CN103134207A - 太阳能集束聚光控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能集束聚光控制系统，其包括实时跟踪太阳的镜阵，以及接收集束光柱的太阳能集热器，镜阵具有M排×N列个聚光镜单元，每个聚光镜单元包括一个底部设有第一通孔的抛物面聚光镜以及第一反射镜，在通过第一通孔的每排光路方向上，设有一个底部具有第二通孔的抛物线型第一反射条以及第二反射镜，在通过第二通孔的光路方向上，设有一个底部具有第三通孔的抛物线型第二反射条及第三反射镜，太阳光经抛物面聚光镜单元、M个第一反射条组件，一个第二反射条组件形成集束光柱，投射至太阳能集热器中。将镜阵焦点集束，能够实现控制点唯一，并且安装和维护简单实用，可使用单个集成线路代替复杂的计算机控制系统。

Description

太阳能集束聚光控制系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能集束聚光控制系统，广泛应用于太阳能热发电、太阳能空调、取暖、热水等领域。

背景技术

在太阳能热利用领域，旋转抛物面反射镜一直是汇聚太阳光最有效的装置，但是它的焦点是随着反射镜一起运动的。这就使接受器的尺寸和质量都受到限制，尺寸大了设计、制造、安装精度有困难，若是槽式、塔式还会遮挡反射镜，质量重了又会增加支撑杆的负荷；同时，集热接受器处于运动状态也不利于能量的导出和保温的设计。为了解决这个问题，人们一直在努力发明一种焦点位置固定不动，仅通过反射镜的跟踪运动就能汇聚太阳光的聚光器，提出各种不同思路的设计方案，有的已开发出产品并且成功地推广应用。但这类反射镜其实只能称其为“准固定”，或低效能的固定，这类装置虽然焦点固定，但是焦斑所在的平面，即焦平面却是围饶着焦点运动的，所以它们的性能不如真正的固定焦点式聚光反射镜。最常见的就是一种围焦点作方位——仰角跟踪的太阳灶，它的方位调整轴是通过焦点的一条垂线，而仰调整轴是通过焦点的一条水平线，所以无论反射面怎样运动焦点总是固定不变，但缺点是焦平面随着反射面而运动，无法在接受器上形成固定的焦斑。

在历史上，正面跟踪太阳的太阳能系统中，由于镜阵和反射镜具有M×N个控制点，设备投入的成本、设备总重量、抗风、沙尘暴等一系列问题，一直是困扰太阳能热利用，特别是大型太阳能热发电实现商业化的难点。有专家打破了传统的采用方位角-仰角的太阳跟踪方法，提出了采用自旋-仰角的跟踪公式，用计算机控制系统实现了M×N个控制单元简化为M+N个控制单元，即M×N＝M+N，在此发明提出之前，都没有发现一个好的镜阵聚焦方案，以至产生单位装机投资大、热发电成本高、光电转换率低并无一超过30％，难以商业化推广的蝶式、槽式、塔式聚能的太阳能热发电厂。如该类技术中广被应用的塔式技术，众多的定日镜围绕中心塔而建立，占地面积巨大；各个定日镜需要单独进行两维控制，控制系统极其复杂；为了减少众多定日镜的余弦效应，中心塔必须建得足够高，投资过大。

中国曾有在抛物面焦点安装一面反射镜，将聚合光反射穿过抛物面镜底中央，于同轴处再用一面反射镜反射向目标集热器，中国专利申请号201010153222.9。此法，控制一面镜是容易的，但是，控制一面镜就需2个电机，那么，控制M×N个镜阵的第二次反射的反射镜就需要M×N×2个电机。而且，针对每一个反射镜，又有的经、纬偏转度各不相同的控制，这明显是非常复杂的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种太阳能集束聚光控制系统，将镜阵焦点集束，实现控制点唯一，安装和维护简单、实用，可以使用单个集成线路代替复杂的计算机控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种太阳能集束聚光控制系统，其包括实时跟踪太阳的镜阵，以及接收集束光柱的太阳能集热器；

所述镜阵具有M排×N列个聚光镜单元，每个所述聚光镜单元包括一个底部设有第一通孔的抛物面聚光镜，以及设置在抛物面聚光镜聚光焦点处并能够将经抛物面聚光镜聚合的太阳光平衡反射穿过第一通孔的第一反射镜；

在通过第一通孔的每排光路方向上，设有一个底部具有第二通孔的抛物线型第一反射条，且每个第一反射条的聚光焦点处设有一个能够将经所述第一反射条聚合的焦点光平衡反射穿过第二通孔的第二反射镜；

在通过第二通孔的光路方向上，设有一个底部具有第三通孔的抛物线型第二反射条，且所述第二反射条的聚光焦点处，设有一个第三反射镜，其能够将经所述第三反射条聚合的焦点光平衡反射穿过第三通孔形成集束光柱。

