CN201583020U - 透射式线聚焦太阳能集热系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于一种透射式线聚焦太阳能集热系统,该系统由太阳能采集装置、太阳能热量吸收装置、内置自动跟踪装置和壳体所组成。本实用新型具有结构简单实用,系统模块化,免外部跟踪,但仍然能够最大限度地吸收,利用太阳光所携带能量,利于推广太阳能的利用,可方便地安装放置,使用成本低、使用寿命长、使用效果好。

Description

透射式线聚焦太阳能集热系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种新型的太阳能集热系统,具体涉及可用于发电、制冷、供热的 一种免外部跟踪的透射式线聚焦太阳能集热系统。
背景技术
[0002] 由于能源危机和环境污染的缘故,各国政府对可再生能源的重视程度与日俱增。 与此相呼应,太阳能光伏发电近年来取得了飞速的发展。然而到目前为止,由于光伏发电的 成本仍然较高,多是靠政府的补贴来支持的,从而导致其大规模的应用受到限制。与此同 时,聚光式太阳能热发电(CSP)目前在国际上引起了相当程度的关注。相对其它可再生能 源技术而言,太阳能热发电具有一系列的优势。其最为突出的优势是,在发电成本上远远低 于光伏发电。CSP聚光系统可进一步区分为点聚焦系统和线聚焦系统。点聚焦系统将太阳 光聚集到一个中央吸热器上,塔式、碟式斯特林发电系统都属于点聚焦系统;而线聚交系统 则把光线聚集到一个线性的吸热管上,槽式系统属于线聚焦系统。
[0003] 目前,各种形式的反射式和透射式太阳能聚光系统层出不穷,但其共同的特征就 是都需要使用单轴或双轴的自动跟踪系统。尽管自动跟踪太阳的轨迹在技术上已经不是什 么难题,然而其高昂的成本和由恶劣的室外工作环境所造成的系统可靠性等方面的问题却 在某种程度上阻碍了聚光式太阳能发电(包括CPV和CSP)的发展。许多年前,研究人员曾 设计出复合抛物面聚光器(CPC),其最主要的目的就是为了避免对太阳的跟踪。然而,CPC 每天接收太阳光的有效时间很短,另外,在反射式太阳能聚光器结构中入射光与反射光位 于聚光体的同一侧,造成反射效率不足等问题。
[0004] 地球以大约每小时15°的角速度绕极轴由西向东自转,同时还绕太阳公转。这就 导致了在一天当中,太阳光的方向和强度随着时间不断地改变。自动跟踪系统就是为了保 证在一天的绝大多数时间当中,太阳光能够垂直地入射到聚光体的表面,从而最大限度地 利用太阳光所携带的能量。自动跟踪系统通常是由光传感器,信号处理+自动控制(通常 由单片机来实现),以及驱动装置等组成。虽然技术上已经没有难点,但系统可靠性,系统寿 命,以及成本等一直都是难以解决的问题。
[0005] 就目前太阳能行业的情况来看,大型太阳能热发电系统普遍采用反射式聚光镜将 太阳的能量高度聚集,从而将传热/储热介质的温度大大升高,而透镜则大多使用在CPV系 统当中。使用透射式聚光体结构的好处之一就是光源(即太阳)和吸热装置分别位于聚光 体的两侧,避免了在反射式太阳能聚光器结构中反射效率不足等问题。此外,随着材料科学 的不断进步,制造透镜所需的材料(例如PMMA)成本已经变得非常低廉,而其在恶劣环境下 抗老化的能力则不断提高,已经成为很有竞争力的聚光技术。
[0006] 在各类菲涅尔透镜当中,线性曲面式菲涅尔透镜具有其独特的优势,这些优势可 以概括如下:a.光学效率高(近90%) ;b.对太阳入射角度的精度要求低于一般的菲涅尔 透镜;c.因而对自动跟踪系统的精度要求相对较低(单轴跟踪即可)。
