CN202018534U - 一种菲涅尔聚集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种菲涅尔聚集装置，包括反射镜镜场、接收装置和维护检修空间，其中反射镜镜场由至少一列平行布置的反射镜条组成，接收装置平行布置于反射镜条上，维护检修空间设置在反身镜镜场的下底部。通过本实用新型可以解决聚光效率不高的消光、容差率和遮挡率的严重问题以及装置在检修和维护带来的不便问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能聚光装置，特别是涉及一种菲涅尔聚集装置。
背景技术
太阳能作为一种洁净、环保的能源，长期以来人们一直致力于对其的开发和利用。特别是近年来，由于油价的不断攀升和对环境保护要求的提高，以及大气二氧化碳排放量的限制，各国更加努力地开展了太阳能利用方面的研究，特别是对如何更高效地获得和利用太阳能投入了更多的精力。
太阳能光热发电是实现大功率发电、替代常规能源的最为经济的手段之一，太阳能光热发电的三种方式各自优势缺点非常明显，如：塔式效率高，但一次性投入大；槽式成本低，但相对塔式和蝶式效率低；蝶式单机可标准化生产，但规模很难做大。
聚光光伏(CPV)是指将汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能的技术，聚光光伏也是实现低成本太阳能发电的一种选择，聚光方式中菲涅尔阵列方案也是其一。
线性菲涅尔太阳能聚光装置主要包括线性菲涅尔反射镜条系统及接收装置，该线性菲涅尔反射镜条系统包括线性反射镜条场，该线性反射镜条场由多个并排平行设置的反射镜条组成，同时这些反射镜条可通过跟踪装置驱动以跟踪太阳的运动，持续保证将入射光反射到接收装置。这些反射镜条反射的太阳光被集中射向设置于这些反射镜条上方的接收装置内，通过该接收单元将太阳能转化为热能或电能。通常一个接收装置可设置在多个反射镜条之间，以便接收该多个反射镜条反射的太阳光。
目前的线性菲涅尔太阳能聚光系统中，菲涅尔镜场水平直线地布置，贴近基础面如地面，带来一些不便的因素，例如1、通常而言贴近地面的灰尘扰动比较多，且潮气较重，太阳光线入射菲涅尔镜场的反射镜条后反射至高高架起的接收装置，经过两次尘埃层，会有消光效应，减少一定的光效；2、 一定时间后菲涅尔镜场的反射镜条面灰尘增厚，严重减少了反射镜条的反射能力，需要较短周期的定期清洗，同时因为菲涅尔镜场紧密排列布置于地面之上，操作人员并不方便清洗，只有将反射镜条转动到垂直位置，操作人员从反射镜条之间的缝隙中进入进行操作，如此反射镜条的宽度必须很宽，例如2米，此尺寸较大，所需强度提高，制作成本很难下降；3、反射镜条的平板反射镜设计，从理论上说，平板反射镜条的宽度与接收器的宽度相近，为了提高跟踪角度的容差性，接收装置的接受宽度大于平板反射镜条的宽度；为了获得菲涅尔镜场的布置对称和更少的端部损失效应(会聚的光线偏出接受器的轴向过多)，目前的镜场一般采用南北布置，如此需要跟踪的范围较宽，例如正负80度，因此反射镜镜场特别是镜场边缘的反射镜条的容差率很小(或所需的接收装置的宽度很宽)，为获得更高的聚光倍数和更好的容差率，反射镜镜场宽度很宽，反射镜条的数目众多，且接收装置被布置的很高，例如18米以上，即使如此能达到的传热介质的温度大约为250℃～300℃，同时因接收装置等的所需强度的提高，对应的材料成本无法消减；4、反射镜镜场水平直线布置，反射镜条在跟踪的过程中，特别是每组反射镜镜场的边缘反射镜条之间的遮光率很严重(前反射镜条的背部遮挡了后反射镜条反射来的光线)，降低了反射镜条的聚光效率；5、反射镜镜场直接布置于地面之上，占地面积较大，土地利用率不高，浪费了土地资源。因此如何提高菲涅尔的反射镜场的聚光效率，检修和维护不便，建设成本和场地利用率等问题，成为菲涅尔聚集技术的重大课题。