优选的，所述太阳能集热器为固定不动，在所述集束光柱的光路方向上设有将集束光柱正面投射至太阳能集热器的反光镜，通过数控电机控制所述反光镜的投射方向。

优选的，所述太阳能集热器设置在所述集束光柱的光路方向上。

优选的，所述镜阵设置在支架上，由数控电机控制跟踪太阳。

优选的，所述第一反射镜通过支架固定在抛物面聚光镜上。

优选的，所述第一反射条通过支架固定在所述镜阵的下方，第二反射镜通过支架与第一反射条固定连接。

优选的，所述第二反射条通过支架固定在所述镜阵的下方，第三反射镜通过支架与第二反射条固定连接。

优选的，所述抛物面聚光镜为能够聚焦的有缝或有孔的旋转抛物面。

优选的，所述抛物面聚光镜为能够聚焦的无缝或无孔的旋转抛物面。

优选的，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜皆为微型凹面镜。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

1、本发明的太阳能集束聚光控制系统占地面积很小，与功率等级的增加仅呈线性变化；

2、所有的反射镜组成的镜阵可由一个控制器进行集中控制，使控制系统非常筒单，日常维护也十分简易，同时大大减少本身的能耗；

3、不存在余弦效应问题，不必建高塔，受热器上的光斑仅与投射光束的直径有关，设计很方便，保证整个受热过程中受热器上温度恒定，让太阳能使用范围扩大；

4、整个集束聚光控制系统造价为目前太阳能热发电利用设备中最低的，可与核能相比，且无核电的隐患；

5、解决了储能问题，能做到全天候发电，避免了像风能、光伏发电对电网造成的大的冲击。

附图说明

图1为本发明的太阳能集束聚光控制系统的镜阵分布示意图；

图2为本发明的太阳能集束聚光控制系统的光路原理示意图；

图3为图2中下层的A向视图。

附图标记：1-抛物面聚光镜；10-第一反射镜；11-第一通孔；12-第一光柱；2-第一反射条；20-第二反射镜；21-第二通孔；22-第二光柱；3-第二反射条；30-第三反射镜；31-第三通孔；32-第三光柱。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1所示为本发明的太阳能集束聚光控制系统的镜阵分布示意图，每个镜阵由M排×N列个聚光镜单元组成，整个镜阵设置在支架上，由数控电机控制跟踪太阳180°升、落翻转，并随季节变化，跟踪太阳正面投射。

下面将结合图2-3详细说明本发明的太阳能集束聚光控制系统的组成结构及聚光原理。太阳能集束聚光控制系统分为三层，分别为：上层、中层、下层。

上层结构为图1中的M排×N列个聚光镜单元。每个聚光镜单元具有一个抛物面聚光镜1，抛物面聚光镜1的底部中央设有一个第一通孔11，在抛物面聚光镜1的聚光焦点处，设置一个微型第一反射镜10，太阳光经抛物面聚光镜1汇聚至第一反射镜10，然后光能平衡反射穿过抛物面聚光镜1的第一通孔10，形成第一光柱12。这样，在整个镜阵M排×N列个聚光镜单元的背面，形成M×N个平行光柱12组成的光柱林。

所述抛物面聚光镜1为能够聚焦的旋转抛物面。可根据风暴、沙尘暴级别的需要，分为无缝或无孔抛物面镜，以及有缝或有孔抛物面镜，例如在有飓风、台风、沙尘暴的地区，有缝或有孔的抛物面镜可以起到卸力的作用。每个第一反射镜10可通过支架焊接固定在每个抛物面聚光镜1上，或者M×N个第一反射镜10通过整体支架一同焊接在上述镜阵上。在本发明其它实施方式中，也可采用其他方式固定。

中层结构为M个第一反射条组件。在每一排抛物面聚光镜1的第一通孔11的下方，即在通过第一通孔11的每排光路方向上，设置一条抛物线型曲面第一反射条2，在本发明实施方式中，共有M个第一反射条2，并沿Z轴方向平行布置，第一反射条2与镜阵构成一体，以保证绝对同步跟踪投射下来的光柱12。每个第一反射条2的聚光焦点处，设置一个微型第二反射镜20，第一反射条2的底部中间具有一个第二通孔21，上层的每一列平衡光柱12经抛物线型曲面第一反射条2汇聚至第二反射镜20后，平衡反射通过通孔21形成第二光柱22，由此，M个第一反射条2和M个第二反射镜20组成的中层结构形成了M条平行光柱22。

第一反射条2为能够聚焦的曲面抛物线型，其弧度根据每一排抛物面聚光镜的个数(N的个数)以及第二反射镜20焦点的位置而定。每个第一反射条2可通过支架焊接固定在镜阵每一排抛物面聚光镜1的下方，每个第二反射镜20也通过支架与第一反射条2固定连接，或直接固定在镜阵上。在本发明其它实施方式中，也可采用其他方式固定。

