CN105042891A - 一种碟式太阳能集热利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碟式太阳能集热利用系统。包括碟式太阳能聚光器、太阳能集热器、太阳跟踪控制装置、立柱和热能转换利用装置；碟式太阳能聚光器部分地由第一和第二聚光器支架支撑，太阳能集热器通过第一和第二集热器支架固定在碟式太阳能聚光器的焦点处；第一聚光器支架与第一集热器支架的两端连通，第二聚光器支架与第二集热器支架的两端连通；立柱固定在地面上，立柱内设有第一和第二传输通道；第一集热器支架、第一聚光器支架和第一传输通道构成冷工作介质的传输通道，第二集热器支架、第二聚光器支架和第二传输通道构成热工作介质的传输通道。该系统结构简单，成本低，可靠性高，为碟式太阳能热利用的规模化应用提供了可能。

Description

一种碟式太阳能集热利用系统

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，更具体地，涉及一种碟式太阳能集热利用系统。

背景技术

能源是经济社会发展的重要基础，传统化石能源因其不可再生性，其大规模消耗会导致人类可利用的化石能源日益枯竭，而且化石能源利用过程中所引起的环境问题严重威胁着人类的生存与发展。发展可再生的清洁能源成为解决能源危机的必由之路。太阳能因其分布广泛、蕴量巨大、免费使用及不污染环境等优点，与其他可再生能源相比具有巨大的发展前途，是未来能源利用的重要发展方向。

太阳能集热利用的一个主要方向是太阳能热发电。太阳能热发电较光伏发电具有效率高、成本低、生产过程对环境影响小等优点。根据不同的热机工作原理，发电系统可以采用的热力循环有：朗肯循环(蒸汽轮机)、布雷顿循环(燃气轮机)和斯特林循环(斯特林发动机)。根据不同的聚光方式，当前的太阳能热发电系统主要可分为槽式、塔式和碟式。碟式太阳能热发电系统中主要采用的是斯特林循环。碟式斯特林发电系统工作过程中几乎不需要水，发电效率可达30％以上。相较于其他类型的太阳能热发电系统，碟式太阳能热发电具有应用灵活、占地面积小、较高的聚光比、效率高、便于模块化组装和组成混合发电系统等优点。

碟式太阳能热发电系统的主要组成部分为：碟式聚光器、太阳能集热器、热能转换利用装置及太阳跟踪控制系统。其工作原理为：碟式的聚光器将低密度的太阳光聚集在其焦点处，设置于焦点处的太阳能集热器吸收高能量密度的太阳光能量并将热量传递给斯特林发动机，进而驱动发电机发电。

在传统的碟式太阳能热发电系统中，热能转换利用装置(斯特林发动机)与太阳能集热器结合为一整体安装于碟式聚光器焦点处完成太阳能集热与能量转换利用的过程。这种设计虽然热量损失小、结构更为紧凑，但同时带来以下问题：热能转换利用装置的分散化布置限制其单机容量；此种模块化布置仅适用于太阳能的小规模应用，不宜推广至太阳能的规模化应用；太阳能集热器、聚光器与立柱支架荷载大，支撑结构复杂、成本增加；热能转换利用装置对入射阳光干扰强；电气接线与布置复杂等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碟式太阳能集热利用系统，其结构简单，成本低，可靠性高，为碟式太阳能热利用的规模化应用提供了可能。

为实现上述目的，本发明提供了一种碟式太阳能集热利用系统，其特征在于，包括碟式太阳能聚光器、太阳能集热器、太阳跟踪控制装置、立柱和热能转换利用装置；所述碟式太阳能聚光器上设置有第一聚光器支架和第二聚光器支架，用于支撑所述蝶式太阳能聚光器，所述太阳能集热器通过第一集热器支架和第二集热器支架固定在所述碟式太阳能聚光器的焦点处；所述第一聚光器支架、所述第二聚光器支架、所述第一集热器支架和所述第二集热器支架均为中空的管道结构，所述第一聚光器支架的两端分别与所述第一集热器支架的两端连通，所述第二聚光器支架的两端分别与所述第二集热器支架的两端连通；所述立柱竖直固定在地面上，所述太阳跟踪控制装置安装在所述碟式太阳能聚光器的背面，设置在所述立柱上；所述热能转换利用装置安装于地面上，与所述太阳能集热器分离；所述立柱内设有第一传输通道和第二传输通道，所述第一传输通道的上端与所述第一聚光器支架的中部连通，下端通过循环泵连接所述热能转换利用装置，所述第二传输通道的上端与所述第二聚光器支架的中部连通，下端连接所述热能转换利用装置；所述第一集热器支架、所述第一聚光器支架和所述第一传输通道构成冷工作介质的传输通道，所述第二集热器支架、所述第二聚光器支架和所述第二传输通道构成热工作介质的传输通道；所述系统利用所述冷工作介质的传输通道和所述热工作介质的传输通道完成太阳能的传输与转换利用。

