CN102331621B - 一种太阳能环形聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能环形聚焦装置，其包括聚光碟（7），聚光碟支架（8），双轴减速驱动机构（9），立柱（10），其中：聚光碟（7）旋转抛物面的截面方程为（X-a）²=2PY，X>a，即所述旋转抛物面为所述截面方程曲线绕着X=0的中心轴旋转所得的抛物面，其中，2000<P<20000，50<a<300。本发明能够将聚光碟反射的太阳光尽可能的聚焦在斯特林发电机的外吸热片的下面和侧面，达到最佳的吸热效率，且该种聚光的方法能够减小聚光镜的聚光面积，同时使得斯特林发电机的吸热头能够有更大的吸热面积，翅片侧面和顶部同时吸热，解决了目前市场上的聚光碟只能够进行顶面聚光，聚光效率不理想的问题。

Description

一种太阳能环形聚焦装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能环形聚焦的装置，尤其涉及一种用于碟式太阳能斯特林发电系统的聚光装置。

背景技术

传统的点聚焦式碟式太阳能斯特林发电系统的聚光方法是太阳光经过聚光碟反射后光的焦点聚集在斯特林发动机吸热端的顶部。这种形式的聚光方法受制于机加工设备精度及加工工艺的约束，通常聚焦点位置会是一个焦斑，而且焦斑的大小取决于旋转抛物反射镜面的表面精度。但是通常斯特林发动机的地吸热片或者是吸热管的形状和结构决定了其顶罐并不适合从圆形均布置的焦斑吸热。这样便无法将反射的太阳光更有效地利用起来，损失的能量则需要通过加大碟的面积，或是改变反光碟镜面材料来弥补。这样不但给制造带来了技术上的难题，还大大增加了生产的成本。本发明使用了一种环形聚焦的装置进行聚光，使太阳光通过一根由偏轴的抛物线形成的旋转曲面反射，这样就形成了一个焦环，斯特林发电机的吸热端翅片或者吸热管布置于焦环处，其侧面能够更好的吸收辐射热能，从而能够大大提高发电效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能环形聚焦装置，通过对传统焦点式聚焦装置的改进，增强了碟式太阳能斯特林发电系统的吸热效率和发电效率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种太阳能环形聚焦装置，其包括聚光碟，聚光碟支架，双轴减速驱动机构，立柱，其中，所述聚光碟由六片形状相同的旋转抛物面构成，聚光碟由螺栓紧固在聚光碟支架上，聚光碟支架经双轴减速驱动机构与立柱相连，在双轴减速驱动机构作用下，聚光碟按照追日要求进行转动；聚光碟通过长连杆机构连接至斯特林发电机，斯特林发动机的外吸热片处于聚光碟反射光的汇聚处，双轴减速驱动机构由卧式回转减速机和立式回转减速机组成，其中，卧式回转减速机外圈顶板法兰与立柱法兰联接固定，卧式回转减速机的驱动电机与蜗杆相联，启动后蜗杆与涡轮啮合，涡轮带动回转支承一起转动，回转支承与立式回转减速机的基座设置为一体，故带动整个立式回转减速机绕着立柱的中心轴旋转，形成第一个旋转自由度；立式回转减速机的驱动电机与蜗杆相联，立式回转减速机的回转支承与聚光碟的法兰轴联接，从而带动聚光碟绕着法兰轴转动，形成第二个旋转自由度，其特征在于：聚光碟旋转抛物面的截面方程为（X-a）²=2PY，X>a，所述旋转抛物面为所述截面方程曲线绕着X=0的中心轴旋转所得的抛物面，其中，2000<P<20000，50<a<300。

进一步地，P=2200，a=60，得到的聚焦光环的直径为120mm。

本发明提供的太阳能环形聚焦装置，与现有技术相比，其优点在于：本发明能够将聚光碟反射的太阳光尽可能的聚焦在斯特林发电机的外吸热片的下面和侧面，达到最佳的吸热效率，且该种聚光的方法能够减小聚光镜的聚光面积，同时使得斯特林发电机的吸热头能够有更大的吸热面积，翅片侧面和顶部同时吸热，解决了目前市场上的聚光碟只能够进行顶面聚光，聚光效率不理想的问题。

由于本发明涉及的发电系统的所有零部件在生产过程中均为机械加工，耗电量小，因而能做到在生产过程中碳气体和液体污染物的低排放，是能适合于大规模应用的清洁能源系统。

附图说明

图1斯特林发电机的总体结构图；

图2环焦式太阳能斯特林发电系统原理示意图；

图3环焦式太阳能斯特林发电系统结构图；

图4a传统点焦式聚光系统的原理图;

图4b环焦式聚光系统的原理图；

图5双轴减速驱动机构示意图。

其中：1-顶罐，2-外吸热片，3-陶瓷保温环，4-冷却水进出口，5-减振器，6-外燃机壳体，7-聚光碟，8-聚光碟支架，9-双轴减速驱动机构，10-立柱10，11-斯特林发电机，12-卧式回转减速机，13-立式回转减速机

具体实施方式

以下结合附图1-4对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，本实用新型的斯特林发电机包括顶罐1，外吸热片2，陶瓷保温环3，冷却水进出口4，减振器5，外燃机壳体6，其中顶罐1可通过吸收外界热量，为外燃机内工质提供能量，外吸热片2为吸收热量的主要部分，从外吸热片2传入斯特林发电机内部的能够达到最高的效率，由于外吸热片2是沿着顶罐1的外圆周均布的，为了使得太阳光聚焦后的热量能够均匀照射于外吸热片2上，就需要使得聚焦后的太阳能光线为环形聚焦的形式。

