CN1110662C - 自动跟踪定向反射太阳能锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明是一种自动跟踪定向反射太阳能锅炉，它是用许多自动跟踪并定向反射阳光的反射镜单元把太阳辐射汇集到安装在一定高度上的一个或几个屏式集热蒸发器和屏式集热蒸汽过热器上，通过改变参与运行的反射镜数量来控制热力参数，使装置按设定的工况运行，可用于发电，吸收式制冷，供热，供汽，蒸馏，干燥等多种用途。

Description

自动跟踪定向反射太阳能锅炉

技术领域  本发明涉及一种太阳能收集和转换装置，特别涉及一种太阳能锅炉。

背景技术  太阳能收集和转换或太阳能锅炉的公开技术可分两类，一类如专利公开号CN1147296中介绍和阐述的由两级聚能器与太阳塔或基面接收器组成的接收与转换系统。其太阳能收集用菲涅尔反射器作固定接收器组成初级聚能器，以简化结构和便于跟踪，或采用带焦点的三维菲涅尔反射器组成定日镜场，等效于一个巨型聚光镜，聚光镜安装在基面上，其焦点在基面上方，用计算机控制将太阳射线转向位于焦点区域内的次级聚能器，这种技术方案可组成兆瓦级的系统。定日镜场的光聚集度与其焦点长度H和该场半径R有关，聚能器的焦距越大或H/R比越大聚集度就越高，为了得到理想的光聚集度，太阳塔的高度或定日镜场的焦距应尽可能的大，对于百兆瓦级的系统，太阳塔的高度需在100米以上，因此次级聚能器和相关的中央太阳能接收器以及能量转换系统的构件均须安装在塔顶，从而导致技术上的困难和高昂的造价，对此，出现一种用塔式反射器将密集太阳光反射回地面，在基面上安装太阳能接收器的改进方案，但又产生一个塔式反射器散热困难的新问题，公开号CN1147296提出用介质镜作反射镜来解决过热问题的技术方案，但要在百米以上的高空中安装半径达10-25米的用玻璃或石英作基体的介质镜，并且在强风中不产生大的摇摆，还必需进行动态调整，进行安装与控制均非易事，由于其技术的复杂和结构的庞大，至今仍未见在工业领域内推广应用。另一类太阳能收集与转换装置或太阳能锅炉如公开号CN2264341介绍的用曝晒真空集热管将直射阳光转化为热能，或如公开号CN2261601介绍的通过柱形抛物聚光体在焦点处加热集热管中的介质。这一类技术方案的共同弱点是集热器分散在整个受光面积上，面积稍大，管路变多；集热器的真空玻璃管还作为导热介质的容器或与热管连成整体，互相间不便直接连接，而是由管路相接，使集热器尺寸的增大受到限制，而且热力参数也不便控制，所以在大功率领域的应用受到影响，目前大多用于获取热水，开水的设备。

