CN105485936B - 二维跟踪太阳能聚光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维跟踪太阳能聚光装置，包括：支架；外框，通过第一轴承安装在所述支架的顶部且可绕着东西方向延伸的轴线相对于所述支架转动；具有圆弧形反射面的聚光镜，通过第二轴承安装在所述外框内，且可绕着南北方向延伸的轴线相对于所述外框转动；以及太阳能集热管，固定在所述聚光镜的聚焦位置处。本发明的二维跟踪太阳能聚光装置可以对太阳光进行全方位跟踪，且能够采用一端开口的太阳能真空集热管，降低了生产成本。

Description

二维跟踪太阳能聚光装置

技术领域

本发明涉及太阳能应用领域，更具体地说，涉及二维跟踪太阳能聚光装置。

背景技术

太阳能作为一种环保能源，已经得到了广泛的应用。目前太阳能所应用的 跟踪聚光装置主要是槽式抛物面跟踪聚光装置和塔式的定日镜聚光跟踪装置。

目前的槽式抛物面聚光跟踪装置大多是一维跟踪的，通常用于太阳能热发 电。其工作状况是在北半球通常镜面向南，较长的两条镜面槽边朝东西方向放 置。通过跟踪装置调整曲面镜面与南北方向的水平线夹角，从而跟踪太阳高度 角的变化，使太阳光上午从东侧射入到镜面上的阳光、中午从正面射入到镜面 上的阳光以及下午从西侧射入到镜面上的阳光都反射到聚焦位置处的太阳能 真空集热管上。其缺陷是：

白天一日之中聚光镜面所接收的太阳光辐照强度差别很大，由早上最弱逐 步增强，至中午最强，再逐步转弱，至傍晚最弱。这对光热利用的稳定性不利， 尤其是太阳能热发电。

也有将两条较长的镜面槽边南北方向陈放、聚光镜面东西方向转动跟踪太 阳光的先例，虽然夏季镜面接收的太阳辐照量较多，但冬季太阳偏南，所以镜 面接受的太阳辐照量较少。尤其在北方地区，冬季太阳光的入射角度很斜，镜 面接受的太阳辐照量很小。

目前的太阳能真空集热管包括内管和外管。内管的外表面涂有吸热膜，外 管是透明的玻璃罩管。工作时内管温度高达几百摄氏度，而外管处于环境温度。 若内外管都采用玻璃材料而外管在两开口端处熔接封口，则内管膨胀会导致玻 璃管破裂。因此全玻璃的太阳能真空集热管都制成一端开口的结构。

两端开口的玻璃金属太阳能真空集热管的内管采用了金属管，金属管连接 一小段金属波纹管，用以缓冲内管膨胀时产生的位移。两端口处分别采用玻璃、 金属热熔材料来熔接相邻的外管和内管，以连接形成较长的太阳能真空集热 管。

目前的槽式抛物面聚光跟踪装置的聚光镜面积大，通常槽面宽度为3-8米， 两条平行的槽边长几十米至百米。这种情况下只能采用两端开口的直通式玻璃 金属太阳能真空集热管进行串接，其中每支管长3-6米。传热介质(导热油) 从一端流进，升温后由另一端流出。由于两端开口的玻璃金属太阳能真空集热 管对玻璃、金属热熔封接的材料和工艺要求很高，而国内的产品在技术上还不 过关，国外的产品价格非常昂贵。这增加了槽式抛物面跟踪聚光装置的生产成 本，因而槽式抛物面跟踪聚光装置面世几十年但仍未得到有效的推广。

塔式太阳能光伏发电装置和塔式太阳能热发电装置将多个定日镜安装在 塔身立柱的四周。这对立柱的强度要求很高，但是立柱又装不了太大面积的定 日镜。由于投资成本难以回收，所以较少使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的槽式抛物面聚光跟踪装置 不能进行全方位跟踪太阳光的缺陷，提供一种二维跟踪太阳能聚光装置，可以 对太阳光进行全方位跟踪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种二维跟踪太阳能聚 光装置，包括：

