CN201628804U - 一种太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统 - Google Patents

一种太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公布了一种太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，采用多个反射镜、菲涅尔镜、平面镜组成的一组太阳能光学镜，将每一个镜的转轴设置在一个非直线型的器件上，每一个太阳能光学镜可以绕轴进行转动，由于太阳能利用设备被设置在一个圆柱体区间内并且在地面或建筑物上，在太阳能镜运动时保持不动，因而其焦距是变化的变焦跟跟踪，太阳能利用设备设置在圆柱体内就实现了聚焦跟踪的太阳能的多种利用。本实用新型提供了其阵列结构，适合于不同规模的系统，同时也适合于大规模的利用太阳能，特别是太阳能的光伏发电、热发电、高温蒸汽、供暖、烹饪。

Description

一种太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统
技术领域
本实用新型涉及太阳能利用，特别是太阳能聚焦跟踪焦点为直线的线性跟踪以及组成阵列跟踪及其利用。
背景技术
太阳能跟踪主要由槽式、塔式和蝶式三种，由于槽式系统为单向跟踪相对技术难度比较低，同时由于太阳能选择涂层以及真空管技术在100-400度的温度区间具备产业化生产能力，因而可以迅速的被批量生产，在国际上被最早的商业化应用的就是槽式系统。
国际上的槽式系统的主要的跟踪方式采用将一个换热管设置在槽式系统的焦线位置，在换热管内充入导热油，由电机驱动导热油流动从而实现热能的采集。在跟踪太阳能的过程中导热油在管道内一起运动，在导热油管道与流出端采用波纹管的方式实现运动的管道与不运动的管之间的连接；由于波纹管需要耐高温、可靠性高等要求，因而成为关键器件，同时该种连接无法保证保温性要求，因而系统的热损非常高。
中国专利200710176966提供了一种组合的跟踪系统，可以用于槽式、塔式结合的跟踪系统，其跟踪的方式采用将焦点不动而太阳能镜系统进行运动的方式，主要是采用在地面上设置两个轨道进行跟踪，而槽式系统线聚焦系统，利用其线性轴与地球自传轴平行放置，因而可以采用一个方向的转动实现跟踪，但是该方案采用在地面上的转动来实现槽式跟踪，显然不能实现跟踪，因而发明者在方案中进一步设置了俯仰跟踪，这样槽式系统就不是单向跟踪，而成为双向的跟踪，因而发明者没有解决槽式单向跟踪时焦线不运动的跟踪问题。
本实用新型人在200610020352发明中公布了变焦跟踪的太阳能利用系统，主要采用盘式或十字型双向跟踪方式实现变焦跟踪，但是该系统不是采用单向跟踪。
发明内容
本实用新型的目的就是提供一种太阳能线性多镜变焦单向跟踪及利用系统及其多种的太阳能利用，采用多个反射镜、菲涅尔镜、平面镜组成的一组太阳能光学镜，将每一个镜的转轴设置在一个抛物线或弧形的器件上，每一个太阳能光学镜可以绕轴进行转动，由于太阳能利用设备被设置在一个圆柱体区间内并且在地面或建筑物上，在太阳能镜运动时保持不动，因而其焦距是变化的变焦跟跟踪，太阳能利用设备设置在圆柱体内就实现了聚焦跟踪的太阳能的多种利用。
本实用新型采用焦线不运动的结构设计，使得热管可以被应用于系统传热，同时由于焦线不动，可以在焦线上设置其他太阳能利用设备，如太阳能光伏发电设备、斯特林发电机、太阳能干燥设备等重量比较大的设备，可以采用小的驱动力就可以实现对太阳能跟踪和驱动。
