CN114050777B - 一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统 - Google Patents

一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，该系统主要包括蓄电装置及智能控制系统、旋转电机、限位装置、聚光光伏板、CPC抛物面聚光器、内齿环套、点光源法兰件和液压拉伸杆等，旨在为像我国西部偏远且太阳能资源丰富区域提供一种无需外网供电的串并联限位跟踪系统。跟踪系统能够实现聚光菲涅尔透镜全方位的太阳能跟踪，结合天文算法的方位计算与实际光敏探头进行双重检测，更加提升了跟踪精度。东西向齿轮啮合传动及南北向液压拉杆的设计能够简化传统在旋转装置处的复杂结构，并且加强装置整体的协调性。本发明整体具有智能化控制，操作简单，方便等优点。

Description

一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统
技术领域
本发明属于新能源制备领域，具体涉及一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统。
背景技术
对于利用太阳能作为驱动力的耦合多物理场制取氢气的规模化应用工程，最大化地提高太阳能的利用效率最有十分重要的价值。针对太阳能辐射不均匀、能流密度低、间歇不稳定性等客观特征，通过廉价的聚光工程，比如采用菲涅尔线性聚光镜等对太阳光线进行捕捉汇聚，能够显著地增大反应器单位受光面积的光子数。无论是对太阳能光催化、光热耦合以及光伏发电继而电解水制氢等单一过程，都能提高太阳能到氢能的转化效率。除此之外，合理可靠的太阳能跟踪装置的设计也能够有效地提升太阳能的利用效率，特别是对于在一天中太阳日出日落方位变化明显或者间歇性云层较多的阴天，太阳能跟踪系统的设计能够实时追踪到太阳能的最佳辐射方位，能够保证反应装置的有效光子输入时间。
对于现有的太阳能跟踪系统，大多数是基于光伏发电利用，比较常见的是固定板式结构，或者是基于主承重杆的一维南北转动，亦或是采用针对转动轴双向集成的二维跟踪系统。但是，针对聚光太阳能光、热、电等多物理场耦合的室外制氢装置的二维跟踪系统迄今为止还没有报道，特别是能够调节对聚光菲涅尔透镜的方位跟踪，因此非常有必要研究相关跟踪装置结构设计及并结合其具体工作环境进行优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，利用此装置能够实现在晴雨天及阴天条件下基于天文算法的跟踪设计与普通光感反馈跟踪系统结合的精准二维跟踪功能，并且此装置无需任何其他外网电能供应，仅依靠系统自带的聚光光伏及附属光伏板的电能即可实现所有串并联跟踪限位装置的能量消耗。
本发明采用如下技术方案来实现：
一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，包括依次连接的光伏阵列、电能中转站，以及多个串并联的单模块装置，其中，单模块装置主体由装置跟踪部分及聚光多物理场耦合制氢部分构成；
装置跟踪部分的电能供给由单模块装置中的聚光光伏板以及附属光伏板提供；聚光光伏板以及附属光伏板的下游端设置有蓄电装置及智能控制系统；装置跟踪部分的底座上方设置有东西向旋转部件，东西向旋转部件包括旋转电机及带齿轮的承重轴，两者之间通过相同啮合角大小的齿轮进行啮合传动，旋转电机与蓄电装置及智能控制系统连接，东西向旋转部件的正上方设置有聚光多物理场耦合制氢部分；
聚光多物理场耦合制氢部分包括在底部上设置的支撑框架，在支撑框架的后上方，设置有两根承重梁，承重梁的中间部位下方设置有带齿轮的承重轴；支撑框架左右两侧设置对称的U型支架，用来连接固定南北向旋转轴；U型支架上设置有两侧对称的内齿环套，内部通过齿轮啮合装配南北向旋转轴；聚光多物理场耦合制氢部分的承重在南北向旋转轴上，南北向旋转轴的中间部分设置有点光源法兰件，用于吸收透过点光源菲涅尔透镜汇聚的大量的太阳能入射光线；点光源法兰件后侧设置有聚光光伏板，聚光光伏板的上下侧设置有CPC抛物面聚光器；聚光多物理场耦合制氢部分的仰角通过设置在底座两侧的液压拉伸杆的伸缩长度进行控制。
本发明进一步的改进在于，在东西向旋转部件的正后方设置有东西向限位装置，东西向限位装置的顶端设置有两个反向的限位开关。
本发明进一步的改进在于，两根承重梁呈“工”字型设置。
