CN111624755B - 一种太阳能聚光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种太阳能聚光装置，包括太阳光平面反射装置、曲面聚焦装置和光能接收装置，曲面聚焦装置具有整体面型为旋转抛物面的反射面，所述的曲面聚焦装置的反射面的中心与太阳光平面反射装置的旋转中心的连线相对于太阳光平面反射装置的旋转中心所在的水平面的仰角为0～20度；光能接收装置可以沿曲面聚焦装置的反射面的旋转轴移动，实现光斑温度和能流调节；曲面聚焦装置包括主体支架、多个曲面反射镜单元和多个曲面反射镜单元支架，曲面聚焦装置的反射面由所述多个曲面反射镜单元拼接而成；曲面反射镜单元可以分别绕水平轴和竖直轴转动一定角度，实现其快速安装与聚光性能调试。

Description

一种太阳能聚光装置

技术领域

本发明涉及太阳能热收集技术领域，具体涉及一种太阳能聚光装置。

背景技术

太阳能聚光装置是一种通过跟踪太阳轨迹并将太阳光实时汇聚到一点或一条线的装置。国内外商业化的太阳能光热发电站通常采用的聚光装置包括用于塔式太阳能发电站的定日镜、抛物面槽式聚光器和碟式聚光器。这些聚光装置通常可以获得几十到几百的聚光比，产生的温度可达到数百度或者上千度。另一种太阳能聚光装置——太阳炉能产生1000℃～3500℃的高温，可应用于太阳能制氢系统和极端环境条件下的高温材料性能研究。太阳炉由太阳光反光装置、太阳光聚焦装置和光能接收装置组成。

申请号为201310571365.5公开了一种输入太阳能功率可控的手动跟踪太阳炉。其中通过增加百叶窗来调节太阳光聚焦装置所接收太阳光反光装置所反射光线的多少，进而调节太阳光聚焦装置的会聚功率，实现不同温度的转变。但是增加百叶窗装置使得整个装置结构比较复杂。另外，现有的太阳炉的太阳光聚焦装置通常由若干反射镜单元拼接而成可聚焦的旋转抛物面，每个反射镜单元依靠三至四个螺栓安装固定。安装反射镜单元时，通过调节螺栓的高度使得每个反射镜单元获得合适的安装角度，实现反射镜单元将光线聚焦到焦点处。这种调整方法费时费力，而且反射镜单元调整角度有限，不能达到较高的调整精度，对聚光效果有很大影响。此外，现有太阳炉的太阳光反射装置和太阳能聚焦装置的中心一般位于同一水平高度，在阳光较好的夏季不能达到更佳的聚光效果。

发明内容

因此，本发明的目的是克服上述现有技术中的缺陷，提供一种结构简单、温度和能量密度方便可调、能够满足不同的高温需求、能充分利用夏季的阳光资源，获得较好的聚光性能的太阳能聚光装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的太阳能聚光装置，包括：

太阳光平面反射装置；

曲面聚焦装置，具有整体面型为旋转抛物面的聚焦反射面，所述聚焦反射面的中心与太阳光平面反射装置的旋转中心的连线相对于所述太阳光平面反射装置的旋转中心所在的水平面仰角为α，所述α的取值范围为：0≤α≤20°；

光能接收装置，位于太阳光平面反射装置和曲面聚焦装置之间，可沿曲面聚焦装置的聚焦反射面的旋转轴线移动；

所述太阳光平面反射装置适于跟踪太阳轨迹，并将太阳光平行反射到所述曲面聚焦装置，然后所述太阳光被聚焦到光能接收装置上；

所述曲面聚焦装置包括：主体支架、曲面反射镜单元和曲面反射镜单元支架，所述曲面聚焦装置的聚焦反射面由多个所述曲面反射镜单元拼接而成，每个所述曲面反射镜单元通过一个所述曲面反射镜单元支架固定在所述主体支架；

所述曲面反射镜单元支架包括：支撑架、水平旋转轴、竖直旋转轴和支座，所述支撑架上设置有连接孔，所述连接孔用于连接所述曲面反射镜单元，所述支撑架可带动曲面反射镜单元分别绕所述水平旋转轴和所述竖直旋转轴相对转动；所述支座上设置有n个周向均匀分布的固定孔，所述n为大于1的自然数，所述曲面反射镜单元支架通过所述固定孔以螺栓连接的方式固定在所述主体支架上；

