CN103868245A - 碟式太阳能热发电系统的混合集热结构 - Google Patents

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王林军
许立晓
王玺
芦士惠
邵磊
门静
张东
刘伟
甄萧斐
张景文
王英梅
李晓霞
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Abstract

碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，其目的是降低由于吸热器振动而产生的光线损失，防止偏移的光线照射到吸热器的其他元件而致其高温烧坏，提高光热和热电转换效率，该结构包括聚光器（1）、凸透镜（2）、吸热器（3）和斯特林发电机（4），斯特林发电机（4）安装在吸热器（3）上，吸热器（3）通过支撑架安装在聚光器（1）的前方，吸热器（3）采光口对着聚光器（1）且与其同轴，在吸热器（3）的采光口部位安装有凸透镜（2）。

Description

碟式太阳能热发电系统的混合集热结构
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，涉及碟式聚光器与凸透镜相结合的混合集热方式。
背景技术
碟式太阳能热发电系统是利用聚光器将太阳光汇聚到焦点上，使放置在焦点处的太阳能吸热器收集大量的热能，加热工质，驱动斯特林发电机进行发电。斯特林发电机通常是安装在吸热器上，吸热器是通过支撑架固定的，支撑架的另一端是聚光器。在碟式太阳能跟踪过程中，斯特林发电机处于运行状态，发电机会产生振动，由于吸热器支撑架相对较长，支撑架会产生振动，从而使吸热器产生振动，支撑架越长，吸热器振动就会越明显，这便会造成吸热器上的采光口偏移原来的位置，光线产生的实际光斑位置会与预期的光斑位置产生一定距离的偏移，汇聚后的光线不能完全照射到吸热器的采光孔内，降低聚光效率，产生光线损失，而且有可能照射到吸热器的其他元件而致其高温烧坏。
碟式太阳能热发电系统集热方式的现有技术有：“一种再反射型太阳能聚光装置” (专利号：ZL 200820156718.X), 该装置包括可上下转动主聚光镜，其反光面对着阳光，其特征在于，可上下转动的副聚光镜通过支撑杆设于主聚光镜的前方，其反光面对着主聚光镜，副聚光镜与主聚光镜同轴，在主聚光镜中心孔后部设有固定的吸热装置，可带动主聚光镜和副聚光镜转动连杆通过齿条连杆与转动支架连接，可作左右旋转的转动支架设于环形轨道上。但该装置会在太阳光两次反射过程中产生光线损失，降低了光利用率。
 “太阳能聚光装置及系统”（专利号：201210061599.0），该太阳能聚光装置，包括沿东西放置的两个半球面反射镜，其中西侧的反射镜的中心轴与竖直方向呈15°—30°夹角，且向西倾斜；东侧的反射镜的中心轴与竖直方向呈15°—30°夹角，且向东倾斜；包括固定于所述两个反射镜底部的横拉杆，所述的横拉杆两端装有轴承槽轮，所述轴承槽轮通过钢绳与绞盘相连。该装置结构相对复杂，结构稳定性相对较差。
“一种新型的聚光太阳能装置”（专利号：201310166629.9），其包括聚光透镜、太阳能吸热器、光跟踪驱动器、连动支架、系统固定支架、凹球面支架；所述聚光透镜和凹球面支架对应地固定在系统固定支架上，且光线从任意角度入射至聚光透镜时，该聚光透镜聚光的焦点均落在凹球面支架的内壁上，太阳能吸热器和光跟踪驱动器驱动使得太阳能吸热器沿所述的内壁运动，以便太阳能吸热器时刻位于聚光镜的焦点上。聚光透镜是固定安装的，不能进行位置调整，始终处于被动接受太阳光的处境，限制了能量的吸收。
“一种太阳能聚焦装置”（专利号：200520031415.1），该装置是一种棱镜的横截面是四边形，分为正棱镜、过渡镜、负棱镜三部分，该三部分组成的聚光棱镜单体，聚光棱镜单体的两个侧面和短边均镀有镀银层，长边面和负棱镜相邻的半面镀有能够阻止大部分光线透过的半镀银层，将一个以上的聚光棱镜单体连接起来围成环状，在将直径不相等的环围绕成聚光空锥，把一个以上的聚光空锥相邻围绕组成聚光半球体。但该装置适用面较小，不适合全天进行使用，同时聚焦后产生的能量较弱。
 目前，在碟式太阳能热发电装置中，聚光器的焦距较大，支撑架的长度较长，发电机在运行的过程中产生的振动明显，这就影响了碟式太阳能热发电系统的稳定性，降低了光热和热电转换效率。一般通过增大聚光器的深度来减小焦距，这样可以缩短吸热器支撑架的长度，提高机构的稳定性。如果只是单纯的增大聚光器的深度，则被聚光器聚焦反射的光线不能完全进入吸热器的采光口中，会产生一定的光线损失，降低光吸收效率。
发明内容
本发明的目的是降低由于吸热器振动而产生的光线损失，防止偏移的光线照射到吸热器的其他元件而致其高温烧坏，提高光热和热电转换效率。
本发明是碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，该结构包括聚光器1、凸透镜2、吸热器3和斯特林发电机4，斯特林发电机4安装在吸热器3上，吸热器3通过支撑架安装在聚光器1的前方，吸热器3采光口对着聚光器1且与其同轴，在吸热器3的采光口部位安装有凸透镜2。