本发明进一步的改进在于，紧挨着CPC抛物面聚光器并与聚光光伏板处于平行平面的为平面“锁光”结构，能够将CPC抛物面聚光器反射后的光线进行进一步反射利用。
本发明进一步的改进在于，点光源法兰件前侧设置有立方体框架结构，用来固定点光源菲涅尔透镜。
本发明进一步的改进在于，在U型支架后方设置有南北向限位装置，聚光多物理场耦合制氢部分运动到一定的仰角后并接触到南北向限位装置时，能够及时停止聚光多物理场耦合制氢部分的运动，保证装置整体安全。
本发明进一步的改进在于，对于单模块装置的装置跟踪部分的信号反馈包括两部分，一部分是基于天文算法的反馈系统，该方法根据装置放置地的地理位置信息及时计算出当前太阳能的入射方位并反馈给控制器，控制器与旋转电机相连接并且通过传输数字信号控制旋转电机的旋转角度和方位；在装置顶端还设计有陀螺仪感知跟踪平台的方位，通过角度比对调节液压拉伸杆的伸缩长度来校正聚光多物理场耦合制氢部分姿态跟踪；另一部分是安装在立方体框架结构顶端的光敏传感器，能够在晴天情况下精准跟踪太阳能的最佳入射能流方位。
本发明进一步的改进在于，控制器内能够输入的信号有：由天文算法计算出的控制方位信号、由光敏传感器输入的信号、陀螺仪感知仪输入的信号、东西向限位装置的反馈信号、南北向限位装置的反馈信号以及电源输入是否正常的检测信号；输出的信号有：给旋转电机的转动信号、给液压拉伸杆的拉伸信号和装置方位角信号。
本发明进一步的改进在于，控制器放置在支撑框架后侧的“工”字型的承重梁上。
相比于现有技术，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、本发明能够提供一种无需外网电能输入的串并联规模化跟踪装置，能够在偏远空旷地区实现太阳能聚光多物理场耦合制氢过程。
2、在制氢系统主体下方的跟踪系统能够实现菲涅尔透镜全方位的太阳能跟踪，结合天文算法的方位计算与实际光敏探头进行双重检测，更加提升了跟踪精度。
3、在跟踪条件下自动化控制过程中的各种反馈信号及输出命令都在控制器中实现了智能化控制，操作简单，方便。
4、点光源法兰件、聚光光伏板、CPC聚光器及“锁光”结构设计能够实现对太阳能的梯级多次重复利用，提升了太阳能从输入到能量转化后的整体能量利用效率。
5、底部东西向齿轮啮合传动及南北向液压拉杆的设计能够适当简化在旋转装置处的集成度，并且加强装置整体的协调性。简化实际操作及后期检修过程，实用性高。
6、中间储电装置及智能控制系统能够选择性地调节光伏产电、蓄电装置、旋转电机及电解池制氢等用电部分的整体平衡，优化电能供需结构，提高利用过程中有效能的占比。
综上，本发明申请提出了一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，特别适用于幅员辽阔，太阳能辐照资源充足且无其他电网供能的规模化附带跟踪系统的制氢工程。发明中采用聚光光伏发电及系统附属光伏板发电连接蓄电装置并直接为聚光太阳能实时限位跟踪装置提供能耗，实现了仅依靠室外太阳能就能实现跟踪系统自持转动的大面积分布式串并联体系的功能方式。此外，本发明采用基于天文算法的一步跟踪设计与普通光感反馈跟踪系统相结合，结合各自场景优势，能够实现在阴雨天与晴天交替状态下的精准跟踪。发明装置简单，快捷，智能化程度高。
附图说明
图1、图2分别为本发明的单模块装置的前侧视和后侧视结构示意图；
图3为供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统的总体示意图。
图中：1为附属光伏板，2为蓄电装置及智能控制系统，3为底座，4为旋转电机，5为U型支架，6为南北向限位装置，7为带齿轮的承重轴，8为聚光光伏板，9为CPC抛物面聚光器，10为南北向旋转轴，11为内齿环套，12为点光源法兰件，13为液压拉伸杆，14为点光源菲涅尔透镜，15为支撑框架，16为控制器，17为东西向限位装置，18为光伏阵列，19为电能中转站，20为单模块装置。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，本发明提供的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，包括光伏阵列18、电能中转站19，以及多个串并联的单模块装置20，其中，单模块装置20主体由装置跟踪部分及聚光多物理场耦合制氢部分构成。
