重量和要承受风的影响而增加结构的质量，使系统材料使用量较多，成本较高。对于一般的风力来说，将使收集条扭曲和变形，从而降低收集的效率。如果是大风和强风，将毁坏整个系统，同时这些收集系统不能防雨和防尘，且不方便维修，使得成本和造价不断地升高。

据不完全统计，在最近20多年期间，全世界建造的太阳能热发电站约有20余座(主要为槽式)，最大发电功率为80MW。然而，槽式热发电系统工作温度较低，技术比较成熟，是实现了商业化运行的太阳能热发电系统。槽式系统的抗风性能最差，目前的槽式电站多处于少风或无风地区，而我国阳光富足地区往往多风，大风甚至沙尘暴频起，所以直接照搬国外系统及其技术，其适用性值得怀疑。为了建立具有自己特色的太阳能热发电技术，提高现有热发电系统效率，降低热发电成本，提高我国新能源的利用水平，实现太阳能热发电技术的大规模，低成本应用，故本申请人提出本项专利技术。

发明内容

由上可知，现有技术的缺点是：太阳能聚集设备由于要满足抗风要求致使自身的结构重量增大；在恶劣天气下，收集条会扭曲和变形，不能防雨、防尘、防冰雹，不便维修，成本和造价高，制造工艺复杂、扩展性差。另外，现有技术因整体没有连接，各片反射镜间只在相互左右位置相连，未在前后位置相连，从而未能形成网格结构，需要通过大量钢筋混凝土置于地下固定，造成成本较高。

为解决上述问题，本发明提供一种太阳能聚集设备，其包括：

至少两个辐轮支撑装置，所述辐轮支撑装置包括至少两个辐轮和支撑该辐轮的辐轮基础支撑架，所述辐轮包括轮圈、位于辐轮的中心的花轮筒、连接轮圈和花轮筒的辐条，所述至少两个辐轮彼此平行间隔放置；

太阳能聚光器，所述太阳能聚光器设置于两个相邻的辐轮之间；以及

线性吸收管，所述线性吸收管的中心轴线与所述辐轮的中心轴线平行布置，用于吸收由所述太阳能聚光器反射的太阳光。

由于本发明使用辐轮支撑装置作为太阳能聚光器的移动轨道和支撑基础，而且辐轮的结构用料很少又具有很高的强度，所以辐轮在径向方向上有很高的机械强度。

在进一步的实施方式中，所述至少两个辐轮的中心轴线在一条直线上，所述至少两个辐轮通过第一连接件依次连接形成串联系列，其中两个相邻的辐轮之间的间距至少为2米，位于所述串联系列端部的辐轮用第三连接件固定于基础，例如地面，固定定位。

优选地，通过第二连接件，将相邻的所述串联系列中相应位置的辐轮相互拉紧固定；通过第四连接件将一个串联系列中辐轮的上部连接于与其相邻的另一串联系列中的相应辐轮的辐轮基础支撑架从而并联形成一阵列。

优选地，所述阵列包括多个串联系列。

在本发明中，由于串联系列两端的辐轮用钢丝类的高强度柔性张紧装置作为第四连接件与基础固定安装拉紧定位，相邻各串联系列间的各个辐轮又可通过钢丝作为第二连接件、第三连接件相互拉紧固定，总体形成网格状张紧结构的阵列，从而可以增强整个太阳能聚集设备或其阵列的机械强度。

优选地，所述辐轮的直径为至少2米，所述花轮筒的长度为至少0.1米且直径至少为0.1米，所述轮圈与所述花轮筒之间的辐条至少为6对。

由于本发明对辐轮的尺寸选取合适，不会给太阳能聚集设备带来严重的挡光问题，不必考虑抗风沙污染问题，大大减少材料使用，降低成本。

在进一步的实施方式中，还包括平衡装置，例如为扭矩平衡装置，相对于所述辐轮的轴心与所述太阳能聚光器对称地设置，用于平衡所述太阳能聚光器所产生的扭矩。

在遵循平衡装置的配置原则是平衡扭矩，最小化挡光率的前提下，太阳能聚光器与平衡装置对称地布置，使太阳能聚集设备达到扭矩平衡。从而能够在配置有驱动装置时，驱动装置可以轻松地实现对太阳能聚光器的驱动，太阳能聚光器顺畅地完成沿辐轮的轮圈移动，减少驱动装置的能量损耗。

