CN102981191A

CN102981191A - 一种太阳能斯特林发电聚光装置

Info

Publication number: CN102981191A
Application number: CN2012105434243A
Authority: CN
Inventors: 王英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-16
Filing date: 2012-12-16
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明涉及一种太阳能斯特林发电聚光装置，属于太阳能热发电领域，所述的聚光装置，包括玻璃菲涅尔面聚焦聚光透镜、透镜组合外框、透镜跟踪系统三个部分，玻璃聚光透镜采用齿纹向内平面朝外的面聚焦菲涅尔透镜设计，透镜采用多个分解面组合体方式，而生产的玻璃透镜是按照高倍面聚焦设计，采用线性菲涅尔透镜的方法来生产，按尺寸分割后在钢化时热弯形成弧形基面，按设计要求组合成面聚焦透镜，聚焦倍数根据斯特林发电机要求可调，透镜按设计在外框组合下形成完整聚焦透镜，配合透镜精确跟踪系统使得入射的太阳光高倍聚集于斯特林发电机受光面上。

Description

一种太阳能斯特林发电聚光装置

所属技术领域

本发明涉及太阳能热发电领域，具体是一种精确跟踪的玻璃菲涅尔聚光透镜装置。

背景技术

太阳能光热发电技术为未来解决能源问题提供广阔前景，目前主要有槽式、塔式、碟式三种光热发电形式，大都采用抛物面反光方式聚光，其中槽式技术成熟已有推广但造价高上升空间已经很小，塔式技术难度大但有上升空间。最有发展前途的是以美国为技术主导的碟式斯特林太阳能发电，其结构只有聚光装置与斯特林发电机两个部分，可以发出交流电直接使用或并网无需逆变器这一环节，斯特林发电机技术目前已经成熟，除了美国瑞典外我国西航等几家已经能够生产25千瓦斯特林发电机，成本下降很快，问题主要集中在聚光装置，反射面采用高反射效率的平面镜，但反射材料及工艺复杂，而且长时间在阳光下使用反射材料衰减大，反射效率不断下降，超薄的反光面玻璃无法钢化，经常清扫玻璃表面透光率下降甚至破损，抛物面要求有固定的精确面型，当组成大型抛物面组合体时，表面反射镜贴面面型很难保证，调试难度非常大，大型抛物面跟踪精度要求非常苛刻，造成制造难度大造价高产能低，制约了碟式斯特林发电的大规模发展。

我们目前已经完成了大型线性菲涅尔聚焦透镜的超白玻璃生产试制，并获得成功，聚焦效率达到（75-85）%，奠定了玻璃聚光透镜的使用基础，但是斯特林发电要求1000倍以上的高倍聚光，焦点温度要求750℃以上，大型组合体聚光透镜是较为理想的聚焦办法，透镜面型要求低，容许有很大的容差仍不影响聚焦，透镜如果采用压铸法生产，工艺难度巨大造价太高，而我们低价格高聚光效率的玻璃透镜解决了透镜问题，但是线聚焦聚光器只适合中低倍聚光使用，而高倍聚光却并没有解决玻璃菲涅尔透镜问题，也没有生产出一种既可以高倍聚光又可以低倍聚光使用的同一个透镜，特别是大型超高倍玻璃聚光器更是业界的难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中大型太阳能斯特林发电聚光装置的聚光透镜问题，采用超白玻璃材质的菲涅尔透镜，生产出组合体式大型玻璃高倍聚光器代替大型抛物面聚光器，特别是大面积单体超高倍聚光器可以实现低价格批量生产，利用二维精确跟踪可以实现高倍聚光斯特林发电机的任意组合。

所述的一种太阳能斯特林发电聚光装置，包括玻璃菲涅尔面聚焦组合聚光透镜、透镜组合外框、透镜跟踪系统三个部分，玻璃聚光透镜采用齿纹向内平面朝外的面聚焦菲涅尔透镜设计，透镜采用多个分解面组合体方式，而生产的玻璃透镜是按照高倍面聚焦设计，采用线性菲涅尔透镜的方法来生产，按尺寸分割后在钢化时热弯形成弧形基面，按设计要求组合成面聚焦透镜，聚焦倍数根据斯特林发电机要求可调，透镜按设计在外框组合下形成完整聚焦透镜，配合透镜精确跟踪系统使得入射的太阳光高倍聚集于斯特林发电机受光面上。

