CN111412669A - 焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器 - Google Patents

焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于太阳能热利用领域的焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器。该集热器主要由回转台部件、抛物碟滑轨部件、光学镜面部件及辅助设备构成。该集热器的回转基台导轨水平固定于地面,回转基台安装在回转基台导轨上,集热器固定在支撑平台上,回转基台沿回转基台导轨水平转动以带动集热器及光学镜面部件追踪太阳方位角,再由抛物碟滑轨部件带动抛物碟绕集热器支架横梁水平中轴线转动追踪太阳高度角,旋转双曲面二次反射镜上焦点与下焦点连线垂直地面,上焦点与抛物碟聚集太阳光的焦点重合,最终实现焦点固定的二次反射式光路效果。该集热器结构简单、聚光比高、光斑固定且光线垂直向下等特点,可为多种高温太阳能热化学反应器提供光源。

Description

焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器
技术领域
本发明属于太阳能热利用领域,特别涉及一种焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器。
背景技术
随着全球能源需求的快速增长,传统化石能源的大量使用导致的温室效应和大气污染等环境问题与能源安全问题日益凸显,需要开发清洁能源部分或完全替代现有的化石能源,而太阳能作为储量丰富的可再生能源,因其清洁、取之不尽用之不竭等优点而备受青睐。
在太阳能光热利用的过程中,太阳能集热器作为光热转化系统的核心部件,在太阳能热利用系统中占据重要地位,其集热效果的优劣直接影响到太阳能热利用系统的效率和经济性。现有的集热器大致分为槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式,其中聚光比较高的塔式和碟式集热器分别存在的问题为:塔式集热器需要将笨重的吸热设备放置于相当高的集热塔上,不利于设备运行和维护;碟式集热器的光斑会随太阳移动而变动位置,不利于在焦斑处放置大型吸热设备。故迫切希望研发一种新的集热器,使集热器可以放置于地面附近且不必移动位置。
发明内容
本发明的目的是提出一种焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,主要由回转台部件、抛物碟滑轨部件、光学镜面部件及辅助设备构成;其特征在于,回转基台导轨水平固定于地面上,回转基台安装在回转基台导轨上,支撑平台固定于地面,吸热器放置于支撑平台上;I#抛物碟支撑轨、II#抛物碟支撑轨、I#集热器支架与II#集热器支架竖直方向平行固定于回转基台上,I#集热器支架与II#集热器支架分别布置在I#抛物碟支撑轨和II#抛物碟支撑轨外侧;集热器支架横梁固定于I#集热器支架与II#集热器支架上端;旋转双曲面二次反射镜固定于集热器支架横梁上;I#抛物碟滑轨、II#抛物碟滑轨分别放置于I#抛物碟支撑轨、II#抛物碟支撑轨上且由电动机驱动沿抛物碟支撑轨滑动,旋转抛物碟固定于I#抛物碟滑轨和II#抛物碟滑轨上,且随I#抛物碟滑轨和II#抛物碟滑轨一起运动;I#轴承杆铰接于I#抛物碟滑轨后端和集热器支架横梁,II#轴承杆铰接于II#抛物碟滑轨后端和集热器支架横梁,III#轴承杆铰接于I#抛物碟滑轨前端和集热器支架横梁,IV#轴承杆铰接于II#抛物碟滑轨前端和集热器支架横梁。回转电动机的齿轮与回转基台的齿条啮合,电动机的齿轮与I#抛物碟滑轨的齿条啮合。
