CN116892794A - 一种高倍聚光矩阵式塔基碟 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能热发电技术领域，具体是涉及一种高倍聚光矩阵式塔基碟，包括底座、双轴驱动装置、连杆随动联动装置、桁架式支架结构、跟踪传感器、受热器立柱、顶置后焦深腔受热器、双曲面反射镜片，通过连杆随动联动装置调整各双曲面反射镜片的高度角，实现多片双曲面反射镜片聚光集热到所述顶置后焦深腔受热器内，产生高温，收集高品位热能再由所述受热器立柱内置的循环管路将热量传输至储能箱，从而完成太阳能量的收集；本发明采用双轴跟踪技术，拥有高聚光比和光热转化效率，可提供350℃以下的各种热需求。

Description

一种高倍聚光矩阵式塔基碟
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，具体是涉及一种高倍聚光矩阵式塔基碟。
背景技术
太阳能装置可以分为聚光型和非聚光型两大类。常见的非聚光型太阳能发电装置是由多晶硅太阳能电池板构成。照在多晶硅电池板上的日光强度等于1倍日光光强。而聚光型太阳能发电装置则通过光学系统将日光聚集到10倍至1000倍之后再照射到光电池上。聚光式太阳能装置通常需要单轴或双轴太阳跟踪伺服系统以保证系统的正常工作及高转换效率。
现有高倍聚光太阳能集热器有槽式、线性菲涅耳式、塔式、碟式等。其中槽式、线性菲涅耳式太阳能集热器为线聚光聚光比低。塔式、碟式太阳能集热器为点聚光聚光比高。塔式太阳能集热器占地面积大，建造成本高，单台多为兆瓦级，不利于小规模应用。碟式太阳能集热器为分散式小型光热装置，由于碟式镜面为旋转抛物面具有交高的风阻，所以对支架以及组成材料的要求要高，成本也大；因此,针对目前几种高倍聚集热器存在的问题，本发明高倍聚光矩阵式塔基碟结合塔式太阳能集热器和碟式太阳能集热器的特点，利用多片双曲镜片组成矩阵代替碟式旋转抛物面镜片，通过双轴跟踪技术同时聚光到受热器，热利用时间长，并且使得结构稳定、节省空间、连接方便以及容易维护保养。
发明内容
本申请提供了一种高倍聚光矩阵式塔基碟，解决了目前塔式太阳能集热器占地面积大，建造成本高以及碟式太阳能集热器对支架以及组成材料的要求高的问题。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：一种高倍聚光矩阵式塔基碟，包括底座、双轴驱动装置、连杆随动联动装置、桁架式支架结构、跟踪传感器、受热器立柱、顶置后焦深腔受热器、双曲面反射镜片，所述底座支撑高倍聚光太阳能集热器(简称塔基碟)，所述控制系统控制所述双轴驱动装置根据跟踪传感器给出的太阳光与传感器的偏差信号，调整所述桁架式支架结构的方位角，通过所述连杆随动联动装置调整各双曲面反射镜片的高度角，实现多片双曲面反射镜片聚光集热到所述顶置后焦深腔受热器内，产生高温，收集高品位热能再由所述受热器立柱内置的循环管路将热量传输至储能箱，从而完成太阳能量的收集；
作为优选，所述双轴驱动装置包含底部的“T”字形布局的滑轨、三角形支撑结构和驱动电机，所述滑轨上安装有同步带和滑块；
作为优选，所述滑块通过两自由度铰链分别与连杆AC的C端和AD的D端相连，△ACD所在平面始终垂直于地平面；
作为优选，所述连杆随动联动装置包含有控制系统，所述控制系统包含有光照传感器、西门子PLC、模拟量转换模块、增量式编码器、直流伺服电机；
作为优选，所述光照传感器产生的光感电流通过转换放大电路，转化为合适的电压信号，经过数模转换模块将其输送到西门子PLC中，通过西门子PLC内部程序对电压进行处理，从而调节直流伺服电机转动，自动追踪太阳光。
作为优选，所述高倍聚光矩阵式塔基碟架体为桁架结构，各杆件之间螺栓连接；
作为优选，所述高倍聚光矩阵式塔基碟架体设置双曲面反射镜片的反射镜面作为主动抗风面；
作为优选，所述双曲面反射镜片中各反射镜片之间设置有泄风槽，所述泄风槽有较好的抗风性能；
作为优选，所述高倍聚光矩阵式塔基碟单台独立运行，也可进行模块化组装；
作为优选，所述双曲面反射镜片中四周边框上安装4个规格参数完全相同的光照度传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的高倍聚光矩阵式塔基碟采用二维双轴跟踪太阳、热利用时间长、集热效率高、能量转换率高；