支架；

外框，通过第一轴承安装在所述支架的顶部且可绕着东西方向延伸的轴线 相对于所述支架转动；

具有圆弧形反射面的聚光镜，通过第二轴承安装在所述外框内，且可绕着 南北方向延伸的轴线相对于所述外框转动；以及

太阳能集热管，固定在所述聚光镜的聚焦位置处。

根据本发明所述的二维跟踪太阳能聚光装置，所述太阳能集热管包括一端 开口、一端封闭的真空集热管、以及设置在所述真空集热管内的金属换热管； 所述金属换热管的两端封闭，且在靠近所述真空集热管的开口端处连接导热油 进油管和导热油出油管。

根据本发明所述的二维跟踪太阳能聚光装置，所述真空集热管包括罩玻璃 管、以及设置在罩玻璃管内的吸热玻璃管，所述罩玻璃管和所述吸热玻璃管之 间抽真空；在所述吸热玻璃管的外层，镀有吸热膜。

根据本发明所述的二维跟踪太阳能聚光装置，所述进油管插置在所述金属 换热管的底部。

根据本发明所述的二维跟踪太阳能聚光装置，所述反射面位于圆弧线段 上，所述太阳能集热管设置在所述反射面的对称中心轴线OC上；所述圆 弧线段的圆心为O，半径为R，以点O为原点建立XOY平面直角坐标系， 所述太阳能集热管的截面形状为圆O’，在所述圆O’内作内接等腰直角三角形 DEF，所述等腰直角三角形DEF的顶点D位于聚光镜103的对称中心轴线OC 和Y轴上、且朝向所述聚光镜，D点的坐标为(0，b)，0.47R≤b≤0.98R。

根据本发明所述的二维跟踪太阳能聚光装置，所述太阳能集热管的横截面 呈倒置的等腰三角形，且所述太阳能集热管由金属制成；所述等腰三角形的两 条对称边的外管壁朝向所述聚光镜，且粘贴有单晶硅或者多晶硅。

根据本发明所述的二维跟踪太阳能聚光装置，所述支架包括呈矩形框状的 底部支撑部、以及沿东西方向对称地连接在所述底部支撑部两端的端部支撑 部，所述端部支撑部与所述底部支撑部共同形成等腰三角形。

根据本发明所述的二维跟踪太阳能聚光装置，所述聚光镜的曲面是槽式圆 弧面或者槽式抛物面，且包括槽边，所述槽边沿着南北方向延伸。

根据本发明所述的二维跟踪太阳能聚光装置，所述聚光镜与所述外框之间 留有间隙。

实施本发明的二维跟踪太阳能聚光装置，具有以下有益效果：采用同样面 积的聚光镜，本发明的二维跟踪太阳能聚光装置一天所接受的太阳辐照量是一 维跟踪的太阳能聚光装置的1.6倍，因此降低了太阳能利用的投资成本。在此 基础上，为了收集相同的能量，可以采用较小面积的聚光镜，其镜面长度较短。 这样就可以采用一端开口的太阳能真空集热管，而不必采用两端开口的太阳能 集热管进行对接使用。这大幅降低了生产成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的二维跟踪太阳能聚光装置的结构示意 图；

图2是根据本发明的第一实施例的支架的主视图；

图3是根据本发明的第一实施例的二维跟踪太阳能聚光装置的截面图；

图4是根据本发明的第一实施例的太阳能集热管的剖视图；

图5是是根据本发明的第一实施例的二维跟踪太阳能聚光装置的光路图；

图6是根据本发明的第二实施例的二维跟踪太阳能聚光装置的光路图。

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。

图1是根据本发明的第一实施例的二维跟踪太阳能聚光装置100的结构示 意图。图2是根据本发明的第一实施例的支架101的主视图。图3是根据本发 明的第一实施例的二维跟踪太阳能聚光装置100的侧视图。如图1-3所示，本 发明的二维跟踪太阳能聚光装置100包括支架101、安装在支架101顶部的外 框102、连接在外框102内的聚光镜103、以及用于收集聚光镜103所反射的 太阳光的太阳能集热管104。

