CN103238033A - 太阳能收集器系统 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能收集器系统（32），具有以平行的排延伸的反射器（40）的固定阵列（34），以及位于所述固定阵列（34）上方且与所述反射器（40）的排平行地延伸的共同焦点接收器（36）。入射太阳辐射从所有反射器被反射至所述共同焦点接收器（36），所述接收器包括适于从所反射的辐射吸收热的热吸收介质。存在用于所述反射器的固定阵列（34）和所述接收器（36）的高架支撑结构（38）。支撑结构（38）以相对于所述支撑结构各自的固定角度来定向每个反射器的排。支撑结构（38）枢轴地安装至所述直立高架组件（77），以允许所述固定阵列（34）和所述接收器（36）同时围绕枢轴（39）可控旋转从而跟踪太阳的运动，其中，所述枢轴（39）平行于所述反射器（40）的排而延伸。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能收集器系统，具体涉及用于聚集太阳能以生成（例如用于发电的）热和蒸汽系统和方法。
背景技术
已知有多种类型的太阳能收集器，其包括非聚集型和聚集型。例如，非聚集型利用检测或接收装置（例如光伏电池或热水管的太阳能电池板）的阵列截获太阳的平行的非聚集射线。光伏电池利用光伏材料收集阳光并将其直接转化为电能。聚集型收集器利用特殊的镜面组件将能量射线集中以聚集射线并产生能量强束。一般地，这种组件包括抛物线反射镜或透镜组件以将阳光反射在焦点接收器上，焦点接收器通常为承载有能够收集热量的热流体（例如高度精炼的石蜡石油或熔盐）的管的形式，热流体被泵送至将水煮沸的热交换器。煮沸的水产生蒸汽，驱动涡轮机产生电。
两种常用形式的聚集型太阳能收集器为抛物线槽型收集器和线性菲涅耳收集器。公知的抛物线槽型收集器10如图1所示。阳光从曲面镜表面（一般为抛物线状）12被反射至定位在镜表面12的焦点（或焦轴）处的接收器14（包含热吸收介质）。镜表面12和支撑结构排列在南北轴线或东西轴线并旋转以跟踪太阳的日常运动。商用的抛物线槽型收集器站具有大约5至6米宽且通常几百米长的镜孔经。
然而，使用曲面镜玻璃的现有的抛物线槽型收集器的问题是曲面镜，很难制造而且价格昂贵。抛物线槽型收集器的另一个问题是结构笨重，需要严格的设计和制造公差，通常需要用于承载热流体的管的复杂的旋转接头，并且运行起来消耗能量大。
一种公知的线性菲涅耳收集器16示于图2，其中独立反射器的阵列18收集阳光，其中所有独立反射器都与反射器20相同，具体如图3所示。阵列18沿南北或东西轴线对齐。反射器20包括轻微凹形曲面镜22，其固定至框架24，框架24在连接至驱动系统的辊轴支架26和28上是可旋转的。线性菲涅耳收集器的可选设计也是已知的，但是所有这种设计都具有基本属性，如图4所示，每个反射器必须在一天的过程中单独且独立地旋转以将阳光反射至包含热吸收介质的焦点接收器30。
现有的线性菲涅耳收集器的问题是，对于每个反射器都需要独立的驱动系统和控制系统以及定位系统，以及线性菲涅耳收集器的复杂的支撑结构，这增加了收集器的整体的复杂度、出故障的可能性以及成本。现有的线性菲涅耳收集器的另一个问题是在低太阳角度（例如黎明或傍晚）时相邻的反射器相互遮挡，这降低了收集器的整体效率。
由于与具有相等孔径宽度的抛物线槽型收集器相比，线性菲涅耳收集器需要相对较长的焦距长度，并且在镜表面远边缘处的后续反射损耗（尤其是当太阳处于低角度时），因此线性菲涅耳收集器的整体效率被进一步降低。以锐角射在镜表面的阳光减小了反射在焦点收集器上的阳光总量，其在太阳接近水平线时接近于零。
下面描述基于数据的检索中显示出的最接近的现有技术。
日本第55112956A号专利申请公开了一种利用折射焦镜头以及无反射涉及的系统。该系统的旋转轴是围绕主管中心线的轴，而不是位于主管（或接收器）下方的轴。而且，该管（或接收器）不能从该系统中发生光聚焦的表面被抬起。
美国第2009/0314325号专利申请公开了一种系统，该系统具有用于在每个反射器模块中的多个抛物线反射器带的多个焦点，而不是具有常用的高架接收器，其中入射太阳辐射从反射器的排反射至高架接收器。而且，该系统中的每个机架支撑多个反射器模块，且每个这种机架相对于支撑框架旋转。该系统中反射器模块相对于支撑框架没有固定的角度，且支撑框架的旋转轴垂直于每个机架的纵轴。这使得反射器模块能够相对于支撑架构移动。
