CN110375441A - 太阳能聚光集热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能聚光集热系统，包括：多列第一反射镜，所述多列第一反射镜配置成可接收太阳光并反射太阳光；第二反射镜，所述第二反射镜光学上配置成可接收经所述多列第一反射镜反射的太阳光并进行二次反射；和集热管，所述集热管包括外管和嵌套在所述外管内的内管，所述集热管光学上配置成可接收经所述第二反射镜二次反射的太阳光并转化为热能，其中所述多列第一反射镜包括14‑30列，所述集热管的所述内管的外径在60mm‑120mm之间。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能聚光集热装置，特别是一种线性菲涅尔式太阳能聚光集热装置。
背景技术
太阳能作为一种洁净、环保的能源，长期以来一直受到人们的关注。近年来，环境保护和能源安全问题日益凸显，很多国家都在加快太阳能利用技术的研究和开发，而如何更高效，更经济地利用太阳能成为太阳能应用技术发展的主要方向。
聚光太阳能是可以担当基础电源和基础热源的优质可再生能源。由于聚光太阳热能具有光热转化的过程，聚光太阳热能可以提供大规模绿色热源输出，担当基础热源；同时可以通过大规模储存热量达到跨越无光照时间发电以及平滑的电力输出，所输出的电力品质高，可以担当基础电源。聚光太阳热能以太阳能为主要一次能源，是对于太阳能的中高温热利用技术，其能够提供与现有煤炭锅炉相同参数的热源和电力能源。
聚光太阳能总体技术路线为先聚光，再利用，主要聚光形式包括抛物面槽式、塔式、线性菲涅尔式、碟式四种，线性菲涅尔式聚光太阳能技术为其中一种，与槽式技术同属线聚焦式聚光集热技术。线性菲涅尔聚光系统的一次反射镜将太阳光聚焦到二次复合抛物面反射镜(CPC)，在CPC焦线上安装管状吸热器，以吸收聚焦后的太阳辐射能。线性菲涅尔式太阳能聚光技术具有建造成本低、占地面积小，抗风能力优良，维护保养方便等优势。
聚光太阳能技术的发展趋势为更高的集热温度，以保证产生的高参数蒸汽能够驱动更高效率的发电机组运转，以提高聚光太阳能发电技术的整体效率。塔式和碟式聚光太阳能技术由于聚光于一点，因此能够较容易地达到 500℃或以上的集热温度，而线聚焦式技术如槽式技术和线性菲涅尔式技术则相对困难。目前在运行的线性菲涅尔式太阳能聚光技术普遍采用水作为传热工质，多采用大口径的第二反射镜和多支集热管设计，由于聚光精度和聚光倍数的不足，目前在使用的线性菲涅尔式集热器聚光后产生的热能温度最高范围在400℃以内。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明的目的主要用于解决以下问题：通过提高聚光器效率和聚光倍数从而提高聚光器产热能力，通过采用熔融盐或CO2、高导热油、或固态颗粒等高温介质传热使集热器可产生并传输高于500℃温度的热量，通过灵活的反射镜布置方案在保持集热效率的情况下提高土地利用率。
为解决上述问题，本发明提供了一种太阳能集热系统，包括多列第一反射镜、一列第二反射镜和装配在第二反射镜内的集热管，集热管包括外管和嵌套在外管内的内管。其特征在于：所述集热管的所述内管的外径在 60mm-120mm之间，其中所述多列第一反射镜对应为14-30列。
在进一步的实施方式中，第一反射镜采用微弧镜，微弧镜的弧线焦距范围10米-30米之间，各列第一反射镜平行排列。
优选地，各列第一反射镜采用的微弧镜弧线线型不完全一致，一个聚光器中第一反射镜至少采用2种不同弧线线型的微弧镜。
在进一步的实施方式中，多列第一反射镜之间的间距距离可以均匀或非均匀排布，第一反射镜镜列间距距离在0.2米-1.0米之间。
在进一步的实施方式中，第二反射镜和所述多列第一反射镜之间的竖直距离为8米-20米之间，第一反射镜与第二反射镜平行布置。
优选地第二反射镜和所述多列第一反射镜之间的竖直距离随着聚光比的增大而增大。
在进一步的实施方式中，集热器采用熔融盐或更高温度的传热工质，使热量输出温度可以高于500℃。
优选地聚光器的聚光倍数设计提高至100倍以上，以使热输出的参数更高，热量密度更大。
在进一步的实施方式中，第一反射镜反射的太阳光应全部集中于第二次反射镜的弧线开口内，太阳光通过第二次反射镜的反射集中于集热管上。