下层结构为一个第二反射条组件。在M个第一反射条2第二通孔21的下方，即在通过第二通孔21的光路方向上，设置一个抛物线型曲面第二反射条3，使得M条平行光柱22能够投射至第二反射条3上。如图3所示为图2中下层结构的沿A向视图。第二反射条3的聚光焦点处，设有一个微型第三反射镜30，第二反射条3的底部中间具有一个第三通孔31，中层的M条光柱22经抛物线型曲面第二反射条3汇聚至第三反射镜30后，反射通过底部通孔31形成一条集束光柱——第三光柱32。

第二反射条3为能够聚焦的曲面抛物线型，其弧度根据一列抛物面聚光镜的个数(M的个数)以及第三反射镜30焦点的位置而定。所述第二反射条3通过支架焊接固定在镜阵的下方，或者直接固定在第一反射条2上，第三反射镜30通过支架与第二反射条3固定连接。在本发明其它实施方式中，也可采用其他方式固定。

在本发明实施方式中，第一反射镜10、第二反射镜20、第三反射镜30皆为微型凹面镜。

本发明的整个太阳能集束聚光控制系统中，首先通过具有通孔的抛物面聚光镜1和第一反射镜10将太阳光集合成M×N个第一光柱12；然后采用M个抛物线型第一反射条2将M×N个第一光柱12汇聚成一排M个焦点，用M个第二反射镜20反射形成M条平行第二光柱22；再次再采用一个抛物线型第二反射条3，将M条光柱22再一次聚合形成一个焦点，用第三反射镜30将反射汇聚成一条光柱32。

可在集束光柱32的光路方向上设置一个反光镜(未图示)，反光镜可通过两个微型数控电机进行控制，从而将这唯一的集束光柱32通过反光镜按任意方向正面投射至太阳能集热器，此时太阳能集热器为固定不动，这样即可实现M×N＝1的集束聚光系统，即M×N个抛物面聚光镜1仅采用一个控制单元实现太阳能聚光发电系统；当然也可在光柱32的下方直接安装太阳能集热器，使得太阳能集热器跟随整个镜阵转动。

在本发明实施方式中，第一通孔11、第二通孔21、第三通孔31分别为设置在抛物面聚光镜1、第一反射条2、第二反射条3的底部中间；在本发明其它实施方式中，第一通孔11、第二通孔21、第三通孔31的设置位置可根据需要或集热器所在位置进行选择。但若第一通孔11不设在底部中间，则第一反射镜10需换成双曲面或多曲面反射镜。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (10)

1.一种太阳能集束聚光控制系统，其包括实时跟踪太阳的镜阵，以及接收集束光柱的太阳能集热器，其特征在于，包括：

所述镜阵具有M排×N列个聚光镜单元，每个所述聚光镜单元包括一个底部设有第一通孔(11)的抛物面聚光镜(1)，以及设置在抛物面聚光镜(1)聚光焦点处并能够将经抛物面聚光镜(1)聚合的太阳光平衡反射穿过第一通孔(11)的第一反射镜(10)；

在通过第一通孔(11)的每排光路方向上，设有一个底部具有第二通孔(21)的抛物线型第一反射条(2)，且每个第一反射条(2)的聚光焦点处设有一个能够将经所述第一反射条(2)聚合的焦点光平衡反射穿过第二通孔(21)的第二反射镜(20)；

在通过第二通孔(21)的光路方向上，设有一个底部具有第三通孔(31)的抛物线型第二反射条(3)，且所述第二反射条(3)的聚光焦点处，设有一个第三反射镜(30)，其能够将经所述第三反射条(3)聚合的焦点光平衡反射穿过第三通孔(31)形成集束光柱。

2.如权利要求1所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述太阳能集热器为固定不动，在所述集束光柱的光路方向上设有将集束光柱正面投射至太阳能集热器的反光镜，通过数控电机控制所述反光镜的投射方向。

3.如权利要求1所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述太阳能集热器设置在所述集束光柱的光路方向上。

4.如权利要求1所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述镜阵设置在支架上，由数控电机控制跟踪太阳。

5.如权利要求1所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述第一反射镜(10)通过支架固定在抛物面聚光镜(1)上。

6.如权利要求5所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述第一反射条(2)通过支架固定在所述镜阵的下方，第二反射镜(20)通过支架与第一反射条(2)固定连接。

7.如权利要求6所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述第二反射条(3)通过支架固定在所述镜阵的下方，第三反射镜(30)通过支架与第二反射条(3)固定连接。

8.如权利要求1所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述抛物面聚光镜为能够聚焦的有缝或有孔的旋转抛物面。

9.如权利要求1所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述抛物面聚光镜为能够聚焦的无缝或无孔的旋转抛物面。

10.如权利要求1所述的太阳能集束聚光控制系统，其特征在于：所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜皆为微型凹面镜。

Images