实用新型内容
本实用新型的目的主要在于解决如下问题：1、聚集装置聚光效率不高的消光、容差率和遮挡率的严重问题；2、聚集装置检修和维护的不便问题；3、聚集装置占地面积大，土地利用率不高的问题；4、其它一些影响成本及可靠性的问题。
为解决上述问题，本实用新型提供了一种菲涅尔聚集装置，包括反射镜镜场、接收装置和维护检修空间，其中反射镜镜场由至少一列平行布置的反射镜条组成，线性接收装置平行布置于反射镜条上，维护检修空间设置在反身镜镜场的下底部，人员及装备通过此空间接近反射镜组等 装置机构，进行安装调试、清洁维修等工作。
在进一步的实施方式中，所述反射镜条的反射镜面型为柱面面型，且能绕自身的旋转轴旋转。
优选地，所述反射镜条的反射镜面型为特殊柱面，具有一定的会聚能力，且能绕自身的旋转轴旋转。
在进一步的实施方式中，所述反射镜镜场垂直截面内反射镜条的转轴位置沿直线布置，跟踪过程中各反射镜镜条具有相同转动角度。
优选地，所述反射镜镜场中间位于接收装置正下方的一定宽度内布置可改变位置例如靠两边垂直竖立的反射镜条，以便腾出空间形成中心通道，以方便机械车辆通行和进行高空作业。
优选地，所述反射镜镜场垂直截面内反射镜条转轴位置沿曲线阵列布置，以获得较少的遮光率。
优选地，每组镜场中，所述转轴位置沿凹型曲线布置。
在进一步的实施方式中，所述反射镜条的宽度不一致，反射镜条宽度在每组反射镜镜场中越靠近接收装置的正下方其宽度越宽，以使各反射镜镜条获得相近的容差率，并减少反射镜条数量。
优选地，所述反射镜镜场布置的凹型曲线拟合为两段夹角小于180°的内凹分布的直线布置，左右分别使用连杆式多组联动，减化结构，降低成本。
优选地，所述反射镜镜场下部为拱形支撑结构，通过反射镜条转轴支撑反射镜镜场，提高机械强度。
在进一步的实施方式中，所述菲涅尔聚集装置可以应用于光伏领域，所述接收装置为线性布置的太阳能电池组。
在此应用方式中，线性布置的太阳能电池组沿线性焦线平行的方向上可进一步设置复合抛物聚集器装置(CPC)，对焦线方向的光线进行一定的会聚，形成沿焦线方向排布的间断准二维聚光接收。
在进一步的实施方式中，所述菲涅尔聚集装置可以应用于光热领域时，所述接收装置为线性集热器。
优选地，接收装置由至少一个U型集热管组成，U型集热管包括玻璃套管、内层吸收管和外部布置的复合抛物聚集器装置(CPC)。
在进一步实施方式中，U型集热管的进出口在同一端，且每个U型集热管出口处安装自力式温控阀，通过检测出口介质的温度，控制流量的大小，保持稳定温度的传热介质输出和运行安全。
在进一步的实施方式中，玻璃套管和内层吸收管形成的空间内保持真空状态，以减少U型集热管内部的对流热损失且保护内层吸收管的吸收涂层，延长使用寿命。
优选地，所述玻璃套管和内层吸收管形成的空间内通过连续或间歇抽气，保持动态真空状态。
在进一步的实施方式中，所述维护检修空间下方可以综合利用，例如，停车场或粮食、蔬菜、花卉基地或建筑屋顶等等。
优选地，接收装置布置在反射镜镜场的焦线位置。
优选地，反射镜条的宽度大于或等于接收装置的开口。
优选地，维护检修空间设置在反射镜镜场的下底部，距离地面高度大于等于1.5米。
附图说明
下面将参照附图对本实用新型的具体实施方案进行更详细的说明，在附图中：
图1a是本实用新型的菲涅尔聚集装置的阵列布置示意图；
图1b是本实用新型的菲涅尔聚集装置的阵列布置示意图；
图2是本实用新型的一种实施例的菲涅尔聚集装置整体结构布置示意图；
图3是本实用新型的一种实施例的反射镜镜场结构布置示意图；
图4是本实用新型的单个反射镜条的横截面结构示意图；
图5是本实用新型的接收装置为光伏太阳能电池组的结构布置示意图；
图6是本实用新型的接收装置为光热太阳能集热管的结构布置示意 图。
具体实施方式