在进一步的实施方式中，多个集热器连接可构成集热回路，集热回路可以偏向布置(非正南北或正东西)，以在不降低集热系统的集热效率的前提下灵活的适应场地条件的限制，扩大土地利用率。
本发明通过进一步优化聚光器的设计，优化聚光器整体光学性能设计，优化各反射部件和集热传热部件设计，及增大聚光器聚光倍数，提高聚光器效率，使聚光器具备产生更高温度热量的能力，可以采用熔融盐、CO2、高导热油、或固态颗粒等高温工质传热，以进一步提高聚光器的产热能力。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的太阳能聚光器整体结构示意图；
图2为本发明的太阳光线入射示意图；
图3为本发明第二反射镜光线入射示意图；
图4为本发明第一反射镜微弧弧面示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、" 第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语" 安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上" 或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方 "和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明的太阳能聚光集热系统100的示意图。如图1所示，本发明的太阳能聚光集热系统100包括水平支架105和竖直支架103。水平支架 105和竖直支架103例如固定安装在地基或者地面上，例如通过支脚106，其上用于支撑太阳能聚光集热系统100的其他部件。本领域技术人员能够理解，本发明不限于具体的支架103和105，可以构思出其他的方式和装置来支撑太阳能聚光集热系统100的其他部件。
水平支架105上例如沿着水平方向分布有多列第一反射镜(一次反射镜) 104，所述第一反射镜104的反射面大致朝向上方，从而将入射的太阳光进行反射。所述第一反射镜优选地相对于所述竖直支架103对称排布，其列数例如在14-30列之间，例如14列、16列、18列、20列、22列、24列、26列、 28列、或30列。
太阳能聚光集热系统100还包括第二反射镜(二次反射镜)101和集热管102，二者位于第一反射镜104的上方。所述第二反射镜101设置在所述多列第一反射镜104上方，竖直距离约8米-20米，优选约12米。该竖直距离例如指的是从第一反射镜104的平面至第二反射镜101下沿中心点之间的竖直距离。所述多列第一反射镜104配置成可接收太阳光并将太阳光反射至第二反射镜101，所述第二反射镜101光学上配置成可接收经所述多列第一反射镜反射的太阳光并进行二次反射，反射到集热管102。所述集热管102 通常可包括外管和嵌套在所述外管内的内管，并且在光学上配置成可接收经所述第二反射镜101二次反射的太阳光并转化为热能。根据本发明的优选实施例，所述集热管102的所述内管的外径在60mm-120mm之间，例如70mm、 80mm、90mm、100mm、110mm或者其间的任意数值。根据本发明的一个实施例，第一反射镜的列数与所述内管的外径可以根据设计需要进行灵活组合，以实现集热器光学性能和集热性能的最优，特别是实现传热介质的高参数输出，以满足更高的热电转换效率的需要。而根据本发明的另一个实施例，第一反射镜镜列数量与集热管内管外径有一定的比例关系。即为达到高倍聚光和高温输出的目的，一般镜列数量越少，对应选用的集热管内管外径越小，例如 14列镜列对应内管外径60mm；镜列数越大，对应集热管内管外径可能可以对应增大，但也可以选择内管外径较小的集热管，以进一步增大聚光倍数，因此有可能16列镜列对应70mm外径的集热管，22列镜列也可以对应选择70mm 集热管，但为了达到高温输出的目的，只有镜列数较大时才会选择外径更大的集热管。这些都在本发明的保护范围内。
下面参考图2和图3描述本发明的太阳能聚光集热系统100的光路图。
