CN103684211B - 塔式太阳能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种塔式太阳能发电系统，为反射镜镜场与运动的太阳能接收转换器相配合的太阳能跟踪技术。在所述太阳能跟踪技术中：把反射镜镜场内反射镜对太阳的跟踪分解为东西和南北两个方向，东西方向采用精确的一维跟踪；南北方向采用每隔一段时间调整一次反射镜倾角或者倾角固定不变的方式跟踪；太阳能接收转换器沿塔承载塔上下移动，配合镜场聚焦点的变化。相对于现有技术，本发明提供的塔式太阳能发电系统可以在保证镜场对太阳的追踪精度的情况下有效降低系统成本。

Description

塔式太阳能发电系统

技术领域

本发明属于新能源发电领域，涉及一种用于采用新型太阳能跟踪方式的塔式太阳能发电系统。

背景技术

在能源、环境危机的大背景下，太阳能作为新能源成为最有可能替代化石能源的新能源形式之一。本发明主要针对太阳能发电采用的塔式发电技术进行技术创新。

塔式太阳能发电是指利用镜场跟踪太阳将太阳光汇聚到位于高塔顶部的聚光点，并在聚光点位置安装光电转换装置进行发电。镜场对太阳的跟踪精度是影响其电能输出的重要因素。所以，现有的塔式太阳能发电技术需要配备精确地太阳跟踪系统，才能获得高的跟踪精度和高的聚光倍数，以利于提高整个系统的效率。但现有的镜场对太阳跟踪的方式使整个系统的造价一直高居不下，十分不利于太阳能发电的推广利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用准二维太阳能跟踪技术的塔式太阳能发电系统，用于替代现行塔式电站使用的跟踪系统，降低电站发电成本。

为了解决现有技术中存在的上述问题及其他问题，本发明提供一种塔式太阳能发电系统，包括：承载塔；反射镜镜场，设置在所述承载塔的就近区域，包括反射镜以及对应配置以驱动所述反射镜调整跟踪太阳光的反射角度的跟踪装置；太阳能接收转换器，设置在所述承载塔上且受光面朝向所述反射镜镜场用于吸收经由所述反射镜镜场反射过来的太阳光，并将所述太阳光转化为电能和热能；所述太阳能接收转换器搭载在提供升降的承载装置上实现相对于所述承载塔上、下移动；管理控制装置，与所述太阳能接收转换器和所述反射镜镜场相连，用于根据从所述太阳能接收转换器获得的光电转换数据控制所述反射镜镜场中的所述反射镜调整在东西方向上的反射角度和所述太阳能接收转换器相对所述承载塔上下移动，以对所述太阳能接收转换器进行聚光；电力装置，与所述太阳能接收转换器相连，用于接收所述太阳能接收转换器所产生的电能并将所述电能进行转换输出。

在本发明的塔式太阳能发电系统中，所述反射镜镜场中的反射镜采用仅在东西向跟踪的一维跟踪或者在东西向精确跟踪而在南北向定时调节倾斜角度的准一维方式或者南北方向与东西方向均精确跟踪的二维方式来跟踪太阳光。所述反射镜为平面镜或曲面镜，所述反射镜的形状为三角形、圆形、椭圆形、四边形或多边形。在本发明的塔式太阳能发电系统中，所述太阳能接收转换器包括：太阳能转换组件；位于所述太阳能转换组件前端的二次光学系统，用于会聚太阳光并将会聚的光线耦合至太阳能转换组件的表面；位于所述太阳能转换组件后端的热管理系统，用于对所述太阳能转换组件产生的热能进行散热。

其中，所述太阳能转换组件为一个独立且完整的太阳能电池器件、太阳能集热发电器件、太阳能热电转换器件、太阳能热机发电系统或者热光伏器件。所述太阳能转换组件由单个或者多个分立的转换单元组成，所述转换单元之间采用串联和/或并联连接方式。所述转换单元内置有光电探测器，用于探测到达所述转换单元表面的太阳光强度。所述转换单元是由一个到多个转换子单元组成，所述转换子单元之间采用串联和/或并联连接方式。

