CN116659099A - 一种双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统 - Google Patents
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Abstract
一种双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，包括汇聚太阳光的聚光器、吸收光能的腔体接收器、依次同轴串接于腔体接收器透光端的光楔装置B和光楔装置A、实现光楔装置A沿腔体接收器轴向往复滑动的驱动装置、采集腔体接收器内温度信号的温度采集仪、用于冷却光楔装置B和光楔装置A的冷却系统、以及控制各装置工作的控制器等。本发明通过腔体接收器前端能相对旋转且间距可调的双光楔装置，实现聚光器聚集太阳光线绕接收器轴线周向任意调节，能有效解决因跟踪误差或承载变形导致的局部高峰值能流问题；通过两个光楔装置的相对动态旋转和光楔装置A的往复运动，可实现腔体接收器内吸热盘管能流分布的动态均匀化，保障安全高效服役。
Description
技术领域
本发明属于太阳能聚光热发电新能源利用领域，尤其是涉及一种双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统。
背景技术
太阳能是清洁环保和分布广泛的可再生能源，开发利用太阳能资源是我国实现能源结构升级并助力“碳达峰、碳中和”目标的重要途径之一。由抛物碟式聚光器、斯特林热机和发电机组构成的碟式/斯特林太阳能热发电系统是一种重要技术途径，它是通过单块或多块子镜面组成的旋转抛物聚光器将太阳光聚集到腔体接收器上，并加热接收器内部工质进而驱动斯特林热机-发电机组进行发电。具有太阳光能-电能转换效率高(最高纪录是31.25%)，布置灵活和模块化程度高等优点，既可作为分布式系统进行单独供电，特别适合偏远山区以及边防地区的独立供电，一般功率为10~50 kW，也可以将成百上千台系统集成为大型太阳能热发电站，被认为是一种最具广阔应用前景的高品位太阳能热发电系统。
与斯特林热机四缸活塞连接并提供热源的腔体接收器是实现光-热转换的核心部件，服役时承受高密度非均匀热流的复杂作用，其服役安全性和可靠性尤为突出。由于碟式聚光系统服役运行时承受自重/风载荷等外界载荷影响而产生结构变形，以及双轴跟踪装置运行过程中累积传动误差等导致聚光器产生视日跟踪误差，这些误差综合导致腔体接收器内部表面吸收的能流密度分布发生改变。有些位置会形成明显的高温热斑，而且腔体接收器周向的能量分布不均匀会对四缸斯特林热机的服役运行产生不均匀驱动力，容易导致热-功转换效率降低和斯特林热机运行的不平衡振动问题，且腔体接收器表面局部高能流峰值区域的温度会非常高，可能会导致烧穿接收器中金属管壁等安全事故。另外一方面，斯特林热机和发电机组整体非常笨重，通常是通过螺栓固定在碟式聚光系统的支撑桁架上并位于其焦点附近，服役时要做到其位姿实时调节来避免产生高温热斑和周向能量非均匀分布则尤为困难且消耗电能。因此，需要发明一种能够适应碟式/斯特林太阳能发电系统服役光学误差影响的能量分布改善装置尤为重要，能够有效提升其服役安全高效性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，通过在腔体接收器前端安装可相对旋转和间距调节的双光楔装置，实现太阳光传输轨迹的调节，从而改善腔体接收器内聚焦能量分布，保障其安全高效服役，它具有结构简单、改善效果优异且低功耗的显著优点。
一种双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，包括用于汇聚太阳光能的抛物碟式聚光器、吸收汇聚的太阳光能并实现光-热转换且左端透太阳光的轴对称形腔体接收器、同轴位于腔体接收器透光端的光楔装置B、同轴位于光楔装置B左侧的光楔装置A、实现光楔装置A沿腔体接收器轴向来回滑动的驱动装置、采集腔体接收器内若干热电偶输出信号的温度采集仪、对光楔装置B和光楔装置A进行冷却的冷却系统、用于固定光楔装置B和腔体接收器并支撑光楔装置A进行滑动的机架、以及接收与处理温度采集仪信号并控制冷却系统、驱动装置、光楔装置B和光楔装置A工作运行的控制器；
