CN105241089B - 一种方位跟踪利用太阳光集热系统 - Google Patents

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Abstract

一种方位跟踪利用太阳光集热系统，包括同心设置且半径不同的多个转盘、驱动各转盘同步转动的电机、铰接在转盘上的多组反射装置以及设在各转盘内部空间中的真空管组，每个转盘内圈中位于首端排列的真空管中设有伸入到其内部腔室底部的进水管，不同转盘内圈的进水管集结后与水泵连接，每个转盘内圈中位于末端排列的真空管中设有用于输出热水或蒸汽的输出管，不同转盘内圈的输出管集结后与储能箱连接；各转盘通过交叉设置的连接杆相互连接，各转盘的下端面上均设有轨道以及安装在轨道中的支撑轮。本发明能够通过整反射装置中反射镜的迎光面与地平面之间的夹角大小以及通过电机驱动圆盘转动，实现对太阳光的跟踪利用，最大限度地获取太阳能。

Description

一种方位跟踪利用太阳光集热系统
技术领域
本发明涉及太阳能跟踪利用技术，具体的说是一种方位跟踪利用太阳光集热系统。
背景技术
我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源，据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×1018KJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2·A，中值为586KJ/cm2·A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。
太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决，而太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率。申请号为200910206030.7的发明专利公开了一种自动跟踪太阳能发电装置，该装置通过挡板和东西方向设置的感光器产生电压差输出信号，控制电机工作实现太阳能电池支架及太阳能电池板水平角度的调整，该装置仅仅实现了小范围的太阳能俯仰跟踪发电，难以满足集成式全方位跟踪；现有的自动跟踪太阳灶和五象限法太阳自动跟踪仪，结构复杂。
发明内容
本发明的目的为提高太阳能装置的太阳能利用率，克服现有技术中因跟踪不到位而导致太阳能接受率低的问题，提供一种方位跟踪利用太阳光集热系统，扩宽了太阳能的利用领域。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种方位跟踪利用太阳光集热系统，包括同心设置且半径不同的多个转盘、驱动各转盘同步转动的电机、铰接在转盘上的多组反射装置以及设在各转盘内部空间中的真空管组，每个真空管组由依次竖直排列呈圆形的真空管组成，真空管的开口端密封，且真空管的密封腔室中盛放有水介质，每个转盘内圈中位于首端排列的真空管中设有伸入到其内部腔室底部的进水管，不同转盘内圈的进水管集结后与水泵连接，每个转盘内圈中位于末端排列的真空管中设有用于输出热水或蒸汽的输出管，不同转盘内圈的输出管集结后与储能箱连接，且每个转盘内圈中相邻设置的两个真空管之间通过设有逆止阀的U型管连通；各转盘通过交叉设置的连接杆相互连接，各连接杆交叉集于一点后固定在位于最内侧转盘中心设置的基座上，各转盘的下端面上均设有轨道以及安装在轨道中的支撑轮，支撑轮固定在固定座中。
本发明中，位于最外侧转盘上的每组反射装置由一个端部铰接在转盘上的反射镜组成，反射镜的迎光面朝向转盘内圈，其背光面上设有固定在转盘上且用于调整反射镜的迎光面与地平面之间夹角的调节支杆；为了收集更多方向上的太阳光，设在相邻两个真空管组之间的转盘上的每组反射装置由端部通过合页铰接的两个反射镜组成，两个反射镜的另一端部均铰接设置在固定在转盘上的伸缩杆上，且每组反射装置中的两个反射镜的迎光面相互背向设置。