发明内容  本发明的目的是提供一种既适于小功率的应用也适于功率大至百兆瓦级，便于工业和商业应用的太阳能锅炉。

发明概述：本发明由自动跟踪的定向反射镜场、屏式集热蒸发器、屏式集热蒸汽过热器和相应的控制电路组成。

本发明所说的定向反射镜场是由大量相互独立的反射镜单元组成，可采用平面镜，不需要进行规律的排列，可按地形自由安放，无需基面，并无等效的焦点，但每个反射镜的反射光始终被控对准其中一个安装在一定高度上的屏式集热器。本发明的反射镜单元结构如下：反射镜由内框镶嵌，在内框两个对边的中间装有转轴，使镜子可相对于有轴孔的外框旋转，而外框在另外两个对边的中间也安装转轴，可在支座上的两个轴孔中旋转，以达到反射镜可实现万向转动。而每一转轴均由一组以电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆组成的传动机构来驱动。每个转轴连接并带动一个电位器用以检测转轴的转角。每个转轴的驱动机构除了驱动转轴旋转外，还驱动一个传感器支座，使传感器支座与反射镜同方向转动而转角比反射镜转角大一倍(即反射镜转角为φ，传感器转角为2φ)传感器支座上安装一个一维的光线方向光电传感器，其在传感器座上的初始位置可进行调整，这样当驱动装置使传感器跟踪并对准太阳入射光线而转动角度β时，驱动装置同时使反射镜转动角度0.5β，使反射光的方向保持不变，实现反射镜对太阳光定向反射跟踪的开环控制。本发明的反射镜单元还有一个反射光定向器，位于镜面中央的上方并安装在一个固定于地面的支架上。所说的反射光定向器由三段圆筒式部件组成，靠近反射镜的第一段部件是一斜口圆筒，内壁沿圆周方向对称地贴有四片相同的光电传感片，其中两片的法线在水平面，两片的法线在铅垂面，用以对光线的方向进行判断，中间第二段部件与第一段部件相接的一端装有镜头和光阑，在焦平面处是四片对称于原点的光电传感片，两片的轴线在水平面上，两片轴线在铅垂面上，原点在光轴上，光轴与圆筒轴重合，用以对光线方向进行精确的检测，第三段部件向外的一端装物镜，其焦平面处是十字刻度线，原点在光轴上，其内是45度斜放的反光镜，目镜与反光镜相对并安装在筒的侧面，以便于观察，其光轴与第二段部件光轴重合，起到瞄准作用。三段圆筒加工成可分解、组合的结构，并由具有水平、垂直角度调节和锁紧功能的支座与支架相连，当第三段部件轴线对准选定的屏式集热器时，用第一、二段部件传感片输出的信号来控制反射镜对太阳进行跟踪，实现定向反射的闭环控制，使反射光始终对准屏式集热器。

本发明的定向反射镜单元的另一种结构方案是反射镜有一水平转轴，水平转轴轴架又有一垂直转轴与支座连接，从而使反射镜能进行万向转动。每个轴也由一套电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆组成的传动机构来驱动，每个转轴连接并带动一电位器用以检测转轴的转角。在镜面上方，安放一个固定在地面的反射光定向器，控制反射镜跟踪太阳并实现定向反射的闭环控制。(图2)

本发明的反射镜自动跟踪定向反射控制的原理是按下面三种方式实现：第一种是闭环就地方式，位于反射镜上方的反射光定向器对着镜面，当从镜面反射来的光线与其轴线不平行时，其中一个或两个光线方向传感器有信号输出，控制反射镜驱动机构的电机转动，直至反射光与轴线平行，输出信号为零，反射镜即停止转动，只要连接在一起的侧视瞄准镜预先对准所选择的集热器，则可实现自动跟踪的定向反射。第二种方式是开环就地方式，与反射镜驱动机构相连的一维光线方向传感器输出信号驱动电机转动，使两个一维传感器沿两个方向跟踪太阳并同时使反射镜沿这两个方向转动，镜面的转角为传感器转角的一半，从而维持反射光线方向不变，实现对太阳光定向跟踪的开环控制。第三种方式为远方控制跟踪，是由反射镜转轴上所连接的电位器来实现，当转轴转动的时候，带动电位器转动，电位器的输出电压即表示转角的大小，将此电压送至计算机系统，由计算机发出指令控制反射镜的驱动机构转动，当电位器的输出电压等于所要求的给定电压值时，也就是转轴转至所要求的角度位置，电机停止转动，而这个给定角度是根据当时太阳光实测方位角，反射镜相对集热屏的几何位置参数，用解析几何方法由计算机在线计算出来的数值，从而实现对反射镜的远方控制。当反射镜数量很多时，远方控制的计算机应采用分散集中系统，可简化接口电路的接线，由于计算机的开入、开出、模入、模出接口电路以及控制软件，有关角度计算软件均属公知技术，故不在此说明。