图1a和图1b是本实用新型的菲涅尔聚集装置的阵列布置示意图。常规的菲涅尔反射镜镜场2可以设置贴近基础面沿水平方向直线布置，为了获得更优的一些性能，本聚集装置布置如图1a所示，菲涅尔聚集装置的阵列由多个菲涅尔聚集装置单元阵列布置，例如101、102和103，每个菲涅尔聚集装置单元的整体结构1，主要包括架高布置的反射镜镜场2、接收装置3和维护检修空间10；其中反射镜镜场2包括多条平行布置的反射镜条4组成，多个反射镜条4整体在反射镜镜场垂直截面内的反射镜条转轴位置沿凹形的曲线阵列布置，以减少反射镜镜场2内部阵列布置的多个反射镜条4之间的相互遮挡损失以获得较少的遮光率；且反射镜镜场2位于接收装置3正下方的中间一定宽度内布置可改变位置的反射镜条4以便腾出空间，例如靠边垂直竖立，形成中心通道13(见图1b)，以方便人员和机械车辆通行进行高空作业，当完成高空作业后，该位置的反射镜条4回到原位，继续进行反射聚光。为了简化跟踪驱动模式，将反射镜镜场2布置的凹型曲面拟合为两段直线布置，如图1a所示，将原布置于凹形的曲线同侧上的反射镜条4，例如4-1、4-3和4-5，拟合布置于同一条直线上，且每片反射镜条4之下布置有联动连杆11，以实现连杆方式的多反射镜条4联动，减化结构，降低成本。为提高反射镜镜场2的机械强度，在反射镜镜场2下部设置拱形支撑结构12，用于支撑反射镜镜场2。多个反射镜条4的宽度不一致，其中反射镜镜场2中间位置布置的反射镜条4-5较两边布置的反射镜条4-1和4-3的宽度要宽，即每组反射镜镜场2内部布置的反射镜条4的宽度与其布置在镜场内的位置有关，所处位置越接近接收装置3正下方的中心位置，其对应的反射镜条4的宽度越宽，在使各反射镜条4获得相近的光学容差能力的同时，减少反射镜条数量；反射镜条4的宽度不宜制作过大，在节省材料和空间的同时，也能提高反射镜条4的反射镜精度；因本设计的反射镜条4的面型为柱面，具有一定的会聚能力，同时反射镜镜场2的一定布置，例如南北布置，所需跟踪角度的范围较宽，且能在绕自身的旋转轴5旋转的过程中，存在欠焦和过焦现象，在保证一定 的高容差角度后，反射镜条4的宽度与接收装置3的开口相当，或者更宽，也能将不同时刻的太阳光反射至相同的空间内，并且还有合理的容差角度，如此可以可靠地获得更高的聚集倍数，获得更好的传热介质温度，降低装置的所需强度，减少建设成本；实际操作中反射镜镜场2设置为平板反射镜条和特殊柱面的反射镜条，在获得较好的反射镜条聚光的同时，可以有效地控制降低成本；在反射镜镜场2的焦线位置布置接收装置3。
该菲涅尔聚集装置1可以应用于光热领域，接收装置3为线性集热器，如图1a所示，接收装置3由一个或多个相邻平行布置的集热管，如U型集热管6(图1a未示出，见图6)组成，每个U型集热管的进出口在同一端，相邻很近，可在进口端设置自力式温控阀14，不需电子闭环控制装置，运行稳定可靠，实现简单；通过自力式温控阀14检测出口温度以控制U型集热管的流量，保证稳定温度的输出的同时，也保证的系统运行安全，大大简化控制，经济可靠。维护检修空间10位于反射镜镜场2的下底部，距地面一定高度，例如1.5米，以方便工作人员在镜场下方或后下方对反射镜镜场2检查和维修，当对镜面进行清洁维护时，镜条角度调整为竖立或偏向下方。另外如此的设计还可以将反射镜镜场2相对远离地面，起到防潮湿和防灰尘的效果；一定程度减少尘埃层对太阳光线的消光效应；维护检修空间10之下还可以设计成停车场或粮食、花卉种植基地，而且该菲涅尔聚光装置还可以布置于建筑屋顶等等，充分利用日益紧张的宝贵土地资源。该菲涅尔聚集装置1也可以应用于光伏领域，此时接收装置3为线性布置的太阳能电池组，将反射会聚的光转化成电能输出，线性布置的太阳能电池组沿线性焦线平行的方向上可进一步设置复合抛物聚集器装置(CPC)，不需要在此维度内进行主动跟踪，即可对焦线方向的光线进行一定的会聚，形成沿焦线方向排布的间断准二维聚光接收。