所述的一种太阳能斯特林发电聚光装置，其特征是：按高倍面聚焦的菲涅尔透镜齿纹设计，其中分解面可以是多边形多层次分解面，数个透镜分解面经透镜外框组合后形成完整的聚焦透镜，这里的面聚焦可以是平面、圆锥体面、球冠面等任意弧形基面的面聚焦形式。

所述的一种太阳能斯特林发电聚光装置，其特征是：外框采用伞形放射状排列，整个组合体聚光透镜采用整体网架分子结构形式，从透镜到焦斑，形成倒放的碟形，底部只预留一个斯特林发电机安装位，从聚焦焦点到整个透镜形成一个整体透镜装置，装置大小可以根据需要任意可调。

所述的一种太阳能斯特林发电聚光装置，其特征是：高倍聚焦的大型组合体透镜装置，采用落地圆盘轨道式二维双向跟踪系统，每套跟踪系统可以是一套斯特林发电单元组合体，也可以是多套斯特林发电单元组合体。

采用上述方案，本发明主要有以下几个创新点。

（1）本发明中先采用高倍面聚焦菲涅尔透镜的设计方法，设计出菲涅尔透镜的齿形，完成线性菲涅尔透镜等深度双对称理论的计算方法，采用误差补正法计算出模具适用雕刻数据，模具雕刻精度提高到4微米，确保透镜生产的精确度，由线性菲涅尔透镜玻璃经过分割后，在热弯钢化炉内进行后处理，按照设计要求，把每块玻璃热弯成适合的面型，钢化好的玻璃在伞形放射状支架里组合成一个完整的高倍聚焦的玻璃聚光透镜。

（2）本发明中聚光透镜是由线性菲涅尔透镜的直线形齿纹经过热弯后形成弧形齿纹，多个弧形齿纹形成圆环形透镜齿纹，而且面型由直线平板型变成有弧度和曲面度的表面，经过多边形切割式的块状组合可以形成球冠状的菲涅尔聚焦透镜，对于球冠面型的要求容许有一定的形变容差，很容易实现1000倍以上超高倍聚光，因为球冠面积大于平面基面的菲涅尔透镜，增大了受光面积，而且会聚齿形角度小于平面透镜，聚光效率更高，玻璃透镜很容易大规模批量生产，造价低廉，与斯特林发电机配合可以实现比目前国外同类产品低几倍的价格并网发电，为超大型超高倍斯特林聚光发电带来巨大竞争优势。

（3）本发明中整个组合体聚光透镜采用整体网架分子结构形式，从透镜到焦斑，形成倒放的碟形，分子结构用料最少整体钢架结构牢固可靠，底部只预留一个斯特林发电机安装位即可，可以采用全密封式装置，有利于维护和清扫，且清扫面只有光面基面不容易落灰尘而易于打扫，与整体碟形聚光器配合的跟踪器为落地圆盘轨道式二维跟踪系统，重心低稳定性好，双向跟踪有利于轻松解决高精度跟踪要求而成本不变，一个跟踪系统设有几个单体组合体可以实现跟踪系统的高利用率高性价比。

附图说明

图1为本发明大型高倍聚光透镜单体外形结构示意图。

图2为本发明大型聚光透镜组合前的线性菲涅尔聚光透镜分割及热弯钢化后的曲面结构示意图。

图3为本发明大型斯特林聚光装置及其跟踪系统结构示意图。

图1中， 1为玻璃聚光透镜组合体，2为分解块状弧形面玻璃透镜，3为分子结构碟形支撑框架，4为大型玻璃透镜高倍聚焦焦点.。

图2中，,2-1为玻璃线性菲涅尔聚光透镜分割后的部分，2-2为分割好的线性菲涅尔聚光透镜玻璃经过热弯钢化形成的弧形面玻璃透镜，2-3为玻璃透镜直的线性齿纹纹路，2-4为热弯钢化后形成的弧形菲涅尔透镜齿纹纹路。

图3中,5为落地圆盘轨道式二维跟踪系统，5-1为圆盘钢轨轨道，5-2为中柱底部转盘，5-3为跟踪装置中间重心立柱，5-4为跟踪器维度跟踪推杆，5-5为沿圆形轨道旋转推动轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1为本发明大型高倍聚光透镜单体外形结构示意图，图中1为大型高倍聚光单体组合体玻璃菲涅尔聚光透镜，2为分解块状弧形面玻璃透镜，该透镜有多边形按规则切割的多块玻璃，经过热弯钢化处理后，形成弧形基面，再拼装成整个透镜，3为分子结构碟形支撑框架，框架结构适合各块不同位置的钢化透镜玻璃封装使用，同时也作为透镜下部分焦斑到透镜的圆锥体支撑架，4为大型玻璃透镜高倍聚焦焦点.，整个透镜处于一个密封的完整的整体，当跟踪太阳光时焦斑始终在椎体底部固定不变。

