CN105042893A - 一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法，该装置包括高度可调底座以及固定于高度可调底座上的线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列包括多组线性跟踪太阳能聚光集热单元，每组线性跟踪太阳能聚光集热单元包括多个串联连接的线性跟踪太阳能聚光集热单元；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列在高度可调底座的带动下能够改变任意一端的高度；本发明还提供该装置聚光集热的方法；本发明能够实现线性跟踪太阳能聚光集热场变辐照高效聚光集热。

Description

一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法
技术领域
本发明属于太阳能聚光集热技术领域，具体涉及一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法。
背景技术
由于太阳辐照不连续不稳定，使太阳能热发电系统经常在偏离设计工况运行，引起变辐照时太阳能净发电效率远远偏离峰值效率，从而导致太阳能热发电全年效率低。因此，如何提高变辐照时的聚光集热效率是太阳能热发电技术研究的核心。
传统的线性跟踪太阳能聚光集热系统采用单轴水平跟踪，如槽式太阳能聚光集热器和线性菲涅尔式太阳能聚光集热器，其跟踪轴水平布置，对于中高纬度地区会造成变辐照光学损失大的问题，因此全年聚光集热效率低。
为实现槽式太阳能集热系统双轴跟踪，美国Sandia国家实验室将一块槽式太阳能聚光镜固定于一个可移动的台架上，台架通过跟踪装置实时跟踪太阳光。实验结果表明，跟踪精度存在较大误差，而且台架规模小，无法实现规模化。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法，以实现线性跟踪太阳能聚光集热场变辐照高效聚光集热。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置，包括高度可调底座2以及固定于高度可调底座2上的线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1包括多组线性跟踪太阳能聚光集热单元，每组线性跟踪太阳能聚光集热单元包括多个串联连接的线性跟踪太阳能聚光集热单元；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1在高度可调底座2的带动下能够改变任意一端的高度。
所述高度可调底座2包括油箱2-1，通过吸油管2-7与油箱2-1连接的大活塞2-2和小活塞2-3，在小活塞2-3与油箱2-1连接的吸油管2-7上设置有第一单向阀2-4，在大活塞2-2与油箱2-1连接的吸油管2-7上设置有截止阀2-5，在大活塞2-2与和小活塞2-3连接的管路上设置有第二单向阀2-6；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元固定在大活塞2-2上方。
所述线性跟踪太阳能聚光集热单元包括线性跟踪聚光镜1-1、集热管1-2和支架1-3，所述线性跟踪聚光镜1-1通过支架1-3固定于高度可调底座2上，所述集热管1-2固定于抛物槽式线性跟踪聚光镜1-1的聚光轴线上；各线性跟踪太阳能聚光集热单元的集热管1-2被无缝串联连接构成集热管回路。
所述线性跟踪聚光镜1-1为抛物槽式线性跟踪聚光镜或线性菲涅尔式线性跟踪聚光镜。
上述所述倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置的聚光集热方法，开启高度可调底座2，根据所在地理位置和太阳高度角的变化调节线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1两端高度，线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1根据太阳入射角的变化围绕倾斜轴旋转跟踪；抛物槽式线性跟踪聚光镜1-1反射汇聚太阳光，将太阳光反射到位于抛物槽式线性跟踪聚光镜1-1焦线处的集热管1-2上，加热集热管1-2中的传热流体，从而将传热流体的热能进行利用；
所述高度可调底座2调节线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1两端高度的方法为：采用电驱动或者手动提起小活塞2-3，小活塞2-3下端油腔容积增大，形成局部真空，这时第一单向阀2-4打开，通过吸油管2-7从油箱2-1中吸油；用力压下小活塞2-3，小活塞2-3下腔压力升高，第一单向阀2-4关闭，第二单向阀2-6打开，油液经管道输入大活塞2-2的下腔，迫使大活塞2-2向上移动，大活塞2-2与线性跟踪太阳能聚光集热单元固连，从而顶起线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架1-3；再次提起小活塞2-3吸油时，第二单向阀2-6自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架1-3不会自行下落；不断地往复提起压下小活塞2-3，就能不断地把油液压入大活塞2-2的下腔，使线性跟踪太阳能聚光集热单元逐渐地升起；如果打开截止阀2-5，大活塞2-2下腔的油液通过管道、截止阀2-5流回油箱2-1，线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架1-3就向下移动；从而能够改变线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1两端的高度。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明提供的倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法，能在每天不同时段实现南北向高度可调功能，改变聚光镜采光口法平面方向，从而减小太阳光入射方向与聚光镜采光口法线方向不平行引起的余弦损失，使年均聚光集热效率提高约7个百分点。