在进一步的实施方式中，还包括驱动装置，布置于所述辐轮的轮圈上，用于使所述太阳能聚光器沿着所述辐轮的轮圈移动。

由于本发明的太阳能聚光器能够沿着辐轮的轮圈移动和锁定，在天气恶劣情况下，例如下雪或冰雹天气情况下，在驱动装置的作用下可以移动至辐轮的最高处(一般定义为时钟12点位置)，背面向上，防止镜面和吸收管的污染和损伤；大风时，可以移动至辐轮的最低处(一般定义为时钟6点位置)，减低受风力面积，实现对太阳能聚光器的反射面和线性吸收管的保护作用；另外，在正常使用过程中，聚光器可以在左、右竖立位置(一般定义为时钟9点或3点位置)进行清扫；在等待工作期间(例如晚上)置于时钟12点位置，防止设备被污染。

在进一步的实施方式中，还包括传热装置，位于所述线性吸收管的内部。

在进一步的实施方式中，还包括储热/换热装置，用于将线性吸收管吸收的热量储存和/或换出。

在进一步的实施方式中，所述太阳能聚光器置于辐轮串列中，多个串联使用，具有长的焦线，该焦线与相邻辐轮的轴心的连线一致，长度可超过100m。

在本发明的另一方面，还提供一种包括至少一个所述的太阳能聚集设备太阳能聚集设备阵列。

本发明的太阳能聚集设备可以形成太阳能聚集设备阵列，从而可以以模块化的方式布置，每个辐轮均通过各自的几个固定点与基础，例如地面，连接，各辐轮间又通过张紧钢丝相互连接固定，使整个矩阵一体化，且具有了大量均布的受力相对均匀的基础固定点，所以对每个固定点的力量要求大幅降低，大大提高整体强度，基础施工简单，从而可以大幅地减少固定基础的施工成本。本发明的制造方法简单，尺寸标准化，适合模块化生产，现场组装工作量低，安装和维修异常方便，而且能在各种恶劣天气下工作，所以适合大规模推广应用。

附图说明

本发明的示意图仅仅是用于说明本发明的太阳能聚集设备的思想而不是用于限制本发明的申请内容。本领域的普通技术人员在结合本发明的附图并阅读了本发明的说明书后易于理解本发明的内容，其中：

图1a是以立体示意图示出包括由三个串联系列并联成的太阳能聚集设备(也可以称为太阳能聚集设备阵列)；为了视图的简洁，仅仅示意地画出三对辐条以及部分第一连接件、第三连接件、第四连接件；

图1b是以立体示意图示出包括由三个串联系列并联成的太阳能聚集设备(也可以称为太阳能聚集设备阵列)，为了视图的简洁，仅仅示意地画出六对辐条并略去太阳能聚光器、平衡装置以及第四连接件；

图1c以示意图示出将位于串联系列端部的辐轮通过第三连接件固定于基础以及将一个串联系列中辐轮的上部连接于与其相邻的另一串联系列中的相应辐轮的辐轮基础支撑架的第四连接件，但是，为了视图的简洁，仅仅示出两个串联系列，共两组辐轮支撑装置，其余略去；

图2a是以立体示意图示出最基本实施方式的带有六对辐条的辐轮支撑装置的部分示意图，并略去与其对称的部分；

图2b是以立体示意图示出辐轮中心位置的花轮筒的结构，其包括两端的花轮和中间连接的筒；

图3是以立体示意图示出太阳能聚光器的示意图；

图4是以立体示意图示出线性吸收管与辐轮的配合安装图(两个辐轮之间具有线性吸收管)；

图5是以立体示意图示出太阳能聚光器处于工作状态的图；以及

图6是以立体示意图示出太阳能聚光器处于防冰雹保护状态的图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

图1a是以立体示意图示出包括由三个串联系列并联成的太阳能聚集设备(也可以称为太阳能聚集设备阵列)，为了视图的简洁，仅仅示意地画出三对辐条、串联连接辐轮的第一连接件12、将位于串联系列端部的辐轮3连接于基础的第三连接件14、将一个串联系列中辐轮的上部连接于与其相邻的另一串联系列中的相应辐轮的辐轮基础支撑架的第四连接件15。