其中，支架101可以是任意合适的形状。在图示的实施例中，支架101 包括大体呈矩形框状的底部支撑部101a、以及沿东西方向对称地连接在底部 支撑部101a两端的端部支撑部101b。端部支撑部101b与底部支撑部101a共 同形成等腰三角形。在两个端部支撑部101b之间，可以还设置有连接部101c， 该连接部101c用于将两个端部支撑部101b的中部连接起来，以实现更加稳固 的结构。

外框102可转动地安装在支架101的顶部，可绕着沿东西方向延伸的轴线 相对于支架101转动。具体而言，在支架101的顶部，设置有一对第一轴承 105。该第一轴承105可以分别设置在端部支撑部101b的顶部。外框102的两 条长边的中部通过第一轴承105可转动地连接在支架101的顶部。其中该长边 沿着南北方向延伸。

聚光镜103的的反射面可以是槽式圆弧面或者槽式抛物面，其在垂直于东 西和南北方向上的投影为矩形。该矩形包括长边和短边，长边为槽边，短边是 聚光镜的弧形端部的投影。其槽边朝向南北方向延伸。在聚光镜103的表面上 镀有反射膜。

本发明的聚光镜103的反射面优选槽式圆弧面，这种形状的聚光镜103 的优点在于：(1)制作工艺简单，成本低；(2)圆弧形反射面的各点曲率半径 相同，反射面在使用过程中受到温度的影响而热涨冷缩时，各点的应力相同而 不变形。而槽式抛物面则具有以下缺点：(1)反射面的各点曲率半径不同，制 作工艺复杂、成本高；(2)反射面的各点曲率半径不同，在使用过程中受到温 度的影响而热涨冷缩时，各点的应力不同，容易变形，严重影响聚光镜103 的聚光效果。

聚光镜103可转动地安装在外框102内，可绕着沿南北方向延伸的轴线 相对于外框102转动。具体而言，在外框102的顶部，设置有一对第二轴承106。 该第二轴承106可以分别设置在外框102的两条短边的顶部。聚光镜103的弧形 端部通过第二轴承106可转动地连接在外框102内。其中聚光镜103的长边、短 边分别比外框102的长边、短边短，且聚光镜103的长边、短边分别与相邻的 外框102的长边、短边之间留有间隙。这样，聚光镜103可以在外框102内沿着 南北方向延伸的轴线转动而不与外框102干涉。由图3可以明显看出，聚光镜103设置在支架101内，其重心降低，可以节省支架101的材料、节省成本。

太阳能集热管104通过高温真空管支架107固定在聚光镜103的聚焦位置 处，以收集能量。

图4是根据本发明的第一实施例的太阳能集热管104的剖视图。如图4 所示，在本发明的第一实施例中，太阳能集热管104是太阳能真空集热管。该 太阳能真空集热管104包括一端开口、一端封闭的真空集热管108、以及设置 在真空集热管108内的金属换热管109。真空集热管108包括罩玻璃管108a、 以及设置在罩玻璃管108a内的吸热玻璃管108b，罩玻璃管108a和吸热玻璃 管108b之间抽真空。在吸热玻璃管108b的外层，镀有吸热膜。金属换热管 109的两端封闭，且在靠近真空集热管108的开口端处，连接导热油进油管110 和导热油出油管111。优选地，导热油进油管110插置在金属换热管109内且 延伸至靠近所述金属换热管109的底部。

二维跟踪太阳能聚光装置100还包括用于泵送导热油、使其循环的泵。

太阳能真空集热管104放置在聚光镜103的聚焦位置处，聚光镜103所收 集的能量被反射到太阳能真空集热管104，并被吸热玻璃管108b吸收。吸热 玻璃管108b所吸收的能量传递至金属换热管109。导热油经导热油进油管110 进入金属换热管109内，并从金属换热管109底部流动至金属换热管109的开 口端处的导热油出油管111，最终从导热油出油管111流出。导热油在金属换 热管109内充分吸收了热量，温度升高，流出后可以将热量进一步传递。