综上所述，本发明提供的塔式太阳能发电系统，在原有技术的基础上改进了镜场电站对太阳的跟踪方式，将反射镜镜场对太阳的跟踪方式分解为东西和南北两个相对孤立的方向。镜场在东西方向采用传感器跟踪、天文定位跟踪等方式精确跟踪太阳的东西位置；南北方向则采用隔一段时间调整一次反射镜镜面南北向倾斜角度或者固定镜面倾斜角度不变的方式对太阳作准一维的跟踪甚至不跟踪，利用太阳能接收转换器件沿承载塔上下的移动与之相配合，实现南北向的精确跟踪。为了确保跟踪的准确性，系统专门设立了相应的管理控制装置，控制反射镜镜场与太阳能接收转换器之间的配合，确保反射镜镜场汇聚的太阳光被太阳能接收转换器准确的接收。

本发明提供的塔式太阳能发电系统用跟踪方法，可以在保证镜场对太阳的追踪精度的情况下有效降低塔式电站中塔的高度，拓展塔式太阳能发电系统规模的可随意缩放性，扩大塔式太阳能电站的应用范围。

附图说明

图1是本发明的该准二维的跟踪方法在塔式太阳能发电系统中的一个实施方式功能框图。

图2显示了利用图1所示的塔式太阳能发电系统用准二维跟踪方法在一个实施方式中的应用示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1及图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明对现有塔式太阳能发电系统使用的跟踪技术进行了改进，提出了一种反射镜镜场与运动的太阳能接收转换器相配合的太阳能跟踪技术，可以在保证镜场对太阳的跟踪精度的情况下有效降低系统的发电成本，扩展塔式太阳能发电站的应用范围。

以下将通过具体实施例来对本发明所提出的塔式太阳能发电用准二维太阳能跟踪技术进行详细说明。

图1是本发明的该准二维的跟踪方法在塔式太阳能发电系统中的一个实施方式功能框图。如图1所示，所述塔式太阳能发电系统包括：承载塔11、反射镜镜场13、太阳能接收转换器15、管理控制装置17、电力装置19。

以下对上述各个部分进行详细描述。

承载塔11是主要起到承载作用的结构。在本实施方式中，承载塔11可以新建或者采用已建成的各种信号塔、输电线塔、天线塔、灯塔、烟囱、风车、房屋或楼宇等各种形式的建筑。承载塔11设计的高度可以根据使用场合，在数米至上百米的范围内变化。

易知，在特定纬度地区，一年中太阳相对于某一地地平面的入射角受到地球自转和公转的影响而不断变化，但其变化可以分解为东西和南北两个方向。在东西方向上，太阳的变化通过反射镜镜场13中的反射镜东西向的跟踪方式解决；而在南北方向上，太阳的变化通过上下移动太阳能接收转换器15的方式解决。

太阳能接收转换器15设置在承载塔11上且面对反射镜镜场13、用于吸收经由反射镜镜场13的反射镜131反射过来的太阳光并将所述太阳光转化为电能和热能。特别地，太阳能接收转换器15是搭载在可升降的承载装置（未在图式中显示）上的，利用所述承载装置，可实现太阳能接收转换器15相对于承载塔11上下移动。

所述太阳能接收转换器15包括：太阳能转换组件151；位于所述太阳能转换组件前端的二次光学系统153，用于会聚太阳光并将会聚的光线耦合至太阳能转换组件的表面；位于所述太阳能转换组件后端的热管理系统155，用于对所述太阳能转换组件151产生的热能进行散热（以上未予以图示）。

其中，所述太阳能转换组件为一个独立且完整的太阳能电池器件、太阳能集热发电器件、太阳能热电转换器件、太阳能热机发电系统或者热光伏器件。所述太阳能转换组件151由单个或者多个分立的转换单元组成，所述转换单元之间采用串联和/或并联连接方式。所述转换单元内置有光电探测器，用于探测到达所述转换单元表面的太阳光强度。所述转换单元是由一个到多个转换子单元组成，所述转换子单元之间采用串联和/或并联连接方式。

反射镜镜场13，设置在承载塔11的就近区域，即设置在太阳能接收转换器15接受角所能囊括的区域内（例如距离承载塔11一定范围的地面上或建筑平面上）。在本实施方式中，反射镜镜场可以采用扇形、四边形、三角形、多边形等各种方式排列。进一步地，反射镜镜场13包括用于将不同方向照射过来的太阳光予以反射的一个或多个数量的反射镜131，每一个反射镜131都配置有对应的跟踪装置133，利用跟踪装置133可以驱动对应的反射镜调整跟踪太阳光的反射角度。在本实施方式中，所述反射镜镜场13中的反射镜131采用仅在东西向跟踪的一维跟踪或者在东西向精确跟踪而在南北向定时调节倾斜角度的准一维方式或者南北方向与东西方向均精确跟踪的二维方式来跟踪太阳光。