美国第2009/0174957号专利申请公开一种利用多个平面反射镜的系统，平面反射镜能够基于每个镜定位利用电场被调节至不同的各自的角度，且所公开的系统没有用于反射器和接收器的固定阵列的高架以及可旋转的支撑结构。
美国第2009/0272425号专利申请公开一种系统，该系统利用抛物线主反射器，且菲聂耳透镜仅用于折射而未用于反射。
本发明的目的在于提供一种太阳能收集器系统，其克服或基本改善了现有技术的上述缺陷，或至少提供一种有用的替换物。
本发明的另一目的在于提供一种太阳能收集器系统，其相对轻便，不需要复杂的驱动系统，且与现有技术的太阳能收集器相比其简单、通风、廉价而且容易制造和安装。
发明内容
根据本发明，提供了一种太阳能收集器系统，包括：
（a）反射器的固定阵列，以平行的排延伸；
（b）共同焦点接收器，位于所述固定阵列上方且与所述反射器的排平行地延伸，且入射太阳辐射从所有反射器被反射至所述共同焦点接收器，所述接收器包括适于从所反射的辐射吸收热的热吸收介质；
（c）高架支撑结构，用于所述反射器的固定阵列和所述接收器，其中，每个反射器的排以相对于所述支撑结构各自的固定角度被定向；以及
（d）直立高架装置，所述支撑结构枢轴地安装至所述直立高架装置，以允许所述固定阵列和所述接收器同时围绕枢轴可控旋转，从而跟踪太阳的运动，其中，所述枢轴与所述反射器的排平行地延伸。
优选地，反射器为平面反射器或曲线反射器。
在优选的形式中，所述接收器针对所述阵列对称延伸。
优选地，所述接收器包括被配置以引导热吸收流体的管。
优选地，所述枢轴为极轴且针对所述阵列对称延伸。
在另一个优选的形式中，所述固定阵列和所述接收器的可控旋转由机电关联的控制器和驱动系统提供。
优选地，相邻的平行的反射器的排由气隙相分隔。
根据又一个优选的形式，所述接收器进一步包括：副反射器，位于所述管上方，且被配置以将未射在所述管的反射辐射从所述反射器阵列反射至所述管。
优选地，所述接收器包括光伏或热伏电池。
根据本发明的另一个优选形式，所述系统包括多个焦点接收器。
优选地，所述用于所述支撑结构的直立高架装置包括：可调节组件，用于提供跟踪太阳全年运动的斜轴，从而每个反射器的排以相对于所述直立高架装置的共同可调节角度被定向。
附图说明
将参考附图使本发明更容易理解和投入实际应用，其中：
图1是现有技术的抛物线槽型收集器的立体图；
图2是现有技术的线性菲涅耳收集器的立体图；
图3是图2的现有技术的线性菲涅耳收集器的可旋转反射器组件的立体图；
图4是图2的现有技术的线性菲涅耳收集器的侧视图，示出了相似类型的太阳能收集器的一般运作；
图5是根据本发明优选实施方式的太阳能收集器系统的立体图；
图6是当对准水平面时图5的太阳能收集器系统的侧视图；
图7是图6所示的太阳能收集器系统的镜表面和支撑结构部分的放大示意图；
图8是图5的太阳能收集器系统的端部立体图；
图9是图5的太阳能收集器系统的底部立体图，并展示了在该系统后面的另一个这样的系统；
图10为示出从镜表面反射的阳光的路径的示意图，镜表面包括根据本发明另一个优选实施方式的太阳能收集器系统的平面反射器的固定阵列，路径被反射至一个焦点，该系统的焦点接收器位于该焦点处；
图11是图10的太阳能收集器系统的镜表面的独立的反射器的侧视图；
图12是利用图10和图11所示的镜表面的太阳能收集器系统的一系列侧视图，示出了跟踪太阳在天空中日常运动的该系统；
图13是根据本发明的另一个优选实施方式的太阳能收集器系统的侧视图，该系统具有两个焦点接收器；
图14是示出了从图13的太阳能收集器系统的镜表面至焦点接收器的反射阳光的路径的侧视图；
图15是示出了从镜表面反射的阳光的路径的侧视图，该镜表面包括根据本发明的另一个优选实施方式的太阳能收集器系统曲面反射器的固定阵列，该路径反射至一个焦点，该系统的焦点接收器位于该焦点；
图16是用于图15的太阳能收集器系统的曲面反射器的固定阵列的支撑结构的上框架部和下框架部的侧视图。
具体实施方式
图5-9示出了根据本发明的优选实施方式的太阳能收集器系统32。收集器系统32包括限定镜表面的线性反射器的阵列34、焦点接收器36以及结构38，焦点接收器36用于加热热吸收介质，热吸收介质位于阵列34的焦点（即焦轴）处并且适于从线性反射器反射的阳光吸收热量，支撑结构38适于支撑阵列34和焦点接收器36。接收器36针对阵列34对称延伸。
然而，与现有技术的线性菲涅耳收集器16不同，收集器系统32的支撑结构38特别地为波状的、高架的并且适于绕单轴39旋转，从而使镜表面的孔径与镜表面的平面成直角，进而不断地指向或垂直于太阳，如图12中所示。在该实施方式中，旋转轴39是极轴且针对阵列对称延伸。比较而言，现有技术的菲涅耳收集器16（如图2、3和4所示）是平的，贴在地面上并且不能转动。
