CN108507199A - 一种太阳能聚光集热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能聚光集热系统及方法。该系统至少包括集热器、竖立反射镜组、底盘、底盘驱动机构、菲涅尔反射镜组、轴承座、圆形导轨、转动连杆、连杆驱动机构及太阳能控制单元；竖立反射镜组是绕集热器的反射镜，向太阳布置，竖立反射镜组的轴心与集热器中心轴构成平行，竖立反射镜组用于将太阳的入射光反射到集热器的吸热面；菲涅尔反射镜组在集热器另一侧，用于将集热器另一侧的太阳光进行聚光反射到集热器的吸热面；菲涅尔反射镜组最高点不会影响太阳投向集热器的吸热面；菲涅尔反射镜组在集热器另一侧，用于将集热器另一侧的太阳光进行聚光反射到集热器的吸热面。本发明具有成本低、效率高、聚光比高的特点。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用领域，尤其涉及一种太阳能聚光集热系统及方法。
背景技术
人类社会的发展伴随着能源的利用，随着传统化石能源等不可再生能源储量的日益衰竭和对环境的污染日益恶化，太阳能作为用之不歇的清洁能源越来越受到社会的关注。
为了提高太阳能的利用效率，需要优化聚光太阳能集热器的结构。目前太阳能聚光集热装置主要为槽式、碟式、线性菲涅尔式和塔式，但每种方式都有自己的缺点，普遍成本偏高，槽式集热装置余弦损失大，聚光比受限制，单曲面反射镜成本高；碟式集热装置无法实现真空保温，热损严重，双曲面反射镜成本高；线性菲涅尔集热装置聚光比受限；塔式适合大规模电站应用，无法实现小规模分布式能源应用。因此需要一种低成本、高效率、高聚光比的太阳能聚光集热装置，来推动太阳能光热中、高温和发电的应用和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、效率高、聚光比高的太阳能聚光集热系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：至少包括集热器、竖立反射镜组、底盘、底盘驱动机构、菲涅尔反射镜组、轴承座、圆形导轨、转动连杆、连杆驱动机构及太阳能控制单元；
竖立反射镜组是绕集热器的反射镜，向太阳布置，竖立反射镜组的轴心与集热器中心轴构成平行，竖立反射镜组用于将太阳的入射光反射到集热器的吸热面；
菲涅尔反射镜组在集热器另一侧，用于将集热器另一侧的太阳光进行聚光反射到集热器的吸热面；菲涅尔反射镜组最高点不会影响太阳投向集热器的吸热面；
集热器、菲涅尔反射镜组和竖立反射镜组固定在底盘上，通过底盘驱动机构驱动，使集热器、菲涅尔反射镜组和竖立反射镜组整体随太阳转动；
太阳能控制单元用于控制连杆驱动机构，使菲涅尔反射镜组转动反射光线到竖立反射镜组，再经过反射镜组二次反射聚焦到集热器上，完成镜场跟踪，实现聚光集热的目的。
所述的竖立反射镜组和集热器之间的底盘上或布置有底面平面反射镜组，底面平面反射镜组用于将太阳投向底面的太阳光经竖立反射镜组反射到集热器上。
所述的菲涅尔反射镜组布置在集热器相对竖立反射镜组的另一侧，菲涅尔反射镜组水平布置成单排或多排，菲涅尔反射镜组通过旋转轴固定在底盘上，菲涅尔反射镜组的每排的旋转轴与竖立反射镜组的水平切线的中心线垂直，菲涅尔反射镜组每排反射镜可以沿轴竖直转动，单轴跟踪太阳，把光线反射到竖立反射镜组上且经过竖立反射镜组二次反射聚焦到集热器上。
所述的集热器竖立布置在竖立反射镜组水平切线的焦点或焦面处。
所述的集热器或是多根串联成1根真空集热管组或多根集热管串联成多根集热管组或其他形式集热装置。
所述的集热器的高度高于竖立反射镜组，使菲涅尔反射镜组的反射光经竖立反射镜组二次反射后能聚焦到集热器。