本发明所说的屏式集热蒸发器由汽包、集热屏组成。由一上升管，下降管的下端口连在一起成为一个U型管单元，若干个U型管单元并排组成一吸热屏，上升管和下降管上端弯出一个热膨胀伸缩段后穿入汽包，上升管上端口超出汽包水位面，下降管上端口在汽包底部，穿管部位与汽包严密焊接，每个U型管单元套上双层玻璃真空套筒，用一托架与单元管连接，托架为两片半圆形铁件，外缘上下有凸边为玻璃真空套筒定位，上下套筒与托架的接触面用高温保温纤维棉作密封垫进行密封，一个集热屏有两个吸热屏前后放置，两个吸热屏的U型单元管交错排列，以充分吸收阳光，单元管表面进行发黑处理。

屏式集热蒸发器的另一个结构方案是由汽包集、热屏、下联箱和箱式保温体组成。所说的箱式保温体其前壁由双层玻璃和框架构成，并作为透光窗口，夹层中通水以吸收密集阳光通过玻璃时产生的热量，被加热的水流至一热交换器用来预热给水泵前待送进汽包的给水，以提高太阳能的利用率。箱式保温体将汽包以下的集热屏包括下联箱包围并密封起来，除前壁的玻璃透光窗外，外壁均覆以保温材料，内壁为反光材料。所说的集热屏由上升管、下降管相间排列成一个整屏，材料宜采用两侧焊有鳍片的耐热钢管，表面进行发黑处理或涂布黑色耐温材料，下端均与下联箱相连并焊接成整体，而下降管的上端口插入汽包底部，上升管插入汽包里面，其上端口超出汽包的水位面，均在穿管部位和汽包焊在一起，汽包下有热膨涨弯曲段。所说的汽包是密封圆筒结构，有给水管通过给水阀与给水泵相接，有汽管与蒸汽阀相连，悬吊在构架上，外周覆盖保温材料进行保温。所说的下联箱也是一密封圆筒，与上升管下降管的下端口连接起来，焊接在一起，这种方案适于风沙大的环境使用。

所说的屏式集热蒸汽过热器是将屏式集热蒸发器的汽包换成进汽联箱和出汽联箱而成，下降管上端口接进汽联箱，上升管上端口连出汽联箱，进汽联箱通过汽阀与汽包相连，出汽联箱通过蒸汽阀连至用汽设备。

上述的双层玻璃真空套筒由两个直径不等的圆管套起，把端口封起后抽去之间的空气，端口要平，抽气口在内壁，内管直径略大于上升管、下降管直径、鳍片宽度相加起来的尺寸。

本发明的集热屏最小尺寸由反射镜的最大边长、反射镜距集热屏的距离、控制精度决定，若镜屏距为200米，反射镜边长为1.5米，控制角度误差为0.5度，则集热屏最小尺寸为：

1.5+0.0093₈ 200+200₈ tg0.5＝5.2(米)

系数0.0093为太阳直径除以太阳到地球的距离。

本发明用改变反射镜数量的方法进行热力参数的控制，根据各监测点传感器的信号，由远方计算机控制反射镜转向或转离集热屏，改变输入能量，实现运行工况的闭环控制。

本发明能方便地将大面积的太阳辐射收集并转换成热能，可对热力参数进行控制，规模可大可小、效率高、易于实施，可用于发电、吸收式制冷、供热、供汽、蒸馏、太阳灶等多种用途。

附图说明  图1、图2是自动跟踪定向反射镜单元示意图。图3是反射光定向器示意图。          图7是屏式集热蒸发器A局部示意图。图4是一维光线方向传感器示意图。    图8是屏式集热蒸发器B-B剖面示意图。图5是屏式集热蒸发器示意图。        图9是自动跟踪定向反射镜单元控制电路图。图6是屏式集热蒸发器侧视示意图。

