CN107367074A - 一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统，包括：反光集热装置、联动定日系统、工质循环系统及集热系统承载结构，反光集热装置包括两轴定日运动结构和抛物线的方碟式反光镜面，联动定日系统以采用分级式绕线的传动系统和反馈式控制系统为基础。本发明采用的计算型切割反光镜面可最大限度地提高集热效率，反馈型线传动方式可实现集热单元对太阳光的联动控制，工质循环可解决传统直接水热带来的水垢堵塞循环管的安全和清洁问题，且工质独立循环增加了集热系统的应用面。本发明结构简单、易生产安装，制作和维护成本低，解决了传统集热温度和集热效率低的弊端，将开拓太阳能光热应用的新市场；同时，在合理利用屋顶、阳台等空置空间的基础上，充分体现本发明的高实用性。

Description

一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统

技术领域

本发明涉及一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统，更具体地说，是集抛物线式集热方式、线传联动自动控制及独立式工质热交换循环为一体的高温太阳能技术。

背景技术

太阳能热水器早已进入寻常百姓家，但此类太阳能集热产品也仅限于中低温集热，为此也决定了它应用的局限性。在传统太阳能集热产品中最常见的有太阳能平板式集热和管式集热，可以将水加热至中低水温，保证一些日常类的生活用途外，实现了清洁能源的利用之效，在一定程度上，也降低了传统能源日渐严重的巨大负荷，改善了环境污染严重的现状。

然而，这样对太阳能的利用也仅是凤毛麟角，要想实现高温热水及其他高温用途，将高温运用到其他应用型技术领域，带来质的突破，必将在整套集热系统上大胆创新。本发明旨在将太阳光由面集中到点，较传统热水器，大大提高太阳光的聚光比，同时也减少了集热器的热辐损失；配合自动定日系统，保证集热效率；线传联动方式，降低系统制作和维护成本；合理利用建筑屋顶、阳台等闲置空间，综合考虑便于市场化需求，致力于更高地提升太阳能对社会经济、对环境的突出贡献。

与传统太阳能热水设备相比，较传统平板式太阳能热水器而言，较抛物线镜面拥有更大的受光面和更高聚光比，完全可以弥补镜面间隙覆盖的缺点，并且本发明的焦点式集热、真空隔热具有热辐散射小的优点；而较热管式真空太阳能热水器而言，除在自清洁能力方面稍显不足，丝毫不影响其集热温度高的优势。综合考虑，本发明在太阳跟踪集热方面采用两轴跟踪云台，完全消除传统集热器的余弦太阳光损失，其集热效率大幅提高。本发明涉及的一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统，其兼顾上述两类传统热水器的优点，并创新式增加自身独特的设计，将更加高效地实现太阳能的利用，得到更高温度的集热，更加适应现代的社会市场化需求。

发明内容

针对上述集热器现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统。本发明采用抛物线式镜面本身其集热效率和集热温度都远高于传统集热器，而线联传动控制来降低系统结构的复杂程度，也大大降低了生产制作和维护成本，辅助反馈控制可系统提高定日位置的可靠度，工质独立循环系统将大大提高了光热转换效率；同时考虑到整套集热系统的安装维护，系统完全蔽护于玻璃罩顶之下，可以起到一定的保护作用，并将难繁清洁的反光镜面问题转而由清洁玻璃罩顶来解决，本发明的核心目的在于一种非常具有实用性的高温集热技术，具有创新型科技的集热产品。

本发明的技术方案是：一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统，包括反光集热装置、联动定日系统、工质循环系统及集热系统承载结构，其特征在于：反光集热装置包括两轴定日运动结构和抛物线的方碟式反光镜面，确保入射到抛物线反光镜面的太阳光平行于镜面轴线的方向，汇聚成的反射光束直射到空腔状的聚光集热焦点上将太阳光热向工质传递。

作为优选，两轴定日运动结构和抛物线反光镜面结构固定连接，则悬挂支架与两轴定日运动结构相对运动，由绕线轮和拉线提供转动力力矩，两向旋转轴均过聚光集热焦点中心；镜面结构上的拉线和绕线，配合集热系统承载结构上的固定线轮做绕线传动。