2、本发明提供的倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法，适用于全球不同纬度地区和不同气象条件，根据不同纬度，改变高度可调底座的高度，从而改变聚光集热器倾斜角，具有普适性。
3、本发明提供的倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法，可改变线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列的长度，避免其过长造成的一端高度过高。
4、本发明提供的倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置及方法，适用于不同类型的线性跟踪太阳能聚光镜，例如槽式太阳能聚光镜和线性菲涅尔式太阳能聚光镜。
附图说明
图1为本发明倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置的结构示意图。
图2为高度可调底座的结构示意图。
图3为线性跟踪太阳能聚光集热单元的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置，包括高度可调底座2以及固定于高度可调底座2上的线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1包括多组线性跟踪太阳能聚光集热单元，每组线性跟踪太阳能聚光集热单元包括多个串联连接的线性跟踪太阳能聚光集热单元；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1在高度可调底座2的带动下能够改变任意一端的高度。
如图2所示，高度可调底座2包括油箱2-1，通过吸油管2-7与油箱2-1连接的大活塞2-2和小活塞2-3，在小活塞2-3与油箱2-1连接的吸油管2-7上设置有第一单向阀2-4，在大活塞2-2与油箱2-1连接的吸油管2-7上设置有截止阀2-5，在大活塞2-2与和小活塞2-3连接的管路上设置有第二单向阀2-6；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元固定在大活塞2-2上方。
如图3所示，线性跟踪太阳能聚光集热单元包括线性跟踪聚光镜1-1、集热管1-2和支架1-3，所述线性跟踪聚光镜1-1通过支架1-3固定于高度可调底座2上，所述集热管1-2固定于抛物槽式线性跟踪聚光镜1-1的聚光轴线上；各线性跟踪太阳能聚光集热单元的集热管1-2被无缝串联连接构成集热管回路。
作为本发明的优选实施方式，所述线性跟踪聚光镜1-1为抛物槽式线性跟踪聚光镜或线性菲涅尔式线性跟踪聚光镜。
如图1所示，上述所述倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置的聚光集热方法，开启高度可调底座2，根据所在地理位置和太阳高度角的变化调节线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1两端高度，线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1根据太阳入射角的变化围绕倾斜轴旋转跟踪；抛物槽式线性跟踪聚光镜1-1反射汇聚太阳光，将太阳光反射到位于抛物槽式线性跟踪聚光镜1-1焦线处的集热管1-2上，加热集热管1-2中的传热流体，从而将传热流体的热能进行利用；
如图2所示，所述高度可调底座2调节线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1两端高度的方法为：采用电驱动或者手动提起小活塞2-3，小活塞2-3下端油腔容积增大，形成局部真空，这时第一单向阀2-4打开，通过吸油管2-7从油箱2-1中吸油；用力压下小活塞2-3，小活塞2-3下腔压力升高，第一单向阀2-4关闭，第二单向阀2-6打开，油液经管道输入大活塞2-2的下腔，迫使大活塞2-2向上移动，大活塞2-2与线性跟踪太阳能聚光集热单元固连，从而顶起线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架1-3；再次提起小活塞2-3吸油时，第二单向阀2-6自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架1-3不会自行下落；不断地往复提起压下小活塞2-3，就能不断地把油液压入大活塞2-2的下腔，使线性跟踪太阳能聚光集热单元逐渐地升起；如果打开截止阀2-5，大活塞2-2下腔的油液通过管道、截止阀2-5流回油箱2-1，线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架1-3就向下移动；从而能够改变线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列1两端的高度。
实施例
这里以槽式太阳能聚光集热器为例进行说明。图2是倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置示意图。太阳能集热场选用LS-3型槽式太阳能集热器，包含抛物槽式太阳能聚光镜和集热管，循环工质为THERMINOLVP-1型号导热油。导热油进出口温度分别为276°和292℃。集热场通过一台油水换热器与动力岛进行热量交换。在循环泵的作用下，导热油被输送至各回路的槽式聚光集热器，吸收来自太阳的辐射热使温度逐渐升高，在母管汇集后进入膨胀罐。若膨胀罐出口油温低于换热器的设计换热温度，此时不进行换热，导热油重新泵送至聚光集热器继续加热，直到达到设计换热温度值；设计工况下，膨胀罐出口油温达到设计换热温度，启动太阳能给水加热器与动力岛给水侧进行换热，换热器出口油温降至循环初温，继续参与下一次循环。