其中，所述的伸缩杆由中空结构的外直杆以及套设在外直杆中的内直杆组成，外直杆的周面上设有穿过其周面用于固定内直杆的紧固螺钉，通过调整伸缩杆的长度，可调整每组反射镜中的铰接设置的两个反射镜之间的夹角，进而调整反射镜的反射角度。
本发明中，转盘是由多个结构相同的方钢固定连接而成的圆形轨道，可根据不同半径的转盘的需要，将数量不同的方钢固定在一起，实现反射面积的扩展或缩小。
位于最内侧的转盘的上端面和内外周面上均设有轨道，且上端面以及内外周面的轨道中均配合安装有防风轮，位于最内侧转盘上设置的支撑轮和三个防风轮通过方框依次串联连接，通过方框串联连接的三个防风轮的重心连线构成稳定的三角形结构，抗风能力强。转盘的下方对应每个方框的位置设有一个用于固定支撑轮的固定座，位于最外侧转盘的结构与位于最内侧转盘的结构相同。本发明中设置的支撑轮对各转盘起支撑作用，而位于最内侧的转盘和位于最外侧的转盘上设置的防风轮，能够对各自夹持固定的转盘形成方向不同的加持力，抗风能力强，避免转盘在转动过程中出现偏斜。
进一步的，固定座的上部设有凹槽，方框的底边穿过所述凹槽，并将支撑轮固定在凹槽中。
进一步的，基座包括底座、固定在底座上的转轴以及套设在转轴上的从动齿轮，各连接杆的交叉部位固定在转轴的上端，电机驱动与从动齿轮啮合设置的主动齿轮转动，实现从动齿轮和转轴的同步转动。通过齿轮啮合传动实现圆盘的联动，相对于现有的皮带传动方式而言，齿轮传动更加平稳，能够确保多个转盘联动的稳定性和精度，满足高精度跟踪光热系统或光伏系统的需求，即可将太阳能电池板或聚光型太阳能光伏接收组件或聚光型光热接收组件装载在各转盘上，使其对太阳光作水平面内的360°全方位跟踪；还能够避免因采用皮带传动所存在的因季节温度不同而造成皮带伸缩度不同的误差。
所述的底座上通过螺钉固定有中心位置设有通孔的固定架，转轴的下端通过设置的凸台嵌套在所述的通孔中，且转轴的下端与通孔的内壁之间设有橡胶套。
进一步的，U型管上裸露在真空管外部的部位包覆有保温层，避免流经U型管的热水的热量损失，且每个转盘内圈中，位于首端排列的真空管中U型管的端部位于水介质液面上方，U型管的另一端位于相邻设置的真空管中水介质液面下方，从每个转盘内圈中位于首端排列的真空管起始，各真空管中的U型管依次依此设置。由于各真空管的内部为密封腔室，每个转盘内圈中位于首端排列的真空管中源源不断的通入冷水，由于在相同的压力下，冷水的密度比热水的密度大，通入的冷水向真空管底部运动，被真空管加热的热水涌向真空管上部，并通过U型管流入相邻设置的真空管的底部，流入热水的热量用于加热被流入的真空管底部的冷水，由于各真空管中的U型管依次依此设置，流通的热水的热量被循环利用而不流失，使得各真空管中的水介质能够被迅速加热，满足大流量热水的需求。
有益效果：1、本发明每个转盘内圈中设置的真空管通过U型管串联连通，通过电机驱动转盘联动，实现转盘对太阳高低角方位的跟踪，使得照射到反射镜上的太阳光都能够反射到真空管上，使真空管中盛放的水介质得到更高的温度，加热速度快；
2、本发明通过同心内外设置的多个转盘联动，实现对太阳的跟踪，克服现有采用的双轴跟踪系统存在控制复杂、成本高和耗电量大的问题；在太阳的有效光照时间内，通过转盘上设置的反射镜使太阳光线始终照射到真空管上，使各转盘内圈中的真空管在有效光照时间内都能最大限度地获取太阳能；
3、本发明一方面能够通过机械调整铰接在转盘上的反射装置的角度，即调整反射装置中反射镜的迎光面与地平面之间的夹角大小；另一方面通过电机驱动圆盘转动。通过这两方面的配合作用，实现对太阳光的跟踪利用。
附图说明
图1为本发明的整体俯视图；
图2为本发明中最内侧转盘的结构示意图；
图3为图2的标记A中，方框和固定座的示意图；
图4为图2中反射装置的示意图；
图5为本发明中排列呈圆形的真空管的展开示意图；
图6为本发明中基座的示意图；
图7为图6中标记B的放大示意图。
