CN102971590B - 用于收集太阳能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能收集器，其包括：一组两个或更多个反射器，其在焦线处反射太阳光线；反射光线的接收器，其放置在焦线处；以及使所述一组反射器沿着非抛物线型凹曲线移动的装置，其通过以下公式限定相对于所述焦线的所述非抛物线型凹曲线：x2+y2=常数（k）y，其中，x和y是在所述非抛物线型凹曲线上的点在坐标系统中的坐标，在该坐标系统中，具有水平轴X、竖直轴Y、以及所述坐标系统的位于所述焦线上的原点；所述焦线垂直于X-Y平面，并且其中所述反射器中的每一个都与所述非抛物线型凹曲线相交。

Description

用于收集太阳能的装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能收集器，其包括多个反射器，这些反射器将入射的平行辐射集中在线状焦点上；并且其中收集的辐射通过加热合适的传热流体而被转换为高温热，或者通过使其入射到光伏(PV)电池阵列上而被转换为电力。每个反射器都沿三个维度精密地定位和定向，使得每个反射器与非抛物线型凹曲线相交，并且反射器处于不同的平面中且是不连续的；但是它们叠置以形成连续的反射表面。在本发明中更容易进行太阳跟踪，原因是整组的反射器条带一起通过角位移（大小为太阳角位移的三分之一）绕焦线位移。
背景技术
利用矿物燃料进行发电的主导普遍技术具有一些严重的问题。燃烧这些燃料时的碳排放引起环境恶化和全球变暖。它们的存储消耗快速且不会持续很久。此外，它们的主要供应来自于数量有限的国家，这些国家大多数位于世界上的小区域。这导致有关能量安全的担心，尤其是在发展中国家之间。因此，需要提供没有这些缺陷的替代方式。太阳能是具有吸引力的可能选择，原因是其供给非常丰富，碳排放为零，并且发电的潜力是巨大的。因此，已经进行了各种尝试并且正在进行各种尝试，以便通过收集和集中太阳能来利用太阳能。
能够获取的用于集中太阳能的技术如下：
a）抛物线型槽式收集器（Parabolic Trough Collector,PTC），其将太阳光线集中在焦线处。
b）菲涅尔透镜（Fresnel Lenses）（反射式），其中在大面积陆地范围内布置在二维阵列中的所述条带将入射在所述条带上的太阳光线朝向接收管反射。每个条带单独地进行太阳跟踪。
c）碟形抛物线反射器，其中太阳光束被集中在反射器的焦点处。该反射器需要双向跟踪。
d）定日镜，其包括小矩形的平面镜子部件，该平面镜子部件在大面积陆地范围内分布在二维阵列中，并且每个这样的镜子在整个白天单独地跟踪，使得所有的反射光线总是击中目标，该目标为位于陆地中心处的塔的顶部腔室。
因为太阳在天空中具有连续的每日和季节性的运动，所以太阳光线入射在集中器上的角度连续地变化。为了适应这种连续的变化，反射表面或者接收器的各种可移动装置已经与各种控制装置耦合，以使得反射表面或接收器或者这两者自动地跟踪太阳。槽式收集器的太阳跟踪是沿着一个轴进行的。碟形需要“双轴跟踪”。这需要精巧的支撑结构和精巧的机构来连续地追踪天空中的太阳。菲涅尔反射器需要绕一个轴进行跟踪，但是在这里必须单独地保持并且独立地旋转所有的反射器条带；原因是它们的定向在任何指定的时刻都取决于它们相对于接收管的位置。这又需要精巧的装置来保持和旋转所述条带。
阳光收集器基本上遍布大的开放地面。因此，它们必须应对强风条件下的高风压。因此，在本领域中，它们的支撑结构需要足够坚固，以承受巨大的风载荷。这增加了支撑结构的成本。
为了克服本领域中遇到的这些难题，需要具有较简单的跟踪布置并且甚至在强风条件下也具有非常小的风载荷的阳光收集器。
另一个问题是关于用于阳光收集器的陆地的要求。阳光塔收集器中的矩形反射器占据大面积的地面。此外，所述反射器必须间隔开足够的中间间隙，以避免它们在彼此上形成阴影。类似地，在菲涅尔式收集器的情况下，需要在任何两个相邻的条带之间设置足够的间隙，以避免它们形成光线的相互阻碍。
结果，阳光收集器安装所需的陆地面积远大于阳光范围的面积；即实际面积，收集器在该实际面积范围内捕获太阳辐射。期望的是，阳光收集器所需的陆地面积不应当超过阳光范围的面积太多。
从而，从前述说明中可以清楚地看到，尽管阳光收集器系统可能是用于提供可用能量的极为期望的装置，但是这样的系统存在许多缺陷。有利的是，提供一种阳光收集器系统，其能够基本上消除过去的阳光收集器所遇到的问题。