这里所述的一维跟踪方式具体指的是反射镜本身131只采用东西向跟踪（反射镜131的南北向倾斜角角度固定）；而准二维跟踪方式具体指的是反射镜131的南北向倾斜角角度仅在一年之中的特定日期（例如：春分、秋分和夏至、冬至）调整南北向的倾斜角度，而在平时仅采用东西向跟踪。当然，在本实施例中，较佳的是采用准二维跟踪方式，但并不以此为限，在其他条件许可的情况下，同样也可以采用仅东西方向跟踪南北方向不动的一维跟踪与运动的太阳能接收转换器相配合的跟踪方式，应具有相同或相似的追日效果。另外，在实际应用中，反射镜镜场13中的反射镜131可以采用平面镜、曲面镜或其他形状的镜子，反射镜131的形状可以采用三角形、圆形、椭圆形、四边形（例如矩形、菱形、正方形等）或多边形（例如正六边形、正八边形等）。

从上面的描述可知，本发明的塔式太阳能发电系统，提供了准二维追踪方式的反射镜镜场13与运动的太阳能接收转换器相配合的太阳能跟踪方法。

图2显示了利用图1所示的塔式太阳能发电系统在一个实施方式中的应用示意图。如图2所示，当太阳光从A的反射角度入射到南北向倾斜角角度固定的反射镜镜场13上时，光线被反射至承载塔11的聚焦点位置B处的太阳能接收转换器15所吸收；地球绕太阳的公转会导致太阳在地球上同一位置的高度角随时间发生变化，则将反射镜场13中的反射镜131的反射角度由A随之调整至A’，相应地，太阳能接收转换器15的聚焦点位置则由B调整为B’。

管理控制装置17是与太阳能接收转换器15和反射镜镜场13相连，用于根据从太阳能接收转换器15获得的光电转换数据控制反射镜镜场13中的反射镜131调整在东西方向上的反射角度和/或太阳能接收转换器15相对承载塔11上、下移动，以对太阳能接收转换器15进行聚光。

具体地，一方面，管理控制装置17可以发出控制指令至反射镜镜场13中相应的一个或多个的跟踪装置133，由跟踪装置133驱动对应的反射镜131调整跟踪太阳光的反射角度；另一方面，管理控制装置17可以发出控制指令至所述承载装置，令所述承载装置相对承载塔11上下移动，调整太阳能接收转换器15的位置。

电力装置19是与太阳能接收转换器15相连，用于接收太阳能接收转换器15所产生的电能并将所述电能进行转换输出。

以下将通过具体实施例来对本发明所提出的塔式太阳能发电系统进行详细说明。

实例一：

在实例一中，承载塔的塔高80米，反射镜镜场中的反射镜由南北向20排呈扇形方式在距承载塔南向48.009米的位置排列。反射镜在东西向精确跟踪，实现镜场对太阳光的横向汇聚，南北向各排反射镜与地面的夹角由近及远不断变化，使镜场收集到的太阳光在纵向汇聚到一点；太阳能接收器配合镜场聚焦点位置的变化沿着承载塔上下移动，接收镜场汇聚来的太阳光。采用一年内调整3次镜场内反射镜南北向倾斜角度的方法减少太阳能接收器的纵向移动距离。一年中镜场内反射镜的南北向倾角与太阳能接收器的纵向高度的对应关系如下表所示。

另外，太阳能接收转换器在承载装置的带动下沿着承载塔上下移动，以用于接收汇聚的太阳光。对于承载装置的移动控制可采用以下三种方式中的任一种实现：

1、根据计算将反射镜镜场聚光点位置在一年中的变化参数输入至管理控制装置中，由管理控制装置控制承载装置移动；

2、在承载塔的朝向反射镜镜场的塔体上配置光电探测器探测反射镜镜场聚光点的位置并将信号传送至管理控制装置，由管理控制装置控制相应的承载系统使其移动至相应汇聚点位置；