所述的焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器的集热方法,其特征在于,回转台部件中,回转基台导轨水平固定于地面,回转基台安装在回转基台导轨上,回转基台由根据太阳方位角转动的回转电动机驱动沿回转基台导轨水平转动以带动集热器光学镜面部件追踪太阳方位角,支撑平台固定于地面,保持集热器运转时相对于地面固定不动;
抛物碟滑轨部件中,I#抛物碟滑轨、II#抛物碟滑轨由I#抛物碟支撑轨、II#抛物碟支撑轨支撑且由根据太阳高度角转动的电动机驱动沿I#抛物碟支撑轨、II#抛物碟支撑轨滑动以带动旋转抛物碟追踪太阳高度角,轴承杆的作用是保持I#抛物碟滑轨、II#抛物碟滑轨沿I#抛物碟支撑轨、II#抛物碟支撑轨滑动的过程中不偏离轨道、进而保证旋转抛物碟随抛物碟滑轨运动过程中焦点固定在集热器支撑横梁的水平中轴线上;
光学镜面部件中,旋转抛物碟固定于I#抛物碟滑轨和II#抛物碟滑轨上且随I#抛物碟滑轨和II#抛物碟滑轨一起由根据太阳高度角转动的电动机驱动绕集热器支架横梁水平中轴线转动以追踪太阳高度角,旋转抛物碟运动过程中焦点固定于集热器支撑横梁的水平中轴线上,旋转双曲面二次反射镜固定于集热器支架横梁上,旋转双曲面二次反射镜的上焦点与旋转抛物碟的焦点重合,旋转双曲面二次反射镜的上焦点与下焦点连线垂直于地面,且下焦点位于吸热单元光孔入口平面,由于旋转双曲面反射镜的光学特性,射向旋转双曲面反射镜上焦点的光线会被反射向旋转双曲面反射镜的下焦点,即在集热器中,由旋转抛物碟聚集的太阳光射向旋转双曲面二次反射镜的上焦点,再被旋转双曲面二次反射镜反射向其下焦点,实现焦点固定的二次反射式光路效果。
所述集热器主体放置于回转基台导轨上,回转基台导轨为圆形轨道,回转基台由根据太阳方位角转动的回转电动机驱动沿回转基台导轨水平转动以带动集热器光学镜面部件追踪太阳方位角,I#抛物碟支撑轨、II#抛物碟支撑轨是圆心位于集热器支架横梁水平中轴线上、半径相等、弧长相同且垂直固定于回转基台上的圆弧形轨道,I#抛物碟滑轨、II#抛物碟滑轨分别放置于I#抛物碟支撑轨、II#抛物碟支撑轨上且可沿支撑轨滑动,旋转抛物碟固定于I#抛物碟滑轨和II#抛物碟滑轨上且随I#抛物碟滑轨和II#抛物碟滑轨一起绕集热器支架横梁水平中轴线转动以追踪太阳高度角,此双轴追踪法实现了集热器运行过程中旋转抛物碟的焦斑固定不动,是实现焦点固定的二次反射式光路效果的基础。
所述旋转双曲面二次反射镜固定于集热器支架横梁上,旋转双曲面二次反射镜的上焦点与旋转抛物碟的焦点重合,旋转双曲面二次反射镜的上焦点与下焦点连线垂直于地面,且下焦点始终位于吸热单元光孔入口平面,旋转双曲面二次反射镜取自完整旋转双曲面的一部分,其具体形状为模拟集热器从最低太阳高度角至最高太阳高度角过程中光线扫描完整旋转双曲面而得到的被照射过的部分。
所述旋转抛物碟为完整旋转抛物面的一部分,具体形状为先以旋转抛物面旋转中心为圆心切除由旋转双曲面二次反射镜造成的阴影部分,再去除集热器运行过程中旋转抛物面会与支撑平台碰撞的部分。
所述支撑平台固定于地面,保持集热器运转时相对于地面固定不动,吸热单元放置于支撑平台上,通过调节支撑平台的高度使吸热单元的光孔入口平面位于旋转双曲面二次反射镜的下焦点处,使得本集热器适用于多种不同的吸热单元。
本发明具有以下优点及有益效果:通过设计的双轴追踪方法结合高倍点聚焦碟式集热器和旋转双曲面二次反射镜,实现了高聚光比光斑固定不动且光线二次反射垂直向下的光路效果,集热器具体有以下特点:
(1)采用新设计的双轴追踪方法,即回转台转动带动镜面部件追踪太阳方位角、旋转抛物碟随抛物碟滑轨绕集热器支架横梁水平中轴线转动以追踪太阳高度角,实现了集热器运行过程中旋转抛物碟的焦斑固定不动,为后续光线二次反射过程提供有利基础。
