CN103019257A - 一种具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，包括太阳能聚光碟、转向机构、控制系统、立柱和横梁，所述的太阳能聚光碟包括固定投影面积的聚光碟和投影面积可调的可调聚光碟两部分组成；可调聚光碟由若干沿聚光碟的外围径向均匀布置的抛物面形小碟片组成，每个小碟片均可沿聚光碟的径向轴线转动调节，以实现聚光功能的开启或关闭；在可调聚光碟的小碟片打开时，可调聚光碟与聚光碟满足同一抛物线方程,具有相同的焦点；该系统能保证该系统聚焦的太阳光总能量不受太阳光DNI值的变化而受到大的影响，以满足斯特林发动机组始终在额定功率附近运行，具有系统效率高的特点。

Description

一种具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统

技术领域

本发明涉及太阳能聚光碟系统,尤其涉及一种具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统。

背景技术

碟式斯特林太阳能热发电系统是一种通过聚焦太阳光产生高温热量进而驱动斯特林发动机输出电能的设备，单机发电功率一般在3～30kW之间。由于太阳能聚光碟系统高效的聚光能力，以及斯特林发动机较高的热电转化效率等特点，使碟式斯特林太阳能热发电系统在可再生能源利用领域具有特殊的优势。碟式斯特林太阳能热发电系统一般由太阳能聚光碟系统、斯特林热发电装置及其相关辅助设备等组成，其中太阳能聚光碟系统是碟式斯特林太阳能发电系统的重要组成部分,其聚光能力的大小和调节功能直接影响碟式斯特林热发电系统的输出功率和工作的安全性，其一般由聚光碟、转向机构、控制系统及立柱和支架等组成，聚光碟由多片抛物面形的玻璃镜面式聚光面组成，每块聚光面由三部分组成，包括聚光面支撑架、碟板及玻璃镜面。

碟式斯特林太阳能热发电系统通过聚光碟聚焦太阳光，使之进入斯特林发动机组的太阳光吸收器内，并转化为热能推动斯特林发动机运转，最终通过发电设备输出电能。其中，聚光碟通过调节转向机构的水平角度及俯仰角度实现对太阳的实时跟踪。

斯特林发动机组的发电量与太阳光直接辐射量DNI（Direct Normal Irradiation）值、聚光碟反射投影面积、玻璃镜面反射效率、太阳光吸收器效率（热损失和溢出）、斯特林发动机热电效率等直接相关，可见斯特林发动机组的发电量受上述多种因素影响，要使斯特林发动机组达到额定发电量，上述的相关参数需满足相应要求。

传统的太阳能聚光碟系统为保证系统的发电效率，采用了转向机构实时跟踪太阳位置，通过调节聚光碟的仰角及水平角度实现最佳聚光效果，提高采光的效率。但是仍然存在以下不足：

由于聚光碟反射投影面积、玻璃镜面反射效率、太阳光吸收器效率（热损失和溢出）及斯特林发动机的额定功率和效率等参数随设备定型就固定不变，假设所有设备参数均满足设计要求，则斯特林发动机组的发电量大小主要由太阳光的DNI数值决定。由于一天中太阳光的DNI数值是不断变化的，在不考虑云层等因素的影响下，上午和下午的太阳光DNI值比中午要小，这就使得聚光碟收集的太阳光能量在一天中也是随太阳光DNI值变化的，也就是说传统的太阳能聚光碟系统不能解决斯特林发动机始终维持在额定功率附近工作的问题，这降低了系统的发电效率，经济效益受到影响。此外，斯特林发动机组在变工况下运行，对外围辅助设备要求提高，随着太阳光DNI值变化，需频繁启动相关设备以适应DNI值的变化，对斯特林发动机和整个系统的可靠性也不十分不利。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，即使太阳光DNI值在一天中随时间发生变化，但该聚光碟系统聚焦的太阳光能量基本保持不变，满足斯特林发动机组始终在额定功率附近运行的要求，保证了整套发电系统的运行效率。

为实现上述目的，本发明提出了一种具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，包括用于聚焦太阳光热量的太阳能聚光碟、用于根据太阳位置调节太阳能聚光碟仰角及水平角度进行实时跟踪实现最佳聚光效果的转向机构、聚光碟控制系统、立柱和横梁，所述的聚光碟包括固定投影面积的聚光碟和投影面积可调的可调聚光碟两部分组成；可调聚光碟由若干沿聚光碟的外围径向均匀布置的抛物面形小碟片组成，每个小碟片均可沿聚光碟的径向轴线转动调节，以实现聚光功能的开启或关闭；在可调聚光碟的小碟片打开时，可调聚光碟与聚光碟满足同一抛物线方程,具有相同的焦点。

进一步地，上述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，在所述的可调聚光碟的小碟片背部设置有调节装置，调节装置与聚光碟控制系统相连，可根据太阳光直接辐射量DNI值变化自动调节小碟片聚光功能的开或关。