所述的竖立反射镜组是一组竖立布置的反射镜，或是单曲面反射镜或小尺寸平面反射镜组成的水平切线为抛物线或近似抛物线或其他聚焦曲线的反射镜组，竖立反射镜组沿抛物线或近似抛物线或其他聚焦曲线的水平中心线对称布置。
所述的竖立反射镜组水平切线为近似抛物线，抛物线方程为y²=2px。
所述的竖立反射镜组水平切线为近似抛物线焦距为25米，抛物线开口为100米。
一种太阳能聚光集热方法，其特征在于：集热器通过集热器支架固定在底盘上；竖立反射镜组通过竖立反射镜组支架固定在底盘上；底面平面反射镜组固定在底盘上；底盘驱动机构、菲涅尔反射镜组通过轴承座固定在底盘上；底盘下面有圆形导轨，圆形导轨采用直径40米和80米的轨道制作成环形，固定于平整的水泥地面上，底盘底下在圆形导轨上布置滑轮，使底盘能在底盘驱动机构驱动下，沿圆形导轨进行水平平稳转动；由太阳能控制单元控制底盘驱动机构水平转动，竖立反射镜组沿方位角方向正对太阳时，完成方位角跟踪，此时照射到竖立反射镜组上的阳光，部分光线由竖立反射镜组直接反射聚焦到集热器上，部分光线由竖立反射镜组反射至底面平面反射镜组上，再由底面平面反射镜组二次反射聚焦到集热器上；照射到底面平面反射镜组上的阳光反射至竖立反射镜组上，再由竖立反射镜组二次反射聚焦到集热器上；由太阳能控制单元控制连杆驱动机构，使菲涅尔反射镜组转动反射光线到竖立反射镜组，再经过反射镜组二次反射聚焦到集热器上，完成镜场跟踪，实现聚光集热的目的。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
本发明太阳能聚光集热装置竖立反射镜组可以用单曲面反射镜或平面反射镜，竖立反射镜组的水平切线（如抛物线）的开口可大可小，从几米到几百米甚至上千米，避免了槽式聚光集热装置的开口限制，可以实现高倍聚光，大大提高集热装置的使用范围，避免了槽式聚光集热装置只能用单曲面反射镜，采用平面反射镜大大降低成本；布置的线性菲涅尔反射镜经过竖立反射镜组的二次反射实现高倍聚光，避免了线性菲涅尔聚光比低，集热器使用量大的问题；使集热装置所占地方的光线充分利用，集热器可采用单根真空管或多根真空管组实现真空集热大大减少热损失，避免了碟式聚光集热器无法真空集热和单个碟功率限制问题；单个集热装置可大可小避免塔式无法小规模应用的问题。本发明太阳能聚光集热装置采用多重二次聚光提高聚光比，提高集热温度；同时减少了集热器的使用量，更多利用平面反射镜降低成本；多种形式结合提高了镜场利用率，节约土地；
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1A是本发明实施例2的主视结构示意图；
图1B是本发明实施例2的俯视结构示意图；
图2A是本发明实施例3的主视结构示意图;
图2B是本发明实施例3的俯视结构示意图。
图中，1、集热器，2、集热器支架，3、竖立反射镜组，4、竖立反射镜组支架，5、底面平面反射镜组，6、底盘，7、底盘驱动机构，8、菲涅尔反射镜组，9、轴承座，10、圆形导轨，11、转动连杆，12、连杆驱动机构。
具体实施方式
实施例1
一种太阳能聚光集热系统至少包括集热器1、竖立反射镜组3、底盘6、底盘驱动机构7、菲涅尔反射镜组8、轴承座9、圆形导轨10、转动连杆11、连杆驱动机构12及太阳能控制单元；
竖立反射镜组3是绕集热器1的反射镜，向太阳布置，竖立反射镜组3的轴心与集热器1中心轴构成平行，竖立反射镜组3用于将太阳的入射光反射到集热器1的吸热面；
菲涅尔反射镜组8在集热器1另一侧，用于将集热器1另一侧的太阳光进行聚光反射到集热器1的吸热面；菲涅尔反射镜组8最高点不会影响太阳投向集热器1的吸热面；
集热器1、菲涅尔反射镜组8和竖立反射镜组3固定在底盘6上，通过底盘驱动机构7驱动，使集热器1、菲涅尔反射镜组8和竖立反射镜组3整体随太阳转动；