优选地，太阳能真空集热管104的开口端朝南。这是因为我国的大部分地 区处在北纬23.5度以北，即使夏至日太阳也是由南面射向聚光镜103，因此 南端较低，这可以防止雨水进入太阳能真空集热管104内部。

图6是根据本发明的第二实施例的二维跟踪太阳能聚光装置100的光路 图。如图6所示，在本发明的第二实施例中，太阳能集热管104是光热水管， 其横截面呈倒置的等腰三角形，且由金属制成。等腰三角形的底边面对太阳， 而两条对称边的外管壁朝向聚光镜103，且粘贴有单晶硅或者多晶硅112。聚 光镜103所收集的能量被反射到单晶硅或者多晶硅112上，一部分用于发电， 另一部分转换为热能传递到管壁，并进一步传递到光热水管内的水，以便对水 进行加热，提供生活用热水。

在以上的第一和第二实施例中，太阳能聚光装置100还包括光感应器、以 及用于驱动外框102绕着东西方向的轴线转动并驱动聚光镜103绕着南北方向 的轴线转动的驱动装置。光感应器与驱动装置电连接，使得驱动装置可根据光 感应器感应到的光线来工作。这使得太阳能聚光装置100能在一天之中在东西 方向上跟踪太阳光，且同时在南北方向上跟踪太阳光，使得太阳光始终能垂直 照射在聚光镜103的两条槽边共同形成的平面上。这种太阳能聚光装置在一天 的各个时段接受的太阳光的辐照强度趋于平稳。经实际测试，采用同样面积的 聚光镜103，本发明的二维跟踪太阳能聚光装置100一天所接受的太阳辐照量 是一维跟踪的太阳能聚光装置的1.6倍，因此降低了太阳能利用的投资成本。

在此基础上，为了收集相同的能量，可以采用较小面积的聚光镜103。 通常采用1m²-15m²的聚光镜面，且10-20个聚光装置组成一排，由驱动装置驱 动。由于聚光镜103的面积较小，其镜面长度(也就是两个槽边的长度)较短， 通常在1-5米长，两个槽边之间的宽度也较窄，一般在0.5-3米宽。这样就可以 采用一端开口的太阳能真空集热管，而不必采用价格昂贵的两端开口的玻璃 金属太阳能集热管进行对接使用。一端开口的全玻璃太阳能真空集热管在二 十年前就已经在我国规模化生产用于太阳能热水器，这大幅降低了生产成本。

图5是根据本发明的第一实施例的二维跟踪太阳能聚光装置100的光路 图。如图5所示，在该实施例中，聚光镜103的反射面位于圆弧线段上， 太阳能集热管104设置在反射面的对称中心轴线OC上。圆弧线段的圆心 为O，半径为R。以点O为原点建立XOY平面直角坐标系。太阳能集热管104 的截面形状为圆形，在该圆形内作内接等腰直角三角形DEF，该等腰直角三 角形DEF的顶点D位于聚光镜103的对称中心轴线OC上，且朝向聚光镜103。 D点的坐标为(0，b)。D点是太阳能集热管104的截面与Y轴的交点。优选 地，D点是吸热玻璃管108b的截面与Y轴的交点。的直线方程为：

Y＝-X+b其中(0<b<R)； (1)

由(1)式可知0<X<R，0<Y<R。

入射光线垂直于弦入射到圆弧线段上。其中，弦的两端点坐标 为G(Xg，Yg)、H(-Xg，Yg)，反射点为I，其坐标为I(Xi，Yi)，法线为 OI，反射圆弧线段在反射点I处的切线为直线J；入射光线K平行Y轴入 射，其直线方程为Xk＝Xi，就是通过反射点I处平行于Y轴的直线。要求当入 射光线-Xg<Xk<Xg时，照射在圆弧上的反射光线均能聚焦在线段上， 也就能证明反射光线能聚集在吸热管2的表面上，且满足聚光比的要求。