气象条件选用我国新疆地区(纬度44.1°N)的数据，全年日照时数为2719～3115小时，日照百分率为60％～80％，年辐射总量达5430～6670MJ·m-2。新疆地区在典型气象年(TMY)的全年气象数据从美国国家可再生能源实验室(NREL)开发的SAM软件中获得。
表1是倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置的年均性能。经过计算，当跟踪轴倾斜角为15度时，年均余弦损失将从17％下降到10％，从而使年均集热效率从52％提升到59％。
表1倾斜跟踪轴槽式太阳能聚光集热装置年均性能
跟踪轴倾斜角 年均余弦损失 年均集热效率
0° 17.0％ 52.3％
2° 16.0％ 53.3％
5° 14.4％ 54.8％
10° 12.0％ 57.2％
15° 9.8％ 59.5％

Claims (5)

1.一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置，其特征在于：包括高度可调底座(2)以及固定于高度可调底座(2)上的线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列(1)；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列(1)包括多组线性跟踪太阳能聚光集热单元，每组线性跟踪太阳能聚光集热单元包括多个串联连接的线性跟踪太阳能聚光集热单元；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列(1)在高度可调底座(2)的带动下能够改变任意一端的高度。
2.根据权利要求1所述的一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置，其特征在于：所述高度可调底座(2)包括油箱(2-1)，通过吸油管(2-7)与油箱(2-1)连接的大活塞(2-2)和小活塞(2-3)，在小活塞(2-3)与油箱(2-1)连接的吸油管(2-7)上设置有第一单向阀(2-4)，在大活塞(2-2)与油箱(2-1)连接的吸油管(2-7)上设置有截止阀(2-5)，在大活塞(2-2)与和小活塞(2-3)连接的管路上设置有第二单向阀(2-6)；所述线性跟踪太阳能聚光集热单元固定在大活塞(2-2)上方。
3.根据权利要求1所述的一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置，其特征在于：所述线性跟踪太阳能聚光集热单元包括线性跟踪聚光镜(1-1)、集热管(1-2)和支架(1-3)，所述线性跟踪聚光镜(1-1)通过支架(1-3)固定于高度可调底座(2)上，所述集热管(1-2)固定于抛物槽式线性跟踪聚光镜(1-1)的聚光轴线上；各线性跟踪太阳能聚光集热单元的集热管(1-2)被无缝串联连接构成集热管回路。
4.根据权利要求3所述的一种倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置，其特征在于：所述线性跟踪聚光镜(1-1)为抛物槽式线性跟踪聚光镜或线性菲涅尔式线性跟踪聚光镜。
5.权利要求1-4任一项所述倾斜轴线性跟踪太阳能聚光集热装置的聚光集热方法，其特征在于：开启高度可调底座(2)，根据所在地理位置和太阳高度角的变化调节线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列(1)两端高度，线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列(1)根据太阳入射角的变化围绕倾斜轴旋转跟踪；抛物槽式线性跟踪聚光镜(1-1)反射汇聚太阳光，将太阳光反射到位于抛物槽式线性跟踪聚光镜(1-1)焦线处的集热管(1-2)上，加热集热管(1-2)中的传热流体，从而将传热流体的热能进行利用；
所述高度可调底座(2)调节线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列(1)两端高度的方法为：采用电驱动或者手动提起小活塞(2-3)，小活塞(2-3)下端油腔容积增大，形成局部真空，这时第一单向阀(2-4)打开，通过吸油管(2-7)从油箱(2-1)中吸油；用力压下小活塞(2-3)，小活塞(2-3)下腔压力升高，第一单向阀(2-4)关闭，第二单向阀(2-6)打开，油液经管道输入大活塞(2-2)的下腔，迫使大活塞(2-2)向上移动，大活塞(2-2)与线性跟踪太阳能聚光集热单元固连，从而顶起线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架(1-3)；再次提起小活塞(2-3)吸油时，第二单向阀(2-6)自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架(1-3)不会自行下落；不断地往复提起压下小活塞(2-3)，就能不断地把油液压入大活塞(2-2)的下腔，使线性跟踪太阳能聚光集热单元逐渐地升起；如果打开截止阀(2-5)，大活塞(2-2)下腔的油液通过管道、截止阀(2-5)流回油箱(2-1)，线性跟踪太阳能聚光集热单元的支架(1-3)就向下移动；从而能够改变线性跟踪太阳能聚光集热单元阵列(1)两端的高度。
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