现有技术：
现有技术公开了以下的阳光收集器：
以下的现有技术仅仅是阳光收集器的大致参考，绝不是接近本发明。
US7672549B2/US7925129B2/US7664350B2公开了一种阳光集中器，其具有用于收集输入光的元件、反射部件和波导管，该反射部件具有多个增量台阶部，该增量台阶部用于接纳光并且还改变光的方向，波导管包括能够以电能形式进行收集和集中的多个增量部分。
与上述现有技术中的上述形式相关的一些问题如下；
它们全部使用成本非常高昂的菲涅尔透镜或物镜。光的强度由于在波导管中的大量反射而逐步下降，从而不利地影响系统的效率。该装置主要用于照明用途。
US7667833B1公开了一种抛物线槽式阳光集中器，其中理论重叠摄影（TOP，Theoretical Overlay Photographic）对准方法使用完美对准的集中器在集中器的摄影图像上的理论投射图像，以对准抛物线槽的反射表面刻面。
与抛物线槽式阳光集中器相关的问题包括，反射表面刻面的至少两行和至少一列以及线性接收器对于模块的每一行提供一个或多个离轴相机位置的对准固定。该过程是麻烦且乏味的，并且涉及抛物线槽。其完全不会与本发明密切相关。
US4454371是最接近的现有技术，其公开了多个集中器阵列，每个阵列由多个相邻的沿纵向(longitudinally)延伸的集中器模块构成。其形成圆柱形覆盖物，以保护不受不利环境条件影响。集中器由彼此相邻地安装的多个平行四边形反射器面板构成，其允许面板的端部与相邻的模块重叠，以提供连续的反射器表面。
与上述形式的阳光集中器相关的问题是，其提供形成保护覆盖的半圆形闭合件和半圆柱形壳体，这增加了成本，而在本发明中没有这样的壳体和覆盖物。
在所述的发明中没有特定的太阳跟踪方案，并且仅仅提到太阳跟踪中的“标准过程”，而本发明具有特定的太阳跟踪方案，其与本领域中的“标准”方案不同。
另外，在所述专利中，反射器的多个行布置有平行四边形反射表面，其一个接一个地容纳在相同的平面中。另一方面，在本发明中，反射器是不连续的，并且布置在不同的平面中。
发明目的：
本发明的一个目的在于提供一种阳光收集器，对于该阳光收集器而言，所需的陆地面积不会超过阳光范围太多。这能够实现的原因在于，为了跟踪太阳，根据本发明，收集器绕其焦线旋转过太阳在天空中移动的角度的三分之一，从而收集器在太阳跟踪期间需要较小程度的角位移。另外，在本发明中，反射器不是沿两个维度展开，而是沿三个维度定位在不同的平面中，从而降低了陆地面积的要求。
本发明的另一个目的在于提供一种系统，其为根据空气动力学设计的构造，即使在强风条件下也不会经受高的风载荷。
本发明的另一个目的在于，结合有效的结构设计，从而提供生产成本低廉的高刚度重量比；以及利用常规的、当前可获得的部件，以节省成本，并且利用标准大规模生产制造技术。
发明内容
太阳能收集器包括：一组两个或更多个反射器条带，其在焦线处反射太阳光线；反射光线的接收器，其放置在焦线处；使所述一组反射器沿着非抛物线型凹曲线移动的装置。通过以下公式限定相对于焦线的所述非抛物线型凹曲线：
其中，x和y是所述非抛物线型凹曲线上的点在坐标系统中的坐标，在该坐标系统中，具有水平轴X、竖直轴Y、以及位于所述焦线上的原点，所述焦线垂直于X-Y平面，并且其中所述反射器中的每一个都与所述非抛物线型凹曲线相交。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，其中相同的数字用来表示相同的部件。然而，附图仅仅图示说明本发明，并不用来限制本发明。
在附图中：
图1：示出了具有多个反射器的保持器的示意图。
图2：示出了当入射光线是竖直的时反射器相对于所述保持器的定向的示意图。
图3（A）和3（B）：示出了该组反射器条带相对于太阳的角位移所需的角位移。
图4：示出了收集器的优选实施例的分解图。
图5：示出了条带保持器和用于条带保持器的支架的优选实施例。
图6（A）：示出了该组反射器条带在大约上午8点时的位置。
图6（B）：示出了该组反射器条带在大约中午12点时的位置。
图6（C）：示出了该组反射器条带在大约下午4点时的位置。
具体实施方式
在本发明的优选实施例中，反射器为反射器条带的形状，每个反射条带都具有长度‘l’和宽度‘w’，交点为‘w’的中点。