如图2和图3所示，一种太阳能环形聚焦装置，其包括聚光碟7，聚光碟支架8，双轴减速驱动机构9，立柱10，其中，所述聚光碟7由六片形状相同的旋转抛物面构成，聚光碟7由螺栓紧固在聚光碟支架8上，聚光碟支架8经双轴减速驱动机构9与立柱10相连，在双轴减速驱动机构9作用下，聚光碟7按照追日要求进行转动；聚光碟7通过长连杆机构连接至斯特林发电机，斯特林发动机的外吸热片2处于聚光碟7反射光的汇聚处。双轴减速驱动机构9由卧式回转减速机12和立式回转减速机13组成，其中卧式回转减速机12外圈顶板法兰与立柱法兰联接固定，卧式回转减速机12的驱动电机与蜗杆相联，启动后蜗杆与涡轮啮合，涡轮带动回转支承一起转动，回转支承与立式回转减速机13的基座设置为一体，故带动整个立式回转减速机13绕着立柱的中心轴旋转，形成第一个旋转自由度；而同理，立式回转减速机13的驱动电机与蜗杆相联，启动后蜗杆与涡轮啮合，涡轮带动回转支承一起转动。立式回转减速机13的回转支承与聚光碟的法兰轴联接，回转支承的两端面与法兰轴的两法兰联接，行而带动据光碟绕着法兰轴转动，形成第二个旋转自由度。因此，聚光碟可以在零间隙围栏型双轴驱动装置的控制下，绕两根垂直的中心轴的联动旋转追踪太阳光。

碟式光热聚光与光伏追踪不同，由于抛物线的焦点需要通过太阳直射光来控制，所以就需要对回转驱动装置的精度及控制系统就有更加高要求。

如图4a-b所示，传统的旋转抛物面的截面方程通常为X²=2PY，（X>0）的二次曲线绕着X=0的中心轴旋转所得，这种形式的聚光，理论焦斑为一个点，其聚光后的能量均照射到发动机顶罐上；本实用新型所述的环焦式旋转抛物面的截面方程为（X-a）²=2PY，（X>a）的二次曲线绕着X=0的中心轴旋转所得，这种形式的聚光，理论焦斑为焦环，其聚光后的能量均照射到外吸热片上，以实现最大效率的吸热。

通常P值根据焦距长短来确定，取值可在2000-20000之间，a值需要根据斯特林发动机的吸热片半径的中间值来确定，一般可以取50-300。应用于本案例的斯特林电机系统中时，取P=2200，a=60，即可得到理论聚焦光环的直径为120mm，其聚光能量理论上可以100%落在吸热片上，实际由于有制造工艺的偏差，大约85%以上的太阳光反射能量聚集在外吸热片上，15%以下的能量聚集在顶罐上，这样比依靠顶罐吸热的传统点聚焦方式的吸热效率可以高出30-50%。从而大大提高了斯特林发电机的工作效率，并且减小了聚光碟的面积。采用环形聚光装置的好处是能够将聚光碟7反射的太阳光尽可能的聚焦在斯特林发电机11的外吸热片2上，使斯特林发电机11工作时能够达到最高的效率，且该种聚光的方法能够增大聚光的吸热面积，使得斯特林发电机11的吸热头能够有更大的吸热面积，吸热片的侧面和顶部同时吸热，解决了目前市场上的聚光碟只能够进行顶面聚光，聚光效率不理想的问题。

图5示意性示出了双轴减速驱动机构。

Claims (2)

1.一种太阳能环形聚焦装置，其包括聚光碟（7），聚光碟支架（8），双轴减速驱动机构（9），立柱（10），其中，所述聚光碟（7）由六片形状相同的旋转抛物面构成，聚光碟（7）由螺栓紧固在聚光碟支架（8）上，聚光碟支架（8）经双轴减速驱动机构（9）与立柱（10）相连，在双轴减速驱动机构（9）作用下，聚光碟（7）按照追日要求进行转动；聚光碟（7）通过长连杆机构连接至斯特林发电机，斯特林发动机的外吸热片（2）处于聚光碟（7）反射光的汇聚处，其特征在于：聚光碟（7）旋转抛物面的截面方程为（X-a）²=2PY，X>a，双轴减速驱动机构（9）由卧式回转减速机（12）和立式回转减速机（13）组成，其中，卧式回转减速机（12）外圈顶板法兰与立柱（10）法兰联接固定，卧式回转减速机（12）的驱动电机与蜗杆相联，启动后蜗杆与涡轮啮合，涡轮带动回转支承一起转动，回转支承与立式回转减速机（13）的基座设置为一体，故带动整个立式回转减速机（13）绕着立柱（10）的中心轴旋转，形成第一个旋转自由度；立式回转减速机（13）的驱动电机与蜗杆相联，立式回转减速机（13）的回转支承与聚光碟的法兰轴联接，从而带动聚光碟绕着法兰轴转动，形成第二个旋转自由度，所述旋转抛物面为所述截面方程曲线绕着X=0的中心轴旋转所得的抛物面，其中，2000<P<20000，50<a<300。

2.根据权利要求1所述的太阳能环形聚焦装置，其特征在于，P=2200，a=60，得到的聚焦光环直径为120mm。

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