进一步地，上述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，所述的与小碟片联接的调节装置可独立进行调节。

进一步地，上述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，所述的调节装置由步进电机、小齿轮、大齿轮、轴承、轴承座、轴和固定座组成，小碟片的背部与固定座联接，固定座再依次通过轴、大齿轮、小齿轮和步进电机联接；所述的轴通过轴承支撑，轴承位于轴承座内，轴承座和步进电机分别与支撑架固定联接，并靠支撑架支撑。

进一步地，上述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，所述的小碟片由玻璃镜面和碟板组成，玻璃镜面粘接在碟板上。

进一步地，上述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟发电系统，其还包括一个太阳光DNI值检测装置，用于检测太阳光DNI值并将其传给控制系统。

本发明的有益效果是：

本发明由于在具有固定投影面积的聚光碟外面设置了一组投影面积可调的可调聚光碟，可调聚光碟可根据太阳光直接辐射量DNI值自动调节小碟片聚光功能的开或关，从而保证整个聚光碟系统所聚太阳光能量基本恒定，进而保证斯特林发电装置基本按额定功率运行，经仿真计算和模拟试验验证表明，采用本发明的技术至少可将斯特林发电机组的每天发电量提高15%-20%以上，这对系统的效率保证和设备的可靠性都十分有利。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(其中一片可调节聚光碟为爆炸图,可调节聚光碟处于开启状态)。

图2为可调节聚光碟处于关闭状态的结构示意图。

图3为图1中聚光碟镜面部分的示意图。

图4为本发明背后支架部分的结构示意图。

图5为聚光碟调节机构的结构示意图。

图中标号说明：

1-聚光碟；2-可调聚光碟；3-转向机构；4-斯特林热发电装置；5-横梁；6-立柱；7-控制系统；8-支撑架；9-小碟片；10-调节装置；101-固定座；102-轴；103-轴承；104-大齿轮；105-轴承座；106-小齿轮；107-步进电机。

具体实施方式

图1所示为本发明的一个实施例，本发明的恒聚焦能力太阳能聚光碟系统，由聚光碟1、可调聚光碟2、转向机构3、控制系统7、立柱6、横梁5和支撑架8等组成，太阳能聚光碟系统用于聚焦太阳能，并将其供给斯特林热发电装置4的加热器，斯特林发动机通过斯特林循环，将聚焦的太阳光热能转化机械能，再通过与斯特林发动机连接的发电机转化为电能输出。从上可知，整个碟式斯特林热发电系统的功率输出主要跟斯特林热发电装置4的额定功率、效率，以及聚光碟系统传递给斯特林发动机的热量有关，一旦设计定型，斯特林热发电装置4的额定功率和效率是固定的，整个发电装置的功率输出主要由聚焦的太阳能热量大小决定，而聚焦的太阳能热量大小又与一天中太阳的位置有关，因此为保证最佳的聚焦效果，聚光碟系统还设置有太阳位置跟踪转向机构3，转向机构3可以根据太阳位置自动调节太阳能聚光碟仰角及水平角度，实现最佳聚光效果。当然控制系统7、立柱6和横梁5等都是必不可少的设备，控制系统7用于控制整个系统的运行，立柱6和横梁5用于对整个系统起支承作用，立柱6将整个聚光碟热发电系统支撑在地面或其他建筑物上，横梁5与立柱6相连，用于安装斯特林热发电装置4和聚光碟系统，立柱6和横梁5必须保证有足够的强度，并可靠固定，足够抵挡大风、暴雨/雪等恶劣自然条件的影响。

上述的太阳能聚光碟系统的投影面积由固定投影面积的聚光碟1和投影面积可调的可调聚光碟2两部分组成，可调聚光碟2布置在聚光碟1外周，并由若干沿聚光碟1的外围径向均匀布置的小碟片9及调节装置10组成。在可调聚光碟2的小碟片9打开时，可调聚光碟2与聚光碟满足同一抛物线方程,具有相同的焦点。每个小碟片9均可沿聚光碟1的径向轴线转动调节，以实现聚光功能的开或关。可调聚光碟2可根据斯特林发动机的功率输出的热量要求，自动调节小碟片9的开启或关闭，也就是工作状态，对固定投影面积的聚光碟1的聚焦能量进行补充，保证聚光碟系统供给斯特林发动机的热量相对均衡，尽量使发动机工作在额定功率。

在所述的可调聚光碟2的小碟片9背部设置有调节装置10，调节装置10与控制系统7相连，可根据太阳光直接辐射量DNI值自动调节小碟片9聚光功能的开或关，且每个小碟片9的调节装置10可独立进行调节。