附图标记：1、转盘，101、轨道，2、真空管，201、进水管，202、输出管，203、U型管，204、逆止阀，3、反射装置，301、反射镜，302、调节支杆，303、合页，304、伸缩杆，305、紧固螺钉，4、基座，401、转轴，402、底座，403、固定架，404、橡胶套，5、固定座，501、凹槽，6、连接杆，7、防风轮，8、支撑轮，9、方框，10、从动齿轮，11、主动齿轮，12、电机，13、保护罩。
具体实施方式
如图1所示，一种方位跟踪利用太阳光集热系统，包括同心设置且半径不同的多个转盘1、驱动各转盘同步转动的电机12、铰接在各转盘上的多组反射装置3以及设在各转盘内部空间中的真空管组，每个真空管组由依次竖直排列呈圆形的真空管2组成，真空管2一端封闭，另一端设有开口，真空管2的内外层之间设有真空夹层，且内层管的表面涂设有Al-N/Al光谱选择性吸收层。真空管2的开口端密封设置，且真空管2的内层管的密封腔室中盛放有水介质。
如图5所示，为排列呈圆形的每个真空管组的展开示意图。其中，每个转盘1内圈中位于首端排列的真空管2中设有伸入到其内部腔室底部的进水管201，不同转盘内圈的进水管集结后与水泵连接，每个转盘1内圈中位于末端排列的真空管2中设有输出热水或蒸汽的输出管202，不同转盘内圈的输出管集结后与储能箱连接，且每个转盘1内圈中相邻设置的两个真空管之间通过设有逆止阀204的U型管203连通。如图1和图5所示，U型管203上裸露在真空管2外部的部位包覆有保温层，且每个转盘内圈中，位于首端排列的真空管中U型管203的端部位于水介质液面上方，U型管203的另一端位于相邻设置的真空管中水介质液面下方，从每个转盘内圈中位于首端排列的真空管起始，各真空管中的U型管依次依此设置。
如图1和图2所示，各转盘通过交叉设置的连接杆6相互连接，各连接杆交叉集于一点后固定在位于最内侧转盘中心位置的基座4上，各转盘的下端面上均设有轨道以及安装在轨道中的支撑轮8，支撑轮8固定在位于转盘1下方的固定座5中。
如图1所示，位于最外侧转盘上的每组反射装置由一个端部铰接在转盘上的反射镜组成，反射镜的迎光面朝向转盘1内圈，其背光面上设有固定在转盘1上且用于调整反射镜的迎光面与地平面之间夹角的调节支杆302；如图2和图4所示，设在相邻两个真空管组之间的转盘上的每组反射装置由端部通过合页303铰接的两个反射镜组成，两个反射镜的另一端部均铰接设置在固定在转盘1上的伸缩杆304上，且每组反射装置中的两个反射镜的迎光面相互背向设置。转盘1上设有用于固定伸缩杆304的若干套环，伸缩杆304可在套环内滑动，在伸缩杆304被固定的同时，实现伸缩杆304长度的调节。其中，伸缩杆304由中空结构的外直杆以及套设在外直杆中的内直杆组成，外直杆的周面上设有穿过其周面用于固定内直杆的紧固螺钉305。
如图1至图3所示，位于最内侧转盘的上端面和内外周面上均设有轨道，且上端面以及内外周面的轨道中均配合安装有防风轮7，位于最内侧转盘上设置的支撑轮和三个防风轮通过方框9依次串联连接，转盘1的下方对应每个方框9的位置设有一个用于固定支撑轮8的固定座5，位于最外侧转盘的结构与位于最内侧转盘的结构相同，固定座5的上部设有凹槽501，方框9的底边穿过所述凹槽501，并将支撑轮8固定在凹槽501中。
如图6和图7所示，基座4包括底座402、固定在底座402上的转轴401以及套设在转轴401上的从动齿轮10，各连接杆6的交叉部位固定在转轴401的上端，电机12驱动与从动齿轮10啮合设置的主动齿轮11转动，实现从动齿轮10和转轴401的同步转动；底座402上通过螺钉固定有中心位置设有通孔的固定架403，转轴401的下端通过设置的凸台嵌套在所述的通孔中，且转轴401的下端与通孔的内壁之间设有橡胶套404；底座402上还设有用于保护从动齿轮10、主动齿轮11和电机12的保护罩13。