在聚光状态下，通过将所述曲面反射镜单元支架相对于所述主体支架旋转角度360°/n后再固定，可实现该曲面反射镜单元支架所对应的所述曲面反射镜单元的散焦功能。

作为优选方案，多个所述曲面反射镜单元的反射面的曲率相同。

作为优选方案，多个所述曲面反射镜单元的反射面具有至少部分曲率不同，不同反射面曲率的多个所述曲面反射镜单元以所述聚焦反射面的旋转轴为中心向外环向划分为多个曲率分区，位于同一曲率分区内的多个所述曲面反射镜单元的反射面曲率相同。

作为优选方案，所述的曲面反射镜单元的聚焦反射面的面型为球面，所述聚焦反射面采用厚度为0.7mm～1.2mm的玻璃银镜，所述玻璃银镜的凸面依次连接有基体和背部支撑结构，所述背部支撑结构螺栓连接在所述曲面反射镜单元支架的支撑架上。

作为优选方案，所述的曲面反射镜单元的聚焦反射面的面型为球面，所述聚焦反射面采用厚度为3mm～4mm的玻璃银镜弯制成型，所述玻璃银镜的凸面与背部支撑结构连接。

作为优选方案，所述主体支架为旋转抛物面结构，包括：纵向立柱、纵向支杆、横向支杆和安装座，所述纵向立柱、纵向支杆和横向支杆均弯制成抛物线或近似抛物线形状，所述安装座与所述曲面反射镜单元支架固定连接。

作为优选方案，在曲面聚焦装置的聚焦反射面中心点处安装CCD相机，用于采集焦点处光斑图像。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的太阳能聚光装置，通过移动光能接收装置在曲面聚焦装置的旋转轴上的位置，就能够改变光能接收装置所接收到的光能，实现温度的调节；还能够通过旋转曲面反射镜单元在主体支架上的角度，实现多个曲面反射镜单元的聚焦和散焦状态的转换，以改变曲面聚焦装置汇聚到光能接收装置的能流密度，实现温度调节；这两种方法可单独使用，也可同时使用，增加了连续调节温度或能流密度的范围，能够满足多种设备或材料对不同能流或者温度的需求，且整体结构简单。

2.本发明提供的太阳能聚光装置，曲面聚焦装置的反射面中心与太阳光平面反射装置的旋转中心的连线相对于水平面的仰角为0°至20°，能充分利用夏季的阳光资源，获得较好的聚光性能。

3.本发明提供的太阳能聚光装置，曲面反射镜单元可绕水平轴和竖直轴转动，能快速地实现光斑调节，节省安装和调试的时间，降低安装和调试成本。

4.本发明提供的太阳能聚光装置，设置的CCD相机，安装于曲面聚焦装置的中心处，能够采集焦点处光斑图像，通过分析光斑图像的尺寸和特征，及时调整太阳光平面反射装置的跟踪状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中提供的太阳能聚光装置的主视示意图。

图2为太阳能聚光装置的立体结构示意图。

图3为曲面反射镜单元结构后视图。

图4为曲面反射镜单元结构右视图。

图5为曲面反射镜单元支架的结构示意图。

图6为图5的A-A方向的剖视图。

图7是曲面聚焦装置主体支架结构示意图。

图8是曲面反射镜单元不同曲率分区示意图。

图9是由多个太阳光平面反射装置构成的太阳能聚光装置示意图。

附图标记说明：

1、太阳光平面反射装置；2、曲面聚焦装置；3、光能接收装置；11、一号太阳光平面反射装置；12、二号太阳光平面反射装置；13、三号太阳光平面反射装置；14、四号太阳光平面反射装置；15、五号太阳光平面反射装置；21、主体支架；22、聚焦反射面；23、曲面反射镜单元；31、玻璃银镜；32、基体；33、背部支撑结构；34、预置螺栓；50、曲面反射镜单元支架；51、支撑架；52、连接孔；53、水平旋转轴；54、竖直旋转轴；55、支座；56、安装板；57、第一螺栓；58、第二螺栓；61、第一固定孔；62、第二固定孔；71、纵向立柱；72、横向支杆；73、纵向支杆；74、安装座；81、曲率一区；82、曲率二区；83、曲率三区；84、聚焦反射面中心点；91、第一聚焦反射区域的中心点；92、第二聚焦反射区域的中心点；93、第三聚焦反射区域的中心点；94、第四聚焦反射区域的中心点；95、第五聚焦反射区域的中心点。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种太阳能聚光装置，由单个太阳光平面反射装置、曲面聚焦装置和光能接收装置组成。

