CN201286074Y - 太阳能发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能发电系统，包括支撑架、接收器和反射镜装置，所述支撑架包括承重拉索(1)、水平拉索(2)、桁架(3)、桅杆(4)、斜拉索(5)；所述接收器包括冷却管(6)和光伏电池(7)，或者是用于光热转换时的集热管；桅杆(4)垂直地面安装以承受载荷的垂直分力，斜拉索(5)和水平拉索(2)承受载荷的水平分力和对整套悬空结构起到稳定作用，桁架(3)、冷却管(6)和光伏电池(7)的重量由承重拉索(1)承担；所述反射镜装置包括反射镜(8)、轴承座(9)、落地架(14)，落地架(14)顶面安装一排轴承座(9)，承托着反射镜(8)并能使成组的反射镜(8)在机械式同步机构带动下作等角速度转动。

Description

太阳能发电系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能装置，尤其涉及一种太阳能发电系统。

背景技术

太阳能发电是直接利用太阳能的较高级形式。按目前的技术太阳能发电一般分为：热(光热转换)发电和光伏发电两种方式，对于光能的收集又可分为直射(直接照射)型和聚光(焦)型两大类。由于本发明的要点是在光能收集转换的形式和结构方面，以下侧重对现有太阳能发电的光能收集转换形式作简单的介绍。

1、太阳能热发电的光能收集转换形式

(1)直射型的形式主要有平板收集器和太阳池等。特点是固定安装，直接收集的阳光能量密度低，产生的温度不高，所需的设备技术较为简单，容易实现。但发电的效益未必理想。

(2)塔式系统是在空旷平地上建立高塔，塔顶固定安装一个接收器，塔周围的地面安置大量的定日镜，将太阳光聚集并反射到塔顶的接收器上产生高温，接收器内生成的高温蒸汽推动汽轮机来发电。各个定日镜需要单独进行两维控制，控制系统极其复杂，价格昂贵。塔式系统聚光比高，每套系统的规模必须很大才有效益，到目前还有一些技术问题需要解决和完善。

(3)槽式系统是用柱状抛物面反射镜以线聚焦代替了点聚焦，只需一维控制的跟踪运动，聚焦的管线是随动结构，系统机械笨重，管路很长，保温较为困难其活动接头也容易损坏。槽式系统的抗风能力较差，不适宜在大风地区工作。正是由于跟踪运动较为简单，槽式系统更容易实现商业化。

(4)碟式系统是利用旋转抛物面的碟式反射镜将太阳聚焦到一个焦点。接收器也是随动结构，光热转换效率很高。主体为分立方式，可单个运行或组合成较大的系统。其缺点是造价很昂贵，普及更困难。

2、太阳能光伏发电的光能收集转换形式

(1)直射平板可以是固定安装，也可对日跟踪，阳光对光伏电池是直接照射。特点是支架结构简单，面积大小任意组合。缺点是光伏电池用量大，系统价格昂贵，其发电成本也高。

(2)漏斗式或碟式多倍聚光方式，特点是充分利用了光伏电池的发电潜能，聚集多倍的阳光能够产生多倍的电能，是光伏发电系统的一大进步。但同样涉及准确的两维跟踪控制和传动，也是分立式支架，需要增加一定的成本。

发明内容

针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种太阳能发电系统，提高收集的阳光能量密度，并且系统结构简单、成本低。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种太阳能发电系统，包括支撑架、接收器和反射镜装置，所述支撑架包括承重拉索1、水平拉索2、桁架3、桅杆4、斜拉索5；所述接收器包括冷却管6和光伏电池7，或者是用于光热转换时的集热管；桅杆4垂直地面安装以承受载荷的垂直分力，斜拉索5和水平拉索2承受载荷的水平分力和对整套悬空结构起到稳定作用，桁架3、冷却管6和光伏电池7的重量由承重拉索1承担；所述反射镜装置包括反射镜8、轴承座9、落地架14，落地架14顶面安装一排轴承座9，承托着反射镜8并能使成组的反射镜8在机械式同步机构带动下作等角速度转动。

所述反射镜8的镜面为长条形，每一块反射镜8的长度方向互相平行，同时与桁架3的长度方向平行。

所述的机械式同步机构由连杆11与摆杆10和曲柄机构12铰接，在电动减速机13的驱动下，成组的反射镜8能同向等角速度回转。

所述冷却管6的长度方向与桁架3的长度方向平行，冷却管6与光伏电池7背面接触的是能包容光伏电池7的平面。

所述支撑架、接收器和反射镜装置在水平投影上垂直于桁架3的长度方向扩展成连续的结构形式。

所述支撑架、接收器和反射镜装置在水平投影上平行于桁架3的长度方向扩展成连续的结构形式。

与现有技术相比，本实用新型的光能接收器(集热管或光伏电池)及其安装支架固定不动，成组的长条形反射镜始终把阳光聚焦成线(合理宽度)落在接收器上；并且本实用新型采用焦线聚光，反射镜组只作一维同步跟踪运动，任何方向的直射阳光投射到镜面上之后，都能全部聚集在焦线位置的接收器上。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

