CN1174199C - 自动控制定向反射太阳能收集与光热转换装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能收集和转换装置，特别涉及一种自动控制定向反射太阳能收集和光热转换装置，由包括不少于一个的反射单元，需用个数集热单元以及控制电路组成，适应不同功率规模的应用要求，易于实施，能对热力参数进行控制，用于发电、蓄能抽水、蒸馏、海水淡化、供汽、供热、制冷、空调、烘烤、采暖、采光、暖房和太阳灶等多种用途。

Description

自动控制定向反射太阳能收集与光热转换装置

技术领域：本发明涉及一种太阳能收集和光热转换装置。

背景技术：太阳能收集和光热转换的公开技术可分为两类。一类是曝晒真空集热管(CN2264341)，或在曲面反射器焦点处放置集热管(CN2261601)，实现光热转换，这类装置由于集热器分散在整个受光面上，功率的增大受到限制且热力参数也不便控制。目前大多用于获取热水和开水的设备上；另一类是用大型抛物面镜或用三维的菲涅尔反射镜场，相当于一个巨大的聚光镜，将太阳光聚向焦点或太阳塔上，或用塔式反射器将密集的能量反射回地面的集热器上，(CN1147296)，但由于这些结构的庞大和技术上的复杂，目前尚未见其推广应用。本专利权人在98120632.8(申请号)中提供了一种由定向反射镜和屏式集热器组成的收集与转换太阳能的技术方案，可适应不同规模的应用要求，本发明则是在同一构思上，同一主题的扩展与补充，使得其结构更轻便，应用范围更广，驱动功率更小，特别在中小规模系统的应用中，有更好的性能价格比。

发明内容：本发明的目的是提供一种对大小规模的系统均能适用的，便于工农业应用和民用的太阳能收集和转换装置。

本发明是由一个或足够多个自动控制的反射单元，需用个数的集热单元组成，各反射单元互相独立，无基面、无等效焦点，以互相不遮档的原则放置，但其反射光被控始终对准其中一个集热单元上，所说反射单元由反射镜、框架、支架、驱动机构、反射光定向器和控制电路组成。反射镜可由若干小镜块比如用条形的平面或曲面镜块拼成，每块之间留有可通风的间隙，以减小整块镜面的风压，减少驱动力矩。每一镜块与镜框的连接分固定型和可旋转型，固定型的所有条形镜块可组成一个平面，也可分别在两个平面上，而旋转型的则是通过连杆机构使所有条块按需要以同一角度在各自框架的轴孔上旋转，这种条形镜块可旋转型适合于镜面转动空间受限制的场合使用，即把整个镜面的旋转变成各条形镜块本身的旋转，以达到相同的反射关系和效果。当反射镜单元与集热单元之间的距离较远时，应使用平面镜，而当反射镜与集热单元距离相对较近，且总采光面积较小，需提高阳光会集度时，条形镜面可使用园柱面型，而且各条镜之间与框架的夹角应不相等，即先在镜面中选取一个与镜框夹角为零的零点(一般可选镜面的转动中心为零点)，条型镜直线边与框架间的夹角，及园柱面弧线的外端点切线与镜框平面的倾角，应按其所在位置沿镜框方向与上述所选零点的距离除以镜面转动中心与集热单元透光窗之间的距离，取其值的反正切的一半来定，这样即可把平行的太阳光在各点以不同的反射角度反射到较小面积的集热单元上。在无强风的地方也可用整块平面镜或曲面镜，所说的支架应是具有垂直和水平转轴的万向支架，或其他具有两个互相垂直转轴的万向支架，使镜框在其上可实现万向转动。所说的驱动机构由直流电机、齿轮、螺杆、螺母等(或蜗轮、蜗杆)组成，使用齿轮、螺旋传动的驱动机构可增加驱动力臂，减小驱动功率，所说的反射光定向器由两组在垂直方向进行检测的光线方向传感器及其角度可调的支座组成，前者是一个斜口筒体，在其内壁沿圆周方向对称贴有四片光电传感片，其相对两片的法线所在平面与反射镜转轴相平行，安放在镜面中点的上方，靠近或位于镜面上的转动中心(两转轴的交点)与所选定的集热单元透光窗口中点的连线上。筒体的斜口和两传感片所在平面间夹角的顶点朝镜面方向，最佳夹角为0.533度，且其方向对准所选定的集热单元透光窗口，所说的支座是可万向转动并有锁紧功能的支座，安装在固定于地面的支架上，反射光定向器的外端口或其支座可连接瞄准器或镜头成像式的高精度光线方向传感器(或其他适用的光线方向传感器)，后者为园筒形结构，在焦平面上有对称于原点的四片光电传感片检测太阳光方向的偏移。其光轴与锥形园筒轴平行。瞄准器也为可装拆型，由反射光定向器筒壁或端口或其支座来定位，以保证相互间轴线的平行。具体结构分侧视带十字刻度线的望远镜式和在焦点处放点光源用镜头射出平行光线的投光式两种。这两种瞄准器分别适用于对远距离和近距离集热单元的瞄准。