本发明太阳能聚光装置的整体构成如图1和图2所示，从图1可知光能接收装置3位于太阳光平面反射装置1和曲面聚焦装置2之间；太阳光平面反射装置1可以实时跟踪太阳的相对地球的运动轨迹，使得若干条太阳光线S1～Sn入射到太阳光平面反射装置1后被反射到曲面聚焦装置2的聚焦反射面22。聚焦反射面22整体面型为旋转抛物面，可以将接收到的光线S1’～Sn’反射并聚焦到其焦点处的光能接收装置3中，光线S1”～Sn”被汇聚到光能接收装置3的接收面AB中。以聚焦反射面22的抛物面顶点O为原点建立直角坐标系，Y为竖直轴，Z为抛物面旋转轴在水平面内的投影轴，X为水平轴且垂直于YZ平面。曲面聚焦装置2的聚焦反射面22的中心点和太阳光平面反射装置1的旋转中心的连线为OZ’，光能接收装置3的接收面AB的中心位于连线OZ’上。连线OZ’相对于太阳光平面反射装置1的旋转中心所在的水平面的仰角为α，所述α的取值范围为：0≤α≤20°，可以在夏季得到较好的聚光性能。当连线OZ’与水平面夹角为0°时，OZ’与OZ重合。光能接收装置3可以沿着曲面聚焦装置2的聚焦反射面22的旋转轴在焦点附近前后移动，可以改变入射到接收面AB处的能流密度，从而达到能流和温度调节的目的。例如，当光能接收装置3位于P1点时，该位置接近于焦点处，接收面AB上的光斑尺寸较小，单位面积上的能流较高，可以得到较高的峰值温度。当光能接收装置3移动到P2点时，光线S1”～Sn”都能汇聚到整个接收面AB上，但接收面积增大，因此单位面积上的能流相对于P1点有所降低。当光能接收装置3移动到P3点时，光线S1”～Sn”有溢出现象而不能都汇聚到接收面AB上，相对于P2点而言，虽然接收光能的面积不变，但光能接收装置3实际获得的能流减少。

图2所示为太阳能聚光装置的三维示意图，曲面聚焦装置2的结构组成主要包括主体支架21和若干曲面反射镜单元23。若干曲面反射镜单元23拼接成的整体面型为旋转抛物面，旋转抛物面的顶点为O，旋转轴为Z轴，旋转的抛物线OM位于XZ平面内。曲面反射镜单元23的形状为方形或其他多边形，为节省制造成本，每个曲面反射镜单元23的聚焦面型为球面，其结构如图3和图4所示。

在图3和图4中，曲面反射镜单元23由高反射率厚度为0.7mm～1.2mm的薄玻璃银镜31粘贴在非金属或者金属与非金属的复合材质的基体32表面上而形成。基体32用来粘贴玻璃的一侧表面为球面，利用模具直接成型；另一侧为具有一定刚度的背部支撑结构33，保证曲面反射镜单元23的球面面型在长久使用后不变形。曲面反射镜单元23还可由3mm～4mm厚的玻璃银镜和背部支撑结构组成，玻璃银镜通过采用模具直接成型为球面。背部支撑结构33上设有预置螺栓34，通过螺栓联接方式固定在曲面反射镜单元支架50上，图5为曲面反射镜单元支架50的结构示意图。