图2中，向下的箭头表示入射到第一反射镜104的太阳光线，向上的箭头表示经第一反射镜104反射的光线。第一反射镜104具有大致朝向上方定向的反射面，从而将入射的太阳光朝着第二反射镜101反射。可以看出当太阳光线以平行方式入射时，经过第一反射镜104的反射，所有光线将汇聚至第二反射镜101开口宽度的范围内。如图3所示，第二反射镜101在接收到经第一反射镜104反射的光线后，将光线朝着集热管102反射。可以看到第二反射镜例如是两个抛物面连接在一起的双抛物面形状反射镜，第一反射镜阵列相对聚光器中心主支撑支架为对称布置，因此第二反射镜为两个抛物面共同对光线进行反射汇聚的工作过程。光线在进入第二反射镜内部后经过第二次反射，均匀的照射在布置在第二反射镜内部的集热管上。
根据本发明的一个优选实施例，所述第一反射镜104可枢转地安装在所述水平支架105上，从而各个第一反射镜104的角度定向可单独地调整。
根据本发明的一个优选实施例，所述第一反射镜104各列反射镜的间距进行优化设计，多列第一反射镜104之间的间距距离例如可以均匀或非均匀排布，但相对于第二反射镜呈中心对称排列，第一反射镜镜列间距距离优选地在0.2米-1.0米之间。图2为第一反射镜阵列排布非均匀布置的实施实例示意图。如图2所示，越靠近竖直支架103，第一反射镜104之间的间距越小；越远离竖直支架103，第一反射镜104之间的间距越大。按图示第一反射镜列采用非均匀布置时，在镜场宽度和镜宽不变的情况下，第一反射镜列间的平均阴影与遮挡效应降低减小，通过不均匀设计各镜列之间的间距，可使反射至第二反射镜的光线更加集中，从而提高聚光集热器的集热效率和聚光倍数，同时非均匀排列可以降低部分镜列之间的距离，提高集热器布置时的土地利用率。
根据本发明的一个优选实施例，为达到第一反射镜104反射的光线能够精确的进入第二反射镜101进行二次反射，第一反射镜104可以采用带有弧度的微弧反射镜，以更好的聚焦太阳光线。图4为单个第一反射镜微弧镜面反射太阳光的示意图。所述微弧镜的曲线的焦距范围例如在10米-30米之间，优选地在20米-30米之间。
根据本发明的一个优选实施例，所述多列第一反射镜104中，可以部分为微弧反射镜，部分为平面镜。
在现有的线性菲涅尔式聚光器使用时，多采用聚光倍数较低的聚光器设计，普遍采用集热工质为水或导热油等，产生的热能温度参数在400℃以内。本发明中，所述第一反射镜104的列数较多，相应增大单个聚光器的反射面积，并通过优化第一反射镜列与第二反射镜系统的光学位置关系，且分别优化第一反射镜和第二反射镜的设计，从而使聚光器在增大第一反射镜到第二反射镜的距离时仍能够精确的将阳光汇聚至集热管，达到聚光倍数高于100 倍，最高聚光倍数可超过200倍，以进一步提高集热器效率和集热能力，达到将工质加热至500℃以上的能力。
线性菲涅尔式聚光器设计在增大聚光倍数时需相应设计调整集热器的高度和宽度等设计，并且要对第一反射镜和第二反射镜进行重新设计调整。其中为增大聚光倍数，本发明的第二反射镜可配合单列的集热管使用，可采用真空集热管以降低热量损失，第二反射镜应能够保证均匀的将这些光线反射至集热管的表面；同时第一反射镜可采用整体式的微弧镜，而非多片拼接式的反射镜。
本发明设计第一反射镜列数为14列以上至30列，目前国际采用这一数量级的反射镜阵列设计时，对应采用的第二反射镜内都排列了多支集热管，每个集热管的直径均低于70mm，多支集热管采用平行排布，因而第一反射镜列数虽多，但聚光器实际聚光倍数并不高，造成聚光器产生的热量温度不高。本发明采用14-30列的第一反射镜设计，同时对应的第二反射镜内为单列的真空集热管，对应集热管的内管外直径为70mm-120mm，聚光器的聚光倍数能够达到100倍以上，具备产生高温热量的能力。单列的集热管，可以是单支的集热管，也可以是由单支集热管串联而成的集热管。这些都在本发明的范围内。
当聚光器的设计能够达到产生超过500℃的热量时，目前能够传输此温度热量的传热工质为熔融盐，市场普遍采用的传热用熔融盐的凝固温度远高于室温，部分可达到200℃以上，因此传热工质在聚光器内流动时需保证流动性好，以避免管路冻堵。本发明采用的单列集热管作为吸热装置，且集热管直径较大，当集热管直径增大时，管路内介质的流动阻力会相应减小，降低管路冻堵风险，同时相同流量下集热器输出的热量大幅提高，也降低相同流速下的系统电力消耗，从而提高集热器的总体产热量和产热效率。根据一个优选实施方式，可以采用CO2、高导热油、或固态颗粒作为传热工质。