装置跟踪部分的电能供给由单模块装置20中的聚光光伏板8以及附属光伏板1提供；聚光光伏板8以及附属光伏板1的下游端设置有蓄电装置及智能控制系统2；装置跟踪部分的底座3上方设置有东西向旋转部件，东西向旋转部件主要由旋转电机4及带齿轮的承重轴7组成，两者之间通过相同啮合角大小的齿轮进行啮合传动。旋转电机4与蓄电装置及智能控制系统2连接。在东西向旋转部件的正后方设置有东西向限位装置17，东西向限位装置17的顶端设置有两个反向的限位开关。东西向旋转部件的正上方设置有聚光多物理场耦合制氢部分，聚光多物理场耦合制氢部分包括在底部设置的支撑框架15，材质为不锈钢加厚材料；在支撑框架15的后上方，设置有“工”字型的两根承重梁，承重梁的中间部位下方设置有带齿轮的承重轴7；支撑框架15左右两侧设置对称的U型支架5，用来连接固定南北向旋转轴10；U型支架5上设置有两侧对称的内齿环套11，内部可通过齿轮啮合装配南北向旋转轴10，大大降低旋转阻力和能耗；聚光多物理场耦合制氢部分的承重主要在南北向旋转轴10上，旋转轴的中间部分设置有点光源法兰件12，可用于吸收透过点光源菲涅尔透镜14汇聚的大量的太阳能入射光线；点光源法兰件12后侧设置有聚光光伏板8，聚光光伏板8的上下侧设置有CPC抛物面聚光器9，紧挨着CPC抛物面聚光器9并与聚光光伏板8处于平行平面的为平面“锁光”结构，能够将CPC抛物面聚光器9反射后的光线进行进一步反射利用；点光源法兰件12前侧设置有立方体框架结构，主要用来固定点光源菲涅尔透镜14；聚光多物理场耦合制氢部分的仰角通过设置在底座3两侧的液压拉伸杆13的伸缩长度进行控制。在U型支架5后方设置有南北向限位装置6，聚光多物理场耦合制氢部分运动到一定的仰角后并接触到南北向限位装置6时，能够及时停止聚光多物理场耦合制氢部分的运动，保证装置整体安全。
对于聚光太阳能多物理场耦合规模化制氢反应工程的跟踪系统，主要是通过多个单模块装置20的跟踪系统进行串并联连接而成，对于单模块装置20而言，采用系统本身的聚光光伏板8与附属的附属光伏板1产生的电能直接传输给蓄电装置及智能控制系统2、旋转电机4、液压拉伸杆13、电解池制氢装置，其可根据实际光伏产电量来智能切换电能的输出与储存量，电能的供给直接采用直流电的供应模式，且无需外部电网能量输入，能够实现整个分布式追踪系统的能量自持。紧接着，电能输送给旋转电机4，通过齿轮的传动聚光多物理场耦合制氢部分进行东西向旋转。在旋转装置的正后方设置有东西向限位装置17，限位装置上由两个反向的限位开关组成。在U型支架5后方设置有南北向限位装置6，当跟踪装置达到一定的仰角后并接触到南北向限位装置6时，能够及时停止跟踪，保证装置安全。
跟踪系统的设计主要包括两个协同步骤，一是基于天文算法的反馈系统，此方法能够根据装置放置地的地理位置信息及时计算出当前太阳能的入射方位并反馈给控制器16，控制器与旋转电机4相连接并且可通过传输数字信号控制旋转角度和方位。此外，在单模块装置顶端还设计有陀螺仪感知跟踪平台的方位，通过角度比对进行装置的姿态跟踪；二是安装在装置顶端的光敏传感器，能够在晴天情况下精准跟踪太阳能的最佳入射方位。换而言之，无论在晴天或者阴天，此装置都能跟踪太阳的直射方位。控制器16的输出信号主要通过旋转电机4和液压拉伸杆13同步调节。
控制器16内能够输入的信号有：由天文算法计算出的控制方位信号、由光敏传感器输入的信号、陀螺仪感知仪输入的信号、东西向限位装置17的反馈信号、南北向限位装置6的反馈信号以及电源输入是否正常的检测信号；输出的信号主要有：给旋转电机4的转动信号、给液压拉伸杆13的拉伸信号和装置方位角信号；各种信号之间的动态传输及有机关联能够保证装置精准的跟踪过程。控制器16放置在支撑框架15后侧的“工”字型的承重梁上。
在完成精准的跟踪过程后，太阳能经过点光源菲涅尔透镜14的聚光过程后汇聚至点光源法兰件12处完成光热制氢过程，而后，透过的近红外光线进一步辐射至聚光光伏板8表面并转化为电能，此外，独特的CPC抛物面聚光器9及“锁光”结构的设计能够大大增加太阳能的重复利用效率。
聚光多物理场耦合制氢部分的主要反应过程为基于光/热/电等聚光太阳能全光谱利用的多物理场耦合制氢反应，南北向旋转轴10为中空结构，内部可以输运光催化或者光热催化反应悬浮液，光伏产生的电能供给电解池进行电解水制氢，这样就形成了光、热、电等多物理场耦合的制氢过程，且能够充分利用输入的太阳能资源。
这种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统的规模化应用应当选择在我国地广人稀的西部地区，并且太阳能资源较为丰富且无直接电网供给的场所。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，包括依次连接的光伏阵列（18）、电能中转站（19），以及多个串并联的单模块装置（20），其中，单模块装置（20）主体由装置跟踪部分及聚光多物理场耦合制氢部分构成；
