CN112833568A - 一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于聚光太阳能技术领域，具体涉及一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置及其方法，本装置包括支撑底座、支撑钢架、跟踪棱镜、旋转跟踪驱动装置、抛物槽式聚光反射镜和真空集热管，所述支撑底座沿东西方向布置于工作面，所述支撑底座上装有所述支撑钢架；所述抛物槽式聚光反射镜通过所述支撑钢架进行固定，所述真空集热管布置于所述抛物槽式聚光反射镜焦线位置；所述旋转跟踪驱动装置布置于所述跟踪棱镜端部，用于驱动跟踪棱镜轴向旋转，跟踪太阳光线。本发明避免了传统抛物槽式聚光集热大镜面整体旋转的问题，通过采用折射+反射的聚光跟踪方法，在近零排间距条件下，无排间损失的高效跟踪，实现在有限空间内高效聚光。

Description

一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置及其方法

技术领域

本发明属于聚光太阳能技术领域，具体涉及一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置及其方法。

背景技术

目前，依靠化石能源满足快速上涨的建筑能耗，带来碳排放过多、化石能源紧缺等一系列环境问题。太阳能作为能源载体为建筑工业工艺加热或热驱动空调应用提供中温段热能温度(100-400℃)有望解决建筑能耗过高问题。其中，抛物槽式聚光器在典型中温段聚光集热方式中技术相对成熟，目前已广泛商业化应用。

在建筑集成聚光集热装置使用中存在以下缺陷，一方面建筑屋顶面积有限，槽式集热装置的镜场在追日跟踪中整体旋转，排间距较大，同时在运转中影响其余部件布置和运行，导致屋顶有限面积内太阳利用效率不高。另一方面，抛物槽式反射镜安装在巨大桁架上，追日跟踪时增加支架应力，降低支架稳定性；对传动和驱动装置的静载荷、冲击载荷大，影响聚光效果；架构组件装配精度要求高，加大安装成本和运维难度。因此上述原因限制了建筑物屋顶等有限空间内集成抛物槽式聚光集热装置。

发明内容

本发明提供一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，满足建筑能量需求，且能在建筑屋顶等有限空间内高效高参数收集太阳光来满足中温段热量利用需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，包括支撑底座、支撑钢架、跟踪棱镜、旋转跟踪驱动装置、抛物槽式聚光反射镜和真空集热管，其中：

所述支撑底座沿东西方向布置于工作面，所述支撑底座上安装有所述支撑钢架；所述抛物槽式聚光反射镜在所述支撑钢架支撑下固定于所述支撑底座上；所述真空集热管设置于所述抛物槽式聚光反射镜焦线位置并固定在所述支撑钢架上；所述跟踪棱镜安装于所述抛物槽式反射镜上方并固定在所述支撑钢架上；所述跟踪棱镜一侧安装有用于驱动所述跟踪棱镜轴向旋转始终跟踪太阳光线的所述旋转跟踪驱动装置。

作为本发明的进一步优选，所述抛物槽式聚光反射镜是截取全抛物面槽式聚光反射镜的部分开口宽度形成的半抛物面槽式聚光反射镜。

作为本发明的进一步优选，还包括复合抛物面反射镜，所述复合抛物面反射镜贴附布置在所述真空集热管上，且其开口方向与所述抛物槽式聚光反射镜开口方向相对。

作为本发明的进一步优选，所述旋转跟踪驱动装置包括步进电机和倾角传感器，所述步进电机用于驱动所述跟踪棱镜，所述倾角传感器用于感应所述跟踪棱镜旋转角度。

作为本发明的进一步优选，所述跟踪棱镜与所述抛物槽式聚光反射镜相互平行且东西方向长度一致。

还提供了一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热方法，具体步骤如下：

步骤一：将基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置布置在工作面的东西方向，所述基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置整体与水平面形成一定倾角并将所述跟踪棱镜的镜面朝向正南；