3、结合实现方式1和实现方式2，由管理控制装置控制承载系统A的移动。

实例二：

在实例二中，承载塔的塔高100米，反射镜镜场中的反射镜由南北向多排呈扇形方式在距承载塔南向的位置排列。反射镜在东西向精确跟踪，南北向固定，用于将太阳光汇聚到承载塔上的太阳能接收转换器上。在反射镜镜场中反射镜以一定南北向倾斜度安装完成后，一年中调整2次反射镜南北向倾斜角的方式，使反射镜镜场在春秋分和夏至冬至这四天的聚光点精确的固定在塔高40米处，使一年中镜场聚光点的位置沿着塔体在距地面35米至96米之间变化。

综上所述，本发明提供的塔式太阳能发电系统，在原有技术的基础上改进了镜场电站对太阳的跟踪方式，将反射镜镜场对太阳的跟踪方式分解为东西和南北两个相对孤立的方向。镜场在东西方向采用传感器跟踪、天文定位跟踪等方式精确跟踪太阳的东西位置；南北方向则采用隔一段时间调整一次反射镜镜面南北向倾斜角度或者固定镜面倾斜角度不变的方式对太阳作准一维的跟踪甚至不跟踪，利用太阳能接收转换器件沿承载塔上下的移动与之相配合，实现南北向的精确跟踪。为了确保跟踪的准确性，系统专门设立了相应的管理控制装置，控制反射镜镜场与太阳能接收转换器之间的配合，确保反射镜镜场汇聚的太阳光被太阳能接收转换器准确的接收。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

另外，本发明提供的塔式太阳能发电系统，采用的反射镜镜场与运动的太阳能接收转换器相配合的太阳能跟踪技术，可以在保证镜场对太阳的追踪精度的情况下有效降低塔式电站中塔的高度，拓展塔式太阳能发电系统规模的可随意缩放性，扩大塔式太阳能电站的应用范围。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种塔式太阳能发电系统，其特征在于，包括：

承载塔；

反射镜镜场，设置在所述承载塔的就近区域，包括反射镜以及对应配置以驱动所述反射镜调整跟踪太阳光的反射角度的跟踪装置；所述反射镜镜场中的反射镜采用仅在东西向跟踪的一维跟踪或者在东西向精确跟踪而在南北向定时调节倾斜角度的准一维方式或者南北方向与东西方向均精确跟踪的二维方式来跟踪太阳光；

太阳能接收转换器，设置在所述承载塔上且受光面朝向所述反射镜镜场用于吸收经由所述反射镜镜场反射过来的太阳光，并将所述太阳光转化为电能和热能；所述太阳能接收转换器搭载在提供升降的承载装置上实现相对于所述承载塔上、下移动；

管理控制装置，与所述太阳能接收转换器和所述反射镜镜场相连，用于根据从所述太阳能接收转换器获得的光电转换数据控制所述反射镜镜场中的所述反射镜调整在东西方向上的反射角度和所述太阳能接收转换器相对所述承载塔上下移动，以对所述太阳能接收转换器进行聚光；

电力装置，与所述太阳能接收转换器相连，用于接收所述太阳能接收转换器所产生的电能并将所述电能进行转换输出。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电系统，其特征在于，所述反射镜为平面镜或曲面镜，所述反射镜的形状为圆形、椭圆形或多边形。

3.根据权利要求1所述的塔式太阳能发电系统，其特征在于，所述太阳能接收转换器包括：

太阳能转换组件；

位于所述太阳能转换组件前端的二次光学系统，用于会聚太阳光并将会聚的光线耦合至太阳能转换组件的表面；

位于所述太阳能转换组件后端的热管理系统，用于对所述太阳能转换组件产生的热能进行散热。

4.根据权利要求3所述的塔式太阳能发电系统，其特征在于，所述太阳能转换组件为一个独立且完整的太阳能电池器件、太阳能集热发电器件、太阳能热电转换器件、太阳能热机发电系统或者热光伏器件。

5.根据权利要求3所述的塔式太阳能发电系统，其特征在于，所述太阳能转换组件由单个或者多个分立的转换单元组成，所述转换单元之间采用串联和/或并联连接方式。

6.根据权利要求5所示的塔式太阳能发电系统，其特征在于，所述转换单元内置有光电探测器，用于探测到达所述转换单元表面的太阳光强度。

7.根据权利要求5或6所述的塔式太阳能发电系统，其特征在于，所述转换单元是由一个到多个转换子单元组成，所述转换子单元之间采用串联和/或并联连接方式。