太阳能控制单元用于控制连杆驱动机构12，使菲涅尔反射镜组转动反射光线到竖立反射镜组3，再经过反射镜组3二次反射聚焦到集热器1上，完成镜场跟踪，实现聚光集热的目的。
实施例2
如图1A和图1B所示，一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：至少包括集热器1、集热器支架2、竖立反射镜组3、竖立反射镜组支架4、底面平面反射镜组5、底盘6、底盘驱动机构7、菲涅尔反射镜组8、轴承座9、圆形导轨10、转动连杆11、连杆驱动机构12及太阳能控制单元；竖立反射镜组3采用的平面反射镜，竖立反射镜组3的尺寸可选用高12米宽0.5米，竖立反射镜组3或采用多块拼接高度，挨接着布置组成，平面反射镜镜面朝阳布置于底盘6上，竖立反射镜组3用竖立反射镜组支架4进行固定，竖立反射镜组3水平切线为近似抛物线，抛物线方程为y²=2px，设置焦距为25米，抛物线开口为100米；集热器1把4米长真空集热管串接成高度为24米，采用5根24米高集热管并排组成吸热面，集热器1用竖立反射镜组支架4固定；在集热器1与竖立反射镜组3为并排布置，其底部有底面平面反射镜组5，底面平面反射镜组5采用长2米宽0.5米平面反射镜水平拼接，布置在经过焦点并与抛物线中心线垂直的直线和抛物线之间区域的底盘6上，使竖立反射镜组3反射击到底部的太阳光在次底面平面反射镜组5反射到集热器1；在相对于集热器1和竖立反射镜组3的另一侧底部有菲涅尔反射镜组8，所有菲涅尔反射镜都布置在底盘6上；菲涅尔反射镜组8采用40排平面反射镜组成，每排的旋转轴平行于经过焦点并与抛物线中心线垂直的直线，每排镜子长100米，宽1米，离集热器近的20排相邻两排的镜子轴间距为1.5米，离集热器远的20排相邻两排的镜子轴间距为2米；所述的底盘6采用钢结构做成长100米宽100米的平台，底盘6下面有圆形导轨10，圆形导轨10采用直径40米和80米的轨道制作成环形，固定于平整的水泥地面上，底盘6底下在圆形导轨10上布置滑轮，使底盘6可以在底盘驱动机构7驱动下，沿圆形导轨10进行水平平稳转动。
由太阳能控制单元控制底盘驱动机构7水平转动，竖立反射镜组3沿方位角方向正对太阳时，完成方位角跟踪，此时照射到竖立反射镜组3上的阳光，部分光线由竖立反射镜组3直接反射聚焦到集热器1上，部分光线由竖立反射镜组3反射至底面平面反射镜组5上，再由底面平面反射镜组5二次反射聚焦到集热器1上；照射到底面平面反射镜组5上的阳光反射至竖立反射镜组3上，再由竖立反射镜组3二次反射聚焦到集热器1上。由太阳能控制单元控制连杆驱动机构12，使菲涅尔反射镜组转动反射光线到竖立反射镜组3，再经过反射镜组3二次反射聚焦到集热器1上，完成镜场跟踪，实现聚光集热的目的。
实施例3
如图2A和图2B所示，一种太阳能聚光集热系统，至少包括集热器1、集热器支架2、竖立反射镜组3、竖立反射镜组支架4、底面平面反射镜组5、底盘6、底盘驱动机构7、菲涅尔反射镜组8、轴承座9、圆形导轨10、转动连杆11、连杆驱动机构12及太阳能控制单元；竖立反射镜组3采用高3米（多块拼接高度）宽1米，厚1mm的平面反射镜冷弯成型，背后附着厚铝衬板，厚铝衬板厚度在1mm-1.5mm之间，平面反射镜冷弯成型和铝板之间用胶粘接，挨接着布置组成，竖立反射镜组3水平切线呈抛物线，镜面朝阳布置于底盘6上，竖立反射镜组3用竖立反射镜组支架4进行固定，竖立反射镜组3形成抛物线面方程为y²=2px，设置焦距为2米，抛物线开口为6米；集热器1采用2米长真空集热管串接成高度为6米，采用1根6米高集热管并排组成吸热面，用竖立反射镜组支架4固定；底面平面反射镜组5采用长1米，宽0.5米平面反射镜水平拼接，布置在经过焦点并与抛物线中心线垂直的直线和抛物线之间区域的底盘6上；菲涅尔反射镜组8采用4排平面反射镜组成，每排的旋转轴平行