步骤二：明确当地实时太阳方位角、高度角，根据入射光线在棱镜内的传递规律，确定所述跟踪棱镜的预设跟踪旋转角；

步骤三：所述旋转跟踪驱动装置开启，所述步进电机驱动所述跟踪棱镜旋转，所述倾角传感器确知所述跟踪棱镜实际旋转角度；两者协同工作，确保所述跟踪棱镜旋转角度等于预设跟踪旋转角；

步骤四：所述复合抛物面反射镜将因镜面等因素导致的误差引发的散溢光线重新聚焦于所述真空集热管。

其中，作为方法核心的入射光线在棱镜内的传递规律为：

是光线入射方向的单位向量，

和

分别为跟踪棱镜上表面折射光线单位向量和反射光线单位向量，

是光线出射方向的单位向量，

是反射光线单位向量，n₁和n₂分别是空气折射率和棱镜折射率，

是跟踪棱镜下表面的指上法线单位向量，R为出射光线与入射光线能量的比值，

即涵盖了光线在经过棱镜后出射方向及能量衰减的光线出射向量。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明架构稳定紧凑，跟踪过程中仅跟踪棱镜运转，使得排间距小，单位占地面积集热效率高，本发明可广泛在建筑物屋顶和其他有限空间的城市环境中高效高参数收集太阳光；

2.本发明通过旋转跟踪驱动装置精密调控跟踪棱镜旋转角实现追日跟踪，无其余运动部件，因而增强架构稳定性，降低安装和维护要求，节约制作成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体装置三维结构示意图；

图2是本发明的侧视结构示意图；

图3是本发明太阳方位、棱镜布置、棱镜尺寸、棱镜旋转角与坐标系关联图；

图4是本发明模拟本装置于南京市春分上午11时聚光跟踪过程示意图；

图5是本发明在典型日准确跟踪下的棱镜旋转角度线状图；

图6a和图6b是本发明及现有槽式聚光器的排间布置的对比图；

图7a、图7b、图7c、图7d是本发明典型日下本装置与现有槽式聚光器的单位占地面积聚光效率对比图。

图中：1、跟踪棱镜；2、旋转跟踪驱动装置；3、步进电机；4、支撑钢架；5、真空集热管；6、复合抛物面反射镜；7、抛物槽式聚光反射镜；8、支撑底座。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

目前，现有的建筑集成聚光集热装置存在以下缺陷：

1、因建筑屋顶面积有限，槽式集热装置的镜场在追日跟踪中整体旋转，排间距较大，同时在运转中影响其余部件布置和运行，导致屋顶有限面积内太阳利用效率不高；

2、抛物槽式反射镜安装在巨大桁架上，追日跟踪时增加支架应力，降低支架稳定性；对传动和驱动装置的静载荷、冲击载荷大，影响聚光效果；

3、现有的架构组件装配精度要求高，加大安装成本和运维难度。

基于上述问题，为了满足建筑能耗需求、在建筑屋顶等有限空间内高效高参数收集太阳光来满足中温段热量利用需求，本申请提供了一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，其具有结构简单、架构稳定紧凑、单位占地面积聚光效率高等特点，可应用于建筑物屋顶和其他有限空间的城市环境中收集中温段热量。

实施例1

本实施例提供了一种优选实施方案，如图1和图2所示，一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，包括支撑底座8、支撑钢架4、跟踪棱镜1、旋转跟踪驱动装置2、抛物槽式聚光反射镜7和真空集热管5，其中：

所述支撑底座8沿东西方向布置于工作面，所述支撑底座8为本装置的基座，所述支撑底座8上安装有所述支撑钢架4，所述支撑钢架4给本装置整体提供支撑使得本装置结构紧凑。所述抛物槽式聚光反射镜7在所述支撑钢架4支撑下固定于所述支撑底座8上，所述真空集热管5设置于所述抛物槽式聚光反射镜7焦线位置并固定在所述支撑钢架4上；所述跟踪棱镜1安装于所述抛物槽式反射镜7上方并固定在所述支撑钢架4上；所述跟踪棱镜1一侧安装有用于驱动所述跟踪棱镜1轴向旋转始终跟踪太阳光线的所述旋转跟踪驱动装置2。