该混合集热方式由聚光部分、接收部分、凸透镜等组成，本发明就是对原先的聚光集热装置进行了如下改进，包括两部分：
⑴    增大聚光器的深度：在光接受面积不变的情况下，适当增大聚光器的深度，可减小聚光器的焦距，缩短吸热器支撑架的长度，增大装置运行时的稳定性，防止偏移的光线照射到吸热器的其他元件而致其高温烧坏，降低了光线损失；吸热器支撑架的长度缩短，系统质量减少，传动系统的负载减少，则系统的能耗和制造成本相应降低；聚光器的焦距减小，其开口直径不变，即聚光器的口径比增大，从而增大了聚光器的聚光比，提高了聚光性能。
⑵    增加凸透镜：在吸热器的采光口部位安装一个凸透镜，将汇聚到焦点的光线通过凸透镜后以平行光的形式射入吸热器，加热其中的工质。增加凸透镜后可以更加均匀的加热工质，提高光热转换效率，并为斯特林发电机提供了一个均匀的温度环境，提高了热电转换效率。
本发明通过以上两种方式解决了热发电系统稳定性差、一次聚光容易产生偏差和耗能高等问题，提供了一种聚光性能好、光热和热电转换效率高、焦距小、吸热器支架短、结构稳定性好、耗能和成本低的碟式太阳能热发电系统的混合集热方式。
  本发明的优点是成本低、适用广泛，降低了系统质量，减少了系统的能耗和制造成本，提高了吸热器支撑架的稳定性，防止偏移光线照射到吸热器的其他元件而致其高温烧坏，降低了热损失，提高了聚光器的聚光性能，更加均匀的加热工质，有效提高了太阳能光热利用效率。
附图说明
图1为传统的碟式太阳能热发电系统集热结构示意图，图2为改进后的碟式太阳能热发电系统混合集热结构示意图。
具体实施方案
下面结合图1、图2对本发明的技术方案作进一步说明：
本发明为一种聚光器和凸透镜相结合的碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，该结构适当增大传统聚光器的深度，缩小了聚光器的焦距和支撑架的长度，提高了装置的聚光性能和系统的稳定性。如果只是增大聚光器的深度，会使通过聚光器反射聚集的太阳光不能完全被吸热器收集，产生光线损失，降低光吸收效率。所以，在吸热器3的采光口部位安装一个凸透镜2。 
如图1和图2所示：已知聚光器的开口直径B、传统聚光器的深度h1和本发明中聚光器相对于传统聚光器增大的深度△h的大小，且传统聚光器和本发明中聚光器开口直径相同。
（1）本发明中聚光器的深度h2：h2=h1+△h 
（2）传统聚光器与本发明中聚光器的焦距大小及其关系
由碟式聚光器的的抛物线方程                                                
Figure 680870DEST_PATH_IMAGE001
=4fx 可得：
  f1=，   f2=
Figure 287486DEST_PATH_IMAGE003
故聚光器焦距变化大小△f=f1-f2=-
Figure 473934DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 126763DEST_PATH_IMAGE002
-
（3）凸透镜和聚光器的距离与焦距之间的关系
由图1和图2可知：L1=f1，L2=f2+f3
（4）支撑架长度的缩短值△L
△L=L1-L2=f1-(f2+f3)=
Figure 962181DEST_PATH_IMAGE002
-
Figure 819279DEST_PATH_IMAGE004
-f3
式中：B-聚光器的开口直径，f1-传统聚光器的焦距，f2-本发明中聚光器的焦距，f3-凸透镜的焦距，L1-吸热器与传统聚光镜之间的距离，L2-吸热器与本发明中聚光镜之间的距离，h1-传统聚光器的深度，h2-本发明中聚光器的深度。
由图1和图2可知：h2>h1，聚光器的深度增大、焦距减小，聚光器的聚光比提高；L2<L1，聚光器与吸热器之间的距离减小，吸热器支撑架的长度缩短，吸热器的振动减小，故系统运行时的稳定性得到提高，并且吸热器支撑架长度缩短，系统质量降低，传动系统的负载减少，故系统的能耗和制造成本降低；另外，在吸热器采光口部位安装一个凸透镜，将被聚光器聚集反射到焦点的光线以平行光的形式射入吸热器内，可以更加均匀的加热工质，防止偏移的光线照射到吸热器的其他元件而致其高温烧坏，降低热损失，提高光吸收效率。
如图2所示，碟式太阳能热发电系统由聚光器1、凸透镜2、吸热器3和斯特林发动机4等组成，聚光器1将太阳光反射聚集到焦点O上，该焦点既是聚光器的焦点，也是凸透镜的焦点，汇聚到焦点O处的太阳光通过凸透镜2变成平行光，然后射入吸热器3的采光口内，加热工质，驱动斯特林发电机4进行发电。平行光相对于之前的点聚焦光可以更加均匀的加热工质，提高了光热转换效率，并为斯特林发电机提供了一个均匀的温度环境，提高了热电转换效率。该发明减小了光线损失，提高光热和热电转换效率，提高了聚光器的聚光比，解决了由于支撑架过长而产生的系统稳定性差，一次聚光容易产生偏差的问题，提供了一种聚光性能好、焦距小、吸热器支撑架短、结构稳定性好、耗能和成本低的碟式太阳能热发电系统的混合集热结构。   