图2为本发明大型聚光透镜组合前的线性菲涅尔聚光透镜分割及热弯钢化后的曲面结构示意图，图中，2-1为玻璃线性菲涅尔聚光透镜分割后的部分，2-2为分割好的线性菲涅尔聚光透镜玻璃经过热弯钢化形成的弧形面玻璃透镜，2-3为玻璃透镜直的线性齿纹纹路，2-4为热弯钢化后形成的弧形菲涅尔透镜齿纹纹路，线性菲涅尔透镜玻璃按照设计尺寸切割好后，在热弯钢化炉内，按照弧形模具的底面形状热弯，在横向和纵向弯曲后进行钢化固定形状，此时线性透镜已经改变为弧形透镜齿纹纹路，因为是大型透镜整体表面大，多块拼接后基本形成弧形透镜，在容差允许范围内，形成高倍聚焦的弧形基面菲涅尔聚光透镜，最大好处是容易形成高倍聚焦，透镜纹路角度在此类透镜中为最小，焦距可以设计最短，聚光效率最高。

图3为本发明大型斯特林聚光装置及其跟踪系统结构示意图，图中5为落地圆盘轨道式二维跟踪系统，5-1为圆盘钢轨轨道，5-2为中柱底部转盘，5-3为跟踪装置中间重心立柱，5-4为跟踪器维度跟踪推杆，5-5为沿圆形轨道旋转推动轮，圆形轨道载重量大，重心低，抗风性特别好，稳定可靠，其中上部分中间的旋转臂大梁，推杆只要推动并固定住上部分即可，重心落在下面三根站柱上中间为整个跟踪装置的载重重心，中柱底部转盘为圆心，轨道围绕其旋转，最外端力臂最长，所以只要很小功率的伺服电机就可以沿轨道推动整个庞大机构转动起来。以上跟踪装置可以是一个大型单体斯特林发电装置，最多可以放四套斯特林发电聚光单体，达到一套跟踪装置的最优设计和最高性价比，按照目前最合理的太阳能斯特林发电系统为25千瓦每套，如果采用低价玻璃组合高倍聚光透镜和一套陆地轨道式跟踪系统，集合四套斯特林发电机，系统总功率达到100千瓦的话，斯特林太阳能发电的成本将大为降低，完全可以达到目前的煤电发电成本。

Claims

1.一种太阳能斯特林发电聚光装置，包括玻璃菲涅尔面聚焦聚光透镜、透镜组合外框、透镜跟踪系统三个部分，玻璃聚光透镜采用齿纹向内平面朝外的面聚焦菲涅尔透镜设计，透镜采用多个分解面组合体方式，而生产的玻璃透镜是按照高倍面聚焦设计，采用线性菲涅尔透镜的方法来生产，按尺寸分割后在钢化时热弯形成弧形基面，按设计要求组合成面聚焦透镜，聚焦倍数根据斯特林发电机要求可调，透镜按设计在外框组合下形成完整聚焦透镜，配合透镜精确跟踪系统使得入射的太阳光高倍聚集于斯特林发电机受光面上。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能斯特林发电聚光装置，其特征是：按高倍面聚焦的菲涅尔透镜齿纹设计，其中分解面可以是多边形多层次分解面，数个透镜分解面经透镜外框组合后形成完整的聚焦透镜，这里的面聚焦可以是平面、圆锥体面、球冠面等任意弧形基面的面聚焦形式。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能斯特林发电聚光装置，其特征是：外框采用伞形放射状排列，整个组合体聚光透镜采用整体网架分子结构形式，从透镜到焦斑，形成倒放的碟形，底部只预留一个斯特林发电机安装位，从聚焦焦点到整个透镜形成一个整体透镜装置，装置大小可以根据需要任意可调。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能斯特林发电聚光装置，其特征是：高倍聚焦的大型组合体透镜装置，采用落地圆盘轨道式二维双向跟踪系统，每套跟踪系统可以是一套斯特林发电单元组合体，也可以是多套斯特林发电单元组合体。