本菲涅尔聚集装置1的离地一定高度的维护检修空间10的设计、反射镜镜场2曲线布置设计、反射镜条4的柱面设计，较之传统的菲涅尔镜场水平直线地布置于地面上，具有很多优点：例如，减少了贴近地面的灰尘扰动比较多，且潮气较重的弊端，太阳光线避开尘埃层直接入射菲涅尔镜场和接收装置，减少消光效应，提高聚光效率；避开尘埃层，具有更长的清洗周期，操作人员在定期清洗时轻松方便，且操作环境优越，在反射镜镜场2 底下的阴凉区进行轻松的巡检及维护清洗；反射镜条4宽度不为了清洗人员进入反射镜条之间而设计的很宽，因此所需制作成本下降；反射镜条4设置成柱面结构，较之平板反射镜条，具有一定的会聚能力，在所需大范围跟踪角度时，只需反射镜条完成欠焦和过焦即可，反射镜条4的宽度可以与接收装置3的宽度相近，甚至宽很多，尺寸范围较宽，具有更高的聚光倍数和更好的容差率，且每组反射镜镜场2的总宽度不必设计的很宽，因此接收装置3可以布置的较低，例如6米，所需支撑接收装置3强度的较低，所需成本可以降低；反射镜镜场2的内凹曲面布置，较水平直线布置在反射镜条的跟踪过程中，特别是反射镜镜场2的边缘反射镜条之间的遮光率减轻很多(前反射镜条的背部遮挡了后反射镜条反射来的光线比例减少)，增加了反射镜条的聚光效率；反射镜镜场2离开地面设计维护检修空间10，在满足操作人员的优越环境下轻松完成检修、维护和清洗的同时，还可以在维护检修空间10的下部可以综合利用，设置停车场或其他用途的场地，而且该菲涅尔聚光装置还可以布置于建筑屋顶，最大幅度地提高土地利用率。
图2是本实用新型的一种实施例的菲涅尔聚集装置整体结构布置示意图。图2所示菲涅尔聚集装置整体结构1，主要包括反射镜镜场2和接收装置3；反射镜镜场2由平行布置的反射镜条4组成，多个反射镜条4例如4-1、4-3和4-5东西方向上规律阵列布置，反射镜条4的面型为柱面，且能绕自身的旋转轴5旋转，不同时刻的太阳光反射至相同的空间内；多个反射镜条4-1、4-3和4-5能将太阳光反射会聚于相同的空间内，形成共同的焦线；在反射镜镜场2的焦线位置布置接收装置3，接收装置3由多个相邻平行布置的U型集热管6(详见图6)组成。
图3是本实用新型的一种实施例的反射镜镜场结构布置示意图。如图3所示反射镜镜场2包括多个反射镜条4，例如4-1、4-3、4-5、4-8、4-12和4-12，按照规律布置后将太阳光线会聚于接收装置3附近(会聚点位置，图中没有标示)，如图3所示的4-1，4-3，4-5所处的位置为太阳光正垂直入射时所处的位置为太阳光一定角度入射时，三个不同位置的反射镜条4完成反射任务时，分别处于的位置状态；实际操作中，同一时刻的任何不同位置的反射镜条4对应将太阳光线，完成会聚光线于接收装置3附近的所处的位置状态都不相同；如图3所示，反射镜镜场 2原本沿曲线A分布，在曲线A和接收装置3的正底部一定宽度内布置可改变位置的一条或多条反射镜条4以便腾出空间，例如靠边垂直竖立，设置中心通道13，用以机械车辆通行和完成高空作业；反射镜镜场2内的反射镜条4的宽度随着位置不同宽度不一致，越靠近接收装置3正下方布置的反射镜条4的镜宽宽度越宽，例如，反射镜条4-5宽度大于反射镜条4-1的宽度；为了实现多个反射镜条4的连杆方式的统一联动，将曲线A拟合成两条直线，直线B和直线C，分两组独立地连杆11统一跟踪。图3右边示意了反射镜镜场2的非工作状态，即清洗状态，当反射镜镜场2的反射表面不清洁，且某天不适宜跟踪获取太阳能时，开启清洗模式，将反射镜镜场2内的反射镜条例如4-8、4-10和4-12，改变其位置为近似垂直的状态，对其进行清洗。