本实用新型提供了其阵列结构，适合于不同规模的系统，同时也适合于大规模的利用太阳能，特别是太阳能的光伏发电、热发电、高温蒸汽、供暖、烹饪、制冷等。
具体发明内容如下：
太阳能线性多镜变焦单向跟踪及利用系统，包括至少一个太阳能利用设备、至少一组光学镜其中每组光学镜由多个太阳能线性聚焦光学镜组成、使太阳能线性聚焦光学镜能跟踪太阳运动的太阳能跟踪装置(4)、动力驱动装置、以及电子控制系统，每组光学镜共同聚焦于一个圆柱区域内，至少有一个太阳能利用设备设置在该圆柱区域内并保持不动，所述的跟踪装置包括由非直线型器件组成的太阳能镜支架、用于支撑整个系统的跟踪支架、以及动力传输机构，所述太阳能镜支架设置在跟踪支架上，每个太阳能线性聚焦光学镜上设置有至少一个转轴，每组的太阳能镜的转轴设置在一个太阳能镜支架上，通过动力驱动装置(6)驱动动力传输机构，使线性聚焦光学镜运动，从而实现使每组光学镜的焦线始终保持在太阳能利用设备所在的圆柱区域内。
由于采用非直线的太阳能镜支架可以为每组光学镜的运动提供更灵活和方便的支撑与运动轨迹，同时可以降低成本、提高跟踪效率，根据需要可以选择不同类型的支架系统，但是非直线型太阳能镜支架通常可以选择下列至少一种形状的器件：
A、抛物线型；
B、弧形；
C、或圆形器件；
D、多边形支架；
E、复合抛物线型。
为了实现动力驱动装置(6)驱动动力传输机构，实现光学镜对太阳能的跟踪，动力传输装置(10)的一端与驱动装置进行连接，至少另一端设置在转轴上、太阳能镜支架上或者太阳能镜的边框上。
任何通过动力驱动系统(6)驱动动力传输机构，都可以用于本实用新型的太阳能跟踪，所述的动力传输机构选择下列之一：齿轮机构(10)、链条机构、涡轮蜗杆机构、铰链机构。
其中当动力传输装置(10)的另一端设置在太阳能线性聚焦光学镜的转轴上时，转轴与光学镜固定连接，通过动力驱动装置驱动传输装置的齿轮或者链条或者铰链机构，使转轴转动，从而带动太阳能线性聚焦光学镜围绕转轴转动；当动力传输装置设置在太阳能镜支架上时，可以驱动太阳能镜支架进行运动；当动力传输装置直接设置在太阳能线性聚焦光学镜上时，可以直接驱动太阳能线性聚焦光学镜进行运动。
由于线聚焦系统不动，可以将任何的太阳能利用设备设置在此区域内，甚至可以将大重量的设备设置在焦线区域，在焦线与太阳能镜的焦距范围内，都可以设置太阳能利用设备，根据温度与空间等要求，可以选择任何不大于焦距的范围设置太阳能利用设备，通常太阳能利用设备可以选择自下列至少一种：
A、太阳能直接转化为电能的太阳能设备；包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜电池、燃料电池等；
B、将太阳能转化为热能的热管；热管上设置有太阳能选择涂层，可以将太阳能转换为热能，特别是耐高温的太阳能选择涂层，同时在热管上还可以设置翅片来增加转换与换热效率。
C、将太阳能转化为流体的热能流体换热器；如将导热油同入到一个金属管中，金属管上设置有太阳能选择涂层，可以将太阳能转换为热能，特别是耐高温的太阳能选择涂层，同时在热管上还可以设置翅片来增加转换与换热效率。
D、太阳灶；可以直接的利用太阳灶实现太阳能中高温的利用。
E、将太阳能转化为热能并且通过热能进行发电的设备，优选为斯特林发电机；
F、太阳能干燥、裂解设备。任何被干燥的器件或被分离、裂解的物质。
在同一个太阳能利用系统中，可以选择不同的利用设备，从而实现多种的太阳能利用，特别是针对家庭及区域的应用，可以同时为区域提供发电、供暖、干燥、蒸汽、热水等多种应用，实现区域及部门的能源供应。当选择热管设备时实现将热管技术完美的与光学镜系统结合起来，实现利用热管技术实现高效的热能采集及传输，减少了系统的采集及传输热损。