具体实施方式  下面结合实施例对本发明作进一步说明。

第一个实施例是作为蒸汽锅炉用于发电的实施例。图1是一反射镜单元，镜面1镶嵌在内框2上，内框两个对边的中间有转轴4，使镜子可相对于有轴孔的外框3转动，而外框在另外两个对边的中间有转轴9，可在支座10上的两个轴孔中转动，转轴4由一个以电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆组成的驱动箱5来驱动，转轴4连接并带动一个电位器32用以检测转轴的转角。转轴9由一个以电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆组成的驱动箱8来驱动，转轴9还连接并带动一个电位器33用以检测转轴的转角。镜面中央的上方，反射镜定向器11通过具有调整角度和锁紧功能的连接座13与支架12连接并固定于地面上。反射光定向器11由三段圆筒式部件组成(图3)，靠近反射镜的第一段是斜口圆筒14，用以遮挡直射阳光，内壁沿圆周方向对称地贴有四片相同的光电传感片15，其中两片的法线在水平面，两片的法线在铅垂面，用以对光线的方向进行判断，中间第二段部件19与第一段部件相接的一端装有镜头16和光阑17，在焦平面处是感光板18，上面有四片对称于原点的光电传感片25-28，阳光通过镜头成像在其上，两片的轴线在水平面上，两片轴线在铅垂面上，原点在光轴上，光轴与圆筒轴重合，当从镜面反射来的光线与圆筒轴线平行，太阳的成像落在四个传感片的中央，各片受光面积相同，电压相等。如果光线倾斜，成像产生偏移，其中一片或两片的电压将增加，另外的三片或两片的电压不变或减少，相对的两片的电极反向串联，传感片26和传感片28为一组，传感片25和传感片27为一组，电极反串连接后其电压作为输出信号，用以精确检测反射光在水平和垂直方向上的偏差。第三段部件21向外的一端装物镜20，其焦平面处是十字刻度线22，原点在光轴上，其内是45度斜放的反光镜23，目镜24与反光镜23相对并安装在筒的侧面，以便于观察，其光轴与第二段部件的光轴重合，起到瞄准作用。每段有轴向和径向的连接止口和螺纹相互连接成整体并保证轴线和角度的重合。三段可分解、组合使用。

转轴上的电位器32和电位器33其滑动端为输出端，将角度信号送至远方控制设备。在驱动箱5和驱动箱8上各带动一个一维的光线方向传感器6和传感器7，其结构也是一圆筒，内壁沿圆周方向对称贴有两片光电传感片(图4)，其法线的运动平面与转轴垂直。

定向反射镜有三种信号输出，第一种为两个一维传感输出的信号，精度居中，用作开环控制。第二种是反射光定向器的部件14和部件19输出的信号，用作闭环控制，精度最好。第三种是电位器输出的信号。第一种用于距集热屏近的反射镜，第二种用于距集热屏远的反射镜，第三种用于远方控制。如发电设备规模小，可选用其中的一种或两种以降低成本。

控制电源可选用整流电源或光电池，本实施例选用后者，控制电路板放在驱动箱里，电路如图9，传感器的信号加在电阻R₃上，电流量变为电压量，通过电阻R₁、R₂接到三极管G₁、G₂组成的标准差动放大器的基极，当电阻R₃上的电压U_R3＝0，调偏置使集电极电压约为电源电压的一半，三极管G₁、G₂的集电极电压分别通过电阻R₄、R₅接到三极管G₃、G₅的基极，NPN和PNP对管G₃、G₄相互耦合，NPN和PNP对管G₅、G₆相互耦合，其集电极输出两组电位变化相反的电压控制三极管G₇-G₁₀。当电压U_R3＝0，调电位器W₂、W₃使三极管G₃、G₅不导通，电机D停转，当U_R3＞＞0，三极管G₂的集电极电压升高，三极管G₅、G₆输出的电压使三极管G₈和G₉导通，电机D反转，当电压U_R3＜0，三极管G₁的集电极电压升高，三极管G₃、G₄输出的电压使三极管G₇和G₁₀导通，电机D正转，实现对电机停转、正转、反转的控制。控制方式切换通过继电器J的接点，由远方控制，大量汇集反射镜阳光的屏式集热蒸发器见图5，上升管42和下降管41连成一个U型管，两管鳍片拼在一起，在一平面上，管上部穿入汽包里，穿管部位严密焊接，上升管端口超出汽包水位面，下降管上端口在汽包底部，穿管部位与汽包严密焊接，每个U型管单元套上双层玻璃真空套筒43，固定在托架44上，托架与上升管、下降管单元的鳍片连接，托架为两片半圆形铁件，外缘上下有凸边为玻璃套筒定位，用高温保温纤维棉作的密封垫45密封上下玻璃套筒与托架的接触面，一个集热屏至少有两个以上个集热屏至少有两个以上的吸热屏前后放置，两个吸热屏的U型单元管交错排列，以充分吸收阳光，单元管表面进行发黑处理。产生的蒸汽进入汽包经阀门送至屏式集热蒸汽过热器，后者与屏式集热蒸发器一样，也是U型单元管结构，只是用出汽联箱、进汽联箱代替汽包，下降管上端口接进汽联箱，上升管上端口连出汽联箱，进汽联箱通过汽阀与汽包相连，出汽联箱通过蒸汽阀连至用汽设备。