由图5所示，曲面反射镜单元支架50包括支撑架51、水平旋转轴53、竖直旋转轴54和支座55。支撑架51上设置有连接孔52，用以联接预置螺栓34。支撑架51上左右对称设置有安装板56，安装板56联接在水平旋转轴53的两端，支撑架51可以绕水平旋转轴53旋转到所需要的角度，然后拧紧水平旋转轴53的两端第一螺栓57，以固定支撑架51相对水平旋转轴53的旋转角度。水平旋转轴53的中心位置处设置有圆孔，竖直旋转轴54穿过圆孔。水平旋转轴53和支撑架51可以绕竖直旋转轴54旋转到所需要的角度，然后拧紧竖直旋转轴54上端的第二螺栓58，以固定水平旋转轴53相对竖直旋转轴54的旋转角度；曲面反射镜单元支架50可以分别绕水平旋转轴53和竖直旋转轴54转动一定角度，使得曲面反射镜单元23将接收到的太阳光汇聚到曲面聚焦装置2的焦点处。

图6所示为图5中A-A剖面示意图，曲面反射镜单元支架通过支座55上设置有n个周向均匀分布的固定孔以螺栓联接方式固定在曲面聚焦装置2的主体支架21上，n为大于1的自然数。在聚光状态下，将曲面反射镜单元23旋转角度360°/n，例如：顺时针方向由第二固定孔62旋转到第一固定孔61，则可以实现曲面反射镜单元23的散焦功能。当不需要散焦时，再逆时针方向由第一固定孔61旋转回到第二固定孔62，使得曲面反射镜单元23处于聚焦状态。通过调节多个曲面反射镜单元23的聚焦和散焦状态的转换，来调节焦点处的光斑能流或温度。

图7所示为曲面聚焦装置2的主体支架21的结构示意图，其整体呈旋转抛物面形，与曲面聚焦装置2的聚焦反射面22的整体面型吻合，起到支撑曲面反射镜单元23的作用，并保证多个曲面反射镜单元23拼接后的整体面型精度和精度的保持性。主体支架21由纵向立柱71、纵向支杆73、横向支杆72和安装座74组成。纵向立柱71、纵向支杆73和横向支杆72均弯制成抛物线或近似抛物线，以保证构成的整体呈旋转抛物面形。曲面反射镜单元23固定在其安装座74上。

如上文所述，为节省制造成本，每个曲面反射镜单元23的反射面面型为聚焦的球面，球面由模具直接成型。为了降低模具的成本，则需尽量减少模具的数量。因此，将所有曲面反射镜单元23进行区域划分，不同的区域采用不同的球面曲率，如图8所示。将所有曲面反射镜单元23分成了三个区域：曲率一区81、曲率二区82和曲率三区83，每个曲率分区均大致环状分布，不同的曲率分区沿径向依次排列，即曲面反射镜单元23以聚焦反射面22的旋转轴为中心向外环向划分为多个曲率分区，位于同一曲率分区内的多个曲面反射镜单元23具有相同的反射面曲率。为提高太阳能聚光装置的对日跟踪精度和光斑性能，在曲面聚焦装置2的聚焦反射面中心点84处安装CCD相机，用来采集焦点处光斑图像，通过分析光斑图像的尺寸和特性，及时调整太阳光平面反射装置1的跟踪状态，以获得较好的聚光性能。

实施例2

本实施例提供一种太阳能聚光装置，由多个太阳光平面反射装置1、曲面聚焦装置2和光能接收装置3组成，如图9所示。曲面聚焦装置2的聚焦反射面22划分为五个区域：第一聚焦反射区域、第二聚焦反射区域、第三聚焦反射区域、第四聚焦反射区域和第五聚焦反射区域，图中编号所指示的是各区域的中心点：第一聚焦反射区域的中心点91、第二聚焦反射区域的中心点92、第三聚焦反射区域的中心点93、第四聚焦反射区域的中心点94以及第五聚焦反射区域的中心点95。第一排的太阳光平面反射装置：一号太阳光平面反射装置11、二号太阳光平面反射装置12、三号太阳光平面反射装置13分别将太阳光反射到第一聚焦反射区域、第二聚焦反射区域、第三聚焦反射区域，且区域的中心点与对应的太阳光平面反射装置的反射面旋转中心连线平行于水平面，即两者夹角为0°。第二排太阳光平面反射装置：四号太阳光平面反射装置14、五号太阳光平面反射装置15分别将太阳光反射到第四聚焦反射区域和第五聚焦反射区域，且区域的中心点与对应的太阳光平面反射装置1的反射面旋转中心连线相对于水平面的仰角为α，α的取值范围为：0≤α≤20°。这样可以降低四号太阳光平面反射装置14、五号太阳光平面反射装置15的安装高度，减少地基建设成本和太阳光平面反射装置的支架成本。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种太阳能聚光装置，其特征在于，包括：

