CN108266905B - 一种聚光储热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚光储热装置，包括：聚光镜组、循环集热单元、悬浮单元、水平调向单元、竖直调向单元和第一控制单元。本发明的聚光储热装置能悬浮在大气平流层中，高效吸收太阳能辐射热并储存后带回地面，几乎不受气候和地区经纬度的影响，既无需大量的占地面积，又可根据需要灵活选用清洁热能，成本大幅度降低，使人们能够享受到低廉、清洁的热能。

Description

一种聚光储热装置

技术领域

本发明涉及聚光太阳能装备技术领域，尤其是一种聚光储热装置。

背景技术

在现实生活中，人们利用太阳能时，对气候和地区经纬度的要求较高，采集的太阳能储能的成本也较大，这使得人们不得不选择化石能源来满足日常能源需求。在现有技术中，也公开了熔盐塔等太阳能热电站项目，但这些项目存在建筑面积大，控制系统庞大的缺点，无法大面积推广。

因此，需要一种改进的聚光储热装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚光储热装置。

为实现上述目的，本发明采用以下内容：

一种聚光储热装置，包括：

聚光镜组，用于将太阳光束反射并形成聚光光束；

循环集热单元，用于接收聚光光束，并将太阳能储存成热能；

悬浮单元，用于将整个装置悬浮在大气平流层中；

水平调向单元，用于对聚光镜组进行水平方向角度调整；

竖直调向单元，用于对聚光镜组进行垂直方向角度调整；和

第一控制单元，用于控制水平调向单元和竖直调向单元。

进一步地，所述循环集热单元包括集热盒、高温储热罐、循环气管；在集热盒内充满气体介质，在高温储热罐内装有储热介质；所述集热盒接收聚光光束使气体介质膨胀后经循环气管进入高温储热罐，将热量转移给储热介质后再经循环气管回到集热盒。

优选地，所述循环集热单元包括集热盒、高温储热罐、循环气管、第一惯性轮、集热活塞、集热活塞连杆、压气活塞、压气活塞连杆；在集热盒的上部设置有集热活塞，集热活塞经集热活塞连杆连接第一惯性轮；循环气管包括依次连接的第一进气管、散热管、第一排气管，第一进气管的进口端连接集热盒的出气口，第一排气管的出口端连接集热盒的进气口；在第一排气管上设置有第一控制盒，在第一控制盒内设置有压气活塞，压气活塞经压气活塞连杆连接第一惯性轮。

进一步地，所述悬浮单元包括第一中心柱和第一气囊；第一气囊围绕第一中心柱外侧设置，纵截面为水滴形形状，其内充满低密度气体。

进一步地，所述水平调向单元包括第一水平调向风叶和第一水平调向电机，水平调向电机与第一控制单元相连；所述竖直调向单元为伸缩调向杆，一端与聚光镜组的下表面固定，另一端固定在中心柱上，与第一控制单元相连。

进一步地，所述第一控制单元用于控制水平调向单元和竖直调向单元，其内设置有位置传感器、时钟模块、数据处理模块；位置传感器用于检测聚光镜组所处的经纬度、高度、角度等位置数据；时钟模块用于提供当前时间数据；数据处理模块用于对位置传感器提供的位置数据和时钟模块的时间数据进行处理得到当前太阳照射天文角度，并进一步处理得到聚光镜组追日所需垂直角度和水平角度；第一控制单元依照数据处理模块的处理结果控制伸缩调向杆执行垂直方向角度调整命令和/或控制水平调向风叶执行水平方向角度调整命令。

进一步地，所述聚光储热装置还包括热能转换单元；所述热能转换单元包括气动马达、加热管、散热器；加热管安装在高温储热罐内；液态水经加热管变成高压水蒸汽后进入气动马达，高压水蒸汽带动气动马达转动转成低压水蒸汽，低压水蒸汽经散热器重新变成液态水回到加热管。

优选地，所述热能转换单元包括气动马达、加热管、第二进气管、第二排气管、散热器、散热风叶、排水管、压水活塞、压水活塞连杆；气动马达包括第二惯性轮、叶片，具有高压进气管、多个高压进气口、高压气膨胀腔、多个低压排气口、低压排气管；加热管的进口端连接排水管的出口端，出口端连接第二进气管的进口端；第二进气管的出口端连接高压进气管的进口侧；高压进气管的出口侧经多个高压进气口连通高压气膨胀腔的进口侧；高压气膨胀腔为马达定子内的空腔体，是由多曲线结合组成的空腔体；高压气膨胀腔的出口侧经多个低压排气口连通低压排气管；低压排气管连接第二排气管的进口端；第二排气管的出口端连接散热器的进气口；在散热器外设置有散热风叶；散热器的出水口连接排水管的进口端；在排水管上设置有第二控制盒，在第二控制盒内设置有压水活塞，压水活塞经压水活塞连杆连接第二惯性轮。