图1示出了七个反射器条带（1、2、3、4、5、6、7），其分别在交点[（x1，y1）；（x2，y2）；（x3，y3）；……（x7，y7）]处与非抛物线型凹曲线（8）相交。马上定义非抛物线型凹曲线（8）。
通过‘螺母和螺栓’方法，或者通过焊接，或者通过本领域中众所周知的合适保持方法中的任何一种，所述条带被条带保持器（9）保持。所述条带保持器（9）由金属或塑料制成，或者由任何合适的、成本低廉的、硬的或软的材料制成。所述条带保持器（9）设置成用于将所述反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）保持在与非抛物线型凹曲线（8）相同的非抛物线型凹曲线中。非抛物线型凹曲线（8）具有孔口（12）。收集器的焦点处于接收器（13）所放置的位置。反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）和接收器（13）放置成垂直于图示的平面。
坐标系统选择成原点位于所述接收器（13）处。坐标系统的X轴和Y轴分别沿着水平线（14）和竖直线（15）。于是，通过以下方程式给出所述非抛物线型凹曲线（8），
并且所有的交点[（x1，y1）；（x2，y2）；（x3，y3）；……（x7，y7）]满足方程式（i）。
众所周知的是，在坐标几何学分支中，与坐标关联的方程式的形式是系统特定的；并且在任何其它坐标系统变得与给定的坐标系统一致时能够还原成给定的形式。作为实例，在可供选择的说明中，如果在前述讨论所述的坐标系统中X轴沿着竖直线且Y轴沿着水平线，那么方程式（i）将变成，
然而，如果坐标轴再次互换，那么方程式（ii）将恢复到方程式（i）。
期望的是，当相应的坐标系统变得与前述讨论中限定的坐标系统一致时，如果与其它可能坐标系统对应的所有这样的其它形式的方程式还原到方程式（i），那么方程式（i）包括所述其它形式的方程式。
另外，方程式（i）中的项‘（x2+y2）’为：
（a）焦点到反射器与非抛物线型凹曲线（8）的交点之间的最短距离的平方；
方程式（i）中的项‘y’为：
（b）连接所述两个点的线在竖直线（15）上的投影。
因此，方程式（i）等同于这样的情况，即对于所有反射器表面与非抛物线型凹曲线（8）的交点而言，如前述讨论中所定义的两个项（a）和（b）的比为常数；这种关系与所选的坐标系统无关。
图1示出了七个反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）。然而，为了绘图的清晰和方便，在图1中，在反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）之间示出了宽的间隙。
然而，在优选实施例中，虽然反射器条带处于不同的平面中，但是反射器条带更加紧密地保持，并且根据收集器的尺寸，它们的数量更多，使得入射的竖直辐射照射一个反射器条带或下一个反射器条带。从而，任何两个相邻的反射器条带之间存在间隙，原因是它们处于不同的平面中；但是它们形成连续的反射表面。
反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）根据方案定向在它们的位置中，该方案确保在图（1）中反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）与非抛物线型凹曲线（8）的所有交点[即点（x1，y1）；（x2，y2）；（x3，y3）；……（x7，y7）]上入射的竖直光线被朝向接收器（13）反射。以下参考图2描述所述方案。
图2示出了非抛物线型凹曲线（8），其中两个反射器条带（2和5）在点（x1，y1）和（x5，y5）处与所述非抛物线型凹曲线（8）相交。在图2中仅仅示出了七个反射器条带中的两个反射器条带，原因是该数量足以解释清楚用于定向的方案；并且这样还使得附图清楚。
反射器条带（2）被定向成使得如果竖直线（15）与将接收器（13）和交点（x2，y2）连接的线之间的角度为Φ，那么反射器条带（2）的宽度与将接收器（13）和交点连接的所述线成（90-Φ/2）的角度；并且反射表面面向接收器（13）。
类似地，如果竖直线（15）与将接收器（13）和交点（x5，y5）连接的线之间的角度为Φ’，那么反射器条带（5）的宽度与将接收器（13）和交点（x5，y5）连接的所述线成（90-Φ’/2）的角度；并且反射表面面向接收器（13）。