所述旋转跟踪驱动装置2由步进电机3和倾角传感器组成，所述旋转跟踪驱动装置2设置在一所述上支撑部端部，所述旋转跟踪驱动装置2中的所述步进电机3驱动所述跟踪棱镜1进行旋转，所述倾角传感器感应所述跟踪棱镜1旋转角度。本装置全天跟踪太阳的过程，是借助所述步进电机3和所述倾角传感器驱动所述跟踪棱镜1旋转角实现光线垂直出射至所述抛物槽式聚光反射镜7，达到聚光跟踪目的。

如图2所示，所述抛物槽式聚光反射镜7是截取全抛物面抛物槽式聚光反射镜的部分开口宽度形成的半抛物面抛物槽式聚光反射镜；所述真空集热管5设置于所述抛物槽式聚光反射镜7位置安装全抛物面抛物槽式聚光反射镜时的焦线位置，也就是，因本装置中所述抛物槽式聚光反射镜7为半抛物面抛物槽式聚光反射镜，所以所述抛物槽式聚光反射镜7的焦线与所述真空集热管5的中心线重合。所述抛物槽式聚光反射镜7为半抛物面抛物槽式聚光反射镜是为了防止所述抛物槽式聚光反射镜7聚光前所述真空集热管5遮挡入射光线。

所述跟踪棱镜1与所述抛物槽式聚光反射镜7相互平行且东西方向长度一致。对于不同时刻太阳光的入射，由所述旋转跟踪驱动装置2带动所述跟踪棱镜1进行追日跟踪，保持光线垂直出射至所述抛物槽式聚光反射镜7，进而线聚焦于所述真空集热管5上。

本装置通过借助所述跟踪棱镜1的旋转跟踪，实现不同时刻的太阳光垂直出射至所述抛物槽式聚光反射镜7，进而聚焦至所述真空集热管5，实现小间距、无遮挡条件下高参数集热。本装置的移动部件是所述跟踪棱镜1，改进了现有技术中装置整体追日跟踪的机械结构，对传动和驱动装置的载荷大幅降低，增强架构稳定性，降低安装和维护要求和制作成本。本装置实现动态太阳跟踪和静态聚光集热，整体架构稳定紧凑，聚光跟踪过程仅所述跟踪棱镜1进行旋转，从而减少排间距，实现单位占地面积的聚光效率提升。本装置为建筑物屋顶等有限空间内高效、高参数收集热能提供了技术方案。

实施例2

基于上述实施例1，还包括复合抛物面反射镜6，所述复合抛物面反射镜6贴附布置在所述真空集热管5上，且其开口方向与所述抛物槽式聚光反射镜7开口方向相对。所述真空集热管5的焦线与贴附布置的所述复合抛物面反射镜6的焦线共线组成二次聚光器，将镜面误差等因素导致的散溢光线重新聚焦于所述真空集热管5，提升本装置整体聚光集热效率。

实施例3

本实施例提供了一种优选实施方法，本方法涉及的各项参数为：

为入射光线单位向量，其由太阳高度角α、方位角γ决定；

和

分别为跟踪棱镜上表面折射光线单位向量和反射光线单位向量；

和

分别为跟踪棱镜下表面折射光线单位向量和反射光线单位向量；n₁和n₂分别是空气折射率和棱镜折射率；

是跟踪棱镜下表面的指上法线单位向量，由跟踪棱镜旋转角

和顶半角β决定；R为入射光线经棱镜穿透后的透射率；

为出射光线向量，表示出射光线的方向，其向量大小表示能量传递变化。

如图3至图7所示，一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热方法，具体步骤如下：

步骤一：将基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置布置在工作面的东西方向，所述基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置整体与水平面形成一定倾角并将所述跟踪棱镜1的镜面朝向正南；