为了实现理想的聚光比，须满足以下条件：0.47R≤b≤0.98R。

经实验证明，当b＝0.47R时，在太阳能集热管104处仍能实现10倍左右 的聚光比。随着b的增加，聚光比也增加。当b＝0.5时，聚光比达到最大值150。 当b＝0.51时，可以实现100倍左右的聚光比。当b进一步增加，聚光比迅速 下降。当b＝0.98时，聚光比为3。

当b大于0.98R时，太阳能集热管104处的聚光比显著下降。当b小于 0.47R时，太阳能集热管104离聚光镜103的距离过远，为了保持整体的平衡， 需要将支架101做得很大。在图中示出了b等于0.47、0.5R、0.8R、0.9R时的 几个点。由图中可以看出，在靠近0.5R的0.47R处，光线仍能聚集到线段上，也就能证明反射光线均能聚集在吸热管2的表面上。

图5所示的光路图同样适用于图6所示的第二实施例。

本发明的二维跟踪太阳能聚光装置100可以对太阳光进行全方位跟踪，且 能够采用一端开口的太阳能真空集热管104，降低了生产成本。

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 (6)

1.一种二维跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，包括：支架；

外框，通过第一轴承安装在所述支架的顶部且可绕着东西方向延伸的轴线相对于所述支架转动；

具有圆弧形反射面的聚光镜，通过第二轴承安装在所述外框内，且可绕着南北方向延伸的轴线相对于所述外框转动；以及

太阳能集热管，固定在所述聚光镜的聚焦位置处；

所述太阳能聚光装置还包括光感应器、以及用于驱动所述外框绕着东西方向的轴线转动并驱动所述聚光镜绕着南北方向的轴线转动的驱动装置；

所述太阳能集热管包括一端开口、一端封闭的真空集热管、以及设置在所述真空集热管内的金属换热管；所述金属换热管的两端封闭，且在靠近所述真空集热管的开口端处连接导热油进油管和导热油出油管；

所述真空集热管包括罩玻璃管、以及设置在罩玻璃管内的吸热玻璃管，所述罩玻璃管和所述吸热玻璃管之间抽真空；在所述吸热玻璃管的外层，镀有吸热膜；

或者，所述太阳能集热管的横截面呈倒置的等腰三角形，且所述太阳能集热管由金属制成；所述等腰三角形的两条对称边的外管壁朝向所述聚光镜，且粘贴有单晶硅或者多晶硅。

2.根据权利要求1所述的二维跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，当所述太阳能集热管包括一端开口、一端封闭的真空集热管、以及设置在所述真空集热管内的金属换热管；所述金属换热管的两端封闭，且在靠近所述真空集热管的开口端处连接导热油进油管和导热油出油管时，所述导热油进油管插置在所述金属换热管内且延伸至靠近所述金属换热管的底部。

3.根据权利要求1所述的二维跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，所述反射面位于圆弧线段上，所述太阳能集热管设置在所述反射面的对称中心轴线OC上；所述圆弧线段的圆心为O，半径为R，以点O为原点建立XOY平面直角坐标系，所述太阳能集热管的截面形状为圆O’，在所述圆O’内作内接等腰直角三角形DEF，所述等腰直角三角形DEF的顶点D位于聚光镜103的对称中心轴线OC和Y轴上、且朝向所述聚光镜，D点的坐标为(0，b)，0.47R≤b≤0.98R。

4.根据权利要求1所述的二维跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，所述支架包括呈矩形框状的底部支撑部、以及沿东西方向对称地连接在所述底部支撑部两端的端部支撑部，所述端部支撑部与所述底部支撑部共同形成等腰三角形。

5.根据权利要求1所述的二维跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，所述聚光镜的曲面是槽式圆弧面或者槽式抛物面，且包括槽边，所述槽边沿着南北方向延伸。

6.根据权利要求5所述的二维跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，所述聚光镜与所述外框之间留有间隙。