进一步地，所述聚光储热装置还包括与其配套使用的搬运机构，所述搬运机构可从地面站悬浮至聚光储热装置处，与聚光储热装置对接，卸载空载高温储热罐，装载满量高温储热罐。

优选地，所述搬运机构包括第二中心柱、第二气囊、第二控制单元、压缩泵、第二水平调向风叶、第二水平调向电机、角度调向模块和搬运柱；第二中心柱为圆柱形管状结构；第二气囊围绕第二中心柱外侧设置，纵截面为水滴形形状，其内充满低密度气体；压缩泵与第二气囊相连，控制第二气囊的气体量；第二水平调向风叶受第二水平调向电机控制；搬运柱设置在第二中心柱的顶端，具有可放置高温储热罐的空位；第二控制单元用于控制搬运机构的方向，与第二水平调向电机、角度调向模块、搬运柱相连；在高温储热罐上安装有定位器，定位器可与第二控制单元通信。

本发明具有以下优点：

本发明的聚光储热装置能悬浮在大气平流层中，高效吸收太阳能辐射热并储存后带回地面，几乎不受气候和地区经纬度的影响，既无需大量的占地面积，又可根据需要灵活选用清洁热能，成本大幅度降低，使人们能够享受到低廉、清洁的热能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明的聚光储热装置的整体结构示意图。

图2是循环集热单元的结构示意图。

图3是第一控制单元与调向单元的结构示意图。

图4是热能转换单元的结构示意图。

图5是搬运机构的结构示意图。

图6是第二控制单元与调向单元的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例

如图1-4所示，是本发明的聚光储热装置的整体结构示意图。该聚光储热装置主要包括：聚光镜组、循环集热单元、悬浮单元、水平调向单元、竖直调向单元、第一控制单元、热能转换单元、搬运机构。

聚光镜组1用于将太阳光束反射并形成聚光光束。

循环集热单元包括集热盒21、高温储热罐22、循环气管、第一惯性轮24、集热活塞25、集热活塞连杆26、压气活塞27、压气活塞连杆28(如图2所示)。

集热盒21设置在聚光镜组1的相对面，聚光镜组1形成的聚光光束反射到集热盒21的底部。在集热盒21内充满气体介质(例如氢气)。集热盒的上部设置有集热活塞25。集热活塞25经集热活塞连杆26连接第一惯性轮24，带动第一惯性轮24。集热盒21内的气体介质受集热活塞25运动控制来进入或不进入循环气管。

高温储热罐22内具有储热介质(例如氯化钠)。

循环气管包括依次连接的第一进气管231、散热管232、第一排气管233。第一进气管231的进口端连接集热盒21的出气口(图2中，集热活塞25设置的口就是集热盒21的出气口)，出口端连接散热管232的进口端。散热管232设置在高温储热罐22的储热介质内，出口端连接第一排气管233的进口端。第一排气管233的出口端连接集热盒21的进气口。在第一排气管233上设置有一第一控制盒234，将第一排气管233分成两部分，在第一控制盒234内设置有压气活塞27。压气活塞27经压气活塞连杆28连接第一惯性轮24，受第一惯性轮24带动，两侧的第一排气管233受压气活塞27运动控制来保持连通或不连通。

悬浮单元包括第一中心柱31和第一气囊32。第一中心柱31为圆柱形管状结构。第一气囊32围绕第一中心柱31外侧设置，纵截面为水滴形形状，其内充满低密度气体。悬浮单元上还设置有第一机柜33，用于放置第一控制单元6。

水平调向单元4包括第一水平调向风叶和第一水平调向电机，设置在第一中心柱31上、位于第一气囊32的下方，水平调向电机与第一控制单元6相连。聚光镜组1的水平方向角度调整由第一水平调向风叶实现。