本发明的收集器系统的特征还在于每个反射器40都以适于将光线聚焦在接收器36上的固定角度而定位。这通过参照图10的实施方式示出。现有技术的菲涅耳收集器16（参照图2）包括反射器（参照图3），反射器必须单独且独立地旋转（参照图4）以跟踪太阳的日常运动。因此，收集器32消除了对每个反射器40的独立的驱动系统、控制系统和定位系统的需求，这很大程度减少了收集器系统32的整体的复杂度、出故障的可能性以及成本。
本发明的特征还在于能够围绕单轴39转动支撑结构38，单轴39通常但不是必须地位于该收集器系统的质心处，这大大简化了传送热流体或其他导热材料所需要的旋转接头的设计和装配。
示于图5-图10的收集器系统实施方式的的单个线性反射器40示于图11中，其包括置于基板44上的平面反射器42或镜，基板被支撑于波状结构38上。
参照图5-图9，支撑结构38连接至机电地关联的控制器和驱动系统46，驱动系统46提供固定阵列和其支撑结构的可控旋转，以跟踪太阳的日常运动（参照图12）。
在该实施方式中，聚焦接收器36包括凹面副反射器53，其加热热吸收介质，例如通过管52的热导体流体或其他（可以是固体、液体或气体）的热吸收介质。例如，接收器可以包括光伏电池或热伏电池。热吸收介质理想地由从反射器的阵列反射的阳光直接加热，因此凹面反射器53被用于将离散的反射光进一步反射且聚集在管52上。焦点接收器36由支柱48和中间支架50支撑。
图15示出包括本发明的另一个实施方式的太阳能收集器系统的曲线反射器72的固定阵列的镜表面70，以及从镜表面70至焦点74的反射阳光的路径73，该系统的焦点接收器位于焦点74处。每个曲面反射器72是抛物线的离散段，所有这些曲线段具有共同的焦点。曲线反射器72以固定阵列形成，并且限定基本平面的镜表面，阵列和其焦点接收器由相似的平面结构76支撑，该平面结构是高架的且适于按照与上述收集器系统32的线性反射器的固定阵列34相同的方式围绕单轴旋转。与收集器系统32一样，每个相邻的反射器排之间存在气隙，虽然这仅是优选的特征。在一些实施方式中，在相邻的反射器排之间可以没有气隙。
在使用了本发明的太阳能收集器系统之后，支撑结构可旋转入不使用或“停放”位置，从而使限定镜表面的反射器的固定阵列朝向地面，因而保护镜表面不受严酷的风、雨、雹和其他致损因素的影响。这种不使用位置本质上容易达成，因为用于反射器的固定阵列的支撑结构被直立的高架组件77支起，因此支撑结构可如上所述地围绕单轴旋转。
虽然根据情况可以使用其他形状，但特别优选的高架支撑结构为矩形，如上述本发明的实施方式所示。矩形支撑结构具有框架，框架具有在收集器系统的前部和后部的、长的、互连的框结构件，以及在收集器系统的相对侧或端处以及在相对侧之间的间隔处的、较短长度的侧框架构件。当由这种相对浅结构支撑时，反射器的固定阵列限定基本平面的镜表面。
对于曲线反射器72的固定阵列，侧框架构件79可被配置为可通过锁合在一起而夹住其间的反射器72的上框架部和下框架部。从而上框架部和下框架部限定需要达成共同焦点的抛物线段反射器的剖面。这种侧部框架构件的上框架部82和下框架部84示于图16，且具有互补的相对的剖面78和80。框架部82和84可通过比需要生产曲面框架等的滚轧成形或滚轧曲面技术更低成本且高精度的激光或水射流切割制造。在可选的实施方式中，侧框架构件可仅包括下部框架部84，假定反射器能够牢固地固定至下部框架部且这种反射器的阵列生成的镜表面基本是平面的。支撑结构的其他部件可包括支撑物、支柱、隔离器和其他剖面形成原件。
可用于本发明的其他形式的支撑结构是一种利用高架中央支撑板（spline）的形式，其可旋转且具有多个沿相对方向从其中垂直延伸出的固定的反射器支撑臂。臂以适当的角度将反射器的每个排支撑为固定阵列，以获得从反射器反射阳光的共同焦点。由这种阵列限定且以上述方式支撑的镜表面为基本平面的，且因此比抛物线槽型收集器更浅。这种中央板（spline）可为管状、束状或被配置以可转动地支撑反射器的固定阵列。
用于为基本平面的反射器的固定阵列的高架且可转动的支撑结构比用于现有技术的太阳能收集器更简易、通风、成本低且更容易制造和安装。其还比具有相同孔径宽度的更大且更重的抛物线槽型收集器更容易围绕（例如位于质心的）轴旋转。因为具有共同焦点的抛物线段反射器的大量的排能够覆盖在浅的、基本平面的支撑结构中限定的广阔区域上，因此与抛物线反射在抛物线槽型收集器发生的区域相比，这种类型的浅的、基本平面的支撑结构还允许在更广阔的区域上发生抛物线反射。镜表面的区域越广阔，阳光聚集率越高。