(2)利用旋转双曲面二次反射镜反射由旋转抛物碟聚集的太阳光,将射向旋转双曲面上焦点的光线反射向正下方的下焦点,结合集热器运行过程中旋转抛物碟的焦斑固定不动,实现了光斑固定不动且光线二次反射垂直向下的光路效果。
(3)利用旋转抛物碟聚光比高的优势,使二次反射二次反射垂直向下的光斑聚光比也相对较高。
(4)采用吸热单元放置于支撑平台上的方式,通过调节支撑平台的高度使吸热单元的光孔入口平面位于旋转双曲面二次反射镜的下焦点处,使得本集热器适用于多种不同的吸热单元。
附图说明
图1为焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器的立体示意图。
图1中:1-回转基台导轨,2-回转基台,3-支撑平台,4-吸热单元,5-I#抛物碟支撑轨,6-II#抛物碟支撑轨,7-I#集热器支架,8-II#集热器支架,9-集热器支架横梁,10-旋转双曲面二次反射镜,11-I#抛物碟滑轨,12-旋转抛物碟,13-I#轴承杆,14-II#轴承杆,15-III#轴承杆,16-IV#轴承杆,17-II#抛物碟滑轨。18-回转电动机,19-电动机。
图2为集热器追踪原理示意图。
图3为旋转双曲面二次反射镜剖面图。
图4为旋转抛物碟轴测图。
具体实施方式
本发明提出了焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,下面结合附图予以说明。
如图1所示的焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,主要由回转台部件、抛物碟滑轨部件、光学镜面部件及动力辅助设备构成;回转基台导轨1水平固定于地面,回转基台2安装在回转基台导轨上,回转基台2由根据太阳方位角转动的回转电动机18驱动沿回转基台导轨1水平转动,支撑平台3固定于地面,吸热单元4放置于支撑平台3上;I#抛物碟支撑轨5、II#抛物碟支撑轨6、I#集热器支架7与II#集热器支架8竖直方向平行固定于回转基台2上,集热器支架横梁9固定于I#集热器支架7与集热器支架II 8上端;旋转双曲面二次反射镜10上下焦点连线垂直地面固定于集热器支架横梁9上;I#抛物碟滑轨11、II#抛物碟滑轨17分别放置于I#抛物碟支撑轨5、II#抛物碟支撑轨6上且由根据太阳高度角转动的电动机19驱动沿支撑轨滑动,旋转抛物碟12固定于I#抛物碟滑轨11和II#抛物碟滑轨17上且随I#抛物碟滑轨11和II#抛物碟滑轨17一起运动;I#轴承杆13铰接于I#抛物碟滑轨11后端和集热器支架横梁9,II#轴承杆14铰接II#抛物碟滑轨17后端和集热器支架横梁9,III#轴承杆15铰接I#抛物碟滑轨11前端和集热器支架横梁9,IV#轴承杆16铰接II#抛物碟滑轨17前端和集热器支架横梁9。
如图2所示为集热器实现焦点固定的二次反射原理,旋转抛物碟12固定于I#抛物碟滑轨11和II#抛物碟滑轨17上且随I#抛物碟滑轨11和II#抛物碟滑轨17一起由根据太阳高度角转动的电动机19驱动绕集热器支架横梁9水平中轴线转动以追踪太阳高度角,旋转抛物碟12运动过程中焦点固定于集热器支撑横梁9的水平中轴线上,旋转双曲面二次反射镜10固定于集热器支架横梁9上,旋转双曲面二次反射镜10的上焦点与旋转抛物碟12的焦点重合,旋转双曲面二次反射镜10的上焦点与下焦点连线垂直于地面,且下焦点始终位于吸热单元光孔入口平面,由于旋转双曲面反射镜的光学特性,射向旋转双曲面反射镜上焦点的光线会被反射向旋转双曲面反射镜的下焦点,即在集热器中,由旋转抛物碟12聚集的太阳光射向旋转双曲面二次反射镜10的上焦点,再被旋转双曲面二次反射镜10反射向其下焦点,实现焦点固定的二次反射式光路效果。