图4是本实用新型的单个反射镜条的横截面结构示意图。图4示意了反射镜条4和接收装置3的部分结构；图中反射镜条4的反射镜面为柱面，且示意出了-75°，0，75°的三种太阳光线入射反射镜条4对应于三个不同的反射镜状态，分别为I，II，III，反射镜条4绕自身的旋转轴5旋转，反射镜条4的面型为柱面，具有一定的会聚能力，同时反射镜镜场2的南北方向布置，所需跟踪角度的范围较宽，且能在绕自身的旋转轴5旋转的过程中，存在欠焦和过焦现象，在保证一定的高容差角度后，反射镜条的宽度与接收装置3的开口相当，甚至可以更宽，也能将不同时刻的太阳光反射至接收装置3的空间内，如此可以获得更高的聚集倍数，获得更好的传热介质温度，降低装置的所需强度，减少建设成本。
图5是本实用新型的接收装置为光伏太阳能电池组的结构布置示意图。如图5所示，为了方便描述将光伏太阳能电池组的结构旋转为正面示意，太阳能电池组由多个串联成线性布置的光伏电池15组成，布置于菲涅尔太阳能据集装置的线性焦线位置上，线性布置的太阳能电池组周边布置两种复合抛物聚集器装置(CPC)9，分别为沿线性焦线平行方向设置和阵列的复合抛物聚集器装置(CPC)9-1，对线性焦线垂直方向的光线进行一定的会聚；沿线性焦线的垂直方向(径向)上设置且沿线性 焦线平行方向阵列的复合抛物聚集器装置(CPC)9-2；太阳光线入射至复合抛物聚集器装置(CPC)9-2后，经反射至布置于复合抛物聚集器装置(CPC)9底部光伏电池15，如此可以实现增加线性焦线垂直方向上的容差性能，同时可以减少在线性焦线平行方向上接收光伏电池的数目，提高聚光倍数和利用效率，且形成沿焦线方向排布的间断准二维聚光接收；多个复合抛物聚集器装置(CPC)开口位置可以设置高透过率薄玻璃16进行封盖，与光伏电池15形成密闭空间腔体，保护复合抛物聚集器装置(CPC)9的反射涂层，保证其使用效率和提高其使用寿命。
图6是本实用新型的接收装置为光热太阳能集热管的结构布置示意图。如图6所示，接收装置3由至少一个U型集热管6组成，多条U型集热管6并列组成。每个U型集热管6分别包括玻璃套管7、内层吸收管8和外层布置的复合抛物聚集器装置(CPC)9。在实施的运行中多个U型集热管6的进出口在同一端，且每个U型集热管6设置有自力式温控阀14，不需电子闭环控制装置，运行稳定可靠，实现简单；通过自力式温控阀14检测出口温度，通过温度控制流量的大小，保持一定恒定温度的传热介质输出和运行安全；U型集热管6的内层吸收管8内部为传热介质，具有良好的吸收涂层的内层吸收管8布置于玻璃套管7内，两者形成的内部空间保持真空状态，或处于动态真空状态，以减少U型集热管内部的对流热损失且保护内层吸收管的吸收涂层，延长使用寿命；为了提高太阳光线的接收能力，增大接收装置3的容差性、获得更高的聚光倍率和更好的光线接收的均匀性，在U型集热管6装置的外部布置复合抛物聚集器装置(CPC)9；其开口处可以布置高透过率薄玻璃16进行封盖，与玻璃套管7形成密闭空间腔体，保护复合抛物聚集器装置(CPC)9的反射涂层，保证其使用效率和提高其使用寿命。
显而易见，在不偏离本实用新型的真实精神和范围的前提下，在此描述的本实用新型可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本实用新型所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。
Claims (19)
1.一种菲涅尔聚集装置，包括反射镜镜场(2)、接收装置(3)和检修通道(10)，其特征在于：所述反射镜镜场(2)由一条以上平行布置的反射镜条(4)组成，所述接收装置(3)平行布置于所述反射镜条(4)焦线位置上，所述维护检修空间(10)设置在所述反身镜镜场(2)的下底部。
2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述反射镜条(4)在所述反射镜镜场(2)垂直截面内的反射镜条转轴位置沿曲线布置。