优选地，所述第一聚光器支架的中部与所述第一传输通道通过软管连接，所述第二聚光器支架的中部与所述第二传输通道通过软管连接；其中，所述第二聚光器支架的中部与软管的接口处设置有联箱，由所述第二聚光器支架流出的热工作介质经所述联箱混合后进入所述第二传输通道，所述联箱用于减少工作介质的热偏差，使工作介质的吸热与流动性能得到优化与提高。

优选地，所述第一聚光器支架、所述第二聚光器支架、所述第一集热器支架和所述第二集热器支架结构相同，均包括不锈钢管及覆盖在所述不锈钢管表面的聚胺酯保温层，以确保良好的密封性能和保温性能。

优选地，所述第一聚光器支架和所述第一集热器支架的两端分别通过保温弯头连接，所述第二聚光器支架和所述第二集热器支架的两端分别通过保温弯头连接，所述保温弯头包括不锈钢管及覆盖在所述不锈钢管表面的聚胺酯保温层，以保证工作介质的传输通道具有良好的密封性能和保温性能。

优选地，所述第一传输通道和所述第二传输通道固定在所述立柱内，其间设有绝热层。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、将热能转换利用装置设置于地面与太阳能集热器分离，一方面使集热器支架、聚光器支架和立柱所承受的载荷减少，支架和立柱结构变得简单，材料用量减少，成本降低；另一方面使太阳跟踪控制装置所需要的驱动力减小，进而使太阳跟踪控制机构的投资降低。

2、热能转换利用装置不再设置于太阳能集热器上，使碟式太阳能集热利用系统的抗风能力增强，提高了其在恶劣气候下的生存能力，同时，热能转换利用装置对入射阳光的干扰减弱，使碟式太阳能聚光器的聚光能力增强，提高了对太阳能的利用率，此外，还简化了热能转换利用装置的电气接线与布置。

3、对集热器支架和聚光器支架进行了重新设计，使其同时作为冷、热工质的传输通道，达到一物多用的目的，能减少材料用量，降低生产安装成本。

4、第一与第二传输通道布置于立柱内不仅能起到部分支撑的作用，而且还能减少管道的对流热损失与腐蚀破坏，使结构紧凑方便模块化安装。

5、经多个碟式聚光-集热组件加热的工作介质更易于汇集在一起，一方面有利于将获得的太阳能传递给储热介质，克服了一般碟式太阳能集热利用系统不能储能的缺点，也更易于同辅助燃料系统结合起来，提高了碟式太阳能集热利用系统的可靠性；另一方面有利于驱动大功率的热能转换利用装置，提高了对太阳能的利用率，为碟式太阳能热利用的规模化应用提供了可能。

附图说明

图1是本发明实施例的碟式聚光-集热组件的结构示意图；

图2是本发明实施例的碟式太阳能集热利用系统的结构示意图；

图3是立柱内部管道布置图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-太阳能集热器，2-碟式太阳能聚光器，3-第一集热器支架，4-第二集热器支架，5-第一聚光器支架，6-第二聚光器支架，7-立柱，8-太阳跟踪控制装置，9-联箱，10-第一传输通道，11-第二传输通道，12-绝热层，13-软管，14-循环泵，15-热能转换利用装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明突破了传统的碟式太阳能集热利用系统中热能转换利用装置与工质传输通道的布置，创造性地赋予太阳能集热器支架、碟式聚光器支架和立柱新的功能，公开了一种新型的太阳能集热利用系统，达到了节约成本、碟式太阳能集热利用系统模块化组装和规模化应用的目的。