如图3所示的旋转双曲面二次反射镜的剖面图,旋转双曲面二次反射镜10取自完整旋转双曲面的一部分,其具体形状为模拟集热器从最低太阳高度角至最高太阳高度角过程中光线扫描完整旋转双曲面而得到的被照射过的部分。
如图4所示的旋转抛物碟轴测图,旋转抛物碟12为完整旋转抛物面的一部分,具体形状为先以旋转抛物面旋转中心为圆心切除由旋转双曲面二次反射镜10造成的阴影部分,再去除集热器运行过程中旋转抛物面会与支撑平台3碰撞的部分。
以上内容仅为说明本发明的构思,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的构思,或在技术方案基础上所做的相应变化,均视为本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,主要由回转台部件、抛物碟滑轨部件、光学镜面部件及辅助设备构成;其特征在于,回转基台导轨(1)水平固定于地面上,回转基台(2)安装在回转基台导轨(1)上,支撑平台(3)固定于地面,吸热器(4)放置于支撑平台(3)上;I#抛物碟支撑轨(5)、II#抛物碟支撑轨(6)、I#集热器支架(7)与II#集热器支架(8)竖直方向平行固定于回转基台(2)上,I#集热器支架(7)与II#集热器支架(8)分别布置在I#抛物碟支撑轨(5)和II#抛物碟支撑轨(6)外侧;集热器支架横梁(9)固定于I#集热器支架(7)与II#集热器支架(8)上端;旋转双曲面二次反射镜(10)固定于集热器支架横梁(9)上;I#抛物碟滑轨(11)、II#抛物碟滑轨(17)分别放置于I#抛物碟支撑轨(5)、II#抛物碟支撑轨(6)上且由电动机(19)驱动沿抛物碟支撑轨滑动,旋转抛物碟(12)固定于I#抛物碟滑轨(11)和II#抛物碟滑轨(17)上,且随I#抛物碟滑轨(11)和II#抛物碟滑轨(17)一起运动;I#轴承杆(13)铰接于I#抛物碟滑轨(11)后端和集热器支架横梁(9),II#轴承杆(14)铰接于II#抛物碟滑轨(17)后端和集热器支架横梁(9),III#轴承杆(15)铰接于I#抛物碟滑轨(11)前端和集热器支架横梁(9),IV#轴承杆(16)铰接于II#抛物碟滑轨(17)前端和集热器支架横梁(9);回转电动机(18)的齿轮与回转基台(2)的齿条啮合,电动机(19)的齿轮与I#抛物碟滑轨(11)的齿条啮合。
2.根据权利要求1所述焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,其特征在于,所述回转基台导轨(1)为圆形轨道,回转基台(2)由根据太阳方位角转动的回转电动机(18)驱动沿回转基台导轨(1)水平转动以带动集热器及包括旋转抛物碟(12)和旋转双曲面二次反射镜(10)的光学镜面部件追踪太阳方位角。
3.根据权利要求1所述焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,其特征在于,铰接于集热器支架横梁(9)的I#轴承杆(13)、II#轴承杆(14)、III#轴承杆(15)和IV#轴承杆(16)可绕集热器支架横梁(9)水平中轴线转动,电动机(19)带动I#抛物碟滑轨(11)和II#抛物碟滑轨(17)沿I#抛物碟支撑轨(5)、II#抛物碟支撑轨(6)滑动。
4.根据权利要求1所述焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,其特征在于,所述I#抛物碟支撑轨(5)、II#抛物碟支撑轨(6)是圆心位于集热器支架横梁(9)水平中轴线上、半径相等、弧长相同且垂直固定于回转基台(2)上的圆弧形轨道,I#抛物碟滑轨(11)、II#抛物碟滑轨(17)分别放置于I#抛物碟支撑轨(5)、II#抛物碟支撑轨(6)上且由电动机(19)驱动沿支撑轨滑动。