太阳能线性聚焦光学镜的焦线选择下列方式之一进行放置：与地球自转轴平行、与地球自转轴平行夹角最小、与地面平行、与水平面平行，优选为与地球自转轴平行放置。为了达到最优的单轴跟踪，采用将线聚焦的轴线与地球自传轴平行设置，同时采用将线聚焦光学镜以焦线为轴进行运动，取代太阳能镜与焦线同时运动，实现了将焦线不运动的跟踪，这样使得热管技术等其他的太阳能利用设备被应用于槽式系统，从而解决了槽式系统的不足和应用限制。
任何的可以线聚焦的光学镜都可以用于太阳能的采集，太阳能线性聚焦的光学镜优选的选择自下列一种：
A、线性复合抛物面反射镜；
B、线性菲涅尔透镜或反射镜；
C、线性凹、凸透镜；
D、线性抛物面反射镜；
E、玻璃、金属、非金属的平面反射镜。
通过动力驱动系统(6)驱动动力传输机构(10)，实现对太阳能的跟踪，所采用的动力驱动系统装置，选自下列之一：
A、机械驱动器件，优选为机械发条、弹簧、跟踪；
B、相变驱动装置，采用密闭在一个空间的物质，随着温度的增大使其压力的增大，来推动运动机构，实现跟踪；
上述A、B两种跟踪不需要耗费电能，成为无电驱动；
C、利用电能带动电机或液压装置驱动动力传输机构(10)来实现跟踪；
D、通过电或光的传感器的信号，通过比较不同部位的太阳能转化器件的电流、电压值和/或光亮度值，由计算机或单片机来调整电机(6)的运动实现的跟踪；
上述C、D两种跟踪需要耗费电能，成为耗电驱动。
为了便于使用，可以将该系统设置在不同的区域，既可以设置在地面，也可以设置在建筑物顶部，通常采用多个太阳能利用设备(1)设置为一个阵列，每个阵列可以设置在一个共同的平台上或设置在一个地面和/或建筑物的区域。其中至少有多个太阳能利用设备(1)设置为一个阵列，每个阵列由多组太阳能镜、跟踪系统、支架系统、太阳能利用设备组成，对同一排和/或同一列的太阳能利用设备，共用一个动力驱动设备(6)。
在每个阵列上设置多排、列太阳能利用设备(1)，每一个阵列上的每排或列太阳能利用设备(1)通过热管系统(9)，多个阵列之间通过热管系统(9)换热或者直接利用。
在进行对太阳能的跟踪过程中，可能出现跟踪的误差，或者部分的太阳光由于散射等原因，经过第一次的太阳能光学镜线聚焦后太阳光处于太阳能利用设备之外的区域，为了减少此部分的损失，采用了二次聚焦，即在太阳能利用设备上设置一个二次聚焦的太阳能镜，将一次聚焦损失的太阳能光经二次聚焦后将太阳能光聚焦到太阳能利用设备上，通常可以选择至少下列一种二次聚焦光学镜(8)：
A、线性复合抛物面反射镜；
B、线性菲涅尔透镜或反射镜；
C、线性凹、凸透镜；
D、线性抛物面反射镜；
E、玻璃、金属、非金属的平面反射镜。
可以将二次聚焦光学镜设置在太阳能利用设备上，与一次聚焦的太阳能镜一起转动，这个样一次和二次聚焦的太阳能镜可以采用同一个跟踪设备和驱动设备实现对太阳能的二次聚焦，提高了太阳能利用的效率。
本实用新型选择的方案是实现本实用新型目的的优选方案，任何符合本实用新型的原理的方案和技术、产品，都是本实用新型的保护范围。
采用本实用新型的技术方案可以达到下列有益效果：
1、可以减少器件的运动范围，减少跟踪的动力驱动部分的能耗，实现高效、高可靠、低成本的跟踪以及太阳能的利用。
2、可以实现多种的太阳能利用，太阳能的发电、热电联产、蒸汽、供暖、制冷、热水、烹饪等，包括对大重量的设备的应用，极大的扩展了槽式太阳能利用的技术与范围，增强了应用的可靠性，提高了系统的载重量。
3、可以便于实现阵列的太阳能的利用，实现不同的太阳能产品的高效的大规模的利用。
4、可以适合于小型区域及家庭的综合利用，同时实现供暖、发电、烹饪、等多种应用，实现区域能源供应。