图1b是以立体示意图示出包括由三个串联系列并联成的太阳能聚集设备(也可以称为太阳能聚集设备阵列)，为了视图的简洁，仅仅示意地画出六对辐条并略去太阳能聚光器、平衡装置以及将一个串联系列中辐轮的上部连接于与其相邻的另一串联系列中的相应辐轮的辐轮基础支撑架的第四连接件15。由图1b可知，第一连接件12依次串联地连接相邻辐轮3以形成串联系列而第二连接件13交叉地将相邻的所述串联系列中相应位置的辐轮相互拉紧固定从而并联形成一阵列。第三连接件14将位于串联系列端部的辐轮3连接于基础。在串联系列中，每两个相邻辐轮之间的间距至少为2米，优选为4米。

图1c以示意图示出将位于串联系列端部的辐轮通过第三连接件14固定于基础以及将一个串联系列中辐轮的上部连接于与其相邻的另一串联系列中的相应辐轮的辐轮基础支撑架的第四连接件15。但是，为了视图的简洁，仅仅示出两个串联系列，共两组辐轮支撑装置。

申请人特别指出，第一连接件12、第二连接件13、第三连接件14、第四连接件15可以是比如钢丝等高强度柔性连接装置。

申请人指出，为了能够实现聚集太阳能，在最基本的实施方式中，本发明的太阳能聚集设备基本上可以包括至少两个辐轮支撑装置1、太阳能聚光器2和线性吸收管4。为了使太阳能聚光器2更为顺畅和平稳地沿着轮圈移动，本发明的太阳能聚集设备还可以进一步包括平衡装置7和驱动装置8。申请人指出，该平衡装置7优选为扭矩平衡装置。另外，优选地，为了实现将吸收的太阳能传送和储存，太阳能聚集设备还进一步包括传热装置和储热/换热装置10。在优选实施方式中，如图1a和图1b所示，为了增强对太阳能的聚集，本发明的太阳能聚集设备可以布置成串联系列。或者进一步地，由串联系列布置成并联系列从而形成太阳能聚集设备阵列。尽管在附图1a和图1b中示出太阳能聚集设备以三个串联系列的形式布置成一阵列，但是，申请人特别指出，在实践中，本发明的太阳能聚集设备可以布置成更多个串联系列，且该更多个串联系列之间可以通过第二连接件13、第三连接件14、第四连接件15，比如钢丝或其它高强度柔性连接装置布置成太阳能聚集设备阵列，且每个串联阵列的辐轮支撑装置的辐轮轴心同轴。由于辐轮相互间采用低成本的钢丝等高强度柔性连接件张紧固定，从而可以增强整个太阳能聚集设备或其阵列的机械强度。辐轮同时不会给太阳能聚集设备带来严重的挡光问题，不必考虑抗风沙污染问题，大大减少材料使用，降低成本。

图2a为辐轮支撑装置1的部分示意图。为了视图的方便和简洁，附图2略去与其对称的部分。为了解决现有技术的上述缺点，本发明利用生活中经常见到的辐轮结构，例如自行车和电动车轱辘，作为太阳能聚集设备的主要支撑结构。为了能够实现对太阳能聚光器2的有效支撑，在最基本的实施方式中，本发明的辐轮支撑装置1包括至少两个辐轮3和支撑该辐轮3的辐轮基础支撑架9，所述辐轮3包括辐条、轮圈、位于辐轮3的中心的花轮筒11，多对辐条连接轮圈和花轮筒11形成辐轮3整体结构。在最基本实施方式中，所述辐轮3可以两个为一组地彼此平行间隔放置。两个辐轮3安装于所述辐轮基础支撑架9上而所述辐轮基础支撑架9固定于基础中。在任一串联系列中，所述至少两个辐轮3的中心轴线在一条直线上，所述至少两个辐轮3通过第一连接件12依次连接形成串联系列，其中两个相邻的辐轮之间的间距至少为2米，优选为4米，位于所述串联系列端部的辐轮用钢丝等第三连接件14与基础固定定位。所述辐轮的直径为至少2米，优选为5米。