于经过焦点并与抛物线中心线垂直的直线，每排镜子长6米，宽0.5米，离集热器近的两排的镜子轴间距为0.8米，离集热器远的两排的镜子轴间距为1米，所有菲涅尔反射镜都布置在底盘6上；底盘6用钢结构做成长6米宽6米的平台，由太阳能控制单元控制底盘驱动机构7水平转动，竖立反射镜组3沿方位角方向正对太阳时，完成方位角跟踪，此时照射到竖立反射镜组3上的阳光，部分光线由竖立反射镜组3直接反射聚焦到集热器1上，部分光线由竖立反射镜组3反射至底面平面反射镜组5上，再由底面平面反射镜组5二次反射聚焦到集热器1上；照射到底面平面反射镜组5上的阳光反射至竖立反射镜组3上，再由竖立反射镜组3二次反射聚焦到集热器1上。由太阳能控制单元控制连杆驱动机构12，使菲涅尔反射镜组转动反射光线到竖立反射镜组3，再经过反射镜组3二次反射聚焦到集热器1上，完成镜场跟踪，实现聚光集热的目的。
实施例2与实施例3不同之处在于，实施例1竖立反射镜组3或采用多块拼接高度，挨接着布置组成。而实施例2竖立反射镜组3采用平面反射镜冷弯成型。后者效率高，工艺性好，但投资大。
本发明的工作原理如下：
光的直线传播原理，光的反射原理。当平行光线照射到平面镜时，通过调整平面镜的角度使光线正对着反射到抛物线单曲面镜或类抛物线单曲面镜，再由抛物线单曲面镜或类抛物线单曲面镜二次反射聚焦到集热器。当平行光线以一定高度角照射到抛物线单曲面镜时，单曲面镜反射光线为聚焦光线，通过底面平镜二次反射时，聚焦光线焦点位置相对水平面位置不变，还是反射到集热器上。
设置一套太阳能聚光集热装置底盘6受底盘驱动机构7驱动水平旋转，水平单轴跟踪太阳，当竖立反射镜组3正对太阳时，照射到竖立反射镜组3上的阳光，部分光线由竖立反射镜组3直接反射聚焦到集热器1上，部分光线由竖立反射镜组3反射至底面平面反射镜组5上，再由底面平面反射镜组5二次反射聚焦到集热器1上；照射到底面平面反射镜组5上的阳光反射至竖立反射镜组3上，再由竖立反射镜组3二次反射聚焦到集热器1上；照射到菲涅尔反射镜组8上的阳光，由连杆驱动机构12驱动菲涅尔反射镜组3竖直方向旋转，单轴跟踪太阳，把光线反射至竖立反射镜组3上，再由竖立反射镜组3二次反射聚焦到集热器1上。
当照射到所有镜子上的光线，都聚焦到集热器时，完成对太阳光线的收集。底盘驱动机构、连杆驱动机构及太阳能控制单元均为现有技术，这里就不做详细描述。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (10)
1.一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：至少包括集热器（1）、竖立反射镜组（3）、底盘（6）、底盘驱动机构（7）、菲涅尔反射镜组（8）、轴承座（9）、圆形导轨（10）、转动连杆（11）、连杆驱动机构（12）及太阳能控制单元；
竖立反射镜组（3）是绕集热器（1）的反射镜，向太阳布置，竖立反射镜组（3）的轴心与集热器（1）中心轴构成平行，竖立反射镜组（3）用于将太阳的入射光反射到集热器（1）的吸热面；
菲涅尔反射镜组（8）在集热器（1）另一侧，用于将集热器（1）另一侧的太阳光进行聚光反射到集热器（1）的吸热面；菲涅尔反射镜组（8）最高点不会影响太阳投向集热器（1）的吸热面；
集热器（1）、菲涅尔反射镜组（8）和竖立反射镜组（3）固定在底盘（6）上，通过底盘驱动机构（7）驱动，使集热器（1）、菲涅尔反射镜组（8）和竖立反射镜组（3）整体随太阳转动；