本发明实施例的碟式太阳能集热利用系统包括碟式太阳能聚光器2、太阳能集热器1、太阳跟踪控制装置8、立柱7和热能转换利用装置15。碟式太阳能聚光器2设计为旋转抛物面形，镜面研磨光洁采用镀银玻璃背面镜，由几十片弧形镜组装而成。碟式太阳能聚光器2采用机械紧固件将镜片与整个盘面组成连续而完整的薄壳镜面盘体。

如图1所示，碟式太阳能聚光器2上设置有第一聚光器支架5和第二聚光器支架6，用于支撑所述蝶式太阳能聚光器，第一聚光器支架5和第二聚光器支架6呈十字交叉排列。太阳能集热器1通过第一集热器支架3和第二集热器支架4固定在碟式太阳能聚光器2的焦点处，第一集热器支架3和第二集热器支架4呈十字交叉排列。第一聚光器支架5、第二聚光器支架6、第一集热器支架3和第二集热器支架4均为中空的管道结构，第一聚光器支架5和第一集热器支架3正对，第一聚光器支架5的两端分别与第一集热器支架3的两端连通，第二聚光器支架6和第二集热器支架4正对，第二聚光器支架6的两端分别与第二集热器支架4的两端连通。值得注意的是，图1中聚光器支架的尺寸小于集热器支架，仅为了清楚地表示出各支架结构，不应构成对支架尺寸的限制。

如图2所示，立柱7竖直固定在地面上，太阳跟踪控制装置8安装在碟式太阳能聚光器2的背面，设置在立柱7上，用于实时调整碟式太阳能聚光器2的位置以使其更高效率地聚集太阳能。热能转换利用装置15安装于地面上，与太阳能集热器分离。立柱7内设有第一传输通道10和第二传输通道11，第一传输通道10的上端与第一聚光器支架5的中部连通，下端通过循环泵14连接热能转换利用装置15，第二传输通道11的上端与第二聚光器支架6的中部连通，下端连接热能转换利用装置15。第一集热器支架3、第一聚光器支架5和第一传输通道10构成冷工作介质的传输通道，第二集热器支架4、第二聚光器支架6和第二传输通道11构成热工作介质的传输通道。

如图3所示，第一传输通道10和第二传输通道11通过焊接固定在立柱7内，其间设有绝热层12。显然地，第一传输通道10和第二传输通道11设置于立柱7内能使整个系统的布置更为紧凑，便于集热利用系统的模块化组装，且能减少工作介质流动过程中的热量损失。第一传输通道10和第二传输通道11还能起到部分支撑作用。

工作时，碟式太阳能聚光器2将太阳光聚焦到太阳能集热器1上。冷工作介质在循环泵14的作用下由第一传输通道10分两路进入第一聚光器支架5后，分别由第一聚光器支架5的两端进入第一集热器支架3，再通过第一集热器支架3进入太阳能集热器1的低温端，与太阳能集热器1换热收集太阳能集热器1吸收的高能量密度的太阳能后变为热工作介质；热工作介质分成两路进入第二集热器支架4后，分别由第二集热器支架4的两端进入第二聚光器支架6，再由第二聚光器支架6进入第二传输通道11，最后将热量传递至热能转换利用装置15后变为冷工作介质进入第一传输通道10。如此循环往复，太阳能集热器1通过工作介质将吸收的高能量密度的太阳能传递至热能转换利用装置15，由热能转换利用装置15进行综合利用。通过循环泵14保证工作介质的流动速度满足热能转换利用装置15对工作介质的要求。

第一集热器支架3、第二集热器支架4、第一聚光器支架5和第二聚光器支架6在起支撑作用的同时，还兼作冷热工作介质的传输通道，达到一物多用的目的，能减少材料用量，降低生产安装成本。第一聚光器支架5和第二聚光器支架6沿碟式太阳能聚光器2的抛物面设计为抛物线形，通过焊接与碟式太阳能聚光器2的其它支撑部分组成整体。

第一集热器支架3、第二集热器支架4、第一聚光器支架5和第二聚光器支架6结构相同，均包括SS-316L型不锈钢管及覆盖在SS-316L型不锈钢管表面的聚胺酯保温层，以确保良好的密封性能和保温性能。第一集热器支架3和第一聚光器支架5的两端分别通过合适角度的保温弯头连接，第二集热器支架4和第二聚光器支架6的两端分别通过合适角度的保温弯头连接，保温弯头包括SS-316L型不锈钢管及覆盖在SS-316L型不锈钢管表面的聚胺酯保温层，以保证工作介质的传输通道具有良好的密封性能和保温性能。