对于所有的反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）都遵循同样的方案。所述方案确保在相应的条带（1、2、3、4、5、6、7）的所述交点上入射的竖直光线被朝向接收器（13）反射。因此，通过收集器的孔口（12）在收集器上竖直地入射的光线被集中在接收器（13）上。
按照前述讨论中所述的方案进行定位和定向以将竖直平行光束集中在接收器（13）处的非抛物线型凹曲线（8）和反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）的新颖性特征在于，如果入射的平行光束在竖直平面中旋转过θ，那么整个组的反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）沿着非抛物线型凹曲线（8）在竖直平面中绕接收器（13）旋转过（θ/3），以确保光线再次集中在接收器（13）处。
图3（A）和3（B）中示出了该特征，其中仅仅示出了三个反射器条带（2、4和5），该数量足以解释上述特征；并且保持附图清楚。图3（A）示出了当竖直地入射的光束集中在接收器（13）处时，该组反射器条带（2、4和5）的原始位置。
图3（B）示出了所述组在竖直平面中绕接收器（13）移过（θ/3）的位置。所述三个反射器条带（2、4和5）在非抛物线型凹曲线（8）上取得新的位置，并且它们的新的定向与原始定向不同；现在，它们将与竖直线（15）成角度（θ）的平行光束集中在接收器（13）处。
因此，对于收集器的工作，必要的条件是，所述条带保持器（9和9A）保持在竖直平面中，并且能够承受在竖直平面中绕接收器（13）的不超过±30°的角位移。为了确保满足该条件，使用用于条带保持器（9和9A）的为支架（16和16A）形式的固定件，如图4所示。
图4示出了收集器的一个实施例的分解图。为了保持附图清楚，其仅仅示出了四个反射器条带（1、3、5和7）。根据以上所述的方案，所述条带（1、3、5和7）在他们的端部处固定到两个条带保持器（9和9A）。所述条带保持器（9和9A）借助于两个支架（16和16A）保持在竖直平面中，并且所述支架（16和16A）之间的距离（l）由间隔杆（17、18、19和20）保持。该图不包括放置在焦点处的固定接收器（13）；和使所述条带保持器（9和9A）沿支架旋转的装置。
现在参考图5解释条带保持器（9）和用于条带保持器（9）的支架（16）的一个实施例的细节；以及联接这两个部件的方法。
图5示出了联接到支架（16）上的条带保持器（9）的一个实施例的分解图。图5中的支架（16）为刚性本体，具有内部边界（16.1）和外部边界（16.2）。所述内部和外部边界优选地具有与非抛物线型凹曲线（8）相同的形状。所述条带保持器（9）的外部边界（9.1）正好装配在内部边界（16.1）上。另外，具有相同形状的引导固定件（9.2）装配在外部边界（16.2）上。保持器（9）和引导固定件（9.2）借助于紧固条带（9.3、9.4和9.5）在一些中间点处紧固到彼此。
因此，支架（16）夹在所述条带保持器（9）和引导固定件（9.2）之间；并且条带保持器（9）和引导固定件（9.2）的所述组件能够在支架（16）上平滑地滑动。支撑件（16.3和16.4）在侧面处将支架（16）提升到距地面方便的高度处。从而确保当所述条带保持器（9）在支架（16）上平滑地滑动时，该组反射器条带（1、2、3、4、5、6、7）经历在竖直平面中的角位移。另外，支架（16）的展开足够大，以允许所述条带保持器（9）的所需最大角位移。
因为对于太阳跟踪而言，每个反射条带不是独立地旋转，而是附接到保持器（9和9A）的整组条带一起进行单一角移动，所以跟踪更加容易。
在收集器中，在任何两个相邻的条带之间大致具有间隙。因此，即使在强风条件下也不必应对高的风压。另外，任何一个条带在与其相邻的条带上的阴影为零或者可以忽略不计。从而，反射器是不连续的，但是它们形成连续的反射表面。
应当理解，本领域普通技术人员可以结合本发明的手段对本文中具体描述的元件进行许多修改和替换。例如，这可包括进行尺寸修改，以适应不同的阳光收集器尺寸、构造材料或形状。本发明将覆盖这种落在本发明的精神和范围内的修改。
本发明的工作：
图6（A）、6（B）和6（C）示意性地示出了收集器的一个实施例，其中为了使附图保持清楚，仅仅示出了三个反射条带（2、4、6）。所述条带（2、4、6）与通过方程式（i）给出的非抛物线（8）相交；并且根据前述讨论中所述的方案进行定向。