所说的控制电路由比较放大器和晶体管开关组成，由传感片与电阻组成桥路输入，由运放或比较器将输入电压与给定电压比较，用比较的输出电压控制晶体管开关对电机进行正转、反转、停转的控制。实现对反射光的定向闭环控制。

所说的集热单元是由本体，集热屏，进出口联箱及相应的管和阀组成，本体为一保温箱体，内壁为耐温反光或吸光材料，外壁为保温材料，前壁或前下斜壁或底部开有透光窗口，反射来的密集太阳光通过透光窗口进入箱体内，对不同的使用条件和要求透光窗口有三种结构型式，第一种是气幕隔离保温结构，是在透光窗外紧贴外壁上的一个直径大于透光窗的园环气槽，是用半园型或U形弯扳围成的气槽，槽内放置一个以上的风机，风机的出口或进出口有一段导气槽，是被若干隔扳沿气流方向也即是圆周方向分隔成较小截面的多个气道，使流出的气流成为或接近层流状态，外圈圆周气槽的气流带动其圆内至圆心间的空气运动。在透光窗前形成一个旋转气流组成的气幕，减少或阻止透光窗内外之间空气的对流，达到保温的效果，这种结构适于阳光聚集度很高的情况下使用，第二种结构是采用单层或双层透明材料(如玻璃)的窗口保温结构，双层中间通冷却水，被加热的冷却水再通过热交换器把将送进炉内的给水预热，以提高光能的利用率，这种结构适于阳光较弱，气温较低的地区使用，第三种结构为栅隔或导光筒或结构，这种结构用反光栅格或导光管来减少箱内外空气的交换来达到保温的效果，也可采用敞开式结构，适于要降低成本的条件下使用，所说的集热屏安装于箱体内与透光窗口相对，吸收射来的密集反射光，其结构可由带鳍片的U型金属管套上双层玻璃真空套筒作保温，套筒由两片半园型的托架与U型管连接，并用高温纤维垫在托架与双层玻璃真空套筒端面间进行密封，U型管上端穿入箱体外的汽包内，分别位于汽包底部和上部，在穿管部位严密焊接，或者U型管一端接进口联箱，另一端接出口联箱再用管路和阀门与汽包或不经过汽包与其他集热单元及设备管路连接，使其满足系统参数要求，且便于清洗维护及残液排空。若干U型管交错排成两排构成集热屏，按用途确定其作为蒸发屏或过热器屏，表面涂覆黑色耐温层或适用的吸光材料。上述结构适于阳光较弱气温较低的地区使用，对于功率很大，阳光会集度很高的高温高压集热单元，双层玻璃套筒也会因透光损耗而过热，此时宜采用金属排管组成的集热屏，其排管下端穿入下联箱作进口联箱，上端穿入出口联箱，均在穿管处焊接，进出口联箱通过管路与汽包等部件或系统的管路相连。而工作压力很低的蒸馏炉则可采用平板箱式集热屏以降低成本，集热单元根据需要由多个并联或串联，使蒸发量和过热蒸汽温度满足系统或所选汽机的参数要求。

集热单元透光窗口的最小尺寸对平面反射镜单元为：

反射镜最大边长+(0.0093+tga)×镜屏距

对曲面镜单元为：(0.0093+tga)×镜屏距

镜屏距——反射镜至集热单元间的距离

a-反射镜调整的角度误差。

规模较大的太阳能收集和转换装置应由控制系统控制，所说的控制系统是指由计算机组成的反射单元的远方控制系统和对运行工况的热力参数进行控制的系统，在各反射单元的转轴上安装一个电位器，将其输出电压送至计算机系统来检测各镜面的转角位置，热力参数的控制则由计算机根据检测点传感器的信号来发出控制量，控制反射镜单元的转动，改变投向各集热单元的反射镜的数量，来调整各集热单元的输入能量，实现运行工况的闭环控制。由于计算机接口电路和控制软件属公知技术，故不在此说明。