2、本发明提供的塔基碟抗风性好，能够模块化组装、单台独立运行，对安装场地要求不高，管路连接简便，易维护保养；
3、高倍聚光矩阵式塔基碟集热器集碟式和塔式光热技术优势于一体，采用双轴跟踪技术，拥有高聚光比和光热转化效率，可提供350℃以下的各种热需求；
4、本发明双曲面反射镜片之间设计泄风槽，结构牢固稳定，不易形变，抗风能力强、降低支架投资；
5、本发明提供的塔基碟低矮型安装，支架低，前后遮挡小，间距小，可安装在屋顶，节省占地。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明跟踪装置结构示意图；
图4为本发明控制系统工作过程示意图；
图5为本发明转换放大电路示意图。
图中：底座1、双轴驱动装置2、连杆随动联动装置3、桁架式支架结构4、跟踪传感器5、受热器立柱6、顶置后焦深腔受热器7、双曲面反射镜片8。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
参照图1-图2所示，本实施例公开了一种高倍聚光矩阵式塔基碟，包括底座1、双轴驱动装置2、连杆随动联动装置3、桁架式支架结构4、跟踪传感器5、受热器立柱6、顶置后焦深腔受热器7、双曲面反射镜片8，底座支撑高倍聚光太阳能集热器(简称塔基碟)，控制系统控制双轴驱动装置2根据跟踪传感器5给出的太阳光与传感器的偏差信号，调整桁架式支架结构4的方位角，通过连杆随动联动装置3调整各双曲面反射镜片8的高度角，实现多片双曲面反射镜片聚光集热到顶置后焦深腔受热器7内，产生高温，收集高品位热能再由受热器立柱6内置的循环管路将热量传输至储能箱，从而完成太阳能量的收集；高倍聚光矩阵式塔基碟架体为桁架结构，各杆件之间螺栓连接，并设置双曲面反射镜片的反射镜面作为主动抗风面；双曲面反射镜片中各反射镜片之间设置有泄风槽，所述泄风槽有较好的抗风性能；高倍聚光矩阵式塔基碟单台独立运行，也可进行模块化组装。
如图3所示，双轴驱动装置2包含底部的“T”字形布局的滑轨、三角形支撑结构和驱动电机，所述滑轨上安装有同步带和滑块，所述滑块通过两自由度铰链分别与连杆AC的C端和AD的D端相连，△ACD所在平面始终垂直于地平面；如图3所示，当驱动电机驱动“T”形滑轨上的滑块运动时，△ACD的CD边长度发生变换，∠ADC(高度角)和∠ODC(方位角)的大小也同时发生变化，直到装有跟踪传感器的反射镜片与太阳光线对正时，滑轨上的驱动电机停止转动，从而达到跟踪太阳光线的目的。
如图4所示，连杆随动联动装置3包含有控制系统，控制系统包含有光照传感器、西门子PLC、模拟量转换模块、增量式编码器、直流伺服电机；当采集光照强度时，在双曲面反射镜片8同一水平面的上下左右边框中心安装规格相同的光照传感器作为光强检测装置，通过光照传感器测得双曲面反射镜片8四周的光照强度并转化为相应的光生电流，将采集的电流通过转换放大电路以及数模转换模块输入到PLC中，通过PLC内部设定的程序计算出与光照强度一致的角度，即太阳光的垂直射入角度，调节双曲面反射镜片支架上的伺服电机，实现太阳光的垂直照射，达到尽可能大的能量转换率。
太阳光照射在双曲面反射镜片8上，其边框上的光照传感器对双曲面反射镜片8四周的光照强度进行检测，光照传感器产生的光感电流通过转换放大电路，转化为合适的电压信号，经过数模转换模块将其输送到PLC中，通过PLC内部程序对电压进行处理，从而调节伺服电机转动，达到对太阳光自动追踪的效果。
为了防止系统频繁启动，该过程间隔相应的时间自行启动；综合考虑转换放大电路电流标准、灵敏度及其他因素指标，本发选择RS-GZ-I20-2光照强度传感变送器进行光照强度检测。RS-GZ-I20-2能检测最大量程为65 535Lx的光照强度，并能将0～65 535Lx的光照强度相应转换为4mA～20mA的电流输出，其电流大小与转换放大电路相适应，经过转换放大后的电压数值适合EM231模块工作。如图5所示，在双曲面反射镜片8四周边框上安装4个规格参数完全相同的RS-GZ-I20-2光照度传感器，设4个光照传感器的光感电流分别为I n、I s、I e、I w，通过转换装置，将电流信号转化为电压信号。为了便于信号后期的处理，将电压信号经过放大电路转化为适应于EM231模块的电压值；转换放大电路如图5所示。
通过光照强度传感器检测反射镜片四周光照强度的差值作为检测信号进行光照角度检测方法具体如下：