5.根据权利要求1所述焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,其特征在于,所述旋转双曲面二次反射镜(10)固定于集热器支架横梁(9)上,旋转双曲面二次反射镜(10)的上焦点与旋转抛物碟(12)的焦点重合,旋转双曲面二次反射镜(10)的上焦点与下焦点连线垂直于地面,且下焦点固定位于吸热单元光孔入口平面,旋转双曲面二次反射镜(10)取自完整旋转双曲面的一部分,其具体形状为模拟集热器从最低太阳高度角至最高太阳高度角过程中光线扫描完整旋转双曲面而得到的被照射过的部分。
6.根据权利要求1所述焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,其特征在于,所述旋转抛物碟(12)为完整旋转抛物面的一部分,具体形状为先以旋转抛物面旋转中心为圆心切除由旋转双曲面二次反射镜(10)造成的阴影部分,再去除集热器运行过程中旋转抛物面会与支撑平台(3)碰撞的部分;旋转抛物碟(12)随I#抛物碟滑轨(11)和II#抛物碟滑轨(17)一起由根据太阳高度角转动的电动机(19)驱动绕集热器支架横梁(9)水平中轴线转动以追踪太阳高度角,因此实现了集热器运行过程中旋转抛物碟(12)的焦斑固定不动,是实现焦点固定的二次反射式光路效果的基础。
7.根据权利要求1所述焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器,其特征在于,所述支撑平台固定于地面,保持集热器运转时相对于地面固定不动,通过调节支撑平台的高度使吸热器的光孔入口平面始终位于旋转双曲面二次反射镜的下焦点处。
8.一种权利要求1所述的焦点固定型二次反射碟式太阳能集热器的集热方法,其特征在于,由根据太阳方位角转动的回转电动机(18)驱动安装在回转基台导轨(1)上的回转基台(2),回转基台(2)沿回转基台导轨(1)水平转动,以带动定于回转基台(2)上包括旋转双曲面二次反射镜(10)和旋转抛物碟(12)的光学镜面部件追踪太阳方位角,其中集热器(4)运转时因支撑平台(3)固定于地面,因此相对于地面保持固定不动;根据太阳高度角转动的电动机(19)驱动I#抛物碟滑轨(11)、II#抛物碟滑轨(17)沿I#抛物碟支撑轨(5)、II#抛物碟支撑轨(6)滑动以带动旋转抛物碟(12)追踪太阳高度角,轴承杆的作用是保持I#抛物碟滑轨(11)、II#抛物碟滑轨(17)沿I#抛物碟支撑轨(5)、II#抛物碟支撑轨(6)滑动的过程中不偏离轨道、进而保证旋转抛物碟(12)随抛物碟滑轨运动过程中焦点固定在集热器支撑横梁(9)的水平中轴线上;旋转抛物碟(12)固定于I#抛物碟滑轨(11)和II#抛物碟滑轨(17)上且随I#抛物碟滑轨(11)和II#抛物碟滑轨(17)一起绕集热器支架横梁(9)水平中轴线转动以追踪太阳高度角,旋转抛物碟(12)运动过程中焦点固定于集热器支撑横梁(9)的水平中轴线上,旋转双曲面二次反射镜(10)固定于集热器支架横梁(9)上,旋转双曲面二次反射镜(10)的上焦点与旋转抛物碟(12)的焦点重合,旋转双曲面二次反射镜(10)的上焦点与下焦点连线垂直于地面,且下焦点固定位于吸热单元光孔入口平面,由于旋转双曲面反射镜的光学特性,射向旋转双曲面反射镜上焦点的光线会被反射向旋转双曲面反射镜的下焦点,即在集热器中,由旋转抛物碟(12)聚集的太阳光射向旋转双曲面二次反射镜(10)的上焦点,再被旋转双曲面二次反射镜(10)反射向其下焦点,实现焦点固定的二次反射式光路效果。
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