竖直调向单元5为伸缩调向杆，一端与聚光镜组1的下表面固定，另一端固定在中心柱31上，与第一控制单元6相连。聚光镜组1的垂直方向角度调整由伸缩调向杆实现。

第一控制单元6用于控制水平调向单元和竖直调向单元，其内设置有位置传感器61、时钟模块62、数据处理模块63。位置传感器61用于检测聚光镜组1所处的经纬度、高度、角度等位置数据。时钟模块62用于提供当前时间数据。数据处理模块63用于对位置传感器61提供的位置数据和时钟模块62的时间数据进行处理得到当前太阳照射天文角度，并进一步处理得到聚光镜组1追日所需垂直角度和水平角度。第一控制单元6依照数据处理模块63的处理结果控制伸缩调向杆执行垂直方向角度调整命令和/或控制水平调向风叶执行水平方向角度调整命令。第一控制单元6的具体控制步骤和方法可采用现有技术中任意可实现前述目的的技术，在此不进行详述。

如图4所示，是热能转换单元的结构示意图。利用热能转换单元来把热能转换为机械能并转动发电机获得电能，来为本发明的聚光储热装置自身系统运作提供所需电力。同时在地面站销售电力时，也是利用热能转换单元来将热能转换。热能转换单元包括气动马达、加热管72、第二进气管73、第二排气管74、散热器75、散热风叶76、排水管77、压水活塞78、压水活塞连杆79。

气动马达包括第二惯性轮711、叶片712，具有高压进气管713、高压进气口714、高压气膨胀腔715、低压排气管716、低压排气口717。加热管72设置在高温储热罐22内，进口端连接排水管77的出口端，出口端连接第二进气管73的进口端。第二进气管73的出口端连接气动马达71的高压进气管713。高压进气管分成三路分别经一个高压进气口714连通高压气膨胀腔715。高压气膨胀腔715为马达定子内的空腔体，是由多曲线结合组成的空腔体，主要作用是将高压气体在其内膨胀和排气。经高压气膨胀腔715膨胀后的气体从三个低压排气口717排出汇流至低压排气管716。气动马达71的低压排气管716连接第二排气管74的进口端。第二排气管74的出口端连接散热器75的进气口。在散热器75外设置有散热风叶76。散热器75的出水口连接排水管77的进口端。在排水管77上设置有一第二控制盒771，将排水管77分成两部分，在第二控制盒771内设置有压水活塞78。压水活塞78经压水活塞连杆79连接第二惯性轮711，受第二惯性轮711带动，两侧的排水管77受压水活塞连杆79运动控制来保持连通或不连通。

如图5和6所示，是配套本发明的聚光储热装置的搬运机构的结构示意图。本发明的聚光储热装置是保持长时间悬浮在固定经度和纬度的平流层内。储满热量的满量高温储能罐经由搬运机构来替换并送回地面。搬运机构包括第二中心柱81、第二气囊82、第二机柜83、第二控制单元84、压缩泵85、第二水平调向风叶86、第二水平调向电机87、角度调向模块88、搬运柱89。第二中心柱81为圆柱形管状结构。第二气囊82围绕第二中心柱81外侧设置，纵截面为水滴形形状，其内充满低密度气体。第二机柜83用于放置第二控制单元84、压缩泵85。压缩泵85与第二气囊82相连，控制第二气囊82的气体量。第二水平调向风叶86设置在第二中心柱81上、位于第二气囊82的下方。搬运柱89设置在第二中心柱81的顶端，具有可放置高温储热罐22的空位。第二控制单元84用于控制搬运机构的方向，与第二水平调向电机87、角度调向模块88、搬运柱89相连。在高温储热罐22上安装有定位器221，定位器221可与第二控制单元84通信。第二控制单元84依照定位器221的数据控制第二水平调向电机87、角度调向模块88调整，控制搬运柱89与本发明的聚光储热装置对接或分离。第二控制单元84的具体控制步骤和方法可采用现有技术中任意可实现前述目的的技术，在此不进行详述。

现对该聚光储热装置的主要功能运行过程进行简要说明。

1、聚光镜组的追日控制

1-1)第一控制单元从内置的位置传感器获得自身所处的经纬度和高度角度位置；

1-2)第一控制单元从内置的时钟模块获得当前时间；

1-3)数据处理模块根据1-1)和1-2)的参数来计算太阳照射天文角度；

1-4)数据处理模块计算出装置追日所需的垂直角度和水平角度；

1-5)第一控制单元传输出垂直角度控制指令使伸缩调向杆执行垂直方向的角度调整；

1-6)第一控制单元传输出水平角度控制指令使水平调向风叶执行水平方向的角度调整，完成追日控制。

2、循环集热单元的集热过程

2-1)太阳光照射到聚光镜组；

2-2)聚光镜组把太阳光反射并聚光到集热盒内；

2-3)集热盒把太阳光转换为热量；

2-4)集热盒内的氢气在受热后膨胀，造成集热盒内压力增大；

2-4)集热盒的集热活塞受压力作用可前后移动，使集热盒内的高温气体在集热活塞的运动下经第一进气管排出，同时集热活塞通过活塞连杆带动惯性轮转动(在初始时需要用电动机起动)；

