CN107975950A - 一种新型圆柱体固定透镜光热发电的集热跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，包括圆柱体固定透镜、集热管、安装在集热管架上的光照度传感器、连接在集热管架上的转向驱动机构、太阳跟踪控制模块。本发明提供了一种全新的太阳能集热和跟踪设计方案，与现有常见的槽式光热发电系统相比，不需要整个系统跟踪太阳转动，圆柱体固定透镜不需跟踪转动，只需要驱动轻便的集热管跟随聚集的强光区域转动即可，减轻了驱动负荷。同时，跟踪聚光后的高亮区域的位置变化更加容易实现，提高了跟踪精度。

Description

一种新型圆柱体固定透镜光热发电的集热跟踪系统

技术领域

本发明涉及太阳能光热发电系统，尤其涉及一种新型圆柱体固定透镜光热发电的集热跟踪系统。

背景技术

人类对能源的需求量越来越大，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，对减少化石能源的燃烧消耗以及减轻造成的环境污染有重要的意义。如今太阳能发电大行其道，发展十分迅速。

总的来说，太阳能发电技术主要包括两种形式，一种是光伏发电，另一种是光热发电。光伏发电有其独有的优点，但光伏板的生产却是高耗能高污染行业，不利于环保，限制了光伏发电的发展。光热发电原理简单，即用光的能量加热水等工质来推动汽轮机发电，技术较为成熟。现有的光热发电主要有三种形式：槽式光热发电系统、塔式光热发电系统、碟式光热发电系统。其中应用最多最广的是槽式光热发电系统，利用槽式抛物面反光镜来反射阳光供集热管吸收，但跟踪控制较为复杂，而且驱动整个系统转动，负荷较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种新型圆柱体固定透镜光热发电的集热跟踪系统。本系统不需要驱动巨大的聚光设备，只需要驱动集热管不断跟踪在线性聚光区域内即可，实现简单，且精度较高。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，包括圆柱体固定透镜、集热管、集热管架、太阳跟踪控制模块；集热管位于圆柱体固定透镜和集热管架之间，集热管位于集热管架上；还包括安装在集热管架上的光照度传感器、连接在集热管架上的转向驱动机构；集热管架与集热管同时运动且相对静止。太阳跟踪控制模块接收上述光照度传感器传来的信号，控制集热管架带动集热管随着聚集阳光的直线型区域沿东西方向转动。

光照度传感器安装于集热管架中部位置；转向驱动机构安装于圆柱体固定透镜中轴线两侧。

前述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，所述的圆柱体固定透镜采用横放式的透明圆柱体形的透镜来聚光。圆柱体采用卧倒横放式，上下底面分别面朝南北方向。由于圆柱造型的特点，透镜将光聚集在一条直线区域上，且透镜不需跟随太阳转动。聚光原理如图1圆柱体截面光路分析所示，阳光经过在P、Q两点折射后汇聚到F点处，从而形成一条直线型聚光带。

上述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，所述的集热管沿圆柱体固定透镜的下半圆面旋转，集热管采用直通式金属-玻璃真空集热管，此集热管热损失较小，性能较好。

集热管架底部与集热管平行，集热管架带动集热管同时运动且相对静止；集热管架为U型；集热管为一根直管，位于集热管架底部。集热管随着聚焦的太阳光转动而转动，围绕在透镜的下半个圆周转动，工质管道里流有传热介质，传热介质流经集热管吸收热量后流出做功然后不断循环。

一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，还包括支架，支架位于圆柱体固定透镜中轴线两端。还包括工质管道，工质管道与集热管连通，工质管道和集热管内流通传热介质。一部分工质管道位于集热管架内侧壁且与集热管连通，另一部分工质管道位于集热管架外。

集热管能够吸收聚焦后的太阳光热量来加热流经管内的工质（例如水）。工质管道内的工质不断循环带走热量产生蒸汽来发电。集热管架带动集热管做类似秋千的旋转来使集热管处于阳光聚焦的区域。

上述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，所述的光照度传感器安装在集热管架上，沿转动方向分布在集热管两侧，共两个。光照度传感器通过汇聚的阳光移动造成的光暗变化来给太阳跟踪控制模块传递控制信息，实现集热管对聚焦阳光区域的追踪，提高集热效率。

上述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，所述的连接在集热管架上的转向驱动机构包括步进电机和与其连接传动齿轮。步进电机位于圆柱体固定透镜中轴线两侧，并连接有传动齿轮，传动齿轮连接U型集热管架并驱动集热管架带动集热管旋转。

