CN112815539A - 采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置 - Google Patents

采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置 Download PDF

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CN112815539A CN202110052076.9A CN202110052076A CN112815539A CN 112815539 A CN112815539 A CN 112815539A CN 202110052076 A CN202110052076 A CN 202110052076A CN 112815539 A CN112815539 A CN 112815539A
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Abstract

本发明公开了一种采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其包括：主反光板、转杆模块、接收器模块；转杆模块包括支撑杆、转杆、转轴、接收器固定架、配重块、动力装置；该转杆通过转轴连接支撑杆的上端，转轴连接动力装置，动力装置带动转轴及转杆转动；转杆的两端分别连接接收器固定架和配重块；主反光板下设有可调节的基座，主反光板、转杆模块、接收器模块的外部设有温室房。本申请具有转动部件少、单位占地面积太阳能利用率高、抗风性能好、装置稳定性高、同时具有建造及维护成本低和重量轻的优势。

Description

采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能集热装置，特别是一种采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
为了将太阳能转化为更高品位的热能，需要通过聚光方式来获得更高温度的工质，聚光方式包括线聚焦(槽式、线性菲涅尔式)和点聚焦方式(塔式、碟式)，其中线聚焦方式由于成本低、适用范围广而得到更多的推广应用。
目前的线聚焦方式还存在以下不足：
1)集热装置建造成本偏高，比如槽式集热装置成本约5.2元/W，线性菲涅尔式集热装置成本约4.5元/W，相对于传统及其它能源优势不明显；2)维护成本高，一是反光板长期暴露在空气中，灰尘及落叶等会影响反光效果，而反光板清理比较麻烦，同时反光板会因为风雨沙尘的影响，反光率衰减快，装置寿命偏短；二是存在大量的转动部件，结构复杂且故障率大。3)单位面积地面太阳能利用率低，因为反光板的转动，为了避免相互遮挡，反光板阵列间需要留有一定的间距，考虑间距的存在导致集热装置在全年运行中的光学损失以及反光板之间的遮光，槽式集热器和线性菲涅尔式集热器的单位面积地面太阳能利用率仅约为55％和65％。此外，槽式集热器还存在装置偏重、抗风性能及跟踪精度要求高等不足，线性菲涅尔式存在聚光比偏低等不足。上述问题限制了太阳能线聚焦装置及太阳中高温热利用的进一步推广应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于克服上述现有线聚焦集热装置的缺陷，提供了一种反光板无需转动的、成本低、太阳能利用率高的线聚焦集热装置，投资费用低，单位面积利用率高，抗风性能好，装置稳定性高，同时具有重量轻和建造及维护成本低的优势。
技术方案：为解决上述技术问题，本申请提出了一种采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其包括主反光板、转杆模块、接收器模块：该主反光板的上表面为反光面，该反光面呈向下凹陷的弧形面，使该反光面形成一反光凹槽，该反光凹槽沿一轴线方向延伸，该主反光板为固定式结构；该转杆模块包括支撑杆、转杆、转轴、接收器固定架、配重块、动力装置；该转杆通过转轴连接支撑杆的上端，支撑杆的下端固定在地面上，转轴连接动力装置，动力装置带动转轴及转杆转动；该转杆的两端分别连接接收器固定架和配重块；该接收器模块包括直通式真空集热管，该直通式真空集热管固定安装在接收器固定架上。
1.偏离抛物线轴线一定范围内(一般±30度以内)的入射光，反射后仍具有较好的聚焦效果；2.一年中太阳光南北向高度角(集热器东西轴向方式，此角度为入射光的角度)的变化范围较小(采光时段内，约90％的时间小于±30度)。本申请主要基于：上述两个原理所进行的发明创造，以解决现有线聚焦集热器所存在的问题。
本申请具有转动部件少，跟踪精度要求低，可以降低转动设备和控制设备的投资费用；单位占地面积太阳能利用率高(可以达到95％)，以充分利用太阳能；抗风性能和装置稳定性好，重量轻，同时具有建造及维护成本低的优势。
进一步，主反光板采用反光镜或高反光铝板，以减少反射造成的光学损失。
进一步，动力装置包括伺服电机、减速机、转动齿轮，以实现精准控制转杆转动。
进一步，在主反光板下设有基座，用于对主反光板的位置进行调整，基座包括矩形框架、反光板支撑杆、调节螺杆、调节螺母；矩形框架固定在地面上，矩形框架的上横杆上设有多个螺栓孔，调节螺杆穿过螺栓孔，调节螺杆上套有分别位于上横杆上方和下方的2个调节螺母，调节螺杆上端固定连接反光板支撑杆，反光板支撑杆固定连接主反光板。
利用该调节机构，可以对主反光板的高度、弧度和角度在一定范围内进行精细调节，以使反光板达到所在地区的设定状态。基座与主反光板能够通过磁铁吸附的方式固定，易拆卸。