第一聚光器支架5的中部与第一传输通道10以及第二聚光器支架6的中部与第二传输通道11均通过软管13连接，其中，第二聚光器支架6的中部与软管的接口处设置有联箱9，由第二聚光器支架6流出的热工作介质经联箱9混合后进入第二传输通道11。此处联箱9的作用为：减少工作介质的热偏差，使工作介质的吸热与流动等性能得到优化与提高。

显然的，碟式太阳能聚光器的反光材料亦可选用反光性更好的经阳极氧化的高纯铝。较佳的，太阳能集热器1选用常见的腔式集热器，内层增加绝热材料以提高其绝热性能，外层材质为不锈钢。为构成工作介质的循环通道，太阳能集热器1应预留工作介质传输通道的接口并且保证接口具有良好的密封性能。太阳能集热器1的吸热面应涂有选择性涂层以增加吸收比，提高效率。

在实际应用过程中，可以根据能量需求并联或串联多个本发明所述的碟式太阳能热利用装置的碟式聚光-集热组件以达到碟式太阳能系统规模化应用的目的。工作介质获得的大量热能既可直接储存又可以用于供热或者其他热能利用，可以带动斯特林发电机组发电，也可以与其他常规发电系统组成混合发电系统等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碟式太阳能集热利用系统，其特征在于，包括碟式太阳能聚光器、太阳能集热器、太阳跟踪控制装置、立柱和热能转换利用装置；

所述碟式太阳能聚光器上设置有第一聚光器支架和第二聚光器支架，用于支撑所述蝶式太阳能聚光器，所述太阳能集热器通过第一集热器支架和第二集热器支架固定在所述碟式太阳能聚光器的焦点处；所述第一聚光器支架、所述第二聚光器支架、所述第一集热器支架和所述第二集热器支架均为中空的管道结构，所述第一聚光器支架的两端分别与所述第一集热器支架的两端连通，所述第二聚光器支架的两端分别与所述第二集热器支架的两端连通；

所述立柱竖直固定在地面上，所述太阳跟踪控制装置安装在所述碟式太阳能聚光器的背面，设置在所述立柱上；所述热能转换利用装置安装于地面上，与所述太阳能集热器分离；所述立柱内设有第一传输通道和第二传输通道，所述第一传输通道的上端与所述第一聚光器支架的中部连通，下端通过循环泵连接所述热能转换利用装置，所述第二传输通道的上端与所述第二聚光器支架的中部连通，下端连接所述热能转换利用装置；所述第一集热器支架、所述第一聚光器支架和所述第一传输通道构成冷工作介质的传输通道，所述第二集热器支架、所述第二聚光器支架和所述第二传输通道构成热工作介质的传输通道；所述系统利用所述冷工作介质的传输通道和所述热工作介质的传输通道完成太阳能的传输与转换利用。

2.如权利要求1所述的碟式太阳能集热利用系统，其特征在于，所述第一聚光器支架的中部与所述第一传输通道通过软管连接，所述第二聚光器支架的中部与所述第二传输通道通过软管连接；其中，所述第二聚光器支架的中部与软管的接口处设置有联箱，由所述第二聚光器支架流出的热工作介质经所述联箱混合后进入所述第二传输通道，所述联箱用于减少工作介质的热偏差，使工作介质的吸热与流动性能得到优化与提高。

3.如权利要求1或2所述的碟式太阳能集热利用系统，其特征在于，所述第一聚光器支架、所述第二聚光器支架、所述第一集热器支架和所述第二集热器支架结构相同，均包括不锈钢管及覆盖在所述不锈钢管表面的聚胺酯保温层，以确保良好的密封性能和保温性能。

4.如权利要求3所述的碟式太阳能集热利用系统，其特征在于，所述第一聚光器支架和所述第一集热器支架的两端分别通过保温弯头连接，所述第二聚光器支架和所述第二集热器支架的两端分别通过保温弯头连接，所述保温弯头包括不锈钢管及覆盖在所述不锈钢管表面的聚胺酯保温层，以保证工作介质的传输通道具有良好的密封性能和保温性能。

5.如权利要求1或2所述的碟式太阳能集热利用系统，其特征在于，所述第一传输通道和所述第二传输通道固定在所述立柱内，其间设有绝热层。