图1所示为可调聚光碟2处于开启即工作的状态，此时太阳光DNI值较弱，仅靠聚光碟1聚焦的热量无法满足发电系统在额定功率附近运行，控制系统7控制可调聚光碟2使其开启，聚光碟的反射投影面积增加，聚焦的太阳光热量增加，从而保证斯特林发动机组的功率输出。

图2所示为可调聚光碟2处于关闭即非工作的状态，此时太阳光DNI值较大，聚光碟1聚焦的热量能够满足发电系统在稳定发电量附近运行，控制系统7控制可调节聚光碟使其关闭，也就是可调聚光碟2的小碟片9收起。

在太阳光DNI值处于较弱和最强之间的其他时段，可根据需要开启或关闭部分小碟片9，确保聚光碟系统聚焦的太阳能基本恒定。

可调节聚光碟上有效玻璃镜面的大小决定了聚光碟系统可调节聚焦能力的大小，设计时可根据当地实际太阳光DNI值变化情况来设置可调节玻璃镜面的大小。

上述的小碟片9由玻璃镜面和碟板组成，玻璃镜面粘接在碟板上，碟板用轻质的金属或非金属材料制成。

图5所示为本发明的调节装置10，其布置于可调聚光碟2的小碟片9的背部，主要由固定座101、轴102、轴承座105、轴承103、大齿轮104、小齿轮106、步进电机107等设备组成，可调聚光碟2的小碟片9通过螺栓或粘结的方式与固定座101连接，固定座101再通过轴102、大齿轮104、小齿轮106与步进电机107联接，为保证机构转动的灵活性，轴102通过轴承支撑，轴承103安装在轴承座105内，轴承座105与聚光碟系统的支撑架8联接，对轴102起支撑作用，步进电机107也安装在聚光碟系统的支撑架8上，输出轴上联接小齿轮106，位于步进电机107输出轴上的小齿轮106与布置于轴102上的大齿轮104构成齿轮减速传动机构，控制系统7通过控制步进电机107进而控制每块小碟片9的开启或关闭。

上述的太阳能聚光碟系统，还具有一个太阳光DNI值检测装置，用于检测太阳光DNI值并将其传给控制系统7，作为控制可调节聚光碟开启或关闭的输入。

本发明的太阳能聚光碟系统具有恒聚焦能力，也就是尽管太阳光DNI值变化，但太阳能聚光碟系统聚焦的太阳光能量能使系统始终在额定功率附近运行，从而提高了系统的运行效率，此外，恒聚焦能力的设计也有助于优化其他辅助系统，避免辅助系统根据机组功率的大小频繁调节，对提高机组或辅助系统的可靠性也是有利的。

本领域技术人员应该认识到，以上实施例仅用于说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案，并不局限于以上的形式，还可以对本发明进行修改或等同的替换；一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，都将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，包括用于聚焦太阳光热量的太阳能聚光碟、用于根据太阳位置调节太阳能聚光碟仰角及水平角度实现最佳聚光效果的转向机构（3）、聚光碟控制系统（7）、立柱（6）和横梁（5），其特征在于：所述的聚光碟系统包括固定投影面积的聚光碟(1)和投影面积可调的可调聚光碟（2）两部分组成；可调聚光碟（2）由若干沿聚光碟(1)的外围径向均匀布置的扇形小碟片（9）组成，每个小碟片（9）均可沿聚光碟（1）的径向轴线转动调节，以实现聚光功能的开启或关闭；在可调聚光碟（2）的小碟片（9）打开时，可调聚光碟（2）与聚光碟(1)满足同一抛物线方程,具有相同的焦点。

2.根据权利要求1所述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，其特征在于：在所述的可调聚光碟（2）的小碟片（9）背部设置有调节装置（10），调节装置（10）与聚光碟控制系统（7）相连，可根据太阳光直接辐射量DNI值变化自动调节小碟片（9）聚光功能的开或关。

3.根据权利要求1或2所述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，其特征在于：与所述的小碟片（9）联接的调节装置（10）可独立进行调节。

4.根据权利要求3所述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，其特征在于：所述的调节装置（10）由步进电机（107）、小齿轮（106）、大齿轮（104）、轴承（103）、轴承座（105）、轴（102）和固定座（101）组成，小碟片（9）的背部与固定座（101）联接，固定座（101）再依次通过轴（102）、大齿轮（104）、小齿轮（106）和步进电机（107）联接；所述的轴（102）通过轴承（103）支撑，轴承（103）位于轴承座（105）内，轴承座（105）和步进电机（107）分别与支撑架（8）固定联接，并靠支撑架（8）支撑。

5.根据权利要求4所述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟系统，其特征在于：所述的小碟片（9）由玻璃镜面和碟板组成，玻璃镜面粘接在碟板上。

6.根据权利要求5所述的具有恒聚焦能力的太阳能聚光碟发电系统，其特征在于：其还包括一个太阳光DNI值检测装置，用于检测太阳光DNI值并将其传给聚光碟控制系统（7）。

Images