屏式集热蒸发器可据功率大小由多个并联运行，而屏式集热蒸汽过热器可据蒸汽参数的需要由多个串联运行。

蒸汽参数的控制是用改变射向各集热器反射镜的数量来控制，用计算机进行远方管理。

汽轮机、发电机等主辅设备使用公知的技术和设备。

第二个实施例是用本发明作为吸收式制冷机的发生器，图2是由电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆驱动的具有两个相互垂直转轴的可万向转动的反射镜单元，在其镜面中央的上方，一个由三个圆筒式部件组合在一起的反射光定向器安装在一支架上，并与镜面相对，支架又固定在地面上，控制反射镜将太阳光射向作为制冷机发生器的屏式集热蒸发器，屏式集热蒸发器里是吸收剂，即制冷工质，通过电磁阀与冷凝器和吸收器连接，其它部分同现有技术设备，反射镜控制电路同实施例一。

第三个实施例是用本发明作为便携式太阳炉，由几个具有电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆驱动的两个相互垂直转轴的可万向转动的反射镜组成，镜面为小型凹面反射镜，一个由三个圆筒式部件组成的反射光定向器固定在镜面上方控制光线的反射，集热器是具有双层玻璃透光窗的保温体，汇聚光线透过玻璃进入保温体，保温体外壁覆有保温材料，内壁是反射镜，顶盖可开启，是一黑色吸热金属板，用以支承炊具等用具，箱的侧壁均倾斜一个角度，使光线向上反射，反射镜控制电路同实施例一。

Claims (9)

1.一种自动跟踪定向反射的太阳能锅炉，其特征是包括根据地形和按互不遮挡来放置的许多自动跟踪并定向反射阳光的反射镜单元，还包括安装在设定高度上的一个或几个屏式集热蒸发器和需用个数的屏式集热蒸汽过热器，所说的反射镜单元是由电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆机构驱动的具有两个相互垂直转轴的可万向转动的反射镜，在转轴上连接并带动一个电位器，在镜面中央的上方，一个反射光定向器与镜面相对，反射光定向器是三段圆筒式部件，靠近反射镜的第一段部件为一斜口圆筒，内壁沿圆周方向对称地贴有四片相同的光电传感片，其中两片的法线在水平面，两片的法线在铅垂面，中间第二段部件与第一段部件相接的一端装有镜头和光阑，在焦平面处是四片对称于原点的光电传感片，两片的轴线在水平面上，两片轴线在铅垂面上，原点在光轴上，光轴与圆筒轴重合，第三段部件向外的一端装物镜，其焦平面处是十字刻度线，原点在光轴上，其内有45度斜放的反光镜，目镜与反光镜相对并安装在筒的侧面，光轴与第二段部件光轴重合，三个部件成可分解、组合的结构，由具有水平、垂直角度调节和锁紧功能的支座与固定在地面上的支架相连，所说的屏式集热蒸发器由一上升管、下降管下端口相连成为U型管单元，若干单元排列成吸热屏，其上端口均与汽包焊接连在一起，下降管上端口插入汽包并靠近底部，上升管上端口插入汽包并超出水位面，每个U型管单元套上双层真空玻璃套筒进行保温，套筒由托架固定在U型单元管上，真空玻璃套筒端口隔以保温纤维垫进行密封，由前后两个吸热屏组成集热屏，两个吸热屏的U型管单元交错排列，所说的屏式集热蒸汽过热器由一上升管、下降管的下端口相连成为U型管单元，若干单元排列成吸热屏，下降管的上端口与进汽联箱相连并焊在一起，上升管的上端口与出汽联箱相连并焊在一起，每个U型管单元套上双层真空玻璃套筒进行保温，套筒由托架固定在U型单元管上，真空玻璃套筒端口隔以保温纤维垫进行密封，前后两个吸热屏组成集热屏，两个吸热屏的U型管单元交错排列。