太阳能控制单元用于控制连杆驱动机构（12），使菲涅尔反射镜组转动反射光线到竖立反射镜组（3），再经过反射镜组（3）二次反射聚焦到集热器（1）上，完成镜场跟踪，实现聚光集热的目的。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的竖立反射镜组（3）和集热器（1）之间的底盘（6）上或布置有底面平面反射镜组（5），底面平面反射镜组（5）用于将太阳投向底面的太阳光经竖立反射镜组（3）反射到集热器（1）上。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的菲涅尔反射镜组（8）布置在集热器（1）相对竖立反射镜组（3）的另一侧，菲涅尔反射镜组（8）水平布置成单排或多排，菲涅尔反射镜组（8）通过旋转轴固定在底盘（6）上，菲涅尔反射镜组（8）的每排的旋转轴与竖立反射镜组（3）的水平切线的中心线垂直，菲涅尔反射镜组（8）每排反射镜可以沿轴竖直转动，单轴跟踪太阳，把光线反射到竖立反射镜组（3）上且经过竖立反射镜组（3）二次反射聚焦到集热器（1）上。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的集热器（1）竖立布置在竖立反射镜组（3）水平切线的焦点或焦面处。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的集热器（1）或是多根串联成1根真空集热管组或多根集热管串联成多根集热管组或其他形式集热装置。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的集热器（1）的高度高于竖立反射镜组（3），使菲涅尔反射镜组（8）的反射光经竖立反射镜组（3）二次反射后能聚焦到集热器（1）。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的竖立反射镜组（3）是一组竖立布置的反射镜，或是单曲面反射镜或小尺寸平面反射镜组成的水平切线为抛物线或近似抛物线或其他聚焦曲线的反射镜组，竖立反射镜组（3）沿抛物线或近似抛物线或其他聚焦曲线的水平中心线对称布置。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的竖立反射镜组（3）水平切线为近似抛物线，抛物线方程为y²=2px。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的竖立反射镜组（3）水平切线为近似抛物线焦距为25米，抛物线开口为100米。
10.一种太阳能聚光集热方法，其特征在于：集热器（1）通过集热器支架（2）固定在底盘（6）上；竖立反射镜组（3）通过竖立反射镜组支架（4）固定在底盘（6）上；底面平面反射镜组（5）固定在底盘（6）上；底盘驱动机构（7）、菲涅尔反射镜组（8）通过轴承座（9）固定在底盘（6）上；底盘（6）下面有圆形导轨（10），圆形导轨（10）采用直径40米和80米的轨道制作成环形，固定于平整的水泥地面上，底盘（6）底下在圆形导轨（10）上布置滑轮，使底盘（6）能在底盘驱动机构（7）驱动下，沿圆形导轨（10）进行水平平稳转动；由太阳能控制单元控制底盘驱动机构（7）水平转动，竖立反射镜组（3）沿方位角方向正对太阳时，完成方位角跟踪，此时照射到竖立反射镜组（3）上的阳光，部分光线由竖立反射镜组（3）直接反射聚焦到集热器（1）上，部分光线由竖立反射镜组（3）反射至底面平面反射镜组（5）上，再由底面平面反射镜组（5）二次反射聚焦到集热器（1）上；照射到底面平面反射镜组（5）上的阳光反射至竖立反射镜组（3）上，再由竖立反射镜组（3）二次反射聚焦到集热器（1）上；由太阳能控制单元控制连杆驱动机构（12），使菲涅尔反射镜组转动反射光线到竖立反射镜组（3），再经过反射镜组（3）二次反射聚焦到集热器（1）上，完成镜场跟踪，实现聚光集热的目的。
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