上述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，所述的太阳跟踪控制模块采用AT89系列单片机进行控制，接收上述光照度传感器传来的信号，控制集热管架带动集热管随着聚集阳光的直线型区域沿东西方向转动。基本工作流程包括以下步骤：

步骤一，开始工作后，系统自动处于复位位置，即集热管自动处于透镜集热系统西侧。

步骤二，两个光照度传感器开始工作，电机驱动集热管先完整旋转半圈，找出光强最大处，即聚光处，控制集热管旋转到此区域。

步骤三，当两个光照度传感器都聚光区域，即两个传感器都有较大的相同输出值，则控制步进电机停止工作使集热管停在此区域。

步骤四，当两个光照度传感器输出值一大一小，则控制步进电机朝输出值大的方向旋转来追踪聚光区域。

步骤五，不断重复步骤三和步骤四，来实现集热管追踪聚光区域。

步骤六，当夜晚来临，光线变暗甚至无光，光照度传感器输出值小于最小值或者直接无数值，则控制系统复位，停止工作。

相对于现有技术，本发明的有益之处在于，本发明提供了一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热和跟踪系统，不需要驱动巨大的聚光设备，只需要驱动轻便的集热管旋转，减小了驱动负荷。同时，通过跟踪经过圆柱体固定透镜的聚光区域的位置变化更加容易实现和掌控，实现逻辑简单可靠，简化了控制过程，提高跟踪的精度。

附图说明

图1是圆柱体透镜截面光路图原理图；

图2和图3分别是本发明系统的一种实施例结构的正视图与侧视图的示意图；

图4是本发明跟踪控制方法的一种实施例的工作流程图。

具体实施方式

以下根据说明书附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行说明。

一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，包括圆柱体固定透镜1、集热管5、安装在集热管架4上的光照度传感器7、连接在集热管架4上的转向驱动机构2、太阳跟踪控制模块。太阳跟踪控制模块可设置于系统的任意位置。

一种实施例的正视图和侧视图如图2和3所示， 所述的圆柱体固定透镜采用横放式的透明圆柱体形的透镜来聚光。圆柱体采用卧倒横放式，上下底面分别面朝南北方向。由于圆柱造型的特点，透镜将光聚集在一条直线区域上，且透镜不需跟随太阳转动。在图3中，光照度传感器7所在位置即为集热管架。

集热管位于圆柱体固定透镜和集热管架之间，集热管位于集热管架上；集热管架与集热管同时运动且相对静止。光照度传感器安装于集热管架中部位置；转向驱动机构安装于圆柱体固定透镜中轴线的两侧。

所述的圆柱体固定透镜为卧倒横放式的透明圆柱体形的透镜，其用于聚光；圆柱体固定透镜上下底面分别面朝南北方向，透镜将光聚集在一条直线区域上，且透镜不需跟随太阳转动。所述的集热管沿圆柱体固定透镜的下半圆面旋转。

集热管架底部与集热管平行，集热管架带动集热管同时运动且相对静止；集热管架为U型。集热管为一根直管，位于集热管架底部。

圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，还包括支架3，支架位于圆柱体固定透镜轴中轴线的两端；还包括工质管道6，工质管道与集热管连通，工质管道和集热管内流通传热介质。转向驱动机构2与部分工质管道（即图2中附图标记2所在位置，因该位置除了转向驱动机构外，还设有部分工质管道，故该位置加粗表示）紧挨着布置但两者相互独立。一部分工质管道位于集热管架内侧壁，另一部分工质管道位于集热管架外。

所述的光照度传感器安装在集热管架上，沿转动方向分布在集热管两侧，共两个；光照度传感器通过汇聚的阳光移动造成的光暗变化给太阳跟踪控制模块传递光照度信息。

所述的连接在集热管架上的转向驱动机构包括步进电机和与其连接的传动齿轮；步进电机位于圆柱体固定透镜中轴线两侧，并连接有传动齿轮，传动齿轮连接U型集热管架并驱动集热管架带动集热管旋转。

系统中集热管沿圆柱体固定透镜的下半圆面旋转，集热管采用直通式金属-玻璃真空集热管，此集热管热损失较小，性能较好。光照度传感器安装在集热管架上，沿转动方向分布在集热管两侧，共两个。光照度传感器通过汇聚的阳光移动造成的光暗变化来给太阳跟踪控制模块传递控制信息，实现集热管对聚焦阳光区域的追踪，提高集热效率。

连接在集热管架上的转向驱动机构包括步进电机和与其连接传动齿轮，以此来驱动集热管的旋转和停止。步进电机位于圆柱体固定透镜中轴线两侧，并连接有传动齿轮，传动齿轮连接U型集热管架并驱动集热管架旋转进而带动集热管旋转；步进电机安装在支架上。