一般来说，光照强度传感器模型如下
y＝Φα+ω
其中，y∈CM是光照强度，ω∈CM是环境干扰，可以将其看作加性高斯随机白噪声，其方差矩阵为λI-1，λ＞0为噪声精准系数。矩阵Φ∈CM×L是传感器监测矩阵(过完备字典矩阵)，其列大于行(L＞M)。α∈CL为光照差值，只具有少量非零元素并且非零元素的位置未知。本发明提出变分消息传递(VMP)算法来计算差值：
具体如下：
1.初始化
2.在第一次迭代过程中计算α的均值和方差：
其中/>
3.在后续迭代过程中更新
4.经过若干次迭代，待算法收敛后得到α的估计值：
通过设计双轴跟踪装置并根据光照强度传感器的感应电流与光照强度成正比的特性，提出通过光照强度传感器检测反射镜片四周光照强度的差值作为检测信号进行光照角度检测方法，经过PLC内部程序实时计算反射镜片上下和左右两组电压差值，确定反射镜片的中心位置与太阳光角度的偏差，进而驱动直流伺服电机调节光伏电池板的角度，对太阳光垂直射入方向精准定位，实现了系统发电量的大幅提升，拥有高聚光比和光热转化效率，可提供350℃以下的各种热需求。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：包括底座(1)、双轴驱动装置(2)、连杆随动联动装置(3)、桁架式支架结构(4)、跟踪传感器(5)、受热器立柱(6)、顶置后焦深腔受热器(7)、双曲面反射镜片(8)，所述底座支撑高倍聚光矩阵式塔基碟，所述控制系统控制所述双轴驱动装置(2)根据跟踪传感器(5)给出的太阳光与传感器的偏差信号，调整所述桁架式支架结构(4)的方位角，通过所述连杆随动联动装置(3)调整各双曲面反射镜片(8)的高度角，实现多片双曲面反射镜片聚光集热到所述顶置后焦深腔受热器(7)内，产生高温，收集高品位热能再由所述受热器立柱(6)内置的循环管路将热量传输至储能箱，从而完成太阳能量的收集。
2.根据权利要求1所述的一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述双轴驱动装置(2)包含底部的“T”字形布局的滑轨、三角形支撑结构和驱动电机。
3.根据权利要求2所述的一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述滑轨上安装有同步带和滑块，所述滑块通过两自由度铰链分别与连杆AC的C端和AD的D端相连，△ACD所在平面始终垂直于地平面。
4.根据权利要求1所述的一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述连杆随动联动装置(3)包含有控制系统，所述控制系统包含有光照传感器、西门子PLC、模拟量转换模块、增量式编码器、直流伺服电机。
5.根据权利要求4所述的一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述光照传感器产生的光感电流通过转换放大电路，转化为合适的电压信号，经过数模转换模块将其输送到西门子PLC中，通过西门子PLC内部程序对电压进行处理，从而调节直流伺服电机转动，自动追踪太阳光。
6.根据权利要求1所述的一种所述高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述高倍聚光矩阵式塔基碟架体为桁架结构，各杆件之间螺栓连接。
7.根据权利要求5所述的一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述高倍聚光矩阵式塔基碟设置双曲面反射镜片(8)的反射镜面作为主动抗风面。
8.根据权利要求7所述的一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述双曲面反射镜片(8)中各反射镜片之间设置有泄风槽，所述泄风槽有较好的抗风性能。
9.根据权利要求7所述的一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述高倍聚光矩阵式塔基碟单台独立运行，也可进行模块化组装。
10.根据权利要求7所述的一种高倍聚光矩阵式塔基碟，其特征在于：所述双曲面反射镜片(8)中四周边框上安装4个规格参数完全相同的光照度传感器。
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