作为优选，反光镜的骨架为抛物线型，开口沿碟镜的轴心线切割呈方形，骨架抛物面为反光膜。

作为优选，联动定日系统包括反馈式控制系统和传动系统。传统系统为集热单元采用行列式矩阵分布，分级式线传联动控制镜面的定日跟踪。集热系统纵向组列由一个电机绕线带动两轴定日运动内圈结构上的线轮旋转，从而控制反光镜面的纵向摆动；集热系统横向组列有两个电机绕线带动两轴定日运动外圈结构上的拉线的来回旋转，从而控制反光镜面的横向摆动，其中，两侧一级线轮循环为主动力循环，中间二级线轮循环为副动力循环，三级拉线驱动两轴定日运动外圈结构，三级拉线利用合线端口汇聚关联。

作为优选，自身通过网络时钟来控制定位机构的细分动作，以辅助定位装置的自身旋转角度来反馈控制。

作为优选，工质循环管均采用真空隔热保温管，外表面一次涂抹隔热材料和保护材料，其中外管汇集分支处采用单向逆止阀，内管采用U型循环结构；聚光集热焦点使用高导热材料，外表面涂抹吸热材料。

作为优选，工质推送泵设置在热交换模块出口，热交换模块采用高效热换器，热换器连接应用设备使用。

作为优选，集热系统承载结构采用全钢制材料，之上安装固定透光防护罩顶，顶部开设活动天窗，下边缘配装半管排水结构，透光防护罩顶使用双层搭接的方式处理接缝。

一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热方法，具体实施步骤包括：

联动定日系统带动两轴定日运动结构上的反光镜做两个平面内的旋转，使得全天的太阳光都能直射反光镜，入射的太阳光始终沿放光镜轴心的方向，根据抛物线镜面的特性，保证反射光线都能照射在聚光集热焦点，循环至此的冷工质在聚光集热焦点内腔吸收太阳的辐射热能转变成的热工质，继续通过工质循环管汇集到热交换模块将储存的热量释放，恢复至低温常态的工质经冷工质推送泵循环至各个集热装置，进入下一个集热换热循环。

本发明的有益效果是：本发明采用的计算型方形切割反光镜面，控制邻镜间隙，保证受光面，可最大限度地提高集热效率，解决传统集热温度和集热效率低的弊端。跟踪机构采用十字旋转云台，使聚光集热焦点固定不动，避免工质循环内管采用高成本、高复杂性的柔性保温管；使镜面绕焦点旋转，集热装置的整体中心下移，增加集热系统整体稳定性。反馈型线传动方式可实现集热单元对太阳光的联动控制，简化传动机构减少传动电机数量，易于生产安装，制作和维护成本低，控制精准方便。

本发明采用工质循环独立循环，可解决传统直接水热带来的水垢堵塞循环管的安全和清洁问题，并增强工质系统冬季的抗冻能力，且独立循环增加了集热系统的应用面，可以在换热模块处配合适宜的热源设备。

本发明整体采取透光防护外罩可在不影响采光的基础上，起到抗风的作用，并将集热装置反光碟镜的清洁工作转移到更容易实现的罩顶上，可采用机器人清扫，降低维护保养的难度。本发明在合理利用屋顶、阳台等空置空间的基础上，充分体现其高适用和实用性。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构图。

图2是本发明实施例的集热装置基本结构示意图。

图3是本发明实施例的聚光集热原理示意图。

图4是本发明实施例的工质循环集热原理示意图。

图5是本发明实施例的联动定日系统整体示意图。

图6是本发明实施例的集热单元定日绕线局部示意图。

具体实施方式

作为本发明的一种实施方式，如图1至图6所示，本发明涉及一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统，包括反光集热装置12、联动定日系统6、工质循环系统13及集热系统承载结构11，所述的反光集热装置12连接于集热系统承载结构中梁，工质循环系统13包括单向逆止阀131、工质循环外管132、热交换模块133、冷工质推送泵134，冷工质推送泵134负责通过压力作用将从热交换模块循环出的冷工质循环至各集热点吸收太阳光热，热工质经工质循环管进入热交换模块，冷工质推送泵134可辅助工质循环，控制提高循环集热效率。

本发明的工作原理是，由联动定日机构带动方形碟镜将入射平行太阳光聚焦到聚光集热焦，经集热焦点吸热传递加热冷工质，通过工质推送泵实现工质的循环集热。

作为本发明实施例的光集热装置12，悬挂支架24与定日运动结构21通过、旋转活动节22连接，方碟式反光镜面23固定在定日运动结构21下端，在悬挂支架的内腔中固定有工质循环管，其中工质循环外管固定于集热系统承载结构11中梁，工质循环内管26接口于工质循环外管25，并固定于悬挂支架24内框架中，在其末端固定聚光集热焦点27，确保聚光集热焦点27处于定日运动结构21运动中心，且两转轴互成90°角，定日运动结构内圈由绕线轮①28驱动，外圈由两向拉绳带动。