所述的光楔装置B包括与机架固定连接的带圆柱阶梯孔的固定座、外圈同轴固定于固定座的圆柱孔内并左端阶梯定位的轴承B、与轴承B的内圈同轴配合并定位且带阶梯圆柱通孔的旋转筒B、同轴安装于旋转筒B的圆柱孔内并端面与旋转筒B的阶梯面紧贴匹配的光楔B、通过螺栓同轴固定于旋转筒B的左端面且其右侧设有凸台紧贴光楔B左端面的中空形压紧环B、同轴固定于旋转筒B外周面的大锥齿轮B、与电机B输出轴固定并驱动大锥齿轮B旋转的小锥齿轮B；该电机B的机壳与固定座进行固定连接；
所述的光楔装置A包括带圆柱阶梯孔的滑动座、外圈同轴固定于滑动座的圆柱孔内并左端面定位的轴承A、与轴承A的内圈同轴配合并定位且带阶梯圆柱通孔的旋转筒A、同轴安装于旋转筒A的圆柱孔内并右端面紧贴旋转筒A阶梯面的光楔A、通过螺栓同轴固定于旋转筒A的左端面且其右侧设有凸台紧贴光楔A左端面的中空形压紧环A、同轴固定于旋转筒A外周面的大锥齿轮A、与电机A输出轴固定并驱动大锥齿轮A旋转的小锥齿轮A、与压紧环A同轴固定且用于再次聚集太阳光至光楔A上的二次聚光装置；所述的滑动座的下外周面设置有带导向圆柱孔的3个导向凸台，各导向凸台的圆柱孔的轴线均与滑动座的圆柱阶梯孔轴线平行，机架上设有三根导杆分别与滑动座的3个导向圆柱孔滑动配合，且中间的导向凸台底部设有与导杆方向垂直的圆柱孔的铰耳；该电机A的机壳与滑动座进行固定连接；
所述的驱动装置包括一端与滑动座底部铰耳的圆柱孔进行铰接的连杆、与连杆另一端铰接的曲柄、驱动曲柄转动且固定在机架上的电机Ⅱ，从而构成曲柄滑块机构实现光楔装置A在机架的三根导杆上来回滑动。
上述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统中，所述的腔体接收器包括一个轴对称且仅左端全开口的保温腔体、沿保温腔体内侧壁面同轴盘绕的吸收太阳光能且内部通有换热介质的吸热盘管、沿保温腔体的轴向和周向均匀紧贴在吸热盘管表面的若干热电偶、固定并封闭保温腔体左端全开口的高透光率的石英平板；所述的光楔装置B中固定座的右端面紧贴于腔体接收器的石英平板；
上述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统中，所述光楔B和光楔A均为采用高透光率材料制造且前后两端面存在倾斜夹角的透镜，且该两个表面均涂覆有对太阳光增透减反的耐高温膜系。
上述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统中，所述的光楔B和光楔A中前端面均与旋转筒B的轴线垂直，且它们的前端面均面向聚光器。
上述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统中，所述的保温腔体为一个圆柱形、圆锥形或半球形结构，且吸热盘管盘绕后形成的几何形状与保温腔体一致；吸热盘管表面涂覆有对太阳光高吸收的耐高温涂层。
上述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统中，所述的二次聚光装置的内反射表面为汇聚光能的圆锥面或复合抛物CPC曲面。
上述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统中，所述的冷却系统采用空气为冷却介质，并通过若干导管将冷空气喷射于光楔装置A和光楔装置B中的轴承A、轴承B、光楔A和光楔B表面，实现对此些关键零部件的冷却。
上述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统中，所述的电机B和电机B均带有测量其旋转角度的高精度编码器，并将电机旋转角度实时反馈给控制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过在腔体接收器前端安装能相对旋转且间距可调的双光楔装置，实现聚光器聚集太阳光传输轨迹的再次调节，从而改善腔体接收器内聚焦能流分布，保障其安全高效服役，它具有结构简单、改善效果优异且低功耗的显著优点；光楔装置A和光楔装置B均带有独立的驱动旋转其光楔的电机，通过控制两者的相对旋转角度可实现太阳光线绕接收器轴线的任意方位调节，有效解决因跟踪误差或承载变形导致的腔体接收器内能流分布局部高峰值的问题；通过两个光楔装置的相对动态旋转和光楔装置A的来回运行，可以实现腔体接收器中吸热盘管表面能流分布的动态均匀化，能有效提升碟式聚光系统对服役光学误差的容忍度，实现其安全高效服役保障。