为确保该集热系统能够正常使用，在转盘1的侧边设置一个用于防冰雹的钢丝网，冰雹或大雪天气前，通过将钢丝网罩在转盘1的上方，以保护反射装置3和真空管2不被冰雹砸坏或被大雪压变形。

Claims (8)

1.一种方位跟踪利用太阳光集热系统，其特征在于：包括同心设置且半径不同的多个转盘（1）、驱动各转盘同步转动的电机（12）、铰接在各转盘上的多组反射装置（3）以及设在各转盘内部空间中的真空管组，每个真空管组由依次竖直排列呈圆形的真空管（2）组成，真空管（2）的开口端密封，且真空管（2）的密封腔室中盛放有水介质，每个转盘（1）内圈中位于首端排列的真空管（2）中设有伸入到其内部腔室底部的进水管（201），不同转盘内圈的进水管集结后与水泵连接，每个转盘（1）内圈中位于末端排列的真空管（2）中设有输出热水或蒸汽的输出管（202），不同转盘内圈的输出管集结后与储能箱连接，且每个转盘（1）内圈中相邻设置的两个真空管之间通过设有逆止阀（204）的U型管（203）连通；
各转盘通过交叉设置的连接杆（6）相互连接，各连接杆交叉集于一点后固定在位于最内侧转盘中心位置的基座（4）上，各转盘的下端面上均设有轨道以及安装在轨道中的支撑轮（8），支撑轮（8）固定在位于转盘（1）下方的固定座（5）中。
2.根据权利要求1所述的一种方位跟踪利用太阳光集热系统，其特征在于：位于最外侧转盘上的每组反射装置由一个端部铰接在转盘上的反射镜组成，反射镜的迎光面朝向转盘（1）内圈，其背光面上设有固定在转盘（1）上且用于调整反射镜的迎光面与地平面之间夹角的调节支杆（302）；设在相邻两个真空管组之间的转盘上的每组反射装置由端部通过合页（303）铰接的两个反射镜组成，两个反射镜的另一端部均铰接设置在固定在转盘（1）上的伸缩杆（304）上，且每组反射装置中的两个反射镜的迎光面相互背向设置。
3.根据权利要求2所述的一种方位跟踪利用太阳光集热系统，其特征在于：所述的伸缩杆（304）由中空结构的外直杆以及套设在外直杆中的内直杆组成，外直杆的周面上设有穿过其周面用于固定内直杆的紧固螺钉（305）。
4.根据权利要求1所述的一种方位跟踪利用太阳光集热系统，其特征在于：位于最内侧转盘的上端面和内外周面上均设有轨道，且上端面以及内外周面的轨道中均配合安装有防风轮（7），位于最内侧转盘上设置的支撑轮和三个防风轮通过方框（9）依次串联连接，转盘（1）的下方对应每个方框（9）的位置设有一个用于固定支撑轮（8）的固定座（5），位于最外侧转盘的结构与位于最内侧转盘的结构相同。
5.根据权利要求4所述的一种方位跟踪利用太阳光集热系统，其特征在于：所述固定座（5）的上部设有凹槽（501），方框（9）的底边穿过所述凹槽（501），并将支撑轮（8）固定在凹槽（501）中。
6.根据权利要求1所述的一种方位跟踪利用太阳光集热系统，其特征在于：所述的基座（4）包括底座（402）、固定在底座（402）上的转轴（401）以及套设在转轴（401）上的从动齿轮（10），各连接杆（6）的交叉部位固定在转轴（401）的上端，电机（12）驱动与从动齿轮（10）啮合设置的主动齿轮（11）转动，实现从动齿轮（10）和转轴（401）的同步转动。
7.根据权利要求6所述的一种方位跟踪利用太阳光集热系统，其特征在于：所述的底座（402）上通过螺钉固定有中心位置设有通孔的固定架（403），转轴（401）的下端通过设置的凸台嵌套在所述的通孔中，且转轴（401）的下端与通孔的内壁之间设有橡胶套（404）。
8.根据权利要求1所述的一种方位跟踪利用太阳光集热系统，其特征在于：U型管（203）上裸露在真空管（2）外部的部位包覆有保温层，且每个转盘内圈中，位于首端排列的真空管中U型管（203）的端部位于水介质液面上方，U型管（203）的另一端位于相邻设置的真空管中水介质液面下方，从每个转盘内圈中位于首端排列的真空管起始，各真空管中的U型管依次依此设置。
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