[0007] 大型太阳能热发电系统所面临的挑战是,通常需要征用大片的土地,对环境的影响需要评估,需要建设庞大的电力传输系统,灵活性差,投资规模非常巨大等等。因此,克服 上述缺陷,将太阳能热发电、热利用系统小型化,独立化,分布化是进一步推广太阳能利用 的重要手段之一。
发明内容
[0008] 本实用新型目的是提供一种透射式线聚焦太阳能集热系统,具有结构简单实用, 系统模块化,免外部跟踪,但仍然能够最大限度地吸收,利用太阳光所携带能量的优点。
[0009] 该系统由以下几个主要部分组成:
[0010] 太阳能采集装置,由多个线性曲面式菲涅尔透镜组成,位于每个金属吸热管前端, 透镜呈曲面长条形,每个透镜的宽度在150毫米至200毫米之间,透镜与透镜之间保持一定 的距离,透镜对入射太阳光进行聚焦,聚焦后所形成的光斑为条状,聚焦比为20〜25倍;
[0011] 太阳能热量吸收装置,用于吸收太阳能热量,位于每个线性曲面式菲涅尔透镜后 端,对应于每个线性曲面式菲涅尔透镜,在其聚焦的直线上,配置相应的金属吸热管,相对 于每一面透镜,都有一段金属吸热管与之相配合,金属吸热管表面涂有吸收涂层,每一面透 镜的金属吸热管全部串联在一起组成一套太阳能热量吸收装置,该装置有一个入口和一个 出口,导热介质在循环泵的作用下进入吸收装置的入口端,经过金属吸热管被加热后的介 质随后经过出口端被输送到能量使用单元;
[0012] 内置自动跟踪装置,用于带动线性曲面式菲涅尔透镜在壳体内部对太阳光进行单 轴跟踪,透镜以金属吸热管为轴做轴向旋转;
[0013] 机壳,太阳能采集装置,太阳能热量吸收装置,自动跟踪装置和有关部件均位于其 中,形成一个独立的模块或单元。所述的金属吸热管两侧的壳体上设有太阳能电池片。
[0014] 所述的太阳能采集装置,位于壳体内前端面,由多个线性曲面式菲涅尔透镜组成, 每个透镜的上下两端固定在以金属吸热管为轴的传动杆前端。
[0015] 所述的太阳能热量吸收装置,位于壳体内后端面与太阳能采集装置之间,每一面 透镜的金属吸热管全部串联呈S形。
[0016] 所述的内置自动跟踪装置采用微型无刷直流电机驱动配合光传感器对太阳光进 行跟踪,位于壳体内一端,包括连接各传动杆后端的连杆,带动连杆运动的凸轮杆和带动凸 轮运转的电机轴。自动跟踪系统的供电由太阳能电池片提供。
[0017] 上述结构设计达到了本实用新型的目的。
[0018] 本实用新型通过同一壳体内多个线性曲面式菲涅尔透镜对入射太阳光进行线聚 焦,从而使能量集中在与这些透镜相对应的金属吸热管上。金属吸热管在受到高度聚焦的 光束照射后,其内部流动的导热介质的温度持续增高,从而使得介质携带有大量的热能量。 经过加热的导热介质在循环泵的作用下被输送到能量使用单元,例如制冷设备,发电设备 等等。在能量使用单元中,热能量被消耗。在一天当中,系统通过内置式自动跟踪装置,对 太阳的运动轨迹进行跟踪。自动跟踪系统的供电,由安装在吸热管道周围的太阳能电池片 来提供。
[0019] 本实用新型具有结构简单实用,系统模块化,免外部跟踪,但仍然能够最大限度地 吸收,利用太阳光所携带能量,利于推广太阳能的利用,可方便地安装放置,使用成本低、使 用寿命长、使用效果好。附图说明
[0020] 图1是本实用新型的一个系统结构实施例的运行原理图。
[0021] 图2是本实用新型的一个系统结构实施例的示意图。
[0022] 图3是一个内置自动跟踪装置实施例的示意图。
具体实施方案
[0023] 如图1至图3所示,一种透射式线聚焦太阳能集热系统,主要由太阳能采集装置和 机壳3所组成,该系统由以下几个主要部分组成:
[0024] 太阳能采集装置,由多个线性曲面式菲涅尔透镜1组成,位于每个金属吸热管2 前端,每个透镜呈曲面长条形,每个透镜的宽度在150毫米至200毫米之间,透镜与透镜之 间保持一定的距离,透镜对入射太阳光进行聚焦,聚焦后所形成的光斑为条状,聚焦比为 20〜25倍。
[0025] 太阳能热量吸收装置,用于吸收太阳能热量,位于每个线性曲面式菲涅尔透镜后 端,对应于每个线性曲面式菲涅尔透镜,在其聚焦的直线上,配置相应的金属吸热管,相对 于每一面透镜,都有一段金属吸热管与之相配合,金属吸热管表面涂有吸收涂层,每一面透 镜的金属吸热管全部串联在一起组成一套太阳能热量吸收装置,该装置有一个入口和一个 出口,导热介质在循环泵的作用下进入吸收装置的入口端,经过金属吸热管被加热后的介 质随后经过出口端被输送到能量使用单元;
[0026] 内置自动跟踪装置,用于带动线性曲面式菲涅尔透镜在壳体内部对太阳光进行单 轴跟踪,透镜以金属吸热管为轴做轴向旋转;
[0027] 机壳,太阳能采集装置,太阳能热量吸收装置,自动跟踪装置和有关部件均位于其 中,形成一个独立的模块或单元。
[0028] 所述的金属吸热管两侧的壳体上设有太阳能电池片。
[0029] 所述的太阳能采集装置,位于壳体内前端面,由多个线性曲面式菲涅尔透镜组成, 每个透镜的上下两端固定在以金属吸热管为轴的传动杆8前端。
[0030] 所述的太阳能热量吸收装置,位于壳体内后端面与太阳能采集装置之间,每一面 透镜的金属吸热管全部串联呈S形。
[0031] 所述的内置自动跟踪装置采用微型无刷直流电机驱动配合光传感器对太阳光进 行跟踪,位于壳体内一端,包括连接各传动杆后端的连杆9,带动连杆运动的凸轮杆4和带 动凸轮6运转的电机轴5,自动跟踪系统的供电由太阳能电池片提供。
[0032] 本实施例以五块线性曲面式菲涅尔透镜共同构成透射式太阳能聚光器,对应于每 一块透镜,在其正下方焦线处放置一根金属吸热管,因此,共有五根金属吸热管平行排列。 由图中可以看出,透镜与透镜,透镜与边框之间都留有一定的空隙,这样做的目的是保证在 系统对太阳光进行跟踪时,透镜不会受到遮挡。随着太阳在一天当中的移动,五块菲涅尔透 镜也在自动跟踪系统的带动下,做轴向的旋转,以保证太阳光线以0°的入射角入射到透镜 的表面。
[0033] 参见图2,五根吸热管之间用弯管连接,形成一条通路,供导热介质循环流动。从聚 光性能上来分析,由于所用菲涅尔透镜是非成象系统,因此,只要将太阳光聚集到一个狭长的区域即可,而并非一条严格的几何光线。从设计角度来讲,这个狭长区域的大小应该正好 与金属吸热管的尺寸相匹配,以达到最佳的吸热效果。
[0034] 参见图3,每个透镜的上下两端固定在对应的每个传动杆前端,每个传动杆中端以 金属吸热管为轴,连杆连接各传动杆后端,连杆两端接位于连杆两端的滑槽10内的滑块7, 凸轮杆4 一端带动一端的滑块,凸轮杆另一端与凸轮6周边轴接,采用微型无刷直流电机驱 动电机轴带动凸轮运转,配合光传感器控制无刷直流电机运转带动电机轴带动凸轮运转, 凸轮杆通过滑块、连杆和传动杆带动每个透镜,对太阳光进行跟踪。
[0035] 与大多数太阳能自动跟踪系统一样,本实用新型中的内置式自动跟踪装置的目的 也是为了保证太阳光对于菲涅尔透镜的入射角为0°,但由于使用了线性曲面式菲涅尔透 镜,此种透镜对入射角非0°的光线也具有较强的接收能力,况且金属吸热管并非在一条严 格的几何光线上接光能,而是在一个狭长的区域,从而导致对自动跟踪装置的精度要求可 以较常规的自动跟踪装置适当放宽。内置式自动跟踪装置由光传感器以及由软件控制的 驱动装置来驱动,由于体积小,重量轻,比普通外部自动跟踪装置灵活,耗电量也非常小。此 外,若再安装一块高度透明面板,则整个系统成为一个封闭式系统,这对提高系统效率,延 长系统寿命,降低可能出现的维修费用将起到非常积极的作用。在透镜与透镜之间的间隙, 可以安装一定数量的太阳能电池片,这样一来,既可以提供微型无刷式直流电机所需要的 电能,还可以对外输出一定的电能,整个系统也升级成PV/T(即光伏/光热)系统。这样做 的另外一个好处就是不但避免了透镜之间相互遮挡,还最大限度地利用了阳光采集面积。