2-5)惯性轮带动压气活塞，把自高温储热罐的排气通过排气管压入集热盒内；另一侧，由于排气管一侧和第一进气管一侧的压力差异，使进入第一进气管的高温气体进入到高温储热罐中，经散热管进行放热，并在放热后经排气管排气再次进入集热盒吸热；反复循环，直至高温储热罐内的储热介质(例如氯化钠等)的温度达到1000度以上完成高温储热罐的储热。

3、热能转换单元把热能转化为机械能的过程

3-1)液态水进入位于高温储热罐内的加热管内，吸收热量后成为高压水蒸汽；

3-2)高压水蒸汽经高压进气口进入气动马达，使得气动马达的进气侧和排气侧具有压力差异，气动马达的第二惯性轮和叶片转动；

3-3)气动马达的低压排气口连接到散热器，低压水蒸汽进入散热器；

3-4)散热风叶循环空气使散热器把低压水蒸汽的热量排放到空气中，低压水蒸汽重新变成液态水，同时气动马达的排气侧的压力下降；

3-5)气动马达转动还带动相连的压水活塞移动，排水管连通，把液态水再次压入到高温储热罐的加热管内；

3-6)气动马达在步骤3-1～3-5的循环过程中，获得机械能，完成将热能转换成机械能。气动马达的机械通过发电机能转换产生电力。

4、搬运机构搬运储满热量的高温储热罐并替换带回过程

4-1)本发明的聚光储热装置中的某个高温储热罐依照步骤2-5完成高温储热罐的储热时，满量高温储热罐发出罐体更换请求到地面站；

4-2)在地面站将排尽热量的空载高温储热罐装入到搬运机构的搬运柱中；

4-3)搬运机构受第二气囊浮力上升到大气平流层，

4-4)第二控制单元通过压缩泵调整第二气囊的浮力，通过第二水平调向风叶调整经纬度位置，直至搬运机构接近本发明的聚光储热装置；

4-5)第二控制单元与满量高温储热罐中的定位器通信，获得相对定位数据；

4-6)第二控制单元通过第二水平调向风叶调整经纬度位置，直至定位到满量高温储热罐的底部；

4-7)第二控制单元通过角度调向模块进行转角控制，直至空载高温储热罐的位置与本发明的聚光储热装置中的高温储热罐空位对齐；

4-8)第二控制单元控制搬运柱与本发明的聚光储热装置实施对接；本发明的聚光储热装置卸载满量储热罐，在储热罐空位装载空载高温储热罐；搬运柱装载满量高温储热罐，卸载空载高温储热罐；

4-9)搬运柱与本发明的聚光储热装置分离；

4-10)搬运机构实施步骤4-3、4-4步骤返回地面站，完成搬运任务。

本发明的聚光储热装置的太阳能辐射热量的采集效率比地面站高出3倍以上，且几乎不占用地面资源；利用该装置采集太阳能是在大气平流层进行，几乎不受气候和地区经纬度的影响，且地面站可根据能源需求量灵活控制装置的放飞数量；高温储热罐体积小，能量密度高，价格低廉且清洁，可适用于多种能源需求；气动马达在运作过程中几乎不消耗水资源就将热能转换为机械能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种聚光储热装置，其特征在于，包括：

聚光镜组，用于将太阳光束反射并形成聚光光束；

循环集热单元，用于接收聚光光束，并将太阳能储存成热能；

悬浮单元，用于将整个装置悬浮在大气平流层中；

水平调向单元，用于对聚光镜组进行水平方向角度调整；

竖直调向单元，用于对聚光镜组进行垂直方向角度调整；和

第一控制单元，用于控制水平调向单元和竖直调向单元；

所述循环集热单元包括集热盒、高温储热罐、循环气管；在集热盒内充满气体介质，在高温储热罐内装有储热介质；所述集热盒接收聚光光束使气体介质膨胀后经循环气管进入高温储热罐，将热量转移给储热介质后再经循环气管回到集热盒；