步骤二：根据太阳方位角γ、太阳高度角α、入射光线在棱镜内的传递规律，确定所述跟踪棱镜1的预设跟踪旋转角；

步骤三：所述旋转跟踪驱动装置2开启，所述步进电机3驱动所述跟踪棱镜1旋转，所述倾角传感器确知所述跟踪棱镜1实际旋转角度；两者协同工作，确保所述跟踪棱镜1旋转角度等于预设跟踪旋转角，进而实现不同时刻太阳光垂直出射至所述抛物槽式聚光反射镜7，聚焦至所述真空集热管5；

步骤四：所述复合抛物面反射镜6将因镜面等因素导致的误差引发的散溢光线重新聚焦于所述真空集热管5。

基于上述步骤，不同时刻光线以单位入射向量穿过所述跟踪棱镜1时，需探明单位入射向量与穿透所述跟踪棱镜1后的出射向量及向量大小的跟踪规律关系式，如图3所示，在光线穿透所述跟踪棱镜1时所形成的特定切平面中，出射光线在所述跟踪棱镜1上下表面经过两次折射后的方向向量及大小如下：

为实现入射光线经所述跟踪棱镜1穿透后能垂直出射至所述抛物槽式聚光反射镜7，在确定所述跟踪棱镜1顶半角β和折射率n₂基础上，由太阳高度角α和方位角γ计算单位入射光线向量

根据推导的光线偏转计算公式计算出射光线向量

和向量大小，通过调节所述跟踪棱镜1旋转角判断是否能准确跟踪，当出射角δ接近0时，反向求出对应的旋转角

由所述倾角传感器感应、所述步进电机3驱动、所述跟踪棱镜1实时旋转至

大小即可实现太阳精准跟踪至所述抛物槽式聚光反射镜7上。

所述跟踪棱镜1可采用Schott N-BK7玻璃材质(当光谱波长为541.6nm时，折射率n₂＝1.5187)，棱镜顶半角β为5°，根据事先编写了程序的所述倾角传感器对所述步进电机3进行运动控制，使所述步进电机3控制所述跟踪棱镜1旋转，进行单轴追日跟踪，将不同时刻太阳光精准垂直出射至所述抛物槽式聚光反射镜7上，进而反射线聚焦至所述真空集热管5上，达到聚光跟踪的目的。

如图3所示，跟踪过程中，太阳光线入射向量为：

如图4所示，在南京市典型日(北纬32°，东经119°)春分的上午11时整点下(时钟时)太阳光线入射时，太阳高度角(α)为54.2°，太阳方位角(γ)为-31.5°，此时太阳光线入射向量为

基于计算结果当所述跟踪棱镜1旋转角为-49.3°(所述跟踪棱镜1的中心线与所述抛物槽式聚光反射镜7对应的全抛物面中的焦线正下方底面切线平行时为0°，顺时针旋转为负)时可实现入射光线经所述跟踪棱镜1偏转后垂直出射，进而反射线聚焦至所述真空集热管5上。

图5给出本发明装置结合所述支撑底座8倾角变化，在南京市典型日下白天9时至15时准确跟踪状态下的所述跟踪棱镜1跟踪旋转角度，其中注意的是在夏至附近天数，所述跟踪棱镜1下表面的出射光线的出射角在早上和晚上有6°左右偏差，这是因为夏至附近太阳方位角绝对值在早晚接近90°，此时光线经过所述跟踪棱镜1时几乎平行入射与出射，所述跟踪棱镜1不起偏转作用，针对于偏差光线可借助所述复合抛物面反射镜6将偏差光线反射至所述真空集热管5上。