作为本发明实施例，如图3聚光集热原理示意图和图4工质循环集热原理示意图，平行于反光镜中心轴入射的太阳入射光01通过抛物线式镜面的反射光02汇聚照射在聚光集热焦点27，冷工质03进入到焦点工质循环腔272,透过吸热材料制成的焦点吸热外壁271将工质辐射加热，热工质04汇聚进入热交换模块实现一次集热循环。如图4管结构处理接缝41采用焊接固定，密封胶处理焊缝表面。

作为本发明实施例，如图5所示联动定日系统整体示意图，采用电机驱动器①611和电机①621配合，闭合绕线方式控制定日运动结构21内圈正反转动，采用电机驱动器②612和电机②622配合，分级拉线方式控制定日运动结构21外圈正转，采用电机驱动器③613和电机③623配合，分级式拉线方式控制日运动结构21外圈反转。在定日运动结构21上安装角位器，利用其偏离角度确定自身位置，达到反馈式辅助控制的目的。

作为本发明实施例，如图6所示的集热单元定日绕线局部示意图，利用合线端口65实现分级拉线方式。

Claims (9)

1.本发明涉及一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热系统，包括反光集热装置、联动定日系统、工质循环系统及集热系统承载结构，其特征在于：反光集热装置包括两轴定日运动结构和抛物线的方碟式反光镜面，确保入射到抛物线反光镜面的太阳光平行于镜面轴线的方向，汇聚成的反射光束直射到空腔状的聚光集热焦点上将太阳光热向工质传递。

2.根据权利要求1所述的反光集热装置，其特征在于：两轴定日运动结构和抛物线反光镜面结构固定连接，则悬挂支架与两轴定日运动结构相对运动，由绕线轮和拉线提供转动力力矩，两向旋转轴均过聚光集热焦点中心；镜面结构上的拉线和绕线，配合集热系统承载结构上的固定线轮做绕线传动。

3.根据权利要求1所述的反光集热装置，其特征在于：反光镜的骨架为抛物线型，开口沿碟镜的轴心线切割呈方形，骨架抛物面为反光膜。

4.根据权利要求1所述的联动定日系统，其特征在于：联动定日系统包括反馈式控制系统和传动系统，传统系统为集热单元采用行列式矩阵分布，分级式线传联动控制镜面的定日跟踪，集热系统纵向组列由一个电机绕线带动两轴定日运动内圈结构上的线轮旋转，从而控制反光镜面的纵向摆动；集热系统横向组列有两个电机绕线带动两轴定日运动外圈结构上的拉线的来回旋转，从而控制反光镜面的横向摆动，其中两侧一级线轮循环为主动力循环，中间二级线轮循环为副动力循环，三级拉线驱动两轴定日运动外圈结构，三级拉线利用合线端口汇聚关联。

5.根据权利要求1所述的反馈式控制系统，其特征在于：自身通过网络时钟来控制定位机构的细分动作，以辅助定位装置的自身旋转角度来反馈控制。

6.根据权利要求1所述的工质循环系统，其特征在于：工质循环管均采用真空隔热保温管，外表面一次涂抹隔热材料和保护材料，其中外管汇集分支处采用单向逆止阀，内管采用U型循环结构；聚光集热焦点使用高导热材料，外表面涂抹吸热材料。

7.根据权利要求1所述的工质循环系统，其特征在于：工质推送泵设置在热交换模块出口，热交换模块采用高效热换器，热换器连接应用设备使用。

8.根据权利要求1所述的集热系统承载结构，其特征在于：集热系统承载结构采用全钢制材料，之上安装固定透光防护罩，顶部开设活动天窗，下边缘配装半管排水结构，透光防护罩顶使用双层搭接的方式处理接缝。

9.一种基于方形碟镜的矩阵式联动太阳能集热方法，具体实施步骤包括：

联动定日系统带动两轴定日运动结构上的反光镜做两个平面内的旋转，使得全天的太阳光都能直射反光镜，入射的太阳光始终沿放光镜轴心的方向，根据抛物线镜面的特性，保证反射光线都能照射在聚光集热焦点，循环至此的冷工质在聚光集热焦点内腔吸收太阳的辐射热能转变成的热工质，继续通过工质循环管汇集到热交换模块将储存的热量释放，恢复至低温常态的工质经冷工质推送泵循环至各个集热装置，进入下一个集热换热循环。