图2b为花轮筒11的结构示意图，其包括两端的花轮16和中间的筒17。由于花轮筒11是用来固定线性吸收管4，所以花轮筒的直径至少为0.1米，优选为0.125米。因花轮筒的材料为不透明材料制成，会聚的太阳光入射至花轮筒后，被花轮筒吸收，而不能被线性吸收管吸收，故其越长，太阳能聚集设备接受太阳能的效率越低。但从辐轮结构强度上分析，花轮筒11的长度越长，辐轮轴向强度越强；花轮筒的长度过短，其无法保证辐轮的轮圈的轴向稳定性，无法完成其作为支撑件的功能。本发明在辐轮之间通过连接件相互连接且将辐轮通过连接件固定于基础上，例如地面基础，可有效提高轴向稳定性，故所述花轮筒的长度可以相应减少，但至少0.1米，优选为0.2-0.3米。所述轮圈与所述花轮筒之间的辐条的对数越多，辐轮力量分布越均匀，对辐轮材料要求越低，故所述辐条的对数至少为6，辐条的一端分别均匀地布置于花轮筒的两端，也就是说花轮筒两端的花轮16分别有至少6根，辐条的另一端分别均匀地分布于轮圈上。

根据本发明的太阳能聚集设备的反射镜的宽度一般大于2米，优选为4～6米，辐轮的轮圈的直径至少为2米，优选5米。申请人指出，辐轮的轮圈与花轮筒之间通过辐条支撑，连接用的辐条数目少，可以做到最小量的对反射镜的太阳光遮挡影响；同时完成一定质量的支撑，保证一定的机械强度，需要一个至少量的辐条。特别地，根据本发明的精神，太阳能聚集设备的辐轮支撑装置可以通过第一连接件到第四连接件在辐轮之间和/或基础固定点之间相互连接，形成整体网状，大大地提高了其稳定性和机械强度，故在本发明中辐条的数目或对数可以进一步减少，以在提高整体强度的同时，也可以降低成本，所以辐条的数目一般大于12根或一般为至少6对，轮圈直径3m以上时，优选的辐条的数目为24～36根或优选为12对。

在本发明中，辐轮支撑装置1在太阳能聚集设备中可以形成整体支撑框架，也就是说辐轮支撑装置1是固定于基础的而不需要运动。每个辐轮只需简易地与基础固定，例如简单的打桩方式只需要2到5个与基础的接触固定点，且其整体的固定尺寸的面积不必很大，即可完成与基础的固定，从而也可以增强整个太阳能聚集设备的机械强度。

由图1a、图1b、图1c、图2a、图2b可以看出，在每一个串联系列中，线性吸收管4与辐轮3的轴心对齐布置，用于吸收由所述太阳能聚光器2反射的太阳光。驱动装置8布置于所述辐轮3的轮圈上，用于使所述太阳能聚光器2沿着所述辐轮3的轮圈移动。在驱动装置8的作用下，太阳能聚光器2跟踪太阳的位置变化而将太阳光反射到所述焦线。该平衡装置7相对于所述辐轮3的轴心与所述太阳能聚光器2对称地设置，用于平衡所述太阳能聚光器2因旋转所产生的扭矩。当驱动装置8动作时，可以驱使平衡装置7和太阳能聚光器2一起沿着辐轮3的轮圈移动。由于本发明的太阳能聚集设备配备了平衡装置7以与太阳能聚光器2平衡，所以会使驱动装置8节约动力且太阳能聚集设备会更安全而稳定地运行。传热装置位于所述线性吸收管4的内部。

图3为太阳能聚光器2的示意图。所述太阳能聚光器2设置于两个辐轮3之间。该太阳能聚光器2的长度尺寸与两个相邻辐轮3之间的距离相应。所述太阳能聚光器2能沿着所述辐轮3的轮圈移动和锁定。太阳能聚光器2具有长的焦线，该焦线与相邻辐轮3的轴心的连线一致。在太阳能聚光器2的对面布置平衡装置7以达到力学平衡，从而有助于太阳能聚光器2移动更加稳定和顺畅。

图4为示出线性吸收管4与辐轮3的配合安装图(两个辐轮3之间具有线性吸收管4)。所述线性吸收管4的中心轴线与所述辐轮3的中心轴线平行布置，用于吸收由所述太阳能聚光器2反射的太阳光。优选地，所述线性吸收管4的中心轴线与所述辐轮3的中心轴线之间的距离为0毫米-100毫米。当所述线性吸收管4的中心轴线与所述辐轮3的中心轴线之间的平行距离为0毫米时，所述线性吸收管4位于所述辐轮3的中心轴线上，且通过所述辐轮3的中心。也就是说，该线性吸收管4与辐轮3的轴心对齐布置，用于吸收由所述太阳能聚光器2反射的太阳光。由于花轮筒11位于辐轮3的中心轴线上，也就是抛物槽焦线位置，反射镜6反射的一部分太阳光不能通过非透明的花轮筒11入射到线性吸收管4。