3.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述反射镜条(4)在所述反射镜镜场(2)垂直截面内的反射镜条转轴位置沿凹型曲线布置。
4.根据权利要求3所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述反射镜条(4)在所述反射镜镜场(2)垂直截面内的反射镜条转轴位置布置的凹型曲线拟合为两段直线。
5.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述反射镜条(4)所处位置越接近接收装置(3)正下方的中心位置，其对应的反射镜条(4)的宽度越宽。
6.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于，所述反射镜镜场(2)中位于接收装置(3)正下方中间位置的反射镜条(4)可以通过临时移开形成中心通道(13)。
7.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述反射镜镜场(2)设置有连杆(11)。
8.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述反射镜镜场(2)下部设置有一拱形支撑结构(12)。
9.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述反射镜条(4)的反射面型为柱面。
10.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述 接收装置(3)包括线性集热器。
11.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述接收装置(3)包括至少一个U型集热管(6)，所述U型集热管(6)之间并列布置。
12.根据权利要求10所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述线性集热器包括玻璃套管(7)、内层吸收管(8)和复合抛物聚集器装置(9)。
13.根据权利要求11所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述U型集热管(6)设置有自力式温控阀(14)。
14.根据权利要求12所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述玻璃套管(7)和内层吸收管(8)形成的空间保持真空状态。
15.根据权利要求12所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述玻璃套管(7)和内层吸收管(8)形成的空间保持动态真空状态。
16.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述维护检修空间(10)距离地面高度大于等于1.5米。
17.根据权利要求1所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述接收装置(3)包括线性布置的太阳能电池组。
18.根据权利要求17所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述线性布置的太阳能电池组沿线性焦线平行的方向上设置复合抛物聚集器装置(9)。
19.根据权利要求18所述的一种菲涅尔聚集装置，其特征在于：所述复合抛物聚集器装置(9)开口位置设置玻璃(16)进行封盖，与光伏电池(15)形成密闭空间腔体。
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