图1至图4是本实用新型的光路原理图。

图5是本实用新型的结构示意图。

图6是本实用新型在OX坐标轴方向的扩展结构示意图。

图7是本实用新型在OY坐标轴方向的扩展结构示意图。

具体实施方式

请参阅图5，本实施方式支撑架中的桅杆4垂直地面安装，承受载荷的垂直分力。斜拉索5和水平拉索2承受载荷的水平分力和对整套悬空结构起到稳定作用。桁架3、冷却管6和光伏电池7等的重量由承重拉索1承担。以上结构组成能节省大量材料，而且最大限度地减少结构的挡风和遮光面积。支撑架结构可以按图5的方式单套使用，也可以向OX坐标轴方向扩展成连续的结构形式，如图6。既可以节省结构材料也可以用较少的动力装置。同时支撑架结构可以按图7的方式向OY坐标轴方向扩展成连续的结构形式，可以减少接收器两端由于离散现象所产生的损耗。

反射镜装置中的反射镜8的镜面为长条形，每一块反射镜8的长度方向互相平行，同时与桁架3的长度方向平行。成组的反射镜8的特定安装位置符合图1和公式1所构成的“初始条件”。落地架14顶面安装一排轴承座9，承托着反射镜8并能使成组的反射镜8在机械式同步机构带动下作等角速度转动。应用实例之一：依照图5，连杆11与摆杆10和曲柄机构12铰接，在电动减速机13的驱动下，成组的反射镜8能同向等角速度回转。在符合图1～3和公式1、2的几何运动条件下，实现成组的反射镜8的聚焦和跟踪运动。

冷却管6的长度方向与桁架3的长度方向平行。冷却管6的特征是：冷却管6与光伏电池7背面接触的是能包容光伏电池7的平面，该接触面可用粘结等方法使光伏电池7工作时产生的热量及时传递到冷却管6，再由冷却液把热量继续带走。

以下是本实用新型的光路原理：

1、在XOZ坐标平面上，选取任意3块平面镜P₁、P₂、P₃分别通过OX轴上的任意点A、B、C，并可分别绕A、B、C点转动。

令一组平行OZ坐标轴的光线(阳光)A₁A、B₁B、C₁C分别投在平面镜P₁、P₂、P₃并经A、B、C点反射并聚焦在OZ坐标轴上的K点上。按照光线反射定律，必须满足以下几何条件(见图1)：

β₁＝α₁/2；β₂＝α₂/2；β₃＝α₃/2；(公式1)

在图1所示的光路图上当满足公式1的要求，则称作为本发明平行光线聚焦原理的“初始条件”。在这种特定条件下的装置也叫“菲涅尔反射镜”。

2、在满足平行光线聚焦原理的“初始条件”后，当平行光线对于OZ坐标轴发生偏转(顺时针方向见图2，逆时针方向见图3)并成任意角度Δα时，只要平面镜P₁、P₂、P₃转动符合以下几何条件：

Δβ₁＝Δβ₂＝Δβ₃＝Δα/2(公式2)

就可满足光线反射定律。换言之，对于符合“初始条件”的上述光学反射装置，当一组平行光线发生偏转并与OZ坐标轴成任意角度Δα时，每一块反射镜(以P₁、P₂、P₃为例)与光线偏转方向同向转动Δα/2角度后，光线必定始终聚焦在OZ坐标轴的固定点K上。

3、在空间直角坐标系XYZ上，符合图1～3和公式1、2的光学反射装置向Y轴方向延伸成图4所示。其中反射镜P₁、P₂、P₃可分别绕平行于OY坐标轴的AA’、BB’、CC’轴线转动；焦线KK’平行于OY坐标轴。其平行光线的聚焦规律如下：

令任何方向的平行光线中的其中一条为矢量，以光线C₁C为例，在图4所示的坐标平面上C₁C的分量与坐标轴的夹角分别为θ和γ。

公式2中的Δα＝90°-θ，即任何方向的平行光线在XOZ坐标平面的分量与OX坐标轴的夹角决定了Δα。

如上所述，只要图4所示的光学反射装置，符合图1～3和公式1、2的条件，那么任何方向的平行光线，以A₁A、B₁B、C₁C为例，分别投射到反射镜P₁、P₂、P₃上的A、B、C点后必定反射到焦线KK’上的K₁、K₂、K₃点。这个规律符合反射定律并与角度γ无关，而角度γ的大小变化只引起KK₁、KK₂、KK₃距离的变化(离散程度)。

以上是本发明只用一维控制就能使光学反射装置实现线聚焦的光学理论基础，但几何推导证明从略。

由于前述结构以及其光路原理，本实用新型具有以下特点：

1、光能接收器(集热管或光伏电池)及其安装支架固定不动，成组的长条形反射镜始终把阳光聚焦成线(合理宽度)落在接收器上，其优点是：

(1)接收器的支架结构可以用大跨度桁架结构，同时可用钢丝绳拉牵吊挂和稳固接收器，既可节省大量的结构材料(类似现代的桥梁构造)，也能最大限度地减少上述结构对阳光的遮挡和风阻面积。