所述循环集热单元包括集热盒、高温储热罐、循环气管、第一惯性轮、集热活塞、集热活塞连杆、压气活塞、压气活塞连杆；在集热盒的上部设置有集热活塞，集热活塞经集热活塞连杆连接第一惯性轮；循环气管包括依次连接的第一进气管、散热管、第一排气管，第一进气管的进口端连接集热盒的出气口，第一排气管的出口端连接集热盒的进气口；在第一排气管上设置有第一控制盒，在第一控制盒内设置有压气活塞，压气活塞经压气活塞连杆连接第一惯性轮。

2.根据权利要求1所述的一种聚光储热装置，其特征在于，所述悬浮单元包括第一中心柱和第一气囊；第一气囊围绕第一中心柱外侧设置，纵截面为水滴形形状，其内充满低密度气体。

3.根据权利要求1所述的一种聚光储热装置，其特征在于，所述水平调向单元包括第一水平调向风叶和第一水平调向电机，水平调向电机与第一控制单元相连；所述竖直调向单元为伸缩调向杆，一端与聚光镜组的下表面固定，另一端固定在中心柱上，与第一控制单元相连。

4.根据权利要求1所述的一种聚光储热装置，其特征在于，所述第一控制单元用于控制水平调向单元和竖直调向单元，其内设置有位置传感器、时钟模块、数据处理模块；位置传感器用于检测聚光镜组所处的经纬度、高度、角度位置数据；时钟模块用于提供当前时间数据；数据处理模块用于对位置传感器提供的位置数据和时钟模块的时间数据进行处理得到当前太阳照射天文角度，并进一步处理得到聚光镜组追日所需垂直角度和水平角度；第一控制单元依照数据处理模块的处理结果控制伸缩调向杆执行垂直方向角度调整命令和/或控制水平调向风叶执行水平方向角度调整命令。

5.根据权利要求1所述的一种聚光储热装置，其特征在于，所述聚光储热装置还包括热能转换单元；所述热能转换单元包括气动马达、加热管、散热器；加热管安装在高温储热罐内；液态水经加热管变成高压水蒸汽后进入气动马达，高压水蒸汽带动气动马达转动转成低压水蒸汽，低压水蒸汽经散热器重新变成液态水回到加热管。

6.根据权利要求5所述的一种聚光储热装置，其特征在于，所述热能转换单元包括气动马达、加热管、第二进气管、第二排气管、散热器、散热风叶、排水管、压水活塞、压水活塞连杆；气动马达包括第二惯性轮、叶片，具有高压进气管、多个高压进气口、高压气膨胀腔、多个低压排气口、低压排气管；加热管的进口端连接排水管的出口端，出口端连接第二进气管的进口端；第二进气管的出口端连接高压进气管的进口侧；高压进气管的出口侧经多个高压进气口连通高压气膨胀腔的进口侧；高压气膨胀腔为马达定子内的空腔体，是由多曲线结合组成的空腔体；高压气膨胀腔的出口侧经多个低压排气口连通低压排气管；低压排气管连接第二排气管的进口端；第二排气管的出口端连接散热器的进气口；在散热器外设置有散热风叶；散热器的出水口连接排水管的进口端；在排水管上设置有第二控制盒，在第二控制盒内设置有压水活塞，压水活塞经压水活塞连杆连接第二惯性轮。

7.根据权利要求1所述的一种聚光储热装置，其特征在于，所述聚光储热装置还包括与其配套使用的搬运机构，所述搬运机构可从地面站悬浮至聚光储热装置处，与聚光储热装置对接，卸载空载高温储热罐，装载满量高温储热罐。

8.根据权利要求7所述的一种聚光储热装置，其特征在于，所述搬运机构包括第二中心柱、第二气囊、第二控制单元、压缩泵、第二水平调向风叶、第二水平调向电机、角度调向模块和搬运柱；第二中心柱为圆柱形管状结构；第二气囊围绕第二中心柱外侧设置，纵截面为水滴形形状，其内充满低密度气体；压缩泵与第二气囊相连，控制第二气囊的气体量；第二水平调向风叶受第二水平调向电机控制；搬运柱设置在第二中心柱的顶端，具有可放置高温储热罐的空位；第二控制单元用于控制搬运机构的方向，与第二水平调向电机、角度调向模块、搬运柱相连；在高温储热罐上安装有定位器，定位器可与第二控制单元通信。

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