在时间维度对本装置的光学效率、太阳入射角余弦值、排间遮挡系数、占地系数等运行特性参数进行计算，进而分析比较本装置和现有槽式聚光跟踪器在全年跟踪运行中的年平均单位占地面积聚光效率。目前在聚光聚热装置的使用中，若两排聚光器的间距过大能减小遮挡损失但也会增加镜场的占地面积从而增加了用地成本，减少单位占地面积集热量，若间距过小又会引起聚光器相互遮挡，引起遮挡损失。以LS-3型槽式集热器为参考对象，其开口宽度W₂为5.76m，焦距1.71m，根据相关技术人员对LS-3型槽式聚光集热器排间距的分析，发现当排间距L_2-space为10m时，其在典型日中9时至15时阶段内运行的遮挡损失影响小且排间距相对小。本发明所述抛物槽式聚光反射镜7的开口宽度W₁为1.8m，排间距L_1-space选择2m，采取东西布置南北跟踪方式。本装置与现有槽式聚光装置的排间布置示意图见图6。

经以上分析，通过计算发现在100m单位长度面积的布置中本装置的年平均占地面积聚光效率η_col为42.4％，较现有槽式聚光集热器的年平均占地面积聚光效率(33.2％)高近10个百分点，图7是两种装置在典型日下的单位占地面积聚光效率。在建筑屋顶等有限空间内通过布置基于旋转棱镜跟踪的聚光集热器较于传统槽式聚光集热器可有效提高单位占地面积聚光效率，进而获得更多集热量。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，其特征在于：包括支撑底座、支撑钢架、跟踪棱镜、旋转跟踪驱动装置、抛物槽式聚光反射镜和真空集热管，其中：

所述支撑底座沿东西方向布置于工作面，所述支撑底座上安装有所述支撑钢架；所述抛物槽式聚光反射镜在所述支撑钢架支撑下固定于所述支撑底座上；所述真空集热管设置于所述抛物槽式聚光反射镜焦线位置并固定在所述支撑钢架上；所述跟踪棱镜安装于所述抛物槽式反射镜上方并固定在所述支撑钢架上；所述跟踪棱镜一侧安装有用于驱动所述跟踪棱镜轴向旋转始终跟踪太阳光线的所述旋转跟踪驱动装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，其特征在于：所述抛物槽式聚光反射镜是截取全抛物面槽式聚光反射镜的部分开口宽度形成的半抛物面槽式聚光反射镜。

3.根据权利要求2所述的一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，其特征在于：还包括复合抛物面反射镜，所述复合抛物面反射镜贴附布置在所述真空集热管上，且其开口方向与所述抛物槽式聚光反射镜开口方向相对。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，其特征在于：所述旋转跟踪驱动装置包括步进电机和倾角传感器，所述步进电机用于驱动所述跟踪棱镜，所述倾角传感器用于感应所述跟踪棱镜旋转角度。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置，其特征在于：所述跟踪棱镜与所述抛物槽式聚光反射镜相互平行且东西方向长度一致。

6.一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：将基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置布置在工作面的东西方向，所述基于旋转棱镜跟踪的聚光集热装置整体与水平面形成一定倾角并将所述跟踪棱镜的镜面朝向正南；

步骤二：明确当地实时太阳方位角γ、高度角α，根据入射光线在棱镜内的传递规律，确定所述跟踪棱镜的预设跟踪旋转角；

步骤三：所述旋转跟踪驱动装置开启，所述步进电机驱动所述跟踪棱镜旋转，所述倾角传感器确知所述跟踪棱镜实际旋转角度；两者协同工作，确保所述跟踪棱镜旋转角度等于预设跟踪旋转角；

步骤四：所述复合抛物面反射镜将因镜面等因素导致的误差引发的散溢光线重新聚焦于所述真空集热管。

7.根据权利要求6所述的一种基于旋转棱镜跟踪的聚光集热方法，其特征在于：所述入射光线在棱镜内的传递规律为：

其中，

是光线入射方向的单位向量，

和

分别为跟踪棱镜上表面折射光线单位向量和反射光线单位向量，

是光线出射方向的单位向量，

是反射光线单位向量，n₁和n₂分别是空气折射率和棱镜折射率，

是跟踪棱镜下表面的指上法线单位向量，R为出射光线与入射光线能量的比值，

即涵盖了光线在经过棱镜后出射方向及能量衰减的光线出射向量。

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