(2)冷热管道和电气线路固定安装后，不必采用活动连接配件，容易防漏和保温(或隔热)，大大提高管线工作的可靠性。

(3)接收器、支架结构和管线等加起来的重量也很大，把它们固定不动，同时也就节省了跟踪驱动所用的功率。

2、对日两维跟踪运动是很多太阳能利用装置高成本的一个重要因素。本发明由于采用焦线聚光，反射镜组只作一维同步跟踪运动，任何方向的直射阳光投射到镜面上之后，都能全部聚集在焦线位置的接收器上，这是本发明的另一重要特点，其优点是：

(1)整个系统的反射镜(必要时分组)对阳光进行聚焦和跟踪是同方向等角速度转动，可以用一套机械动力结合简单的机构就能实现，大大简化了跟踪装置，比塔式和碟式等分立结构简单得多。换言之，用很低的成本，就可以实现大面积的镜面阵列的同步跟踪及聚光，经济效益非常明显。跟踪系统采用的是技术成熟的普通结构，制造成本和维护成本低，系统的机械结构比光伏电池的寿命起码高出2～3倍。

(2)聚焦的阳光在焦线的长度方向有一定程度上的离散现象，镜面的局部反射误差由于离散会得到均化，使接收器(例如光伏电池)获得较为均匀的光照。同理，支撑结构产生的阴影也会由于离散现象而大幅度弱化。

(3)本发明的聚光比从几倍到十几倍之间非常容易实现，对多倍聚光的光伏发电尤为合适，而且聚光、跟踪的精度不必很高。

3、平板固定式光伏发电系统的价格昂贵，其中光伏电池的费用占了绝对大头。本发明采用的聚光比能达到5～15倍，光伏电池用量按比例减少(是平板固定式的1/5～1/15)。这是实现发电设备低成本投入的技术关键之一。万一需要更换个别光伏电池(单块面积小)，不会引起维护成本的明显增加。

4、多倍聚光的光伏发电一定要解决光伏电池的散热问题。本发明的光伏电池板是采用沿焦线方向的长条形布局，对应的散热结构和管道布局非常合理方便，结构效能高。即可节省大量的材料、配件，也能选用较小功率的冷却循环水泵。

5、本发明能适应恶劣的自然环境，体现在以下两点：

(1)光伏电池板为水平倒置安装，能避免冰雹、冰雪和尘土的影响、破坏，也可防止落叶、鸟粪等造成的“热岛效应”。

(2)反射镜面是窄长矩形，而且紧贴地表阵列安装，利用大地作为主体支架，既牢固又省钱。比塔式、槽式和碟式等分立结构的抗风能力强。

6、塔式系统为同心圆环或扇形布局，碟式系统等分立式结构是大间隔(防遮光)布局。本发明的反射镜面阵列是紧贴地表的矩形密排布局，不会造成土地的浪费。

Claims (6)

1、一种太阳能发电系统，包括支撑架、接收器和反射镜装置，其特征在于：所述支撑架包括承重拉索(1)、水平拉索(2)、桁架(3)、桅杆(4)、斜拉索(5)；所述接收器包括冷却管(6)和光伏电池(7)，或者是用于光热转换时的集热管；桅杆(4)垂直地面安装以承受载荷的垂直分力，斜拉索(5)和水平拉索(2)承受载荷的水平分力和对整套悬空结构起到稳定作用，桁架(3)、冷却管(6)和光伏电池(7)的重量由承重拉索(1)承担；所述反射镜装置包括反射镜(8)、轴承座(9)、落地架(14)，落地架(14)顶面安装一排轴承座(9)，承托着反射镜(8)并能使成组的反射镜(8)在机械式同步机构带动下作等角速度转动。

2、根据权利要求1的太阳能发电系统，其特征在于：所述反射镜(8)的镜面为长条形，每一块反射镜(8)的长度方向互相平行，同时与桁架(3)的长度方向平行。

3、根据权利要求1的太阳能发电系统，其特征在于：所述的机械式同步机构由连杆(11)与摆杆(10)和曲柄机构(12)铰接，在电动减速机(13)的驱动下，成组的反射镜(8)能同向等角速度回转。

4、根据权利要求1的太阳能发电系统，其特征在于：所述冷却管(6)的长度方向与桁架(3)的长度方向平行，冷却管(6)与光伏电池(7)背面接触的是能包容光伏电池(7)的平面。

5、根据权利要求1的太阳能发电系统，其特征在于：所述支撑架、接收器和反射镜装置在水平投影上垂直于桁架(3)的长度方向扩展成连续的结构形式。

6、根据权利要求1的太阳能发电系统，其特征在于：所述支撑架、接收器和反射镜装置在水平投影上平行于桁架(3)的长度方向扩展成连续的结构形式。

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