附图说明
图1为本发明中双光楔动态旋转调光装置和腔体接收器的结构示意图。
图2为图1中光楔装置A和光楔装置B的结构示意图。
图3为本发明的光楔装置A中滑动座的结构示意图。
图中：1-光楔装置A；101-二次聚光装置；102-压紧环A；103-大锥齿轮A；104-小锥齿轮A；105-电机A；106-光楔A；107-旋转筒A；108-轴承A；109-滑动座；1091-导向凸台、1092-铰耳；2-机架；201-导杆；3-光楔装置B；301-电机B；302-小锥齿轮B；303-大锥齿轮B；304-固定座；305-轴承B；306-旋转筒B；307-光楔B；308-压紧环B；4-腔体接收器；401-石英平板；402-吸热盘管；403热电偶；404-保温腔体；5-温度采集仪；6-控制器；7-冷却系统；8-驱动装置；801-连杆；802-曲柄；803-电机Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图为例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-图3所示，一种双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，包括用于汇聚太阳光能的抛物碟式聚光器、吸收汇聚的太阳光能并实现光-热转换且左端透太阳光的轴对称形腔体接收器4、同轴位于腔体接收器4的左端透光端的光楔装置B 3、同轴位于光楔装置B 3左侧的光楔装置A 1、实现光楔装置A 1沿腔体接收器4轴向来回滑动的驱动装置8、对光楔装置B 3和光楔装置A 1进行冷却的冷却系统7、用于固定光楔装置B 3和腔体接收器4并支撑光楔装置A 1进行滑动的机架2、采集腔体接收器4内若干热电偶403输出信号的温度采集仪5、以及接收与处理温度采集仪5信号并控制冷却系统7、驱动装置8、光楔装置B3和光楔装置A 1工作运行的控制器；
所述的光楔装置B 3包括与机架2固定连接的带圆柱阶梯孔的固定座304、外圈同轴固定于固定座304的圆柱孔内并左端阶梯定位的轴承B 305、与轴承B 305的内圈同轴配合并定位且带阶梯圆柱通孔的旋转筒B 306、同轴安装于旋转筒B 306的圆柱孔内并端面与旋转筒B 306的阶梯面紧贴匹配的光楔B 307、通过螺栓同轴固定于旋转筒B 306的左端面且其右侧设有凸台紧贴光楔B 307左端面的中空形压紧环B 308、同轴固定于旋转筒B 306外周面的大锥齿轮B 303、与电机B 301输出轴固定并驱动大锥齿轮B 303旋转的小锥齿轮B302；该电机B 301的机壳与固定座304进行固定连接，电动机B 301的输出轴垂直于旋转筒B306的轴线；
所述的光楔装置A 1包括带圆柱阶梯孔的滑动座109、外圈同轴固定于滑动座109的圆柱孔内并左端面定位的轴承A 108、与轴承A 108的内圈同轴配合并定位且带阶梯圆柱通孔的旋转筒A 107、同轴安装于旋转筒A 107的圆柱孔内并右端面紧贴旋转筒A 107阶梯面的光楔A 106、通过螺栓同轴固定于旋转筒A 107的左端面且其右侧设有凸台紧贴光楔A107左端面的中空形压紧环A 102、同轴固定于旋转筒A 107外周面的大锥齿轮A 103、与电机A 105输出轴固定并驱动大锥齿轮A 103旋转的小锥齿轮A 104、与压紧环A 102同轴固定且用于再次聚集太阳光至光楔A 106上的二次聚光装置101；所述的滑动座109的下外周面设置有带导向圆柱孔的3个导向凸台1091，各导向凸台1091的圆柱孔的轴线均与滑动座109的圆柱阶梯孔轴线平行，机架2上设有三根导杆201分别与滑动座109的3个导向圆柱孔滑动配合，且中间的导向凸台底部设有与导杆方向垂直的圆柱孔的铰耳；该电机A 105的机壳与滑动座109进行固定连接；电动机A 105的输出轴垂直于滑动座109的轴线；
所述的驱动装置8包括一端与滑动座109底部铰耳的圆柱孔进行铰接的连杆801、与连杆801另一端铰接的曲柄802、驱动曲柄802转动且固定在机架2上的电机Ⅱ 803，从而构成曲柄滑块机构实现光楔装置A 1在机架2的三根导杆201上来回滑动；
如图1所示，所述的冷却系统7采用空气为冷却介质，并通过若干导管将冷空气喷射于光楔装置A 1和光楔装置B 3中的轴承A 108、轴承B 305、光楔A 106和光楔B 307表面，实现对此些关键零部件的冷却；