太阳光平面反射装置(1)；

曲面聚焦装置(2)，具有整体面型为旋转抛物面的聚焦反射面(22)，所述聚焦反射面(22)的中心与太阳光平面反射装置(1)的旋转中心的连线相对于所述太阳光平面反射装置(1)的旋转中心所在的水平面仰角为α，所述α的取值范围为：0≤α≤20°；其中，太阳光平面反射装置(1)可旋转地支撑在支架上，太阳光平面反射装置(1)在该支架上的旋转点为其旋转中心；

光能接收装置(3)，位于太阳光平面反射装置(1)和曲面聚焦装置(2)之间，可沿曲面聚焦装置(2)的聚焦反射面(22)的旋转轴线移动；

所述太阳光平面反射装置(1)适于跟踪太阳轨迹，并将太阳光平行反射到所述曲面聚焦装置(2)，然后所述太阳光被聚焦到光能接收装置(3)上；

所述曲面聚焦装置(2)包括：主体支架(21)、曲面反射镜单元(23)和曲面反射镜单元支架(50)，所述曲面聚焦装置(2)的聚焦反射面(22)由多个所述曲面反射镜单元(23)拼接而成，每个所述曲面反射镜单元(23)通过一个所述曲面反射镜单元支架(50)固定在所述主体支架(21)；

所述曲面反射镜单元支架(50)包括：支撑架(51)、水平旋转轴(53)、竖直旋转轴(54)和支座(55)，所述支撑架(51)上设置有连接孔(52)，所述连接孔(52)用于连接所述曲面反射镜单元(23)，所述支撑架(51)可带动曲面反射镜单元(23)分别绕所述水平旋转轴(53)和所述竖直旋转轴(54)相对转动；所述支座(55)上设置有n个周向均匀分布的固定孔，所述n为大于1的自然数，所述曲面反射镜单元支架(50)通过所述固定孔以螺栓连接的方式固定在所述主体支架(21)上；

在聚光状态下，通过将所述曲面反射镜单元支架(50)相对于所述主体支架(21)旋转角度360°/n后再固定，可实现该曲面反射镜单元支架(50)所对应的所述曲面反射镜单元(23)的散焦功能。

2.根据权利要求1所述的太阳能聚光装置，其特征在于，多个所述曲面反射镜单元(23)的反射面的曲率相同。

3.根据权利要求1所述的太阳能聚光装置，其特征在于，多个所述曲面反射镜单元(23)的反射面具有至少部分曲率不同，不同反射面曲率的多个所述曲面反射镜单元(23)以所述聚焦反射面(22)的旋转轴为中心向外环向划分为多个曲率分区，位于同一曲率分区内的多个所述曲面反射镜单元(23)的反射面曲率相同。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能聚光装置，其特征在于，所述的曲面反射镜单元(23)的聚焦反射面(22)的面型为球面，所述聚焦反射面(22)采用厚度为0.7mm～1.2mm的玻璃银镜，所述玻璃银镜的凸面依次连接有基体(32)和背部支撑结构(33)，所述背部支撑结构(33)螺栓连接在所述曲面反射镜单元支架(50)的支撑架(51)上。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能聚光装置，其特征在于，所述的曲面反射镜单元(23)的聚焦反射面(22)的面型为球面，所述聚焦反射面(22)采用厚度为3mm～4mm的玻璃银镜弯制成型，所述玻璃银镜的凸面与背部支撑结构(33)连接。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能聚光装置，其特征在于，所述主体支架(21)为旋转抛物面结构，包括：纵向立柱(71)、纵向支杆(73)、横向支杆(72)和安装座(74)，所述纵向立柱(71)、纵向支杆(73)和横向支杆(72)均弯制成抛物线或近似抛物线形状，所述安装座(74)与所述曲面反射镜单元支架(50)固定连接。

7.根据权利要求1所述的太阳能聚光装置，其特征在于，在曲面聚焦装置(2)的聚焦反射面中心点(84)处安装CCD相机，用于采集焦点处光斑图像。

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