2.权利要求1的自动跟踪定向反射太阳能锅炉，其特征在于双层玻璃真空套筒为两个直径不等的玻璃管套起，把端口封起后抽去之间的空气，端口平齐，抽气口在内壁。

3.权利要求1或2的自动跟踪定向反射太阳能锅炉，其特征在于双层玻璃真空套筒用一托架与单元管连接，托架为两片半圆形铁件，外缘上下有凸边为双层玻璃真空套筒定位。

4.权利要求1或2的自动跟踪定向反射太阳能锅炉，其特征在于用高温保温纤维棉作密封垫来密封双层玻璃真空套筒端口。

5.一种自动跟踪定向反射太阳能锅炉，其特征是包括根据地形和按互不遮挡来放置的许多自动跟踪并定向反射阳光的反射镜单元，还包括安装在设定高度上的一个或几个屏式集热蒸发器和需用个数的屏式集热蒸汽过热器，所说的反射镜由内框镶嵌，内框两个对边的中间有转轴，镜子可相对于有轴孔的外框旋转，外框另外两个对边的中间也安装转轴，可在支座上的两个轴孔中旋转，每一转轴均由一组以电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆组成的机构来驱动。每个转轴连接并带动一个电位器，每个转轴的驱动机构还驱动一个传感器支座，传感器支座与反射镜同方向转动而转角比反射镜转角大一倍，传感器支座上安装一个一维光线方向光电传感器，所说的屏式集热蒸发器由汽包，集热屏，下联箱和箱式保温体组成，箱式保温体前壁由双层玻璃和框架构成透光窗口，夹层中通水，箱式保温体将汽包以下的集热屏密封起来，外壁覆以保温材料，内壁为反光材料，所说的集热屏由上升管、下降管相间排列成一个整屏，下端与下联箱相连并焊接在一起，下降管的上端口插入汽包底部，上升管插入汽包里，上端口超出汽包的水位面，在穿管处和汽包焊在一起。

6.权利要求1或5的自动跟踪定向反射太阳能锅炉，其特征在于反射镜单元使用平面镜。

7.权利要求1或5的自动跟踪定向反射太阳能锅炉，其特征在于作为蒸汽锅炉用于发电。

8.权利要求1或5的自动跟踪定向反射太阳能锅炉，其特征在于用来作为吸收式制冷机的发生器。

9.权利要求1的自动跟踪定向反射太阳能锅炉，其特征在于传感器的信号加在控制电路的R₃上，通过电阻R₁、R₂接到三极管G₁、G₂组成的标准差动放大器的基极，三极管G₁、G₂的集电极电压分别通过电阻R₄、R₅接到三极管G₃、G₅的基极，NPN和PNP对管G₃、G₄相互耦合，NPN和PNP对管G₅、G₆相互耦合，其集电极分别接至三极管G₇-G₁₀的基极，实现对电机停转、正转、反转的控制。

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