Claims (6)

1.碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，其特征在于该结构包括聚光器（1）、凸透镜（2）、吸热器（3）和斯特林发电机（4），斯特林发电机（4）安装在吸热器（3）上，吸热器（3）通过支撑架安装在聚光器（1）的前方，吸热器（3）采光口对着聚光器（1）且与其同轴，在吸热器（3）的采光口部位安装有凸透镜（2）。
2.根据权利要求1所述的碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，其特征在于，凸透镜（2）直接安装在吸热器（3）采光口前端。
3.根据权利要求1所述的碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，其特征在于，所述的聚光器（1）的焦点与凸透镜（2）的焦点重合。
4.根据权利要求1所述的碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，其特征在于，吸热器（3）和聚光器（1）的距离与聚光器（1）和凸透镜（2）的焦距之间的关系为：L2=f2+f3。
5.根据权利要求1所述的碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，其特征在于，所述的聚光器（1）的焦距相应减小△f，其中△f=                                                
Figure 480708DEST_PATH_IMAGE001
-
Figure 639157DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 350761DEST_PATH_IMAGE001
-
Figure 215949DEST_PATH_IMAGE003
。
6.根据权利要求1所述的碟式太阳能热发电系统的混合集热结构，其特征在于，所述的吸热器（3）与聚光器（1）的距离缩短△L，吸热器（3）的支撑架的长度也缩短为△L，
其中△L =
Figure 666390DEST_PATH_IMAGE001
-
Figure 249818DEST_PATH_IMAGE003
-f3 。
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