装置跟踪部分的电能供给由单模块装置（20）中的聚光光伏板（8）以及附属光伏板（1）提供；聚光光伏板（8）以及附属光伏板（1）的下游端设置有蓄电装置及智能控制系统（2）；装置跟踪部分的底座（3）上方设置有东西向旋转部件，东西向旋转部件包括旋转电机（4）及带齿轮的承重轴（7），两者之间通过相同啮合角大小的齿轮进行啮合传动，旋转电机（4）与蓄电装置及智能控制系统（2）连接，东西向旋转部件的正上方设置有聚光多物理场耦合制氢部分；
聚光多物理场耦合制氢部分包括在底部（3）上设置的支撑框架（15），在支撑框架（15）的后上方，设置有两根承重梁，承重梁的中间部位下方设置有带齿轮的承重轴（7）；支撑框架（15）左右两侧设置对称的U型支架（5），用来连接固定南北向旋转轴（10）；U型支架（5）上设置有两侧对称的内齿环套（11），内部通过齿轮啮合装配南北向旋转轴（10）；聚光多物理场耦合制氢部分的承重在南北向旋转轴（10）上，南北向旋转轴（10）的中间部分设置有点光源法兰件（12），用于吸收透过点光源菲涅尔透镜（14）汇聚的大量的太阳能入射光线；点光源法兰件（12）后侧设置有聚光光伏板（8），聚光光伏板（8）的上下侧设置有CPC抛物面聚光器（9）；聚光多物理场耦合制氢部分的仰角通过设置在底座（3）两侧的液压拉伸杆（13）的伸缩长度进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，在东西向旋转部件的正后方设置有东西向限位装置（17），东西向限位装置（17）的顶端设置有两个反向的限位开关。
3.根据权利要求1所述的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，两根承重梁呈“工”字型设置。
4.根据权利要求1所述的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，紧挨着CPC抛物面聚光器（9）并与聚光光伏板（8）处于平行平面的为平面“锁光”结构，能够将CPC抛物面聚光器（9）反射后的光线进行进一步反射利用。
5.根据权利要求1所述的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，点光源法兰件（12）前侧设置有立方体框架结构，用来固定点光源菲涅尔透镜（14）。
6.根据权利要求1所述的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，在U型支架（5）后方设置有南北向限位装置（6），聚光多物理场耦合制氢部分运动到一定的仰角后并接触到南北向限位装置（6）时，能够及时停止聚光多物理场耦合制氢部分的运动，保证装置整体安全。
7.根据权利要求6所述的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，对于单模块装置（20）的装置跟踪部分的信号反馈包括两部分，一部分是基于天文算法的反馈系统，根据装置放置地的地理位置信息及时计算出当前太阳能的入射方位并反馈给控制器（16），控制器（16）与旋转电机（4）相连接并且通过传输数字信号控制旋转电机（4）的旋转角度和方位；在装置顶端还设计有陀螺仪感知跟踪平台的方位，通过角度比对调节液压拉伸杆（13）的伸缩长度来校正聚光多物理场耦合制氢部分姿态跟踪；另一部分是安装在立方体框架结构顶端的光敏传感器，能够在晴天情况下精准跟踪太阳能的最佳入射能流方位。
8.根据权利要求7所述的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，控制器（16）内能够输入的信号有：由天文算法计算出的控制方位信号、由光敏传感器输入的信号、陀螺仪感知仪输入的信号、东西向限位装置（17）的反馈信号、南北向限位装置（6）的反馈信号以及电源输入是否正常的检测信号；输出的信号有：给旋转电机（4）的转动信号、给液压拉伸杆（13）的拉伸信号和装置方位角信号。
9.根据权利要求7所述的一种供能自持的串并联直接太阳能聚光制氢限位跟踪系统，其特征在于，控制器（16）放置在支撑框架（15）后侧的“工”字型的承重梁上。
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