所述光楔B 307和光楔A 106均为采用高透光率材料制造且前后两端面存在倾斜夹角的透镜，且该两个表面均涂覆有对太阳光增透减反的耐高温膜系。优选地，光楔B 307和光楔A 106中前端面均与旋转筒B 306的轴线垂直，且它们的前端面均面向聚光器。
如图1所示，所述的腔体接收器4包括一个轴对称且仅左端全开口的保温腔体404、沿保温腔体404内侧壁面同轴盘绕的吸收太阳光能且内部通有换热介质的吸热盘管402、沿保温腔体404的轴向和周向均匀紧贴在吸热盘管402表面的若干热电偶、固定并封闭保温腔体404左端全开口的高透光率的石英平板401；所述的光楔装置B 3中固定座304的右端面紧贴于腔体接收器4的石英平板401。
优选地，所述的保温腔体404为一个圆柱形、圆锥形或半球形结构，且吸热盘管402盘绕后形成的几何形状与保温腔体404一致；吸热盘管402表面涂覆有对太阳光高吸收的耐高温涂层。
优选地，所述的二次聚光装置101的内反射表面为汇聚光能的圆锥面或复合抛物CPC曲面，且大开口的一端朝向聚光器。
优选地，所述的电机B和电机B均带有测量其旋转角度的高精度编码器，并将电机旋转角度实时反馈给控制器。
本发明通过在腔体接收器4前端安装能相对旋转且间距可调的双光楔装置（包括光楔装置A 1和光楔装置B 3），实现聚光器聚集太阳光传输轨迹的再次调节，从而改善腔体接收器4内聚焦能流分布，保障其安全高效服役，它具有结构简单、改善效果优异且低功耗的显著优点；光楔装置A 1和光楔装置B 3均带有独立的驱动旋转其光楔的电机，通过控制两者的相对旋转角度可实现太阳光线绕接收器轴线的任意方位调节，有效解决因跟踪误差或承载变形导致的腔体接收器内能流分布局部高峰值的问题；通过两个光楔装置的相对动态旋转和光楔装置A的来回运行，可以实现腔体接收器中吸热盘管表面能流分布的动态均匀化，能有效提升碟式聚光系统对服役光学误差的容忍度，实现其安全高效服役保障。
Claims (8)
1.一种双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，其特征在于：包括用于汇聚太阳光能的抛物碟式聚光器、吸收汇聚的太阳光能并实现光-热转换且左端透太阳光的轴对称形腔体接收器、同轴位于腔体接收器透光端的光楔装置B、同轴位于光楔装置B左侧的光楔装置A、实现光楔装置A沿腔体接收器轴向来回滑动的驱动装置、采集腔体接收器内若干热电偶输出信号的温度采集仪、对光楔装置B和光楔装置A进行冷却的冷却系统、用于固定光楔装置B和腔体接收器并支撑光楔装置A进行滑动的机架、以及接收与处理温度采集仪信号并控制冷却系统、驱动装置、光楔装置B和光楔装置A工作运行的控制器；
所述的光楔装置B包括与机架固定连接的带圆柱阶梯孔的固定座、外圈同轴固定于固定座的圆柱孔内并左端阶梯定位的轴承B、与轴承B的内圈同轴配合并定位且带阶梯圆柱通孔的旋转筒B、同轴安装于旋转筒B的圆柱孔内并端面与旋转筒B的阶梯面紧贴匹配的光楔B、通过螺栓同轴固定于旋转筒B的左端面且其右侧设有凸台紧贴光楔B左端面的中空形压紧环B、同轴固定于旋转筒B外周面的大锥齿轮B、与电机B输出轴固定并驱动大锥齿轮B旋转的小锥齿轮B；该电机B的机壳与固定座进行固定连接；
所述的光楔装置A包括带圆柱阶梯孔的滑动座、外圈同轴固定于滑动座的圆柱孔内并左端面定位的轴承A、与轴承A的内圈同轴配合并定位且带阶梯圆柱通孔的旋转筒A、同轴安装于旋转筒A的圆柱孔内并右端面紧贴旋转筒A阶梯面的光楔A、通过螺栓同轴固定于旋转筒A的左端面且其右侧设有凸台紧贴光楔A左端面的中空形压紧环A、同轴固定于旋转筒A外周面的大锥齿轮A、与电机A输出轴固定并驱动大锥齿轮A旋转的小锥齿轮A、与压紧环A同轴固定且用于再次聚集太阳光至光楔A上的二次聚光装置；所述的滑动座的下外周面设置有带导向圆柱孔的3个导向凸台，各导向凸台的圆柱孔的轴线均与滑动座的圆柱阶梯孔轴线平行，机架上设有三根导杆分别与滑动座的3个导向圆柱孔滑动配合，且中间的导向凸台底部设有与导杆方向垂直的圆柱孔的铰耳；该电机A的机壳与滑动座进行固定连接；
所述的驱动装置包括一端与滑动座底部铰耳的圆柱孔进行铰接的连杆、与连杆另一端铰接的曲柄、驱动曲柄转动且固定在机架上的电机Ⅱ，从而构成曲柄滑块机构实现光楔装置A在机架的三根导杆上来回滑动。