[0036] 在实际工程中,整个系统可能由若干个以上单元所组成以提供更多的能量,这时, 可以将这些单元串联起来,以提高输出的能量。在考虑连接方案时,一个重要的因素就是对 导热介质加热的温度,这取决于以下几个方面:1)负载对总能量的要求;2)负载对温度的 要求;3)导热介质的温度特性;4)流速的限制;5)导热介质的初始温度。考虑到太阳能的 不确定性,增加一个预热装置可以带来以下几个方面的好处:利用传统能源(例如天然气) 对导热介质进行预热,例如预热到150°C,可使得导热介质在进入太阳能吸热装置时,具有 比较理想的粘度。而理想的粘度不但可以降低循环泵的功率损耗,提高系统在一天运行中 的利用率,还可以保证在每天早晨整个系统顺利投入一天的运行。
[0037] 总之,本实用新型具有结构简单实用,系统模块化,免外部跟踪,但仍然能够最大 限度地吸收,利用太阳光所携带能量,利于推广太阳能的利用,可方便地安装放置,使用成 本低、使用寿命长、使用效果好。
6

Claims (5)

  1. 一种透射式线聚焦太阳能集热系统,主要由太阳能采集装置和机壳所组成,其特征在于:该系统由以下几个主要部分组成:太阳能采集装置,由多个线性曲面式菲涅尔透镜组成,位于每个金属吸热管前端,透镜呈曲面长条形,每个透镜的宽度在150毫米至200毫米之间,透镜与透镜之间保持一定的距离,透镜对入射太阳光进行聚焦,聚焦后所形成的光斑为条状,聚焦比为20~25倍;太阳能热量吸收装置,用于吸收太阳能热量,位于每个线性曲面式菲涅尔透镜后端,对应于每个线性曲面式菲涅尔透镜,在其聚焦的直线上,配置相应的金属吸热管,相对于每一面透镜,都有一段金属吸热管与之相配合,金属吸热管表面涂有吸收涂层,每一面透镜的金属吸热管全部串联在一起组成一套太阳能热量吸收装置,该装置有一个入口和一个出口,导热介质在循环泵的作用下进入吸收装置的入口端,经过金属吸热管被加热后的介质随后经过出口端被输送到能量使用单元;内置自动跟踪装置,用于带动线性曲面式菲涅尔透镜在壳体内部对太阳光进行单轴跟踪,透镜以金属吸热管为轴做轴向旋转;机壳,太阳能采集装置,太阳能热量吸收装置,自动跟踪装置和有关部件均位于其中,形成一个独立的模块或单元。
  2. 2.按权利要求1所述的透射式线聚焦太阳能集热系统,其特征在于:所述的金属吸热 管两侧的壳体上设有太阳能电池片。
  3. 3.按权利要求1所述的透射式线聚焦太阳能集热系统,其特征在于:所述的太阳能采 集装置,位于壳体内前端面,由多个线性曲面式菲涅尔透镜组成,每个透镜的上下两端固定 在以金属吸热管为轴的传动杆前端。
  4. 4.按权利要求1所述的透射式线聚焦太阳能集热系统,其特征在于:所述的太阳能热 量吸收装置,位于壳体内后端面与太阳能采集装置之间,每一面透镜的金属吸热管全部串 联呈SB。
  5. 5.按权利要求1所述的透射式线聚焦太阳能集热系统,其特征在于:所述的内置自动 跟踪装置采用微型无刷直流电机驱动配合光传感器对太阳光进行跟踪,位于壳体内一端, 包括连接各传动杆后端的连杆,带动连杆运动的凸轮杆和带动凸轮运转的电机轴,自动跟 踪系统的供电由太阳能电池片提供。
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