系统中太阳跟踪控制模块采用AT89系列单片机进行控制，接收上述光照度传感器传来的信号，控制步进电机工作，集热管架带动集热管随着聚集阳光的直线型区域沿东西方向转动。

其中，一种实施例的基本工作流程如图4所示，主要包括以下步骤：

步骤一，开始工作后，系统自动处于复位位置，即集热管自动处于透镜集热系统西侧。

步骤二，两个光照度传感器开始工作，电机驱动集热管先完整旋转半圈，找出光强最大处，即聚光处，控制集热管旋转到此区域。

步骤三，当两个光照度传感器都聚光区域，即两个传感器都有较大的相同输出值，则控制步进电机停止工作使集热管停在此区域。

步骤四，当两个光照度传感器输出值一大一小，则控制步进电机朝输出值大的方向旋转来追踪聚光区域。

步骤五，不断重复步骤三和步骤四，来实现集热管追踪聚光区域。

步骤六，当夜晚来临，光线变暗甚至无光，光照度传感器输出值小于最小值或者直接无数值，则控制系统复位，停止工作。

与现有的技术相比，本发明提供了一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热和跟踪系统，不需要驱动巨大的聚光设备，只需要驱动轻便的集热管旋转，减小了驱动负荷。同时，通过跟踪经过圆柱体固定透镜的聚光区域的位置变化更加容易实现和掌控，实现逻辑简单可靠，简化了控制过程，提高跟踪的精度。

实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，包括圆柱体固定透镜、集热管、集热管架、太阳跟踪控制模块；集热管位于圆柱体固定透镜和集热管架之间，集热管位于集热管架上；还包括安装在集热管架上的光照度传感器、连接在集热管架上的转向驱动机构；集热管架与集热管同时运动且相对静止；太阳跟踪控制模块接收上述光照度传感器传来的信号，控制集热管架带动集热管随着聚集阳光的直线型区域沿东西方向转动。

2.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，光照度传感器安装于集热管架中部位置；转向驱动机构安装于圆柱体固定透镜中轴线的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，所述的圆柱体固定透镜为卧倒横放式的透明圆柱体形的透镜，其用于聚光；圆柱体固定透镜上下底面分别面朝南北方向，透镜将光聚集在一条直线区域上，且透镜不需跟随太阳转动。

4.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，所述的集热管沿圆柱体固定透镜的下半圆面旋转。

5.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，集热管架底部与集热管平行，集热管架带动集热管同时运动且相对静止；集热管架为U型；集热管为一根直管，位于集热管架底部。

6.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，还包括支架，支架位于圆柱体固定透镜轴中轴线的两端。

7.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，还包括工质管道，工质管道与集热管连通，工质管道和集热管内流通传热介质；一部分工质管道位于集热管架内侧壁且与集热管连通，另一部分工质管道位于集热管架外。

8.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，所述的光照度传感器安装在集热管架上，沿转动方向分布在集热管两侧，共两个；光照度传感器通过汇聚的阳光移动造成的光暗变化给太阳跟踪控制模块传递光照度信息。

9.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，所述的连接在集热管架上的转向驱动机构包括步进电机和与其连接的传动齿轮；步进电机位于圆柱体固定透镜中轴线两侧，并连接有传动齿轮，传动齿轮连接U型集热管架并驱动集热管架旋转进而带动集热管旋转；步进电机安装在支架上。

10.根据权利要求1所述的一种新型圆柱体固定透镜光热发电集热跟踪系统，其特征在于，

所述的太阳跟踪控制模块采用AT89系列单片机控制，接收上述光照度传感器传来的信号，控制集热管架带动集热管随着聚集阳光的直线型区域沿东西方向转动；基本工作流程包括以下步骤：

步骤一，开始工作后，系统自动处于复位位置，即集热管自动处于透镜集热系统西侧；

步骤二，两个光照度传感器开始工作，电机驱动集热管先完整旋转半圈，找出光强最大处，即聚光处，控制集热管旋转到此区域；

步骤三，当两个光照度传感器都聚光区域，即两个传感器都有较大的相同输出值，则控制步进电机停止工作使集热管停在此区域；

步骤四，当两个光照度传感器输出值一大一小，则控制步进电机朝输出值大的方向旋转来追踪聚光区域；

步骤五，不断重复步骤三和步骤四，来实现集热管追踪聚光区域；

步骤六，当夜晚来临，光线变暗甚至无光，光照度传感器输出值小于最小值或者直接无数值，则控制系统复位，停止工作。