本技术方案可方便地将大面积太阳辐射收集和转换成热能，可对热力参数进行控制，规模可大可小，效率高，易于实施，可用于发电，抽水蓄能，制冷、空调、供热、蒸馏、电解水制氢，太阳灶、采暖、导光、烘烤等多种用途。

附图说明：图1图2图3为反射单元示意图。

图4为反射光定向器示意图。

图5为集热单元示意图。

图6为反射单元控制电路图。

具体实施方式：

实施例1是作为蒸汽锅炉与汽轮发电机组组成太阳能电站，图1是反射单元，镜面1由条形平面镜2拼成，条镜间留有通风缝，镜框3安装在有垂直和水平转轴的支座4上，镜面中央的上方，是锥形反射光定向器5，内壁黑色、锥度0.0093，沿圆周对称贴有四片光电传感片8-11，其方向角度可调并可锁紧的支座6与固定于地上的支架7连接，用图4的瞄准器校准其方向对准所选定的集热单元，距离远的反射镜单元的反射光定向器外接图4的成像式方向传感器以提高控制精度，反射单元的数量由设计容量而定，并根据地形按互不遮档的原则放置，所用的集热单元如图5所示，集热单元12悬吊于构架上，前壁开有透光窗13，窗前U型弯板14围成圆环气槽，槽中对称安放轴流旋叶风机15，出风口有导气槽16，是隔板分隔出的若干气道，集热屏17与透光窗相对，是采用U型管的双排集热屏结构，每一U型管套上双层玻璃真空套筒18作为保温，每个套筒由两片半圆型托架19与U型管连接，套筒端口用高温纤维垫密封。U型管上端口均穿入汽包20或通过进出口联箱21、22与汽包或不经过汽包与外部管路相连。箱体内可按需要安装1-3个预热屏，将待送至汽包里的给水预热，预热屏用金属排管连接上下联箱组成，由需用个数的带汽包的集热单元并联作蒸发单元，由若干个进出口不经过汽包的集热单元串联作蒸汽过热单元，最末级通主蒸汽管与汽机连接，并有管路与给水系统，疏水系统相连构成热力系统。

反射单元由直流电机、齿轮、螺杆、螺母与连杆组成的驱动机构驱动，驱动电路电源为整流电源或蓄电池，使用集成电路以易于调试，光线方向传感器输出的信号，经比较放大形成控制电压，控制晶体管开关，或继电器，或接触器实现对电机的正转、反转和停转进行控制。

运行工况的控制由计算机系统根据各测点的热力参数值控制投向各集热单元的反射镜单元的数量，从而改变输入能量的大小来实现。

汽轮机、发电机组等主辅机设备及热力系统，给水系统，冷凝，疏水等系统的构成采用公知的技术与设备。

实施例2是作为蒸汽锅炉构成蓄能抽水站。

在具有一定高差的两个相邻的水库或湖河间，选取有南北坡或适用的开阔场地安放反射单元，所用的反射单元和集热单元同实施例1，由末级集热单元输送的过热蒸汽通过主蒸汽管及阀送至汽轮机-抽水机组，将低水位的水抽至高水位，组成太阳能蓄能抽水站。

实施例3是作为蒸馏锅炉用于淡水生产。

反射单元同实施例1，而集热单元内的集热屏为板箱式集热屏，集热屏有压力释放阀安装在其顶部，并通过引出管伸至外部，集热屏顶部还装有进水管通过阀门，热交换器连至进水泵，有出汽管连至炉外并通过热交换器与凝水器相连，集热屏底部有排污管或通过阀门至制盐设备，集热单元的其他部分结构同实施例1。

实施例4是作为发生器用于吸收式制冷。

反射单元和集热单元结构同实施例1，集热屏内充入氨溶液或其他适用工质，集热单元成为制冷设备的发生器或作为介质的加热器，再用介质加热发生的工质进行制冷，其他部分同吸收式制冷的公知技术与设备。