根据本发明的另一个实施例，还提供一种太阳能集热系统的制造方法，包括：
安装多列第一反射镜，将所述多列第一反射镜配置成可接收太阳光并反射太阳光；
安装第二反射镜，将所述第二反射镜光学上配置成可接收经所述多列第一反射镜反射的太阳光并进行二次反射；和
安装集热管，所述集热管包括外管和嵌套在所述外管内的内管，将所述集热管进行连接并在光学上配置成可接收经所述第二反射镜二次反射的太阳光并转化为热能，
其中所述多列第一反射镜包括14-30列，所述集热管的所述内管的外径在60mm-120mm之间。
其中所述第一反射镜优选为微弧镜,所述微弧镜的弧线焦距范围为10米-30米之间。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种太阳能聚光集热系统，包括：
多列第一反射镜，所述多列第一反射镜配置成可接收太阳光并反射太阳光；
第二反射镜，所述第二反射镜光学上配置成可接收经所述多列第一反射镜反射的太阳光并进行二次反射；和
集热管，所述集热管包括外管和嵌套在所述外管内的内管，所述集热管光学上配置成可接收经所述第二反射镜二次反射的太阳光并转化为热能，
其中所述多列第一反射镜包括14-30列，所述集热管的所述内管的外径在60mm-120mm之间。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述第一反射镜为微弧镜,所述微弧镜的弧线焦距范围为10米-30米之间。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述多列第一反射镜均匀或者非均匀排布。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述多列第一反射镜具有相同的线型设计或者不同的线型设计。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述第二反射镜设置在所述多列第一反射镜上方，竖直距离约8米-20米，优选约12米。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述第二反射镜设置在所述多列第一反射镜上方，并且所述第二反射镜和所述多列第一反射镜之间的竖直距离随着聚光比的增大而增大。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述多列第一反射镜包括14至30列，所述集热管的所述内管的外径在70mm-120mm之间。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述第一反射镜和第二反射镜配置成使得入射至第二反射镜的光线集中在小于第二反射镜开口宽度的范围内。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述集热管内可以使用熔融盐、CO2、高导热油、或固态颗粒作为传热工质。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述集热管为单列集热管。
11.根据权利要求2所述的太阳能集热系统，其特征在于：所述微弧镜为整体式的微弧镜。
12.一种太阳能集热系统的建造方法，包括：
安装多列第一反射镜，将所述多列第一反射镜配置成可接收太阳光并反射太阳光；
安装第二反射镜，将所述第二反射镜光学上配置成可接收经所述多列第一反射镜反射的太阳光并进行二次反射；和
安装集热管，所述集热管包括外管和嵌套在所述外管内的内管，将所述集热管进行连接并在光学上配置成可接收经所述第二反射镜二次反射的太阳光并转化为热能，
其中所述多列第一反射镜包括14-30列，所述集热管的所述内管的外径在60mm-120mm之间。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于：所述第一反射镜为微弧镜,所述微弧镜的弧线焦距范围为10米-30米之间。
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