图5是太阳能聚光器2处于工作状态的示意图。当天气晴朗，太阳光照良好时，本发明的驱动装置8会将太阳能聚光器2驱动至最高点(一般定义为时钟12点位置)和最低点(一般定义为时钟6点位置)之间的合适位置。尽管在附图5中示出太阳能聚集设备以两列的形式布置，但是，申请人特别指出，在实践中，本发明的太阳聚集设备可以布置成多列。

图6是太阳能聚光器2处于保护位置的示意图。由图6可知，本发明的太阳能聚光器在驱动装置8的驱动下能沿着辐轮3的轮圈移动至最高点，从而在环境恶劣情况下起到对反射镜的保护作用。尽管在附图6中示出太阳能聚集设备以串联系列的形式布置，但是，申请人特别指出，在实践中，本发明的太阳聚集设备可以布置成由多个串联系列形成的阵列。

以上虽然参照附图介绍了本发明的具体实施方式，但是本领域的普通技术人员明白，可以在本发明的精神和范围内对本发明作出各种变型而不是局限于说明书中介绍的具体实施例。

Claims (10)

1.一种太阳能聚集设备，其包括：

至少两个辐轮支撑装置(1)，所述辐轮支撑装置(1)包括至少两个辐轮(3)和支撑该辐轮(3)的辐轮基础支撑架(9)，所述辐轮(3)包括轮圈、位于辐轮(3)的中心的花轮筒(11)以及连接轮圈和花轮筒(11)的辐条，所述至少两个辐轮(3)彼此平行间隔放置；

太阳能聚光器(2)，所述太阳能聚光器(2)设置于两个相邻的辐轮(3)之间；以及

线性吸收管(4)，所述线性吸收管(4)的中心轴线与所述辐轮(3)的中心轴线平行布置，用于吸收由所述太阳能聚光器(2)反射的太阳光；

所述至少两个辐轮(3)的中心轴线在一条直线上，所述至少两个辐轮(3)通过第一连接件(12)依次连接形成串联系列，其中两个相邻的辐轮之间的间距至少为2米，位于所述串联系列端部的辐轮用第三连接件(14)固定于基础固定定位；

通过第二连接件(13)，将相邻的所述串联系列中相应位置的辐轮相互拉紧固定；通过第四连接件(15)将一个串联系列中辐轮的上部连接于与其相邻的另一串联系列中的相应辐轮的辐轮基础支撑架(9)从而并联形成一阵列；

还包括驱动装置(8)，布置于所述辐轮(3)的轮圈上，用于使所述太阳能聚光器(2)沿着所述辐轮(3)的轮圈移动和锁定。

2.根据权利要求1所述的太阳能聚集设备，其特征在于，所述阵列包括多个串联系列。

3.根据权利要求2所述的太阳能聚集设备，其特征在于，所述辐轮的直径为至少2米，所述花轮的长度为至少0.1米且直径至少为0.1米，所述轮圈与所述花轮筒之间的辐条至少为6对。

4.根据权利要求1所述的太阳能聚集设备，其特征在于，还包括平衡装置(7)，相对于所述辐轮(3)的轴心与所述太阳能聚光器(2)对称地设置，用于平衡所述太阳能聚光器(2)所产生的扭矩。

5.根据权利要求1所述的太阳能聚集设备，其特征在于，还包括传热装置，位于所述线性吸收管(4)的内部。

6.根据权利要求1所述的太阳能聚集设备，其特征在于，还包括储热/换热装置(10)，用于将线性吸收管(4)吸收的热量储存和/或换出。

7.根据权利要求1所述的太阳能聚集设备，其特征在于，所述太阳能聚光器(2)具有长的焦线，该焦线与相邻辐轮(3)的轴心的连线一致。

8.一种太阳能聚集设备阵列，其包括至少一个如权利要求1所述的太阳能聚集设备。

9.根据权利要求8所述的太阳能聚集设备阵列，其中所述太阳能聚集设备通过第一连接件(12)串联连接形成串联系列。

10.根据权利要求9所述的太阳能聚集设备阵列，其中所述串联系列通过第二连接件(13)布置成并联系列。

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