实施例5为家用小型中央空调与家用太阳灶。

反射单元的镜面由柱面型镜块拼成(图2)，之间留有通风的间隙，各条镜的转轴与镜框相接，由连杆机构将其相互连接使其在电机齿轮螺杆螺母机构驱动下作同步旋转相同角度，各条镜的初始角度位置可在连杆处调节至使光线均反射至集热单元透光窗口，镜块采用金属或塑料等有弹性的材料作基体，使柱面的弯曲度可根据需要作为小范围的调节，反光面粘贴反光膜或镀上反光膜，不锈钢等金属表面可采用抛光，在与条块轴相平行的镜框中间，装有转轴与固定于墙上的支架相连，其驱动机构使镜框能绕垂直于条块轴的水平转轴转动。在镜面中央的上方，安有两个反射光定向器，一个对准镜面上方墙上的集热单元透光窗口，另一个对准穿进墙壁的导光管外侧进光口，反射光定向器方向的校准用投光式瞄准器，两个反射光定向器的光电传感片通过切换开关接至控制电路，即可按需要切换反射光投向集热单元还是导光管，所用的集热单元结构同实施例1，可取消旋风气幕，或以单层玻璃作透光窗口保温，集热单元通过管路将蒸气或热水送至作为发生器(单效型)或高压发生器(双效型)的热交换器，并与其他公知的设备如冷凝器、蒸发器、吸收器、高低温热交换器及需用的泵与阀等，组成太阳能家用溴化锂中央空调器。所说的导光管是一个内壁为反光材料的弯管或曲折型管，折管的每一个转角必须大于90度。截面形状可据材料而定，由它将密集阳光反射并导至室内导光管出口，出口处放金属吸热板或炊具，用作太阳灶或取暖设备，并设安全档板防止眼睛受强光刺伤。上述作为发生器的热交换器，还有一个蒸汽或热水的入口，以便于由电热或燃烧产生的蒸汽和热水接入，使没有阳光时空调仍可工作。

实施例6作为小型加热设备用作茶炉。

反射单元同实施例1或实施例5，集热单元同实施例1或实施例3或实施例5，集热单元的上方连接贮水器，其外壁加保温材料，并安装温控元件，压力安全阀，用温度或压力作为放出开水，送入冷水的控制，开水流进低位的保温水箱以供使用，保温水箱里有电热加热器，以便没有阳光时用电力提供开水。

实施例7，作为蒸汽锅炉连接汽轮机与低电压直流发电机组用于电解水制氢。

反射单元和集热单元同实施例1，而汽轮机连接低压直流发电机，或连接低压交流发电机组，经过变压整流提供适用电参数的直流电用于电解水制取氢气。

实施例8，作为烘烤设备用作烘干炉或烤箱。

反射单元同实施例1或实施例5，集热单元透光窗口为敞开式或单层玻璃，正对透光窗斜放(如45度)红外吸热板或反光镜，前者为一金属板涂敷红外线涂层，或间隔涂敷吸热涂层及红外涂层，箱体内放置被加工物品的支架，或在底部放置传送被加工物品的传送带，顶部有气窗或抽风机。

实施例9，作为封闭建筑的采光。

反射单元同实施例1或5，而建筑物本身即为集热单元，其透光窗口为导光筒结构，将光线引入室内的漫射反光镜上，适用于不宜加窗户或要求隔音等的封闭式建筑的采光。

实施例10，作为永久性暖房。

反射单元同实施例1或5，而集热单元即为暖房本身，四壁根据当地气候条件选用相应的材料保温，顶部在冰雹频繁地区不宜用玻璃等透光材料，此时可做成斜顶安放反射镜单元，向相邻的暖房投光。透光窗为单层透光材料。正对透光窗为反光镜组，或适用的散射或漫射反光镜将密集光线再散射到室内，为室内的植物提供合适的光照，构成室内式的种植暖房。

实施例11，与斯特林发动机组合太阳能发电机组。

反射单元(图3)反射镜的下边框通过转轴或合页安装在水平支座上，水平支座又固定在垂直转轴的外轴套上，外轴套通过轴承与垂直轴连接，垂直抽紧固在安放或固定于地面上的支架上，分别由电机、齿轮、螺杆、螺母组成的螺旋传动机构驱动，当镜框转至最低位置即接近水平状态并沿垂直转轴转至其中一个方向的终点位置处有两个卡子将侧边框和上边框在垂直方向将镜框卡住，卡子固定于地面上，反射镜采用曲面镜，集热单元安放在镜的焦点位置，集热单元的集热管作为斯特林发动机的加热管，发动机的动力活塞带动直线发电机或其他发电机组成太阳能发动机组。斯特林发动机也可直接驱动其他适用的机械。