2.根据权利要求1所述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，其特征在于：所述的腔体接收器包括一个轴对称且仅左端全开口的保温腔体、沿保温腔体内侧壁面同轴盘绕的吸收太阳光能且内部通有换热介质的吸热盘管、沿保温腔体的轴向和周向均匀紧贴在吸热盘管表面的若干热电偶、固定并封闭保温腔体左端全开口的高透光率的石英平板；所述的光楔装置B中固定座的右端面紧贴于腔体接收器的石英平板。
3.根据权利要求1所述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，其特征在于：所述光楔B和光楔A均为采用高透光率材料制造且前后两端面存在倾斜夹角的透镜，且该两个表面均涂覆有对太阳光增透减反的耐高温膜系。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，其特征在于：所述的光楔B和光楔A中前端面均与旋转筒B的轴线垂直，且它们的前端面均面向聚光器。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，其特征在于：所述的保温腔体为一个圆柱形、圆锥形或半球形结构，且吸热盘管盘绕后形成的几何形状与保温腔体一致；吸热盘管表面涂覆有对太阳光高吸收的耐高温涂层。
6.根据权利要求1所述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，其特征在于：所述的二次聚光装置的内反射表面为汇聚光能的圆锥面或复合抛物CPC曲面。
7.根据权利要求1所述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，其特征在于：所述的冷却系统采用空气为冷却介质，并通过若干导管将冷空气喷射于光楔装置A和光楔装置B中的轴承A、轴承B、光楔A和光楔B表面，实现对此些关键零部件的冷却。
8.根据权利要求1所述的双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统，其特征在于：所述的电机B和电机B均带有测量其旋转角度的高精度编码器，并将电机旋转角度实时反馈给控制器。
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| CN202310809596.9A CN116659099A (zh) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | 一种双光楔动态旋转调光的太阳能碟式聚光集热系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN116659099A true CN116659099A (zh) | 2023-08-29 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117092811A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-21 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种基于旋转双光楔的光束偏折装置 |
-
2023
- 2023-07-04 CN CN202310809596.9A patent/CN116659099A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117092811A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-21 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种基于旋转双光楔的光束偏折装置 |
| CN117092811B (zh) * | 2023-10-18 | 2023-12-22 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种基于旋转双光楔的光束偏折装置 |
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