进一步，接收器模块还包括CPC反光板，CPC反光板固定在接收器固定架上并位于直通式真空集热管的上侧，主反光板反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管上，一部分经CPC反光板反射后照射到直通式真空集热管上。采用CPC反光板能够进一步提高集热装置的聚光比，降低跟踪精度要求。
进一步，该主反光板的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该抛物线的公式为：
Figure BDA0002899357580000021
其中，x为横坐标，y为纵坐标，p为焦距，该抛物线的焦点为F，该主反光板的反光面相对于该抛物线的对称轴非对称；
主反光板的反光面的形状采用如下步骤确定：
(11)该反光板的径向截面的两个端点分别称为端点A(x1,y1)和端点B(x2,y2)，线段
Figure BDA0002899357580000022
的长度称为lAB，抛物线的焦点F到线段
Figure BDA0002899357580000023
的距离称为lF-AB，抛物线的焦点F到端点A的距离称为lFA，抛物线的焦点F到端点B的距离称为lFB；
(12)该采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置所在地区的纬度称为θ，确定θ的值；
(13)确定lAB、lF-AB、lFA、lFB中的两个数值；
(14)根据
Figure BDA0002899357580000031
Figure BDA0002899357580000032
计算得出p、x1、y1、x2、y2的值；
(15)确定反光面的径向截面形状。
采用上述步骤可以方便、快捷地确定主反光面在不同地区所需要的弧形，以充分利用所在地区的太阳能；该方式可以精准的得到符合设计要求的弧形反光面。
进一步，采用如下步骤确定接收器模块的运行轨迹：
(21)将主反光板的反光面朝上设置，且使线段
Figure BDA0002899357580000033
沿水平方向放置，C(x3,y3)为
Figure BDA0002899357580000034
的中间点；
(22)根据x3＝εx1+(1-ε)x2、
Figure BDA0002899357580000035
ε∈(0.4,0.6)确定x3、y3的值；
(23)各个时间点的太阳光在端点A、端点B和中间点C各形成一条反射光线，三条反射光线形成一个三角区域，取三角区域的内接圆中的一点确定为选择点，将各选择点连接并拟合为一条圆弧线，则该圆弧线为接收器模块的运行轨迹。
采用上述步骤可以方便、快捷地确定接收器的位置，该方式可以精准的得到符合设计要求的接收器圆弧形的运行轨迹。
进一步，CPC反光板的接收角的确定：将运行轨迹的一端与端点A、端点B的连线之间的夹角确定为第一接收区域角，将运行轨迹的另一端与端点A、端点B的连线之间的夹角确定为第二接收区域角，将第一接收区域角沿运行轨迹转动至另一端，第一接收区域角与第二接收区域角的并集确定为CPC反光板的接收角。
进一步，采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置还包括温室房，主反光板、转杆模块、接收器模块均位于温室房内，温室房包括温室房框架和透光层，透光层采用玻璃或高透光塑料膜。
采用温室房，具有以下优势：
1、可以避免与外界空气的接触，减少灰尘及杂物对光线的遮挡，易于清理和维护；
2、减少雨水、空气、杂物与集热装置的侵蚀，降低反光板反光率的衰减速度，延长反光板、CPC集热器及其它装置的使用寿命；
3、由于没有了风力的影响，降低了抗风性要求，可以采用简易支架和薄壁反光板，降低装置的重量和成本；
4、温室(阳光房)的保温性能，减少集热装置的热损，提高集热效率。
附图说明
图1是采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置的结构示意图。
图2是转杆模块的结构示意图。
图3是接收器模块的结构示意图。
图4是基座的结构示意图。
图5为主反光板的反光面的设计辅助图。
图6为接收器模块的运行轨迹的设计辅助图。
图7是采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置阵列的结构示意图。
其中：1是主反光板、2是转杆模块、3是接收器模块、4是基座、5是温室房、201是支撑杆、202是转杆、203是接收器固定架、204是配重块、205是动力装置、301是直通式真空集热管、302是CPC反光板、401是矩形框架、402是反光板支撑杆、403是调节螺杆、404是调节螺母、601是入射光、602是反射光、603是三角区域内接圆、604是运行弧形轨迹。
具体实施方式
请参阅图1-图4。
采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置包括主反光板1、转杆模块2、接收器模块3。
该主反光板1的上表面为反光面，该反光面呈向下凹陷的弧形面，使该反光面形成一反光凹槽，该反光凹槽沿一轴线方向延伸，该主反光板1为固定式结构；主反光板1采用反光镜。在主反光板1下设有基座4，用于对主反光板1的位置进行调整，基座4包括矩形框架401、反光板支撑杆402、调节螺杆403、调节螺母404；矩形框架401固定在地面上，矩形框架401的上横杆上设有5个螺栓孔，调节螺杆403穿过螺栓孔，调节螺杆403上套有分别位于上横杆上下方的2个调节螺母404，调节螺杆403上端固定连接反光板支撑杆402，反光板支撑杆402固定连接主反光板1。