将接收器（13）放置在焦点处，与图示的平面垂直。另外，所述条带（2、4、6）与图示的平面垂直地放置，并且沿北—南(N-S)方向纵长地放置，从而将完成东—西(E-W)跟踪。
图6（A）示出了在（当地时间）大约上午8点时，太阳的时角为向东与竖直方向成60°。因此，整组的所述条带（2、4、6）定位成向西与竖直方向成20°的角度。然后，所述条带（2、4、6）进行定位和定向，从而确保以向东与竖直方向成60°的角度倾斜的入射太阳光线被所述条带（2、4、6）朝向接收器（13）反射。
太阳的‘时角’从东到西以每小时15°的速率均匀地改变。因此，通过利用‘马达和齿轮’结构，或者通过利用时钟机构，或者通过本领域中已知的任何其它合适的转子装置，整组的所述条带（2、4、6）将以每小时5°的速率绕接收器向东均匀地旋转。
图（6B）中示出了大约中午12点时的状态。太阳光线竖直地入射。该组条带（2、4、6）已经从所述组在大约上午8点时的位置绕接收器（13）向东移动过20°的角度。入射在全部所述条带（2、4、6）上的太阳光线被朝向接收器（13）反射。
图（6C）中示出了下午4点时的状态。太阳光线以向西与竖直方向成60°的角度倾斜入射。因此，该组所述条带（2、4、6）从所述组在大约中午12点时的位置绕接收器（13）向东移动过20°的角度。入射在全部条带（2、4、6）上的太阳光线被朝向接收器（13）反射。
如果所述条带沿着东—西方向纵长地放置，那么将沿着北—南方向完成跟踪。该组反射器条带（2、4、6）在竖直平面中绕焦点的倾斜角度改变太阳偏角变化的三分之一。
从而，反射的光线总是聚焦在固定接收器（13）处，其中，或者升高循环流体的温度，或者产生直接蒸汽，或者利用光伏电池阵列发电。
优点：
1、从而，本发明的一个优点在于，其是高效的阳光集中器，其不需要非抛物线型凹曲线（8）反射表面，并且其能够产生高度集中的太阳能。
2、本发明的另一个优点在于，其是阳光集中器，其中平面反射器表面条带不是在地面上两个维度中展开；而是借助于设计用于所述条带的保持器定位在三个维度中，使得反射器表面条带覆盖的实际陆地面积小于阳光范围的面积。
3、本发明的收集器包括定位在不同平面中且定位在三个维度中的多个反射器条带，任何两个相邻的条带之间具有间隙。这降低了收集器上的风载荷。
4、本发明的另一个优点在于，其是阳光集中器，其中太阳跟踪更加简单，原因是为了提供期望的结果，在任意时刻只要单一移动了该组反射器条带的保持器，就移走了和重新定向了所有的反射器条带。
5、本发明的另一个优点在于，其是阳光集中器，由于空气动力学设计的构造，而使得即使在强风条件下也不必应对高的风压。

Claims (6)

1.一种太阳能收集器，其包括：一组两个或更多个纵向条带反射器，其在焦线处反射太阳光线；反射光线的接收器，其放置在焦线处；使所述一组反射器沿着非抛物线型凹曲线(8)移动的装置，其通过以下公式限定相对于所述焦线的所述非抛物线型凹曲线(8)：
其中，x和y是在所述非抛物线型凹曲线(8)上的点在坐标系统中的坐标，在该坐标系统中，具有水平轴X(14)、竖直轴Y(15)、以及所述坐标系统的位于所述焦线上的原点；所述焦线垂直于X-Y平面，并且其中所述反射器中的每一个都与所述非抛物线型凹曲线(8)相交，
如果竖直线与将焦点连接到所述条带和所述非抛物线型凹曲线(8)的交点的线之间的角度为Φ，那么所述条带的宽度与所述的线成(90-Φ/2)的角度，以确保竖直地入射在反射器上的光线被朝向所述焦线反射。
2.根据权利要求1所述的太阳能收集器，其中，每当太阳在天空中经历±3°的角位移，所述一组反射器就通过已知的装置绕所述焦线移动过±1°的角位移。
3.根据权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述一组反射器中的反射器是不连续的，并且处于不同的平面中。
4.根据权利要求3所述的太阳能收集器，其中，处于不同的平面中的所述反射器重叠，以形成连续的反射表面。
5.根据权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述条带的交点为沿着所述条带的宽度的中点。
6.根据权利要求1或3所述的太阳能收集器，其中，所述反射器是平坦的。
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