5、适合于任何的形式的太阳能镜的使用，可以根据需要选择适合的太阳能镜。
附图说明
图一是多抛物线反射镜太阳能线跟踪及利用系统
图二是多菲涅尔反射镜跟踪及利用系统
图三是多菲涅尔反射镜跟踪阵列跟踪及利用系统
图四是多菲涅尔反射镜跟踪阵列跟踪及利用系统
图中具体标号的含义如下：
1：太阳能利用设备，2：太阳能线聚焦光学镜，3：太阳能镜支架，4：跟踪支架，5：转轴，6：动力驱动装置(电机)，7：齿轮，8：二次太阳能反射镜，9：动力传输系统，10：热管传热系统；
具体实施方式
实施例一：多抛物线反射镜太阳能线跟踪及利用系统
本图为一个侧视图，太阳能镜(2)为四个抛物面反射镜(2)，太阳能利用设备(1)为一个热管，抛物面镜设置在一个抛物线型的器件上，在每一个抛物线镜上设置有一个轴，太阳能镜可以沿着转轴(5)进行转动，四个太阳能镜通过不同的运动实现对太阳能的跟踪，同时将太阳能光聚焦到热管(10)上，四个抛物线镜采用同一个驱动系统，传递机构为齿轮组，不同的太阳能镜的齿轮齿数不同，从而可以采用不同的转速有驱动不同的太阳能镜进行运动，实现对太阳能跟踪及利用。
实施例二：多菲涅尔反射镜跟踪及利用系统
如图2所示，本例采用双组菲涅尔反射镜系统实现太阳能跟踪，其中每一组太阳能镜为2个菲涅尔反射镜，两组太阳能镜跟踪系统串联；太阳能利用设备(1)为一个太阳能光伏与光热综合利用系统，单晶硅的太阳能电池板设置在真空管的内部，同时还设置有一个水冷装置为太阳能电池板提供散热装置，这样既可以实现聚焦光伏发电又可以实现热水的利用；四个菲涅尔反射镜固定在三个圆环型器件上，动力驱动装置为一个电机(6)，动力传输装置为设置在圆环上的齿轮机构，电机通过齿轮机构驱动设置在圆环上的齿轮，使得太阳能镜在圆环上进行转到，实现了对太阳能的跟踪以及利用。
实施例三、多菲涅尔反射镜跟踪阵列跟踪及利用系统
如图三所示，本案例为多镜阵列跟踪系统，采用四个菲涅尔反射镜，动力驱动装置为一个电机，电机通过链条的动力传输设备驱动两个设置在焦线转轴上的齿轮，实现对2*2阵列的太阳能跟踪，太阳能利用设备为热管系统，热管为两组反射镜中的焦线部分的构成热管的蒸发端，由两个蒸发端共同连接后组成冷凝端，冷凝端再与其换热器换热，形成高温高压蒸汽，从而实现太阳能热发电。
实施例四、多菲涅尔反射镜跟踪阵列跟踪及利用系统
如图四所示，有三个多菲涅尔组成的一组太阳能镜跟踪系统，每个多菲涅尔设置在两个圆形的太阳能镜支架上，每个菲涅尔镜设置有两个转轴，动力部分为电机，通过电机驱动三个齿轮组，分别实现对每一个菲涅尔的驱动，驱动部分的齿轮设置在菲涅尔镜的转轴上，通过一个实现对整个系统的驱动。
根据本实用新型的原理，可以实现其他的实施例，但是只要符合本实用新型的条件，都属于本实用新型的实施内容。

Claims (10)

1.一种太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，包括至少一个太阳能利用设备、至少一组光学镜其中每组光学镜由多个太阳能线性聚焦光学镜组成、使太阳能线性聚焦光学镜能跟踪太阳运动的太阳能跟踪装置、动力驱动装置、以及电子控制系统，每组光学镜共同聚焦于一个圆柱区域内，至少有一个太阳能利用设备设置在该圆柱区域内并保持不动，其特征是：所述跟踪装置包括由非直线型器件组成的太阳能镜支架、用于支撑整个系统的跟踪支架、以及动力传输机构，所述太阳能镜支架设置在跟踪支架上，每个太阳能线性聚焦光学镜上设置有至少一个转轴，每组的太阳能镜的转轴设置在一个太阳能镜支架上，通过动力驱动装置驱动动力传输机构，使线性聚焦光学镜运动，从而实现使每组光学镜的焦线始终保持在太阳能利用设备所在的圆柱区域内。