跟踪太阳全年运动的斜轴也是本发明的太阳能收集器系统的特征。为此，用于支撑结构的高架组件的垂直支撑柱和其他部件适于为可调节的，因而反射器的每个排以相对于垂直支撑柱共同的角度而定向。
本发明结合了线性菲涅耳收集器和抛物线槽型收集器的一些优点。本发明利用以平行的排延伸的反射器的阵列来限定镜表面。该实施方式简化了制造并降低了对支撑结构和框架的需求。利用反射器的阵列还允许使用低成本的镜玻璃和标准的建工材料以最小化建筑材料和设备的成本。反射器的固定阵列由浅的、基本平面的结构支撑，该浅的、基本平面的结构围绕单轴旋转以避免在低太阳角度处被相邻的反射器遮挡。每个反射器以固定的角度定位以将阳光聚焦在接收器上，从而简化驱动、控制和定位系统。本发明的系统的镜表面的孔径最佳地定位使得系统总是直接指向太阳，以优化反射器效率，尤其是在低太阳角度。
因为本发明紧凑的形状和浅形式因素，因而该收集器系统具有低外加负载和弯矩，因此本发明还具有超越现有技术的优点。由于本发明的通风设计，即优选地在反射器的排之间具有缝隙，因此该收集器系统还可具有很低的风力载荷。
平面反射器框架浅形式的因素还降低了风力载荷和通常与抛物线槽型收集器框架相关联的倾覆力矩。气隙允许风和气流穿过该结构，从而显著减少相关的风力载荷。基本平面的支撑结构使得明显减少收集器系统的深度。
本领域技术人员应当理解可对上述的太阳能收集器系统进行外观和结构的细节变动，包括添加多个焦点接收器（例如，参照图13和图14的接收器54和56），而不脱离本发明的范围。
本领域技术人员应当理解，本发明的范围不是仅限于产生太阳能和电能，而是可适于产生用于工业和制造过程的太阳能工业用热和蒸汽，还可进一步适用于包括热存储和其他装置以改进整体系统的效率。
Claims (11)
1.一种太阳能收集器系统，包括：
（a）反射器的固定阵列，以平行的排延伸；
（b）共同焦点接收器，位于所述固定阵列上方且与所述反射器的排平行地延伸，且入射太阳辐射从所有反射器被反射至所述共同焦点接收器，所述接收器包括适于从所反射的辐射吸收热的热吸收介质；
（c）高架支撑结构，用于所述反射器的固定阵列和所述接收器，其中，每个反射器的排以相对于所述支撑结构各自的固定角度被定向；以及
（d）直立高架装置，所述支撑结构枢轴地安装至所述直立高架装置，以允许所述固定阵列和所述接收器同时围绕枢轴可控旋转，从而跟踪太阳的运动，其中，所述枢轴平行于所述反射器的排而延伸。
2.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述反射器为平面反射器或曲线反射器。
3.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述接收器针对所述阵列对称延伸。
4.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述接收器包括被配置以引导热吸收流体的管。
5.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述枢轴为极轴且针对所述阵列对称延伸。
6.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述固定阵列和所述接收器的可控旋转由机电关联的控制器和驱动系统提供。
7.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，相邻的平行的反射器的排由气隙相分隔。
8.如权利要求4所述的太阳能收集器系统，其中，所述接收器进一步包括：副反射器，位于所述管上方，且被配置以将未射在所述管的反射辐射从所述反射器阵列反射至所述管。
9.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述接收器包括光伏或热伏电池。
10.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述系统包括多个焦点接收器。
11.如权利要求1所述的太阳能收集器系统，其中，所述用于所述支撑结构的直立高架装置包括：可调节组件，用于提供跟踪太阳全年运动的斜轴，从而每个反射器的排以相对于所述直立高架装置的共同可调节角度被定向。
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