该转杆模块2包括支撑杆201、转杆202、转轴、接收器固定架203、配重块204、动力装置205；该转杆202通过转轴连接支撑杆201的上端，支撑杆201的下端固定在地面上，转轴连接动力装置205，动力装置205带动转轴及转杆202转动；该转杆202的两端分别连接接收器固定架203和配重块204；动力装置205包括伺服电机、减速机、转动齿轮；配重块205的重量满足支撑杆201上所支撑的物体的重心在转轴的轴线上。
该接收器模块3包括直通式真空集热管301和CPC反光板302，该直通式真空集热管301和CPC反光板302均固定安装在接收器固定架203上，且CPC反光板302位于直通式真空集热管301的上侧。主反光板1反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管301上，一部分经CPC反光板302反射后照射到直通式真空集热管301上。直通式真空集热管301的长度为2m，直通式真空集热管301内部的金属管采用DN16不锈钢管(外径22mm)。
以下对主反光板1的反光面的设计进行说明(以一具体实施例来说明)。
请参阅图5，该主反光板1的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该抛物线的公式为：
Figure BDA0002899357580000051
其中，x为横坐标，y为纵坐标，p为焦距，该抛物线的焦点为F，主反光板1的反光面的形状采用如下步骤确定：
(11)该反光板的径向截面的两个端点分别称为端点A(x1,y1)和端点B(x2,y2)，线段
Figure BDA0002899357580000052
的长度称为lAB，抛物线的焦点F到线段
Figure BDA0002899357580000053
的距离称为lF-AB；
(12)确定该采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置所在地区(南京)的纬度为32°，即θ＝32；
(13)确定lAB＝848.67mm、lF-AB＝1125.21mm；
(14)根据
Figure BDA0002899357580000054
Figure BDA0002899357580000055
计算得出p＝1956.08mm、x1＝-1582.17mm、y1＝639.86mm、x2＝-862.44mm、y2＝190.13mm；
(15)确定反光面的径向截面形状。
请参阅图6,以下以上述的主反光板1的反光面为基础，来确定接收器模块的运行轨迹：
(21)将主反光板1的反光面朝上设置，且使线段
Figure BDA0002899357580000056
沿水平方向放置，C(x3,y3)为
Figure BDA0002899357580000057
的中间点，B点设定为坐标原点；
(22)根据x3＝(x1+x2)/2、
Figure BDA0002899357580000058
确定x3＝-1222.31mm、y3＝381.78mm；
(23)各个时间点的太阳光601在端点A、端点B和中间点C各形成一条反射光线602，三条反射光线602形成一个三角区域，取三角区域内接圆603的圆心确定为选择点，将各选择点连接并拟合为一条圆心坐标为(-404.6，747.7)，半径为811.6mm的圆弧线，该圆弧线为接收器模块3的运行弧形轨迹604。
CPC反光板的接收角的确定：将运行轨迹的一端与端点A、端点B的连线之间的夹角确定为第一接收区域角，将运行轨迹的另一端与端点A、端点B的连线之间的夹角确定为第二接收区域角，将第一接收区域角沿运行轨迹转动至另一端，第一接收区域角与第二接收区域角的并集确定为CPC反光板302的接收角。
本实施例中，经确定，CPC反光板302的开口宽度为70.8mm，CPC的接收角为60°，CPC反光板302的轴向与运行弧形轨迹604径向的夹角为31.5°，CPC的截短比为0.694。
请参阅图7，采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置还包括温室房5，主反光板1、转杆模块2、接收器模块3均位于温室房5内，温室房5包括温室房框架和透光层，透光层采用玻璃。
温室房5具有减少热损，减少风阻以轻量化装置，减少主反光板1反光率衰减，易清理维护等效果。
该采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置阵列由12个采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置单元组成，每列2个单元，共6列，直通式真空集热管301的轴向为东西方向。
每个采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置的主反光板1面积为0.85m*2mm＝1.7m2，装置高度约为1.7m；采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置阵列总采光面积为1.7*12＝20.4m2，额定集热功率为15kW，总造价约为5万元，聚光比为848.67÷22＝38.6。
在本实施例中：1.偏离抛物线轴线±30度以内的入射角光，理论上反射后大部分都能照射到集热管上；2.一年中太阳光南北向高度角(入射光的角度)在采光时段内，约90％的时间小于±30度。进而可以得知，本实施例装置在无需转动反光板的情况下，一年运行中具有较为理想的聚光效果。
以下为本实施例的优势总结。
Figure BDA0002899357580000061
Figure BDA0002899357580000071