Claims (11)

1、一种自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是由不少于一个的反射单元和需用个数的集热单元组成，所说的反射单元包括反射镜及其控制驱动机构和反射光定向器，反射镜由若干条形的曲面镜拼成，或用单块镜面组成，条形镜之间留有通风间隙，镜块安装在镜框上，镜框安装在具有两个相互垂直转轴的万向支架上，分别由各自的控制电路、电机和减速传动机构所驱动沿转轴转动，在靠近镜面转动中心且在反射镜与集热器之间，靠近或位于镜面转动中心与集热单元透光窗口中心的连线上，安放1或2个反射光定向器，反射光定向器由筒体及其内的两组在相互垂直方向上检测反射光方向的传感器以及可进行万向转动调节和锁紧的支座所组成，并安装在与地面相对固定的支架上，反射光定向器的方向对准所设定的集热单元透光窗，所说的集热单元是密闭的方型，筒型或环型集热器箱体，固定于距反射单元适当的或其等于焦距的距离，且利于透光窗直接接收反射光的位置上，内壁为反光材料或吸光材料，外壁为保温材料，前壁或下斜壁或底部开有透光窗，窗口面积略大于反射单元射来的反射光的会聚面积，对于曲面镜，透光窗最小边长只需大于0.0093乘反射镜与集热器的距离再加上控制偏差数值，透光窗外壁安装环形气槽，槽口朝环的圆心，槽内安放轴流风机，或者透光窗用耐温透明材料封隔或者直接对外敞开，集热器箱体内安放屏式集热排管或其他适用型式的集热管排，由上下联箱或联管联接，通过管路与箱体外的部件相连。

2、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是反射单元的反射镜下边框通过转轴或合页安装在正水平支座上，水平支座又固定在垂直转轴的外轴套上，外轴套通过轴承与垂直轴连接，垂直轴紧固在安放或固定于地面上的支架上，分别由电机，齿轮、螺杆、螺母组成的螺旋传动机构驱动，当镜框转至最低位置即接近水平状态并沿垂直转轴转至其中一个方向的终点位置处，有两个卡子将侧边框和上边框在垂直方向将镜框卡住，卡子固定在地面上。

3、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是反射光定向器为一斜口筒型体，筒内按圆周方向对称装有四片光电传感片，相对的两片之法线所在平面与反射镜的一个转动轴平行，相对两传感片所在平面间的最佳夹角为0.533度，筒斜口及传感片平面夹角的顶点朝镜面方向，反射光定向器的支座还可连接其他适用的光线传感器和瞄准器，连接方式保证轴线互相平行。

4、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是集热单元上方连接汽包或联箱。

5、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是集热单元的集热屏为平板箱式集热屏。

6、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是集热单元上方连接贮水器，贮水器外壁加保温材料，并安装温控元件、压力安全阀、上下水控制等。

7、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是反射单元的镜面由柱面条型镜块拼成，由连杆机构相互连接，在驱动机构带动下同步转动，各条型镜块间初始角可根据需要进行调整，所说的集热单元前壁或下斜壁开有透光窗口，其内安装U型金属管组成的集热屏或板箱式集热屏通过汽包或联箱，或直接通过管阀与外部设备连接。

8、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是用内壁为反光耐温的弯管或曲折型管作导光管，将密集阳光穿墙引入室内加热吸热板。

9、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是由多个反射单元与集热单元组成，集热单元箱体内斜放一反光镜或红外吸热板，后者为一金属板涂敷红外线涂层，或间隔涂覆吸热涂层及红外涂层，箱内放置适用的支架或安装传送带。

10、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集与转换装置，其特征是集热单元利用建筑物，墙体用适用的材料保温密封，墙上开有透光窗，并使用透光材料的保温结构，与透光窗相对，放置散射或漫射式反光镜。

11、权利要求1的自动控制定向反射太阳能收集和转换装置，其特征是控制电路由传感片与电阻组成桥路输入，由运放或比较器将输入电压与给定电压比较，用比较的输出电压控制晶体管开关对电机进行正转、反转、停转的控制。

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