2.根据权利要求1所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：所述的非直线的太阳镜支架选择下列至少一种形状的器件：
A、抛物线型；
B、弧形；
C、或圆形器件；
D、多边形支架；
E、复合抛物线型。
3.根据权利要求1所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：所述动力传输装置一端与驱动装置进行连接，至少另一端设置在转轴上、太阳能镜支架上或者太阳能镜的边框上。
4.根据权利要求1所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：所述动力传输机构选择下列之一：齿轮机构、链条机构、涡轮蜗杆机构、铰链机构。
5.根据权利要求1所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：太阳能利用设备选择下列至少一种：
A、太阳能直接转化为电能的太阳能设备；
B、将太阳能转化为热能的热管，或者在热管外部设置有真空管系统并且与热管进行密闭连接的热管真空管系统；
C、将太阳能转化为流体的热能流体换热器，或者在流体换热器外部设置有真空管系统并且与流体换热器进行密闭连接的流体换热器真空管系统；
D、太阳灶；
E、将太阳能转化为热能并且通过热能进行发电的设备；
F、太阳能干燥、裂解设备。
6.根据权利要求1所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：太阳能线性聚焦光学镜的焦线选择下列方式之一进行放置：与地球自转轴平行、与地球自转轴平行夹角最小、与地面平行、与水平面平行，优选为与地球自转轴平行放置。
7.根据权利要求1所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：在太阳能利用设备的周围，还设置有二次反射镜，太阳能线性聚焦的光学镜以及二次反射镜选择自下列至少一种：
A、线性复合抛物面反射镜；
B、线性菲涅尔透镜或反射镜；
C、线性凹、凸透镜；
D、线性抛物面反射镜；
E、玻璃、金属、非金属的平面反射镜。
8.根据权利要求1或2所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：所采用的动力驱动系统装置，选自下列之一：
A、机械驱动器件，优选为机械发条、弹簧、跟踪；
B、相变驱动装置，采用密闭在一个空间的物质，随着温度的增大使其压力的增大，来推动运动机构，实现跟踪；
C、利用电能带动电机或液压装置驱动动力传输机构来实现跟踪；
D、通过电或光的传感器的信号，通过比较不同部位的太阳能转化器件的电流、电压值和/或光亮度值，由计算机或单片机来调整电机的运动实现的跟踪。
9.根据权利要求1-7中任一所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：至少有多个太阳能利用设备设置为一个阵列，每个阵列由多组太阳能镜、跟踪系统、支架系统、太阳能利用设备组成，对同一排和/或同一列的太阳能利用设备，共用一个动力驱动设备，每个阵列可以设置在一个共同的平台上或设置在一个地面和/或建筑物的区域。
10.根据权利要求1-7中任一所述的太阳能线性多镜变焦单向跟踪利用系统，其特征是：在每个阵列上设置多排、列太阳能利用设备，每一个阵列上的每排或列太阳能利用设备通过热管系统，多个阵列之间通过热管系统换热或者直接利用。
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