由上表可以看出，本申请具有转动部件少，跟踪精度要求低，可以降低转动设备和控制设备的投资费用；单位占地面积有效利用率高(约94％)，以充分利用太阳能；抗风性能好，装置稳定性高，重量轻；同时具有建造及维护成本低的优势。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，包括主反光板、转杆模块、接收器模块；该主反光板的上表面为反光面，该反光面呈向下凹陷的弧形面，使该反光面形成一反光凹槽，该反光凹槽沿一轴线方向延伸，该主反光板为固定式结构；该转杆模块包括支撑杆、转杆、转轴、接收器固定架、配重块、动力装置；该转杆通过转轴连接支撑杆的上端，支撑杆的下端固定在地面上，转轴连接动力装置，动力装置带动转轴及转杆转动；该转杆的两端分别连接接收器固定架和配重块；该接收器模块包括直通式真空集热管，该直通式真空集热管固定安装在接收器固定架上。
2.根据权利要求1所述的采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，主反光板采用反光镜或反光铝板。
3.根据权利要求1所述的采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，动力装置包括伺服电机、减速机、转动齿轮。
4.根据权利要求1所述的采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，在主反光板下设有基座，用于对主反光板的位置进行调整，基座包括矩形框架、反光板支撑杆、调节螺杆、调节螺母；矩形框架固定在地面上，矩形框架的上横杆上设有多个螺栓孔，调节螺杆穿过螺栓孔，调节螺杆上套有分别位于上横杆上方和下方的2个调节螺母，调节螺杆上端固定连接反光板支撑杆，反光板支撑杆固定连接主反光板。
5.根据权利要求1所述的采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，接收器模块还包括CPC反光板，CPC反光板固定在接收器固定架上并位于直通式真空集热管的上侧，主反光板反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管上，一部分经CPC反光板反射后照射到直通式真空集热管上。
6.根据权利要求1所述的采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，该主反光板的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该抛物线的公式为
Figure FDA0002899357570000011
其中，x为横坐标，y为纵坐标，p为焦距，该抛物线的焦点为F，该主反光板的反光面相对于该抛物线的对称轴非对称；
主反光板的反光面的形状采用如下步骤确定：
(11)该反光板的径向截面的两个端点分别称为端点A(x1,y1)和端点B(x2,y2)，线段
Figure FDA0002899357570000012
的长度称为lAB，抛物线的焦点F到线段
Figure FDA0002899357570000013
的距离称为lF-AB，抛物线的焦点F到端点A的距离称为lFA，抛物线的焦点F到端点B的距离称为lFB；
(12)该采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置所在地区的纬度称为θ，确定θ的值；
(13)确定lAB、lF-AB、lFA、lFB中的两个数值；
(14)根据
Figure FDA0002899357570000021
Figure FDA0002899357570000022
计算得出p、x1、y1、x2、y2的值；
(15)确定反光面的径向截面形状。
7.根据权利要求6所述的采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，采用如下步骤确定接收器模块的运行轨迹：
(21)将主反光板的反光面朝上设置，且使线段
Figure FDA0002899357570000023
沿水平方向放置，C(x3,y3)为
Figure FDA0002899357570000024
的中间点；
(22)根据x3＝εx1+(1-ε)x2、
Figure FDA0002899357570000025
ε∈(0.4,0.6)确定x3、y3的值；
(23)各个时间点的太阳光在端点A、端点B和中间点C各形成一条反射光线，三条反射光线形成一个三角区域，取三角区域的内接圆中的一点确定为选择点，将各选择点连接并拟合为一条圆弧线，则该圆弧线为接收器模块的运行轨迹。
8.根据权利要求5-7所述的采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，CPC反光板的接收角的确定：将运行轨迹的一端与端点A、端点B的连线之间的夹角确定为第一接收区域角，将运行轨迹的另一端与端点A、端点B的连线之间的夹角确定为第二接收区域角，将第一接收区域角沿运行轨迹转动至另一端，第一接收区域角与第二接收区域角的并集确定为CPC反光板的接收角。
9.根据权利要求1所述的采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置，其特征在于，采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置还包括温室房，主反光板、转杆模块、接收器模块均位于温室房内，温室房包括温室房框架和透光层，透光层采用玻璃或高透光塑料膜。
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